Luận văn thạc sĩ: Khảo sát cấu hình nhám từ cường độ hấp thụ trong giếng lượng tử InGaAs/GaSb

Luận văn thạc sĩ vật lý nghiên cứu vật lý khảo sát cấu hình nhám từ cường độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử ingaasgaassb, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Nguyễn Thị Trà My
• Người hướng dẫn: PGS. Đinh Như Thảo
• Trường học: Đại học Sư phạm Huế
• Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán
• Đề tài: Khảo sát cấu hình nhám từ cường độ hấp thụ trong giếng lượng tử InGaAs/GaSb
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung vào việc tổng quan về vật liệu bán dẫn InGaAs/GaAsSb, một hệ thống quan trọng trong nghiên cứu quang học lượng tử. Các thông số cơ bản của bán dẫn InGaAs và GaAsSb được phân tích chi tiết, bao gồm cấu trúc vùng năng lượng và đặc điểm quang học. InGaAs/GaAsSb là một hệ thống bán dẫn lượng tử có khả năng ứng dụng cao trong các thiết bị quang điện tử nhờ tính chất quang học đặc biệt. Các đặc điểm của giếng lượng tử trong hệ thống này cũng được khảo sát, bao gồm giếng vuông, giếng parabol, và giếng tam giác.

1.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn InGaAs GaAsSb

InGaAs và GaAsSb là hai loại vật liệu bán dẫn thuộc nhóm III-V, có tính chất quang học và điện tử đặc biệt. InGaAs được cấu tạo từ Indium, Gallium, và Arsenide, trong khi GaAsSb là hợp chất của Gallium, Arsenide, và Antimonide. Các thông số cơ bản như độ rộng vùng cấm, hằng số mạng, và tính chất quang học của hai vật liệu này được phân tích chi tiết. InGaAs/GaAsSb tạo thành một hệ thống giếng lượng tử với khả năng điều chỉnh tính chất quang học thông qua việc thay đổi thành phần hóa học.

1.2. Đặc điểm của giếng lượng tử

Giếng lượng tử trong hệ thống InGaAs/GaAsSb được khảo sát dựa trên các mô hình giếng vuông, giếng parabol, và giếng tam giác. Mỗi loại giếng có đặc điểm riêng về phân bố năng lượng và hàm sóng. Giếng vuông có cấu trúc đơn giản với các mức năng lượng rời rạc, trong khi giếng parabol và giếng tam giác có phân bố năng lượng phức tạp hơn. Các đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất quang học và điện tử của hệ thống.

II. Khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong giếng lượng tử InGaAs GaAsSb

Chương này tập trung vào việc khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong hệ thống giếng lượng tử InGaAs/GaAsSb. Cấu hình nhám là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất quang học và điện tử của hệ thống. Các mô hình giếng lượng tử được xây dựng dựa trên phương trình Schrödinger, và ảnh hưởng của nhám bề mặt lên phổ hấp thụ được phân tích chi tiết. Kết quả cho thấy nhám bề mặt có tác động đáng kể đến độ rộng vạch phổ và cường độ hấp thụ.

2.1. Mô hình giếng lượng tử trong cấu trúc bán dẫn InGaAs GaAsSb

Hệ thống giếng lượng tử InGaAs/GaAsSb được mô hình hóa dựa trên cấu trúc chuyển tiếp đơn và kép. Giếng lượng tử hình thành tại vùng tiếp xúc giữa InGaAs và GaAsSb, nơi có sự chênh lệch về độ rộng vùng cấm. Các đặc điểm của giếng lượng tử như độ sâu, độ rộng, và phân bố năng lượng được tính toán dựa trên phương trình Schrödinger. Kết quả cho thấy giếng lượng tử trong hệ thống này có khả năng điều chỉnh tính chất quang học thông qua việc thay đổi cấu trúc vật liệu.

2.2. Ảnh hưởng của nhám bề mặt lên phổ hấp thụ

Nhám bề mặt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất quang học của hệ thống giếng lượng tử. Các đại lượng đặc trưng của cấu hình nhám như độ cao, độ rộng, và tương quan không gian được phân tích chi tiết. Kết quả cho thấy nhám bề mặt làm tăng độ rộng vạch phổ và giảm cường độ hấp thụ. Các mô hình toán học được sử dụng để mô tả ảnh hưởng của nhám bề mặt lên phổ hấp thụ, và kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm.

