4차 InGaNBi의 구조적 및 전자적 특성의 조성 의존성

결과 및 토론

구조적 특성

슈퍼셀은 64개의 원자를 포함하는 4×2×2 WZ-GaN 원시 셀로 구성된다. I의 36곡을 조사합니다. n _와 가 _1−y 아니 _1−x 비 _x 0≤x ≤0.09375,0≤y ≤0.5는 InGaN 샘플이 55-60%보다 높은 In 함량에 대해 큰 격자 불일치와 열악한 품질을 나타내는 최근 실험을 기반으로 할 뿐만 아니라 [32] 희석된 비스마이드 합금에서 비스무트의 낮은 용해도를 나타냅니다. In 및 Bi 원자가 고르게 퍼져 있는 대표적인 구성이 고려됩니다. 삼항 In의 계산된 격자 매개변수를 요약했습니다. _와 가 _1−y N 및 4차 In _와 가 _1−y 아니 _1−x 비 _x 그림 1의 다른 이론 및 실험 데이터와 함께 합금. 깨끗한 GaN의 경우 격자 매개변수 a =3.211, c =5.235 Å, 다른 이론적 계산과 잘 일치합니다. a =3.155,3.22 Å, c =5.144,5.24 Å [39–41] 및 a에 대한 실험 데이터 3.19 Å , c의 경우 5.19 Å [42]. 격자 매개변수(a , c )의 안 _와 가 _1−y In 조성이 증가하면 N이 상승하고 그림 1a와 같이 거의 선형 변화를 보입니다. 현재 계산은 a를 예측합니다. =3.304 Å, c In의 경우 =5.365 Å _0.25 GaN 및 a =3.397 Å, c In의 경우 =5.509 Å _0.5 GaN, 모두 a의 이전 결과와 잘 일치합니다. =3.33 Å, c =In의 경우 5.39 Å _0.25 GaN 및 a =3.43,3.485 Å, c =5.55,5.488 Å I n _0.5 GaN [39, 40, 43, 44]. 4차 합금의 경우 In _와 가 _1−y 아니 _1−x 비 _x , 우리가 아는 한, 구조적 특성에 대한 실험적, 이론적 값은 없습니다. 그림 1b에서 얻은 격자 매개변수는 In 및 Bi 조성이 증가함에 따라 거의 선형으로 증가합니다. Ga 및 N 원자보다 In과 Bi의 이온 반경이 ​​더 크기 때문에 Ga보다 In과 N을 Bi로 치환하면 InGaNBi의 격자 매개변수가 향상됩니다.

a에 대한 격자 매개변수 삼원 합금 In _와 가 _1−y 아니 , 0≤y ≤0.5 및 b 4차 합금 In _와 가 _1−y 아니 _1−x 비 _x , 0≤x ≤0.09375, 0≤y ≤0.5. 비교를 위해 Ref.의 다른 계산 및 실험 데이터를 추가합니다. [39-44] 그림 1a. 실선은 a를 나타냅니다. 점선은 c입니다.

In 및 Bi 통합은 결정 주기성을 깨뜨리고 심하게 합금된 구조에 기하학적 변형을 도입합니다. 안을 선택합니다. _0.25 GaN 비 _0.0625 그림 2와 같이 4가지 화학 결합 통계의 예입니다. Ga-N, In-N, Ga-Bi 및 In-Bi 결합의 평균 길이는 각각 2.009, 2.195, 2.592 및 2.704Å입니다. 원시 벌크 GaN의 Ga-N 결합 길이는 1.970Å입니다. In-N 결합 길이는 Ga-N 결합 길이보다 크며, 이는 In 원자가 N 원자를 현저하게 밀어낸다는 것을 나타냅니다. 유사하게, Ga-N보다 Ga-Bi의 결합 길이가 더 길다는 것은 Bi 원자가 Ga 원자를 밀어낸다는 것을 의미하며, Ga(1.22Å), In(1.42Å), N(0.71Å), 및 Bi(1.48Å)[45]. 다른 구성도 유사한 동작을 표시합니다. 호스트와 도펀트 사이의 전기 음성도의 격자 변형 및 불일치는 전자 및 광학 특성에 상당한 영향을 미칩니다.

