論文の概要: An accurate DFT-1/2 approach for shallow defect states: Efficient calculation of donor binding energies in silicon

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.14738v2
• Date: Wed, 29 Oct 2025 10:17:16 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-30 15:50:43.995352
• Title: An accurate DFT-1/2 approach for shallow defect states: Efficient calculation of donor binding energies in silicon
• Title（参考訳）: 浅い欠陥状態に対する高精度DFT-1/2アプローチ:シリコンにおけるドナー結合エネルギーの効率的な計算
• Authors: Joshua Claes, Bart Partoens, Dirk Lamoen, Marcelo Marques, Lara K. Teles,
• Abstract要約: DFT-1/2近似準粒子補正に基づく浅層ドナーの簡易かつ実用的なプロトコルを提案する。 このアプローチは、最小の計算オーバーヘッドで信頼性の高いドナー結合エネルギーを提供する。 Si, Si:X (X=P, As, Sb, Bi) の群-Vドナーに適用され、実験と密接に一致して結合エネルギーが得られる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Accurate prediction of shallow-donor electron binding energies is critical for device modeling, dopant activation, and donor-based quantum technologies. Traditional beyond-DFT approaches (e.g., hybrid functionals, GW) are prohibitively expensive for the large supercells needed to capture the extended, hydrogenic wavefunctions, while semi-local DFT underestimates band gaps and suffers from delocalization errors. We present a simple, practical protocol for shallow donors based on the DFT-1/2 approximate quasiparticle correction that maintains the computational cost of standard DFT and enables supercells up to thousands of atoms. This approach provides a straightforward and reproducible workflow that delivers reliable donor binding energies with minimal computational overhead. Applied to group-V donors in Si, Si:X (X= P, As, Sb, Bi), the method yields binding energies in close agreement with experiment. We found that, for Si:Bi, it is essential to include spin-orbit coupling to achieve near-experimental values with a difference of only $\sim$ 4 meV. For arsenic, the method yields excellent agreement with experiment, with a difference of only ~0.3 meV. For antimony, the results match experiment to within ~5 meV, and for phosphorus, the deviation is within ~8 meV. Beyond its high accuracy, DFT-1/2 offers a significant practical advantage, providing a straightforward, reproducible, and transferable workflow that is less demanding than hybrid functional approaches while remaining fully generalizable to other shallow impurities in semiconductors.
• Abstract（参考訳）: 浅いドナー電子結合エネルギーの正確な予測は、デバイスモデリング、ドーパント活性化、ドナーベースの量子技術において重要である。 従来のDFTのアプローチ(例えばハイブリッド関数、GW)は、拡張された水素波動関数を捉えるのに必要な大きなスーパーセルにとって、違法に高価であり、半局所的なDFTはバンドギャップを過小評価し、非局在化エラーに悩まされる。 DFT-1/2近似準粒子補正に基づく浅層ドナーの簡易かつ実用的なプロトコルを提案する。 このアプローチは、最小の計算オーバーヘッドで信頼性の高いドナーバインディングエネルギを提供する、単純で再現可能なワークフローを提供する。 Si, Si:X (X=P, As, Sb, Bi) の群-Vドナーに適用すると、実験と密接に一致して結合エネルギーが得られる。 以上の結果から,Si:Biの場合, スピン軌道結合を組み込むことで, 実験値の差がわずか$\sim$ 4 meVとなることが示唆された。 ヒ素の場合、この方法は実験とよく一致し、差は0.3mV程度である。 アンチモンの場合、結果は ~5 mV 以内の実験と一致し、リンの場合、偏差は ~8 mV 以内である。 DFT-1/2は高い精度を保ちながら、半導体中の他の浅い不純物に対して完全に一般化しながら、ハイブリッド機能アプローチよりも要求の少ない、単純で再現性があり、転送可能なワークフローを提供する。

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