THIỆT LẬP PHÒNG THÍ NGHIỆM THỰC TẬP QUANG BÁN DẪN ẢO

THIỆT LẬP PHÒNG THÍ NGHIỆM THỰC TẬP QUANG BÁN DẪN ẢO, Trong cải cách giáo dục hiện nay, việc điện tử hóa bài giảng đang được khuyến khích nhằm nâng cao...

QUANG BAN DAN AO

LUAN VAN THAC SI VAT LY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS.TRƯƠNG KIM HIẾU

Trước hết, xin bày tổ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến

PGS.TS Truong Kăẽm Hiếu Sự tận tình hướng dẫn, những kiến thức, kinh nghiệm thực hững nhận xét chuyên môn quý báu của thầy đã giúp em tốt luận văn này

Xin ghi nhớ công ơn giảng dạy trong thời gian qua của các thầy

cô trong Bộ môn Vật lý Ứng dụng

Xin gửi lời cẩm ơn chân thành đến anh Trần Duy Hòa, cấm ơn thật nhiều những đóng góp quý báu của anh để luận văn này đạt kết quả tốt

Xin gởi lời cám ơn chân thành đến các thầy cô đồng nghiệp, đã

-

trao đổi nhiều gợi ý thiết thực giúp tôi thu được nhiều kết quả khả

Cuốt cùng, con xin ghỉ tạc công ơn của cha rẹ Người luôn là nguồn động lực và là chế dựa vững chắc nhất trong suốt cuộc đời con

1.1 Phép đo quang truyền thỐN ccc ec ccececcecescssseesseeteneeesescsvevseseenseess 3

In can a“-“ ÕỮ1 3

1.1.2 Xác định độ rộng vùng cấm oY pho hap thu oe 8 1.1.3 Chuyển mức trong phạm vi mt VON voce ccc r reese eee: 12 1.2 Đo truyền qua giao thoa xác định bể đầy và chiết suất màng mồng 14

1,3 Phép đo Quang pHẢH Xã uc HH HH TH HH ng HH nung Hy 17

1.3.1 Sự phức hĩa hằng số quang và điỆn cuc neo noe re 17

1.3.2 Đo hệ số phẩn X4 c2 HH Hy ra ca rey 20 1,3.3 Giới thiệu phương pháp đo Quang phản X4 cu ce eceeteeees a

1.3.4 Xứ lý phổ Quang phần xa để xác định trạng thái bể mặt 28

1.3.5 Phân giải pha từ phổ Quang phần Xã ác chua 29

14 Phép do Quang phat quang L cuc cuc nh HH ke HH KH khay 34

1.4.1, Phổ bức X c2 0222211222221 22 re 34

1.4.2 Phổ kích thích phát QUA các n2 222 eeaea 35 1.4.3 Hiệu suất lượng tử- Hiệu suất năng lƯỢN, con 35 1.4.4 Sự tương quan giữa phổ bức xạ và phổ kích thích phát quang 36

1.46 Ti hợp bức xạ DOnOr- ÁCCCDDOT uc cu Lich HH HH He Hy 37 14.7 Sơ đỗ vùng giải thích các loại dich chuyển trong phát quang 38

1.4.8 Diode phat quang (LED) ooo uc ch HH Hà TH Hà keo 41 1.4.9 LED đa lớp dị thỂ _ L0 22g22 ru euo 44

CHƯƠNG II- XÂY ĐỰNG PHỊNG THÍ NGHIỆM THỰC TẬP QUANG

790/967 1 45

2.1, Cấu trúc phịng thí nghiỆm ch 2n 45

2.1.1 Kho thiết bị vật tư và thự VIỆN oc ceccccccceecseessssesseesseeessressaneesaees 48

"U00 i0 nh e 49

2.1.3 Mặt bằng bố trí thí nghiỆH cuc nhan ớ 50

F5 CN an na 6] 2.342 Thee Bah occ 61

1, Thiết lập hệ đo truyền QUÁ cv n2 H222 ee i

2 Đo phổ truyền qua suy ra phổ hấp thụ và xác định độ rộng vùng cấm

3, Đo phể truyền qua giao thoa xác định bể dày chiết suất màng mỏng 66

2.3.2 Phép đo Quang phẢH Xã cuc cuc nh HH nh nh Ha nh chà 70

1, Thiết lập hệ đo Quang phẫn Xâ vu như Ha ae 70

2 Ghi nhận phổ Quang phần xạ và xác định độ rộng vùng cấm bán dẫn .72

3 Từ phố Quang phản xạ thu được xác định trạng thái quang điện bể mặt

4 Khảo sái sự phụ thuộc của phổ PR vio gid trị tần số biến điệu, điện

trường bÊ mặt và công Suất ÏA§€Y SH nan rre 75

5, Phân giải pha phổ Quang phản xạ xác định các thành phần phổ 7 2.3.3 Phép do Quang phat quang oo cuc nhà tàu 83

