Особенности измерения концентрации бора в легированных алмазных структурах методом фурье-спектроскопии в инфракрасной области спектра

Соломникова А.В., Телицын Н.С., Клепиков И.В., Тихомирова Н.С., Панов М.Ф., Зубков В.И., Соломонов А.В.

Ссылка для цитирования:

Соломникова А.В., Телицын Н.С., Клепиков И.В., Панов М.Ф., Зубков В.И., Соломонов А.В. Особенности измерения концентрации бора в легированных алмазных структурах методом фурье-спектроскопии в инфракрасной области спектра // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 1. С. 23–33. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-23-33

Solomnikova A.V., Telitsyn N.S., Klepikov I.V., Panov M.F., Zubkov V.I., Solomonov A.V. The peculiarities of boron concentration determination in doped diamond structures by Fourier transform infrared spectroscopy [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 1. P. 23–33. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-23-33

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Монокристаллические алмазные пластины и гомоэпитаксиальные алмазные структуры, легированные бором. Цель работы. Создание корректной методики определения концентрации нескомпенсированной примеси бора в однородно легированных гомоэпитаксиальных слоях алмаза. Метод. Исследование алмазных структур методом фурье-спектроскопии в инфракрасной области спектра. Основные результаты. Проведен подробный анализ корректности применения метода инфракрасной фурье-спектроскопии для оценки концентрации примеси бора в алмазе в широком диапазоне легирования. Предложена двухэтапная методика определения концентрации нескомпенсированной примеси бора в гомоэпитаксиальных слоях. На первом этапе осуществляется расчет толщины эпитаксиального слоя из спектра отражения, на втором — анализ спектров оптической плотности с отдельным рассмотрением области решеточного поглощения и участка спектра, ответственного за поглощение атомами бора. Разработанное программное обеспечение использовано для точного определения концентрации бора в различных алмазных структурах. Практическая значимость. Предложенный метод определения концентрации в легированных бором эпитаксиальных слоях алмаза позволит прецизионно определять концентрацию примеси в сложных структурах, являющихся основой фотонных, опто- и микроэлектронных приборов. Разработанное программное обеспечение подходит для внедрения в лабораторные исследования и технологический процесс для первичной неразрушающей оценки концентрации примеси в синтезированных монокристаллах алмаза.

Ключевые слова:

монокристаллический алмаз, фурье-спектроскопия в инфракрасной области спектра, примесь бора, оптическое поглощение

Благодарность:

исследование проводилось в рамках проекта № FSEE2025-0007 (государственное задание Минобрнауки Российской Федерации № 075-00003-25-00 от 25.12.2024).

Коды OCIS: 160.4670, 300.6340, 160.6000

Список источников:

1. Афанасьев И.М., Зоткин И.А. Сравнение характеристик “солнечно-слепых” приемников ионизирующего излучения // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 8 С. 68–70.

Afanas'ev I.M., Zotkin I.A. Comparison of the characteristics of solar-blind detectors of ionizing radiation // J. Opt. Technol. 2005. V. 72. № 8. P. 634–636. https://doi.org/10.1364/JOT.72.000634

2. Zaitsev A.M. Optical properties of diamond: A data handbook. Berlin, Heidelberg: Springer, 2001, 502 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04548-0

3. Vins V.G., Pestryakov E.V. Color centers in diamond crystals: Their potential use in tunable and femtosecond lasers // Diam. Relat. Mater. 2006. V. 15. P. 569–571. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2005.11.038

4. Ruf M., Wan N.H., Choi H., et al. Quantum networks based on color centers in diamond // J. Appl. Phys. 2021. V. 130. P. 1–20. https://doi.org/10.1063/5.0056534

5. Stürner F.M., Brenneis A., Buck T., et al. Integrated and portable magnetometer based on nitrogen-vacancy ensembles in diamond // Adv. Quantum Technol. 2021. V. 4. P. 2000111 https://doi.org/10.1002/qute.202000111

