Электронная структура комплексов с атомами благородных газов в кремнии и алмазе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ПОЛУИРОВОДНИК<I АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

р;\ о»!

п СЕН

УДК 621.316.50li

Веэъязьгшая Татьяна Владимировна

Электронная структура комплексна с атомами благородных гдвов в креинии и алмазе

01.ОНО - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фидашо-иатематических наук

МИНСК 1965

ч

Работа выполнена а Институте физики твердого тела и полупроводников Ali Беларуси и Институте физико-органической химии ЛИ Беларуси

Научные руководители : кандидат физико-математических

наук, старший научный сотрудник Мудрый Л.В.;

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Зеленковский В.М.

Официальные оппончнты : доктор физико-математических

наук, профессор Борисвнко ВН.;

канд. физико-математических наук Кузьмин В,С.

. Оппонирующая организация : НИИ прикладных физических

проблем им. А.Н, Севченко

Зашита состоится 1095 года в часов I

заседания совята по защите диссертаций Д 01-06.01 при Институт . финики твердого тела и полупроводников АН Беларуси по адре< 220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институ физики твердого тола и полупроводников АНБ.

Автореферат разослан " 19&5 г.

Ученый секретарь Совета /7

по защите диссертаций -----

' доктор физ.-мат, иаук ^У В.М-Федосюк ..

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Субмикронный характер современной технологии интегральных микросхем требует подробного анализ! природы дефектов, возникающих при внешних воздействиях на кристалл, таких, например, как ионная имплантация, термический отжиг, облучение и др- В частности, при использовании иогио-лучевой технологии требуется детальное исследование физических и химических процессов, происходящих в припозерхностных слоях твердых тел, т.к. сравнительно небольшое изменение количественного состава и химического состояния а тонов, ионно-внедренных в кристалл, оказывает определяющее влияние на свойства полупроводникоа

Интенсивное развитие и применение в последние годы получили такие методы исследования приповерхностных слоев твердых тел, как Оже-электронная спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, вторичная ионная масс-спектроскопия, ионный микроанализ, обратное' рассеяние ионов и другие. В большинстве из перечисленных методов при количественном и качественном определении лримесного состава поверхностных слоев, также как и в ряде технологических операций при изготовлен..и полупроводниковых элементов и структур, проводится обработка поверхности исследуемых объектов, которая, как правило, осуществляется травлением поверхности ионами благородных газоа Процесс ионного травления поверхностных слоев сопровождается интенсивным дефектообразовакием, а том числе и с участием атомов благородных газов. При этом атомы благородных газов взаимодействуют с имеюгцимиг-ч в кристалле дефектами и примесями и могут образовывать с ними комплексы. В последнее время установлено, что такое взаимодействие может сильно влиять на физические, электрические, оптические и др. свойства полупроводниковых материалов и приборов. Показано, например, что имплантация ар на в кремний оказывает существенное влияние на профиль распределения и электрическую активацию легирующих "шшесных атомов (мышьяк, бор, фосфор), при этом создается возможность управления этими характеристиками п требуемом диапазоне. Полагают, что влияние имплантированного аргона не следует сводить к простому процессу аморфизации кремния, т.е. физика механизма, ответственного за данное явление

в настоящий момент не совсем ясна.

В последние годы квантопохимическими методами были проведены расчеты комплексов с атомами благородных газов, ионно-ьнедрелных в ковалелтные кристаллы (кремний и алмаз) и сделано предположение о возможности образования химических связей между атомаии благородных газов и атомами кристаллической матрицы с возникновением обобщенных электронных волновых функций. Однако для этих расчетов использовались полуампирические квантово-химические методы, которые далеки от универсальности и позволяют получить разумную точность в описании лишо отдельных свойств, а исполькоьчшис: принципиально различных параметризаций существенно затрудняет сопоставление расчетов разных авторов и нередко приводит к их противоречивости. Поэтому при теоретическом рассмотрении данного вопроса следует применять достаточно коррекпше квантово-химические методы, в частности ¿>b initio расчеты в расширенных базисах с включением оценки анергии корреляция.

