수직 외부 전기장에 의한 청색 인광/그래핀 유사 GaN 반 데르 발스 이종 구조의 전자 특성 조정

아 g-GaN 상의 이중층 blue-P의 측면 및 평면도. ㄴ 거리 d의 함수로서의 결합 에너지 _{청색-P/g-GaN} 단층 및 이중층 시스템용. 인세트는 결합 에너지의 최소값에 가까운 확대/축소를 보여줍니다.

그림 2a-b는 E를 사용하여 단층-청색-P/g-GaN 이종 구조 및 이중층-청색-P/g-GaN 이종 구조의 밴드 구조를 표시합니다. _그 GGA를 사용하여 각각 계산된 1.26 eV 및 1.075 eV입니다. HSE06 방법의 경우 E _g 는 각각 2.2eV 및 1.91eV입니다. 두 이종 구조의 경우 전도대의 최소 에너지 상태는 M 지점에 가깝고 원자가 대역의 최대 에너지 상태는 K 지점에 있으며 두 지점은 Brillouin 영역에서 동일한 결정 운동량에 있지 않습니다. 따라서 밴드갭은 두 반도체 헤테로구조에 대한 간접 밴드갭입니다. E _g 단층-청색-P/g-GaN 헤테로구조의 경우 단층-청색-P(1.89eV)에 비해 0.63eV 감소하는 반면 E _g bilayer-blue-P(1.118eV)의 이중층-청색-P/g-GaN 이종구조와 대조적으로 0.043eV 감소합니다. 밴드 굽힘은 g-GaN 시스템이 있는 blue-P의 페르미 준위와 독립된 blue-P[28] 간의 차이에서 얻을 수 있습니다. ΔE _F =와 - 와 _피 , 여기서 W 는 합성계(blue-P/g-GaN)의 일함수이고, W _피 는 깨끗한 blue-P의 일함수입니다. ΔE _F 단층-청색-P/g-GaN 이종 접합 및 이중층-청색-P/g-GaN 이종 접합에 대한 - 1.17 eV 및 - 0.81 eV는 그림 2c, d에 표시된 대로 각각 얻어집니다. 보시다시피 에너지 밴드 정렬의 유형은 모든 단층-청색-P/g-GaN 이종 구조와 이중층-청색-P/g-GaN 이종 구조의 계면에서 지그재그 갭(유형 II)입니다.

a의 밴드 구조 단층-청색-P/g-GaN 이종구조 및 b 각각 이중층-청색-P/g-GaN 헤테로구조; c와 관련된 밴드 정렬 및 작업 기능 단층-청색-P/g-GaN 헤테로구조 및 d bilayer-blue-P/g-GaN 이종구조

이종 구조는 종종 나노 전자 장치에 적용되는 동안 전자 특성을 조정하기 위해 외부 전기장을 받습니다. E의 영향을 연구하기 위해 _내선 전자 구조에서 밴드 구조는 다른 E로 계산됩니다. _내선 blue-P/g-GaN 이종구조의 경우. 이전 연구에서 보고된 바와 같이 이종 구조의 기하학적 구조는 무시할 수 있지만 밴드 구조는 다른 E _내선 [29]. 그림 3a는 E의 진화를 보여줍니다. _g E의 기능으로 _내선 − 1.0 eV/Å에서 1.0 eV/Å까지. E 방향 _내선 위쪽(g-GaN 레이어)에서 아래쪽(blue-P 레이어)까지가 순방향으로 간주됩니다. 단층-청색-P/g-GaN 및 이중층-청색-P/g-GaN 이종구조가 E _내선 . monolayer-blue-P/g-GaN의 경우 순방향 E의 경우 _내선 , E _g E가 증가함에 따라 선형적으로 증가합니다. _내선 ≤ 0.4 eV/Å(L-증가 범위). monolayer-blue-P/g-GaN은 최대 E를 얻습니다. _g E일 때 _내선 =0.5 eV/Å 및 E일 때 거의 변화 없음 _내선 범위는 0.4 <E입니다. _내선 <0.6 eV/Å(포화 범위), 밴드 오프셋을 향상시켜 전자-정공 쌍의 분리를 촉진합니다. E의 초기 확대 _g E의 균형에 기인합니다. _내선 내장된 전기장에 의해 어느 정도 (E _int ). E _g E가 증가함에 따라 선형 감소 범위에 도달합니다. _내선> 0.6 eV/Å(L-감소 범위). 따라서 이종 구조는 더 강한 전기장을 받을 때 금속 거동을 보입니다. 이것은 유전 파괴와 전하 터널링에서 비롯됩니다. 대조적으로, E _g E가 증가함에 따라 선형적으로 감소합니다. _내선 (L-감소 범위) 역 E 아래 _내선 , 전도대 최소값(CBM) 대역 가장자리가 가전자대 최대값(VBM) 쪽으로 이동하기 때문에 발생합니다. 그러나 E일 때 _내선 =− 0.7 eV/Å인 경우 밴드갭이 급격히 감소하기 시작하며 이는 고장 때문일 수 있습니다. E일 때 _내선 <− 0.8 eV/Å인 경우 blue-P/g-GaN 이종 접합은 반도체에서 금속(금속 범위)으로의 전이를 경험합니다. 이 결과는 E _g 청색-P/g-GaN 헤테로구조의 반도체에서 금속으로의 전이는 고성능 전자 및 광전자 장치에 사용될 수 있는 정전기 게이팅에 의존합니다. 또한 E의 효과는 _내선 E _g blue-P와 g-GaN 이종구조의 이중층 사이는 단일층과 동일하지만 반도체에서 금속으로의 전이를 위한 더 작은 전자장이 있습니다.

