첨단 반도체 초격자는 항공우주, 고에너지 물리, 중력파 검출, 천문학, 핵 관련 분야 등 미래 핵심 하이테크 응용에서 중요한 역할을 합니다. 고조사 환경 등 극한 조건에서 이러한 반도체 초격자는 다양한 결함을 생성하여 궁극적으로 소자 고장을 초래할 수 있습니다. 그러나 GaAs/AlAs 초격자에서 포인트 결함의 상 안정성과 소자 성능 영향은 아직 명확하지 않습니다. 본 계산에 따르면 GaAs/AlAs 초격자에서 반자리 결함이 공공 및 간격 결함보다 에너지적으로 더 유리합니다. AsX (X = Al 또는 Ga) 및 XAs 결함은 항상 GaAs/AlAs 초격자의 금속성을 유도하며, GaAl 및 AlGa 반자리 결함은 전자 구조에 미미한 영향을 미칩니다. 간격 또는 공공 결함이 있는 초격자에서는 밴드갭의 현저한 감소 또는 금속화 현상이 나타납니다. 추가 계산 결과, 간격 및 공공 결함은 전자 이동도를 현저히 감소시키는 반면 반자리 결함은 상대적으로 영향이 적습니다. 이러한 결과는 GaAs/AlAs 초격자의 방사선 손상 효과 이해를 증진하며, 극한 환경용 고안정성·내구성 반도체 초격자 기반 전자·광전소자 설계 지침을 제공합니다.
초격자(SL)는 두 가지 이상의 서로 다른 성분이 번갈아 적층된 인공 소재입니다. (GaAs)n/(AlAs)m은 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)와 양자캐스케이드 레이저(QCLs) 개발 이후 가장 중요한 SL 중 하나입니다[1–6]. 최근 박막 에피택시와 나노제작 기술 발전으로 (n+m)이 2~10 범위인 (GaAs)n/(AlAs)m 기반 SL과 나노소자가 발광, 광흡수, 이중 포논 흡수, 라만 및 적외선 스펙트럼 등 흥미로운 물성을 보여 광전자, 센싱, LED, 에너지, 레이저 관련 민수·산업 분야에 응용되고 있습니다[7–12]. 한편 항공우주, 고에너지 물리, 중력파 검출, 천문학, 우주 비행, 핵 및 국가 안보 등 핵심 하이테크 응용에서는 반도체 SL과 소자가 X선, 중성자, 전자, 이온 등 다양한 방사선 환경에 노출되어 불순물, 공공, 간격, 반자리, 이들의 복합체 등 결함이 생성될 수 있습니다. 반도체 소재와 관련 물성은 전자 소자와 집적회로 작동에 중요하므로, 소량의 결함도 특히 다층 시스템에서 광학 및 수송 특성을 급격히 변화시킬 수 있습니다[13].
외래 불순물이나 고유 결함이 반도체 SL과 구성 소재에 미치는 영향은 지난 수십 년간 광범위하게 연구되었습니다. Zollo 등은 밀도범함수이론(DFT)으로 GaAs 포인트 결함 안정성을 조사하여 반자리 결함이 더 유리함을 밝혔습니다[14]. Kahaly 등은 DFT로 GaAs/AlAs SL 구조를 연구하여 계면 및 근처의 비소 공공(VAs) 결함이 절연성 비화물 사이에 도전성 준 2차원 전자 가스(2-DEG)를 형성함을 발견했습니다[7]. Spasov 등은 GaAs/AlAs SL 다이오드에서 질소 불순물이 캐리어 수송과 전자-정공 재결합에 미치는 영향을 연구했습니다[9]. 질소 불순물이 전자 미니밴드 에너지를 수정하고 SL 미니밴드를 통한 전자 확산을 방해하여 전자-정공 쌍의 강한 복사 재결합을 유도할 수 있다고 보고했습니다[9]. Wang 등은 ab initio 분자동역학(AIMD)으로 GaAs/AlAs SL에서 Zn 불순물 유도 확산간 혼합을 연구했습니다[15]. Zn 확산이 Ⅲ족 원소들에 의해 보조되어 간격 채널로 방출되고 빠르게 확산하여 초격자를 무질서하게 만듦을 보였습니다[15]. Mitra와 Stark는 공공이 GaAs/AlAs SL에서 Ga/Al 혼합을 촉진함을 발견했으며, 이는 제안된 두 원자 고리 확산 메커니즘에 기인합니다[16]. 최근 GaAs/AlAs SL의 방사선 반응 AIMD 시뮬레이션이 수행되었습니다[17]. 각 원자가 격자 위치에서 영구적으로 변위되는 최소 에너지, 결함 생성 경로, 생성된 결함 유형이 결정되었습니다. 생성된 Ga(또는 Al 또는 As) 프렌켈 쌍과 AsGa-GaAs 반자리 쌍이 GaAs/AlAs SL의 상태 밀도 분포와 밴드 구조에 심대한 영향을 미침이 드러났습니다[17].
