Вычисление характеристик субнанометровых дельта-легированных слоёв в алмазе в квазиклассическом приближении

Показано, что характеристики субнанометровых дельта-легированных бором слоёв в химически осаждённых из газовой фазы алмазных плёнках могут быть вычислены в квазиклассическом приближении как в равновесии, так и во внешнем электромагнитном поле, ионизирующем легирующие атомы бора. Найдены соответствующие решения, в первом случае – аналитически, во втором – численно. Использование квазиклассического приближения позволяет существенно упростить математическое моделирование алмазных структур с субнанометровыми дельта-легированными слоями, необходимое для их использования в наноэлектронике, например в быстродействующих полевых транзисторах.

1. Schubert E.F. In Semiconductors and Semimetals, Vol 40. Academic Press, Inc., New York, USA, 1994, ch. 1.

2. Fiori A., Tran Thi T.N., Chicot G., Jomard F., Omnes F., Gheeraert E., Bustarret E. In situ etching-back processes for a sharper top interface in boron delta-doped diamond structures. Diamond Relat. Matter, 2012, 24, P. 175–178.

3. Araujo D., Alegre M.P., Pinero J.C., Fiori A., Bustarret E., Jomard F. Boron concentration profiling by high angle annular dark field-scanning transmission electron microscopy in homoepitaxial δ-doped diamond layers. Appl. Phys. Lett, 2013, 103, 042104.

4. Fiori A., Jomard F., Teraji T., Koizumi S., Isoya J., Gheeraert E., Bustarret E. Synchronized B and 13C Diamond Delta Structures for an Ultimate In-Depth Chemical Characterization. Appl. Phys. Express, 2013, 6, 045801.

5. Fiori A., Jomard F., Teraji T., Chicot G., Bustarret E. Improved depth resolution of secondary ion mass spectrometry profiles in diamond: A quantitative analysis of the delta-doping. Thin Solid Films, 2014, 557, P. 222–226.

6. Volpe P.N., Tranchant N., Arnault J.C., Saada S., Jomard F., Bergonzo P. Ultra-sharp boron interfaces for delta doped diamond structures. Phys. Status Solidi-R, 2012, 6, P. 59–61.

7. Shiomi H., Nishibayashi Y., Toda N., Shikata S. Pulse-doped diamond p-channel metal semiconductor field-effect transistor. IEEE Electr. Dev. Lett, 1995, 16, P. 36–38.

8. Vescan A., Gluche P., Ebert W., Kohn E. High-temperature, high-voltage operation of pulse-doped diamond MESFET. IEEE Electr. Dev. Lett, 1997, 18, P. 222–224.

9. Butler J.E., Vikharev A., Gorbachev A., Lobaev M., Muchnikov A., Radischev D., Isaev V., Chernov V., Bogdanov S., Drozdov M., Demidov E., Surovegina E., Shashkin V., Davidov A., Tan H., Meshi L., Pakpour-Tabrizi A.C., Hicks M.-L., Jackman R.B. Nanometric diamond delta doping with boron. Phys. Status Solidi-R, 2017, 11, 1600329.

10. Chicot G., Fiori A., Volpe P.N., Tran Thi T.N., Gerbedoen J.C., Bousquet J., Alegre M.P., Pinero J.C., Araujo D., Jomard F., Soltani A., De Jaeger J.C., Morse J., Hartwig J., Tranchant N., Mer-Calfati C., Arnault J.C., Delahaye J., Grenet T., Eon D., Omnes F., Pernot J., Bustarret E. Electronic and physico-chemical properties of nanometric boron delta-doped diamond structures. J. Appl. Phys, 2014, 116, 083702.

11. Lobaev M.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Radishev D.B., Arkhipova E.A., Drozdov M.N., Isaev V.A., Bogdanov S.A., Kukushkin V.A. Investigation of boron-doped delta layers in CVD diamond grown on single-sector HPHT substrates. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (5), P. 578–584.

12. Scharpf J., Denisenko A., Pakes C.I., Rubanov S., Bergmaier A., Dollinger G., Pietzka C., Kohn E. Transport behaviour of boron delta-doped diamond. Phys. Status Solidi A, 2013, 210 (10), P. 2028–2034.

13. El-Hajj H., Denisenko A., Bergmaier A., Dollinger G., Kubovic M., Kohn E. Characteristics of boron δ-doped diamond for electronic applications. Diamond Relat. Mater., 2008, 17 (4–5), P. 409–414.

14. Ashcroft N.W., Mermin N.D. Solid State Physics. Harcourt College Publishers, New York, USA, 1976, 826 p.

15. Willatzen M., Cardona M., Christensen N.E. Linear muffin-tin-orbital and k-p calculations of effective masses and band structure of semiconducting diamond. Phys. Rev. B, 1994, 50, 18054.

16. Madelung O. Semiconductors: Data Handbook. Springer, Berlin, Germany, 2004.

17. Blakemore J.S. Semiconductor Statistics. Dover, Mineola, NY, USA, 2002.

18. Seeger K. Semiconductor Physics: An Introduction. Springer, Berlin, 2004.

19. Landau L.D., Lifshitz E.M. Quantum Mechanics: Non-relativistic Theory. Pergamon Press, New York, 1965, 616 p.

20. Aksenova A.S., Altuhov A.A., Ryabeva E.V., Samosadnyi V.T., Feshchenko V.S., Chernyaev A.P., Shepelev V.A. The investigation of boron-doped diamond absorbance spectrum. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, 2017, 798, 012149.

21. Schreck M., Sˇajev P., Tra¨ger M., Mayr M., Gru¨nwald T., Fischer M., Gsell S. Charge carrier trapping by dislocations in single crystal diamond. J. Appl. Phys., 2020, 127, 125102.

22. Pernot J., Volpe P.N., Omne`s F., Muret P., Mortet V., Haenen K., Teraji T. Hall hole mobility in boron-doped homoepitaxial diamond. Phys. Rev. B, 2010, 81, 205203.