Highly mismatched semiconductor alloys such as GaNAs and GaBiAs have several novel electronic properties, including a rapid reduction in energy gap with increasing x and also, for GaBiAs, a strong increase in spin orbit- splitting energy with increasing Bi composition. We review here the electronic structure of such alloys and their consequences for ideal lasers. We then describe the substantial progress made in the demonstration of actual GaInNAs telecomm lasers. These have characteristics comparable to conventional InP-based devices. This includes a strong Auger contribution to the threshold current. We show, however, that the large spin-orbit-splitting energy in GaBiAs and GaBiNAs could lead to the suppression of the dominant Auger recombination loss mechanism, finally opening the route to efficient temperature-stable telecomm and longer wavelength lasers with significantly reduced power consumption.
Derivation of 12- and 14-band $\textbf{k}\cdot\textbf{p}$ Hamiltonians for dilute bismide and bismide-nitride semiconductors
使用一个$sp^{3}s^{*}$紧束缚模型，我们证明了如何观察到的强弓的带隙和自旋轨道分裂与增加铋成分在稀铋化物合金GaBi $_{x}$作为$_{1-x}$可以描述在带之间的反交叉相互作用的GaAs价带边缘的扩展状态和高度本地化的Bi相关的共振态位于GaAs价带边缘。我们推导出一个12带的$\textbf{k}\cdot\textbf{p}$哈密顿量来描述GaBi $_{x}$ As $_{1-x}$的能带结构，并表明该模型与带边附近的能带结构的全紧束缚计算以及带隙和自旋轨道分裂的实验测量结果非常吻合。基于紧束缚模型的GaBi $_{x}$ N $_{y}$ As $_{1-x-y}$，我们表明，一个很好的近似N和Bi的行为相互独立的无序GaBi $_{x}$ N $_{y}$ As $_{1-x-y}$合金，表明一个简单的描述的能带结构是可能的。本文提出了GaBi $_{x}$ N $_{y}$ As $_{1-x-y}$晶体的14带$\textbf{k}\cdot\textbf{p}$哈密顿量，它精确地再现了带边附近能带结构的全紧束缚计算的基本特征.因此，我们在这里提出的$\textbf{k}\cdot\textbf{p}$模型非常适合这些新型III-V族半导体合金的光电性能的模拟。
12-band $\textbf{k}\cdot\textbf{p}$ model for dilute bismide alloys of (In)GaAs derived from supercell calculations
在（In）GaAs中掺入微量铋（Bi）已被证明会产生独特的电子性质，原则上可以用于设计高效率的电信激光器。这激发了这些稀铋化物合金的电子结构的简单模型的发展，其可用于评估其作为光学应用的候选材料系统的潜力。在这里，我们开始使用详细的计算的基础上的$sp^{3}s^{*}$紧束缚模型的（In）GaBi $_{x}$ As $_{1-x}$，以验证在这些合金中的价带-反交叉相互作用的存在。基于紧束缚模型，导出了稀二酰二亚胺合金的12带$\textbf{k}\cdot\textbf{p}$哈密顿量。我们表明，从12带模型得到的能带结构是在良好的协议与全紧束缚超原胞计算。最后，我们将12带模型应用于In $_{0.53}$ Ga $_{0.47}$ Bi $_{x}$ As $_{1-x}$，并将计算的带隙和自旋轨道分裂的变化与在一系列MBE生长的In $_{0.53}$ Ga $_{0.47}$ Bi $_{x}$ As $_{1-x}$ /InP层上进行的各种光谱测量进行比较。
用密度泛函理论计算了不同原子组态和Bi浓度的GaAs $_{1-x}$ Bi $_x$体系的电子结构.结果表明，在$Γ$点处，轻空穴带和重空穴带之间存在Bi诱导的劈裂.我们发现我们的计算分裂和实验数据之间有很好的一致性。分裂的大小强烈地依赖于Bi原子的局部排列，但不依赖于超晶胞的单向晶格常数。通过固定面内晶格常数，研究了GaAs衬底上外延生长引起的外应变的附加影响。
