Analisis First-Principles Cacat Titik dalam Superlattice GaAs/AlAs: Stabilitas, Struktur Band, dan Mobilitas
Abstrak
Superlattice semikonduktor canggih memainkan peran penting dalam aplikasi high-tech kritis di masa depan seperti penerbangan luar angkasa, fisika energi tinggi, deteksi gelombang gravitasi, astronomi, dan area terkait nuklir. Di bawah kondisi ekstrem seperti lingkungan irradiasi tinggi, superlattice semikonduktor ini cenderung menghasilkan berbagai cacat yang pada akhirnya dapat mengakibatkan kegagalan perangkat. Namun, dalam superlattice seperti GaAs/AlAs, stabilitas fasa dan dampak cacat titik pada performa perangkat masih belum jelas hingga saat ini. Perhitungan saat ini menunjukkan bahwa dalam superlattice GaAs/AlAs, cacat antisite lebih enérgik menguntungkan dibandingkan cacat rongga dan interstisial. Cacat As_X (X = Al atau Ga) dan X_As selalu menginduksi metalitas superlattice GaAs/AlAs, dan cacat antisite Ga_Al dan Al_Ga memiliki efek kecil pada struktur elektronik. Untuk superlattice GaAs/AlAs dengan cacat interstisial atau rongga, ditemukan penurunan yang signifikan dalam jarak energi atau induksi metalitas. Perhitungan lebih lanjut menunjukkan bahwa cacat interstisial dan rongga secara signifikan mengurangi mobilitas elektron, sementara cacat antisite memiliki pengaruh yang relatif lebih kecil. Hasil ini memajukan pemahaman tentang efek kerusakan radiasi superlattice GaAs/AlAs, yang memberikan pedoman untuk merancang superlattice semikonduktor yang sangat stabil dan tahan lama berbasis elektronik dan optoelektronik untuk aplikasi lingkungan ekstrem.
Latar Belakang
Superlattice (SL) adalah buatan material yang terdiri dari lapisan tipis bergantian dari dua atau lebih komponen berbeda. (GaAs)_n/(AlAs)_m adalah salah satu SL yang paling penting sejak pengembangan transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) dan laser kaskade kuantum (QCL) beberapa dekade yang lalu [1,2,3,4,5,6]. Akhirnya dengan kemajuan teknik epitaksi film dan nanofabrikasi, SL dan nanodevices berbasis (GaAs)_n/(AlAs)_m dengan (n + m) yang bervariasi dari 2 hingga 10 telah menunjukkan properti fisik yang menarik terkait luminesensi dan pengabsorpansi optik, penyerapan dua-fonon, dan spektrum Raman serta inframerah, yang kemudian menemukan aplikasi yang menjanjikan dalam optoelektronik, sensing, LED, energi dan laser terkait sipil dan industri [7,8,9,10,11,12]. Sementara itu, menuju aplikasi high-tech kritis lainnya seperti penerbangan luar angkasa, fisika energi tinggi, deteksi gelombang gravitasi, astronomi, perjalanan angkasa, nuklir dan keamanan nasional terkait, SL dan perangkat semikonduktor diekspose pada lingkungan radiasi yang berbeda, yaitu sinar X, neutron, elektron, ion, dll., yang dapat mengakibatkan generasi cacat yang mengandung impurities, rongga, interstisial, antisite, dan kompleks dari ini. Karena material semikonduktor dan properti fisik terkait memainkan peran penting dalam operasi dan fungsi perangkat elektronik dan rangkaian terpadu, jumlah cacat yang kecil dapat secara drastis mengubah properti optik dan transportasi mereka, terutama dalam sistem multilayer [13].
