Гипердопированный кремний для фотоэлектроники

В последние 10 лет в мировой научной литературе бурное развитие получила тематикаисследований, направленных на сильное легирование (свыше 1019 см-3) монокристаллическогокремния (гипердопирование) глубокоуровневыми примесями халькогенидов (сера, селен, теллур) ипереходных металлов (титан, кобальт, никель, серебро, золото)[1-4]. Целью такого легированияявляется формирование в запрещенной зоне кремния примесных уровней или зон, способствующихпоглощению фотонов с энергией, меньшей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника (Eg = 1.1эВ). Это позволяет расширить спектральный диапазон фоточувствительности кремниевыхфотоприемников в ИК-область ( > 1200 нм), а также повысить КПД солнечных элементов за счетболее эффективного поглощения ИК-излучения солнечного спектра. При этом концентрациялегирующих примесей должна достигнуть величины, соответствующей Моттовскому переходуизолятор-металл (N ~ 1020 см-3), при которой примесная зона сливается с зоной проводимости, алокализованные на глубоких уровнях электроны становятся свободными. При таких высоких уровняхлегирования в ИК-спектрах поглощения Si ( = 1100-2000 нм) наблюдается значительный ростпоглощения (до 30 %), повышение времени жизни носителей, инверсия типа проводимости влегированном слое (обычно pn) и значительное возрастание фототока в ИК-области. Посколькуглубокоуровневые примеси имеют низкую равновесную растворимость в кремнии (обычно не выше1017 см-3), то для достижения высоких уровней легирования применяются неравновесные методывведение примесей. К таковым относятся ионная имплантация или вакуумное осаждение пленок всочетании с последующей импульсной лазерной обработкой в жидкофазном режиме, при которойдостигаются повышенные уровни внедрения примеси в узельные (электроактивные) положения врешетке кремния и пониженный уровень дефектности.В данном обзорном докладе приведены примеры из литературы по гипердопированию кремнияхалькогенидами и переходными металлами, при которых происходят вышеуказанные эффекты.Также продемонстрированы собственные результаты авторов работы по внедрению примесей железаи титана в кремний с использованием оригинальной методики распыления металлических мишенейнизкоэнергетичным пучком ионов ксенона с одновременным внедрением распыленных атомов вкремний тем же ионным пучком без последующего термического отжига. При этом в тонкомприповерхностном слое кремния (менее 10 нм) достигаются высокие уровни внедренияметаллических примесей (свыше 1021 см-3), инверсия типа проводимости, ферромагнетизм (дляпримеси железа), и интенсивный фотоотклик, превышающий таковой для типовых кремниевыхфотодиодов.