III. Kết quả tính toán và thảo luận

Chương này trình bày kết quả tính toán và phân tích về cấu hình nhám trong hệ thống giếng lượng tử InGaAs/GaAsSb. Các kết quả được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình. Cường độ hấp thụ và phổ hấp thụ được tính toán dựa trên các thông số của nhám bề mặt, và kết quả cho thấy sự phụ thuộc mạnh mẽ của tính chất quang học vào cấu hình nhám. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị quang điện tử dựa trên giếng lượng tử.

3.1. Kết quả tính toán cường độ hấp thụ

Cường độ hấp thụ trong hệ thống giếng lượng tử InGaAs/GaAsSb được tính toán dựa trên các thông số của nhám bề mặt. Kết quả cho thấy cường độ hấp thụ phụ thuộc mạnh vào độ cao và độ rộng của nhám bề mặt. Các mô hình toán học được sử dụng để mô tả sự phụ thuộc này, và kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Kết quả cho thấy mô hình có độ chính xác cao và có thể được sử dụng để dự đoán tính chất quang học của hệ thống.

3.2. Phân tích phổ hấp thụ

Phổ hấp thụ của hệ thống giếng lượng tử InGaAs/GaAsSb được phân tích dựa trên các thông số của nhám bề mặt. Kết quả cho thấy nhám bề mặt làm tăng độ rộng vạch phổ và giảm cường độ hấp thụ. Các mô hình toán học được sử dụng để mô tả ảnh hưởng của nhám bề mặt lên phổ hấp thụ, và kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các thiết bị quang điện tử dựa trên giếng lượng tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ghương này chúng tôi trình bầu tổng quan về các tham số của vật liệu bán dẫn InQaAs/GaAsSb, một số đặc điểm va tinh chất của khí điện từ hai chiều. Khảo sát các loại giếng lượng tử khác nhau để ñm hầm sóng, năng lượng oà uẽ đồ thị hàm sóng của hạt, 1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn InGaAs/GaAs§b 1. Các thông số của bán dẫn InGaAs “Trong bán đẫn hợp chất vô cơ thì nhóm nguyên tố Ä''“BŸ đóng vai trò quan trọng nhất.

Dó là các hợp chất cầu tạo từ các nguyên tố nhóm IIT va các nguyên tổ nhóm V, Tuy nhiên chỉ có các hợp chất cầu tạo từ nhóm IHA như B, AIN, Ga, In và nhóm VB như N, P, As, Sb, Bi la có tính chất bán dẫn. Hiện nay các hợp chất bán dẫn À”“B' đang được nghiên cứu và ứng dụng nh nhw GaAs, GaP, AlAs, InSb, GaAsSb và InGaAs. Dối với đa số các bán dẫn hợp chất HI-V độ linh động của điện tử lớn hơn rất nhiều so với độ linh động của lỗ trống. Chính độ linh động của điện tử quyết định các tí h chất của bán dẫn như: quang, nhiệt, điện.

InGaAs được tổng hop tit Indium, Gallium, Arsenide là hợp chất cia GaAs va InAs vdi các tính chất trung gian giữa hai chất này, phụ lệ Ga và In. InGaAs không phải là một vật liệu tự nhiên Phần lớn các thiết bị được làm từ InGaAs được trồng trên các chất 10 nén Indium Phosphide (InP) và thường được mô tả theo hướng (111) và (100) trên chất nền InP |9]. Các thuộc tính quang học và cơ học của InGaAs có thể thay đổi bằng cách thay đổi tÿ số InAs và GaAs, In_yGayAs. InGaAs c6 dé rộng vùng cắm là 0,74 eV [12], độ rộng vùng, cấm ổn định nên InGaAs có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao và có tính dẫn nhiệt tốt.

Vì vậy, InGaÄs được ứng dụng trong quang điện tử và các thiết bị có năng lượng, tần số cao. Ngoài ra ứng dụng quan trọng nhất cia InGaAs là nó được xem như một bộ lọc ánh sáng tốc độ cao có độ nhạy cao được sử dụng làm sợi quang trong vô tuyến viễn thông, Băng L1: Tham số vat liệu của lai „(GayAs [0| Thông số Kế hiệu Giá tị Khối lương hiệu dụng của điện tử | mỹ |(0028+0087y+0008) Khôi lượng hiệuđụng của lỗ trồng nhẹ |_ mỹ (036 + 0.50) Số ngyên Lữ trong 1 em " (8.83y) 10 "Năng lượng vùng cẩm (0.4347) eV Hồng số điện môi tỉnh © 18.6702 Hồng số điện môi tần số can fx 123- Lay Ting <b mang a (6.405y) & Do lĩnh động của điện tử Mn 10000 chế V-1s —' Độ lĩnh đồng của lỗ trồng Mp Em Hi sô giãn nữ nhiệt oun 5.66x 10-8 °C Nhiet dO nong chay 1, = 110°C 1. Các thông số của bán din GaAsSb. GaAsSb được tổng hợp tir Gallium (Ga), Arsenide (As), Autimonide (Sb), Ga thuộc nhóm II trong khi As, Sb đều là nguyên tổ thuộc nhóm.

