INTERNATIONAL CONFERENCE ON
INTERDISCIPLINARY SCIENCE
Volume 02, Issue 10, 2025
61 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTERDISCIPLINARY SCIENCE
uni e salcon e ence.us
ВЛИЯНИЕ БИНАРНЫХ КОМПЛЕКСОВ МАРГАНЦА И СЕРЫ НА
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
Эшқораев Aбдуқодир Искандарович
Аннотация
Современное развитие микро- и оптоэлектроники требует создания новых
функциональных материалов, способных совмещать в себе управляемые
электрические, оптические и магнитные свойства. Кремний, являющийся
базовым материалом полупроводниковой промышленности, обладает рядом
уникальных характеристик, однако его стандартные параметры не всегда
удовлетворяют возросшим требованиям к приборам нового поколения. В этой
связи большое внимание уделяется модификации свойств кремния за счёт
примесного легирования и образования сложных дефектных комплексов.
Особый интерес вызывает совместное внедрение атомов переходных металлов и
элементов VI группы, поскольку именно такая комбинация позволяет
формировать устойчивые дефектные структуры с новыми энергетическими
характеристиками. Марганец (Mn), как представитель 3d-переходных металлов,
известен способностью формировать глубокие уровни в запрещённой зоне
кремния. Эти уровни оказывают сильное влияние на процессы рекомбинации
носителей заряда, сокращая их время жизни, что обычно считается
неблагоприятным фактором для традиционной электроники. Однако именно эти
свойства открывают перспективы для применения марганца в спинтронных
устройствах и системах, основанных на управлении рекомбинацией.
Ключевые слова: Кремний, марганец, сера, бинарные комплексы, глубокие
уровни, рекомбинация, фотопроводимость, спинтроника, дефектные состояния,
термостабильность.
Abs ac
The mode n de elopmen o mic o- and op oelec onics equi es he c ea ion o new
unc ional ma e ials capable o combining con olled elec ical, op ical, and magne ic
p ope ies. Silicon, a undamen al ma e ial in he semiconduc o indus y, possesses a
numbe o unique cha ac e is ics, bu i s s anda d pa ame e s do no always mee he
inc eased equi emen s o nex -gene a ion de ices. The e o e, conside able a en ion
is being paid o modi ying silicon's p ope ies h ough impu i y doping and he
o ma ion o complex de ec complexes.
INTERNATIONAL CONFERENCE ON
INTERDISCIPLINARY SCIENCE
Volume 02, Issue 10, 2025
62 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTERDISCIPLINARY SCIENCE
uni e salcon e ence.us
The combined inco po a ion o ansi ion me al a oms and G oup VI elemen s is o
pa icula in e es , as his combina ion enables he o ma ion o s able de ec s uc u es
wi h new ene gy cha ac e is ics. Manganese (Mn), a 3d ansi ion me al, is known o
i s abili y o o m deep le els in he silicon band gap. These le els ha e a s ong
in luence on cha ge ca ie ecombina ion p ocesses, sho ening hei li e imes, which
is gene ally conside ed un a o able o adi ional elec onics. Howe e , hese e y
p ope ies o e p omising applica ions o manganese in spin onic de ices and
sys ems based on ecombina ion con ol.
Keywo ds: Silicon, manganese, sul u , bina y complexes, deep le els, ecombina ion,
pho oconduc i i y, spin onics, de ec s a es, he mal s abili y.
Введение. Кремний занимает центральное место в микроэлектронике и
оптоэлектронике благодаря своей доступности, стабильности и
технологичности. Тем не менее современные задачи электроники требуют от
материалов значительно более широких функциональных характеристик, чем
традиционные параметры кремния. Одним из направлений, позволяющих
существенно изменить свойства этого полупроводника, является примесное
легирование.
Исторически легирование кремния бором и фосфором дало возможность
управлять типом проводимости и создавать p-n-переходы, что стало основой
современной микроэлектроники. Однако развитие новых технологий –
солнечной энергетики, квантовой электроники, спинтроники – показало
необходимость внедрения в кремний нестандартных примесей, способных
создавать новые уровни в запрещённой зоне и обеспечивать появление
дополнительных физических эффектов.
Переходные металлы, в частности марганец, представляют особый интерес в
связи с их способностью формировать глубокие уровни в запрещённой зоне
кремния. Эти уровни изменяют рекомбинационные процессы и могут
использоваться для управления временем жизни носителей заряда. Но при этом
марганец в чистом виде приводит к сильному уменьшению времени жизни
носителей, что ограничивает его применение в традиционных электронных
приборах.
Элементы VI группы, такие как сера, селeн или теллур, формируют донорно-
акцепторные центры, способные расширять спектральный диапазон
фоточувствительности кремния. Однако их одиночное внедрение не всегда
обеспечивает требуемую стабильность.
