Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 130, Số 1A, 13–21, 2021 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 SỰ KẾT CẶP CỦA PHONON QUANG DỌC - PLASMON TRONG CÁC LỚP BÁN DẪN InGaN Dương Đình Phước, Đinh Như Thảo* Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, 34 Lê Lợi, Huế, Việt Nam * Tác giả liên hệ Đinh Như Thảo (Ngày nhận bài: 25-07-2020; Ngày chấp nhận đăng: 01-08-2020) Tóm tắt Trong báo này, khảo sát tồn mode kết cặp phonon quang dọc (LO phonon)-plasmon lớp bán dẫn InGaN lý thuyết hàm điện môi Chúng tơi sử dụng sóng hồng ngoại phân cực p chiếu xiên lên lớp màng mỏng bán dẫn, từ chúng tơi quan sát thấy xuất bốn cực tiểu phân biệt phổ truyền qua vật liệu Hai cực tiểu tương ứng với mode phonon quang ngang hai bán dẫn thành phần InN GaN, hai cực tiểu lại mode kết cặp LO phonon-plasmon Bên cạnh đó, chúng tơi lần đưa phương trình dùng để tính số tần số mode kết cặp Ngồi ra, chúng tơi khảo sát chi tiết ảnh hưởng mật độ electron lên mode kết cặp LO phonon-plasmon Từ khóa: mode kết cặp, phonon quang dọc, plasmon, lớp bán dẫn, InGaN Coupling of longitudinal optical phonon-plasmon in InGaN semiconductor layers Duong Dinh Phuoc, Dinh Nhu Thao* University of Education, Hue University, 34 Le Loi St., Hue, Vietnam * Correspondence to Dinh Nhu Thao (Received: 25 July 2020; Accepted: 01 August 2020) Abstract The existence of longitudinal optical (LO) phonon-plasmon coupled modes in InGaN semiconductor layers is investigated by using the dielectric function theory By using a p-polarized infrared wave irradiating obliquely on thin semiconductor layers, we observe the appearance of four distinct minima in the transmission spectrum of the material The first two minima are given to the transverse optical phonon modes of the two InN and GaN component semiconductors, while the remaining two minima are attributed to the LO phonon-plasmon coupled modes Besides, for the first time, we have derived an equation for numerically calculating the frequencies of these coupled modes Besides, the effect of electron density on LO phonon-plasmon coupled modes is also examined in details Keywords: coupled mode, LO phonon, plasmon, semiconductor layer, InGaN DOI: 10.26459/hueunijns.v130i1A.5964 13 Dương Đình Phước Đinh Như Thảo Giới thiệu Monte-Carlo cho hệ vật liệu thường gặp nhiều khó khăn Một tượng vật lý thu hút ý nhà nghiên cứu tượng kết cặp phonon quang dọc (LO phonon) plasmon cấu trúc bán dẫn [1] Hiện tượng dẫn đến phát xạ sóng Terahertz, xạ có nhiều tiềm ứng dụng việc phát triển nhớ máy tính hay thiết bị truyền thơng [2, 3] Sự tồn đặc tính quang mode kết cặp LO phonon-plasmon (LOPCM) phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác ảnh hưởng điện trường ngồi, mật độ electron, kích thước cấu trúc hay cấu hình tạp chất vật