南开新闻网讯（通讯员 程丹）近期，南开大学物理科学学院吴强、周旭、许京军教授课题组在面向CMOS的飞秒激光过饱和掺杂技术和硅基光电探测器领域取得了重要进展。该研究成果以“Pulse-shaped femtosecond-laser-modified Si:S photodetector for ultrawide-spectrum focal plane arrays and weak-light detection”（用于超宽光谱焦平面阵列及弱光探测的脉冲整形飞秒激光改性硫掺杂硅光电探测器）为题发表于工程/制造学科领域国际著名学术期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》。南开大学为论文第一完成单位，论文第一作者为南开大学博士研究生曹家欣。
随着人工智能、自动驾驶、空间遥感、高速通信等前沿技术的快速发展，产业界对能够覆盖可见光至红外波段的光电探测器的需求日益迫切，CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor）是这类器件的典型代表。尤其是在消费电子、工业检测以及国防军工等领域，近红外焦平面探测器的应用需求愈发凸显，已成为推动相关技术发展的关键环节。传统的基于InGaAs、InSb、HgCdTe等材料的红外光电探测器普遍存在成本高昂、具有生物毒性风险、需要低温工作环境以及与标准CMOS工艺不完美兼容等问题。因此，亟需开发兼具高性能、CMOS工艺兼容性、片上集成能力和室温工作特性的宽光谱硅基光电探测器。
我校研究团队针对飞秒激光过饱和掺杂技术在先进光电器件规模化生产应用和CMOS焦平面阵列探测器制备中的核心瓶颈，系统优化从材料制备到器件集成的全技术链条。在理论分析与实验验证的深度融合中，实现过饱和掺杂硅材料制备技术与后续退火工艺的优化。开发了脉冲整形飞秒激光改性技术和平整过饱和掺杂硅制备技术，光电器件综合性能取得了重大突破，有望发展新型硅基的可见光至红外波段的多波长焦平面阵列探测器，并推动飞秒激光过饱和掺杂技术成为半导体工业的新一代标准工艺。
其中一项重要突破，为满足飞秒激光过饱和掺杂硅在大面积焦平面阵列探测中的制备需求，南开大学团队将脉冲整形技术与飞秒激光过饱和掺杂技术深度融合，精准调控飞秒激光与材料的相互作用过程，在单晶硅基底上诱导出均匀微锥结构的同时实现硫（S）元素的过饱和掺杂。系统性测试表明，整形飞秒激光脉冲能够显著提升掺杂硅材料表面微结构和掺杂元素分布的均匀性，并且可以有效抑制加工过程中结构缺陷的产生。基于上述优点，脉冲整形飞秒激光过饱和掺杂硅材料制备的光电探测器的暗电流被有效抑制，较传统飞秒激光过饱和掺杂硅基光电探测器降低了两个数量级。同时，脉冲整形飞秒激光过饱和掺杂硅光电探测器实现了从可见光到近红外（400–1550 nm）的超宽光谱高灵敏度室温探测，探测器的核心技术指标均为目前硅基光电探测器的领先水平：峰值光谱响应度达到了164.17 A·W-1，峰值比探测率高达1.71 × 1014 Jones，创下同类型硅基光电探测器的最高纪录。同时器件展现出超强的弱光探测能力，与处于行业领先水平的商用硅基PIN光电探测器相比，将最弱可探测光强降低了200倍以上。基于脉冲整形飞秒激光制备的过饱和掺杂硅光电探测器，凭借其突出的弱光探测能力、超大的动态范围和超宽光谱探测能力，在自动驾驶、激光雷达、弱光夜视成像及高精度医疗诊断等领域展现出显著的应用前景。
图1 脉冲整形飞秒激光改性硅基光电探测器在实际应用中的整体设计
图2 脉冲整形飞秒激光改性硅基光电探测器弱光探测能力的实验验证
图3 平整飞秒激光改性硅在CMOS工艺中的应用设计
研究团队同时还解决了与CMOS工艺兼容的一些关键难题，发展了多项新技术。在保持硫元素过饱和掺杂的同时，保持了材料原子级别的平整度；在飞秒激光过饱和掺杂材料保持单晶结构的同时，实现了高效掺杂激活。
上述研究成果是飞秒激光过饱和掺杂技术从实验室走向产业界的重要跨越，优异的工艺兼容性使该技术有望被推广至更广泛的半导体材料与器件领域，进而推动半导体产业的发展。
相关工作不仅发表多篇学术论文，还获得了国家发明专利授权十余项。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
原文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae3b83/meta
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