Efek impurities asing atau cacat intrinsik pada SL semikonduktor dan komponen materialnya telah banyak diteliti dalam beberapa dekade yang lalu. Zollo et al. telah menggunakan metode DFT untuk menyelidiki stabilitas cacat titik dalam GaAs, dan menemukan bahwa cacat antisite lebih menguntungkan [14]. Kahaly et al. telah mempelajari struktur SL GaAs/AlAs dengan metode DFT dan menemukan bahwa cacat rongga arsenik (V_As) pada dan dekat antarmuka menghasilkan 2-DEG quasi di antara dielectric arsenida insulator [7]. Spasov et al. telah mempelajari efek impuritas nitrogen pada transportasi penurun dan rekombinasi pasangan elektron-lubang dalam dioda SL GaAs/AlAs [9]. Mereka melaporkan bahwa impuritas N memodifikasi energi miniband elektronik dan menghambat difusi elektron melalui miniband SL, yang dapat mengakibatkan rekombinasi radiatif yang kuat dari pasangan elektron-lubang [9]. Wang et al. mempelajari inter-difusi yang diinduksi oleh impuritas Zn dalam struktur SL GaAs/AlAs menggunakan metode AIMD [15]. Hasil mereka menunjukkan bahwa difusi Zn didukung oleh elemen grup-III, yang dikeluarkan ke saluran interstisial dan difusi dengan cepat, sehingga mengacaukan superlattice [15]. Mitra dan Stark menemukan bahwa kehadiran rongga meningkatkan campuran Ga/Al dalam SL GaAs/AlAs, yang timbul dari mekanisme difusi dua atom ring yang diusulkan [16]. Akhirnya, simulasi AIMD respons radiasi SL GaAs/AlAs telah dilakukan [17], di mana energi minimum untuk setiap atom untuk secara permanen tergeser dari situs jaringannya telah ditentukan, jalur untuk generasi cacat telah disediakan, dan jenis cacat yang dibuat telah diidentifikasi. Ia mengungkapkan bahwa pasangan Frenkel Ga (atau Al atau As) yang dibuat dan pasangan antisite As_Ga-Ga_As memiliki efek yang mendalam pada distribusi kepadatan keadaan dan struktur band SL GaAs/AlAs [17].
Sampai sekarang, stabilitas cacat titik dalam struktur SL dan properti transportasi seperti mobilitas penurun masih belum diketahui. Oleh karena itu, sangat penting untuk menyelidiki bagaimana kehadiran cacat rongga, interstisial dan antisite mempengaruhi stabilitas struktural dan properti listrik SL GaAs/AlAs. Dalam studi ini, stabilitas fasa cacat tunggal rongga Ga (atau Al atau As), cacat tunggal interstisial Ga (atau Al atau As) dan cacat antisite tunggal Ga_As (atau Al_As atau As_Ga atau As_Al) telah diteliti. Diketahui bahwa cacat antisite lebih enérgik menguntungkan dibandingkan cacat rongga dan interstisial. Struktur band dari keadaan cacat ini telah diteliti dengan metode DFT hibrida, yang menggabungkan sebagian pertukaran eksak dari teori Hartree–Fock dengan sisa energi pertukaran-korelasi dari sumber lain (ab initio atau empiris) [18], dan diharapkan memberikan deskripsi yang lebih akurat tentang struktur elektronik material semikonduktor daripada DFT standar. Khususnya, mobilitas elektron telah diprediksi. Ternyata cacat interstisial dan rongga secara signifikan mengurangi mobilitas elektron, sementara cacat antisite memiliki pengaruh yang relatif lebih kecil. Kerja ini akan memajukan pemahaman tentang efek kerusakan radiasi superlattice semikonduktor dan memberikan pedoman untuk merancang superlattice semikonduktor yang sangat stabil dan tahan lama berbasis elektronik dan optoelektronik untuk aplikasi lingkungan ekstrem.
Metode
Dalam studi ini, relaksasi struktural dilakukan dalam kerangka DFT standar dan struktur band dihitung oleh DFT hibrida dalam kerangka Heyd-Scuseria-Emzefhof (HSE) [19] berdasarkan struktur yang direlaksasi. Semua perhitungan dilakukan menggunakan Paket Simulasi Ab Initio Vienna (VASP) [20]. Pseudopotensi gelombang augmentasi proyektor digunakan untuk menggambarkan interaksi antara ion dan elektron, dan efek pertukaran-korelasi diperlakukan menggunakan dekatatan kepadatan lokal dalam parameterisasi Ceperley-Alder [21]. Kriteria konvergensi untuk energi total dan gaya adalah 10⁻⁴ eV dan 10⁻³ eV/Å, masing-masing. Grup titik asal kristal AlAs dan GaAs adalah grup T_d zinc blende, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1a. Ilustrasi cacat titik yang dipertimbangkan disediakan dalam Gambar 1b. SL GaAs/AlAs yang berisi dua monolaag GaAs bergantian dengan dua monolaag AlAs dipertimbangkan dalam studi ini dan konfigurasi geometri diilustrasikan dalam Gambar 2, bersama dengan cacat titik yang dipertimbangkan.
