Bài viết Mô phỏng Monte carlo ba chiều bức xạ Terahertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InAs trình bày: nghiên cứu lý thuyết về bức xạ TeraHertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InAs bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo tập hợp tự hợp ba chiều. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng điện tử chủ yếu chuyển động theo phương x. Cường độ bức xạ TeraHertz phát ra từ bán dẫn loại p lớn hơn so với cường độ bức xạ TeraHertz phát ra từ bề mặt bán dẫn loại n,... Mời các bạn cùng tham khảo.
MÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZ PHÁT RA TỪ BỀ MẶT BÁN DẪN InAs HOÀNG BÁ BAN - ĐINH NHƯ THẢO Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu lý thuyết xạ TeraHertz phát từ bề mặt bán dẫn InAs phương pháp mô Monte Carlo tập hợp tự hợp ba chiều Các kết mô điện tử chủ yếu chuyển động theo phương x Cường độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn loại p lớn so với cường độ xạ TeraHertz phát từ bề mặt bán dẫn loại n Bài báo xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p có tần số cao so với xạ phát từ bán dẫn loại n sử dụng loại laser kích thích GIỚI THIỆU Bức xạ TeraHertz (THz) xạ có tần số cao nằm khoảng 10 THz đến 30 THz, xạ TeraHertz có vai trò quan ngành khoa học kỹ thuật: vật lý học, hoá học, y học, thiên văn học, sinh học Các nghiên cứu báo cáo rằng, bán dẫn InAs phát sóng THz với cường độ cao bậc mặt biên độ so với bán dẫn có lượng khe vùng rộng InP hay GaAs điều kiện Theo hướng (100) bán dẫn InAs xạ sóng THz chủ yếu vận chuyển hạt tải điều khiển trường Dember quang [8] Thêm vào đó, xạ THz phát từ bề mặt bán dẫn nghiên cứu rộng rãi phương pháp mô Monte Carlo tập hợp tự hợp chiều [10] Gần đây, K.Liu [8] cộng tiến hành thực nghiệm xạ THz phát từ chuỗi lớp mỏng bán dẫn InAs loại n loại p ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang Kết thí nghiệm hiệu suất xạ THz phát từ bán dẫn InAs loại p lớn bán dẫn InAs loại n Vấn đề tác giả Ngơ Quốc Hưng Nguyễn Duy Hồng nghiên cứu mặt lí thuyết [2], [3] Các tác giả mô xạ THz phát từ loại bán dẫn khác từ việc sử dụng phương pháp phương trình cân [2] ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang [3] thu kết phù hợp so với thực nghiệm mà K.Liu đồng đưa Tuy nhiên với tốn kết thí nghiệm kiểm tra phương pháp tính xác phương pháp mơ Monte Carlo ba chiều Phương pháp nhiều tác giả áp dụng vào toán động học siêu nhanh linh kiện bán dẫn nano Với kết thu tác giả giải thích tường minh tranh vật lý xạ THz phát từ bề mặt bán dẫn mà kết thực nghiệm đưa Tuy vậy, toán dừng lại mức độ có nồng độ hạt tải chất bán dẫn InAs chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng nồng độ pha tạp Ngồi ra, tốn Tạp chí Khoa học Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 03(23)/2012, tr 30-36 MÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZ… 31 tác giả thực mô theo chiều khơng gian chuyển động hạt tải theo hai chiều lại chưa khảo sát Trong báo này, sử dụng phương pháp mô Monte Carlo tập hợp tự hợp ba chiều để mô xạ THz phát từ bán dẫn InAs loại p bán dẫn InAs loại n Chúng tơi tính tốn xạ THz phát q trình tán xạ trơi dạt hạt tải bề mặt bán dẫn InAs tính đến ảnh hưởng nồng độ pha tạp MƠ HÌNH LINH KIỆN Q trình mơ thực bán dẫn InAs loại n bán dẫn InAs loại p với nồng độ pha tạp tương ứng 3×1016 cm-3 1×1016 cm-3 Các điện