We perform first-principles pseudopotential calculations to study the growth mechanism of cubic GaN film, the ferromagnetism of Co-doped ZnO nanowires, and the defect properties of high-k gate oxides. First, we investigate the effect of Mn delta-doping on the stability of the two polytypes, wurtzite and zinc-blende, of GaN. The total energy difference between the ZB and WZ structures decreases as the concentration of Mn increases and a phase transition from wurtzite to zinc-blende occurs at the Mn concentration of x=0.27 in Mn delta-doped GaN in GGA calculations, while the critical Mn concentration increases to 0.47 in $GGA+\It{U}_d$ calculations. As charge densities around the MnN off-bonds in the WZ structure is higher than for the ZB structure, repulsive interactions between off-bonds increase and weaken the attractive interactions between the GaN bilayers. Using a slab geometry of hexagonal lattices, we find that it costs a very high energy to form inversion domains with Mn exposure, in contrast to Mg doping. As a result of testing the various staking, we find that a stacking fault, which generates cubic bonds, happens easier on the Ga-polar surface than for the N-polar one and the Mn delta-doping helps to make a stacking fault in Ga-polar surface but since the cubic bonds can be formed only in the GaN layers adjacent to the Mn layer, the cubic phase can not occur globally. We note that the Mn layer remaining on the surface is energetically more stable than in the bulk GaN with Ga-polarity, suggesting that Mn may act as a surfactant during the crystal growth of GaN and stabilize the ZB phase globally. We investigate the stability of the zinc-blende (ZB) phase in GaCrN, GaMnN and GaFeN alloys. The GGA calculations show that the ZB phase can be stabilized when the concentrations of the Cr and Mn ions are larger than 21 and 27% in GaCrN and GaMnN alloys, respectively. In GaFeN alloys, the stabilization of the ZB phase occurs at a much higher concentration of the Fe ions. If strong on-site Coulomb repulsion (U) is included, the ZB phase can not be stabilized for all Fe concentrations. We also study the effects of electron and hole doping on the stability of the ZB phase in GaMnN alloys, and find that the critical concentration is reduced to 13% by doping one electron per Mn ion, while hole doping with a hole per Mn ion does not much affect the critical concentration.
Next, we study magnetic properties of zinc-oxide nanowires (NWs) doped with cobalt atoms. In both bulk and NW structures of ZnO doped with Co, antiferromagnetic states are more stable due to the superexchange interaction, while ferromagnetic states are stabilized by additional electron doping, increasing the double exchange interaction. As compared with the case for n-type bulk ZnO, it is energetically more favorable for Co atoms to have ferromagnetic coupling in n-type ZnO NWs. It is because the ferromagnetic stability by electron doping is greatly enhanced due to the quantum confinement effect in nanostructures, which leads to the increase of band gap and thereby the more electron doping on the down-spin $\It{t_a}$ states of Co atom. For non-passivated NWs, the formation of dangling bonds make the band gap smaller than for passivated NWs. Thus, the ferromagnetic stability is expected to be suppressed in non-passivated NWs since electrons are doped on both $\It{t_a}$ states and conduction bands. Finally, the magnetic interaction between Co atoms has a short range nature in both bulk and NW structures of ZnO, suggesting that sufficiently high concentrations of the Co ions are needed to achieve ferromagnetic ZnO NWs
Finally, we obtain quasiparticle energies within the GW method to study the charge-transition levels of the oxygen-related defects such as oxygen vacancy($V_O$) and oxygen interstitial($O_I$) in HfO$_2$. Both $V_O$ and $O_I$ have the negative-$\It{U}$ property, causing flat band voltage shifts and threshold voltage ($V_{th}$) instability in hafnium based devices. As the charge is transferred from the $V^0_O$ to $p^+$ poly-Si gate electrode, the Fermi level of Si gate is pinned at the (+2/0) transition level of $V_O$ due to the interface dipole, in good agreement with the experimental results. On the other hand, the existence of $O^{-2}_I$ by the charge transfer from $n^+$ poly-Si gate electrode to the defects can lead to the Fermi level pinning lower than the CBM of Si gate. By applying gate bias, $V_O$ or $O_I$ can traps electrons or holes from the Si channel, causing the $V_{th}$ instability. We suggest that the metastable $V^{-1}_O$ causes the short time-scale charge trapping/detrapping, while the stable $V^{-2}_O$ accounts for the long time-scale instability.