Valence band-anticrossing in GaP$_{1-x}$Bi$_{x}$ dilute bismide alloys: giant bowing of the band gap and spin-orbit splitting energy
使用椭圆偏振光谱测量GaP $_{1-x}$ Bi $_{x}$ /GaP外延层的$x = 3.7$ %，我们观察到一个巨大的弯曲的直接带隙（$E_{g}^Γ$）和价带自旋轨道分裂能量（$Δ_{\textrm{SO}}$）。在掺入1%Bi的情况下，测量到$E_{g}^Γ$（$Δ_{\textrm{SO}}$）降低（增加）约200 meV（240 meV），对应于从GaP到GaP $_{0.99}$ Bi $_{0.01}$的$Δ_{\textrm{SO}}$的大于四倍的增加。$E_{g}^Γ$和$Δ_{\textrm{SO}}$与$x$的演变特征在于强烈的成分依赖性弯曲。我们证明了一个简单的价带-反交叉模型，参数直接从原子的超原胞计算，定量地描述了测量的$E_{g}^Γ$和$Δ_{\textrm{SO}}$与$x$的演变。在对比研究良好的GaAs $_{1-x}$ Bi $_{x}$合金，在GaP $_{1-x}$ Bi $_{x}$替代Bi创建本地化的杂质状态，位于积极的GaP主机矩阵带隙内。这导致出现了双杂化状态的光学活性带，解释了$E_{g}^Γ$和$Δ_{\textrm{SO}}$的整体大弯曲，特别是对于$x \lesssim 1$ %观察到的巨大弯曲。我们的分析提供了洞察行动的Bi作为一个等价的杂质，并构成了第一个详细的实验和理论分析的GaP $_{1-x}$ Bi $_…
Convergent beam electron-diffraction investigation of lattice mismatch and static disorder in GaAs/GaAs1-xNx intercalated GaAs/GaAs1-xNx:H heterostructures
Impact of band-anticrossing on band-to-band tunneling in highly-mismatched semiconductor alloys
我们从理论上分析了带间隧穿（BTBT）在高度失配，窄隙稀氮化物和铋化物合金，和量化的影响的N-或Bi-引起的扰动的能带结构-由于带反交叉（BAC）与局部杂质状态-上的电场依赖的BTBT产生率。对于这类半导体，由于BAC相互作用产生的强带边非抛物性，支持广泛采用的直接BTBT凯恩模型的假设被打破。通过数值计算的基础上的Wentzel-Kramers-Brillouin近似，我们表明，BAC导致，在固定的带隙，以减少（增加）BTBT电流在低（高）施加的电场相比，在传统的InAs $_{1-x}$ Sb $_{x}$合金。我们的分析表明，BTBT在InN $_{x}$ As $_{1-x}$和InAs $_{1-x}$ Bi $_{x}$是由场依赖的竞争的影响N（Bi）的掺入（i）的色散的复杂的带连接的价带和导带，这在低场强占主导地位，和（ii）的导（价）带边的状态密度，这在高场强占主导地位。我们的研究结果在雪崩光电二极管和隧穿场效应晶体管的应用的影响进行了讨论。
Electronic band structure of nitrogen diluted Ga(PAsN): Formation of the intermediate band, direct and indirect optical transitions, localization of states
Theory and design of In$_{x}$Ga$_{1-x}$As$_{1-y}$Bi$_{y}$ mid-infrared semiconductor lasers: type-I quantum wells for emission beyond 3 $μ$m on InP substrates
我们提出了一个理论分析和优化的中红外半导体激光器的属性和性能的基础上稀释bismide合金在$_{x}$ Ga $_{1-x}$作为$_{1-y}$ Bi $_{y}$，生长在传统的（001）InP衬底。在这种四元合金中独立地改变外延应变和发射波长的能力为带结构工程提供了显著的范围。我们的计算表明，基于压缩应变的In $_{x}$ Ga $_{1-x}$ As $_{1-y}$ Bi $_{y}$量子阱（QW）的结构可以容易地实现在3 - 5 $μ$ m范围内的发射波长，并且这些QW具有大的I型带偏移。因此，这些结构具有克服通常与这种应用丰富但技术上具有挑战性的波长范围相关联的许多限制的潜力。通过考虑具有（i）固定QW厚度和可变应变，以及（ii）固定应变和可变QW厚度的结构，我们将特性和性能的关键趋势量化为合金成分，结构特性和发射波长的函数，并在此基础上确定实现实际应用的优化器件的路线。我们的分析表明，简单的激光器结构-将在$_{x}$镓$_{1-x}$作为$_{1-y}$铋$_{y}$量子阱和无应变三元在$_{0.53}$镓$_{0.47}$作为障碍-这是与既定的外延生长兼容，提供了一条路线，以实现基于InP的中红外二极管激光器。
