Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems

Miniband formation engineering in GaN/AlN constant total effective radius multi-shells quantum dots and rings with on-center hydrogenic donor impurities

Document Type : Original Article

Authors

Department of Physics, Faculty of Science, Qom University of Technology, Qom, Iran

Abstract

In this work, we have studied the miniband and mini gaps of GaN/AlN constant total effective radius multi-shells quantum dots (CTER-MSQDs) and Rings (CTERMSQRs). We have investigated the effects of the Hydrogenic donor impurities, quantum dots and rings radii, and the number of wells on miniband formation by sub-band energy calculations. We show that in these systems, mini gaps can be created and then disappeared when the number of wells increases. We observe that cylindrical CTER-MSQDs have one miniband more than the spherical CTER-MSQD. However, the minibands of the cylindrical CTER-MSQD are wider. For cylindrical systems, the first mini gap position can undertake a blue shift but for spherical systems, we can not observe this fact. The first mini gap position undertakes more blue shifts when the inner QD radius R1 increases. Thus, the number of wells, Hydrogenic donor impurities, and quantum dot & ring radii can be used as tuning tools to have a system with the typical number of minibands and mini gaps with desired widths.

Keywords

Article Title [Persian]

مهندسی گاف نواری در نقاط و حلقه های کوانتومی چندلایه ای طول موثر کلی ثابت GaN/AlN شامل ناخالصی های دهنده هیدروژنی روی مرکز

Authors [Persian]

  • مهدی سلیمانی
  • هادی جوهری

گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران

Abstract [Persian]

در این کار، ما ریزنوارها و ریزگاف های نقاط (CTER-MSQDs) و حلقه های (CTER-MSQRs) کوانتومی چندلایه ای طول موثر کلی ثابت GaN/AlN را بررسی کرده ایم. ما از طریق محاسبه انرژی های زیرنوارها، اثر ناخالصی های دهنده هیدروژنی، شعاع های حلقه ها و نقاط کوانتومی، و تعداد چاه ها را روی تشکیل ریزنوارها مطالعه کرده ایم. نشان دادیم که در این سیستم ها، وقتی تعداد چاه ها افزایش می یابد ریزگاف ها تولید و سپس ناپدید می گردند. در ادامه، مشاهده کردیم که CTER-MSQDs های استوانه ای یک ریز نوار بیشتر از CTER-MSQDs های کروی در بازه انرژی مورد مطالعه دارند. ریزنوارهای CTER-MSQDs ها استوانه ای پهن تر بودند. برای سیستم های استوانه ای، با افزایش تعداد چاه، موقعیت اولین ریزگاف جا به جایی آبی پیدا کرد که این مورد در سیستمهای کروی مشاهده نشد. با افزایش شعاع داخلی، موقعیت اولین گاف، جا به جایی آبی بیشتری داشت. بنابراین، می توان از تعداد چاه ها، ناخالصی های دهنده، و شعاع های نقاط و حلقه های کوانتومی به عنوان ابزارهای تنظیم استفاده کرد تا  یک سیستم با تعداد ریزگاف ها و ریز نوارهای دلخواه داشت.

Keywords [Persian]

