Projektowanie materiałów i struktur

Transkrypt

1 Projktowani matriałów i struktur Marta Gładysiwicz-Kudrawic, p. 9 A-1 Warunki zalicznia: Zaliczni wykładu na podstawi tstu. Zaliczni laboratorium na ocnę dostatczną na podstawi trzch projktów Proram tablicujący i rysujący funkcj spcjaln Wykrs położń pasma walncyjno i przwodnictwa w związkach miszanych Strutura pasmowa wybrano związku miszano Projkty zaliczon na ocnę od 4 dołożni koljnych lmntów do końcowo projktu a ocnę clującą trzba oddać projkt zaliczniowy obliczjący strukturę pasmową dla studni kwantowych zbudowanych na wybranym podłożu Ocna z laboratorium moż być przpisana na wykład.

2 Warunki zalicznia labolatorium Dwa pirwsz projkty są na zaliczni. Projkt trzci kończy się ocną zaliczającą labolatorium. Do projktu końcowo nalży dołączyć sprawozdani w formi pismnj Zaliczni kstrnistyczn. Maksymalni na 3 zajęciach nalży złosić chęć wczśnijszo zalicznia. Projkt zaliczniowy w wrsji podstawowj nalży przdstawić na 5 zajęciach labolaoryjnch.

3 Sprawozdani końcow W sprawozdaniu końcowym zamiszczamy rysunki przdstawiając obliczon struktury pasmow z krótkim opism. alży podać paramtry matriałow z jakimi dokonano obliczń wraz z rfrncjami. Ocniany będzi stopiń trudności wykonanych obliczń i analiza wyników ilościowych.

4 Cl wykładu Clm wykładu jst omówini zaadniń/problmów pojawiających się przy projktowaniu matriałów i struktur półprzwodnikowych. Czy taki wykład ma sns? Czy laboratorium do wykładu jst uzasadnion i ma sns? Wykład jst potrzbny aby omówić zaadninia pojawiając się na laboratorium oraz zbrać wybran informacj z różnych zakrsów w jdnym mijscu. Podstawy tortyczn: mchanika kwantowa, fizyka półprzwodników arzędzia: mtody numryczn, proramowani w dowolnym języku Główną trścią wykładu jst przkazani umijętności zaimplmntowania mchaniki kwantowj w matriałach półprzwodnikowych charaktryzujących się swoimi paramtrami wyrażonymi w liczbach.

5 Dlaczo liczby są taki ważn? Aspkt akadmicki: Fizyka w dużj swojj części jst nauką porównującą liczby i opartą na liczbach. Przykład: Kwantowani nrii lktronu pojawia się kidy rozmiary oraniczając ruch lktronu są rzędu kilku nanomtrów. Aspkt praktyczny: Dla światła zilono o dłuości fali 500nm zmiana dłuości fali o 0% powoduj zmianę barwy na czrwoną (600nm) lub nibiską (400nm). Różnica pomiędzy kolorm zilonym czrwonym i nibiskim w życiu codzinnym jst bardzo istotna.

6 Jszcz raz o zaliczniu Co jst ważn widza czy umijętności? Odpowidz: przyjmijmy proporcj 0/80 Jak sprawdzić umijętności z to zakrsu? Zaprojktować jakiś przyrząd półprzwodnikowy lub jo framnt. Jak zwryfikować widzę z to zakrsu? Jżli umijętności zostały sprawdzon na laboratorium to widza tż została zwryfikowana. Aby napisać autorski proram i sprawozdani trzba dysponować odpowidnią widzą.

7 Co to znaczy autorski? iodtwórczy Wykonany/napisany sammu od początku do końca Jst to rozwiązani ni opisan w litraturz Zawira lmnty nowatorski w stosunku do znanj konstrukcji Proram zaliczniowy oraz sprawozdani z to proramu jst zadanim indywidualnym Ocnian będą: skala trudności, pomysłowość, praktyczn zastosowani rozwiązania, przjrzystość i łatwość obsłui proramu, możliwość wykonania danj konstrukcji i jj koszt, rztlny opis rozwiązania w sprawozdaniu,

