Khảo sát cấu hình nhám từ tỉ số độ rộng phổ trong giếng lượng tử ingaas inalas (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TRẦN THỊ HUÊ KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM TỪ TỈ SỐ ĐỘ RỘNG PHỔ TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ InGaAs/InAlAs Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN Mã số: 8440103 Demo Version - Select.Pdf SDK LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS ĐINH NHƯ THẢO Thừa Thiên Huế, năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu nêu Luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Demo Version - Select.Pdf SDK Huế, tháng năm 2018 Tác giả Luận văn Trần Thị Huê ii LỜI CẢM ƠN Hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Đinh Như Thảo tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực Luận văn Qua đây, xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo khoa Vật Lý phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế; bạn học viên Cao học khóa 25 gia đình, bạn bè động viên, góp ý, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi trình học tập thực Luận văn Demo Version - Select.Pdf SDK Huế, tháng năm 2018 Tác giả Luận văn Trần Thị Huê iii MỤC LỤC Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục Danh mục bảng biểu Danh mục từ viết tắt kí hiệu Danh sách hình vẽ MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Mục tiêu đề tài 11 III Nội dung đề tài 11 IV Phương pháp nghiên cứu Demo Version - Select.Pdf SDK NỘI DUNG 12 Chương 1: Cơ sở lý thuyết 14 14 1.1 Tổng quan vật liệu bán dẫn InGaAs/InAlAs 14 1.1.1 Các thông số vật liệu bán dẫn InGaAs 15 1.1.2 Các thông số vật liệu bán dẫn InAlAs 17 1.1.3 Dị cấu trúc bán dẫn InGaAs/InAlAs 18 1.2 Tổng quan giếng lượng tử 19 1.2.1 Năng lượng trạng thái điện tử hệ bán dẫn hai chiều 20 1.2.2 Giếng lượng tử vng góc sâu vơ hạn 22 1.2.3 Giếng lượng tử vng góc sâu hữu hạn 23 1.2.4 Giếng lượng tử parabol 27 1.2.5 Giếng tam giác 30 1.3 Các chế tán xạ khí điện tử hai chiều 32 1.3.1 Tán xạ nhám bề mặt (SR) 33 1.3.2 Tán xạ phonon (LO phonon LA phonon) 33 1.3.3 Tán xạ tạp chất ion hóa (II) 34 1.3.4 Tán xạ trật tự hợp kim bán dẫn (AD) 35 1.4 Giải gần phương pháp biến phân 36 Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám bề mặt giếng lượng tử InGaAs/InAlAs 39 2.1 Mơ hình giếng lượng tử hình thành dị cấu trúc bán dẫn InGaAs/InAlAs 39 2.1.1 Giếng lượng tử hình thành chuyển tiếp dị chất đơn InGaAs/InAlAs 39 2.1.2 Giếng lượng tử hình thành chuyển tiếp dị chất kép InAlAs/InGaAs/InAlAs Demo Version - Select.Pdf SDK 2.1.3 Hàm sóng giếng lượng tử InGaAs/InAlAs 40 2.2 Các đại lượng đặc trưng cấu hình nhám 44 2.3 Ảnh hưởng tán xạ nhám bề mặt lên độ rộng vạch phổ 45 2.3.1 Độ rộng vạch phổ vùng chuyển tiếp 45 42 2.3.2 Ảnh hưởng tán xạ nhám bề mặt lên độ rộng vạch phổ 46 2.4 Độ rộng vạch phổ độ nhám 48 Chương 3: Kết tính tốn thảo luận 50 3.1 Xác định giá trị chiều dài tương quan Λ 50 3.2 Xác định giá trị biên độ nhám ∆ 51 3.3 Khảo sát thay đổi cấu hình nhám vật liệu InGaAs/InAlAs thay đổi tham số giếng lượng tử 52 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC P.1 Demo Version - Select.Pdf