6. Solomnikova A., Yakovlev G., Klepikov I., et al. Nondestructive morphology and impurity content study of the large-sized high-pressure high-temperature single-crystal multisectoral IIb diamond plate for microelectronic applications // Phys. Status Solidi — Rapid Res. Lett. 2025. V. 19. № 5. P. 2400393. https://doi.org/10.1002/pssr.202400393

7. Clark C.D., Ditchburn R.W., Dyer H.B. The absorption spectra of natural and irradiated diamonds // Proc. R. Soc. London. Ser. A. Math. Phys. Sci. 1956. V. 234. P. 363–381. https://doi.org/10.1098/rspa.1956.0040

8. Walker J. Optical absorption and luminescence in diamond // Reports Prog. Phys. 1979. V. 42. P. 1605–1659. https://doi.org/10.1088/0034-4885/42/10/001

9. Breeding C., Shigley J. The “type” classification system of diamonds and its importance in gemology // Gems Gemol. 2009. V. 45. P. 96–111. https://doi.org/10.5741/GEMS.45.2.96

10. Суровегина Е.А., Демидов Е.В., Дроздов М.Н. и др. Атомный состав и электрофизические характеристики эпитаксиальных слоев CVD алмаза, легированных бором // Физика и техника полупроводников. 2016. T. 50. C. 1595.

Surovegina E.A., Demidov E.V., Drozdov M.N., et al. Atomic composition and electrical characteristics of epitaxial CVD diamond layers doped with boron // Semiconductors 2016. V. 50(12). P. 1569–1573. https://doi.org/10.1134/S1063782616120204

11. King J.M., Moses T.M., Shigley J.E., et al. Characterizing natural-color type IIb blue diamonds // Gems Gemol. 1998. V. 34. P. 246–268. https://doi.org/10.5741/GEMS.34.4.246

12. Лебедев В.Ф. Анализ секториальных пластин синтетических HPHT-алмазов методом лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии с учётом подобия процессов абляции // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 91–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-91-98

Lebedev V.F. Analysis of sectorial plates of synthetic HPHT diamonds by laser induced breakdown spectroscopy with consideration of similarity of ablation processes // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 12. Р. 831–835. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000831

13. Collins A.T., Williams A.W.S. The nature of the acceptor centre in semiconducting diamond // J. Phys. C. Solid State Phys. 1971. V. 4. P. 1789–1800. https://doi.org/10.1088/0022-3719/4/13/030

14. Howell D., Collins A.T., Loudin L.C., et al. Automated FTIR mapping of boron distribution in diamond // Diam. Relat. Mater. 2019. V. 96. P. 207–215. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.02.029

15. Zubkov V., Solomnikova A., Koliadin A., et al. Analysis of doping anisotropy in multisectorial boron-doped HPHT diamonds // Mater. Today Commun. 2020. V. 24 P. 100995. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.100995

16. Collins A.T. Intrinsic and extrinsic absorption and luminescence in diamond // Physica B: Condensed Matter. 1993. V. 185. P. 284–296. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90250-A

17. Thomas M.E., Tropf W.J. Optical properties of diamond // Johns Hopkins APL Tech. Dig. 1993. V. 14. P. 16–23. https://doi.org/10.1201/9780429283260-7

18. Ţucureanu V., Matei A., Avram A.M. FTIR spectroscopy for carbon family study // Crit. Rev. Anal. Chem. 2016. V. 46. P. 502–520. https://doi.org/10.1080/10408347.2016.1157013

19. Wemple S.H., Seman J.A. Optical transmission through multilayered structures // Appl. Opt. 1973. V. 12. P. 2947. https://doi.org/10.1364/ao.12.002947

20. Афанасьев А.В., Зубков В.И., Ильин В.А. и др. Определение толщин и особенностей легирования многослойных 4H-SiC-структур методом частотного анализа инфракрасных спектров отражения // Письма в ЖТФ. 2022. T. 48. № 2. C. 34–36. https://doi.org/10.21883/pjtf.2022.02.51919.19012

Afanasyev A.V., Zubkov V.I., Ilyin V.A., et al. Determination of thickness and doping features of multilayer 4H–SiC structures by frequency analysis of IR reflection spectra // Technical Phys. Lett. 2022. V. 48. № 2. P. 34–36.