Зонная структура, оптические и транспортные свойства полупроводникового дисцилицида железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАВДОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

УДК 537.311.322

МИГАС ДМИТРИИ БОРИСОВИЧ -

2 СЕН

ЗОННАЯ СТРУКТУРА. ОПТИЧЕСКИЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИСИЛИЦИДА ЖЕЛЕЗА

01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники

Научные руководители:

д.ф.-м.н., проф. к.ф.-м.я.

Борясенко В.Е. Филонов А.Б.

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., проф.

Анищик В.М. Пушкарчук А.Л.

Оппонирующая организация: Научно-исследовательский институт прикладных

физических проблем Белорусского государственного университета

Защита состоится 18 сентября 1998 г. в 14 час. на заседании Совета не защите диссертаций Д.01.06.01 Института физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси (220072, г. Минск, ул. П. Бровки, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела и полупроводников АКБ.

Автореферат разослан августа 1998 г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций

доктор фвз.-мат. наук

Федосхж В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная технология изготовления интегральных микросхем (ИМС) опирается на исследования в области новых материалов, физики полупроводников и полупроводниковых приборов. В последнее время к кремнию, используемому в качестве осаовного материала для современных ИМС, и широко применяемым полупроводникам А*ПБ%/ добавились новые перспективные соединения — силициды. Их формирование и получение хорошо согласуется с технологическими процессами изготовления кремниевых полупроводниковых приборов. Они находят широкое применение при создании омических контактов, межсоединений, затворов МОП-транзисторов, а также приборов с барьерами Шотгки. В основном, эти материалы (СоЗ^г, №312, Тгвзг и др.) характеризуются металлическим типом проводимости, однако существуют силициды и с по.тупроводшковыми свойствами. Среди них - дисилицид железа (фаза - р-РеБ^г), который привлекает к себе пристальное внимание исследователей на протяжении последних десяти лет в связи с перспективами его использования в оптоэлектронике. Однако электронные, оптические и транспортные свойства этого материала остаются малоизученными, а приводимые различными исследователями данные противоречивы.

Так до сих пор остается открытым вопрос о характере зонной структуры Р-Ре812. С одной стороны ряд исследований показал, что данное соединение - нрямозонвый полупроводник с шириной запрещенной зоны около 0.86 эВ. С другой стороны было установлено, что дисилицид железа часто обнаруживает свойства присущие непрямозонпым полупроводникам.

Практический интерес представляют также способы модификации электронных свойств р-РеЭ^. К ним можно отнести легирование примесями и образование тройных силицидов. Так при введении значительных концентраций примесей замещения переходных металлов, таких как хром и кобальт, можно ожидать наряду с изменением типа и концентрации основных носителей заряда и уменьшением удельного сопротивления, также изменения величины и характера межзонных переходов. Но системные исследования в этом направлении пока не проводились. В качестве примеси замещения можно использовать и атомы осмия с целью создания тройных (Ре^хОзх^г соединений с заданными свойствами, так как дисилицнды железа и осмия изоструктурны. Однако до настоящего времени нет надежных данных о зонной структуре Оз312.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники в рамках исследовательских проектов Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь и Министерства образования Республики Беларусь. Часть исследований выполнена в кооперации со специалистами из Хан-Майтнер Института (г. Берлин, Германия) и с коллегами из Института физики твердого тела (г. Дрезден, Германия).

Целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование электронных, оптических и транспортных свойств полупроводникового дисилицида железа и возможностей их модификации введением в него примесей замещения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- провести анализ известных теоретических и экспериментальных данных об электронных, оптических и транспортных свойствах дисилидида железа и выявить нерешенные проблемы;

- провести анализ и выбрать наиболее перспективный метод моделирования электронных и оптических свойств для данного класса материалов;

- разработать методику расчета транспортных свойств с учетом влияния различных механизмов рассеяния носителей заряда;

- провести моделирование электронных, оптических и транспортных свойств полупроводникового дисилицида железа и выявить их характерные особенности;

- исследовать влияние примесей, замещающих железо, на электронные свойства дисилицида железа.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые установлен квазипрямой характер зонной структуры в р-Ре312, где первый прямой переход, имеющий значение 0.74 эВ и находящийся в точке Л орторомбической зоны Бршшоэна, запрещен в диполыгом приближении. Предсказан первый оптически разрешенный прямой переход с большой интенсивностью, равный 0.83 эВ, который располагается в У точке. Это значение хорошо коррелирует с экспериментально определенной величиной 0.87 эВ. Разница между экспериментальными и теоретическими данными составила всего около 40 мэВ, что свидетельствует об отсутствии значительных корреляционных эффектов и о корректности проведенного моделирования электронных свойств в рамках функционала электронной плотности в локальном приближении.