현재까지 SL 구조에서 포인트 결함의 안정성과 캐리어 이동도 같은 수송 특성은 미해명 상태입니다. 따라서 공공, 간격, 반자리 결함 존재가 GaAs/AlAs SL의 구조적 안정성과 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하는 것은 매우 중요합니다. 본 연구에서는 단일 Ga(또는 Al 또는 As) 공공, 단일 Ga(또는 Al 또는 As) 간격, 단일 GaAs(또는 AlAs, AsGa, AsAl) 반자리 결함의 상 안정성을 연구했습니다. 반자리 결함이 공공 및 간격 결함보다 에너지적으로 더 유리함이 밝혀졌습니다. 이러한 결함 상태의 밴드 구조는 하이브리드 DFT 방법으로 조사되었습니다. 이 방법은 하트리-포크 이론의 정확한 교환 일부와 나머지 교환-상관 에너지를 다른 소스(ab initio 또는 경험적)에서 결합하며[18], 표준 DFT보다 반도체 소재의 전자 구조를 더 정확하게 기술할 것으로 기대됩니다. 특히 전자 이동도를 예측했습니다. 간격 및 공공 결함은 전자 이동도를 현저히 감소시키는 반면, 반자리 결함은 상대적으로 영향이 적습니다. 이 연구는 반도체 초격자의 방사선 손상 효과 이해를 증진하고, 극한 환경용 고안정성·내구성 반도체 초격자 기반 전자·광전소자 설계 지침을 제공할 것입니다.
본 연구에서 구조 완화는 표준 DFT 프레임워크 내에서 수행되었으며, 밴드 구조는 완화된 구조를 기반으로 Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE) 하이브리드 DFT 프레임워크[19]에서 계산되었습니다. 모든 계산은 Vienna Ab Initio Simulation Package(VASP)[20]를 사용했습니다. 프로젝터 증강파 슈도포텐셜로 이온-전자 상호작용을 기술하고, 교환-상관 효과는 Ceperley-Alder 매개변수화[21]의 국소 밀도 근사(LDA)로 처리했습니다. 총 에너지와 힘의 수렴 기준은 각각 10−4 eV, 10−3 eV/Å입니다. AlAs와 GaAs 결정의 기원 점군은 그림 1a와 같이 아연블렌드 구조의 Td 군입니다. 고려된 포인트 결함의 개략도는 그림 1b에 제시했습니다. 본 연구에서는 GaAs 2단원자층과 AlAs 2단원자층이 번갈아 적층된 GaAs/AlAs SL을 고려했으며, 기하학적 구성과 고려된 포인트 결함은 그림 2에 나타냈습니다.