In의 결합 길이 히스토그램 _0.25 GaNBi _0.0625 . 패널의 값은 4가지 결합 유형의 평균 길이를 나타냅니다.

전자 자산

기능 또는 보정 전위 및 SOC 효과는 III-V 합금 밴드갭 에너지, 가전자대 및 스핀-궤도 분할 에너지의 예측된 정확도에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 따라서 MBJLDA 전위를 사용하여 결과를 검증하고 다른 이론적 계산 및 실험과 비교합니다. 그림 3은 In에서 밴드갭 에너지 대 In 구성의 플롯입니다. _와 가 _1−y N 뿐만 아니라 데이터에 대한 적합도. 실험, 이론적 HSE06, mBJ 및 LMTO-CPA-MBJ 기능을 통해 얻은 일부 밴드갭 값도 표시됩니다. GaN의 예상 밴드갭은 3.273 eV로 현재 계산 및 실험과 잘 일치하며, mBJ[40]에서는 3.33 eV, HSE06에서는 3.261, 3.23 eV, 실험에서는 3.40–3.50 eV입니다[47– 49]. 나에서 관찰된 바와 같이 n _와 지 아 _1−y N, 우리의 DFT 결과는 E _g 나의 가치 n _와 지 아 _1−y N은 y로 계속 감소합니다. 0에서 50%로 증가합니다. 이 _g 부드럽게 3.273에서 1.546 eV로 감소합니다. 이는 이론적(HSE06, mBJ 전위)[39, 40, 46] 및 실험 결과[50, 51]의 결과와 잘 비교됩니다.

예상 밴드갭 에너지(E _g , 빨간색 실선) I에서 In 구성의 함수 n _와 지 아 _1−y 아니 데이터에 대한 적합성(검정색 점선). 기타 이론적 [39, 40, 46] 및 실험 [47-51] 결과도 표시됩니다.

4차 I의 밴드갭에 대한 등고선 플롯 n _와 지 아 _1−y 아니 _1−x 나 나 _x 합금은 그림 4에 나와 있습니다. 4차 합금의 밴드갭은 In 및 Bi 함량이 증가함에 따라 감소하는 조성의 함수로 비선형 경향을 나타냅니다. 결과에서 우리는 InGaNBi 밴드갭이 최대 9.375%의 Bi에 대해 3.273~0.651eV의 넓은 에너지 범위를 커버할 수 있음을 발견했으며, 이는 0.38~1.9µm의 파장 범위에 해당하여 가시광선 및 중적외선 범위.

I에 대한 밴드갭 값의 등고선 플롯 n _와 지 아 _1−y 아니 _1−x 나 나 _x 합금, Bi(x ) 및 In(y ) 작곡

InGaN과 비교하여 Bi의 통합은 더 급격한 밴드갭 감소를 유도합니다. 그러나 그 이상으로 Δ _SO 전자 스핀과 궤도 각운동량 사이의 고급 상호 작용이 SO 밴드 에너지를 감소시키는 비스무트의 강력한 SOC 효과로 인해 얻어집니다. 또한, 비스마이드 합금의 가전자대 교차 방지 효과에서 발생하는 향상된 가전자대 가장자리도 Δ를 크게 향상시킵니다. _SO [28]. 계산된 Δ _SO 값은 각각 3.125%에 대해 약 0.220 eV, 6.25%에 대해 0.360 eV 및 9.375% Bi에 대해 0.600 eV이며, 이는 인듐 분율에 따라 변동이 미미합니다. 이전 조사에서는 다양한 Bi 배열이 스핀 궤도 분할 에너지를 포함하여 비스마이드 합금의 밴드 구조에 큰 영향을 미친다는 것이 입증되었습니다[21, 52]. 현재 결과는 I n _0.5 지 아 아니 나 나 _0.09375 밴드갭 값(0.651 eV)은 Δ의 값에 매우 가깝습니다. _SO (0.577eV). InGaN 샘플은 55-60% 이상의 In 함량에 대해 격자 불일치가 크고 품질이 좋지 않고 희석된 비스마이드 합금에서 비스무트의 낮은 용해도를 나타내기 때문에 In의 함량을 최대 50%로 설정하고 Bi를 최대 50%로 설정했습니다. 9.375%. 인듐 또는 비스무트 함량이 높을수록 Δ _SO >이 _g 4차 InGaNBi 샘플에서 InGaNBi 기반 LED 및 LD의 효율성을 향상시킵니다.

