Various physical properties of defects in semiconductors such as GaAs, InP, and ZnSe are studied through the first-principles pseudopotential calculation. For GaAs and InP, the structural stability and its pressure behavior of donor-induced defect states are examined. The atomic structure and the local vibrational mode of defects are also presented. The stability of donor impuritues are interpreted by the chemical bonding effects, which are associated with broken-bond and breathing-mode lattice relaxations. The calculated shallow-to-deep level transitions at high pressure are in good agreement with experimental results.
The compensation mechanism of acceptors in heavily doped GaAs and ZnSe is investigated. Calculating the formation energies of various defects, the defect and free hole concentrations are determined as a function of dopant concentration and stoichiometric condition. For a carbon (C) dopant in GaAs, the substitutional $C_{As}$ is found to be most stable, showing that C acts as an acceptor. The hole compensation and the diffusion mechanism of the C atom in the high doping regime are examined. The calculated maximum hole concentration is estimated to be about $10^{20}cm^{-3}$, in good agreement with experimental results. However, above this concentration, the acceptors are compensated by the [100]-split interstitial $(CC)_{[100]}$ complexes, which act as a donor. A new mechanism for the C diffusion process is proposed, accompanied with the formation and dissociation of the $(CC)_{[100]}$ complex, with the activation energy lower than that for atomistic diffusion. This result successfully explain the hole compensation and the diffusivity observed for heavily C-doped GaAs.
For ZnSe doped with N impurities, the compensation mechanism of N acceptors is presented. The substitutional $N_{Se}$ acceptor is found to be more stable than other native defects and N-related defects. However, as N concentration increases above $10^{18}cm^{-3}$, the concentration of N-N defect increases very rapidly and affects the hole concentration. In Se-rich conditions, the electrically inert $N_2$ molecules neutralize the acceptor activity, with the maximum acceptor density achievable with N dopants being about $10^{18}cm^{-3}$. As going to Zn-rich conditions, our results predict that the hole density is increased by an order of magnitude, suggesting a promising low-resistance p-type doping. However, a self-compensation still occurs due to a [100]-split interstitial N-N complex occupying a Se site, which behaves as a double donor.
제일원리 쑤도포텐셜 방법을 이용하여 GaAs, InP, ZnSe 등의 반도체 물질내 결함의 다양한 물리적 성질에 대한 연구를 수행하였다. Si 또는 S가 도핑된 GaAs 와 InP에 존재하는 깊은 준위(deep level)의 미시적 원자구조 및 압력에 대한 안정성을 조사하였다. 특히 끊어진본드 (broken -bond) 구조(DX)와 breathing-mode 구조(D)를 가지는 원자모델에 대하여 얕은 에너지 준위(shallow level)과의 에너지를 비교하여 높은 압력하에서 깊은준위가 안정하게 되는 압력을 계산하였으며 이는 실험값과 매우 잘 일치한다. 또한 DX 는 전도대로부터 유도된 것임을 보였고, D 는 주로 인접한 원자와의 본딩과의 화학적 결합과 밀접한 관련이 있음을 보였다. 결함의 대칭성에 근거하여 깊은 준위의 국소 포논모드에 대한 진동수를 계산하여 실험값과 비교하였다.
고농도로 도핑된 p-형 GaAs와 ZnSe에 대하여 보상효과 (compensation)에 대한 연구를 하였다. 우선, 여러가지 형태의 결함에 대한 Formation 에너지를 계산하고 주어진 온도, stoichiometric 조건에 따라서 평형상태에서의 결함의 농도를 전하 중성 조건 (charge neutrality condition)을 이용하여 계산하였다. 탄소(C)가 도핑된 GaAs의 경우, 고농도 도핑 영역에서의 도핑효율과 확산 메커니즘에 대한 연구를 하였다. As 위치에 탄소가 위치한 억셉터(acceptor)가 다른 형태의 결함들 보다 에너지적으로 가장 안정하여 p-형 도핑이 됨을 알았다. 탄소의 원자 반경이 As 원자보다 훨씬 작기 때문에 이 억셉터는 탄소 원자 주위의 4개의 Ga 원자들이 탄소쪽으로 큰 격자 이완을 하고, 따라서 탄소원자는 강하게 속박됨을 알 수 있다. 이는 실험적으로 탄소가 도핑된 GaAs의 확산 계수가 작은 사실을 잘 설명한다. 계산된 정공의 최대 값은 약 $10^{20}cm^{-3}$으로써 실험으로 관측된 값과 잘 일치함을 알 수 있다. 그러나 그 이상의 도핑 영역에서는 도너(donor)로 작용하는 [100]-split interstitial $(CC)_{[100]}$ 복합체에 의해서 보상(compensate)됨을 알았다. 또한 이 탄소 복합체가 두 단계 과정을 거쳐서 분해되고 다시 결합하는 과정을 통하여 쉽게 확산할 수 있는 새로운 확산 메커니즘을 제안하였고이 결과는 실험을 잘 설명한다.
N이 도핑된 ZnSe에 대하여 stoichiometric 조건에 따른 결함의 농도와 정공(hole)농도를 계산하여 고농도 N 도핑 영역에서의 보상 (compensation)효과를 연구하였다. 여러가지 결함에 대한 formation 에너지를 계산한 결과 Se에 위치한 N 억셉터(acceptor)가 가장 안정함을 알았다. 그러나 N의 도핑 농도가 $10^{18}cm^{-3}$ 이상 되면 N-복합체의 농도가 급격하게 증가하여 정공(hole)의 농도가 N의 양에 훨씬 못 미치게 된다. Se-rich 조건에서, 전기적으로 중성인 $N_2$ 분자가 interstitial 위치에 놓임으로서 acceptor를 중화(neutralization)시킨다. 그 결과 최대의 정공 (hole)농도는 약 $10^{18}cm^{-3}$ 가 된다. 이 결과는 최근의 실험 결과와 잘 일치한다. 한편, Zn-rich 조건하에서는, 정공(hole)의 농도가 약 10배 정도 증가하여 낮은 저항을 가지는 p-형 도핑이 가능함을 알았다. 그러나 이중도너(double donor)인 [100]-split interstitial N 복합체가 형성됨으로 인하여 정공(hole)은 compensation 된다.
