Experimental Study and Modeling of Silicon Supersaturated with Selenium by Ion Implantation and Nanosecond-Laser Melting

Abstract

Selenium supersaturated silicon is a promising material for intermediate-band solar cells and extended infrared photodiodes. Selenium-rich Si layers were fabricated by Se ion implantation followed by pulsed laser melting using one or three pulses. The Rutherford backscattering spectrometry in random and channeling directions, the Raman spectroscopy, and photoluminescence techniques were used to study structural and optical properties of the Se-rich silicon layers. It is shown that laser irradiation leads to silicon recrystallization and significant impurity redistribution in the implanted layer. According to the Rutherford backscattering data, the substitutional fraction of Se atoms after laser treatment is 60-80%. The analysis of photoluminescence spectra revealed that pulsed laser irradiation of the implanted layer with the power density of 1.5 J/cm 2 leads to the formation of vacancy and interstitial Si clusters. After annealing at the power density higher than 1.5 J/cm 2 , the photoluminescence originating from vacancies and interstitials disappears. To explain the evolution of the Se distribution within the implanted layer after laser melting, numerical solution of the 1D diffusion equations was used.

Влияние Режимов Импульсного Лазерного Отжига На Оптические Свойства Кремния, Гипердопированного Селеном

“…В наших предыдущих исследованиях по формированию слоев кремния, гипердопированных примесями Te [6] и Se [5] при моноэнергетической имплантации ионов с флюенсами 1 • 10 16 ion/cm и энергией 200 и 125 keV соответственно, установлено, что наиболее совершенному структурному состоянию легированных слоев соответствуют плотности энергии ИЛО 1.5, 2 и 2.5 J/cm 2 . Значительное внимание в настоящей работе уделено оценке влияния этих режимов ИЛО на структурное состояние легированных слоев и уровень неравновесной растворимости атомов внедренной примеси.…”

“…В случае ИЛО с плотностями энергии 1.5−2.5 J/cm 2 на глубинах 30−150 nm формируется платообразное распределение селена в диапазоне концентраций (9−8) • 10 20 at./cm 3 , сопровождающееся длинными диффузионными хвостами до глубин 500−600 nm. Эти особенности двух вариантов концентрационных распределений следует отнести к влиянию толщины расплавленных слоев и времени жизни жидкой фазы кремния как функции плотности энергии лазерного импульса [5]. Диффузионные коэффициенты примесей в жидком D liq и твердом D sol состояниях кремния отличаются на много порядков величины, и для атомов селена D liq ≈ 1.4−2.9 • 10 −4 cm 2 /c [23].…”

“…Процесс диффузионного перераспределения имплантированных атомов халькогенов в жидком слое кремния, инициированном поглощенной энергией лазерного импульса, а также на стадии остывания слоя в твердом состоянии теоретически описан нами в работе [5].…”

“…Оптимальной с позиции структурного совершенства (91.6%) и максимальной концентрации Sе в замещающем положении в решетке Si (65.6%) является плотность энергии W = 2 J/cm 2 . Высокая концентрация примесных атомов (халькогенов), занимающих узловые положения, играет ключевую роль в оптическом поглощении как в видимом, так и ИК диапазоне [1][2][3][5][6][7].…”

“…Становится возможным поглощение фотонов через электронные переходы " валентная зона−примесная подзона"] и " примесная подзона−зона проводимости" [4]. Чтобы добиться гиперпересыщения, легирование кремния халькогенами проводят с использованием неравновесных методов, таких как ионная имплантация с последующим фемто-, пико-, наносекундным лазерным [3,5,6] или флэш-отжигом [7].…”