硅中间隙分子型双施主复合物的动力学

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Dynamics of interstitial molecular-type double donor complexes in silicon

通过互补时间分辨光谱技术研究硅中分子型镁相关双受主（Mg-X）的动力学特性，发现其激发态寿命（7-9皮秒）比单受主快但比某些双受主慢，揭示了多声子辅助散射和晶格声子耦合对受主态退相干的影响。实验表明第二声子辅助过程效率高于预期，需重新评估深能级受主在半导体中的动力学机制。

　　镁相关分子型施主在硅中的动力学特性研究揭示了这些施主在低掺杂硅晶格中表现出非常短的退相干时间，这是其激发态的重要特征。研究采用互补的时间分辨光谱技术，如泵浦-探测（PP）、光子回波（PE）和瞬态光栅（TG），以探索这些分子施主的衰减过程。通过这些方法，研究人员发现，某些分子施主的最深激发态的退相干时间不足10皮秒（ps），并且其弛豫速率超过30纳秒（ns）的倒数。这一结果与单电子氢类施主的退相干时间相比要短得多，但又比氦类间隙原子镁中心的退相干时间长。这些时间尺度表明，分子型施主的电子态退相干机制可能与晶格声子辅助散射有关，但其效率被低估了。

分子型施主在半导体材料中的重要性在于它们能够扩展和改变传统单原子掺杂半导体的物理特性。这类施主通常包含至少一个缺陷（如空位V或不在晶格位置的宿主原子）或一个间隙中心（X_i），这些因素决定了其分子能谱、电子态寿命、与其他缺陷和晶格的耦合以及长期化学稳定性。研究指出，镁（二价）原子在硅中可以形成多种具有不同结合能的光学活性施主，这些施主的能谱覆盖了从氢类浅层替换施主到更深层的氦类双电子替换施主之间的范围。这种宽泛的能谱可能为操作在远红外和中红外波段（包括8-14微米的地球大气窗口）的光电设备提供新的可能性。

分子型施主的动力学特性引起了广泛关注，因为它们在外部激发下能够展现出相干性的研究机会。与气态物质中的类似施主相比，分子施主在固态晶格中的相干时间尺度存在显著差异。分子能谱随着原子数量和分子间键的增加而变得更加复杂，同时电子态的相干性和振动激发态的寿命也会减少。因此，研究这些施主的退相干机制和衰减过程对于理解其在半导体材料中的行为至关重要。

研究采用互补的时间分辨光谱技术来测量分子型双镁施主的退相干时间。这些技术包括泵浦-探测、光子回波和瞬态光栅，它们能够提供关于电子态动力学的详细信息。通过这些技术，研究人员发现，分子施主的退相干时间与晶格声子辅助散射有关，而这种散射机制在之前的预测中未被充分考虑。例如，对于镁-氧（Mg-O）施主，其退相干时间被发现为50皮秒，而镁（Mg）原子施主的退相干时间则在7-9皮秒之间。这些结果表明，分子施主的退相干机制可能涉及多声子辅助的散射过程，而非传统的单声子辅助过程。

在实验中，研究人员使用了不同类型的样品，包括通过Czochralski法生长的掺杂硅样品和通过浮区法生长的样品。这些样品中包含了不同的镁相关施主，如Mg、Mg-O和Mg-X（即未知缺陷）。通过红外吸收光谱和电子顺磁共振（EPR）光谱，研究人员对这些施主的结构和动力学进行了表征。红外吸收光谱显示出镁相关施主的能谱特征，而EPR光谱则提供了关于电子自旋状态的信息。

在实验设置中，使用了自由电子激光（FEL）源，能够发射宽谱带限制的皮秒级脉冲。这些脉冲用于激发样品中的电子态，并通过探测信号来研究其动力学特性。为了提高测量的准确性，研究人员结合了多种时间分辨光谱技术，并对不同的衰减模型进行了拟合分析。结果显示，对于不同的施主类型和激发态，其退相干时间存在显著差异。例如，Mg-O施主的退相干时间比Mg原子施主更长，而Mg-X施主的退相干时间则介于两者之间。

研究还探讨了不同退相干机制对施主态衰减的影响。例如，通过分析瞬态光栅信号，研究人员发现，分子施主的退相干时间与单电子氢类施主相比更短，但比氦类间隙原子施主更长。这种差异可能源于分子施主的能谱结构和其与晶格声子的耦合方式。此外，研究还指出，某些施主的退相干时间与其能谱的半宽有关，这表明退相干过程可能受到电子态寿命的限制。

在结论部分，研究人员总结了他们的发现，指出分子型镁相关施主在硅中的退相干时间与传统的单电子施主相比具有显著的差异。这种差异可能与分子施主的多声子辅助散射机制有关，而非单声子辅助过程。此外，研究还强调了需要进一步探索分子施主的退相干机制，特别是与晶格局域振动模式（LVM）相关的可能性。这些发现为未来在半导体材料中开发新型分子型施主提供了重要的理论基础和实验依据。