기하학적 구조 개략도: a XAs (X = Ga 또는 Al); b XAs 내 결함. VX: (X = Ga, Al, 또는 As) X 공공; Xint: X 간격; XAs: X가 As 격자 위치 점유; AsX: As가 X 격자 위치 점유. 노란색과 보라색 구는 각각 공공과 간격 결함을 나타냄
기하학적 구조 개략도: a 이상적 GaAs/AlAs 초격자; b 및 c 다양한 포인트 결함을 가진 GaAs/AlAs 초격자. XY: (X, Y = Ga, Al, 또는 As) X가 Y 격자 위치 점유; VX: X 공공; Xint: X 간격. 노란색과 카민색 구는 각각 공공과 간격 결함을 나타냄
표 1에 보인 바와 같이, 벌크 GaAs와 AlAs의 격자 상수는 각각 5.61 Å와 5.63 Å로 결정되었으며, 실험값 및 다른 이론값과 잘 일치합니다[22–24]. GaAs와 AlAs 간 격자 불일치는 작으며, GaAs/AlAs SL의 격자 상수는 중간값인 5.62 Å로 설정했습니다. 벌크 계수는 \( B=\frac{1}{3}\left({C}_{11}+2{C}_{12}\right) \) [25]로 계산되며, 여기서 C11과 C12는 탄성 상수입니다. GaAs의 벌크 계수는 76.3 GPa로 계산되었으며, AlAs의 76.5 GPa와 근접합니다. 이 결과들은 이론 및 실험 데이터와 합리적으로 일치합니다[22, 26, 27].
GaAs/AlAs SL 및 벌크 상태에서 결함 형성 에너지는 \( {E}_f={E}_{def}-{E}_{undef}+\sum \limits_i\Delta {n}_i{\mu}_i \) [28]로 계산됩니다. 여기서 Edef는 완화 후 결함 시뮬레이션 셀의 총 에너지, Eundef는 이상적 초격자의 완화 후 총 에너지, Δni는 종 i (i = Ga, Al, 또는 As)의 개수 변화, μi는 종 i의 화학 포텐셜입니다[28].
벌크 XAs (X = Al 또는 Ga)에서 As와 X의 화학 포텐셜은 다음 제약을 따릅니다: \( {\mu}_X\le {\mu}_X^{bulk} \), \( {\mu}_{As}\le {\mu}_{As}^{bulk} \), \( {\mu}_{As}+{\mu}_X={\mu}_{XAs}^{bulk} \). 여기서 \( {\mu}_X^{bulk} \), \( {\mu}_{As}^{bulk} \), \( {\mu}_{XAs}^{bulk} \)는 각각 벌크 X, 벌크 As, 벌크 XAs의 총 에너지에 대응합니다. X-풍부 조건(\( {\mu}_X={\mu}_X^{bulk} \), \( {\mu}_{As}={\mu}_{XAs}^{bulk}-{\mu}_X^{bulk} \))과 As-풍부 조건(\( {\mu}_{As}={\mu}_{As}^{bulk} \), \( {\mu}_X={\mu}_{XAs}^{bulk}-{\mu}_{As}^{bulk} \))에서의 결함 형성 에너지는 표 2에 요약되어 있습니다. GaAs에서 As-풍부 조건일 때 AsGa(As가 Ga 격자 위치 점유) 반자리 결함이 1.57 eV로 가장 낮은 형성 에너지를 보여 가장 유리합니다. 다음으로 GaAs(Ga가 As 격자 위치 점유) 반자리 결함이 2.31 eV입니다. As 간격(Asint)은 5.20 eV로 가장 큰 형성 에너지를 보여 다른 포인트 결함보다 형성하기 어렵습니다. Ga-풍부 조건에서는 VGa, Asint, AsGa 결함의 형성 에너지가 더 크고, VAs, Gaint, GaAs 결함이 As-풍부 조건보다 작습니다. 분명히 결함 안정성은 화학 환경에 의존합니다. AlAs의 경우 Asint와 AsX(X = Al 또는 Ga)를 제외하면 일반적으로 GaAs보다 결함 형성 에너지가 더 큽니다. AsAl과 AlAs 반자리 결함은 각각 As-풍부와 Al-풍부 조건에서 가장 유리한 결함으로 결정되었습니다. GaAs와 마찬가지로 Asint도 AlAs에서 불리합니다. 벌크 XAs에서 As-풍부 및 X-풍부 조건 하 결함 형성 에너지는 그림 3에 도시했습니다. 그림 3a에서 AsGa와 GaAs 반자리 결함이 각각 As-풍부와 Ga-풍부 조건에서 더 유리함을 알 수 있습니다. AsAl 반자리 결함이 대부분의 경우 유리함이 주목됩니다(그림 3b). Al-풍부 조건에서 AlAs, VAs, AsAl 결함의 상 안정성은 형성 에너지 3.0, 3.16, 3.24 eV로 서로 유사합니다. 또한 GaAs와 AlAs 모두에서 Asint의 불리함은 화학 환경과 무관합니다. Zollo 등의 GaAs 제1원리 계산에서 AsGa와 GaAs 형성 에너지가 공공 및 간격 결함보다 작다는 DFT 결과는 우리 결과와 일치합니다[14].
