Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Cơ sở cấu hình nhám Như chúng ta đã biết khi hai vật liêu ghép lại với nhau sẽ dẫn đến sự không tương thích về hằng số mạng nên làm cho bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu bị nhám hoặc gồ ghề. Điều này có ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất như sự vận tải chung, sự chuyển đời liên vùng quang học, độ mở rộng vạch phổ. Bên cạnh đó nó còn làm thay đổi bề rộng của giếng, hay thay đổi vị trí đặt hàng rào thé Cấu hình nhám thường được đặc trưng bởi phân bố nhám nào đó trong mặt phẳng vuông góc hướng nuôi.
Nó được xác định bởi hai tham. số chính là biên độ nhám (A) và chiều dài tương quan (A). Để xác định giá trị la hai tham số đặc trưng cho cầu hình nhám của vật liệu ta có thể sử dụng hai phương pháp sau i, Ta sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử. i , Ta dita vào độ mở rộng vạch phổ liên vùng, “Ta thấy, đô rồng vạch phỏ liên vùng là một hàm của chiều dài tương quan (A) nên để xác định được hai tham số này ta đầu tiên đi so sánh 1 dai tương quan với tỉ lộ độ rộng vạch phổ tại một điểm và ta thu được giá trị (A) cố định, sau đó ta tiếp tục so sánh biên độ nhám với tỉ lệ độ rộng phổ tại một điểm.
Từ đó ta thu được biên độ nhám (A) và chiểu đài twang quan (A) hai đại lượng đặc trưng cho cấu hình nhám. Các bước cụ thể được trình bày ở chương III của Luận văn. Các đặc trưng của khí điện tử hai chiều Như chúng ta đã biết, hệ số phẩm chất quan trọng của vật liệu chính là độ linh động của hệ điện tử. Yếu tố quyết định ảnh hưởng đến độ linh động chính là cầu hình nhám của chúng.
Cầu hình nhám không những chỉ phối sự phân bố của khí điện tử trong giếng lượng tử của cầu trúc dị chất mà còn ảnh hưởng rất lớn đến độ linh động của khí điện tử trong giếng. Dễ có hệ hạt tải hai chiều tồn tại trong cấu trúc dị chất có nồng độ cao người ta phải pha tạp cho hộ. Khi hai vat liệu có hằng số mạng khác nhau ghép lại tì tất hiện sự bắt tương thích về hằng số mạng. Sự tương tác của các hạt tải với các sai hỏng hay dao động mạng, khi ch tý chuyển đ ng trong tỉnh thể gọi là tán xạ và lớp tiếp giáp giữa liệu sẽ bị nhám do sự sai hỏng đó, Trong mục này, chúng tôi đi sau tìm hiểu cấu trúc và đặc trưng của 2DEG.
Đây là nền tảng quan trọng liên quan đến nhiều tính chất vật lý của hệ vật liệu. Để thuận lợi cho việc khảo sát hệ 2DEG chúng tôi chọn hệ tọa độ có trục z theo hướng nuôi, còn mặt phẳng (z, y) trùng với mat tiếp giáp dị chất 1. Các cấu trúc với khí điện tử hai chiều i) Màng mỏng. Màng mỏng là loại cầu trúc dé quan sát thầy hiệu ứng lượng tử hóa do giảm kích thước.
Nhưng đối với màng mỏng kim loại thì không thích hợp cho loại hiệu ứng này chỉ có màng mỏng bán dẫn hay kim loại mới thỏa mãn và quan sát được hiệu ứng này. Tuy nhiên, màng mỏng không, phải cầu trúc tốt nhất để quan sát hiệu ứng này: “Trong các vật liệu nói chung và bán dẫn nói riêng rất khó tạo được màng mỏng với chất lượng đủ cao. Mật độ cao các trạng thái bề mặt 1 là nguyên nhân gây ra sự tán xạ mạnh các hạt dẫn trên bề mặt màng, mông. Các tiến bộ công nghệ vat liệu bán dẫn đã làm giảm đáng kể giá trị mật độ các trạng thái bề mặt trong các màng mỏng Sĩ và AB", Chính vì vậy màng mỏng trên Sỉ và các cấu trúc dị chất được sit dung tổng rãi vào những năm 1960.
