Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

Chia sẻ chuyên mục Đề Tài Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge) hay nhất năm 2022 cho các bạn học viên ngành đang làm khóa luận tham khảo nhé. Với những bạn chuẩn bị làm bài khóa luận tốt nghiệp thì rất khó để có thể tìm hiểu được một đề tài hay, đặc biệt là các bạn học viên đang chuẩn bị bước vào thời gian lựa chọn đề tài làm khóa luận thì với đề tài Khóa luận: Một số nghiên cứu về sự tự khuếch tán và khuếch tán của các tạp chất trong tinh thể Germaniun (Ge) dưới đây chắc hẳn sẽ cho các bạn cái nhìn tổng quát hơn về đề tài này.

LỜI MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ge là môṭ trong hai bán dẫn đơn chất điển hình (Ge vàSi) 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,… Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

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 liệu bán dẫn như phương pháp nuôi đơn tinh thể, phương pháp cấy ion, phương pháp khuếch tán,… So với các phương pháp khác thì phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm như không 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,… Đó là những lí do chính khiến cho kĩ thuật khuếch tán các nguyên tử vào vật liệu bán dẫn đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.

Đã ̃có nhiều công 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 vàGe. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác các đại lượng khuếch tán là một điều rất khó, đòi 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 công nhất định nhưng các tính toán còn 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.

Xuất phát từ những li_́do trên, nên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Một số nghiên cứu vềsư ̣tư ̣khuếch tán vàkhuếch tán của tap̣ chất trong tinh thể Germanium (Ge)”.

CÓ THỂ BẠN QUAN TÂM ĐẾN DỊCH VỤ:

===>>> Dịch Vụ Viết Thuê Khóa Luận Tốt Nghiệp Chất Lượng Cao

2. Mục đi_́ch nghiên cứu Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

Ti_̀m hiểu các nghiên cứu li_́thuyết vàcác quan sát thưc̣ nghiêṃ vềsư ̣tư ̣ khuếch tán vàkhuếch tán của tap̣ chất trong tinh thểGe.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các công tri_̀nh, bài báo, tài liêụ viết vềsư ̣khuếch tán trong tinh thểGe.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu

Sưu tầm, cập nhâṭ các bài báo, tài liêụ viết vềkhuếch tán trong Ge.

Đoc,̣ dicḥ các tài liêụ sưu tầm đươc̣.

Phân ti_́ch, đánh giá, tổng hơp̣ đểviết khóa luâṇ.

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.

6. Cấu trúc khoá luận

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, khóa luận dự kiến có hai chương:

Chương 1: Sơ lươc̣ vềbán dâñ vàcác cơ chếkhuếch tán chủyếu trong bán dâñ.

1.1.  Sơ lươc̣ về bán dâñ.

1.2.  Các ứng dung̣ cơ bản của bán dẫn.

1.3. Các cơ chếkhuếch tán chủyếu trong bán dâñ. Kết luận chương 1

Chương 2: Các nghiên cứu vềkhuếch tán trong tinh thể Germanium. 2.1. Các đaịlương̣ nghiên cứu trong hiêṇ tương̣ khuếch tán 2.2. Các nghiên cứu lí thuyết

Kết luận chương 2

Kết luận chung

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 Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

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,…

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 ô cơ sở có 8 nguyên tử Ge, mỗi nguyên 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 ô cơ sở (còn gọi là hằng số mạng tinh thể) ở 298K là a _o = 5,43 A .

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 (còn gọi là hốc hay kẽ hở mạng) trong đó 4 hốc nằm trên bốn đường chéo chính đối diện với các nguyên 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 nguyên tử Ge và do đó có thể chứa khít một nguyên 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). 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 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 nguyên tử Zn xung quanh.

Chú thích:

Lưu huỳnh (S)

Kẽm (Zn)

1.2. Các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

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 thông 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 công 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 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 công 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, phương pháp cấy ion, phương pháp khuếch tán,…

So với các phương pháp khác thì phương pháp khuếch tán có nhiều ưu điểm như không 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 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 nanô, nanô 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 nguyên tử nhất định nào đó trong một môi 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 đươc̣ 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 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, quang, … của chất ban đầu. Nếu chính các nguyên tử vật chất của môi trường gốc khuếch tán trong chính môi trường vật chất đó, người ta gọi đó là sự tự khuếch tán. Ví dụ như chính nguyên tử Ge khuếch tán trong tinh thể Ge.