8 Proram zaliczniowy i sprawozdani Zaadnini do rozwiązania w prorami zaliczniowym: Przykładow dłuości fali oraz ich zastosowani: - ibiski lasr do zapisu danych w DVD - Zilony lasr wykorzystywany do pointrach - Czrwony lasr wykorzystywany w komputrowych myszach optycznych - Lasr mitujący światło o dłuości fali 1.3 m do transmisji danych w II okni światłowodowym - Lasr mitujący światło o dłuości fali 1.55 m do transmisji danych w III okni światłowodowym - Lasry mitując światło w zakrsi m wykorzystywan do dtkcji mtanu i podobnych azów - Diody lktroluminscncyjn o różnych barwach od czrwonj do nibiskij

9 Plan wykładu Oólna klasyfikacja przyrządów półprzwodnikowych: - podział przyrządów półprzwodnikowych z wzlędu na zasadę ich działania (zjawisko fizyczn), - zastosowani w współczsnym życiu, - paramtry przyrządów półprzwodnikowych, krytria ich doboru oraz ich oranicznia fizyczn. Zjawiska fizyczn w przyrządach półprzwodnikowych i ich modlowani: - równani Schrodinra, stany związan, - samouzodnion rozwiązani równania Schrodinra i Poissona, - równani transportu. Podstawow matriały półprzwodnikow: - półprzwodniki rupy IV, III-V, II-VI i inn, - tchnoloi ich otrzymywania, - domiszkowani półprzwodników, naturaln dfkty, - położni pasm wzlędm poziomu próżni, nria stabilizacji poziomu Frmio.

10 Plan wykładu Związki półprzwodnikow miszan: - przybliżni kryształu wirtualno, prawo Varda, - tchnoloia otrzymywania związków miszanych, - stopy numryczn (an. diital alloys), - niciąłość pasm, - związki półprzwodnikow osadzan na dwuskładnikowych podłożach, htrostruktury. aprężnia w strukturach półprzwodnikowych: - potncjały dformacyjn, - przsunięcia pasm w htrostrukturach z naprężniami ściskającymi oraz rozciąającymi, - rubość krytyczna. Strukura pasmowa matriałów półprzwodnikowych Efkty polaryzacyjn w wybranych strukturach półprzwodnikowych Części pasywn oraz aktywn w wybranych przyrządach półprzwodnikowych

11 Plan wykładu Diody lktroluminscncyjn Lasry krawędziow Lasry typu VCSEL Lasry kaskadow Modulatory światła Dtktory Batri słonczn Tranzystory

12 Oólna klasyfikacja przyrządów półprzwodnikowych Podział przyrządów półprzwodnikowych z wzlędu na zasadę ich działania (zjawisko fizyczn) Ich zastosowani w współczsnym życiu Paramtry przyrządów półprzwodnikowych, krytria ich doboru oraz ich oranicznia fizyczn

13 Podział przyrządów półprzwodnikowych z wzlędu na zasadę działania Emitry światła - zamiana przpływu prądu na misję światła Dtktory światła, oniwa fotowoltaiczn (batri słonczn) - zamiana światłą na przpływ prądu Tranzystory, tyrystory, - rulacja przpływu prądu Półprzwodnikow czujniki tmpratury, ciśninia, pola mantyczno, itd. - zmiana rzystancji matriału półprzwodnikowo na skutk zwnętrznych paramtrów Inn (modulatory światła, miksry światła, slktywn zwirciadła, )

14 Emitry światła (diody lktroluminscncyjn)

15 Emitry światła (lasr krawędziowy)

16 Emitry światła (lasr o misji powirzchniowj)

17 Emitry światła (lasr kaskadowy)

18 Dtktory światła oraz oniwa fotowoltaiczn

19 Dtktory światła oraz oniwa fotowoltaiczn

20 Tranzystory

21 Czujniki tmpratury, ciśninia, pola mantyczno, Rzystancja matriałów półprzwodnikowych zalży od zwnętrznych czynników takich jak: - tmpratura - ciśnini hydrostatyczn - pol mantyczn - Fizyka takio przyrządu sprowadza się do prawa Ohma: I=U/R Rzystancja matriału półprzwodnikowo zalży od paramtrów zwnętrznych stąd R=f(T, P, B). Przy U=constant prąd jst funkcją zwnętrznych paramtrów I(T, P, B). Wyskalowani prądu w funkcji zadano paramtru (T, P, lub B) pozwala mirzyć dany paramtr.

