vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2026-71-1-67-78vestift-929Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGВлияние режимов термообработки на структуру и оптические свойства слоев кремния, гипердопированных селеномEffect of heat treatment modes on the structure and optical properties of silicon layers hyperdoped with seleniumКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна – кандидат технических наук, заместитель главного инженера 

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск 

Natalia S. Kovalchuk – Cand. Sci. (Engineering), Deputy Chief Engineer  

121A, Kazinets St., 220108, Minsk 

nkovalchuk@integral.byhttps://orcid.org/0000-0002-8300-1070МильчанинО. В.MilchaninO. V.

Мильчанин Олег Владимирович – старший научный сотрудник 

Oleg V. Milchanin – Senior Researcher

7, Kurchatov St., 220045, Minsk  

milchanin@tut.byhttps://orcid.org/0000-0001-8292-8942КомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией 

ул. Курчатова, 5, 220045, Минск 

Fadei F. Komarov – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Laboratory at A. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems 

7, Kurchatov St., 220045, Minsk  

komarovf@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0003-0982-3938ПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник  

ул. Курчатова, 5, 220045, Минск 

Irina N. Parkhomenko – Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Leading Researcher 

 5, Kurchatov St., 220108, Minsk 

parhomir@yandex.byhttps://orcid.org/0000-0002-0225-2936РомановИ. А.RomanovI. A.

Романов Иван Александрович – заведующий учебной лабораторией 

Ivan A. Romanov – Head of the Educational Laboratory 

 5, Kurchatov St., 220108, Minsk 

romivan@bsu.byГофэнЯ.GuofengYa.

Гофэн Ян – доктор наук, профессор 

проспект Лиху, 1800, 214122, Уси 

Guofeng Yang – Dr. Sci., Professor, School of Science, Jiangsu Provincial Research Center of Light Industrial Optoelectronic Engineering and Technology 

1800, Lihu Ave., 214122, Wuxi 

gfyang@jiangnan.edu.cnhttps://orcid.org/0000-0003-2120-4849ЦзюньцзюньС.JunjunX.

Цзюньцзюнь Сюэ – кандидат наук, доцент

ул. Вэньюань, 9, 210023, Нанкин 

Junjun Xue – Ph. D., Associate Professor 

9, Wenyuan Road, 210023, Nanjing 

jjxue@njupt.edu.cnХарловичЮ. В.KharlovichYu. V.

Харлович Юлия Владимировна – младший научный сотрудник Института прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко 

ул. Курчатова, 7, 220045, Минск 

Yuliya V. Kharlovich – Junior Researcher  

7, Kurchatov St., 220045, Minsk 

yuliya.nii.pfp@gmail.comРоговаяИ. С.RogovayaI. S.

Роговая Ирина Сергеевна – младший научный сотрудник 

ул. Курчатова, 7, 220045, Минск 

Irina S. Rogovaya – Junior Researcher

7, Kurchatov St., 220045, Minsk  

rogovayaira.151299@gmail.comОАО «Интеграл»OJSC “Integral”Институт прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State UniversityБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityШкола науки, Цзяннаньский университетSchool of Science, Jiangnan UniversityШкола электронной и оптической инженерии и Школа гибкой электроники Нанкинского университета почт и телекоммуникацийSchool of Electronic and Optical Engineering and School of Flexible Electronics Nanjing University of Posts and Telecommunications2026310320267116778Copyright © Ковальчук Н.С., Мильчанин О.В., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Романов И.А., Гофэн Я., Цзюньцзюнь С., Харлович Ю.В., Роговая И.С., 20262026Ковальчук Н.С., Мильчанин О.В., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Романов И.А., Гофэн Я., Цзюньцзюнь С., Харлович Ю.В., Роговая И.С.Kovalchuk N.S., Milchanin O.V., Komarov F.F., Parkhomenko I.N., Romanov I.A., Guofeng Y., Junjun X., Kharlovich Y.V., Rogovaya I.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/929

