Электронная структура субоксидов кремния SiOx: ab initio моделирование / Перевалов Т.В.

SiOx<2 является перспективным материалом для использования в качестве запоминающего слояячейки резистивной памяти (Resistive Random-Access Memory, RRAM) [1]. Несмотря на многочисленныеисследования SiOx, обусловленные его использованием в оптоэлектронных устройствах и солнечныхэлементах, электронная структура SiOx систематически не изучена. Чёткое понимание электроннойструктуры SiOx различного состава необходимы для контроля его свойств и оптимизации технологииRRAM на основе SiOx. Целью работы является исследование электронной структуры SiOx<2 с помощью abinitio моделирования.Моделирование проводилось в программном пакете Quantum ESPRESSO, основанном на теориифункционала плотности с корректным воспроизведением значений ширины запрещённой зоны. СтруктураSiOx моделировалась последовательным удалением атомов кислорода из 18-атомной суперячейки α-SiO2 споследующей полной структурной релаксацией. Критериями выбора атомов кислорода для удаления былиминимум полной энергии ячейки и равномерное уменьшение её объёма.Корректность расчётной методики подтверждаетсясогласием рассчитанных и взятых из литературыэкспериментальных зависимостей величины запрещённой зоны (Eg), а также показателя преломления (n) SiOx от величины x. Расчётное значение Eg = 8.0 эВ для SiO2 согласуется сизвестными из литературы данными, тогда как для чистого Siрасчёт переоценивает Eg, что объясняется использованием врасчётах точной структуры SiO2 и модельной для Si.Спектры парциальной плотности состояний SiOx,совмещённые по краю нижней (O2s) валентной подзоны на 18.3эВ ниже Ev для SiO2 (глубокие уровни наименее чувствительны катомному окружению), позволяют построить энергетическуюдиаграмму SiOx. Диаграмма построена сиспользованием факта, что Ev в аморфном (a-) и кристаллическом(c-) Si имеют энергию 5.2 эВ от уровня электрона в вакууме;Eg=1.1 эВ для с-Si и 1.6 эВ и для a-Si. Приведённая диаграммапозволяет оценить энергию потенциальных барьеров дляэлектронов (Фe) и дырок (Фh) на границе a-Si/SiOx и c-Si/SiOx дляразличных значений x. Уменьшение Eg при обогащении SiOxкремнием осуществляется за счёт примерно симметричногосдвига Ev и Eс в запрещённую зону SiO2. Верх валентной зоныSiOx формируется Si3p атомными орбиталями. Сдвиг Ev суменьшением параметра x можно объяснить тем, что добавление O в SiOx сопровождается увеличением энергии связующих орбиталей Si – Si связи.