动态太赫兹（THz）研究：金掺杂及激光退火对高掺杂硅中光注入载流子迁移率和寿命的影响

《Optical Materials》：Dynamic THz study of gold doping and laser annealing effects on mobility and lifetime of photoinjected carriers in hyperdoped silicon

　　硅样品中金超掺杂的载流子动力学特性及激光退火效应研究，采用飞秒激光光学泵浦/太赫兹探针光谱技术，通过不同浓度金离子注入（101?-1021 cm?3）和激光退火处理（三个模式），非接触测量了载流子散射时间（亚皮秒量级）、迁移率及寿命（纳秒至微秒量级），发现离子注入和激光退火对散射时间和迁移率影响显著，而寿命受表面复合和金离子陷阱复合共同作用。

　　

S.I. 库德里亚绍夫 | I.M. 波德列斯尼赫 | P.A. 吉佐夫 | V.V. 布尔加科娃 | A.A. 乌沙科夫 | 尤.G. 戈恩查罗夫 | V.A. 德拉文 | G. 克拉辛 | M.S. 科瓦列夫

俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所，莫斯科 119991，俄罗斯

摘要

本研究采用飞秒激光光泵浦/太赫兹（THz）探测光谱技术作为非侵入性、时间分辨的诊断工具，用于局部评估掺金硅样品的电学和结构特性。单晶Si(100)晶片在其近表面纳米层（厚度约150纳米）内进行了Au⁺离子注入，获得了四个数量级范围内的掺杂浓度（C_Au ～ 10¹⁸-10²¹ cm^-3），随后通过不同能量和曝光时间的纳秒脉冲激光进行退火处理（分为三种情况，分别标记为#1–#3）。光激发由800纳米、70飞秒的泵浦脉冲提供，在4-32 μJ/cm²的泵浦能量范围内产生了中等密度的电子-空穴等离子体（约10¹⁶-10¹⁷ cm^-3）。通过使用持续约2皮秒的太赫兹探测脉冲，在透射几何结构下研究了光激发等离子体的瞬态演化过程。这种方法能够直接测量受太赫兹驱动的载流子运动所控制的载流子散射时间，以及从太赫兹透射率的多纳秒级恢复动力学中推断出的载流子寿命。离子注入和激光退火对光注入载流子的散射时间和相关迁移率的影响不同。在厚约10微米的光激发层中，载流子寿命似乎受到离子注入和激光退火的显著影响，这种影响通过外表面和再结晶材料的晶界处的表面复合作用体现出来，并且部分由于近表面掺金层中陷阱辅助的肖克利-里德-霍尔复合作用而加剧。这种表征方法有助于基于太赫兹衍生的电子参数（即载流子迁移率和寿命）来比较评估和合理选择掺杂硅系统中的最佳注入浓度和退火条件，这些参数是光电子功能性的关键性能指标。

引言

通过非平衡技术（如离子注入[1]或激光辅助掺杂[2]）引入功能性掺杂剂（施主、受主或混合类型）对半导体进行超掺杂，随后进行退火处理[3]，可以得到具有增强物理特性的表面改性材料，尤其是光学吸收增强和光电响应改善[4, 5, 6, 7]。超掺杂方法和热处理协议的多样性要求进行系统的比较和优化，这需要采用综合的分析方法，包括结构、电学和光学表征技术。这种方法能够实现对超掺杂材料的空间分辨、多尺度理解——涵盖纵向纳米尺度和横向微米尺度[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]——从而在资源密集型的原型或最终设备制造之前间接评估其潜在的光电性能。