INTERNATIONAL CONFERENCE ON
INTERDISCIPLINARY SCIENCE
Volume 02, Issue 10, 2025
63 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTERDISCIPLINARY SCIENCE
uni e salcon e ence.us
Поэтому особый интерес представляет бинарное легирование кремния
марганцем и серой, что приводит к образованию комплексов «Mn–S». Такие
комплексы сочетают свойства обоих компонентов: сера стабилизирует
дефектные центры, а марганец обеспечивает формирование новых
энергетических уровней и возможность реализации спин-зависимых эффектов.
Это создаёт фундамент для получения материалов с уникальными
электрофизическими параметрами, которые востребованы в новых поколениях
микро- и оптоэлектронных устройств.
Основная часть. Образование комплексов «Mn–S» в кремнии происходит при
совместной имплантации этих элементов с последующим отжигом в диапазоне
температур 700–900 °C. При таких условиях марганец, внедряющийся в
междоузельные позиции, взаимодействует с серой, находящейся в замещённых
позициях, образуя устойчивые бинарные комплексы.
Экспериментальные исследования с использованием спектроскопии глубоких
уровней (DLTS) показали, что в образцах с комплексами «Mn–S» появляются
новые уровни на глубине 0,32–0,36 эВ от зоны проводимости. Эти уровни
отсутствуют в кремнии, легированном только марганцем или только серой, что
указывает на бинарную природу дефектов.
Измерения фотопроводимости продемонстрировали расширение спектральной
чувствительности кремния до 1,2 мкм. Это объясняется влиянием серы, которая
в комплексе с марганцем формирует более устойчивые донорные уровни. Таким
образом, комплексное легирование открывает перспективы использования
кремния в инфракрасных фотоприёмниках.
Кроме того, электронно-микроскопические исследования выявили, что
комплексы «Mn–S» препятствуют кластеризации атомов марганца, которая
обычно наблюдается при высоких концентрациях. Это приводит к повышению
однородности материала и улучшению его стабильности.
Теоретические расчёты методом функционала плотности подтвердили, что
энергия образования комплексов «Mn–S» ниже, чем у отдельных атомов, что
объясняет их устойчивость. Более того, расчёты показали сохранение спиновых
состояний марганца, что делает такие комплексы перспективными для
применения в спинтронных устройствах.
INTERNATIONAL CONFERENCE ON
INTERDISCIPLINARY SCIENCE
Volume 02, Issue 10, 2025
64 INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTERDISCIPLINARY SCIENCE
uni e salcon e ence.us
Таким образом, комплексное легирование кремния марганцем и серой приводит
к формированию дефектов с новыми свойствами, которые сочетают в себе
преимущества обоих элементов и компенсируют их отдельные недостатки.
Заключение. Проведённое исследование влияния бинарных комплексов
марганца и серы на свойства кремния позволяет сделать следующие выводы:
1. Совместное легирование марганцем и серой приводит к образованию
устойчивых комплексов «Mn–S», обладающих термодинамической
стабильностью и новыми энергетическими характеристиками.
2. Эти комплексы формируют новые уровни в запрещённой зоне кремния,
которые отсутствуют при одиночном легировании, и обеспечивают возможность
управления рекомбинационными процессами.
3. Комплексы «Mn–S» расширяют спектральную область
фоточувствительности кремния до ближнего инфракрасного диапазона, что
делает их перспективными для применения в солнечных элементах и
фотоприёмниках.
4. Теоретические и экспериментальные данные указывают на сохранение
спиновых свойств марганца в составе комплексов, что открывает перспективы
применения таких материалов в спинтронике.
Практическая значимость результатов заключается в создании предпосылок для
разработки новых поколений кремниевых материалов с регулируемыми
свойствами. Это открывает путь к созданию более эффективных и
многофункциональных электронных устройств, соответствующих современным
требованиям.
Библиография
1. Воробьев Л. Е. Физика полупроводников. – М.: Наука, 2018. – 520 с.
2. Каган М. Я. Электронные процессы в полупроводниках. – М.: Физматлит,
2020. – 368 с.
3. Chadi D. J., Chang K. Elec onic s uc u e o ansi ion-me al impu i ies in
silicon // Physical Re iew B. – 2021. – Vol. 103. – P. 245–260.
4. Zhang X., Lee S. Impu i y-de ec complexes in silicon: A i s -p inciples s udy
// Jou nal o Applied Physics. – 2022. – Vol. 132. – P. 112–125.
5. Webe J. T ansi ion me als in silicon // Applied Physics A. – 2023. – Vol. 139.
– P. 56–72.
