danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2026-70-3-249-257dan-1316Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESПодзонное поглощение и структурные свойства кремния, гипердопированного селеном, после импульсного лазерного отжигаSub-bandgap absorption and structural properties of selenium-hyperdoped silicon after pulsed laser annealingКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна – канд. техн. наук, заместитель главного инженера

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Kovalchuk Natalia S. – Ph. D. (Engineering), Deputy Chief Engineer

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk

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

Комаров Фадей Фадеевич – академик, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией

ул. Курчатова, 7, 220045, Минск

Komarov Fadei F. – Academician, D. Sc. (Physics and Ma thematics), Professor, Head of the Laboratory

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk

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

Пархоменко Ирина Николаевна – канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 5, 220045, Минск

Parkhomenko Irina N. – Ph. D. (Physics and Mathem atics), Leading Researcher

5, Kurchatov Str., 220045, Minsk

parhomir@yandex.byhttps://orcid.org/0000-0002-0225-2936ЯнГофэнYangGuofeng

Гофэн Ян – д-р наук, профессор

пр-т Лиху, 1800, 214122, Уси

Guofeng Yang – D. Sc., Professor

1800, Lihu Avenue, 214122, Wuxi

gfyang@jiangnan.edu.cnhttps://orcid.org/0000-0002-8300-1070МильчанинО. В.MilchaninO. V.

Мильчанин Олег Владимирович – ст. науч. сотрудник

ул. Курчатова, 7, 220045, Минск

Milchanin Oleg V. – Senior Researcher

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk

milchanin@tut.byОАО «Интеграл»БеларусьJoint Stock Company “Integral”BelarusИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаБеларусьA. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems of the Belarusian State UniversityBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusШкола науки, Цзяннаньский университетКитайSchool of Science, Jiangnan UniversityChina202609072026703249257Copyright © Ковальчук Н.С., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Ян Г., Мильчанин О.В., 20262026Ковальчук Н.С., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Ян Г., Мильчанин О.В.Kovalchuk N.S., Komarov F.F., Parkhomenko I.N., Yang G., Milchanin O.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1316

Исследовано формирование примесной подзоны в кремнии, гипердопированном селеном, после импульсного лазерного отжига. Образцы Si имплантировались ионами Se+ в моно- и полиэнергетических режимах с концентрацией примеси 0,4–2,2 ат. %, после чего проводились режимы импульсного лазерного отжига при плотностях энергии 0,55–2,5 Дж/см2. Глубинные профили концентрации примеси, степень кристалличности слоев и доля атомов селена в положении замещения определялись методом резерфордовского обратного рассеяния в сочетании с режимом каналирования. Методом сканирующей туннельной спектроскопии подтверждено формирование подзонных состояний. В спектрах поглощения отчетливо проявляется широкая полоса подзонного поглощения с максимумом в области ~0,45–0,55 эВ и шириной около ~0,5 эВ. Показано, что интенсивность подзонного поглощения увеличивается с ростом концентрации замещающего Se, однако эта зависимость носит нелинейный характер. Наилучшие структурные параметры слоев (максимальные значения степени кристалличности и доли атомов Se в узлах решетки) достигаются после импульсного лазерного отжига при 1,5–2,5 Дж/см2, при этом интенсивность подзонного поглощения изменяется немонотонно и не коррелирует строго со структурными характеристиками. Полученные результаты имеют практическую значимость для разработки оптоэлектронных устройств на основе гипердопированного кремния с управляемыми свойствами подзонного поглощения.

The formation of impurity sub-band states in selenium-hyperdoped silicon after pulsed laser annealing was investigated. Si samples were implanted with Se+ ions in single- and multi-energy regimes with dopant concentrations of 0.4– 2.2 at. %, followed by pulsed laser annealing at energy densities of 0.55–2.5 J/cm2. Depth profiles of the dopant concentration, the degree of crystallinity, and the fraction of Se atoms occupying substitutional lattice sites were determined by Rutherford backscattering spectrometry in channeling mode. The formation of sub-band states was confirmed by scanning tunneling spectroscopy. The absorption spectra show a pronounced broad sub-band absorption band with a maximum at ~0.45–0.55 eV and a width of ~0.5 eV. It was found that the sub-band absorption intensity increases with the concentration of substitutional Se atoms, although this dependence is nonlinear. The optimal structural parameters (maximum crystallinity and substitutional Se fraction) are achieved after pulsed laser annealing at 1.5–2.5 J/cm2; however, the sub-band absorption intensity varies nonmonotonically and does not strictly correlate with these structural characteristics. These findings are relevant for the design of optoelectronic devices based on hyperdoped silicon with controllable sub-band absorption characteristics.

