НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 12, с. 1535-1536
РЕЦЕНЗИИ
РЕЦЕНЗИЯ НА КНИГУ В.И. ФИСТУЛЯ "АТОМЫ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
(СОСТОЯНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ)" М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 431 с.
Рецензируемая монография пополняет ряд широко известных книг В.М. Глазова и B.C. Земско-ва (1967), Р. Свелина (1968), Ф. Крегера (1969) и А. Милнса (1977)1, посвященных различным аспектам проблемы легирования полупроводников. Эта проблема возникла и интенсивно изучается уже на протяжении более полувека. Сегодня многое уже прояснилось, поэтому рецензируемая монография отличается большей полнотой математического описания и глубиной анализа сложного поведения примесей в полупроводниках.
Прежде всего, автор монографии В.И. Фис-туль четко разграничил понятия "состояние" и "поведение" примесей. Второе важное отличие книги состоит в подробном освещении классов примесей, которые почти не рассматривались в других монографиях. Это - примесные d- и /-атомы, легирующие атомы, изовалентные атомам основного полупроводникового кристалла, газообразующие примеси (кислород, водород, азот, углерод). На первый взгляд, вновь рассматриваемых примесей не так уж много. Однако следует учесть, что они могут замещать узельные атомы Ge, Si, компоненты полупроводниковых соединений AmBV, AnBVI и их твердых растворов и, кроме того, многие примесные атомы способны располагаться не только в узлах, но и в междоузлиях и, наконец, почти все примесные атомы способны взаимодействовать с дефектами типа вакансий и дислокаций. Экспериментальный и теоретический материал, посвященный этим и ранее изученным примесям, представлен в очень большом числе отдельных публикаций. Поэтому давно уже требовался новый обобщающий труд о состоянии и поведении примесей в полупроводниках. Такая огромная работа была выполнена В.И. Фистулем и представлена на суд читателей.
В данной рецензии описано краткое содержание книги, указаны определенные достоинства, некоторые недостатки и спорные места.
Глава 1. Эта глава посвящена термодинамике полупроводника с атомами примесей. В ней дано описание трех подходов к вычислению концентраций любых точечных дефектов в кристалле.
1 Даты даются в соответствии с выходом русских переводов
иностранных монографий.
Обычно ограничиваются подходом Броуэра и Крегера - анализом квазихимических реакций в твердом теле. В.И. Фистуль рассматривает и два других подхода: квантово-механический (он изложен в главе 4) и метод минимизации свободной энергии системы. Отметим, однако, что последний метод допускает два способа постановки задачи с помощью различных формулировок равновесия для закрытых систем (применительно как к отдельному кристаллу, так и к системе кристалл-внешняя фаза). К сожалению, в тексте монографии эти особенности не нашли отражения. Сам автор является приверженцем способа минимизации энергии Гиббса кристалла. Неожиданным в изложении этой главы является взгляд автора на подсистемы узлов и междоузлий кристалла как на отдельные фазы. В разделе 1.1 В.И. Фистуль приводит аргументы в подтверждение своего взгляда. Однако, безусловно, использование термина "фаза" в данном случае является не вполне строгим и поэтому дискуссионным. Отметим, что качественное различие состояния атомов в узлах и междоузлиях в кристалле, на котором акцентирует внимание автор, несомненно, должно учитываться через соответствующие параметры при модельном описании поведения дефектов.
Глава 2. В этой главе рассмотрены виды примесных атомов в полупроводниках. В разделе 2.2 проведено обобщение характерных особенностей d- и /-примесных атомов в различных полупроводниках, или, точнее, в кристаллических полях различной симметрии. В разделе 2.3 приведены основные особенности амфотерных примесных атомов, в 2.4 - изоэлектронных примесных состояний, в 2.5 - газообразующих примесей. Эта глава, наибольшая по объему (127 стр.), содержит столь обширное описание перечисленных примесных состояний, что его анализ занял бы слишком много места, что непозволительно в краткой рецензии. Отметим лишь, что подавляющее число обобщений, приведенных в этой главе, описано в монографической литературе впервые.
Глава 3. Эта глава посвящена макроскопическому описанию растворимости примесных атомов в одно- и многокомпонентных полупроводниках. Автор, вслед за работами С. Булярского с соавто-
1535
1536
ЗЕМСКОВ и др.