Tampilan skematik struktur geometri a XAs (X = Ga atau Al); b cacat dalam XAs. V_X: (X = Ga, Al, atau As) X rongga; X_int: X interstisial; X_As: X menempati situs jaringan As; As_X: As menempati situs jaringan X. Bola kuning dan ungu mewakili cacat rongga dan interstisial, masing-masing
Tampilan skematik struktur geometri a superlattice GaAs/AlAs ideal; b dan c superlattice GaAs/AlAs dengan cacat titik yang berbeda. X_Y: (X, Y = Ga, Al, atau As) X menempati situs jaringan Y; V_X: X rongga; X_int: X interstisial. Bola kuning dan merah tua mewakili cacat rongga dan interstisial, masing-masing
Hasil dan Pembahasan
Properti Kondisi Dasar GaAs dan AlAs
Seperti ditunjukkan dalam Tabel 1, konstanta jaringan bulk GaAs dan AlAs ditentukan sebesar 5,61 dan 5,63 Å, masing-masing, yang sependek dengan nilai eksperimental dan teoretis lainnya [22,23,24]. Tampaknya ketidaksejajaran jaring antara GaAs dan AlAs kecil, dan konstanta jaringan SL GaAs/AlAs diatur menjadi nilai perantara 5,62 Å. Modulus bulk dihitung oleh B = (1/3)(C_11 + 2C_12) [25], di mana C_11 dan C_12 mewakili konstanta elastis. Modulus bulk GaAs dihitung sebesar 76,3 GPa, yang dekat dengan hasil 76,5 GPa untuk AlAs. Hasil ini dalam kesepakatan yang wajar dengan data teoretis dan eksperimental [22, 26, 27].
Energi Formasi Cacat dalam Superlattice GaAs/AlAs
Untuk SL GaAs/AlAs dan keadaan bulk, energi formasi cacat dihitung oleh E_f = E_def - E_undef + Σ Δn_i μ_i [28]. Di sini, E_def adalah energi total sel simulasi cacat setelah relaksasi, E_undef adalah energi total sel ideal yang direlaksasi, Δn_i adalah perubahan jumlah spesies i (i = Ga, Al, atau As), dan μ_i adalah potensi kimia spesies i [28].
Untuk bulk XAs (X = Al atau Ga), potensi kimia As dan X mematuhi batasan berikut: μ_X ≤ μ_X^bulk, μ_As ≤ μ_As^bulk, dan μ_As + μ_X = μ_XAs^bulk, di mana μ_X^bulk, μ_As^bulk, dan μ_XAs^bulk sesuai dengan energi total bulk X, bulk As, dan bulk XAs, masing-masing. Energi formasi cacat dalam kondisi X-rich, yaitu μ_X = μ_X^bulk dan μ_As = μ_XAs^bulk - μ_X^bulk, dan kondisi As-rich, yaitu μ_As = μ_As^bulk dan μ_X = μ_XAs^bulk - μ_As^bulk, diringkas dalam Tabel 2. Untuk GaAs, dalam kondisi As-rich, cacat antisite As_Ga (As yang menempati situs jaringan Ga) ditemukan sebagai yang paling enérgik menguntungkan, seperti yang ditunjukkan oleh energi formasi terkecil sebesar 1,57 eV. Cacat yang menguntungkan berikutnya adalah cacat antisite Ga_As (Ga yang menempati situs jaringan As), dengan energi formasi sebesar 2,31 eV. As interstisial (As_int) memiliki energi formasi terbesar sebesar 5,20 eV, yang menunjukkan bahwa sulit terbentuk dibandingkan cacat titik lainnya yang dipertimbangkan. Dalam kondisi Ga-rich, cacat V_Ga, As_int, dan As_Ga memiliki energi formasi yang lebih besar, dan cacat