phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khả0 và phụ lục, luận án đơiợc chia lam 4 chojong va 16 muc. Idi dung cua luận án đojợc trình bày 10 lr0ng 119 lrang với 23 sảng số, 23 hình vẽ và đồ thị, 116 lài liệu tham khả0. Hội dung chủ yếu của từng choJơng nho| sau: chgong 1: Tritth pay so lojợc về sán dẫn; các cơ chế khuếch lán chủ yếu tr0ng sán dẫn; các nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về sự khuếch lán lr0ng sán dẫn; phơjơng pháp thống kê mômen lr0ng nghiên cứu linh thé. chơjơng 2: Trình sày các siêu thức giải lích thu đojợc từ việc áp dụng phojong pháp thống kê mômen ch0 linh thể sán dẫn; xây dựng lí thuyết lông quát ch0 sự tự khuếch lán tr0ng linh thể sán dẫn; áp dụng các công thức đã thu đojợc để lính số ch0 sự tự khuếch lán của Sỉ và GaAs.
chơjơng 3: Trình sày lí thuyết khuếch tán của tap chất tr0ng linh thế bán dẫn the0 các cơ chế khuếch lán khác nhau. Áp dụng lính số ch0 sự khuếch lán của các tap chat Ga, Al, b, P và As tr0ng linh thể Sỉ. chơjơng 4: Trình sày sự lự khuếch lán và khuếch lán của lạp chất tr0ng linh thể Sỉ dơiới ảnh hojởng của áp suất và siến dạng. Áp dụng lính số ch0 Sỉ tự khuếch lán và khuếch lán của các lạp chất Ga, As, AI, b và P tr0ng linh thê Si.
Hội dung đa luận án đã đøJợc sá0 đá0 lại đác hội nghị khÚa học 1. hội nghị Vậi lý chat ran 10àn quốc lần thứ IV, Ilúi cốc, tháng 11 năm 2003. hội nghị Vật lý Lý thuyết lần thứ 29, TP. hồ chí Minh, tháng 8 năm 2004.
hội nghị Vật lý Lý thuyết lần thứ 34, Đồng hới, tháng 8 năm 2009. hội nghị Vật lý Lý thuyết lần thứ 35, TP. hồ chí Minh, tháng 8 năm 2010. hội nghị Vật lý l0àn quốc lần thứ VII, hà Hội, tháng 11 năm 2010.
hội nghị Vật lý Lý thuyết lần thứ 36, Quy Ihơn, tháng 8 năm 201 l. mm mm + YD hội nghị Vật lý Lý thuyết lần thứ 37, cửa Lò, tháng 8 năm 2012. 11 chG]ONG 1 cAc IIGHIEN cUU VE KhUEch TAT TIONG BAT DATI 1. Sơ lơjợc về bán dẫn 1.
cầu trúc linh thế của bán dẫn các chat sán dẫn thông dụng thojong két tinh theO mang linh thể lập phơiơng lâm diện [8]. Tr0ng đó, mỗi nút mạng đơiợc gắn voi mot gốc (basis) gồm hai nguyên lử. hai nguyên tử đó còng l0ại nếu là sán dẫn đơn chất nhơi Si, Ge va hai nguyén tt do khac 10ai nếu là bán dẫn hợp chat mho GaAs, InSb, ZnS, cdS. Silic là vật liệu sán dẫn điển hình.
Đơn linh thê Sỉ có đấu fede kim cgơng (hình 1.1) gồm hai phan mang lap phojong lâm diện lồng vàO0 nhau, phân mạng này nằm ở 1/4 dojong ché0 chính của phân mạng kia. Tr0ng một ô cơ sở có 8 nguyên lử Si, mỗi nguyên tử Sỉ là lâm của một hình lứ diện đều cấu †ạ0 lừ bốn nguyên lử lân cận gần nhất xung quanh. Độ dài cạnh của ô cơ sở (còn gọi là hằng số mạng linh thẻ) ở 298K là ao = 5,43A [8]. Mạng linh thể Sỉ 12 Mạng linh thê Sỉ rất hở đ0 chỉ có 34 % thể tích là sị các nguyên tử Sỉ chiếm chỗ.
