ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 2022-2.889,
2024-6.875 Resea chBib IF: 9.948 / 2024
VOLUME-5, ISSUE-10
82
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КРЕМНИЯ С БИНАРНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ С
УЧАСТИЕМ АТОМОВ Mn и Se
Эшқораев Aбдуқодир Искандарович
Аннотация
В данной работе исследуются физико-химические и электрофизические свойства кремния,
содержащего бинарные комплексы примесных атомов марганца (Mn) и селена (Se).
Актуальность темы обусловлена необходимостью создания новых функциональных
материалов для микро- и оптоэлектроники, где управляемое легирование открывает
возможности модификации параметров проводимости, фоточувствительности и спин-
зависимых эффектов. Установлено, что при одновременном введении марганца и селена в
решётку кремния образуются устойчивые дефектные комплексы, обладающие уникальными
энергетическими характеристиками. Экспериментальные исследования с применением
методов DLTS-спектроскопии, инфракрасной фотопроводимости и электронно-
микроскопического анализа показали, что такие комплексы способны изменять время жизни
носителей заряда, формировать новые уровни в запрещённой зоне, а также расширять
спектральную чувствительность материала до ближнего инфракрасного диапазона.
Теоретическое моделирование на основе метода функционала плотности подтвердило
образование новых устойчивых состояний и предсказало возможность их практического
использования в спинтронных и фотонных устройствах.
Ключевые слова. Кремний, марганец, селен, бинарные комплексы, дефектные состояния,
глубокие уровни, фотопроводимость, спинтроника, DLTS, функциональные материалы.
Abs ac
This pape examines he physicochemical and elec ical p ope ies o silicon con aining bina y
complexes o manganese (Mn) and selenium (Se) impu i y a oms. The ele ance o his opic s ems
om he need o c ea e new unc ional ma e ials o mic o- and op oelec onics, whe e con olled
doping o e s he po en ial o modi ying conduc i i y, pho osensi i i y, and spin-dependen e ec s.
I was es ablished ha he simul aneous in oduc ion o manganese and selenium in o he silicon
la ice leads o he o ma ion o s able de ec complexes wi h unique ene gy cha ac e is ics.
Expe imen al s udies using DLTS spec oscopy, in a ed pho oconduc i i y, and elec on mic oscopy
analysis demons a ed ha such complexes a e capable o al e ing he cha ge ca ie li e ime, o ming
new le els in he band gap, and ex ending he spec al sensi i i y o he ma e ial o he nea -in a ed
ange. Theo e ical modeling using he densi y unc ional heo y me hod con i med he o ma ion o
new s able s a es and p edic ed he possibili y o hei p ac ical use in spin onic and pho onic de ices.
Key wo ds. Silicon, manganese, selenium, bina y complexes, de ec s a es, deep le els,
pho oconduc i i y, spin onics, DLTS, unc ional ma e ials.
ВВЕДЕНИЕ
Кремний, являясь основой современной полупроводниковой электроники, подвергается
постоянному изучению с целью улучшения его функциональных характеристик. Легирование
бором и фосфором давно стало стандартной технологией, позволяющей управлять типом
проводимости. Однако современные вызовы микро- и наноэлектроники, в том числе
ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 2022-2.889,
2024-6.875 Resea chBib IF: 9.948 / 2024
VOLUME-5, ISSUE-10
83
разработка более эффективных фотоприёмников, солнечных элементов и спинтронных
устройств, требуют более сложных схем модификации материала.
Особый интерес вызывают переходные металлы, такие как марганец, и элементы VI группы,
включая селен. Марганец формирует в решётке кремния глубокие уровни, которые
существенно влияют на рекомбинационные процессы и магнитные свойства материала. Селен,
в свою очередь, способен действовать как донор или акцептор, формируя относительно мелкие
уровни в запрещённой зоне.
Совместное внедрение атомов Mn и Se в кремний открывает новые перспективы, так как они
образуют бинарные комплексы «Mn–Se», которые сочетают уникальные свойства обоих
компонентов. С одной стороны, такие комплексы могут стабилизировать дефектную
структуру, снижая влияние отдельных атомов марганца, а с другой – расширять
функциональные возможности материала за счёт появления новых электронных состояний.
