[发明专利]量子阱红外探测器材料结构的模拟设计方法

摘要

量子阱红外探测器材料结构的模拟设计方法，它涉及一种量子阱红外探测器材料结构的设计方法。针对采用常规量子阱红外探测器材料的分子束外延方法，材料生长速率慢、成本高、不宜对外延生长工艺做大量调整和实时优化问题。方法是：建立物理模型、求解特征能级和波函数、求解总电子密度、利用泊松方程求解新的静电势能、静电势能判断、输出结果、预制微扰自洽迭代。量子阱探测器的结构设计包含了势阱厚度、势垒厚度、势垒高度(铝的含量)、掺杂浓度及总周期数等参数，本发明能结合特定探测器性能要求，综合考虑各种因素确定所需生长的具体的量子阱红外探测器材料，并具有材料生长速率快、成本低、适宜对外延生长工艺做大量调整和实时优化的优点。

主权项

1、一种量子阱红外探测器材料结构的模拟设计方法，其特征在于：所述方法是这样实现的：步骤一、建立物理模型：选择量子阱的结构参数，既势阱厚度L_w＝2nm～6nm；势垒厚度L_B＝20nm～60nm；势垒中铝的组分x_Al＝0.1～0.6；Si掺杂浓度N_D＝1×10¹⁷cm^-3～4×10¹⁸cm^-3；总周期数N为5～100及工作温度T＝0K～350k，建立沿着材料生长方向的导带能级Ec的函数：Ec(z)=0.75×(3.51-0.914T2825+T)(n-1)(LB+LW)≤z<LB+(n-1)(LB+LW)0.75×[3.51x+6.1(1-xAl)-xAl(1-xAl)-2.15T21561+T]LB+(n-1)(LB+LW)≤z≤n(LB+LW)---(1)]]>其中n＝1，2，...，N；步骤二、求解特征能级E_i和波函数Ψ_i，其中i为子带能级的序数：将导带能级Ec带入到势函数V中，即：V＝E_c-eΦ(2)其中：e为核电荷数；Φ为静电势能，初始值设为0；然后将V带入到薛定谔方程中，即：其中m^*为有效质量、为普朗克常数、z为材料生长方向；步骤三、求解总电子密度n_q(Φ)：为了计算得到总电子密度n_q(Φ)，需要计算每个能级上的电子密度并求和，将步骤二中得到的特征能级E_i和波函数Ψ_i带入下式：其中：k_B为波尔兹曼常数；T为工作温度；π为圆周率；E_f为费米能级，E_f通过电流连续方程得出；步骤四、求解新的静电势能Φ’：将经步骤三计算得到的总电子密度n_q(Φ)带入到泊松方程中，即：ddzϵddzΦ′=q[nq(Φ)-ND]---(5)]]>得到新的静电势能Φ’，其中ε为介电常数；步骤五、静电势能判断：如果||Φ′-Φ||＝0成立，说明静电势能保持稳定，继续下一步骤六；如果||Φ′-Φ||＝0不成立，则跳到步骤七；步骤六、输出结果：最后得到设计结构的总电子密度n_q(Φ)、特征能级E_i和波函数Ψ_i；步骤七、预制微扰自洽迭代：具体过程如下：7.1预制微扰计算新的总电子密度n^k_q，k代表微扰：7.2求解泊松方程：ddzϵddzΦk=q(nqk-ND)---(7)]]>得到新的微扰静电势能Φ^k；7.3微扰静电势能判断：如果qΔΦ＝q(Φ^k-Φ)＝0成立，回调到步骤二，同时Φ^k替换成Φ；如果qΔΦ＝q(Φ^k-Φ)＝0不成立跳回到步骤7.1，同时Φ被替换成Φ’，Φ’被替换成Φ^k。