First-principles study of native point defects in crystalline indium gallium zinc oxide

赝势 密度泛函理论 费米能级 带隙 空位缺陷 材料科学 晶体缺陷 电子结构 混合功能 电子能带结构 凝聚态物理 化学 分子物理学 结晶学 电子 计算化学 光电子学 物理 量子力学 冶金
作者
Hideyuki Omura,Hideya Kumomi,Kenji Nomura,Toshio Kamiya,Masahiro Hirano,Hideo Hosono
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:105 (9) 被引量:83
标识
DOI:10.1063/1.3089232
摘要

Materials in In–Ga–Zn–O system are promising candidates for channel layers of high-performance thin-film transistors (TFTs). We investigated the atomic arrangements and the electronic structures of crystalline InGaZnO4 containing point defects such as oxygen vacancy (VO), interstitial hydrogen (Hi), and interstitial oxygen (Oi) by density functional theory (DFT) using a plane-wave pseudopotential method. The calculations for the atomic structure relaxation suggest that Hi bonds to a lattice oxygen (OO), and Oi occupies a split interstitial site [Oi(split)] forming a chemical bond with OO which is similar to O2 molecule, or Oi occupies an octahedral interstitial site [Oi(oct)]. The electronic structure calculations reveal that VO forms fully occupied states around the middle of the DFT band gap, while Hi does not form a defect level in the band gap but raises the Fermi level above the conduction band minimum. Oi(split) forms fully occupied states above the valence band maximum of the defect-free model (VBM0), while Oi(oct) forms both occupied and unoccupied states above the VBM0. It is thus suggested that VO and Oi(split) are electrically inactive for electrons but work as hole traps, Hi acts as a donor, and Oi(oct) is electrically active, trapping both electrons and holes. These observations imply that VO and Oi(split) do not but Hi and Oi(oct) influence electrical properties of the n-channel TFTs based on the In–Ga–Zn–O semiconductor materials.
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