外部电场影响浅施主杂质闪锌矿中_x遗传算法_1−xN /氮化镓对称耦合量子点

文摘

基于有效质量近似和变分过程,极化子捐赠者圆柱闪锌矿的结合能/氮化镓对称耦合量子点(SCQDs)研究在外部电场的存在。数值结果表明,该捐赠者结合能增加首先到最大值,然后它开始下降迅速在所有的情况下,减少点半径。左点和右点的厚度减少,捐献者结合能单调增加,达到最大值,然后迅速下降的杂质离子位于正确的点中心和中间障碍中心。此外,施主杂质离子的结合能的中心位于左点对点厚度大点厚度的变化由于斯塔克效应。与此同时,杂质位置起着重要的作用在捐赠结合能的变化外部电场。特别是杂质位置对应的峰值捐赠者结合能转向左边QD随着外部电场强度。

1。介绍

最近的现代制造技术的进步使人们有可能增长wide-band-gap GaN-based低维半导体量子结构(1,2),三元合金,其中最重要的第三组的氮化物半导体家人如量子井(QWs),量子阱线(QWWs)和量子点(量子点),并附相当关注由于其独特的电学和光学性能,以及其潜在的应用在电子和光电设备(3,4]。利用分子束外延和有机化学气相沉积方法,两个材料层之间的距离可以精确控制几埃实验。因此,相邻点之间的耦合作用成为重要和不容忽视,和他们的电子结构和光学特性可以有效地调整。在过去的许多年,很多理论和实验工作一直致力于研究电子结构和量子点的类氢杂质结合能不同的形状(5- - - - - -19]。刘等人。5]研究了振荡器的优点垂直堆叠自组装在量子光学转换的磁盘。董et al。6]研究了单电子和垂直两电子组装量子磁盘使用有效质量近似一个轴向磁场。刘等人。7)从理论上分析了压应力的影响在对称的砷化镓/浅施主杂质状态双量子点。l z刘和j·j·刘研究[8]hydrogenic-donor杂质在耦合量子磁盘在存在磁场。王(9]也调查了极化子捐赠结合能和平均颗粒间的距离为类氢杂质通过使用变分法在双量子点。与压力有关的浅施主结合能在量子点单(已报告10和量子点耦合11]。夏et al。12)研究了静水压力的影响施主杂质在闪锌矿甘(ZB) InGaN /非对称耦合量子点。几个因素影响杂质离子的结合能,包括应用外部扰动(磁场,静水压力),量子点的大小,厚度、屏障和施主离子的位置。

另一方面,运用外部电场也是一个强大的工具来改变低维半导体结构的电子和光学性质。施主杂质状态的斯塔克效应在QD QD物理学和应用程序的一个主要方面(13,14]。外部电场影响捐赠者结合能已经深入调查的目标(15- - - - - -19]。夏等人研究了类氢杂质在ZB InGaN单一QD缺乏应用电场(GaN / AlN量子点耦合)(15,16]。江et al。17,18)提出了外部电场影响捐赠者结合能ZB GaN /沃甘圆柱形QD(球)。我们也调查了强烈的激光场,电场,静水压力对施主杂质在闪锌矿InGaN /氮化镓量子点(19]。

然而,正如我们所知,量子点多个而不是采用单一的QD常用GaN-based光电设备。和一些论文参与调查ZB浅施主杂质州/氮化镓SCQDs外部电场下日期。因此,有必要研究的外部电场影响施主杂质在ZB GaN-based量子点耦合。本文使用有效质量近似和变分方法,我们报告的计算基态捐赠者结合能在量子点耦合电场的存在SCQDs沿着生长方向。SCQDs的结构参数的影响,杂质的位置,和应用电场都考虑进去。这项工作的组织结构如下:在部分2我们提出我们的理论框架,讨论了数值结果3,最后,给出了结论4。

