Editores de gradientes de materiales y de deformación.Editores de gradientes de materiales y de deformación.

1. Resumen.1. Resumen.

Los dispositivos semiconductores suelen contener aleaciones cuya composición varía de una capa a otra, o de forma gradual a lo largo de una misma capa. También pueden contener capas delgadas cuya red cristalina está sometida a tensión debido a que se cultivan sobre un material con una constante de red natural diferente. Ambos efectos pueden modificar las propiedades electrónicas de una heteroestructura.Los dispositivos semiconductores suelen contener aleaciones cuya composición varía de una capa a otra, o de forma gradual a lo largo de una misma capa. También pueden contener capas delgadas cuya red cristalina está sometida a tensión debido a que se cultivan sobre un material con una constante de red natural diferente. Ambos efectos pueden modificar las propiedades electrónicas de una heteroestructura.

El editor de gradientes/deformaciones de materiales le permite definir las proporciones de la composición de la aleación para cada capa y especificar si una capa debe considerarse deformada en relación con otra. Abra el editor desde la pestaña «Eléctrico» haciendo clic en «Gradientes de materiales», como se muestra en ??. El editor, que se muestra en ??, muestra un gráfico de los perfiles de composición junto con una tabla de valores editables.El editor de gradientes/deformaciones de materiales le permite definir las proporciones de la composición de la aleación para cada capa y especificar si una capa debe considerarse deformada en relación con otra. Abra el editor desde la pestaña «Eléctrico» haciendo clic en «Gradientes de materiales», como se muestra en ??. El editor, que se muestra en ??, muestra un gráfico de los perfiles de composición junto con una tabla de valores editables.

2. Parámetros del editor.2. Parámetros del editor.

La tabla contiene una fila por cada capa del dispositivo. Todas las fracciones de composición son adimensionales; por ejemplo, un valor de 0,30 significa una fracción del 30 %, no 0,30 %. Las columnas son:La tabla contiene una fila por cada capa del dispositivo. Todas las fracciones de composición son adimensionales; por ejemplo, un valor de 0,30 significa una fracción del 30 %, no 0,30 %. Las columnas son:

• Capa: el nombre de la capa, que se utiliza para identificar la parte de la estructura que se está modificando.Capa: el nombre de la capa, que se utiliza para identificar la parte de la estructura que se está modificando.
• x0 y x1 (fracción): valor de la primera variable que representa la composición de la aleación al inicio y al final de la capa.x0 y x1 (fracción): valor de la primera variable que representa la composición de la aleación al inicio y al final de la capa.
• y0 e y1 (fracción): los valores inicial y final correspondientes de la segunda variable de composición.y0 e y1 (fracción): los valores inicial y final correspondientes de la segunda variable de composición.
• z0 y z1 (fracción): valores inicial y final de la tercera variable de composición.z0 y z1 (fracción): valores inicial y final de la tercera variable de composición.
• Deformación: un menú desplegable que especifica la capa de referencia con respecto a la cual se aplica la deformación a la capa actual. Si se selecciona «Ninguna», no se establecerá esta relación de deformación.Deformación: un menú desplegable que especifica la capa de referencia con respecto a la cual se aplica la deformación a la capa actual. Si se selecciona «Ninguna», no se establecerá esta relación de deformación.

Los símbolos x, y y z que aparecen en esta ventana representan variables de composición de la aleación, y no las coordenadas espaciales de la malla del dispositivo. Su significado físico depende del modelo de material seleccionado para la capa. Algunos materiales utilizan solo la variable x; las aleaciones más complejas pueden utilizar variables adicionales. Un valor que se muestra para un material binario, como el GaAs, no debe interpretarse como la fracción de aluminio, a menos que su modelo de material lo defina de esa manera.Los símbolos x, y y z que aparecen en esta ventana representan variables de composición de la aleación, y no las coordenadas espaciales de la malla del dispositivo. Su significado físico depende del modelo de material seleccionado para la capa. Algunos materiales utilizan solo la variable x; las aleaciones más complejas pueden utilizar variables adicionales. Un valor que se muestra para un material binario, como el GaAs, no debe interpretarse como la fracción de aluminio, a menos que su modelo de material lo defina de esa manera.

