ii Chữỡng PhƠn bố iằn tỷ cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN 38 2.1 Hm sõng bián phƠn cho cĐu trúc d chĐt ỡn ro hỳu hÔn 39 2.2 C¡c th¸ giam giú iằn tỷ cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc pha tÔp iÃu bián 40 2.3 Têng n«ng lữủng ựng vợi mởt electron vũng thĐp nhĐt 46 2.4 Kát quÊ tẵnh số v thÊo luên 50 Chữỡng Hiằn tữủng vên chuyn iằn tỷ cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN 56 3.1 Kát quÊ giÊi tẵch 57 3.2 Kát quÊ tẵnh số v th£o luªn 67 3.2.1 ë linh ëng gƠy bi tĂn xÔ bĐt trêt tỹ hủp kim v tĂn xÔ nhĂm kát hủp 67 3.2.2 So s¡nh vỵi dú li»u thüc nghi»m 69 Chữỡng Hiằn tữủng vên chuyn iằn tỷ penta-graphene nanoribbon dÔng biản rông cữa pha tÔp 74 4.1 c tẵnh cĐu trúc 75 4.2 c tẵnh vên chuyºn i»n tû 81 PhƯn kát luên Danh s¡ch cæng bè cõa t¡c gi£ T i li»u tham kh£o 90 93 95 iii Danh mục từ viết tắt Tên Viết tắt Khí điện tử hai chiều (two-dimensional electron gas) 2DEG Armchair penta-graphene nanoribbon AAPGNR Hàm tự tương quan (Autocorrelation function) ACF Mất trật tự hợp kim (Alloy disorder) AD Armchair graphene nanoribbon AGNR Nhám rào (Barrier roughness) BR Nhám kết hợp (Combined roughness) CR Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density functional theory) DFT Mật độ trạng thái (Density of state) DOS Transistor hiệu ứng trường (Field effect transistor) FET Transistor hiệu ứng trường graphene (Graphene field effect transistor) Graphene nanoribbon Transistor độ linh động điện tử cao (High electron mobility transistor) Transistor hiệu ứng trường cấu trúc dị chất (Heterojunction field effect transistor) GFET GNR HEMT HFET Cấu trúc dị chất (Heterostructure) HS Điốt phát quang (Light Emitting Diode) LED Mật độ trạng thái riêng (Partial density of state) PDOS Penta-graphene PG Penta-graphene nanoribbon PGNR Nhám phân cực (Polarization roughness) PR Giếng lượng tử (Quantum well) QW Sawtooth penta-graphene nanoribbon SSPGNR Zigzag-armchair penta-graphene nanoribbon ZAPGNR Zigzag graphene nanoribbon ZGNR Zigzag penta-graphene nanoribbon ZZPGNR iv Danh s¡ch h¼nh v 1.1 Sỹ sưp xáp nguyản tỷ trản mt Ga v N cừa tinh th GaN Mụi tản ch hữợng ph¥n cüc tü ph¡t [11] 18 1.2 GiÊn ỗ vũng v sỹ hẳnh thnh khẵ iằn tỷ hai chiÃu tÔi bà mt AlGaN/GaN [11] 20 1.3 Sỹ thay ời mêt ở khẵ iằn tỷ hai chi·u theo th nh ph¦n Al v b· d y AlGaN [11] 22 1.4 Mët sè c§u tróc cõa carbon 24 1.5 Sü hẳnh thnh cĂc cĐu trúc carbon tứ graphite 25 1.6 CĐu trúc graphene v hai dÔng graphene nanoribbon: zigzag v armchair 26 1.7 a) Và tr½ pha tÔp B AGNR, b) Pha tÔp N AGNR, c) Pha tÔp B-N AGNR, d) Mổ hẳnh thiát b cừa AGNR pha