As-풍부 및 양이온-풍부 조건에서 결함 형성 에너지: a GaAs, b AlAs, c GaAs/AlAs 초격자. XY: (X, Y = Ga, Al, 또는 As) X가 Y 격자 위치 점유; VX: X 공공; Xint: X 간격
GaAs/AlAs SL 구조에서의 Ef도 As-풍부 조건(\( {\mu}_{As}={\mu}_{As}^{bulk} \), \( {\mu}_{Al}={\mu}_{Al As}^{bulk}-{\mu}_{As}^{bulk} \), \( {\mu}_{Ga}={\mu}_{Ga As}^{bulk}-{\mu}_{As}^{bulk} \))과 양이온-풍부 조건(\( {\mu}_{Al}={\mu}_{Al}^{bulk} \), \( {\mu}_{Ga}={\mu}_{Ga}^{bulk} \), \( {\mu}_{As}=\left({\mu}_{SL}^{bulk}-{n}_{Al}\times {\mu}_{Al}^{bulk}-{n}_{Ga}\times {\mu}_{Ga}^{bulk}\right)/{n}_{As} \))에서 계산되었습니다. 여기서 nAl, nGa, nAs는 시뮬레이션 셀 내 Al, Ga, As 원자 수입니다. 표 3에 보인 바와 같이, AlGa 결함은 As-풍부와 양이온-풍부 조건에서 각각 -0.62 eV와 -0.27 eV의 음수 형성 에너지를 가져 AlGa 반자리 결함 형성이 발열 과정임을 나타냅니다. GaAl 결함도 As-풍부 조건에서 -0.01 eV, 양이온-풍부 조건에서 0.29 eV로 매우 작습니다. 분명히 GaAs/AlAs SL 구조에서 AlGa와 GaAl 반자리 결함 형성은 다른 포인트 결함보다 훨씬 쉽습니다. As-풍부 조건에서 두 번째로 유리한 AsGa와 AsAl 결함의 형성 에너지는 각각 1.67 eV와 1.74 eV입니다. 간격 결함의 경우 상 안정성은 As-풍부와 양이온-풍부 조건 모두에서 Gaint > Alint > Asint 순서를 따릅니다. GaAs/AlAs SL 구조의 결함 형성 에너지도 그림 3c에 도시했습니다. 벌크 GaAs와 비교해 GaAs/AlAs SL의 포인트 결함은 일반적으로 형성하기 더 어렵지만, Asint 경우는 예외입니다(그림 3a, c 참고). 벌크 GaAs에서 Asint 형성 에너지는 As-풍부와 Ga-풍부 조건에서 각각 5.20, 5.81 eV로 GaAs/AlAs SL의 5.01, 5.76 eV보다 약간 큽니다. 그림 3b와 c에서 벌크 AlAs와 SL 구조의 포인트 결함 안정성은 다른 양상을 보입니다. AlAs와 Asint 결함은 GaAs/AlAs SL에서 벌크 AlAs보다 더 유리한 반면, VAs 결함은 벌크 AlAs에서 더 유리합니다. As-풍부와 Al-풍부 조건에서 Alint의 형성 에너지는 벌크 AlAs와 SL 구조에서 비슷합니다. 마찬가지로 VAl 결함도 두 구조에서 비슷한 유리도를 보입니다. AsAl 결함의 경우 As-풍부 조건에서 SL 구조(1.46 eV)가 더 작고, 양이온-풍부 조건에서는 벌크 AlAs(3.10 eV)가 더 작아 AsAl 안정성이 화학 환경에 의존함을 시사합니다.
