硫超掺杂硅中载流子动力学的飞秒激光泵浦/太赫兹探针特征时间尺度研究

研究人员通过飞秒激光光学泵浦/太赫兹探针技术，探究了硫超掺杂硅（S-hyperdoped Si）中载流子动力学的特征时间尺度。该研究解决了高浓度硫掺杂对硅材料载流子迁移率和寿命的影响问题，揭示了不同掺杂浓度（CS～1019-1021 cm?3）及激光退火处理对载流子散射时间和复合动力学的调控机制。结果表明，超掺杂硅的载流子散射时间显著缩短，为优化硅基光电器件性能提供了重要依据。

　　

硅作为现代半导体工业的基石，其光电性能的调控一直是研究热点。然而，传统硅材料在红外波段的光电响应较弱，限制了其在宽谱光电器件中的应用。近年来，超掺杂（hyperdoping）技术通过引入高浓度杂质（如硫），在硅中形成“杂质带”（impurity-band），显著拓展了硅的光电性能。但高浓度掺杂会引入缺陷和晶格畸变，导致载流子迁移率和寿命下降，这一矛盾亟待解决。

为探究硫超掺杂硅的载流子动力学特性，来自国内研究机构（根据作者署名推测）的S.I. Kudryashov团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表了最新成果。研究采用飞秒激光光学泵浦/太赫兹探针（fs-laser optical pump/THz probe）技术，系统分析了不同硫浓度（C_S～10¹⁹-10²¹ cm^?3）及激光退火（PLA）处理的硅样品中载流子的超快散射和复合过程。

关键技术方法

研究选用450 nm厚的硫离子注入硅（Si(100)）样品，通过纳秒激光退火（PLA）调控缺陷态。采用800 nm飞秒激光（40 fs脉宽）激发电子-空穴等离子体（密度～10¹⁹-10²⁰ cm^?3），并以时间延迟的太赫兹脉冲（0.5 THz）探测载流子动力学。通过对比未掺杂晶体硅（c-Si）与超掺杂样品的太赫兹吸收系数差异，解析载流子散射时间（sub-picosecond尺度）和寿命（nanosecond尺度）。

研究结果

1. 样品制备

通过氢氟酸（HF）清洗去除硅片表面氧化层，采用离子注入技术制备硫浓度梯度样品（C_S～10¹⁹-10²¹ cm^?3），并利用纳秒激光退火修复晶格损伤。

2. 太赫兹探针揭示载流子超快动力学

在未掺杂c-Si中，太赫兹吸收显示载流子-声子散射时间为亚皮秒级（sub-picosecond），复合寿命达纳秒级。中等硫掺杂（C_S～10¹⁹-10²⁰ cm^?3）样品因超薄掺杂层对太赫兹吸收贡献微弱，动力学与c-Si相似；而高浓度掺杂（C_S～10²¹ cm^?3）样品因缺陷主导散射，载流子迁移率显著降低。

3. 结论与意义

研究首次通过飞秒泵浦/太赫兹探针技术量化了硫超掺杂硅中载流子散射与复合的时间尺度差异，揭示了高浓度掺杂导致缺陷态增加的机制。该成果为硅基红外光电器件的掺杂工艺优化提供了理论依据，同时展示了太赫兹探针技术在半导体材料表征中的独特优势。

讨论

作者指出，激光退火可部分修复高浓度硫掺杂引起的晶格损伤，但无法完全消除缺陷对载流子迁移率的影响。未来需结合原子级表征技术（如TEM）进一步解析缺陷-杂质相互作用机制。这项研究不仅深化了对超掺杂半导体载流子动力学的理解，也为开发高性能硅基光电器件开辟了新路径。