随着信息技术进入后摩尔时代，Si基光电集成受到人们的高度关注。以InP、GaAs为代表的III-V族半导体具有优异的光学性能，在发展Si基III-V族激光器上具有一定的优势。目前，Si基III-V族激光器已经实现室温激发，如果异质结中的载流子被更加束缚在III-V族半导体中，则有望提高激光器的发光效率。

利用第一性原理计算带阶可以获得界面载流子的束缚情况。然而，在存在大应变和电场的大晶格失配且异价的半导体中，目前计算带阶的方法很难直接应用。一方面，Si和III-V族半导体晶格失配产生的应变使界面能带发生偏移。另一方面，Si和III-V族半导体属于不同主族，二者的接触界面存在的内建电场也使能带发生偏移。因此，Si与III-V族半导体的界面能带类型存在争议。

近期，中科院半导体研究所邓惠雄研究员课题组提出了一种修正的方法来计算此类体系的带偏移，晶格失配和和异价效应引起的核心能级偏移分别由插入作为过渡的单向应变结构和界面原子重构来获得。以Si和III-V系统为例，该方法得到的结果对于小晶格失配的系统，与广泛使用的方法具有相同的结果，而对于大晶格失配和异价系统，则更接近于实验值。此外，通过系统地研究Si和III-V族半导体在不同方向的带阶，发现Si/InAs和Si/InSb系统在[100]、[110]和[111]方向上的带阶，以及Si/GaSb系统在[100]和[111]方向上的带阶属于第I类。该工作为计算大晶格失配和异价Si和III-V半导体的带阶提供了更可靠和直接的方法，为设计高性能硅基光源提供理论支持。

图1. (a)-(e) 是以计算Si与InAs[100]方向带阶为例，构建的五个超晶格。(a) Si的平衡—单向应变超晶格；(b) Si的单向—双向应变超晶格；(c) Si和InAs的单向应变超晶格，并对界面原子进行混合；(d) InAs的双向—单向应变超晶格；(e) InAs的单向应变—平衡超晶格。

图2. Si/GaSb、Si/InAs和Si/InSb沿[100], [110]和[111]方向的带阶图。能量相对于Si的真空能级。

Direct calculations on the band offsets of large-lattice-mismatched and heterovalent Si and III–V semiconductors

Yuying Hu, Chen Qiu, Tao Shen, Kaike Yang, Huixiong Deng

J. Semicond. 2021, 42(11): 112102

doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112102

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/11/112102?pageType=en

来源：半导体学报2021年第11期中文导读