SDK DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các thông số vật liệu bán dẫn InGaAs nhiệt độ 300 K Bảng 1.2 16 Các thông số vật liệu bán dẫn InAlAs nhiệt độ 300 K Demo Version - Select.Pdf SDK 18 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Cụm từ viết tắt Nghĩa cụm từ viết tắt 2DEG Khí điện tử hai chiều AD Mất trật tự hợp kim II Tạp ion hóa LA Phonon âm LO Phonon quang QW Giếng lượng tử SR Nhám bề mặt Demo Version - Select.Pdf SDK DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể InAs (trái) GaAs (phải) 15 Hình 1.2 Linh kiện quang điện tử 16 Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể InAs (trái) AlAs (phải) 17 Hình 1.4 (a) Dạng biểu đồ giếng lượng tử MOSFET InGaAs (b) mặt cắt ngang ảnh hiển vi di chuyển electron với bề dày ống dẫn 10 nm nm 19 Hình 1.5 Cấu trúc giếng lượng tử 20 Hình 1.6 Mơ hình giếng lượng tử hình thành lớp GaAs kẹp hai lớp AlGaAs 20 Hình 1.7 Minh họa giếng lượng tử vng góc sâu vơ hạn 22 Hình 1.8 Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử vng góc sâu vơ hạn Version - Select.Pdf Hình 1.9Demo Minh họa giếng lượng tửSDK vng góc sâu hữu hạn 23 24 Hình 1.10 Đồ thị xác định giá trị η tương ứng với mức lượng 26 Hình 1.11 Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử vng góc sâu hữu hạn 27 Hình 1.12 Minh họa giếng lượng tử parabol 27 Hình 1.13 Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử parabol 30 Hình 1.14 Minh họa giếng lượng tử tam giác 31 Hình 1.15 Đồ thị hàm sóng hạt giếng lượng tử tam giác Hình 2.1 32 Minh họa giếng lượng tử chuyển tiếp dị chất đơn InGaAs/InAlAs 40 Hình 2.2 Minh họa giếng lượng tử chuyển tiếp dị chất kép InAlAs/InGaAs/InAlAs Hình 2.3 Minh họa kích thước đặc trưng cấu hình nhám biên độ nhám ∆ chiều dài tương quan Λ Hình 3.1 41 45 Sự phụ thuộc tỉ số độ rộng phổ Rγ (Λ) vào chiều dài tương quan Λ giếng lượng tử InGaAs/InAlAs với độ rộng giếng L = 90 ˚ A, đường đứt nét màu đỏ biểu diễn kết tính số theo lý thuyết, đường liền nét màu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm, dấu mũi tên giá trị Λ Hình 3.2 51 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ γSR (∆) vào biên độ nhám ∆ giếng lượng tử InGaAs/InAlAs với độ rộng giếng L = 90 ˚ A chiều dài tương quan lấy từ hình 3.1: Λ = 96 ˚ A, đường đứt nét màu đỏ Version biểu diễn- Select.Pdf kết tínhSDK số theo lý thuyết, đường Demo liền nét màu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm dấu mũi tên giá trị ∆ Hình 3.3 52 Sự phụ thuộc tỉ số độ rộng phổ Rγ (Λ) vào chiều dài tương quan Λ giếng lượng tử InGaAs/InAlAs với độ rộng giếng L = 110 ˚ A (tăng 20 ˚ A so với ban đầu L = 90 ˚ A), đường đứt nét màu đỏ biểu diễn kết tính số theo lý thuyết, đường liền nét màu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm dấu mũi tên giá trị Λ 53 Hình 3.4 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ γSR (∆) vào biên độ nhám ∆ giếng lượng tử InGaAs/InAlAs với độ rộng giếng L = 110 ˚ A (tăng 20 ˚ A so với ban đầu L = 90 ˚ A) chiều dài tương quan lấy ˚ đường đứt nét màu đỏ biểu từ hình 3.3: Λ = 122 A, diễn kết tính số theo lý thuyết, đường liền nét màu xanh biểu diễn kết từ thực