Samenstellingsafhankelijkheid van structurele en elektronische eigenschappen van quaternair InGaNBi

Resultaten en discussie

Structurele eigenschappen

De supercellen bestaan ​​uit 4×2×2 WZ-GaN primitieve cellen, inclusief 64 atomen. We onderzoeken 36 composities van I n _j Ga _1−y N _1−x Bi _x met 0≤x ≤0.09375,0≤y ≤0.5 gebaseerd op recente experimenten waarbij het InGaN-monster een grote roostermismatch en een slechte kwaliteit vertoont voor een In-gehalte van meer dan 55-60% [32], evenals de lage oplosbaarheid van bismut in verdunde bismide-legeringen. Er wordt één representatieve configuratie beschouwd waarbij de In- en Bi-atomen gelijkmatig zijn verspreid. We hebben de berekende roosterparameters van ternair In . samengevat _j Ga _1−y N en quaternair In _j Ga _1−y N _1−x Bi _x legeringen samen met andere theoretische en experimentele gegevens in Fig. 1. Voor ongerept GaN, de roosterparameters a =3.211, c =5.235 Å, die goed overeenkomen met andere theoretische berekeningen a =3.155,3.22 Å, c =5.144,5.24 Å [39–41] en experimentele gegevens 3.19 Å voor a , 5.19 Å voor c [42]. De roosterparameters (a , c ) van In _j Ga _1−y N stijgt wanneer de samenstelling wordt verhoogd en vertoont een bijna lineaire variatie, zoals weergegeven in figuur 1a. De huidige berekeningen voorspellen a =3.304 Å, c =5,365 Å voor In _0,25 GaN en a =3.397 Å, c =5.509 Å voor In _0,5 GaN, die allemaal goed overeenkomen met eerdere resultaten van a =3.33 Å, c =5.39 Å voor In _0,25 GaN en a =3.43.3.485 Å, c =5.55,5,488 Å voor I n _0,5 GaN [39, 40, 43, 44]. In het geval van quaternaire legeringen In _j Ga _1−y N _1−x Bi _x Er zijn wat ons betreft geen experimentele en theoretische waarden voor structurele eigenschappen. In figuur 1b nemen de verkregen roosterparameters ook bijna lineair toe met toenemende In- en Bi-samenstellingen. Vanwege grotere ionische stralen van In en Bi dan van Ga- en N-atomen, leidt de substitutie van In over Ga en Bi over N tot verbeterde roosterparameters van InGaNBi.

De roosterparameters voor a ternaire legeringen In _j Ga _1−y N , met 0≤y ≤0.5 en b quaternaire legeringen In _j Ga _1−y N _1−x Bi _x , met 0≤x ≤0.09375, 0≤y ≤0.5. Ter vergelijking voegen we enkele andere berekeningen en experimentele gegevens toe van Ref. [39-44] in afb. 1a. De ononderbroken lijn staat voor a en de stippellijn is c

In- en Bi-opname zal de kristalperiodiciteit doorbreken en geometrische vervorming introduceren in een zwaar gelegeerde structuur. We kiezen voor In _0,25 GaN Bi _0,0625 als voorbeeld voor vier statistieken over chemische bindingen, zoals weergegeven in figuur 2; de gemiddelde lengten van de Ga-N-, In-N-, Ga-Bi- en In-Bi-bindingen zijn respectievelijk 2,09, 2,195, 2,592 en 2,704 . Merk op dat de lengte van de Ga-N-binding in ongerepte bulk GaN 1,970 is. De lengte van de In-N-binding is groter dan die van Ga-N, wat aangeeft dat het In-atoom het N-atoom duidelijk wegduwt. Evenzo betekent de grotere bindingslengte van Ga-Bi dan van Ga-N dat Bi-atoom het Ga-atoom wegduwt en een goede consistentie vindt met de orde van covalente stralen van Ga (1,22 ), In (1,42 Å), N (0,71 ), en Bi (1,48 ) [45]. Andere configuraties vertonen hetzelfde gedrag. Roostervervorming en ongelijkheid in elektronegativiteit tussen de gastheer en het doteringsmiddel hebben een aanzienlijk effect op de elektronische en optische eigenschappen.