liệu [4] Tuy nhiên, thời điểm chưa có nghiên cứu đầy đủ hành vi LOPCM hệ vật liệu khác Gần đây, nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tương tác quang kết cặp LO phonon Bán dẫn InGaN vật liệu vùng cấm thẳng chế tạo từ hỗn hợp thành phần InN GaN Hàm lượng indium thay đổi để tạo hợp kim In1−𝑥 Ga𝑥 N có độ rộng khe vùng tương ứng với bước sóng ánh sáng nằm khoảng từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại Hệ vật liệu thường pha tạp loại n Hợp kim In1−𝑥 Ga𝑥 N có nhiều đặc tính quang độc đáo, đặc biệt độ ổn định nhiệt cao [10] Vì vậy, chúng ứng dụng thiết bị bán dẫn thiết bị nhiệt điện hiệu suất cao, thiết bị quang điện hay đi-ốt phát quang [10-13] Tuy nhiên, cịn nhiều tính quan trọng hệ vật liệu chưa khảo sát rõ ràng, chẳng hạn phát xạ Terahertz từ tương tác kết cặp mode LO phonon plasmon plasmon vật liệu bán dẫn khối nhằm Trong báo này, nghiên cứu khảo sát chi tiết tính chất quang chúng tồn mode kết cặp LO phonon tìm kiếm nguồn phát xạ Terahertz ổn plasmon lớp màng mỏng bán dẫn InGaN định dễ điều khiển [5] lý thuyết hàm điện môi Chúng xác định Hiện tượng kết cặp LO phonon plasmon hệ vật liệu bán dẫn nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết nhiều phương pháp khác Trong nghiên cứu thực nghiệm, LOPCM quan sát thấy phân tích phổ truyền qua vật liệu để tìm kiếm chứng tồn mode kết cặp LO phonon-plasmon Từ đó, đánh giá ảnh hưởng điện trường tham số vật liệu lên hành vi mode kết cặp quang phổ Raman hay quang phổ Terahertz miền thời gian [1, 6] Đối với nghiên cứu lý thuyết, phương pháp sử dụng lý thuyết hàm điện môi hay phương pháp mơ MonteCarlo [7-9] Nhìn chung, phương pháp nghiên cứu hiệu tính chất quang LOPCM Lý thuyết hàm điện môi nhiều người lựa chọn nghiên cứu LOPCM phương pháp cần xác định hàm điện môi bán dẫn khảo sát hệ số truyền qua vật liệu, từ xác định LOPCM phổ truyền qua Hơn nữa, phương pháp áp dụng hiệu hệ bán dẫn ba thành phần, việc áp dụng phương pháp mô 14 Lý thuyết Trong báo này, nghiên cứu tồn hành vi mode kết cặp LO phonon-plasmon lớp màng mỏng bán dẫn In1−𝑥 Ga𝑥 N (0 ≤ 𝑥 ≤ 1) Chúng tơi tìm kiếm chứng tồn mode kết cặp thông qua việc khảo sát phổ truyền qua vật liệu Vì vậy, chúng tơi xét chùm tia ánh sáng có tần số 𝜔 chiếu xiên lên lớp bán dẫn có độ dày 𝑑 lập với trục Oz góc 𝜃 với mặt phẳng ánh sáng tới mặt phẳng Oyz (Hình 1) Sự hấp thụ ánh sáng tinh thể bán dẫn In1−𝑥 Ga𝑥 N đặc trưng hàm điện môi phức bao gồm tổng đóng pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 130, Số 1A, 13–21, 2021 góp phonon plasmon, xác định InN GaN 𝜖∞ (𝑥) = (1 − 𝑥)𝜖∞ + 𝑥𝜖∞ sau (2) InN GaN Ở đây, 𝜖∞ 𝜖∞ số điện môi 𝜖̃(𝜔) = 𝜖∞ (𝑥) + 𝜖phonon + 𝜖plasmon , (1) với 𝜖∞ (𝑥) số điện môi tần số cao vật liệu InN 𝜖phonon = (1 − 𝑥)𝜖∞ 0 (𝜔𝐿𝑂,InN ) −(𝜔𝑇𝑂,InN ) 𝜔𝑇𝑂,InN −𝜔2 −𝑖𝛤InN 𝜔 tần số cao bán dẫn thành phần InN