22 Paramtry przyrządów półprzwodnikowych, krytria ich doboru oraz ich oranicznia fizyczn Emitry światła - paramtry: dłuość fali, intnsywność światła, prąd proowy, częstotliwość modulacji - krytria doboru: kształtowan są przz konkrtn zastosowani - oranicznia fizyczn: wynikają z zastosowanych matriałów i wykorzystanych zjawisk fizycznych

23 Zakrsy spktraln dla przjść między- oraz wwnątrz-pasmowych dla różnych układów matriałowych AlGa Ga Międzypasmow modulatory/lasry AlGaAs GaAs InGaAs InP InAlAsSb Lad salts Dilut nitrids: III-V-/GaAs III-V-/ III-V-/InAs Dilut nitrids Wavlnth (µm) UV VIS IR Mid-IR Far-IR Okna tlkomunikacyjn 10 GaAs/AlGaAs InGaAs/AlInAs/InP InAs/AlSb Ga/Al Wwnątrzpasmow modulatory/lasry Frqunc (Thz) 1

24 Uwzlędnini naprężń dla układów krystalizujących w strukturz blndy cynkowj (kubicznj) 1 z m * z f n z z E S E E V C C C H a 1 1 C11 V H C b 1 C 1 11 z C V a 1 1 C11 z z E E E Q C EC E E Przsunięcia pasm związan z naprężniami: z f z E f z n n n C C C E 0 E H HH LH V z E 0 E 0 0 V 0 V H V E E V H E E Aby znalźć stany własn trzba rozwiązać następując równani Schrödinra: m, m, m E, E, E E f, E,... hh lh * C inaprężony band offst: HH V LH V 1, 1 f z z L Z L Z S S

25 Hamiltonian 8 kp Hamiltonian tn uwzlędnia Istnini 3 pasm dziurowych 1 pasma lktronowo oraz Oddziaływania pomiędzy nimi Elmnty diaonaln poszczóln pasma Elmnty pozadiaonaln Odpowidzialn za poszczóln oddziaływania W innych matriałach cztroskładnikowych niż InGaAs Wydaj się być zasadn zastosowani modlu 8kp do oblicznia struktury pasmowj i wzmocninia optyczno

26 , Hamiltonian 10 kp dla GaInAs Hamiltonian uwzlędniający: 3 podpasma dziurow 1 pasmo lktronow poziom azotowy utworzony w paśmi przwodnictwa Wszystki podpasma oddziałując z sobą Uwzlędnini naprężń

27 Rnormalizacja paramtrów w modlu 10 i 8 kp Paramtry Luttinra: Rnormalizacja masy fktywnj W paśmi przwodnictwa: Gdzi:

28 Rozszrzony 8x8 kp modl (modl z BAC) Przrwa nrtyczna (BAC modl) Masa fktywna lktronu W przypadku matriałów 4 składnikowych można rozszrzyć modl 8 kp Przrwę nrtyczną i masę fktywną można obliczyć stosując modl BAC M. Gladysiwicz, R. Kudrawic, J. M. Miloszwski, P. Wtman, J. Misiwicz, and M. S. Wartak, J. Appl. Phys. 113, (013).

29 A. Fischr, H. Kuhn and H. Richr Phys. Rw Ltt. (73), 71 (1994) Grubość krytyczna Grubość krytyczna (hc): nidopasowani siciow pomiędzy matriałm i podłożm Grubości krytyczn w rzczywistych matriałach są zazwyczaj większ niż t przwidywan obliczniami tortycznymi Equation: bcos x 36hc 1 x koncntracja domiszki - współczynnik Poissona 1 4 hc ln 4 cos (1 ) b Th critical thicknss (A) 100 InGa on Ga In contnt in InGa

30 Struktura pasmowa obliczona dla ninaprężono matriału Ga 1-y In y As 0.98 obliczona przy pomocy modlu 10 i 8 pasmowo In Ga As 0.98 Ga 5 In 0.15 As 0.98 Ga 0.65 In 0.35 As 0.98 E + -lvl Enry (V) 1 0 Enry (V) 1 0 GaInAs BAC 10-band kp 8-band kp E - HH Enry (V) 1 0 LH -1 [1,1,0] [0,0,1] k (1/nm) k z (1/nm) SO -1 [1,1,0] [0,0,1] k (1/nm) k z (1/nm) -1 [1,1,0] [0,0,1] k (1/nm) k z (1/nm)

31 Porównani struktur pasmowych obliczonych dla studni kwantowych przy pomocy modli 8 i 10 kp Ga 0.65 In 0.35 x As 1-x (6nm)/GaAs QW szrokość studni Ga 0.65 In 0.35 As 0.98 (d)/gaas QW Enry (V) band kp 8-band kp 1 Enry (V) band kp 8-band kp 1 0 (a) x=1 (b) x= (c) x=3 (d) x=4 0 (a) d=4nm (b) d=6nm (c) d=8nm (d) d=10nm Enry (V) k (1/nm) k (1/nm) k (1/nm) h1 h k (1/nm) Enry (V) k (1/nm) h1 h h k (1/nm) k (1/nm) k (1/nm) Struktura pasmowa obliczona dla studnigainas/gaas przy różnych koncntracjach azotu obliczona przy pomocy modli10-kp i 8-kp Widoczn różnic w paśmi przwodnictwa

32 ) Ciśnini hydrostatyczn: Bulk modulus Współczynniki ciśniniow dla przrwy nrtyczn Współczynniki ciśniniow dla CB i VB: S-H. Wi and A. Zunr, Phys. Rv. B 60, 5404 (1999).

33 , Zalżność od ciśninia położnia wirzchołków pasm CB i VB w naprężonym matrial lvl M. Gladysiwicz, R. Kudrawic, M. Wartak J. Appl. Phys. 115, (014). Enry (V) 0.1 GaAs Ga 0.65 In 0.35 As Ga 0.65 In 0.35 As Hydrostatic prssur (kbar) = 1.5 mv/kbar W. Shan, t al. Phys. Rv. Ltt. 8, 11 (1999). W porównaniu z wirzchołkami pasm poziom azotowy pozostaj praktyczni niruchomy

34 Struktura pasmowa Ga 0.65 In 0.35 As 0.98 obliczona dla różnych ciśniń p 0 kbar 0 kbar 40 kbar -lvl Enry (V) 1 0 GaInAs GaInAs Enry (V) 1 0 Enry (V) [1,1,0] [0,0,1] k(1/nm) k z (1/nm) -1 [1,1,0] [0,0,1] k(1/nm) k z (1/nm) k(1/nm) [1,1,0] [0,0,1] k z (1/nm) Zwnętrzn ciśnini zminia niparaboliczność w paśmi przwodnictwa w

35 Struktura pasmowa dla studni kwantowj 8nm Ga 0.65 In 0.35 As/GaAs oraz Ga 0.65 In As 0.98 /GaAs Enry (V) Ga 0.65 In 0.35 As/GaAs QW (a) P=0kbar (b) P=0kbar (c) P=40kbar GaAs Enry (V) Ga 0.65 In 0.35 As 0.98 /GaAs QW (a) P=0kbar (b) P=0kbar (c) P=40kbar -lvl GaAs k (1/nm) k (1/nm) Wprowadzni azotu do struktury GaInAs/GaAs zminia dysprsj poziomów lktronowych

36 Schmat potncjału dla 8nm studni Ga 0.65 In 0.35 As/GaAs oraz Ga 0.65 In 0.35 As /GaAs Enry (V) (a) P=0kbar (b) P=0kbar (c) P=40kbar CB 1 1hh VB Ga 0.65 In 0.35 As/GaAs QW Distanc (nm) Enry (V) Ga 0.65 In 0.35 As 0.98 /GaAs QW (a) P=0kbar -lvl 1 1hh CB VB (b) P=0kbar Distanc (nm) (c) P=40kbar W studniach GaInAs/GaAs poziom azotowy wchodzi do studni dla ciśniń P>0 kbar.

