[論文レビュー] Quantum-Confined Stark Effect in polar and nonpolar Wurtzite InN/GaN Heterostructures: Influence on Electronic Structure and Compensation by Coulomb Attraction

Stefan Barthel, K. Schuh+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2013

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 43被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、極性（c面）および非極性（m面）方向に成長したザイツライト相InN/GaN量子ドットにおける量子閉じ込めストark効果（QCSE）を、連続弾性理論と実験的タイトバインディングモデルを組み合わせて分析し、電子構造と多体効果を検討した。非極性QDでは、Coulomb引力が臨界相互作用強度γ = 0.8で内在する分極場を効果的に相殺し、電子・正孔波動関数の重なりが向上し、光学的吸収が強化されるのに対し、極性QDでは、物理的に不自然な強い相互作用（γ ≥ 1.5）を要するため、効率が制限されることが示された。

ABSTRACT

In this paper we systematically analyze the electronic structures of polar and nonpolar wurtzite-InN/GaN quantum dots and their modification due to the quantum-confined Stark effect caused by intrinsic fields. This is achieved by combining continuum elasticity theory with an empirical tight binding model to describe the elastic and single-particle electronic properties in these nitride systems. Based on these results, a many-body treatment is used to determine optical absorption spectra. The efficiency of optical transitions depends on the interplay between the Coulomb interaction and the quantum-confined Stark effect. We introduce an effective confinement potential which represents the electronic structure under the influence of the intrinsic polarization fields and calculate the needed strength of Coulomb interaction to diminish the separation of electrons and holes.

研究の動機と目的

• 極性および非極性InN/GaN量子ドットにおける内在電場の電子構造への影響を理解すること。
• 電子と正孔間のCoulomb相互作用が量子閉じ込めストark効果（QCSE）をどのように相殺するかを調査すること。
• QCSEに起因するキャリア分離を相殺するための電子・正孔引力の臨界強度を特定すること。
• さまざまなCoulomb相互作用強度下での極性および非極性量子ドット幾何構造の光学的吸収特性を比較すること。
• 非極性指向と多体効果を活用した、より効率的な窒化ガリウム系光エレクトロニクス素子の設計に理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 連続弾性理論と実験的タイトバインディングモデルを組み合わせ、InN/GaNヘテロ構造における歪みおよび電子的性質を計算する。
• 幾何形状、材料組成、および内在電場を組み込んだ単粒子有効閉じ込めポテンシャルを用いる。
• Coulomb相互作用を含む1電子・1正孔対の多体問題を解くために、完全配置相互作用（FCI）手法を適用する。
• Coulomb相互作用のスケーリングに用いる次元なしの相互作用強度パラメータγを導入し、QCSEに対する補償効果を評価する。
• Coulomb引力が内在電場を上回る臨界γ値を特定するために自己無撞撃計算を実施する。
• 熱的効果を模擬するために、等値面およびLorentz関数による幅広化（10 meV）を用いて波動関数の局在状態と吸収スペクトルを可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子閉じ込めストark効果（QCSE）は、極性および非極性InN/GaN量子ドットの電子構造にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 これらの系において、内在電場が引き起こすキャリア分離をCoulomb引力がどの程度相殺できるか？
• RQ3 極性と非極性量子ドット幾何構造において、QCSEを克服するために必要なCoulomb相互作用の臨界強度（γ）は何か？
• RQ4 非極性と極性構造の両方において、多体効果下での電子と正孔の波動関数の空間的重なりはどのように変化するか？
• RQ5 Coulomb相互作用は、特にピーク強度の増大とエネルギーシフトの観点から、光学的吸収スペクトルにどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 非極性InN/GaN量子ドットでは、Coulomb相互作用強度がγ = 0.8に達するだけで、内在電場を効果的に相殺でき、キャリア波動関数の重なりが顕著に向上する。
• これに対して、極性量子ドットでは、QCSEを相殺するには物理的に不自然な強い相互作用（γ ≥ 1.5）を要するため、Coulomb相互作用の有効性が著しく制限される。
• 非極性QDの多体基底状態波動関数は、高エネルギーの単粒子状態と高い空間的重なりを持つ状態が混合されることで著しく変化し、新たなエネルギー的に有利な状態が形成される。
• 非極性QDでは、Coulomb相互作用によって吸収が定量的に強化されるが、これはエネルギーシフトとは異なり、極性QDとは異なり、主にエネルギー的効果にとどまらない。
• 非極性QDでは、高エネルギー励起状態が湿潤層に向かって空間的に移動し、特にγ ≥ 0.8の領域で電子・正孔対の空間的相関が強化される。
• 非極性QDの吸収スペクトルには、改善された電子・正孔重なりに起因する双極子強度の増大により顕著なピーク強化が現れるが、極性QDでは主にCoulomb結合に起因するわずかなエネルギーシフトが観察される。