1.3.2. Các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong bán dẫn Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

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.

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 khuếch tán chủ yếu

Với tinh thể Ge, theo các nghiên cứu trước nay, cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thể Ge là cơ chế nút khuyết (cơ chế vacancy). Các nghiên cứu này sẽ được chúng tôi trình bày trong chương 2 của khóa luận.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương này chúng tôi đã trình bày đươc̣ 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 thểbán dẫn.

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ Ge

2.1. Các đaị lương̣ nghiên cứu trong hiêṇ tương̣ khuếch tán Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

Có thể nói, lí thuyết khuếch tán bắt đầu ra đời sau khi các kết quả của 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 ông 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

Từ (2.1) suy ra thứ nguyên của hệ số khuếch tán D là cm²/s. Dấu “ – ” biểu thị sự khuếch tán theo chiều giảm dần của nồng độ.

Định luật Fick II: Tốc độ thay đổi nồng độ chất khuếch tán tỷ lệ thuận với đạo hàm bậc hai của nồng độ theo tọa độ không gian

Định luật Fick I và định luật Fick II chỉ mô tả quá trình khuếch tán trên cơ sở hiện tượng luận. Chính vì thế, lí thuyết khuếch tán mô 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 toán 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]: 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, k_B là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối và D_i là hệ số khuếch tán thuần không phụ thuộc vào nồng độ tap̣ chất.

Khi khuếch tán với nồng độ pha tạp cao, hệ số khuếch tán lúc đó sẽ là chứ không phải D_i. Ở nồng độ tạp cao, giá trị của D₀ được giả thiết là không phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Giả thiết này có thể chấp nhận được vì

Do tỉ lệ với tích của tần số dao động mạng và bình phương khoảng cách giữa hai nguyên tử gốc mà những đại lượng này lại biến đổi rất ít. Thực tế, nồng độ nguyên tử tạp cao làm cho mạng tinh thể bị co lại hoặc dãn ra tùy thuộc vào bán kính nguyên tử tạp bé hơn hoặc lớn hơn bán kính nguyên tử mang̣ gốc. Không những thế nó còn 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 nguyên tử gốc bị yếu đi. Sự co dãn mạng cũng có thể làm cho hàng rào thế năng biến dạng không còn biến đổi tuần hoàn 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:

Trong khóa luâṇ 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 nồng độ nguyên tử gốc (tức là nhỏ hơn 10¹⁸ nguyên 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 quá trình kích hoạt bằng nhiệt độ sẽ tuân theo định luật Arrhenius được mô tả theo phương trình (2.3) trong Si phụ thuộc vào nồng độ .

Dưới đây, chúng tôi giới thiệu môṭ số nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm về sự tư ̣khuếch tán vàkhuếch tán của các tap̣ chất trong tinh thểbán dâñ Ge. Vì nó là đối tượng chính của đềtài khóa luâṇ và cũng là đối tượng được nhiều nhàkhoa học nghiên cứu.