Do đó hợp kim được làm từ các nhóm hoá học này được gọi là hợp chất A!“BF, GaAs$b là hợp chất của GaAs và AsSb với các tính chất trung gian phụ thuộc vio ti Ié gitta Ga, As va Sb. Các tính chất của hợp chất GaAs¡_;Sb„ được quyết định dựa vào giá trị của z và giá trị của z thường nằm trong khoảng 0,3 hoặc thấp hơn [10] Bảng 1.3: Tham số vật liêu cũa GaAs zSb; | “Thông số Ký hiện Giám Khối lượng hiệu dung cña điện tử | mt | 0063 —0.0258" Khối lương hiệu dụng của lỗ trồng nhẹ |_ mỹ 0082 — 0.082: Số nguyên Lữ trong 1 cm” " (442 —089z)10% "Năng lượng vùng cấm Ey | (12-192 41277) eV Măng số điện môi tĩnh “ 1290 + 28z Hồng số điện môi tần số cao fe 1089 + 3.51z Hồng số mạng a 5.8687 A Độ lịnh động của diện tử a < 8000 eV — Đồ lĩnh động cña lỗ trồng Pe 200 cmv —1x He số giãn nỗ nhiệt tu 460 x 10-8 °C Nhiệt độ nứng chảy To = 1062°C 1. Các thông số của bán dẫn thấp chiều InGaAs/GaAsSb. Indium Gallium Arsenide (InGaAs) va Gallium Arsenide Antimonide (GaAsSb) là hai bán dẫn hợp chất AB, Tỉnh thể có cấu trúc Zinc.

Blende thuộc loại cầu trúc tứ diện đều, nghĩa là mỗi nguyên tử là tâm của một tứ diện cầu tạo từ 4 nguyên tử gần nhất, Cầu trúc Zine Blende thuộc mạng lập phương tâm mặt. Đặc điểm và tính chất của dị cấu trúc bán dẫn InGaAs/GaAsSb phụ thuộc chủ yếu vào cầu 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 InGaAs và GaAsSb. 2 Hình II: Cấu trúc Zinc Blende. Bề rộng vùng cấm của InGaAs là 0,74 eV và GaAsSb là 133 eV, do sự chênh lệch bề rộng khe vùng nên khi ghép hai vật liệu này lại để tạo nên di cầu trúc InGaAs/GaAsSb thì đỉnh vàng hóa trị và đầy ving din của InGaAs nằm giữa khe vùng của GaAs§b.

Cấu trúc giống lượng tử hình thành trong vật liệu InGaAs/GaAsSb có độ cao hàng rào thế tương. ứng với độ chênh vùng dẫn của hai lớp vật liệu nay 1d AE, = 0,3 V Voi cầu trúc này, năng lượng của hệ điện tứ chuyển động trong giếng bị lượng tử hóa, sự phân bố và độ linh động của điện tử đối với vật liệu này là khác so với các vật liệu khác ||. Dây là những yếu tố quan trọng. quyết định đến các đặc điểm, tính chất, tính năng và các ứng dụng đặc trưng của vật liệu InGaAs/GaAsSb so vdi các vật liệu khác.

Hằng số mạng của InGaAs 1a 5,8 A va GaAsSb 1 0,96 A, sv sai khá ng số mạng của hai vật liệu cần thiết pI kĩ thuật tốt trong, việc nuôi cấy GaAsSb trên nền InGaAs nhằm làm giảm độ nhầm trên bề mặt tiếp giáp giữa hai vật liệu. Bởi vì đô nhám bề mặt là một trong những nguồn gây ra tấn xạ hạt tải, làm giảm độ linh động của hạt tải trong lớp gần phần biên (bị nhốt trong giếng thế) và do đó, đặc tính dẫn 13 điện và tính tu việt của vật liệu bị giảm xuống. Ngày này, vật liệu bán dẫn thấp chiều được chế tạo bằng một số công nghệ như phương pháp. epitaxy chùm phân tử, phương pháp lắng đọng hóa hữu cơ kim loại đã góp phần tạo ra các vật liệu có độ nhám bề mặt thấp [1|[10| 1.