V_As, Ga_int, dan Ga_As memiliki energi formasi yang lebih kecil, dibandingkan dengan kondisi As-rich. Jelas, stabilitas cacat tergantung pada lingkungan kimia. Dibandingkan dengan GaAs, energi formasi cacat dalam AlAs umumnya lebih besar, kecuali kasus As_int dan As_X (X = Al atau Ga) dalam kondisi As-rich. Cacat antisite As_Al dan Al_As ditentukan sebagai cacat yang paling menguntungkan dalam kondisi As-rich dan Al-rich, masing-masing. Mirip dengan kasus GaAs, As_int juga tidak menguntungkan dalam AlAs. Energi formasi cacat dalam kondisi As-rich dan X-rich (X = Ga atau Al) dalam bulk XAs ditampilkan dalam Gambar 3. Gambar 3a menunjukkan bahwa cacat antisite As_Ga dan Ga_As lebih menguntungkan dalam kondisi As-rich dan Ga-rich, masing-masing. Perhatikan bahwa cacat antisite As_Al lebih disukai dalam sebagian besar kasus (lihat Gambar 3b). Dalam kondisi Al-rich, stabilitas fasa Al_As, V_As, dan As_As_Al cacat dekat satu sama lain, seperti yang ditunjukkan oleh energi formasi sebesar 3,0, 3,16 dan 3,24 eV, masing-masing. Selain itu, kami menemukan bahwa dalam GaAs dan AlAs, ketidakmenguntungan As_int tidak tergantung pada lingkungan kimia. Zollo et al. telah melakukan perhitungan first-principles pada GaAs dan hasil DFT mereka menunjukkan bahwa energi formasi As_Ga dan Ga_As lebih kecil dari pada cacat rongga dan interstisial [14], yang konsisten dengan hasil kami.
Energi formasi cacat dalam kondisi As-rich dan kation-rich dalam a GaAs, b AlAs dan c superlattice GaAs/AlAs. X_Y: (X, Y = Ga, Al, atau As) X menempati situs jaringan Y; V_X: X rongga; X_int: X interstisial
E_f dalam struktur SL GaAs/AlAs juga dihitung dalam kondisi As-rich, yaitu μ_As = μ_As^bulk, μ_Al = μ_AlAs^bulk - μ_As^bulk, dan μ_Ga = μ_GaAs^bulk - μ_As^bulk, dan kondisi kation-rich, yaitu μ_Al = μ_Al^bulk, μ_Ga = μ_Ga^bulk dan μ_As = (μ_SL^bulk - n_Al × μ_Al^bulk - n_Ga × μ_Ga^bulk) / n_As, di mana n_Al, n_Ga, dan n_As mewakili jumlah atom Al, Ga dan As dalam sel simulasi, masing-masing. Seperti ditunjukkan dalam Tabel 3, cacat Al_Ga memiliki energi formasi negatif, yaitu -0,62 dan -0,27 eV dalam kondisi As-rich dan kation-rich, masing-masing, yang menunjukkan bahwa pembentukan cacat antisite Al_Ga adalah proses ekso termik. Untuk cacat Ga_Al, energi formasinya sekecil -0,01 eV dalam kondisi As-rich dan 0,29 eV dalam kondisi kation-rich. Jelas, pembentukan cacat antisite Al_Ga dan Ga_Al dalam struktur SL GaAs/AlAs jauh lebih mudah dibandingkan cacat titik lainnya. Dalam kondisi As-rich, energi formasi cacat kedua yang menguntungkan As_Ga dan As_Al ditentukan sebesar 1,67 dan 1,74 eV, masing-masing. Untuk interstisial, stabilitas fasa mengikuti tren Ga_int > Al_int > As_int dalam kondisi As-rich dan kation-rich. Energi formasi cacat dalam struktur SL GaAs/AlAs juga ditampilkan dalam Gambar 3c. Dibandingkan dengan bulk GaAs, cacat titik dalam SL GaAs/AlAs umumnya lebih sulit terbentuk, kecuali kasus As_int (lihat Gambar 3a, c). Energi formasi As_int dalam bulk GaAs adalah 5,20 dan 5,81 eV dalam kondisi As-rich dan Ga-rich, yang sedikit lebih besar dari nilai yang sesuai sebesar 5,01 dan 5,76 eV dalam SL GaAs/AlAs. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 3b dan c, stabilitas cacat titik dalam bulk AlAs dan struktur SL menunjukkan karakter yang berbeda. Cacat Al_As dan As_int lebih enérgik menguntungkan dalam SL GaAs/AlAs daripada bulk AlAs, sedangkan cacat V_As lebih disukai dalam bulk AlAs daripada struktur SL. Perhatikan bahwa dalam kondisi As-rich dan Al-rich, energi formasi Al_int dalam bulk AlAs sebanding dengan yang dalam SL GaAs/AlAs. Mirip dengan kasus Al_int, cacat V_Al dalam bulk AlAs dan struktur SL menunjukkan daya saing yang sama, seperti yang ditunjukkan oleh energi formasi yang sebanding. Dalam kasus cacat As_Al, energi formasi dalam kondisi As-rich lebih kecil (1,46 eV) dalam struktur SL, sedangkan dalam kondisi kation-rich, nilainya lebih kecil (3,10 eV) dalam bulk AlAs, yang menunjukkan bahwa stabilitas As_Al tergantung pada lingkungan kimia.
Membandingkan stabilitas cacat dalam bulk AlAs, GaAs dan SL GaAs/AlAs, kami menemukan bahwa cacat antisite selalu lebih disukai dibandingkan rongga dan interstisial, terutama untuk kasus Ga_Al dan Al_Ga dalam SL GaAs/AlAs. Juga diperhatikan bahwa dalam kondisi As-rich dan kation-rich, cacat As_int adalah yang paling sulit terbentuk dalam keadaan bulk dan struktur SL GaAs/AlAs.
Efek Cacat Titik terhadap Struktur Band Superlattice GaAs/AlAs
Keadaan Murni Superlattice GaAs/AlAs
Jarak energi untuk bulk GaAs, AlAs dan SL GaAs/AlAs diringkas dalam Tabel 4, dan struktur band mereka disajikan dalam Gambar 4. Perhitungan DFT hibrida menentukan jarak energi langsung GaAs sebesar 1,44 eV (lihat Gambar 4a), yang sependek dengan nilai eksperimental sebesar 1,52 eV [29] dan perhitungan lainnya [24]. Sebaliknya, DFT standar memprediksi nilai jarak energi sebesar 0,5 eV, yang sangat meremehkan jarak energi GaAs. Untuk AlAs, struktur bandnya bersifat tidak langsung dan jarak energi DFT hibrida adalah 2,16 eV (lihat Gambar 4b), yang 0,85 eV lebih besar dari hasil DFT dan dalam kesepakatan yang baik dengan nilai eksperimental sebesar 2,22 eV [23]. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4c, jarak energi SL GaAs/AlAs ditentukan sebagai langsung dan konsisten dengan studi Botti et al., yang menemukan jarak energi SL (GaAs)_m/(AlAs)_m (m ≥ 2) sebagai langsung di titik Γ [3]. Dalam perhitungan kami, jarak energi langsung untuk SL GaAs/AlAs ditentukan sebesar 2,06 eV oleh metode DFT hibrida, yang sesuai dengan nilai eksperimental sebesar 2,10 eV [30].