Цель настоящей работы заключается в определении электронной и геометрической структуры комплексов, включающих атомы благородных газов в кремнии и алмазе с использованием иолу эмпирических и неэмпирических квантовохимичеекмх методов расчета.

Научная новизна результатов:

В диссертационной работе впервые:

- рассчитана злектрокная структура и определены параметры молекулярных систем Х-Ве-О (Х=Не, Ne, Аг) и обоснована приме! имость базисов STO-3G, 3-21G для квантово-химических кластерных расчетов комплексов с благородными газами в полупроводниковых кристаллах;

рассчитаны основные микроскопические характеристики дефектов с благородными газами в кремнии и алмазе (равновесная геометрия атомов, входящих в состав дефекта, положение энергетических уровней в запрещенной зоне и т.д.) с использованием неэмпирических и полуэмпирических квантово-химических методов. Показано, что при локализации атомов благородных газов в кристаллической решетке возможно перекрытие их электронных о рб «талей с соответствующими орбиталями атомов матрицы, в частности кремния или углерода;

- показано, что с увеличением жесткости кристаллического

окружения, т.е. при переходе от кремния к илмяау, или при увеличении атомной массы благородных газов в структуре определенных дьфоктоз увеличивается степень перекрытия их волновых функций с волновыми функциями атомов кристаллической матрицы.

Практическая значимость работы. Раорлботаьп и апробирована- квантозо-химическая методика расчета электронной и геометрической структуры дефектов с атом ими благородных геооа в полупроводниковых кристаллах. Рассчшины основные параметры дефектов, содержащих атомы благородных газов и предложены модели их стабильных конфигураций в кристаллах кремния и алмаза. Основные результаты работы шел ючены в отчет по теме "Исследование влияния услоьиЯ облучения и отжига на саойстпа кремния, арсенида гьллия и структур на их основе" (тема выполнялась з рамках НИР по Республиканской научно-технической программе я области фундаментальных исследований "Кристалл" и 10Пв-10вЭ г.г., госу дарственный регистрационный иог/ер 0186 0043 172) и теме "Исследование взаимодействия радиационных и термических дефектов в кремнии, арсечиде галлия и р-п-структурах" (тема выполнялась о раьнсах НИР по Республиканской научно-технической программе в 1990-1994 г.г., государственный регистрационный номер 199 42 746 от 2fl.09.94 г.).

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Методика и оГюснование квантоео-химических методов расчета электронной и геометрической структуры дефектов с благородными газами в ковалентных кристаллах.

2. Модели комплексов, содержащих атомы благородных газов в кремнии и алмазе.

3. Механизм образования устойчивых комплексов п зависимости от химической индивидуальности примесных элементов и жесткости кристаллической матрицы.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и осуждались на XIII Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1988), на V Всесоюзной школе "Физико-химические основы электронного материаловедения" (Новосибирск, 1980), на Всесоюзном семинаре "Моделирование на ЭВМ структурных дефектов в кристаллах" (Ленинград, 1Р88), на Всесоюзном координационном совещании по квантовой химии (Вильнюс, 19Г.0), на Всесоюзной конференции "Ионг-ю-лучевая модификация материалов" (Каунас, 1989), на Четырнадцатом Всесоюзном совещании по теории

полупроводников (Донецк, 1989), на девятой Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (МИФИ, 1РЗУ), на Конференции по квантовой химии твердого тела (Рига, Ш>0)..

Публикации. Но материалам диссертации опубликованы 4 статьи и в тезисов докладов.

Все основные результаты исследований , изложенные В диссертации, получены лично автором под руководством к. ф.-м. наук, ст н. с. Мудрого Л.В. и к х. п., ст. н. с. Зеленкопского В.М.. которые осуществляли планирование работы и принимали участие в обсуждении результатов.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоят из введения, общей характеристика работы четырех глае, основных выводов и списка цитируемой литературы.