1 Thiết lập hệ đo Quang phát QUAnE cv Hee 83

2 Đo phổ Quang phát quang với công suất laser khác nhau 84

3 Từ phổ Phát quang tính độ rộng vùng cấm Eg và thành phần pha tạp

của bán đã đa thành phần con 11211111 de 86

4 Đo phổ phát quang bán dẫn đa lớp dị thể : xác định sơ đồ vùng năng

lượng tương ứng và ước lượng mức năng lượng lon hóa tương Ứng 87

CHƯƠNG HI- KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91 ĐANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIÁ

TAI LIEU THAM KHAO

PHU LUC.

DANH MUC CAC HINH

Hình 1.1 Dang phé hap thụ riêng

Đạng hầm tuyến tính Y(Xø) để xác định Eg cv §

Hình 1⁄2 Mô hình chuyển mức nghiêng (e đỉnh vùng hóa tr) 10

Hình 1.3 Mô hình chuyến mức nghiêng (e ở sâu vùng hóa trị) 10 Hình 1⁄4 — Sơ đồ nguyên tắc phổ học biến điệu che 21

Hình 1.5 Phổ phần xạ” truyền thống” và AR/R trong phương pháp MS trong

phương pháp biẾn điỆu uc u22 esve 22 Hình l6 — Biểu diễn hệ số Seraphin 22t rei 23 Hình 17 Giản để vùng bể mặt khi chưa có laser và khi có Ìaser 24

Hình 1,8 Đang đặc trưng phổ PR cá 021 reo 26

Hình 1.9 — Sự phụ thuộc tuyến tinh clia(Z, — £, ⁄ VÀO BH se erve 27

Hinh 1.10 Pha của tín hiệu PR so với ánh sáng biến điệu, 30

Hình 1.11 Phổ PR và hai kênh Lock-in (a) và giấn đồ pha tương ứng (b 32 Hinh 1.12 Contour phổ BỨC XẠ n2 2222 eee 34

Hinh 1.13 Sơ đồ đơn giấn của một hệ kích thích phát quang .35 Hình 1.14 — Mô tả cơ chế tái hợp bức xa Donor-AC€pĐOT di cuccccoeoreeoe 37 Hinh 1.15 Cơ chế tái hợp cặp Donor-ÁC€DTOT su uc ch eHehrke 37 Hinh 1.16 Sơ để của kích thích trực tIẾp lâm SÁN ào nneoeeeroee 38 Hình 1.17 Sơ để mô tả sự phát quang do kích thích gián tiếp tâm sáng 4l

Hinh 1.18 Mô hình hoạt động của diode phát quang (LED) ào ee 42 Hinh 1.19 Cấu trúc của LED đa lớp dị thể cà cuc cseescsesenesnsseensente 44

Hình 1.20 Cấu trúc cụ thể của LED đa lớp đị thỂ coi ccnseirrerrse 45

Cửa sổ trình bày lý thuyết về phép đo Quang phần xạ được xây dựng

bên cạnh mặt bằng bố trí thí nghiỆT chu reo 49

Mô hình tham khảo về bài thí nghiệm Quang phần xạ 50

Chọn dụng cụ Máy đơn sắc từ “Kho vật tư” đưa qua thiết lập Hệ thí

nghiệm ở mặt bằng thí nghiỆm ch Hee 51

Đụng cụ nguồn sáng với các lựa chọn thuộc tính tương 32 Dụng cụ Lock-in với các lựa chọn thông số tương Ứng 32

Cơ chế hoạt động của máy đơn SẮC neo 53

Mô phỏng cơ chế hoạt động của Detector Photo diod 34

Lý thuyết Detector Detector Photo diod va PhotoTransistor 55

Thong tin vé mau sf dung cu cu cuc 0x22 rade 56

Co ché xay ra & phép do Quang phan xa-Hléu ting Franz-Keldys 56

Cơ chế phép đo Quang phat quang oo ccc erve 57 Các cơ chế Hấp thụ trong phép do Trayén qua woes 57

