專利名稱：InAs/GaSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于平面紅外探測(cè)器材料的電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于中波與長(zhǎng)波光源、探測(cè)器以及熱光伏電池等領(lǐng)域的具有M型勢(shì)壘層的一種InAs/feSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
InAs/GaSb超晶格作為下一代焦平面紅外探測(cè)器的優(yōu)選材料，隨著諸多科學(xué)與技術(shù)難題的突破，逐漸顯示出了在民用以及軍事領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。InAs/feSb超晶格能帶結(jié)構(gòu)屬于第二類不對(duì)稱型，其中InAs層的導(dǎo)帶低于(iaSb層的價(jià)帶，能帶重疊約為150meV。 電子限制在InAs層中，而空穴限制在feiSb層中，鄰近層中的電子和空穴相互耦合，使超晶格中的能級(jí)擴(kuò)展為微帶。超晶格的能帶結(jié)構(gòu)易于通過(guò)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁減，可使超晶格對(duì)輻射的響應(yīng)幾乎覆蓋了整個(gè)紅外區(qū)域(3 25 μ m)。AlSb材料晶格常數(shù)為6.1355A，由于相對(duì)Ga釙襯底較小的晶格失配( 6. 5%0) 以及較大的帶隙值O. 4eV)，非常適合作為勢(shì)壘材料用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件實(shí)現(xiàn)。AlSb材料與(iaSb、InAs的晶格常數(shù)相近，并且可作為電子與空穴兩種載流子的勢(shì)壘，限制載流子運(yùn)動(dòng)。將AlSb以及與( 元素形成的合金AlfeiSb材料加入到InAs/feiSb超晶格，能增加超晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)元素，并能進(jìn)一步提升器件的光電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有M型勢(shì)壘層的一種InAs/feSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用經(jīng)驗(yàn)緊束縛法，通過(guò)非線性最小二乘擬合確定緊束縛參數(shù)，開(kāi)展具有 Al (Ga) Sb勢(shì)壘層的InAs/feSb超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)研究了 Al組分對(duì)超晶格光電性能的影響。具體步驟如下a.經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法緊束縛方法用局域的原子軌道作為基函數(shù)來(lái)展開(kāi)體系的電子波函數(shù)，以此來(lái)求解Schr0dinger方程。采用L0wdin正交化的原子軌道作為基函數(shù)后可避免原子軌道處在不同的格點(diǎn)上引起的多中心積分計(jì)算，在Slater-Koster關(guān)系框架下， 原子軌道互作用的哈密頓矩陣元被看成參量，其數(shù)值由布里淵區(qū)中心或邊界上高對(duì)稱k點(diǎn)的精確理論值或?qū)嶒?yàn)值擬合而得，這就是經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法。b.電子波函數(shù)模型選取采用sp3s*模型來(lái)展開(kāi)電子波函數(shù)，該模型包含五個(gè) L0wdin軌道s，pX，py，pz與S*。處理原子軌道的相互作用時(shí)采用二心近似，只考慮最近鄰原子間的原子軌道相互作用。采用sp3s*模型與二心近似下緊束縛參數(shù)有15個(gè)Esa，EsC， Epa, Epc, Es*a, Es 氺 c, Ess, Esapc, Epasc, Es 氺 ape, Epas 氺 c, Exx, Exy, Δ a % Ac。 ^ : ^= 可以通過(guò)擬合第一性原理計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)獲得的半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)而得到。c. AlSb能帶解析表達(dá)式與有效質(zhì)量在計(jì)算AlSb的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，采用非線性最小二乘法擬合，將AlSb在高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶解析表達(dá)式與有效質(zhì)量擬合到實(shí)驗(yàn)值，即通過(guò)考慮次近鄰原子的相互作用以及引入能量更高的激發(fā)態(tài)原子軌道s*，可以更好的擬合導(dǎo)帶在X與L點(diǎn)的形狀；d. M型超晶格的能帶計(jì)算采用上面擬合得到的緊束縛參數(shù)用于超晶格的能帶計(jì)算，將AlSb層加入InAs/feiSb超晶格中可形成M型超晶格，GaSb層是空穴的勢(shì)阱層，而AlSb 層的插入使勢(shì)阱層一分為二，空穴被限制到兩個(gè)更小的勢(shì)阱中，空穴被限制在變窄的勢(shì)阱中以后對(duì)阱寬的變化更加敏感，空穴子帶的位置與寬度更易于調(diào)節(jié)。