Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học Một Số Nghiên Cứu Về Sự Tự Khuếch Tán Và Khuếch Tán Của Tạp Chất Trong Tinh Thể Germanium (Ge.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÍ
-------------------------------------------

ĐẶNG PHƯƠNG DUNG

Đ

ẠI

MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ TỰ KHUẾCH TÁN

Ọ

H

VÀ KHUẾCH TÁN CỦA CÁC TẠP CHẤT TRONG

C

TINH THỂ GERMANIUM (Ge)

SƯ
ẠM

PH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành Vật lí lí thuyết

Hà Nội- 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÍ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
------------------------------------------KHOA VẬT LÍ
-------------------------------------------

ĐẶNG PHƯƠNG DUNG

ĐẶNG PHƯƠNG DUNG

Đ

ẠI

MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ TỰ KHUẾCH TÁN

C

Ọ

H

VÀ
KHUẾCH
TÁN CỦA
TẠP
TRONG
MỘT
SỐ NGHIÊN

CỨU CÁC
VỀ SỰ
TỰCHẤT
KHUẾCH
TÁN
TINHTÁN
THỂCỦA
GERMANIUM
(Ge) TRONG
VÀ KHUẾCH
CÁC TẠP CHẤT

SƯ

TINH THỂ GERMANIUM (Ge)

ẠM

PH
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chun
ngành
VậtNGHIỆP
lí lí thuyết
chhKHĨA
LUẬN
TỐT
ĐẠI HỌC
Người hướng dẫn

TS. Phan Thị Thanh Hồng

Hà Nội 2018

Hà Nội- 2018


LỜI CẢM ƠN

Em xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí –
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.
Em xin trân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong tổ bộ mơn “Vật lí lí
thuyết” đã ln quan tâm, động viên và tạo điều kiện cho em trong thời gian
học tập và thực hiện đề tài.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phan Thị Thanh Hồng đã tận
tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

và bạn bè.

ẠI

Đ

Cuối cùng, em xin cảm ơn sự động viên, giúp đỡ nhiệt tình của gia đình

C

Ọ

H

Em xin trân tro ̣ng cảm ơn!

SƯ

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

ẠM

PH

Sinh viên

Đặng Phương Dung


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của em dưới sự hướng dẫn
của TS. Phan Thị Thanh Hồng.
Trong quá trình thực hiện đề tài, em có tham khảo một số tài liệu đã
được ghi trong mục Tài liệu tham khảo
Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên

ẠI

Đ
H
C

Ọ

Đặng Phương Dung

SƯ
ẠM

PH


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
6. Cấu trúc khoá luận ........................................................................................ 2
CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN
........................................................................................................................... 3

Đ

ẠI

CHỦ YẾU TRONG BÁN DẪN ....................................................................... 3

H

1.1. Sơ lược về bán dẫn ..................................................................................... 3

C

Ọ

1.2. Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn .......................................... 5

SƯ

1.3. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn ........................................... 7
1.3.1. Khái niệm khuếch tán.............................................................................. 7

PH

1.3.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn ........................................ 7

ẠM

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.................................................................................. 9
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG TINH
THỂ GE ........................................................................................................... 10
2.1. Các đa ̣i lươ ̣ng nghiên cứu trong hiêṇ tươ ̣ng khuế ch tán .......................... 10
2.2. Các nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm ................................................ 12
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 33


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ge là mô ̣t trong hai bán dẫn đơn chất điển hình (Ge và Si) được ứng

dụng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp điện tử.
Sự phát triển của các linh kiện bán dẫn như: điốt, tranzito, mạch tích hợp,…
đã cho ra đời hàng loạt các thiết bị điện tử tinh vi như đầu đọc đĩa CD, máy
fax, máy quét tại các siêu thị, điện thoại di động,…
Để có được các linh kiện bán dẫn kể trên, người ta phải tạo ra hai loại
bán dẫn là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p bằng cách pha các nguyên tử tạp
chất vào Ge (hay Si). Có nhiều phương pháp pha nguyên tử tạp chất vào vật

Đ

ẠI

liệu bán dẫn như phương pháp nuôi đơn tinh thể, phương pháp cấy ion,

H

phương pháp khuếch tán,... So với các phương pháp khác thì phương pháp

C

Ọ

khuếch tán có nhiều ưu điểm như khơng làm thay đổi cấu trúc tinh thể, có thể

SƯ

pha tạp với chiều sâu tùy ý, cho phép điều khiển tốt hơn các tính chất của
tranzito,... Đó là những lí do chính khiến cho kĩ thuật khuếch tán các nguyên

PH

tử vào vật liệu bán dẫn đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà

ẠM

khoa học.

Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu cả lí thuyết và thực nghiệm về sự tự
khuếch tán và khuếch tán của các tạp chất trong bán dẫn, đặc biệt là sự
khuếch tán trong bán dẫn Si và Ge. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác các đại
lượng khuếch tán là một điều rất khó, địi hỏi phải có các trang thiết bị hiện
đại và có đội ngũ chuyên gia giàu kinh nghiệm. Về mặt lí thuyết, có nhiều
phương pháp đã được sử dụng để nghiên cứu về khuếch tán; các phương pháp
này đã thu được những thành cơng nhất định nhưng các tính tốn cịn bị hạn
chế và các kết quả số thu được có độ chính xác chưa cao so với các giá trị
thực nghiệm. Vì vậy, nghiên cứu về sự tự khuếch tán và khuếch tán của tạp
chất trong bán dẫn vẫn là vấn đề có ý nghĩa khoa học và mang tính thời sự.

1


Xuấ t phát từ những lí do trên, nên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là:
“Một số nghiên cứu về sự tự khuếch tán và khuế ch tán của ta ̣p chấ t trong
tinh thể Germanium (Ge)”.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiể u các nghiên cứu lí thuyế t và các quan sát thực nghiê ̣m về sự tự
khuế ch tán và khuế ch tán của ta ̣p chấ t trong tinh thể Ge.
-

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các công trình, bài báo, tài liêụ viế t về sự khuế ch tán trong tinh thể Ge.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
-

Sưu tầ m, câ ̣p nhâ ̣t các bài báo, tài liêụ viế t về khuế ch tán trong Ge.

-

Đo ̣c, dich
̣ các tài liêụ sưu tầ m đươ ̣c.

-

Phân tích, đánh giá, tổ ng hơ ̣p để viế t khóa luâ ̣n.

ẠI

Đ

-

Ọ

H

5. Phương pháp nghiên cứu

Đọc, tra cứu tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.

-

Phân tích, đánh giá, tổng hợp các kiến thức đã tìm hiểu được.

C

-

SƯ

6. Cấu trúc khố luận

ẠM

có hai chương:

PH

Ngồi phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận dự kiến
Chương 1: Sơ lươ ̣c về bán dẫn và các cơ chế khuế ch tán chủ yế u trong bán
dẫn.
1.1. Sơ lươ ̣c về bán dẫn.
1.2. Các ứng du ̣ng cơ bản của bán dẫn.
1.3. Các cơ chế khuế ch tán chủ yế u trong bán dẫn.
Kết luận chương 1
Chương 2: Các nghiên cứu về khuếch tán trong tinh thể Germanium.
2.1. Các đa ̣i lươ ̣ng nghiên cứu trong hiê ̣n tươ ̣ng khuế ch tán
2.2. Các nghiên cứu lí thuyết
Kết luận chương 2
Kết luận chung
2

CHƯƠNG I
SƠ LƯỢC VỀ CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN
CHỦ YẾU TRONG BÁN DẪN
1.1. Sơ lược về bán dẫn
Theo tài liệu [1], các chất bán dẫn thông dụng thường kết tinh theo
mạng tinh thể lập phương tâm diện. Trong đó, mỗi nút mạng được gắn với
một gốc gồm hai nguyên tử. Hai nguyên tử đó cùng loại nếu là bán dẫn đơn
chất như Si, Ge và hai nguyên tử đó khác loại nếu là bán dẫn hợp chất như
GaAs, InSb, ZnS, CdS,...

ẠI

Đ
C

Ọ

H
SƯ
ẠM

PH
Hình 1.1. Mạng tinh thể Ge.
Ge là vật liệu bán dẫn điển hình. Đơn tinh thể Ge có cấu trúc kim
cương (Hình 1.1) gồm hai phân mạng lập phương tâm diện lồng vào nhau,
phân mạng này nằm ở 1/4 đường chéo chính của phân mạng kia. Trong một ơ
cơ sở có 8 ngun tử Ge, mỗi ngun tử Ge là tâm của một hình tứ diện đều
cấu tạo từ bốn nguyên tử lân cận gần nhất xung quanh. Độ dài cạnh của ơ cơ

o

sở (cịn gọi là hằng số mạng tinh thể) ở 298K là a o = 5,43 A .

3


o

Mạng tinh thể Ge rất hở. Bán kính của nguyên tử Ge là 1,22 A . Trong
một ô cơ sở của mạng tinh thể Ge có 5 lỗ hổng mạng (cịn gọi là hốc hay kẽ
hở mạng) trong đó 4 hốc nằm trên bốn đường chéo chính đối diện với các
ngun tử Ge thuộc đường chéo đó qua tâm hình lập phương và hốc thứ 5
nằm ở tâm của hình lập phương (Hình 1.2- hốc 1, 2, 3, 4, 5). Mỗi hốc có bán
kính đúng bằng bán kính của ngun tử Ge và do đó có thể chứa khít một
ngun tử Ge. Mỗi hốc cũng là tâm của một hình tứ diện đều cấu tạo từ bốn
hốc xung quanh hoặc bốn nguyên tử Ge xung quanh (xem Hình 1.2).