Struktur band dari a GaAs, b AlAs dan c superlattice GaAs/AlAs. Nilai DFT hibrida ditampilkan di panel kiri dan hasil DFT ditampilkan di panel kanan
Efek Cacat Antisite terhadap Struktur Band Superlattice GaAs/AlAs
Dalam struktur SL GaAs/AlAs, cacat antisite Ga_Al dan Al_Ga lebih enérgik menguntungkan dibandingkan cacat titik lainnya. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 5a dan b, struktur band dari keadaan cacat Ga_Al dan Al_Ga sangat mirip dengan keadaan murni dan jarak energi ditentukan sebesar 1,98 dan 2,01 eV, masing-masing. Ini seharusnya karena elemen kimia Al dan Ga memiliki konfigurasi elektron valensi yang sama, yaitu 3s²3p¹ untuk Al dan 4s²4p¹ untuk Ga, dan tidak ada elektron atau lubang tambahan yang diperkenalkan saat terbentuknya cacat antisite Ga_Al dan Al_Ga. Struktur band untuk keadaan cacat As_Ga dan As_Al digambarkan dalam Gambar 5c dan d. Ternyata kedua cacat ini memodifikasi struktur band SL GaAs/AlAs secara signifikan. Keduanya cacat antisite As_Ga dan As_Al memperkenalkan elektron tambahan dan bertindak sebagai dopan n-tipe. Level impuritas ditemukan jauh dari bandas valensi dan melintasi level fermi, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5c dan d. Level cacat dalam ini dapat bertindak sebagai pusat rekombinasi untuk penurun.
Struktur band superlattice GaAs/AlAs cacat dengan cacat antisite yang berbeda. a: Ga menempati situs jaringan Al; b: Al menempati situs jaringan Ga; c: As menempati situs jaringan Ga; d: As menempati situs jaringan Al
Gambar 6 menyajikan struktur band dan kepadatan keadaan parsial (PDOS) dari SL cacat dengan cacat Ga_As dan Al_As. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 6a, struktur band untuk SL cacat Ga_As bersifat pembagian spin. Dalam subband spin-down, level fermi melewati level cacat yang diperkenalkan oleh cacat Ga_As, yang menunjukkan karakter semi-metalik dari SL cacat. Menurut definisi jarak energi semi-metalik [31], jarak energi dari keadaan cacat Ga_As sekitar 0,10 eV. Seperti ditunjukkan dalam PDOS dari SL cacat dengan Ga_As, subband spin-down di dekat level fermi terutama berkontribusi oleh gelombang parsial p. Karena konfigurasi elektron valensi yang serupa antara atom Ga dan Al, struktur band spin-up dan spin-down yang dihitung dari keadaan cacat Al_As ditentukan (lihat Gambar 6b), dan jarak energi dihitung sebesar 0,15 eJ. Secara keseluruhan, cacat antisite Al_Ga dan Ga_Al memiliki efek yang tidak signifikan pada struktur elektronik SL GaAs/AlAs. Juga diperhatikan bahwa SL cacat dengan cacat As_Al dan As_Ga menunjukkan metalitas, sementara SL cacat dengan Ga_As dan Al_As adalah semi-metalik.
Struktur band dan kepadatan keadaan parsial dari superlattice GaAs/AlAs cacat dengan a cacat antisite Ga_As dan b Al_As. X_As (X = Ga atau Al) X menempati situs jaringan As
Efek Cacat Rongga terhadap Struktur Band Superlattice GaAs/AlAs
Struktur band dari struktur SL dengan berbagai rongga ditampilkan dalam Gambar 7, dan PDOS yang sesuai digambarkan dalam Gambar 8. Karakter pembagian spin dari struktur band juga ditemukan dalam kasus SL cacat dengan cacat V_Ga dan V_Al, seperti ditunjukkan dalam Gambar 7a dan b. Memang, penghapusan atom dari posisi aslinya meninggalkan empat ikatan tunggang yang terkait dengan orbital sp³. Selama relaksasi struktural, atom terdekat di sekitar rongga sama-sama tergeser menuju situs jaringan kosong, yang menghasilkan simetri situs yang didefinisikan oleh grup titik tetragonal D_2d. Level cacat yang diinduksi muncul dekat bandas valensi dan terletak di daerah terlarang dari SL GaAs/AlAs. Jarak energi ditentukan sebesar 0,47 dan 0,44 eV untuk SL dengan cacat V_Ga dan V_Al, masing-masing. Seperti ditunjukkan dalam PDOS dari SL cacat dengan V_Ga dan V_Al (lihat Gambar 8a dan b), pengaruh utama dari rongga grup-III adalah pada keadaan p. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 7c, struktur band dari SL cacat dengan cacat V_As terpecah menjadi bagian spin-up dan spin-down, dan level cacat muncul dekat bandas konduksi. Karena cacat V_As bertindak sebagai dopan n-tipe, level fermi bergeser ke energi yang lebih tinggi dan melintasi tepi level cacat. Kahaly et al. telah menyelidiki properti listrik antarmuka heterogen GaAs-AlAs dan menemukan bahwa cacat V_As di antarmuka menghasilkan 2-DEG quasi [7], yang konsisten dengan hasil kami. Perhitungan kami menunjukkan bahwa rongga memiliki efek yang berbeda pada struktur band SL GaAs/AlAs, yaitu cacat V_As menginduksi metalitas SL GaAs/AlAs, dan cacat V_Ga dan V_Al secara signifikan mengurangi jarak energi struktur SL.
