硅中铁-氢反应的第一性原理计算

控制硅材料被铁（尤其是溶解的间隙铁 (Fe$_{\mathrm{i}}$)）污染是一个长期存在的问题，近期虽有进展但仍存在若干未解之谜。其中包括氢是否能协助铁扩散，或者是否能产生大量代位铁 (Fe$_{\mathrm{s}}$)。利用密度泛函计算，我们探讨了几种 FeH 复合物在 Si 中的结构、形成能、结合能、迁移和电子能级。我们发现弱结合的 Fe$_{\mathrm{i}}$H 对具有接近孤立 Fe$_{\mathrm{i}}$ 的迁移势垒，以及位于 $E_{\mathrm{v}}+0.5$~eV 的施主能级。相反，Fe$_{\mathrm{i}}$H$_{2}(0/+)$ 估计在 $E_{\mathrm{v}}+0.33$~eV 处。这些发现表明，通过电容测量在 $E_{\mathrm{v}}+0.32$~eV 处测得的空穴陷阱应归因于 Fe$_{\mathrm{i}}$H$_{2}$。与 Fe$_{\mathrm{s}}$H 相关的复合物仅表现出深受主活性，预计对 $p$ 型 Si 中的少数载流子寿命影响甚微。对于 $n$ 型 Si 则可得出相反的结论。我们发现，虽然在无 H 材料中 Fe$_{\mathrm{i}}$ 缺陷的形成能低于 Fe$_{\mathrm{s}}$，但在掺氢样品中与 Fe$_{\mathrm{s}}$ 相关的缺陷变得稳定得多。这将解释在掺氢 Si 中观测到归因于与 Fe$_{\mathrm{s}}$H 相关复合物的 EPR 信号，该样品是从 1000$^{\circ}$C 以上淬火至冰水温度的。