Исследование свойств кремния с кластерами примесных атомов

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время, в мире в активно развивающемся направлении полупроводниковой физики пристальное внимание уделяется получению материалов на основе кремния с примесными атомами, демонстрирующими абсолютно новые свойства, отличающиеся от свойств базового материала. В этом аспекте важными задачами являются открытие перспективных функциональных возможностей кремния с новыми ячейками в матрице материала, а также применение этого материала в микроэлектронике, материаловедении и других областях.
В мире на сегодняшний день уделяется большое внимание изучению свойств кремния с папоразмерными соединениями. При этом одной из важных задач является проведение целевых научных исследований в следующих направлениях: исследование энергетического и колебательного спектров, оптимизированной геометрии кремния с новыми элементарными ячейками, теоретическое и экспериментальное исследование свойств кремния с примесными атомами элементов II и VI групп, сравнительный анализ параметров численного расчета с результатами экспериментальных исследований. а также прогнозирование па этой основе свойств новых материалов.
В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан, особое внимание уделяется вопросам стимулирования научно-исследовательской и инновационной деятельности, создания эффективных механизмов прикладного применения достижений научноинновационной деятельности. В частности, основное внимание уделяется вопросам развития технологии синтеза новых полупроводниковых материалов, состоящих из элементарных ячеек «кремний - примесный атом». Особо следует отмстить, что данная деятельность осуществляется в рамках объявленного Года поддержки активного предпринимательства, инновационных идей и технологий, нацеленного на получение научных результатов, отвечающих современным требованиям научного развития. В этом плане особое внимание уделяется вопросам исследования оптических, фотоэлектрических и электрических свойств кластерных структур с участием примесных атомов на основе полупроводникового кремния. Вместе с тем, актуальной задачей является численный расчет параметров кремния с кластерными структурами и сравнительный анализ результатов численного расчета с экспериментальными результатами, что позволило бы прогнозировать новые свойства материала и на этой основе обеспечить широкое прикладное применение полупроводникового кремния.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года, № УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и №ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совер-шенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и фи-нансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является численный расчет параметров клас-стерной структуры с ячейками SiiMniS (кремний два-марганец два-сера) и исследование фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния, легированного Мп и S.
Научная новизна:
получены образцы монокристаллического кремния с практическим отсутствием эрозии поверхности образцов после высокотемпературного легирования серой;
определены уровни ионизации, область ИК-гашсния в образце Si с S, а также отрицательная фотопроводимость при прямом включении, обусловленная инжекцией носителей заряда;
обнаружен эффект изменения знака носителей заряда при освещении образца кремния, легированного Мп и S при температуре Т=123К и Т=198К, обусловленный перезарядкой глубоких уровней, связанных с этими примесями;
выявлена существенная доля инфракрасной (ИК)-составляющсй в значениях напряжения холостого хода и тока короткого замыкания в образцах монокристаллического кремния, легированного Мп и S;
рассчитаны полная энергия, ИК-колебательные и электронные спектры, положения электронов структуры с ячейками Si2Mn2S методом численного расчета;
обнаружено достаточно хорошее совпадение значения мод колебаний, размера щели кластерной структуры с ячейками Si2Mn2S с экспериментальными данными исследования колебательных спектров и фотопроводимости образца, легированного Мп и S.
Заключение
На основе проведенных исследований численного расчета параметров кластерной структуры с ячейками Si2Mn2S (кремний два-марганец два-ссра) и исследования фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния, легированного Мп и S сделаны следующие выводы:
1. Получены образцы монокристаллического кремния с практическим отсутствием эрозии поверхности образцов после высокотемпературного легирования серой.
2. Определены с помощью исследования фотопроводимости при Т=77К в образце Si<Mn,S> уровни с энергиями ионизации Et= 0,226эВ и Е,= 0,86эВ.
3. Определены уровни ионизации со значениями Еу =0,25эВ, Е2=0,45эВ, Е^=0,55эВ и Е^= О,85эВ и область ИК-гашсния в интервале £7=О,25эВ^О,52эВ при исследовании фотопроводимости образца Si<S>.
4. Установлено, что в интервале Е =0,25 ч- 0,55эВ в образце Si<S> имеет место отрицательная фотопроводимость в темноте при прямом включении структуры, объясняемая инжекцией носителей заряда.
5. Обнаружен эффект изменения знака носителей заряда при освещении образца КДБ-1, легированного Мп и S при Т=123К и Т=198К, обусловленный перезарядкой глубоких уровней, связанных с серой и марганцем.
6. Выявлена существенная доля ИК-составляющсй в значениях U*» и iK, в образцах монокристаллического кремния с S, Мп и S, что дает основания полагать возможность использования кремния с примесями Мп и S в качестве фотоэлемента.
7. Определена при численном расчете наиболее интенсивная мода 1056.40 см’1 в ИК - колебательном спектре поглощения решетки Si с ячейками Si2Mn2S, совпадающая с хорошей степенью с наиболее интенсивной модой 1011,50 см’1, полученной при исследовании колебательного спектра образца Si<Mn,S> с помощью FT IR Nicolet iS50.
8. Выявлен размер щели Eg = 0,22эВ при численном расчете положения электронов кластера с ячейками Si2Mn2S, подтвержденный появлением уровня Е/»0,226эВ при исследовании фотопроводимости образца Si<Mn,S>, который связан с возбужденным переходом электрона из примесного уровня в зону проводимости.

Тип источника: Авторефераты
Годы охвата с 1992
inLibrary
Google Scholar
Выпуск:
CC BY f
1-43
19

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.
Поделиться
Мавлянов, А. (2023). Исследование свойств кремния с кластерами примесных атомов. Каталог авторефератов, 1(1), 1–43. извлечено от https://www.inlibrary.uz/index.php/autoabstract/article/view/77319
Crossref
Сrossref
Scopus
Scopus

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время, в мире в активно развивающемся направлении полупроводниковой физики пристальное внимание уделяется получению материалов на основе кремния с примесными атомами, демонстрирующими абсолютно новые свойства, отличающиеся от свойств базового материала. В этом аспекте важными задачами являются открытие перспективных функциональных возможностей кремния с новыми ячейками в матрице материала, а также применение этого материала в микроэлектронике, материаловедении и других областях.
В мире на сегодняшний день уделяется большое внимание изучению свойств кремния с папоразмерными соединениями. При этом одной из важных задач является проведение целевых научных исследований в следующих направлениях: исследование энергетического и колебательного спектров, оптимизированной геометрии кремния с новыми элементарными ячейками, теоретическое и экспериментальное исследование свойств кремния с примесными атомами элементов II и VI групп, сравнительный анализ параметров численного расчета с результатами экспериментальных исследований. а также прогнозирование па этой основе свойств новых материалов.
В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан, особое внимание уделяется вопросам стимулирования научно-исследовательской и инновационной деятельности, создания эффективных механизмов прикладного применения достижений научноинновационной деятельности. В частности, основное внимание уделяется вопросам развития технологии синтеза новых полупроводниковых материалов, состоящих из элементарных ячеек «кремний - примесный атом». Особо следует отмстить, что данная деятельность осуществляется в рамках объявленного Года поддержки активного предпринимательства, инновационных идей и технологий, нацеленного на получение научных результатов, отвечающих современным требованиям научного развития. В этом плане особое внимание уделяется вопросам исследования оптических, фотоэлектрических и электрических свойств кластерных структур с участием примесных атомов на основе полупроводникового кремния. Вместе с тем, актуальной задачей является численный расчет параметров кремния с кластерными структурами и сравнительный анализ результатов численного расчета с экспериментальными результатами, что позволило бы прогнозировать новые свойства материала и на этой основе обеспечить широкое прикладное применение полупроводникового кремния.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года, № УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и №ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совер-шенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и фи-нансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является численный расчет параметров клас-стерной структуры с ячейками SiiMniS (кремний два-марганец два-сера) и исследование фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния, легированного Мп и S.
Научная новизна:
получены образцы монокристаллического кремния с практическим отсутствием эрозии поверхности образцов после высокотемпературного легирования серой;
определены уровни ионизации, область ИК-гашсния в образце Si с S, а также отрицательная фотопроводимость при прямом включении, обусловленная инжекцией носителей заряда;
обнаружен эффект изменения знака носителей заряда при освещении образца кремния, легированного Мп и S при температуре Т=123К и Т=198К, обусловленный перезарядкой глубоких уровней, связанных с этими примесями;
выявлена существенная доля инфракрасной (ИК)-составляющсй в значениях напряжения холостого хода и тока короткого замыкания в образцах монокристаллического кремния, легированного Мп и S;
рассчитаны полная энергия, ИК-колебательные и электронные спектры, положения электронов структуры с ячейками Si2Mn2S методом численного расчета;
обнаружено достаточно хорошее совпадение значения мод колебаний, размера щели кластерной структуры с ячейками Si2Mn2S с экспериментальными данными исследования колебательных спектров и фотопроводимости образца, легированного Мп и S.
Заключение
На основе проведенных исследований численного расчета параметров кластерной структуры с ячейками Si2Mn2S (кремний два-марганец два-ссра) и исследования фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния, легированного Мп и S сделаны следующие выводы:
1. Получены образцы монокристаллического кремния с практическим отсутствием эрозии поверхности образцов после высокотемпературного легирования серой.
2. Определены с помощью исследования фотопроводимости при Т=77К в образце Si<Mn,S> уровни с энергиями ионизации Et= 0,226эВ и Е,= 0,86эВ.
3. Определены уровни ионизации со значениями Еу =0,25эВ, Е2=0,45эВ, Е^=0,55эВ и Е^= О,85эВ и область ИК-гашсния в интервале £7=О,25эВ^О,52эВ при исследовании фотопроводимости образца Si<S>.
4. Установлено, что в интервале Е =0,25 ч- 0,55эВ в образце Si<S> имеет место отрицательная фотопроводимость в темноте при прямом включении структуры, объясняемая инжекцией носителей заряда.
5. Обнаружен эффект изменения знака носителей заряда при освещении образца КДБ-1, легированного Мп и S при Т=123К и Т=198К, обусловленный перезарядкой глубоких уровней, связанных с серой и марганцем.
6. Выявлена существенная доля ИК-составляющсй в значениях U*» и iK, в образцах монокристаллического кремния с S, Мп и S, что дает основания полагать возможность использования кремния с примесями Мп и S в качестве фотоэлемента.
7. Определена при численном расчете наиболее интенсивная мода 1056.40 см’1 в ИК - колебательном спектре поглощения решетки Si с ячейками Si2Mn2S, совпадающая с хорошей степенью с наиболее интенсивной модой 1011,50 см’1, полученной при исследовании колебательного спектра образца Si<Mn,S> с помощью FT IR Nicolet iS50.
8. Выявлен размер щели Eg = 0,22эВ при численном расчете положения электронов кластера с ячейками Si2Mn2S, подтвержденный появлением уровня Е/»0,226эВ при исследовании фотопроводимости образца Si<Mn,S>, который связан с возбужденным переходом электрона из примесного уровня в зону проводимости.


background image

1

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ, САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ИЛМИЙ ДАРАЖАЛАР БЕРУВЧИ

DSc.27.06.2017. FM./T.34.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ

ТОШКЕНТ ДАВЛАТ ТЕХНИКА УНИВЕРСИТЕТИ

МАВЛЯНОВ АБДУЛАЗИЗ ШАВКАТОВИЧ

КИРИШМА АТОМЛАРИ КЛАСТЕРЛАРИГА ЭГА БЎЛГАН

КРЕМНИЙ ХОССАЛАРИНИ ТАДҚИҚ ЭТИШ

01.04.10 – Яримўтказгичлар физикаси




ФИЗИКА-МАТЕМАТИКА ФАНЛАРИ БЎЙИЧА ФАЛСАФА ДОКТОРИ (PhD)

ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2018


background image

2

УДК:

621.3.082.782

Физика-математика фанлари бўйича фалсафа доктори (PhD)

диссертациясиавтореферати мундарижаси

Оглавление автореферата диссертации

доктора философии (PhD) по физико-математическим наукам

Contents of dissertation abstract of doctor of philosophy (PhD) of

physical-mathematical sciences

Мавлянов Абдулазиз Шавкатович

Киришма атомлари кластерларига эга бўлган кремний хоссаларини
тадқиқ этиш. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………………………… 3

Мавлянов Абдулазиз Шавкатович

Исследование свойств кремния с кластерами примесных атомов. . . . . 21

Mavlyanov Abdulaziz Shavkatovich

Study of properties of silicon with clusters of impurity atoms. . . . . . . . . . . . 37

Эълон қилинган ишлар рўйхати

Список опубликованных работ
List of published works ………….………….……….………….………….. 41


background image

3

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ, САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ИЛМИЙ ДАРАЖАЛАР БЕРУВЧИ

DSc.27.06.2017. FM./T.34.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ

ТОШКЕНТ ДАВЛАТ ТЕХНИКА УНИВЕРСИТЕТИ

МАВЛЯНОВ АБДУЛАЗИЗ ШАВКАТОВИЧ

КИРИШМА АТОМЛАРИ КЛАСТЕРЛАРИГА ЭГА БЎЛГАН

КРЕМНИЙ ХОССАЛАРИНИ ТАДҚИҚ ЭТИШ

01.04.10 – Яримўтказгичлар физикаси




ФИЗИКА-МАТЕМАТИКА ФАНЛАРИ БЎЙИЧА ФАЛСАФА ДОКТОРИ (PhD)

ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2018


background image

4

Физика-математика фанлари бўйича фалсафа доктори (PhD) диссертацияси мавзуси

Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида
В2017.2. PhD/FM37 рақам билан рўйхатга олинган.

Диссертация Ислом Каримов номидаги Тошкент давлат техника университетида

бажарилган.

Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз (резюме)) веб-саҳифада

info.fti@uzsci.net ҳамда «Ziyo Net» ахборот-таълим портали www.ziyonet.uz манзилларига
жойлаштирилган.

Илмий раҳбар:

Илиев Халмурат Миджидович

физика-математика фанлари доктори, профессор

Расмий оппонентлар:

Рахматов Ахмад Зайнидинович

техника фанлари доктори, катта илмий ходим

Матчанов Нураддин Азадович

Физика-математика фанлари номзоди, катта илмий ходим

Етакчи ташкилот:

Ўзбекистон Миллий Университети

Диссертация ҳимояси Физика-техника институти, Ион-плазма ва лазер технологиялари

институти ва Самарқанд давлат университети ҳузуридаги DSc. 27.06.2017. FM./T.34.01 рақамли
Илмий кенгашнинг 2018 йил «___» ___________ соат _____ даги мажлисида бўлиб ўтади.
(Манзил: 100084, Тошкент шаҳри, Бодомзор йўли кўчаси, 2Б-уй. Тел./факс: (99871) 235-42-91;
e-mail: info.fti@uzsci.net, Физика-техника институти мажлислар зали).