  • مهندسی ریزنوار
  • نقاط و حلقه های کوانتومی چندلایه ای
  • طول موثر کلی ثابت
  • روش برش زنی عددی
[1] L. Esaki, "A bird's-eye view on the evolution of semiconductor superlattices and quantum wells" IEEE Journal of Quantum Electronics, QE-22 (1986) 1611.
[2] L. Esaki, R. Tesu, "Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors." IBM Journal of Research and Development, 14 (1970) 61.
[3] L. Esaki, L. L. Chang, "Quantum States of Confined Carriers in Very Thin AlxGa1-xAs-GaAs-AlxGa1-xAs Heterostructures." Physical Review Letters, 33 (1974) 495.
[4] L. Esaki, "Long journey into tunneling." Science, 183 (1974) 1149.
[5] J. W. Klos, M. Krawczyk, "Electronic miniband formation in a two-dimensional semiconductor superlattice." Materials Science-Poland, 26 (2008) 965.
[6] U. Behn, N. Linder, H. T. Grahn and K. Ploog, " Investigation of miniband formation in a graded-gap superlattice by electroreflectance spectroscopy." Physical Review B, 51 (1995) 17271.
[7] M. Holthaus, "Collapse of minibands in far-infrared irradiated superlattices." Physical Review Letters, 69 (1992) 351.
[8] X.-G. Zhao, "Phonon-induced collapse of minibands in superlattices." Physics Letters A, 230 (1997) 229.
[9] Yu. A. Pusep, A. J. Chiquito, S. Mergulhao, and J. C. Galzerani, "One-dimensional character of miniband transport in doped GaAs/AlAs superlattices." Physical Review B, 56 (1997) 3892.
[10] P. Hyldgaard and A. P. Jauho, " Elastic and inelastic resonant tunneling in narrow-band systems: application to transport in minibands of semiconductor superlattices." Journal of Physics: Condensed Matter, 2 (1990) 8725.
[11] Y. Shimada, K. Hirakawa, and S-W Lee, "Time-resolved terahertz emission spectroscopy of wide miniband GaAs/AlGaAs superlattices." Applied. Physics Letters, 81 (2002) 1642.
[12] H. T. Grahn, K. von Klitzing, and K. Ploog, G. H. Dohler, "Electrical transport in narrow-miniband semiconductor superlattices." Physical Review B, 43 (1991) 12094.
[13] S-Y Cheng, W-C Liu, W-L Chang, H-J Pan, W-C Wang, J-Y Chen, S-C Feng, and K-H Yu, " Observation of the impulse-like negative-differential resistance of superlatticed resonant-tunneling transistor." Applied. Physics Letters, 75 (1999) 133.
[14] M. A. Green, "Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond." Physica E, 14 (2002) 65.
[15] F. Fuchs, E. Ahlswede, U. Weimar, W. Pletschen, and J. Schmitz, M. Hartung and B. Jager, F. Szmulowicz, "Magneto-optics of InAs/Ga1-xInxSb infrared superlattice diodes." Applied Physics Letters, 73 (1998) 3760.
[16] S. Tortora, F. Compagnone, A. Di Carlo, P. Lugli, "Theoretical study, modeling and simulation of SL quantum cascade lasers." Physica E 7 (2000) 20.
[17] E. Plis, S. J. Lee, Z. Zhu, A. Amtout, and S. Krishna, "InAs/GaSb superlattice detectors operating at room temperature." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 12 (2006) 1269.
[18] X-B Cai, X-F Xuan, "Optical harmonic generation in a Fibonacci dielectric superlattice of LiNbO3." Optics Communications, 240 (2004) 227.
[19] X. I. Saldana, D. A. Contreras-Solorio, E. Lopez-Cruz, "Self-similar optical properties in Pascal-Type quasiperiodic dielectric multilayer." Revista Mexicana de Fisica S, 53 (2007) 310.
[20] D. K. Ferry, S. M. Goodnick, J. Bird, "Transport in Nanostructures, Second Edition, Cambridge University Press", New York, 2009.
[21] P. Harrison, Quantum Wells, Wires and Dots, "Theoretical and Computational Physics of Semiconductor Nanostructures, Second Edition, John Wiley & Sons, LTD", San Francisco, 2005.
[22] M. Solaimani, M. Izadifard, H. Arabshahi, and M. R. Sarkardei, "Study of optical non-linear properties of a constant total effective length multiple quantum wells system." Journal of Luminescence 134 (2013) 699.
[23] M. Solaimani, "GaN/AlN constant total effective radius multi-wells quantum rings: physical properties under well number variation effects" Solid State Communications, 200 (2014) 66.
Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems
Volume 2, Issue 2
May 2019
Pages 195-201