кремнийимплантация Seимпульсный лазерный отжигподзонапоглощениеsiliconSe implantationpulsed laser annealingsub-band statesabsorptionРабота выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследование (проект № Ф26КИ-011). Авторы выражают благодарность К. Жусупбекову за проведение исследований образцов методом сканирующей туннельной спектроскопии и микроскопии.The work was carried out with the financial support of the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (Project No. Ф26КИ-011). The authors acknowledge K. Zhusupbekov for performing the scanning tunneling spectroscopy and microscopy studies of the samplesReferencesUnderstanding of sub-band gap absorption of femtosecond-laser sulfur hyperdoped silicon using synchrotron-based techniques / M. V. Limaye, S. C. Chen, C. Y. Lee [et al.] // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – Art. 11466. https://doi.org/10.1038/srep11466Limaye M. V., Chen S. C., Lee C. Y., Chen L. Y., Singh S. B., Shao Y. C., Wang Y. F., Hsieh S. H., Hsueh H. C., Chiou J. W., Chen C. H., Jang L. Y., Cheng C. L., Pong W. F., Hu Y. F. Understanding of sub-band gap absorption of femtosecond-laser sulfur hyperdoped silicon using synchrotron-based techniques. Scientific Reports, 2015, vol. 5, art. 11466. https://doi.org/10.1038/srep11466Simultaneous high crystallinity and sub-bandgap optical absorptance in hyperdoped black silicon using nanosecond laser annealing / B. Franta, D. Pastor, H. H. Gandhi [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 118, N 22. – Art. 225303. https://doi.org/10.1063/1.4937149Franta B., Pastor D., Gandhi H. H., Rekemeyer P. H., Gradečak S., Aziz M. J., Mazur E. Simultaneous high crystallinity and sub-bandgap optical absorptance in hyperdoped black silicon using nanosecond laser annealing. Journal of Applied Physics, 2015, vol. 118, no. 22, art. 225303. https://doi.org/10.1063/1.4937149Mid-infrared absorptance of silicon hyperdoped with chalcogen via fs-laser irradiation / M.-J. Sher, Y.-T. Lin, M. T. Winkler [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 113, N 6. – Art. 063520. https://doi.org/10.1063/1.4790808Sher M.-J., Lin Y.-T., Winkler M. T., Mazur E., Pruner C., Asenbaum A. Mid-infrared absorptance of silicon hyperdoped with chalcogen via fs-laser irradiation. Journal of Applied Physics, 2015, vol. 113, no. 8, art. 063520. https://doi.org/10.1063/1.4790808Possible atomic structures responsible for the sub-bandgap absorption of chalcogen-hyperdoped silicon / K.-F. Wang, H. Shao, K. Liu [et al.] // Applied Physics Letters. – 2015. – Vol. 107, N 11. – Art. 112106. https://doi.org/10.1063/1.4931091Wang K.-F., Shao H., Liu K., Qu S., Wang Y., Wang Z. Possible atomic structures responsible for the sub-bandgap absorption of chalcogen-hyperdoped silicon. Applied Physics Letters, 2015, vol. 107, no. 11, art. 112106. https://doi.org/10.1063/1.4931091Mayer, M. SIMNRA User’s Guide / M. Mayer. – Garching, 1997. – 62 p.Mayer M. SIMNRA User’s Guide. Garching, 1997. 62 p.Feldman, L. C. Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography / L. C. Feldman, W. Mayer, S. T. Picraux. – New York, 1982. – 300 p.Feldman L. C., Mayer W., Picraux S. T. Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography. New York, 1982. 300 p.Mott, N. F. Metal-insulator transition / N. F. Mott // Contemporary Physics. – 1973. – Vol. 14, N 5. – P. 401–413. https://doi.org/10.1080/00107517308210764Mott N. F. Metal-insulator transition. Contemporary Physics, 1973, vol. 14, no. 5, pp. 401–413. https://doi.org/10.1080/00107517308210764Schubert, E. F. Doping III–V Semiconductors / E. F. Schubert. – Cambridge, 1993. – 354 p. https://doi.org/10.1017/cbo9780511599828Schubert E. F. Doping III–V Semiconductors. Cambridge, 1993. 