Диссертация билан Физика-техника институтининг Ахборот-ресурс марказида танишиш

мумкин. ( ___ рақам билан рўйхатга олинган.). Манзил: 100084, Тошкент шаҳри, Бодомзор йўли
кўчаси, 2б-уй. Физика-техника институти. Тел./факс: (99871) 235-30-41.

Диссертация автореферати 2018 йил «____»____________да тарқатилди.
(2018 йил «____» _____________ даги ____ рақамли реестр баѐнномаси).






C.А. Бахрамов

Илмий даражалар берувчи Илмий кенгаш

раиси ф.-м.ф.д., академик

А.В. Каримов

Илмий даражалар берувчи Илмий кенгаш

илмий котиби ф.-м.ф.д., профессор

И.Г. Атабаев

Илмий даражалар берувчи Илмий кенгаш

қошидаги илмий семинар раиси ф.-м.ф.д.,

профессор




background image

5

КИРИШ (фалсафа доктори(PhD) диссертацияси аннотацияси)

Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.

Бугунги кунда

жахон миқѐсида жадал ривожланаѐтган яримўтказгичлар физикаси сохасида
истиқболли йўналишлардан бири киришма атомларга эга кремний асосида
ҳажмий моддада мавжуд ҳоссалардан фарқ қилувчи мутлақо бошқа хоссалар-
ни намойиш этувчи янги материалларни кашф қилишга алоҳида эътибор қа-
ратилмоқда. Бу борада панжарада жойлашган янги турдаги ячейкали крем-
ний материалининг истиқболли функционал имкониятларини очилишига
ҳамда бу материални микроэлектроникада, материалшуносликда ва бошқа
соҳаларда ишлатилишга қаратилган тадқиқотларни олиб бориш мухим вази-
фалардан бири бўлиб ҳисобланади.

Ҳозирги кунда дунѐда наноўлчамли бирикмаларга эга кремний

материалини хусусиятларини ўрганишга катта эътибор қаратилмоқда. Бу
борада, мақсадли илмий тадқиқотларни жумладан, қуйидаги йўналишлардаги
илмий изланишларни амалга ошириш муҳим вазифалардин ҳисобланади:
энергетик ва тебраниш спектрларини тадқиқот қилиш, янги элементар
ячейкали кремнийнинг геометриясини оптималлаштириш, II ва VI гурух
элементлари киритилган кремнийнинг ҳусусиятларини назарий ва амалий
тадқиқ қилиш, сонли ҳисоблаш усули ѐрдамида аниқланган параметрларни
экспериментал йул билан олинган параметрлар билан таққослаш, ва шу
асосида янги турдаги материалларни хусусиятларини башорат қилиш.

Ўзбекистон Республикасини янада ривожлантириш бўйича Ҳаракатлар

стратегиясига

кўра,

илмий-тадқиқот

ва

инновация

фаолиятини

рағбатлантириш, илмий ва инновация ютуқларини амалиѐтга жорий
этишнинг самарали механизмларини яратиш масалаларига алоҳида эътибор
қаратилмоқда. Жумладан микроэлектроника ва яримўтказгичли асбоблар
учун асосий яримўтказгич материали бўлмиш кремнийнинг элементар
ячейкасида «кремний-киришма атом» структуралардан таркиб топган янги
турдаги яримўтказгичли материалларни олиш технологиясини ривожланти-
риш масалалари муҳим вазифалардан бири ҳисобланади. Фаол тадбиркорлик,
инновацион ғоялар ва технологияларни қўллаб-қувватлаш йилида олинган
илмий натижаларни ҳозирги замон талабларига жавоб берадиган даражага
олиб чиқиш алоҳида эътиборга сазовор. Бу борада, яримўтказгичли кремний
материали асосида кашф қилинган кластер бирикмаларида оптик,
фотоэлектрик, электр хусусиятларини чуқур тадқиқ қилиш муҳим ахамиятга
эга. Шу жиҳатдан кластер структурага эга кремний параметрларини сонли
ҳисоблаш натижаларини экспериментал натижалар билан таққослаш
материалнинг янги хусусиятларини башорат қилиш ва шу асосида
яримўтказгичли кремний материалини кенг сохада тадбиқ қилиш мухим
ахамиятга эга.

Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2017 йил 7 февралдаги

ПФ-4947-сонли «Ўзбекистон Республикасини янада ривожлантириш бўйича
Ҳаракатлар стратегияси тўғрисида»ги Фармонини, 2017 йил 13 февралдаги
ПҚ–2772

-сон

«2017–2021

йилларда

электротехника

саноатини


background image

6

ривожлантиришнинг устувор йўналишлари тўғрисида»ги ва 2017 йил
17 февралдаги ПҚ-2789-сон «Фанлар академияси фаолияти, илмий тадқиқот
ишларини ташкил этиш, бошқариш ва молиялаштиришни янада
такомиллаштириш чора-тадбирлари тўғрисидаги»ги Қарорлари ҳамда мазкур
фаолиятга тегишли бошқа меъѐрий-ҳуқуқий ҳужжатларда белгиланган
вазифаларни амалга оширишга ушбу диссертация тадқиқоти муайян
даражада хизмат қилади.

Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари ривожланиши

устувор йўналишларига мослиги.

Мазкур тадқиқот республика фан ва

технологиялар ривожланишининг III. «Энергетика, энергоресурс тежамкор-
лиги, транспорт, машина ва асбобсозлик, замонавий электроника, микроэлек-
троника, фотоника ва электрон асбобсозлиги ривожланиши»нинг устувор
йўналишига доир бажарилган.

Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.

Л.И. Овсянникова томонидан

6-31G базасида Хартри-Фокни ab initio усули билан бир қатор
яримўтказгичли кластерларнинг мақбуллаштирилган конфигурацияси,
электрон структураси, заряд кўчиши, тақиқланган тирқиш, тўлиқ энергия,
когезия энергияси, электрон зичлик ҳаритаси, инфрақизил ва раман
спектрлари ва уларга мос келувчи ҳусусий акустик тебранишларининг
модалари ҳисобланган.

Ҳозирги кунда Ўзбекистонда диффузион технологияни ривожланишига

академик М.С. Саидов мактаби маълум ҳисса қўшдилар, жумладан
профессор И.Г.Атабаев ва Н.А. Матчановлар томонидан кремний-германий
қотишмаларда киришмаларнинг паст ҳароратли диффузия жараѐнлари
мукаммаллаштирилган

1

, хамда техника фанлари доктори А.З. Рахматов

томонидан диффузион технологиянинг янги кассетали диффузия усули
таклиф қилинган бўлиб, ишлаб чиқариш тармоғида параметрлари
оптималлаштирилган юқори қувватли диодлар олишда жорий қилинган

2

.

Академиклар М.К. Бахадирханов ва А.Т. Мамадалимовлар ва уларнинг

ходимлари томонидан S, Se, Mn ва бошқа киришма атомлар билан
легирланган кластерли кремнийда янги фотоэлектрик, магнит ва оптик
ходисалар кузатилган. Шу билан бирга, Р.А. Мўминов ва унинг шогирдлари
томонидан кремнийда мултиэкситон генерацияси механизмлари аниқланган.

Бироқ кластерларни атом структуралари, хусусан кремнийда

тажрибавий тадқиқотлар жуда қийин вазифа ҳисобланади. Кластерларни
электрон ҳусусиятлари ва геометрик параметрларини ўзаро боғлиқлик
масалалари ечилмай қолмоқда

3

.


1

И.Г. Атабаев, Н.А. Матчанов и др. Низкотемпераитурная диффузия литя в твердые растворы кремний-

германий ФТТ, 2001, В.12, С. 2140-2143.

2

Патент РУз № 5328. Способ изготовления кремниевых ограничителей напряжения / Муратов А.Ф.,

Рахматов А.З., Меркулов А.А., Исмоилов И.Р. // Бюллетень № 3 от 30.09.1994 г.

3

Н.А. Борщ ва бошк. Теоретическое исследование атомной структуры и электронно-энергетического

спектра кремниевых нанокластеров. Тез. Докл. VII М. конф. «КРЕМНИЙ–2010». Н. Новгород, С.131-132.


background image

7

Тадқиқотнинг диссертация бажарилган олий таълим муассасаси-

даги илмий-тадқиқот ишлари режалари билан боғлиқлиги

.

Диссертация Тошкент давлат техника университети илмий тадқиқот

режасининг «Яримўтказгичларда киришма атомларни ўз-ўзидан ташкил
қилиш механизмини тадқиқ қилиш ва уларни параметрларини бошқариш»
(2012-2016) ва №МК-37/2012 - сонли «Нановаризон структурага эга бўлган
кремний асосида кенг спектрал сезгирликга (0,1÷3 мкм) эга бўлган тубдан
янги фотоэлементларни ишлаб чиқиш ва тайѐрлаш» (Ўзбекистон-
Туркманистон

2013-2015),

хамда

ПФИ

ФА-Ф3-004

лойиҳаси

«Самарадорлиги юқори бўлган, арзон фотоўзгартиргичларни шакллантириш
учун фундаментал янги физик моделлар, механизмлар, усулларни,
шунингдек улар асосидаги узоқ вақт ишлайдиган фотоэнергетик қурилмани
тадқиқ этиш», (Ўзбекистон Республикаси ФА «Физика-Қуѐш» ИИЧБ ФТИ)»
(2017-2020) лойихалари доирасида бажарилган.

Тадқиқотнинг мақсади.

Si

2

Мn

2

S (кремний икки-марганец икки-

олтингугурт)

ячейкасига эга бўлган кластер структура параметрларини сонли

ҳисоблаш ва Мn ҳамда S билан легирланган монокристалл кремнийнинг
фотоэлектрик хусусиятларини тадқиқ этишдан иборат.

Тадқиқотнинг вазифалари:

кремнийни S билан емиришсиз диффузион легирлашнинг ҳамда

кейинчалик Mn ни диффузия қилган ҳолда Si атомларининг иштирокида MnS
бирикмасини шаклланишини таъминлайдиган оптимал режимларини
аниқлаш;

олтингугурт, марганец атомлари хамда марганец ва олтингугурт

комплексларига эга бўлган турли кремний намуналарини фотоэлектрик
ҳусусиятларини ўрганиш;

Si

2

Мn

2

S ячейкаларини электрон ҳолатларини атомлар сони (нисбатан

унча катта бўлмаган (87 атом) ва уларнинг кластердаги структуравий
ҳолатига боғлиқ равишда ab initio квант-механик ва яримэмпирик усуллар
билан ҳисоблашларни бажариш;

Si

2

Мn

2

S ячейкалар ҳолатларининг сонли ҳисоблаш натижаларини

тажриба маълумотлари билан қиѐсий таҳлилни амалга ошириш.

Тадқиқотнинг объекти

КДБ-1 (солиштирма қаршилиги

= 1 Ом

см)

маркали

p

-турдаги монокристалл кремний намуналари ва Si

2

Мn

2

S ячейка

ташкил қилувчи структурадан иборат.

Тадқиқотнинг предмети

Si

2

Мn

2

S ячейкаларга эга бўлган кластерларни

ҳосил бўлиш қонунияти, S ва Мn билан легирланган кремнийнинг
фотоэлектрик хусусиятлари ва сонли ҳисоблаш натижаларини
экспериментал натижалар билан таққослашдан иборат.

Тадқиқотнинг усуллари.

Тадқиқотда экспериментал физиканинг

ахборотли

мажмуасидан

фойдаланилган:

p-n

-ўтишга

эга

бўлган

структураларни ўлчашниг вольтампер, фотоэлектр усуллари; ИҚ-тебранишли
спектроскопия, шунингдек квант-механик ва яримэмпирик усуллар билан ab
initio сонли ҳисоблашлар қўлланилган.


background image

8

Тадқиқотнинг илмий янгилиги

қуйидагилардан иборат:

юқори ҳароратда олтингугурт билан легирланган ва юзасида емирилиш

тўлиқ йўқотилган кремний монокристал намуналари олинган;

S га эга бўлган монокристал кремний намунасида ионизация сатҳлари,

фотоўтказувчанликни инфрақизил сўндириш (ФЎИҚС) ва тўгри уланилган
ҳолатда манфий фотоўтказувчанлик аниқланган;

Mn ва S билан легирланган КДБ-1да Т=123K ва Т=198K ҳароратларда

олтингугурт ҳамда марганец билан боғлиқ бўлган чуқур сатҳларининг қайта
зарядланиши билан боғлиқ бўлган заряд ташувчилари ишорасининг ўзгариш
эффекти топилган;

Mn ва S га эга бўлган монокристалл кремний намунасидаги қисқа

туташув токи зичлиги ва салт кучланишининг қийматларида ИҚ-ташкил
қилувчининг ҳам салмоқли ҳиссаси мавжуд бўлиши аниқланган;

Si

2

Мn

2

S ячейкаларга эга бўлган структуранинг тўлиқ энергияси,

инфрақизил тебранма ва электрон спектрлари ҳамда электронларнинг
жойлашув тартиби ҳисоблаб чиқилган;

Si

2

Мn

2

S ячейкаларга эга бўлган кластерли структуранинг тебранишлар

модаси, тақиқланган зонаси тирқиш ўлчамининг қиймати Mn ва S билан
легирланган намуналарнинг тебраниш спектри ва фотоўтказувчанлиги
бўйича олинган тажрибавий қийматлари билан етарлича мос келиши
аниқланган;

Тадқиқотнинг амалий натижалари қуйидагилардан иборат:

Ишлаб чиқилган сонли ҳисоблаш усули, фотоэлектрик ўлчашлар

натижалари билан биргаликда II ва VI гуруҳ элементларининг киришма
атомларига эга бўлган кремний асосида фотоэлементларнинг янги авлодини
ишлаб чиқишда қўллаш мумкин.

Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги

бир бирига боғлиқ

бўлмаган маълумотларни ўлчаш ва ишлов бериш усулларининг мажмуасидан
фойдаланилганлиги, шунингдек уларни яримўтказгичлар физикаси ва
техникасини замонавий тушунчаларига мослиги билан таъминланган.

Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти.

Тадқиқот

натижаларининг илмий аҳамияти, кластерларни атом ва электрон-энергетик
хусусиятлари тўғрисидаги тасаввурларни кенгайтириш имконини беради.

Тадқиқот натижасининг амалий аҳамияти киришма атомларнинг

кластерига эга бўлган яримўтказгичларнинг хоссаси ва киришма
атомларнинг кластери киритилган яримўтказгичлар асосида янги асбобларни,
хусусан сезгирликнинг спектрал соҳаси кенгайтирилган фотоқабулқилгичлар
ишлаб чиқишда қўллаш мумкин.

Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши.