tÔp B, N hoc ỗng pha tÔp B-N [86] 27 1.8 a) CĐu trúc vũng cừa AGNR thuƯn v AGNR pha tÔp B cĂc v trẵ khĂc nhau, b) Phờ I-V cừa AGNR thuƯn v AGNR pha tÔp B v trẵ P4 v P6 tữỡng ựng h¼nh 1.7 [86] 28 1.9 a) C§u tróc vịng cừa AGNR thuƯn v AGNR pha tÔp B-N kát hủp ð c¡c tr½ kh¡c nhau, b) Phê I-V cõa AGNR thuƯn v AGNR pha tÔp B-N v trẵ P1 [86] 28 v 1.10 a) Sỡ ỗ cĐu trúc nguyản tỷ cừa 8-ZGNR v v trẵ tÔp thay thá khĂc nhau, b) Mổ hẳnh thiát b cừa 8-ZGNR ữủc tổi hõa biản hydro [87] 29 1.11 CĐu trúc vũng cừa ZGNR pha tÔp B ð tr½ kh¡c (a, b, c, d) v ZGNR thu¦n (e) [87] 29 1.12 C§u tróc vũng cừa ZGNR pha tÔp N v trẵ kh¡c (a, b, c, d) v ZGNR thu¦n (e) [87] 30 1.13 C§u tróc penta-graphene [39] 31 1.14 C¡c c§u tróc penta-graphene nanoribbon [53] 32 1.15 Sỡ ỗ vũng hẳnh thnh tÔi tiáp giĂp cho mët HEMT 34 1.16 Mỉ h¼nh HEMT GaN 35 1.17 Mổ hẳnh transistor hiằu ựng trữớng dỹa trản graphene 36 2.1 Mæ hẳnh pha tÔp iÃu bián cĐu trúc d chĐt ph¥n cüc AlGaN/GaN 39 2.2 H m sâng (a) v cĂc thá giam cƯm (b) cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN vợi mêt ở 2DEG ns = ì 1012 cm2 , mêt ở donor NI = ì 1018 cm3 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A, kho£ng c¡ch tø 2DEG ¸n tÔp Ls = 70 A mêt ở iằn tẵch phƠn cỹc lƯn lữủt l /e = ì 1012 , 1013 v ì 1013 cm2 , ữủc kỵ hiằu tữỡng ựng a, b v c ữớng liÃn nt v ựt nt ựng vợi mổ hẳnh ro hỳu hÔn v mổ hẳnh ro vổ hÔn 51 2.3 Hm sõng cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN vợi hm lữủng Al hủp kim x = 0.3, mêt ở donor NI = ì 1018 cm3 , mêt ở iằn tẵch phƠn cỹc /e = 1013 cm2 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A v khoÊng cĂch tứ 2DEG án tÔp Ls = 70 A mêt ở 2DEG lƯn lữủt l ns = 1012 , × 1012 , 1013 cm2 , ữủc kỵ hiằu tữỡng ựng a, b v c ữớng liÃn nt v ựt nt ựng vợi mổ hẳnh ro hỳu hÔn v mổ hẳnh ro vổ hÔn 52 vi 2.4 H¼nh (a), h m sõng cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN vợi hm lữủng Al hủp kim x = 0.3, mêt ở 2DEG ns = ì 1012 cm2 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A, khoÊng cĂch tứ 2DEG án tÔp Ls = 70 A mêt ở donor lƯn lữủt l NI = 1018 , ì 1018 v 1019 cm3 , ữủc kỵ hiằu tữỡng ựng a, b v c Hẳnh (b), hm sõng cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN vợi hm lữủng Al hủp kim x = 0.3, mêt ở 2DEG ns = 1013 cm2 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A, mêt ở donor NI = × 1018 cm−3 kho£ng c¡ch tø 2DEG án tÔp lƯn lữủt l Ls = A, 70 A v 150 A ữủc kỵ hi»u t÷ìng ùng a, b v c ÷íng li·n n²t v ựt nt ựng vợi mổ hẳnh ro hỳu hÔn v mổ hẳnh ro vổ hÔn 54 3.1 ở linh ởng xt tĂn xÔ bĐt trêt tỹ hủp kim (AD), tĂn xÔ nhĂm kát hủp (CR) v tờng cĂc