Обзор исследований вакансии в Нанокремнии, УСТОЙЧИВЫЕ КОНФИГУРАЦИИ И ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ОСНОВНЫХ СОБСТВЕННЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ - Метод Монте Карло в химическом моделировании

УСТОЙЧИВЫЕ КОНФИГУРАЦИИ И ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ОСНОВНЫХ СОБСТВЕННЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ

Основными собственными точечными дефектами в элементарных полупроводниках являются вакансия и собственный междоузельный атом. Они всегда существуют в образцах в количествах, определяемых термодинамическим равновесием, могут быть созданы облучением, а также входят в различные комплексы и ассоциации между собой и с примесными атомами. Несмотря на то, что собственные дефекты представляют большой интерес и их исследованию посвящено, по-видимому, наибольшее количество как экспериментальных, так и теоретических работ, наши представления о них еще далеко неполны и неоднозначны, даже в таком наиболее изученном и широко используемом на практике материале как кремний.

Вакансия может существовать в пяти зарядовых состояниях (V++, V+V0, V-. У--) [23]. Вакансия очень подвижна и ее непосредственно удалось идентифицировать только в кремнии р-типа. Она отжигается в температурном интервале 150-180°С с энергией активации "0.33 эВ. Вакансия считается более подвижной в кремнии п-типа (энергия активации -0.18 эВ). Неэмпирические расчеты в рамках ФЛП энергий миграции вакансии дают значения ~1 эВ. Отметим, что ошибки ФЛП-расчетов энергии миграции дефектов составляет 20.5 эВ [24]

Ян-теллеровское искажение решетки, снимая энергетическое вырождение, приводит к расщеплению трехкратного уровня на более низкий однократный и более высокий двукратный уровни. Искажение является тетрагональным (атомы - первые соседи попарно сближаются друг к другу) и имеет группу симметрии D2d.

Влияние ян-теллеровских искажений специально рассматривалось в работах. Поскольку метод ФГ не очень пригоден для адекватного описания искажений решетки вокруг дефектов, этот недостаток старались преодолеть путем введение дополнительных орби талей на расстоянии 0.5 А от каждого из четырех соседей вакансии. Исследовалось положение локализованных уровней вакансии в зависимости от трех типов искажений: а) тетрагонального, б) полносимметричного и в) комбинации первого со вторым. Оказалось, что тетрагональные искажения или их комбинации с полносимметричным в случае смещения атомов во внутрь приводят к расщеплению уровняt2 симметрии на величину порядка полуширины запрещенной зоны кремния.

Одним из наиболее интересных результатов, полученных за последние 10-15 лет в теории дефектов полупроводниковых кристаллов, является предсказание отрицательного значения эффективной энергии взаимодействия электронов (Ч) для вакансии в кремнии (И-отрицательный характер вакансии).

Согласно этим работам три зарядовых состояния вакансии V0, V+ и V++ образуют так называемую "U-отрицательную систему Андерсона" [23-25]. Электронный переход, обусловленный изменением уровня Ферми, происходит между состояниями V0 и V++, тогда как V+ не является стабильным состоянием низкой энергии. На первый взгляд переход второго электрона на однократный занятый уровень должен увеличить энергию системы за счет электрон-электронного отталкивания. Однако наличие второго электрона благоприятствует энергопонижаюшим структурным искажениям. Выигрыш энергии, обусловленный последними, с избытком компенсирует энергию электрон-электронного отталкивания. Таким образом, наблюдается интересное явление: два электрона или одновременно садятся на уровень вакансии, или одновременно покидают ее. Полученные в /5/ значения энергии переходов Е(0/+)=0.05 эВ и Е(+/++)=0.13 эВ находятся в прекрасном согласии с экспериментом [26].