3. Gradientes en la composición de los materiales.3. Gradientes en la composición de los materiales.

Un gradiente de materiales es una variación gradual en la composición de la aleación a lo largo de una capa semiconductora. Por ejemplo, en la aleación ternaria \(\mathrm{Al}_{x}\mathrm{Ga}_{1-x}\mathrm{As}\), la fracción de aluminio \(x\) controla las cantidades relativas de aluminio y galio. Elegir \(x=0.30\) da como resultado \(\mathrm{Al}_{0.30}\mathrm{Ga}_{0.70}\mathrm{As}\). Modificar la composición altera las propiedades del material, como la banda prohibida y las energías en el borde de la banda, siempre y cuando estas dependencias estén definidas en el modelo de material seleccionado.Un gradiente de materiales es una variación gradual en la composición de la aleación a lo largo de una capa semiconductora. Por ejemplo, en la aleación ternaria \(\mathrm{Al}_{x}\mathrm{Ga}_{1-x}\mathrm{As}\), la fracción de aluminio \(x\) controla las cantidades relativas de aluminio y galio. Elegir \(x=0.30\) da como resultado \(\mathrm{Al}_{0.30}\mathrm{Ga}_{0.70}\mathrm{As}\). Modificar la composición altera las propiedades del material, como la banda prohibida y las energías en el borde de la banda, siempre y cuando estas dependencias estén definidas en el modelo de material seleccionado.

En la estructura GaAs/AlGaAs que se presenta en ??, tanto la capa p-Al0,30Ga0,70As como la capa n-Al0,30Ga0,70As tienen x0 = x1 = 0,30. Por lo tanto, su contenido de aluminio es constante en cada capa. Las capas adyacentes de GaAs forman heterointerfaces con las capas de AlGaAs; los valores de composición que se muestran para el GaAs se interpretan según el modelo de material GaAs, y no como una fracción de aleación de AlGaAs.En la estructura GaAs/AlGaAs que se presenta en ??, tanto la capa p-Al0,30Ga0,70As como la capa n-Al0,30Ga0,70As tienen x0 = x1 = 0,30. Por lo tanto, su contenido de aluminio es constante en cada capa. Las capas adyacentes de GaAs forman heterointerfaces con las capas de AlGaAs; los valores de composición que se muestran para el GaAs se interpretan según el modelo de material GaAs, y no como una fracción de aleación de AlGaAs.

Para crear una capa de AlGaAs con una composición gradual, establezca los valores inicial y final de la fracción en valores diferentes. Por ejemplo, x0 = 0,20 y x1 = 0,40 describen una capa que varía desde \(\mathrm{Al}_{0.20}\mathrm{Ga}_{0.80}\mathrm{As}\) en un extremo hasta \(\mathrm{Al}_{0.40}\mathrm{Ga}_{0.60}\mathrm{As}\) en el otro. La fracción se interpola linealmente a lo largo del espesor de la capa:Para crear una capa de AlGaAs con una composición gradual, establezca los valores inicial y final de la fracción en valores diferentes. Por ejemplo, x0 = 0,20 y x1 = 0,40 describen una capa que varía desde \(\mathrm{Al}_{0.20}\mathrm{Ga}_{0.80}\mathrm{As}\) en un extremo hasta \(\mathrm{Al}_{0.40}\mathrm{Ga}_{0.60}\mathrm{As}\) en el otro. La fracción se interpola linealmente a lo largo del espesor de la capa:

\[ x(s) = x_0 + (x_1-x_0)s, \qquad 0 \leq s \leq 1, \] \[ x(s) = x_0 + (x_1-x_0)s, \qquad 0 \leq s \leq 1, \]

donde \(s\) es la posición normalizada a lo largo de la capa, desde su inicio (\(s=0\)) hasta su final (\(s=1\)). La misma convención de inicio/final se aplica a las fracciones de y y z. Si ambos valores son iguales, esa variable de composición es uniforme. La gradación puede ser útil para ajustar los perfiles de los bordes de banda, reducir los cambios bruscos en las propiedades de los materiales y estudiar el transporte de portadores a través de heteroestructuras.donde \(s\) es la posición normalizada a lo largo de la capa, desde su inicio (\(s=0\)) hasta su final (\(s=1\)). La misma convención de inicio/final se aplica a las fracciones de y y z. Si ambos valores son iguales, esa variable de composición es uniforme. La gradación puede ser útil para ajustar los perfiles de los bordes de banda, reducir los cambios bruscos en las propiedades de los materiales y estudiar el transporte de portadores a través de heteroestructuras.