tĂn xÔ (Tot) theo mêt ở iằn tẵch phƠn cỹc /e cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc pha tÔp iÃu bián AlGaN/GaN biản ở nhĂm = A v ë d i t÷ìng quan Λ = 70 A ỗ th nhọ km theo mổ tÊ hm sõng cừa cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN mêt ở 2DEG ns = 5ì1012 cm2 , mêt ở donor NI = ì 1018 cm3 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A v khoÊng cĂch tứ tÔp án 2DEG Ls = 70 A; a, b, c ựng vợi giĂ tr mêt ở iằn tẵch phƠn cỹc /e = ì 1012 , 1013 , × 1013 cm−2 68 3.2 ở linh ởng xt tĂn xÔ bĐt trêt tỹ hủp kim (AD), tĂn xÔ nhĂm kát hủp (CR) v tờng cĂc tĂn xÔ (Tot) theo mêt ở donor NI cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc pha tÔp iÃu bián AlGaN/GaN vợi hm lữủng Al x = 0.3, mêt ở 2DEG ns = ì 1012 cm2 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A v khoÊng cĂch tứ tÔp án 2DEG Ls = 70 A bi¶n ë nh¡m ∆ = A v ë d i t÷ìng quan Λ = 70 A ỗ th nhọ km theo mổ tÊ hm sõng cừa cĐu trúc d chĐt phƠn cỹc AlGaN/GaN mêt ở 2DEG ns = ì 1012 cm2 , kẵch thữợc phƠn bố tÔp Ld = 150 A v khoÊng cĂch tứ tÔp án 2DEG Ls = 70 A; a, b, c ựng vợi mêt ở donor NI = 1018 , × 1018 , 1019 cm−3 70 vii 3.3 ë linh ëng xt tĂn xÔ bĐt trêt tỹ hủp kim (AD), tĂn xÔ nhĂm kát hủp (CR) v tờng cĂc tĂn xÔ (Tot) cĐu trúc d chĐt pha tÔp iÃu bián AlGaN/GaN theo hm lữủng Al x vợi NI = × 1018 cm−3 , Ld = 150 A v Ls = 70 A Chi·u cao r o V0 (x), mêt ở iằn tẵch phƠn cỹc (x), mêt ë 2DEG ns (x), bi¶n ë nh¡m ∆ v ë di tữỡng quan thay ời theo x CĂc chĐm trỏn tữỡng ựng vợi dỳ liằu thỹc nghiằm ữủc o ð 77 K [115] 71 3.4 ở linh ởng xt tĂn xÔ bĐt trêt tỹ hủp kim (AD), tĂn xÔ nhĂm kát hủp (CR) v tờng cĂc tĂn xÔ (Tot) vợi mổ hẳnh ro hỳu hÔn cho cĐu trúc Al0.27 Ga0.73 N/GaN (cĂc ỗ th trĂi) v AlN/GaN ( ỗ th phÊi) CĂc kỵ hiằu vuổng ữủc tổ en v cĂc kỵ hiằu vuổng trống lƯn lữủt l dỳ liằu thỹc nghiằm o ð 20 K cho c§u tróc Al0.27 Ga0.73 N/GaN v AlN/GaN [144] 72 4.1 a) C§u tróc mët ỉ cì sð cõa SSPGNR  ữủc tổi hõa biản hydro v pha tÔp nguyản tỷ (Si, N, P) v trẵ, b) Mổ hẳnh linh kiằn cừa SSPGNR thuƯn hoc pha tÔp (Si, N, P) 76 4.2 C§u tróc vịng cõa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v PSSPGNR 78 4.3 Mªt ë trÔng thĂi v mêt ở trÔng thĂi riảng cừa SSPGNR, SiSSPGNR, N-SSPGNR v P-SSPGNR 80 4.4 ỗ th I(V) cừa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v P-SSPGNR 81 4.5 Phê truy·n qua T (E) cõa (a) SSPGNR, (b) Si-SSPGNR, (c) NSSPGNR v (d) P-SSPGNR 83 4.6 C§u tróc vịng i»n cüc tr¡i, i»n cüc ph£i v phờ truyÃn qua tÔi 1.0 V cừa SSPGNR, Si-SSPGNR, N-SSPGNR v P-SSPGNR 84 viii 4.7 C§u tróc vòng i»n cüc tr¡i, i»n cüc ph£i v phê truy·n qua cừa N-SSPGNR