37 GaInAs, GaAsSb, oraz GaSbP jako matriał na studnię kwantową mitującą światło o dłuości fali 1.55 m Enry (V) % E Straind E (=%) 34% In % 1.55 m % 31% Sb 5% Sb.0 m M. Gladysiwicz, R. Kudrawic, M. Wartak IEEE J. Quant. Elctron. Volum 50, 996 (014). GaInAs GaAsSb GaSbP Przrwa nrtyczna ninaprężona oraz naprężona (na GaAs naprężni ok. %) Ga 0.66 In 0.34 As 0.98, Ga As 0.67 Sb 0.31, i Ga P 6 Sb 0.5 Paramtry modlu BAC Compound E (V) C M (V) Ga y P 1-y Ga y As 1-y 5.7 Ga y Sb 1-y

38 Położni wirzchołków pasm oraz przrwa nrtyczna w związkach Ga 1-x In x y As 1-y, Ga y As 1-x-y Sb x, Ga y P x Sb 1-x-y E E E GaP GaSb GaPSb Band ap (V) Enry (V) (a) Ga 1-x In x y As 1-y CB VB CB(GaAs) VB(GaAs) 0% 1% % 3% GaAs InAs 1 ( y) E 1 ( y) E GaP In concntration, x E GaP E E E Band ap (V) Enry (V) GaP GaSb y, z' 1 z' E y z' E y z' 1 z' [ E GaP [ E GaP ] 4( C (b) Ga y As 1-x-y Sb x CB VB CB(GaAs) VB(GaAs) 0% 1% % 3% GaAs GaP M ] 4( C Sb concntration, x GaSb M b ) y GaPSb ) y E E E Band ap (V) Enry (V) GaAs GaSb GaAsSb CB VB (c) Ga y P 1-x-y Sb x CB(GaAs) VB(GaAs) 0% 1% % 3% GaP Sb concntration, x 1 ( y) E 1 ( y) E GaAs E E GaAs E E GaAs GaSb y, z' 1 z' E y z' E y z' 1 z' [ E [ E GaAs GaAs ] 4( C ] 4( C GaAs M GaSb M b GaAsSb ) y ) y

39 Masa fktywna w modlu BAC Ga 0.66 In 0.34 y As 1-y Ga y As 0.69-y Sb 0.31 Ga y P 6 Sb 0.54-y Elctron ffctiv mass, m BAC (a) GaInAs (34% In) Ga y As 1-y GaInAs (b) GaAsSb (31% Sb) Ga y As 1-y GaAsSb Ga y Sb 1-y (c) GaPAs (46% P) In y As 1-y itron concntration, y (%) Ga y P 1-y GaPSb Ga y Sb 1-y m m m GaAs GaSb GaAsSb ( y) m ( y) m GaAs / 1 / 1 [ E [ E E E E 4( C E 4( C GaAs GaSb y, z' 1 z' m y z' m y GaAs E E GaAs ] GaAs ] GaAs ) GaAs M ) GaSb M y y m m m GaP GaSb GaPSb ( y) m ( y) m GaP / 1 / 1 [ E [ E E E E 4 ( C E 4 ( C GaP GaSb y, z' 1 z' m y z' m y GaP E GaP GaP E ] ] GaP ) GaP M y ) GaSb M y

40 Schmaty potncjałów oraz struktura pasmowa dla studni GaInAs/GaAs GaAsSb/GaAs GaPSb/GaAs Enry (V) (a) GaInAs LH %In % HH (b) GaAsSb 31%Sb % HH LH (c) GaPSb 46%P % Distanc (nm) HH LH Enry (V) (a) GaInAs 34% In % 0. (b) GaAsSb 31% Sb % Wavvctor, k (1/nm) (c) GaPAs 46% P %

41 Studnia Ga()PSb na podłożu InP (a) Enry (V) (b) Enry (V) (c) Enry (V) fr QW GaP 0.17 Sb 3 HH LH Al 0.3 Ga 0.77 As 0.5 Sb fr QW HH LH -fr QW GaP 0.17 Sb 3 GaP 0.35 Sb GaP 0.17 Sb 3 HH LH GaP 0.5 As 0.15 Sb Distanc (nm) -containin QW Distanc (nm) Distanc (nm) -containin QW Ga P 0.15 Sb 3 GaP 0.35 Sb Ga P 0.15 Sb 3 Al 0.3 Ga 0.77 As 0.5 Sb containin QW Ga P 0.15 Sb 3 GaP 0.5 As 0.15 Sb Studni kwantow Ga()PSb bariry dopasowan siciowo w studniach ok. % naprężń W rozważaniach wzięto pod uwaę 3 możliw bariry wynikając z diaramu

