InAs-(In)GaSb超晶格的能帶結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)研究.pdf

1、本文按照第一性原理方法并利用k·p理論對(duì)InAs/(In)GaSb超晶格的電子能帶結(jié)構(gòu)、力學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算和分析，著重探討了InAs/(In)GaSb超晶格在光電子應(yīng)用中的一些重要問(wèn)題：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、俄歇壽命、界面結(jié)構(gòu)與弛豫、低維系統(tǒng)（原子鏈、納米線和納米管超晶格）等。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一種在同一材料（工作區(qū)）上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波段同時(shí)探測(cè)的雙色紅外光電探測(cè)器，簡(jiǎn)單模擬了光電流響應(yīng)譜。最后，對(duì)在InAs/(In)GaSb超晶格等低維結(jié)

2、構(gòu)半導(dǎo)體中可能存在的非粒子反轉(zhuǎn)量子相干紅外激光發(fā)射機(jī)制進(jìn)行了理論分析和討論。
　　文中首先介紹了InAs/(In)GaSb超晶格的研究背景、相關(guān)的材料特性和幾種基本的光電子探測(cè)元件以及能帶結(jié)構(gòu)的一般計(jì)算方法。闡述了密度泛函理論（DFT）體系及其數(shù)值計(jì)算方法在近幾十年來(lái)取得了巨大發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料和生物等學(xué)科的理論研究中。對(duì)第一性原理計(jì)算的基本理論（密度泛函理論）及其擴(kuò)展形式進(jìn)行綜述，并簡(jiǎn)要介紹了一些第一性原理計(jì)算軟

3、件包。
　　利用包絡(luò)函數(shù)近似的8帶k·p理論對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)的自立[001]InAs/InxGa1-xSb超晶格的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算，其中包括各個(gè)主要子能帶的能級(jí)與色散、截止波長(zhǎng)、C1和HH1子帶寬度、動(dòng)量矩陣元、C1子帶在布里淵區(qū)中心的有效質(zhì)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問(wèn)題進(jìn)行討論和分析，對(duì)于所計(jì)算的各種物理量指出了InAs/InxGa1-xSb超晶格優(yōu)化結(jié)構(gòu)的參數(shù)區(qū)域。從理論上證明了通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可使多參變量的I

4、nAs/InxGa1-xSb超晶格應(yīng)用于高探測(cè)率的長(zhǎng)波紅外（LWIR，8-14μm）光電探測(cè)器。
　　根據(jù)8帶k·p理論計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)，用三種俄歇復(fù)合過(guò)程同時(shí)受抑制的機(jī)制對(duì)InAs/InxGa1-xSb超晶格的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠應(yīng)用于高探測(cè)率LWIR探測(cè)器。通過(guò)第一性原理的完整形式，基于全勢(shì)能線性化增廣平面波方法確定的精確能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)，推算了技術(shù)上具有重要意義的窄帶隙半導(dǎo)體超晶格中載流子俄歇復(fù)合時(shí)間。n-摻雜HgTe/Cd

5、Te和InAs/InxGa1-xSb超晶格的空穴俄歇壽命的計(jì)算結(jié)果與一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，說(shuō)明該計(jì)算模式可以作為一種精確的手段用于計(jì)算窄帶隙超晶格材料的載流子俄歇壽命。
　　通過(guò)廣義梯度近似的第一性原理全電子相對(duì)論計(jì)算，研究了不同界面類型InAs/GaSb超晶格的界面結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和光吸收特性，著重考查并分析了超晶格界面層原子發(fā)生弛豫的影響。通過(guò)計(jì)算InAs/GaSb超晶格的電子總能量和應(yīng)力來(lái)確定弛豫界面結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，界面S

6、b原子的化學(xué)鍵和離子性對(duì)InAs/GaSb超晶格的界面結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性起著至關(guān)重要的作用。
　　對(duì)InAs/GaSb超晶格的三種低維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第一性原理研究，一共分為三部分。第一部分利用第一性原理贗勢(shì)平面波法以及DFT數(shù)值基組展開和非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)InAs/GaSb原子鏈超晶格的原子結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、電子能帶結(jié)構(gòu)和聲子結(jié)構(gòu)、量子輸運(yùn)和光學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算。與二維層結(jié)構(gòu)的InAs/GaSb超晶格相比，InAs/GaS

7、b原子鏈超晶格的能帶結(jié)構(gòu)有明顯的不同，隨超胞中InAs和GaSb雙原子數(shù)量的多少而變化，在某些情況下表現(xiàn)出金屬能帶特性。通過(guò)對(duì)聲子的完整布里淵區(qū)分析來(lái)研究InAs/GaSb原子鏈超晶格的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。量子輸運(yùn)特性的計(jì)算表明電導(dǎo)隨鏈長(zhǎng)和應(yīng)變的改變而發(fā)生變化。某些結(jié)構(gòu)的光吸收譜表現(xiàn)出在紅外波段的陡峭吸收邊，截止波長(zhǎng)隨原子鏈超晶格的結(jié)構(gòu)而改變。第二部分用與第一部分類似的第一性原理方法來(lái)計(jì)算軸線沿[001]和[111]閃鋅礦晶體學(xué)方向的(InAs

8、)1/(GaSb)1納米線超晶格（下標(biāo)表示分子或雙原子單層的數(shù)量）的結(jié)構(gòu)、電子、力學(xué)和光學(xué)特性。計(jì)算結(jié)果表明，由于表面的影響，徑向晶格常數(shù)隨線徑的減小而減??；和普通的單一材料納米線類似，(InAs)1/(GaSb)1納米線超晶格的楊氏模量和泊松比隨線徑的減小分別減小和增加。(InAs)1/(GaSb)1納米線超晶格帶隙寬度隨線徑變化呈現(xiàn)1/Dn（D為納米線直徑，n<1）的趨勢(shì)。由于能帶色散隨軸向應(yīng)變發(fā)生變化，有效質(zhì)量會(huì)隨軸向應(yīng)變而發(fā)生變

9、化，甚至在小線徑結(jié)構(gòu)中會(huì)發(fā)生直接帶隙向間接帶隙的轉(zhuǎn)變。第三部分利用第一性原理贗勢(shì)平面波法計(jì)算了(10,0) InAs、GaSb、InxGa1-xSb納米管和InAs/InxGa1-xSb納米管超晶格的結(jié)構(gòu)和電子特性。InAs、GaSb和InxGa1-xSb納米管表現(xiàn)為半導(dǎo)體直接帶隙。InAs/InxGa1-xSb納米管超晶格（0　　最后，設(shè)計(jì)

10、了一種新結(jié)構(gòu)InAs/InxGa1-xSb超晶格雙色光電探測(cè)器，在同一探測(cè)材料的相同工作區(qū)上完成短波和長(zhǎng)波紅外兩個(gè)波段光譜的同時(shí)探測(cè)。該結(jié)構(gòu)是用特殊的雜質(zhì)摻雜和層結(jié)構(gòu)以及雙外部電路來(lái)分離并檢測(cè)兩個(gè)波段紅外光譜的光電流。兩個(gè)紅外波段的光響應(yīng)率模擬值與一些文獻(xiàn)報(bào)道的相應(yīng)單色探測(cè)器可以相比較。還提出了一種在非粒子反轉(zhuǎn)條件下量子阱、超晶格和量子點(diǎn)激光器的紅外發(fā)射機(jī)制。它們是基于在同一作用區(qū)產(chǎn)生并作為紅外場(chǎng)量子相干源的兩種帶間躍遷激光場(chǎng)的共振非線