Edytor gradientów materiałowych i odkształceńEdytor gradientów materiałowych i odkształceń

1. Wprowadzenie / Przegląd1. Wprowadzenie / Przegląd

Półprzewodnikowe elementy często zawierają stopy, których skład zmienia się od jednej warstwy do drugiej lub stopniowo w obrębie jednej warstwy. Mogą również zawierać cienkie warstwy, których sieć krystaliczna jest odkształcona, ponieważ są one osadzane na materiale o innym naturalnym współczynniku stałej sieci. Oba te zjawiska mogą modyfikować właściwości elektroniczne heterostruktury.Półprzewodnikowe elementy często zawierają stopy, których skład zmienia się od jednej warstwy do drugiej lub stopniowo w obrębie jednej warstwy. Mogą również zawierać cienkie warstwy, których sieć krystaliczna jest odkształcona, ponieważ są one osadzane na materiale o innym naturalnym współczynniku stałej sieci. Oba te zjawiska mogą modyfikować właściwości elektroniczne heterostruktury.

Edytor gradientu/odkształcenia materiału umożliwia zdefiniowanie udziału poszczególnych składników stopu dla każdej warstwy oraz określenie, czy dana warstwa powinna być traktowana jako odkształcona w odniesieniu do innej warstwy. Otwórz edytor, klikając opcję „Gradienty materiałów” na wstążce narzędzi, jak pokazano na ilustracji ??. Edytor, przedstawiony na ilustracji ??, wyświetla wykres profili składu oraz tabelę z wartościami, które można edytować.Edytor gradientu/odkształcenia materiału umożliwia zdefiniowanie udziału poszczególnych składników stopu dla każdej warstwy oraz określenie, czy dana warstwa powinna być traktowana jako odkształcona w odniesieniu do innej warstwy. Otwórz edytor, klikając opcję „Gradienty materiałów” na wstążce narzędzi, jak pokazano na ilustracji ??. Edytor, przedstawiony na ilustracji ??, wyświetla wykres profili składu oraz tabelę z wartościami, które można edytować.

2. Parametry edytora2. Parametry edytora

Tabela zawiera jeden wiersz dla każdej warstwy urządzenia. Wszystkie wartości składników są wyrażone jako liczby bezwymiarowe; na przykład wartość 0,30 oznacza udział 30%, a nie 0,30%. Kolumny zawierają:Tabela zawiera jeden wiersz dla każdej warstwy urządzenia. Wszystkie wartości składników są wyrażone jako liczby bezwymiarowe; na przykład wartość 0,30 oznacza udział 30%, a nie 0,30%. Kolumny zawierają:

• Warstwa — nazwa warstwy, służąca do identyfikacji edytowanego fragmentu struktury.Warstwa — nazwa warstwy, służąca do identyfikacji edytowanego fragmentu struktury.
• x0 i x1 (ułamek) – wartość pierwszej zmiennej określającej skład stopu na początku i na końcu warstwy.x0 i x1 (ułamek) – wartość pierwszej zmiennej określającej skład stopu na początku i na końcu warstwy.
• y0 i y1 (ułamek) – odpowiednio początkowa i końcowa wartość drugiej zmiennej kompozycji.y0 i y1 (ułamek) – odpowiednio początkowa i końcowa wartość drugiej zmiennej kompozycji.
• z0 i z1 (ułamek) – wartości początkowa i końcowa trzeciej zmiennej kompozycji.z0 i z1 (ułamek) – wartości początkowa i końcowa trzeciej zmiennej kompozycji.
• Rodzaj odkształcenia – menu rozwijane, w którym określa się warstwę odniesienia, względem której obliczane jest odkształcenie bieżącej warstwy. Wybór opcji „Brak” powoduje, że relacja odkształcenia nie jest ustawiana.Rodzaj odkształcenia – menu rozwijane, w którym określa się warstwę odniesienia, względem której obliczane jest odkształcenie bieżącej warstwy. Wybór opcji „Brak” powoduje, że relacja odkształcenia nie jest ustawiana.

