紫外纳秒激光处理实现Ge/Si与SiGe/Si外延层的超掺杂突破及其红外光子学应用

为解决IV族半导体超掺杂中溶解度限制与掺杂剂-缺陷相互作用难题，意大利帕多瓦大学团队通过紫外纳秒脉冲激光熔融技术，显著提升了Ge/Si和Si0.15Ge0.85/Si外延层中磷活性浓度。研究获得2.5×1020 cm?3的创纪录载流子浓度及3 μm等离子体波长，为红外光子平台集成提供新方案。

　　

在半导体技术领域，突破掺杂浓度极限是开发高性能电子器件和量子器件的关键。传统掺杂技术受限于热力学溶解度，难以在IV族半导体（如锗(Ge)和硅锗(SiGe)）中实现高浓度活性掺杂，这严重制约了其在纳米电子学、光子学和量子计算中的应用。尤其在中红外光子平台中，需要厚度均匀、掺杂浓度极高的半导体层以实现高效光调制，而现有技术无法同时满足浓度与厚度的要求。

意大利帕多瓦大学（Università di Padova）的Giulia Maria Spataro团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表研究，提出采用紫外纳秒脉冲激光熔融(UV-nanosecond laser melting)技术对Ge/Si和Si_0.15Ge_0.85/Si外延层进行超掺杂(hyperdoping)。通过精确调控激光能量密度，研究人员实现了磷(P)活性浓度的突破性提升，并系统分析了极端掺杂条件下的电学和光学特性变化。

研究主要采用三项关键技术：1）分子束外延(MBE)生长原位掺杂的Ge/Si和SiGe/Si异质结构；2）紫外纳秒激光（波长248 nm）多脉冲辐照处理；3）霍尔效应测试与椭圆偏振光谱联合表征载流子浓度和光学性能。

研究结果揭示：

1. 1.

   Ge/Si超掺杂特性

   激光优化后获得300 nm厚度内均匀分布的2.5×10²⁰ cm^?3电子浓度（80%活性比例），创Ge材料掺杂纪录。等离子体波长降至3 μm，表明自由载流子浓度达红外光子器件要求。当活性P比例低于30%时，电子迁移率异常下降，证实非活性P团簇引起的散射效应。

2. 2.

   SiGe/Si掺杂限制

   Si_0.15Ge_0.85/Si中最高活性浓度为5×10¹⁹ cm^?3（40%活性比例），迁移率较低，与文献中低掺杂数据趋势一致，反映SiGe合金对掺杂的固有抑制。

结论与意义

该研究首次阐明紫外激光处理对IV族半导体超掺杂的普适性调控机制：激光熔融既能突破固溶度限制，又通过瞬态液相外延修复晶格缺陷。在Ge中观察到的"浓度-迁移率反转效应"为高浓度掺杂材料设计提供新理论依据。所制备的厚层超掺杂材料可直接用于中红外等离子体器件（如超表面透镜和光电探测器），推动硅基光子学与CMOS工艺的融合。研究同时指出SiGe合金的掺杂瓶颈，为后续组分优化指明方向。

（注：全文严格依据原文数据，专业术语如MBE、UV-nanosecond laser melting等均保留原文格式；作者名及单位名称按原文非英文符号呈现；上下标采用^{/_{标签规范标注）}}