GaN Đóng góp phonon vào hàm điện mơi (1) tính theo phương trình [1] 2 GaN + 𝑥𝜖∞ 0 (𝜔𝐿𝑂,GaN ) −(𝜔𝑇𝑂,GaN ) 𝜔𝑇𝑂,GaN −𝜔2 −𝑖𝛤GaN 𝜔 , (3) 𝜔𝐿𝑂,𝑖 𝜔0𝑇𝑂,𝑖 (i = InN, GaN) tần số với 𝑁𝑒 , 𝑒 𝑚𝑒 tương ứng nồng độ, điện tích LO phonon TO phonon bán dẫn khối lượng hiệu dụng electron Các nghiên i tương ứng; 𝜔 𝑇𝑂,𝑖 tần số TO phonon cứu lý thuyết kết cặp LO phonon- bán dẫn thành phần i hợp kim plasmon bán dẫn hai thành phần In1−𝑥 Ga𝑥 N; 𝛤𝑖 hệ số suy giảm phonon CdS hay GaP tần số mode bán dẫn thành phần i kết cặp LO phonon-plasmon khơng Đóng góp plasmon vào hàm điện mơi (1) xác định theo phương trình [4] 𝜖plasmon = − 𝜖∞ (𝑥)𝜔𝑝 𝜔2 +𝑖𝛾𝑝 𝜔 điểm hàm điện mơi tồn phần, nói cách khác nghiệm phương trình 𝜖̃(𝜔) = [14] Tương tự, chúng tơi tìm tần số , (4) mode kết cặp LOPCM bán dẫn ba thành phần thơng qua việc giải phương trình Các hệ 𝛾𝑝 hệ số suy giảm plasmon; 𝜔𝑝 số suy giảm phonon 𝛤𝑖 plasmon 𝛾𝑝 có giá trị tần số plasma nhỏ so với tần số phonon plasmon 𝜔𝑝 = √ 4𝜋𝑁𝑒 𝑒 𝑚𝑒 𝜖∞ (𝑥) , (5) nên ta bỏ qua chúng tính tốn Thay phương trình (3) (4) vào phương trình (1) ta thu InN 𝜖̃(𝜔) = 𝜖∞ (𝑥) + (1 − 𝑥)𝜖∞ 𝜔𝑇𝑂,InN −𝜔2 2 0 (𝜔𝐿𝑂,InN ) −(𝜔𝑇𝑂,InN ) GaN + 𝑥𝜖∞ 0 (𝜔𝐿𝑂,GaN ) −(𝜔𝑇𝑂,GaN ) 𝜔𝑇𝑂,GaN −𝜔2 − 𝜖∞ (𝑥)𝜔𝑝 𝜔2 (6) Hình Mơ hình lan truyền sóng điện từ qua lớp màng mỏng bán dẫn a) Điện trường 𝐸⃗ phân cực s (TE); b) Điện trường 𝐸⃗ phân cực p (TM) DOI: 10.26459/hueunijns.v130i1A.5964 15 Dương Đình Phước Đinh Như Thảo Cho 𝜖̃(𝜔) = 0, ta viết lại phương trình (6) { sau 𝜖∞ (𝑥) + InN 𝑋(1−𝑥)𝜖∞ 𝜔𝑇𝑂,InN −𝜔2 + GaN 𝑌𝑥𝜖∞ 𝜔𝑇𝑂,GaN −𝜔2 − 𝜖∞ (𝑥)𝜔𝑝 𝜔2 = 0, 𝑋 = (𝜔𝐿𝑂,InN ) − (𝜔0𝑇𝑂,InN ) 2 (8) 𝑌 = (𝜔𝐿𝑂,GaN ) − (𝜔0𝑇𝑂,GaN ) Phương trình (7) viết lại (7) sau 2 − TO , InN + TO , GaN + X (1 − x ) InN + Yx GaN ( x) + ( x ) p2 X (1 − x ) 2 2 + TO , InNTO , GaN + (TO , InN + TO , GaN ) p + 2 − TO , InNTO , GaN p = InN TO , GaN + Yx ( x) GaN TO , InN (9) Đặt 2 InN A = TO + Yx GaN + ( x ) p2 , InN + TO , GaN ( x ) + X (1 − x ) 2 2 InN B = TO , InNTO , GaN + (TO , InN + TO , GaN ) p ( x ) + X (1 − x ) TO , GaN + Yx 2 C = TO , InNTO , GaN p ta viết lại phương trình (9) sau 𝜔6 − 𝐴 𝜖∞ (𝑥) 𝜔4 + 𝐵 𝜖∞ (𝑥) 𝜔2 − 𝐶 = GaN TO , InN , (10) Ta biết chiết suất phức môi trường tinh (11) thể bán dẫn hấp thụ cho 𝑛̃ = 𝑛 + 𝑖𝜅, (14) Việc giải phương trình (11) để tìm nghiệm giải tích 𝜔± khó khăn; vậy, chúng tơi cần 𝜅 hệ số tắt dần xác định [4] thực tính tốn số để tìm phụ thuộc tần 𝜅= số mode kết cặp LO phonon-plasmon vào 𝜔 𝑐 (15) Bên cạnh đó, ta có hệ thức liên hệ chiết mật độ electron 𝜔± = 𝑓(𝑁𝑒 ) √|𝑛̃|2 − 𝑠𝑖𝑛2 𝜃 suất phức hàm điện môi phức (12) 𝑛̃2 = 𝜖̃(𝜔) (16) Kết này, mặt định tính, tương đồng Từ phương trình (13) đến (16), ta suy với kết giải tích trường hợp nghiên cứu trước đây: tần số mode kết cặp 𝜔± tỉ lệ với tần số plasma 𝜔𝑝 và, vậy, tỉ lệ với mật độ electron 𝑁𝑒 [8, 9] Bây giờ, xác định hệ số truyền ( ) = n − ( ) = 2n 2 n = ( ) + ( ) Trong trường hợp điện trường ánh sáng qua vật liệu hai trường hợp sóng điện từ phân cực s (transverse-electric (TE), Hình 1a) sóng điện từ phân cực p (transverse-magnetic (TM), Hình 1b) Đầu tiên, chúng tơi viết hàm điện môi (1) dạng phần thực 𝜖1 (𝜔) phần ảo 𝜖2 (𝜔) sau 𝜖̃(𝜔) = 𝜖1 (𝜔) + 𝑖𝜖2 (𝜔) (13) chiếu lên bề mặt mẫu có phân cực s (Hình 1a), hệ số truyền của vật liệu xác định sau [7] 𝑇𝑇𝐸 (𝜔) = |[𝑐𝑜𝑠(𝜅𝑑) − 𝑖 ( 𝜅 +𝑘 2𝜅𝑘 −1 ) 𝑠𝑖𝑛(𝜅𝑑)] | (18) k độ lớn vec-tơ sóng ánh sáng tới 𝑘= 16 (17) 𝜔 𝑐 𝑐𝑜𝑠 𝜃 (19) pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 130, Số 1A, 13–21, 2021 Đối với điện trường ánh sáng tới phân cực p (Hình 1b) hệ số truyền qua có dạng [7] 𝑇𝑇𝑀 (𝜔) = |[𝑐𝑜𝑠(𝜅𝑑) − 𝑖 ( 𝜅 +|𝑛̃|2 𝑘 2|𝑛̃|2 𝜅𝑘 −1 ) 𝑠𝑖𝑛(𝜅𝑑)] | (20) 𝑑 = 2 μm mật độ electron 𝑁𝑒 = × 1017 cm-3 trường hợp điện trường ánh sáng tới phân cực s với góc chiếu khác (Hình 2) Chúng tơi thấy rằng, tất trường hợp ánh sáng chiếu thẳng góc vào lớp bán dẫn, 𝜃 = 0° Kết tính số thảo luận (đường chấm chấm), chiếu xiên góc lên lớp bán dẫn, 𝜃 = 45° (đường đứt nét), 𝜃 = 60° (đường Trong phần này, xác định phụ liền nét mảnh), 𝜃 = 70° (đường liền nét đậm), phổ thuộc hệ số truyền qua lớp bán dẫn truyền qua vật liệu chứa hai cực tiểu phân In0.7 Ga0.3 N vào tần số ánh sáng tới Từ đó, biệt tần số 11.6 THz 13.6 THz tương ứng chúng tơi phân tích đặc điểm phổ truyền với mode TO phonon hai bán dẫn thành qua vật liệu để tìm kiếm dấu hiệu tồn phần InN GaN Chúng tơi khơng tìm thấy dấu mode kết cặp LO phonon-plasmon Các tham hiệu tồn mode kết cặp LO phonon số vật liệu sử dụng tính tốn plasmon Điều cho thấy khơng tồn trình bày Bảng tương tác quang kết cặp dao động Đầu tiên, khảo sát phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn In0.7 Ga0.3 N có độ dày phonon plasmon trường hợp điện trường phân cực s Bảng Các tham số vật liệu bán dẫn InN, GaN In0.7 Ga0.3 N [15, 16] In𝟎.𝟕 Ga𝟎.𝟑 𝐍 Đại lượng InN GaN 𝜔0𝑇𝑂 (THz) 14,3 16,7 Tần số TO phonon bán dẫn 𝜔𝐿𝑂 (THz) 17,8 22,2 Tần số LO phonon bán dẫn 𝜔 𝑇𝑂 (THz) 11,6 13,6 𝜔𝐿𝑂 (THz) 15,7 17,4 𝜖∞ 8,4 5,4 𝛤 0,3 0,3 𝛾𝑝 Chú thích Tần số TO phonon bán dẫn thành phần hợp kim Tần số LO phonon bán dẫn thành phần hợp kim 7,5 Hằng số điện môi tần số cao Hệ số suy giảm phonon 0,2 Hệ số suy giảm plasmon Khối lượng hiệu dụng electron 𝑚𝑒 0,1 x 𝑚0 (𝑚0 = 9,1 x 10-31 kg khối lượng electron tự do) DOI: 10.26459/hueunijns.v130i1A.5964 17 Dương Đình Phước Đinh Như Thảo Tiếp theo, chúng tơi xác định phân tích tần số 11,6, 13,6, 5,1 17,8 THz Hai cực tiểu ứng phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn với tần số 11,6 13,6 THz trùng với mode (𝑑 = 2 μm,𝑁𝑒 = × 1017 cm-3 ) TO phonon đề cập trên, hai trường hợp điện trường sóng tới phân cực p cực tiểu vị trí 5,1 17,8 THz xác định với góc chiếu khác (Hình 3) Chúng tơi hai mode kết cặp 𝜔− 𝜔+ LO phonon thấy