Đặc điểm của khí điện tử hai chiều Khí điện tử hai chiều (2DEG) là một hệ các điên tứ chuyển động tự do trong hai chiều và bị giới hạn ở chiều thứ ba trong không gian Trong các đị cấu trúc bán dẫn, sự chuyển động đó được gọi là sự chuyển động trong giếng lượng tử (lớp lượng tử) hình thành trong cấu trúc của vật liêu. Nghiên cứu sự vận tải của hệ 2DEG là rất quan trọng bởi vì nó liên quan đến độ dẫn điện, dẫn nhiệt và các tính chất quang của vật liệu bán dẫn thấp chiều Mầm sóng và năng lượng của điện tử chuyển động trong tỉnh thể bán dẫn khối và trong bán dẫn thấp chiều là khác nhau. Để khảo sát sự khác nhau đó, ta chọn hệ tọa độ Descartes gồm mặt phẳng (z,y) trùng với mặt tiếp xúc của hai lớp bán dẫn và trục z đọc theo hướng nuôi Trong tỉnh t ổ bán dẫn khối, điện tử không bị giới hạn chiều chuyể động nhưng chịu tác dụng của thế năng tuần hoàn của mạng tỉnh thể V(?) nên xung lượng và vectơ sóng T có giá trị thay đổi, hình thành cấu trúc vùng năng lượng của điện tử gồm vùng hóa trị, vùng cắm và vùng dẫn, Hàm sóng của diện tử là sự chồng chất của nhiều sóng phẳng. với các vectơ sóng TẾ khác nhau, nghĩa là (ua) > là hệ số khai triển.

thức năng lượng của điện tử trong đó Œ(Ÿ) w trong bán dẫn khối có dang WAZ WR Ey 5n —= t+ 3m, — 2n (12) trong đó mm, và m, lần lượt là khối lượng hiệu dụng của điện tit trong mặt phing (r,y) va theo phương z. Khác với hạt chuyển động tự do có khối lượng hiệu dụng theo mọi phương là như nhau. "Trong tỉnh thể bán dẫn thấp chỉ u với cầu trúc giếng lượng tử, điện tử chuyển động tự do theo hai chiều z, và bị giam giữ một chiều theo phương 2. Trong mặt phẳng (z, y) điện tử chỉ chịu tác dụng của thể năng tuần hoàn của mạng tinh thé V(7’) còn theo chiều giam giữ z, ngoài thế năng tuần hoàn mạng V(T) điện tử còn chịu tác dụng của thế giam giữ V(z) sinh ra do sự chênh lệch vùng dẫn của hai lớp bán dẫn khác nhau khi ghép chúng lại với nhau.

Giá trị của V(z) chính là độ cao rào thế của giếng lượng tử. Phương trình Schrödinger cho hạt chuyển động trong giếng lượng tử với thé giam giữ V(z) có dạng [= (4 +3) - se V(z)|ú() = Eu(Œ).8) Giải phương trình này ta tìm được hầm sóng và năng lượng của diện tử lần lượt là và Trong đồ J(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 dang cu thể của thế giam giữ V(). Năng lượng #2, nhận các giá trị gián đoạn Eụ, Eạ, Eạ,. nghĩa là năng lượng của hạt bị lượng tử hóa.

Cơ chế tán xạ của khí điện tử hai chiều Trong tỉnh thể luôn luôn tồn tại các sai hỏng mạng và dao động mạng, sự tương tác của các hạt tải với các sai hồng mạng và dao động. mạng khi chúng chuyển động trong tinh thể được gọi là sự tấn xạ hạt tải. Quá trình tần xạ làm thay đổi trang thái và năng lượng của bạt tải, xác suất tần xạ là nội dung của quy tắc vàng Fermi [1||š|. Sự tán xạ làm ảnh hưởng lên độ linh động của hạt tải cũng như độ dẫn điện, dẫn nhiệt và các tính chất quang của vật liệu Sul ayén động của điện tử trong tỉnh thể luôn chịu tác động của các trường thế tán xạ khác nhau với các mức độ khác nhau tùy từng hệ vật liệu nghiên cứu.

Các cơ chế tán xạ truyền thống có thể đến là: độ nhầm bề mặt tiếp xúc (SR); mật trật tự hợp kim (AD); các ion hóa (H), tan xa do phonon (LA); phonon quang (LO). Trong phan này, chúng tôi sẽ trình bày nguyên nhân của các cơ chế tán xạ nói trên ï) Tán xạ do độ nhám bề mặt tiếp xúc (SR) Trong các dị cấu trúc bán dẫn, bề mặt tiếp xúc giữa các lớp bán dẫn khác nhau luôn bị nhám.