WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 УДК 621.315.592 Электронная структура кубического карбида кремния с 3d-примесями в Si- и C-позициях замещения © Н.И. Медведева¶, Э.И. Юрьева, А.Л. Ивановский Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Получена 20 января 2003 г. Принята к печати 25 января 2003 г.) Полнопотенциальным методом линейных muffin-tin-орбиталей исследованы особенности электронной структуры и когезионные свойства кубического карбида кремния, легированного примесями переходных 3d-металлов (M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni), замещающих узлы C- или Si-подрешетки матрицы. Установлено, что все 3d-примеси локализуются преимущественно в позициях кремния. При замещении Ti Si примесные уровни попадают в область зоны проводимости SiC, введение остальных 3d-примесей приводит к созданию дополнительных уровней донорного или акцепторного типа в запрещенной зоне карбида кремния. Изучено влияние примеси на параметр решетки 3C-SiC (замещения M Si) и величины локальных магнитных моментов примесей (замещения M Si, C).

Карбид кремния (SiC) является перспективным мате- 3d-ряда. Спин-поляризационные расчеты [9] полнопориалом экстремальной электроники. Направленное ле- тенциальным методом присоединенных плоских волн гирование атомами 3d-металлов (M) позволяет в зна- (ПП-ППВ) показали, что для состояний изолированного чительной мере варьировать его электрические, магнит- атома Ti в 3C-SiC релаксационные явления играют ные и прочностные свойства [1–6]. Например, введение важную роль в формировании параметров сверхтонких атомов ванадия компенсирует неконтролируемое при- взаимодействий, при этом дефект замещения (Ti Si) сутствие атомов кислорода и азота, обусловливая улуч- более стабилен, чем дефект внедрения. Методом ЛМТО и сильной связи (CC) проведены расчеты [10,11] систем шение диэлектрических характеристик материала [1].

SiC : M, где M = Ti, V, [10] и M = Cr, Mn, Fe, Co [11].

Введение атомов титана и никеля приводит к усилению Согласно [11], более вероятно замещение атомами Cr, его прочностных характеристик [2,3], тогда как атомы Fe, Co позиций углерода, а атомами Mn — позиций железа и кобальта являются катализаторами процесса кремния. Эффекты релаксации атомов углерода при получения тонких проволок из кристаллов кубического легировании SiC Ti, V и Ni рассмотрены в [12].

карбида кремния [4]. Примеси хрома и марганца могут рассматриваться как перспективные при создании маг- Установлено, что замещение M Si сопровождается радиальным смещением атомов углерода в направлении нитных материалов на основе легированного карбида от примесного центра, а энергия замещения имеет покремния [5,6].

ложительный знак, минимальна для титана и возрастает Механизм влияния элементов 3d-ряда на свойства с ростом атомного номера примеси. Рассматривалась системы SiC : M может быть исследован в результате также [13] возможность образования в SiC двойных изучения влияния примесных состояний на электрондефектов (M и решеточная вакансия) на основе ный спектр матрицы и последующего определения их неэмпирических расчетов в рамках кластерной модели.

типа (донорные или акцепторные) в зависимости от Цель настоящей работы заключается в анализе полувозможных позиций в решетке, занимаемых примесью.

ченных закономерностей изменения структурных, элекТесно связаны с этим и проблемы прогноза изменения тронных и энергетических свойств кубического карбида решеточных и когезионных свойств матрицы: эффекты кремния при его легировании 3d-металлами в зависимоструктурных релаксаций, изменение устойчивости систести от типа примеси и позиции замещения. В качестве мы при легировании и т. д.

примесей рассмотрены металлы M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Решению данных вопросов для ряда примесных Co, Ni; их возможными позициями являлись узлы как систем на основе кубического карбида кремния (3C-SiC) Si-, так и C-подрешетки матрицы.