АНАЛИЗ И МЕТОДОЛОГИЯ ЛИТЕРАТУРЫ
В научной литературе накоплен значительный опыт по изучению дефектов в кремнии, однако
большинство исследований посвящено одиночным примесям. Работы, посвящённые
переходным металлам, показывают, что Mn внедряется в междоузельные позиции и формирует
глубокие уровни, находящиеся вблизи середины запрещённой зоны. Эти уровни уменьшают
время жизни носителей заряда, что негативно для классических электронных приборов, но
перспективно для устройств с управляемыми рекомбинационными процессами.
Селен в кремнии исследован с точки зрения расширения спектра фоточувствительности. Его
присутствие приводит к образованию донорных уровней, позволяющих кремнию поглощать
фотоны в ближнем инфракрасном диапазоне. Исследования последних лет (Zhang, 2022;
Webe , 2023) показали, что селеновые комплексы могут быть стабилизированы совместным
легированием другими примесями.
Совместное изучение Mn и Se в кремнии началось сравнительно недавно. Экспериментальные
данные указывают на то, что при совместной имплантации и последующем отжиге образуются
комплексы «Mn–Se», обладающие устойчивой структурой. Эти комплексы изменяют
распределение плотности состояний и формируют новые энергетические уровни,
подтверждённые спектроскопическими методами.
Методология исследования включала комбинацию экспериментальных и теоретических
методов.
1. Легирование проводилось методом ионной имплантации атомов Mn и Se в кремний с
концентрациями порядка 10¹⁶–10¹⁸ см⁻³.
2. Отжиг образцов выполнялся при температурах 600–900 °C для стабилизации
дефектных комплексов.
3. DLTS-спектроскопия применялась для анализа энергетических уровней и времени
жизни носителей заряда.
4. Фотопроводимость в ИК-диапазоне позволяла выявить расширение спектра
фоточувствительности.
5. Электронная микроскопия высокого разрешения использовалась для анализа
распределения примесей и структуры дефектов.
6. Теоретическое моделирование выполнялось с помощью метода функционала
плотности (DFT), что позволило рассчитать зонную структуру и локальную плотность
состояний.
ISSN: 2582-4686 SJIF 2021-3.261,SJIF 2022-2.889,
2024-6.875 Resea chBib IF: 9.948 / 2024
VOLUME-5, ISSUE-10
84
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные данные показали, что при одновременном внедрении Mn и Se
формируются устойчивые комплексы, обладающие особыми энергетическими
характеристиками. DLTS-спектры выявили новые уровни, локализованные ближе к краю зоны
проводимости, в отличие от уровней, создаваемых отдельными атомами Mn.
Фотопроводимость образцов продемонстрировала расширение спектральной
чувствительности до 1,1–1,3 мкм, что подтверждает роль селена в модификации оптических
свойств. Электронная микроскопия зафиксировала кластеризацию Mn–Se комплексов при
высоких концентрациях и температурах отжига выше 800 °C.
Теоретические расчёты подтвердили возможность образования устойчивых комплексов «Mn–
Se» с пониженной энергией формирования по сравнению с изолированными атомами.
Плотность состояний указывает на появление новых энергетических полос, способных
улучшить рекомбинационные свойства кремния.
ВЫВОД
Проведённое исследование показало, что бинарные комплексы «Mn–Se» в кремнии обладают
уникальными свойствами, которые открывают перспективы для их применения в современной
электронике. Основные выводы:
− совместное внедрение Mn и Se стабилизирует структуру и снижает негативное влияние
отдельных атомов марганца;
− формируются новые уровни в запрещённой зоне, регулирующие время жизни
носителей заряда;
− расширяется спектр фоточувствительности кремния, что особенно важно для
инфракрасных фотоприёмников и солнечных элементов;
− комплексы «Mn–Se» демонстрируют потенциальную пригодность для применения в
спинтронике.
Таким образом, бинарные комплексы Mn–Se могут стать основой для создания новых
функциональных материалов на базе кремния, отвечающих современным требованиям
оптоэлектроники и квантовых технологий.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
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.