Материал диссертации' изложен на 97 страницах машинописного текста и включает 20 рисунков, 20 таблиц и библиографию из 81 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и общей характеристике работы обоснована актуальность теки диссертации, определены цели и задачи исследования, показана научная повинна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу полученных ранее экспериментальных и теоретических данных по исследованию структуры дефектов, содержащих атомы благородных газов в кремнии и алмазе. Приведена краткая характеристика современных квантозо-< химических методов расчета электронной структуры многоатомных систем, при этом основное внимание уделено неэмпирическим методам и используемым в них базисным наборам. Рассмотрена возможность их применения для описания дефектов в ковалеитных кристаллах и полупроводниках. На основе анализа литературных данных сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

Во второй главе приведены результаты расчета ряда гипотетических молекулярных систем с атомами благородных газов : Не-Ве-О, Ке-Ве-О, Аг-Ве-О с использованием неомпирического метода ССН МО ЛКАО с применением базисов ."ЗТО-ЗС к 3-21С и второго порядка теории возмущений Мёллера-Плессета, и полуэмгофического метола ППДП/2. Вычисления проведены с полной оптимизацией геометрических параметров, а в точках минимума полной энергии системы с учетом корреляляционных эффектов. Расчеты показали, что

для реализации слабого связывания благородных газов в молекул., ¿ должен существовать довольно тонкий баланс между орбитальными

УРОВНЯМИ, ЭЛеКТроШЗОЙ ПЛОТНОСТЬЮ И ДИПОЛЬНЫМ MOMUHW.

Установлено, что из ряда изоэлектронных соединений (ВоО, I,iF, BN, ВН) только ВеО обиадачт необходимыми свойствами для образования соединений с благородными газами. Стабильность соответствующих молекул можно объяснить доаорно-акцепторным взаимодедстБ'.""'! межд^ атомом благородного газа, как электронным донором и остальным фрагментом соединения как элоктоонным акцепторе.^ Стабильность данных соединений зависит от поляризуемости благородного газа и положения нижней вакантной орбита ли ВеО. Сравнение расчетов, проведенных с использованием разных базисов покапало, что асе базисные наборы приблизительно одинаково описывают как онерсшо связи атомов Не, Nc, Аг с ВеО, так и пареное заряда с атом* благородного газа. В то же аремк, электронны распределение a молекуле и геометрическая структура наиболее приемлемо передаются а базисе 3-21G. В этом Оазисе несколько завышается энергия соязи, что аакономерня, гк»скольку следует учесть заметчо большую, по сравнению с базисом в-ЗЮ ошибку суперпозиции базисных наборов. Аналогичный расчет, проведенный методом Ш1ДП/2, показал, что при некотором искажении структурных и энергетических характеристик, отод метод достаточно корректно описывает олеетроннуго структуру и может бьп ь применен для анализа .электронной структуры кластеров, моделирующих комплексы с атомами благородных газов в креккии и елмасе.

Третья глава посвящена кзантово-химпчеекчм расчетам дефектов, содержащих атомы благородных газов в кремнии. С использованием неэмпирического метода ССП МО ЛКАО и полушп'лрическсго' метода ПЩЩ/2 рассчитана электронная структура дефеетеэ мэжцоузельного и вакансионного типа. В рамках полу эмпирического метода ШГДП/2 проведены расчеты комплексов, содержащих Не и Ne с локализацией атомоч благородных га^ов в узле кристаллической решетки кремния. Расчет проводился на кластерах HeS¡4 , NeS¡4 , ArSLj (рис.1). Использование небольших кластеров в данном случае допустимо вследствие сильной локализации ls-состояний на атоме Не и 2з~, 2р-состояянй на атоме Ке. Оборванные связи на границе мастера насыщались атомами водорода. Межатомные расстояния Sí-Sí п исходном состоянии соответствовали экспериментальным значениям 0.234 ям, расстояния между атомами кремния и насыщающими атомами водорода - Si-H: 0.145 нм.