2. По теоретически рассчитанным спектрам оптических функций выявлены две области межзонных переходов с высокой интенсивностью, обусловленные главным образом р-с! переходами электронов, как в атомах железа, так и в атомах кремния между валентной зоной и зоной проводимости. Первая из них находится в районе 1.7 эВ, а вторая соответствующая диапазону энергий около 4.1 эВ, наблюдается в направлении [100] и приводит к анизотропии оптических свойств дисилицида железа.

3. Установлено, что зависимость подвижности дырок, как основпых носителей заряда, от температуры пропорциональна Т", с сс>3/2 для диапазона температур от 100 до 300 К, н обусловлена рассеянием на акустических колебаниях решетки, неполярных оптических фоионах и нейтральной примеси. Вклад рассеяния на полярных оптических фононах незначителен.

4. Впервые проведено моделирование электронных свойств |3-FeSÍ2, легированного примесью замещения переходных металлов - хромом и кобальтом. Обнаружена тенденция уменьшения ширины запрещенной зоны при увеличении концентрации легирующей примеси до 12.5 ат %.

5. Теоретически исследована электронная структура дисилицида осмия, изсструктурного |3-FeSÍ2 и установлено, что этот материал является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0.95 эВ, а первый оптически разрешению! прямой переход, расположенный в точке Y, имеет значение 1.14 эВ.

Практическая значимость результатов диссертационной работы. .

1. Впервые дано объяснение противоречивым экспериментальным данным, характеризующим дисилицид железа то как прямозонный, то как непрямозенный полупроводник, что является следствием квазипрямого характера его зонной структуры.

2. Рассчитанные спектры оптических функций хорошо коррелируют с наиболее достоверными экспериментальными данными, что подтверждает корректность проведенного расчета зонной структуры не только в районе уровня Ферми, но и в широком диапазоне энергий, а также позволяет использовать их при проектировании оптических и оптоэлектронных приборов.

3. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нейтральная примесь, концентрация которой характеризует качество кристалла, оказывает существенное влияние на процесс рассеяния дырок, начиная с концентраций 10" см"3. При больших концентрациях происходит уменьшение подвижности носителей заряда и снижение показателе степени а в ее температурной зависимости.

4. В случае легирования дисилицида железа кобальтом теоретически показана возможность контролируемого изменения величины первого оптически разрешенного прямого перехода, что подтверждается экспериментальными данными.

5. Показано, что замещение железа осмием з p-FeSi2 позволит создавать тройные соединения (Fei.xOs*)Sij с шириной запрещенной зоны от 0.74 эВ до 0.55 эВ при изменении замещающей фракции Os от 0 до 100 %. При этом величина первого оптически разрешенного прямого перехода с большой интенсизностью, находящегося в течке Y, изменяется от 0.83 до 1.14 эВ,

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

Í. Электронная структура полупроводникового дисилицида железа характеризуется .наличием области энергий, находящейся между пороговым значением оптического межзонного перехода 0.74 эВ я первым прямым переходом с большой интенсивностью 0.83 эВ, в которой перекрываются непрямые и прямые переходы,

оптически запрещенные в дипольном приближении, что определяет свойства этого материала как квазипрямозонного полупроводника.

2. Оптические свойства дисилицида железа существенно анизотропны в энергетическом диапазоне от 0 до 5 эВ, что проявляется в наличии двух областей интенсивных межзонных переходов в кристаллографическом направлении [100] и одной - в [010] и [001] направлениях.

3. Подвижность основных носителей заряда в полупроводниковом дисилшшде железа - дырок, в диапазоне температур от 100 до 300 К обусловлена главным образом рассеянием на акустических колебаниях решетки, неполярных оптических фононах и нейтральной примеси.

4. Замещение атомов металла в полупроводниковом дисилицвде железа атомами кобальта и хрома с концентрациями до 12.5 ат %, приводит х уменьшению ширины запрещенной зоны на 25%.

5. Изоструктурный полупроводниковому дисшшциду железа орторомбический дисилицид осмия обладает непрямым переходом, равным 0.95 эВ, что позволяет прогнозировать свойства тройных соединений (Fei.xOsx)Sb как непрямозошых полупроводников с шириной запрещенной зоны от 0.74 до 0.95 эВ в зависимости от соотношения количества атомтов íe и Os.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном его участии в подготовке и проведении теоретических расчетов, в анализе, интерпретации и обобщении полученных теоретических и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на V Республиканской научной конференции студентов и аспирантов (Гроднс 1997), Научно-технических конференциях аспирантов и студентов (Минск 1994,1995,1996).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ: 5 статей в научных журналах и 4 тезиса докладов в сборниках конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами по каждой главе, заключения и списка цитируемой литературы. Она включает 5" страниц машинописного текста, 29 рисунков, 18 таблиц и библиографию из 10S наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследования. Сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных материалов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы и определено современное состояние исследований электронных, оптических и транспортных свойств полупроводникового дисилицида железа.