Si

2

Мn

2

S ячейкасига эга

бўлган структура параметрларини сонли ҳисоблаш ва Мn ҳамда S билан
легирланган монокристалл кремнийнинг фотоэлектрик параметрларининг
хусусийлигини очиш асосида:

кремнийни II ва VI группа элементлари билан лигерлаш режимлари

«Trasporte Mono-y Bipolar en Estructuras Semiconductors» мавзусидаги
Мексика инновациялар марказининг лойиҳасини бажаришда коррозиясиз


background image

9

яримўтказгичли структуралар олишда қўлланилган (Мексика инновациялар
марказининг 2017 йил 5 декабрдаги маълумотномаси). Илмий натижанинг
қўлланиши яримўтказгичли нанокластерли фотосезгир структураларнинг
спектрал диапазонини кенгайтириш имконини берган;

кремнийни бир нечта босқичда ҳароратни аста секин ошириш йўли

билан емиришсиз диффузили легирлашнинг технологик жараѐнлари
«FOTON» акциядорлик жамиятида яримўтказгичли асбоблар ишлаб чиқишда
қўлланилган («Ўзэлтехсаноат» акциядорлик компаниясининг 2017 йил 6
октябрдаги 02-2075-сон маълумотномаси). Илмий натижадан фойдаланиш
яримўтказгичли

асбобларнинг

юзасини

емиришсиз

ҳолатда

тенг

тақсимланган легирлашни таъминлашга имкон берган;

кўп босқичли паст ҳароратда диффузия ўтказгандан сўнг намунани тезда

совутиш йўли билан киришма атомларни кремний монокристаллида тегишли
чуқурликда

p-n-

ўтишли диод структура ҳосил қилиш усулидан ЁА-ФА-Ф004-

рақамли «Катта диаметрли монокристалл кремний асосида икки
координатали сезгир детекторни шакллантириш ва тайѐрлаш технологиясини
ишлаб чиқиш» мавзусидаги лойиҳани бажариш жараѐнида фойдаланилган
(Ўзбекистон Республикаси Фан ва технологиялар агентлигининг 2017 йил
4 декабрдаги ФТА-02-11/1247-сон маълумотномаси). Илмий натижалардан
фойдаланиш кремнийда диффузия чуқурлигини бир хиллигини таъминлашга
имкон берган.

Диссертация ишининг натижалари

9 та ҳалқаро ва 4 та республика

миқѐсидаги конференцияларда маъруза қилинган ва муҳокамадан ўтказилган.

Тадқиқот натижаларининг эълон қилинганлиги.

Диссертация

мавзуси бўйича жами 21 та илмий иш чоп этилган, шулардан 8 та мақола
Ўзбекистон Республикаси Олий аттестация комиссиясининг докторлик
диссертациялари асосий илмий натижалирини чоп этиш тавсия этилган
журналларда чоп этилгап.

Диссертациянинг тузилиши ва ҳажми.

Диссертация таркиби кириш,

тўртта боб, хулоса, илова, фойдаланилган адабиѐтлар рўйхатидан иборат.
Диссертациянинг матни 115 бетда келтирилган.















background image

10

ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ

Кириш

қисмида тадқиқотларнинг долзарблиги ва диссертация ишини

мавзуси асосланган, тадқиқотнинг мақсади ва вазифалари белгилаб берилган,
тадқиқотнинг илмий янгилиги ва амалий натижалари баѐн қилинган, тадқи-
қот натижаларининг амалиѐтга жорий қилиниши ва апробацияси, хамда дис-
сертация хажми ва тузилиши бўйича маълумотлар келтирилган.

Диссертациянинг «

Кластер структураларига эга бўлган кремний ҳос-

саларини бошқариш муаммолари ва ҳолатлари

» деб номланган биринчи

бобида яримўтказгичли кремний ҳоссаларини унда кластерларни шаклланти-
риш усуллари орқали ўзгартириш йўналишлари ҳолатига оид адабиѐтлар
таҳлили келтирилган. Шунингдак, кремний матрицаси ва нанокластерлар
ўртасида ўзаро таъсир билан боғлиқ бўлган нозик ҳусусиятларни ўрганишга
оид адабиѐтлар таҳлили келтирилган. Мавжуд бўлган назарий ва амалий маъ-
лумотлар таҳлили асосида аниқ йўналиш белгиланган, диссертацияни мақсад
ва вазифалари аниқланган.

Диссертациянинг

«Кремнийда киришмавий атомлар диффузияси ме-

ханизмлари. Ҳусусий нуқтавий дефектлар ва уларни легирловчи кириш-
малар билан ўзаро таъсири»

деб номланган иккинчи бобида кристалл крем-

нийда кенг илмий оммада диффузия жараѐни тўғрисидаги тарқалган тушун-
чадан келиб чиққан ҳолда, диффузия жараѐнини назарияси ва тегишли кон-
цепцияси келтирилган. Киришмавий ва туб атомлар диффузия механизмлари
кўриб чиқилган. Дефектларни ўрни ва уларни киришмалар билан ўзаро таъ-
сири баѐн қилинган.

Киришмавий яримўтказгичларда диффузия жараѐни ҳусусий яримўтказ-

гичлардан фарқли равишда тезроқ содир бўлиши аниқланган, биринчидан:
Ферми сатҳини кўтарилиши, яъни

n/n

i

,

га таъсир қилиши натижасида, иккин-

чидан: электр майдони сабабли

h

диффузия тезлашиш коэффициенти туфайли.

Селен ва теллур билан легирлаш жараѐнида пластина юзасида емири-

лиш ҳолати учрайди. Бу киришмаларни кремнийга оптимал диффузия қилиш
режимлари аниқланган. Олди сурилган легирлаш усулини асосий мазмуни
шундан иборатки, жараѐн диффузия ҳароратини аста секинлик билан
ошириш усули билан бир неча босқичда амалга оширилади. Ҳароратни ҳар
бир босқич учун ушлаб туриш даврийлиги шундай бошқариладики, диффу-
зант буғларини кварц ампула ичидаги босими аста секин ортади ва у 0,5 атм
босимдан ошмайди, бу эса кремний кристали юзасида емирилишни тўлиқ
йўқотиш имконини беради.

Таклиф қилинаѐтган усулда икки томондан сайқалланган 10

4

1 мм

3

ўлчамга эга бўлган кремний намуналари ва селенни белгиланган миқдори
диаметри 10 мм ва узунлиги 76 мм бўлган цилиндр шаклидаги кварц ампу-
лалари ичига жойлаштирилади. Кварц деворларининг қалинлиги 1 мм ни
ташкил қилади. Ампулалар ҳаво 10

-5

мм см.уст.гача сўриб олинади ва ампула-

лар пайвандлаб қўйилади. Шундан кейин ампулалар горизонтал печкани ишчи
соҳасига хона ҳароратидан бошлаб жойлаштирилади.


background image

11

Кремнийга S ва Sе киришмаларини диффузия килиш алоҳида кварц ам-

пулаларида 1150÷1250

0

С ҳарорат оралиғида 10 ÷18 соат мобайнида амалга

оширилади. Бир вақтни узида Sе ва S киришмаларини кремнийга диффузияси
одатдаги технология бўйича ҳам амалга оширилади. Бу жараѐн иккала тех-
нология асосида олинган кремний намуналари параметрларини солиштириш
мақсадида амалга оширилади.

Тажриба натижалари шуни кўрсатдики, янги технология бўйича легир-

ланиб олинган наъмуналарда кристал юзасида емирилиш содир бўлмади.
Одатдаги усул бўйича легирланган наъмуналарда эса 150÷200 мкм чуқурлик-
гача сезиларли емирилиш ҳолати кузатилган.

Янги технология асосида VI гуруҳ элементлари билан легирланган крем-

нийни электр ва галваномагнит хоссаларини тадқиқ қилиш натижасида одат-
даги технология бўйича легирланган намуналарга қараганда бу наъмуналарда
электр фаол атомларни сони деярли 2÷2,5 баробар ошиши аниқланди. Юқо-
ридаги киришмаларни кремнийда диффузия жараѐни сезиларли тезлашиши
(деярли 3÷4 марта) ҳам аниқланди.

Диффузия масофаси

формуласи билан аниқланди. Диффузия

коэффициенти эса ҳар бир киришма учун

D=D

0

exp(- E

а

/

T)

формуласи

орқали аниқланди. Бу ерда D

0

– олди экспоненциал купайтиргич ва E

а

– ҳар

бир киришма учун диффузия жараѐни активация энергияси (маълумотлар
тўпламидан олинган). Кремнийни VI гуруҳ киришмалари билан легирлашни
янги мукаммалаширилган технологияси диффузия жараѐнида кристал юзасида
емирилишни тўлиқ йўқотишни таъминлайди, электрофаол атомларнинг кон-
центрациясини оширади. Шунингдек, бу киришмаларни кремнийга киритишни
сезиларли даражада тезлаштириш имконини беради.

Диссертациянинг

«Si

2

Мn

2

S ячейкали кремний панжарасини парамет-

рик сонли моделлаштириш»

деб номланган учинчи бобида олмос структу-

рали Si панжараси тугунларида S ва Мn киришмавий атомлар гипотетик жой-
лашиб, Si

2

Mn

2

S-турдаги тетраэдрик ячейкаларни ҳосил қилган ҳолатидаги

параметрларини сонли ҳисоблаш натижалари келтирилган.

Мавжуд квант-кимѐвий ва молекуляр-динамик ҳисобдан фойдаланиб, куб

ичидаги тўғри тетраэдр чўққиларида тўртта атом жойлашиб Si атомини ўраб
турган тугун ва шунингдек олмос туридаги кристал панжара структураси
тузилган. Si учун панжарани тегишли a = 5,43095 Å, d(A-B) = 2,35167 Å и
d(A-A) = 33,84026 Å параметрлари белгиланган.

Атом кластерларининг электрон ҳусусиятларини сонли ҳисоблаш ва ўр-

ганиш учун ab initio квант-механик, ҳусусан чекланган ва чекланмаган Хартри-
Фок (RHF/UHF), электрон зичлиги функционали (DFT) ва яримэмпирик, ҳу-
сусан ZINDO-S, усуллари қўлланилган. Яримэмпирик квант-кимѐвий усул
билан Si базавий панжараси (1 ва 2 а)- расм) ва учта Si

2

Мn

2

S-турдаги тетра-

эдрик тугунлардан иборат кремний панжараси (1 ва 2б) - расм)


background image

12

а) Si базавий панжара б) Si

2

Мn

2

S ячейкали Si панжараси

1-расм. Панжаранинг заряд ҳолати

учун электростатик потенциал харитаси ҳисоблаб чиқилган. Кучли ионлик
мавжудлиги туфайли ион боғи ҳиссасини сезиларли кўпайиши ва ковалент
боғи ҳиссаси камайишинини кузатса бўлади.

а) Si базавий панжара б) Si

2

Мn

2

S ячейкали Si панжараси

2- расм. Панжаранинг электростатик потенциали 3D тасвири

Спектрларни ҳисоблашдан олдин opt режимида мувозанатли конфигура-

цияни излаш амалга оширилди. Оптимизация режимидан олдин умумий
энергия E

умум

= −77436,6 ккал/мол ни ташкил этди. Оптимизация жараѐни

Полак-Рибери (ўзаро боғланган градиентлар) усули ѐрдамида амалга оширилди.

Si

2

Mn

2

S кластерини ҳисоблаш жараѐнида, масалан, йигирма тўлиқ цикл-

дан сўнг умумий энергия ўзгарди ва E

умум

=79405,1 ккал/мол ни ташкил этди.

Полак-Рибери (ўзаро боғланган градиентлар) усули ѐрдамида ўтказилган
геометрия оптимизацияси натижасида 20 тўлиқ цикл ва 50 итерациядан сўнг
структура тўғри геометрик шаклдан озроқ узоқлашади. Шу сабадан кейинги


background image

13

ҳисоблар учун биз минимал энергияга эга бўлган тўғри геометрик шаклга эга
конфигурацияни танлаб олдик.

Тебранма спектр ва молекуляр орбиталларни (МО) ҳисоблаш учун

ZINDO-S яримэмпирик усулидан фойдаланилди. 3-расмда Si

2

Мn

2

S ячейкали

структурани инфрақизил (ИҚ) тебранма ҳаракати спектри таҳлили келти-
рилган. Унда 1056.40 см

-1

қийматга эга бўлган мода аниқланган. Электронлар

ҳолатларини моделлаштириш ўтказилган, шунингдек Si

2

Мn

2

S кластери моле-

куляр орбиталини электрон зичлиги ҳаритаси қурилган (4- расм). Ҳарита юқо-
ри эгалланган HOMO = 0,1431 эВ ва қуйи эгалланмаган LOMO = 0,0811 эВ
орбиталлар кўрсатилган контур юзалар шаклида тасвирланган.

3-расм. Si

2

Mn

2

S ячейкасининг

ИҚ –спектри тебранма модалари

4-расм. Si

2

Мn

2

S ячейкалари

МО электрон зичлиги

Электрон спектрни ҳисоблаш учун спин билан чегараланмаган (қобиқ

билан қопланган ѐпиқ тизимлар учун) 6-31G базисга эга Хартри-Фок (UNF)
усули танланди. Дастлабки тест ҳисоблаш натижалари шуни кўрсатдики, бу
усул ярим эмпирик усулга қараганда бир томондан бир неча маротаба аниқроқ
ҳисобланса (ҳусусан МNDО), бошқа томондан DFT усулига қараганда ҳисоб-
лаш вақти бўйича бир неча марта тезроқ. Шуни такидлаш жоизки DFT усули
ab-initio усулидан аниқлиги фақат бир неча фоизга юқорироқ

4

.

Юқоридаги шкала барча ғалаѐнланган электрон ҳолатларини ифодалайди,

қуйи шкалада эса фақат спектроскопдаги 467.75 нм, 517 нм, 543 нм, 602 нм,
688 нм, 1227 нм га оид ютилиш пиклари шунингдек, уларни нисбий интен-
сивлик ҳолати кўрсатилади.

Диссертациянинг

«Таркибида Mn ва S киришма атомлари бўлган

кремнийни фотоэлектрик ҳусусиятлари»

деб номланган тўртинчи бобида

S, Мn ва МnS билан легирланган кремний наъмуналарини фотоелектрик ва
электр ўлчаш натижалари келтирилган. Юқорида таъкидлаб ўтилган турли
тажрибалар ва параметрик ҳисоблашдан олинган натижалар орасида ўзаро
боғлиқликни таҳлил қилишга ўриниб кўрилган.

