Введение к работе
Актуальность темы. Современная технология изготовления интегральных микросхем (ИМС) опирается на исследования в области новых материалов, физики аолукроводнпхоя и полупроводккховых приборов. В последнее время к кремнию, используемому в качестве осаовного материала для современных ИМС, и широко применяемым полупроводникам А*"В добавились новые перспективные соединения — силициды. Их формирование и получение хорошо согласуется с технологическими процессами изготовления кремниевых полупроводниковых приборов. Они находят широкое применение при создании омических контактов, межсоединений, затворов МОП-транзисторов, а также приборов с барьерами Шоттки. В основном, эти материалы (C0S12, NiSij, T1SJ2 и др.) характеризуются металлическим типом проводимости, однако существуют силициды и с по.тупроводшіковьгаи свойствами. Среди них - дисилицид железа (фаза - (5-FeSi2), который привлекает к себе пристальное внимание исследователей на протяжении последних десяти лет в связи с перспективами его использования в оптоэлектронике. Однако электронные, оптические и транспортные свойства этого материала остаются малоизученными, а приводимые различными исследователями данные противоречивы.
Так до сих пор остается открытым вопрос о характере зонной структуры f}-FeSi2. С одной стороны ряд исследований показал, что данное соединение - нрямозонвый полупроводник с шириной запрещенной зоны около 0.86 эВ. С другой стороны было установлено, что дисилицид железа часто обнаруживает свойства присущие непрямозонным полупроводникам.
Практический интерес представляют также способы модификации электрошгых свойств P-FeSij. К ним можно отнести легирование примесями и образование тройных силицидов. Так при введении значительных концентраций примесей замещения переходных металлов, таких как хром и кобальт, можно ожидать наряду с изменением типа и концентрации основных носителей заряда и уменьшением удельного сопротивления, также изменения величины и характера межзонных переходов. Но системные исследования в этом направлении пока не проводились. В качестве примеси замещения можно использовать и атомы осмия с целью создания тройных (Fei-xOsx)Si2 соединений с заданными свойствами, так как дисилицпды железа и осмия изоструктурны. Однако до настоящего времени нет надежных данных о зонной структуре OsSi2.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники в рамках исследовательских проектов Фонда фундаментальных, исследований Республики Беларусь и Министерства образования Республики Беларусь. Часть исследований выполнена в кооперации со специалистами из Хан-Майтнер Института (г. Берлин, Германия) и с коллегами из Института физики твердого тела (г. Дрезден, Германия).
Целью дшшой диссертационной работы является теоретическое исследование электронных, оптических и транспортных свойств полупроводникового дисилицида железа и возможностей их модификации введением в него примесей замещения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ известных теоретических и экспериментальных данных об электронных, оптических и транспортных свойствах дисилицида железа и выявить нерешенные проблемы;
провести анализ и выбрать наиболее перспективный метод моделирования электронных и оптических свойств для ладного класса материалов;
разработать методику расчета транспортных свойств с учетом влияния различных механизмов рассеяния носителей заряда;
провести моделирование электронных, оптических и транспортных свойств полупроводникового дисилицида железа и выявить их характерные особенности;
исследовать влияние примесей, замещающих железо, на электронные свойства дисилицида железа.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Впервые установлен квазштрямой характер зонной структуры в p-FeSi2, где первый прямой переход, имеющий значение 0.74 эВ и находящийся в точке Л орторомбяческой зоны Бршшоэна, запрещен в диполыгом приближении. Предсказан первый оптически разрешенный прямой переход с большой интенсивностью, равный 0.83 эВ, который располагается в Y точке. Это значение хорошо коррелирует с экспериментально определенной величиной 0.87 эВ. Разница между экспериментальными и теоретическими данными составила всего около 40 мэВ, что свидетельствует об отсутствии значительных корреляционных эффектов и о корректности проведенного моделирования электронных свойств в рамках функционала электронной плотности в локальном приближении.
-
По теоретически рассчитанным спектрам оптических функций выявлены две области межзонных переходов с высокой интенсивностью, обусловленные главным образом p-d переходами электронов, как в атомах железа, так и в атомах кремния между валентной зоной и зоной проводимости. Первая из них находится в районе 1.7 эВ, а вторая соответствующая диапазону энергий около 4.1 эВ, наблюдается в направлении [100] и приводит к анизотропии оптических свойств дисилицида железа.