아 이 _g 대 E _내선 단층-청색-P/g-GaN 및 이중층-청색-P/g-GaN 이종구조. ㄴ –이 E를 갖는 단층-청색-P/g-GaN 헤테로구조의 밴드 구조 _내선 0.3 eV/Å, 0.5 eV/Å, − 0.3 eV/Å 및 0.7 eV/Å. E _F 0으로 설정되고 빨간색 점선으로 표시됩니다.

밴드 구조에 대한 전기장의 영향을 탐색하기 위해 에너지 밴드 구조와 외부 전기장 간의 관계가 계산됩니다. E를 갖는 단층-청색-P/g-GaN 헤테로구조의 밴드 구조 _내선 0.3 eV/Å, 0.5 eV/Å, − 0.3 eV/Å 및 0.7 eV/Å의 값이 그림 3b–e에 표시됩니다. 그림 3b-c에서 E의 0.3 eV/Å 및 0.5 eV/Å에서 _내선 , E _g 1.651 eV 및 1.757 eV로 증가합니다. 이는 g-GaN 단층의 quasi-Fermi 준위가 아래쪽으로 이동하고 blue-P 단층의 quasi-Fermi 준위가 위쪽으로 들어 올려졌음을 나타냅니다. 그러나 그림 3d-e에서 E의 − 0.3 eV/Å 및 − 0.7 eV/Å에 ​​대해 _내선 , E _g 0.888eV 및 0.49eV로 감소합니다. g-GaN의 quasi-Fermi 준위는 위쪽으로 이동하고 blue-P의 quasi-Fermi 준위는 아래쪽으로 이동합니다. 결과는 밴드갭이 적용된 수직 E에 따라 선형적으로 변한다는 것을 보여줍니다. _내선 , 거대한 스타크 효과를 나타냅니다[30]. 세로 E 적용 시 _내선 , 원자가 및 전도 원자가의 부대역 상태는 혼합을 겪을 것이며, 이는 전자 수준의 전기장 유도 분할로 이어집니다. 외부 필드에 의해 유도된 정전기 전위차는 페르미 준위 근처의 전자 구조를 상당히 변화시켰습니다[31].

그림 4a-d는 E와 함께 blue-P/g-GaN 이종접합의 전하 밀도 변화를 나타내는 전하 축적(주황색) 및 공핍(연한 녹색)의 등가면을 보여줍니다. _내선 각각 0.3 eV/Å, 0.5 eV/Å, − 0.3 eV/Å 및 − 0.7 eV/Å의 값입니다. 포워드 적용 시 E _내선 , 도 4a-b에 나타난 바와 같이, 양전하(정공)는 청색-P 층에서 g-GaN 층으로 이동하는 경향이 있고, 음전하(전자)는 g-GaN에서 청색-P 층으로 이동하는 경향이 있다. 동시에 전계가 0.5eV/Å일 때 전하 이동량이 0.3eV/Å 이상임을 알 수 있다. 기본적으로 양의 외부 전기장은 응력장의 방향을 따라 전하를 배향하여 전하를 원자 평면으로 제한하지만 이러한 평면에 전하를 남겨두어 blue-P에서 g-GaN으로 전하의 이동을 촉진합니다. 이에 반해 음수 E는 _내선 그림 4c-d에서 볼 수 있는 것처럼 반대쪽에서 전자가 축적/고갈되도록 유도합니다. 주로 음의 외부 전기장은 전하를 스트레스 필드 쪽으로 되돌려 놓음으로써 g-GaN에서 blue-P로 전하를 전송합니다. 따라서, g-GaN 단층의 quasi-Fermi 준위와 E _VBM 블루-P 단층 및 E의 준 페르미 준위가 상승하는 동안 _CBM 감소하여 밴드갭에 대한 선형 감소가 발생합니다. 동시에 전자는 역 E 아래에서 blue-P에서 g-GaN으로 이동합니다. _내선 . 전계 강도가 증가함에 따라 전달된 전하의 양이 증가함을 알 수 있다.

