稀碳化物 Ge$_{1-x}$C$_{x}$ 合金中的电子结构演化及其对器件应用的影响

我们给出了高度失配稀碳化物IV族合金 Ge$_{1-x}$C$_{x}$ 中电子结构演化的理论分析。对于有序合金超胞，我们证明了C的掺入通过驱动能量接近导带边、具有 $A_{1}$ 对称性的Ge态线性组合杂化，强烈扰动导带(CB)结构。这导致在超稀极限下，合金导带边主要由Ge主体矩阵半导体L点导带边态的 $A_{1}$ 对称线性组合构成。我们的计算描述了“准直接”合金带隙的出现，其保留了显著的间接Ge L点导带边特征混合。然后我们分析了实际（大尺寸、无序）Ge$_{1-x}$C$_{x}$ 合金超胞在C组分高达 $x = 2$% 时的电子结构演化。我们表明，短程合金无序在低于Ge导带边的能量处引入了局域态分布，这些态几乎不获得直接($\Gamma$)特征。我们的计算证明了由Ge主体矩阵与C相关局域态之间杂化驱动的导带边Bloch特征的强本征非均匀能量展宽。我们计算所确定的趋势与基于能带反交叉模型最近提出的导带结构解释所预期的趋势显著不同。讨论了我们的发现对器件应用的影响。