[论文解读] 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 11

一句话总结

该论文在有效质量近似下提出了一种自洽的非平衡格林函数（NEGF）模型，用于预测InAs/GaSb型-II超晶格红外探测器中的超带和光谱输运特性。该方法准确捕捉了载流子局域化、能带对齐以及态密度对层厚、超晶格周期、温度和内建电位的依赖关系，与k.p结果及实验数据高度一致。

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.

研究动机与目标

• 开发一种能够准确预测InAs/GaSb型-II超晶格中超带和光谱电流特性的量子输运模型。
• 研究层厚、超晶格周期、温度和内建电位对载流子约束和输运的影响。
• 将NEGF方法与k.p计算及实验数据进行对比，以验证带隙、能带 offset 和态密度的预测性能。
• 将模型扩展至非周期性、势垒基多色T2SL结构，以预测复杂能带对齐。
• 展示界面建模在实现有限超晶格中准确带隙预测中的重要性。

提出的方法

• 在单带有效质量近似下采用自洽的非平衡格林函数（NEGF）形式化方法进行量子输运模拟。
• 在微扰八带k.p框架下，结合包络函数近似（EFA）与有限差分离散化方法计算能带结构。
• 引入动量和相位破坏的弹性散射过程，以模拟有限T2SL结构中的非相干输运。
• 采用有序算符界面矩阵方法，并引入独立的界面层，以精确模拟破隙超晶格中的异质界面。
• 通过无限超晶格的k.p计算验证NEGF结果，并将有限结构的NEGF结果与实验数据进行比较。
• 将模型扩展至复杂非周期性T2SL结构（如nBn、XBn），以预测能带对齐和光谱响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 InAs/GaSb T2SL中的超带结构和载流子局域化如何依赖于层厚和超晶格周期？
• RQ2 与k.p结果相比，NEGF方法结合有效质量近似在预测有限T2SL中光谱电流和态密度方面的准确性如何？
• RQ3 温度和内建电位在多大程度上影响T2SL中载流子约束和超带耦合？
• RQ4 NEGF模型能否准确预测具有复杂能带对齐的非周期性、势垒基T2SL结构中的带隙和能带 offset？
• RQ5 界面建模（包括界面层）对T2SL中带隙预测准确性的影响如何？

主要发现

• NEGF方法结合有效质量近似在无限超晶格中与k.p结果高度一致，验证了其预测能力。
• InAs和GaSb层厚的变化显著影响能带边位置和有效质量，为光谱调谐提供了关键设计参数。
• NEGF模型准确预测了有限T2SL中的带隙、能带 offset、态密度及空间载流子重叠，与k.p和实验数据一致。
• 载流子局域化和超带耦合显著受温度和内建电位调制，影响扩散长度和隧穿概率。
• 在原胞中引入界面层可减少早期模型中对带隙的高估，提高与实验值的一致性。
• 该方法成功模拟了nBn和XBn等复杂非周期性T2SL结构，实现了多色红外探测器中准确的能带对齐预测。