For device applications, it is necessary to generate charge carriers such as electron and hole, usually generated by impurity doping. However the doping efficiency is low in nanowires (NWs) and nitrides due to several reasons, thus a comprehensive theoretical study is required. In this thesis, the stability and the electronic properties of dopants and defects in NWs and nitrides are investigated by using the first-principles density functional total energy calculations. An introduction of the thesis and theoretical background of the calculation methods are presented in the first and the second chapter, respectively.
In the third chapter, the origin of intrinsic hole carriers in Ge/Si core-shell NWs is investigated. As the diameter of NWs and/or the Ge core increase, the lowest unoccupied defect levels of the Si dangling bond and substitutional Au become closer to the valence band edge. The reason is attributed to the reduced quantum confinement effect and the valence band offset between Ge and Si. As a result, the defects located at the Si shell of the Ge/Si NWs induce the hole carriers which are confined to the Ge core. As the hole carriers are separated from the charge traps, the mobility is expected to be enhanced as compared to Si and Ge NWs.
In the fourth chapter, the stability of the donor-pair defects in Si1-xGex alloy NWs are investigated. The stability is enhanced as the Ge concentration increases, resulting in the lower doping efficiency in Si1-xGex alloy NWs. The effects of reduced dimensionality, Ge chemical bonding, and strain on the stability of donor-pair defects in alloy NWs are discussed.
In the fifth chapter, the stability of interstitial hydrogen and the energy barriers for H diffusion in Mg doped p-type GaN are investigated. Using the results for the energy barriers and diffusion paths for H diffusion as input, kinetic Monte Carlo simulations are performed to examine the thermal stability of hydrogen. The annealing temperature for complete out-diffusion of hydrogen increases with the Mg concentration due to re-trapping of hydrogen.
In the last chapter, the structural and electronic properties of Mg dopant in nitride alloys are investigated. Mg tends to occupy the lattice site surrounded with more Al and less In atoms, and the Mg acceptor level is closely related to the site preference of the Mg dopant. It is shown that p-type doping efficiency in AlInGaN alloy can be improved as compared to GaN and AlGaN alloy.
제 1장에서 설명한 바와 같이, 본 박사학위 논문에서는 제일원리 연구를 통하여 반도체 나노와이어와 질화물에서 도판트와 결함의 특성을 연구하였다.
제 2장에서는 연구에서 사용한 제일원리 쑤도포텐셜 총에너지 방법을 설명하였다.
제 3장에서는 Ge/Si core-shell 나노와이어에서 도핑을 하지 않아도 정공이 생성되는 현상과 그 이유에 대해 논하였다. 나노와이어의 전자 구조와 dangling bond, 치환형 Au 결함의 전기적 특성을 설명하였다. Si 나노와이어에서는 두 결함의 비어있는 준위들이 deep해서 전기적으로 중성을 띄지만, Ge/Si 나노와이어에서는 valence band edge에 가까워 전자를 빼앗아 나노와이어에 정공을 생성할 가능성이 있음을 보였다. 이렇게 생성된 정공들은 Ge core을 따라 흘러 표면에 위치하는 결함들과 멀리 떨어져 있으므로, 높은 전기 전도도를 보이게 된다. Ge 나노와이어에서 결함 준위들은 Ge/Si 나노와이어에서보다 valence band edge에서 더 높게 있으며, 정공이 생성되더라도 band가 휘어 정공이 전자를 빼앗은 결함과 가까운 표면에 몰리게 됨으로써 전기 전도도가 나빠지게 된다.
제 4장에서는 Si1-xGex alloy 나노와이어에서 donor-pair 결함의 안정성을 논하였다. Donor-pair 결함은 두 개의 donor 원자들이 인접해 있는 구조이다. 나노와이어에서는 이 결함의 anti-bonding 준위가 밴드 갭 안에 위치하여, 결함이 3차원 bulk 구조에 비해 더 잘 생성되게 된다. Si1-xGex alloy 나노와이어에서는 Ge 비율이 높아질수록 conduction band minimum의 위치가 진공 대비 높아져 전자의 에너지 gain이 커지고, 격자 상수가 커져 결함에 의한 주변 구조 변화가 줄어들어, Si 나노와이어에서와 비교했을 때 donor-pair 결함이 더 잘 생기게 된다.
제 5장에서는 Mg dopant 주변에서 수소 원자의 안정성을 논하였다. Mg은 p-type dopant로 쓰이나, 수소 원자가 있으면 중성 상태의 complex defect을 이뤄 hole을 내놓지 못하게 된다. Thermal annealing을 통해 수소 원자를 제거하는데, 계산과 실험에서 확산 장벽값이 차이를 보였었다. LDA보다 band gap을 정확히 기술하는 hybrid density functional 계산을 수행하여 Mg-H complex의 binding energy가 기존에 계산된 0.6 eV보다 높은 0.8 eV 정도임을 얻었고, 실험값과 잘 일치하는 migration barrier energy (1.88 eV) 를 얻었다. kMC simulation을 통해 Mg을 활성화하려면 800도 이상의 annealing temperature가 필요하며, Mg의 농도가 높아질수록 이 값이 증가함을 보였다.
제 6장에서는 질화물 alloy에서 Mg dopant의 안정성과 acceptor level의 변화를 살폈다. Mg dopant는 In 원자에 덜 둘러싸이는 것을 선호하였는데, 이는 In 원자가 커 Mg과 결합하고 있는 N 원자를 밀어내 Mg 원자를 불안정하게 만들기 때문이다. Al 원자는 반대로 N 원자를 잡아당겨 strain energy를 해소하고, 결과적으로 Mg dopant가 안정해졌다. Mg acceptor level은 Mg이 안정해질수록 더 낮아졌다. Mg이 Al에 더 많이 둘러싸이도록 Al 및 In 조성비를 조절하면, 비슷한 band gap을 갖는 GaN 및 AlGaN에 비해 더 낮은 acceptor level을 얻을 수 있음을 보였다.