rằng, góc chiếu 𝜃 = 0° (đường chấm plasmon chúng xuất trường chấm), phổ truyền qua vật liệu chứa hai cực hợp sóng tới chiếu xiên lên mẫu bán dẫn Kết tiểu ứng với mode TO phonon hai bán dẫn mặt định tính tương đồng với kết InN GaN (Hình 2) khơng tồn mode kết Sciacca cs vật liệu ZnTe [7] cặp LO phonon-plasmon Ngược lại, góc chiếu Trong phần khảo sát chi 𝜃 = 45° (đường đứt nét), 𝜃 = 60° (đường liền nét tiết ảnh hưởng góc chiếu sóng tới lên mảnh), 𝜃 = 70° (đường liền nét đậm), phổ tồn LOPCM Hình phổ truyền qua truyền qua xuất bốn cực tiểu phân biệt mẫu bán dẫn (𝑑 = 2 μm,𝑁𝑒 = × 1017 cm-3 ) trường hợp điện trường phân cực p ứng với góc chiếu khác nhau: 𝜃 = 60° (đường liền nét), 𝜃 = 70° (đường đứt nét), 𝜃 = 80° (đường chấm chấm) 𝜃 = 85° (đường chấm-gạch) Chúng thấy với góc chiếu 𝜃 = 70°, 𝜃 = 80° 𝜃 = 85° cực tiểu ứng với LOPCM xuất rõ ràng phổ truyền qua với độ sâu lớn Ngược lại, với góc chiếu 𝜃 = 60° độ sâu cực tiểu nhỏ Với góc chiếu có Hình Phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn In 0.7 Ga 0.3 N ( d = μm , N e = 1017 cm-3 ) trường hợp điện trường ánh sáng tới phân cực s với góc chiếu khác giá trị nhỏ ta khó quan sát chí khơng thể tìm thấy cực tiểu phổ truyền qua Từ kết thu cho tồn LOPCM quan sát thấy trường hợp sóng tới chiếu xiên lên Hình Phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn In 0.7 Ga 0.3 N ( d = μm , N e = 1017 cm-3 ) Hình Phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn In 0.7 Ga 0.3 N ( d = μm , N e = 1017 cm-3 ) trường hợp điện trường ánh sáng tới phân cực p với góc chiếu khác trường hợp điện trường sóng tới phân cực p với góc chiếu = 60°, 70°, 80° 85° 18 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 130, Số 1A, 13–21, 2021 lớp màng mỏng có điện trường phân cực p; góc dọc theo trục Oz kích hoạt, phổ chiếu lớn ta quan sát rõ ràng truyền qua xuất hai mode kết cặp 𝜔+ 𝜔− đầy đủ hai mode kết cặp, đặc biệt với trường LO phonon plasmon Khi góc chiếu lớn hợp 70° ≤ 𝜃 < 90° (Hình 4) điện trường phân cực p song song Các kết thu giải thích sau Dao động plasmon dao động dọc lý thuyết chúng tôi, plasmon giả sử bị kích hoạt điện trường nằm dọc theo trục với trục Oz, nghĩa hình chiếu lên trục Oz lớn, điện trường dễ kích hoạt dao động plasmon ta quan sát rõ ràng hai mode kết cặp Oz, hình chiếu điện trường lên trục Oz Để nghiên cứu chi tiết tồn nhận giá trị khác khơng dao động plasmon mode kết cặp 𝜔− 𝜔+ , khảo sát kích hoạt Vì dao động dọc nên plasmon ảnh hưởng mật độ electron lớp bán dẫn không tương tác với dao động ngang mà lên hành vi chúng Hình biểu diễn phổ truyền tương tác với dao động dọc khác dao qua lớp màng mỏng bán dẫn có độ động có phương dao động trùng với phương dày 𝑑 = 2 μm với mật độ electron khác truyền sóng Nếu lúc hệ tồn mode LO Ne = 0.8 x 1018 cm-3, 1.1 x 1018 cm-3 1.5 x 1018 cm-3 