Histogram van bindingslengte in In _0,25 GaNBi _0,0625 . De waarden in het paneel geven de gemiddelde lengte aan van de vier soorten bindingen

Elektronische eigenschappen

Het is aangetoond dat de functionele of correctiepotentialen en het SOC-effect grote invloed hebben op de voorspelde nauwkeurigheid van de bandgap-energie van de III-V-legering, de valentieband en de spin-baansplitsingsenergie. Daarom valideren we onze resultaten met behulp van MBJLDA-potentieel en vergelijken we met andere theoretische berekeningen en experimenten. Afbeelding 3 is een grafiek van bandgap-energie versus In-samenstelling in In _j Ga _1−y N evenals een fit met de gegevens. Sommige bandgap-waarden verkregen door experimenten, theoretische HSE06-, mBJ- en LMTO-CPA-MBJ-functionaliteiten zijn ook uitgezet. De voorspelde bandgap van GaN is 3,273 eV, wat goed overeenkomt met de huidige berekeningen en experimenten, 3,33 eV volgens mBJ [40], 3,261, 3,23 eV volgens HSE06 [39, 46] en 3,40-3,50 eV volgens experimenten [47- 49]. Zoals waargenomen in I n _j G een _1−y N, onze DFT-resultaten bevestigen dat E _g waarden van I n _j G een _1−y N continu afnemen als y wordt verhoogd van 0 naar 50%. E _g neemt geleidelijk af van 3.273 naar 1.546 eV. Dit komt goed overeen met die van theoretische (HSE06, mBJ-potentialen) [39, 40, 46] en experimentele resultaten [50, 51].

Voorspelde bandgap-energie (E _g , rode ononderbroken lijn) als functie van In compositie in I n _j G een _1−y N evenals een aanpassing aan de gegevens (zwarte stippellijn). Andere theoretische [39, 40, 46] en experimentele [47-51] resultaten zijn ook uitgezet

De contourplot voor de bandgap van quaternair I n _j G een _1−y N _1−x B ik _x legeringen wordt getoond in Fig. 4. De bandafstanden van de quaternaire legeringen vertonen een niet-lineaire trend als functie van de samenstelling, die afneemt met toenemende In- en Bi-gehalten. Uit de resultaten blijkt dat de InGaNBi-bandgap een breed energiebereik zou kunnen dekken van 3,273 tot 0,651 eV voor Bi tot 9,375% en in tot 50%, wat overeenkomt met het golflengtebereik van 0,38 tot 1,9 µm, wat hun potentiële opto-elektronische toepassingen in zichtbaar licht en mid-infrarood scope.

Contourplot van de bandgap-waarden voor I n _j G een _1−y N _1−x B ik _x legeringen, als functie van Bi(x ) en In(y ) composities

Vergeleken met InGaN induceert de opname van Bi een scherpere vermindering van de bandgap. Maar buiten dat, een aanzienlijke toename van Δ _ZO wordt verkregen door het sterke SOC-effect van bismut, waarbij de geavanceerde interactie tussen de elektronenspin en het baanimpulsmoment de SO-bandenergie verlaagt. Bovendien verbetert de verbeterde valentiebandrand die voortkomt uit het anti-kruiseffect van de valentieband van bimidelegeringen ook grotendeels Δ _ZO [28]. Onze berekende Δ _ZO waarden zijn respectievelijk ongeveer 0,220 eV voor 3,125%, 0,360 eV voor 6,25% en 0,600 eV voor 9,375% Bi, wat een onbeduidende variatie heeft met de indiumfractie. Eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat verschillende Bi-arrangementen van grote invloed zijn op bandstructuren van bimidelegeringen, inclusief spin-baansplitsingsenergie [21, 52]. De huidige resultaten laten zien dat de I n _0,5 G een N B ik _0.09375 bandgap-waarde (0,651 eV) ligt zeer dicht bij die van Δ _ZO (0,577 eV). Aangezien het InGaN-monster een grote roostermismatch en een slechte kwaliteit vertoont voor een In-gehalte hoger dan 55-60% [32], evenals de lage oplosbaarheid van bismut in verdunde bismide-legeringen, hebben we de inhoud van In tot 50% en Bi tot maximaal 9,375%. Wij zijn van mening dat een hoger gehalte aan indium of bismut Δ . zal opleveren _ZO >E _g in quaternair InGaNBi-monster om de efficiëntie van op InGaNBi gebaseerde LED's en LD's te verbeteren.