ii) Các cầu trúc MOS (Metal - Oxide - Semiconductor) Đối với cầu trúc MOS trên bề mặt Si khoảng cách giữa hai mức lượng tử thấp nhất là 38 meV cho trường hợp nồng độ điện tử 10!? em? nghĩa là vượt quá năng lượng chuyển động nhiệt ở nhiệt độ phòng KT 26 meV (T = 300 K) [1]. Cong nghệ oxi hóa Sĩ hiện đại cho phép đạt được không những mật độ các trạng thái bề mặt đủ thấp tại mặt phân cách bán dẫn - điện môi mà còn cho chất lượng cao của chính những mặt phân cách đó. Do đó, sự tán xạ của các điện tử không đến nỗi quá mạnh để giảm đột ngột đô linh động của điện tử trong lớp đảo. Giá trị độ linh động hạt dẫn còn vào cỡ 103 — 10! em2/(V.s) đủ để có thể quan sát hiệu ứng lượng tử hóa do giảm kích thước.
ili) Tiếp xúc di đơn chất Cầu trúc thường được dùng hiện nay để nghiên cứu hiệu ứng lượng. fim kích thước là tiếp xúc dị ch t - tiếp xúc giữa chất bán dẫn với độ rộng vùng cắm Z, khác nhau. Bước chuyển đốt ngột trong vùng năng lượng sẽ cẩn trở sự chuyển động của hạt dẫn và có vai trò như những tường của hồ thế năng. Bằng cách chọn các vật liệu có hằng, số mạng tương hợp có thể làm giảm mật độ các trạng thái bề mặt xuống 10° cmÊ, G lá trị mật độ các trạng thái bề mặt thấp, cùng với mặt phân.
cách có hình thái phẳng đến quy mô nguyên tử góp phần tạo được độ linh động của hạt dẫn cao ở kênh dẫn gần mặt phân cách. Nồng độ hạt dẫn bề mặt trong kênh dẫn tiếp xúc dị chất được xác định bởi độ dịch. chuyển vùng dẫn cũng như bởi mức độ pha tap các vặt liệu bán dẫn cầu 1 thành tiếp xúc dị chất đó. Các cơ chế tán xạ “Trong khí điện tử hai chiều có bồn cơ chế tán xạ quan trọng sau: tần xạ bởi các tạp chất ion hóa, tần xạ phonon, tán xạ mắt trật tự hợp.
kim và tán xa bề mặt (mặt phân cách). Cơ chế tán xạ bề mặt chỉ có trong các hệ hai chiều còn các cơ chế còn lại tồn tại trong cả mẫu khối nhưng đối với hat dẫn hai chiều chúng có thêm một số yếu tố đặc trưng. i) Tan xa trén các tạp chất ion hóa Đối với tán xạ trên các tạp chất ion hóa, điểm khác biệt chủ yếu đối với trường hợp ba chiều nằm ở sự phân bố khác nhau trong không gian. của các tâm tán xạ.
Các tâm tần xạ này thường không định xứ trong mặt phẳng màng mỏng mà ở một khoảng cách nào đó đền màng mỏng. Trong cầu trúc MOS, tạp chất có thể là những ion được gọi là diện tích tự có bên trong luôn luôn tồn tại trong lớp oxit, còn trong cầu trúc pha tạp có điều khiển thì các tạp chất bị loại bỏ một cách có chủ định khỏi mặt phẳng khí điện tử. Đó là lý do tại sao độ lĩnh động của hạt dẫn sẽ bị khống chế không chỉ bởi nồng độ của hạt dẫn mà còn bởi phân bố không gian của các lon pha tap. “rong quá trình chế tạo các chất bán dẫn có nhiều nguồn tạo ra nhiều loại tạp chất trong hộ.