ẠI

Đ
C

Ọ

H
SƯ
ẠM

PH

Hình 1.2. Các hốc (lỗ hổng) trong mạng tinh thể Ge.
Các bán dẫn hợp chất A III BV hoặc A II BVI như GaAs hay ZnS chẳng
hạn (Hình 1.3) thường kết tinh dưới dạng zinc blend (ZnS), cũng gồm hai
phân mạng lập phương tâm diện lồng vào nhau, phân mạng này nằm ở 1/4
đường chéo chính của phân mạng kia.
Tuy nhiên, nếu mạng thứ nhất cấu tạo từ một loại nguyên tử (Zn chẳng
hạn) thì mạng thứ hai cấu tạo từ loại nguyên tử khác (S chẳng hạn). Trong

4


tinh thể ZnS, mỗi nguyên tử Zn là tâm của một hình tứ diện đều cấu tạo từ
bốn nguyên tử S xung quanh. Ngược lại, mỗi nguyên tử S lại là tâm của một
hình tứ diện đều, cấu tạo từ bốn ngun tử Zn xung quanh.

Chú thích:

Lưu huỳnh (S)

Kẽm (Zn)

ẠI

Đ
C

Ọ

H
SƯ

Hình 1.3. Mạng tinh thể kẽm sunfua (ZnS).

PH

1.2. Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn

ẠM

Vật liệu bán dẫn được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh
vực khoa học, kỹ thuật và công nghiệp. Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất
và phổ biến nhất của chúng chính là dùng để chế tạo các linh kiện điện tử bán
dẫn. Chúng ta đang sống trong thời đại thông tin. Một lượng lớn thơng tin có
thể thu được qua Internet và cũng có thể thu được một cách nhanh chóng qua
những khoảng cách lớn bằng những hệ thống truyền thông vệ tinh. Sự phát
triển của các linh kiện bán dẫn như điốt, tranzito và mạch tích hợp
(ICIntegrated Circuit) đã giúp chúng ta rất nhiều trong việc phát hiện ra cơng
dụng của chúng. IC có mặt ở hầu hết mọi mặt của đời sống hàng ngày, chẳng
hạn như đầu đọc đĩa CD, máy fax, máy quét tại các siêu thị và điện thoại di
động. Điốt phát quang được dùng trong các bộ hiển thị, đèn báo, màn hình
quảng cáo và các nguồn sáng. Phôtôđiốt là một loại dụng cụ không thể thiếu
5


trong thông tin quang học và trong các ngành kỹ thuật tự động. Pin nhiệt điện
bán dẫn được ứng dụng để chế tạo các thiết bị làm lạnh gọn nhẹ, hiệu quả cao
dùng trong khoa học, y học, ... Để có được các linh kiện bán dẫn kể trên từ
chất bán dẫn tinh khiết ban đầu (Si hoặc Ge), người ta phải tạo ra hai loại bán
dẫn là bán dẫn loại n (dẫn điện chủ yếu bằng điện tử) và bán dẫn loại p (dẫn
điện chủ yếu bằng nút khuyết) bằng cách pha các nguyên tử tạp chất vào Si

(hay Ge). Sau đó, ghép hai loại bán dẫn đó lại với nhau để được điốt hay
tranzito. Công nghệ pha tạp nói chung rất đa dạng và cũng là một cơng nghệ
rất cơ bản được sử dụng thường xuyên từ xa xưa. Có nhiều phương pháp pha
nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn như phương pháp nuôi đơn tinh thể,

Đ

ẠI

phương pháp cấy ion, phương pháp khuếch tán,...

C

Ọ

H
SƯ
ẠM

PH
Hình 1.4. Một số hình ảnh ứng dụng của vật liệu bán dẫn.
So với các phương pháp khác thì phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm
như khơng làm thay đổi cấu trúc tinh thể, có thể pha tạp với chiều sâu tùy ý,
cho phép điều khiển tốt hơn các tính chất của tranzito và đã thu được những
thiết bị có thể hoạt động ở tần số cao. Hơn nữa, quá trình khuếch tán cũng cho
phép nhiều tranzito được chế tạo trên một lớp silic đơn tinh thể mỏng, do đó
có thể hạ giá thành của những thiết bị này. Đó là những lí do chính khiến cho
kĩ thuật khuếch tán các nguyên tử tạp chất vào vật liệu bán dẫn đã và đang