벌크 AlAs, GaAs, GaAs/AlAs SL의 결함 안정성을 비교하면, 반자리 결함이 공공과 간격보다 항상 더 유리하며, 특히 GaAs/AlAs SL에서 GaAl과 AlGa 경우가 그렇습니다. 또한 As-풍부와 양이온-풍부 조건 모두에서 Asint 결함이 벌크 상태와 GaAs/AlAs SL 구조 모두에서 형성하기 가장 어렵다는 점도 주목됩니다.
벌크 GaAs, AlAs, GaAs/AlAs SL의 밴드갭은 표 4에 요약되어 있으며, 밴드 구조는 그림 4에 제시했습니다. 하이브리드 DFT 계산으로 GaAs의 직접 밴드갭은 1.44 eV(그림 4a)로, 실험값 1.52 eV[29] 및 다른 계산값[24]과 잘 일치합니다. 표준 DFT는 0.5 eV를 예측하여 GaAs 밴드갭을 크게 과소평가합니다. AlAs는 간접 밴드갭 특성을 보이며 하이브리드 DFT 밴드갭은 2.16 eV(그림 4b)로, DFT 결과보다 0.85 eV 크고 실험값 2.22 eV[23]와 잘 일치합니다. 그림 4c에서 GaAs/AlAs SL의 밴드갭은 직접적이며 Botti 등의 연구와 일치합니다. 그들은 (GaAs)m/(AlAs)m SL (m ≥ 2)의 밴드갭이 Γ 점에서 직접적임을 발견했습니다[3]. 본 계산에서 GaAs/AlAs SL의 직접 밴드갭은 하이브리드 DFT로 2.06 eV로 결정되었으며, 실험값 2.10 eV[30]와 일치합니다.
a GaAs, b AlAs, c GaAs/AlAs 초격자의 밴드 구조. 왼쪽 패널은 하이브리드 DFT 값, 오른쪽 패널은 DFT 결과
GaAs/AlAs SL 구조에서 GaAl과 AlGa 반자리 결함은 다른 포인트 결함보다 에너지적으로 더 유리합니다. 그림 5a, b에서 GaAl과 AlGa 결함 상태의 밴드 구조는 원시 상태와 매우 유사하며 밴드갭은 각각 1.98 eV와 2.01 eV로 결정되었습니다. 이는 Al과 Ga가 유사한 원자가 전자 배치(Al: 3s23p1, Ga: 4s24p1)를 가져 GaAl과 AlGa 반자리 결함 형성 시 추가 전자나 정공이 생기지 않기 때문입니다. AsGa와 AsAl 결함 상태의 밴드 구조는 그림 5c, d에 나타냈습니다. 이 두 결함은 GaAs/AlAs SL의 밴드 구조를 상당히 수정합니다. AsGa와 AsAl 반자리 결함은 추가 전자를 도입하여 n-형 도펀트 역할을 합니다. 불순물 준위가 원자가대에서 멀리 떨어져 페르미 레벨을 가로지르는 것이 그림 5c, d에 보입니다. 이러한 깊은 결함 준위는 캐리어 재결합 중심이 될 수 있습니다.