б

Рис Д. Конфигурация кластеров - атом

О - атом благородного газа О - атом водорода

Рассчитана электронная структура распределение зарядов и рассмотрено влияние искажений ближайшего кристаллического окружения (симметричное, тетра! опальное, тригоналыте). Расчет показал, что тетрагональное искажение является энергетически наиболее выгодным как для гелийсодержащих комплексов, так и для комплексов, содержащих неон.

Анализ электронной структуры показывает, что в случае внедрения примесных атомов на место вакансии, в запрещенной зоне появляются энергетические уровни, в формирование, которых значительный вклад вносят атомные орбш'али Не и Ne. Наряду с этим происходит смещение донорных уровней в область более высоких энергий и формирование глубоких акцепторных состояний у края зоны прводташсти, которые должны оказывать влияние на электрофизические свойства изучаемых систем. В дополнение к этому изучено влияние способа учета граничных условий и увеличения размера кластера на результаты расчетов, С этой целью рассчитаны кластеры Siio, HeSi[Q, NeSi^, Si«2. HeSijg, NeSi-^, в которых оборванные связи насыщались не атомами водорода, а электронами. Показано, что как изменение способа учета граничных условий, так и увеличение размера кластер« не оказывает существенного влияния на результаты расчет ов.

Непмпирическим кванто во-химическим методом ССП МО ЛКАО в базисах STO-3C, 3-21G с учетом анергии электронной корреляции в рамках второго порядка теории возмущений Мёллера-Нлессега <МП2) были рассчитаны вакансионные комплексы, содержащие атомы благородных газов Не, Ne, Аг в кремнии. Использовались кластерные модели с длинами Si-Si связей, являющимися равновесными в данном базисе. Расчеты показали, что во всех случаях значение энергии взаимодействия является отрицательным, т.е. положение атомов благородных газов на месте вакансии в кристаллическом кремнии

кластеров, проанализировано

энергетически не выгодно к образованные при зюм комплек-ы "газ+вакансия" не являются стабильными с точки зрении образовании устойчивой химической связи. Учет корреляционных »'«шмодейстний, выполненный в точках минимума полной энергии системы, не привел к существенным номеноииям относительных энергетических характеристик. В дополнение к этому были проведены расчеты потенциальных кривых при переходе rana из вакансии и напрчвлечии тетрагдричеекого междоузлия. Показано, что только атол:и lío беэбарьэрно мигрируют из вакансии. Уже для миграции с томов Ne в кремнии существуют небольшие энергетические барьеры для выхода и.ч вакансии - ~27 кДж/моль (~0.3 эВ). В то же время, значительная величина барьера для атома Аг - ~360 кДж/моль (-3.7 эВ) в кремнии позволяет утверждать, что вероятность его локализации в вакансии достаточно высока.

Анализ электронной структуры показал, что комплексы с чтомами благородных газов образуют в запрещенной зоне кремния ряд заполненных и вакантных состояний, в формирование которых значительный вклад вносят атомные орбитали благородных газов (табл.1). При атом происходит сближение верхнего занятого и тижнего вакантного состояний. Такие различия в расположении состояний в области запрещенной зоны должны проявляться з экспериментах, ! связанных с электронными переходами, в частности, в экспериментах по люминесценции, поглощению и т.д.. Вместе с тем наблюдается перенос электронной плотности с атома благородного газа на атомы матрицы, причем в точках, соответствующих минимуму полной энергии системы, пер снос максимальный.

В четвертой глав» приведены результаты расчетов электронной структуры дефектов, содержащих атомы Не и Ne в алмазе, выполненные с использованием полуэмпирического метода ППДП/2 и неэмлирического метода ССП МО ЛКАО. Как и в случае кремния, рассмотрено влияние искажений решетки и учета граничных условий на результаты расчета. Проанализирована электронная структура комплексов с атомами благородных газов, распределение электронной плотности между атомами благородных газов и атомами кристаллической матрицы алмаза. Анализ результатов расчета показал, что в случае внедрения атомов благородных газов на место вакансии в запрещенной зоне появляются энергетические уровни, в формировании которых принимают участие атомные орбитали Не и Ne, причем их донорный характер, как и в случае кремния, сохраняется (табл.2). При этом, вклад ls- состояний атома Не и 2s- , 2р- состояний атома Ne

Таблица 1.