42 Matriały na podłożu InP: GaInAs, GaAsSb i GaPSb (a) GaInAs/InP systm (b) GaAsSb/InP systm (c) GaPSb/InP systm Enry (V) Barrirs LM to InP: Al v(x) Ga 1-x-v(x) In x As CB Ga 1-x In x As 1-w(x) P w(x) CB Ga 1-x In x y As 1-y VB VB Tnsil strain QW Comprsiv strain CB VB Enry (V).4 0% CB 1% %.0 3% - CB Ga y As 1-y-z Sb z VB VB CB VB QW Al u(z) Ga 1-u(z) As 1-z Sb z GaP s(z) As 1-s(z)-z Sb z Enry (V) CB CB Ga y P 1-y-z Sb z VB VB CB VB QW Al t(z) Ga 1-t(z) P 1-z Sb z GaP 1-z-s(z) As s(z) Sb z In concntration, x Sb concntration, z aturalny kandydat na barirę matriał dopasowany siciowo dla barir z Al i P znalziono formuły Sb concntration, z v(x) = x w(x) = ( x)/( x) u(z) = ( z)/( z), s(z) = z, t(z) = ( z)/(167-9z), s(z) = z. na matriał dopasowany siciowo Accptd to JQE /JQE JQE

43 Studni kwantow na podłożu InP: Studnia Ga()AsSb (a) Enry (V) (b) Enry (V) (c) Enry (V) fr QW -fr QW fr QW GaAs Sb 0.76 HH LH GaAs 0.51 Sb GaAs Sb 0.76 HH LH Al 0.3 Ga 0.77 As 0.5 Sb 8 GaAs Sb 0.76 HH LH GaP 0.5 As 0.15 Sb Distanc (nm) Distanc (nm) Distanc (nm) -containin QW Ga As 0. Sb 0.76 GaAs 0.51 Sb containin QW Ga As 0. Sb 0.76 Al 0.3 Ga 0.77 As 0.5 Sb containin QW Ga As 0. Sb 0.76 GaP 0.5 As 0.15 Sb Studni kwantow Ga()AsSb bariry dopasowan siciowo w studniach ok. % naprężń W rozważaniach wzięto pod uwaę 3 możliw bariry wynikając z diaramu

44 Modl VBAC: Modl uwzlędniający oddziaływani w paśmi walncyjnym Dodani Bi do GaAs powoduj powstani dodatkowych poziomów w paśmi walncyjnym oddziałujących z matriałm matrycy k=0 W wyniku oddziaływania powstają poziomy:

45 Hamiltonian 14x14: Modl uwzlędniający oddziaływani poziomu bizmutowo w paśmi walncyjnym Poziom bizmutowy w paśmi walncyjnym E HH Bi E LH Bi E SO Bi Elmnt oddziaływania C BI E SO Bi =1.9 V

46 Struktura pasmowa obliczona dla GaAs po dodaniu Bi Bi (a) 3 GaAs 0.95 Bi 5 (b) 3 GaAs 0.90 Bi 0.10 (c) 3 GaAs 5 Bi 0.15 Enry (V) GaAs: 8 kp GaAsBi: 14 kp 8 kp Bi-lvl Enry (V) Enry (V) [1,1,0] [0,0,1] k (1/nm) k z (1/nm) [1,1,0] [0,0,1] k (1/nm) k z (1/nm) [1,1,0] [0,0,1] k (1/nm) k z (1/nm) Różnic w modlu 8kp i 14 kp są szczólni widoczn w paśmi walncyjnym