다양한 반자리 결함을 가진 결함 GaAs/AlAs 초격자 밴드 구조. a: Ga가 Al 격자 위치 점유; b: Al이 Ga 격자 위치 점유; c: As가 Ga 격자 위치 점유; d: As가 Al 격자 위치 점유
그림 6은 GaAs와 AlAs 결함을 가진 결함 SL의 밴드 구조와 부분 상태 밀도(PDOS)를 보여줍니다. 그림 6a에서 GaAs 결함 SL의 밴드 구조는 스핀 분열 특성을 보입니다. 스핀-다운 서브밴드에서 페르미 레벨이 GaAs 결함에 의해 도입된 결함 준위를 통과하여 결함 SL의 반금속적 특성을 지시합니다. 반금속 갭 정의[31]에 따르면 GaAs 결함 상태의 밴드갭은 약 0.10 eV입니다. GaAs 결함 SL의 PDOS에서 페르미 레벨 근처 스핀-다운 서브밴드는 주로 p 편파에 기여합니다. Ga와 Al 원자의 유사한 원자가 전자 배치로 인해 AlAs 결함 상태의 스핀-업 및 스핀-다운 밴드 구조가 계산되었으며(그림 6b), 밴드갭은 0.15 eV로 계산되었습니다. 전반적으로 AlGa와 GaAl 반자리 결함은 GaAs/AlAs SL의 전자 구조에 미미한 영향을 미칩니다. AsAl과 AsGa 결함을 가진 결함 SL은 금속성을, GaAs와 AlAs 결함을 가진 결함 SL은 반금속성을 보입니다.
GaAs와 AlAs 반자리 결함을 가진 결함 GaAs/AlAs 초격자의 밴드 구조와 부분 상태 밀도. XAs (X = Ga 또는 Al) X가 As 격자 위치 점유
다양한 공공을 가진 SL 구조의 밴드 구조는 그림 7에, 해당 PDOS는 그림 8에 나타냈습니다. VGa와 VAl 결함의 경우에도 밴드 구조의 스핀 분열 특성이 관찰됩니다(그림 7a, b). 원자가 원래 위치에서 제거되면 sp3 오비탈과 관련된 네 개의 댕글링 본드가 남습니다. 구조 완화 과정에서 공공 주변 최근접 원자들이 빈 격자 위치를 향해 동일하게 변위되어 사각형 D2d 점군으로 정의되는 위치 대칭이 생깁니다. 유도된 결함 준위는 원자가대 근처에 나타나 GaAs/AlAs SL의 금지 영역에 위치합니다. VGa와 VAl 결함을 가진 SL의 밴드갭은 각각 0.47 eV와 0.44 eV로 결정되었습니다. VGa와 VAl 결함 SL의 PDOS(그림 8a, b)에서 Ⅲ족 공공의 주요 영향은 p 상태에 있습니다. 그림 7c에서 VAs 결함을 가진 결함 SL의 밴드 구조는 스핀-업과 스핀-다운으로 분열하며, 결함 준위가 전도대 근처에 나타납니다. VAs 결함이 n-형 도펀트 역할을 하므로 페르미 레벨이 높은 에너지로 이동하여 결함 준위 가장자리를 가로지릅니다. Kahaly 등은 GaAs-AlAs 헤테로계면 전기적 특성을 조사하여 계면 VAs 결함이 준 2-DEG를 유도함을 발견했습니다[7], 이는 우리 결과와 일치합니다. 계산 결과 공공들은 GaAs/AlAs SL 밴드 구조에 서로 다른 영향을 미칩니다: VAs 결함은 금속성을 유도하고, VGa와 VAl 결함은 초격자 밴드갭을 현저히 감소시킵니다.