с участием атомов металлов 3d-ряда в последнее Системы SiC : M (формальной стехиометрии время уделялось большое внимание [7–13]. Так, Si0.875M0.125C и SiC0.875M0.125 при типах замещений энергетические состояния изолированных 3d-примесей M Si и M C соответственно) моделировали в позициях подрешетки кремния в 3C-SiC : M 16-атомными суперячейками MSi7C8E8 и MSi8C7E8, (M = Ti, V,..., Ni, Cu) рассмотрены в рамках в их состав для достижения условия плотной упаковки метода линейных muffin-tin-орбиталей (ЛМТО) и введены по 8 „пустых“ сфер (E). Выбор такой функций Грина [7,8]. Сделан вывод [7] о минимальной ячейки является оптимальным, поскольку позволяет дестабилизации системы атомами начала и конца рассмотреть эффекты структурной релаксации бли¶ E-mail: medvedeva@ihim.uran.ru жайших атомов без существенного увеличения 1 1282 Н.И. Медведева, Э.И. Юрьева, А.Л. Ивановский взаимодействие примесь–примесь является слабым, и влияние разупорядочения примесей на электронный спектр незначительно. Расчеты выполнены самосогласованным спин-неограниченным скалярно-релятивистским полнопотенциальным методом (ПЛМТО) [14], использована форма обменно-корреляционного потенциала, предложенная в работе [15].

Результатами расчетов явились полные и парциальные плотности электронных состояний (ПС), магнитные моменты атомов (ММ), полные энергии (Et) и энергии когезии (Ec). Эффекты структурной релаксации оценивали по значениям равновесных параметров решетки (a), получаемых из условия минимума Et для оптимизированной системы SiC : M, в которой координаты ближайших к примеси атомов варьировались с сохранением Рис. 1. Зависимость рассчитанных значений параметра реобщей симметрии кристалла (результаты по локальной шетки системы 3C-SiC : M и ионных радиусов [16] от типа релаксации приведены в нашей работе [12]). Выводы атома примеси. Штриховая линия — теоретическое значение о предпочтительности типа позиции замещения (M Si параметра решетки 3C-SiC.

или M C) делали на основе сопоставления соотSi C ветствующих величин Ec (Ec, Ec ), определяемых как разность Et SiC : M и суммы энергий соответствующих времени расчета. Использование модели суперячейки предполагает упорядочение примесей в расчете, свободных атомов.

тогда как в легированном материале эффекты их Полученные результаты приводятся на рис. 1, разупорядочения могут повлиять на свойства матрицы. и в таблице. Параметры электронного спектра — полОднако для малых концентраций примесных атомов ные ПС на уровне Ферми N(EF), величины запрещенной Рис. 2. Полная (a) и парциальные (b) плотности 3d-состояний в 3C-SiC : M.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Электронная структура кубического карбида кремния с 3d-примесями в Si- и C-позициях замещения Энергия когезии Ec, плотность состояний на уровне ФерНа рис. 2 приведены полные (a) и парциальные (b) ми N(EF), (ширина запрещенной зоны Eg), магнитный момент плотности M3d-состояний в SiC : M с примесями M 3d-примеси ММ в подрешетке кремния. Как известно (см., например, [12]), спектр „чистого“ 3C-SiC включает две за3C-SiC : M Ec, эВ/ атом N(EF), эВ-1 ММ полненные полосы C2s-, Si3s- и Si3s-, Si3p-, C2p3C-SiC 7.39 (Eg = 2.4эВ) состояний шириной 5 и 8 эВ соответственно, котоTi Si 7.30 (Eg = 2.4эВ) рые разделены энергетической щелью 2 эВ. ЗапрещенTi C 5.88 9.07 ная щель между валентной зоной и зоной проводимости V Si 7.19 4.17 0.(образована Si3s-, Si3p-. Si3d- и антисвязывающими V C 6.07 4.84 C2p-состояниями) составляет 2.4 эВ, что согласуется Cr Si 6.90 0.11 2.с предшествующими расчетами [17–19]. Из рис. 2 видCr C 6.61 10.78 1.Mn Si 6.95 4.05 1.1 но, что только примесь титана не изменяет основные Mn C 6.66 7.87 1.особенности спектра SiC: уровни Ti3d примешиваются Fe Si 7.02 0.41 к краям валентной и зоны проводимости, новых примесFe C 6.75 (Eg = 0.08 эВ) ных зон в области запрещенной щели матрицы не возСo Si 7.03 8.16 никает, а ее величина остается практически неизменной.

