On the basis of first-principles calculations, we present a structural model for the formation of H-induced (111) platelets in Si, which involves a structural transformation from a double-layer-$H_2^*$ configuration of $H_2^*$ aggregates into an H-saturated internal (111)-surface structure. This reaction process preferably occurs at high H plasma treatment temperatures, and subsequently generates H$_2$ molecules in the platelet voids, consistent with experiments. Our model also reveals the important features observed in (111) platelets, such as HRTEM images, step structures, lattice dilation lengths, and H vibrational frequencies.
In GaAs, we find that substitutional nitrogens act as hydrogen traps, forming N-H complexes. For low H concentrations, we propose the formation of N-monohydride complexes, where H is positioned at a bond-center site between the N and one of the neighboring Ga atoms, explaining various experimental features such as the Fermi level dependence of the formation of N-H complexes, H vibrational frequencies, isotope shift, and photoconversion of the complexes. For very high H concentrations, the energetically favorable structure is a N-dihydride complex, which corresponds to a configuration of $H_2^*$ in the vicinity of N. This N-dihydride complex is optically inactive, suppressing N-related photoluminescence lines in N-containing GaAs, and induces a blue shift of the band gap in $GaAs_{1-x}N_x$ alloys.
We investigate the stability of wurtzite and rocksalt $Mg_xZn_{1-x}O$ random alloys using a first-principles pseudopotential method within the local-density-functional approximation. From the calculated cohesive energies for Mg$_x$Zn$_{1-x}$O alloys in both the wurtzite and rocksalt structures, we find that the wurtzite phase is only stable for x＜0.375. We propose that the solubility limit of Mg in wurtzite $Mg_xZn_{1-x}O$ alloys is about x = 0.375, close to the experimentally measured value of x = 0.33. The band gap ($E_{gap}$) is found to increase almost linearly with the Mg composition for x＜0.5, with the coefficient of $dE_{gap}/dx$ = 2 eV.
We study donor-pair defects in Si bulk and at $Si/SiO_2$ interface through the first-principles pseudopotential calculations. The formation energies for various configurations of donor-pair defects are calculated. We find that the nearest-neighbor donor-pair defects show bistability; the two dopant atoms at the nearest-neighbor sites each other with four-fold coordinations ($d_1$) and them with three-fold coordinations (DP1). We find that the nearest-neighbor $d_1$ and DP1 defects are more stable than the previously suggested DP2 and DP4 defects, in which the two donors are located at the second- and fourth-nearest-neighbor sites, respectively. At $Si/SiO_2$ interface, the DP1 defect is found to be more stabilized, as compared to that in bulk Si.
제일원리 쑤도포텐셜방법을 사용하여 실리콘에서 수소에 의해 생성된 (111) 평면결함의 생성에 관한 구조적인 모델을 제시하였다. 그 생성 모델은 $H_2^*$ 집합체의 일종인 이중 레이어 $H_2^*$ 평면결함 구조에서 H가 결합된 내부 (111) 표면 구조로 구조적 전이를 포함한다. 이 반응은 높은 수소 플라즈마 온도에서 잘 일어나며 평면결함 내부에 형성된 빈공간에 H$_2$ 분자를 포함시키게 된다. 이 모델은 고분해능 투과 전자 현미경 이미지와 계단 구조, 격자 늘어남 길이, 수소의 진동모드와 같은 (111) 평면결함에 대해 실험적으로 관찰된 중요한 사실들을 잘 설명한다.
한편, GaAs에서 치환결함인 N이 H의 트랩으로 작용한다는 사실을 제일원리 이론 계산을 통해 발견하였다. 낮은 N 농도에서는, N-monohydride 복합체가 형성되며, 높은 N 농도에서는 N-dihydride 복합체가 형성됨을 제안하였다. N-monohydride 복합체의 구조는 H이 N과 이웃한 Ga의 결합 중심 위치에 존재하는 구조임을 밝혔다. 이 구조는 실험적으로 관찰된 N-H 복합체의 페르미레벨 의존성과 H 진동모드와 동위원소에 의한 진동모드 변화, 그리고 빛에 의한 복합체의 성질 변화를 잘 설명한다. 높은 H 농도에서 형성될 수 있는 N-dihydride 복합체의 구조는 $H_2^*$ 복합체가 N 근처에 존재하는 $N-H_2^*$ 구조임을 발견하였다. $N-H_2^*$ 구조는 광학적으로 불활성이다. 이는 N을 포함하는 GaAs에서 N관련 발광선을 약화시키며 $GaAs_{1-x}N_x$ 합금의 밴드갭의 증가시키는 효과를 가져온다.
$Mg_xZn_{1-x}O$ 합금의 wurtzite 구조와 rocksalt 구조의 상대적인 안정성을 조사하였다. 계산된 응집에너지로 부터 wurtzite 구조는 Mg 성분비(x)가 0.375 보다 작을 경우만 안정하다는 사실을 발견하였다. 이로 부터 wurtzite 구조의 $Mg_xZn_{1-x}O$ 합금에서 Mg의 최대 융해도가 대략 0.375임을 제안하였다. 이는 실험적으로 관찰된 최대값인 0.33과 근사한 값이다. 또한 $Mg_xZn_{1-x}O$ 합금의 밴드갭은 Mg 성분비가 0.5보다 작을 때 거의 선형적으로 증가하며 증가 계수는 대략 $dE_{gap}/dx$ = 2 eV임을 알 수 있었다.
제일원리 쑤도포텐셜 방법을 사용하여 bulk Si과 $Si/SiO_2$ 계면에서의 donor-pair 결함에 대해 조사하였다. 여러 donor-pair 구조에 대해 형성에너지를 계산하였다. Nearest-neighbor donor-pair 결함이 이중안정성을 갖는 다는 사실을 발견하였다. 안정한 구조 하나는 nearest-neighbor에 두개의 donor가 위치하면서 four-fold coordination을 갖는 $d_1$ 구조이며, 다른 하나는 nearest-neighbor에 위치하여 three-fold coordination을 갖는 DP1 구조이다. 이들 $d_1$과 DP1 구조는 기존에 제안되었던 DP2와 DP4 보다 더 안정하다는 사실을 발견하였다. Si/SiO$_2$ 계면에서는 DP1 결함이 bulk Si에 비해 더욱 안정화된다는 사실을 발견하였다.
