vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2026-62-3-223-238vestifm-917Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние режимов термообработки на состав, структуру и оптические свойства слоев кремния, имплантированных ионами индия и мышьякаEffect of thermal treatment regimes on the composition, structure and optical properties of silicon layers implanted with in and as ionshttps://orcid.org/0000-0001-8292-8942КомаровФ. Ф.KomarovF. F.

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

ул. Курчатова, 7, Минск, 220045

Fadey F. Komarov – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, Dr. Sc. (Physics and Ma thematics), Professor, Head of Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., Minsk, 220045

komarovF@bsu.byМильчанинО. В.MilchaninO. V.

Мильчанин Олег Владимирович – старший научный сотрудник лаборатории элионики

ул. Курчатова, 7, Минск, 220045

Oleg V. Milchanin – Senior Researcher, Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., Minsk, 220045

milchanin.oleg@yandex.byЧуприсИ. К.ChuprisI. K.

Чуприс Илья Кириллович – студент

ул. Курчатова, 5, 220045, Минск

Ilya K. Chupris – Student

5, Kurchatov Str., Minsk, 220045

iliachupris@gmail.comПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИЛ материалов и приборных структур микро- и наноэлектроники

ул. Курчатова, 5, 220045, Минск

Irina N. Parkhomenko – Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher, Research Laboratory of Ma terials and Device Structures for Micro- and Nanoelectronics

5, Kurchatov Str., Minsk, 220045

parhomir@yandex.byРоговаяИ. С.RogovayaI. S.

Роговая Ирина Сергеевна – младший научный сотрудник лаборатории элионики

ул. Курчатова, 7, Минск, 220045

Irina S. Rogovaya – Junior Researcher, Elionics La boratory

7, Kurchatov Str., Minsk, 220045

rogovayaira.151299@gmail.comИсмайловаГ. А.IsmailovaG. A.

Исмайлова Гузаль Амитовна – доцент-исследователь кафедры физики твердого тела и технологии новых материалов

пр. аль-Фараби, 71, Алматы, 050040

Guzal A. Ismailova – Research Associate Professor, Department of Solid State Physics and New Materials Tech-nology

71, Al-Farabi Ave., Almaty, 050040

a81@mail.ruБаталовР. И.BatalovR. I.

Баталов Рафаэль Ильясович – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией интенсивных радиационных воздействи

Сибирский тракт, 10/7, Казань, 420029

Rafael I. Batalov – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Intense Radiation Effects

10/7, Sibirsky Trakt, Kazan, 420029

telco@mail.ruПилькоВ. В.PilkoV. V.

Пилько Владимир Владимирович – старший научный сотрудник лаборатории элионики

ул. Курчатова, 7, Минск, 220045

Vladimir V. Pilko – Senior Researcher, Elionics Laboratory

7, Kurchatov Str., Minsk, 220045

pilkow@mail.ruИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко Белорусского государственного университетаБеларусьA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems, Belarusian State UniversityBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusКазахский национальный университет имени аль-ФарабиКазахстанAl-Farabi Kazakh National UniversityKazakhstanКазанский физико-технический институт имени Е. К. Завойского – обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр РАН»РоссияZavoisky Kazan Physical-Technical Institute – a separate structural subdivision of the Federal State Budgetary Institution of Science “Federal Research Center “Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences”Russian Federation202629092026623223238Copyright © Комаров Ф.Ф., Мильчанин О.В., Чуприс И.К., Пархоменко И.Н., Роговая И.С., Исмайлова Г.А., Баталов Р.И., Пилько В.В., 20262026Комаров Ф.Ф., Мильчанин О.В., Чуприс И.К., Пархоменко И.Н., Роговая И.С., Исмайлова Г.А., Баталов Р.И., Пилько В.В.Komarov F.F., Milchanin O.V., Chupris I.K., Parkhomenko I.N., Rogovaya I.S., Ismailova G.A., Batalov R.I., Pilko V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/917

Актуальной задачей современной оптоэлектроники является расширение спектральной чувствительности кремния в инфракрасную область для создания эффективных фотоприемников и солнечных элементов. Перспективным подходом является формирование в приповерхностном слое кремния нанокристаллов узкозонных полупроводников A3B5, в частности арсенида индия (InAs), методом ионной имплантации с последующей термической обработкой. В работе исследовано влияние различных режимов термообработки (равновесный печной отжиг, импульсный ионный, импульсный лазерный и быстрый ламповый отжиг) на глубинное распределение имплантированных ионов индия и мышьяка в монокристаллическом кремнии, структурное совершенство легированных слоев и их оптические свойства. Методами резерфордовского обратного рассеяния, просвечивающей электронной микроскопии и оптической спектрофотометрии установлено, что быстрый ламповый отжиг при 1400 °C с выдержкой 3 с обеспечивает максимальную степень кристалличности кремниевой матрицы (92,2 %) и способствует формированию слоя нанокристаллических образований. Термический отжиг при 1000 °C в течение 30 мин приводит к наибольшей доле примесных атомов в узлах кристаллической решетки (44,8 %), что указывает на эффективную электрическую и оптическую активацию примеси. Показано, что все исследованные режимы отжига позволяют существенно повысить поглощение кремния в ближнем инфракрасном диапазоне по сравнению с нелегированным материалом, при этом максимальные значения коэффициента поглощения (до 68 % в ИК-области) зафиксированы после импульсного ионного отжига. Полученные результаты демонстрируют возможность управления оптическими свойствами кремния путем выбора режима постимплантационной термообработки и могут быть использованы для создания кремниевых фотоприемников, работающих в ИК-диапазоне.