2。理论框架

2.1。哈密顿

在有效质量近似的哈密顿在圆柱形ZB类氢杂质/氮化镓SCQDs应用电场的影响下F在方向,如图1,可能是写的8] 与 在哪里 是一个杂质离子和电子之间的距离。应用电场沿SCQDs增长方向。下标的和分别代表点层和阻挡层材料。和传导的有效质量和介电常数的点层和阻挡层,分别。 径向和z方向约束可能由于传导带在ZB抵消/氮化镓SCQDs,可以给出如下(10]: 在哪里 。和氮化镓材料的带隙能量和 ,分别。为了计算极化子捐赠者在ZB结合能/氮化镓SCQDs审判波函数可以写成如下(11,12]: 在哪里N归一化常数和吗和是变分参数。前和后者分别是径向和轴向波函数。前者可以通过贝塞尔函数和修改后的贝塞尔函数 ,而后者可以表示通过人工智能和Bi通风的功能。是电子分角动量量子数。前者是由(19] 常数(和)(5)确定径向波函数的导数的连续性SCQDs边界。后者是由 在这里 。系数和(j= 1,2,3,4,5)的本征函数在接口可以通过使用传输矩阵方法(20.]。极化子施主杂质能量评估通过最小化的期望价值哈密顿的参数和 。绝热近似,供体水成的有罪不罚的结合能被定义为系统的基态能量的区别和无杂质;也就是说,(20.] 在哪里和径向和轴向的电子基态能量ZB吗/氮化镓SCQDs,分别。

3所示。结果与讨论

我们已经计算了极化子捐赠结合能点半径的函数R、点厚度 ,中间势垒宽度 ,杂质的位置 ,和应用电场在ZB/氮化镓SCQDs。本文中使用的所有参数是一样的(21]。电子的有效质量 为材料和 氮化镓材料(21),而是自由空间电子质量。ZB的带隙能量铟的成分可以给出如下(21]: 。乐队抵消比例为80:20。浓度在材料选为0.15。

极化子在ZB捐赠结合能/氮化镓SCQDs是显示在图2点半径的函数对不同外部电场( 30岁和50 kV /厘米)。杂质离子位于左边点中心 。显然可以看出图2捐献者结合能增加首先到最大值,然后它开始下降很快的在所有的情况下减少点的半径。相关的行为变化在ZB电子的监禁/氮化镓SCQDs。内的电子波函数更坚定地本地化QD与减少点半径,电子间的库仑相互作用和杂质离子增强,所以捐赠结合能相应增长。然而,低于一定值的半径,捐献者结合能开始减少由于电子波函数的泄漏进入障碍区域。此外,曲线(1 - 3)也显示,捐献者结合能与外加电场的增加变大。这可以解释说,随着外加电场变得大,电子波函数可以转向左边QD在同一空间约束,从而导致一个更大的捐赠者结合能。

图3显示QD厚度影响极化子捐赠者结合能与参数(= 1.0海里, 海里, )三个不同的杂质离子的位置:在正确的点中心(曲线1),在左边点中心(曲线2),并在中间障碍中心(曲线3)。的外部电场沿生长方向SCQDs被选中F= 30 kV /厘米。选择左点和右点的厚度是一样的在计算。从曲线可以看出(1和3)捐赠结合能单调增加,达到最大值,然后迅速下降点厚度降低。物理原因可以解释如下:电子波函数的大小量化限制和减少的厚度是强左点和右点,电子间的库仑相互作用和杂质离子变大,和捐赠结合能相应增长。当左点和右点的厚度降低到一定值,电子流入障碍区域的概率大大增加,因此电子间的库仑作用并相应杂质离子减少。曲线2与其他比较,发现捐献者结合能的变化不敏感(敏感)点厚度大(小)点厚度的杂质离子位于左边点中心。这可以解释为电子的波函数是强转移到左边QD大点厚度在外部电场和更少的自由渗透正确的QD。电子和杂质离子之间的平均距离仍然几乎不变。此外,电子波函数的空间约束效应远远高于外部电场作用对小点的厚度。点厚度降低到一定值时,电子穿透到势垒的概率大大增加,电子间的库仑相互作用和杂质离子相应减弱。这些行为可以解释为外部电场之间的竞争效应和空间约束ZB/氮化镓SCQDs。

中间势垒宽度的影响在捐赠者不同杂质结合能位置参数(R= 10 nm, 海里, 海里, 海里, kV /厘米)是显示在图4。图中可以看到4当中间势垒宽度是零,捐献者结合能杂质离子位于中心的左点(曲线1)和右点(曲线3)小于一个杂质离子位于中间的中心屏障(曲线2)。这些行为可以解释如下。中间势垒宽度为0时,供体结合能的单个QD的精确值 纳米和 nm。因此,电子可以占据更大的自由空间没有中间的障碍。周围的电子云分布主要杂质的位置 。电子之间的平均距离和杂质离子减少,导致增加的捐赠结合能。曲线(1和3)表明供体结合能降低首先,达到最小值,然后逐渐增加中间势垒厚度增加。这是因为量子点这两个解耦是由于小的存在中间势垒宽度,和电子波函数的概率点和右点渗透进中间的障碍变得更大,从而导致电子间的库仑相互作用的弱化和杂质离子。因此,捐赠者结合能略有减少。此外,当中间势垒厚度增加到一定值,两个量子点之间的耦合效应下的捐赠结合能逐渐变弱的外部电场。中间势垒宽度越大,定位效果越强电子波函数的左点和右点是由于斯塔克效应。的概率杂质离子周围的电子波函数局限变得很大。因此,施主杂质离子的结合能的中心位于左点和右点相应增长。比较曲线曲线1和2,在同一个空间约束,施主杂质离子的结合能位于左点的中心比一个更大的杂质离子位于右点的中心。这是因为应用电场大大推动电子波函数进入左SCQDs QD。此外,曲线2还表明,施主杂质离子的结合能位于中间的中心势垒降低逐渐随着中间势垒宽度的增加。 This is because that the probability of the electron wave function penetrating into the middle barrier becomes small under the external electric field with the increase of the middle barrier width. The Coulomb interaction between the electron and the impurity ion weakens gradually, and the donor binding energy decreases correspondingly.

