Термодинамические модели расчета концентрации точечных дефектов с учетом их взаимодействия в элементарных и многокомпонентных полупроводниках Комлев, Антон Васильевич

Введение к работе

Актуальность работы

Точечные дефекты во многом определяют свойства полупроводниковых соединений и элементарных полупроводников. Они играют важную роль для ряда полупроводниковых приборов, таких как фотоприемники, светодиоды, мощные транзисторы и тиристоры. Поэтому важно знать условия их возникновения в процессе роста и легирования кристалла. Для этого необходимы простые и удобные модели их расчета. С одной стороны это нужно для анализа экспериментальных данных, а с другой стороны для целенаправленного изменения свойств получаемого кристалла. В связи с этим актуальна разработка теоретических моделей, позволяющих анализировать экспериментальные данные, определять термодинамические параметры дефектообразования и позволяющих математически моделировать реальные экспериментальные ситуации. Как правило такие модели строятся на основе закона действующих масс, однако закон действующих масс имеет ряд недостатков. Эти недостатки в определенной мере устраняет модель, разработанная в работах Булярского СВ. и Олейникова В.Л. [1, 2], опирающаяся на минимизацию свободной энергии Гиббса. В данной работе эта модель получила дальнейшее .развитие и обобщена на случай эффектов взаимодействия дефектов между собой, на случай многозарядных примесей, а также процессов комплексообра-зования.

Цель работы

Целью настоящей работы является дальнейшее развитие методов расчета параметров термодинамически равновесных дефектов в элементарных и многокомпонентных полупроводниках. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Разработать теоретические модели равновесных концентраций точечных дефектов в элементарных и многокомпонентных полупроводниках с учетом многозарядности и слабых кулоновских и дефор-

мационных взаимодействий.

Разработать теоретическую модель образования комплексов.

Сопоставить теоретические модели с экспериментальными результатами и разработать алгоритмы получения термодинамических параметров образования точечных дефектов в различных случаях.

Научная новизна

Получены выражения для концентрации точечных дефектов в элементарных и многокомпонентных полупроводниках с учетом куло-новского и деформационного взаимодействий.

Получены выражения для концентрации многозарядных примесей в многокомпонентных полупроводниках. Выполнено моделирование и получено распределение концентрации дефектов по зарядовым состояниям на примере серебра и золота в кремнии.

Показано влияние легирующих примесей на изменение концентрации собственных точечных дефектов в соединении A^lnB^v и на изменении ширины области гомогенности.

Получены выражения для оценки равновесной концентрации комплексов и показано, что концентрация донорно-акцепторных комплексов изменяется нелинейно, при изменении концентрации одного из компонент, что подтверждено моделированием на основе предложенных теоретических моделей и проверено экспериментально на примере соединения GaAs, легированного серой.

На основе анализа экспериментальных результатов в кремнии показано, что энтальпии и энтропии растворимости примесей не достаточно для описания всей гаммы сложных процессов протекающих при растворении примеси в кристалле. Получены аппроксимацион-ные зависимости для улучшенного описания этого процесса.

Практическая значимость

Разработаны алгоритмы обработки экспериментальных данных с целью получения термодинамических параметров растворимости примеси в полупроводниковом кристалле на примере кремния, легированного Ga, Al, As, Р, Ag, Au.

Получены приближенные выражения парциального потенциала Гиббса для примесей Ga, Al, As, Р с учетом взаимодействия дефектов. Эти выражения хорошо описывают кривые ликвидуса и солидуса и тем самым могут быть использованы при расчетах термодинамики дефектов для других приложений.

Получены аналитические выражения, позволяющие определить концентрации примеси в различных зарядовых состояниях.

Разработана методика определения энтальпии образования вакансии соединения AⁱⁿB^v на основе анализа зависимости концентрации донорно-акцепторного комплекса от растворимости дефекта.

Положения выносимые на защиту

1. Кулоновское взаимодействие примесей оказывает влияние на их растворимость. Для примесей алюминия и галлия в кремнии это верно по крайней мере в области температур от 1000К до 1500К.

2. Кривые солидуса в высокотемпературной области, где экспериментальные данные либо отсутствуют, либо подвержены значительным ошибкам могут быть получены из анализа кривых растворимости летучих легирующих компонентов в кремнии при низких температурах.

3) Легирование соединений A^UIB^V приводит к изменению ширины
. области гомогенности, что связано с зависимостью концентрации

собственных дефектов от концентрации свободных носителей в кристалле.

4) Донорно-акцепторные комплексы типа вакансия катиона в соединении А^1ПВ^У - донор VI-оік группы нелинейно зависят от концентрации донора. На данной характеристике можно выделить по крайней мере два участка, в первом из которых концентрация комплексов зависит линейно от концентрации донора, а во втором — квадратично. По точке перехода можно оценить энтальпию образования вакансии катиона.

Апробация работы

Основное содержание работы докладывалось на научных семинарах и конференциях в Ульяновском Государственном Университете на физико-техническом факультете.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в четырех публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации