元素半导体硅和锗材料的熔体结构研究

摘要

元素半导体硅锗材料尤其是硅材料是当今半导体行业中的重要微电子和光电子材料，研究其熔体的微观结构对控制单晶的生长过程有着重要的指导意义，此外，液态结构的研究也是凝聚态物理领域的一个重要分支，这一研究相对较为落后，因此对其研究也有着重要的理论价值。
　　 本文采用高温X射线衍射仪对元素半导体硅材料在熔点附近(1683K-1743K)的结构进行分析，并结合分子动力学模拟对这一数据进行补充，得出其结构因子、双体分布函数及径向分布函数随温度变化的关系，探讨了Si 熔体的微观结构；同时使用分子动力学模拟研究了元素半导体Ge 熔体的微观结构。
　　 对硅熔体的实验测量与其模拟结果较为接近，其微观结构参数分别为：硅熔体的最近邻原子间距为0.245nm、第一配位面配位数为6.5、相干半径为0.92nm、团簇平均原子个数为147个，结构参数在熔点附近随温度的变化不大。
　　 径向分布函数的Gauss分解结果表明熔体中含有共价键，比例约占27[％]。结构因子第一峰三峰拟合结果表明熔体中含有正四面体结构。均方位移和速度自相关函数的计算结果表明，熔体中的原子在在熔化温度处的自扩散系数为6×10-4 cm 2 /s，随着温度的进一步升高，自扩散系数略有增加。VP分析及键角分布分析结果表明，熔体中的有序原子集团主要形成正四面体及简单立方结构，少数原子形成其它复杂无序结构。
　　 对锗熔体的分子动力学模拟计算结果表明：锗熔体的最近邻原子间距为0.26nm、第一配位面配位数为5.04、相干半径为0.82nm、团簇平均原子个数为103个。熔点温度下原子的自扩散系数为6.5×10-4 cm 2 /s，结构参数在熔点附近随温度的变化不大。