아 –d E에서 단층-blueP/g-GaN 헤테로구조의 전하 축적 및 고갈의 등표면 _내선 각각 0.3 eV/Å, 0.5 eV/Å, − 0.3 eV/Å 및 − 0.7 eV/Å입니다. 주황색 및 연한 녹색 등가면은 각각 양전하 축적 및 전하 고갈을 나타냅니다. 이 평면 평균 전자 밀도 Δρ(z ) monolayer-blue-P/g-GaN에 대한 다른 전기장에서

E _내선 전자 특성을 변조하면 수직 거리의 함수로 단층-청색-P/g-GaN 이종 구조의 통합 전하 밀도 차이가 계산되며 그림 4e에 표시됩니다. 그림 4e의 양수 값은 전하 축적을 나타내고 음수 값은 전하 고갈을 나타냅니다. E의 경우 _내선 =0, 이종 구조의 전하 밀도 차이는 ∆ρ =ρ_{이종 구조} −ρ_g-GaN −ρ_파란색-P . 계면에서 평면 평균 전하 밀도 차이의 변화는 전자가 계면을 가로질러 g-GaN 층에서 blue-P 층으로 이동한 반면, 정공은 g-GaN 측에 남아 있음을 나타냅니다. 0.3 eV/Å 및 − 0.3 eV/Å에 ​​대해 전기장을 사용한 표면 평균 미분 전하를 계산합니다. E _내선 헤테로 구조에서 전하 이동에 영향을 미칠 수 있습니다. [29]

여기서 \( \int {\rho}_{E_{\mathrm{ext}}}\left(x,y,z\right) dxdy\ \mathrm{and}\int {\rho}_{E_0}\left (x,y,z\right) dxdy \)는 (x에서의 전하 밀도) , y , z ) E가 있거나 없는 단층-BP/g-GaN 헤테로구조의 슈퍼셀 내 지점 _내선 , 각각. 음(파란색 선) E에 의해 유도된 전하 이동 방향 _내선 양수(빨간색 선) E와 반대입니다. _내선 . 적분 전하밀도는 E의 세기에 따라 전하의 이동량이 증가함을 정량적으로 보여주고 있다. _내선 . E가 0.3eV/Å인 blue-P/g-GaN 이종구조의 전하 이동 값 _내선 0 eV/Å 및 − 0.3 eV/Å보다 큽니다. 양의 외부 전기장이 적용된 필드의 방향을 따라 전하를 국지화하여 전하를 g-GaN 평면으로 제한하기 때문입니다.

밴드 구조에서 blue-P와 g-GaN의 기여를 구별하기 위해 이종 구조의 투영된 상태 밀도가 계산되어 그림 5a에 표시됩니다. VBM의 기여는 주로 g-GaN에서 발생하고 동반 기여는 주로 blue-P에서 발생함을 알 수 있습니다. 그림 5b는 각각 0.5eV/Å 및 0.7eV/Å 외부 필드에서 단층-청색-P/g-GaN 및 이중층-청색-P/g-GaN의 전하 축적 및 공핍 등가면을 표시합니다. 0.7 eV/Å 외부 필드에서 bilayer-blue-P/g-GaN의 절연 파괴로 인해 전류 완화된 전하 이동은 증가하는 외부 필드에서 포화되었을 것이며, 이는 그림 3a의 것과 일치합니다.

아 이중층-청색-P/g-GaN 이종구조의 TDOS. 이종 구조에서 P, Ga 및 N의 PDOS. ㄴ E에서 단층-청색-P/g-GaN 헤테로구조의 전하 축적 및 고갈의 등표면 _내선 각각 0.3 eV/Å, 0.5 eV/Å, − 0.3 eV/Å 및 − 0.7 eV/Å