다양한 공공 결함을 가진 결함 GaAs/AlAs 초격자 밴드 구조. a VGa, b VAl, c VAs 공공 결함. VX (X = Ga, Al, 또는 As) X 공공
다양한 공공 결함을 가진 결함 GaAs/AlAs 초격자 부분 상태 밀도. a VGa, b VAl, c VAs 공공 결함. VX (X = Ga, Al, 또는 As) X 공공
그림 9는 간격 결함을 가진 SL 구조의 밴드 구조를 보여줍니다. 페르미 레벨이 높은 에너지로 이동하여 전도대 가장자리를 가로지르는 것이 관찰됩니다(그림 9a, b). 이는 Ⅲ족 간격 결함이 도너형 결함이기 때문입니다. 결과적으로 Gaint와 Alint 결함을 가진 결함 SL은 금속적 특성을 보입니다. 그림 9c에서 Asint 결함의 경우 스핀-업과 스핀-다운 밴드 구조 모두에서 불순물 준위가 전도대 근처에 나타나며 페르미 레벨이 불순물 준위 가장자리를 가로질러 GaAs/AlAs SL의 금속화가 유도됨을 보여줍니다. 분명히 간격 결함은 GaAs/AlAs SL의 전자 구조를 현저히 변화시키며 일반적으로 결함 SL 구조의 금속화를 유도합니다.
간격 결함을 가진 결함 GaAs/AlAs 초격자 밴드 구조. a Gaint 결함, b Alint 결함, c Asint 결함. Xint (X = Ga, Al, 또는 As) X 간격
GaAs/AlAs SL의 반자리, 공공, 간격 결함에 대한 밴드 구조와 대표적 PDOS를 비교하면, GaAl과 AlGa 반자리 결함을 제외하고 결함들이 전자 구조를 상당히 수정함을 알 수 있습니다. 또한 밴드갭 협소화와 금속화가 유도되어 GaAs/AlAs SL의 성능에 급격한 영향을 미칠 것입니다.
0 K에서 전자 이동도는 μ = eτ/m∗ 식으로 계산할 수 있습니다. 여기서 e는 전자 전하, τ는 완화 시간, m∗는 캐리어 유효 질량입니다[32]. 전자 유효 질량은 밴드 구조 곡률로부터 \( {m}^{\ast }={\mathrm{\hslash}}^2{\left(\frac{d^2\varepsilon }{dk^2}\right)}^{-1} \) 관계로 평가할 수 있습니다[32]. 여기서 ℏ는 약화된 플랑크 상수, k는 파동 벡터, ε은 전도대 최소 에너입니다. 그림 4a, b에서 GaAs에 대해 m* = 0.057 me, AlAs에 대해 m* = 0.19 me를 얻어 각각 실험값 0.057 me[33]과 0.124 me[34]와 잘 일치합니다. 여기서 me는 정지 전자 질량입니다. AlAs와 GaAs의 완화 시간은 각각 0.17 ps와 0.48 ps로 가정했습니다[35]. 0 K에서 GaAs와 AlAs의 전자 이동도는 각각 1.48 × 104 cm2/Vs, 1.57 × 103 cm2/Vs로 계산되었으며, 실험값인 GaAs 0.94 × 104 cm2/Vs[36], AlAs 0.28 × 103 cm2/Vs[37]와 비교 가능합니다.