Struktur band dari superlattice GaAs/AlAs cacat dengan a V_Ga, b V_Al dan c cacat rongga V_As. V_X (X = Ga, Al, atau As) X rongga
Kepadatan keadaan parsial dari superlattice GaAs/AlAs cacat dengan a V_Ga, b V_Al dan c cacat rongga V_As. V_X (X = Ga, Al, atau As) X rongga
Efek Cacat Interstisial terhadap Struktur Band Superlattice GaAs/AlAs
Gambar 9 menyajikan struktur band dari struktur SL dengan cacat interstisial. Perhatikan bahwa level fermi bergeser ke energi yang lebih tinggi dan melintasi tepi bandas konduksi (lihat Gambar 9a dan b), karena rongga grup-III adalah cacat seperti donatur. Akibatnya, SL cacat dengan Ga_int dan Al_int menunjukkan karakter metalik. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 9c, dalam bagian spin-up dan spin-down dari struktur band, level impuritas muncul dekat bandas konduksi dan level fermi melintasi tepi level impuritas, yang menunjukkan induksi metalitas dari SL GaAs/AlAs cacat dengan As_int. Jelas, cacat interstisial secara signifikan mengubah struktur elektronik SL GaAs/AlAs dan umumnya menginduksi metalitas dari struktur SL cacat.
Struktur band dari superlattice GaAs/AlAs cacat dengan a cacat Ga_int, b cacat Al_int dan c cacat As_int. X_int (X = Ga, Al, atau As) X interstisial
Membandingkan struktur band dan PDOS representatif dari SL GaAs/AlAs dengan antisite, rongga, dan interstisial, kami menemukan bahwa cacat memodifikasi struktur elektronik secara signifikan, kecuali kasus cacat antisite Ga_Al dan Al_Ga. Selain itu, penyempitan jarak energi dan bahkan metalitas diinduksi, yang akan mempengaruhi performa SL GaAs/AlAs secara drastis.
Efek Cacat Titik terhadap Mobilitas Elektron Superlattice GaAs/AlAs
Mobilitas elektron pada 0 K dapat dihitung dari persamaan μ = eτ/m*, di mana e adalah muatan elektron, τ adalah waktu relaksasi, dan m* adalah massa efektif penurun [32]. Massa efektif elektron dapat dievaluasi dari kelengkungan struktur band melalui hubungan m* = ħ²(d²ε/dk²)⁻¹ [32], di mana ħ adalah konstanta Planck yang dikurangi, k adalah gelombang, dan ε adalah energi dari minimum bandas konduksi. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 4a dan b, kami mendapatkan m* = 0,057 m_e untuk GaAs dan m* = 0,19 m_e untuk AlAs, yang sependek dengan nilai eksperimental sebesar 0,057 m_e untuk GaAs [33] dan 0,124 m_e untuk AlAs [34], di mana m_e adalah massa elektron statis. Waktu relaksasi untuk AlAs dan GaAs diasumsikan sebesar 0,17 dan 0,48 ps, masing-masing [35]. Mobilitas elektron GaAs dan AlAs pada 0 K dihitung sebesar 1,48 × 10⁴ cm²/Vs dan 1,57 × 10³ cm²/Vs, masing-masing, yang sebanding dengan nilai eksperimental sebesar 0,94 × 10⁴ cm²/Vs untuk GaAs [36] dan 0,28 × 10³ cm²/Vs untuk AlAs [37].
