专利名称：InAs/GaSb超晶格电子结构的设计方法
技术领域：
本发明属于平面红外探测器材料的电子结构设计技术领域，特别涉及用于中波与长波光源、探测器以及热光伏电池等领域的具有M型势垒层的一种InAs/feSb超晶格电子结构的设计方法。
背景技术：
InAs/GaSb超晶格作为下一代焦平面红外探测器的优选材料，随着诸多科学与技术难题的突破，逐渐显示出了在民用以及军事领域的巨大应用前景。InAs/feSb超晶格能带结构属于第二类不对称型，其中InAs层的导带低于(iaSb层的价带，能带重叠约为150meV。 电子限制在InAs层中，而空穴限制在feiSb层中，邻近层中的电子和空穴相互耦合，使超晶格中的能级扩展为微带。超晶格的能带结构易于通过材料结构进行裁减，可使超晶格对辐射的响应几乎覆盖了整个红外区域(3 25 μ m)。AlSb材料晶格常数为6.1355A，由于相对Ga釙衬底较小的晶格失配( 6. 5%0) 以及较大的带隙值O. 4eV)，非常适合作为势垒材料用于结构设计与器件实现。AlSb材料与(iaSb、InAs的晶格常数相近，并且可作为电子与空穴两种载流子的势垒，限制载流子运动。将AlSb以及与( 元素形成的合金AlfeiSb材料加入到InAs/feiSb超晶格，能增加超晶格结构的设计元素，并能进一步提升器件的光电性能。
发明内容
本发明的目的是提供具有M型势垒层的一种InAs/feSb超晶格电子结构的设计方法，其特征在于，采用经验紧束缚法，通过非线性最小二乘拟合确定紧束缚参数，开展具有 Al (Ga) Sb势垒层的InAs/feSb超晶格结构设计，同时研究了 Al组分对超晶格光电性能的影响。具体步骤如下a.经验紧束缚方法紧束缚方法用局域的原子轨道作为基函数来展开体系的电子波函数，以此来求解Schr0dinger方程。采用L0wdin正交化的原子轨道作为基函数后可避免原子轨道处在不同的格点上引起的多中心积分计算，在Slater-Koster关系框架下， 原子轨道互作用的哈密顿矩阵元被看成参量，其数值由布里渊区中心或边界上高对称k点的精确理论值或实验值拟合而得，这就是经验紧束缚方法。b.电子波函数模型选取采用sp3s*模型来展开电子波函数，该模型包含五个 L0wdin轨道s，pX，py，pz与S*。处理原子轨道的相互作用时采用二心近似，只考虑最近邻原子间的原子轨道相互作用。采用sp3s*模型与二心近似下紧束缚参数有15个Esa，EsC， Epa, Epc, Es*a, Es 氺 c, Ess, Esapc, Epasc, Es 氺 ape, Epas 氺 c, Exx, Exy, Δ a % Ac。 ^ : ^= 可以通过拟合第一性原理计算以及实验获得的半导体材料的能带结构数据而得到。c. AlSb能带解析表达式与有效质量在计算AlSb的能带结构时，采用非线性最小二乘法拟合，将AlSb在高对称点处的能带解析表达式与有效质量拟合到实验值，即通过考虑次近邻原子的相互作用以及引入能量更高的激发态原子轨道s*，可以更好的拟合导带在X与L点的形状；d. M型超晶格的能带计算采用上面拟合得到的紧束缚参数用于超晶格的能带计算，将AlSb层加入InAs/feiSb超晶格中可形成M型超晶格，GaSb层是空穴的势阱层，而AlSb 层的插入使势阱层一分为二，空穴被限制到两个更小的势阱中，空穴被限制在变窄的势阱中以后对阱宽的变化更加敏感，空穴子带的位置与宽度更易于调节。AlSb层加入后，对带边的调节在150meV，明显高于普通的InAs/feiSb超晶格50meV的调节量；加入6层AlSb以后，有效质量的调节已经接近0.3，而普通的InAs/feSb超晶格有效质量小于0. 1 ；e. AlGaSb势垒层替代AlSb层在M超晶格中，势垒层的高低与位置的变化都将引起超晶格能带的改变。在M超晶格中，AlSb层既是电子也是空穴的势垒，若将AlSb层用 AlfeSb来代替，通过调节AlfeSb层中Al的组分即可控制势垒层的高度变化，从而引起超晶格能带的改变；f.具有AlfeiSb势垒层的超晶格的电子结构在中短波响应的结构为InAs6A^Sb2/ Al (Ga) Sb3/GaSl32超晶格，采用经验紧束缚方法计算所沿超晶格第一布里渊区内Γ -Z 方向的第一电子子带ECl与第一空穴子带HHl的色散关系，可以看出采用合金势垒层后势垒下降，有效带隙明显变窄，由此可以增加超晶格的响应波段；g具有Alfe^b势垒层的InAs/fe^b超晶格的制备以GaAs或( 基片作衬底， 采用分子束外延技术进行InAs/feSb超晶格的生长；在生长过程中，采用AlfeSb势垒层，通过适当的束流调节，在feSb层外延生长结束后，只需再打开Al快门即可。所述步骤c中，将AlSb在高对称点处的能带解析表达式与有效质量拟合到实验值，通过考虑次近邻原子的相互作用以及引入能量更高的激发态原子轨道s*，拟合导带在 X与L点的形状；采用sp3s*模型，用完整的体系哈密顿计算得到的能带结构中能级都是二重简并的，可将基组分为两套子基组，各自均可独立有效的描述体系的电子结构，这里给出 Γ点的套子基组
