Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

EFFECT OF YTTRIUM DOPING ON THE ELECTRONIC ENERGY STRUCTURE AND OPTICAL PROPERTIES OF GaAs

Ilchuk, H. A., Kushnir, O. S., Semkiv, I. V., Krukovskyi, S. I., Andriyevsky, B. and Kashuba, A. I.


ABSTRACT

We report the results for the electronic energy structure of Y-doped GaAs (Ga1–xYxAs). Its electronic energy spectrum is calculated within the framework of density functional theory. The concentration dependences of the main energy, optical, and structural properties are obtained for a number of yttrium concentrations in the region x = 0÷0.25. The energy band dispersion and the density of states of these materials are analyzed. Based on the electronic energy spectrum, the real and imaginary components of the dielectric function are calculated. Using the Kramers–Kronig relations, we also derive such fundamental optical functions of Ga1–xYxAs as the refractive index n, the extinction coefficient k, and the absorption coefficient α.

Keywords: GaAs, electron energy structure, density of states, band gap, refractive index, optical dielectric function

UDC: 681.7.068

    1. Takagi, T., Imamoto, H., Sato, F., Imanaka, K., Shimura, M. (1989). High-power broad mesa structure AlGaAs/GaAs single-quantum-well edge-emitting LED. IEEE Photonics Technol. Lett., 1, 14–15.
      doi:10.1109/68.87880
    2. Premkumar, M., Arun, M., Sathiya Priya, S., Kalaiarasi, D., Prathipa, R. (2023). Characteristics of gallium arsenide (GaAs) light emitting diode for wireless systems. Materials Today: Proceedings, 80, 1932–1935.
      doi:10.1016/j.matpr.2021.05.650
    3. Ou, S. S., Yang, J. J., Jansen, M. (1990). 5 W GaAs/GaAlAs laser diodes with a reactive ion etched facet. Appl. Phys. Lett., 57, 1861–1863.
      doi:10.1063/1.104039
    4. Dai, X., Zhang, S., Wang, Z., Adamo, G., G. Liu, G., Huang, Y., Couteau, C., Soci, C. (2014). GaAs/AlGaAs nanowire photodetector. Nano Lett., 14, 2688–2693.
      doi:10.1021/nl5006004
    5. Schopf, K. J., Pettenpaul, E. (1994). GaAs amplifiers for radar and mobile communication systems. Third International Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimeterwave Circuits, 59–67.
      doi:10.1109/INMMC.1994.512513
    6. Yamaguchi, M. (2001). Radiation-resistant solar cells for space use. Solar Energy Materials and Solar Cells, 68, 31–53.
      doi:10.1016/S0927-0248(00)00344-5
    7. Shur, M. (1987) GaAs Digital Integrated Circuits. In: GaAs Devices and Circuits. Microdevices. Springer, Boston.
      doi:10.1007/978-1-4899-1989-2_9
    8. Campesato, R., Flores, C., Passaseo, A., Verni, S. (1992). GaAs Hall sensors made by the MOCVD technique. Sensors and Actuators A: Physical, 32, 651–655.
      doi:10.1016/0924-4247(92)80058-B
    9. Wyckoff, R. W. G. (1963). ZnS Structure, Sphalerite Structure. Crystal Structures, 2nd Ed. Interscience Publishers, New York. 1, 85–237.
    10. El Allali, M., Sørensen, C. B., Veje, E., Tidemand-Petersson, P. (1993). Experimental determination of the GaAs and Ga1–xAlxAs band-gap energy dependence on temperature and aluminum mole fraction in the direct band-gap region. Phys. Rev. B, 48, 4398.
      doi:10.1103/PhysRevB.48.4398
    11. Adachi, S. (1994). GaAs and Related Materials. World Scientific: Singapore.
      doi:10.1142/2508
    12. Temkin, H., Keramidas, V. G. (1980). Room-temperature conductivity and the band structure of n-Ga1–xAlxAs. J. Appl. Phys., 51, 3269–3272.
      doi:10.1063/1.328085
    13. Hava, S., Hunsperger, R. (1985). Thermoelectric properties of Ga1–xAlxAs. J. Appl. Phys., 57, 5330–5335.
      doi:10.1063/1.334850
    14. Mil’shtein, S., Halilov, S. (2018). Cascaded Ga1–xAlxAs/GaAs solar cell with graded i-region. AIP Conf. Proc., 1934, 020004.
      doi:10.1063/1.5024487
