Calculs de structure de bande des alliages Si–Ge–Sn : atteindre des matériaux à bande interdite directe

Les alliages de silicium (Si), de germanium (Ge) et d'étain (Sn) attirent continuellement l'attention des chercheurs en tant que semi-conducteurs à bande interdite directe possibles, avec des applications potentielles en optoélectronique. La propriété de bande interdite directe peut être obtenue par la composition de l'alliage seule ou combinée avec l'influence de la contrainte, lorsqu'une couche d'alliage est déposée sur un substrat virtuel de compositions différentes. À la recherche de matériaux à bande interdite directe, la structure électronique des alliages détendus ou contrainte Ge1−xSnx et Si1−xSnx, et du Ge contraint sur Ge1−x−ySixSny détendu, a été calculée par la méthode des ondes planes à pseudo-potentiel auto-cohérent, dans le cadre du modèle de supercellule à atomes mixtes des alliages, qui s'est avéré offrir une bien meilleure précision que l'approximation de cristal virtuel. Des expressions sont données pour les bandes directes et indirectes dans Ge1−xSnx détendu, dans le Ge contraint cultivé sur SixGe1−x−ySny détendu et dans le Ge1−xSnx contraint cultivé sur un substrat de Ge1−ySny détendu, et ceux-ci constituent les critères pour obtenir un semi-conducteur à bande interdite directe (finie). En gros, des matériaux à bande interdite directe de bonne taille (jusqu'à ~0,5 eV) peuvent être obtenus en soumettant des couches de Ge ou d'alliages Ge1−xSnx à une contrainte de traction intermédiaire, mais pas excessive, car cela entraînerait une bande interdite directe petite ou nulle (les critères détaillés sont donnés dans le texte). Le Ge1−xSnx détendu devient un matériau à bande interdite directe pour une teneur en Sn de >17 %, mais ne propose que des valeurs plus petites de la bande interdite directe, en général ≤0,2 eV. En revanche, les alliages SnxSi1−x détendus ne montrent pas de bande interdite directe finie.