Optical Properties of Si Layers Hyperdoped with Se: Effects of Laser and Thermal Treatment

Silicon layers with a selenium impurity concentration of up to 10²¹ cm^–3, which exceeds the equilibrium solubility limit of this impurity in silicon by 4 orders of magnitude, have been obtained by high-dose ion implantation followed by pulsed laser annealing at pulse energy densities from 0.5 to 2.5 J/cm². The Rutherford backscattering of He⁺ ions showed that, after laser annealing, up to 70% of the implemented impurity atoms are localized at the sites of the silicon crystal lattice. The Si layers hyperdoped with selenium are characterized by increased (up to 45–55%) absorption in the spectral range of 1100–2400 nm. After thermal heat treatment (550 °C, 30 min + 850 °C, 5 min), no increase in IR absorption was found in comparison with the initial silicon. It was explained by the loss of Se as a result of diffusional redistribution. The theoretical evaluation of recrystallization processes of silicon layers amorphized by Se ions as well as dopants redistributions at the equilibrium thermal treatment was done.

1. Zh. Tong, M. Bu, Y. Zhang, D. Yang, X. Pi. J. Semiconductors, 43 (2022) 093101(1—15)

2. P. Dai, Y. Zhang, M. P. Sarachik. Phys. Rev. Lett., 66 (1991) 1914—1917

3. S. Zhou, X. Pi, Z. Ni, Q. Luan, Y. Jiang, Ch. Jin, T. Nozaki, D. Yang. Particle and Particle Systems Characterization, 32 (2015) 213—221

4. D. J. Rowe, J. S. Jeong, K.A. Mkhoyan, U. R. Kortshagen. Nano Lett., 13 (2013) 1317—1322

5. M. Wang, Y. Yu, S. Prucnal, Y. Berencén, M. S. Shaikh, L. Rebohle, M. B. Khan, V. Zviagin, R. Hübner, A. Pashkin. Nanoscale, 14 (2022) 2826—2836

6. J. E. Carey, C. H. Crouch, M. Shen, E. Mazur. Opt. Lett., 30 (2005) 1773—1775

7. A. Luque, A. Marti, C. Stanley. Nature Photon., 6 (2012) 146—152

8. I. Umezu, J. M. Warrender, S. Charnvanichborikarm. J. Appl. Phys., 113 (2013) 213501(1—5)

9. F. F. Komarov, N. S. Nechaev, G. D. Ivlev L. A. Vlasukova, I. N. Parkhomenko, E. Wendler, I. A. Romanov, Y. Berencen, V. V. Pilko, D. V. Zhigulin, A. F. Komarov. Vacuum, 178 (2020) 109434(1—6)

10. Ф. Ф. Комаров, И. Н. Пархоменко, О. В. Мильчанин, Г. Д. Ивлев, Л. А. Власукова, Ю. Жук, А. А. Цивако, Н. С. Ковальчук. Опт. и спектр., 129 (2021) 1037—1047 [F. F. Komarov, I. N. Parkhomenko, O. V. Mil’chanin, G. D. Ivlev, L. A. Vlasukova, Yu. Żuk, A. A. Tsivako, N. S. Koval’chuk. Opt. and Spectr., 129 (2021) 1149—1159]

11. H. R. Vydyanath, J. S. Lorenzo, F. A. Kröger. J. Appl. Phys., 49 (1978) 5928—5937

12. M. Mayer. SIMNRA User's Guide. Max-Planck-Institute fur Plasmaphysik, Garching (1997)

13. Б. И. Степанов, Г. П. Грибковский. Введение в теорию люминесценции, Минск, Академия наук БССР (1963)

14. Ф. Ф. Комаров, А. П. Новиков, А. Ф. Буренков. Ионная имплантация, Минск, Университетское (1994)

15. Ф. Ф. Комаров, А. П. Новиков, В. С. Соловьев, С. Ю. Ширяев. Дефекты структуры в ионноимплантированном кремнии, Минск, Университетское (1990)

16. В. Е. Борисенко. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве, Минск, Навука i тэхнiка (1992)

17. А. В. Двуреченский, Г. А. Качурин, Е. В. Нидаев, Л. А. Смирнов. Импульсный отжиг полупроводниковых материалов, Москва, Наука (1982)

18. L. Csepregi, J. W. Mayer, T. W. Sigmon. Appl. Phys. Lett., 19 (1976) 92—93

19. P. A. Temple, C. E. Hathaway. Phys. Rev. B., 7 (1973) 3685—3697

20. Н. А. Дроздов, А. А. Патрин, В. Д. Ткачев. Письма в ЖЭТФ, 23 (1976) 651—653

21. V. D. Tkachev, C. Schrödel, A. V. Mudryi. Radiat. Effects, 49 (1980) 133—136