phonon kết hợp hai mode LO phonon trường hợp điện trường sóng tới phân cực p plasmon tương tác với tạo thành hai mode góc chiếu 𝜃 = 82° Chúng tơi thấy mật kết cặp LO phonon-plasmon Có điều cần lưu độ electron tăng mode kết cặp 𝜔− 𝜔+ ý sóng ánh sáng sóng ngang, có vector điện dịch chuyển nhanh vùng tần số cao (từ trường từ trường vuông góc với phương truyền 6,2 đến 7,9 THz mode 𝜔− từ 18,4 đến sóng Trong trường hợp điện trường phân cực s 19,6 THz mode 𝜔+ ), vị trí điện trường hướng song song với trục Ox mode TO phonon hai bán dẫn InN GaN vng góc với mặt phẳng tia tới (mặt phẳng không phụ thuộc vào mật độ electron Sự phụ Oyz) nên hình chiếu điện trường lên trục Oz ln ln khơng dù góc chiếu tia tới nhận giá trị (Hình 2) Hệ trường hợp ta quan sát dao động plasmon hay mode kết cặp LO phononplasmon Trong trường hợp điện trường phân cực p điện trường nằm mặt phẳng tia tới nên hình chiếu điện trường lên trục Oz khơng khác khơng tùy thuộc vào góc chiếu tia tới Ví dụ, góc chiếu 𝜃 = 0° (như trường hợp mô tả đường chấm chấm Hình 3), hình chiếu điện trường lên trục Oz khơng nghĩa khơng có điện trường để Hình Phổ truyền qua lớp bán dẫn có độ dày d = μm với mật độ electron lần kích hoạt dao động plasmon, phổ truyền qua lượt 0.8 1018 cm-3 , 1.1 1018 cm-3 vật liệu thực cho thấy không tồn 1.5 1018 cm-3 trường hợp điện trường phân cực p góc chiếu = 82 mode kết cặp LO phonon-plasmon Ngược lại, góc chiếu 𝜃 ≠ 0°, ví dụ 𝜃 = 70° (đường liền nét đậm Hình 3), hình chiếu điện trường lên trục Oz khác không, nhờ dao động plasmon DOI: 10.26459/hueunijns.v130i1A.5964 19 Dương Đình Phước Đinh Như Thảo thuộc nhạy LOPCM vào mật độ electron giải thích sau Theo phương trình (5) tần số plasma tăng mật độ electron tăng Khi xảy tượng kết cặp LO phonon plasmon hệ xuất mode kết cặp với tần số tỉ lệ thuận với tần số plasmon, mà quan sát dịch chuyển tần số cao mode kết cặp 𝜔− 𝜔+ tăng mật độ electron Ngược lại, tần số phonon quang ngang bán dẫn InN GaN hợp chất tần số plasma hàm mật độ electron N e Hình Tần số mode kết cặp phụ thuộc vào hàm lượng chúng bán dẫn hợp chất InGaN mà khơng phụ thuộc vào mật độ electron Vì vậy, vị trí mode TO phonon phổ truyền qua không thay đổi theo mật độ electron electron lớp bán dẫn lớn mode kết cặp 𝜔+ có xu hướng dần tiệm cận tần số plasma Để khẳng định kết thu trên, mode 𝜔− tiệm cận tần số TO phonon khảo sát phổ truyền qua lớp bán bán dẫn InN Kết cho thấy đường dẫn theo mật độ electron (Hình 6) Kết cho cong tán sắc mode kết cặp LO phonon- thấy dịch chuyển vùng tần số cao plasmon lớp màng mỏng bán dẫn mode kết cặp 𝜔± dao động plasma mật độ In0.7 Ga0.3 N có dạng tương tự đường cong tán electron tăng từ 0.5 × 1018 cm-3 đến 2.5 × 1018 cm-3 Đường liền nét đậm đường liền nét mảnh tương ứng đồ thị biểu diễn biến thiên tần số mode kết cặp 𝜔+ 𝜔− theo sắc