CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN THẤP CHIỀU
1.1. Các cấu trúc quan tâm của luận án - cấu trúc thấp chiều
1.1.2. Sơ lược về các cấu trúc dị chất
Một loại cấu trúc nữa được đề cập rất nhiều trong luận án là các cấu trúc dị chất (heterostructure). Một cấu trúc bán dẫn dị chất là một cấu trúc hình thành khi 2 loại bán
Cấu trúc khối (3D)
Giếng lượng tử (2D)
Dây lượng tử (1D)
Chấm lượng tử (0D)
23
dẫn đơn tinh thể khác nhau tiếp xúc với nhau tại một tiếp xúc dị chất (heterojunction). Tiếp xúc dị chất này tạo nên các đặc tính điện tử và quang điện tử độc đáo làm nền tảng cho công nghệ bán dẫn hiện đại và được đánh giá cao bằng giải thưởng Nobel Vật lý 2000 [40].
Khác biệt quan trọng nhất trong một tiếp xúc dị chất của hai loại bán dẫn đơn tinh thể là ở sự khác nhau về độ rộng vùng cấm và chỉ số khúc xạ. Trong tiếp xúc dị chất sự khác biệt về độ rộng vùng cấm này dẫn đến một sự giam hãm về không gian của các hạt điện tử và lỗ trống được nạp vào trong khi sự khác biệt về chỉ số khúc xạ có thể được sử dụng để hình thành các ống dẫn sóng quang học. Các cấu trúc dị chất quan tâm của luận án là các cấu trúc bán dẫn dị chất từ các bán dẫn hợp chất nhóm III–V, II-VI cùng có chung một cấu trúc tinh thể và có hằng số mạng gần khớp với nhau để các biến dạng có sai lệch hằng số mạng có thể được giải tỏa dần qua các lớp nuôi cấy bằng công nghệ epitaxy chùm phân tử mà không tạo nên các sai hỏng mạng.
Hình 1.5: Giếng lượng tử tam giác và giam hãm điện tử tại mặt tiếp giáp dị chất
Một giếng lượng tử gần giống hình tam giác được hình thành tại lớp tiếp xúc dị chất (hình 1.5) làm giam hãm các hạt tải (nếu chiều cao rào giếng lớn hơn năng lượng chuyển động nhiệt) theo hướng vuông góc với bề mặt tiếp xúc dị chất trong khi vẫn chuyển động hoàn toàn tự do theo 2 chiều còn lại (x, y). Bằng cách này các hạt tải có thể coi như là một khí điện tử hai chiều. Phương trình Schrodinger cho thấy các hạt tải có các mức năng lượng gián đoạn theo chiều bị giam hãm và các vùng năng lượng theo 2 chiều còn lại tạo thành các cấu trúc có các vùng con (subband) xen kẽ bởi các vùng cấm.
Khi nhiều lớp tiếp xúc dị chất mỏng cỡ vài chục nm giống nhau được sắp xếp kế tiếp nhau, xuất hiện hiệu ứng lượng tử mới liên quan đến sự lượng tử hóa các hạt tải bị giam hãm, các cấu trúc dị chất mới này được gọi là các siêu mạng hay các giếng lượng tử (xem hình 1.6).
24
Hình 1.6 : Hình thành giếng lượng tử tại mặt tiếp xúc dị chất
Tại chỗ tiếp xúc dị chất của hai loại bán dẫn (có thể coi là bán vô hạn) vẫn có cấu trúc vùng năng lượng, do sự khuyếch tán của các hạt tải giữa hai bên mặt tiếp xúc dị chất dẫn đến ở trạng thái cân bằng tập hợp hệ hạt tải của cả hai bên sẽ có cùng một mức Fermi duy nhất. Kết quả cuối cùng một cấu trúc vùng năng lượng phụ thuộc vào tọa độ và liên kết (band alignment) với nhau. Tại mặt tiếp xúc dị chất các cấu trúc vùng năng lượng sẽ bị gián đoạn hay có một rào thế vùng (band offset). Có một quy tắc - gọi là quy tắc Anderson được sử dụng cho việc xây dựng các rào thế vùng năng lượng tại lớp tiếp xúc dị chất giữa hai vật liệu bán dẫn - nó cũng được gọi là quy tắc ái lực (afinity) điện tử, và có liên quan chặt chẽ đến các quy tắc Schottky-Mott cho các tiếp xúc kim loại-bán dẫn. Quy tắc này được mô tả đầu tiên bởi R.L. Anderson vào năm 1960, cho rằng khi xây dựng một rào thế vùng năng lượng, mức chân không của hai chất bán dẫn ở hai bên của tiếp xúc sẽ được liên kết ngang hàng với nhau (tức là ở cùng năng lượng) [109].
Quy tắc Anderson là mô hình đơn giản nhất để dự đoán những sự liên kết các vùng năng lượng dị chất dựa trên duy nhất các thuộc tính của tiếp xúc chân không-bán dẫn (đặc biệt là các mối quan hệ điện tử chân không). Cải tiến tiếp theo là mô hình anion chung, được đề xuất dựa trên dự đoán rằng do vùng hóa trị có liên quan đến các trạng thái anion, nên các vật liệu có cùng anion sẽ rào thế vùng hóa trị rất nhỏ. Tuy nhiên điều này không giải thích các dữ liệu thực nghiệm liên quan đến xu hướng mà hai vật liệu với các anion khác nhau có xu hướng có hiệu số vùng hóa trị lớn hơn hiệu số vùng dẫn. Tersoff [66] đề xuất một mô hình trạng thái trong vùng cấm (ingap state) dựa trên các tiếp xúc kim loại- bán dẫn nơi các vùng dẫn liên kết với do sự khác biệt về chiều cao hàng rào Schottky. Mô
Thế giam hãm
25
hình này bao gồm một lớp lưỡng cực điện tại giao diện giữa hai chất bán dẫn sinh ra từ khuyếch tán xuyên hầm của điện tử từ vùng dẫn của một vật liệu này vào vùng cấm của vật liệu khác. Mô hình này mô tả tốt cho các hệ vật liệu có hằng số mạng phù hợp với nhau tốt như GaAs/AlGaAs.
Hình 1.7 : Quy tắc Anderson cho liên kết hai vùng năng lượng tại mặt tiếp xúc dị chất
Về mặt mô hình lý thuyết, việc liên kết các vùng năng lượng tại một tiếp xúc dị chất sẽ xảy ra ba loại tiếp xúc dị chất khác nhau. Loại thu hẹp vùng cấm (straddling gap), hay còn được gọi là dị chất loại I, vùng cấm so le (staggered gap) – dị chất loại II hoặc loại phá vỡ vùng cấm (broken gap) – dị chất loại III như trong hình 1.8. Lưu ý là chỗ tiếp xúc dị chất các mép vùng sẽ được uốn cong do khuếch tán hạt tải và dóng ngang mức Fermi, kết quả chính xác cần được tính toán dựa trên việc giải số kết cặp phương trình Poisson và Schodinger.
26
Hình 1.8 : Phân loại liên kết vùng năng lượng tại tiếp xúc dị chất