Введение к работе
Актуальность темы. Развитие твердотельной электроники связано с постоянным исследованием и освоением в производстве новых материалов и технологических процессов. Кремний, германий, полупроводниковые соединения AfflBv, AnBVI уже сегодня широко используются для изготовления различных полупроводниковых приборов. Продолжается поиск и исслсдоваїше новых материалов, среди которых значительное внимание привлекают хорошо совместимые с традиционной кремниевой технологией силициды. В основном, эти материалы характеризуются металлическим типом проводимости, однако существуют силициды, обладающие полупроводниковыми свойствами. В связи с перспективами оптоэлектроники па кремнии, интерес представляют узкозонные полупроводниковые силициды, на которых можно было бы создавать светоизлучающие и фотоприемные элементы для инфракрасного диапазона, используемые в системах оптоэлектрошюй связи. Однако, за исключением силицида хрома, теоретические и экспериментальные данные о электронных и оптических свойствах большинства полупроводниковых силицидов либо отсутствуют, либо противоречивы.
Известно, что наиболее изученный гексагональный дисилиикд хрома (VI группа) является непрямозонным полупроводником, в то время как дисилицидам молибдена и вольфрама присущ тетрагональный тин симметрии и они проявляют металлические свойства. Однако молибден и вольфрам, также как и хром, принадлежат к шестой группе периодической системы элементов и имеют оболочки валентных электронов одного типа. Кроме того, экспериментально установлено, что тонкие пленки дисилицидов молибдена и вольфрама могут иметь аналогичный дисилициду хрома тип кристаллической структуры. Все это позволяет предположить наличие полупроводниковых свойств у неисследованных гексагональных соединений MoSi2 и WSi2. Имеющаяся информация по силициду рения (VII группа) крайне неоднозначна: теоретические расчеты отмечают, что он является металлом, в то время как ряд экспериментов показывает наличие у него полупроводниковых свойств. Для силицида рутения (Vin группа) существующие данные о величине и характере межзонных переходов противоречивы. Определенный интерес также представляет исследование изоструктурного ему германида рутения, имеющего, аналогичную кристаллическую структуру. Он открывает возможности создания тройных соединений с управляемыми электронными и оптическими свойствами. Однако для данного соединения отсутствуют какие-либо данные о его свойствах. ,
',>
Поскольку большинство свойств указанных полупроводниковых силицидов являются малоизученными, задача их теоретического исследования является актуальной.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в Лаборатории наноэлектроники и новых материалов Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники в рамках исследовательских проектов Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь (проект Ф97-298) и Минисгерства образования Республики Беларусь (ГБЦ 99-3042). Часть исследований вьшолнена в кооперации со специалистами из Хан-Майтнер Института (Берлин, Германия) и с коллегами из Института твердого тела и материаловедения (Дрезден, Германия).
Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое исследование фундаментальных электронных и оптических свойств полупроводниковых узкозонных силицидов хрома, молибдена, вольфрама, рения и рутения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
проанализировать известные данные об узкозонных силицидах и выявить нерешенные проблемы в описании их зонной структуры и оптических свойств;
провести анализ и выбрать наиболее перспективный метод теоретического исследования электронных свойств узкозонных полупроводников;
разработать методику расчета оптических свойств и подвижности носителей заряда в полупроводниках в рамках выбранного метода;
провести теоретическое моделирование и исследовать зонную структуру и оптические свойства исследуемых силицидов и закономерности их изменения в зависимости от атомно-структурных особенностей эпос материалов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Теоретически показано, что гексагональные дисилициды CrSi2, MoSi2, WSi2 являются непрямозонными полупроводниками с шириной запрещенной зоны 0,29 эВ в дисилициде хрома и 0,07 эВ в двух других соединениях. Непрямой переход расположен между точками L и М зоны Бриллюэна и образован за счет гибридизации d-электронов атомов металла с р-электронами атомов кремния. В точке L данные соединения имеют
прямой переход с величиной одного порядка (около 0,4 эВ), который запрещен в диполыюм приближении.
