Влияние режимов термообработки на структуру и оптические свойства слоев кремния, гипердопированных селеном

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. 

1. Li, 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.2021.160765

2. Hyperdoped 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/10.1088/1674-4926/43/9/093101

3. Слои 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.2021.12.51769.144-21

4. Energy 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/s11664-018-6227-4

5. Effect 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/S0030400X21080105

6. Feldman, 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)00228-7

7. 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.2.212

8. Борисенко, В. Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве / В. Е. Борисенко. – Мн.: Наука и техника, 1992. – 247 с.

9. Dynamics 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/BF00871878

10. 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/10.1063/1.324560

11. Simon, M. S. Physics of Semiconductor Devices / M. S. Simon, L. Yiming, K. Ng. Kwok. – Ed. 4th. – Hoboken: John Wiley and Sons, 2021. – 944 p.

12. Investigation 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/10.1063/1.321347

13. 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.

14. Highly 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.385887

15. 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.2018.64017

16. Кремний 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.2019.03.47179.184-18