AB Initio study on the oxygen impurities in silicon

Abstract

Aggregation of oxygen impurities as a result of thermal annealing at temperatures about 400∼500˚C gives rise to thermal double donor defects in silicon. In spite of extensive efforts to identify the core structure of these defects, there has not been a satisfactory model. This research is focused on the structural and electronic properties of the complex involving a silicon self-interstitial and two oxygen interstitial atoms (Si_(32)IO_(2)). Ab initio total-energy-minimization calculations are used to determine the atomic structure of the complex. The Kohn-Sham equations, based on density-functional theory, are solved using the local-density approximation. The ground-state total energies are evaluated by conjugate-gradient method with the plane-wave pseudopotentials. And the Broyden's method is used for the structure minimization. Si_(32)IO_(2) has been calculated on the neutral and doubly positive-charged states. The results show that the relaxed atoms in Si_(32)IO_(2) form the staggered-oxygen configuration, and the atoms in Si_(32)IO_(2)^(++) form the same configuration. The results also show that both Si_(32)IO_(2) and Si_(32)IO_(2)^(++) are unstable. Hence Si_(32)IO_(2) complex is not considerable as a core structure of oxygen impurities in silicon. Here we can draw an inference that application of the above methods to other complexes yields the identification of the thermal donor defect center in silicon. ;실리콘의 온도를 400∼500℃ 정도로 올려 주면 실리콘 결정에 함유되어 있던 산소 불순물이 모여서 일련의 2가 주개(donor)를 형성하게 되는데, 이러한 불순물 주개의 중심 구조는 아직도 명확히 알려져 있지 않다. 본 논문에서는 실리콘 자체 격자간원자 하나와 두개의 산소 격자간원자가 포함된 구조(Si_(32)IO_(2))의 구조적, 전기적 성질을 제일원리 계산으로 조사하여 실리콘 내의 산소 불순물 주개 중심으로서의 가능성을 확인해 보고자 하였다. 밀도범함수론에 근거한 콘-샴(Kohn-Sham) 방정식에 국소밀도근사를 적용하였고 기저상태의 총에너지를 구하기 위하여 공액물매(conjugate-gradient) 방법을 사용하였다. 파동함수의 기저를 평면파로 나타내는 유사퍼텐셜이 이용되었으며, 브로이든(Broyden) 방법으로써 중심구조에 작용하는 힘을 최소화 하고자 하였다. Si_(32)IO_(2)를 전기적 중성 상태와 2가 양전하 상태(Si_(32)IO^(++)_(2))에 대하여 계산한 결과, Si_(32)IO_(2)와 Si_(32)IO^(++)_(2)는 두 상태 모두 불안정한 구조로서 실리콘 내의 산소 불순물 주개 중심구조로는 적합치 못함을 나타내었다. 한편 Si_(32)IO^(++)_(2)가 Si_(32)IO_(2)에 비하여 안정함을 보여 실리콘 내의 산소 불순물이 주개를 형성한다는 것을 확인하였다. 다른 구조들에 대해서도 이와 같은 계산 방법을 적용하면 실리콘 내의 산소 불순물 주개 중심구조를 밝혀낼 수 있을 것이다.