[論文レビュー] Carrier localization and miniband modeling of InAs/GaSb based type-II superlattice infrared detectors

Swarnadip Mukherjee, Anuja Singh+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Advanced Semiconductor Detectors and Materials参考文献 76被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、有効質量近似における自己整合的非平衡グリーン関数（NEGF）モデルを提示し、InAs/GaSb型IIスーパラティス赤外検出器におけるミニバンドおよびスペクトル輸送特性を予測する。この手法は、層厚さ、スーパーラティス周期、温度、内因的電位に依存するキャリア局在、バンドアライメント、状態密度の依存性を正確に捉え、k.p計算結果および実験データと強い一致を示す。

ABSTRACT

Microscopic features of carrier localization, minibands, and spectral currents of InAs/GaSb based type-II superlattice (T2SL) mid-infrared detector structures are studied and investigated in detail. In the presence of momentum and phase-relaxed elastic scattering processes, we show that a self-consistent non-equilibrium Green's function method within the effective mass approximation can be an effective tool to fairly predict the miniband and spectral transport properties and their dependence on the design parameters such as layer thickness, superlattice periods, temperature, and built-in potential. To benchmark this model, we first evaluate the band properties of an infinite T2SL with periodic boundary conditions, employing the envelope function approximation with a finite-difference discretization within the perturbative eight-band $\bf{k.p}$ framework. The strong dependence of the constituent material layer thicknesses on the band-edge positions and effective masses offers a primary guideline to design performance-specific detectors for a wide range of operations. Moving forward, we demonstrate that using a finite T2SL structure in the Green's function framework, one can estimate the bandgap, band-offsets, density of states, and spatial overlap which comply well with the $\bf{k.p}$ results and the experimental data. Finally, the superiority of this method is illustrated via a reasonable estimation of the band alignments in barrier-based multi-color non-periodic complex T2SL structures. This study, therefore, provides deep physical insights into the carrier confinements in broken-gap heterostructures and sets a perfect stage to perform transport calculations in a full-quantum picture.

研究の動機と目的

• InAs/GaSb型IIスーパーラティスにおけるミニバンドおよびスペクトル電流特性を正確に予測できる量子輸送モデルの開発を目的とする。
• 層厚さ、スーパーラティス周期、温度、内因的電位がキャリア閉じ込めおよび輸送に与える影響を調査することを目的とする。
• 無限大のスーパーラティスに対してNEGF法をk.p計算と比較し、バンドギャップ、バンドオフセット、状態密度のベンチマークを実施することを目的とする。
• 複雑なバンドアライメントを予測するため、非周期的でバリア型のマルチカラータイプIIスーパーラティス構造へのモデルの拡張を目的とする。
• 有限スーパーラティスにおけるバンドギャップ予測の正確性を達成するための界面モデリングの重要性を示すこと。

提案手法

• 量子輸送シミュレーションのため、単一バンド有効質量近似における自己整合的非平衡グリーン関数（NEGF）形式を採用する。
• バンド構造の計算に、有限差分離散化を施したパerturbative八バンドk.pフレームワークにおけるエンベロープ関数近似（EFA）を用いる。
• 有限T2SL構造における非協同的輸送をモデル化するため、運動量および位相破壊性弾性散乱過程を組み込む。
• 破れギャップスーパーラティスにおけるヘテロ界面の正確なモデリングのため、別個の界面層を含むオペレータ順序界面行列アプローチを適用する。
• 無限大のスーパーラティスに対してNEGF結果をk.p計算と比較し、有限構造に対して実験データと照合する。
• バンドアライメントおよびスペクトル応答の予測が可能な、複雑な非周期的T2SL構造（例：nBn、XBn）へのモデルの拡張を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InAs/GaSb T2SLにおけるミニバンド構造およびキャリア局在は、層厚さおよびスーパーラティス周期にどのように依存するか？
• RQ2 有効質量近似を用いたNEGF法が、有限T2SLにおけるスペクトル電流および状態密度をk.p結果と比較してどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 温度および内因的電位は、T2SLにおけるキャリア閉じ込めおよびミニバンド結合にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 非周期的でバリア型のT2SL構造に、複雑なバンドアライメントを有する場合に、NEGFモデルはバンドギャップおよびバンドオフセットを正確に予測できるか？
• RQ5 界面モデリング（界面層の含む）は、T2SLにおけるバンドギャップ予測の正確性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 無限大のスーパーラティスに対して、有効質量近似を用いたNEGF法はk.p計算結果と優れた一致を示し、その予測能力が妥当であることが検証された。
• InAsおよびGaSbの層厚さの変化は、バンド端位置および有効質量に強く影響を与え、スペクトルチューニングの重要な設計パrameterを提供する。
• 有限T2SL構造において、NEGFモデルはバンドギャップ、バンドオフセット、状態密度、および空間的キャリアオーバーラップを正確に予測し、k.p計算および実験データと一致した。
• キャリア局在およびミニバンド結合は、温度および内因的電位の変化によって顕著に変調され、拡산長およびトンネル確率に影響を及ぼす。
• ユニットセルに界面層を組み込むことで、従来のモデルで見られたバンドギャップの過大評価が軽減され、実験値との一致が向上した。
• 本手法は、nBnやXBnなどの複雑な非周期的T2SL構造を正確にモデリングでき、マルチカラーレッドインフラレッド検出器のためのバンドアライメント予測が可能となった。