Ukrainian Journal of Physical Optics
2022 Volume 23, Issue 3
Excitons in resonant tunnelling structures based on AlN/GaN/AlN/AlGaN/AlN nitride: spectral dependences and intensities of interband optical transitions
1Boyko I., 2Petryk M. and 1,2Mykhailyshyn R.
1Ternopil Ivan Puluj National Technical University, 56 Ruska Street, 46001 Ternopil, Ukraine boyko.i.v.theory@gmail.com 2Department of Robotics Engineering, Worcester Polytechnic Institute, 85 Prescott Street, Worcester, Massachusetts, USA
Ukr. J. Phys. Opt.
Vol. 23
,
Issue 3 , pp. 180 - 191 (2022).
doi:10.3116/16091833/23/3/180/2022
ABSTRACT
Keywords:
excitons, nitride semiconductors, quantum cascade detectors, resonant tunnelling structures, variational methods, iterative methods
UDC:
538.958; 538.971
- Wang K, Grange T, Lin T, Wang L, Jehn Z, Birner S, Yun J, Terashima W and Hirayama H, 2018. Broadening mechanisms and self-consistent gain calculations for GaN quantum cascade laser structures. Appl. Phys. Lett. 113: 061109. doi:10.1063/1.5029520
- Sakr S, Giraud E, Tchernycheva M, Isac N, Quach P, Warde E, Grandjean N and Julien F H, 2012. A simplified GaN/AlGaN quantum cascade detector with an alloy extractor. Appl. Phys. Lett. 101: 251101. doi:10.1063/1.4772501
- Pesach A, Sakr S, Giraud E, Sorias O, Gal L, Tchernycheva M, Orenstein M, Grandjean N, Julien F H and Bahir G, 2014. First demonstration of plasmonic GaN quantum cascade detectors with enhanced efficiency at normal incidence. Opt. Express. 22: 21069-21078. doi:10.1364/OE.22.021069
- Westmeyer A N, Mahajan S, Bajaj K K, Lin J Y and Jiang H X, 2006. Determination of energy-band offsets between GaN and AlN using excitonic luminescence transition in AlGaN alloys. J. Appl. Phys. 99: 013705. doi:10.1063/1.2158492
- Ajia I A, Edwards P R, Liu Z, Yan J C, Martin R W and Roqan I S, 2014. Excitonic localization in AlN-rich AlxGa1-xN/AlyGa1-yN multi-quantum-well grain boundaries. Appl. Phys. Lett. 105: 122111. doi:10.1063/1.4896681
- Smith M, Lin J Y, Jiang H X, Khan A and Chen Q, 1997. Exciton-phonon interaction in InGaN/GaN and GaN/AlGaN multiple quantum wells. Appl. Phys. Lett. 70: 2882-2884. doi:10.1063/1.119030
- Bayerl D and Kioupakis E, 2019. Room-temperature stability of excitons and transverse-electric polarized deep-ultraviolet luminescence in atomically thin GaN quantum wells. Appl. Phys. Lett. 115: 131101. doi:10.1063/1.5111546
- Staszczak G, Trzeciakowski W, Monroy E, Bercha A, Muzioł G, Skierbiszewski C, Perlin P and Suski T, 2020. Room-temperature stability of excitons and transverse-electric polarized deep-ultraviolet luminescence in atomically thin GaN quantum wells. Phys. Rev. B. 101: 085306. doi:10.1103/PhysRevB.101.085306
- Fonoberov V A and Balandin A A., 2003. Excitonic properties of strained wurtzite and zinc-blende GaN/AlxGa1-xN quantum dots. J. Appl. Phys. 94: 7178-7186. doi:10.1063/1.1623330
- Williams D P, Andreev A D and O'Reilly P, 2006. Dependence of exciton energy on dot size in GaN/AlN quantum dots. Phys. Rev. B. 73: R241301(R). doi:10.1063/1.2730199
- Chafai A, Essaoudi I, Ainane A, Dujardin F and Ahuja R, 2019. Binding energy of an exciton in a GaN/AlN nanodot: Role of size and external electric field. Physica B. 559: 23-28. doi:10.1016/j.physb.2019.01.047
