Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương nàu chúng tôi trình bày tổng quan về các tham số tà đặc trưng của vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO, một số đặc điểm và tính chất của khí điện tử hai chiều. Khảo sát các loại giếng lượng tử khác nhau để tìm hàm sóng, năng lượng tà vẽ đồ thị hàm sóng của hạt. Tổng quan về vật liệu bán dẫn ZnO/MgZnO Độ linh động e a khí điện tử hai chiều (2DEG) tồn tại trong các cấu trúc dị chất chịu sự chỉ phối bởi nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố đó là cầu hình tạp của chúng.
Cầu hình tạp không những chỉ phối sự phân bố khí điện tử trong giếng lượng tử của cầu trúc dị chất mà nó còn ảnh hưởng đến độ linh động của khí điện tử. Để có hệ hạt tải hai chiều tồn tai trong cấu trúc dị chất có nồng độ cao người ta thường pha tạp cho hệ. Tuy nhiên, với hệ vật liệu MgZnO/ZnO không cần pha tạp, hệ n tử tồn tại trong hệ vẫn có nồng độ cao do đặc tính phân cực của chúng, CỊ 4 tôi đánh giá ảnh hưởng của các cầu hình tạp khác nhau (đồng đều, điều biến và dạng delta) lên sự phân bố khí điện tử và độ linh động điện tử tồn tại trong các giếng lượng tử tạo bởi các cấu trúc di chất MgZnO/ZnO khác nhau [10] u 1. Dac trumg ciia vat ligu ban din ZnO Zinc oxide (ZnO) la hgp chất bán dẫn thuộc nhóm ABPT và có.
nhiều tính chất nổi bat như là độ rộng vùng cắm lớn (cỡ 3.37 eV ở nhiệt độ phòng), đô bền vững, độ rấn và nhiệt độ nóng chảy cao [1Ì. Hình 1: Câu trúc Wurtzite của vật liệu Z0. Vật liệu ZnO có 2 dạng cấu trúc cơ bản là: cầu trúc lập phương giả kẽm (Zine blend) và cầu trúc lục giác (Wurtzite). Cầu trúc Wurtzite của ZmO là cấu trúc ổn định, bền vững ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển.
Mỗi nguyên tử kẽm (Zn) lien kết với 4 nguyên tit Oxi (O) nằm ở 4 đỉnh của tứ diện. Các thông số vật lý của vật liệu ZnO được trình bày. trên bảng 1L 1 Bảng 1.1: Cée thông số vật lý của vật liệu ZnO, Thông số. Kíhieu| Gia tri Khối lượng hiệu dụng của điện tử m; [2,18 x 10 kg Khối lượng hiệu d lỗ trồng, mj, [5,37 x 10 kg Khối lượng riêng p 5,61 g/cm’ Hằng số điện môi £ 866 Năng lượng vùng cắm E, 3/37 eV Hằng số mạng, a 3/25 Ả Hằng số mạng.26 A Nhiét d6 néng chiy Tn 1975 °C Các cầu trúc thấp chiều thiết kế trên ZnO có thể ở dang chấm lượng tử, dây lượng tử hay giống lượng tử với các công nghệ nuôi cấy tỉnh thể hiện đại.
Khi cấu trúc mới được hình thành, các tính chất vật lý của chúng cũng cần được khảo sát. Với cầu trúc giống lượng tử, một trong những tính chất vật lý quan trọng được xem là đặc trưng cho phẩm chất lình kiện là độ linh động hệ điện tử hình thành trong giếng. Do linh động. của hệ điện tử càng cao thì linh kiện hoạt động dưa trên hệ điện tử này có phẩm chất càng tốt.
Độ linh động của hệ điện tử hình thành trong hệ chịu sự chỉ phối bởi nhiều yếu tố cầu thành hộ. Mot trong những yếu tố đó là cầu hình tạp. Hệ có các cầu hình tạp khác nhau sẽ làm cho sit phân bố điện tử và sự tán xạ điện tử trong hệ là khác nhau, nó có ảnh hưởng khác nhau đến độ linh động điện tử [10] 1. Đặc trưng của vật liệu bán dẫn MgZnO.