Электронные характеристики вакаисиониых комплексов, содержащих атомы Не, N8 в кремнии, рассчитанные неэмпирическим методом.

базис <ЗНа.

ед.зар в Е1, а.е, Ч Ч Ч

ЭТО-Зй +0.07 -0.01 -0.95 -0.09 -0.02

-0.65 -0.10 0.3 0.03

0.05 -0.36 0.26 -0.33

0.56 -0.02 -0.43 -0.42

3-21С +0.032 -o.ee 0.76 0.04 0.04

-0.73 0.14 0.19 0.02

-0.24 0.38 0.14 0.14

0.27 0.08 1.0 0.37

0.37 0.1 1.4 0.15

базис Фие- еддар.е Е1. а.е. с*Др Ч

ето-за +0.014 -1.88 -0.26 1.02 0.0 0.02 -0.01

-0.76 0.0 0.0 -0.0 -0.2 0.05

-0.64 0.0 0.0 0.36 0.0 0.0

-0.05 0.0 0.0 -0.25 0.0 0.01

0.02 -0.04 0.25 0.0 -0.25 0.32

3-2Ю • +0.011 -32.71 0.08 0.00 0.0 0.0 0.0

-2.02 0.26 0.8 0.0 0.0 0.0

-0.05 0.0 0.0 0.56 0.1 0.02

-0.10 0.0 0.0 0.15 0.33 0.34

1 -0.11 0.05 0.20 0.0 0.1 0.23

Таблица 2.

Электронны» характеристики вакансионных комплексов, содержащих атомы Не, N0 в алмазе, рассчитанные неэмпирическим методом.

б*аис ОНе.

ед.ла р, е Е( , а.е. Не,1д Ч ГС,2р

8Т0-30 +0.28 -1.15 -0.78 -0.14 0.03

-0.82 0.47 -0.25 -0.08

-0.14 0.0 -0.30 0.53

0.21 -0.74 0.22 -0.38

0.75 о.ое -0.74 -0.21

3-21С +0.23 -1.2 0.81 0.11 0.05

-0.80 0.41 0.24 0.05

0.09 0.88 0.08 0.31

0.25 0.13 1.14 0.18

6«аис ед.Э4р.б' , а.е. Р N«,1» С* '2р С** с?-2»

ВТО-ЗС +0.45 -2.02 0.26 -0.98 0.0 -0.03 0.02

-0.99 0.0 С.0 0.71 0.31 -0.1

-0.87 0.0 0.0 0.61 0.25 0.08

-0.79 0.0 0.0 0.54 0.0 0.04

-0.00« 0.0 0.0 -0.48 0.38 -0.55

-0.53 0.0 0.0 -0.19 0.0 0.31

0.29 0.0 0.0 0.56 -0.27 о.зв

3-21С +0.31 -2.12 0.25 0.81 0.0 0.01 0.01

-0.93 -0.04 0.21 0.0 0.26 0.03

-0.87 0.0 0.0 0.27 0.0 0.0

-0.09 0.0 0.0 0.34 0.52 0.54

0.01 0.09 0.63 0.0 0.0 0.26

возрастает при переходе от кристаллической матрицы кремния к 'алмазу, Т.е. при увеличении жесткости решетки. Анализ потенциальных кривых перехода атомов благородных газов из вакансии в тетраэдри-ческое междоузлие покапал, что атомы Не, как и в кремнии, безбарьер-но мигрируют из вакансии, а потенциальный барьер для N6 в алмаза существенно больше, чем в кремнии и составляет ~5в кДж/ь.'оль (-0.6 пВ). Учитывая большую жесткость и меньшую способность к релаксации решетки алмиза по сравнению с кремнием, данный барьер представляется достаточно большим, т.е. может наблюдаться вынужденная стабилизация в вакансии. Следует отметить, что при расчете комплексов "аргон+вакянсия" в алмазе не достигается сходимость в процессе самосогласования, главным образом из-за большого размера атома аргона и, соответственно, сильного отталкивания атомов матрицы. По-видимому, локализация аргона в данной вакансии!« либо невозможна, либо приводит к существенной перестройке ближайшего кристаллического окружения (аморфизации структуры).

; ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Изложенные в работе результаты позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Разработана и апробирована методика расчета электронной и , геометрической структуры молекулярных соединений и дефектов в

полупроводниках, содержащих атомы благородных газов, основанния на (использовании современных квантово-химических подходов неэмпирического метода ССП МО ЛКАО и полуэмпирического метода ППДП/2. Показано, что использование относительно простых базисов 3-21С и БТО-Зй в методе ССП МО ЛКАО позволяет установить возможность существования стабильных молекулярных соединений и дефектов в полупроводниковых кристаллах, содержащих атомы благородных газов и оценить . энергию связи взаимодействующих компонент.

2. Рассчитана электронная структура молекулярных сигтем Х-Ве-О (Х=Не, Ке, Ат). Установлено, что при образовании этих соединений происходит деформация электронных оболочек атомов, обеспечивающая реализацию диполь-дипольного взаимодействия

3. На основании квантово-химических расчетов с использованием полу эмпирического метода ППДП/2 установлено, что в случае-локализации атомов Не или Не в узле кристаллической решетки

кремния и алмаза энергетически более выгодным является тетрагональное искажение ближайшего кристаллического окружения. Показано, что в этом случае для комплексов, содержащих атомы благородных газов, характерно локальное искажение зонной энергетической структуры и формирование глубоких акцепторных состояний у края зоны проводимости.

4, Показано, что в электронной структуре комплексов, содержащих атомы Не или Ые в узле кристаллической решетки, присутствуют валентные орбитали с существенным участием в их формировании 1-8 состояний атома Не и 2$-, 2р- состояний атома N6 независимо от типа релаксации, т.е. от симметрии искажения ближайшего кристаллического окружения.

б. Показано, что в кристаллической решетке кремния возможно существование стабильных комплексов, включающих междоузельные атомы неона и аргона, валентные орбитали которых формируются с участием атомных орбиталей N0 и Аг, т.е. возможно взаимодействие атомов благородных газов с атомами матрицы.

6. На основании пезмпирических квантово-хкмичееких расчетов ССП МО ЛКАО в базисах ЗТО-Уй и 3-2Ю для вакансионных комплексов, содержапгих атомы Не (или Аг), определены электронные и структурные характеристики, а также установлен характер взаимодействия атомов благородных газов с ближайшим кристаллическим окружением. ГГогсазано, что образование комплексов "атом гелия (или неона) + вакансия" а кремнии энергетически не пыгодно, т.е. комплексы нестабильны. Однако установлено, что при локализации атома аргона в вакансии возможно образование устойчивых комплексов с энер-ией барьера для миграции атома Аг -360 кДж/моль (~3.7 эВ). Установлено, что наибольший перенос заряда (электоронной плотн(х:ти) с атомов благородного газа на атомы кристаллической решетки кремния характерен для кластеров, имеющих минимум полной энергии.

7. Установлено, что с увеличением жесткости кристаллического окружения, т.е. при переходе от кр&мния к алмазу, или при увеличении радиуса ягомо/з в ряду элементов благородных газов от Не к Аг увеличивается степень перекрывания их электронных оболочек с атомами матрицы, т.е. взаимодействие возрастает .

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Безъязычная Т.В., Зеленковский В.М., МУдрый А.В., Пушкарчук А.Л., Ульяшин А.Г. Электронная структура комплексов с участием атомов

благородных газов в алмазе и кремнии//Деп. в ВИНИТИ 13.03.1980.-N Ш4-В89.- 21 стр.