47 1 C 1 P b aeso ax V C3 11 Paramtry matriałow dla GaBi i InBi Paramtr (unit) GaAs GaBi InAs InBi Lattic constant a (Å) Dilctric constant ( 0 ) CB dformation potntial (V) VB dformation potntial (V) Shar dformation potntial (V) Elastic constant (GPa) Elastic constant (GPa) Kan matrix lmnt (V) Spin-orbit splittin (V) Luttinr paramtr (V) Luttinr paramtr (V) Luttinr paramtr (V) Elctron ffctiv mass (m 0 ) Paramtry potrzbn do obliczń wzięto z obliczń mtodami ab initio: M. Polak, P. Scharoch, and R. Kudrawic, Smicond. Scinc and Tchnoloy (015). Alloy ΔCB (mv/%bi) ΔVB (mv/%bi) ΔSOB (mv/%bi) VBO (%) b (V) Bi (V) C BiM (V) GaPBi 16 (-33) (71) A GaAsBi Bi InPBi InAsBi InSbBi

48 Struktura pasmowa dla studni kwantowych GaBiAs Bi 1.4 GaAs 1-x Bi x /GaAs QWs 5% Bi 10% Bi 15% Bi Enry (V) 0. 8 kp 10 kp k (1/nm) k (1/nm) k (1/nm)

49 Problm obliczniowy Architktura struktury półprzwodnikowj: składy studni i barir; szrokości studni i barir; poziom domiszkowania; Paramtry matriałow: masy fktywn, potncjały hydrostatyczn, itd. aprężnia Efkty polaryzacyjn Podjści tortyczn: modl wilopasmowy, W clu korkcji potncjału V(z): rozwiązani równania Poisona tj. oblicznia samouzodnion Obliczni stanów własnych: (w każdym punkci w przstrzni k) Struktura pasmowa dla studni kwantowj

50 Położni wirzchołków pasm oraz przrwa nrtyczna w związkach Ga 1-x In x y As 1-y, Ga y As 1-x-y Sb x, Ga y P x Sb 1-x-y E E E GaP GaSb GaPSb Band ap (V) Enry (V) (a) Ga 1-x In x y As 1-y CB VB CB(GaAs) VB(GaAs) 0% 1% % 3% GaAs InAs 1 ( y) E 1 ( y) E GaP In concntration, x E GaP E E E Band ap (V) Enry (V) GaP GaSb y, z' 1 z' E y z' E y z' 1 z' [ E GaP [ E GaP ] 4( C (b) Ga y As 1-x-y Sb x CB VB CB(GaAs) VB(GaAs) 0% 1% % 3% GaAs GaP M ] 4( C Sb concntration, x GaSb M b ) y GaPSb ) y E E E Band ap (V) Enry (V) GaAs GaSb GaAsSb CB VB (c) Ga y P 1-x-y Sb x CB(GaAs) VB(GaAs) 0% 1% % 3% GaP Sb concntration, x 1 ( y) E 1 ( y) E GaAs E E GaAs E E GaAs GaSb y, z' 1 z' E y z' E y z' 1 z' [ E [ E GaAs GaAs ] 4( C ] 4( C GaAs M GaSb M b GaAsSb ) y ) y

51 Masa fktywna w modlu BAC Ga 0.66 In 0.34 y As 1-y Ga y As 0.69-y Sb 0.31 Ga y P 6 Sb 0.54-y Elctron ffctiv mass, m BAC (a) GaInAs (34% In) Ga y As 1-y GaInAs (b) GaAsSb (31% Sb) Ga y As 1-y GaAsSb Ga y Sb 1-y (c) GaPAs (46% P) In y As 1-y itron concntration, y (%) Ga y P 1-y GaPSb Ga y Sb 1-y m m m GaAs GaSb GaAsSb ( y) m ( y) m GaAs / 1 / 1 [ E [ E E E E 4( C E 4( C GaAs GaSb y, z' 1 z' m y z' m y GaAs E E GaAs ] GaAs ] GaAs ) GaAs M ) GaSb M y y m m m GaP GaSb GaPSb ( y) m ( y) m GaP / 1 / 1 [ E [ E E E E 4 ( C E 4 ( C GaP GaSb y, z' 1 z' m y z' m y GaP E GaP GaP E ] ] GaP ) GaP M y ) GaSb M y