354 p. https://doi.org/10.1017/cbo9780511599828High-resolution studies of sulfur- and selenium-related donor centers in silicon / E. Janzén, R. Stedman, G. Grossmann, H. G. Grimmeiss // Physical Review B. – 1984. – Vol. 29, N 4. – Art. 1907. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.29.1907Janzén E., Stedman R., Grossmann G., Grimmeiss H. G. High-resolution studies of sulfur- and selenium-related donor centers in silicon. Physical Review B, 1984, vol. 29, no. 4, art. 1907. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.29.1907Formation of a reliable intermediate band in Si heavily coimplanted with chalcogens (S, Se, Te) and group III elements (B, Al) / K. Sánchez, I. Aguilera, P. Palacios, P. Wahnón // Physical Review B. – 2010. – Vol. 82, N 16. – Art. 165201. https:// doi.org/10.1103/PhysRevB.82.165201Sánchez K., Aguilera I., Palacios P., Wahnón P. Formation of a reliable intermediate band in Si heavily coimplanted with chalcogens (S, Se, Te) and group III elements (B, Al). Physical Review B. 2010, vol. 82, no. 16, art. 165201. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.165201Tunneling spectroscopy of close-spaced dangling-bond pairs in Si(001):H / M. Engelund, R. Zuzak, S. Godlewski [et al.] // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5. – Art. 14496. https://doi.org/10.1038/srep14496Engelund M., Zuzak R., Godlewski S., Kolmer M., Frederiksen T., García-Lekue A., Sánchez-Portal D., Szymonski M. Tunneling spectroscopy of close-spaced dangling-bond pairs in Si(001):H. Scientific Reports, 2015, vol. 5, art. 14496. https://doi.org/10.1038/srep14496Tip-induced band bending on Sr/Si(100)-2×3 reconstructed surface / W. Du, B. Wang, J. Yang [et al.] // AIP Advances. – 2017. – Vol. 7. – Art. 125124. https://doi.org/10.1063/1.4998918Du W., Wang B., Yang J., Zhang K., Zhao Y., Xiong C., Ma J., Chen L., Zhu X. Tip-induced band bending on Sr/ Si(100)-2×3 reconstructed surface. AIP Advances, 2017, vol. 7, art. 125124. https://doi.org/10.1063/1.4998918Emergence of very broad infrared absorption band by hyperdoping of silicon with chalcogens / I. Umezu, J. M. Warrender, S. Charnvanichborikarn [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2013. – Vol. 113, N 21. – Art. 213501. https://doi.org/10.1063/1.4804935Umezu I., Warrender J. M., Charnvanichborikarn S., Kohno A., Williams J. S., Tabbal M., Papazoglou D. G., Zhang X.-C., Aziz M. J. Emergence of very broad infrared absorption band by hyperdoping of silicon with chalcogens. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 113, no. 21, art. 213501. https://doi.org/10.1063/1.4804935Experimental study and modeling of silicon supersaturated with selenium by ion implantation and nanosecond-laser melting / F. F. Komarov, G. Ivlev, G. Zayats [et al.] // Acta Physica Polonica. – 2019. – Vol. 136, N 2. – P. 254–259. https://doi.org/10.12693/aphyspola.136.254Komarov F. F., Ivlev G., Zayats G., Komarov A., Nechaev N., Parkhomenko I., Vlasukova L., Wendler E., Miskiewicz S. Experimental study and modeling of silicon supersaturated with selenium by ion implantation and nanosecond-laser melting. Acta Physica Polonica, 2019, vol. 136, no. 2, pp. 254–259. https://doi.org/10.12693/aphyspola.136.254

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