Seperti ditunjukkan dalam Tabel 5, massa efektif elektron di titik Γ (m*_Γ) ditentukan sebesar 0,113 m_e untuk SL GaAs/AlAs murni dan waktu relaksasi τ diasumsikan sebesar 0,4 ps [38]. Mobilitas elektron sepanjang arah z, yaitu arah Γ-X dalam zona Brillouin (μ_Γ-X) dihitung sebesar 0,623 × 10⁴ cm²/Vs untuk SL GaAs/AlAs ideal, yang sebanding dengan nilai eksperimental sebesar 1,0 × 10⁴ cm²/Vs [38]. Untuk SL cacat dengan cacat antisite, nilai μ_Γ-X sebanding dengan yang untuk SL ideal, kecuali untuk kasus cacat Ga_As dan Al_As. Mobilitas elektron sepanjang arah Γ-X ditentukan sebesar 0,263 × 10⁴ cm²/Vs dan 0,311 × 10⁴ cm²/Vs untuk keadaan cacat Ga_As dan Al_As, masing-masing, yang jauh lebih kecil dari keadaan murni. Perhatikan bahwa cacat Ga_int, Al_int dan As_int juga secara signifikan mengurangi mobilitas elektron, seperti yang ditunjukkan oleh nilai 0,225 × 10⁴ cm²/Vs untuk Ga_int, 0,243 × 10⁴ cm²/Vs untuk Al_int dan 0,315 × 10⁴ cm²/Vs untuk As_int. Dibandingkan cacat antisite dan interstisial, rongga memiliki efek yang paling dalam. Untuk cacat V_Ga dan V_Al, nilai μ_Γ-X sekitar enam kali lebih kecil dari keadaan murni. Cacat V_As juga secara signifikan menurunkan mobilitas elektron, seperti yang ditunjukkan oleh 0,127 × 10⁴ cm²/Vs. Tanaka et al. telah menyelidiki efek iradiasi elektron terhadap properti listrik heterostruktur GaAs/AlGaAs dan mereka menemukan bahwa mobilitas elektron berkurang pada dosis lebih besar dari 5 × 10²⁰ cm⁻² [10]. Khususnya, penciptaan cacat di wilayah saluran GaAs, daripada lapisan n-AlGaAs, dianggap sebagai penyebab utama degradasi mobilitas [10]. Akhirnya, diusulkan bahwa elektron mungkin tertangkap oleh cacat atau impurity dan menghasilkan keadaan meta-stabil yang diiringi dengan relaksasi jaring [39]. Akibatnya, struktur elektronik dan mobilitas penurun SL GaAs/AlAs dipengaruhi secara signifikan oleh cacat titik. Oleh karena itu, perlu untuk meningkatkan toleransi radiasi SL GaAs/AlAs untuk meningkatkan performa elektroniknya di lingkungan radiasi.
Kesimpulan
Dalam karya ini, studi DFT hibrida dilakukan untuk menyelidiki efek cacat titik terhadap properti listrik superlattice (SL) GaAs/AlAs. Perhitungan energi formasi cacat menunjukkan bahwa cacat antisite adalah yang paling menguntungkan dalam bulk GaAs dan AlAs. Dalam struktur SL GaAs/AlAs, cacat antisite selalu dominant dalam kondisi kation-rich dan As-rich dan cacat interstisial sangat sulit terbentuk selama seluruh rentang potensi kimia. Diketahui bahwa cacat titik yang berbeda memiliki efek yang berbeda pada struktur elektronik SL GaAs/AlAs. Cacat antisite As_X (X = Al atau Ga) dan X_As selalu menginduksi metalitas, meskipun SL cacat dengan antisite X_As menunjukkan pembagian spin. Untuk rongga, SL cacat dengan V_As menunjukkan karakter metalik, dan cacat rongga grup III secara signifikan mengurangi jarak energi superlattice. Metalitas juga ditemukan dalam SL GaAs/AlAs cacat dengan cacat interstisial. Perhitungan mobilitas penurun lebih lanjut menunjukkan bahwa cacat interstisial dan rongga secara signifikan mengurangi mobilitas elektron, sementara cacat antisite memiliki pengaruh yang relatif lebih kecil.