C6 thể thấy ring có ba đỉnh chính cho lớp đơn Magnesium zine oxide (MgZnO) với nồng độ Mg khác nhau. Ngoài ra, vật liệu bán dẫn 1 MgZnO có đô rộng vàng cắm lớn hơn so với vật liệu bán dẫn ZnO. Trong, trường hợp ZnO nguyên sơ, đỉnh đầu tiên ở 4 eV nên chủ yếu là do sự chuyển tiếp giữa các trạng thai O 2p trong dải dẫn có giá trị ö nhất và trạng thái Zn 4s ở dai dẫn thấp nhất có liên quan đến cấu trúc vùng, năng lượng trực tiếp. Đỉnh thứ hai ở 8 eV có thể là do quá trình chuy đổi giữa trạng thái Zn 3d và O 2p.
Đỉnh yếu ở 14 eV chủ yếu là bắt nguồn từ quá trình chuyển đổi giữa trạng thái Zn 3d va O 2p. Hiệu quả chính của doping Mg phụ thuộc vào mức đỉnh đầu tiên do sự chuyển đổi quang học giữa các trạng thái Zn 4s và O ?p rõ ràng chuyển sang phía. năng lượng cao với nồng độ Mg tăng lên, cho thấy khoảng trống băng từ đang tăng lên. Các thông số của vật liệu MgZnO được trình bảng 1.
Bang L2: Các thông số vật lý của vật liệu MgZO. Thong s6 Kihieu] Giátri Khối lượng hiệu dụng của điện tử my |2,55 x 1075! kg Khói lượng hiệu dụng của lỗ trồng mỹ |T,09 x10 5kg Hằng số điện môi ce | 884+ 8,89y Năng lượng vùng cấm: E, 361eV 1. Đặc trưng của bán dẫn thấp chiều ZnO/MgZnO Đặc điểm và h chất của dị cầu trúc bán dẫn ZnO/MgZnO phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc tỉnh thể, thành phần hóa học, khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trồng, hằng số điện môi, bề rộng khe vùng, mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn và vùng hóa trị của các bán dẫn thành phần ZnO và MgZnO. Ngoài ra, chính do sự chẽnh lệch giữa đáy hai vùng dẫn với một bên.
là ZnO và một bên là MgZnO cộng với sự tương tác hút của các donor và thế hút của các điện tích bề mặt dị chất bởi hiệu ứng phân cực đã u tạo ra thế (hay ái lực) hút các điện tử lại gần bề mặt, nghĩa là đã hình thành giếng lượng tử gần bề mặt. Bên cạnh đó, sự tương tác giữa các điện tử cũng có ảnh hưởng đến thế năng này. Khí điện tử nằm trong giếng thế này nó bị ảnh hưởng bởi dạng của giếng thé |9]. Xác định dang giếng thế thì sẽ xác định được trạng thái của hệ khí điện tit nay.
Trang thái của hệ hí điện tử bị lượng tử được xác di bởi hàm sóng. Tà xác định trạng thái của hệ điện tử là xác định hàm sóng, Sự sai khác hằng số mạng của hai vật liệu cần thiết phải có kĩ thuật tốt trong việc nuôi cấy ZnO trên nền MaZnO nhằm làm giảm độ nhám. trên bề mặt tiếp giáp giữa hai vật liệu. Bởi vì độ nhám bẻ mặt là một trong những nguồn gây ra tán xạ hạt tải, làm giảm độ linh động của hạt tải trong lớp gẵn phần biên (bị nhốt trong giếng thé) va do đó, đặc tính dẫn điện va tính ưu việt của vật liệu cũng bị giảm xuống [6].
