垂直外部電場による青色フォスフォレン/グラフェン様GaNファンデルワールスヘテロ構造の電子特性の調整

a g-GaN上の二重層blue-Pの側面図と上面図。 b 距離の関数としての結合エネルギー d _{blue-P / g-GaN} 単層および二層システム用。挿入図は、結合エネルギーの最小値に近いズームを示しています

図2a-bは、単層-青-P / g-GaNヘテロ構造と二層-青-P / g-GaNヘテロ構造のバンド構造を E で示しています。 _g GGAを使用して計算すると、それぞれ1.26eVと1.075eVになります。 HSE06メソッドの場合、 E _g それぞれ2.2eVと1.91eVです。両方のヘテロ構造について、伝導帯の最小エネルギー状態はM点に近く、価電子帯の最大エネルギー状態はK点にあり、2つの点はブリルアンゾーンの同じ結晶運動量ではありません。したがって、バンドギャップは、両方の半導体ヘテロ構造の間接バンドギャップです。 E _g 単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造の割合は、単分子層-青-P（1.89 eV）と比較して0.63 eV減少しますが、 E _g 二分子膜-青-P（1.118 eV）は、二分子膜-青-P / g-GaNヘテロ構造とは対照的に0.043eV収縮します。バンドベンディングは、g-GaNシステムを使用したblue-Pと自立型blue-Pのフェルミ準位の差から実現できます[28]：Δ E _F = W − W _P 、ここで W は、構成されたシステム（blue-P / g-GaN）の仕事関数であり、 W _P 原始的なblue-Pの仕事関数です。 Δ E _F 図2c、dに示すように、単層-青-P / g-GaNヘテロ接合と二層-青-P / g-GaNヘテロ接合のそれぞれ-1.17eVと-0.81eVが得られます。ご覧のとおり、エネルギーバンドアラインメントのタイプは、すべての単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造と二重層-青-P / g-GaNヘテロ構造の界面での千鳥ギャップ（タイプII）です。

a のバンド構造 単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造、および b それぞれ、二重層-青-P / g-GaNヘテロ構造。 c に関連するバンドアラインメントと仕事関数 単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造および d 二分子膜-青-P / g-GaNヘテロ構造

ヘテロ構造は、ナノ電子デバイスに適用されている間、その電子特性を調整するために外部電界にさらされることがよくあります。 E の影響を調べるために _ext 電子構造では、バンド構造はさまざまな E で計算されます。 _ext 青-P / g-GaNヘテロ構造の場合。以前の研究で報告されているように、ヘテロ構造の幾何学的構造は無視できますが、バンド構造は異なる E の下で大きく変化します _ext [29]。図3aは、 E の進化を示しています _g E の関数として _ext − 1.0eV /Åから1.0eV /Åまで。 E の方向 _ext 上（g-GaN層）から下（blue-P層）への順方向を採用しています。単分子層-青-P / g-GaNおよび二分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造が E とのバンドギャップ変調を示すことが明確に示されています。 _ext 。単分子層-青-P / g-GaNの場合、フォワード E の場合 _ext 、 E _g E の増加に伴って直線的に増加します _ext ≤0.4eV/Å（L-増加範囲）。単分子層-青-P / g-GaNは最大の E を取得します _g E のとき _ext =0.5eV /Åで、 E の場合はほとんど変化しません _ext 0.4 < E の範囲にあります _ext <0.6eV /Å（飽和範囲）。これにより、バンドオフセットが強化され、電子正孔対の分離が促進されます。 E での最初の拡大 _g E のカウンターバランスに起因します _ext 内蔵電界（ E ）によってある程度 _int ）。 E _g E の増加に伴い、線形の減少範囲になります _ext > 0.6eV /Å（L-減少範囲）。したがって、ヘテロ構造は、より強い電界にさらされると金属の振る舞いを示します。これは、絶縁破壊と電荷トンネリングに起因します。対照的に、 E _g E の増加に伴って直線的に減少します _ext （L-減少範囲）逆 E _ext 、伝導帯の最小値（CBM）のバンドエッジが価電子帯の最大値（VBM）に向かってシフトすることによって発生します。ただし、 E _ext =− 0.7eV /Å、バンドギャップは急激に減少し始めます。これは、故障が原因である可能性があります。 E の場合 _ext <− 0.8eV /Å、青-P / g-GaNヘテロ接合は、半導体から金属への遷移を経験します（金属範囲）。これらの結果は、両方の E _g また、blue-P / g-GaNヘテロ構造の半導体から金属への遷移は、静電ゲーティングに依存します。これは、高性能の電子デバイスやオプトエレクトロニクスデバイスで使用できます。さらに、 E の効果 _ext E で _g blue-Pとg-GaNのヘテロ構造の二重層の間は、単層と同じですが、半導体から金属への遷移のための電界が小さくなっています。

a E _g vs E _ext 単分子層-青-P / g-GaNおよび二分子膜-青-P / g-GaNヘテロ構造の合成。 b – e E を使用した単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造のバンド構造 _ext 0.3eV /Å、0.5eV /Å、-0.3eV /Å、0.7eV/Å。 E _F は0に設定され、赤い破線で示されます