近年来，时间分辨的飞秒激光光泵浦/太赫兹探测（OPTP）技术作为一种强大的非侵入性诊断工具出现，能够以皮秒级的时间分辨率探测半导体中的超快载流子动态[15, 16]，这是传统的交流导电性[17]或交流光导性方法[18]无法实现的。该方法对自由载流子的演化非常敏感，它利用超短的光泵浦脉冲产生局部化的、低至中等密度的电子-空穴等离子体（EHP），其载流子密度与光电设备工作时的直流或交流条件下的载流子密度相当。随后，微弱的、延时的皮秒太赫兹探测脉冲用于探测EHP中的欧姆电流，从而捕获等离子体的时间衰减特性。这种衰减特性编码了载流子复合途径的动力学，包括奥杰复合、辐射复合和陷阱辅助的肖克利-里德-霍尔复合机制[19]，通过分析太赫兹吸收瞬态来实现。因此，该技术允许进行非接触式的、原位定量测量基本的光电参数：亚皮秒级的载流子-载流子和载流子-声子散射时间[20]（及其相关的电子迁移率），以及载流子寿命[21, 22, 23]，从而避免了样品制备过程中的平面化、表面清洁或欧姆接触形成等繁琐步骤。

在特定情况下，对于掺金（Au）的硅——一种位于间接带隙E_v+0.54 eV的深能级杂质——以往使用各种动态电学技术（包括OPTP）的研究主要集中在载流子寿命的测量上，发现其值取决于掺杂和微观结构，范围从10到800皮秒[21, 22, 23]。然而，对于Au掺杂硅系统，控制载流子在宿主晶格中传输迁移率的显著更快的（亚）皮秒级载流子散射时间尚未通过时间分辨的OPTP方法实验确定。

在本研究中，我们无需使用电欧姆接触，就非破坏性地研究了Au注入的超掺杂Si(100)纳米层中的关键光电参数——即电子散射时间、迁移率和寿命，其中杂质浓度范围为C_Au ～ 10¹⁸-10²¹ cm^-3。测量是在800纳米飞秒光泵浦脉冲诱导的低密度电子-空穴等离子体光激发后进行的，这些泵浦脉冲具有不同的能量，应用于参考的未掺杂晶体Si(100)和掺杂（h-Si）样品。通过监测时间延迟的皮秒太赫兹探测脉冲在光激发等离子体中的瞬态衰减，提取了c-Si和h-Si样品中感兴趣的动态特性——电子散射时间、迁移率和寿命，作为Au浓度和激光退火条件的函数。

样品制备与表征

选择了厚度为200微米的单晶硅（Si）晶片作为原始的c-Si基底，其电阻率≥ 1 kΩ·cm。这些基底具有双面抛光表面，并沿（100）晶体学方向排列。在实验处理之前，所有晶片都经过了包括RCA-1和RCA-2化学处理在内的标准化表面清洁程序，以去除有机残留物和金属离子污染物。

利用零延迟太赫兹脉冲吸收探测光生电子-空穴等离子体

晶体Si(100)在800纳米飞秒泵浦波长下具有本征的弱间接光学吸收，其折射率n₈₀₀ = 3.7，消光系数k₈₀₀ = 0.0065 [26]，相应的吸收系数α₈₀₀ = 10³ cm^-1，表面反射率R₈₀₀ = 0.33。在所使用的低峰值泵浦能量（F ≈ 6-50 μJ/cm²，相当于40飞秒脉冲峰值强度I ≈ 0.15-1.25 GW/cm²

结论性评论

在本研究中，我们使用飞秒激光光泵浦脉冲与时间延迟的太赫兹探测脉冲同步，对c-Si和掺金硅样品中的电子-空穴对进行光激发，并探测它们的瞬态、皮秒级欧姆电流响应。这种方法使我们能够系统地评估两个基本的光电参数——载流子散射时间（及其衍生的迁移率）和载流子寿命——作为注入金量的函数。

CRediT作者贡献声明

尤.G. 戈恩查罗夫： 软件开发。V.V. 布尔加科娃： 实验研究、数据管理。A.A. 乌沙科夫： 实验研究、形式分析。I.M. 波德列斯尼赫： 文稿撰写、审阅与编辑、实验研究。P.A. 吉佐夫： 项目管理、资金争取。谢尔盖·伊万诺维奇·库德里亚绍夫： 文稿撰写、审阅与编辑、初稿撰写、监督、概念构思。M.S. 科瓦列夫： 文稿撰写、审阅与编辑、监督、方法论设计。V.A. 德拉文： 资源协调。G. 克拉辛： 数据可视化、验证

资助

本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号25–79–30006）的支持；https://rscf.ru/en/project/25–79–30006/

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。