Kiểm tra NSÐ chọn đủ dụng cụ cho thí nghiệm .Ø Kiểm tra việc NSD chọn dụng cụ phù hợp coi s9

Kiểm tra việc kết nối giữa các dụng cụ với nhau 60

Sơ đồ Hệ thí nghiệm phép đo TruyỄn QUả co 61

Hệ đo Truyền qua hoạt đỘn L chu ga ree 63

Phổ truyền qua l„ của đế (Lam trẮng) ve 63

Phổ truyền qua của mẫu It và đế To trên cùng một đỗ thị 64

Phổ hấp thụ của phép đo truyền QUA cv ocerireeive 64 Chọn cặp điểm tuyến tính để tính độ rộng vùng cấm 65 Xuất ra kết quả giá trị độ rộng vùng cấm Eg eo 66 Phổ truyền qua giao thoa vẽ được từ cơ sở lý thuyết phần 1.2 67

Bảng hiển thị các thông số nhập vào để vẽ các dạng phổ truyền qua

Vẽ đường bao trên phổ truyền qua giao thOa eee 69 Chọn các cực trị phổ và kết quả tình thông số màng mồng 69

SN v0) ) y8 rể nh(ríiíảa 70

Chopper và thông số thuộc tính tẦn SỐ QUAY c cuc seeeee 7l

Kết quả đo phổ Quang phẩn XẠ cv ng ruyg 73

Chọn đỉnh phổ trên phổ PR để tính trạng thái quang điện 74

Kết quả tính điện trường bề mặt F§ con nnerrerre 75

Phổ Quang Phần xạ với điện trường bề mặt khác nhau 76

Phổ Quang phần xa với tần số chopper khác nhan 77

Phổ PR với công suất Laser biến điệu khác nhau LH tư 78 Cứa sổ tham khảo giải thích về kết quả Phổ PR mẫu GaAs đo với

cong suat Laser bi€n diéu KhAC mhau occ teeeseeeees 79

Phé Quang phan xa ting voi kénh X cha Lock-it si 80 Phổ Quang phan xa ting véi kénh Y cla Lock-in eee 80

Giản để pha Phổ Quang phan x8 oc cecccecececesceerecseeeeneeteteeeeseeeneenen 81 Cửa sổ tham khảo lý thuyết về phân giải pha phổ PR 82

Mô hình tham khảo hệ đo Quang Phát quang ai 83 Kết quả đo phổ Quảng phát Quang che hererae 84

Im.,GayÀsị.vPy — e &6

Phổ phát quang của bán dẫn đa lớp dị thỂ co 87

Giản đỗ năng lượng xây dựng được từ kết quả đo phổ phát

Xuất ra kết quả tính năng lượng ion hóa và nhận xét thành phần pha

tạp ứng với cực đại phổ (Àa= 002nH các cua nioe 89

Xuất ra kết quả tính năng lượng ion hóa và nhận xét pha tạp ứng với

cực đại phổ cao nhất (A; = §36nm) _ 90

MỞ ĐẦU

`

Trong cải cách giáo dục hiện nay, việc điện tử hóa bài giảng đang được

huyến khích nhằm nâng cao chất lượng giảng đạy

Nằm trong xu hướng đó, để hỗ trợ tốt cho việc giảng dạy môn Quang ~ điện tử bán dẫn, đặc biệt là thực tập, chúng tôi đã tiến hành xây dựng phòng thí

nghiệm thực tập Quang bán dẫn ảo, giúp sinh viên chuyên ngành có thể ứng

thể thiết lập những bài thực tập thực vì rất tốn kém vật tư thiết bị, trong điều

kiện trang thiết bị phòng thí nghiệm thực tế còn hạn chế

Phòng thí nghiệm ảo được bổ trí với giao điện đơn giản, bao gồm ba phần chính Đó là một “Khe thiết bị" với đây đủ các thiết bị thí nghiệm như các loại nguồn sáng, máy đơn sắc, detector, các mẫu bán dẫn, Người sử dụng có thể trực

tiếp lựa chọn dụng cụ phò hợp đưa vào “Afặt bằng bố trí thí nghiệm” để xây

dựng hệ thí nghiệm cần thiết

Muốn tra cứu thêm thông tin về các dụng cụ kế trên và các bài thí

nghiệm, người sử dụng có thể vào “7w viện" liên kết trực tiếp với phòng thí

nghiệm Ở thư viện này, chúng tôi cố gắng cập nhật tốt nhất các thông tin về

các vấn đề đã nêu trên

Bên cạnh đó, chúng tôi cũng mô phỏng các hiệu ứng vật lý là cơ sở cho nguyên lý hoạt động của các dụng cụ , để giúp sinh viên hiểu thêm về một số thiết bị chính : nguồn sáng, máy đơn sắc, detector, cũng như mô phỏng các cơ

