在構(gòu)建基于超晶格的紅外探測器結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)特別考慮吸收體超晶格的固有性質(zhì)，其中許多是由能帶結(jié)構(gòu)揭示的。我們首先檢查圖 1.5中塊狀 InAs 和 GaSb 的復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)，使用增強(qiáng)的有效鍵軌道模型 ( Cartoixà et al., 2003 ) 計(jì)算，其中包括塊狀反轉(zhuǎn)不對稱效應(yīng)。材料參數(shù)取自Vurgaftman等人。（2001 年）。復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)顯示了導(dǎo)帶和價(jià)帶，以及倏逝態(tài)。根據(jù)或者，其中k z是虛數(shù)。因此，它們與假想波矢量相關(guān)聯(lián)，如圖 1.5A和圖復(fù)合 B 的左圖所示。紅外光電二極管的隧穿泄漏特性由帶隙中倏逝波的特性控制。在給定能量下，如果對稱允許，最有利的隧穿泄漏路徑由具有最小虛波矢量的倏逝態(tài)提供。這是由連接導(dǎo)帶邊緣和光孔帶邊緣的虛帶分支給出的。這在圖 1.5A中清晰可見，其中 InAs 重孔和輕孔帶由于小應(yīng)變而略微分裂（我們故意將 InAs 應(yīng)變到 GaSb 襯底晶格常數(shù)）。通常，通過比較 InAs 和圖 1.5中的 GaSb. 或者，可以說較大的導(dǎo)帶有效質(zhì)量也導(dǎo)致減少的隧穿，因?yàn)榫哂休^大帶隙的半導(dǎo)體也具有較大的導(dǎo)帶有效質(zhì)量。小虛波矢量與小帶隙相關(guān)的事實(shí)是基于窄帶隙體半導(dǎo)體的LWIR同質(zhì)結(jié)pn二極管遇到隧道泄漏問題的根本原因。

 

我們接下來檢查超晶格能帶結(jié)構(gòu)，以了解如何減少 LWIR II 型超晶格中的隧穿泄漏。圖 1.6顯示了 (22,6)-InAs/GaSb LWIR 超晶格的能帶結(jié)構(gòu)，使用增強(qiáng)的有效鍵軌道模型計(jì)算（Cartoixà等人， 2003 年））。計(jì)算不包括空間電荷效應(yīng)（由斷隙排列引起的從GaSb到InAs的電荷轉(zhuǎn)移）、界面類型或界面擴(kuò)散，并且受能帶結(jié)構(gòu)模型的限制和材料精度的不確定性參數(shù)。因此，與本工作中提出的其他能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算一樣，在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)僅將其視為半定量。超晶格能帶結(jié)構(gòu)區(qū)別于典型體半導(dǎo)體的一個(gè)顯著特征是在區(qū)域中心的最高重空穴帶（HH1）和最高輕空穴帶（LH1）的分裂。雖然紅外吸收邊緣由最低導(dǎo)帶（C1）和HH1帶之間的間隙決定，電子有效質(zhì)量由C1-LH1間隙決定。在無應(yīng)變體半導(dǎo)體中，這兩個(gè)間隙是相同的。在超晶格中，較大的 C1-LH1 間隙導(dǎo)致相對于具有相同基本帶隙的體半導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量顯著更大。較大的電子有效質(zhì)量有利于減少帶間隧穿以及陷阱輔助隧穿。