Формирование светоизлучающих и фотодетектирующих в ИК-области тонкослойных структур Ge:Sb/Ge методами ионной имплантации, вакуумного осаждения и импульсного отжига

Abstract

Слои германия (Ge), легированные донорной примесью (P, As, Sb) с концентрацией N = 1019 -1020 см-3 , являются перспективным материалом для микроэлектроники, фотоники и сенсорной техники при создании быстродействующих полевых транзисторов, инфракрасных светодиодов, лазеров и фотоприемников, а также сенсоров различных химических веществ. Актуальной проблемой при формировании тонкопленочных гетероструктур на основе таких слоев, напр. Ge:Sb, является низкий уровень растворимости донорной примеси в Ge (или степень электрической активации), который в равновесных условиях роста, как правило, не превышает 1019 см-3 . Использование неравновесных методов получения сильно легированных слоев, таких как ионное со-распыление, ионная имплантация и импульсный наносекундный отжиг, может позволить преодолеть данную проблему. В данной работе сильно легированные слои Ge:Sb толщиной 0.1-0.3 мкм были получены двумя методами: (1) ионным распылением в вакууме композитной мишени с осаждением пленки на подложку p-Ge, (2) имплантацией ионов Sb+ в монокристалл p-Ge. Получаемые слои имели аморфную структуру, и для их кристаллизации и электрической активации донорной примеси Sb применялась импульсная (наносекундная) ионная обработка (ИИО) пучком ионов углерода и водорода (C + , H + ), а также импульсный лазерный отжиг (ИЛО) на длине волны 1.06 мкм импульсами микросекундной или наносекундной длительности. Во всех случаях отжиг проходил в жидкофазном режиме. Проводилось компьютерное моделирование импульсного нагрева аморфных слоев Ge и его данные сопоставлялись с экспериментом. С использованием широкого набора экспериментальных методов изучались структурные, оптические и электрические свойства облученных слоев Ge:Sb. Проведенное моделирование позволило оценить глубину, длительность расплава и температуру на поверхности Ge в процессе ИИО и ИЛО при различных режимах воздействий. Методом ВИМС установлена значительно более глубокая диффузия Sb в Ge при ИИО (до 1.5 мкм), чем при ИЛО, что связано с большей глубиной расплава. Определены режимы импульсного отжига, при которых на подложке p-Ge формировались эпитаксиальные слои n-Ge:Sb. Из измерений по Холлу, плазменному отражению и рентгеновской дифракции на вакуумно-осажденных и имплантированных слоях Ge:Sb получены высокие значения концентрации электронов проводимости вплоть до 5×1020 см-3 . Измерения фотолюминесценции при 300 К показали возрастание вклада от прямого перехода при 0.77 эВ (1610 нм) в слоях Ge:Sb после ИИО. Измерения фотопроводимости на диодной структуре nGe:Sb/p-Ge показали более интенсивный и расширенный до 2 мкм фотоотклик в сравнении с типовым Ge фотодиодом.