[논문 리뷰] Carrier localization and miniband modeling of InAs/GaSb based type-II superlattice infrared detectors

Swarnadip Mukherjee, Anuja Singh외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 15.

Advanced Semiconductor Detectors and Materials참고 문헌 76인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 인아르세닉/갈륨안티몬형 타입-II 초격자 적외선 검출기에서 미니밴드 및 스펙트럼 전송 특성을 예측하기 위해 효과적 질량 근사법 내에서 자기구속적인 비평형 그린함수(NEGF) 모델을 제시한다. 이 방법이 층 두께, 초격자 주기, 온도 및 내재 전위에 따른 정렬된 밴드, 전하 운반자 국소화 및 상태 밀도의 의존성을 정확하게 포착함을 입증하였으며, k.p 계산 결과 및 실험 데이터와 강한 일치를 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• InAs/GaSb 타입-II 초격자에서 미니밴드 및 스펙트럼 전류 특성을 정확히 예측할 수 있는 양자 전송 모델을 개발하기 위해.
• 층 두께, 초격자 주기, 온도 및 내재 전위가 전하 운반자 봉쇄 및 전송에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 밴드 갭, 밴드 오프셋 및 밀도 상태에 대한 NEGF 방법을 k.p 계산 및 실험 데이터와 비교하여 검증하기 위해.
• 복잡한 밴드 정렬 예측을 위해 비주기적, 장벽 기반 다색 T2SL 구조로 모델을 확장하기 위해.
• 유한한 초격자에서 정확한 밴드 갭 예측을 달성하기 위해 인터페이스 모델링의 중요성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 양자 전송 시뮬레이션을 위해 단일 밴드 효과적 질량 근사법 내에서 자기구속적인 비평형 그린함수(NEGF) 형식을 적용하였다.
• 밴드 구조를 계산하기 위해 유한차분 이산화를 적용한 페르투르베이티브 8밴드 k.p 프레임워크 내에서 환경 함수 근사(EFA)를 사용하였다.
• 유한한 T2SL 구조에서 비구속적 전송을 모의하기 위해 동역량 및 위상 파괴성 탄성 산란 과정을 통합하였다.
• 이질계면을 정확히 모의하기 위해 별도의 인터페이스 층을 포함한 연산자 순서 인터페이스 행렬 방법을 적용하였다.
• 무한한 초격자에서 NEGF 결과를 k.p 계산 결과와 비교하고, 유한한 구조에서 실험 데이터와 비교하여 검증하였다.
• nBn, XBn 등 복잡한 비주기적 T2SL 아키텍처로 모델을 확장하여 밴드 정렬 및 스펙트럼 응답 예측을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InAs/GaSb T2SL의 미니밴드 구조 및 전하 운반자 국소화는 층 두께와 초격자 주기에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 효과적 질량 근사법을 사용한 NEGF 방법이 k.p 결과와 비교해 복합한 T2SL에서 스펙트럼 전류 및 밀도 상태를 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ3 온도 및 내재 전위는 T2SL에서 전하 운반자 봉쇄 및 미니밴드 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비주기적, 장벽 기반 T2SL 구조에서 복잡한 밴드 정렬을 갖는 경우, NEGF 모델이 밴드 갭 및 밴드 오프셋을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 인터페이스 모델링(인터페이스 층 포함)은 T2SL에서 밴드 갭 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 효과적 질량 근사법을 사용한 NEGF 방법은 무한한 초격자에서 k.p 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 그 예측 능력을 검증하였다.
• InAs 및 GaSb의 층 두께 변화는 밴드 에지 위치와 효과적 질량에 강력한 영향을 미치며, 스펙트럼 튜닝을 위한 핵심 설계 매개변수로 기능한다.
• NEGF 모델은 복합한 T2SL에서 밴드 갭, 밴드 오프셋, 밀도 상태 및 공간적 전하 운반자 겹침을 정확히 예측하였으며, k.p 결과 및 실험 데이터와 일치하였다.
• 온도 및 내재 전위는 전하 운반자 국소화 및 미니밴드 결합을 크게 조절하며, 이는 확산 길이 및 터널링 확률에 영향을 미친다.
• 단위 세포에 인터페이스 층을 포함시킴으로써 이전 모델에서 관찰된 밴드 갭 과대 예측을 줄였으며, 실험 값과의 일치도를 향상시켰다.
• 이 방법은 nBn 및 XBn 등 복잡한 비주기적 T2SL 아키텍처를 성공적으로 모의하여 다색 적외선 검출기용 정확한 밴드 정렬 예측을 가능하게 하였다.