Введение к работе
Актуальность тош. Успех наметившегося в последние годы направления, связанного с легированием полупроводников изоэлектрон-нымп примесями (ИЭП), невозможен без знания величин их равновесной растворимости. Несмотря на то, что экспериментальные результата исследования растворимости ИЭП в кремнии и германии достаточно полно отрэгены в литературе, интерес к данной проблеме вновь Еозрос, особенно в связи с развитием технологии иокно-гешлаїтфовенпого кремния.
Теоретические исследования равновесной растворимости ИЭП в полупроводниках, как правило, строятся па принципах макроскопической термодинамики (тоорет фазових равновесии) с привлечением угэ п.:эпзлхся' экспоржнтэлышх данных, при этом частично или полностью игнорируется изхзккгм растворимости на отсжсм уровне. Цель'п протавополспгаго подхода - тафосксістгаского - является расчет еолячинц зитальппи растворения (дЯ), основанный на струк-турэ п характере химических сззязоД весоства, что позволяет прогнозировать равяовэслуи растворимость. Существующие в настоящее время методы расчета одтольпаи растворения ИЭП в кремнии и германии (теория Еейзсра). носят качественный характер. Достигнутый за последние годц програсс в области квантовой химии твердого тела позволяет надеяться на успеиное решение данной проблемы в рамках строгой теории. Однако квпнтоьохимические исследования растворимости ИЭП в полупроводниках "из первых принципов" в основном сдергиваются трудностям вычислительного характера.
Поэтому вопрос создания теории, позволяющей с единых позиций рассчитывать энергию связи, электронное распределение и, в конечном счете, энтальпию растворения при легировании полупроводников ИЭП сегодня представляется актуальным как с научной так п с пря:;~
тической точек зрения. Это позволило бы провести анализ существующих литературных данных и восполнить недостаток информации, касающийся растворимости ИЭП в полупроводниках. Теоретический анализ, основанный на -изучении поведения примесей III-V групп в те-траэдрических полупроводниках А* , мог бы оказать неоценимую услугу для решения проблемы растворимости ИЭП в ближайших струк-
гтт v
турных аналогах - соединениях А В .
Целью настоящей работы является создание метода расчета энтальпии растворения примесей III-V групп в кремнии и германии. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Создание модели растворимости ИЭП в элементарных полупро
водниках (на примере кремния и германия), реализующей основные
идеи микроскопического подхода. . .
?,. Разработка простого в применении и эффективного полуэмпирического метода, основанного на принципах квантовой химии, для количественного расчета энергетических затрат процесса растворения ИЭП в тетраэдрических полупроводниках/
3. Проведение расчетов энтальпий растворения примесей замещения элементов III-V групп в кремния и германии и сопоставление их с экспериментальными [данными.
Научная новизна
і. Предложенная физико-химическая модель растворения, в 'отличие от существующих, позволяет более точно и корректно учиты-' вать энергетические вклады отдельных стадий процесса. Прежде всего, это касается определения энергии связи примесного центра с кристаллическим окружением, поляризации электронной плотности атомов кристалла и способа учета ионизации примесного атома.
2. РазраЗотан унифщированный подход на основе подуэмпири-
- 5 - '
ческой версии метода МО ЛКАО для расчета всех энергетических составляющих процесса растворения.
-
Получены аналитические формулы для расчета энергии связи примесного изоэлектрошюго цэнтра, встроенного в бесконечный кристалл, с атомами кристаллического окружения.
-
Предложен структурно-топологический подход, позволяющий анализировать электронное распределение в алмазоподобных кристаллах.
-
Разработана оригинальная методика самосогласованного расчета распределения электронной плотности и энергии поляризации в неограниченном кристалле. В отличие от традиционного метода Мот-та-Литтлетона она позволяет более корректно учитывать атомную структуру вещества.
Практическая значимость развитых в работе подходов опреде-ляртся их применимостью к достаточно широкому классу изоэлектрон-шх примесей и собственных точечных дефектов в элементарных те-тра&дрических полупроводниках. Разработанный метод расчета может быть обоОщен на другие системы с близким характером химической
связь (соединения А .В и АА В х), что даст возможность прогнозировать растворимость-в них различных легирующих ИЭП^для важнейших практических применений. Метод может быть использовгн для изучения процессов дефектообразования в полупроводниках и легко модифицирован для 'расчета вакансий, антиструктурных дефектов, комплексов точечных дефектов и т.п.
На защиту выносятся:
1. Физико-химическая модель растворения примесей замещения элементов III-V групп ь кремнии и германии, основанная на детальном анализе энергетичоских затрат данного процесса.
-
Метод расчета энтальпии растворения, разработанный на принципах квонтовохимического подхода МО ЛКАО в рамках приближения сильной связи.
-
Методика самосогласованного расчета распределения электронной плотности и энергии поляризации кристалла элементарного тетраэдрического полупроводника изоэлектронным центром замещения.
-
Результаты расчетов энтальпий растворения и электронного распределения (поляризации; для примесей элементов III (В, А1, Ga, In), IV (С, Sn), V (N, Р, As, Sb) групп в кремнии и германии.
Апробация работы
Основное содержание работы докладывалось на научных семинарах в Институте общей и неорганичоской химии им. Н.С.Курнакова и в Московской Государственной Академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова. .- Публикации я
, Л'
Основное содержание диссертации изложено в трех статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации:
