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Ab initio study of defects in compound semiconductors = 화합물 반도체의 결함에 대한 제일원리 연구
서명 / 저자 Ab initio study of defects in compound semiconductors = 화합물 반도체의 결함에 대한 제일원리 연구 / Sun-Ghil Lee.
저자명 Lee, Sun-Ghil ; 이선길
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1998].
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DPH 98014

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초록정보

We investigate the stability of carbon acceptors and defect complexes composed of carbon and hydrogen in GaAs through first-principles pseudopotential calculations. A carbon-hydrogen $C^{-}_As-(HC_As)^0$ complex with two $C_As$ atoms at second neighbor As sites is found to be energetically more favorable than the isolated configuration of $C^{-}_As$ and $H-C_As$. We also find that a $(H-C_As)_2$ complex containing two H atoms is more stable than two isolated $H-C_As$ pairs. Hydrogen dissociation from the $C_As^{-}-(HC_As)^0$ center upon annealing leads to the formation of a $C_As-C_As$ pair, and the $C_As-C_As$ complex subsequently dissociates into two isolated $C_As$ acceptors. Here we propose a dissociation process that involves a C-C split interstitial complex at an As site and a second neighbor As vacancy, with an energy barrier of about 1.7 eV which is similar to that for Zn diffusion. We investigate the atomic geometry and energetics of Cl-related defects in ZnTe through first-principles pseudopotential calculations. We find a new type of defect which results from large lattice relaxations, with $C_3v$ symmetry and triple broken bonds around the Cl impurity at a Zn sublattice site. The triple-broken-bond structure of $Cl_Zn$ behaves as an acceptor and this defect is more stable than the DX-like broken-bond state of $Cl_Te$. Thus, we suggest that the triple-broken-bond centers are very effective in donor compensation, particularly, in heavily Cl-doped ZnTe as well as in samples grown under Te-rich conditions. We calculate the defect formation energies and concentrations of native and Mg-related defects in wurtzite and zincblende GaN using a first-principles pseudopotential method. For both the wurtzite and zincblende structures, vacancies are found to be more stable than other intrinsic defects, such as interstitials and antisites. Under Ga-rich condition, the concentration of $V^+_N$ is estimated to be about $10^17cm^{-3}$ in the absence of other impurities such as Si and O, giving rise to n-type conductivity. As a p-type dopant, Mg has the low formation energy when occupying a Ga-sublattice site, while the formation energy of a substitutional $Mg_N$ is much higher due to the large strain energy caused by the difference of the covalent radii between N and Mg. In this case, the N vacancies significantly compensate for the Mg acceptors, especially, for Ga-rich condition. We investigate the origin of the broad luminescence observed around 2.7 - 2.9 eV in heavily Mg-doped GaN through first-principles pseudopotential calculations. We find that a defect complex composed of a Mg interstitial ($Mg_i$) and a N-vacancy ($V_N$) is responsible for the blue luminescence around 2.8 eV in heavily Mg-doped GaN. The formation of the $Mg_i-V_N$ complex is enhanced by hydrogenation and more preferable in p-type samples grown under Ga-rich conditions. Although this defect complex is easily passivated by three hydrogen atoms, thermal annealing recovers the activity of this complex and thereby increases the intensity of the blue luminescence.

제일원리 쑤도포텐셜방법을 사용하여 GaAs에서의 carbon (C) 억셉터와 C과 hydrogen(H)으로 이루어진 결함 화합체의 안정성에 대해 연구하였다. 이웃에 위치한 두 개의 $C_As$와 H로 이루어진 $C^{-}_As-(HC_As)^0$ 화합체는 따로 떨어져 있는 $C_As^{-}$ 와 $H-C_As$에 비해 더 안정하였다. 또한, $(H-C_As)_2$ 화합체도 두 개의 독립된 $H-C_As$ 쌍에 비해 더 안정하였다. 열처리를 하면 $C^{-}_As-(HC_As)^0$으로부터 H가 떨어져 나가게 되어 $C_As-C_As$ 쌍이 만들어 지는데, 더 나아가 이 화합체는 두 개의 독립된 $C_As$ 억셉터로 분리된다. 이 과정에서 C-C split interstitial 을 경유하는 새로운 C 확산 (diffusion) 메카니즘을 제시하였다. 이 메카니즘에 의하면 확산 장벽에너지(diffusion barrier)가 약 1.7 eV 정도 된다. II-VI 반도체인 ZnTe에 chlorine (Cl)이 도핑된 경우의 보정효과에 대한 연구를 수행하여 큰 격자이완에 의해 생기는 새로운 결함에 의해 $Cl_Te$ 도너가 보정됨을 알아내었다. 이 결함은 Zn 자리에 위치한 Cl 주위의 세 개의 본드가 $C_3v$ 대칭성을 유지하면서 끊어진 구조를 갖는다. $Cl_Zn$의 triple-broken-bond 구조는 억셉터로서 작용하며, DX center 모델인 $Cl_Te$의 broken-bond 구조에 비해 더 안정하였다. 특히 많은 양의 Cl이 도핑이 되었을 때, Te-rich 조건에서 triple-broken-bond 구조의 보정효과는 더 효과적임을 알아내었다. GaN의 내부결함과 Mg이 관계된 결함의 안정성을 살펴본 결과, 내부결함의 경우, wurtzite 와 zincblende GaN 모두에서 vacancy가 다른 내부결함들에 비해 더 안정함을 알 수 있었다. Ga-rich 조건에서 $V^+_N$ 의 농도는 약 $10^17 cm^{-3}$ 정도의 값을 갖게 되고, 이는 n 형 전도도를 야기한다. p 형 도펀트로서, Mg은 Ga 자리에 위치하였을 때 가장 안정하다. 반면 Mg과 N의 원자 반경의 차이가 크기 때문에, $Mg_N$은 큰 strain energy에 의해 높은 formation energy를 갖는다. Mg이 도핑되었을 때, $V^+_N$이 대부분의 $Mg^{-}_Ga$ 억셉터를 보정하게 된다. Mg이 도핑된 GaN에서 2.7 - 2.9 eV 에서 나타나는 청색 발광현상은 Mg interstitial ($Mg_i$)과 N vacancy ($V_N$)로 이루어진 결함 화합체 ($Mg_i-V_N$)가 만들어내는 것임을 제시하였다. $Mg_i-V_N$의 형성은 H passivation에 의해 더 조장될 수 있으며, 이는 Ga-rich 조건일 경우 더 효과적이다. H에 의해 passivation 된 이 결함 화합체는 열처리에 의해 활성화되고, 따라서 온도가 증가하면서 청색 발광은 더 강해지는 양상을 보이게 된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 98014
형태사항 viii, 77 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : A, Generation of norm-conserving pseudopotential. - B, Degect formation energy
저자명의 한글표기 : 이선길
지도교수의 영문표기 : Kee-Joo Chang
지도교수의 한글표기 : 장기주
수록잡지명 : "Atomic structure of defect complexes containing carbon and hydrogen in GaAs". Physical Review B. The American Physical Society, vol. 54, no. 12, pp. 8522-8526 (1996)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 Reference : p. 71-77
주제 Compound semiconductor
Defect
First-principles
Pseudopotential
화합물 반도체
결함
제일원리
쑤도포텐셜
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