短周期ⅱ型inasgasb超晶格中红外探测.doc

短周期Ⅱ型 InAs/GaSb 超晶格中红外探测 袁方园 金芹 潍坊科技学院 中国矿业大学物理学院 摘 要： 文章研究了短周期 InAs/GaSb (SLs) Ⅱ型超晶格的红外光电特性研究发现将InAs/GaSb 超晶格各层生长宽度调节在 20/25 左右, 可以实现中红外波段的禁带宽度我们发展了修正的八能带 K.P 模型计算了该超晶格系统的电子子带结构, 模型充分考虑了生长层之间的界面效应模型只需要微观界面效应这一个可调参数, 就可以得到与实验结果符合的非常好的理论结果研究发现将 GaSb的厚度固定为 24, InAs 的厚度从 23 降到 17 时, SLs 的带隙宽度可以从275 meV 调节到 346 meV;或者 InAs 的厚度为 21, GaSb 的厚度从 18 增加到27 时, SLs 的带隙宽度可以从 254meV 调至 313meV该理论研究证明短周期InAs/GaSbⅡ型 SLs 可以应用于带宽为 35μm 的中红外光电探测关键词： 中红外探测; InAs/GaSb; 超晶格; 作者简介：袁方园 (1982-) , 女, 山东潍坊人, 讲师, 主要从事材料光电性质的研究工作。

E-mail:415123671@.com.作者简介：金芹, E-mail:1283461641@.com.收稿日期：2017-04-25基金：中央高校基本科研业务费专项资金 (批准号:2015XKMS077) Short-period InAs/GaSb type-II Superlattices for Mid-infrared DetectionYUAN Fang-yuan JIN Qin Weifang College of Science and Technology; College of Physics, China University of Mining and Technology; Abstract： We presented a theoretical study on optoelectronic properties of short-period InAs/GaSb type-Ⅱsuperlattices (SLs) grown along the[001]direction.The InAs/GaSb layer widths were varied around 20/25to achieve a variety of mid-infrared band gaps.The electronic mini-band structure for such SLs is calculated by the modified eight-band K·P model that incorporates the microscopic interface effect.With only one adjustable parameter characterizing the microscopic interface effect, we can achieve a good agreement between theoretical results and experimental data.Varying the SL layer thickness, we are able to change the SL band gap from 275 to 346 meV by decreasing the InAs layer thickness from 23to 17at a fixed GaSb layer thickness of 24, or from 254 to 313 meV by increasing the GaSb layer thickness from18to 27at a fixed InAs layer thickness of 21.This study confirms further that short-period InAs/GaSb type-II SLs can be used as mid-infrared photodetectors working at the 35μm bandwidth.Keyword： mid-infrared detection; InAs/GaSb; superlattices; Received： 2017-04-25在 InAs/GaSbⅡ型超晶格 (SL) 系统中, 电子和空穴分别局限在 InAs 和 GaSb层, 这与电子和空穴局限在相同的材料层的传统的半导体 SL 系统形成鲜明对比。

利用这个性质, InAs/GaSbⅡ型 SL 中, InAs 层的电子态和 GaSb 层的空穴态之间的能量分布可以通过改变 SL 层的厚度进行有效调控另外, InAs/GaSbⅡ型超晶格还具有 InAs 的导带底低于 GaSb 的价带顶的断带结构, 通过调整 SL 层的生长厚度, SL 的带隙可以实现在 2~30μm 的波长范围内变化在无掺杂InAs/GaSbⅡ型 SL 中, 电子/空穴与辐射光场相互作用, 存在两种主要的光吸收通道一种是在 GaSb 层中电子吸收光子从被占据的价带通过禁带跃迁到 InAs层的导带中另一种是在相同的材料层中激发电子从被占据的导带或价带跃迁到没有被占据的导带或价带的带内光跃迁这种带间和带内光跃迁通道也可以通过调整 SL 层的厚度实现由于这些独特的电子特性, InAs/GaSbⅡ型超晶格是制作高速红外探测器重要的材料[1]最近几年的研究显示 InAs/GaSbⅡ型超晶格可以被用于各种非制冷光电探测器, 这种探测器可以在中红外波长 (MIR) 范围内 (3~5μm) 工作[2]哈尔滨技术研究所的科研人员研究了 InAs/GaSbⅡ型超晶格的层间原子混合和分离现象, 其原因是原子间的不同的交换能[3]。

最近, Razeghi 研究组利用 InAs/GaSbⅡ型超晶格研制了室温下量子效率高达 41%的短红外 nBn 型光子探测器[4], 该研究组还利用 InAs/GaSbⅡ型超晶格制备了高电流增益的中红外异质结光子晶体管[5]更重要的是, Hoang 等人利用InAs/GaSbⅡ型超晶格研制了可以同时探测短-中-远波段红外的三色探测器, 该研究成果进一步推动了 InAs/GaSbⅡ型超晶格在红外领域的应用[6]理论上, 通过改进的密度泛函理论计算, 可以较准确的计算 InAs/GaSbⅡ型超晶格的带隙宽度[7]理论和实验研究发现, 通过调控 InAs/GaSbⅡ型超晶格层间的应力, 可以有效的调控该结构的光学性质[8]西北工业大学的研究团队利用分子束外延生长了高质量的 InAs/GaSbⅡ型超晶格, 并在此基础上发展了有效的方法制备高效的室温下的红外探测器[9]实验研究已经证明, SL 层的厚度为 20/25 左右时, GaSb 层中的最高的重空穴子带和 InAs 层中的最低的电子子带之间可以出现 MIR 范围的带隙[2]实验发现对于 InAs/GaSb SLs 作为非制冷 MIR 光电探测器的实现具有借鉴意义。