Отмечено, что р-РеЭ^ является на сегодняшний дета одним из наиболее изучаемых соединений данного класса. Однако по результатам экспериментальных и теоретических работ пет однозначного ответа о характере зонной структуры этого материала. Экспериментальные исследования коэффициента поглощения в р-БеБЬ идентифицируют как прямозонный характер запрещенной зоны с шириной 0.86 эВ, так и непрямозонный, где ее величина составила около 0.76 эВ. Однако в последнем случае отмечается, что значение непрямого перехода всего на песколько десятков мэВ меньше прямого. Точно установлена величина первого прямого перехода с большой интенсивностью, равпая 0.86 эВ.

Нет определенности и в результатах квантово-мехаяического моделирования зонной структуры дисилицида железа Был обнаружен как прямозонный, так и непрямозонный характер запрещеппой зоны в данном соединения. Получешше значения ширины запрещенной зоны варьируются от 0.44 до 0.80 эВ. Следует отметить несколько особенностей данных расчетов. Во-первых, экстремумы зон находятся в различных к-точхах, а во-вторых, нет однозначного ответа об интенсивности прямых переходов.

Результаты измерения действительной и мнимой частей диэлектрической и других оптических функций свидетельствуют о наличии нескольких-сбяасгей в энергетическом спектре Р-РеЗЬ, где имеют место межзонные переходы с большой интенсивностью.

Далее проанализированы работы, посвященные исследованию транспортных свойств дисилицида железа. Было установлено, что основными носителями в собственном р-РеЗ]? являются дырки максимальное значение подвижности для которых составляет от 400 до 1200 см2/(В*с) при температурах около 100 К, а при комнатной температуре оказалось равным от 0.1 до 40 см3/(В'с). Для высокотемпературной области (Т > 100 К) было установлено, что подвижность носителей пропорционально температуре как ц~Т"*\ где а = 1+3.6. Такой широкий диапазон изменения параметра а не даст оснований утверждать о доминирующей роли какого-то одного механизма рассеяли. Подчеркивается, что наряду с рассеянием носителей на акустических колебания решетки следует принять во внимание и другие механизмы: рассеяние на нейтральной примеси, полярных и неполярных оптических фонопах.

Практический интерес представляют легированные монокристаллы дисилицида железа. Экспериментально установлено, что помимо уменьшения удельного сопротивления для

системы (Ре1,хСох)512 при х<0.15 наблюдается также уменьшение значения первого прямого перехода с большой интенсивностью при увеличении концентрации легирующей примеси вплоть до 0.7 эВ .

Одним из возможных методов модификации электронных свойств диснлигшда железа (помимо легирования) может стать синтез тройных соединений (Ке^Озх^г, так как дисилицид осмия имеет аналогичную кристаллическую структуру. Из терморезистивных измерений была сделана оцелка ширины запрйщенной зоны Оз312 - 1.4+0.1 эВ. По результатам теоретического моделирования установлено, что данное соединение обладает непрямым переходом, равным 0.06 эВ, который намного меньше экспериментального значения.

В результате проведенного анализа определены задачи, требующие первоочередного решения.

Во второй главе представлена методика теоретического моделирования электронных, оптических и транснортиьгх свойств полупроводников, используемая в данной работе.

- Для моделирования электронной структуры исследуемого соединения был выбран первопринципный самосогласованный метод линейных маффия-тин орбиталей (ЛМТО) в его скадярно релятивистской форме с использованием комбинированных поправок. Вычисление матричного оптического элемента, необходимого для моделирования оптических свойств, производилось в рамках ЛМТО метода. Оценка эффективных масс носителей проводилась в экстремумах зон, нолученпых в результате квантово-механического расчета.

. Для более корректной оценки мнимой части диэлектрической функции (ег) в диапазоне высоких энергий производилось ее описание через плазменную частоту, полученную экспериментально. Используя соотношение Крамерса-Кронига, вычисляли действительную часть диэлектрической функции (еО. На основе полученных £1 и £2 рассчитывались другие оптические функции: коэффициент отражения (Я), показатели преломления (п) и поглощения (к).

При детальном описании подвижности дырок - основных носителей заряда в р-Рс312 — для широкого температурного диапазона анализировали роль следующих механизмов рассеяния: па акустических колебаниях решетки, полярных и неполярных оптических фононах, на ионизированной и нейтральной примеси.

В третьей главе проведено комплексное исследование электронных, оптических и транспортных свойств дисилнцида железа.