バンド構造に対する電界の影響を調べるために、エネルギーバンド構造と外部電界の関係が計算されます。 E の単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造のバンド構造 _ext 0.3eV /Å、0.5eV /Å、-0.3eV /Å、0.7eV /Åの値を図3b–eに示します。図3b-cでは、 E の0.3eV /Åおよび0.5eV /Åの下で _ext 、 E _g 1.651eVおよび1.757eVに増加します。これは、g-GaN単分子層の擬フェルミ準位が下にシフトし、blue-P単分子層の擬フェルミ準位が上に持ち上げられていることを示しています。ただし、図3d-eでは、 E の-0.3eV /Åおよび-0.7eV /Åの場合 _ext 、 E _g 0.888eVおよび0.49eVに減少します。 g-GaNの擬フェルミ準位は上に移動し、blue-Pの擬フェルミ準位は下に移動します。結果は、バンドギャップが適用された垂直方向の E に比例して変化することを示しています。 _ext 、巨大なシュタルク効果を示します[30]。垂直方向の E を適用すると _ext 、価電子帯と伝導帯の価電子帯の状態は混合を受け、電子レベルの電界誘起分割につながります。外部電界によって引き起こされる静電電位差は、フェルミ準位付近の電子構造を大幅に変化させました[31]。

図4a–dは、電荷の蓄積（オレンジ色）と枯渇（薄緑色）の等値面を示しています。これは、 E との青色-P / g-GaNヘテロ接合の電荷密度の変化を示しています。 _ext それぞれ0.3eV /Å、0.5eV /Å、-0.3eV /Å、-0.7eV/Åの値。フォワード E を適用すると _ext 、図4a-bに示すように、正電荷（正孔）はblue-P層からg-GaN層に移動し、負電荷（電子）はg-GaNからblue-P層に移動する傾向があります。同時に、電界が0.5 eV /Åの場合、電荷移動量が0.3 eV /Åを超えることがわかります。本質的に、正の外部電場は、電荷を応力場の方向に沿って配向させ、電荷を原子平面に制限しますが、これらの平面に電荷を残し、それによって、blue-Pからg-GaNへの電荷の移動を促進します。対照的に、負の E _ext 図4c-dに示すように、反対側で電子を蓄積/枯渇させます。主に負の外部電界により、電荷が応力場に向かって戻り、g-GaNからblue-Pに電荷が移動します。したがって、g-GaN単分子層の擬フェルミ準位と E _VBM 青-P単分子層と E の擬フェルミ準位が上昇する _CBM 減少し、バンドギャップが直線的に減少します。同時に、電子は逆の E の下でblue-Pからg-GaNに移動します。 _ext 。電界強度の増加に伴い、移動電荷量が増加することがわかります。

a – d E 下での単分子層-blueP / g-GaNヘテロ構造の電荷蓄積と枯渇の等値面 _ext それぞれ0.3eV /Å、0.5eV /Å、-0.3eV /Å、-0.7eV/Åです。オレンジ色と薄緑色の等値面は、それぞれ正の電荷の蓄積と電荷の枯渇を表しています。 e 平面平均電子密度Δρ（ z ）単分子層の異なる電界で-青-P / g-GaN

E がどのように _ext 電子特性を変調すると、垂直距離の関数としての単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造の積分電荷密度差が計算され、図4eに表示されます。図4eの正の値は電荷の蓄積を示し、負の値は電荷の枯渇を示します。 E の場合 _ext =0の場合、ヘテロ構造の電荷密度の差は、∆ρ =ρ_{ヘテロ構造}によって得られます。 −ρ _g-GaN −ρ _blue-P 。界面での平面平均電荷密度差の変化は、電子が界面を横切ってg-GaN層からblue-P層に移動したのに対し、正孔はg-GaN側に残ったことを示しています。電界による表面平均微分電荷は、0.3eV /Åおよび-0.3eV /Åで計算されます。 E _ext ヘテロ構造での電荷の移動に影響を与える可能性があります。 [29]

ここで、\（\ int {\ rho} _ {E _ {\ mathrm {ext}}} \ left（x、y、z \ right）dxdy \ \ mathrm {and} \ int {\ rho} _ {E_0} \ left （x、y、z \ right）dxdy \）は（ x での電荷密度です 、 y 、 z ） E がある場合とない場合の単分子層-BP / g-GaNヘテロ構造のスーパーセル内のポイント _ext 、 それぞれ。負の（青い線） E によって引き起こされる電荷​​移動の方向 _ext 正の（赤い線） E の反対です _ext 。統合された電荷密度は、転送された電荷の量が E の強度とともに増加することを定量的に示しています。 _ext 。 0.3eV /Åの E を持つ青-P / g-GaNヘテロ構造の電荷移動の値 _ext 正の外部電場が印加された電場の方向に沿って電荷を局在化し、電荷をg-GaN平面に限定するため、は0eV /Åおよび-0.3eV /Åのそれよりも大きくなります。

バンド構造におけるblue-Pとg-GaNの寄与を区別するために、ヘテロ構造の投影状態密度が計算され、図5aに示されています。 VBMの寄与は主にg-GaNによるものであり、エントレインメントの寄与は主にblue-Pによるものであることがわかります。図5bは、それぞれ0.5eV /Åおよび0.7eV /Åの外部電界下での単分子層-青-P / g-GaNおよび二分子膜-青-P / g-GaNの電荷の蓄積と枯渇の等値面を示しています。 0.7eV /Åの外部電界での二重層-青色-P / g-GaNの絶縁破壊により、電荷移動に関連する電流は、増加する外部電界の下で飽和します。これは、図3aの電流と一致しています。

a 二分子膜-青-P / g-GaNヘテロ構造のTDOS。ヘテロ構造のP、Ga、およびNのPDOS。 b E 下での単分子層-青-P / g-GaNヘテロ構造の電荷蓄積と枯渇の等値面 _ext それぞれ0.3eV /Å、0.5eV /Å、-0.3eV /Å、-0.7eV/Å