2. Безъязычная Т.В., Зеленковский В.М., Мудрый A.B., Нуипсарчук А.Л., Ульяшин А.Г. Электронная структура гелийеодержащих комплексов в кремнии и «шизе. //Известия АН БССР, сер.физ.-мат. наук.- 1991.-N 1.-С.50-54.

3. Безъязычная Т.В., Зеленковский В.М, Пушкарчук А.Л., Ульяшин А.Г.

0 возможности существования стабильных, нейтральных молекул, включающих атомы благородных газов Не, Ке и Аг.//Доклады АН БССР.- 1991- N 1.-С.450-452.

4. Безъязычная Т.В., Зеленковский В.М., Мудрый А.Б., Пуцпсарчук А.Л. Незмпирические расчеты взаимодействия атомов благородных газов с точечными дефектами в кремнии и алмазе //Известия АН БССР, сер.физ.-мат.наук.- 1Ö03.- N 1.- C.56-5G.

5. Безъязычная Т.В., Мудрый A.B., Тимофеев A.C., Ульяшин А.Г. Центры захвата водорода в кристаллическом кремнии, имплантированном благородными газами. //В сборнике: Тезисы докладов XYIII Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.- МГУ.- 1988.- С.140.

6. Безъязычная Т.В., Зеленковский В.М., Мудрый A.B., Пушкарчук АЛ, Ульяшин А.Г. Стабильные конфигурации вакинсионаых дефектов с атомами благородных газов в кремнии и алиазе.//В сборнике: Моделирование на ЭВМ структурных дефектов в кристаллах. Л-ЛФТИ- 1988,-С.110-П1.

7. Безъязычная Т.В., Зеленковский В.М., Ульяшин А.Г. Искажение ' электронной структуры собственных и примесных дефектов атомами

1 благородных газов в кремнии, германии ч алмаю.//3 сборнике: Y Всесоюзная школа "Физико-химические исноаы электронною .материаловедения". Тезисы докладов. Новосибирск, 1988,- С.99.

8. Безъязычная 'Г.В., Минаев Н.С., .Мудрый A.B., Патук А.И., Шакин А.И. Комплексообразование с участием имплантированных гелия и неона в кремнии. //В сборнике: Всесоюзная конференция " Ионно-лучевая модификация материалоз".Тезисы докладов. Каунас, 1089,- КИИ - С.202.

9. Безъязычная Т.В., Мудрый A.B. Расчет электронной структуры примесных атомов в полупроводниках с использованием неэмпирических методов. //В сборнике: Четырнадцатое Всесоюзное (Пекаровское) совещание по теории полупроводников. Тезисы докладов. Донецк, ДонФТИ- 1989.- С.162.

10. Безъязычная Т.В., Мудрый A.B., Патук А.И., Шакин А.И. Образование дефектов в кремнии при внедрении ионов гелия и неона.//

В сборнике: Материалы девятой Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом". Т.1.- М,- МИФИ.-1ÖS9.- С.07-09.

11. Безъязычная Т.В., Зеленховскнй D.M., Минаев Н.С., Мудрый A.B., Пушкарчук А.Л., Ульпшин А.Г. Проявление химической активности атомами благородных газов в ковалентных кристаллах,//В сборнике: 14-ый Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Т.J.M.- Наука, 1689-0.153.

12. Безъязычная Т.В., Зеленковекий ВМ., Мудрый A.B., Иушкарчук А.Л. Квантово-химические расчеты взаимодействия атомов Олагородых газов с кремнием и алмазом. //В в сборнике: Тезисы докладов Конференции по квантовой химии твердого тела. Рига, 1900.- С.178.

РЭЗЮМЭ Беэ'изычнан Таццяна Уладшмфауна Электронна« структура комплексау з атакам! шертных газау у кромка 1 алмазе Клшчавык словы: кромнш, алмаз, шорты газ, каангава-хш1чныя разлМ. кластеры, энергетычныя сцстаинн!, перкнос зараду.

