溅射沉积结合脉冲激光熔融外掺铝锗合金：超掺杂Ge:Al薄膜制备新策略及其在纳米电子与红外光子学中的应用

本研究针对锗基材料中掺杂浓度超越平衡溶解度的技术难题，创新性地采用磁控溅射沉积结合脉冲激光熔融(PLM)的非平衡工艺，成功制备出空穴浓度达3×1021 cm-3且100%电激活的超掺杂Ge:Al薄膜。通过多尺度表征揭示了熔融-再结晶动力学机制，为高性能纳米电子器件和中红外光电器件开发提供了新思路。

　　

在半导体材料领域，锗(Ge)因其优异的载流子迁移率和窄带隙特性，在纳米电子学、中红外光子学、γ射线探测和量子器件中展现出巨大潜力。然而，实现超越平衡溶解极限的超掺杂(hyper-doping)始终面临掺杂剂偏析和失活的技术瓶颈。传统热退火方法难以兼顾高掺杂浓度与晶体质量，离子注入又会引入晶格损伤，而分子束外延等低温生长技术则存在成本高昂、难以规模化等问题。

为解决这些挑战，研究人员开发了一种创新的外延(ex-situ)掺杂策略：通过磁控溅射交替沉积4 nm铝(Al)和10 nm非晶锗(a-Ge)薄膜，利用248 nm KrF脉冲激光(22 ns脉宽)实现纳米级精度的熔融-再结晶。这种非平衡工艺使铝原子在液态锗中获得超高扩散系数，通过动态有效分凝系数接近1的特性，成功将铝掺杂浓度提升至3×10²¹ cm^-3，较传统离子注入后热退火方法的最高记录(1×10²¹ cm^-3，44%激活率)实现数量级突破。

研究采用多尺度表征技术体系：二次离子质谱(SIMS)揭示铝的扩散剖面显示，在320-500 mJ/cm²能量密度下可实现150 nm掺杂深度；原子力显微镜(AFM)观察到不同熔融阶段特征形貌演变，如300 mJ/cm²时出现的75 nm高Al富集丘；扫描透射电镜(STEM)证实500 mJ/cm²处理后在35 nm表层形成纳米晶结构；拉曼光谱在340 cm^-1新峰证实了Al-Ge键合；范德堡霍尔测试测得25 cm²/Vs的空穴迁移率，符合Masetti模型对超掺杂体系的预测。

研究结果部分：

1. 熔融动力学：SIMS结合AFM将工艺分为四个阶段：a-Ge/Al部分熔融(<120 mJ/cm²)、完全熔融(140-280 mJ/cm²)、c-Ge部分熔融(300-320 mJ/cm²出现Al表面偏析)和均匀熔融(>340 mJ/cm²)。
2. 结构演化：4D-STEM衍射显示200 mJ/cm²处理的样品形成<2 nm纳米晶，而500 mJ/cm²样品在MMD(最大熔深)处发生外延再生长。
3. 电学性能：多脉冲处理使360 mJ/cm²样品的空穴浓度从0.7提升至1.5×10¹⁶ cm^-2，500 mJ/cm²单脉冲即可实现100%电激活。

该研究通过精确控制PLM能量密度与脉冲次数，首次在Ge中实现3×10²¹ cm^-3的p型超掺杂，突破了固态溶解度极限。所开发的溅射-PLM联用技术兼具纳米级空间选择性和工业化扩展潜力，为制备高性能Ge基红外探测器、辐射传感器及量子器件提供了新范式。论文发表于《Applied Surface Science》，通讯作者Enrico Napolitani团队的工作为后道工艺中局部掺杂接触的制备开辟了低温解决方案。