%

ch

Trong luận vấn này, chúng tôi thử thực hiện với ba phép đo Quang bán

dẫn : hai phép đo truyền thống” là Truyền qua (Hấp thụ _Absortion), Quang phát

quang (Photoliminescence) và một trong những phương pháp thực nghiệm mạnh

để xác định trạng thái bề mặt bán dẫn là Quang phan xa (Photoreflectance).

CHUGNG 1- TONG QUAN

11 PHÉP ĐO QUANG TRUYEN THONG [1,5,15]

Như chúng ta đã biết, các hằng số quang, cũng như hệ số hấp thụ œ, truyền qua T, phản xạ R có liên hệ chặt chế với nhau Cá ba phương pháp Hấp

thu -Truyền qua- Phản xạ vì thế có mối liên quan, đặc biệt bể sung cho nhau

trong việc nghiên cứu tính chất quang của tính thể,

Phép đo truyền qua, ta đo thành phần truyền qua, với các cơ chế xảy ra trong mẫu là hiện tượng hấp thu Bao gồm :

1.1.1 Hấp thu riêng:

Là sự hấp thụ xảy ra khi eleciron nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Quá trình chuyển mức phải tuân theo định luật bảo toàn năng lượng và bảo toàn xung lượng ,

Chuyển mức chỉ xây ra khi trạng thái mà điện tử chuyển đến còn trống

Chuyển mức có thể xây ra theo hai cơ chế khác nhau,

a.Chuyến mức thẳng :

Là chuyển mức mà trong đó xung lượng hay véc tơ sóng của electron không

thay đổi và không có sự tham gia của phonon

Chuyển mức thẳng xây ra khi cực tiểu vùng dẫn và cực đại của vùng hóa trị nằm tại cùng một điểm trong không gian k,

Chuyển mức thẳng tuân theo các định luật bảo toàn :

+ Định luật bảo toàn xung lượng :

Goi_k, k, là véc tơ sóng trong trạng thái đầu(1) và cuối(2) Fy là vectd

sóng của phonon

Theo bảo toàn xung lượng 1a có :

Nên photon muốn được hấp thụ phải có năng lượng fe thoả :

E¡ -Eạ =ã@ > Eg=Ec-EVv

+ Tân số ngưỡng hấp thụ cơ bản là :

Véi Bye : 1a yeu t6 ma trận xác xuất chuyển đỡi

Bye = le GF avy, pre

= LY el avy, py G+ ky -koyar

Để bảo toàn xung lượng :

Nhưng do bức xạ có bước sóng nằm từ hồng ngoại đến tử ngoại có Fy <<k, Kk, nên ta có quy tdc loc lua:

Số chuyển mức trong đơn vị thời gian trong đơn vị thể tích bằng tích xác

xuất chuyển mức với số trạng thái có thể thỏa mãn điểu kiện bảo toàn năng lượng khi chuyển mức va qui tac Pauli

Phân bố electron 6 ving dan :

Toke = 3-4 kv vy

Phân bé electron 6 ving hoá trị :

f _ 1

Trong yếu tố thé tich dr, =d°k

Vùng hóa trị trạng thái electron bị chiếm là :

Ee(E) = Bve(Eq)+ (Ê ~ Ñg)|V„ (Bve(Đ|| „ — „ (1.1.2)

—”o Nếu Bvc() z 0

Matrận Bk) ở (1.2) có đạng sau :

B tk) = Bho) Trường hợp này ta nói chuyén mitc thdng dugc phép tai k = k,

Hệ số hấp thu trong trường hợp này :

(1.1.2) trở thành Bvc(E) = (È-&) [VR[Bve(/)], _ „ Ì

Hê số hấp thu trong trường hợp này :

Vho)=(a, oy’ = Aho ~ Eg) ~ (he ~ Eg)

Thực nghiệm đo phổ ø, ha trên cơ sở phần xạ nhiều lần trong tinh thé:

¿ 44)

(ad), =in-2-—-~2inGi-R,)

(ad) , a (-R,)