-
Установлено, что происходит уменьшение соответствующих компонент тензора эффективных масс электронов и дырок в ряду CrSi2-MoSi2-WSi2. Рассеяние носителей заряда на акустических фононах является доминирующим при Т > 50 К. Влияние ионизированной примеси сказывается лишь при низких температурах (Т < 50 К) и при высоких концентрациях примеси (N;> 1020см'3). При комнатной температуре подвижность дырок составляет 42, 190 и 209 см2/В/с в CrSi2, MoSi2 и WSi2, соответственно.
-
В силициде рения обнаружена и исследована тенденция изменения его свойств от металлического ReSi2 до полупроводникового ReSi1)7s при увеличении дефицита по кремнию в его составе. Зонная структура ReSi] _75 характеризуется непрямым переходом величиной 0,16 эВ. Прямой переход в этом материале имеет величину 0,3 эВ.
-
Установлено, что силицид рутения Ru2Sij является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,41 эВ. Прямой переход расположен в точке Г и имеет низкую осцилляторную силу. Расчет зонного спектра изоструктурного ему германида рутения Ru2Ge3 показал, что он является квазилрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,31 эВ.
Практическая значимость результатов диссертационной работы.
-
Создан комплекс программ, позволяющий проводить сквозное моделирование фундаментальных электронных и оптических свойств твердых тел методом линейных маффин-тин орбиталей (ЛМТО) как на персональных компьютерах, так и на рабочих станциях с RISC процессором.
-
Для системы Re-Si теоретически показано наличие полупроводниковых свойств только у фазы стехиометрического состава ReSii^s- Дано объяснение имеющихся экспериментальных данных и устранены противоречия с результатами предьідущих теоретических расчетов.
-
Показано, что в ряду тройных соединений Ru2Si3-iGex возможно варьирование шириной запрещенной зоны от 0,41 до 0,31 эВ, увеличивая замещенную долю (ж) атомов кремния атомами германия ст 0 до 3.
-
Физические и математические модели, описывающие электронные,
оптические и транспортные свойства исследованных полупроводников внедрены в учебный процесс в БГУИР в курс лекций "Моделирование технологических процессов и элементов интегральных схем" по специальности "Микроэлектроника".
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Гексагональные дисилициды молибдена и вольфрама являются непрямозонными полупроводниковыми соединениями с шириной запрещенной зоны 0,07 эВ. Основными носителями заряда в них, как и в изоструктурном им дисилициде хрома, являются дырки, подвижность которых при Т > 50 К в основном определяется рассеянием на акустических фононах.
-
Триклинный силицид рения проявляет полупроводниковые свойства при стсхиометрическом соотношении компонентов, соответствующем ReSil,75 и имеет непрямозонную структуру с шириной запрещенной зоны 0,16 эВ.
-
Орторомбический силицид рутения Ru2Si3 является прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,41 эВ. Замещение в нем кремния германием и соответствующий переход от этого силицида к изоструктурному ему германиду рутения Ru2Ge3 сопровождается сужением запрещенной зоны до 0,31 эВ.
-
Мнимая часть диэлектрической функции полупроводникового силицида рутения имеет максимум на уровне 2 эВ и крайне низкое значение (менее 10 % от максимального) в области между максимумом валентной зоны и дном зоны проводимости (0,4.. 0,7 эВ), что свидетельствует о малой величине осцилляторной силы электронных переходов в этом соединении.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в его непосредственном участии в разработке методики моделирования оптических свойств в рамках выбранного метода, подготовке и проведении теоретических расчетов, в анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1994 г.), Научно-технических конфереіщиях аспирантов и студентов (Минск, 1994, 1995, 1996 гг.), XVI международной конференции по термоэлектричеству (Дрезден, Германия, 1997 г.),
Международной научно-технической конференции "Современные средства связи" (Нарочь, 1997, 1998 гг.), V Республиканской научной конференции "Физика конденсированных сред" (Гродно, 1997 г.), Международной конференции Европейского материаловедческого общества (Страсбург, Франция, 1999 г.), Международному симпозиуму по материалам для металлизации (Остенде, Бельгия, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ: глава в монографии "Semiconducting Silicides", 7 статей в научных журналах и 6 тезисов докладов в сборниках конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, заключения и списка цитируемой литературы. Она включает 72 страницы машинописного текста, 46 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 114 наименований.