Моделирование электронных свойств ¡}-Ре312 проводили, 'используя базо-дептрировапную сргоромбическую ячейку, содержащую 24 атома (8 атомов железа и 16 атомов кремния). Для оптимизации процедуры вычисления дополнительно было введено 8 пустых сфер. В расчете использовался сбгиенно-корреляционяый потенциал, предложенный Бартом и Хедкным. Разложение базисных функций проводилось до (-2. Первые итерации

процедуры самосогласования использовали сетку и:< $ к-тсчек, равномерно распределенных в неприводимой части зоны Бриллюэна. На заключительном этапе количество точек в сетке было увеличено до 64. Для расчета контура зонной структуры использовалось до 40 к-точек на каждый сегмент вдоль каждого из направлений высокой симметрии.

Полученный энергетический спектр дисяляцяда железа вдоль направлений высокой симметрии зоны Бриллюэна представлен на рис Л. Ноль на шкале энергий для зонной структуры, соответствующий уровню Ферми, "привязан" к потолку патентной зоны. Общее количество валентных электронов в системе составило 128. В нашем случае энергетический зазор формируется между 64-ой и 65-ой зонами. Как видяо из зонной диаграммы, дисилицид железа характеризуется прямым переходом, равным 0.74 эВ, который нзходится в Л точке, что является серединой отрезка К особенностям данного энергетического спектра можно отнести второй прямой переход в точке У, величина которого составила 0.83 эВ.

Более детальный анализ экстремумов зон показал, что минимум зоны проводимости смещен нз Л точки. Энергетическая разница (между точкой Л и глобальным минимумом) составила всего лишь несколько мзВ. Такая разница сравнима уже с точностью самого метода и в этом случае можно констатировать лишь то, что в окрестности Л точки дисперсия первой зоны проводимости очень мала. Еще одной особенностью полученного энергетического спектра дасшпшида железа можно назвать двухдолиннуга структуру как валентной зоны, так и зоны проводимости.

Анализ орбитального состава волновых функций в экстремумах зон показал, что собственные состояния в минимумах зоны проводимости практически полностью характеризуются (/-электронами атомов железа. Максимум валентной зоны в точке Л также определен Ре-й? состояниями. Таким образом, прямой переход в точке Л, равный 0.74 эВ, запрещен в дщгольвом приближении, а особенности, наблюдаемые при исследовании оптических характеристик в районе 0.73-0.76 эВ можно интерпретировать как область, где перекрываются прямые и непрямые переходы с малой интенсивностью в окрестности точки А. Характер волновых функций в точке У для валентной зоны (по отношению к А точке) существенно изменился, так как вес р состояний атомов железа и кремния значительно возрос. В данном случае вероятность оптического перехода достаточно высока и можно сделать вывод, что . данный прямой переход 0.83 эВ, находящийся в У точке, идентифицировался в экспериментальных работах как прямой.

Установлено, что зоне проводимости присущи два типа носителей: легкие и тяжелые электроны, первые из которых находятся в долине с экстремумом в точке У, а вторые — в точке А. Для легких электронов значение эффективных масс составило 1.87тз, где то -масса свободного электрона. Что касается эффективной массы тяжелых, то из-за плоского характера нижней зоны проводимости в окрестности точки А ее точное значение установить не удалось. Однако можпо утверждать, что оно будет достаточно большим и намного больше значения легких. Среднее значение эффективных масс дырок в точке А состапило 0.80то-

Известно, что £?•/ переходы могут внести значительный вклад в значение дипольпого матричного элемента ири моделировании оптических свойств силицидов переходных

Энергия (эВ)

О

я

■а

0 Й

1

та &

сп

О 1У1

О О

О о,

1/1

ы о

N оо

> N

Н

)Г I 4 1 у м 1

п\ ^

Т у у.

ш. ТГж

металлов. По этой причине был проведен расчет зонной структуры Р-Ре812 с разложением базисных функций до ¡=3. Энергетический спектр дисилицида железа, полученный в з,р,<1,} базисе, в основном полностью (качественно и количественно) воспроизводит основные особенности зонной структуры, вычисленной в 5,р,с/ базисе. Затем была вычислена зависимость мнимой части диэлектрической функции (г2) от энергии фотонов (Лет) для трех независимых направлений электрического поля (поляризации света). На рис. 2. представлены г2 и г, в сравнении с экспериментальными данными для эпитаксиальной пленки с ориентацией [100]. Полученные результаты свидетельствуют о наличии двух областей межзонных переходов с высокой интенсивностью, обусловленных главным образом р-с! переходами электронов между валентной зоной и зопой проводимости как в атомах железа, так и в атомах кремния. Первая область находится в районе 1.7 эВ, а вторая, соответствующая диапазону энергий около 4.1 эВ, является следствием эффекта анизотропии оптических свойств дисилицида железа и наблюдается только для [100] ориентированных эпитаксиальных пленок и монокристаллов.

