材料パラメータと、それらがソルバー内でどのように使用されるか
学習目標:このページを読み終えた後、以下のことができるようになっている必要があります。
- 各量子井戸材料パラメータが持つ物理的意味を理解すること。
- 各パラメータが制御するハミルトニアン項を把握しておくこと。
- 一般的なエネルギー基準および符号の規則を理解しておく必要がある。
- 亜鉛鉱型、ウルツ鉱型、およびシリコン用のパラメータセットを区別すること。
- 信頼できるパラメータ値がどこでまとめられているかを把握しておくこと。
前提条件:利用する予定のモデルページ群。本ページはそれらと併せて参照するための参考資料です。
推定所要時間:25分。
Every quantum-well solver is only as good as the material parameters it is given. This page explains what each parameter means physically, which Hamiltonian term it controls, its units and the common sign or convention traps — rather than listing numerical values, which belong in the material database and in the compilations cited on the references page. Parameters are grouped by the solver that uses them.
1. エネルギーおよびエネルギーの基準値
The most common source of error is the energy reference. OghmaNano measures energies from the structure valence-band maximum (placed at zero), and each material's valence edge \(E_v\) is supplied on a common absolute scale so that band offsets are correct. The multiband solvers derive the conduction edge as \(E_c = E_v + E_g\) and, internally, an average valence energy that the spin-orbit and crystal-field terms then split back to the physical band edge.
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(E_g\) | 基本的なバンドギャップ | 伝導帯と価電子帯の分離;\(E_c=E_v+E_g\) | 電子ボルト |
| \(E_v\) | 共通スケール上における価電子帯のエッジ | 対角方向の価電子帯エネルギー。これによりバンドオフセットが決定される。 | 電子ボルト |
| \(E_c\) | 伝導帯端(導出値) | 伝導帯対角線 | 電子ボルト |
| \(E_{v,\text{av}}\) | スピン軌道・結晶場平均化後の価電子帯エネルギー | SO/CF分裂前の内部対角要素 | 電子ボルト |
| \(\Delta_{\text{so}}\) | スピン軌道相互作用によるバンド分裂 | スピン軌道結合による分裂後の価電子帯頂点の位置 | 電子ボルト |
2. 有効質量
The band-edge electron mass fixes the conduction curvature and, in the multiband models, is used to back out the remote-band parameter. Hole masses appear directly only in the parabolic solver; in the k·p models the valence masses are encoded in the Luttinger (or wurtzite \(A_i\)) parameters instead. Silicon's valleys are anisotropic and need two masses each.
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(m_e\) | バンド端における電子の有効質量 | 伝導帯の曲率;遠隔パラメータ \(A_c\) | \(m_0\) |
| \(m_h\) | 正孔の質量(放物線型ソルバー) | スカラーモデルにおける価電子帯の曲率 | \(m_0\) |
| \(m_l\) | 縦方向バレー質量(シリコン) | バレー軸方向の有効質量 | \(m_0\) |
| \(m_t\) | 横方向バレー質量(シリコン) | 谷軸方向における質量 | \(m_0\) |
3. 亜鉛ブレンデ構造における価電子帯パラメータおよび結合パラメータ
The Luttinger parameters describe the coupled heavy-, light- and split-off holes; the Kane energy sets the conduction–valence coupling. In the 8-band model OghmaNano combines these into the internal \(A_c, L, M, N, P\) parameters, renormalising \(L\) and \(N\) (and, in the standard mode, \(A_c\)) to avoid double-counting the explicit Kane coupling.
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\) | ルッティンガーパラメータ | 価電子帯における\(L, M, N\)運動項 | 無次元 |
| \(E_p\) | ケインエネルギー | ケイン結合 \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\) | 電子ボルト |
| \(P\) | ケイン運動量行列要素 | 伝導帯と価電子帯の結合 | 電子ボルト・メートル(内部処理用) |
実装上の注意点として、8バンドハミルトニアン内で使用されるルッティンガーパラメータは完全なバルク値である。コード側では\(L\)および\(N\)を生成する際に内部的に\(+E_p/E_g\)の減算処理を行う。したがって、材料データベース上でルッティンガーパラメータから結合項を事前に減算してはならない。そうすると価電子帯の有効質量が不正確な値となる。異なる規約(完全ルッティンガーパラメータと修正ルッティンガーパラメータ)を用いるコード間でパラメータを移植する際に生じる不整合の主な原因がこの点である。
4. 亜鉛鉱型構造における変形ポテンシャルと弾性剛性
Strain enters through the deformation potentials and requires the elastic constants and lattice constants to compute the strain tensor. The conduction and valence hydrostatic potentials combine into the gap deformation potential; the shear potentials \(b\) and \(d\) split the valence bands.