Symbole x, y i z w tym oknie oznaczają zmienne składu stopu, a nie współrzędne przestrzenne siatki urządzenia. Ich fizyczne znaczenie zależy od wybranego modelu materiałowego dla danej warstwy. Niektóre materiały wykorzystują tylko zmienną x; bardziej złożone stopy mogą wykorzystywać dodatkowe zmienne. Wartość wyświetlana dla materiału binarnego, takiego jak GaAs, nie powinna być interpretowana jako udział aluminium, chyba że model materiałowy definiuje to w taki sposób.Symbole x, y i z w tym oknie oznaczają zmienne składu stopu, a nie współrzędne przestrzenne siatki urządzenia. Ich fizyczne znaczenie zależy od wybranego modelu materiałowego dla danej warstwy. Niektóre materiały wykorzystują tylko zmienną x; bardziej złożone stopy mogą wykorzystywać dodatkowe zmienne. Wartość wyświetlana dla materiału binarnego, takiego jak GaAs, nie powinna być interpretowana jako udział aluminium, chyba że model materiałowy definiuje to w taki sposób.

3. Gradienty składu materiału3. Gradienty składu materiału

Gradient materiałowy to stopniowa zmiana składu stopu w warstwie półprzewodnika. Na przykład, w stopie trójskładnikowym \(\mathrm{Al}_{x}\mathrm{Ga}_{1-x}\mathrm{As}\), udział aluminium \(x\) kontroluje względną zawartość aluminium i galu. Wybór \(x=0.30\) daje \(\mathrm{Al}_{0.30}\mathrm{Ga}_{0.70}\mathrm{As}\). Zmiana składu wpływa na właściwości materiału, takie jak szerokość pasma energetycznego i energia na krawędzi pasma, pod warunkiem że zależności te są zdefiniowane w wybranym modelu materiału.Gradient materiałowy to stopniowa zmiana składu stopu w warstwie półprzewodnika. Na przykład, w stopie trójskładnikowym \(\mathrm{Al}_{x}\mathrm{Ga}_{1-x}\mathrm{As}\), udział aluminium \(x\) kontroluje względną zawartość aluminium i galu. Wybór \(x=0.30\) daje \(\mathrm{Al}_{0.30}\mathrm{Ga}_{0.70}\mathrm{As}\). Zmiana składu wpływa na właściwości materiału, takie jak szerokość pasma energetycznego i energia na krawędzi pasma, pod warunkiem że zależności te są zdefiniowane w wybranym modelu materiału.

W strukturze GaAs/AlGaAs przedstawionej w ??, warstwy p-Al0,30Ga0,70As i n-Al0,30Ga0,70As charakteryzują się wartością x0 = x1 = 0,30. Oznacza to, że zawartość glinu jest stała w każdej z tych warstw. Sąsiadujące warstwy GaAs tworzą heterointerfejsy z warstwami AlGaAs; podane wartości składu dla GaAs są interpretowane w oparciu o model materiału GaAs, a nie jako udział stopu AlGaAs.W strukturze GaAs/AlGaAs przedstawionej w ??, warstwy p-Al0,30Ga0,70As i n-Al0,30Ga0,70As charakteryzują się wartością x0 = x1 = 0,30. Oznacza to, że zawartość glinu jest stała w każdej z tych warstw. Sąsiadujące warstwy GaAs tworzą heterointerfejsy z warstwami AlGaAs; podane wartości składu dla GaAs są interpretowane w oparciu o model materiału GaAs, a nie jako udział stopu AlGaAs.

Aby utworzyć warstwę AlGaAs o stopniowo zmieniającej się składzie, ustaw początkową i końcową wartość jej udziału na różne poziomy. Na przykład, wartości x0 = 0,20 i x1 = 0,40 określają warstwę, której skład zmienia się od \(\mathrm{Al}_{0.20}\mathrm{Ga}_{0.80}\mathrm{As}\) z jednej strony do \(\mathrm{Al}_{0.40}\mathrm{Ga}_{0.60}\mathrm{As}\) z drugiej. Udział zmienia się liniowo wzdłuż grubości warstwy:Aby utworzyć warstwę AlGaAs o stopniowo zmieniającej się składzie, ustaw początkową i końcową wartość jej udziału na różne poziomy. Na przykład, wartości x0 = 0,20 i x1 = 0,40 określają warstwę, której skład zmienia się od \(\mathrm{Al}_{0.20}\mathrm{Ga}_{0.80}\mathrm{As}\) z jednej strony do \(\mathrm{Al}_{0.40}\mathrm{Ga}_{0.60}\mathrm{As}\) z drugiej. Udział zmienia się liniowo wzdłuż grubości warstwy:

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

gdzie \(s\) oznacza znormalizowaną pozycję w obrębie warstwy, od jej początku (\(s=0\)) do końca (\(s=1\)). Ta sama konwencja dotycząca początku i końca dotyczy również składowych y i z. Jeśli obie wartości są równe, dana zmienna kompozycji jest jednorodna. Gradacja może być przydatna do dostosowywania profili krawędzi pasm, zmniejszania gwałtownych zmian właściwości materiału oraz badania transportu nośników w heterostrukturach.gdzie \(s\) oznacza znormalizowaną pozycję w obrębie warstwy, od jej początku (\(s=0\)) do końca (\(s=1\)). Ta sama konwencja dotycząca początku i końca dotyczy również składowych y i z. Jeśli obie wartości są równe, dana zmienna kompozycji jest jednorodna. Gradacja może być przydatna do dostosowywania profili krawędzi pasm, zmniejszania gwałtownych zmian właściwości materiału oraz badania transportu nośników w heterostrukturach.

4. Warstwy odciążające i referencyjne4. Warstwy odciążające i referencyjne

Naprężenie powstaje, gdy warstwa półprzewodnika jest zmuszana do przyjmowania parametrów sieci krystalicznej, które różnią się od parametrów, jakie miałaby, gdyby była samodzielnym kryształem. Zazwyczaj dzieje się tak, gdy cienką warstwę epitaksjalną nanosi się na materiał o innym naturalnym współczynniku sieci krystalicznej. Jeśli warstwa pozostaje spójnie połączona z podłożą, jej parametry sieci krystalicznej w płaszczyźnie mogą być rozciągane lub ściskane, aby dopasować się do parametrów tego kryształu.Naprężenie powstaje, gdy warstwa półprzewodnika jest zmuszana do przyjmowania parametrów sieci krystalicznej, które różnią się od parametrów, jakie miałaby, gdyby była samodzielnym kryształem. Zazwyczaj dzieje się tak, gdy cienką warstwę epitaksjalną nanosi się na materiał o innym naturalnym współczynniku sieci krystalicznej. Jeśli warstwa pozostaje spójnie połączona z podłożą, jej parametry sieci krystalicznej w płaszczyźnie mogą być rozciągane lub ściskane, aby dopasować się do parametrów tego kryształu.

W rozwijanym menu „Strain” w edytorze określa się, która inna warstwa służy jako warstwa odniesienia dla danego rozbieżności. Aby modelować warstwę poddawaną odkształceniom, należy wybrać warstwę odniesienia z rozwijanego menu; następnie obliczana jest wartość odkształcenia bieżącej warstwy w odniesieniu do wybranej warstwy, o ile jest to możliwe w ramach danego modelu materiału i struktury elektronowej. Wybór opcji „Brak” oznacza, że nie określono żadnej warstwy odniesienia dla odkształcenia.W rozwijanym menu „Strain” w edytorze określa się, która inna warstwa służy jako warstwa odniesienia dla danego rozbieżności. Aby modelować warstwę poddawaną odkształceniom, należy wybrać warstwę odniesienia z rozwijanego menu; następnie obliczana jest wartość odkształcenia bieżącej warstwy w odniesieniu do wybranej warstwy, o ile jest to możliwe w ramach danego modelu materiału i struktury elektronowej. Wybór opcji „Brak” oznacza, że nie określono żadnej warstwy odniesienia dla odkształcenia.

W przypadku cienkiej, jednorodnie naprężonej, kubicznej warstwy półprzewodnikowej, rozbieżność parametrów sieci krystalicznej w płaszczyźnie można zilustrować za pomocą:W przypadku cienkiej, jednorodnie naprężonej, kubicznej warstwy półprzewodnikowej, rozbieżność parametrów sieci krystalicznej w płaszczyźnie można zilustrować za pomocą:

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

gdzie \(a_{\mathrm{layer}}\) to naturalna stała sieci krystalicznej warstwy, a \(a_{\mathrm{ref}}\) to stała sieci krystalicznej materiału odniesienia. Dodatnia wartość odpowiada rozciągającemu naprężeniu w płaszczyźnie warstwy, a ujemna – ściskającemu naprężeniu. Jest to opisowe równanie dotyczące różnicy w parametrach sieci krystalicznej, a nie stwierdzenie, że redaktor rozwiązuje problem relaksacji mechanicznej lub powstawania defektów.gdzie \(a_{\mathrm{layer}}\) to naturalna stała sieci krystalicznej warstwy, a \(a_{\mathrm{ref}}\) to stała sieci krystalicznej materiału odniesienia. Dodatnia wartość odpowiada rozciągającemu naprężeniu w płaszczyźnie warstwy, a ujemna – ściskającemu naprężeniu. Jest to opisowe równanie dotyczące różnicy w parametrach sieci krystalicznej, a nie stwierdzenie, że redaktor rozwiązuje problem relaksacji mechanicznej lub powstawania defektów.

Ta opcja jest szczególnie przydatna w przypadku struktur z warstwami kwantowymi. Na przykład, warstwa kwantowa InGaAs, wyhodowana w sposób spójny wewnątrz barier GaAs, może wykazywać naprężenia w stosunku do sieci krystalicznej GaAs. Wybór bariery GaAs jako warstwy odniesienia definiuje tę zależność. Naprężenia mogą zmieniać energie pasm przewodnictwa i walencyjnych oraz powodować rozszczepienie pasm walencyjnych, wpływając na właściwości elektroniczne i optyczne, które są obliczane przez modele uwzględniające te efekty. W porównaniu z tym, struktury AlGaAs/GaAs charakteryzują się stosunkowo dobrą zgodnością sieci krystalicznych, dlatego efekty naprężeń są w nich zazwyczaj znacznie mniejsze.Ta opcja jest szczególnie przydatna w przypadku struktur z warstwami kwantowymi. Na przykład, warstwa kwantowa InGaAs, wyhodowana w sposób spójny wewnątrz barier GaAs, może wykazywać naprężenia w stosunku do sieci krystalicznej GaAs. Wybór bariery GaAs jako warstwy odniesienia definiuje tę zależność. Naprężenia mogą zmieniać energie pasm przewodnictwa i walencyjnych oraz powodować rozszczepienie pasm walencyjnych, wpływając na właściwości elektroniczne i optyczne, które są obliczane przez modele uwzględniające te efekty. W porównaniu z tym, struktury AlGaAs/GaAs charakteryzują się stosunkowo dobrą zgodnością sieci krystalicznych, dlatego efekty naprężeń są w nich zazwyczaj znacznie mniejsze.

5. Sposób ich stosowania.5. Sposób ich stosowania.

Składniki materiału stanowią dane wejściowe dla modeli określających właściwości materiału. Jeśli dostępne są dane dotyczące zależności właściwości od składu, można uzyskać stop o zróżnicowanym składzie, który będzie charakteryzował się zmiennymi w zależności od położenia właściwościami elektronicznymi, w tym szerokością pasma energetycznego, przesunięciami pasm i powiązanymi parametrami transportu. Profil składu jest definiowany w ramach istniejącej geometrii warstwy; zmiana tego profilu nie wpływa na fizyczną grubość warstwy ani na położenie granic międzywarstwowych.Składniki materiału stanowią dane wejściowe dla modeli określających właściwości materiału. Jeśli dostępne są dane dotyczące zależności właściwości od składu, można uzyskać stop o zróżnicowanym składzie, który będzie charakteryzował się zmiennymi w zależności od położenia właściwościami elektronicznymi, w tym szerokością pasma energetycznego, przesunięciami pasm i powiązanymi parametrami transportu. Profil składu jest definiowany w ramach istniejącej geometrii warstwy; zmiana tego profilu nie wpływa na fizyczną grubość warstwy ani na położenie granic międzywarstwowych.

