[論文レビュー] Accurate theoretical bandgap calculations of II-VI semiconductors

Imad Khan, Iftikhar Ahmad+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、II-VI族半導体の理論的バンドギャップを、フル・ポテンシャル線形化局所平面波（FP-LAPW）法と修正ベック・ジョンソン（mBJ）ポテンシャルを組み合わせることで、非常に高い精度で計算した。mBJポテンシャルは、強い相関系におけるd軌道相関を適切に扱うことで、バンドギャップの予測を著しく改善し、実験値と非常に良好な一致を示した。

ABSTRACT

In this letter we present band gaps of II-VI semiconductors, calculated by the full potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) method with the modified Becke-Johnson (mBJ) potential. The accuracy of the calculated results is assessed by comparing them with the experimentally measured values. After careful analysis of the results presented in this paper, we found that the mBJ potential is very efficient in the predication of the bandgaps of II-VI semiconductors. It is also revealed that the effectiveness of mBJ is based on the proper treatment of the d-orbitals in the highly correlated electron system.

研究の動機と目的

• II-VI族半導体の理論的バンドギャップ予測精度を向上させること。これは、光エレクトロニクス応用において極めて重要である。
• 標準的DFT関数が強く相関する系のバンドギャップを正確に記述できないという、長年の問題を解決すること。
• mBJポテンシャルがII-VI族半導体の正しい電子構造を捉えられるかを評価すること。
• 相関材料におけるバンドギャップ予測精度を向上させるために、d軌道の適切な取り扱いの役割を確立すること。

提案手法

• 精密な電子構造計算のために、フル・ポテンシャル線形化局所平面波（FP-LAPW）法を採用した。
• バンドギャップの精度を向上させるために、修正ベック・ジョンソン（mBJ）ポテンシャルを交換相関関数として適用した。
• mBJポテンシャルの非局所的性質を活かし、バンドギャップにおける微分不連続性をよりよく記述した。
• 広範な適用性を確認するため、ZnO、CdSe、ZnSなどの多様なII-VI族半導体に対して計算を実施した。
• 理論的バンドギャップと実験値を比較することで、手法の精度を検証した。
• 遷移金属を含むII-VI族化合物におけるd電子の取り扱いに焦点を当て、相関効果を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的DFT関数と比較して、mBJポテンシャルはII-VI族半導体のバンドギャップ予測を著しく改善できるか？
• RQ2 mBJポテンシャルは、d電子寄与を持つ強相関系としてのII-VI族半導体の電子構造をどれほど正確に捉えられるか？
• RQ3 d軌道の適切な取り扱いが、これらの材料におけるバンドギャップ計算精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 mBJに基づく理論的バンドギャップと、さまざまなII-VI族半導体の実験測定値との間で、定量的整合性はどの程度達成されるか？
• RQ5 mBJポテンシャルは、広帯域ギャップII-VI族半導体のバンドギャップ予測において、信頼性があり体系的な手法と見なせるか？

主な発見

• mBJポテンシャルは、複数のII-VI族半導体において、実験測定値と非常に良好な一致を示すバンドギャップ値をもたらした。
• この手法は、バンドギャップの傾向と大きさの両方を正しく捉えており、LDA や GGA といった標準的DFT関数よりも優れた性能を示した。
• 特に、ZnO や CdSe のように強い電子相関を示す材料では、その正確性が顕著に顕在された。標準的DFTでは失敗するが、本手法では成功した。
• 本研究では、d軌道の適切な取り扱いが、これらの系における正確なバンドギャップ予測に不可欠であることが確認された。
• FP-LAPW + mBJアプローチは、II-VI族半導体におけるバンドギャップ推定に信頼性があり体系的な手法を提供する。
• 結果から、mBJポテンシャルがバンドギャップにおける微分不連続性を効果的に補正できることを示した。これは、標準的DFTの主要な限界の一つである。