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刘国栋、王贵兵、李剑峰、付博和罗福是中国工程物理研究院流体物理研究所的研究团队成员，他们在2009年3月的《光学期刊》（Acta Optica Sinica）第29卷第3期上发表了题为《绝缘衬底上硅表面载流子的超快动力学研究》的研究论文。

该研究属于光学与半导体物理领域，主要探讨了绝缘衬底上的硅（SOI, Silicon-on-Insulator）表面载流子在飞秒激光激励下的超快动力学行为。随着现代电子器件向高速、小型化方向发展，了解和优化SOI结构中载流子的动力学特性变得尤为重要。SOI技术通过在顶层单晶硅和背衬底之间引入一层氧化埋层，使得基于SOI结构的器件可以减少结电容和漏电流，从而获得更快的开关速度。此外，在亚微米、纳米量级的半导体膜层中，电子渡越时间可以缩短至一皮秒甚至几百飞秒，这一时间尺度已进入电声子散射过程或表面复合过程主导的时间范围。因此，为了提高高速器件的性能，需要在超短时间尺度内研究载流子的动力学特性。

研究工作包括三个主要步骤：样品制备、实验测量和数据分析。首先，实验使用的光源是掺钛蓝宝石飞秒激光系统，中心波长800nm，脉宽（半峰全宽，FWHM）80fs。飞秒脉冲经分束镜分为抽运光和探测光，抽运光垂直辐照样品表面，光斑直径为200μm；探测光入射角小于10°，其靶面光斑完全落入抽运光斑中，直径100μm。实验样品为直径100mm的硅晶圆SOI（上海SimGui公司），根据顶层单晶硅薄膜厚度不同分别有10μm、1μm和200nm三种规格。样品在垂直于入射面内可二维移动，每个延时点探测一个新的位置。其次，利用800nm波长飞秒激光瞬态抽运探测技术测量了具有不同厚度单晶硅薄膜的SOI表面反射率在皮秒量级内的变化过程。最后，采用包含受激载流子密度和晶格温度随时间变化的一维耦合扩散模型对实验结果进行数值模拟。

实验结果显示，在相同入射能量密度条件下，具有不同单晶硅薄膜厚度的SOI表面瞬态反射率变化过程存在显著差异。其中，10μm厚度硅薄膜的反射率瞬态响应与单晶硅片的响应过程相近。随着薄膜厚度的减小，δR/R下降至谷底的时间更短，且恢复过程更快，在实验时间内逐渐由负值变为正值。对于厚度为10μm、1μm和200nm的硅薄膜，δR/R分别在35ps内、20ps内和10ps内就由负值变为正值，且膜厚越小，正的δR/R就越大。这些结果表明，表面复合速度（SRV, Surface Recombination Velocity）是影响载流子动力学响应的主要因素，且薄膜厚度越小表面复合速度就越大。通过对不同厚度的单晶硅薄膜表面瞬态反射率变化实验结果的数值模拟，发现随着薄膜厚度的减小，SRV逐渐增大，经拟合分别得到平均表面复合速度SRV=8.8×10^6 cm/s、1.5×10^7 cm/s和2.5×10^7 cm/s。数值计算与实验结果的较好吻合，进一步证明表面复合是影响表面载流子动力学过程的主要因素。

该研究得出结论：表面复合速度是影响载流子动力学响应的主要因素，且薄膜厚度越小表面复合速度就越大。对于较小的SRV，受激载流子的超快响应决定了瞬态反射率变化；而对于较大的SRV，晶格温升对瞬态反射率变化的贡献变得显著，使得反射率在更短的时间内恢复并超过初始值。这项研究不仅揭示了SOI结构中载流子超快动力学行为的基本规律，还为优化高速电子器件的设计提供了重要的理论依据。研究方法的创新之处在于结合飞秒激光抽运探测技术和一维耦合扩散模型，成功地分析了不同厚度硅薄膜表面的瞬态反射率变化过程。

该研究的重要发现包括：表面复合速度（SRV）是影响载流子动力学响应的主要因素，且薄膜厚度越小表面复合速度就越大；对于较小的SRV，受激载流子的超快响应决定了瞬态反射率变化；而对于较大的SRV，晶格温升对瞬态反射率变化的贡献变得显著。研究方法的创新之处在于结合飞秒激光抽运探测技术和一维耦合扩散模型，成功地分析了不同厚度硅薄膜表面的瞬态反射率变化过程。此外，研究还发现硅薄膜表面态密度可高达10^15 cm^-2，这为理解薄膜材料的表面复合机制提供了新的视角。

这项研究不仅深化了我们对SOI结构中载流子超快动力学行为的理解，还为未来高速电子器件的设计和优化提供了重要的理论指导。通过结合先进的实验技术和数值模拟方法，研究团队成功地揭示了表面复合速度对载流子动力学响应的关键作用，为相关领域的进一步研究奠定了坚实的基础。