tÔi a) 0.8V v b) 1.4 V Vịng m u v ng thº hi»n kho£ng i»n th¸ kh£o s¡t c) v d) TrÔng thĂi tĂn xÔ tÔi nhỳng giĂ tr nông lữủng c biằt cờng iằn thá cho N-SSPGNR vợi isovalue bơng 0.2 87 4.8 C§u tróc vịng i»n cüc tr¡i, i»n cüc phÊi v phờ truyÃn qua cừa P-SSPGNR tÔi a) 0.5 V v b) 0.9 V Vòng m u v ng thº hi»n khoÊng iằn thá khÊo sĂt c) v d) TrÔng thĂi tĂn xÔ tÔi nhỳng giĂ tr nông lữủng c biằt cờng iằn thá cho P-SSPGNR vợi isovalue bơng 0.2 88 ix Danh s¡ch b£ng 1.1 nh hững cừa t số c0 /a0 án cữớng ë cõa ph¥n cüc tü ph¡t nitride nhâm III [11] 17 1.2 H» sè ¡p i»n cõa GaN v AlN cĐu trúc wurtzite ữủc dũng tẵnh to¡n [11] 19 4.1 Nhúng thay êi v· ë d i liản kát tứ cĂc v trẵ ữủc pha tÔp án carbon lƠn cên ChiÃu di ữủc tẵnh bơng ỡn v A 78 4.2 Gi¡ trà Ip , Iv v t sè Ip /Iv bốn mău khÊo sĂt 86 Ph¦n m Ưu Trong thới Ôi ngy nay, cổng nghằ bĂn dăn l mởt nhỳng lắnh vỹc quan trồng v cõ Ênh hững nhĐt án sỹ phĂt trin cừa khoa hồc - cổng nghằ Cổng nghằ bĂn dăn l nÃn t£ng cõa x¢ hëi thỉng tin, ¢ v ang thóc ây x hởi loi ngữới tián lản vợi nhỳng sỹ thay ời sÊn xuĐt, sinh hoÔt, giao tiáp v thêm chẵ cÊ suy nghắ Trong cổng nghằ bĂn dăn, vêt liằu bĂn dăn õng mởt vai trỏ quan trồng Transistor Ưu tiản ữủc phĂt minh vo nôm 1947 dỹa trản chĐt bĂn dăn gecmani (Ge) vợi ở rởng vịng c§m ð nhi»t ë pháng l 0.67 eV [1] MÔch tẵch hủp Ưu tiản ới vo nôm 1958, mÔch tẵch hủp khối xuĐt hiằn vo nôm 1961 sỷ dửng Ge v silic (Si) vợi ở rởng vũng cĐm ð nhi»t ë pháng 1.12 eV [2] Tø n«m 1965, silic tr thnh vêt liằu chẵnh cho cĂc mÔch tẵch hủp bĂn dăn Hiằn nay, phƯn lợn cĂc ngnh cổng nghiằp bĂn dăn, mÔch tẵch hủp hoc pin quang iằn văn dỹa trản silic Silic v gecmani ữủc xem nhữ cĂc chĐt bĂn dăn thá hằ Ưu CĂc chĐt bĂn dăn thá hằ thự hai bao gỗm gallium arsenide (GaAs, ë rëng vịng c§m ð nhi»t ë pháng l 1.43 eV) v indium phosphide (InP, ë rëng vịng c§m ð nhiằt ở l 1.35 eV) ữủc giợi thiằu vo nhỳng nôm 1970 BĂn dăn thá hằ thự hai chừ yáu ữủc ựng dửng cĂc thiát b tốc ở cao, thiát b nông lữủng vi sõng v mÔch tẵch hủp Ngoi ở rởng vũng cĐm lợn hỡn, GaAs cõ ở linh ởng iằn tỷ cao gĐp sĂu lƯn v vên tốc trổi bÂo hỏa lợn hỡn hai lƯn so vợi silic Do õ, cĂc thiát b sỷ dửng GaAs phũ hủp cho cĂc hoÔt ởng tƯn số cao Ngoi ra, transistor hiằu ựng trữớng dỹa trản GaAs cụng cõ nhỳng ữu im nhữ ở nhiạu thĐp, hiằu suĐt cao, Tuy nhiản, GaAs cõ ở dăn nhiằt v hiằu iằn thá Ănh thừng km hỡn so vợi cĂc chĐt bĂn dăn nhữ GaN v SiC, dăn án hÔn chá và cổng suĐt Cổng suĐt Ưu tối a cừa transistor hiằu ựng trữớng dỹa trản GaAs (MESFE) sÊn xuĐt Ưu thêp niản 1980 l 1.4 W [3] NhiÃu nộ lỹc  ữủc thỹc hiằn cÊi thiằn hiằu suĐt bơng