An urgent task of modern optoelectronics is to extend the spectral sensitivity of silicon into the infrared region for the development of efficient photodetectors and solar cells. A promising approach is the formation of nanocrystals of narrow-gap A3B5 semiconductors, in particular indium arsenide (InAs), in the near-surface layer of silicon by ion implantation followed by thermal annealing. The effect of various annealing regimes (furnace annealing, pulsed ion, pulsed laser and rapid thermal annealing) on the depth distribution of implanted indium and arsenic ions in monocrystalline silicon, the structural perfection of doped layers and their optical properties has been investigated. Using Rutherford backscattering spectrometry, transmission electron microscopy and optical spectrophotometry, it was found that rapid thermal annealing at 1400 °C with a hold time of 3 s provides the maximum degree of crystallinity of the silicon matrix (92.2 %) and promotes the formation of nanocrystalline layer. Furnace annealing at 1000 °C for 30 min results in the highest fraction of impurity atoms in substitutional lattice sites (44.8 %), indicating efficient electrical and optical activation of the impurity. It is shown that all studied annealing regimes significantly increase the absorption of silicon in the near-infrared range compared to undoped material, with the maximum absorption coefficients (up to 68 % in the IR region) recorded after pulsed ion annealing. The obtained results demonstrate the possibility of controlling the optical properties of silicon by choosing the post-implantation annealing regime and can be used for the development of silicon-based infrared photodetectors.