mode kết cặp bán dẫn khối Kết luận mật độ electron vẽ từ nghiệm 𝜔± = 𝑓(𝑁𝑒 ) Tóm lại, chúng tơi trình bày nghiên phương trình (11) Các chấm trịn lớn cứu tồn mode kết cặp LO phonon- chấm tròn nhỏ tần số mode kết plasmon lớp màng mỏng bán dẫn cặp 𝜔+ 𝜔− với mật độ electron khác In0.7 Ga0.3 N lý thuyết hàm điện mơi Chúng xác định từ Hình Đường đứt nét đồ thị giả sử lớp bán dẫn chiếu xạ sóng biểu diễn tần số plasma theo mật độ electron điện từ hồng ngoại có điện trường phân cực, từ vẽ từ phương trình (5) Đường chấm chấm tần xác định phụ thuộc hệ số truyền số TO phonon bán dẫn InN Trên đồ thị qua vật liệu vào tần số ánh sáng Kết thấy chấm tròn nhỏ nằm cho thấy rằng, điện trường sóng tới phân đường liền nét mảnh chấm tròn lớn cực p chiếu xiên góc lên lớp bán dẫn nằm đường liền nét đậm, nghĩa giá trị phổ truyền qua xuất bốn cực tiểu phân biệt, tần số 6,2, 7,1 7,9 THz mode kết cặp 𝜔− có hai cực tiểu tương ứng với mode 18,4, 18,8 19,6 THz mode kết cặp 𝜔+ TO phonon hai bán dẫn thành phần InN xác định Hình nghiệm phương GaN, hai cực tiểu lại ứng với hai mode kết cặp trình (11) Điều cho thấy phương trình LO phonon plasmon Tần số mode (11) xác định xác giá trị tần số kết cặp phụ thuộc mạnh vào mật độ electron mode kết cặp 𝜔± bán dẫn hợp chất ba lớp bán dẫn dịch chuyển nhanh giá thành phần InGaN Hơn nữa, mật độ trị tần số cao mật độ electron tăng lên Hơn nữa, 20 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 130, Số 1A, 13–21, 2021 góc chiếu sóng điện từ lên lớp bán dẫn lớn 70° phù hợp để quan sát dấu hiệu mode kết cặp LO phonon-plasmon phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn Kết cho thấy đường cong tán sắc mode kết cặp LO phonon-plasmon lớp màng mỏng bán dẫn In0.7 Ga0.3 N có dạng tương tự đường cong tán sắc mode kết cặp bán dẫn khối Cũng cần phải nhấn mạnh cơng trình lần đưa phương trình dùng để tính số tần số mode kết cặp LO phononplasmon cho hệ hợp kim ba thành phần Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát khoa học công nghệ Quốc Takeuchi H, Tsuruta S, Nakayama M Terahertz spectroscopy of dynamics of coupling between the coherent longitudinal optical phonon and plasmon in the surge current of instantaneously photogenerated carriers flowing through the i-GaAs layer of an i-GaAs/n-GaAs epitaxial structure Journal of Applied Physics 2011;110(1):013515 Sciacca MD, Mayur AJ, Oh E, Ramdas AK, Rodriguez S, Furdyna JK, et al Infrared observation of transverse and longitudinal polar optical modes of semiconductor films: Normal and oblique incidence Physical Review B 1995;51(12):7744-7752 Thao DN, The NP Effect of Longitudinal Optical Phonon-Plasmon Coupling on the Transient SelfConsistent Field in GaAs p-i-n Diodes Journal of the Physical Society of Japan 2013;82(10):104701 Lời cảm ơn triển Semiconductor Science and