4

Frank Jensen. Introduction to Computational Chemistry, Second Ed. 2007 John Wiley & Sons, Ltd. P.133-204.


background image

14

Электр ва фотоэлектрик тадқиқотлар объекти сифатида Мn ва S киришма

атомлари билан легирланган Si наъмуналари танланган. Тадқиқот иши даво-
мида 1 мм ва 0,79 мм қалинликга эга р-Si (КДБ-1) пластина намуналари фой-
даланилган. Олтингугурт ва марганец билан легирлаш вакуумланган (10

-4

мм

см.уст.) кварц ампулаларида диффузия йўли билан 1260

0

С ва 1200

0

С ҳарорат-

ларда амалга оширилган. Вақт давомийлиги легирлашни бир маромда таъмин-
лашдан келиб чиққан холда белгиланган.

5-расм. Si<S> намунасидаги қоронғи

холатдаги ВАХ (КДБ-1)

5-расмда кўрсатилган S билан ле-

гирланган кремний асосидаги

p-n

структурани қоронғилакдаги волт-ампер
характеристикаси (ВАХ) симметрик
бўлмаган кўринишга эга. Ток, тўғри
силжиш соҳасида берилаѐтган кучла-
нишни ортиб бориши билан кучли эк-
поненциал шакллда ошади, тескари
силжиш соҳасида эса ток киймати куч-
ланишга боғлиқ бўлмайди.

Классик Шоттки тўсиғи каби иккала

ҳолатда ҳам (тўғри ва тескари силжиш),
ток асосий заряд ташувчилар - электрон-
лар орқали оширилади. Бунга сабаб –

икки ҳолатда ҳам уларда рекомбинацион ва диффузион жараѐнлар мавжуд
эмас. Si<Мn> структурага эга бўлган (КДБ-3) намунани волт-ампер харак-
теристикасини тадқиқ қилганимизда

p+-n

структурада қоронғиликда тескари

ток ўзгаришини экстремал характери кузатилди, 6- расм. 6-расмдан кўриниб
турибдики, тескари токни ўзгариши экстремал характерга эга. Тескари сил-
жишдаги ушбу ҳодисани ҳажмий заряд сохасида жуда кичик ўтказувчан-
ликга эга бўлган бўшлиқни мавжудлиги билан тушунтирса бўлади. Қатламни
ўтказувчанлиги унга ток ташувчиларини инжекция қилиш йўли билан кенг
доираларда ўзгартирилиши мумкин, чунки қатламни ўзининг ҳусусий заряд
ташувчиларини концентрацияси жуда оз бўлганлиги сабабли, қатлам ўтка-
зувчанлиги асосан инжекция йули билан киритилган заряд ташувчилар кон-
центрацияси билан аниқланади. Контактлар орасида потенциаллар фарқи ҳо-
сил қилинганда электр токи пайдо бўлади. Тахмин қилишимизча, қатламда
кўп миқдорда кластерлар ва киришмалар мавжуд ва уларда инжекцияланган
ташувчиларни сочилишига асосий сабабчи. Шунга ўхшаш эффект мазкур ки-
тобда келтирилган

5

.

Si<B,Mn>

нинг тақиқланган соҳасида кўп сонга эга локал сатҳлар мав-

жуд, улар эркин ток ташувчиларни ушлаб қолади. Тузоқлар томонидан тутиб
қолинган инжекцияланган ташувчилар ўзгармас ҳажмий зарядини ҳосил қи-
лади ва структурани ўтказувчанлигида иштирок этмайдилар.

n

+

-p-p

+

структурагини ўтказувчанлиги фақат тузоқ томонидан тутиб қолинмаган
инжекцияланган эркин ташувчилар концентрацияси билан аниқланади. Бундан

5

Г.И. Епифанов. Физические основы микроэлектроники. М.: Книга по Требованию, 2012. С. 356-360.


background image

15

6-расм. Si<B,Mn> намунасидаги қоронғи

холатдаги ВАХ (КДБ-3)

ташқари бу ташувчилар компен-

сация бўлмаган ҳажмий зарядини
ҳосил қилади. Тузоқлар томони-
дан ушлаб қолинган ташувчилар
ва қатламга инжекцияланган эркин
ташувчиларнинг ҳажмий заряди
тескари йўналишдаги токни ўтиш
қонуниятини ифодалайди. Амал-
да бундай ток ҳажмий заряд то-
монидан чекланган бўлади

5

.

Si

2

Mn

2

S ячейкали структура-

нинг ИҚ-тебранма спектрида энг
юқори тебраниш модалари, жум-
ладан, 1056.40 см

-1

қийматга эга

(сонли ҳисоблаш натижаси) мода
аниқланди. FT IR Nicolet iS50Si
қурилма ѐрдамида <Mn,S> наму-
насидан олинган ИҚ-тебранма спек-

три 2500

500 оралиғида 1125,28 см

-1

, 919,41 см

-1

, 871,68 см

-1

ва жумладан,

энг юқори киймати 1011.50 см

-1

эга бўлган модалар аниқланди (7-расм). FT

IR Nicolet iS50 қурилмасида олинган Si<Mn,S> намунаси тебранма спектри
(мода 1011,50 см

-1

) ва параметрик сонли ҳисоблаш натижасида олинган

Si

2

Mn

2

S ячейкали кремний панжараси ИҚ-тебранма спектри (мода 1056.40

см

-1

) ўртасида яқин ўхшашлик мавжуд.

Si<Мn,S> (илк КДБ-3) намунасини ҳароратга боғлиқ ўтказувчанлигини

ўлчаш жараѐнида унда E

1

= 0,561 эВ ва E

2

= 0,163 эВ сатҳлар аниқланди.

Мақолага

6

кўра, E

2

= 0,163 эВ сатҳи Мn

+3

ионларини Мn

+4

ионларига ўтишига

хосдир.

E

1

= 0,561 эВ сатҳи эҳтимол SiМnS кластерига тегишли деб тахмин

қилиш мумкин, чунки Si<Мn> ва S<S> намуналарида ушбу сатҳ борлиги
аниқланмаган.

Si<Mn,S> намуналарида салт кучланиш ва қисқа туташув токи қиймат-

лари ўлчанилган. Намуналарда Т=300К ҳароратда ИҚ-оралиғида сезиларли
ошиш (

30% гача) кузатилди. Si<S> ва Si<Mn> намуналарида Т=300К ҳаро-

ратда бу ўсиш мос равишда

23.5% ва

3.3% ташкил қилди.

Ўлчаш учун oптик дарчага эга бўлган криостат, чўғланма лампани

таъминот манбаи ва ѐруғлик нури фильтридан фойдаланилган. Чўғланма
лампани нури объектив ѐрдамида криостатнинг дарчасига фокусланган.
Ундан сўнг ѐруғлик нури ИКС-1 ултрабинафша ва кўринадиган спектрларни
тадқиқ қилинаѐтган спектрал интервалда (300÷750 нм) кесиб ташлайдиган
фильтр орқали намунага тушурилган. 1-жадвалда Si<Мn,S> намунасининг
қоронғи ва ѐруғлик токи i

қ

, i

й

шунингдек кучланиши қийматлари ҳарорат

Т=77К÷300К оралиғида келтирилган.

6

Гнатченко С.Л., Давиденко И.И., Давиденко Н.А., Девин Дж.М. Особенности электро-и фотопроводимости

марганцево-германиевых гранатов. ФТТ. Санкт-Петербург, 2002. Т. 44, Вып.1. С. 87-92.


background image

16

7-расм. FT IR Nicolet iS50Si қурилма ѐрдамида <Mn,S> намунасида 2500

500

оралиғида T=300K да олинган интенсив модалар 1125,28 см

-1

, 1011,50см

-1

, 919,41 см

-1

ва 871,68 см

-1

га тенг ИҚ-тебранма спектри

Қоронғи ва ѐруғликдаги қисқа туташув токи i

қ

ва шунингдек кучланиш-

ни ўлчаш натижасида аниқланган заряд ташувчиларининг хажмий заряд дои-
расида Т = 198К ва 123К ҳароратларда заряд ташувчилари ишорасини ўзга-
риш эффекти эҳтимол олтингугурт ва марганец билан боғлиқ бўлган чуқур
сатҳларни қайта зарядланиши билан боғликдир.

1-жадвал.

Si<Мn,S> намунасининг қоронғи ва ѐритилган ҳолатдаги токи i

қ

, i

й

шунингдек кучланиши қийматлари Т=77К÷300К ҳарорат оралиғидаги

(

= 1 Ом

см га тенг КДБ-1 намунаси).

Қоро

нғиU,

мВ

Ёрити

лган

U, мВ

U, мВ

филтр

Қоронғи ,

I,А

Ёритилган

м ., I, А

Филтр , I,

А

Т, К

3,3

156

55,4

7,7∙10

-7

1,3∙10

-4

1,2∙10

-5

300 К

1,5

342

47,6

3,2∙10

-8

1,2∙10

-4

1,7∙10

-6

223 К

1,7

319

34

8,3∙10

-8

7∙10

-5

1,7∙10

-6

203 К

0,1

-25,6

-1,4

1.00

-9

-2,2∙10

-8

-2,9∙10

-9

198 К

-30,2

53,8

16,1

-6,2∙10

-8

1,3∙10

-5

5∙10

-9

123 К

3,2

113

1,9

2,2∙10

-9

3,6∙10

-7

1,6∙10

-8

121 К


background image

17

Mn ва S билан легирланган кремний намунасида фотоўтказувчанлик

(ФЎ) ҳолатини ҳароратни кенг кўламида (Т = 77÷350 К) ўрганиш имконини
берувчи, криостат билан таъминланган ИКС-21 спектрометри ѐрдамида
ўрганилди. Бу тадқиқотлар сатҳларни аниқлаш ва фотоўтказувчанликни инф-
рақизил сўндириш (ФЎИҚС) ҳодисасини кузатиш учун олиб борилди. Ки-
ришмавий ФЎни ўрганиш учун ИКС-21 дарчаси олдида ва глобардан кейин
ўрнатилинган сайқалланган монокристалик кремний пластинасидан ишлан-
ган қўшалоқ фильтр ишлатилди.

Биз томондан ўрганилган Si<S> ва Si<Mn> намуналарида, мос равишда,

0,56эВ ва 0,54эВ минимумларида кучсиз ФЎИҚС кузатилди. 8-расмда
Si<Mn,S> намунасида қоронғи ва ѐруғлик ҳолатидаги ФЎнинг спектрал боғ-
лиқлиги кўрсатилган. Расмдан шу нарса аѐн бўлдики, Mn ва S билан легир-
ланган намуналарида ФЎ қоронғи ҳолатда

h

0,22÷0,226 эВ дан бошланади.

Фотонлар энергияси ўсиши билан

h

= 0,226÷0,42 эВ оралиғида ФЎ

тўхтовсиз ўсиб боради ва босқичма-босқич фототокни тўйиниш худудига ки-
риб боради.

h

= 0,42 эВ нуқтасида ФЎни кескин тушиши кузатилади, Фотон-

ларнинг энергияси кейинчалик ўсиб бориши нисбий чуқур минимум

h

=

0,48 эВ эга бўлган ФЎни сезиларли пасайишига олиб келади.

h

= 0,226÷0,48

эВ оралиғида монотон бўлмаган ФЎ, бизнинг фикримизча, Г. Луковски наза-
риясида ѐритилган ионизациянинг кундаланг кесимининг монотон бўлмаган
ўзгариши билан боғлиқдир.

Si<S> намунасини фотоўтказувчанлигини тадқиқ этиш жараѐнида E

1

= 0,25

эВ, E

2

=0,45 эВ, E

3

=0,55 эВ, E

4

= 0,85 эВ сатҳлар ва

E

i

0,25 эВ÷0,52 эВ соҳада

фотоўтказувчанликни инфрақизил сўндириш (ФЎИҚС) ҳодисаси аниқланди.

Тўғри йўналишда уланилган Si<S> намунада

E

i

0,25 эВ÷0,5 эВ соҳада,

қоронғида манфий фотоўтказувчанлик аниқланди. Бу ҳодиса заряд ташувчи-
ларнинг инжекцияси билан боғлиқ.

Si<Mn,S> намунасинининг Т=77K ҳароратда ФЎ ни ўрганиш орқали

E

1

= 0,226 эВ ва

E

1

= 0,86 эВга тенг ионизация энергиялари аниқланди.

Муаллифлар

7

таъкидлашича 400÷450К ҳароратлар оралиғида α-МnS да

заряд ташувчиларни ишорасининг ўзгариши кузатилган. Уларни тажриба на-
тижаларига мувофиқ Т<400К бўлган ҳароратда марганец моносулфиди α-МnS

р-

турдаги яримўтказгич ҳисобланади (ток ташувчиларни ҳаракатчанлиги 0.065

см

2

В

-1

c

-1

бўлган), Т >450К бўлган ҳароратда эса заряд ташувчилар элек-

тронлар бўлиб, уларни ҳаракатчанлиги деярли 2 тартибга ошади. α-МnS мо-
нокристалларини электр ҳоссаларинни ўрганиш жараѐнида шу нарса аниқ-
ландики

8

, ҳарорат ўзгариши билан (111) ва (100) кристаллографик йўналиш-

ларда солиштирма электр қаршилик турлича бўлган.

Si

2

Mn

2

S ячейкали кластерда электронлар ҳолатини сонли ҳисоблаш на-

тижасида оралиқ қиймати

E

g

= 0,22эВга тенг энергетик масофа аниқланган.

Ушбу қиймат Si<Mn,S> намунасида ФЎни ўрганиш натижасида оралиқ

7

Heikens, H.H. Electricalpropertiesofα – MnS / H.H. Heikens, C.F. van Bruggen, C.J.Haas // J. Phys. Chem.

Solids. – 1978. – V. 39. – P. 833 – 840

8

Huffman, D.R. Optical properties of -MnS / D.R. Huffman, R.L. Wild // Phys. Rev. 1967 – V.156, No.3. - P. 989-

997


background image

18

қиймати

E

i

0,226 эВга тенг энер-

гетик масофа аниқланиши билан
тасдиқланди. Бу масофа ғала-
ѐнланган электронни киришмавий
сатҳдан ўтказувчанлик сатҳига
ўтиши билан боғликдир (8-расм).

ФСМ

1202

қурилмасида

Si<Mn,S> намунасининг ютилиш
спектри олинди. Изланиш нати-
жаларига кўра λ = 2,01 мкм, λ = 4
мкм оралиқларида олтингугурт
марганец киришмавий атомлари
ютулиш коэффициенти сезиларли
даражада пасаяди. Бундан фарқли
равишда Si<Mn,S> намунасида
Si<Mn> ва Si<S> намуналарида
деярли мавжуд бўлмаган λ=1,33
мкм (

hv

=0.93 эВ) оралиғида сези-

ларли ютулиш пики вужудга кела-
ди.

8-расм. Si<Mn,S> намунасида қоронғи ва

ѐруғлик холатидаги ФЎнинг спектрал

боғлиқлиги

-қоронғи -ѐруғ.


background image

19

ХУЛОСА

Si

2

Мn

2

S ячейкасига эга бўлган структура параметрларини сонли ҳисоб-

лаш ва Мn ҳамда S билан легирланган монокристалл кремнийнинг фотоэлектрик
хусусиятларини тадқиқ қилиш натижасида қуйидаги хулосалар қилинди:

1.