Ионной имплантацией Se (3,1 · 1015 см–2, 140 кэВ) с последующими тремя типами изотермической тер­ мообработки и с использованием импульсного лазерного отжига (ИЛО, 70 нс, 2 Дж/см2) получены гипердопированные селеном слои кремния на кремнии. Резерфордовское обратное рассеяние (РОР) ионов He+ в случайном и каналированном режимах и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) использовались для анализа структурного состояния, распределения концентрации внедренной примеси и примеси в узлах кристаллической решетки Si по глубине до и после термообработок. Результаты, полученные методом РОР, свидетельствуют о том, что после ИЛО 72 % внедренной примеси находится в замещающем положении, часть ее уходит на поверхность. При изотермических отжигах ~ 50 % атомов Se попадает в узлы решетки Si, часть их уходит на сток на глубине, соответствующей исходному интерфейсу аморфный слой – кристалл до термообработки. Заметное увеличение оптического поглощения (~ 20 %) в ИК-диапазоне (1,1–2,5 мкм) зарегистрировано только при ИЛО имплантированного слоя, а для изотермических отжигов оно не превышало 1–2 %. Результаты исследований свидетельствуют о том, что большая часть атомов Se в узлах решетки кремниевой матрицы после равновесных термообработок находится в электрически неактивных состояниях. Такой эффект можно объяснить формированием большого количества нейтральных комплексов атомов селена, когда они встраиваются в соседние узлы кремниевой решетки и образуют ковалентные связи друг с другом. Сверхпересыщенные селеном слои кремния являются перспективным материалом для изготовления эффективных широкополосных фотоприемников и солнечных элементов со встроенной промежуточной подзоной в запрещенной зоне кремния. 

Selenium hyperdoped silicon layers were obtained by Se ion implantation (3.1 · 1015 cm–2, 140 keV) followed by three types of isothermal heat treatment and using pulsed laser annealing (PLA, 70 ns, 2 J/cm2). Rutherford backscattering spectrometry (RBS) of He+ ions in random and channeled modes and transmission electron microscopy (TEM) were employed to analyze the structure, concentration depth distributions of the implanted impurity and impurity in the Si crystal lattice sites before and after heat treatments. The results obtained by the RBS method indicate that after PLA, 72 % of the introduced impurity is in a substitutional position, and part of it goes to the surface. At isothermal annealing ~ 50 % of Se atoms get into the Si lattice sites, a part of them goes to the drain at the depth corresponding to the initial amorphous layer – crystal interface before heat treatment. A noticeable increase in optical absorption (~ 20 %) in the IR range (1.1–2.5 μm) was registered only at PLA of the implanted layer, and for isothermal annealing it did not exceed 1–2 %. The results of the studies indicate that most of the Se atoms in the sites of the silicon matrix lattice are in electrically inactive states after equilibrium heat treatments. This effect can be explained by the formation of a large number of neutral complexes of selenium atoms, when they are embedded in neighboring sites of the silicon lattice and form covalent bonds with each other. Selenium supersaturated silicon layers are a promising material for the fabrication of efficient broadband photodetectors and solar cells with an embedded intermediate subzone in the silicon forbidden zone. 