- Bernardini F and Fiorentini V, 2008. Macroscopic polarization and band offsets at nitride heterojunctions. Phys. Rev. B. 57: R9427-R9430. doi:10.1103/PhysRevB.57.R9427
- Boyko I V, 2018. Analytical method for calculation of the potential profiles of nitride-based resonance tunneling structures. Condens. Matter Phys. 21: 43701. doi:10.5488/CMP.21.43701
- Duque C M, Mora-Ramos M E and Duque C A, 2012. Exciton properties in zincblende InGaN-GaN quantum wells under the effects of intense laser fields. Nanoscale Res. Lett. 7: 492. doi:10.1186/1556-276X-7-492
- Pokatilov E P, Nika D, Fomin V M and Devreese J T, 2008. Excitons in wurtzite AlGaN/GaN quantum-well heterostructures. Phys. Rev. B. 77: 125328. doi:10.1103/PhysRevB.77.125328
- Wang H, Farias G A and Freire V N, 1999 Electric field effects on the confinement properties of GaN/AlxGa1-xN zincblende and wurtzite nonabrupt quantum wells. Braz. J. Phys. 29: 670-674. doi:10.1590/S0103-97331999000400010
- Rojas-Briseno J G, Rodriguez-Vargas I, Mora-Ramos M E and Martinez-Orozco J C, 2020. Heavy and light exciton states in c-AlGaN/GaN asymmetric double quantum wells. Physica E. 124: 114248. doi:10.1016/j.physe.2020.114248
- Ha S H and Ban S L, 2008. Binding energies of excitons in a strained wurtzite GaN/AlGaN quantum well influenced by screening and hydrostatic pressure. Phys. Stat. Solidi B. 248: 384-388. doi:10.1002/pssb.201000615
- Zhu J, BanS L and Ha S H, 2010. Binding energies of excitons in strained [0001]-oriented wurtzite AlGaN/GaN double quantum wells. J. Phys.: Condens. Matter. 20: 085218. doi:10.1002/pssb.201000615
- Boyko I, 2018. Anisotropic wurtzite resonance tunneling structures: stationary spectrum of electron and oscillator strengths of quantum transitions. J. Phys. Stud. 22: 1701. doi:10.30970/jps.22.1701
- Stepnicki P, Pietka B, Morier-Genoud F, Deveaud B and Matuszewski M, 2015. Analytical method for determining quantum well exciton properties in a magnetic field. Phys. Rev. B. 91: 195302. doi:10.1103/PhysRevB.91.195302
- Vurgaftman I, Meyer J R and Ram-Mohan L R, 2001. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys. J. Appl. Phys. 89: 5815-5875. doi:10.1063/1.1368156
-
Запропоновано новий ітераційний метод для теорії екситонів і розвинуто теорію екситонних станів, які з’являються в плоскій резонансно-тунельній наноструктурі на основі напівпровідникових нітридів. Наш підхід враховує внески внутрішніх електричних полів, що виникають у шарах наноструктури. Він використовує і ітераційні, і варіаційні методи. Ми порівнюємо наш метод з іншими методами, відомими в теорії екситонів, на прикладі наносистеми, що представляє собою окремий каскад квантового каскадного детектора, який раніше був реалізований експериментально. Розраховано електронні та діркові спектри, спектри екситонів та енергії їхнього зв’язку, а також інтенсивності електронно-діркових переходів як функції геометричних параметрів наноструктури. Проаналізовано окремі випадки екситонів легких і важких дірок.
Ключові слова: excitons, nitride semiconductors, quantum cascade detectors, resonant tunnelling structures, variational methods, iterative methods
© Ukrainian Journal of Physical Optics ©