Гипердопирование кремния с помощью имплантации ионов селена и марганца и импульсного лазерного отжига

Изучено влияние импульсного лазерного отжига (ИЛО) на структуру и оптические свойства имплантированных ионами Mn-, Seи (Mn+Se)-слоев кремния. Ионы Mn+ с энергией 95 кэВ и Se+ с энергией 200 кэВ отдельно и совместно были имплантированы в пластины Si p-типа равными флюенсами 1 · 1016 см–2 при комнатной температуре. Затем образцы облучались импульсами рубинового лазера с плотностью энергии 2 Дж/см². Детальное перераспределение атомов Mn и Se в имплантированных слоях при ИЛО исследовалось с помощью случайных и каналированных спектров резерфордовского обратного рассеяния. Было обнаружено, что значительный процент имплантированного марганца диффундирует к поверхности кремния, а концентрационный профиль Se по глубине уширяется как к поверхности, так и в глубь образца в течение ИЛО. Совместная имплантация Mn усиливает диффузию Se к поверхности, уменьшает активацию Se в кристаллическом кремнии, но улучшает кристаллическую структуру имплантированного слоя кремния. В отличие от образцов, имплантированных только Mn, Se-имплантированные и (Mn+Se)-коимплантированные образцы после ИЛО демонстрируют сильное оптическое поглощение в инфракрасном диапазоне. Наблюдаемая полоса поглощения при 0,6 эВ связана с электронными переходами между сформированной подзоной и нижними энергетическими уровнями зоны проводимости.

1. Carey J. E., Crouch C. H., Shen M., Mazur E. Visible and near-infrared responsivity of femtosecond-laser microstructured silicon photodiodes. Optics Letters, 2005, vol. 30, no. 14, pp. 1773–1775. https://doi.org/10.1364/ol.30.001773

2. Ertekin E., Winkler M. T., Recht D., Said A. J., Aziz M. J., Buonassisi T., Grossman J. C. Insulator-to-metal transition in selenium-hyperdoped silicon: observation and origin. Physical Review Letters, 2012, vol. 108, no. 2, art. 026401. https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.026401

3. Komarov 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 A, 2019, vol. 136, no. 2, pp. 254–259. https://doi.org/10.12693/aphyspola.136.254

4. Komarov F. F., Nechaev N. S., Ivlev G. D., Vlasukova L. A., Parkhomenko I. N., Wendler E., Romanov I. A., Berencén Y., Pilko V. V., Zhigulin D. V., Komarov A. F. Structural and optical properties of Si hyperdoped with Te by ion implantation and pulsed laser annealing. Vacuum, 2020, vol. 178, art. 109434. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109434

5. Yang W., Lim S. Q., Williams J. S. Chapter 8 – Optical hyperdoping. Cristiano F., La Magna A. (eds.). Laser Annealing Processes in Semiconductor Technology. Cambridge, Woodhead Publishing, 2021, pp. 353–356. https://doi.org/10.1016/c2019-0-01254-x

6. Nakashima H., Hashimoto K. Deep impurity levels and diffusion coefficient of manganese in silicon. Journal of Applied Physics, 1991, vol. 69, no. 3, pp. 1440–1445. https://doi.org/10.1063/1.347285

7. Naito M., Nakanishi R., Machida N., Shigematsu T., Ishimaru M., Valdez J. A., Sickafus K. E. Growth of higher manganese silicides from amorphous manganese-silicon layers synthesized by ion implantation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2012, vol. 272, no. 1, pp. 446–449. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2011.01.120

8. Ziegler J. F., Ziegler M. D., Biersack J. P. SRIM – The stopping and range of ions in matter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2010, vol. 268, no. 11–12, pp. 1818– 1823. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091

9. Feldman L. C., Mayer J. W., Picraux S. T. Materials analysis by ion channeling: submicron crystallography. Academic Press, 2012. 320 p.

10. Weber E. R. Transition metals in silicon. Applied Physics A, 1983, vol. 30, pp. 1–22. https://doi.org/10.1007/bf00617708

11. Stümpel H., Vorderwülbecke M., Mimkes J. Diffusion of selenium and tellurium in silicon. Applied Physics A, 1988, vol. 46, pp 159–163. https://doi.org/10.1007/bf00939258

12. Poborchii V., Tada T., Kanayama T. Study of stress in a shallow-trench-isolated Si structure using polarized confocal near-UV Raman microscopy of its cross section. Applied Physics Letters, 2007, vol. 91, no. 24, art. 241902. https://doi.org/10.1063/1.2825286

13. Haberfehlner G., Smith M. J., Idrobo J.-C., Auvert G., Sher M.-J., Winkler M. T., Mazur E., Gambacorti N., Gradečak S., Bleuet P. Selenium segregation in femtosecond-laser hyperdoped silicon revealed by electron tomography. Microscopy and Microanalysis, 2013, vol. 19, no. 3, pp. 716–725. https://doi.org/10.1017/s1431927613000342

14. Mott N. F. Metal-insulator transitions. Contemporary Physics, 1973, vol. 14, no. 5, pp. 401–413. https://doi.org/10.1080/00107517308210764

15. Schubert E. F. Doping in III–V semiconductors. Cambridge, Cambridge University Press, 1993. 606 p. https://doi.org/10.1017/cbo9780511599828

16. Zhou S., Liu F., Prucnal S., Gao K., Khalid M., Baehtz C., Posselt M., Skorupa W., Helm M. Hyperdoping silicon with selenium: solid vs. liquid phase epitaxy. Scientific Reports, 2015, vol. 5, no. 1, pp. 1773–1775. https://doi.org/10.1038/srep08329

17. Janzén 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, pp. 1907–1918. https://doi.org/10.1103/physrevb.29.1907