순수한 GaN, I의 예상 밴드 구조 및 TDOS(총 상태 밀도) n _0.25 GaN, 그리고 나 n _0.25 지 아 아니 나 나 _0.03125 합금은 그림 5에 나와 있습니다. In 및 Bi의 기여는 색상으로 강조 표시됩니다. 파란색(빨간색)은 In(Bi)에서 비롯된 상태에 해당합니다. I의 In 치환 n _0.25 GaN은 전도대와 가전자대 모두에 큰 영향을 미치며 전도대 최소값(CBM)이 페르미 준위와 관련하여 에너지를 낮추고 더 좁은 에너지 갭을 반영합니다. 페르미 준위 부근의 금단의 간극에 결함대를 도입하는 비스무트와 달리 In 원자는 VB 준위와 혼성화를 보인다. 4차 합금 I의 경우 n _0.25 지 아 아니 나 나 _0.03125 , bandgap의 감소는 VBM(upward valence band maximum)과 하향 CBM 모두에서 발생하며 CBM은 I에 비해 더 크게 변화함을 분명히 알 수 있습니다. n _0.25 비스무트의 첨가로 인한 InGaNBi의 더 큰 압축 변형에 기인하는 GaN. 빨간색으로 강조 표시된 결함 수준은 주로 Bi와 가까운 Ga 원자 사이의 혼성화에서 파생된 VB 가장자리와 강한 상호 작용을 합니다. 그림 5e의 TDOS는 -1.0 ~ -0.5 eV의 국부적 결함 수준도 반영합니다.

a의 투영된 밴드 구조 및 해당하는 총 상태 밀도(TDOS) GaN, b , ㄷ 나 n _0.25 지 아 아니 , 및 d , e 나 n _0.25 지 아 아니 나 나 _0.03125 . 검은색 점선은 0으로 설정되는 페르미 레벨을 나타냅니다. In 및 Bi의 상대적 기여는 색상으로 강조 표시됩니다. 파란색(빨간색)은 In(Bi)에서 시작된 상태에 해당합니다.

GaN의 InGaNBi 변형

[0001] 지향적인 나 n _와 지 아 _1−y N/GaN 변형 양자 우물은 현재 LED 및 LD 장치에 널리 채택되며, 여기서 I n _와 지 아 _1−y N 층은 이축 압축 응력을 받습니다. In 및 Ga 원자의 국부적 조성 변동 및 다른 공유 반경은 I의 변형을 발생시킵니다. n _와 지 아 _1−y N 레이어 [53]. 그림 6은 GaN 기판의 InGaNBi 변형을 보여줍니다. 인듐 원자는 갈륨 원자보다 크기 때문에 비스무트 원자는 질소 원자보다 큽니다. 따라서 InGaNBi에 In 및 Bi 원자를 통합하면 GaN에 압축 변형 InGaNBi가 유도됩니다. 50%의 In 함량과 9.375%의 Bi 함량에서 InGaNBi는 8.5%의 높은 압축 변형률을 받는 것으로 나타났습니다. In 분율 6.25% 이내, Bi 분율 2.8% 이내의 경우, GaN 상의 InGaNBi의 변형률은 1% 이내입니다. 즉, In 및 Bi 조성을 조정하여 InGaNBi를 허용 가능한 변형률로 GaN에서 설계할 수 있습니다.

Bi 분율의 함수로서 다양한 In(0–0.5)에서 GaN 기판의 InGaNBi 합금 변형. 변형률의 양수 값은 InGaNBi가 압축 변형률을 받고 있음을 나타냅니다.