Монокристалл кремний намунасини олтингугурт ва селен билан юқо-

ри ҳароратли легирлаш натижасида юзада емирилиш деярли кузатилинмаган
намуналар тажрибада олинган.

2.

Si<Mn,S> намунасинининг Т=77K ҳароратдаги фотоўтказувчанликни

ўрганиш орқали

E

1

= 0,226 эВ ва

E

1

= 0,86 эВ га тенг ионизация энергиялари

аниқланган.

3.

Si<S> намунасини фотоўтказувчанлигини тадқиқ этиш жараѐнида E

1

=

0,25 эВ, E

2

=0,45 эВ, E

3

=0,55 эВ, E

4

= 0,85 эВ сатҳлар ва

E

i

0,25 эВ÷0,52 эВ

соҳада фотоўтказувчанликни инфрақизил сўндириш (ФЎИҚС) ҳодисаси аниқ-
ланган.

4.

Тўғри йўналишда уланилган Si<S> намунада

E

i

0,25эВ÷0,5эВ соҳада,

қоронғида манфий фотоўтказувчанлик аниқланган. Бу ходиса заряд ташув-
чиларнинг инжекцияси билан боғлиқлиги аниқланган.

5.

Ёруғлик нури остида Mn ва S билан легирланган КДБ-1 намунасида

Т = 198К ва 123К ҳароратларда, олтингугурт ва марганецга оид чуқур сатҳ-
ларни қайта зарядланиши билан боғлик бўлган, заряд ташувчилари ишора-
сини ўзгариш эффекти топилган.

6.

Mn ва S билан легирланган монокристалл кремний намунасида салт

кучланиши ва қисқа туташув токлари кенг инфрақизил соҳани қамраб олиши
ва Mn ва S киришмаларига эга кремнийни қуѐш элементи хосасига эгалиги
аниқланган

.

7.

Si

2

Mn

2

S ячейкали Si панжарасини ИҚ-тебранма ютилиш спектрида,

FT IR Nicolet iS50 қурилмаси ѐрдамида Si<Mn,S> намунаси тебраниш спек-
трида қиймати 1011,50 см

-1

га тенг бўлган энг юқори мода билан мос келувчи,

қиймати 1056.40 см

-1

га тенг энг юқори мода аниқланган.

8.

Si

2

Mn

2

S ячейкали кластерда электронлар ҳолатини сонли ҳисоблаш

натижасида аниқланган оралиқ қиймати

E

g

= 0,22 эВ га тенг бўлган энергетик

сатҳ Si<Mn,S> намунасида фотоўтказувчанлигида кузатилган оралиқ қий-
мати

E

i

0,226 эВ га тенг энергетик масофа билан тасдиқланган. Бу масофа

ғалаѐнланган электронни киришмавий сатҳдан ўтказувчанлик сатҳига ўтиши
билан боғликдир.


background image

20


background image

21

НАУЧНЫЙ СОВЕТ DSс.27.06.2017.FM./T.34.01 ПО ПРИСУЖДЕНИЮ

УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ ПРИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ,

ИНСТИТУТЕ ИОННО

-

ПЛАЗМЕННЫХ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

САМАРКАНДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

МАВЛЯНОВ АБДУЛАЗИЗ ШАВКАТОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КРЕМНИЯ С КЛАСТЕРАМИ

ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ

01.04.10 – Физика полупроводников





АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ ДОКТОРА ФИЛОСОФИИ (PhD)

ПО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИМ НАУКАМ

Ташкент

2018


background image

22

Тема диссертации доктора философии (PhD) по физико-математическим наукам

зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии при Кабинете Министров
Республики Узбекистан за № В2017.1.PhD/FM37.

Диссертация выполнена в Ташкентском государственном техническом университете им.

Ислама Каримова.

Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский (резюме))

размещен на веб-странице по адресу: info.fti@uzsci.net и на Информационно-образовательном
портале «ZiyoNet» по адресу: www.ziyonet.uz.

Научный руководитель:

Илиев Халмурат Миджидович

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Рахматов Ахмад Зайнидинович

доктор технических наук, с.н.с

Матчанов Нураддин Азадович

кандидат физико-математических наук, с.н.с.

Ведущая организация:

Национальный Университет Узбекистана

Защита диссертации состоится «___» _________ 2018 года в____ часов на заседании Научного

совета DSc.27.06.2017.FM./T.34.01 при Физико-техническом институте, Ионно-плазменных и
лазерных технологий, Самаркандском государственном университете. (Адрес: 100084, г. Ташкент,
ул. Бодомзор йули, дом 2б. Административное здание Физико-технического института, зал
конференций. Тел./Факс: (99871) 235-30-41; e-mail: info.fti@uzsci.net).

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-ресурсном центре Физико-

технического института (зарегистрирована за № ___). Адрес: 100084, г. Ташкент, ул. Бодомзор
йули, дом 2б. Административное здание Физико-технического института, зал конференций.
Тел./Факс: (99871) 235-30-41.

Автореферат диссертации разослан «____» _________ 2018 г.
(протокол рассылки №______ от «____» _________ 2018 г.)





С.А. Бахрамов

Председатель

научного

совета

по

присуждению ученых степеней, д.ф.-м.н.,
академик

А.В. Каримов

Ученый секретарь научного совета по
присуждению ученых степеней, д.ф.-м.н.,
профессор

И.Г. Атабаев

Председатель научного семинара при
научном совете по присуждению ученых
степеней д.ф.-м.н., профессор





background image

23

ВВЕДЕНИЕ (аннотация диссертации доктора философии (PhD))

Актуальность и востребованность темы диссертации.

В настоящее

время, в мире в активно развивающемся направлении полупроводниковой
физики пристальное внимание уделяется получению материалов на основе
кремния с примесными атомами, демонстрирующими абсолютно новые
свойства, отличающиеся от свойств базового материала. В этом аспекте важ-
ными задачами являются открытие перспективных функциональных возмож-
ностей кремния с новыми ячейками в матрице материала, а также приме-
нение этого материала в микроэлектронике, материаловедении и других об-
ластях.

В мире на сегодняшний день уделяется большое внимание изучению

свойств кремния с наноразмерными соединениями. При этом одной из важ-
ных задач является проведение целевых научных исследований в следующих
направлениях: исследование энергетического и колебательного спектров,
оптимизированной геометрии кремния с новыми элементарными ячейками,
теоретическое и экспериментальное исследование свойств кремния с при-
месными атомами элементов II и VI групп, сравнительный анализ пара-
метров численного расчета с результатами экспериментальных исследо-
ваний, а также прогнозирование на этой основе свойств новых материалов.

В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию

Республики Узбекистан, особое внимание уделяется вопросам стимулиро-
вания научно-исследовательской и инновационной деятельности, создания
эффективных механизмов прикладного применения достижений научно-
инновационной деятельности. В частности, основное внимание уделяется
вопросам развития технологии синтеза новых полупроводниковых материа-
лов, состоящих из элементарных ячеек «кремний – примесный атом». Особо
следует отметить, что данная деятельность осуществляется в рамках объяв-
ленного Года поддержки активного предпринимательства, инновационных
идей и технологий, нацеленного на получение научных результатов, отве-
чающих современным требованиям научного развития. В этом плане особое
внимание уделяется вопросам исследования оптических, фотоэлектрических
и электрических свойств кластерных структур с участием примесных атомов
на основе полупроводникового кремния. Вместе с тем, актуальной задачей
является численный расчет параметров кремния с кластерными структурами
и сравнительный анализ результатов численного расчета с эксперименталь-
ными результатами, что позволило бы прогнозировать новые свойства мате-
риала и на этой основе обеспечить широкое прикладное применение полу-
проводникового кремния.

Данное диссертационное исследование в определенной степени служит

выполнению задач предусмотренных в Постановлении Президента Республики
Узбекистан ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии
Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года,
№ УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по пяти
приоритетным

направлениям

развития

Республики

Узбекистан

в

2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и №ПП-2789 «О мерах по


background image

24

дальнейшему

совер-шенствованию

деятельности

Академии

наук,

организаций, управления и фи-нансирования научно-исследовательской
деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативно-
правовых документах, принятых в данной сфере.

Соответствие исследования приоритетами развития науки и техно-

логий.

Диссертация выполнена в соответствии с приоритетным направле-

нием развития науки и технологий ППИ-3 – «Энергетика, энерго-ресурсо-
сбережение, транспорт, машино- и приборостроение; развитие современной
электроники, микроэлектроники, фотоники, электронного приборостроения».

Степень изученности проблемы.

Л.И. Овсянниковой ab initio методом

Хартри-Фока в базисе 6-31G рассчитаны оптимизированная конфигурация,
электронная структура, перенос заряда, запрещенная щель, полная энергия,
энергия когезии, карты электронной плотности, инфракрасные- и раманов-
ские спектры и соответствующие им моды собственных акустических коле-
баний ряда полупроводниковых кластеров.

На сегодня в развитие диффузионной технологии определенный вклад

внесла школа академика М.С. Саидова, в частности, профессором
И.Г. Атабаевым и Н.А. Матчановым усовершенствована технология
низкотемпе-ратурной диффузии примесей в сплавы кремний-германий

1

, а

также доктором технических наук А.З. Рахматовым предложен новый
кассетный способ диффузии примесей, который используется в производстве
силовых диодов с оптимизированными параметрами

2

.

Академиками АН РУз М.К. Бахадырхановым и А.Т. Мамадалимовым и

их сотрудниками исследованы фотоэлектрические, магнитные и оптические
свойства кремния, легированного примесными атомами S, Se и Mn и другими
примесями. Вместе с тем, Р. А. Муминовым и его сотрудниками исследованы
механизмы мультиэкситонной генерации носителей в кремнии.

Однако экспериментальное исследование атомной структуры кластеров

вообще, и кремниевых в частности, является крайне сложной задачей.
Остаются нерешенными вопросы взаимосвязи геометрических параметров и
электронных свойств кластеров

3

.

Связь диссертационного исследования с тематическими планами

научно-исследовательских работ высшего образовательного учрежде-
ния, где выполнена диссертация.

Диссертация выполнена в Ташкентском

государственном техническом университете в рамках Государственной прог-
раммы научно-исследовательских работ РУз № Ф2-44 на тему: «Исследо-
вание механизма самоорганизации примесных атомов в полупроводниках и
управление их параметрами» (2012-2016) и международного проекта «Узбе-
кистан-Туркменистан 2013» №МК-37/2012 «Разработка и изготовление прин-

1

И.Г. Атабаев, Н.А. Матчанов и др. Низкотемпераитурная диффузия литя в твердые растворы кремний-

германий ФТТ, 2001, В.12, С. 2140-2143.

2

Патент РУз № 5328. Способ изготовления кремниевых ограничителей напряжения / Муратов А.Ф.,

Рахматов А.З., Меркулов А.А., Исмоилов И.Р. // Бюллетень № 3 от 30.09.1994 г

3

Н.А. Борщ и др. Теоретическое исследование атомной структуры и электронно-энергетического спектра

кремниевых нанокластеров. Тез. докладов VII Межд. конф. «КРЕМНИЙ–2010». Н. Новгород, 2010. С.131-
132.


background image

25

ципиально новых фотоэлементов с широкой спектральной чувствитель-
ностью (0,1÷3 мкм) на основе кремния с нановаризонными структурами»
(2013-2015), а также проекта ПФИ ФА-Ф3-004 «Изучение фундаментальных
новых физических моделей, механизмов, способов для формирования высо-
коэффективных, дешевых фотопреобразователей, а также долговечных фото-
энергетических установок на их основе (НПО «Физика-Солнце» ФТИ АН
РУз)» (2017-2020).

Целью исследования

является численный расчет параметров клас-

стерной структуры с ячейками Si

2

Mn

2

S (кремний два-марганец два-сера) и

исследование фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния,
легированного Mn и S.

Задачи исследования:

исследование оптимальных режимов безэрозионного диффузионного

легирования кремния S с обеспечением формирования комплексов MnS с
участием атомов Si при последовательной диффузии Mn;

исследование фотоэлектрических свойств кремниевых образцов с атома-

ми S, Mn, комплексами Mn и S;

выполнение численного расчета параметров ячеек Si

2

Mn

2

S в зависи-

мости от числа атомов (87 атомов) и их структурного положения в кластерах
ab initio квантово-механическим и полуэмпирическим методами;

сравнительный анализ результатов численного расчета параметров ячеек

Si

2

Mn

2

S с экспериментальными данными;

Объектом исследования

являются образцы монокристаллического

кремния

p

– типа, марки КДБ -1(с исходным удельным сопротивлением

= 1

Ом

см) и модель кристаллической решетки кремния структуры алмаза с ячей-

ками Si

2

Mn

2

S.

Предметом исследования

являются закономерности образования клас-

стеров с ячейками Si

2

Mn

2

S, фотоэлектрические свойства кремния, легирова-

нного S и Mn, сравнение результатов численного расчета с эксперимен-
тальными данными.

Методы исследований.

В работе применены комплексные инфор-

мативные методы экспериментальной физики: вольтамперные, фотоэлек-
трические методы изучения структур с

p-n

-переходами; ИК-колебательная

спектроскопия, а также численный расчет ab initio квантово-механическим и
полуэмпирическим методом.

Научная новизна:

получены образцы монокристаллического кремния с практическим от-

сутствием эрозии поверхности образцов после высокотемпературного леги-
рования серой;

определены уровни ионизации, область ИК-гашения в образце Si с S, а

также отрицательная фотопроводимость при прямом включении, обус-
ловленная инжекцией носителей заряда;

обнаружен эффект изменения знака носителей заряда при освещении

образца кремния, легированного Mn и S при температуре Т=123K и Т=198K,


background image

26

обусловленный перезарядкой глубоких уровней, связанных с этими приме-
сями;

выявлена существенная доля инфракрасной (ИК)-составляющей в значе-

ниях напряжения холостого хода и тока короткого замыкания в образцах мо-
нокристаллического кремния, легированного Mn и S;

рассчитаны полная энергия, ИК-колебательные и электронные спектры,

положения электронов структуры с ячейками Si

2

Mn

2

S методом численного

расчета;

обнаружено достаточно хорошее совпадение значения мод колебаний,

размера щели кластерной структуры с ячейками Si

2

Mn

2

S с эксперимен-

тальными данными исследования колебательных спектров и фотопроводи-
мости образца, легированного Mn и S.

Практические результаты исследования:

Примененный метод чис-

ленного расчета вместе с результатами фотоэлектрических измерений может
быть использован для дальнейших исследований в разработке нового поко-
ления фотоэлементов на основе кремния с примесными атомами элементов II
и VI групп.