2.2. Các nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge) 

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 thểbán dâñ nói chung vàtinh thểGe 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 Theory-DFT). 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 không 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 địa phương (Local-Density Approximation – LDA), phương pháp Gần đúng građiên suy rộng (Generalized Gradient Approximation – GGA), phương pháp Sóng phẳng giả thế (Pseudo-potential plane-wave – PPPW),…Trong quá 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 cứu nhiều pha vật liệu khác nhau, có thể được sử dụng để mô hình hóa các vật liệu không 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 toán nhờ sử dụng các giả thế thích hợp. Tuy nhiên phương pháp này cũng còn một số hạn chế như: Khả năng tính toán 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 gần đây, một phương pháp thống kê mới gọi là phương pháp thống kê mômen đã được áp dụng nghiên cứu thành công 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 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. Nhiều tác giả cũng đa ̃áp dung̣ phương pháp này đểnghiên cứu sư ̣tư ̣khuếch tán vàkhuếch tán của các tap̣ chất trong tinh thểbán dâñ cócấu trúc kim cương như Si và Ge. Những nghiên cứu gần đây nhất phải kểđến lànghiên cứu của nhóm tác giảtrong công tri_̀nh [3], nghiên cứu ảnh hưởng của nhiêṭđô ̣lên sư ̣tư ̣khuếch tán trong tinh thểGe bằng phương pháp thống kê mô men. Các tác giảđa ̃ nghiên cứu sư ̣tư ̣khuếch tán trong tinh thểGe theo cơ chếnút khuyết. Kết quả thu đươc̣ của nhóm tác giảđươc̣ tri_̀nh bày trong Bảng 1 cho thấy năng lương̣ ki_́ch hoaṭ thay đổi rất it_́ theo nhiêṭđô,̣ trong khi hê ̣số khuếch tán laị tăng manḥ theo nhiêṭđô ̣vàchỉđáng kểở vùng nhiêṭđô ̣cao gần nhiệt đô ̣nóng chảy của Ge.

Tiếp tuc̣ áp dung̣ phương pháp thống kê mô men, trong [4, 5] các tác

Khi nhiệt độ ̣không đổi, năng lương̣ kich_́ hoaṭQ tăng theo biến dạng nén vàgiảm theo biến dang̣ kéo (Bảng 4), còn hê ̣sốkhuếch tán D giảm theo biến dang̣ nén vàtăng theo biến dang̣ kéo (Bảng 5) [5]. Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

Trong công tri_̀nh [6], nghiên cứu enthalpy ki_́ch hoaṭ của tap̣ chất khuếch tán trong tinh thểGe theo cơ chếnút khuyết bằng Lýthuyết hàm mâṭ đô ̣(Density Functional Theory – DFT), các tác giảđa ̃xác đinḥ đươc̣ enthalpy ki_́ch hoaṭcủa các tap̣ chất khuếch tán trong Ge lần lươṭ là: Al là2,86 (eV), Ga là2,94 (eV), In là2,79 (eV), Si là3,17 (eV), Sn là3,26 (eV), P là2,98 (eV), As là2,64 (eV) vàSb là2,41 (eV).

Trong công tri_̀nh [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 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 tri_̀nh này, các tác giảđa ̃sử dụng cấu trúc dị hướng đồng vị Ge (đồng vị ổn định), được chế tạo bởi chùm phân tử enthalpy (Molecular Beam Epitaxy – MBE).Trong cấu trúc đồng vị dị hỗn hợp của một nguyên tố hóa học. Cho đến gần đây, một số lượng đáng kể Ge thuần túy được làm giàu hơn về mặt hóa học đã có sẵn, làm cho sự tăng trưởng của các cấu trúc như vậy có thể có. Hình 2.2 cho thấy sơ đồ của các mẫu cụ thể được sử dụng trong công nghệ này. Sau khi ủ, các đồng vị tự 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

Sự liên kết giữa các đồng vị Ge diễn ra tại mẫu đồng vị bên trong tinh thể, không bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng có thể xảy ra trên bề mặt (ví dụ như quá trình oxy hóa, vết bẩn và tạp chất) gặp phải trong kỹ thuật thông thường.

Một mẫu Ge bao gồm năm đồng vị được ủ ở một nhiệt độ ổn định, nồng độ ban đầu của các lớp khác nhau tương ứng của chúng khác nhau. Sau khi ủ, cấu hình trung tâm của từng đồng vị trong năm đồng vị có thể được tách riêng để có được thông tin năm giá trị cho mỗi nhiệt độ ủ.

