[发明专利]一种超晶格红外探测材料的能带结构计算方法

说明书

本发明公开了一种超晶格红外探测材料的能带结构计算方法，包括如下步骤：确定所需优化的元素种类以及半导体种类；利用密度泛函计算各半导体的晶格常数，调节泛函参数或/和元素的赝势和基组，实现各半导体的晶格常数的优化，使计算出的各半导体的晶格常数满足设定要求，确定对应的泛函参数以及各元素的赝势和基组；基于以上步骤优化得到的泛函参数以及各元素的赝势、基组，计算超晶格红外探测材料的能带结构。本发明可以实现各种超晶格红外探测材料的能带结构的精确计算。

技术领域

本发明属于红外探测器件领域，具体涉及一种超晶格红外探测材料的能带结构计算方法。

背景技术

近半个世纪以来，超晶格红外探测器得到了迅速发展，一方面其大大扩宽了红外探测器的应用领域，在军事领域、科学领域、工农业生产、医疗卫生以及日常生活方面，都得到了广泛应用；另一方面，超晶格材料因其波段可调、易于批量生产、光电性能优异的特性，更容易制成高性能、低成本、多色、大面阵的红外探测器。超晶格材料是一种人为设计的周期性结构，其结构设计对器件的光电性能起着决定性作用，但通过现有方法精确计算超晶格材料能带结构的难度非常大，因此目前准确预测超晶格能带结构已成为超晶格红外探测器发展的一大难点。

超晶格红外探测材料的理论设计以往很少使用第一原理计算，主要原因有两点。一方面基于密度泛函理论的计算较耗时，计算效率较低；但另一方面，也是更重要的因素，在于密度泛函理论在其常见的局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）下计算半导体的带隙不准确，严重低估半导体的带隙。例如在考虑了自旋-轨道耦合效应时，计算InAs和GaSb结果均为金属，带隙为零，与实验事实严重不符。相反地，作为非第一原理的经验紧束缚近似方法和k·p微扰方法，都存在可调节参数，可弥补带隙严重不准确的问题，且其计算速度很快。

然而，紧束缚近似或k·p微扰都只能针对一定组分的材料进行优化，难以对一系列不同化学计量比的超晶格体系都达到较好的计算效果。两种方法的精度和适应性都难以满足工业生产的要求。若带隙精度的可靠性无法保证，其计算只能辅助实验结果进行分析，而无法在实验之前对未知超晶格体系实现电子结构的准确预测，其实用价值必然大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种超晶格红外探测材料的能带结构计算方法，其可以实现各种超晶格红外探测材料的能带结构的精确计算。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种超晶格红外探测材料的能带结构计算方法，包括如下步骤：

A.确定所需计算的超晶格红外探测材料对应的半导体的元素种类；

B.确定各元素初始的赝势和基组；

C.基于各元素初始的赝势和基组，优化泛函参数以及各元素的赝势和基组；

E.基于优化得到的泛函参数以及各元素的赝势、基组，计算超晶格红外探测材料的能带结构。

进一步地，确定各元素初始的赝势和基组，具体包括：导出各元素不含d轨道价电子的赝势和基组作为初始赝势和基组。

进一步地，基于各元素初始的赝势和基组，优化泛函参数以及各元素的赝势和基组，具体包括：基于各元素初始的赝势和基组，利用密度泛函计算各半导体的晶格常数，调节泛函参数或/和元素的赝势和基组，使计算出的各半导体的晶格常数满足设定要求，确定各半导体的晶格常数满足设定要求时对应的泛函参数以及各元素的赝势和基组。

进一步地，步骤C具体包括：基于各元素初始的赝势和基组，计算各半导体的晶格常数，判断计算的各半导体的晶格常数是否满足设定要求，若不满足，则调节泛函参数或/和元素的赝势和基组后，计算各半导体的晶格常数，当各半导体的晶格常数满足设定要求时，得到半导体的晶格常数满足设定要求时对应的泛函参数以及各元素的赝势和基组。