рами, определяет равновесную растворимость с учетом различных взаимодействий между примесями и другими дефектами и с учетом активностей растворяемых атомов. Это является, несомненно, шагом вперед в решении проблемы растворимости примесей. В разделе 3.4 четко описаны те трудности, которые необходимо преодолеть при дальнейшем изучении проблемы растворимости, особенно глубокоуровневых примесей. Большой интерес представляет анализ растворимости амфотерных примесей (раздел 3.5). Автору удалось продвинуться в решении этой проблемы, отождествив свободные междоузлия кристаллической решетки с некими гипотетическими дефектами - междоузельными вакансиями. Развиваемая с этих позиций термодинамика кристалла с амфотерной примесью позволила автору получить аналитические выражения для узель-ной и междоузельной компонент растворимости в моноатомных полупроводниках.
Глава 4. Здесь представлен микроскопический анализ растворимости примесей в полупроводниках. До работ В.И. Фистуля эта задача решалась К. Вайзером. Основной недостаток его теории состоял в "радиусном" подходе для описания размеров примесного атома, вакансии и междоузлия, которые рассматриваются как непостоянные характеристики. Из-за неопределенности величин радиусов, а значит, и величин потенциалов притяжения и отталкивания примесного атома окружением, теория Вайзера не могла дать результатов, совпадающих с опытом. Дальнейшие попытки улучшить теорию Вайзера другими авторами (разделы 4.1, 4.2) не привели к кардинальным результатам. В разделах 4.3 и 4.4 излагается развитие теории, выполненное В.И. Фистулем и В.А. Шмугуровым на основе описания перестройки структуры й- и /-атомов в кристаллическом поле с помощью потенциала взаимодействия Маллике-на. В разделе 4.7 рассмотрен квантово-механичес-кий метод определения энтальпии растворения примесей в полупроводниках. Автор преодолел трудности изложения этого нового и сложного топологического метода, показал разумность получаемых величин энтальпий растворения примесей А1, ва, Р, Л8 в ваЛ8 и ваР и обосновал необходимость дальнейшей доработки этого метода.
Главы 5 и 6. В этих главах автор анализирует взаимодействия примесей: статистическое взаимодействие (зарядовое, потенциальное), взаимодействие в регулярном приближении и взаимодействие, приводящее к комплексообразованию. Все они были рассмотрены автором совместно с С. Булярским в более ранней монографии "Тер-
модинамика и кинетика взаимодействующих дефектов в полупроводниках". В рецензируемой книге некоторые из этих вопросов рассмотрены впервые. К ним относятся описание ассоциированного состояния иона (Сг-)ва с глубоким донором; вакансионно-примесные состояния в кремнии и другие более мелкие уточнения.
Главы 7 и 8. В этих главах описаны примесные кинетические явления. Все они отражают взаимодействия примесных атомов в миграционных процессах. Автор удачно разбил анализ на случаи слабого и сильного комплексообразования в примесной кинетике, определил критерии того и другого для трех главных видов диффузии примесей: последовательной, взаимной и одновременной. Автор получил аналитические выражения и их иллюстрации, позволяющие по виду особенностей на экспериментальных диффузионных профилях судить о механизмах примесных взаимодействий и механизмах их миграции. Подобный анализ выполнен В.И. Фистулем и его учеником М.И. Синдером и в полном объеме в монографической литературе публикуется впервые.
Столь обширная монография не может быть свободна от недостатков. Например, непонятно, почему углерод отнесен автором к числу "газообразующих" примесей наряду с кислородом, водородом и азотом. Явный недостаток главы 4 -слишком скупое описание растворимости в полупроводниковых соединениях (раздел 4.5). К сожалению, в монографии не нашли практически никакого отражения другие подходы по проблеме взаимодействия примесей в полупроводниках (в частности, работы В.М. Глазова и А.Я. Потемкина по образованию заряженного комплекса в твердых растворах ве, легированных примесями Си и 8Ь). Из крупных замечаний еще укажем на отсутствие в ней описания взаимодействий примесных атомов с дислокациями, адсорбционных явлений и физики полупроводниковых нанокрис-таллов. Ряд других недочетов читатели смогут найти сами, но, в целом, выход в свет данной книги - событие неординарное. Это, безусловно, ценная и полезная книга. Она займет достойное место в ряду лучших книг, посвященным полупроводникам.
В заключение отметим ее прекрасное издание, чему способствовала работа редактора и издательства в целом.
В.С. Земское, Л.М. Павлова, А.Я. Потемкин
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ том 40 < 12 2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.