표 5에 보인 바와 같이, 이상적 GaAs/AlAs SL의 Γ 점에서 전자 유효 질량(mΓ*)은 0.113 me로 결정되었으며, 완화 시간 τ는 0.4 ps로 가정했습니다[38]. 이상적 GaAs/AlAs SL의 Γ-X 방향, 즉 브릴루앵 영역에서 Γ-X 방향을 따른 전자 이동도(μΓ−X)는 0.623 × 104 cm2/Vs로 계산되어 실험값 1.0 × 104 cm2/Vs[38]와 비교 가능합니다. 반자리 결함을 가진 결함 SL의 경우, GaAs와 AlAs 결함을 제외하면 μΓ−X 값이 이상적 SL과 비교 가능합니다. GaAs와 AlAs 결함 상태에서 Γ-X 방향 전자 이동도는 각각 0.263 × 104 cm2/Vs, 0.311 × 104 cm2/Vs로 이상적 상태보다 훨씬 작습니다. Gaint, Alint, Asint 간격 결함도 전자 이동도를 현저히 감소시킵니다(각각 0.225, 0.243, 0.315 × 104 cm2/Vs). 반자리 및 간격 결함과 비교해 공공 결함이 가장 심대한 영향을 미칩니다. VGa와 VAl 결함의 μΓ−X 값은 원시 상태보다 약 6배 작습니다. VAs 결함도 전자 이동도를 현저히 감소시킵니다(0.127 × 104 cm2/Vs). Tanaka 등은 전자 조사 효과를 GaAs/AlGaAs 헤테로구조 전기적 특성에 조사하여 5 × 1020 cm−2 이상 선량에서 전자 이동도 감소를 발견했습니다[10]. 특히 GaAs 채널 영역에서의 결함 생성이 n-AlGaAs 층보다 이동도 저하의 주원인으로 지목되었습니다[10]. 최근 전자가 결함이나 불순물에 포획되어 격자 완화를 동반한 준안정 상태를 생성할 수 있다는 제안도 있습니다[39]. 결과적으로 GaAs/AlAs SL의 전자 구조와 캐리어 이동도는 포인트 결함에 의해 현저히 영향을 받습니다. 따라서 방사선 환경 하에서 전자 성능 향상을 위해 GaAs/AlAs SL의 방사선 내성을 강화할 필요가 있습니다.
본 연구에서는 하이브리드 밀도범함수이론을 사용하여 포인트 결함이 GaAs/AlAs 초격자(SL) 전기적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 계산된 결함 형성 에너지에 따르면 벌크 GaAs와 AlAs에서 반자리 결함이 가장 유리합니다. GaAs/AlAs SL 구조에서는 양이온-풍부 및 As-풍부 조건 모두에서 반자리 결함이 항상 우세하며, 간격 결함은 전체 화학 포텐셜 범위에서 형성하기 매우 어렵습니다. 다양한 포인트 결함이 GaAs/AlAs SL 전자 구조에 미치는 영향은 다양합니다. AsX (X = Al 또는 Ga) 및 XAs 반자리 결함은 항상 금속성을 유도하지만, XAs 반자리를 가진 결함 SL은 스핀 분열을 보입니다. 공공 결함의 경우 VAs를 가진 결함 SL은 금속성을, Ⅲ족 공공 결함은 초격자 밴드갭을 현저히 감소시킵니다. 간격 결함을 가진 결함 GaAs/AlAs SL에서도 금속성이 발견됩니다. 추가 캐리어 이동도 계산 결과, 간격 및 공공 결함은 전자 이동도를 현저히 감소시키는 반면 반자리 결함은 상대적으로 영향이 적습니다.
나노물질
요약 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)의 전기활성 β-상은 가장 높은 열전 및 압전 특성을 가져 유연한 센서, 웨어러블 전자기기, 에너지 하베스터 등에 활용하기에 가장 바람직한 결정상입니다. 본 연구에서는 기계적 연신과 전기방사 공정을 통해 고함량 β-상 PVDF 필름과 나노섬유 매쉬를 제조하는 방법을 개발했습니다. 편광 현미경(PLM) 이미지 모니터링, 출력 전류 및 개방회로 전압 측정을 통해 연신된 필름과 나노섬유 매쉬의 상전이 과정과 열전·압전 효과를 특성화했으며, 이들이 연신 비율(λ)과 농도와 밀접한 관련이 있음을 입증했
자부심을 가진 용접사라면 용접 불연속(Discontinuity)과 결함(Defect) 관리는 최우선 과제입니다. 두 용어는 비슷해 보여도 의미가 명확히 다릅니다. 용접 불연속(Discontinuity) 기계적·물리적·야금학적 조화가 결여된 상태를 말합니다. 주요 유형: 기공(Porosity) 분포 불균일 불완전 용입/융합 비승인 비드 형상 미세 크랙·열열 용접 결함(Defect) 불연속 중에서도 구조적 건전성을 해치거나 품질 기준 미달로 판정된 경우입니다. 결함 제품은 사용 위험성이 있거나 불합격품입니다. 불연속이 결함인지 여부