Trong đó thường gặp ba loại sau đây: "Thứ nhất đó là tạp chất điều biến (RI): Để có hạt tải hai chiều tồn ai trong cầu trúc di chất có nồng độ cao người ta phải pha tạp cho hệ. Pha tạp điều biến là tạp chất được pha vào khu vực mong muốn và với nồng độ pha tạp theo ý muốn, thông thường vùng tạp chất nằm cách khí điện tử một khoảng. ‘Tint hai đó là tạp chất nền (BI): Trong quá trình nuôi tỉnh thể môi trường nhiễm bẵn nên tồn tại tạp chất trong mẫu. u “Thứ ba đó là tạp chất bề mặt (SI): Với hệ cấu trúc lớp người ta thay rằng có thể tồn tại các trạng thái bề mặt giữa các cấu trúc lớp, các chất di chuyển đến bề mặt này với nồng độ khá cao nhưng có thể loại bỏ nhờ một số biện pháp kĩ thuật.
ii) Tan xa trén phonon ‘Tin xa trên phonon trong khí điện tử hai chiều thường dựa trên giả thuyết phổ phonon như trong khối bán dẫn. Số các phonon của các trạng thái riêng biệt được đặc trưng bởi các vects sóng ÿ và nhánh các phổ tán sắc ¿(đ). Đối với tán xạ trên các phonon âm dọc ta có thời gian hồi phục: trong đó: Th — 1V8 CaôRg ` với M là khối lượng nguyên tử, e là hằng số Block, ø là hằng số mạng, 7 là nhiệt độ, „ là vận tốc chuyển động của hạt tải, mm" là khối lượng hiệu dụng của hạt tải. Kết quả cho thấy trong khí điện tử hai chiều, độ linh động gây ra bởi tán xạ phonon ti Ie voi T=! iii) Tan xạ bắt trật tự hợp kim.
Co ché nay chỉ tồn tại trong các hợp kim bán dẫn và ta nhận thấy rõ nhất trong dị cấu trúc bán dẫn có vùng cấm hẹp, nơi chứa phần lớn. các hạt dẫn là hợp kim chứ không phải là các chất hóa học thuần túy. Khi ta pha trộn các chất để tạo thành hợp kim thì các nguyên tử thiểu. số tạo nên hợp kim chiếm một cách ngẫu nhiên trên các nút mạng.
Do đó, các nguyên tử hợp kim này gây nên sự tán xạ đối với các điện tử chuyển động. ‘Tan xa bé mat (mặt phân cách) Co ché tần xa này được gây ra bởi bản chất không lý tưởng của các tường thế, các tường thế này có vai trò giới hạn chuyển động của các hạt dẫn trong hồ thế. Diều đó hàm ý rằng tại mặt tiếp xúc của hai vật liệu, do không tương thích về hằng số mạng và do cá \guyen tử củ a hai vật liêu lần lượt chiếm các vị trí trên nút mạng một cách ngẫu nhỉ n làm cho bề mặt tiếp xúc bị nhám. Diều này ảnh hưởng như sau: Thứ nhất, nó làm thay đổi dạng biên của các đại lượng vật lý một cách ngẫu.
Thứ hai, nó làm thay đổi bề rộng của giếng hay thay đổi vị trí dat rào thế một cách ngẫu nhiên dẫn đến tán xa nhám bề mặt. Khi đó, các hạt tải điện chuyển động từ lớp vật liệu này sang lớp vật liệu khác thi các hạt tai sẽ bị tán xa bề mặt tiếp xúc này. Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào cặp chất liệu của hai lớp tiếp xúc. Tổng quan về các mô hình giếng Giếng lượng tử là cầu trúc trong đó một lớp chất bán dẫn này được đạt ở giữa hai lớp chất bán dẫn khác.
Sự khác biệt giữa các cực tiểu vùng dẫn của hai chất bán đẫn đó tạo nên một giếng lượng tử.