В работе [27] представлены вычисления стабильности и оптических свойств наноматериалов полупроводника с восстановленными поверхностями методами функционала плотности и квантового Монте Карло. Предсказывает относительную стабильность кремниевых нано-структур с реконструированными и нереконструированными поверхностями, и показывает, что своеобразная трансформация поверхностных конфигураций для чрезвычайно кривых поверхностей резко уменьшают оптические промежутки и уменьшают времена жизни экситонов. Эти предсказания обеспечивают объяснение как изменения в спектрах фотолюминесценции синтезированных коллоидным способом нано-частицы, так и наблюдаемые глубокие уровни в запрещенной зоне пористого кремния. На работе демонстрирует, что электрохимическим травлением получены насыщенные водородом кластерыSinHx с n больший чем 20, в пределах семьи дискретных размеров. Эти размеры - 1.0 (Si29), 1.67 (Si123), 2.15, 2.9, и 3.7 нм в диаметре. Они характеризуют частицы через прямое электронное отображение, возбуждения и эмиссионной оптической спектроскопии, и коллоидной кристаллизации. Измерены зоны запрещенных уровней и полосы эмиссии. Наименьшие четыре - ультраяркие синие, зеленые, желтые и красные люминесцентные частицы. Наличие дискретных размеров и отличной эмиссии в красном, зеленом и синем (RGB) диапазонах полезна для биомедицинской маркировки, RGB дисплеев, и флэш-памяти. Посредством крупномасштабных квантовых моделирований мы исследуем формирование и закрепление кластеров вакансии Vn в кремнии для n ? 35. Мы показываем, что существуют различные модели роста и что взаимодействие между аргументами энергии и топологии определяет самые устойчивые агрегатами. Используя метод возбуждения мультистолкновениями (multicollision excitation method) было исследовано, диссоциация ионов кремниевых кластеров, содержащих до 70 атомов. Кластеры с 19-35 атомами разделяются главным образом потерей таких частей, как Si10. Большие кластеры фрагментируются потерейSi6. Для кластеров с n> 60, потеря индивидуального атома Si (как происходит для объемного кремния) начинает становиться важным каналом диссоциации. Эти изменения в наблюдаемых продуктах могут быть приписаны изменениям в энергиях связи кластеров. Когда большие кластеры чрезвычайно возбуждены, они диссоциируют последовательной потерей единиц Si6, пока они не достигают количества атомов ~30. Тогда они распадаются на фрагменты, содержащие 6-11 атомов. Энергии диссоциации были оценены от экспериментальных результатов. Существенные изменения в энергиях диссоциаций наблюдены для кластеров с 25 атомами. Для кластеров с n> 25 энергии диссоциации увеличиваются гладко[27]. Структуры самых низко-лежащих по энергии кластеровSin (n = 20-40 и 45) получены с генетическим алгоритмом и в рамках не-ортогональной модели сильной связи (NTB). Мы находим, что атомы организованы в две оболочки. Внешний формирует искаженную клетку, а внутренний содержит один атом или несколько основных атомов (ядро кластера). Геометрия кластеров Sin изменяются на вытянуто-сферические от n = 24 и изменяются на сплющенно-сферические структуры от n = 29 и изменяются на почти сферические структуры от n = 32. С увеличением размеров кластеров n энергии связи в этом диапазоне увеличиваются гладко, и никакое магическое число не найдено в этом ряду кластеров. Все профили кривых плотностей состояний (DOS) очень подобны. Между профилями соседних кластеров встречаются только небольшие различия. Ширина запрещенной зоны уменьшается с увеличением размера кластеров. Мы вычислили энергии поглощения и эмиссии нанокристаллов кремния в качестве функции размера и пассивантов поверхности, используя как теорию функционала плотности, так и квантовые вычисления Монте Карло. Мы нашли, что ионные перестановки и релаксации электронов, происходящие после поглощения и эмиссии чрезвычайно чувствительны к химии поверхности. В частности нанокластеры с одинаковыми размерами и одинаковыми промежутками поглощения могут показать поразительно различные энергии эмиссии. Наши результаты обеспечивают объединенную интерпретацию нескольких недавних измерений, в которых наблюдали значительно различные энергии эмиссии от кластеров с одинаковыми размерами. Наши вычисления также показывают, что комбинация измерений поглощения и эмиссии может обеспечить мощный инструмент для идентифицирования как размеров, так и пассивантов поверхностей нанокристаллов полупроводника[28]. Метод функционала все-электронной плотности использовалась, чтобы вычислить структуры и энергии кремниевых/водородных кластеров с 148 атомами. Колебательные частоты вычислены для тех кластеров с меньше чем 75 атомами. В дополнение к пассивированным водородом кластерам, основанным на структурах объемного кремния, мы изучаем структуры, включающие вакансии, дивакансии, и дополнительные атомы H. Результаты - по сравнению с более ранней работой и обеспечивают характерные признаки вибрации, которые должны помочь в интерпретации размеров (таких, как инфракрасных спектров) гидрогенизированного кристаллического и аморфного кремния. Предложены и изучены с применением ab inito вычислений эллипсоидальные квантовые точечные структуры. Сравнение энергии формирования со сферическими партнерами показывает маленькие различия. Однако, электронные и оптические свойства явно различны. Поскольку электронные состояния имеют различную чувствительность к изменениям соотношений геометрических размеров, отдельные предельные орбитали отодвигаются в запрещенную зону, и общее перемещение уровней, позволяет учитывать поглощение в видимом диапазоне. Наш результат показывает важность и размера и формы при формировании запрещенной зоны кремниевых квантовых точек[29]. В текущей работе взаимодействие этих 60 степеней перетасовывает дислокацию с группой вакансии под прикладным, стригут напряжение в кремниевом кристалле, изучен через молекулярный метод динамики. Stillinger-Weber (КОРОТКОВОЛНОВЫЙ) потенциальный и зависимый от окружающей среды межатомный потенциал (EDIP) используются, чтобы вычислить межатомные силы. Результаты моделирования показывают, что в низком стригут напряжение, дислокация прикреплена группой вакансии. С уровнем напряжения, увеличенным к определенной критической сигме ценности (l), дислокация может преодолеть скрепление и пройти. Найдено, что сигма (l) достигает своего максимума в температуре перехода, которая является приблизительно 350 K. Также показанный в моделированиях обобщенное разобщение дислокации, что 60 дислокаций степеней, взаимодействуя с группой вакансии, могут привести к 30 степеням и 90 степеням частичные дислокации, когда прикладные стригут пределы напряжения другая критическая сигма ценности (h). Две проистекающих частичных дислокации отделены свойственной ошибкой укладки. В отличие от сигмы (l), сигма (h) продолжает уменьшаться в температурах выше чем 400 K и остается константой в более низких температурах. Электронные структуры кремниевых кластеров с моновакансией и di-вакансией вычислены с использованием дискретного вариационного (DV)-X [альфа] молекулярный орбитальный метод. Результаты показывают, что глубокие уровни энергии произведены в середине энергетического кризиса в сотрудничестве с повисшими облигациями из-за введения вакансии. Мы предлагаем новый механизм устранения глубоких уровней энергии, заменяя вакансиями с атомами или парой атомов для заявлений в Сицзяне ультрабольшие чешуйчатые интегральные схемы. Один из лучших кандидатов как замена вакансии - пара объединенных промежуточных атомов бора[30]