6

phát triển nhanh chóng nhằm chế tạo các tranzito, các vi mạch điện tử và ngày
nay là các mạch điện có các cấu hình với kích thước nanơ, nanơ sensor,...
1.3. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn
1.3.1. Khái niệm khuếch tán
Theo [2], khuếch tán là một quá trình di chuyển ngẫu nhiên của một
hay một số loại ngun tử nhất định nào đó trong một mơi trường vật chất
khác (gọi là vật chất gốc) dưới tác dụng của các điều kiện đã cho như nhiệt
độ, áp suất, điện- từ trường, …
Nguyên tử pha vào đươ ̣c gọi là nguyên tử pha tạp hoặc nguyên tử tạp
chất. Nguyên tử được pha vào bằng khuếch tán thường có nồng độ rất bé, cỡ

Đ

ẠI

10−3 − 10−4% so với nguyên tử gốc. Vì vậy, chúng thường được gọi là tạp

Ọ

H

chất. Bên cạnh đó, nồng độ tạp chất pha vào thường rất nhỏ so với nồng độ
nguyên tử gốc, do đó nó không làm thay đổi đặng kể các cấu trúc nhiệt,

C

SƯ

quang, … của chất ban đầu. Nếu chính các nguyên tử vật chất của mơi trường
gốc khuếch tán trong chính mơi trường vật chất đó, người ta gọi đó là sự tự

PH

khuếch tán. Ví dụ như chính nguyên tử Ge khuếch tán trong tinh thể Ge.

ẠM

1.3.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn
Cơ chế khuếch tán là cách thức di chuyển của các nguyên tử mạng tinh
thể. Cho đến nay, người ta vẫn chưa rõ về quá trình khuếch tán và sự tương
tác của các nguyên tử với nhau trong quá trình khuếch tán. Tuy nhiên, chắc
chắn rằng khi nguyên tử khuếch tán, chúng sẽ nhảy từ vị trí này sang vị trí
khác trong mạng tinh thể.

7


Các nghiên cứu về khuếch tán trong bán dẫn [2] đã chỉ ra rằng, trong
tinh thể bán dẫn bình thường có 3 cơ chế khuế ch tán chủ yế u ( HÌnh 1.5 )

Hình 1.5. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể chất bán dẫn.

Đ

Với tinh thể Ge, theo các nghiên cứu trước nay, cơ chế khuếch tán chủ

ẠI

yếu trong tinh thể Ge là cơ chế nút khuyết (cơ chế vacancy). Các nghiên cứu

C

Ọ

H

này sẽ được chúng tơi trình bày trong chương 2 của khóa luận.

SƯ
ẠM

PH
8


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Trong chương này chúng tơi đã trình bày đươ ̣c các vấn đề chủ yếu sau:
- Cấu trúc tinh thể của bán dẫn nói chung và tinh thể Ge nói riêng.
- Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn.
- Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể bán dẫn.

ẠI

Đ
C

Ọ

H
SƯ
ẠM

PH
9


CHƯƠNG 2
MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ Ge
2.1. Các đa ̣i lươ ̣ng nghiên cứu trong hiêṇ tươ ̣ng kh́ ch tán
Có thể nói, lí thuyết khuếch tán bắt đầu ra đời sau khi các kết quả của
A. Fick được công bố vào năm 1885 [2]. Fick coi quá trình khuếch tán giống
như quá trình truyền nhiệt trong chất rắn và từ đó ơng phát biểu hai định luật
về khuếch tán gọi là định luật Fick I và định luật Fick II như sau:
Định luật Fick I: Mật độ dòng khuếch tán tỷ lệ thuận với građien nồng
độ:

ẠI

Đ

J = −D

C
.
x

(2.1)

H

Ọ

Từ (2.1) suy ra thứ nguyên của hệ số khuếch tán D là cm2/s. Dấu “ – ”

C

biểu thị sự khuếch tán theo chiều giảm dần của nồng độ.

SƯ

Định luật Fick II: Tốc độ thay đổi nồng độ chất khuếch tán tỷ lệ thuận

ẠM

PH

với đạo hàm bậc hai của nồng độ theo tọa độ không gian
C
J
 2C
=−
=D 2 .
t
x
x

(2.2)

Định luật Fick I và định luật Fick II chỉ mơ tả q trình khuếch tán trên
cơ sở hiện tượng luận. Chính vì thế, lí thuyết khuếch tán mơ tả bằng hai định
luật Fick là lí thuyết khuếch tán đơn giản. Trong một vài trường hợp đặc biệt
với các điều kiện ban đầu đã cho, có thể giải bài tốn để tìm phân bố nồng độ
tạp chất.
Các nghiên cứu cả về mặt lí thuyết và thực nghiệm sau này đã thừa
nhận rộng rãi rằng, sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số khuếch tán được mô tả
bằng định luật Arrhenius như sau [2]:

10


 Q 
Di = D0 exp −
,
 k BT 

(2.3)

trong đó Q là năng lượng kích hoạt của hệ (nó bao gồm năng lượng hình
thành và dịch chuyển của nguyên tử trong mạng tinh thể), D0 là hệ số trước
hàm mũ phụ thuộc vào tính chất của hệ đã cho, kB là hằng số Boltzmann, T là
nhiệt độ tuyệt đối và Di là hệ số khuếch tán thuần không phụ thuộc vào nồng
độ ta ̣p chấ t.
Khi khuếch tán với nồng độ pha tạp cao, hệ số khuếch tán lúc đó sẽ là
D chứ khơng phải Di. Ở nồng độ tạp cao, giá trị của D0 được giả thiết là

Đ

không phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Giả thiết này có thể chấp nhận được vì

ẠI

D0 tỉ lệ với tích của tần số dao động mạng và bình phương khoảng cách giữa

Ọ

H

hai nguyên tử gốc mà những đại lượng này lại biến đổi rất ít. Thực tế, nồng độ

C

nguyên tử tạp cao làm cho mạng tinh thể bị co lại hoặc dãn ra tùy thuộc vào

SƯ

bán kính nguyên tử tạp bé hơn hoặc lớn hơn bán kính nguyên tử ma ̣ng gớ c.

PH

Khơng những thế nó cịn gây ra các khuyết tật điểm và khuyết tật đường.
Những thay đổi này làm cho năng lượng liên kết giữa nguyên tử tạp và

ẠM

nguyên tử gốc bị yếu đi. Sự co dãn mạng cũng có thể làm cho hàng rào thế
năng biến dạng khơng cịn biến đổi tuần hồn như trong mạng lí tưởng. Trên
cơ sở lí luận như vậy, trong tài liêụ [2] người ta đưa vào khái niệm độ giảm
năng lượng kích hoạt hiệu dụng (ΔQ) bằng hiệu của năng lượng kích hoạt lí

tưởng (khi nồng độ pha tạp thấp) và năng lượng kích hoạt khi nồng độ pha tạp
cao. Khi đó, biểu thức (2.3) được viết lại như sau:
 Q 
D = Di exp 
.
 k BT 

(2.4)

Trong khóa luâ ̣n này, chúng tôi chỉ đề cập đến sự khuếch tán bên trong
của tinh thể bán dẫn với nồng độ tạp chất rất nhỏ, cỡ 10-3 ÷ 10-4 % so với

11


nồng độ nguyên tử gốc (tức là nhỏ hơn 1018 ngun tử tạp/cm3) . Vì vậy, các
tính chất cấu trúc cũng như các điều kiện cân bằng của hệ có thể được coi như
không thay đổi và hệ số khuếch tán D không phụ thuộc vào nồng độ tạp chất
(xem Hình 2.1). Điều đó có nghĩa là, các q trình kích hoạt bằng nhiệt độ sẽ
tuân theo định luật Arrhenius được mơ tả theo phương trình (2.3).

ẠI

Đ
C

Ọ

H
SƯ

ẠM

PH
Hình 2.1. Hệ số khuếch tán của các tạp chất B, P và As
trong Si phụ thuộc vào nồng độ [2].
Dưới đây, chúng tôi giới thiệu mơ ̣t sớ nghiên cứu lí thuyết và thực
nghiệm về sự tự khuế ch tán và khuế ch tán của các ta ̣p chấ t trong tinh thể bán
dẫn Ge. Vì nó là đối tượng chính của đề tài khóa luâ ̣n và cũng là đối tượng
được nhiề u nhà khoa học nghiên cứu.
2.2. Các nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm

12


Có nhiều phương pháp lí thuyết khác nhau được sử dụng để xác định
năng lượng kích hoạt Q và hệ số khuếch tán D trong tinh thể bán dẫn nói
chung và tinh thể Ge nói riêng. Trong khoảng 30 năm trở lại đây, các nghiên
cứu lí thuyết về khuếch tán trong bán dẫn thường sử dụng phương pháp ab
initio dựa trên cơ sở Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional TheoryDFT). Khi sử dụng Lý thuyết phiếm hàm mật độ dựa trên cơ sở định lý
Hohenber –Kohn, người ta có thể tính được các hằng số lực giữa các nguyên
tử từ Các nguyên lý đầu tiên và từ đó có thể thu được cả tần số và phổ độ dời
chính xác mà khơng cần các đầu vào thực nghiệm. Các phép gần đúng thường
được sử dụng trong phương pháp ab initio là phương pháp Gần đúng mật độ

Đ

ẠI

địa phương (Local-Density Approximation - LDA), phương pháp Gần đúng

Ọ

H

građiên suy rộng (Generalized Gradient Approximation - GGA), phương
pháp Sóng phẳng giả thế (Pseudo-potential plane-wave - PPPW),...Trong quá

C

SƯ

trình sử dụng, phương pháp này đã bộc lộ cả những mặt tích cực và những
mặt hạn chế. Các ưu điểm chính của phương pháp này là: có khả năng nghiên