nghiệm dấu mũi tên giá trị ∆ Demo Version - Select.Pdf SDK 54 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thập niên qua, phát triển công nghệ nano, làm thay đổi diện mạo ngành khoa học vật liệu giới, vi xử lý chế tạo với kích thước ngày nhỏ, tốc độ xử lý khả lưu trữ ngày tăng lên [5] Khơng dừng lại đó, cơng nghệ nano dự đốn tạo cách mạng khoa học kỹ thuật kỉ XXI Với vật liệu có kích thước nanomét, tính chất quang kiểm sốt nhờ việc thay đổi kích thước, hình dạng thành phần vật liệu, nhờ khả làm cho vật liệu nano chiếm vị trí quan trọng khoa học vật liệu thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học, thể tính chất quang, điện tử từ mà vật liệu khối Demo Select.Pdf SDKhạn giếng lượng tử, dây Các cấu trúcVersion lượng tử-bán dẫn, chẳng lượng tử, chấm lượng tử hay siêu mạng chủ đề nghiên cứu quan trọng vật lý bán dẫn thập kỷ gần Nó biểu nhiều hiệu ứng học lượng tử áp dụng cho việc phát triển linh kiện điện tử quang điện tử [12] Trong đó, cấu trúc giếng lượng tử cấu trúc giam giữ hạt vi mô chiều việc ghép lớp bán dẫn mỏng khác áp dụng nhiều Đặc trưng hệ lượng tử phổ lượng chuyển từ liên tục sang gián đoạn dẫn đến tượng chuyển dời quang mức lượng làm thay đổi phân bố điện tử Sự thay đổi làm thay đổi cường độ tán xạ nhám bề mặt làm thay đổi độ rộng vạch phổ Có nhiều loại giếng lượng tử khác nhau, chẳng hạn giếng lượng tử vng góc sâu vơ hạn, giếng lượng tử vng góc sâu hữu hạn, giếng lượng tử tam giác giếng lượng tử parabol Chúng ta biết rằng, phổ hấp thụ chuyển dời vùng giếng lượng tử đặc trưng vật lý quan trọng Ba đặc trưng để xác định phổ là: vị trí đỉnh phổ (bước sóng xảy hấp thụ cực đại), cường độ độ rộng vạch phổ [16] Nhân tố thứ ba độ rộng vạch phổ bị ảnh hưởng nhiều yếu tố vật lý, định đến chất lượng độ ổn định linh kiện, cần phải nghiên cứu có hệ thống nghiên cứu định lượng Trong dị cấu trúc bán dẫn, chỗ tiếp giáp hai lớp vật liệu, không tương thích số mạng nguyên tử hai loại vật liệu chiếm vị trí nút mạng cách ngẫu nhiên làm cho bề mặt tiếp xúc bị nhám [6] Trong tán xạ nhám bề mặt tượng tán xạ gây bề mặt tiếp xúc gồ ghề vật liệu dị cấu trúc, đặc trưng cấu hình nhám Vì cấu hình nhám có vai trò quan trọng việc nghiêm cứu tính chất vật liệu Nó đặc trưng hai-tham số biên Demo Version Select.Pdf SDKđộ nhám chiều dài tương quan Để khảo sát cấu hình nhám người ta sử dụng nhiều phương pháp khác thông qua độ linh động hay mật độ hấp thụ tích hợp Đặc biệt gần có phương pháp hiệu khảo sát cấu hình nhám từ tỉ số độ rộng phổ [2] InGaAs/InAlAs vật liệu bán dẫn thấp chiều có tính chất mới, vượt trội so với mẫu vật liệu khác dẫn điện nhanh nhiều lần so với silicon, thiết bị bán dẫn chế tạo từ InGaAs dẫn điện với tốc độ nhanh 2,5 lần so với thiết bị silicon tiên tiến Loại thiết bị bán dẫn có kích thước 60 nm (một nano mét phần tỷ mét), nhờ mà ngành cơng nghiệp điện tử sản xuất thiết bị nhỏ có khả xử lý thơng tin nhanh Giếng lượng tử In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As có ưu điểm bật cơng suất, độ 10 dẫn điện khả chịu nhiệt nên ứng dụng phổ biến thiết bị quang điện tử Hiện tại, chúng coi cấu trúc hứa hẹn để thiết kế máy phát