Technology 2020;35(6): 065007 gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.01-2017.321 Tài liệu tham khảo Cuscó R, Amador ND, Hung PY, Loh WY, Droopad R, Artús L Raman scattering study of LO phononplasmon coupled modes in p-type InGaAs Journal of Alloys and Compounds 2015;634:87-93 Reichel KS, Smith NL, Joshipura ID, Ma J, Shrestha R, Mendis R, et al Electrically reconfigurable terahertz signal processing devices using liquid metal components Nature Communications 2018;9(1) Thao DN A study of the coupling between LO phonons and plasmons in InP p-i-n diodes Superlattices and Microstructures 2017;103:213-220 10 Koch H, Bertram F, Pietzonka I, Ahl JP, Strassburg M, August O, et al InGaN: Direct correlation of nanoscopic morphology features with optical and structural properties Applied Physics Letters 2014;105(7):072108 11 Kucukgok B, Wu X, Wang X, Liu Z, Ferguson IT, Lu N The structural properties of InGaN alloys and the interdependence on the thermoelectric behavior AIP Advances 2016;6(2):025305 12 Zhang ZH, Tan ST, Kyaw Z, Ji Y, Liu W, Ju Z, Hasanov N, Sun XW, Demir HV InGaN/GaN lightemitting diode with a polarization tunnel junction Applied Physics Letters 2013;102(19):193508 Hasan M, Arezoomandan S, Condori H, Rodriguez BS Graphene terahertz devices for communications applications Nano Communication Networks 2016;10:68-78 13 Baek SH, Lee HJ, Lee SN High-performance fat-type InGaN based light-emitting diodes with local breakdown conductive channel Scientific Reports 2019;9(1) Ibáñez J, Tarhan E, Ramdas AK, Hernández S, Cuscó R, Artús L, et al Direct observation of LO phononplasmon coupled modes in the infrared transmission spectra of n-GaAs and n-InxGa1-xAs epilayers Physical Review B 2004;69(7) 14 Giehler M, JaHne E Effect of Damping on the Plasmon-Phonon Coupling in CdS and GaP Phys Shysica status solidi (b) 1976;73(2):503-516 Takeuchi H, Nishimura T, Nakayama M Terahertz electromagnetic waves radiated from coherent longitudinal optical (LO) phonons and LO-phonon plasmon coupled modes in (001)-, (110)-, and (111)oriented semi-insulating GaAs single crystals DOI: 10.26459/hueunijns.v130i1A.5964 15 Davydov VY, Emtsev VV, Goncharuk IN, Smirnov AN, Petrikov VD, Mamutin VV, et al Experimental and theoretical studies of phonons in hexagonal InN Applied Physics Letters 1999;75(21):3297-3299 16 Karch K, Wagner JM, Bechstedt F Ab initio study of structural, dielectric, and dynamical properties of GaN Physical Review B 1998;57(12):7043-7049 21 ... phonon- plasmon phổ truyền qua lớp màng mỏng bán dẫn Kết cho thấy đường cong tán sắc mode kết cặp LO phonon- plasmon lớp màng mỏng bán dẫn In0.7 Ga0.3 N có dạng tương tự đường cong tán sắc mode kết cặp. .. tích LO phonon TO phonon bán dẫn khối lượng hiệu dụng electron Các nghiên i tương ứng;