Введение к работе
- З -
Актуальность проблемы. Как известно, электрофизические, оп
тические и другие евойства_їїо~лу7Гровадиикови>Г"Мз.терііалов- сущест
венным образом заьисяг от их примесни-дефектного состава и опре
дсляются локализованными электронными состояниями, обусловдешш
ми наличием дефектных центров. Эти свойства в случае центров,
создающих глубокие уровни в запрещенной зоне, г'есно связаны с
возможными зарядовыми состояниями и положеннями дефектных цент
ров ь решетке матрицы, энергетическими характеристиками их пере
стройки, движения и распада. Поэтому установление природы этих
[-,г,..',',' '-: -" "««uhiiuo и мнтастабильные конфи-
помимо фундаментальной большое практическое значение и, как правило, нуждается в теоретических расчетах их адиабатических потенциалов для различных зарядовых состояний.
однако такие расчеты малочисленны и в большинстве случаев неполны, что обусловлено известными недостатками существующих расчетных схем, прежде всего, трудоемкостью реализации строгих неэмпирических методов с одной стороны и отсутствием эффективных и достаточно корректных полуэмпирических методов расчета полной энергии с другой, в результате наши представления даже о простейших собственных точечных дефектах в таком основном материале полупроводниковой электроники, как кремний, до сих пор являются далеко не полными и однозначными, не говоря уже о квазихимических реакциях между ними и практически важными примесями и образующихся при этом дефектах комплексного характера.
Недавно был предложен новый вариант полуэмниричоско/о метода сильной связи (з. М. хакимов, Изв.АН У.чсср, сер. физ.-мат.наук., 1989, №1, С.75; Z.M.Khakimov, Comput. Mater. Sci. , 1994, V.3, Ml, P.95), основанный на достаточно корректном выражении для полной энергии, которое минимизирует ошибки полуэмпирических методов, связанные, в частности, с неполным или неявным учетом энергии электрон-электронного взаимодействия, это обстоятельство, а также простота реализации метода для расчета адиабатических потенциалов дефектов позволяет надеяться на детальное описание этим методом конфигурационных и спектроскопических энергий дефектов и квазихимических реакций между ними.
Таким образом, целью диссертационной работы является исследование полуэмнирическим методом сильной связи конфигурационных и
спектроскопических характеристик ряда важных точечных дефектов и квазихимических реакций между ними в кремнии. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
реализация полуэмпирического метода сильной связи для расчета в кластерном приближении точечных дефектов в ковалентних полупроводниках;
построение адиабатических поверхностей ряда точечных дефектов типа вакансии, собственного междоузельного атома и некоторых практически важных примесных центров (Н, О, S и Se) в Si и определение их устойчивых конфигураций, зарядовых состояний и энергий ионизации в рамках единого приближения;
построение адиабатических поверхностей некоторых реакций между элементарными собственными дефектами такими, как вакансия и собственный междоузельный атом в к-Si и изолированная оборванная связь в a-Si, и примесными атомами (Н, О и А1) и объяснение их особенностей.
Научная новизна и практическая ценность работы:
1. Предложены процедуры параметризации и самосогласования
для реализации полуэмпирического метода сильной связи для расчета
в кластерном приближении конфигурационных моделей и энергий иони
зации точечных дефектов в полупроводниках.
-
Построены адиабатические потенциалы вакансии и собственного кеждоузельного атома в Si. Показано, что силовая константа вакансии сильно зависит от ее зарядового состояния, и что учет релаксации только первых соседей вакансии недостаточен для убедительного доказательства .ее и-отрицательности.
-
Рассчитаны устойчивые позиции и зарядовые состояния водорода в кристаллическом и аморфном кремнии. Показано и-отрицатель-ное свойство водорода в согласии с расчетами методом функционалом локальной плотности (ФЛП).
4. впервые путем расчетов электронной структуры, получены
адиабатические потенциалы, описывающие реакцию вытеснения Уоткин-
са Si.+А1 -» Si +А1. в кристаллическом кремнии и эффект Стэблера-
вронски в аморфном кремнии.
5. Детально изучен ряд моделей изолированных и комплексных
центров с участием О, S и Se и корректно (без использования при
ближения Купманса) рассчитаны их энергии ионизации. Показано, что
растепленная в направлении <100> конфигурация .атома О и SiO
(п-2,?....) не лают электрически активных уровней; уровни, харак-
- 5 -терные для термодоноров, дает комплекс V+02.Теоретически установлено, что две группы уровней S (Se) в Si связаны соответственно с его изолированным состоянием в узле и двух атомов S (Se) в
соседних узлах.
Основные защищаемые положения:
і. Процедури параметризации и самосогласования для реализации полуэмпирического метода сильной связи для расчета в кластерном приближении конфигурационных моделей и энергий ионизации точечных дефектов в полупроводниках.
2. Результат расчетов пространственных и энергетических характеристик силанов и кластерных моделей кремния. Выявленные за-
-
Результаты расчетов устойчивых конфигураций и зарядовых состояний вакансии и собственного междоузельного атома, а также адиабатических потенциалов реакции вытеснения Уоткинса.
-
Результаты расчетов устойчивых конфигураций и зарядовых состояний водорода в кристаллическом и аморфном Si, а также адиабатических потенциалов эффекта Стэблера-Вронски и количественное объяснение некоторых аспектов эффекта (энергии образования оборванных связей (ос), энергии отжига метастабильного состояния, оптимальной концентрации Н и т.д.).
-
Результаты исследований моделей одиночных и двойных комплексов халькогенидов, атомов кислорода и их комплексов с вакансией, а также термодоноров.
Публикации: основное содержание диссертации изложено в 16 работах, перечисленных в - конце автореферата.
Апробация работы: Материалы диссертационной работы представленії и обсуждались на. Международном материалпведчееком симпозиуме (Бостон, 1993), Международной конференции по квантовой химии твердого тела (Рига, 1990), международной конференции "Повне материалы и приборы" (Ташкент, 1994), конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1993), Всесоюзных совещаниях и семинарах по моделированию радиационных дефектов (Одесса, 1990; Ленинград, 1990), Всесоюзном Пекаревском совещании по теории полупроводников (Одесса, 1994), Республиканских конференциях по физике (Ташкент, 1990; Фрунзе, 1У90).
Структура и обгем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, она изложена на 134 страницах,
.-6-включая 23 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 187 наименований.