De geprojecteerde bandstructuren en totale toestandsdichtheid (TDOS) van ongerept GaN, I n _0,25 GaN, en I n _0,25 G een N B ik _0,03125 legeringen worden weergegeven in Fig. 5. De bijdragen van In en Bi worden gemarkeerd door kleur:blauw (rood) komt overeen met de toestand die afkomstig is van In (Bi). De In-vervanging in I n _0,25 GaN heeft grote invloed op zowel de geleidingsband als de valentieband, waar het geleidingsbandminimum (CBM) wordt gepusht naar lagere energieën met betrekking tot het Fermi-niveau en een smallere energiekloof weerspiegelt. In tegenstelling tot bismut dat de defecte band introduceert in de verboden opening nabij het Fermi-niveau, vertonen de In-atomen een hybridisatie met het diepe niveau van het VB. Voor quaternaire legering I n _0,25 G een N B ik _0,03125 , is duidelijk te zien dat de vermindering van bandgap het gevolg is van zowel opwaartse valentiebandmaximum (VBM) en neerwaartse CBM, en CBM verandert significanter in vergelijking met I n _0,25 GaN, dat wordt toegeschreven aan een grotere drukspanning in InGaNBi door de toevoeging van bismut. Het defectniveau gemarkeerd door rode kleur heeft een sterke interactie met de VB-rand, die is afgeleid van de hybridisatie voornamelijk tussen Bi- en de nabije Ga-atomen. De TDOS in Afb. 5e geeft ook het lokale defectniveau weer bij -1,0 tot -0,5 eV.

De geprojecteerde bandstructuren en hun overeenkomstige totale toestandsdichtheid (TDOS) van a GaN, b , c Ik n _0,25 G een N , en d , e Ik n _0,25 G een N B ik _0,03125 . De zwarte stippellijn geeft het Fermi-niveau weer, dat op nul staat. De relatieve bijdragen van In en Bi zijn gemarkeerd met een kleur:blauw (rood) komt overeen met de toestand afkomstig van In (Bi)

Strain van InGaNBi op GaN

Het op [0001] georiënteerde I n _j G een _1−y N/GaN gespannen kwantumbronnen worden algemeen toegepast in huidige LED- en LD-apparaten, waarin I n _j G een _1−y N lagen ondergaan een biaxiale drukspanning. Lokale fluctuaties in de samenstelling en verschillende covalente stralen van In- en Ga-atomen leiden tot de spanningen in I n _j G een _1−y N lagen [53]. Afbeelding 6 toont de spanning van InGaNBi op een GaN-substraat. Aangezien het indiumatoom groter is dan het galliumatoom, is het bismutatoom groter dan het stikstofatoom; dus het opnemen van In- en Bi-atomen in InGaNBi induceert compressieve spanning InGaNBi op GaN. Het is aangetoond dat in het In-gehalte van 50% en het Bi-gehalte van 9,375%, InGaNBi onder een hoge drukbelasting van 8,5% staat. Voor In-fractie binnen 6,25% en Bi-fractie binnen 2,8%, ligt de spanning van InGaNBi op GaN binnen 1%. Dat wil zeggen, door de In- en Bi-samenstellingen aan te passen, kan InGaNBi worden ontworpen op GaN met een acceptabele spanning.

Stam van InGaNBi-legeringen op GaN-substraat bij verschillende In (0-0,5) als een functie van Bi-fractie. Positieve waarden van spanning geven aan dat InGaNBi onder druk staat