Further investigations of the deep double donor magnesium in silicon

Abstract

The deep double donor levels of substitutional chalcogen impurities in silicon have unique optical properties which may enable a spin/photonic quantum technology. The interstitial magnesium impurity (Mgi) in silicon is also a deep double donor but has not yet been studied in the same detail as have the chalcogens. In this study we look at the neutral and singly ionized Mgi absorption spectra in natural silicon and isotopically enriched 28-silicon in more detail. The 1s(A1) to 1s(T2) transitions, which are very strong for the chalcogens and are central to the proposed spin/photonic quantum technology, could not be detected. We observe the presence of another double donor (Mgi * ) that may result from Mgi in a reduced symmetry configuration, most likely due to complexing with another impurity. The neutral species of Mgi * reveal unusual low lying ground state levels detected through temperature dependence studies. We also observe a shallow donor which we identify as a magnesium-boron pair.arXiv:1806.01965v3 [cond-mat.mtrl-sci]

Исследование энергетического спектра кристаллов Si:Mg методом DLTS

“…5 соответствует E a = 192 ± 5 мэВ. Коррекция для притягивающего центра дает положение уровня E3 на 215 мэВ ниже дна зоны проводимости, что практически совпадает со вторым донорным уровнем Mg i * [4]. Если эта идентификация правильная, то применение метода DLTS позволило впервые оценить концентрацию центров Mg i * , которых, как следует из амплитуды сигналов LDLTS, примерно в 10 раз меньше, чем E2.…”

“…Известно, что примесь магния вводит в кремний глубокие двойные доноры [1], которые представляют интерес с точки зрения создания источников терагерцового излучения и развития технологии квантовых вычислений. Обычно магний вводится путем диффузии из металлической пленки на поверхности при температурах 1100−1400 • С. Исследования спектров оптического поглощения таких образцов выявили две серии линий, которые хорошо описываются теорией эффективной массы для нейтральных и однократно заряженных доноров с уровнями основных состояний E c − 107.5 мэВ и E c − 256.5 мэВ соответственно, где E c -энергия дна зоны проводимости [2][3][4]. Расщепление линий поглощения под действием одноосного сжатия, а также спектры ЭПР соответствуют центрам с тетраэдрической симметрией [2,5].…”

“…Кроме доминирующих линий Mg i , в спектрах оптического поглощения выявляется ряд более мелких доноров [4][5][6][7]. Отметим, в частности, двойной донор Mg i * с уровнями, близкими к Mg i (E c − 94.4 и E c − 213.8 мэВ), который обладает более низкой симметрией, соответствующей смещению атома магния из тетраэдрического междоузлия, возможно, из-за взаимодействия с неизвестной фоновой примесью [4,5].…”

“…В настоящей работе метод DLTS применяется для исследования энергетического спектра уровней в кремнии, легированном магнием. Важно отметить, что диффузия магния проводилась в высококачественный исходный материал с применением тех же технологических режимов, которые использовались ранее при изготовлении образцов для оптических и электрических измерений [4,8,9].…”

Исследование Примеси Магния В Кремнии

“…В частности, только недавно была экспериментально определена температурная зависимость коэффициента диффузии межузельного магния D Mg i в бездислокационных кристаллах кремния [11][12][13]. С использованием оптических методов исследования в последнее время получен также ряд новых данных о свойствах центров Mg в кремнии [14][15][16][17][18].…”