Boyko, I. V.

Бойко, І. В.

Electronic archive of Ternopil National Ivan Puluj Technical University

Матеріали ХХ наукової конференції ТНТУ ім. І. Пулюя, 2017 184 Секція: ФІЗИКА Керівники: проф. Л. Дідух, доц. Л. Скоренький Вчений секретар: доц. О. Крамар  УДК 538.915; 538.935 І.В. Бойко – кандидат фіз.-мат. наук, доцент Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Україна  САМОУЗГОДЖЕНИЙ РОЗРАХУНОК ПОТЕНЦІАЛЬНОГО ПРОФІЛЮ AlN/GAN НАНОСТРУКТУР  I.V. Boyko – Ph.D, Assoc. Prof. SELF-CONSISTENT CALCULATION OF AlN/GAN NANOSTRUCTURES POTENTIAL PROFILE  Робота сучасних квантових каскадних лазерів (ККЛ) та квантових каскадних детекторів (ККД) [1-4] створених на основі напівпровідників GaAs, InAs, AlAs визначається рядом обмежуючих факторів, зокрема необхідністю обходження наноприладів та вузьким частотним діапазоном їх роботи. Новим напрямком, який тільки починає розвиватися, є розробка ККЛ та ККД на основі нітридних напівпровідників AlN, GAN, та теоретичне дослідження процесів, що відбуваються у резонансно-тунельних структурах (РТС) на їх основі. Особливість вищезгаданих нітридних напівпровідникових матеріалів є те, що для AlN/GAN наноструктур, внаслідок їх анізотропних властивостей результуючий дипольний момент, елементарної ґратки виявляється нескомпенсованим, що є фактором виникнення спонтанної поляризації напівпровідника. Крім того, на гетеромежах експериментально реалізованих наноструктур присутня неузгодженість сталих ґраток контактних матеріалів, що спричиняє п’єзоелектричну поляризацію. Дослідження потенціальних профілів таких РТС, становить важливу теоретичну проблему, вирішення якої дозволяє з’ясувати особливості електронного тунельного транспорту у таких наносистемах. У пропонованій роботі, з використанням моделі ефективних мас електрона та прямокутних потенціальних ям і бар’єрів з урахуванням макроскопічної поляризації РТС знайдено самоузгоджені розв’язки системи рівнянь Шредінгера: )()()()(),(122zEzzVzzzEmz  (1) та Пуассона: )()()( zezzzzH  ,     (2) де густина зарядів, локалізованих у межах РТС:   ))()(()()()()(501 znzNezzzzzz Dpppp   ,  (3) де : 00)()()(pp zzzzp zPzPz ,    (4) а P  - величина поляризації, яка виникає у довільному шарі РТС напівпровідникового типу NBA xx 1 , виражається сумою спонтанної SPP  та п’єзоелектричної PZP  поляризацій, залежно від: )()()( xPxPPxPP SPABNPZABNABN  .   (5) Ефективний потенціал для електрона визначається як: Матеріали ХХ наукової конференції ТНТУ ім. І. Пулюя, 2017 185 )()()()()( zVzVzezEzV EexHC   ,   (6) де )(zEC  - потенціальний профіль РТС для електрона, розрахований без урахування зовнішніх полів, )()(4211ln216213,0149)(*02312 zazrerrzVBsssex   - обмінно-кореляційний потенціал, розрахований у апроксимації Федіна-Лундквіста, )(zVE  - потенціал, зумовлений полями макроскопічної поляризації та зовнішнім електричним полем. Безпосередні розрахунки виконувались для експериментально реалізованої РТС, що слугувала каскадом ККД [4]. Геометричні параметри РТС такі: товщини потенціальних бар’єрів: nm1;nm1;nm2 321  , ширини потенціальних ям: nm15;nm08.2 21  dd .  0 5 10 15 20050010001500200025003000    E, meVz, nm  Рис. 1. Енергетична структура каскаду ККД з вказаними енергетичними рівнями стаціонарних станів електрона та відповідними розподілами ймовірності його знаходження у межах РТС  На Рис. 1. приведено енергетичну структуру каскаду ККД з вказаними енергетичними рівнями стаціонарних станів електрона та відповідними розподілами ймовірності його знаходження у межах РТС. Безпосереднім розрахунком встановлено, що розрахована робоча частота ККД відрізняється від експериментально реалізованої не більш як на 3%.  Література [1] J.M. Wolf, A. Bismuto, M. Beck, and J. Faist. Distributed-feedback quantum cascade laser emitting at 3.2 μm // Optics Express, 22(2), pp. 2111-2118 (2014). [2] Boyko I.V. Role of Two-Photon Electronic Transitions in the Formation of Active Dynamic Conductivity in a Three-Barrier Resonance Tunneling Structure with an Applied DC Electric Field // Ukr. J. Phys. 2016, Vol. 61, N 1, p.66-74 [3] I.V. Boyko, A.M. Gryschuk. The Spectrum of Transverse Acoustic Phonons in Planar Multilayer Semiconductor Nanostructures // J. Nano- Electron. Phys. 8 No 4(1), 04001 (2016). [4] S. Sakr, E. Giraud, M. Tchernycheva, N. Isac, P. Quach, E. Warde, N. Grandjean, and F. H. Julien. A simplified GaN/AlGaN quantum cascade detector with an alloy extractor // Appl. Phys. Lett., 101, pp. 251101 -1-251101-4 (2012).   

Self-consistent calculation of AlN/GAN nanostructures potential profile

http://elartu.tntu.edu.ua/bitstream/lib/22173/2/NKTNTU_2017_Boyko_I_V-Self_consistent_calculation_184-185.pdf

Self-consistent calculation of AlN/GAN nanostructures potential profile

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Ternopil National Ivan Puluj Technical University