tử lỗ trống tạo bề mặt bán dẫn xung laser với lượng 1.54 eV độ dài xung 10 fs Mật độ hạt tải bị kích thích quang cho 1018 cm-3 Chuyển động hạt tải quang chênh lệch nồng độ điện tích bề mặt bán dẫn điều kiện khơng có trường Bảng đưa tham số vật liệu bán dẫn InAs dùng trình mô Bảng Các tham số vật liệu bán dẫn InAs 300 K Đại lượng Giá trị Đại lượng Mật độ khối lượng Năng lượng phonon quang 5667 kg/m3 dọc Hằng số điện môi tĩnh Năng lượng phonon quang 12.3ε0 F/m ngang Hằng số điện môi với tần Khối lượng hiệu dụng lỗ 15.15ε0 F/m số cao trống nặng Vận tốc truyền sóng âm 3240 m/s Thế biến dạng phonon âm m*eL=0.290m0 Thế biến dạng phonon quang Khốilượng hiệu dụng điện tử thung m*eX = 0.640m0 Độ rộng khe lượng lũng m*eΓ = 0.023m0 Giá trị 0.0297 eV 0.0274 eV m*h=0.410m0 6.5 eV 1.4 1010 eV 0.354 eV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chúng nghiên cứu xây dựng chương trình mơ Monte Carlo tập hợp tự hợp ba chiều cho bán dẫn InAs loại n loại p với nồng độ pha tạp tương ứng 3.1016 cm-3 1.1016 cm-3 Hình vận tốc trôi dạt điện tử bên bán dẫn loại p, vận tốc điện tử theo phương x thể đường liền nét có kí hiệu hình vng, vận tốc điện tử theo phương y thể đường đứt nét có kí hiệu hình thoi, vận ốc V Vx Vz Vy Hình Vận tốc trơi dạt điện tử bán dẫn InAs loại p 32 HOÀNG BÁ BAN – ĐINH NHƯ THẢO điện tử theo phương z thể đường đứt nét có kí hiệu hình tam giác Còn đường đứt nét có kí hiệu hình tròn vận tốc trơi dạt tồn phần điện tử Từ hình ta thấy vận tốc điện tử tăng nhanh theo phương x Đó giả thiết chiếu xung laser theo phương x làm cho điện tử bị kích thích quang theo phương x Vận tốc điện tử theo phương y phương z biến thiên có dạng dao động Hình cho thấy vận tốc trơi dạt tồn phần điện tử chủ yếu đóng góp vận tốc điện tử theo phương x Ngoài ra, từ hình ta thấy vận tốc trơi dạt điện tử ban đầu tăng đến giá trị cực đại sau giảm giảm dần Hiện tượng gọi tượng vượt vận tốc Điều giải thích sau chiếu xạ laser vào bề mặt bán dẫn, điện tử nhận lượng chuyển động nhanh dần đến giá trị cực đại bắt đầu giảm dần theo thời gian đến giá trị bão hòa Vận tốc điện tử giảm giải thích điện tử va chạm với lỗ trống, nút mạng điện tử khác gây lên trình tán xạ làm cho lượng điện tử giảm dần dẫn đến vận tốc điện tử giảm đến giá trị bão hòa V Vx Vz Vy Hình Vận tốc trơi dạt điện tử bán dẫn InAs loại n Hình biểu thị vận tốc trôi dạt điện tử bán dẫn InAs loại n theo thời gian Đường liền nét có kí hiệu hình vng biểu thị vận tốc điện tử theo phương x, đường đứt nét có kí hiệu hình thoi biểu thị vận tốc điện tử theo phương y, đường đứt nét có kí hiệu tam giác biểu thị vận tốc điện tử theo phương z, đường đứt nét có kí hiệu hình tròn biểu thị vận tốc tồn phần điện tử Từ hình ta thấy vận tốc trơi dạt điện tử bán dẫn InAs loại n tăng dần theo thời gian Điều điện tử theo phương x bị kích thích quang nguồn laser Còn vận tốc trơi dạt điện tử theo phương y phương z biến thiên có dạng dao động so với vận tốc điện tử theo phương x Hình Vận tốc trơi dạt tương đối điện tử lỗ trống bán dẫn InAs MÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZ… 33 Hình mô tả vận tốc tương đối điện tử lỗ trống bán dẫn InAs Đường liền nét có kí hiệu hình thoi mơ tả vận tốc tương đối điện tử lỗ trống bán dẫn InAs loại n Đường đứt nét có kí hiệu hình vuông mô tả vận tốc tương đối điện tử lỗ trống bán dẫn InAs loại p Từ hình ta thấy ban