Введение к работе
Все соединения, применение которых возможно в устройствах функциональной электроники, должны обладать заданными физическими свойствами, которые непосредственно связаны с химической природой вещества, т.е. с его кристаллической структурой, химическим составом и типом взаимодействия между атомами. Большинство физических свойств соединений определяется тем, каким образом распределены по энергии валентные электроны атомов, составляющих данное вещество, поэтому теоретическое исследование электронной энергетической структуры <ЗЭС> соединений представляет особый интерес для предсказания физических, обусловленных электронным строением, свойств и возможности целенаправленного управления ими.
В семействе алмазоподобных полупроводников возможно изменение их химического состава в одной и той же кристаллической структуре. Выявление происходящих при этом изменений их ЭЭС позволило бы отобрать из огромного числа соединений, те, которые обладают теми или иными заданными свойствами. Осуществление такого отбора возможно на оснс э изучения связей между требуемыми параметрами и составом вещества, т.е путем сопоставления результатов расчетов ЭЭС различных алмазоподобных полупроводников в рамках единой теоретической модели с экспериментальными данными.
В настоящее время накоплен достаточно обширный как экспериментальный, так и теоретический материал по исследованию ЭЭС алмазоподобных полупроводников. Однако, до сих пор многие квантово-механические расчеты обрываются на получении кривых дисперсии Е(1с), не доходя до расчетов плотности электронных состояний N(E). Для определения многих макроскопические свойств полупроводников, таких как электро- и теплопроводность, необходимо знание плотности электронных состояний в окрестности уровня Ферми, т.е. распределение электрснов по различным квантовым состояниям около вершины валентной полосы и возле дна зоны проводимости.
Наиболее используемым приближением при построении кристаллического потенциала, знание которого необходимо для расчвта локальных парциальных плотностей электронных состояний (ПЭС), является muffin-tin (МТ>-приближение, неоспоримым преимуществом которого является простата и наглядность построения кристаллического потенциала. 'Кроме того, МТ-приблияенив позволяет а удобной форме применять современную
?орию Физики твердого тела—теорию многократного рассеяния, дчако, в типичных полупроводниках с решеткой алмаза гндоузельный потенциал обладает значительной анизотропией и ^именение МТ-приближения является спорным и требует введения ааличных поправок, что резко повышает трудоемкость расчетов, .анная работа является своеобразным тестом на возможность йимвнения обычного МТ-приближения для исследования олупроводникоаых соединений.
Все вышесказанное обусловливает актуальность настоящего іссгедования как в научном, так и в практическом аспектах.
Целью работы является исследование ЭЭС сходных по своей
ристаллической структуре полупроводников» алмаза, BN, CdS, InP,
.gGaS J, < InPSb с использованием одного и того же теоретического
етода для каждого соединения; установление основных
'олупроводников, а также выявление различий энергетических
спектров, таких как положение основных экстремумов валентной
-алосы и дна зоны проводимости, ширина запрещенной полосы,
двойных и тройных соединений от спектра элементарных
"олупроводников, необходимых для понимания явлений, происходящих
з полупроводниках, а , следовательно, и для выяснения
зоэмажностей их практического применения; надежная интерпретация
экспериментальным данных по рентгеновской эмиссионной и
рентгоно-электронной спектроскопии; подтверждение возможности
применения МТ-приближения для расчета ЭЭС рыхлых алмазоподобных
полупроводников .
Научная новизна- Впервые проведено теоретическое
исследование ЭЭС алмаза и нитрида бора в сфалеритной модификации в рамках одного приближения и сравнение строения верхней части валентной полосы этих соединений. Численно показано, что для выявления основных особенностей ЭЭС недостаточно учитывать взаимодействие только между ближайшими атомами. Впервые исслледозано влияние вакансий на ЭЭС нитрида бора. В случае рассмотрения фосфидов и сульфидов, показано, что в основе формирования ЭЭС валентных состояний различной симметрии леаит взаимодействие между атомами , расположенными на первых двух координационных сферах. Для расчета ЗЭС тройных алмазоподобных лолуроводникоз АдБаВэ и, впервые, InPS^ , использован новый подход, в основа которого лежит моделирование кристаллической структуры указанных соединений сплавами замещения Ag#^ Ga ^g-S и Inc.g5P^gyS с решеткой одноосна сжатого сфалерита. Показано,что, наснотря на кристаллохимическую близость алмазоподобных
полупроводников и ряд общим закономерностей формирования ии ЭЭС, строение вершины валентной полосы этик соединений существенно зависит от типов атомов, расположенных в одной и той же кристаллической решетке.
Научная и практическая ценность. Использованный подход к расчету ЭЭС тройных соединений можно применять для любым алмазоподобных полупроводников, кристаллическая структура которых является производной от сфалерита (удвоение элементарной ячейки). Показано, что при расчетах ЭЗС алмазоподобных полупроводников возможно применение МТ—приближения и получение согласованных с экспериментом результатов.
Основные положения, выносимые на защиту!
— с BN существует взаимодействие на только меяду ближайшими
атомами, но и атомами, расположенными на значительном расстоянии
друг от друга. Максимум р-электронных состояний в валентной по
лосе при переходе от алмаза к нитриду бера расщепляется,
-появлений вакансий в подрешетке атомов азота нитрида бора
приводит» 1) к кардинальной перестройке формы р-полосы азота; 2>
сдвигу полной ПЭС нестехиомотрическсго нитрида бора а область
более низких энергий по сравнению с BN; 3) возникновении
дополнительных акцепторных уровней в запрещенной полосе;
-подполосз «росфора в соединениях InP и 1пРЗ/,формируется под
влиянием этомое ближайшего окружения, t.q. з соединении InP
определяющим яаляатся взаимодействие Р с атомами In , в ІпРБл-с
атомами S, причем характер взаимодействия носит преимущественно
ковалентый характер и не зависит от типа атома — партнера фосфора
в соединении;
— взаимодействие атомов фосфора меаду собой является
незначительным в InP и полностью отсутствует в InPS^ , что
обусловлено их малой концентрацией в последнем соединении;
-способность атомов серы образовывать устойчивые химические
связи между собой, является отличительной особенностью сульфидов
и не зависит от типа других атомов в химическом составе
соединения, при условии, что они но язлпчітея переходными и
благородными металлами с близкими по энэргии d—электронными
состояниями;
— частичная - замена атомов Cd атомами Ад в моделирующем сплаве
замещения Ag0yGaQ5S,вызывает кардинальное изменение формы кривой
ПЭС, что связано с сильным p-d—гибридизационным взаимодействием
мігсду атомами Ад и S, которое играет главную роль о формировании
-б-
ЗЭС ftgGaS/^ , и ослаблением связи между анионами.
Материалы диссертации неоднократно докладывались на семинарах кафедры (ризики и отраслевых конференциях в ДГТУ, на абъеди-неных семинарах кафедры физики РГУ и отдела теоретической физики НИИФ РГУ. Законченная и оформленная диссертация доложена и детально обсуждена на семинаре "Электронная структура полопроводни— ковык соединений* в Воронежском государственном университете.
Обърм работы. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения и основных выводов, изложена на 185 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков и фотографий, 16 таблиц и Слисок литературы, содержащий 139 наименований.