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(a_c\) | 伝導帯における静水圧変形ポテンシャル | \(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) シフト | 電子ボルト |
| \(a_v\) | 価電子帯の静水圧変形ポテンシャル | ビア=ピクス \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\) | 電子ボルト |
| \(b\) | 四方晶系せん断変形ポテンシャル | ビア=ピクス \(Q\);重い正孔/軽い正孔の分裂 | 電子ボルト |
| \(d\) | 菱面体型せん断変形ポテンシャル | ビル=ピクス \(R, S\) せん断結合 | 電子ボルト |
| \(a\)、\(a_{\text{sub}}\) | 層および基板の格子定数 | 面内不整合ひずみ | メートル |
| \(C_{11}, C_{12}\) | 弾性剛性定数 | \(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\) | パスカル |
5. ウルツァイト構造のパラメータ
Wurtzite needs more parameters because of its lower symmetry: six valence parameters, three splitting energies, two Kane energies, two conduction-mass parameters and separate hydrostatic and shear deformation potentials.
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(A_1\dots A_6\) | 価電子帯の有効質量パラメータ | 価電子帯における\(L_i, M_i, N_i\)運動項 | 無次元 |
| \(\delta_1\) | 結晶場分裂 | \(X,Y\)の値が\(Z\)の値よりも高くなる | 電子ボルト |
| \(\delta_2, \delta_3\) | スピン軌道結合パラメータ | 価電子帯のスピン軌道結合 | 電子ボルト |
| \(E_{p1}, E_{p2}\) | c軸および底面方向におけるケインエネルギー | \(P_1\)(S–Z)、\(P_2\)(S–X,Y) | 電子ボルト |
| \(S_1, S_2\) | c軸および底面方向の伝導質量パラメータ | 異方性伝導分散 | 無次元 |
| \(a_1, a_2\) | c軸および底面方向における伝導帯の変形ポテンシャル | 伝導帯のひずみによるシフト | 電子ボルト |
| \(D_1\dots D_6\) | 価電子帯における変形ポテンシャル | 価電子帯におけるひずみ(\(D_6\) せん断ひずみのみ) | 電子ボルト |
| \(C_{ij}\) | 六方晶系の弾性定数 | c面ひずみテンソル | パスカル |
6. シリコンのΔバレー・パラメータ
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(\Xi_d\) | 膨張型変形ポテンシャル | \(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\):すべてのエネルギー極小点をシフトさせる | 電子ボルト |
| \(\Xi_u\) | 一軸性変形ポテンシャル | \(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\):\(\Delta_2/\Delta_4\)を分割する | 電子ボルト |
| \(m_l, m_t\) | 縦方向質量/横方向質量 | 異方性を持つバレー分散 | \(m_0\) |
7. 希薄窒化物材料(10バンドモデル)のパラメータ
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(x_N\) | 窒素のモル分率 | 結合強度 \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\) | 無次元 |
| \(E_N\) | 窒素の共鳴準位エネルギー | 窒素の対角成分 \(H_{NN}\) | 電子ボルト |
| \(\beta_N\) | 窒素結合定数 | 伝導帯と窒素の結合 | 電子ボルト |
8. 光学パラメータおよび輸送パラメータ
The gain and scattering calculations need a few further inputs: the refractive index and Lorentzian broadening for gain, and the mass density, sound velocity and acoustic deformation potential for scattering. These are properties of the medium and the phonons rather than of the band structure.
| パラメータ | 意味 | 制御機能 | 単位 |
|---|---|---|---|
| \(n_r\) | 屈折率 | 利得前係数 | 無次元 |
| \(\gamma\) | ローレンツ半値幅 | 線形の広がり | 電子ボルト |
| \(\rho\) | 質量密度 | 音響散乱の前因子 | kg·m\(^{-3}\) |
| \(v_s\) | 音速 | 音響散乱の前置因子 | メートル・秒\(^{-1}\) |
| \(D\) | 音響変形ポテンシャル | 散乱行列要素 | 電子ボルト |
主なポイント
- OghmaNanoではエネルギー値は構造体の価電子帯頂点を基準として扱われるため、\(E_v\)も同じ基準スケールで入力する必要がある。
- 完全な形のルッティンガーパラメータをご提供ください。本コードではケインの再規格化処理を内部で実行します。
- ウルツァイト構造の場合、\(A_1\dots A_6\)、\(\delta_1,\delta_2,\delta_3\)、\(E_{p1},E_{p2}\)、\(S_1,S_2\)、および\(a_1,a_2,D_1\dots D_6\)が必要となります。
- シリコンでは\(\Xi_d,\Xi_u,m_l,m_t\)が用いられ、希薄窒化物材料の場合は\(x_N,E_N,\beta_N\)も追加されます。