4. Capas de tensión y de referencia.4. Capas de tensión y de referencia.

La deformación se produce cuando se obliga a una capa semiconductora a adoptar dimensiones de red cristalina diferentes de las que tendría si fuera un cristal independiente. Esto suele ocurrir cuando se hace crecer una capa epitaxial delgada sobre un material con una constante de red cristalina diferente. Si la capa permanece unida coherentemente al cristal subyacente, su espaciamiento de red en el plano puede estirarse o comprimirse para que coincida con el del cristal.La deformación se produce cuando se obliga a una capa semiconductora a adoptar dimensiones de red cristalina diferentes de las que tendría si fuera un cristal independiente. Esto suele ocurrir cuando se hace crecer una capa epitaxial delgada sobre un material con una constante de red cristalina diferente. Si la capa permanece unida coherentemente al cristal subyacente, su espaciamiento de red en el plano puede estirarse o comprimirse para que coincida con el del cristal.

El menú desplegable «Deformación» en el editor especifica qué otra capa actúa como referencia para esa discrepancia. Para modelar una capa deformada, seleccione la capa de referencia en su menú desplegable; a continuación, se evalúa la deformación de la capa actual en relación con la capa seleccionada, siempre que el material y los modelos de estructura electrónica lo permitan. Si se selecciona «Ninguna», significa que no se ha solicitado ninguna deformación de la capa de referencia.El menú desplegable «Deformación» en el editor especifica qué otra capa actúa como referencia para esa discrepancia. Para modelar una capa deformada, seleccione la capa de referencia en su menú desplegable; a continuación, se evalúa la deformación de la capa actual en relación con la capa seleccionada, siempre que el material y los modelos de estructura electrónica lo permitan. Si se selecciona «Ninguna», significa que no se ha solicitado ninguna deformación de la capa de referencia.

Para una capa semiconductora cúbica delgada, con una tensión coherente, la discrepancia en la red cristalina en el plano puede ilustrarse mediante:Para una capa semiconductora cúbica delgada, con una tensión coherente, la discrepancia en la red cristalina en el plano puede ilustrarse mediante:

\[ \varepsilon_{\parallel} \approx \frac{a_{\mathrm{ref}}-a_{\mathrm{layer}}}{a_{\mathrm{layer}}}, \] \[ \varepsilon_{\parallel} \approx \frac{a_{\mathrm{ref}}-a_{\mathrm{layer}}}{a_{\mathrm{layer}}}, \]

donde \(a_{\mathrm{layer}}\) es la constante de red natural de la capa y \(a_{\mathrm{ref}}\) es la del material de referencia. Un valor positivo corresponde a una deformación de tracción en el plano, y un valor negativo a una deformación de compresión. Se trata de una relación explicativa sobre el desajuste de la red cristalina, y no de una afirmación de que el editor resuelve problemas de relajación mecánica o de formación de dislocaciones.donde \(a_{\mathrm{layer}}\) es la constante de red natural de la capa y \(a_{\mathrm{ref}}\) es la del material de referencia. Un valor positivo corresponde a una deformación de tracción en el plano, y un valor negativo a una deformación de compresión. Se trata de una relación explicativa sobre el desajuste de la red cristalina, y no de una afirmación de que el editor resuelve problemas de relajación mecánica o de formación de dislocaciones.

Esta opción es especialmente útil para las estructuras de pozos cuánticos. Por ejemplo, un pozo cuántico de InGaAs cultivado de forma coherente dentro de barreras de GaAs puede presentar una tensión en relación con la red cristalina de GaAs. La selección de una barrera de GaAs como capa de referencia define esta relación. La tensión puede modificar las energías de las bandas de conducción y valencia, y puede dividir las bandas de valencia, lo que afecta a las propiedades electrónicas y ópticas calculadas por los modelos que incluyen estos efectos. En comparación, las estructuras de AlGaAs/GaAs presentan una correspondencia de red cristalina relativamente estrecha, por lo que sus efectos de tensión suelen ser mucho menores.Esta opción es especialmente útil para las estructuras de pozos cuánticos. Por ejemplo, un pozo cuántico de InGaAs cultivado de forma coherente dentro de barreras de GaAs puede presentar una tensión en relación con la red cristalina de GaAs. La selección de una barrera de GaAs como capa de referencia define esta relación. La tensión puede modificar las energías de las bandas de conducción y valencia, y puede dividir las bandas de valencia, lo que afecta a las propiedades electrónicas y ópticas calculadas por los modelos que incluyen estos efectos. En comparación, las estructuras de AlGaAs/GaAs presentan una correspondencia de red cristalina relativamente estrecha, por lo que sus efectos de tensión suelen ser mucho menores.