Достоверность результатов исследования

обеспечивается использо-

ванием комплексных независимых методик измерения и обработки данных, а
также их соответствием современным понятиям физики и техники полупро-
водников.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

На-

учная значимость результатов заключается в том, что полученные в работе
результаты представляют отдельный интерес для теоретического рас-
смотрения атомного строения кластеров и их электронно-энергетических
свойств.

Практическая значимость работы заключается в расширении представ-

ления о свойствах полупроводников с кластерами примесных атомов и воз-
можности изготовления новых приборов на основе кластеров примесных ато-
мов, в частности, эффективных фотопреобразователей с расширенной спек-
тральной областью чувствительности.

Внедрение результатов исследования.

На основе численного расчета

параметров структуры с ячейками Si

2

Mn

2

S и исследования особенностей

фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния, легированного
Мn и S:

режимы диффузионного легирования кремния элементами II и VI груп-

пы применены при выполнении проекта Иновационного Центра Мексики
«Trasporte Mono-y Bipolar en Estructuras Semiconductors» для получения без-
коррозионных полупроводниковых структур (Справка инновационного Цен-
тра Мексики 2017 года 5 декабря). Использование научных результатов поз-
волило расширить спектральный диапазон полупроводниковых фоточув-
ствительных структур с нанокластерами;

технологические процессы диффузионного легирования кремния путем

многоступенчатого медленного повышения температуры применены акцио-
нерным обществом «FOTON» при изготовлении полупроводниковых струк-


background image

27

тур (Справка №02-2075 Акционерной компании «ЎЗЭЛТЕХСАНОАТ» от
2017 года 6 октября). Использование научных результатов позволило
обеспечить однородное легирование полупроводниковых образцов с
устранением эрозии на поверхности.

метод создания диодной структуры с требуемой глубиной

p-n-

перехода

посредством быстрого охлаждения после многоэтапной низкотемпературной
диффузии кремния примесями использован при выполнении проекта ЁА-ФА-
Ф004 на тему: «Разработка технологии формирования и изготовления двух-
координатно-чувствительных детекторов на основе монокристаллического
кремния большого диаметра» (Справка № ФТА -02-11/1247 Агентства по
науке и технологиям Республики Узбекистан от 4 декабря 2017 года). Ис-
пользование научных результатов позволило обеспечить воспроизводимость
требуемой глубины диффузии;

Аппробация работы.

Результаты диссертационной работы докладыва-

лись и обсуждались на 9 международных и 4 республиканских конферен-
циях.

Опубликованность результатов.

По материалам диссертации опубли-

ковано 21 научная работа, из них 8 статей опубликованы в журналах реко-
мендованных Высшей аттестационной комиссией Республики Узбекистан
для публикации основных научных результатов.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из

введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованной
литературы. Тест диссертации изложен на 115 страницах.















background image

28

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении

обоснована актуальность проблемы и тема диссер-

тационной работы, сформулированы основные цели и задачи, указана науч-
ная новизна и практическая значимость результатов, а также приведены ос-
новные положения, выносимые на защиту.

В первой главе под названием «

Состояние проблемы и тенденции уп-

равления свойствами кремния с кластерными структурами

» приведен

обзор литературы по состоянию проблемы использования различных мето-
дов, направленных на изменение свойств полупроводникового кремния по-
средством формирования в них кластеров, а также изучения специфических
особенностей взаимодействия между нанокластерами и материалом окру-
жающей их матрицы кремния. На основе анализа имеющихся теоретических
и экспериментальных данных сформулирована постановка задачи, определе-
ны цели и задачи данной диссертации.

Во второй главе, названной

«Механизмы диффузии примесных атомов

в кремнии. Собственные точечные дефекты и их взаимодействие с леги-
рующими примесями»

приведены теория и соответствующие концепции

диффузии в кристаллическом кремнии в соответствии с общепризнанным по-
ниманием процесса. Рассмотрены механизмы примесной диффузии и само-
диффузии. Описана роль дефектов и их взаимодействие с примесями.

Установлено, что диффузия в примесном полупроводнике протекает ус-

кореннее по сравнению с диффузией в собственном вследствие, во-первых:
повышения уровня Ферми, которое влияет на

n/n

i

,

а, во-вторых: коэф-

фициента ускорения диффузии

h

благодаря наличию электрического поля.

В процессе легирования селеном и серой имеет место эрозия поверх-

ности пластин. Определены оптимальные режимы легирования данных при-
месей в кремний посредством процесса диффузии. Основная суть предлага-
емого способа легирования заключается в том, что диффузия проводится в
несколько этапов с постепенным повышением температуры. При этом темпе-
ратура, время выдержки в каждый определенный этап, регулируются таким
образом, что давления паров диффузантов в кварцевой ампуле постепенно
увеличивались, но не превышали 0,5 атм., что позволяет практически пол-
ностью исключить эрозию поверхности кристалла в кремнии.

В предложенном методе полированные с обеих сторон кремниевые

образцы размером 10

4

1 мм

3

, а также навески селена помещались квар-

цевые ампулы, имеющие форму цилиндра с внутренним диаметром

10 мм и

длиной 76 мм. Толщина стенок кварца составляла

1 мм. Ампулы откачива-

лись до 10

-5

мм рт.ст. и запаивались. После чего ампулы помещались в рабо-

чую область горизонтальной печи при комнатной температуре.

Диффузия примесями S и Se в кремний проводилась в отдельных квар-

цевых ампулах в интервале температур 1150÷1250

0

С в течение 10 ÷18 часов.

Параллельно проводилась диффузия примесей Se и S в кремний по обычной
технологии с целью сравнения параметров кремния, полученного по этим
двум технологиям.


background image

29

Как показали экспериментальные результаты, в легированных образцах,

полученных по новой технологии, практически полностью отсутствует эро-
зия поверхности кристаллов. В образцах же, которые легировались обычным
способом, имели место существенные эрозии поверхностей до глубин 150÷200
мкм.

В результате исследования электрических и гальваномагнитных свойств

кремния, легированных элементами VI группы по новой технологии, было
выявлено, что в этих образцах концентрация электроактивных атомов увели-
чивается почти в 2÷2,5 раза, чем в образцах легированных по обычной тех-
нологии при такой же температуре. Обнаружено существенное ускорение
диффузионного процесса этих примесей в кремний (почти в 3÷4 раза).

Диффузионный путь рассчитывался по формуле

, а коэффи-

циент диффузии для каждой отдельной примеси рассчитывался по формуле

D=D

0

exp(- E

а

/

T),

предэкспоненциальный множитель D

0

и энергия активации

E

а

процесса диффузии для каждой примеси брались в справочных данных.

Усовершенствованная новая технология легирования кремния приме-

сями VI группы, позволяет полностью исключить эрозию поверхности крис-
талла в процессе диффузии, увеличить концентрацию электроактивных ато-
мов, а также позволяет существенно ускорить внедрение этих примесей в
кремний.

В третьей главе диссертации, названной

«Численный расчет базовой

решетки кремния с ячейками Si

2

Mn

2

представлены результаты числен-

ного расчета параметров решетки Si со структурой алмаза с гипотетическим
расположением примесных атомов S и Mn в узлах решетки кремния с обра-
зованием соответствующих тетраэдрических ячеек типа Si

2

Mn

2

S.

Пользуясь доступными квантово-химическими и молекулярно-динами-

ческими расчетами был построена узел алмазной решетки Sic четырьмя окру-
жающими его атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра,
вписанного в куб, а также кристаллическая структура решетки типа алмаза.
Для Si были выставлены соответствующие параметры решетки a = 5,43095 Å,
d(A-B) = 2,35167 Å и d(A-A) = 33,84026 Å.

Для численного расчета и изучения электронных свойств атомных клас-

теров были применены ab initio квантово-механические методы, в частности
ограниченный/неограниченный метод Хартри–Фока (RHF/UHF), метод функ-
ционала электронной плотности (DFT) и полуэмпирические методы, в част-
ности ZINDO/S. Полуэмпирическим квантово-химическим методом были
рассчитаны и построены карты электростатического потенциала для базовой
решетки Si как показано на рис.1 и 2 а) и кремния с кластером, состоящим из
3-ѐх тетраэдрических узлов Si

2

Mn

2

S, как показано на рис.1 и 2 б).

Из-за наличия сильной ионной составляющей мы видим заметный вклад

ионной связи и уменьшение ковалентной составляющей. Расчету спектров
предшествовал поиск равновесной конфигурации в режиме opt. До режима
оптимизации полная энергия составляла E

полн

= −77436,6 ккал/моль.


background image

30

а) базовой решетки Si б) базовой решетки Si с ячейками Si

2

Mn

2

S

Рис.1. Зарядовое состояние решетки

а) базовой решетки Si б) базовой решетки Si с ячейками Si

2

Mn

2

S

Рис.2. 3-D карта электростатического потенциала

Оптимизация конфигурации проводилась методом Полака-Рибери (сопря-

женных градиентов). В расчете кластера Si

2

Mn

2

S, например, после двадцати

полных циклов полная энергия изменилась до E

полн

=−79405,1 ккал/моль.) В

результате оптимизации геометрии методом Полака-Рибери (сопряженных
градиентов) после 20 полных циклов и 50 итераций структура молекул слегка
отклоняется от правильной геометрической конфигурации. В этой связи для
дальнейших расчетов мы выбрали структуру решетки с минимальной энер-
гией с правильной геометрической конфигурацией.

Для расчета колебательного спектра и молекулярных орбиталей (МО)

был использован полуэмпирический метод расчета ZINDO-S. На рис. 3 пред-
ставлены результаты расчета ИК-колебательного спектров структуры с ячей-
ками Si

2

Mn

2

S c наиболее интенсивной модой 1056.40 см

-1

. Проведено модели-

рование положения электронов, а также построение карты электронной плот-
ности молекулярных орбиталей кластера Si

2

Mn

2

S (рис. 4), в виде контурных

поверхностей с высшей занятой орбиталью HOMO = 0,1431 эВ и низшей не-
занятой орбиталью LOMO = 0,0811 эВ.


background image

31

Рис.3. ИК-спектр ячейки Si

2

Mn

2

S с

модами колебаний

Рис.4. Электронная плотность МО

ячейки Si

2

Mn

2

S

Для расчета электронного спектра выбран неограниченный по спину

(для систем с закрытыми оболочками) метод Хартри–Фока (UHF) с набором
базисных функций 6-31G. Как показали предварительные тестовые расчеты,
этот метод, с одной стороны, является в несколько раз более точным, чем
полуэмпирические методы, в частности MNDO, а с другой — требует в
несколько раз меньших затрат по времени счета, чем DFT, точность которого
только на несколько процентов выше

4

. Верхняя шкала показывает все

возбужденные электронные состояния, нижняя шкала показывает только
состояния, которые активны на спектроскопе с пиками поглощения 467.75
нм, 517 нм, 543 нм, 602 нм, 688 нм, 1227 нм, отвечающим энергиям
переходов 2,65эВ, 2,39 эВ, 2,28эВ, 2 эВ, 1,8 эВ и 1,01 эВ, а также их
относительные интенсивности.

В четвертой главе диссертации, названной

«Фотоэлектрические свойства

кремния с примесными атомами Mn и S»

приведены результаты фото-

электрических и электрических измерений образцов кремния, легированных
S, Mn, MnS. Предпринята попытка проанализировать связь между резуль-
татами, полученными в ходе указанных экспериментов и численного расчета.

В качестве объектов электрических и фотоэлектрических исследований

были выбраны образцы Si, легированные примесями Mn и S. В работе были
использованы пластины p-Si с толщиной 1 мм и 0,79 мм (исх. КДБ-1). Леги-
рование серой и марганцем проводилось путем диффузии в запаянных в
предварительно откачанных (10

-4

мм рт.ст.) кварцевых ампулах при темпе-

ратуре 1260

0

С и 1200

0

С соответственно, в течение времени, достаточного для

однородного легирования.

Темновая вольт-амперная характеристика кремниевой

p-n

структуры,

легированной S (исх. образец КДБ-1) как показано на рис. 5, имеет ярко
выраженный вид несимметричной кривой. В области прямых смещений тока,
мы видим его экспоненциально сильный рост с ростом приложенного напря-
жения. На участке кривой обратного тока ток от напряжения как обычно не
зависит сильно.

4

Frank Jensen. Introduction to Computational Chemistry, Second Ed. 2007 John Wiley & Sons, Ltd. P.133-204.


background image

32

Рис.5. Темновая ВАХ образца

Si<B,S>(исх. КДБ-1

)

Как и в классическом барьере

Шоттки в обоих случаях, при прямом и
обратном смещении, ток обусловлен
основными носителями, т.е. электро-
нами, поскольку в них отсутствуют ре-
комбинационные и диффузионные
процессы. При исследовании ВАХ
структуры Si<Mn> (исх. КДБ-3) наб-
людался экстремальный характер из-
менения обратного тока

p+- n

струк-

туры при темноте как показано на рис.
6. Из рис. 6 видно, что наблюдается эк-
стремальный характер зависимости об-
ратного тока. Подобное поведение тока
при обратном смещении можно объяс-
нить наличием в области объемного

заряда слоя с малой, практически отсутствующей, проводимостью. Проводи-
мость слоя может изменяться в широких пределах путем инжекции в него но-
сителей тока, так как при ничтожной концентрации собственных носителей в
самом слое проводимость слоя будет определяться концентрацией инжек-
тированных носителей. При создании разности потенциалов между контак-
тами возникает электрический ток. Предположительно, слой содержит значи-
тельное количество кластеров и примесей, на которых происходит рассеяние
инжектированных носителей. Аналогичные эффекты приведены в данной
книге

5

.

Рис.6. Темновая ВАХ образца

Si<B,Mn>(исх. КДБ-3)

В запрещенной зоне образца

имеется большое число локальных
уровней, способных захватывать
свободные носители тока. Инжек-
тированные носители, захваченные
ловушками, образуют неподвиж-
ный пространственный заряд и в
формировании проводимости струк-
туры не участвуют. Проводимость

n

+

-p-p

+

структуры определяется лишь

свободными

инжектированными

носителями не захваченными ло-
вушками. Эти носители также обра-
зуют нескомпенсированный прос-
транственный заряд. Простран-
ственный заряд носителей, захва-
ченный ловушками, и свободных
носителей, инжектированных в слой,

5

Г.И. Епифанов. Физические основы микроэлектроники. М.: Книга по Требованию, 2012. С. 356-360.


background image

33

определяют закономерность прохождения тока при обратном смещении.
Фактически, такой ток становится ограниченным пространственным зарядом

5

.

