半導体固体表面の構造相転移に対する応力の影響の理論的解析

应力对半导体固体表面结构相变影响的理论分析

基本信息

批准号：
11750025
负责人：
星野忠次
金额：
$ 0.45万
依托单位：
Chiba University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

単結晶シリコン(111)表面上の表面吸着原子(アドアトム)の拡散に対して、基板に印加した応力がどのように影響を及ぼすかを、第一原理に基づく理論計算を実行して解析をした。シリコン(111)表面は、1x1→7x7構造相転移を起こすことは良く知られているが、シリコンの7x7構造は歪みの大きい構造であり、その動的な形成過程への応力の作用は重大である。表面に印加された応力が、シリコン表面に別の周期構造を生じるには、通常の実験条件を外れた極端に大きな力が必要であると予想される。一方、アドアトムの拡散という熱的活性化プロセスを伴う反応に限ってみれば、シリコン表面に現実的に印加可能な範囲内での歪みにより、これが促進または抑制される可能性は十分にある。本研究では、計算モデルにおいて原子位置を平衡結合長より変位させることにより、圧縮ならびに引張応力を発生させた。印加したい応力の大きさに応じて、ヤング率から換算されるだけの歪みを加えることで、計算では容易に応力の効果を与えることができる。初めに、大小3種類のクラスターモデルを使って、歪みが無いシリコン表面におけるアドアトムの拡散に必要な活性化エネルギーを正確に見積もった。応力の印加されていないモデルでの計算値は、実験的に得られる活性化エネルギーの値と矛盾の無い結果を与えた。圧縮応力を加えた場合には、拡散のエネルギー障壁が増加した。一方、引張応力をかけた時はエネルギー障壁が減少した。すなわち、アドアトムは表面の中で引張歪みのある場所で動きやすいことが明らかになった。アドアトムはT_4サイトと呼ばれる位置に吸着した時、系は最も安定となる。応力によってアドアトムの拡散の活性化エネルギーが変化する理由は、圧縮応力を加えた場合にT_4サイトでの吸着の安定化エネルギーが増し、他のサイトヘ移動しにくくなるためであることが分かった。

进行了基于第一个原理的理论计算，以分析施加到底物的应力如何影响表面吸附原子（Adatoms）在单晶硅表面上的扩散（111）。众所周知，硅（111）的表面经历了1x1-7x7的结构相变，但是硅的7x7结构是一种高度紧张的结构，而应力对其动态形成过程的影响很大。可以预期，在表面上施加的应力将需要超出正常实验条件的极大力，以在硅表面创建另一种周期性结构。另一方面，如果我们限制了涉及热激活过程的反应，例如addotom的扩散，则很有可能会因在范围内的变形而促进或抑制，这可以应用于硅表面。在这项研究中，通过从计算模型中的平衡键长的原子位置位移来产生压缩应力和拉伸应力。通过添加可以根据要施加的应力的大小来转换从Young的模量转换的扭曲，可以轻松地在计算中应用应力的效果。首先，使用三个大小的簇模型来准确估计Adatoms在无失真硅表面扩散所需的激活能。无重大值模型中的计算值给出了与实验激活能值一致的结果。当应用压缩应力时，扩散的能屏障会增加。另一方面，当施加拉伸应力时，能量屏障会减小。换句话说，已经揭示了Adatom在表面有拉伸压力的区域很容易移动。当adactom被吸附到称为T_4站点的位置时，系统将变得最稳定。已经发现，由于压力引起的Adatom扩散的激活能量的原因是，当施加压缩应力时，T_4位点吸附的稳定能增加，因此很难移动到其他位点。