[논문 리뷰] Structural, electronic, and optical properties of the C-C complex in bulk silicon from first principles

Dilyara Timerkaeva, Claudio Attaccalite외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 08.

Semiconductor materials and interfaces인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 밀도-functional 이론(DFT)과 many-body perturbation theory(MBPT)을 사용하여 블록 실리콘 내에서 CiCs 복합체의 네 가지 구형(A, B, C, D)의 구조적, 전자적, 광학적 성질을 조사한다. C형이 가장 안정적인 것으로 밝혀졌으며, B형보다 결합 에너지가 0.4 eV 높다. 이는 C형이 0.97 eV에서의 G-center 발광의 가능성이 가장 높은 기원으로 강력히 지지되며, 광학적 및 진동적 반응이 적합하기 때문이다.

ABSTRACT

The structure of the CiCs complex in silicon has long been the subject of debate. Numerous theoretical and experimental studies have attempted to shed light on the properties of these defects that are at the origin of the light emitting G-center. These defects are relevant for applications in lasing, and it would be advantageous to control their formation and concentration in bulk silicon. It is therefore essential to understand their structural and electronic properties. In this paper, we present the structural, electronic, and optical properties of four possible configurations of the CiCs complex in bulk silicon, namely the A-, B-, C-, and D-forms. The configurations were studied by density functional theory (DFT) and many-body perturbation theory (MBPT). Our results suggest that the C-form was misinterpreted as a B-form in some experiments. Our optical investigation also tends to exclude any contribution of A- and B-forms to light emission. Taken together, our results suggest that the C-form could play an important role in heavily carbon-doped silicon.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 내 CiCs 결함 복합체의 구조에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 A, B, C, D 형 중에서 가장 안정된 구성을 규명하기 위해.
• 0.97 eV에서의 G-center 발광에 대한 정확한 결함 구조를 할당하기 위해.
• 이론적 예측과 실험 관측, 특히 EPR 및 LVM 데이터를 조율하기 위해.
• 전자 상호작용이 결함 복합체의 광학적 반응을 정확히 기술하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 모든 네 가지 CiCs 구형의 기하학적 최적화를 위해 하이브리드 기능을 사용한 밀도-functional 이론(DFT)을 적용하였다.
• 준입자 밴드 구조 및 광학 흡수 스펙트럼을 계산하기 위해 many-body perturbation theory(GW+BSE)를 적용하였다.
• 결합 에너지와 실험적 해리 온도를 연관시키기 위해 KMAL 등온 열처리 시뮬레이션을 수행하였다.
• 각 구형에 대해 국소 진동 모드(LVM)를 계산하고 실험적 적외선(IR) 데이터와 비교하였다.
• 자기적 성질과 C형의 EPR 탐지 가능성 평가를 위해 스핀-극성 DFT를 사용하였다.
• EPR, IR, 발광 스펙트럼을 포함한 실험 데이터와 결과를 대조하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 블록 내에서 네 가지 CiCs 구형(A, B, C, D) 중에서 가장 열역학적으로 안정한 것은 무엇인가?
• RQ2 C형이 예측된 안정성에도 불구하고 실험적으로 관측되지 않은 이유는 무엇인가?
• RQ3 어느 CiCs 구형이 조사된 실리콘에서 0.97 eV 발광(G-center)을 담당하는가?
• RQ4 전자 상호작용 효과가 CiCs 복합체의 광학적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 진동 및 광학 스펙트럼은 A, B, C, D 형을 구별할 수 있으며, 실험 측정치와 일치하는 것은 무엇인가?

주요 결과

• C형이 가장 안정된 CiCs 구형이며, B형보다 결합 에너지가 0.4 eV 높다.
• KMAL 열처리 시뮬레이션 결과, 546 cm⁻¹ LVM 피크는 이전 실험적 해석과는 달리 C형의 결합 에너지와 관련되어 있으며, B형과는 다름을 확인하였다.
• C형의 진동 스펙트럼에는 1135 cm⁻¹의 고주파수 모드가 포함되어 있으며, 이는 이전 적외선 실험에서 검출 범위가 제한되어 있어 간과되었을 가능성이 있다.
• 광학 흡수 및 발광 분석 결과, A형과 B형은 강한 금속 밴드 이하 흡수로 인해 0.97 eV 발광의 주요 기여자로 부적합함이 밝혀졌다.
• C형과 D형은 G-center 발광과 호환되는 광학 반응을 보이며, 에너지 이동이 국소 진동 모드와 일치한다.
• C형은 자성일 것으로 예측되어, 표준 EPR 기법으로는 탐지되지 않을 수 있으며, 이는 실험적 식별 실패를 설명할 수 있다.