A critical comparison of three polarization based approaches with the fields in AlN/GaN multiple quantum wells (MQWs) systems proved that they give identical results. The direct density functional theory (DFT) results, i.e., the fields, are in qualitative agreement with data obtained within the polarization theory. The results of DFT calculations of an AlN/GaN MQW system were used in the projection method to obtain a spatial distribution of the bands in the structure with atomic resolution. In parallel, the plane averaged and c-smoothed potential profiles obtained from the solution of the Poisson equation were used to determine the electric field in the multiquantum well structures and the magnitude of dipole layers at the AlN/GaN heterostructures. The dipole layers cause potential jumps of about 2.4 V that seriously affects the band offsets. The presence of the dipole layer is in good agreement with the potential measurements by electron holography. It was shown that the wells of the width up to 4 Ga layers behave as potential minima, but the wider layers behave as standard quantum wells. The barriers up to 3 Al layers do not localize the carriers. It is shown that the Quantum Confined Stark Effect causes a huge decrease of their energies and oscillator strengths of the optical transitions, especially for wider structures. For wider wells, the strengths fall much faster for perpendicular polarization which indicates the important role of the anisotropic band offsets. A direct simulation shows that the band offset for the valence band crystal field split off hole states, i.e., pz states are different from heavy and light hole (i.e., p=pxpy) states being equal to valence band offset(VBO)=0.85eV and rough estimate of VBOII0.5eV, respectively. These values are in good agreement with the recently reported measurement of AlN/GaN offsets.

1.
H.
Hirayama
,
Proc. SPIE
7989
,
79451G
(
2011
).
2.
A.
Khan
, “
Deep ultraviolet LEDs
,” in
2010 Conference on Lasers and Electro Optics CLEO, San Jose, CA, 16 May
(
2010
), CTuCC1.
3.
K. B.
Nam
,
J.
Li
,
M. L.
Nakarmi
,
J. Y.
Lin
, and
H. X.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
5264
(
2004
).
4.
S.
Nakamura
,
G.
Fasol
, and
S. J.
Pearton
,
The Blue Laser Diodes
(
Springer
,
New York
,
2000
).
5.
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
3958
(
1997
).
6.
F.
Bernardini
and
V.
Fiorentini
,
Phys. Status Solidi B
216
,
391
(
1999
).
7.
D. A. B.
Miller
,
D. S.
Chemla
,
T. C.
Damen
,
A. C.
Gossard
,
W.
Wiegmann
,
T. H.
Wood
, and
C. A.
Burrus
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
2173
(
1984
).
8.
M. P.
Halsall
,
J. E.
Nicholls
,
J. J.
Davies
,
B.
Cockayne
, and
P. J.
Wright
,
J. Appl. Phys.
71
,
907
(
1992
).
9.
M.
Buongiorno Nardelli
,
K.
Rapcewicz
, and
J.
Bernholc
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
3135
(
1997
).
10.
G.
Vaschenko
,
D.
Patel
,
C. S.
Menoni
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
, and
S. P.
Denbaars
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
640
(
2001
).
11.
S. P.
Łepkowski
,
H.
Teisseyre
,
T.
Suski
,
P.
Perlin
,
N.
Grandjean
, and
J.
Massies
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1483
(
2001
).
12.
T.
Takeuchi
,
C.
Wetzel
,
S.
Yamaguchi
,
H.
Sakai
,
H.
Amano
,
I.
Akasaki
,
Y.
Kaneko
,
S.
Nakagawa
,
Y.
Yamaoka
, and
N.
Yamada
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1691
(
1998
).
13.
R.
Langer
,
J.
Simon
,
V.
Ortiz
,
N. T.
Pelekanos
,
A.
Barski
,
R.
Ander
, and
M.
Godlewski
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3827
(
1999
).
14.
J. S.
Im
,
H.
Kollmer
,
J.
Off
,
A.
Sohmer
,
F.
Scholz
, and
A.
Hangleiter
,
Phys. Rev. B
57
,
R9435
(
1998
).
15.
P.
Lefebvre
,
J.
Allegre
,
B.
Gil
,
H.
Mathieu
,
N.
Grandjean
,
M.
Leroux
,
J.
Massies
, and
P.
Bigenwald
,
Phys. Rev. B
59
,
15363
(
1999
).
16.
Y. C.
Shen
,
G. O.
Muller
,
S.
Watanabe
,
N. F.
Gardner
,
A.
Munkholm
, and
M. R.
Kramers
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
141101
(
2007
).
17.
I. V.
Rozhansky
and
D. A.
Zakeheim
,
Phys. Status Solidi C
3
,
2160
(
2006
).
18.
M. F.
Schubert
,
S.
Chajed
,
J. K.
Kim
,
E. F.
Schubert
,
D. D.
Koleske
,
M. F.
Crawford
,
S. R.
Lee
,
A. J.
Fisher
,
G.