5. Cómo se aplican.5. Cómo se aplican.

Las fracciones de composición sirven como datos de entrada para los modelos de propiedades de los materiales. Cuando se dispone de datos que dependen de la composición, una aleación graduada puede generar propiedades electrónicas que varían según la posición, incluidos los anchos de banda, los desplazamientos de banda y los parámetros de transporte relacionados. El perfil de composición se define dentro de la geometría de la capa existente; modificarlo no altera el grosor físico de la capa ni desplaza las interfaces.Las fracciones de composición sirven como datos de entrada para los modelos de propiedades de los materiales. Cuando se dispone de datos que dependen de la composición, una aleación graduada puede generar propiedades electrónicas que varían según la posición, incluidos los anchos de banda, los desplazamientos de banda y los parámetros de transporte relacionados. El perfil de composición se define dentro de la geometría de la capa existente; modificarlo no altera el grosor físico de la capa ni desplaza las interfaces.

La deformación es un parámetro de entrada independiente. Cuando se admite esta función, la capa de referencia seleccionada permite realizar cálculos de la estructura electrónica que dependen de la deformación, teniendo en cuenta la diferencia de red entre los materiales. Esto es especialmente importante al interpretar los niveles de energía de los pozos cuánticos y las transiciones ópticas. La influencia real de un gradiente o de un ajuste de deformación depende de la base de datos de materiales y del modelo físico utilizado en la simulación: introducir una fracción no garantiza, por sí sola, que todas las propiedades de los materiales cambien con la composición.La deformación es un parámetro de entrada independiente. Cuando se admite esta función, la capa de referencia seleccionada permite realizar cálculos de la estructura electrónica que dependen de la deformación, teniendo en cuenta la diferencia de red entre los materiales. Esto es especialmente importante al interpretar los niveles de energía de los pozos cuánticos y las transiciones ópticas. La influencia real de un gradiente o de un ajuste de deformación depende de la base de datos de materiales y del modelo físico utilizado en la simulación: introducir una fracción no garantiza, por sí sola, que todas las propiedades de los materiales cambien con la composición.

6. Flujo de trabajo práctico.6. Flujo de trabajo práctico.

1. Seleccione los materiales de las capas en el editor de capas, incluidos los aleaciones ternarias o multicomponentes que requieran una especificación de las proporciones de sus componentes.Seleccione los materiales de las capas en el editor de capas, incluidos los aleaciones ternarias o multicomponentes que requieran una especificación de las proporciones de sus componentes.
2. Abra la sección de propiedades eléctricas y vaya a la opción «Gradientes de material» para localizar la capa correspondiente en la tabla.Abra la sección de propiedades eléctricas y vaya a la opción «Gradientes de material» para localizar la capa correspondiente en la tabla.
3. Introduzca valores iguales para las fracciones inicial y final para obtener una aleación uniforme, o utilice valores diferentes para crear un gradiente de composición lineal. Utilice únicamente las variables de composición que admite el modelo del material.Introduzca valores iguales para las fracciones inicial y final para obtener una aleación uniforme, o utilice valores diferentes para crear un gradiente de composición lineal. Utilice únicamente las variables de composición que admite el modelo del material.
4. Si es necesario aplicar una deformación a la capa, utilice el menú desplegable «Deformación» para seleccionar la capa de referencia adecuada. De lo contrario, déjelo en «Ninguna».Si es necesario aplicar una deformación a la capa, utilice el menú desplegable «Deformación» para seleccionar la capa de referencia adecuada. De lo contrario, déjelo en «Ninguna».
5. Utilice la función «Actualizar» para modificar el gráfico y, a continuación, compruebe que los perfiles de la fracción coinciden con la estructura del dispositivo deseada.Utilice la función «Actualizar» para modificar el gráfico y, a continuación, compruebe que los perfiles de la fracción coinciden con la estructura del dispositivo deseada.

Para el ejemplo de GaAs/AlGaAs que se muestra aquí, las capas de AlGaAs se establecen con x0 = x1 = 0,30, lo que da como resultado una composición uniforme del 30 % de aluminio. Para investigar el efecto de la concentración de la aleación, cambie uno de estos valores iniciales o finales y compare el perfil de banda resultante. Para investigar un pozo cuántico con tensión, seleccione la capa de referencia que lo rodea en la columna de Tensión y utilice un modelo de estructura electrónica que admita la tensión.Para el ejemplo de GaAs/AlGaAs que se muestra aquí, las capas de AlGaAs se establecen con x0 = x1 = 0,30, lo que da como resultado una composición uniforme del 30 % de aluminio. Para investigar el efecto de la concentración de la aleación, cambie uno de estos valores iniciales o finales y compare el perfil de banda resultante. Para investigar un pozo cuántico con tensión, seleccione la capa de referencia que lo rodea en la columna de Tensión y utilice un modelo de estructura electrónica que admita la tensión.