Trong các tài liệu về khuếch tán, có hai loại cơ chế khuếch tán chủ yếu là cơ chế nút khuyết và cơ chế xen kẽ.. Cơ chế nút khuyết, được mô tả trong Hình 2.3 là kiểu phổ biến nhất của khuếch tán trong Ge. Nó kiểm soát không chỉ sự tự khuếch tán của Ge mà còn kiểm soát của tất cả các kim loại, và mang lại những đóng góp chính cho sự tự khuếch tán trong bán dẫn Si ở nhiệt độ dưới 1000 ^o C Mẫu duy nhất được sử dụng trong thí nghiệm được tạo ra bởi MBE, trên bề mặt của chất nền tự nhiên, bề mặt của lớp đệm 23 nm được lắng đọng (cùng vật liệu như lớp giàu đẳng hướng đầu tiên) với một đoạn nhiệt độ trong trình oxy hóa hoặc ô nhiễm. Mặc dù các mẫu được giữ trong chân không

Ôxít bay hơi ở nhiệt độ cao, có nghĩa là một phần nhất định của lớp trên cùng bị mất trong quá trình ủ. Tuy nhiên, vì quá trình tự khuếch tán phân tích trong công việc này diễn ra bên trong tinh thể ở mặt đẳng hướng, quá trình oxy hóa bề mặt không được mong đợi làm thay đổi đáng kể sự khuếch tán bên trong mẫu. Để đảm bảo các chỉ số nhiệt độ chính xác, các ống và cặp nhiệt điện được giữ trong một thùng chứa than chì bên trong lò sưởi. Bộ điều khiển nhiệt độ cho phép biến đổi nhiệt độ 1-2 ^o C .

Việc ghi lại độ sâu nồng độ của tất cả năm đồng vị Ge ổn định được thực hiện với SIMS. Các cấu hình điển hình của một mẫu của phần khuếch

Sự khuếch tán trong các tinh thể xảy ra khi các nguyên tử nhảy giữa các vị trí khác nhau trong mạng tinh thể. Về nguyên tắc, có nhiều khả năng cho những bước nhảy như vậy (các vị trí thay thế hoặc xen kẽ, vị trí nút khuyết,

Trong tinh thể Ge, người ta thấy rằng quá trình duy nhất có ý nghĩa cho việc di chuyển các nguyên tử Ge là thông qua cơ chế nút khuyết. Trong trường hợp này hệ số tự khuếch tán DSD có thể được viết dưới dạng biểu thức Arrhenius là entropy tự khuếch tán và trong đó f là hệ số tương quan (f = 1 / 2 cho cơ chế nút khuyết trong mạng kim cương), là tần số cố định, g là hệ số cấu trúc  (g = 1/8 cho cơ chế nút khuyết trong Ge) và a là hằng số mạng; k là hằng số Boltzmann. Enthalpy H_SD và entropy S_SD phụ thuộc vào sự hình thành ( kí hiệu là F) cũng như sự di chuyển ( kí hiệu là M) của cơ chế nút khuyết nhất. Phương trình (2.5) sau đó cho phép chúng ta xác định enthalpy HSD và entropySSD tự khuếch tán được suy ra bằng phương trình (2.7).

Giải phương trình khuếch tán của Fick một cách cụ thể (Hình 2.1), chúng ta thu được nồng độ ci nguyên tử của một đồng vị Ge trong đó h là độ dày lớp mẫu vật (khoảng 100 hoặc 200 nm ), và là các nồng độ ban đầu của đồng vị i trong lớp Ge được làm giàu được làm giàu ở bề mặt tương ứng. Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)

Hình 2.6 biểu thị cả kết quả của các bài viết trước đó.

Hợp với các giá trị đã tìm ra trước đây. Các kết quả này có thể được tóm tắt như sau:

Enthalpy H_SD tự khuếch tán là 3.0 eV. Kết quả này phù hợp với các giá trị được công bố trước đây là 2,95 – 3,14 eV. Hệ số trước hàm mũ Do là trị được công bố trước đây là 0,78 − 4, 4.10 ⁻³ m ²s⁻¹ .

Ge ở nhiệt độ thấp, các tác giảđa ̃dùng phép đo phản xa ̣neutron (Neutron Reflectometry – NR) đểnghiên cứu sư ̣tư ̣khuếch tán trong nhiều lớp tinh thể Ge ở nhiêṭđô ̣từ 429°C đến 596°C. Bằng phương pháp này, từ các dữ liệu thưc̣ nghiêṃ. Ở nhiệt độ cao, độ khuếch tán phù hợp với các sốliêụ thu được bằng kỹ thuật tán xạ phân tử.

