Подзонное поглощение и структурные свойства кремния, гипердопированного селеном, после импульсного лазерного отжига

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.

1. Understanding 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/srep11466

2. Simultaneous 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/10.1063/1.4937149

3. Mid-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/10.1063/1.4790808

4. Possible 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/10.1063/1.4931091

5. Mayer, M. SIMNRA User’s Guide / M. Mayer. – Garching, 1997. – 62 p.

6. Feldman, L. C. Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography / L. C. Feldman, W. Mayer, S. T. Picraux. – New York, 1982. – 300 p.

7. Mott, N. F. Metal-insulator transition / N. F. Mott // Contemporary Physics. – 1973. – Vol. 14, N 5. – P. 401–413. https://doi.org/10.1080/00107517308210764

8. Schubert, E. F. Doping III–V Semiconductors / E. F. Schubert. – Cambridge, 1993. – 354 p. https://doi.org/10.1017/cbo9780511599828

9. High-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.29.1907

10. Formation 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.82.165201

11. Tunneling 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/srep14496

12. Tip-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/10.1063/1.4998918

13. Emergence 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/10.1063/1.4804935

14. Experimental 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.136.254