В ИК-колебательном спектре структуры с ячейками Si

2

Mn

2

S были выяв-

лены наиболее интенсивные моды колебаний, в частности, мода 1056.40 см

-1

(численный расчет). В ИК-колебательном спектре образца Si<Mn,S>, полу-
ченным на установке FT IR Nicolet iS50 (рис. 7) в диапазоне 2500

500 см

-1

на

котором были выявлены моды 1125,28 см

-1

, 1011,50 см

-1

, 919,41 см

-1

и 871,68

см

-1

, причем мода 1011,50 см

-1

была наиболее интенсивной. Очевидно, име-

ется достаточно хорошее совпадение результатов численного расчета ИК-
колебательного спектра (1056.40 см

-1

) решетки кремния с ячейками Si

2

Mn

2

S и

колебательного спектра образца Si<Mn,S>, полученного на установке FTIR
Nicolet iS50 (1011,50 см

-1

).

В ходе измерения температурной зависимости проводимости для Si<MnS>

(исх. КДБ-3) были выявлены уровни

E

1

= 0,561 эВ и

E

2

= 0,163 эВ.

Со ссылкой на работу

6

можно утверждать, что уровни

E

2

= 0,163 эВ

присущи ионам Mn

+3

с переходом в Mn

+4

. Уровень

E

1

= 0,561 эВ, вероятнее

всего, принадлежит комплексу с участием атомов Si, Mn и S, так как ни в
Si<Mn>, ни в Si<S> данный уровень не был обнаружен.

Были измерены напряжения холостого хода и токи короткого замы-

кания в образцах Si<Mn,S> в которых наблюдается существенное увеличение
в ИК области

30% при Т=300K по сравнению с образцами Si<S> (

23.5%)

и Si<Mn> (

3.3%) при Т=300% K.

Рис. 7. ИК-колебательный спектр образца Si<Mn,S>, полученный на FT IR Nicolet

iS50 в диапазоне 2500

500 см

-1

при Т=300 K с наиболее интенсивными модами

1125,28 см

-1

, 1011,50см

-1

, 919,41 см

-1

и 871,68 см

-1

.

Для измерений был использован криостат с оптическим окошком, источ-

ник питания лампы накаливания, светофильтр. Свет от лампы накаливания

6

Гнатченко С.Л., Давиденко И.И., Давиденко Н.А., Девин Дж.М. Особенности электро-и фотопроводимости

марганцево-германиевых гранатов. ФТТ. Санкт-Петербург, 2002. Т. 44, Вып.1. С. 87-92.


background image

34

фокусировался объективом на окошко криостата далее на образец через све-
тофильтр ИКС-1, который устраняет наложение ультрафиолетового и види-
мого спектров на исследуемый спектральный интервал (300÷750нм). Данные
темнового тока i

т

и фототока i

ф

, а также напряжения в диапазоне температур

Т=77 К÷300К для образца Si<MnS> приведены в таблице 1.

Обнаруженный эффект изменения знака носителей тока в области прос-

транственного заряда в ходе измерений тока короткого замыкания i

ф

, а также

напряжения при освещении при температурах Т= 198K и 123K в образце
Si<Mn,S> вероятнее всего обусловлен перезарядкой глубоких уровней, свя-
занных с серой и марганцем.

Исследования фотопроводимости кремния, легированного Mn и Sс по-

мощью спектрометра ИКС-21, снабженного криостатом, который позволяет
изучать фотопроводимость в широкой области температур (Т = 77÷350 К),
проводились для определения уровней и явления инфракрасного гашения
фотопроводимости (ИКГФП). Для изучения только примесной ФП служил
двойной фильтр из полированной пластины монокристаллического кремния,
которая была установлена перед окошком криостата после глобара ИКС-21.

Таблица 1.

Измерения темнового тока i

т

и фототока i

ф

, а также напряжения в диапазоне

температур Т= 77÷300К для образца Si<Mn,S>(исх. КДБ-1

= 1 Ом

см).

Темн.U,

мВ

Осв. U,

мВ

U, мВ

фил.

Темновой,

I,A

Освещен., I, А Фильтр, I, А T, K

3,3

156

55,4

7,7∙10

-7

1,3∙10

-4

1,2∙10

-5

300 К

1,5

342

47,6

3,2∙10

-8

1,2∙10

-4

1,7∙10

-6

223 К

1,7

319

34

8,3∙10

-8

7∙10

-5

1,7∙10

-6

203 К

0,1

-25,6

-1,4

1.00

-9

-2,2∙10

-8

-2,9∙10

-9

198 К

-30,2

53,8

16,1

-6,2∙10

-8

1,3∙10

-5

5∙10

-9

123 К

3,2

113

1,9

2,2∙10

-9

3,6∙10

-7

1,6∙10

-8

121 К

Нами в исследованных образцах Si<S> и Si<Mn>наблюдалось слабое

ИКГФП с минимумом при

0,56эВ и 0,54эВ, соответственно. На рис. 8 пред-

ставлена спектральная зависимость ФП образцов Si<Mn,S> в темноте и при
освещении. Как видно из рисунка, в образцах, легированных Mn и S фото-
проводимость при темноте начинается при

h

0,22÷0,226 эВ.

В интервале

h

=0,226÷0,42 эВ с увеличением энергии фотонов фотопро-

водимость увеличивается непрерывно и постепенно наступает область насы-
щения фототока. В точке

h

= 0,42 эВ происходит резкий спад фотопрово-

димости, а дальнейшее увеличение энергии фотонов приводит к заметному
уменьшению ФП с относительно глубоким минимумом при

h

= 0,48 эВ.

Немонотонная фотопроводимость в области

h

=0,226÷0,48эВ, по видимому,

обусловлена тем, что имеет место немонотонная зависимость сечения иони-
зации, которая приведена в теории Г. Луковского.

При исследовании фотопроводимости образца Si<S>были выявлены

уровни ионизации E

1

=0,25 эВ, E

2

=0,45 эВ, E

3

=0,55 эВ, E

4

= 0,85 эВ , а также в


background image

35

интеравле

E

i

0,25 эВ÷0,52 эВ был обнаружен эффект инфракрасного гашения

фотопроводимости (ИКГФП).

Также было установлено, что в интервале E

0,25÷ 0,55 эВ в образце Si<S>

имеет место отрицательная фотопроводимость в темноте при прямом вклю-
чении структуры, объясняемая инжекцией носителей заряда.

Нами также были определены с помощью исследования фотопро-

водимости при Т=77K в образце Si<Mn,S> уровни с энергиями ионизации

E

1

= 0,226эВ и

E

1

= 0,86эВ.

Авторы работы

7

показали,

что в области температур 400-
450K в α-MnS наблюдается сме-
на знака носителя заряда. Сог-
ласно результатам их экспери-
мента при температурах Т<400K
моносульфид марганца α-MnS
является полупроводником

р

-

типа с подвижностью носителей
тока 0.065 см

2

В

-1

c

-1

, а при

Т>450K носителями заряда явля-
ются электроны и их подвиж-
ность возрастает почти на два
порядка.

При изучении электрических

свойств монокристаллов α-MnS
авторы в работе

8

показали, что с

изменением температуры удель-
ное электросопротивление в
кристалллографических

плос-

костях (111) и (100) различно.

Также был выявлен размер

энергетической щели

E

g

= 0,22эВ

Рис. 8. Спектральная зависимость

ФП в образце Si<MnS> в темновых условиях

и при постоянной подсветке

при численном расчете положения электронов в кластере с ячейками S

i2

M

n2

S,

подтвержденный появлением уровня

E

i

0,226эВ при исследовании фото-

проводимости образца Si<Mn,S> (рис. 8), который связан с возбужденным
переходом электрона из примесного уровня в зону проводимости.

С помощью установки ФСМ 1202 получен спектр поглощения в Si<Mn,S>.

Как показали результаты исследования, в таких образцах существенно
уменьшается коэффициент поглощения примесей атомов серы в области λ =
2,01 мкм и λ = 4 мкм, а также марганца, но появляется заметный пик пог-
лощения в области λ=1,33 мкм (

hv

=0.93 эВ), который практически отсут-

ствует в Si<Mn> и Si<S>, а также исходном кремнии.

7

Heikens, H.H. Electrical properties of α – MnS / H.H. Heikens, C.F. van Bruggen, C.J.Haas // J. Phys. Chem.

Solids. – 1978. – V. 39. – P. 833 – 840.

8

Huffman, D.R. Optical properties of -MnS / D.R. Huffman, R.L. Wild // Phys. Rev. – 1967. – V.156, No.3. - P.

989-997.

-темн.

-подсв.


background image

36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований численного расчета параметров

кластерной структуры с ячейками Si

2

Mn

2

S (кремний два-марганец два-сера) и

исследования фотоэлектрических свойств монокристаллического кремния,
легированного Mn и S сделаны следующие выводы:

1.

Получены образцы монокристаллического кремния с практическим

отсутствием эрозии поверхности образцов после высокотемпературного ле-
гирования серой.

2.

Определены с помощью исследования фотопроводимости при Т=77K

в образце Si<Mn,S> уровни с энергиями ионизации

E

1

= 0,226эВ и

E

1

= 0,86эВ.

3.

Определены уровни ионизации со значениями E

1

=0,25эВ, E

2

=0,45эВ,

E

3

=0,55эВ и E

4

= 0,85эВ и область ИК-гашения в интервале

E

i

0,25эВ÷0,52эВ

при исследовании фотопроводимости образца Si<S>.

4.

Установлено, что в интервале E

0,25 ÷ 0,55эВ в образце Si<S> имеет

место отрицательная фотопроводимость в темноте при прямом включении
структуры, объясняемая инжекцией носителей заряда.

5.

Обнаружен эффект изменения знака носителей заряда при освещении

образца КДБ-1, легированного Mn и S при Т=123K и Т=198K, обусловленный
перезарядкой глубоких уровней, связанных с серой и марганцем.

6.

Выявлена существенная доля ИК-составляющей в значениях U

хх

и i

кз

в

образцах монокристаллического кремния c S, Mn и S, что дает основания по-
лагать возможность использования кремния с примесями Mn и S в качестве
фотоэлемента.

7.

Определена при численном расчете наиболее интенсивная мода 1056.40

см

-1

в ИК - колебательном спектре поглощения решетки Si с ячейками Si

2

Mn

2

S,

совпадающая с хорошей степенью с наиболее интенсивной модой 1011,50 см

-1

,

полученной при исследовании колебательного спектра образца Si<Mn,S> с
помощью FT IR Nicolet iS50.

8.

Выявлен размер щели

E

g

= 0,22эВ при численном расчете положения

электронов кластера с ячейками Si

2

Mn

2

S, подтвержденный появлением уров-

ня

E

i

0,226эВ при исследовании фотопроводимости образца Si<Mn,S>, кото-

рый связан с возбужденным переходом электрона из примесного уровня в
зону проводимости.


background image

37

SCIENTIFIC COUNCIL FOR AWARDING SCIENTIFIC DEGREES

DSс.27.06.2017.FM/T.34.01 UNDER PHYSICAL-TECHNICAL INSTITUTE,

THE INSTITUTE OF ION-PLASMA AND LASER TECHNOLOGIES,

SAMARKAND STATE UNIVERSITY

TASHKENT STATE TECHNICAL UNIVERSITY

MAVLYANOV ABDULAZIZ SHAVKATOVICH

STUDY OF PROPERTIES OF SILICON WITH CLUSTERS OF

IMPURITY ATOMS

01.04.10- Physics of semiconductors






ABSTRACT OF THE DISSERTATION OF DOCTOR OF PHILOSOPHY (PhD)

ON PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES

Tashkent – 2018


background image

38

The theme of dissertation of doctor of philosophy (PhD) on physical and mathematical

sciences was registered by the Supreme Attestation Commission of the Cabinet of Ministers of the
Republic of Uzbekistan under № В2017.1. PhD/FM37.

Dissertation has been prepared at the Tashkent State Technical University.

Abstract of the dissertation is posted in three (uzbek, russian, english (resume) languages on the

website (info.fti@uzsci.net) and on Information and educational portal «Ziyonet» (www.ziyonet.uz).

Scientific supervisor:

Iliyev Khalmurat Midjitovich

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor

Official opponents:

Rahmatov Ahmad Zaynidinovich

Doctor of Technical Sciences, Senior Scientific Expert

Matchanov Nuriddin Azatovich

Candidate of Physical and Mathematical Sciences,

Senior Scientific Expert

Leading organization:

National University of Uzbekistan

Dissertation defense will be held on «____» _____________2018 at _____ at the meeting of

Scientific Council number DSc.27.06.2017.FM/T.34.01 at the Physical-Technical Institute, Institute of
Ion-Plasma and Laser Technologies, Samarkand State University (address: 100084, Uzbekistan,
Tashkent, 2B Bodomzor street. Phone/fax: (+99871) 235-42-91, e-mail: info.fti@uzsci.net).

Dissertation is possible to review in Information-Resource Centre at Physical-Technical Institute

(registered under №_____). Address: 100084, Uzbekistan, Tashkent, 2B, Bodomzor street.
Phone/fax: (+99871) 235-42-91).

Abstract of dissertation sent out on «____» _______________2018.
(Registry record № ____on «____» _______________2018).






S.A. Bakhramov

Chairman of scientific council on award of
scientific degrees, DSc in physics and
mathematics., academician

A.V. Karimov

Scientific secretary of scientific council on
award of scientific degrees, DSc in physics
and mathematics, professor

I.G. Atabayev

Chairman of scientific Seminar under
Scientific Council on award of scientific
degrees, DSc in physics and mathematics,
professor


background image

39

INTRODUCTION (abstract of the PhD dissertation)

The aim of research work

is numerical calculation of parameters of the

structure with Si

2

Mn

2

S cells and investigation of the photoelectric parameters of

single-crystalline silicon doped with Mn and S.

The objects of the research work

are samples of

p

-type single crystalline

silicon KDB-1(with resistivity

= 1 Ohm

cm) and the model of the crystal lattice

of silicon of a diamond structure with Si

2

Mn

2

S cells.

Scientific novelty of the research work:

samples of single-crystalline silicon with erosion-free surface after high-

temperature doping with sulfur were obtained;

ionizing levels, infra-red quenching diapason were revealed in Si samples

doped by S. as well as negative photo-conductivity in times of direct connection
explained by injection of charge carriers was also revealed;

the phenomenon of sign reversal of charge carriers was detected in silicon

samples doped with Mn and S at temperature T = 123K and T = 198K when
illuminated due to charge exchange of deep levels associated with sulfur and
manganese;

significant fraction of the infrared diapason in the values of

U

oc

and

i

sc

in a

single-crystalline silicon sample doped with Mn and S has been revealed, which
suggests to a certain extent that it would be possible to apply silicon with MnS
clusters as a photocell;

total energy, IR-vibration and electronic spectra, and the spatial position of

electrons of the structure with Si

2

Mn

2

S cells were calculated by implementing

numerical calculation technique;

a fairly good correlation was found between the value of the vibration mode,

the size of the energy gap of the cluster structure with Si

2

Mn

2

S cells, and

experimental data on the study of the vibration spectra and photoconductivity of a
sample doped with Mn and S.