Thaler
, and
M. A.
Banas
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
231114
(
2007
).
19.
J.
Xie
,
X.
Ni
,
Q.
Fan
,
R.
Schimada
,
U.
Ozgor
, and
H.
Morkoc
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
121107
(
2008
).
20.
H.
Teisseyre
,
A.
Kaminska
,
G.
Franssen
,
A.
Dussaigne
,
N.
Grandjean
,
I.
Grzegory
,
B.
Lucznik
, and
T.
Suski
,
J. Appl. Phys.
105
,
063104
(
2009
).
21.
H.
Morkoc
,
Handbook of Nitride Semiconductors and Devices
(
Wiley-VCH
,
Berlin
,
2008
), Vol. 3.
22.
23.
A.
Franciosi
and
C. G.
Van de Walle
,
Surf. Sci. Rep.
25
,
1
(
1996
).
24.
M.
Peressi
,
L.
Colombo
,
R.
Resta
,
S.
Baroni
, and
A.
Baldereschi
,
Phys. Rev. B
48
,
12047
(
1993
).
25.
R.
Nicolini
,
L.
Vanzetti
,
G.
Mula
,
G.
Bratina
,
L.
Sorba
,
A.
Franciosi
,
M.
Peressi
,
S.
Baroni
,
R.
Resta
,
A.
Baldereschi
,
J. E.
Angelo
, and
W. W.
Gerberich
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
294
(
1994
).
26.
G.
Bratina
,
L.
Vanzetti
,
L.
Sorba
,
G.
Biassiol
,
A.
Franciosi
,
M.
Peressi
, and
S.
Baroni
,
Phys. Rev. B
50
,
11723
(
1994
).
27.
A.
Stroppa
and
M.
Peressi
,
Phys. Rev. B
71
,
205303
(
2005
);
A.
Stroppa
and
M.
Peressi
,
Phys. Rev. B
72
,
245304
(
2005
).
28.
S.
Picozzi
,
A.
Continenza
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. B
52
,
5247
(
1995
).
29.
S.
Picozzi
,
A.
Continenza
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. B
55
,
13080
(
1997
).
30.
M.
Buongiorno Nardelli
,
K.
Rapcewicz
, and
J.
Bernholc
,
Phys. Rev. B
55
,
R7323
(
1997
).
31.
J. A.
Majewski
,
M.
Stadele
, and
P.
Vogl
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
449
,
917
(
1997
).
32.
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Vanderbilt
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
449
,
923
(
1997
).
33.
X. Y.
Cui
,
D. J.
Carter
,
M.
Fuchs
,
B.
Delley
,
S. H.
Wei
,
A. J.
Freeman
, and
C.
Stampfl
,
Phys. Rev. B
81
,
155301
(
2010
).
34.
X. Y.
Cui
,
B.
Delley
, and
C.
Stampfl
,
J. Appl. Phys.
108
,
103701
(
2010
).
35.
Z.
Romanowski
,
P.
Kempisty
,
K.
Sakowski
,
P.
Strak
, and
S.
Krukowski
,
J. Phys. Chem. C
114
,
14410
(
2010
).
36.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
37.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
38.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
39.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
40.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
41.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
42.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
43.
M.
Leszczynski
,
T.
Suski
,
H.
Teisseyre
,
P.
Perlin
,
I.
Grzegory
,
J.
Jun
,
S.
Porowski
, and
T. D.
Moustakas
,
J. Appl. Phys.
76
,
4909
4911
(
1994
).
44.
M.
Leszczynski
,
H.
Teisseyre
,
T.
Suski
,
I.
Grzegory
,
M.
Bockowski
,
J.
Jun
,
S.
Porowski
,
K.
Pakula
,
J. M.
Baranowski
,
C. T.
Foxon
, and
T. S.
Cheng
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
73
75
(
1996
).
46.
P. G.
Moses
and
C. G.
Van de Walle
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
021908
(
2010
).
47.
L. G.
Ferreira
,
M.
Marques
, and
L. K.
Teles
,
Phys. Rev. B
78
,
125116
(
2008
).
48.
M.
Ribeiro
,
L. R. C.
Fonseca
, and
L. G.
Ferreira
,
Phys. Rev. B
79
,
241312
(
2009
).
49.
M.
Suzuki
,
T.
Uenoyama
, and
A.
Yanase
,
Phys. Rev. B
52
,
8132
(
1995
).
50.
S.-H.
Wei
and
A.
Zunger
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
2719
(
1996
).
51.
I.
Vurgraftman
and
J. R.
Meyer
,
J. Appl. Phys.
94
,
3675
(
2003
).
52.
B.
Adolph
,
V. I.
Gavrilenko
,
K.
Tenelsen
,
F.