bán kính của nguyên tử S1 là 1,18Á. Tr0ng một ô cơ sở của mạng linh thể Sỉ có 5 lỗ hổng mạng (còn gọi là hốc hay kẽ hở mạng) lr0ng đó 4 hốc nằm lrên sốn đojờng ché0 chính đối diện với các nguyên †ử S¡ thuộc đojờng ché0 đó qua lâm hình lập phojong va hốc thứ 5 nằm ở lâm của hình lập phojơng (hình 1. Mỗi hốc có sán kính đúng ằng bán kính của nguyên tu Si [8] và d0 đó có thể chứa khí mội nguyên lử Si. Mỗi hốc cũng là lâm của một hình tứ diện đều cấu †ạ0 từ bốn hốc xung quanh h0ặc bốn nguyên lử Sỉ xung quanh (xem hình 1.
dác hốc (lỗ hồng) le0ng mạng linh thể S¡ các bán dẫn hợp chất AI'EY h0ặc A"BV! nhơi GaAs hay ZnS chang hạn (hình 1.3) thojờng kết linh dojới dạng zin€ olend (2nS), cũng gồm hai phan mang lap phojong tam diện lồng và0 nhau, phân mang nay nằm ở 1/4 đojờng chéO0 chính của phân mạng kia. Tuy nhiên, nếu mạng thứ nhất cấu 1ạ0 từ một 13 lOại nguyên tử (Zn chẳng hạn) thì mạng thứ hai cau ta0 lừ l0ại nguyên lử khác (S chẳng hạn). Tr0ng linh thê ZnS, mỗi nguyên lử Zn là lâm của một hình tứ diện đều cấu †ạ0 từ sốn nguyên lử S xung quanh. IIgolợc lại, mỗi nguyên tử S lại là lâm của một hình tứ diện đều, cau ta0 lừ bốn nguyên lử Zn xung quanh.
Mang tinh thé ZnS 1. các ứng dụng quan lrọng của vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn đơjợc nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều lr0ng các lĩnh vực kh0a học, kỹ thuậi và công nghiệp. Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng nhất và phổ biến nhất của chúng chính là dòng để chế †ạ0O các linh kiện điện tử bán dẫn. chúng †a đang sống tr0ng thời đại thông lin.
Một lojợng lớn thông lin có thê †hu đơxợc qua Internet va cing co thé thu dojgc một cách nhanh chóng qua những kh0ảng cách lớn bằng những hệ thống truyền thông vệ linh. Sự phát lriển của các linh kiện bán dẫn nhơi điốt, lranzil0 và mạch lích hợp (c- Inlegraled circuil) đã dẫn đến những khả năng đáng kinh ngạc này. Ic thâm nhập và0 hầu hết mọi mặt của đời sống 14 hàng ngày, chăng hạn nhơt đầu đọc đĩa 15 cD, may fax, máy quét lại các siêu thị và điện th0ại di động. Phôlôđiót là một l0ại dụng cụ không thể thiếu lr0ng thông lin quang học và lr0ng các ngành kỹ thuật tự động.
Điốt phát quang đơxợc dòng lr0ng các bộ hiển thị, đèn 540, màn hình quảng cá0 và các nguồn sáng. Pin nhiệt điện bán dẫn đojợc ứng dung dé ché ta0 các thiết sị làm lạnh gọn nhẹ, hiệu quả ca0 dòng †r0ng kh0a học, y học,. Để có đơjợc các linh kiện ban dẫn kê lrên từ chất sán dẫn linh khiết ban đầu (Sỉ hOặc Ge), ngoiời ta phai †ạ0 ra hai l0ại bán dẫn là án dẫn l0ại m (dẫn điện chủ yếu bằng điện †ử) và án dẫn l0ại p (dẫn điện chủ yếu sằng lỗ trồng) bằng cách pha các nguyên tử lạp chất và0 S¡ (hay Ge). Sau đó, ghép hai l0ại bán dẫn đó lại với nhau để đơiợc điốt hay lranzi10.
công nghệ pha tap nói chung rất đa dạng và cũng là một công nghệ rất cơ sản đojợc sử dụng thojoug xuyên lừ xa xơia. có nhiều phojơng pháp pha nguyên lử lạp chất và0 vật liệu sán dẫn nho phơjơng pháp nuôi đơn linh thể, pho|ơng pháp cấy i0n, phoJơng pháp khuếch lán,. S0 với các phơjơng pháp khác thì phojơng pháp khuếch lán có nhiều ơịu điểm nhoi không làm thay đổi cấu trúc linh thể, có thể pha lạp với chiều sau toy ý, ch0 phép điều khiên lót hơn các lính chất của lranzil0 và đã thu đojợc những thiết sị có thề h0ạt động ở lần số ca0. hơn nữa, quá lrình khuếch lán cũng ch0 phép nhiều tranzi0 đơiợc chế l0 trên một lớp silic đơn linh thể mỏng, d0 đó có thê hạ giá thành của những thiết sị này.