结合实验研究结果[2], 我们将通过理论研究来检测 InAs/GaSbⅡ型 SLs 光吸收性质与层厚度之间的关系, 解释相应的实验结果, 理解短周期Ⅱ型 InAs/GaSb 超晶格的光电性质1 理论模型短周期Ⅱ型 InAs/GaSb 超晶格典型的生长结构, 如图 1 所示, 系统 z 轴沿着[001]生长方向, x 轴和 y 轴分别沿着[100]和[010]方向八能带 K.P 模型和包络函数理论用于研究这种 SL 系统, 有以下一组基态SL 中八带 K.P 哈密顿量可以表示为其中, 第一项 HK是与波矢 K 有关的哈密顿量, 第二项 HS描述了自旋轨道相互作用, 最后一项 HI代表了微观界面哈密顿量[10]文献[11]中已给出 HK, HS和 HI的具体形式K.P 哈密顿量 HK+HS取决于以下的材料参数:导带边能量 Ec, 价带边能量 Ev, 带间动量矩阵元 P, 电子有效质量 me, Luttinger 参数 γ i (i=1, 2, 3) 和自旋轨道劈裂能量 Δ微观界面哈密顿量 HI取决于一个可调参数 HXY, 它表示微观界面势能的强度如图 1 所示, 由于不同的界面处由两种不同的原子形成不同的化学键, 如 As-Ga 和 Sb-In, 因此会使得电子感受到不同的势能, HXY能够有效地反应该势能的大小。

包括 HI在内, 这个模型就是修正八能带 K.P模型, 反之如果不包含 HI则为标准的八能带 K.P 模型Fig.1 Typical band alignment for an InAs/GaSb type-ⅡSL grown along he z axis.图 1 InAs/GaSbⅡ型 SL 沿着 z 轴生长的典型的生长结构图中标注CB1 和 VB1 的两条阴影带分别代表了最低的传导子带和最高的价子带是 CB1子带底和 VB1 子带顶之间的带隙 下载原图子带的能量谱和相应的波函数可以由薛定谔方程求得其中 Ψ 是波函数, E 是对应的能量色散利用布洛赫边界条件, 我们通过有限差分的方法求解薛定谔方程[12]在获得 SL 的能谱和波函数的基础之上, 我们可以计算出由带间电子跃迁产生的光学矩阵元和吸收系数这些光电系数的理论验证对设计 SL 光探测器非常重要带间光吸收系数可以由玻尔兹曼方程得到, 表示为[10]公式 (4) 的求和可以进行数值解, 但是, 为了简化计算我们可以做以下近似假设平方项光学矩阵元 无关, 因此, 可以有这是在 SLs 中计算光电特性时常使用的一种近似[13], 其正确性已经被 Chang和 Schulman 严格的证明[14], 我们进一步假设导带色散关系是抛物线形式[13]。

其中, m n是对应 n 子带导带 x-y 面内有效质量, ε n (q) 是 SL 的 n 导带子带沿生长方向的能量同理, 我们假设价带色散关系也是抛物线形式大多数情况下抛物线近似很适用子带面内有效质量可以根据能带结构进行数值计算根据上述近似, 方程可以简化为2 结果与讨论我们研究了短周期沿[001]方向生长 InAs/GaSbⅡ型超晶格的电子结构和光电性质在理论计算时需要输入 InSb 型界面相互作用参数 HXY为了确定这个唯一一个参数, 固定 GaSb (InAs) 层厚度在 24 (21) 时, 我们可以使得 InAs (GaSb) 层厚度在 15 到 30 内变化, 并且每次增加 1 我们的实验样品包括了这些 InAs/GaSb 的层厚度的范围[2]对 21/24SL 样品, 通过计算发现HXY=750 meV 是最适合的实验数据图 2 中我们计算给出了禁带宽度随 InAs (GaSb) 层厚度 LA (LB) 变化关系和比较用实验所得到的带隙能量[2], 在图 (a) 中当 GaSb 的层厚度 LB不变时 InAs 的层厚度 LA是变化的, 在图 (b) 中当InAs 的层厚度 LA不变时 GaSb 的层厚度 LB是变化的。

图中表明拟合值HXY=750meV 时, 在 SL 中带隙能量的理论结果和实验数据吻合非常好这个值与之前的理论研究使用的数值具有相同的量级[13]在图 2 中我们可以看出在层厚度约为 20/25 时, InAs/GaSbⅡ型超晶格的带隙在中红外波长范围内 (3~5μm) 而且可以通过简单调节 InAs 和 GaSb 层厚度进行调控当电子层 (InAs) 厚度增加时, 超晶格的带隙会减小;而空穴层 (GaSb) 厚度增大时, 超晶格的带隙会增大这是由于空。