Naprężenie jest traktowane jako oddzielne wejście. W przypadku obsługi przez oprogramowanie, wybrana warstwa referencyjna umożliwia przeprowadzanie obliczeń dotyczących struktury elektronowej, uwzględniających zależność od naprężenia, co pozwala na uwzględnienie różnic w strukturze sieci krystalicznej między materiałami. Jest to szczególnie ważne podczas interpretacji poziomów energii w strukturach kwantowych i przejść optycznych. Rzeczywisty wpływ ustawienia gradientu lub naprężenia zależy od bazy danych materiałów oraz modelu fizycznego używanego w symulacji: wprowadzenie wartości ułamkowej nie gwarantuje automatycznie, że każda właściwość materiału zmienia się wraz ze zmianą składu.Naprężenie jest traktowane jako oddzielne wejście. W przypadku obsługi przez oprogramowanie, wybrana warstwa referencyjna umożliwia przeprowadzanie obliczeń dotyczących struktury elektronowej, uwzględniających zależność od naprężenia, co pozwala na uwzględnienie różnic w strukturze sieci krystalicznej między materiałami. Jest to szczególnie ważne podczas interpretacji poziomów energii w strukturach kwantowych i przejść optycznych. Rzeczywisty wpływ ustawienia gradientu lub naprężenia zależy od bazy danych materiałów oraz modelu fizycznego używanego w symulacji: wprowadzenie wartości ułamkowej nie gwarantuje automatycznie, że każda właściwość materiału zmienia się wraz ze zmianą składu.

6. Praktyczny schemat działania/proces pracy.6. Praktyczny schemat działania/proces pracy.

1. W edytorze warstw wybierz materiały, z których mają składać się warstwy, w tym wszelkie stopy trój- lub wieloskładnikowe, dla których należy określić zawartość poszczególnych składników.W edytorze warstw wybierz materiały, z których mają składać się warstwy, w tym wszelkie stopy trój- lub wieloskładnikowe, dla których należy określić zawartość poszczególnych składników.
2. Otwórz „Open Electrical” → „Material Gradients” i znajdź odpowiednią warstwę w tabeli.Otwórz „Open Electrical” → „Material Gradients” i znajdź odpowiednią warstwę w tabeli.
3. Wprowadź równe wartości początkowe i końcowe dla jednolitego stopu lub różne wartości, aby utworzyć liniowy gradient składu. Używaj tylko zmiennych składu, które są obsługiwane przez model danego materiału.Wprowadź równe wartości początkowe i końcowe dla jednolitego stopu lub różne wartości, aby utworzyć liniowy gradient składu. Używaj tylko zmiennych składu, które są obsługiwane przez model danego materiału.
4. Jeśli warstwa ma być poddana deformacji, użyj rozwijanej listy „Deformacja”, aby wybrać odpowiednią warstwę referencyjną. W przeciwnym razie pozostaw wartość „Brak”.Jeśli warstwa ma być poddana deformacji, użyj rozwijanej listy „Deformacja”, aby wybrać odpowiednią warstwę referencyjną. W przeciwnym razie pozostaw wartość „Brak”.
5. Użyj funkcji „Odśwież”, aby zaktualizować wykres, a następnie sprawdź, czy uzyskane profile odpowiadają zamierzonej strukturze urządzenia.Użyj funkcji „Odśwież”, aby zaktualizować wykres, a następnie sprawdź, czy uzyskane profile odpowiadają zamierzonej strukturze urządzenia.

W przypadku przedstawionego tutaj przykładu GaAs/AlGaAs, warstwy AlGaAs mają ustawione wartości x0 = x1 = 0,30, co zapewnia jednorodny skład, w którym zawartość aluminium wynosi 30%. Aby zbadać wpływ składu stopu, należy zmienić jedną z tych wartości początkowych/końcowych i porównać uzyskany profil pasmowy. Aby zbadać naprężoną studnię kwantową, należy wybrać otaczającą ją warstwę referencyjną w kolumnie „Naprężenie” i użyć modelu struktury elektronowej, który uwzględnia naprężenia.W przypadku przedstawionego tutaj przykładu GaAs/AlGaAs, warstwy AlGaAs mają ustawione wartości x0 = x1 = 0,30, co zapewnia jednorodny skład, w którym zawartość aluminium wynosi 30%. Aby zbadać wpływ składu stopu, należy zmienić jedną z tych wartości początkowych/końcowych i porównać uzyskany profil pasmowy. Aby zbadać naprężoną studnię kwantową, należy wybrać otaczającą ją warstwę referencyjną w kolumnie „Naprężenie” i użyć modelu struktury elektronowej, który uwzględnia naprężenia.