Исследование свойств кремния с кластерами примесных атомов

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.