Electronic properties and phonon-assisted optical absorption of 4H-SiC/GaN heterojunctions under strain

材料科学 异质结 吸收边 衰减系数 蓝移 吸收(声学) 光电子学 光电探测器 密度泛函理论 红移 拉伤 紫外线 分子物理学 波长 吸收光谱法 光学 凝聚态物理 极端紫外线 宽禁带半导体 电子结构
作者
Qianjin Lei,Zhiheng Yang,Haijun Lou,Linli Zhu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:129 (13)
标识
DOI:10.1063/5.0357942
摘要

To elucidate the interfacial physics and optical performance limits in 4H-SiC/GaN ultraviolet (UV) photodetectors, first-principles density functional theory and many-body quasi-degenerate perturbation theory calculations are performed to quantitatively characterize the electronic properties and phonon-assisted optical absorption of 1.5–2.5-nm-thick 4H-SiC/GaN heterojunctions under in-plane strain ranging from −8% to 8%. The stable type-II heterojunctions exhibit optical absorption edges of 1.75 eV (SiN1) and 1.40 eV (SiN2). Remarkably, at the critical UV wavelength of 375 nm, the absorption coefficient of SiN1 reaches 2.72 ×105 cm−1, substantially outperforming those of bulk GaN (2.21 ×105 cm−1 ) and 4H-SiC (5.44 ×103 cm−1 ). Furthermore, biaxial strain induces pronounced asymmetric spectral tunability: 8% tensile strain drives a large 1.14 eV redshift (extending the absorption edge to 0.63 eV) and boosts the 375-nm absorption coefficient to 6.27 ×105 cm−1 , whereas −8% compressive strain causes a 0.41 eV blueshift up to 2.18 eV. In contrast, uniaxial strain yields a noticeably weaker modulation effect. These quantitative findings elucidate the microscopic optoelectronic mechanisms governed by interfacial polarization, spatial charge separation, and the quantum-confined Stark effect, establishing fundamental design principles for strain-tunable UV photodetectors operating in extreme environments.

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