52 Schmaty potncjałów oraz struktura pasmowa dla studni GaInAs/GaAs GaAsSb/GaAs GaPSb/GaAs Enry (V) (a) GaInAs LH %In % HH (b) GaAsSb 31%Sb % HH LH (c) GaPSb 46%P % Distanc (nm) HH LH Enry (V) (a) GaInAs 34% In % 0. (b) GaAsSb 31% Sb % Wavvctor, k (1/nm) (c) GaPAs 46% P %

53 Matriały na podłożu InP: GaInAs, GaAsSb i GaPSb (a) GaInAs/InP systm (b) GaAsSb/InP systm (c) GaPSb/InP systm Enry (V) Barrirs LM to InP: Al v(x) Ga 1-x-v(x) In x As CB Ga 1-x In x As 1-w(x) P w(x) CB Ga 1-x In x y As 1-y VB VB Tnsil strain QW Comprsiv strain CB VB Enry (V).4 0% CB 1% %.0 3% - CB Ga y As 1-y-z Sb z VB VB CB VB QW Al u(z) Ga 1-u(z) As 1-z Sb z GaP s(z) As 1-s(z)-z Sb z Enry (V) CB CB Ga y P 1-y-z Sb z VB VB CB VB QW Al t(z) Ga 1-t(z) P 1-z Sb z GaP 1-z-s(z) As s(z) Sb z In concntration, x Sb concntration, z aturalny kandydat na barirę matriał dopasowany siciowo dla barir z Al i P znalziono formuły Sb concntration, z v(x) = x w(x) = ( x)/( x) u(z) = ( z)/( z), s(z) = z, t(z) = ( z)/(167-9z), s(z) = z. na matriał dopasowany siciowo Accptd to JQE /JQE JQE

54 Studni kwantow na podłożu InP: Studnia GaIn()As (a) Enry (V) (b) Enry (V) (c) Enry (V) fr QW Al 0.3 Ga In 0.53 As Ga 0.17 In 3 As HH LH fr QW -fr QW Ga 7 In 0.53 As Ga 0.17 In 3 As HH LH Ga 0.17 In 3 P 0.63 As 0.37 Ga 0.17 In 3 As HH LH Distanc (nm) Distanc (nm) Distanc (nm) -containin QW Ga 7 In 0.53 As Ga 0.17 In 3 As containin QW Al 0.3 Ga In 0.53 As Ga 0.17 In 3 As containin QW Ga 0.17 In 3 P 0.63 As 0.37 Ga 0.17 In 3 As Matrial ain (cm -1 ) Wavlnths (m) (a) GaInAs/GaInAs/InP QWs % 1% 3% 0% (b) GaInAs/AlGaInAs/InP QWs (c) GaInAs/GaInAsP/InP QWs TM mod 0% 1% % 3% Enry (V) TE mod Studni kwantow Ga()InAs bariry dopasowan siciowo w studniach ok. % naprężń W rozważaniach wzięto pod uwaę 3 możliw bariry wynikając z diaramu

55 Studni kwantow na podłożu InP: Studnia Ga()AsSb (a) Enry (V) (b) Enry (V) (c) Enry (V) fr QW -fr QW HH LH Al 0.3 Ga 0.77 As 0.5 Sb 8 -fr QW GaAs Sb 0.76 HH LH GaAs 0.51 Sb GaAs Sb 0.76 GaAs Sb 0.76 HH LH GaP 0.5 As 0.15 Sb Distanc (nm) Distanc (nm) Distanc (nm) -containin QW Ga As 0. Sb 0.76 GaAs 0.51 Sb containin QW Ga As 0. Sb 0.76 Al 0.3 Ga 0.77 As 0.5 Sb containin QW Ga As 0. Sb 0.76 GaP 0.5 As 0.15 Sb Matrial ain (cm -1 ) (a) GaAsSb/GaAsSb/InP QWs % Wavlnths (m) (b) GaAsSb/AlGaAsSb/InP QWs 1% 0% % TE mod TM mod (c) GaAsSb/GaPAsSb/InP QWs Enry (V) 0% 1% % 3% Studni kwantow Ga()AsSb bariry dopasowan siciowo w studniach ok. % naprężń W rozważaniach wzięto pod uwaę 3 możliw bariry wynikając z diaramu