PH

cứu nhiều pha vật liệu khác nhau, có thể được sử dụng để mơ hình hóa các vật

ẠM

liệu khơng có sẵn số liệu thực nghiệm. Các lực giữa các nguyên tử, các trị
riêng và véc tơ riêng của điện tử tạo ra thường rất chính xác; nhiều loại
nguyên tử khác nhau có thể dễ dàng được bao hàm vào trong các tính tốn
nhờ sử dụng các giả thế thích hợp. Tuy nhiên phương pháp này cũng cịn một
số hạn chế như: Khả năng tính tốn phức tạp đòi hỏi giới hạn áp dụng cho các
hệ tương đối nhỏ; các số liệu của ab initio thường tập trung vào vùng nhiệt độ
thấp (chủ yếu ở 0K).
Trong những năm gầ n đây, một phương pháp thống kê mới gọi là
phương pháp thống kê mômen đã được áp dụng nghiên cứu thành cơng đối
với các tính chất nhiệt động và đàn hồi của các tinh thể phi điều hòa có cấu

trúc lập phương tâm diện, lập phương tâm khối, cấu trúc kim cương và cấu

13


trúc zinc blend (ZnS). Phương pháp này cũng đã được sử dụng một cách có
hiệu quả để nghiên cứu về hiện tượng tự khuếch tán trong các kim loại và hợp
kim có cấu trúc lập phương tâm diện và lập phương tâm khối. Nhiề u tác giả
cũng đã áp du ̣ng phương pháp này để nghiên cứu sự tự khuế ch tán và khuế ch
tán của các ta ̣p chấ t trong tinh thể bán dẫn có cấ u trúc kim cương như Si và
Ge. Những nghiên cứu gầ n đây nhấ t phải kể đế n là nghiên cứu của nhóm tác
giả trong công trình [3], nghiên cứu ảnh hưởng của nhiêṭ đô ̣ lên sự tự khuế ch
tán trong tinh thể Ge bằ ng phương pháp thố ng kê mô men. Các tác giả đã
nghiên cứu sự tự khuế ch tán trong tinh thể Ge theo cơ chế nút khuyế t. Kế t quả

Đ

thu đươ ̣c của nhóm tác giả đươ ̣c trình bày trong Bảng 1 cho thấ y năng lươ ̣ng

ẠI

kích hoa ̣t thay đổ i rấ t ít theo nhiêṭ đô ̣, trong khi hê ̣ số khuế ch tán la ̣i tăng

C

Ọ

chảy của Ge.

H

ma ̣nh theo nhiêṭ đô ̣ và chỉ đáng kể ở vùng nhiêṭ đô ̣ cao gầ n nhiêṭ đô ̣ nóng

SƯ
ẠM

PH
14


Bảng 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đại lượng tự khuế ch tán của
Ge theo cơ chế nút khuyế t.
Q (eV)

D0 (cm2/s)

D (cm2/s)

600

3,0800

0,2177

2,8606.10-27

700

3,1110

0,2203

8,6247.10-24

800

3,1419

0,2224

3,5147.10-21

900

3,1728

0,2240

3,7712.10-19

3,2035

0,2254

1,5895.10-17

0,2264

3,3956.10-16

0,2272

4,3569.10-15

1000

3,2342

Ọ

H

3,2648

C

1200

ẠI

1100

Đ

T (K)

SƯ
PH

Tiế p tu ̣c áp du ̣ng phương pháp thố ng kê mô men, trong [4, 5] các tác

ẠM

giả đã nghiên cứu sự tự khuế ch tán trong tinh thể Ge theo cơ chế nút khuyế t
dưới ảnh hưởng của áp suấ t và đô ̣ biế n da ̣ng. Kế t quả thu đươ ̣c là:
1. Khi nhêṭ đô ̣ không đổ i, năng lươ ̣ng kić h hoa ̣t Q tăng theo áp suấ t
(Bảng 2), còn hê ̣ số khuế ch tán D la ̣i giảm khi áp suấ t tăng (Bảng 3) [4].

15


Bảng 2 . Ảnh hưởng của áp suất p lên năng lượng kích hoạt Q ở nhiệt độ T
trong sự tự khuếch tán Ge.( Đơn vị của Q là eV)
P(GPa)
0