3 выкарастанкем неяширычнага квантова-хипчаага метаду ССП МА ЛКАО у Оаз^ах ЗТО-ЗО, 3-21С, 6-210 а уликам зноргЛ карэляцьн (другога парадку тэорьп узмушщэнняу Мелера-Илэсета I пауэмШрычнага методу 1ШДП/2 распрацав&иа методыка разлшау характэрыстык. дофектау з итамам! благарсдных газау у крыетал1чным кр&мни 1 алмазе 1 выан&чанм 1>; ьсноунын мжраскатчшля параметры -раунавееная Гъаметрыя, палажэнне энергетычных узроуняу у забароненай зоне. Паказаяа, што у кекаторык месцах лакал1зацьп шертных газау магчыма перакрыцце IX электронных арбгеалей з ад[иведным1 арб1талпм! атамау ьрэмнш Ц1 вуслярода. Пры гэтым адбыааецца перараспрадзяленне электроннай плотносц! памик атамам! шертных газау 1 агамаМ( крысталмнай матрицы.

3 павел!чэннем жорсткасщ крьшггал!чнага лен роддзя, напрыклад пры пераходае ад крошпя да алмазу, щ пры павел!чант атомяай ваг1 шертных газау у структуры дафектау павя.д1чваецць ступень перакрыцця разл1чаных хвалявых фушецый прымесных атамау 1 атамау крыштал1чнай матрыцы.

РЕЗЮМЕ Безъязычная Татьяна Владимировна Электронная структура комплексов с атомами благородных газов в кремнии и алмазе ,Ключевые слова: кремний, алмаз, благородный газ, квантово-химические расчеты, молекулярные кластеры, э нергия взаимодействия, энергетические состояния, перенос заряда.

С использованием негмпирического квантово-хилшческого метода ССП МО ЛКАО в базисах БТО-ЗС, 3-21С, 6-21С с включением оценки энергии корреляции (второго порядка теории возмугцений Мёллера-Плессета) и полуампирического метода ППДП/2 разработана методика расчета характеристик дефектов с атомами благородных газов в кристаллическом кремнии и алмазе и определены их основные микроскопические параметры - равновесная геометрия, положение энергетических уровней в запрещенной зоне и т.д.. Показано, что при определенных условиях локализации атомов благородных газов

возможно перекрывании их электронных орбиталей с соответствующими орбиталями атомов кремния или углерода. При этом происходит перераспределение электроннсй плотности между атомом благородных газов и атомами кристаллической матрицы. С увеличением жесткости кристаллического окружения, например, при переходе от кремния к алмазу или при увеличении атомной массы благородных газоа. в структуре дефектов увеличивается степень перекрывания рассч1гганных волновых функций примесных атомов и атомов кристаллической матрицы.

I

ABSTRACT

1 Bezyazychnaya Tatyana Vladimirovna ■

Electronic structure of noble gas atomic complexes in silicon and diamond Key words: silicon, diamond, noble gas, quantum-chemical calculations, molecular clusters, interaction energy, energy states, charge transfer. 1

Starting from the semi- and noncmpirical quantum-chemical SCF MO LKAO method using STO-3G, 3-21G, 6-21G basis sets and the correlation energy evaluation (second-order Moller-Plesset perturbation theory) the technique of calculation of the noble gas atomic defect complex characteristics has been developed, and the fundamental microscopic parameters of these defect complexes (equilibrium geometry, energy state positions in the energy gap etc.) for silicon and diamond crystals have been determined. It has been found that the overlap of the noble gas atom electronic orbits with the related atomic orbits of silicon or carbon is possible at the specific noble gas atom localization conditions. In this case the redistribution of electron density between noble gas atom and crystal matrix atoms takes place. As the stiffness of crystal surrounding increases, for instance, with passing from silicon to diamond or with increasing the atom mass of noble gas, the overlapping of the calculated wave function of the impurity atoms and the crystal matrix atoms in the defect structure is increased.