-
Установлено, что зависимость подвижности дырок, как основных носителей заряда, от температуры пропорциональна Xа, с сс>3/2 для диапазона температур от 100 до 300 К, н обусловлена рассеянием на акустических колебаниях решетки, неполярних оптических фононах и нейтральной примеси. Вклад рассеяния на полярных оптических фононах незначителен.
-
Впервые проведено моделирование электронных свойств [3-FeSi2, легированного примесью замещения переходных металлов - хромом и кобальтом. Обнаружена тенденция уменьшения ширины запрещенной зоны при увеличении концентрации легирующей примеси до 12.5 ат %.
-
Теоретически исследована электронная структура дисшгацида осмия, roc-структурного |5-FeSi2 и установлено, что этот материал является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0.95 эВ, а первый оптически разрешению! прямой переход, расположенный в точке Y, имеет значение 1.14 эВ.
Практическая значимость результатов диссертационной работы. .
-
Впервые дано объяснение противоречивым экспериментальным данным, характеризующим дисилицид железа то как прямозонный, то как непрямозсняый полупроводник, что является следствием квазипрямого характера его зонной структуры.
-
Рассчитанные спектры оптических функций хорошо коррелируют с наиболее достоверными экспериментальными данными, что подтверждает корректность проведенного расчета зонной структуры не только в районе уровня Ферми, но и в широкой диапазоне энергий, а также позволяет использовать их при проектировании оптических и оптоэлектронных приборов.
-
Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нейтральная примесь, концентрация которой характеризует качество кристалла, оказывает существенное влияние на процесс рассеяния дырок, начиная с концентраций 10" см" . При больших концентрациях происходит уменьшение подвижности носителей заряда и снижение показателе степени а в ее температурной зависимости.
-
В случае легирования дисилицвда железа кобальтом теоретически показана возможность контролируемого изменения величины первого оптически разрешенного прямого перехода, что подтверждается экспериментальными данными.
-
Показано, что замещение железа осмием з p-FeSi2 позволит создавать тройные соединения (Fei-xOs^Sij с шириной запрещенной зоны от 0.74 эВ до 0.95 эВ при изменении замещающей фракции Os от 0 до 100 %. При этом величина первого оптически разрешенного прямого перехода с большой интенсивностью, находящегося в течке Y, изменяется от 0.83 до 1.14 эВ,
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Электронная структура полупроводникового дисилияида железа характеризуется наличием области энергий, находящейся между пороговым значением оптического межзонного перехода 0.74 эВ я первым прямым переходом с большой интенсивностью 0.83 эВ, в которой перекрываются непрямые и прямые переходы,
оптически запрещенные в дипольном приближении, что определяет свойства этого материала как квазипрямозонного полупроводника.
-
Оптические свойства дисилицида железа существенно анизотропны в энергетическом диапазоне от 0 до 5 эВ, что проявляется в наличии двух областей интенсивных межзонных переходов в кристаллографическом направлении [100] и одной - в [010] и [001] направлениях.
-
Подвижность основных носителей заряда в полупроводниковом дисилициде железа - дырок, в диапазоне температур от 100 до 300 К обусловлена главным образом рассеянием на акустических колебаниях решетки, неполярных оптических фононах и нейтральной примеси.
-
Замещение атомов металла в полупроводниковом дисилициде железа атомами кобальта и хрома с концентрациями до 12.5 ат %, приводит х уменьшению ширины
' запрещенной зоны на 25%.
5. йзоструктурный полупроводниковому дисилкциду железа орторембическиіі
дисилицид осмия обладает непрямым переходом, равным 0.95 эВ, что позволяет
прогнозировать свойства тройных соединений (Fei.jOs^Sia как непрямозошых
полупроводников с шириной запрещенной зоны от 0.74 до 0.95 эВ в зависимости от
соотношения количества атомтов їе и Os.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном его участии в подготовке и проведении теоретических расчетов, в анализе, интерпретации и обобщении полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на V Республиканской научной конференции студентов и аспирантов (Гроднс 1997), Научно-технических конференциях аспирантов и студентов (Минск 1994,1995,1996).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ: 5 статей в научных журналах и 4 тезиса докладов в сборниках конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами по каждой главе, заключения и списка цитируемой литературы. Она включает 5"! страниц машинописного текста, 29 рисунков, 18 таблиц и библиографию из IDS наименований