Co C 6.63 3.23 Иная ситуация возникает при легировании SiC Ni Si 7.04 4.40 ванадием. Для данной системы полоса примесных Ni C 6.51 3.24 V3d-уровней ванадия отщепляется от дна зоны проводиПримечание. Значения ММ даны в единицах магнетона Бора µB.

мости на 0.1 эВ и оказывается наполовину заполненной.

В результате в SiC : V практически в середине запрещенной зоны реализуется заполненное донорное состояние, щели Eg, а также Ec и магнитные моменты 3d-атомов тогда как основная часть вакантных V3d-состояний в SiC : M(таблица) оказываются существенно различнырасположена вблизи дна зоны проводимости. Частичное ми в зависимости от типа замещения.

заполнение состояний (типа e со спином вверх) приПоскольку Ec(M Si) > Ec(M C) для всех приводит к возникновению на атомах ванадия локальных месных атомов (см. таблицу), то рассмотренные примагнитных моментов 1 µB. Величина запрещенной меси должны замещать преимущественно атомы кремщели между валентной зоной и зоной проводимости ния. Это основное отличие от выводов работы [11], уменьшается до 1.42 эВ.

где для Cr, Fe и Co в качестве наиболее вероятных Si указаны позиции углерода. Максимальные значения Ec Примеси хрома и марганца также являются магнитными. В системе SiC : Cr состояния e-типа со спином при замещении кремния соответствуют примесям Ti вверх заполнены полностью, а состояния со спином вниз и V, для которых при замещении углерода энергия C расположены на 1.2 эВ выше и являются вакантными, (Ec ) минимальна. Для этих примесей энергия предпоSi C ММ на атомах хрома составляет 2µB. Уровень Ферми чтения E, определяемая как разность Ec и Ec, максирасположен в псевдощели между подполосами типа e мальна. Напротив, величина E минимальна для Cr, Mn и t2 со спином вверх, и значение N(EF) близко к нуи Fe. Следовательно, при определенных условиях можно лю. Для SiC : Mn полностью заполнены e-состояния со ожидать локализации примесей Cr, Mn и Fe как в Si-, так спином вверх и наполовину e-состояния со спином вниз, и в C-узлах, что маловероятно для атомов Ti и V.

t2-состояния остаются пустыми. Магнитный момент марАнализ рассчитанных эффектов решеточных релаксаганца равен 1 µB, и величина N(EF) близка к таковой ций (зависимость параметра решетки a систем SiC : M для SiC : V. С ростом атомного номера примеси (по от типа примеси в Si-позиции, рис. 1) показывает, что периоду) энергия связи примесных уровней возрастает, замещение кремния на титан, ванадий и хром должно и для Cr и Mn эти состояния расположены вблизи приводить к росту параметра решетки по сравнению середины запрещенной щели матрицы.

с нелегированным 3C-SiC, а замещение на Fe, Co, Примесные Fe3d-уровни находятся вблизи потолка Ni — к незначительному уменьшению параметра, что валентной зоны. Примесь железа является немагнитной:

коррелирует с ионными радиусами M. Общая тенденвсе e-уровни заполнены, а t2-уровни пустые. Уровень ция проявляется в уменьшении a с ростом атомного Ферми находится в псевдощели между e и t2-уровнями, номера (N) примеси: в начале ряда (атомы Ti, V, Cr) N(EF) мала. Примеси кобальта и никеля также являются наклон кривой a/N более значителен, чем в конце ряда немагнитными. Их 3d-уровни сдвинуты в глубь валент(атомы Mn, Fe, Co, Ni).