При анализе транспортных свойств р-РеБ^ было установлено, что рассеяние дырок происходит главным образом на акустических и неполярных оптических фононах, а также на ионизированной и нейтральной примеси.

На рис. 3. показана зависимость подвижности дырок от температуры, где ее высокотемпературная часть (Т > 100 К), обусловленная рассеянием на акустических колебаниях решетки и неполхрных оптических фононах, изменялась по закону ц~Т~ас а >3/2. Бьшо обнаружено, что влияние нейтральной примеси на общую подвижность незначительно, когда ее коццентрация не превышала 1017 см"3. Однахо при больших концентрациях ее влияние заметно. Эти результаты показаны на ряс. 4. Как оказалось, для высокотемпературного диапазона значение а уменьшается с 2.58 до 1.86 при увеличении концентрации нейтральной примеси с 1017 до 1018 см"3.

В четвертой главе представлены результаты моделирования электронных свойств дисилицида железа, легированного атомами кобальта и хрома, а также дисилицида осмия.

Для моделирования электронных свойств р-Ре312 с различной концентрацией легирующей примеси была использована расширенная элементарная ячейка, соответствующая простой орторомбической решетке, в которой содержалось 16 атомов железа и 32 атома кремния. Для ускорения процедуры самосогласования бьшо дополнительно введено 16 пустых сфер. В элементарную ячейку вводилась примесь таким образом, что один или два атома железа замещались одянм или двумя примесными атомами, что соответствует двум концентрациям вводимой примеси: 6.25 и 12.5 ат. %. Теоретически подтверждена экспериментально установленная тенденция уменьшения величины первого прямого перехода с большой интенсивностью в легированном кобальтом Р-Ре$12 от концентрации введенной примеси. Обнаружено, что изменешге величины данного перехода для максимально полученной концентрации введенной примеси (12.5 ат. %) составило около 25 %, что хорошо коррелирует с экспериментальными данными. Установлено, что

40 30

CN

W 20 со"

10 0

0 1 2 3 4 5 40 30

см

" 20 cJ"

10 0

О 1 2 3 4 5

40 30

см

W 20

со"----

10

О

О 1 2 3 4 5 Энергия фотонов (эВ)

Ряс.2. Теоретический расчет (сплошная линия) действительной E¡ и мнимой Е2 частей диэлектрической функция ссотвстствеапо для [100]-(а), для [010]-(б) и для [001]-{з) капрлений. Экспериментальные результаты{пуккгириая линяя) для направленна [100].

и

Т К

Рис.3. Зависимость подвижности ¡1 ст температуры Т, обусловленная рассеянием яа акустических колебаниях решетки и ионизированной примеси (сплошная линия); на акустических, полярных оптических и неполяркых оптичесгсих фокснах (штрих пунктирная линий).

т К

Рис.4. Зависимость подвижности р. от температуры Т, обусловленная рассеянием на на акустических, полярных оптических и неполярных

оптических фононах и на нейтральной примеси. Для Т>100 К

гдеа=2.48, 2.16 и 1.86 соответственно дляЫ^М'7, 5*10"к 10й см"3. Ы0 - концентрация нейтральной примеси

аналогичная тенденция уменьшения ширины запрещенной зоны (также на 25%) наблюдается когда в качестве примеси выступали атомы хрома.

Проведено моделирование электронных свойств дисшшцида осмия, имеющего такую же как и р-1;е512 кристаллическую структуру. Обнаружено, что данное соединение характеризуется непрямым переходом 0.95 эВ между максимумом валентной зоны в точке Л и минимумом зоны проводимости в точке У. В отличии от дисшшдида железа, где наблюдалось два прямых перехода в точках Ли У, причем первый из них был закрыт в дипольном приближении, в 03811 существует только один прямой переход в точке У, равный 1.14 эВ, который разрешен в дипольном приближении.

К сожалению, до сих пор не проводилось измерений оптических свойств ОзЗЬ. Теоретически полученное значение 0.95 эВ несколько меньше экспериментального -1.4+0.1 эВ. Это обстоятельство можно объяснить влиянием так называемых корреляционных эффектов. Хорошо известно, яго методы функционала электронной плотности производят недооценку энергетических зазоров. Однако в случае с дисштацидом железа было достигнуто довольно хорошее соответствие (по крайней мере, разнила оказалась около 40 мэВ) между экспериментально полученными и теоретически вычисленными значениями. Данный эффект объясняется тем обстоятельством, что соответствующие волновые функции в точках экстремумов зон были в основном определены ¿-электронными состояниями атомов железа и подвержены практически одинаковом)' корреляционному сдвигу. Для диеилицида осмия существенен вклад и других электронных состояний 51-с/, Оз-р) в характер

волновых функций в энергетическом диапазоне возле запрещенной зоны (главным образом первая зона проводимости).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Используя первоприпцшшый самосогласованный ЛМТО метод, проведено моделирование электронных свойств диеилицида железа и установлено, что данное соединение обладает квазипрямой зонной структурой, где первый прямой переход, имеющий зпачение 0.74 эВ, находится в точке А орторомбической зоны Бриллюэна и запрешеп в дипольном приближении. Первый оптически 'разрешенный прямой переход с большой интенсивностью, равный 0.83 эВ, располагается з У точке.