본 학위논문에서는 제일원리 계산을 통하여 입방구조 질화갈륨 박막 성장, 산화아연 나노선의 강자성 특성과 고유전체 게이트 산화물의 결함 특성이 연구되었다. 첫번째 장에서는 GaN 물질에서 Mn을 도핑하였을 경우 GaN의 구조가 어떻게 달라지는지 확인하였다. 순수한 GaN는 wurtzite(WZ) 구조를 가지는 반면, Mn을 델타도핑하였을 경우 그 농도가 27% 이상이 되면 zinc-blende(ZB) 구조가 안정화 되었다. 얇은 기판구조를 이용하여 GaN 표면에 Mn이 증착될 경우 Mg 경우와는 달리 inversion domain은 형성되지 않는 것을 확인했다. 그리고 Ga-polar 표면에 Mn이 증착될 경우 stacking fault를 유도하여 ZB 구조를 생성시켰다. 하지만 델타도핑된 Mn은 바로 인접한 두 층에만 영향을 미칠 수 있으므로 넓은 영역에서 ZB 구조가 나타나기 위해서는 Mn이 surfactant로 작용할 필요가 있는데, 실제 계산 결과 Mn은 GaN 표면에서 에너지가 가장 안정적으로 surfactant로서의 가능성을 보였다. 또한 Cr과 Mn, Fe이 주입된 GaN alloy에 대해서도 연구를 수행하였다. GGA 계산결과, Cr과 Mn의 농도가 각각 21과 27% 이상일 때 ZB 구조가 안정화되는 것을 보았다. 한편, Fe이 주입되었을 경우에는 매우 큰 농도에서 ZB 구조가 안정화되었다. GGA+U 계산을 수행한 결과, Cr과 Mn은 여전히 ZB 구조를 얻는데 효과적이지만, Fe을 사용하면 ZB 구조를 얻을 수 없음을 확인했다. 마지막으로 GaMnN alloy를 사용하여 전자와 양전자 도핑이 ZB 구조의 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과, Mn 당 전자 하나를 도핑하였을 경우 WZ에서 ZB로의 전이 농도가 13%로 줄어드는 것을 확인할 수 있었으며, 양전자를 도핑하였을 경우에는 전이 농도에 거의 영향을 주지 않는 것으로 확인됐다.
두번째 장에서는 Co를 ZnO 나노와이어에 도핑하였을 때 나타나는 자기적 특성에 대해서 연구하였다. ZnO 나노와이어에 Co를 도핑한 경우한 경우를 살펴보면, bulk의 경우와 마찬가지로 다른 결함이나 전하가 없을 때 superexchange interaction에 의해 반강자성 상태가 강자성 상태에 비해 안정적임을 알 수 있었다. 반면, 전하가 도핑되었을 경우, 강자성 상태가 안정화되는 것이 관측되었다. bulk ZnO와 비교해보면, 나노와이어의 경우에는 전자를 더 적게 도핑하여도 쉽게 강자성 상태를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. ZnO 나노와이어에서는 quantum confinement 효과에 의해서 밴드갭이 늘어나는데 그에 따라 Co의 minority $\It{t_a}$ 에너지레벨이 conduction band minimum(CBM) 부근으로 내려오게 된다. 따라서 같은 전자 농도에서 더 많은 전자가 효과적으로 minority $\It{t_a}$ 에너지레벨에 채워지게 되고, double exchange mechanism에 의해 강자성 상태가 안정화 된다. 한편, 표면에 dangling bond가 있는 나노와이어에서는 밴드갭 근처에 dangling bond와 관계된 레벨이 생성되고, 표면이 pseudo-H으로 처리된 경우와 비교하여 작은 밴드갭을 갖게 된다. 그래서 표면 처리가 안 된 나노와이어보다 표면 처리된 나오와이어에서 더 강한 강자성을 띨 수 있다. 마지막으로, 나노와이어에서 두 Co 원자 사이의 거리를 늘려 자기적 특성을 조사해 본 결과, Co 원자 사이의 자기 상호작용은 짧은 거리에서만 이루어지는 것을 확인했다.
마지막 장에서는 GW 방법을 통하여 $HfO_2$ 내의 산소 빈자리($V_O$) 결함과 격자간 산소($O_I$) 결함의 준입자 에너지를 구하고 이를 통해 전하 변이 수위(charge-transtiion level)를 조사하였다. 그 결과, 산소 관련 두 결함 모두 negative-U 특성을 가짐을 밝혔으며, $HfO_2$ 기반 소자에서 flat band voltage를 이동시키고, threshold voltage를 불안정하게 만들 수 있음을 알아냈다. GW 계산 결과, $\It{p+}$ poly Si을 게이트 전극으로 사용할 경우 $V^0_O$으로부터 Si 게이트으로의 전하 이동에 의해 Fermi level이 0.55 eV 위로 이동하여 flat band voltage를 변화시킬 수 있는 것이 확인되었으며, 이 것은 실험과도 잘 일치하는 결과이다. $\It{n+}$ poly Si을 게이트 전극으로 사용할 경우에는, 게이트와 결함간의 전하 이동에 의해 $O^{-2}_I$가 생성되고 이에 따라 Fermi level이 아래로 이동하여 flat band vltage를 변화 시킬수 있음을 알아냈다. 또한 게이트 전압에 따라서 $V_O$ 및 $O_I$ 결함은 전자나 양전자를 Si 채널로부터 트랩할 수 있는데, 이에 따라 threshold voltage를 불안정하게 만든다. 특히 NMOS 소자에서 짧은 시간에 나타나는 전하의 트랩/디트랩 현상은 준안정한 $V^{-1}_O$ 결함에 의한 것이고, 긴 시간에 걸쳐 나타나는 threshold voltage이 이동은 $V^{-2}_O$ 결함에 의한 것임을 알아냈으며, 트랩 에너지가 실험과 잘 일치하는 것을 확인했다.