Синергистическая комбинация молекулярной динамики и вычислений статики, основанных на эмпирическом Зависимом от окружающей среды Межатомном Потенциале (EDIP), используется, чтобы вычислить термодинамические свойства групп вакансии (пустоты) в кремнии. Все свойства формирования группы, как находят, следуют за простым размером, измеряющим закон, приводя к компактному выражению для недействительных свободных энергий. Оценка для свободной энергии неисправимого Сицзяна (111) поверхность, как находят, сравнивается хорошо с экспериментальными измерениями. Результаты должны быть полезными для развития точных тренажеров процесса для недействительного формирования во время кристаллического роста и вафли тепловой отжиг[31]. В настоящей работе проведен анализ эволюции концентрации точечных дефектов при ионном облучении твердых тел. Предложена приближенная аналитическая методика для ее описания с учетом диффузии и некоторых вторичных процессов (рекомбинация точечных дефектов и образование дивакансий). Расчеты произведены с учетом дискретного во времени и пространстве попадания ионов на поверхность образца. На примере облучения кремния ионами неона рассчитаны зависимости концентрации дефектов от глубины при различных дозах (временах облучения) и зависимость дозы аморфизации от плотности ионного тока[32]. Чтобы исследовать государства обвинения кремниевой вакансии, мы вводим модель группы, которая включает и взаимодействие Кулона U между электронами в повисшем обязательстве и г сцепления между электронами и фононы Jahn-кассира, и решать модель при использовании числового метода диагонализации. Найдено, что, для U> 0 и г = 0, государство основания нейтрального обвинения заявляет, что V0 - фуфайка вращения (S = 0) и орбитальная копия. Когда г различен для конечного U, государство основания изменяется на орбитальное государство тройки с S = 1 в промежуточном сцеплении gci, и наконец, изменяется на орбитальное государство тройки с S = 0 в сильном сцеплении gc2. Полученный результат для g> gc2 совместим с низким температурным упругим смягчением, наблюдаемым в нелегированном прозрачном кремнии. Ряд измерений был выполнен в Университете Ванны, чтобы изучить развитие структур типа вакансии в кремнии. Изотермический отжиг, выполненный во время позитрона основанный на луче Doppler расширяющиеся измерения, привел к энергиям активации для формирования группы вакансии и испарения в кремнии приблизительно 2.5 и 3.7 eV, соответственно. Группы, которые могли преобладающе быть устойчивым hexavacancy, кажется, формируются между 400-500°C, и отжигают в ~ 600°C. Подобная техника относилась низко - температура на месте, измерения привели к энергиям перемещения для кремниевой моновакансии и промежуточный (~ 0.5 и 0.08 eV, соответственно). Представлены интересные наблюдения за формированием позитрония в поверхности образцов, изученных во время изотермического отжига[33]. Диффузион и объединение в кластеры вакансий решетки в кремнии как функция температуры, концентрация, и диапазон взаимодействия исследованы Кинетической Решеткой моделирования Монте Карло. Найдено, что более высокие температуры приводят к большим группам с более короткими сроками службы в среднем, которые растут, привлекая свободные вакансии, в то время как группы в более низких температурах растут скоплением меньших групп. Длинные диапазоны взаимодействия производят увеличенную диффузивность и меньше групп. Большие концентрации вакансии приводят к большему количеству групп, с меньше освобождают, и образец этого закона, как показывают, увеличивается с концентрацией, в неподвижной температуре, и уменьшение с температурой, в неподвижном concentration. vacancies, но размере групп в значительной степени независимо от концентрации. Диффузивность вакансии, как показывают, повинуется поведению закона о власти в течение долгого времени[27-32]. Фтор (F) допинги формирование F-вакансии (FnVm), кластеров были экстенсивно изучены в кремнии (Сицзян), посколькуонимогутподавитьпереходноесамопромежуточноеустановленноераспространениебора (B). Недавние экспериментальные исследования Bernardi и др. показали, что нет никакой существенной концентрации Fn Vm групп (для n> 4, m> 1) в разногласии со многой плотностью функциональные исследования теории. В данном исследовании мы используем электронные вычисления структуры, чтобы оценить энергии связи кластеров FnVm и групп Vn. Существенные энергии связи групп Vn показывают, что концентрация больших групп FnVm (n> 4, m> 1) будет ограничена по сравнению с группами Vn или еще меньшими кластерами. Ряд измерений был выполнен в Университете Ванны, чтобы изучить развитие структур типа вакансии в кремнии. Изотермический отжиг, выполненный во время позитрона основанный на луче Doppler расширяющиеся измерения, привел к энергиям активации для формирования группы вакансии и испарения в кремнии приблизительно 2.5 и 3.7 eV, соответственно. Группы, которые могли преобладающе быть устойчивым hexavacancy, кажется, формируются между 400-500°C, и отжигают в ~ 600°C. Подобная техника относилась низко - температура на месте, измерения привели к энергиям перемещения для кремниевой моновакансии и промежуточный (~ 0.5 и 0.08 eV, соответственно). Представлены интересные наблюдения за формированием позитрония в поверхности образцов, изученных во время изотермического отжига[33]. Параллельный молекулярный алгоритм динамики представлен для вычислительных конфигураций относительно больших дефектов в прозрачном кремнии, как моделируется Stillinger-Weber (КОРОТКОВОЛНОВЫЙ) межатомный потенциал с тремя телами. Алгоритм основан на разделении физического места среди процессоров N с атомами, мигрирующими свободно между partitions Implementation на компьютерных показах IBM SP2 с восьмью процессорами увеличенная эффективность с размером моделирования, ожидаемым из-за увеличенного вычислительного груза в процессор относительно коммуникации наверху. Параллельная эффективность достигла 70 % для 21 952 атома. Группы были смягчены в пределах решетки хозяина приблизительно 3000 кремниевых атомов, подвергнутых периодическим граничным условиям. Свободные энергии формирования для температур 500 K "T" 1600 K были вычислены, используя термодинамическую интеграцию. Вычисленные распределения равновесия для этих групп показывают изменение большим разновидностям в более низких температурах, как ожидается. КОРОТКОВОЛНОВЫЙ потенциал предсказывает большие движущие силы для промежуточного скопления, чем скопление вакансии через весь диапазон температуры. Образцовые вычисления для большой группы вакансии также представлены, чтобы продемонстрировать полезность алгоритма для того, чтобы исследовать очень большие дефекты в кремнии[34]. В этом тезисе спектроскопия уничтожения позитрона была применена, чтобы учиться, дефекты вакансии в галлии азотируют, и кремний связал материалы: кремний, кремниевый германий и германий. Кремний имел отношение, материалы являются доминирующими в текущих интегральных схемах. Улучшение проводимости канала крайне важно для сокращения разложения высокой температуры и для производства более быстрых компонентов. Формирование компенсации комплексам дефекта наблюдалось, и их структура идентифицирована в высоко лакируемом кремнии Сурьмы. Родные дефекты пункта в кремниевом германии были изучены для концентраций Германия до 30 процентов. Вакансии, как находят, формируют пар с допантом P атомы, уменьшающие свободную электронную плотность и поэтому проводимость. В германии, внедренном с кремнием и объединением в кластеры вакансии ионов германия и восстановлением дефекта во время термообработки, были изучены[32-34].

УСТОЙЧИВЫЕ КОНФИГУРАЦИИ И ЗАРЯДОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ОСНОВНЫХ СОБСТВЕННЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ

Похожие статьи