AkaiKKRでB(N)-dopedダイヤモンド

AkaiKKR(machikaneyama)のコヒーレントポテンシャル近似(CPA)を用いて、ホウ素や窒素をドープしたダイヤモンドの電子構造を計算しました。
得られた状態密度は、状態密度の形状が変わらず、フェルミ準位の位置が変わるだけであるという、リジッドバンド模型でよく近似できることが分かりました。

diamond_201603202355181f7.png
Fig.1: ダイヤモンド(赤)、ホウ素ドープダイヤモンド(緑)、窒素ドープダイヤモンド(青)の状態密度



ホウ素(窒素)ドープダイヤモンド


AkaiKKRでダイヤモンド型構造半導体で計算したとおり、ダイヤモンドは大きなバンドギャップを持つ半導体(あるいは絶縁体)です。しかしながらダイヤモンドを構成する炭素原子の一部(5%程度)をホウ素や窒素に置き換えると、金属的なフェルミ準位に有限の状態を持つ電子構造になります。AkaiKKR(machikaneyama)を用いたバンド計算は、すでにKobashi (2014a), Kobashi (2014b)によって行われています。今回は、同様の計算を行ってみます。

計算手法


AkaiKKRを用いて、炭素原子の5%をホウ素、または、窒素に置き換えた結晶の状態密度を計算しました。これまでの計算と比較して特筆すべきテクニックは特にありませんが、バンドギャップの過小評価をできるだけ避けるために、空孔を入れて、原子球近似(ASA)を用いました。また、格子定数は不純物のドープに対して変化しないと仮定して a = 6.74 Bohr としました。
置換不純物は、コヒーレントポテンシャル近似(CPA)を用いて計算しました。

c------------------------------------------------------------
go data/B-doped
c------------------------------------------------------------
c brvtyp a c/a b/a alpha beta gamma
fcc 6.74 , , , , , ,
c------------------------------------------------------------
c edelt ewidth reltyp sdftyp magtyp record
0.001 2.0 sra vwnasa nmag 2nd
c------------------------------------------------------------
c outtyp bzqlty maxitr pmix
update 8 200 0.02
c------------------------------------------------------------
c ntyp
2
c------------------------------------------------------------
c type ncmp rmt field mxl anclr conc
C 2 1 0.0 2 6 95
5 5
Vc 1 1 0.0 2 0 100
c------------------------------------------------------------
c natm
4
c------------------------------------------------------------
c atmicx atmtyp
0.00000 0.00000 0.00000 C
0.25000 0.25000 0.25000 C
0.75000 0.75000 0.75000 Vc
0.50000 0.50000 0.50000 Vc
c------------------------------------------------------------

c------------------------------------------------------------
dos data/B-doped
c------------------------------------------------------------
c brvtyp a c/a b/a alpha beta gamma
fcc 6.74 , , , , , ,
c------------------------------------------------------------
c edelt ewidth reltyp sdftyp magtyp record
0.001 2.67 sra vwnasa nmag 2nd
c------------------------------------------------------------
c outtyp bzqlty maxitr pmix
update 20 200 0.02
c------------------------------------------------------------
c ntyp
2
c------------------------------------------------------------
c type ncmp rmt field mxl anclr conc
C 2 1 0.0 2 6 95
5 5
Vc 1 1 0.0 2 0 100
c------------------------------------------------------------
c natm
4
c------------------------------------------------------------
c atmicx atmtyp
0.00000 0.00000 0.00000 C
0.25000 0.25000 0.25000 C
0.75000 0.75000 0.75000 Vc
0.50000 0.50000 0.50000 Vc
c------------------------------------------------------------


結果


結果をFig.1に示します。
赤で示したのが通常のダイヤモンドの状態密度です。フェルミ準位はバンドギャップの中にあります。緑と青で示したのが、それぞれホウ素と窒素を5%置換したダイヤモンドの状態密度です。これらは、状態密度の形状がほとんど変化せず、フェルミ準位の位置がずれているだけだと分かります。
これは、ホウ素(窒素)は、炭素と比べてか電子の数が1個少ない(多い)からです。半導体では、このように不純物をドープした際にバンド構造がほとんど変わらず、価電子数の差に応じてフェルミ準位が変化するだけという事が多いようです。

関連エントリ




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