    15. Krukovskyi, S. I., Ilchuk, H. A., Krukovskyi, R. S., Semkiv, I. V., Zmiiovska, E. O., Tokarev, S. V. (2018). Formation of graded-gap active region of the photoelectric converter based on AlGaAs solid solutions by trimethylaluminium flow modulation in the MOC vapour deposition method. Journal of Nano and Electronic Physics, 10, 03025.
      doi:10.21272/jnep.10(3).03025
    16. Krukovskyi, S., Krukovskyi, R., Ilchuk, H., Zmiiovska, E., Semkiv, I. (2018). Formation of GaAs/AlGaAs epitaxial layers, with gradient profiles of charge carrier distribution. 14th International Conf. on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Eng., TCSET-2018 Proc., 462–465.
      doi:10.1109/TCSET.2018.8336241
    17. Ilchuk, H., Zmiiovska, E., Petrus, R., Semkiv, I., Lopatynskyi, I., Kashuba, A. (2020). Optical properties of CdMnTe film: experimental and theoretical aspects. Journal of Nano- and Electronic Physics, 12, 01027.
      doi:10.21272/jnep.12(1).01027
    18. Rudysh, M. Ya. (2022). Electronic structure, optical and elastic properties of AgAlS2 crystal under hydrostatic pressure. Materials Science in Semiconductor Processing, 148, 106814.
      doi:10.1016/j.mssp.2022.106814
    19. Baldereschi, A., Maschke, K., Hess, E., Neumann, H., Schulze, K.-R., Unger, K. (1977). Energy band structure of AlxGa1–xAs. J. Phys. C: Solid State Phys., 10, 4709.
      doi:10.1088/0022-3719/10/23/007
    20. Deng, Y., Zhang, C., Qin, X., Yan, W. (2025). Electronic structure and optical properties of GaAs doped with rare-earth elements (Sc, Y, La, Ce, and Pr). Crystals, 15, 98.
      doi:10.3390/cryst15010098
    21. Perdew, J. P., Ruzsinszky, A., Csonka, G. I., Vydrov, O. A., Scuseria, G. E., Constantin, L. A., Zhou, X., Burke, K. (2008). Restoring the density gradient expansion for exchange in solids and surfaces. Phys. Rev. Lett., 100, 136406.
      doi:10.1103/PhysRevLett.100.136406
    22. Hamann, D. R., Schlüter, M., Chiang, C. (1979). Norm-conserving pseudopotentials. Phys. Rev. Lett., 43, 1494.
      doi:10.1103/PhysRevLett.43.1494
    23. Monkhorst, H. J., Pack, J. D. (1976). Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B, 13, 5188.
      doi:10.1103/PhysRevB.13.5188
    24. Ilchuk, H. A., Semkiv, I. V., Krukovskyi, S. I., Andriyevsky, B., Kashuba, A. I. (2026). Concentration dependences of electronic band structure of La-doped GaAs. Journal of Physics Communications (submitted).
    25. Kohn, W., Sham, L. J. (1965). Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev., 140, A1133.
      doi:10.1103/PhysRev.140.A1133
    26. Kashuba, A. (2023). Influence of metal atom substitution on the electronic and optical properties of solid-state Cd0.75X0.25Te (X = Cu, Ag and Au) solutions. Physics and Chemistry of Solid State, 24, 92–101.
      doi:10.15330/pcss.24.1.92-101
    27. Nakwaski, W. (1995). Effective masses of electrons and heavy holes in GaAs, InAs, A1As and their ternary compounds. Physica B, 210, 1–25.
      doi:10.1016/0921-4526(94)00921-H
    28. Akinlami, J. O., Ashamu, A. O. (2013). Optical properties of GaAs. J. Semicond., 34, 032002.
      doi:10.1088/1674-4926/34/3/032002

    Представлено результати дослідження електронної енергетичної структури GaAs, легованого Y (Ga1–xYxAs). Його електронний енергетичний спектр розраховано в рамках теорії функціоналу густини. Концентраційні залежності основних енергетичних, структурних і оптичних властивостей Ga1–xYxAs встановлено для деяких концентрацій Y у діапазоні x = 0÷0,25. Проведено аналіз дисперсії енергетичних зон і густини станів цих матеріалів. На основі електронного енергетичного спектру розраховано дійсну та уявну складові діелектричної функції. Використовуючи співвідношення Крамерса–Кроніга, одержано фундаментальні оптичні функції, такі як показник заломлення n, коефіцієнт екстинкції k і коефіцієнт поглинання α.

    Ключові слова: GaAs, електронна енергетична структура, густина станів, заборонена зона, показник заломлення, оптична діелектрична функція


This work is licensed under CC BY 4.0