Tóm lại, các tác giả đã đo được sự tự khuếch tán trong nhiều lớp đa tinh thể Ge kết tinh ở nhiệt độ từ 429°C đến 596°C bằng cách sử dụng số khuếch tán thấp như vậy dẫn đến độ dài tán xạ dưới 1 nm cho thời gian khuếch tán thực tế khó có thể tiến hành bằng kỹ thuật tán xạ chùm ion. Các dữ liệu tự phân tán Ge được đưa ra trong tài liệu và trong nghiên cứu này được mô tả chính xác với một enthalpy kích hoạt đơn lẻ Q = 3,13 eV và hê ̣số

Từ hi_̀nh ve ̃cho thấy hê ̣sốkhuếch tán giảm khi áp suất tăng. Kết quả cũng chỉra rằng cơ chếnút khuyết cũng làcơ chếchủđaọ trong sư ̣khuếch tán của As vào Ge.

Trong công tri_̀nh [10], nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ và chất thêm vào lên sự tự khuếch tán trong Ge. Các tác giả đã ̃sử nguyên tử). Các phép đo độ phụ thuộc vào chất thêm vào được đo ở 973K cho thấy độ khuếch tán tăng với xúc tác n và giảm với xúc tác p. Điều này ủng hộ quan điểm cho rằng sự tự khuếch tán trong Ge đi theo cơ chế nút khuyết và hoạt động của cơ chế nút khuyết đã được thừa nhận. Các phép đo phụ thuộc vào áp suất của độ khuếch tán trong các vật liệu pha tạp được thực hiện ở 973K, cho thấy thểtích kích hoạt lớn hơn khi thêm chất thêm vào p so với

TIỂU KẾT CHƯƠNG 2

Các đaị lượng đươc̣ nghiên cứu trong hiêṇ tương̣ khuếch tán như năng lương̣ ki_́ch hoaṭQ, hê ̣sốkhuếch tán D.

Tri_̀nh bày môṭ số kết quả nghiên cứu li_́thuyết vềsư ̣tư ̣khuếch tán và khuếch tán của các tap̣ chất trong tinh thểGe dưới ảnh hưởng của nhiêṭđộ, áp suất và chất thêm vào

Tri_̀nh bày môṭ số kết quảnghiên cứu thưc̣ nghiêṃ vềsư ̣tư ̣khuếch tán vàkhuếch tán của các tap̣ chất trong tinh thểGe dưới ảnh hưởng của nhiêṭđộ, áp suất và chất thêm vào

KÊT LUẬN 

Sau khi tìm hiểu về một số nghiên cứu về sự khuếch tán và tự khuếch tán của các tạp chất trong tinh thể Ge thì khóa luận đã tổng hợp được sơ lược về chất bán dẫn và cơ chế khuếch tán chủ yếu trong sự tự khuếch tán và khuếch tán của các tạp chất trong tinh thể Ge là cơ chế nút khuyết.

Cụ thể:

Cấu trúc tinh thể của bán dẫn nói chung và tinh thể Ge nói riêng. Bên cạnh đó là các ứng dụng quan trọng của vật liệu bán dẫn và các cơ chế khuếch tán chủ yếu trong tinh thểbán dẫn.

Các đaị lương̣ đươc̣ nghiên cứu trong hiêṇ tương̣ khuếch tán như năng lương̣ ki_́ch hoaṭQ, hê ̣sốkhuếch tán D. Tri_̀nh bày môṭsốkết quả nghiên cứu li_́thuyết và thực nghiệm vềsư ̣tư ̣khuếch tán vàkhuếch tán của các tap̣ chất trong tinh thểGe dưới ảnh hưởng của nhiêṭđộ, áp suất và chất thêm vào. Khóa luận: Sự tự khuếch tán và khuếch tán trong Germaniun(Ge)