权利要求
1.一种InAs/feSb超晶格电子结构的设计方法，其特征在于，采用经验紧束缚法，通过非线性最小二乘拟合确定紧束缚参数，开展具有Al (Ga) Sb势垒层的InAs/feSb超晶格结构设计，同时研究了 Al组分对超晶格光电性能的影响。具体步骤如下a.经验紧束缚方法紧束缚方法用局域的原子轨道作为基函数来展开体系的电子波函数，以此来求解Schr5dinger方程。采用Iikdin正交化的原子轨道作为基函数后可避免原子轨道处在不同的格点上引起的多中心积分计算，在Slater-Koster关系框架下， 原子轨道互作用的哈密顿矩阵元被看成参量，其数值由布里渊区中心或边界上高对称k点的精确理论值或实验值拟合而得，这就是经验紧束缚方法。b.电子波函数模型选取采用sp3s*模型来展开电子波函数，该模型包含五个 Iikdin轨道s，px, py, pz与s*。处理原子轨道的相互作用时采用二心近似，只考虑最近邻原子间的原子轨道相互作用。采用sp3s*模型与二心近似下紧束缚参数有15个疋sa， Esc, Epa, Epc, Es 氺a，Es氺c，Ess, Esapc, Epasc, Escape, Epas氺c，Exx, Exy, A a 与 Ac。 参数可以通过拟合第一性原理计算以及实验获得的半导体材料的能带结构数据而得到。C. AlSb能带解析表达式与有效质量在计算AlSb的能带结构时，采用非线性最小二乘法拟合，将AlSb在高对称点处的能带解析表达式与有效质量拟合到实验值，通过考虑次近邻原子的相互作用以及引入能量更高的激发态原子轨道s*，可以更好的拟合导带在X与L 点的形状；d.M型超晶格的能带计算采用上面拟合得到的紧束缚参数用于超晶格的能带计算， 将AlSb层加入InAs/feiSb超晶格中可形成M型超晶格，GaSb层是空穴的势阱层，而AlSb层的插入使势阱层一分为二，空穴被限制到两个更小的势阱中，空穴被限制在变窄的势阱中以后对阱宽的变化更加敏感，空穴子带的位置与宽度更易于调节。AlSb层加入后，对带边的调节在150meV，明显高于普通的InAs/feiSb超晶格50meV的调节量；加入6层ABb以后，有效质量的调节已经接近0. 3，而普通的InAs/fe^b超晶格有效质量小于0. 1 ；e.AlGaSb势垒层替代AlSb层在M超晶格中，势垒层的高低与位置的变化都将引起超晶格能带的改变。在M超晶格中，AlSb层既是电子也是空穴的势垒，若将AlSb层用AlfeiSb 来代替，通过调节AlfeSb层中Al的组分即可控制势垒层的高度变化，从而引起超晶格能带的改变；f.具有AlfeiSb势垒层的超晶格的电子结构在中短波响应的结构为InAs6A^Sb2/ Al (Ga) Sb3/GaSl32超晶格，采用经验紧束缚方法计算所沿超晶格第一布里渊区内Γ -Z 方向的第一电子子带ECl与第一空穴子带HHl的色散关系，可以看出采用合金势垒层后势垒下降，有效带隙明显变窄，由此可以增加超晶格的响应波段；g具有AlfeiSb势垒层的InAs/feiSb超晶格的制备以GaAs或(iaSb基片作衬底，采用分子束外延技术进行InAs/feSb超晶格的生长。在生长过程中，采用AlfeSb势垒层，通过适当的束流调节，在feSb层外延生长结束后，只需再打开Al快门即可。
2.根据权利要求1所述InAs/feSb超晶格电子结构的设计方法，其特征在于，所述步骤c中，将AlSb在高对称点处的能带解析表达式与有效质量拟合到实验值，通过考虑次近邻原子的相互作用以及引入能量更高的激发态原子轨道s*，拟合导带在X与L点的形状；采用sp3s*模型，用完整的体系哈密顿计算得到的能带结构中能级都是二重简并的，可将基组分为两套子基组，各自均可独立有效的描述体系的电子结构，这里给出Γ点的套子基组
3.根据权利要求1所述^As/GaSb超晶格电子结构的设计方法，其特征在于，所述超晶格的中短波响应的结构为InAs6/GaSb2/Al (Ga) Sb3/GaSb2的M超晶格，实现了响应波段的有效调节。
全文摘要
本发明公开了属于平面红外探测器材料的电子结构设计技术领域的一种具有M型势垒层的一种InAs/GaSb超晶格电子结构的设计方法。该InAs/GaSb超晶格电子结构为具有的InAs/GaSb超晶格电子结构的焦平面红外探测器的材料；采用经验紧束缚法，通过非线性最小二乘拟合确定紧束缚参数，开展具有Al(Ga)Sb的M型势垒层InAs/GaSb超晶格电子结构设计，同时研究了Al组分对超晶格光电性能的影响、实现具有AlGaSb势垒层的M型InAs/GaSb超晶格结构设计。并简化分子束外延生长工艺条件，减轻生长过程中引起的成分波动。本发明对于促进锑化物半导体低维异质结构在光电探测和热光伏电池领域的应用有重要作用。
文档编号G06F17/50GK102436532SQ201110384079
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者李美成, 熊敏 申请人:华北电力大学