Формирование примесных кластеров в решетке кремния с участием примесных атомов селена

АННОТАЦИЯ

Исследована возможность формирования структур A^IIB^VI, а также соединений между халькогенидами и элементами переходной группы металлов в кристаллической решетке элементов IV группы, в частности в Si. Показано, что при формировании достаточной концентрации таких элементарных ячеек происходит изменение зонной структуры самого кремния, т.е. получается нано- и микроразмерный кремний  с прямозонной структурой. На основе таких материалов можно создать принципиально новый класс фотоэлементов с расширенной областью спектральной чувствительности, а также и светоизлучающие приборы, светодиоды и лазеры на основе дешевого кремния.

ABSTRACT

The paper reports the possibility of developing binary compounds A^IIB^VI in the bulk of silicon by using impurity atoms of  elements of the Periodic Table.  It was revealed that by controlling the doping process conditions, one could eventually build clusters of impurity atoms in the bulk of VI elements, particularly silicon, i.e. quantum dots consisting of impurity atoms of binary A^IIB^VI.

It was shown that each such micro- and nanoscale cluster of atoms of A^IIB^VI structure represent a single photocell that could help develop integral photocells, lasers and diodes on their basis.

Ключевые слова: ионный вклад, кремний, бинарный кластер, технологический процесс.

Keywords: ion contribution, silicon, binary cluster, technological process.

Возможность широкого и успешного применения структур типа  A^IIIB^V  и A^IIB^VI в электронике для светоизлучающих диодов [1], а также люминесцентных материалов, в частности обусловлено образованием твердых химических соединений между элементами  II и IV,  а также II и  VI групп периодической таблицы Менделеева. Такие соединения в основном получаются из сплавов и в редких случаях из парогазовой фазы.  Среди элементов  II и  VI групп известны в основном соединения между Cd, Zn, Hg и S, Se, Te, которые образуют устойчивые комплексы между собой в различных комбинациях. Установлены термодинамические и технологические условия формирования соединений A^II B^VI .

Рядом авторов [2] ранее были исследованы возможности формирования подобных соединений, а также соединений между халькогенидами и элементами переходной группы металлов в объеме элементов IV группы, в частности кремния, поскольку кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалов в электронной технике.

Возможность формирования таких устойчивых соединений в объеме кремния могло бы открыть новые перспективы в материаловедении, кристаллофизике и оптоэлектронике.  Нами на кафедре «Электроника и микроэлектроника» в последнее время активно проводились исследования в этом направлении.

В соединениях A^IIB^VI ионная связь обычно обусловливается кулоновским взаимодействием между избыточными положительными и отрицательными зарядами на ионах, образованных в результате перехода электронов от металлического к неметаллическому элементу. Переход …s² электронов от атомов металла на …p-орбиту атомов халькогена приводит к образованию ионов с устойчивой заполненной оболочкой A_II⁺² B_VI^-2. Характер связи соединений A_II B_VI можно частично объяснить из межатомных расстояний. В случае если расстояния между атомами  A_II B_VI, вычисленные на основе обычных ионных радиусов оказываются значительно больше, чем наблюдаемые, то можно предположить, что это обусловлено эффектом ковалентности, поскольку ковалентные радиусы уменьшаются с увеличением атомного номера.

Одной из причин, позволяющей считать соединения A^IIB^VI ковалентными, состоит в том, что в большинстве кристаллов наблюдается тетраэдрическое расположение атомов.  Теоретически рассчитать ионный вклад связи в бинарных соединениях можно исходя из различий в электроотрицательности  между атомами  A^II и B^VI.

 Именно тетраэдрические связи, полученные путем распределения электронов между атомами A^II  и B^VI (по своему характеру аналогичные связи в Si, когда в таких структурах проявляется стремление к ковалентному характеру связи), и вызывает большой интерес к вопросу создания бинарных кластеров примесных атомов в объеме кремния с их участием, а также с участием халькогенидов с атомами переходных групп (Mn, Ni). Результаты исследований показали, что при определённых термодинамических условиях последовательного и одновременного легирования кремния элементами Mn и S, Se, в решетке кремния фактически создается новая элементарная ячейка. Эта элементарная ячейка состоит из двух атомов Si,  которые находятся в узлах решетки, а также атомов S и Mn, которые также находятся в узлах решетки рядом с атомами кремния. При этом атомы S отдают свои лишние два валентных электрона атому марганца для образования нормальной ковалентной связи, т.е. появляется новая элементарная ячейка - квантовая точка Si₂-S⁺⁺Mn^— (рис.1 а) Формирование таких элементарных ячеек практически не нарушает тетраэдрическую связь в кремнии. При определенных термодинамических и технологических условиях можно формировать ячейки также и ди-бинарные кластеры (рис. 1,б)

Рисунок 1. Формирование бинарных кластеров примесных атомов в решетке кремния:

a) Si₂-S⁺⁺Mn^— , b) ди-бинарный кластер S⁺⁺Mn^— S⁺⁺Mn^—         

Аналогичные элементарные ячейки в решетке кремния можно формировать с участием примесных атомов Mn, Se, Te, а также элементов II группы Cd, Zn, Hg. Такие элементарные ячейки представляют собой квантовые точки, обладающие своими собственными фундаментальными параметрами. Таким образом, появляются принципиально новые технологические решения формирования элементарных ячеек- квантовых точек в решетке кремния диффузионным методом[3]. Этот способ формирования квантовых точек в отличие от существующих дорогостоящих и сложных методов МЛЭ, позволяет одновременно создать квантовые точки различной структуры, состава, концентрации и распределения, и самое главное – в объеме решетки, которые позволяют формировать идеальные нано- и микроразмерные гетеропереходы с различной шириной запрещенной зоны, не обладающие поверхностным состоянием.

Предварительные результаты исследования показывают, что формирование достаточной концентрации таких элементарных ячеек приводит к изменению зонной структуры самого кремния, т.е. образуется нано- и микроразмерный кремний  с прямозонной структурой. Это означает, что на основе таких материалов можно создать новый класс фотоэлементов с расширенной областью спектральной чувствительности, но также и светоизлучающие устройства, светодиоды и лазеры на основе дешевого кремния.

Это открывает практически новое научное направление современной микро- и наноэлектроники, а также в сфере оптоэлектроники.

Список литературы:
1. Алферов Ж.И. /Избранные труды нанотехнологии/МАГИСТР ПРЕСС, Москва 2011.
2. Bakhadirkhanov M.K., Sh.I. Askarov and N. Norkulov/Some features of chemical interaction between a fast diffusing impurity and group VI element in silicon/Phys.stat.sol. (a) 142, 339(1994)
3. Бахадырханов М.К., Абдурахманов Б.А. /Физико-технологические основы формирования кластеров примесных атомов в кремнии/Доклады Академии Наук РУз./№3, стр. 29-32