2. Теоретически показапо наличие в энергетическом спектре диеилицида железа области энергий, находящейся между пороговым значением оптического межзонного перехода 0.74 эВ н первым прямым переходом с большой интенсивностью 0.83 эВ, в которой перекрываются непрямые и прямые переходы, оптически запрещенные в дипольпом приближении. Данное явление нашло экспериментальное подтверждение и обусловлено наличием плоского характера первой зоны прозодимостя в окрестности точки А. Разница между экспериментально полученными и теоретически вычисленными величинами переходов составила всего около 40 мэЗ, что свидетельствует об отсутствии значительных корреляционных эффектов:

3. Установлено наличке двух типов электронов: легких и тяжелых, которые принадлежат двум различным долинам в зоне проводимости с экстремумами соответственно в У и Л точках. Энергетическая разница между этими долинами составила 8 мэВ. Эффективная масса легких электронов равна 1.87юо, а для дырок в максимуме валентной зоне в точке Л она составила 0.80т<з.

4. Рассчитаны спектральные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической функции, коэффициента отражения, показателей преломления и поглощения в энергетическом диапазоне от 0 до 5 эВ. Установлено хорошее соответствие полученных данных имеющимся экспериментальным результатам, что свидетельствует о высокой точности моделирования зонпой структуры ¡5-Ре$1г не только в районе уровня Ферми, но и в более широком диапазоне энергий.

5. По полученным спектрам оптических функций выявлены две области межзонных переходов с высокой интенсивностью, обусловленные главным образом р-И переходами электронов, как в атомах железа, так и в атомах кремния между валентной зоной и зоной

--проводимости. Первая из них находится в районе 1.7 эВ, а вторая, соответствующая

диапазону энергий около 4.1 эВ, наблюдается только для направления [100] и свидетельствует о наличии эффекта анизотропии оптических свойств в диенлициде железа.

6. В температурном диапазоне от 100 до 300 К доминирующими механизмами являются рассеяние на акустических и нелодярных оптических фононах и на нейтральной примеси. Вклад полярных оптических фононов оказался незначительным. Для высокотемпературной области (Т > 100 К) подвижность дырок, обусловленная вышеперечисленными механизмами рассеяния, зависит от температуры пропорционально Т" с а > 3/2.

7. Установлено, что рассеяние носителей на нейтральной примеси, концентрация которой характеризует качество кристалла, становится существенным, когда ее концентрация превышает 1017 см"3. При больших концентрациях происходит уменьшение подвижности носителей заряда и уменьшение показателя степени а в ее температурной зависимости, что подтверждается экспериментальными данными.

8. Моделирование электронных свойств дисищщида железа, легированного хромом в кобальтом, замещающих железо концентрациями до 12.5 ат. %, выявило тенденцию уменьшения ширины запрещенной зопы на 25 %. В случае легирования атомами кобальта также возможно уменьшение а первого прямого перехода с большой интенсивностью на 25%.

9. Изомруктурный полупроводниковому дисилициду железа орторомбнческий диенлицид осмия является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0.95 эВ. Значение первого прямого перехода с большой интенсивностью, находящегося в точке У, составляет 1.14 эВ. Для тройных силицидов (Ре1.хОзх)512 в зависимости от соотношения атомов железа и осмия возможно изменение ширины запрещенной зоны от 0.74 до 0.95 эВ и первого оптически разрешенного прямого перехода от 0.33 до 1.14 зВ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

[1] Filonov A.B., Migas D.B., Shaposhnikov V.L., Dorozhkin N.N., Petrov G.V., Borisenko V.E., Henrion W., Lange Ii. Electronic and related properties of crystalline semiconducting iron disiliside //J. Appl. Phys. -1996. - Vol 79, №10. - P 7708-7712.

[2] Filonov A.B., Migas D.B., Shaposhnikov V.L., Dorozhkin N.N., Borisenko V.E., Lange H. Electronic properties of osmium disilicide // Appl. Phys. Lett. -1997. -Vol 70, № S. -P 796797.

[3] Filonov A.B., Tralle I.E., Migas D.B., Shaposhnikov V.L., Borisenko V.E. Transport Properties of p-Type ß-FeSü //Phys. Stat. Sol. (b). -1997. -Vol 203. -P 183-187.

