Влияние режимов термообработки на состав, структуру и оптические свойства слоев кремния, имплантированных ионами индия и мышьяка

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.

1. Luque, 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.2012.1

2. Formation 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.2008.06.010

3. Ion-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.2013.07.011

4. Влияние 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.

5. Raman 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.2018.08.057

6. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов / А. В. Двуреченский, Г. А. Качирин, Е. В. Нидаев, Л. С. Смир нов. – М.: Наука, 1982. – 208 с.

7. 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-a

8. Комаров, Ф. Ф. Ионная и фотонная обработка материалов / Ф. Ф. Комаров, С. В. Константинов. – Минск: Выш. шк., 2022. – 246 с.

9. 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/b978-0-12-252680-0.50013-9

10. Комаров, Ф. Ф., Физические процессы при ионной имплантации в твердые тела / Ф. Ф. Комаров, А. Ф. Комаров. – Минск: Технопринт, 2001. – 394 с.

11. Дефекты структуры в ионно-имплантированном кремнии / Ф. Ф. Комаров, А. П. Новиков, В. С. Соловьев, С. Ю. Ширяев. – Минск: Университетское, 1990. – 320 с.

12. 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.

13. Hyper-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.2025.117621

14. Phonons 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.2976

15. High-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.2016.03.019