dây dẫn xạ điện từ đầu dò dải tần số lên đến 103 GHz Gần đây, nước ta có số nghiên cứu lĩnh vực Năm 2013, tác giả Phan Thị Vân khảo sát cấu hình nhám giếng lượng tử InGa/GaN [14] Năm 2014, tác giả Nguyễn Thị Trình khảo sát cấu hình nhám giếng lượng tử AlGaN/GaN [13] Năm 2015, tác giả Nguyễn Phước Hậu khảo sát cấu hình nhám giếng lượng tử InAs/AlAs [5] Năm 2016, tác giả Đinh Như Thảo cộng xác định đơn trị hai kích thước nhám đơn dựa liệu quang học [18] Cũng năm 2016 tác giả Trần Thị Hồng Lê khảo sát cấu hình nhám bề mặt giếng lượng tử InN/GaN [8] Năm 2017, tác giả Đinh Thị Kim Chi khảo sát cấu hình nhám thơng qua tỉ số độ rộng phổ trongVersion giếng lượng tử InN/GaN Demo - Select.Pdf SDK [2] Tuy nhiên, chưa tìm thấy nghiên cứu cấu hình nhám tính tốn từ tỉ số độ rộng phổ giếng lượng tử In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As Từ lý định chọn đề tài “Khảo sát cấu hình nhám từ tỉ số độ rộng phổ giếng lượng tử InGaAs/InAlAs” làm Luận văn Thạc sĩ Mục tiêu nghiên cứu Xác định hai kích thước cấu hình nhám từ tỉ số độ rộng phổ giếng lượng tử In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, chiều dài tương quan Λ xác định từ tỉ số độ rộng phổ biên độ nhám ∆ xác định từ độ rộng phổ 11 Nội dung nghiên cứu Đề tài chủ yếu tập trung vào vấn đề sau: – Tìm hiểu khái quát vật liệu; – Khảo sát cấu hình giếng lượng tử; – Nghiên cứu sở lý thuyết cấu hình nhám giếng lượng tử In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As; – Tính tốn thảo luận kết nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu – Nghiên cứu lý thuyết dựa lý thuyết Cơ học lượng tử; – Sử dụng phương pháp biến phân phương pháp số; – Sử dụng chương trình Mathematica để tính số vẽ đồ thị Phạm vi nghiên cứu Demo Version - Select.Pdf SDK Trong khuôn khổ Luận văn giới hạn chế tán xạ ảnh hưởng đến độ nhám tán xạ hợp kim tán xạ nhám bề mặt, sử dụng hàm sóng gần cho điện tử tính tốn phương pháp biến phân Bố cục luận văn Luận văn gồm có ba phần chính: Mở đầu, Nội dung Kết luận Phần Mở đầu: Trình bày lý chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu bố cục luận văn Phần Nội dung: Gồm ba chương Chương 1: Cơ sở lý thuyết; Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám thông qua tỉ số độ rộng phổ giếng lượng tử In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As; 12 Chương 3: Kết tính tốn thảo luận Phần Kết luận: Trình bày kết đạt luận văn đề xuất hướng phát triển nghiên cứu Ngoài ra, có phần: Mục lục, phụ lục, tài liệu tham khảo Demo Version - Select.Pdf SDK 13 ... As Từ lý định chọn đề tài Khảo sát cấu hình nhám từ tỉ số độ rộng phổ giếng lượng tử InGaAs/ InAlAs làm Luận văn Thạc sĩ Mục tiêu nghiên cứu Xác định hai kích thước cấu hình nhám từ tỉ số độ rộng. .. Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám bề mặt giếng lượng tử InGaAs/ InAlAs 39 2.1 Mơ hình giếng lượng tử hình thành dị cấu trúc bán dẫn InGaAs/ InAlAs 39 2.1.1 Giếng lượng tử hình thành... qua tỉ số độ rộng phổ trongVersion giếng lượng tử InN/GaN Demo - Select.Pdf SDK [2] Tuy nhiên, chúng tơi chưa tìm thấy nghiên cứu cấu hình nhám tính toán từ tỉ số độ rộng phổ giếng lượng tử In0.53