кремнийимплантация Seравновесные и импульсная термообработкиструктураэлектросопротивление слояконцентрация носителей токаоптические свойстваsiliconSe implantationequilibrium and pulse heat treatmentsstructurelayer electrical resistancecurrent carrier concentrationoptical propertiesработа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № Ф26КИ-011).the work was financially supported by the Belarusian Republic Foundation for Fundamental Research (grant no. F26KI-011).ReferencesLi, C. Infrared absorption and sub-bandgap photo-response of hyperdoped silicon by ion implantation and ultrafast laser melting / C. Li, J. H. Zhao, Z. G. Chen // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 883. – Art. ID 160765. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160765Li C., Zhao J. H., Chen Z. G. Infrared absorption and sub-bandgap photo-response of hyperdoped silicon by ion implantation and ultrafast laser melting. Journal of Alloys and Compounds, 2021, vol. 883, art. ID 160765. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160765Hyperdoped silicon: Processing, properties, and devices / Z. Tong, M. Bu, Y. Zhang [et al.] // Journal of Semicon­ ductors. – 2022. – Vol. 43, № 9. – Art. ID 093101. https://doi.org/10.1088/1674-4926/43/9/093101Tong Z., Bu M., Zhang Y., Yang D., Pi X. Hyperdoped silicon: Processing, properties, and devices. Journal of Semiconductors, 2022, vol. 43, no. 9, art. ID 093101. https://doi.org/10.1088/1674-4926/43/9/093101Слои кремния, гиперпересыщенные теллуром, для фотодиодов видимого и инфракрасного диапазонов / Ф. Ф. Комаров, C. Б. Ластовский, И. А. Романов [и др.] // Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91, № 12. – С. 2028– 2039. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.12.51769.144-21Komarov F. F., Lastovskii C. B., Romanov I. A., Parkhomenko I. N., Vlasukova L. V., Ivlev G. D., Berencen Y., Tsivako A. A., Koval’chuk N. S., Wendler E. Te-hyperdoped silicon layers for visible-to-infrared photodiodes. Technical Physics, 2022, vol. 67, no. 15, pp. 2448. https://doi.org/10.21883/TP.2022.15.55273.144-21Energy Levels of Defects Created in Silicon Supersaturated with Transition Metals / H. García, H. Castán, S. Dueñas [et al.] // Journal of Electronic Materials. – 2018. – Vol. 47. – P. 4993–4997. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6227-4García H., Castán H., Dueñas S., García-Hemme E., García-Hernansaz R., Montero D., González-Díaz G. Energy Levels of Defects Created in Silicon Supersaturated with Transition Metals. Journal of Electronic Materials, 2018, vol. 47, pp. 4993–4997. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6227-4Effect of Pulsed Laser Annealing on Optical Properties of Selenium-Hyperdoped Silicon / F. F. Komarov, I. N. Parkhomenko, O. V. Mil’chanin [et al.] // Optics and Spectroscopy. – 2021. – Vol. 129, № 10. – P. 1114–1124. https://doi.org/10.1134/S0030400X21080105Komarov F. F., Parkhomenko I. N., Mil’chanin O. V., Ivlev G. D., Vlasukova L. A., Żuk Yu., Tsivako A. A., Koval’chuk N. S. Effect of Pulsed Laser Annealing on Optical Properties of Selenium-Hyperdoped Silicon. Optics and Spectroscopy, 2021, vol. 129, no. 10, pp. 1114–1124. https://doi.org/10.1134/S0030400X21080105Feldman, L. C. Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography / L. C. Feldman, W. Mayer, S. T. Picraux. – New York: Academic, 1982. – 300 p. 7. Simulation of the process of two-beam ion implantation in multilayered and multicomponent targets / A. F. Komarov, F. F. Komarov, P. Żukowski [et al.] // Vacuum. – 2001. – Vol. 63, № 4. – P. 495–499. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00228-7Feldman L. C., Mayer W., Picraux S. T. Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography. New York, Academic Publ., 1982. 300 p.Kodera, H. Diffusion coefficients of Impurities in Silicon Melt / H. Kodera // Japanese Journal of Applied Physics. – 1963. – Vol. 2. – P. 212–216. https://doi.org/10.1143/JJAP.2.212Komarov A. F., Komarov F. F., Żukowski P., Karwat Cz., Kamarou A. A. Simulation of the process of two-beam ion implantation in multilayered and multicomponent targets. Vacuum, 2001, vol. 63, no. 4, pp. 495–499. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(01)00228-7Борисенко, В. Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве / В. Е. Борисенко. – Мн.: Наука и техника, 1992. – 247 с.Kodera H. Diffusion coefficients of Impurities in Silicon Melt. Japanese Journal of Applied Physics, 1963, vol. 2, pp. 212–216. https://doi.org/10.1143/JJAP.2.212Dynamics of the nanosecond laser annealing of silicon / V. A. Pilipovich, V. Z. Malevich, G. D. Ivlev, V. V. Zhidkov // Journal of Engineering Physics. – 1985. – Vol. 48. – P. 228–233. https://doi.org/10.1007/BF00871878Borisenko V. E. Solid-Phase Processes in Semiconductors Under Pulse Heating. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1992. 247 p (in Russian).Vydyanath, H. R. Defect pairing diffusion, and solubility studies in selenium‐doped silicon / H. R. Vydyanath, J. S. Lorenzo, F. A. Kröger // Journal of Applied Physics. – 1978. – Vol. 49, № 12. – P. 5928–5937. https://doi.org/10.1063/1.324560Pilipovich V. A., Malevich V. Z., Ivlev G. D., Zhidkov V. V. Dynamics of the nanosecond laser annealing of silicon. Journal of Engineering Physics, 1985, vol. 48, pp. 228–233. https://doi.org/10.1007/BF00871878Simon, M. S. Physics of Semiconductor Devices / M. S. Simon, L. Yiming, K. Ng. Kwok. – Ed. 4th. – Hoboken: John Wiley and Sons, 2021. – 944 p.Vydyanath H. R., Lorenzo J. S., Kröger F. A. Defect pairing diffusion, and solubility studies in selenium‐doped silicon. Journal of Applied Physics, 1978, vol. 49, no. 12, pp. 5928–5937. https://doi.org/10.1063/1.324560Investigation of tellurium-implanted silicon / T. F. Lee, R. D. Pashley, T. C. McGill, J. W. Mayer // Journal of Applied Physics. – 1975. – Vol. 46, № 1. – P. 381–388. https://doi.org/10.1063/1.321347Simon M. S., Yiming L., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. Ed. 4th. Hoboken, John Wiley and Sons Publ., 2021. 944 p.Таскин, А. А. Образование комплексов, связанных с атомами селена, в кремнии / А. А. Таскин, Е. Г. Тишковский // Физика и техника полупроводников. – 2002. – Т. 36, № 6. – С. 641–650.Lee T. F., Pashley R. D., McGill T. C., Mayer J. W. Investigation of tellurium-implanted silicon. Journal of Applied Physics, 1975, vol. 46, no. 1, pp. 381–388. https://doi.org/10.1063/1.321347Highly responsive tellurium-hyperdoped black silicon photodiode with single-crystalline and uniform surface microstructure / Z. Jia, Q. Wu, X. Jin [et al.] // Optics Express. – 2020. – Vol. 28, № 4. – P. 5239–5247. https://doi.org/10.1364/OE.385887Taskin A. A., Tishkovskii E. G. Formation of selenium-containing complexes in silicon. Semiconductors, 2002, vol. 36, no. 6, pp. 605–614. https://doi.org/10.1134/1.1485656.Silicon with Clusters of Impurity Atoms as a Novel Material for Optoelectronic and Photovoltaic Energetics / M. K. Bakhadyrhanov, U. X. Sodikov, D. Melibayev [et al.] // Journal of Materials Science and Chemical Engineering. – 2018. – Vol. 6, № 4. – P. 180–190. https://doi.org/10.4236/msce.2018.64017Jia Z., Wu Q., Jin X., Huang S., Li J., Yang M., Huang H., Yao J., Xu J. Highly responsive tellurium-hyperdoped black silicon photodiode with single-crystalline and uniform surface microstructure. Optics Express, 2020, vol. 28, no. 4, pp. 5239–5247. https://doi.org/10.1364/OE.385887Кремний с магнитными нанокластерами атомов марганца – новый класс фотомагнитных материалов / М. К. Бахадырханов, Х. М. Илиев, Г. Х. Мавлонов [и др.] // Журнал технической физики. – 2019. – Т. 89, № 3. – С. 421–425. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.03.47179.184-18Bakhadyrhanov M. K., Sodikov U. X., Melibayev D., Wumaier T., Koveshnikov S. V., Khodjanepesov K. A., Zhan J. Silicon with Clusters of Impurity Atoms as a Novel Material for Optoelectronic and Photovoltaic Energetics. Journal of Materials Science and Chemical Engineering, 2018, vol. 6, no. 4, pp. 180–190. https://doi.org/10.4236/msce.2018.64017Bakhadyrkhanov M. K., Iliev Kh. M., Mavlonov G. Kh., Ayupov K. S., Isamov S. B., Tachilin S. A. Silicon with Magnetic Nanoclusters of Manganese Atoms as a New Ferromagnetic Material. Technical Physics, 2019, vol. 64, no. 3, pp. 385–388. https://doi.org/10.1134/s1063784219030046Bakhadyrkhanov M. K., Iliev Kh. M., Mavlonov G. Kh., Ayupov K. S., Isamov S. B., Tachilin S. A. Silicon with Magnetic Nanoclusters of Manganese Atoms as a New Ferromagnetic Material. Technical Physics, 2019, vol. 64, no. 3, pp. 385–388. https://doi.org/10.1134/s1063784219030046

The authors declare that there are no conflicts of interest present.