Bechstedt
, and
R.
Del Sole
,
Phys. Rev. B
53
,
9797
(
1996
).
53.
Y.
Taniyasu
and
M.
Kasu
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
131910
(
2011
).
54.
K.
Kamiya
,
Y.
Ebihara
,
K.
Shiraishi
, and
M.
Kasu
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
151108
(
2011
).
55.
Y.
Taniyasu
and
M.
Kasu
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
251112
(
2011
).
56.
M.
Magnuson
,
M.
Mattesini
,
C.
Höglund
,
J.
Birch
, and
L.
Hultman
,
Phys. Rev. B
81
,
085125
(
2010
).
57.
S. P.
Kowalczyk
,
J. T.
Cheung
,
E. A.
Kraut
, and
R. W.
Grant
,
Phys. Rev. Lett.
56
,
1605
(
1986
).
58.
Y. H.
Li
,
A.
Walsh
,
S.
Chen
,
W. J.
Yin
,
J. H.
Yang
,
J.
Li
,
J. L. F.
da Silva
,
X. G.
Gong
, and
S. H.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
212109
1
(
2009
).
59.
P. D. C.
King
,
T. D.
Veal
,
P. H.
Jefferson
,
C. F.
McConville
,
T.
Wang
,
P. J.
Parbrook
,
H.
Lu
, and
W. J.
Schaff
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
132105
(
2007
).
60.
P.
Kempisty
and
S.
Krukowski
,
J. Appl. Phys.
112
,
113704
1
(
2012
).
61.
R.
Mishra
,
O. D.
Rastrepo
,
S.
Rajan
, and
W.
Windl
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
232114
1
(
2011
).
62.
A.
Fisher
,
K. W.
Sun
,
F. A.
Ponce
,
R.
Songmuang
, and
E.
Monroy
,
Appl. Phys. Express
5
,
025001
(
2012
).
63.
A. S.
Pabla
,
J. L.
Sanchez-Rodriguez
,
J.
Woodhead
,
R.
Grey
,
J. P. R.
David
,
G. J.
Rees
,
G.
Hill
,
M. A.
Pate
,
P. N.
Robson
,
R. A.
Hogg
,
T. A.
Fisher
,
A. R. K.
Willcox
,
D. M.
Whittaker
,
M. S.
Skolnick
, and
D. J.
Mowbray
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
752
(
1993
).
64.
T. E.
Sale
,
J.
Woodhead
,
G. J.
Rees
,
R.
Grey
,
J. P. R.
David
,
A. S.
Pabla
,
P. J.
Rodriguez-Girones
,
P. N.
Robson
,
R. A.
Hogg
, and
M. S.
Skolnick
,
J. Appl. Phys.
76
,
5447
(
1994
).
65.
J. P. R.
David
,
T. E.
Sale
,
A. S.
Pabla
,
P. J.
Rodríguez-Gironés
,
J.
Woodhead
,
R.
Grey
,
G. J.
Rees
,
P. N.
Robson
,
M. S.
Skolnick
,
and R. A.
Hogg
,
Appl. Phys. Lett.
68
,
820
(
1996
).
66.
Y. D.
Jho
,
J. S.
Yahng
,
E.
Oh
, and
D. S.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1130
(
2001
).
67.
Y. D.
Jho
,
J. S.
Yahng
,
E.
Oh
, and
D. S.
Kim
,
Phys. Rev. B
66
,
035334
(
2002
).
68.
I. H.
Brown
,
I. A.
Pope
,
P. M.
Snowtown
,
P.
Blood
,
J. D.
Thomson
,
W. W.
Chow
,
D. P.
Bour
, and
M.
Kneissl
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
131108
(
2005
).
69.
H.
Shen
,
M.
Wrabeck
,
H.
Zhong
,
A.
Tyagi
,
S. P.
DenBaars
,
S.
Nakamura
, and
J. S.
Speck
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
033503
(
2009
).
70.
V.
Fiorentini
,
F.
Bernardini
,
F.
Della Sala
,
A.
Di Carlo
, and
P.
Lugli
,
Phys. Rev. B
60
,
8849
(
1999
).
71.
V.
Fiorentini
and
F.
Bernardini
,
Phys. Rev. B
58
,
15292
(
1998
).
72.
LASTIP User's Manual Version, 12 Crosslight, Inc. Software, Canada,
2003
, http://www.crosslight.ca.
73.
SILENSE Physics Summary, STR, Inc.,
2004
, http://www.semitech.us/products/SiLENSe.
74.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
75.
C.-T.
Kuo
,
K.-K.
Chang
,
H.-W.
Shiu
,
C.-R.
Liu
,
L.-Y.
Chang
,
C.-H.
Chen
, and
S.
Gwo
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
112101
1
(
2011
).
You do not currently have access to this content.