1

2

3

4

5

2,9867

3,1349

3,2832

3,4314

3,5798

3,7281

3,0178

3,1683

3,3189

3,4695

3,6201

3,7706

3,0490

3,2016

3,3543

3,5069

3,6596

3,8122

3,0800

3,2344

3,3889

3,5434

3,6979

3,8524

3,2670

3,4230

3,5790

3,7350

3,8911

3,4569

3,6140

3,7714

3,9288

3,4904

3,6492

3,8080

3,9668

3,6841

3,8443

4,0045

3,7202

3,8822

4,0442

3,7580

3,9224

4,0868

T(K)
300

400
500

3,3316

3,2035

3,3637

3,2342

3,3962

3,5582

3,2648

3,4292

3,5936

3,5239

16

ẠM

PH

1200

3,1728

SƯ

1100

C

1000

3,2992

Ọ

900

3,1419

H

800

3,1110

ẠI

700

Đ

600


Bảng 3. Ảnh hưởng của áp suất p lên hệ số khuếch tán D ở nhiệt độ T trong
sự tự khuếch tán của Ge ( Đơn vị của D là cm2/s)
P(Gpa)
T(K)

0

1

2

3

4

5

1,3089.
10-51

4,2465.
10-54

1,3777.
10-56

4,4697.
10-59

1,4502
10-61

4,7051
10-64

400

1,9257.
10-39

2,4495
10-41

3,1159
10-43

3,9636
10-45

5,0419
10-47

6,4135
10-49

500

3,8624.
10-32

1,1208
10-33

3,2527
10-35

9,4394
10-37

2,7393
10-38

7,9494
10-40

600

2,8606.
10-27

1,4451
10-28

7,3045
10-30

3,6911
10-31

1,8651.
10-32

9,4252.
10-34

700

8,6247.
10-24

6,5078.
10-25

H

4,9105.
10-26

3,7052.
10-27

2,7958.
10-28

2,1096.
10-29

800

3,5147.
10-21

3,5908.
10-22

3,6686.
10-23

3,7481.
10-24

3,8293.
10-25

3,9123.
10-26

900

3,7712.
10-19

4,8745.
10-20

6,3008.

10-21

8,1443.
10-22

1,0527.
10-22

1,3607.
10-23

1000

1,5895.
10-17

2,4806.
10-18

3,8714.
10-19

6,0420.
10-20

ẠM

9,9494.
10-21

1,4716.
10-21

1100

3,3956.
10-16

6,1559.
10-17

1,1160.
10-17

2,0232.
10-18

3,6679.
10-19

6,6497.
10-20

1200

4,3569.
10-15

8,8976.
10-16

1,8170.
10-16

3,7108.
10-17

7,5781.
10-15

1,5476.
10-18

ẠI

Đ

300

C

Ọ

SƯ

PH

2. Khi nhiêṭ đô ̣ không đổ i, năng lươ ̣ng kích hoa ̣t Q tăng theo biế n da ̣ng
nén và giảm theo biế n da ̣ng kéo (Bảng 4), còn hê ̣ số khuế ch tán D giảm theo
biế n da ̣ng nén và tăng theo biế n da ̣ng kéo (Bảng 5) [5].

17


Bảng 4. Ảnh hưởng của độ biến dạng  lên năng lượng kích hoạt Q ở
nhiệt độ T trong sự tự khuếch tán Ge. ( Đơn vị của Q là eV)

(%)

Biến dạng nén
-0,2%

T(K)

-0,4%

-0,6%

Biến dạng dãn
-0,8%

0,2%

0,4%

0,6%

0,8%

2,9880 2,9894 2,9907 2,9921 2,9854 2,9840 2,9827 2,9813

400

3,0195 3,0212 3,0228 3,0245 3,0162 3,0146 3,0129 3,0112

500

3,0509 3,0529 3,0548 3,0567 3,0471 3,0451 3,0432 3,0412

600

3,0822 3,0844 3,0866 3,0887 3,0779 3,0757 3,0735 3,0714

700

3,1134 3,1158 3,1181 3,1205 3,1087 3,1063 3,1039 3,1016

800

3,1445 3,1468 3,1495 3,1520 3,1395 3,1369 3,1344 3,1319

900

3,1755 3,1782 3,1809 3,1835 3,1701 3,1674 3,1648 3,1621

1000

3,2064 3,2093 3,2122 3,2150 3,2007 3,1979 3,1950 3,1922

1100

3,2374 3,2405 3,2436 3,2468 3,2312 3,2280 3,2249 3,2218

1200

3,2684 3,2719 3,2754 3,2789 3,2614 3,2579 3,2543 3,2508

ẠI

Đ

300

C

Ọ

H

SƯ

ẠM

PH

Trong công trình [6], nghiên cứu enthalpy kích hoa ̣t của ta ̣p chấ t
khuế ch tán trong tinh thể Ge theo cơ chế nút khuyế t bằ ng Lý thuyế t hàm mâ ̣t
đô ̣ (Density Functional Theory – DFT), các tác giả đã xác đinh
̣ đươ ̣c enthalpy
kích hoa ̣t của các ta ̣p chấ t khuế ch tán trong Ge lầ n lươ ̣t là: Al là 2,86 (eV), Ga

là 2,94 (eV), In là 2,79 (eV), Si là 3,17 (eV), Sn là 3,26 (eV), P là 2,98 (eV),
As là 2,64 (eV) và Sb là 2,41 (eV).
18