[4] Filonov A.B., Migas D.B., Shaposhnikov V.L., Borisenko V.E., Henrion W., Rebien M., Stauss P., Lange H., Behr O. Theoretical and experimental study of interband optical transitions in semiconducting iron disilicide i! J. Appl. Phys. -1998. -Vol 83, №8. -P 44104414.

[5] Мигас Д.Б., Шапошников В.Л. Электронные свойства диаиншидоз хрома, молибдена и вольфрама // Тезисы докладов XXX научно-технической конференции аспирантов и студентов. -Минск. -1994. -С 100.

[6] Дорожкин H.H., Мигас Д.Б., Шапошников В.Л. . Электронные свойства дисюшцидов хрома, молибдена и вольфрама // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Таганрог. -1994. -С 16.

[7] Borisenko V.E., Filonov A.B., Migas D.B., Shaposhnikov V.L., Lange H., Henrion W., Heinrich A. Electronic and related properties of Ru2Sh and Ru2Ge3 // Abstract of the XV! Int. Conf. on Thermoelectrics, Dresden. -1997. -P 41.

[8] Мигас Д.Б. Электронные свойства дисилшшдов железа и осмия // Физика конденсированных сред: Тезисы докладов V республиканской научной конференции студентов и аспирантов.-Гродно. 1997. -С 107.

[9] Мигас Д.Б., Шапошников В.Л. Перспективы полупроводникового силицида реяия для создания оптоэлектрониых приборов // Известия Бел. Инженерной Академии. -1997. -N3.-С 106-109.

РЕЗЮМЕ

Мигас Дмитрий Борисович, Зонная структура, оптические и транспортные свойства полупроводникового дисилицида железа.

Ключевые слова: днсюгикид железа, зонная структура, диэлектрическая функция, эффективная масса, подвижность носителей заряда, примеси замещения, дисилицид осмия.

Проведено моделирование электронных, оптических и транспортных свойств р-РеЗЬ-Исследована электронная структура легированного дисилицида железа атомами кобальта а хрома, а также дисилицида осмия.

Дисилицид железа характеризуется квазипрямым характером запрещенной зоны, где первый прямой переход, имеющий значение 0.74 эВ и находящийся • в точке Л.орторомбической зоны Бриляюэна, запрещен в дипольном приближении. Первый оптически разрешенный прямой переход с большой интенсивностью, равный 0.83 эВ, который располагается в У точке. Эффективная масса основных носителей зарзда - дырок в точке А оказалась равной 0.80то, где та - масса свободного электрона.

Теоретически рассчитаны спектры оптических функций (действительной и мнимой частей диэлектрической функции, коэффициента отражения, показателей преломления и отражения) в энергетическом диапазоне от 0 до 5 эВ. Выявлены две области межзонных переходов с высокой интенсивностью, обусловленные главным образом р-с1 переходами электронов, как в атомах железа, так и в атомах кремния между валентной зоной и зоной проводимости. Первая из них находится в районе 1.7 эВ, а вторая соответствующая диапазону энергий около 4.1 эВ, наблюдается в направлении [100] и приводит к анизотропии оптических свойств дисилицида железа.

В температурном диапазоне от 100 до 300 К основными механизмами рассеяния являются акустические и неполярные оптические фононы и нейтральная примесь, а подвижность зависит от температуры пропорционально Т" с а > 3/2.

Моделирование электронных свойств дисилицида железа, легированного хромом и кобальтом, замещающих железо концентрациями до 12.5 ат %, выявило тенденцию уменьшения ширины запрещенной зоны на 25 %.

Изоструктурпый дисилициду железа орторомбический дисилицид осмия является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0.95 эВ. Значепие первого прямого перехода с большой интенсивностью, находящегося в точке У, составляет 1.14 эВ. Можно прогнозировать, что для тройных силицидов (Ре1.хОхх)812 в зависимости от соотношения атомов железа и осмия возможно изменение ширины запрещенной зоны от 0.74 до 0.95 эВ и первого оптически разрешенного прямого перехода от 0.83 до 1.14 эВ.

РЭЗЮМЭ

Ммс Дзм1трый Барысав1Ч. Зонная структура, аятычныя 1 транспартныя уласцивасщ пауправадаковага дысшцыда жалеза.

Ключавыя слови: дысмдыд жалеза, зонная структура, дыэлектрычная функцыя, эфектыуная маса, рухомосць носб1гзу зараду, прымям замяшчэння, дысиццьщ осилю.

Праведзена мадэл^раванпс электронных, аптычных ! транспартных уласцивасцей р-Ре512. Даследавана электронная структура дысшцыда жалеза, леправанната атамам) кобальта 1 хрома, а таксама дысшщыда осм1Я.

