Indirect-to-direct gap transition in strained and unstrainedSnxGe1−xalloys

晶格常数 凝聚态物理 带隙 直接和间接带隙 材料科学 结晶学 物理 化学 量子力学 衍射
作者
C. J. Eckhardt,Kerstin Hummer,Georg Kresse
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:89 (16) 被引量:117
标识
DOI:10.1103/physrevb.89.165201
摘要

The transition from an indirect to a direct gap semiconductor in unstrained as well as compressively and tensile strained ${\mathrm{Sn}}_{x}{\mathrm{Ge}}_{1\ensuremath{-}x}$ alloys is investigated as a function of the Sn content 0 \ensuremath{\le} $x$ \ensuremath{\le} 1 by means of both a very accurate supercell approach and the more approximate virtual crystal approximation (VCA). In the local density approximation we calculate the bowing parameter of the lattice constant of unstrained ${\mathrm{Sn}}_{x}{\mathrm{Ge}}_{1\ensuremath{-}x}$ alloys. Provided that pseudopotentials suitable for the VCA are used, the random supercell and VCA approaches yield consistent bowing parameters for the lattice constant of \ensuremath{-}0.21 and \ensuremath{-}0.28 \AA{}, respectively, in the entire Sn concentration range. The band structures and energy gaps are calculated using the modified Becke-Johnson potential, which, for Ge, yields a one-electron band gap in very good agreement with experimental data. The crossover from an indirect to a direct gap semiconducting alloy is determined at about 4.5% Sn in unstrained ${\mathrm{Sn}}_{x}{\mathrm{Ge}}_{1\ensuremath{-}x}$. When ${\mathrm{Sn}}_{x}{\mathrm{Ge}}_{1\ensuremath{-}x}$ is grown commensurately and thus strained on Ge(100), a transition to a direct gap is also observed but at Sn concentrations of about 10%. We finally predict the direct and indirect band gaps as a function of the in-plane lattice constant and Sn concentration for ${\mathrm{Sn}}_{x}{\mathrm{Ge}}_{1\ensuremath{-}x}$ alloys grown on (100) substrates.

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