Implementation of the research results:

On the basis of computational analysis of parameters of the structure with

Si

2

Mn

2

S-type cells and stemming from the results of study of photoelectric

properties of single-crystalline silicon doped with Мn и S:

The regimes of diffusion doping of silicon with elements of II and VI group

were applied in the course of carrying out of the project «Trasporte Mono-y
Bipolar en Estructuras Semiconductors» of the Innovation Center of Mexico with
the aim to obtain corrosion-free semiconductor structures (Certificate of the
Innovation Center of Mexico of 5

th

December of 2017). Application of the

scientific results ensured extending of the spectral range of semiconductor
photosensitive structures with nanoclusters;

Technological processes of diffusion doping of silicon by multiple step

steady rising of temperature were applied by the Joint-Stock Company «FOTON»
in the manufacture of semiconductor structures (Reference No. 02-2075 of AK
«UZELTEKHSANOAT» from 2017 on October 6). The use of scientific results


background image

40

made it possible to ensure uniform doping of semiconductor samples with
elimination of erosion on the surface;

The technique of forming of diode structure with the required depth of

p-n

-

junction by implementing instant cooling method after multiple stage low-
temperature diffusion of silicon with impurity atoms, had been availed of in times
of implementation of the project YA-FA-F004 «Development of the technology of
formation and manufacturing of two coordinate-sensitive detectors on the basis of
single-crystalline silicon of large diameter» (Certificate № FTA -02-11/1247 of the
Agency of Science and Technology of the Republic of Uzbekistan of 4

th

December

of 2017). Application of the scientific results ensured repeatability and stability of
the required depth of diffusion.

The structure and volume of the dissertation.

The dissertation consists of

an introduction, four chapters, conclusions, a list of references and an appendix.
The text of the thesis is outlined on 115 pages.
































background image

41

ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РЎЙҲАТИ

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

LIST OF PUBLISHED WORKS

I бўлим (I часть, part I)

1.

Muminov R.A., Mavlyanov A.Sh., Tursunkulov O.M. Increasing spectral

sensitivity of photoelectric converters based on mono-crystalline Si//
Гелиотехника, №2, 2013, С. 42–45. [01.00.00., № 1] RG Impact Factor 0.23.

2.

Azamatov Z., Akbarova N., Muminov R, Mavlyanov, Redkorechev V.,

Tukfatullin O., Khusainov I. Multilayer GaAs-Based Heterostructures with
Holographic Concentrator for Solar Cells// Materials Sciences and Applications,
2014, 5, P. 871-875. Research Gate Impact Factor 0,44.

3.

Bakhadirkhanov M. K., Mavlyanov A., Sodikov U., Khakkulov M. Silicon

with Binary Elementary Cells as a Novel Class of Materials for Future
Photoenergetics// ISSN 0003_701X, Applied Solar Energy, 2015, Vol. 51, No. 4,
pp. 258–261. © Allerton Press, Inc., 2015. Research Gate Impact Factor 0,65.

4.

Мавлянов

А.Ш.

Повышение

эффективности

кремниевых

фотоэлементов на основе внедрения новых структур// ТошДТУ хабарлари.
Тошкент 2015.

Махсус сон

,

С. 79-84. [05.00.00., № 16].

5.

Muminov R.A., Mavlyanov A.Sh., R. Rakhimov, Abdukadirov M.

Influence of Functional Ceramic Coatings on Efficiency of Solar Cells//
International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and
Technology ISSN: 2350-0328, Vol. 3, Issue 6, June 2016, pp. 2309-2311.
SJIFactor: 2016: 4.346.

6.

Мавлянов А.Ш., Р. Толипов, С.Т. Гулямова, А.А. Абдурахмонов.

Новые материалы для фотоэнергетики с использованием эффекта квантового
ограничения// ТошДТУ хабарлари. Т 2016

№3, С. 53-59.

[05.00.00., № 16].

7.

Мавлянов А.Ш. Фотоэлектрические свойства и вольт-амперная

характеристика кремния, легированного селеном // ТошДТУ хабарлари.
Тошкент 2017

№3, С. 15-19.

8.

Tachilin S.A., Mavlyanov A.Sh., Sheina N.E. Photoelectric properties of

silicon doped with sulphur and manganese//Uzbek Journal of Physics. 2017,
Vol.19 (№4) [01.00.00., № 5].

II бўлим (II часть, part II)

9.

Мавлянов А.Ш., Шарофутдинов Н. Модельный расчет параметра

элементарной ячейки

Si

2

Zn

2

S

методом функционала электронной плотности

DFT. Научно-техническая конференция «Научно-методические проблемы
инженерной физики», 8-9 сентября - Ташкент. 2017 -с.65-67.

10.

Мавлянов А.Ш. Photoelectric properties of Silicon doped with Sulfur and

Manganese. Труды международной конференции «Фундаментальные и
прикладные вопросы физики», Ташкент, 2017, с.165-169.

11.

Bakhadirkhanov M. K., Mavlyanov A., Koveshnikov S.V., Isamov S.B.,

Mavlonov G.H., Tuerdi Wumayer. Physical phundamentals of formation of


background image

42

nanoclusters with controllable parameters as a novel way of obtaining the bulk-
structured semiconductor materials. XIII Int. Sс. Conf. «Solid State Physics»
26-28

th

April – Astana. 2016- pp. 228-230.

12.

Mavlyanov A.Sh. Study of the possibility of using SiGe solution with a

modified lattice parameter as an anode for Li-ion batteries. V Межд. Конф.
«Актуальные проблемы молекулярной спектроскопии конденсированных
сред», Самарканд, 22-24 сентября 2016, с. 130.

13.

Mavlyanov A.Sh. Increasing spectral range of photosensitivity of silicon

samples doped with impurity atoms of VI group and transient group elements.
Symposium Proceedings IPS 2016, «New Trends of Development Fundamental
and Applied Physics», 10-11 November – Tashkent. 2016 – pp.298-299.

14.

Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х.,

Хаккулов M. Кремний с элементарными ячейками типа

Si

2

A

n

B

8-n

как новый и

более эффективный материал для фотоэнергетики. «Возобновляемые
источники энергии: технологии и установки» 28-29 июня – Ташкент, 2016 –
С. 121-122.

15.

Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х., Хаккулов М. Формирование

квантовых точек в решетке кремния с участием примесных атомов». Ilmiy-
amaliy konferensiya «IAK-VIII» 24-25 апрель – Ташкент. 2015 – с.409-412.

16.

Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х.,

Хаккулов M. Возможность формирования квантовых точек

Si

2

Mn

2-

A

VI2+

в

решетке кремния. 6-Межд. конф. «Кристаллофизика и деформационное
поведение перспективных материалов» 26-28 мая – М., РФ. 2015 – С.50.

17.

Бахадырханов М.К., Азизов М.К., Мавлянов А.Ш. Прибор для

непрерывного измерения и контроля температуры. Шестая международная
конференция «Кристаллофизика и деформационное поведение песпективных
материалов» 26-28 мая – М., РФ. 2015 – С.52.

18.

Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х.,

Мавлонов Г.Х., Саитов Э.Б., Саттаров О.Э., Абдурахманов Б. Физические
основы формирования нанокластеров примесных атомов в полупроводниках.
X Конф. по актуальным проблемам физики, материаловедения и диагностики
кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2014»,
Иркутск, РФ. 2014 – С.74.

19.

Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х. Безэрозионная технология диффузии

элементов VI группы в кремний. «Яримутказгичлар физикасининг долзарб
муаммолари» 22 ноябрь – Тошкент.2014- с. 78-80.

20.

Бахадырханов М.К., Саитов Э.Б., Абдурахманов Б., Мавлянов А.Ш.,

Валиев

С.А.

Самоорганизация

кластеров

примесных

атомов

в

полупроводниках. XII Int. Sc. Conf. «Solid State Physics» 25-27 June – Astana.
2014, с.44-46.

21.

Бахадырханов М.К., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х. Кремний с

бинарными нанокластерами примесных атомов – как новый класс
материалов для фотоэнергетики. III Межд.конф. по оптическим и
фотоэлектрическим

явлениям

в

полупроводниковых

микро-

и

наноструктурах 14-15 ноября – Фергана. 2014 – с. 51-54.


background image

43

Авторефератнинг ўзбек, рус ва инглиз тилларидаги нусхалари

«Тил ва адабиѐт таълими» таҳририятида таҳрирдан ўтказилди.

(07.12.2017 йил)
































Босишга рухсат этилди: 03.02.2018 йил.

Бичими 60х44

1

/

16

, «Times New Roman»

гарнитурада рақамли босма усулида босилди.

Шартли босма табоғи 2,3. Адади: 100. Буюртма: № 25.

Ўзбекистон Республикаси ИИВ Академияси,

100197, Тошкент, Интизор кўчаси, 68.

«АКАДЕМИЯ НОШИРЛИК МАРКАЗИ»

Давлат унитар корхонасида чоп этилди.

Библиографические ссылки

Muminov R.A., Mavlyanov A.Sh., Tursunkulov O.M. Increasing spectral sensitivity of photoelectric converters based on mono-crystallinc Si// Гелиотехника, №2,2013, C. 42-45. [01.00.00., № 1 ] RG Impact Factor 0.23.

Azamatov Z., Akbarova N., Muminov R, Mavlyanov, Rcdkorcchcv V., Tukfatullin O., Khusainov I. Multilayer GaAs-Bascd Heterostructures with Holographic Concentrator for Solar Cells// Materials Sciences and Applications, 2014, 5, P. 871-875. Research Gate Impact Factor 0,44.

Bakhadirkhanov M. K., Mavlyanov A., Sodikov U., Khakkulov M. Silicon with Binary Elementary Cells as a Novel Class of Materials for Future Photocncrgctics// ISSN 0003 70IX, Applied Solar Energy, 2015, Vol. 51, No. 4, pp. 258-261. © Allerton Press, Inc., 2015. Research Gate Impact Factor 0,65.

Мавлянов А.Ш. Повышение эффективности кремниевых фотоэлементов на основе внедрения новых структур// ТошДТУ хабарлари. Тошкент 2015. Махсус сон, С. 79-84. [05.00.00., № 16].

Muminov R.A., Mavlyanov A.Sh., R. Rakhimov, Abdukadirov M. Influence of Functional Ceramic Coatings on Efficiency of Solar Cells// International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology ISSN: 2350-0328, Vol. 3, Issue 6, June 2016, pp. 2309-2311. SJIFactor: 2016: 4.346.

Мавлянов А.Ш., P. Толипов, C.T. Гулямова, А.А. Абдурахмонов. Новые материалы для фотоэнергетики с использованием эффекта квантового ограничения//ТошДТУ хабарлари. Т 2016 А^З, С. 53-59. [05.00.00., № 16].

Мавлянов А.Ш. Фотоэлектрические свойства и вольт-амперная характеристика кремния, легированного селеном // ТошДТУ хабарлари. Тошкент 2017 №3, С. 15-19.

Tachilin S.A., Mavlyanov A.Sh., Sheina N.E. Photoelectric properties of silicon doped with sulphur and mangancsc/ZUzbek Journal of Physics. 2017, Vol. 19 (№4) [01.00.00., №5].

Мавлянов А.Ш., Шарофутдинов Н. Модельный расчет параметра элементарной ячейки SbZniS методом функционала электронной плотности DFT. Научно-техническая конференция «Научно-методические проблемы инженерной физики», 8-9 сентября - Ташкент. 2017 -с.65-67.

Мавлянов А.Ш. Photoelectric properties of Silicon doped with Sulfur and Manganese. Труды международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики», Ташкент, 2017, с. 165-169.

Bakhadirkhanov М. К., Mavlyanov A., Koveshnikov S.V., Isamov S.B., Mavlonov G.H., Tuerdi Wumaycr. Physical phundamcntals of formation of nanoclusters with controllable parameters as a novel way of obtaining the bulk-structured semiconductor materials. XIII Int. Sc. Conf. «Solid State Physics» 26-28,h April - Astana. 2016- pp. 228-230.

Mavlyanov A.Sh. Study of the possibility of using SiGe solution with a modified lattice parameter as an anode for Li-ion batteries. V Межд. Конф. «Актуальные проблемы молекулярной спектроскопии конденсированных сред», Самарканд, 22-24 сентября 2016, с. 130.

Mavlyanov A.Sh. Increasing spectral range of photosensitivity of silicon samples doped with impurity atoms of VI group and transient group elements. Symposium Proceedings IPS 2016, «New Trends of Development Fundamental and Applied Physics», 10-11 November - Tashkent. 2016 - pp.298-299.

Бахадырханов M.K., Илисв X.M., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х., Хаккулов М. Кремний с элементарными ячейками типа Si?A о как новый и более эффективный материал для фотоэнергетики. «Возобновляемые источники энергии: технологии и установки» 28-29 июня - Ташкент, 2016 -С. 121-122.

Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х., Хаккулов М. Формирование квантовых точек в решетке кремния с участием примесных атомов». Ilmiy-amaliy konfcrcnsiya «IAK-VIII» 24-25 апрель - Ташкент. 2015 - с.409-412.

Бахадырханов М.К., Илисв Х.М., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х., Хаккулов М. Возможность формирования квантовых точек ShMrf 'A112* в решетке кремния. 6-Мсжд. конф. «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов» 26-28 мая - М., РФ. 2015 - С.50.

Бахадырханов М.К., Азизов М.К., Мавлянов А.Ш. Прибор для непрерывного измерения и контроля температуры. Шестая международная конференция «Кристаллофизика и деформационное поведение песпективных материалов» 26-28 мая - М., РФ. 2015 - С.52.

Бахадырханов М.К., Илисв Х.М., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х., Мавлонов Г.Х., Саитов Э.Б., Саттаров О.Э., Абдурахманов Б. Физические основы формирования нанокластсров примесных атомов в полупроводниках. X Конф, по актуальным проблемам физики, материаловедения и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний-2014», Иркутск, РФ. 2014 - С.74.

Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х. Безэрозионная технология диффузии элементов VI группы в кремний. «Яримутказгичлар физикасининг долзарб муаммолари» 22 ноябрь - Тошкент.2014- с. 78-80.

Бахадырханов М.К., Саитов Э.Б., Абдурахманов Б., Мавлянов А.Ш., Валиев С.А. Самоорганизация кластеров примесных атомов в полупроводниках. XII Int. Sc. Conf. «Solid State Physics» 25-27 June - Astana. 2014, c.44-46.

Бахадырханов M.K., Мавлянов А.Ш., Содиков У.Х. Кремний с бинарными нанокластерами примесных атомов - как новый класс материалов для фотоэнергетики. 111 Межд.конф. по оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро- и наноструктурах 14-15 ноября - Фергана. 2014-е. 51-54.