Дысшцыд жалеза характаразуецца юзазшрамым характерам забароненай зоны, дзе першы ирамы пераход, яи мае зачэнне 0.74 эВ ! знаходзщца f кропцы Л артарамб1чнай зоны Брылдюэна, забаропены у дыпольным прыбшжэнш. Першы аптычна дазволеяы прамы пераход з вяликай штэниунасцю, роутгы 0.83 эВ, знаходзщна у У кропцы. Эфектыуная маса аспоуных носьблау зараду - дз!рок у кротшы Л аказалася ро<?кай 0.80то, дзе то - маса свабоднага электрона.

'Гэарэтычпа разл1чаныя спектры аптычных фунцый (саярауднай 1 уяунай чзстак дыялектрычвай функцьп, каэфщыента адлюстразаиня, паказчыкау праламлення 1 пагльшання) у энергетычным дыяпазоне ад 0 да 5 эВ. Выяулеяы дзве вобласщ м1жзовных пераходаУ з высокай штэныунасцга, абумоулеяых глауным чипам рч/ пераходам! электрона^ як у атамах жалеза, так 1 у атамах крэмйя памЬк валентная зонай I зонай праводнасщ. Першая з ¡х знаходз'цца у раене 1.7 эВ, а другая, адпавядаючая дыапазону энерпй каяя 4.1 эВ, наглядаецца у напрамку [100] 1 пршодзвд к ашзатрагш аптычных уласщвасцей дысшцыда жалеза.

У температурным дыяпазоне ад 100 да 300 К асноупым: механЬмаш рассеяния з'яуляюцца акустычныя 1 непаяярныя аптычныя факоны 1 нейтральная прымясь, а рухомасць залежыць ад тэмпературы прапарцыянальна "Га с а > 3/2.

Мадэл1раваняе электронных уласщвасцей дысшцыда жалеза, леправашига кобальтам ! хромам, замяпгчаючых жалеза какцэнтрацыям! да 12.5 ат.%, выявша тэндэнцыю змяппэння шырыш забаронепай зоны на 25%.

Ьаструктурны дысшцыду жалеза аргсарамбгшы дысшщыд осмш з'яуляецца непрамазонным пауяравадшком з шырыией забароненай зоны 0.95 эВ. Значэнне першага прамога пераходу з вжнкай хнтэнсгукасшо, што знаходзшца у кропцы У, састауляе 1.14 эВ. Можна прагназавадь, што трайных сшцыдау (Ре1.хОхх)312 у залежнасш ад суаднос1я атамау жалеза 1 осмш магчыма змепа плтрыш забароненай зоны ад 0.74 да 0.95 эВ 1 першага аптычна дазволенага прамога пераходу ад 0.83 да 1.14 эВ.

SUMMARY

Migas Dmitri Borisovich, Band structure, optical and transport properties of semiconducting iron disiiicide.

Key words: iron disiiicide, band structure, dielectric function, effective mass, carrier mobility, impurity of substitution, osmium disiiicide.

The simulation of fundamental electronic, optical and transport properties has been performed. Electronic structure of P-FeSh doped by cobalt and chromium atoms as well as osmium disiiicide has been investigated.

Iron disiiicide is characterized by a quasidirect band gap structure, where the first direct transition of 0.74 eV at the A is forbidden in dipole approximation. The first direct transition with appreciable oscillator strength at about 0.83 eV is situated at the Y point. The effective mass of holes at the A point was estimated to be O.SOmo, where mo - a free electron mass.

The. interband optical spectra (diclectric function, refractive index, extinction coefficient and reflectivity) in the energy range from 0 to 5.0 eV have been calculated. Two regions of strong interband transitions theoretically predicted. They can be associated mainly with the p-d transition in both iron and silicon atoms from the valence band states to the conduction band states and vice versa. The first region is situated at 1.7 eV. The second one is located about 4.1 eV and observed only for [100] direction. It leads to anisotropy effects of optica! properties of iron disiiicide.

The-main scattering mechanisms are scattering by acoustic and nonpolar phenons and by neutral impurity in the temperature region from 100 to 300 K., where the bole mobility has temperature dependence with a > 3/2.

The tendency of decreasing of a band gap by 25% of iron disiiicide doped by cobalt and chromium atoms with concentration up to 12.5% has been revealed.

Osmium disiiicide which is isostructural to iron disiiicide is an indirect gap semiconductor with a gap value of 0.95 eV. A direct transition with appreciable oscillator strength at 1.14 eV is situated at the Y point. One may suggest that the values of the band gap and the first transition, which is allowed in dipole approximation, of the ternary (Fei-*Osx)Si2 compounds depending on the tatio of iron and osmium atoms will change from 0.74 to 0.95 eV and from 0.83 to 1.14 eV, respectively.