AlSb層加入后，對(duì)帶邊的調(diào)節(jié)在150meV，明顯高于普通的InAs/feiSb超晶格50meV的調(diào)節(jié)量；加入6層AlSb以后，有效質(zhì)量的調(diào)節(jié)已經(jīng)接近0.3，而普通的InAs/feSb超晶格有效質(zhì)量小于0. 1 ；e. AlGaSb勢(shì)壘層替代AlSb層在M超晶格中，勢(shì)壘層的高低與位置的變化都將引起超晶格能帶的改變。在M超晶格中，AlSb層既是電子也是空穴的勢(shì)壘，若將AlSb層用 AlfeSb來(lái)代替，通過(guò)調(diào)節(jié)AlfeSb層中Al的組分即可控制勢(shì)壘層的高度變化，從而引起超晶格能帶的改變；f.具有AlfeiSb勢(shì)壘層的超晶格的電子結(jié)構(gòu)在中短波響應(yīng)的結(jié)構(gòu)為InAs6A^Sb2/ Al (Ga) Sb3/GaSl32超晶格，采用經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法計(jì)算所沿超晶格第一布里淵區(qū)內(nèi)Γ -Z 方向的第一電子子帶ECl與第一空穴子帶HHl的色散關(guān)系，可以看出采用合金勢(shì)壘層后勢(shì)壘下降，有效帶隙明顯變窄，由此可以增加超晶格的響應(yīng)波段；g具有Alfe^b勢(shì)壘層的InAs/fe^b超晶格的制備以GaAs或( 基片作襯底， 采用分子束外延技術(shù)進(jìn)行InAs/feSb超晶格的生長(zhǎng)；在生長(zhǎng)過(guò)程中，采用AlfeSb勢(shì)壘層，通過(guò)適當(dāng)?shù)氖髡{(diào)節(jié)，在feSb層外延生長(zhǎng)結(jié)束后，只需再打開(kāi)Al快門即可。所述步驟c中，將AlSb在高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶解析表達(dá)式與有效質(zhì)量擬合到實(shí)驗(yàn)值，通過(guò)考慮次近鄰原子的相互作用以及引入能量更高的激發(fā)態(tài)原子軌道s*，擬合導(dǎo)帶在 X與L點(diǎn)的形狀；采用sp3s*模型，用完整的體系哈密頓計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)中能級(jí)都是二重簡(jiǎn)并的，可將基組分為兩套子基組，各自均可獨(dú)立有效的描述體系的電子結(jié)構(gòu)，這里給出 Γ點(diǎn)的套子基組
權(quán)利要求
1.一種InAs/feSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用經(jīng)驗(yàn)緊束縛法，通過(guò)非線性最小二乘擬合確定緊束縛參數(shù)，開(kāi)展具有Al (Ga) Sb勢(shì)壘層的InAs/feSb超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)研究了 Al組分對(duì)超晶格光電性能的影響。具體步驟如下a.經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法緊束縛方法用局域的原子軌道作為基函數(shù)來(lái)展開(kāi)體系的電子波函數(shù)，以此來(lái)求解Schr5dinger方程。采用Iikdin正交化的原子軌道作為基函數(shù)后可避免原子軌道處在不同的格點(diǎn)上引起的多中心積分計(jì)算，在Slater-Koster關(guān)系框架下， 原子軌道互作用的哈密頓矩陣元被看成參量，其數(shù)值由布里淵區(qū)中心或邊界上高對(duì)稱k點(diǎn)的精確理論值或?qū)嶒?yàn)值擬合而得，這就是經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法。b.電子波函數(shù)模型選取采用sp3s*模型來(lái)展開(kāi)電子波函數(shù)，該模型包含五個(gè) Iikdin軌道s，px, py, pz與s*。處理原子軌道的相互作用時(shí)采用二心近似，只考慮最近鄰原子間的原子軌道相互作用。采用sp3s*模型與二心近似下緊束縛參數(shù)有15個(gè)疋sa， Esc, Epa, Epc, Es 氺a，Es氺c，Ess, Esapc, Epasc, Escape, Epas氺c，Exx, Exy, A a 與 Ac。 參數(shù)可以通過(guò)擬合第一性原理計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)獲得的半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)而得到。C. AlSb能帶解析表達(dá)式與有效質(zhì)量在計(jì)算AlSb的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，采用非線性最小二乘法擬合，將AlSb在高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶解析表達(dá)式與有效質(zhì)量擬合到實(shí)驗(yàn)值，通過(guò)考慮次近鄰原子的相互作用以及引入能量更高的激發(fā)態(tài)原子軌道s*，可以更好的擬合導(dǎo)帶在X與L 點(diǎn)的形狀；d.M型超晶格的能帶計(jì)算采用上面擬合得到的緊束縛參數(shù)用于超晶格的能帶計(jì)算， 將AlSb層加入InAs/feiSb超晶格中可形成M型超晶格，GaSb層是空穴的勢(shì)阱層，而AlSb層的插入使勢(shì)阱層一分為二，空穴被限制到兩個(gè)更小的勢(shì)阱中，空穴被限制在變窄的勢(shì)阱中以后對(duì)阱寬的變化更加敏感，空穴子帶的位置與寬度更易于調(diào)節(jié)。