ионная имплантациякремнийарсенид индиятермообработкарезерфордовское обратное рассеяниепросвечивающая электронная микроскопияоптические свойствананокристаллыion implantationsiliconindium arsenidethermal annealingRutherford backscattering spectrometrytransmission electron microscopyoptical propertiesnanocrystalsReferencesLuque, A. Understanding intermediate-band solar cells / A. Luque, A. Martí, C. Stanley // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6, № 3. – P. 146–152. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.1Luque A., Marti A., Stanley C. Understanding intermediate-band solar cells. Nature Photonics, 2012, vol. 6, no. 3, pp. 146–152. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.1Formation of InAs nanocrystals in Si by high-fluence ion implantation / F. Komarov, L. Vlasukova, W. Wesch [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2008. – Vol. 266, № 16. – P. 3557–3564. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2008.06.010Komarov F., Vlasukova L., Wesch W., Kamarou A., Milchanin O., Grechnyi S., Mudryi A., Ivaniukovich A. Formation of InAs nanocrystals in Si by high-fluence ion implantation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2008, vol. 266, pp. 3557–3564. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2008.06.010Ion-beam synthesis and characterization of narrow-gap A3B5 nanocrystals in Si: Effect of implantation and annealing regimes / F. Komarov, L. Vlasukova, O. Milchanin [et al.] // Materials Science and Engineering: B. – 2013. – Vol. 178, № 18. – P. 1169–1177. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2013.07.011Komarov F., Vlasukova L., Milchanin O., Wesch W., Wendler E., Zuk J., Parkhomenko I. Ion-beam synthesis and characterization of narrow-gap A3B5 nanocrystals in Si: Effect of implantation and annealing regimes. Materials Science and Engineering: B, 2013, vol. 178, pp. 1169–1177. P. 1169–1177. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2013.07.011Влияние импульсного лазерного отжига на оптические и структурные свойства кремния, имплантированного ионами индия и мышьяка / Ф. Ф. Комаров, О. В. Мильчанин, И. Н. Пархоменко [и др.] // Инженерно-физический журнал. – 2024. – Т. 97, № 3. – C. 758–765.Komarov F. F., Milchanin O. V., Parkhomenko I. N., Kuchinsky P. V., Alzhanova A. E., Mokhovikov M. A., Wendler E. Influence of the Laser Pulse Annealing of the Silicon Implanted with Indium and Arsenic Ions on its Optical and Structural Properties. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2024, vol. 97, pp. 745–752. https://doi.org/10.1007/s10891024-02946-7Raman shifts and photoluminescence of the InSb nanocrystals ion beam-synthesized in buried SiO2 layers / I. E. Tyschenko, V. A. Volodin, A. G. Cherkov [et al.] // Journal of Luminescence. – 2018. – Vol. 204. – P. 656–662. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.08.057Tyschenko I. E., Volodin V. A., Cherkov A. G., Stoffel M., Rinnert H., Vergnat M., Popov V. P. Raman shifts and photoluminescence of the InSb nanocrystals ion beam-synthesized in buried SiO2 layers. Journal of Luminescence, 2018, vol. 204, pp. 656–662. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.08.057Импульсный отжиг полупроводниковых материалов / А. В. Двуреченский, Г. А. Качирин, Е. В. Нидаев, Л. С. Смир нов. – М.: Наука, 1982. – 208 с.Dvurechensky A. V., Kachirin G. A., Nidaev E. V., Smirnov L. S. Pulsed Annealing of Semiconductor Materials. Moscow, Nauka Publ., 1982. 208 p. (in Russian).Pulsed particle beam tretment of implanted silicon / R. M. Bayazitov, L. Kh. Zakirzyanova, I. B. Khaibullin [et al.] // Vacuum. – 1992. – Vol. 47, № 5–7. – P. 619–622. https://doi.org/10.1016/0042-207x(92)90091-aBayazitov R. M., Zakirzyanova L. Kh., Khaibullin I. B., Isakov I. F., Chachakov A. F. Pulsed particle beam treatment of implanted silicon. Vacuum, 1992, vol. 43, no. 5–7, pp. 619–622. https://doi.org/10.1016/0042-207x(92)90091-aКомаров, Ф. Ф. Ионная и фотонная обработка материалов / Ф. Ф. Комаров, С. В. Константинов. – Минск: Выш. шк., 2022. – 246 с.Komarov F. F., Konstantinov S. V. Ion and Photon Processing of Materials. Minsk, Vysheishaya shkola Publ., 2022. 246 p. (in Russian).Feldman, L. C., Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography/ L. C. Feldman, W. Mayer, S. T. Pic raux. – New York: Academic, 1982. – 388 p. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-252680-0.50013-9Feldman L. C., Mayer W., Picraux S. T. Materials Analysis by Ion Channeling: Submicron Crystallography. New York, Academic Press, 1982. 388 p. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-252680-0.50013-9Комаров, Ф. Ф., Физические процессы при ионной имплантации в твердые тела / Ф. Ф. Комаров, А. Ф. Комаров. – Минск: Технопринт, 2001. – 394 с.Komarov F. F., Komarov A. F. Physical Processes During Ion Implantation into Solids. Minsk, Tekhnoprint Publ., 2001. 394 p. (in Russian).Дефекты структуры в ионно-имплантированном кремнии / Ф. Ф. Комаров, А. П. Новиков, В. С. Соловьев, С. Ю. Ширяев. – Минск: Университетское, 1990. – 320 с.Komarov F. F., Novikov A. P., Solov’ev V. S., Shiryaev S. Yu. Structural Defects in Ion-Implanted Silicon. Minsk, Universitetskoe Publ., 1990. 324 p. (in Russian).Баталов, Р. И. Двумерное моделирование импульсного нагрева аморфизированного кремния мощными ионными пучками / Р. И. Баталов, Е. А. Марфин, Д. Д. Зайцев // Инженерно-физический журнал. – 2026. – Т. 93, № 3. – С. 664–671.Batalov R. I., Marfin E. A., Zaitsev D. D. Two-Dimensional Modeling of Pulsed Heating of Amorphized Silicon by High-Power Ion Beams. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2026, vol. 93, pp. 671–678. https://doi.org/10.1007/s10891-026-03348-7Hyper-doping of Silicon for Plasmonics in the Telecommunication Range / J. Rensberg, A. Barreda, K. Wolf [et al.] // Optical Materials. – 2026. – Vol. 169. – Art. ID 117621. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2025.117621Rensberg J., Barreda A., Wolf K., Udndisz A., Salfeld J., Geburt S., Staude I., Ronning C., Hafemann M. Hyperdoping of Silicon for Plasmonics in the Telecommunication Range. Optical Materials, 2026, vol. 169, art. ID 117621. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2025.117621Phonons in SiAs: Raman scattering study and DFT calculations / J. Kutzner, J. Kortus, O. Pätzold [et al.] // Journal of Raman Spectroscopy. – 2011. – Vol. 42, № 12. – P. 2132–2136. https://doi.org/10.1002/jrs.2976Kutzner J., Kortus J., Pätzold O., Wunderwald U., Irmer G. Phonons in SiAs: Raman scattering study and DFT calculations. Journal of Raman Spectroscopy, 2011, vol. 42, pp. 2132–2136. https://doi.org/10.1002/jrs.2976High-pressure melt growth and transport properties of SiP, SiAs, GeP, and GeAs 2D layered semiconductors / C. Barreteau, B. Michon, C. Besnard, E. Giannini // Journal of Crystal Growth. – 2016. – Vol. 443. – P. 75–80. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.03.019Barreteau C., Michon B., Besnard C., Giannini E. High-pressure melt growth and transport properties of SiP, SiAs, GeP, and GeAs 2D layered semiconductors. Journal of Crystal Growth, 2016, vol. 443, pp. 75–80. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.03.019

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