Đó là những lí d0 chính khiến ch0 kĩ thuật khuếch lán các nguyên lử lạp chất và0 vật liệu sán dẫn đã và đang phát trién nhanh chóng nhằm chế †ạ0 các tranzit0, các vi mạch điện lử và ngày nay là các mạch điện có các cấu hình với kích lhojớc nanô, nanô semsOr,. cdc khuyét ft trOng ban dẫn 1. Khuyết lậi r0ng linh thề Đa số vật rắn có cầu lrúc mạng linh thể và chúng gồm một số rất lớn các nguyên lử, phân lử đojợc sắp xếp một cách tuần h0àn lr0ng không gian để lạ0 thành mạng linh thể lí loởng. Thực lế, mạng linh thể lí loiởng thơjờng không có thực.
các linh thể thực luôn chứa đựng tên lr0ng nó những khuyết lật (còn gọi là sai hỏng). có nhiều l0ại khuyết lật [3] với những đặc điểm khác nhau nhơi: -_ khuyết lật điểm có kích thơiớc cỡ nguyên tử the0 sa chiều không gian, - _ khuyết lật đojờng có kích thơjớc cỡ nguyên tử the0 hai chiều va rat lớn †he0 chiều thứ sa, - _ khuyết lật mặt có kích thojớc lớn the0 hai chiều và nhỏ the0 chiều thứ ba, - _ khuyết lật khối có kích thojớc lớn the0 cả sa chiều không gian. Tr0ng số các l0ại khuyết lật kế trên, khuyết lật điểm có cấu trúc đơn giản nhất và lồn lại nhiều nhất tr0ng các tinh thể rắn. các khuyết tật điểm có thé dojgc phat sinh lr0ng linh thé pang qué trình Sch0llky hOặc Frenkel [49].
Tr0ng qua trinh SchOtky, mot xen ké (Iterstitial- ki hiéu 1a I) dojo ta ra bởi sự di chuyên của mội nguyên tử từ sề mặt và0 một lỗ hồng nà0 đó bên tr0ng linh thê hay ngơjợc lại một mút khuyết (Vacancy- kí hiệu là V') đơjợc hình thành khi một nguyên lử rời khỏi nút mạng đề đi chuyền ra mặt ng0ài của linh thể. Tr0ng qua trinh Frenkel, một nguyên lử sẽ rời khỏi vị tri mú† mạng của nó để tới một vị trí lỗ hồng mạng, †a0 ra một xen kẽ và một nút khuyết. Khi nghiên cứu hiện loJợng khuếch lán của các nguyên lử lr0ng linh thê, nggjời ta da chỉ ra rằng các khuyết lật điểm tr0ng linh thé đóng vai 17 tro quyét định lr0ng sự khuếch lán của các nguyên lử [25, 38, 92, 95]. Vì vậy, nghiên cứu vê 18 khuyết lật điểm và sự khuếch †án thông qua khuyết tật điểm là một đề lài lí thd va thu hot dojoc su quan tam cua nhiều nhà nghiên cứu [23, 35, 57, 76, 84, 87].
Sau đây, chúng lôi xin trình sày cụ thê l0ại khuyết lật này ch0 tinh thê bán dẫn silic. Khuyét tit diém tr0ng tỉnh thé silic The0 lài liệu [38], các khuyết lật điểm có thể đojợc phân ra làm hai lOại là khuyết lật điểm tự nhiên và khuyết tật điểm gắn liền với tap. Khuyét lật điểm tự nhiên lồn lại tr0ng linh thể Sỉ linh khiết. Khuyết lật điểm gắn liền với lạp xuất hiện từ việc đơạa các lạp chất lừ bên ng0ài và0 tr0ng linh thé Si.
các nguyên lử lạp chất nhóm III (b, Ga, AI) và các nguyên lử tap chat mhom V (P, As, Ss) 1a cdc 10ai tap dac biét thojong dojoc sử dụng để pha va0 bán dẫn S¡ d0 chúng có khả năng hòa lan tr0ng linh thể Sỉ ca0 hơn s0 với các lạp chất khác. Khuyết li điểm lự nhiên có hai l0ại khuyết lật điểm tự nhiên lồn lại tr0ng linh thể Sỉ [25, 38, 92] 1a mbt khuyét (vacancy) va xen ké (interstitial). Hút khuyết đơjợc định nghĩa đơn giản là một vị trí mút mang tinh thé bị bỏ lrống (hình 1.