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随着半导体技术的不断发展,硅基电子元件的集成化程度越来越高,尺寸越来越小,因此人们迫切需要建立可在平衡及非平衡条件下能够更加精确描述为提高硅基电子元件电学性能而引入的掺杂原子在亚微米甚至纳米尺度扩散行为的扩散模型。然而,由于实验技术的限制,人们仍未完全建立关于掺杂原子在硅基体中扩散机理的清晰共识,甚至对最基本的晶体硅自扩散行为的解释也是众说纷纭、各执一词。作为一种新的研究方法,第一原理的计算模拟赋予了人们在原子尺度理论研究硅基材料中掺杂扩散或自扩散现象的能力,从而使得人们得以充分理解、掌握或更加接近潜藏于这些扩散现象背后的扩散机理。在本文中,我们在密度泛函理论的框架内对硅基体中部分类型的点缺陷的扩散行为进行了深入而细致的研究,力求建立清晰的关于这些点缺陷扩散机理的物理画面。其主要内容包括以下三个方面：
首先,我们对主要的p型掺杂元素硼在晶体硅中的本征扩散行为进行了研究。通过对其扩散路径的确定,我们不仅确认了硼在晶体硅中的扩散机理,同时还对它以Arrheninus关系式表述的扩散系数表达式中的各参数进行了计算,从而得到了在有限温度下硼在晶体硅中的本征扩散速率和本征扩散系数。计算所得的扩散参数和动力学扩散系数与实验值有很好的一致性。这种很好的一致性同时也证实了硼在晶体硅中以推填子方式的间隙扩散机制进行扩散。同样重要的是,这一部分的工作提供了一种直接的、令人鼓舞的计算方法,它可用来预测有限温度下掺杂原子在晶体硅中的动力学扩散系数和关于掺杂原子的其它物理学性质。
其次,意识到晶体硅本征点缺陷对晶体硅内掺杂原子扩散行为的重要影响,我们追本溯源,同样采用第一原理方法仔细研究讨论了在有限温度下潜藏于晶体硅自扩散现象背后的对晶体硅自扩散行为起主导作用的本征点缺陷状态。我们提出了一种可信的自扩散模型,在这种自扩散模型中,间隙硅原子和硅空位分别在1220 K温度上、下主导着晶体硅的自扩散行为。同时,我们的计算还指出,在高低温下间隙硅原子和硅空位均以同一种形式一单点缺陷而非扩展点缺陷的形式,对晶体硅的自扩散行为起着作用。此外,我们还给出了有价值的关于点缺陷能级和平衡浓度的信息,这些信息不仅有益地澄清或补充了我们对晶体硅内点缺陷能级和平衡浓度的认识,而且也使得人们可以推断在p型或n型掺杂时晶体硅中存在的主要点缺陷的状态。
最后,在Car-Parinello分子动力学的框架内,我们将硅基材料中点缺陷扩散行为的研究扩展到非晶硅系统中。由于非晶硅所特有的、截然不同于晶体硅的构形和本征点缺陷,硼原子必然以一种不同于在晶体硅中的扩散方式在非晶硅中进行扩散。我们的研究发现,在非晶硅中,硼原子配位数为4的状态才是其稳定态。当硼原子处于较浅势阱时,硼原子周围浮键的涨落会辅助硼原子的扩散。在这一过程中,硼原子通过捕获和释放相应的浮键得以在两个相近的配位数为4的稳定位置间发生跃迁扩散,硼原子所处中间态配位数可以是5也可是3;在扩散一定距离后,这些硼原子又会陷入深约为1.1-1.8 eV的势阱中。我们提出的关于硼原子在浮键帮助下的扩散机理以及硼原子在扩散一定距离又陷于深势阱的动力学特性很好地解释了实验所观察到的硼原子在非晶硅中的瞬时扩散现象和其扩散率随时间减小的非Fick行为。