cĂc phữỡng phĂp khĂc sỹ gia tông mêt ở cổng suĐt cho transistor hiằu ựng trữớng GaAs l khổng Ăng k Cuối thá k XX, cĂc chĐt bĂn dăn thá hằ thự ba ( ở rởng vũng cĐm rởng) nhữ gallium nitride (GaN, ở rởng vịng c§m ð nhi»t ë pháng l 3.45 eV) v silicon carbide (SiC, ë rëng vịng c§m ð nhi»t ë 3.25 eV cho 4HSiC) th hiằn nhỳng tẵnh nông vữủt trởi, thu hút ữủc nhiÃu sỹ quan tƠm CĂc bĂn dăn nitride nhõm III bao gỗm gallium nitride (GaN), nhỉm nitride (AlN), indium nitride (InN) v hđp kim cõa chúng GaN v AlN Ãu l chĐt bĂn dăn ở rëng vịng c§m rëng InN câ ë rëng vũng cĐm tữỡng ối hàp ( 0.7 eV) CĂc thiát bà i»n tû GaN thành h nh l transistor ë linh ởng iằn tỷ cao (HEMT) dỹa trản cĐu trúc d chĐt GaN (nhữ AlGaN/GaN hoc InAlN/GaN) vợi khẵ iằn tỷ hai chi·u (2DEG) câ ë linh ëng cao v mªt ở hÔt tÊi lợn iÃu ny cho thĐy HEMT GaN phũ hủp hỡn vợi cĂc ựng dửng cõ cổng suĐt v t¦n sè cao Ngo i ra, HEMT GaN cán thº hiằn c tẵnh tÊn nhiằt tốt ữủc nuổi trản á SiC v kim cữỡng Thảm vo õ, HEMT GaN ữủc nuổi trản á silic s cõ chi phẵ thĐp Vợi ở rởng vũng cĐm bao phừ ton bở vũng khÊ kián, chĐt bĂn dăn nitride nhõm III ữủc ựng dửng rởng rÂi cĂc thiát b quang iằn tỷ bữợc sõng ngưn, cử th l diode phĂt sĂng mu xanh lam (LED) Sü ph¡t triºn nhanh châng cõa ng nh cổng nghiằp LED xanh dỹa trản GaN nhỳng nôm 1990 cụng thúc ây nghiản cựu v phĂt trin thiát bà i»n tû düa tr¶n GaN Nhi·u nghi¶n cùu v· cĂc thiát b iằn tỷ nitride nhõm III nhữ transistor hiằu ựng trữớng d chĐt (HFET) ữủc thỹc hiằn, õ HFET AlGaN/GaN tr nản phờ bián nhĐt cho cĂc thiát b iằn tỷ GaN Do sỹ phƠn cỹc tỹ phĂt mÔnh v phƠn cỹc Ăp iằn AlGaN/GaN v InAlN/GaN, cĐu trúc d chĐt GaN cõ mêt ở 2DEG cao vỵi ë linh ëng cao hìn ¡ng kº so vợi cĂc cĐu trúc khối Ngy nay, cĐu trúc d chĐt bĂn dăn ữủc sỷ dửng rởng rÂi nhiÃu lắnh vỹc khĂc nhỳng lủi thá to lợn cừa nõ Cử th, lắnh vỹc viạn thổng vợi transistor bĂn dăn, truyÃn hẳnh vằ tinh, hằ thống cÊnh bĂo, ; lắnh vỹc nông lữủng vợi pin mt trới, diode phĂt sĂng, thiát b lữu trỳ thổng tin, ; lắnh vỹc y tá vợi hằ thống lồc nữợc, hằ thống xỷ lỵ dỳ li»u, [4, 5, 6, 7, 8] Nhi·u nghiản cựu cho thĐy, ở dăn iằn v tẵnh chĐt quang cõa c§u tróc dà ch§t ζ z e−qz z > z +∞ Z dz ζ z e−qz z > z −qz dz |ζ (z)| e + Z0 + dz |ζ (z)|2 eqz −∞ +∞ Z z dz |ζ (z)|2 eqz + −∞ +∞ Z z (3.5) = I31 + I32 + I33 + I34 Trong giáng thá tam giĂc vợi ro thá hỳu hÔn [55, 135, 136], trÔng thĂi iằn tỷ ữủc mổ t£ bði h m sâng bao Fang-Howard ÷đc bê sung bði Ando [136]: ζ (z) = Aκ1/2 exp (κz/2) z < 0, Bk 1/2 (kz + c) exp (−kz/2) z > A v B l h» sè chu©n hâa h m sâng Z0 I31 = −∞ dz |ζ (z)|2 e−qz Zz −∞ dz ζ z eqz (3.6) 59 Z0 = Zz