Hệ bán dẫn nhiều lớp là một vật liệu nhân tạo có cấu trúc tuần hoàn giống như cấu trúc mạng tinh thể. Các định lí Bloch và các hệ quả của nó có thể thu được tương tự như trong mạng tinh thể. Ưu điểm của hệ bán dẫn nhiều lớp là khả năng tạo ra một số lượng lớn các cấu hình (vật liệu mới) với những tính chất được dự đoán trước, không bị giới hạn bởi nguồn vật liệu hữu hạn trong tự nhiên.
Esaki và Tsu là những người đã đề xuất và chế tạo thành công cấu trúc mạng tuần hoàn với hai loại bán dẫn GaAs và AlGaAs (vào khoảng những năm 80 của thế kỷ 20) – là cấu trúc gồm nhiều lớp xen kẽ nhau của hai loại bán dẫn khác loại nhưng có hằng số mạng gần bằng nhau độ dày cỡ nm, thường được gọi là siêu mạng (SL – superlattice) [6]. Bán dẫn nhiều lớp GaAs/AlGaAs – là cách viết tắt của GaAs/AlxGa1-xAs – được tạo nên từ việc ghép các lớp GaAs và AlGaAs xen kẽ nhau trên một mảng tuần hoàn. Hằng số mạng của GaAs và AlGaAs khác nhau không quá 0,14% nên người ta thường dùng GaAs/AlGaAs để nghiên cứu. Mặt khác, việc thay đổi thành phần x (thành phần của Al trong hợp chất) trong bán dẫn GaAs/AlxGa1-xAs cho phép ta điều chỉnh được cấu trúc vùng năng lượng phù hợp mục đích nghiên cứu cũng là một trong những yếu tố rất thuận lợi cho việc khảo sát chúng. Ngoài ra, một số hệ bán dẫn nhiều lớp khác cũng được nghiên cứu như CdTe/CdZnTe, GaSb, AlSb, InAs,....
Cấu trúc của bán dẫn nhiều lớp GaAs/AlGaAs được tạo nên từ việc ghép các lớp GaAs/AlGaAs xen kẽ nhau trên một mảng tuần hoàn. Do khoảng bề rộng vùng cấm của hai bán dẫn khác nhau nên đáy của vùng dẫn cao hơn sẽ có thêm một phần năng lượng bù vào gọi là phần bù vùng dẫn ∆𝐸𝑐 (conduction band offset). Khi hai bán dẫn A (GaAs) và B (AlGaAs) tiếp xúc với nhau thì phần bù vùng dẫn sẽ ngăn không cho electron ở gần đáy vùng dẫn của A nhảy sang B, nghĩa là phần bù vùng dẫn đóng vai trò là một hàng rào thế.
T r a n g 18
Mặt khác, khi hai lớp GaAs và AlGaAs cứ được xen kẽ xếp sát nhau thì electron bị giam nhốt trong vùng dẫn còn lỗ trống bị giam nhốt trong vùng hóa trị đầy của lớp GaAs (cấu trúc siêu mạng). Khi các lớp GaAs được cấy rất mỏng (cỡ nm) xen giữa các lớp AlGaAs thì các hạt tải được xem như gần đúng chuyển động tự do trong mặt phẳng (2D) vuông góc trục z (mặt phẳng hình vẽ) hay nói cách khác là chuyển động tự do trong giếng lượng tử 2D vô hạn (do d2 rất mỏng).
Hình 1.6: Một trong những trường hợp về cấu trúc vùng tại vị trí tiếp giáp giữa loại chất bán dẫn có hằng số mạng gần bằng nhau.
Bán dẫn A Bán dẫn B Vùng dẫn
T r a n g 19
Hình 1.7: Một cấu trúc lớp được vẽ chiều tăng theo trục nằm ngang. Chúng được đặt sát nhau và luân phiên nhau. Năng lượng E phụ thuộc vào vector sóng của electron lan truyền trong hai chất
bán dẫn.
Hình 1.8: Lớp GaAs đóng vai trò là hố thế, lớp AlGaAs đóng vai trò là rào thế đối với electron. Cả electron và lỗ trống đều bị giam trong cùng lớp GaAs. Đường nét đứt mô tả năng lượng của
các hạt bị giam.
Bài toán khảo sát hạt chuyển động trong hố thế vô hạn một chiều là bài toán quen thuộc và cơ bản trong cơ lượng tử, các electron bị giam nhốt trong giếng một chiều có phổ năng lượng bị gián đoạn, vì vậy ta cũng có kết luận tương tự cho năng lượng của các hạt tải trong giếng lượng tử GaAs/AlGaAs: năng lượng electron và lỗ trống trong giếng bị lượng tử hóa.
Khi kích thước vật liệu bị thu hẹp, nghĩa là độ bất định tọa độ của các hạt tải trong giếng lượng tử càng giảm (theo phương z) thì độ bất định về xung lượng của chúng cũng tăng lên do hệ quả của nguyên lý bất định Heisenberg, dẫn đến độ tăng năng lượng cực tiểu của các hạt tải; nhờ đó mà năng lượng liên kết giữa electron và lỗ trống cũng tăng. Điều này lý giải tại sao các hiệu ứng lượng tử nói chung cũng như bằng chứng về sự tồn tại và tính chất của exciton (đặc biệt là exciton mang điện) bắt đầu xuất hiện rõ ràng hơn khi vật liệu 3D tiến dần về giới hạn 2D. Điều này một lần nữa khẳng định tầm quan trọng của vật liệu thấp chiều trong việc nghiên cứu các hệ hạt lượng tử, mà gần nhất là hệ 2D .
T r a n g 20
Chương II:
CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA EXCITON
Sau khi tìm hiểu sơ lược lịch sử và sự hình thành exciton, bây giờ chúng ta sẽ cùng đi sâu hơn để thảo luận: cách phân loại, các đặc trưng, một số hiệu ứng liên quan quan đến exciton và xem xét sự ảnh hưởng của giếng thế hai chiều (2D), của trường ngoài đến năng lượng liên kết của exciton.