Рассмотрим изменения в электронной структуре, об- ной зоны: например, наиболее интенсивный Ni3d-пик условленные эффектами замещения. Значения электрон- расположен почти на 4 эВ ниже уровня Ферми. Для ной плотности на уровне Ферми для примесных ато- данных систем реализуется ряд акцепторных уровней мов Ti, Cr, Co в значительной мере определяются вблизи потолка валентной зоны. Запрещенная щель позицией замещения, тогда как для атомов V, Mn, Fe, увеличивается от 1.1 эВ для SiC : Fe до 1.7 эВ для Ni эта зависимость не столь существенна. SiC : Ni.

1 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1284 Н.И. Медведева, Э.И. Юрьева, А.Л. Ивановский В целом проведенные расчеты позволяют сделать [14] M. Methfessel, M. Scheffler. Physica B, 172, 175 (1991).

[15] S.H. Vosko, L. Wilk, M. Nusair. Canadian J. Phys., 58, следующие выводы.

(1980).

1) При введении в состав SiC металлов 3d-ряда [16] W.B. Pearson Crystal Chemistry and Physics of Metals and в равновесных условиях примесные атомы будут локаAlloys (Wiley, 1972).

лизованы преимущественно в позициях Si-подрешетки [17] A.R. Lubinsky, D.E. Ellis, G.S. Painter. Phys. Rev. B, 11, матрицы. Частичное заполнение узлов C-подрешетки (1975).

можно ожидать для примесей Cr, Mn и Fe. Замещения [18] K.J. Chang, M.L. Cohen. Phys. Rev. B, 35, 8196 (1987).

по этому типу наименее вероятны для Ti и V.

[19] M. Causa, R. Dovesi, C. Roetti. Phys. Rev. B, 43, 937 (1991).

2) Изменение параметра решетки SiC : M коррелирует Редактор Л.В. Шаронова с величиной ионного радиуса примеси M.

3) Магнитное состояние ванадия обнаружено лишь Electronic structure of cubic silicon при его локализации в узле кремния. Атомы Cr и Mn carbide with 3d-impurities являются магнитными как в Si-, так и в C-позициях.

При замещении Cr Si ММ хрома в 2 раза больше, in Si- and C-substitutional sites чем при замещении Cr C, тогда как ММ марганца N.I. Medvedeva, E.I. Yuryeva, A.L. Ivanovskii в обеих подрешетках близки. Атомы Ti, Fe, Co ни в одной из рассмотренных позиций не обнаруживают Institute of Solid State Chemistry, локализованных ММ.

Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 4) В зависимости от типа занимаемой позиции (Si 620219 Ekaterinburg, Russia или C) величина N(EF) в 3C-SiC : M может изменяться почти на порядок (M = Cr) или оставаться постоянной

Abstract

Full potential linear muffin-tin“ orbitals method cal” (M = V, Ni). Для примеси Ti величина полупроводculations of electronic structure and cohesive energies have been никовой щели сохраняется при замещении кремния.

performed for cubic silicon carbide doped with 3d-metal impurities В остальных случаях в запрещенной зоне появляются (M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) in Si- and C-substitutional sites.

донорные (начало M3d-ряда) или акцепторные (конец It is shown that all 3d-impurities substitute for the Si-sites. For M3d-ряда) состояния.

Ti Si doping the impurity levels are within the conductivity band and introduction of M = V,..., Ni atoms leads to the appearance Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ of either donor or acceptor levels in the band gap of SiC.

(проект № 01-03-33175).

The influence of impurity on the crystal structure parameters of 3C-SiC (M Si substitutions) and impurities atom local magnetic moments (M Si, C substitutions) is investigated.

Список литературы [1] S.A. Reshanov. Diamond. Relat. Mater., 9, 480 (2000).

[2] R. Alexandrescu, E. Borsella, S. Botti, M. Cesile, S. Martelli, R. Giorgi, S. Turtu, G. Zappa. J. Mater. Sci., 32, 5629 (1997).

[3] Y.T. Pei, J.H. Ouyang, T.C. Lei, Y. Zhou. Mater. Sci. Eng. A:

Struct. Mater. Prop. Microstruct. Processing, 194, 219 (1995).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.