đầu độ chênh lệch vận tốc điện tử lỗ trống tăng nhanh tức vận tốc điện tử tăng nhanh nhiều so với vận tốc lỗ trống Điều điện tử sau nhận kích thích quang chuyển động nhanh theo chiều chiếu xung laser Ngồi ra, độ linh động điện tử lớn độ linh động lỗ trống nên điện tử bị khuếch tán vào bán dẫn nhanh so với lỗ trống Sau điện tử sâu vào bên bán dẫn bên bán dẫn hình thành điện trường hướng từ bề mặt bán dẫn vào bên Điện trường làm vận tốc điện tử giảm nên sau khoảng thời gian vận tốc điện tử giảm làm cho độ chênh lệch vận tốc điện tử giảm hình Điều cho thấy khơng đặt điện trường vào sau chiếu xung laser bên mẫu hình thành điện trường Hiện tượng gọi hiệu ứng Dember quang Hình Dạng xung xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p Hình Dạng xung xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n Hình biểu thị dạng xung xạ TeraHertz phát từ bề mặt bán dẫn InAs hàm theo thời gian Sau chiếu xung laser xảy trình phát xạ TeraHertz chuyển động cực nhanh hạt tải theo hướng vng góc với bề mặt bán dẫn Bức xạ TeraHertz thu cách lấy đạo hàm bậc hai vận tốc hạt tải theo thời gian theo hướng vng góc với bề mặt bán dẫn Trong q trình mơ chúng tơi chọn phương x phương kích thích xung laser Vì vậy, xạ TeraHertz phát bề mặt vng góc với trục x Hình đồ thị so sánh xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p loại n Bức xạ phát từ bán dẫn InAs loại n thể đường liền nét có kí hiệu hình 34 HỒNG BÁ BAN – ĐINH NHƯ THẢO tròn Bức xạ phát từ bán dẫn InAs loại p thể đường nét đứt có kí hiệu hình vng Từ hình ta thấy,bán dẫn InAs loại p phát xạ TeraHertz có cường độ cao so với xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n Điều giải thích dựa chênh lệch nồng độ điện tử lỗ trống bề mặt chất bán dẫn Do nồng độ pha tạp vào bán dẫn InAs loại p khác với nồng độ pha tạp vào bán bán dẫn InAs loại n nên độ chênh lệch nồng độ điện tử lỗ trống bề mặt bán dẫn bán dẫn InAs loại p loại n khác Hình So sánh xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n bán dẫn loại p Ngồi có pha tạp nên chắn bán dẫn InAs loại n chủ yếu nồng độ điện tử pha tạp, bán dẫn InAs loại p chủ yếu lỗ trống pha tạp Hơn nữa, điện tử có khối lượng nhẹ lỗ trống nên chuyển động nhanh lỗ trống làm cho chắn điện tử bán dẫn loại n mạnh so với bán dẫn loại p Hình Sự phụ thuộc biên độ xạ TeraHertz vào tần số bán dẫn InAs loại p Hình Sự phụ thuộc biên độ xạ TeraHertz vào tần số bán dẫn InAs loại n Hình hình đồ thị mơ tả biên độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p bán dẫn InAs loại n hàm tần số Từ đồ thị hình hình 8, ta thấy biên độ xạ TeraHertz bán dẫn InAs loại p đạt giá trị lớn vào khoảng cỡ 62 THz, biên độ xạ TeraHertz bán dẫn InAs loại p đạt giá trị lớn vào MÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZ… 35 khoảng cỡ 43 THz Ngồi ra, từ hình hình 8, thấy xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p có biên độ tần số cao so với bán dẫn InAs loại n Vì vậy, lần khẳng định cường độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p cao so với cường độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n KẾT LUẬN Chúng mô động lực học hạt tải phương pháp mô Monte Carlo cho hai loại bán dẫn InAs loại p loại n Kết cho ta thấy vận tốc điện tử theo ba chiều x, y, z biến thiên theo thời gian cường độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn loại p lớn so với cường độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn loại n Tần số xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p cao so với tần số xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Nguyễn Quang Báu, Đỗ Quốc Hùng, Vũ Văn Hùng, Lê Tuấn (2004) Lý thuyết bán dẫn NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Duy Hồng (2008) Mơ xạ TeraHertz phát từ bề mặt InAs ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang phương pháp phương trình cân Luận văn Thạc sĩ Vật lý Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Ngô Quốc Hưng (2007) Mô Monte Carlo xạ TeraHertz phát từ bề mặt InAs ảnh hưởng hiệu ứng Dember quang Luận văn Thạc sĩ Vật lý Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Phùng Hồ, Phan Quốc Phơ (2008) Giáo trình Vật liệu bán dẫn NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đinh Như Thảo (2006) Bài giảng môn phương pháp số Trường Đại học Sư phạm Đại học Huế Jacoboni, C., and Reggiani, L (1983) The Monte Carlo method for the solution of charge transport in semiconductors with application to covalent material Review of Modern Physics (55), 645 Johnston, M B., Whittaker, D M., Corchia, A., Davies, A G., and Linfield, E H (2002) Simulation of Terahertz generation at semiconductor surfaces Phys Rev B (65), 165301 Kai Lui, Jingzhou Xu, Tao Yuan (2006) TeraHertz radiation from InAs induced by carrier diffusion and drift Phys Rev B (65), 155330 Dinh N Thao (2004) Study on Monte Carlo technique for applying to high density carrier system in device structure, The Subtheme Ph.D thesis, School of Materials Science, Japan Advanced Institute of Science and Technology, Japan Tomizawa K (1993) Numerical simulation of submicron semiconductor devices Artech House - Boston London 36 HOÀNG BÁ BAN – ĐINH NHƯ THẢO Title: 3D MONTE CARLO SIMULATION OF TERAHERTZ RADIATION EMITTED FROM THE SURFACE OF InAs Abstract: This paper presents the theoretical study on terahertz radiation emitted from the surfaces of InAs by means of three-dimensional self-consistent ensemble Monte Carlo method The simulation results show that electrons almost move along x-axis The intensity of the terahertz radiation emitted from the p-type semiconductor is larger than that emitted from the surface of n-type semiconductor This paper also shows that the Terahertz radiation emitted from the p-type InAs has a higher frequency than the n-type InAs with the same photon energy HOÀNG BÁ BAN Học viên Cao học, Trường đại học Sư phạm - Đại Học Huế ĐT: 0975.179.907, Email: hoangban0409@gmail.com TS ĐINH NHƯ THẢO Phòng KHCN - HTQT, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế ĐT: 0996.867.668, Email: dnthao@gmail.com ... quang Hình Dạng xung xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p Hình Dạng xung xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n Hình biểu thị dạng xung xạ TeraHertz phát từ bề mặt bán dẫn InAs hàm theo thời... biên độ xạ TeraHertz bán dẫn InAs loại p đạt giá trị lớn vào MÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZ 35 khoảng cỡ 43 THz Ngồi ra, từ hình hình 8, thấy xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại... dẫn loại p lớn so với cường độ xạ TeraHertz phát từ bán dẫn loại n Tần số xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại p cao so với tần số xạ TeraHertz phát từ bán dẫn InAs loại n TÀI LIỆU THAM KHẢO