在图5对极化子,外部电场影响捐赠的结合能不同杂质的位置( (曲线1), (曲线2))显示的参数( 海里, 海里, 海里, 海里)。杂质离子位于中心的左侧QD(曲线1),外加电场的增加F导致捐赠结合能的增强。这是因为随着外加电场的增加,电子穿透进入左点的概率大大增加,和电子强烈限制杂质离子。此外,曲线2也表明供体结合能增加首先,达到最大值,然后逐渐减小。主要原因如下:较小的外部电场增强了本地化电子波函数的影响正确的点。电子和杂质离子之间的距离减少,导致增加的捐赠结合能。外加电场增加到一定值时,电子的概率正确的点渗入阻挡层和左点大大增加,从而导致的减少捐赠结合能。此外,应用电场越强,越重要的捐赠结合能的变化。同样的效果也被观察vertical-stacked InGaN /氮化镓多重量子井[20.]。

在图6极化子的捐赠结合能研究轴向位置的函数在ZB的杂质离子/氮化镓SCQDs参数 海里, 海里, 海里, 海里, 和不同外部电场( ,30 kV / cm, 50 kV /厘米)。曲线1表明,在没有电场的情况下,捐赠者结合能有两个最大值,这是量子点位于左和右的中心和中心对称对中间的障碍。这是可以理解的,系统上的电场效应消失,导致量子点耦合成为一个对称配置。电子的波函数是强和对称在ZB的左内点和右点/氮化镓SCQDs空间约束,因此电子间的库仑相互作用的增量和杂质离子的增加导致捐赠结合能。此外,它也可能出现在曲线(2 - 3),当外部电场,只剩下一个最大值。和杂质的位置对应的峰值捐赠者结合能转向左ZB的点/氮化镓SCQDs增加外部电场。这是因为应用电场大大推动电子波函数的左点SCQDs。图6也表明,应用电场越强,峰值越大的捐赠者结合能。因为最大的本地化ZB中的电子波函数的影响/氮化镓SCQDs加强随着外加电场的增加。一般特性,这些行为可以解释为外部电场之间的联合效应,量子限制,SCQDs的耦合作用。

4所示。结论

总之,我们调查了外部电场的影响,空间约束和耦合的行动一个浅施主杂质圆柱ZB局限/氮化镓对称耦合量子点。使用变分过程执行的计算是基于有效质量近似。捐献者结合能研究点半径的函数,点厚度、外部电场和杂质的位置。结果可以概括如下:随着QD半径的增加,捐献者结合能增加首先到最大值,然后它开始下降很快的在所有的情况下;点的厚度l减少,捐献者结合能单调增加,达到最大值,然后迅速下降的杂质中心和中间障碍中心位于正确的点。此外,捐赠者结合能的变化不敏感点厚度大点厚度时,杂质离子位于左边点中心。当杂质离子位于左点和右点的中心,分别作为中间势垒厚度增加,捐赠者结合能降低首先,达到最小值,然后逐渐增加。和捐赠结合能杂质离子位于中间的中心势垒降低逐渐随着中间势垒宽度的增加。外部电场的分布有很大的影响在ZB电子的波函数/氮化镓SCQDs。和电子波函数是转向左边QD在外部电场。在没有电场的情况下,捐赠者结合能有两个最大值,这是中心对称位于ZB的左点和右点/氮化镓SCQDs。应用外部电场时,只剩下一个最大值,并应用电场越强,峰值越大的捐赠者结合能。本文的主要结果可能适合其他ZB半导体量子结构。我们希望这些计算结果可以刺激进一步调查物理第三组氮化硅材料和设备的应用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了教育部门河北省(没有的基础。QN2015050)。

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