Ab initio modeling of boron related point defects in amorphous silicon

Abstract

O presente trabalho tem como principal objectivo modelar os defeitos pontuais de boro em silício amorfo, usando um método ab initio, o código de teoria da densidade funcional – pseudopotencial (AIMPRO). Os complexos de boro foram introduzidos em supercélulas de 64 átomos de silício. Os defeitos de boro foram estudados em 15 supercélulas diferentes. Estas supercélulas foram obtidas por um mecanismo de troca de ligação Wooten-Winer-Weaire por Ribeiro et al. (2010). Em média, as propriedades das 15 supercélulas estão de acordo com as distribuições radial e angular observadas, bem como as densidades electrónica e vibracional e com o espectro Raman. Para confirmar este método, os defeitos mais simples de boro e o auto-intersticial no silício cristalino foram modelados. As principais conclusões estão em linha com os trabalhos de outros autores. No silício amorfo foi muito difícil encontrar um verdadeiro auto-intersticial, visto que para a maioria das configurações testadas, a rede amorfa sofre uma ampla relaxação. Verificou-se que o boro substitutional prefere a coordenação 4. Foi confirmada a existência intrínseca de níveis localizados de “trapping” de buracos na rede amorfa não dopada, que pode explicar a baixa eficiência da dopagem com boro, como avançado por Santos et al. (2000). Os modos locais de vibração são, em geral, mais altos que os valores correspondentes na estrutura cristalina.

The main goal of the current work is to model boron related point defects in amorphous silicon, using an ab initio method, the Density functional theory- -pseudopotential code (AIMPRO). The boron complexes were embedded in 64 silicon atom supercells. We have investigated the boron defects in 15 different supercells. These supercells were developed using a Wooten-Winer-Weaire bond switching mechanism by Ribeiro et al. (2010). In average, the properties of the 15 supercells agree with the observed radial and bond angle distributions, as well the electronic and vibrational density of states and Raman spectra. To be confident with the method, the simplest boron defects and the self-interstitial in crystalline silicon were modeled. The main conclusions are in line with other authors’ work. In amorphous silicon it has been very hard to find a real self-interstitial, since for almost all the tested configurations, the amorphous lattice relaxes overall. We find that substitutional boron prefers to be 4-fold coordinated. We find also an intrinsic hole-trap in the non-doped amorphous lattice, which may explain the low efficiency of boron doping, as advanced by Santos et al. (2010). The local vibrational modes are, in average, higher than the correspondent crystalline values.