AlSb層加入后，對(duì)帶邊的調(diào)節(jié)在150meV，明顯高于普通的InAs/feiSb超晶格50meV的調(diào)節(jié)量；加入6層ABb以后，有效質(zhì)量的調(diào)節(jié)已經(jīng)接近0. 3，而普通的InAs/fe^b超晶格有效質(zhì)量小于0. 1 ；e.AlGaSb勢(shì)壘層替代AlSb層在M超晶格中，勢(shì)壘層的高低與位置的變化都將引起超晶格能帶的改變。在M超晶格中，AlSb層既是電子也是空穴的勢(shì)壘，若將AlSb層用AlfeiSb 來(lái)代替，通過(guò)調(diào)節(jié)AlfeSb層中Al的組分即可控制勢(shì)壘層的高度變化，從而引起超晶格能帶的改變；f.具有AlfeiSb勢(shì)壘層的超晶格的電子結(jié)構(gòu)在中短波響應(yīng)的結(jié)構(gòu)為InAs6A^Sb2/ Al (Ga) Sb3/GaSl32超晶格，采用經(jīng)驗(yàn)緊束縛方法計(jì)算所沿超晶格第一布里淵區(qū)內(nèi)Γ -Z 方向的第一電子子帶ECl與第一空穴子帶HHl的色散關(guān)系，可以看出采用合金勢(shì)壘層后勢(shì)壘下降，有效帶隙明顯變窄，由此可以增加超晶格的響應(yīng)波段；g具有AlfeiSb勢(shì)壘層的InAs/feiSb超晶格的制備以GaAs或(iaSb基片作襯底，采用分子束外延技術(shù)進(jìn)行InAs/feSb超晶格的生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，采用AlfeSb勢(shì)壘層，通過(guò)適當(dāng)?shù)氖髡{(diào)節(jié)，在feSb層外延生長(zhǎng)結(jié)束后，只需再打開(kāi)Al快門即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述InAs/feSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟c中，將AlSb在高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶解析表達(dá)式與有效質(zhì)量擬合到實(shí)驗(yàn)值，通過(guò)考慮次近鄰原子的相互作用以及引入能量更高的激發(fā)態(tài)原子軌道s*，擬合導(dǎo)帶在X與L點(diǎn)的形狀；采用sp3s*模型，用完整的體系哈密頓計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)中能級(jí)都是二重簡(jiǎn)并的，可將基組分為兩套子基組，各自均可獨(dú)立有效的描述體系的電子結(jié)構(gòu)，這里給出Γ點(diǎn)的套子基組
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述^As/GaSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述超晶格的中短波響應(yīng)的結(jié)構(gòu)為InAs6/GaSb2/Al (Ga) Sb3/GaSb2的M超晶格，實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)波段的有效調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于平面紅外探測(cè)器材料的電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域的一種具有M型勢(shì)壘層的一種InAs/GaSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。該InAs/GaSb超晶格電子結(jié)構(gòu)為具有的InAs/GaSb超晶格電子結(jié)構(gòu)的焦平面紅外探測(cè)器的材料；采用經(jīng)驗(yàn)緊束縛法，通過(guò)非線性最小二乘擬合確定緊束縛參數(shù)，開(kāi)展具有Al(Ga)Sb的M型勢(shì)壘層InAs/GaSb超晶格電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)研究了Al組分對(duì)超晶格光電性能的影響、實(shí)現(xiàn)具有AlGaSb勢(shì)壘層的M型InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并簡(jiǎn)化分子束外延生長(zhǎng)工藝條件，減輕生長(zhǎng)過(guò)程中引起的成分波動(dòng)。本發(fā)明對(duì)于促進(jìn)銻化物半導(dǎo)體低維異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光電探測(cè)和熱光伏電池領(lǐng)域的應(yīng)用有重要作用。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102436532SQ201110384079
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者李美成, 熊敏 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)