Ngày nay, vat liệu bán dẫn thấp chiểu được chế tạo bằng một số công nghệ như phương pháp epitaxy chùm phân tử, phương pháp lắng đọng hóa hữu cơ kim loại [1] đã góp phần tạo ra các vật liệu có độ nhám bề mặt thấp. Đặc điểm của khí điện tử hai chiều 'Khí điện tử hai chiều (2DEG) là một hệ các điện tử chuyển động tự do trong hai chiều và bị giới hạn ở chiều thứ ba trong không gian. Trong, các dị cầu trúc bán dẫn, sự chuyển động đó được gọi là sự chuyển dong trong giếng lượng tử (lớp lượng tử) hình thành trong cấu trúc của lớp. Nghiên cứu sự vận tải của hệ 2DE là rất quan trọng bởi vì nó liên quan đến độ dẫn điền, dẫn nhiệt và các tính chất quang của vat liệu bán dẫn thấp chiều.
Hàm sóng và năng lượng của điện tử chỉ động trong tinh thi bán dẫn khối va trong bán dẫn t chiều là khác. Dể khảo sát sự khác nhau đó ta chọn hệ tọa độ Descartes gồm. mặt phẳng (,) trùng với mặt tiếp xúc của hai lớp bán dẫn và trục z đọc theo hướng nuôi. “Trong tỉnh thể bán dẫn khối, điện tử không bị giới hạn chiều el động nhưng chịu tác dụng của thế năng tuần hoàn của mạng tỉnh thể V () nên xung lượng và các vector sóng Ê có giá trị thay đi , hình thành.
cấu trúc vùng năng lượng của điện tử gồm vùng hóa trị, vùng cắm và vùng dẫn. Hàm sóng của điện tử là sự chồng chất của nhiều sóng phẳng với các vector sóng È khác nhau, nghĩa là uz) ƒc(#” (a) ï trong đó C (®) là hệ số khai triển. Biểu thức năng lượng của điện tử trong bán dẫn khối có dang Ep = rig omy (1.2) trong đó m, và ơn, lần lượt là khối lượng hiệu dụng của điện tử trong, mặt phẳng (z,) và theo phương =. “Trong tỉnh thể bán dẫn thấp chiều với cầu trúc giếng lượng tử, điện tử chuyển động tự do theo hai chiều 2, y và bị giam giữ một chiều theo phương 2.
Trong mặt phẳng (z,g) điện tử không chỉ chịu tác dụng của. thé năng tuần hoàn của mạng tỉnh thé V (Z) theo chiều giam giữ z mà còn chịu tác dụng của thế giam gitt V(z) sinh ra do swt chênh lộch vùng dẫn của hai lớp bán dẫn khác nhau khi ghép chúng lại với nhau. Giá trị của (2) chính là độ cao rào thế của giếng lượng tử. Phương trình Schrodinger cho hạt chuy động trong giếng lượng tử với thế giam giữ V(z) có dạng re [ane Re +V()|()= E0(9.- 2m, 0z? (13) Giải phương trình này ta tìm được hàm sóng và năng lượng của điện tử 16 lần lượt là (14) Eqx ast met En (15) trong đó ú(z) và E, lần lượt là hàm sóng và năng lượng của điện tử theo phương z và chỉ được xác định khi biết được dạng cu thể của thế giam giữ V(z Nang lượng ZZ„ nhận các giá tri gién doan Ep, Er, E: nghĩa là năng lượng của hạt bị lượng tử hóa.
Khảo sát các loại giếng lượng tử Sự giam cằm lượng tử lên các hạt tải điện bởi thế một chiều (làm cho các hạt tải điện có đặc tính giả hai chiều) hình thành trong các lớp bán dẫn mỏng (cỡ nanomet - cấu trúc nano) là đối tượng vật lý được soi là giếng lượng tử. Do sự giam cảm lượng tử lên các hạt tai điện tồn tại trong giống làm các mức năng lượng bị lượng tử hóa dọc theo hướng, muôi tinh thể trong các mẫu nuôi dẫn đến sự chuyển đời quang giữa các mức năng lượng này là có thể. Sự chuyển dời từ các mức năng lượng. trong vùng hóa trị đến các mức năng lượng trong vùng dẫn được gọi là sự chuyển dời ngoài vùng, trái lại sự chuyển đồi giữa các mức năng, lượng bị tách ra do hiệu ứng lượng tử vừa đề cập trong cùng một vùng được gọi là chuyển dời giữa các vùng con.