Bảng 5. Ảnh hưởng của độ biến dạng  lên hệ số khuếch tán D ở nhiệt độ
T trong sự tự khuếch tán Ge. ( Đơn vị của D là cm 2 / s )

(%)
T(K)

Biến dạng nén
-0,2%

-0,4%

-0,6%

Biến dạng dãn
-0,8%

0,2%

0,4%

0,6%

0,8%

1,2449 1,1820 1,1223 1,0655 1,3810 1,4546 1,5320 1,6136

300

400

.10−51

.10−51

.10−51

.10−51

.10−51

.10−51

.10−51

1,8354 1,7493 1,6672 1,5889 2,0206 2,1201 2,2245

.10

−39

.10

−39

.10

−39

.10

−39

.10

−39

.10

−39

.10

−39

.10−51
2,334

.10−39

Đ

.10−32

.10−32

.10−32

.10−32

.10−32

.10−32

.10−32

Ọ

H

.10−32

ẠI

500

3,6926 3,5330 3,3752 3,2268 4,0399 4,2257 4,4199 4,6232

1000

1100

1200

.10−27

.10−27

.10−27

.10−27

.10−27

8,2947 7,9772 7,6719 7,3782 8,9680 9,3249 9,6960 1,0082

.10−24

.10−24

.10−24

.10−24

.10−24

ẠM

900

.10−27

PH

800

.10−27

SƯ

700

.10−27

C

600

2,7430 2,6301 2,5220 2,4183 2,9833 3,1113 3,2447 3,3839

.10−24

.10−24

.10−24

3,3890 3,2678 3,1509 3,0382 3,6451 3,7803 3,9205 4,0659

.10−21

.10−21

.10−21

.10−21

.10−21

.10−21

.10−21

.10−21

3,6429 3,5191 3,3995 3,2893 3,9039 4,0414 4,1836 4,3309

.10−19

.10−19

.10−19

.10−19

.10−19

.10−19

.10−19

.10−19

1,5377 1,4870 1,4391 1,3922 1,6431 1,6985 1,7558 1,8149

.10−17

.10−17

.10−17

.10−17

.10−17

.10−17

.10−17

.10−17

3,2857 3,1793 3,0763 2,9767 3,5093 3,6267 3,7481 3,8736

.10−16

.10−16

.10−16

.10−16

.10−16

.10−16

.10−16

.10−16

4,2115 4,0109 3,9350 3,8037 4,5074 4,6631 4,8241 4,9907

.10−15

.10−15

.10−15

.10−15
19

.10−15

.10−15

.10−15

.10−15


Trong công trình [7] đã nghiên cứu sự tự khuếch tán trong cấu trúc
đồng vị dị hướng của Ge 70 Ge /

74

Ge . Trong nghiên cứu này, các tác giả đã

đưa ra kĩ thuật dùng để nghiên cứu sự tự khuếch tán trong Ge bằng cách sử
dụng các động vị của nó ( 70 Ge /

74

74

Ge ). Sau khi xen vào các lớp của

70

Ge và

Ge ở nhiệt độ trong khoảng từ 543 o C và 690 o C , các đại lượng khuếch tán

được đo bằng phổ trắc khối ion thư cấp (Secondary Ion Mass Spectroscopy SIMS). Việc phân tích các số liệu thực nghiệm cho phép xác định chính xác
enthalpy và entropy tự khuếch tán. Trong công trình này, các tác giả đã sử
dụng cấu trúc dị hướng đồng vị Ge (đồng vị ổn định), được chế tạo bởi chùm

ẠI

Đ

phân tử enthalpy (Molecular Beam Epitaxy - MBE).Trong cấu trúc đồng vị dị
hướng chung bao gồm các lớp tinh khiết (ví dụ

70

Ge và

74

Ge ) hoặc đồng vị

H

Ọ

hỗn hợp của một nguyên tố hóa học. Cho đến gần đây, một số lượng đáng kể

C

Ge thuần túy được làm giàu hơn về mặt hóa học đã có sẵn, làm cho sự tăng

SƯ

trưởng của các cấu trúc như vậy có thể có. Hình 2.2 cho thấy sơ đồ của các

PH

mẫu cụ thể được sử dụng trong công nghệ này. Sau khi ủ, các đồng vị tự

ẠM

khuếch tán với nhau. Các số liệu nồng độ được đo bằng SIMS, sau khi các
phần của cùng một mẫu đã được ủ riêng ở nhiệt độ khác nhau. Điều này cho
phép xác định chính xác enthalpy và entropy tự khuếch tán. Các cấu trúc dị
hướng đồng vị là duy nhất cho các nghiên cứu tự khuếch tán trong một số
khía cạnh sau

20