Xác định hầm tuyến tính Y(i@} thì ta có thể xác định Eg trên cơ sở tuyến

tính của FỢuø) như hình (1.1)

Hinh 1.1

a Dạng phổ hấp thụ riêng

b Dang hàm tuyến tính Y(Xø) để xác định Eg

b.Chuyén nute nghiéng:

Là chuyển mức mà trong đó xung lượng hay vectd sóng k của điện tử thay đối đáng kể, bắt buộc phải có sự tham gia của phonon dao động

mang c6 véc tđ sóng Ion:

+ Dinh lu@t bdo toan vecto séng :

ky + In £9 oy = ky

Với kik, lân lượt là véctơ sóng ứng trạng thái ban đầu (1)

có năng lượng E¡ và trạng thái sau (2) có năng lượng E;

Có hai quá trình chuyển mức nghiêng :

Electron từ vùng hoá trị hấp thụ photon nhảy lên trạng thái trung gian ở

vùng dẫn với xung lượng được bảo toàn Sau đó từ trạng thái trung gian

này electron chuyển về trạng thái cuối kèm theo sự hấp thụ hay bức xạ

phonon Quá trình này được biểu điễn qua hình 1.2

AAs bvon

Hình 1.2 Mô hình chuyển mức Hình 1.3 Mô hình chuyển mức

nghiêng (electron nằm đỉnh nghiêng (electron nằm sâu

Electron ur mức nằm sâu trong vùng hoá trị, sẽ chuyển thẳng vào trạng thái vùng dẫn không thay đổi véc tơ sóng Sau đó trong vùng hoá trị còn lại một lỗ trống Electron gần đỉnh vùng hoá trị sẽ chuyển vào tái hợp

kèm theo bức xạ hoặc hấp thu phonon Quá trình này được biểu diễn qua hình 1.3 trên

Thời gian lưu lại của electron (hoặc lỗ trống) ở trạng thái trung gian rất ngắn vì vậy năng lượng của chúng không xác định Cho nên ở trạng thái trung gian năng lượng không bảo toàn Điều kiện bảo toàn năng lượng chỉ được thỏa mãn trong toàn quá trình chuyển mức

+ Xác suất chuyển đời :

Bvc là yếu tố ma trận ít thay đổi theo È

Khai triển Bve theo Taylor lân cận #„, ta có đạng Bvc như sau :

Bye(k} = Bvetk,) +( ~ ⁄ k ¡#ue()) (1.1.5)

Khi Bve(0,k y=0 (1.1.5) trở thành

>

co

Bve() =(k~ ñ)|V„Ive(Đ) F=k

— "go

Trường hợp này ta có chuyển mức nghiêng bị cấm

+ Hệ số hấp thụ trong hai trường hợp:

Chuyển mức nghiêng được phép :

1.1.3 Chuyển mức trong phạm vi một vùng [1,5]

Để thực hiện được chuyển mức này, các hạt tải điện ngoài hấp thụ

photon còn cần phải tán xạ trên các phonon hoặc các ion tạp chất

Cơ chế chuyển mức trong trường hợp này giống chuyển mức nghiêng và

bao gồm 4 quá trình :

+ Electron hấp thụ photon, nhảy lên các trạng thái cao hơn đồng

thời hấp thụ hay bức xạ phonon

+6 đây ta cũng xét đến quá trình bức xạ photon gây ra cơ chế chuyển mức một vùng Electron bức xạ photon, chuyển xuống các

trạng thái thấp hơn đồng thời bức xạ hay hấp thụ phonon + Xác xuất chuyển đời trong các trường hợp trên :

2[E~E + ho, ho]

Hy la yếu tố ma trận của Hamilton tương tác giữa electron và

photon

Dấu + : ứng với hấp thụ phonon

Dấu - : ứng với bức xạ phonon

Hung yếu tố ma trận của quá trình hấp thụ photon

k” : được xem là trạng thái trung gian

+ Số photon (he) bị hấp thụ trong đơn vị thời gian trong đơn vị thể tích khi

electron chuyển từ trạng thái k sang k’:

Huy: phụ thuộc vào cơ ché tan xạ

Ngoài ra, còn một số cơ chế hấp thụ khác như chuyển mức giữa các phân

vùng, giữa các vùng tạp chất với nhau,

Màng mồng có bể day d và chiết suất phức n = n - ¡x, hệ số hấp thụ

qua phương trình :

Đế truyền suốt có độ dày lớn hơn độ đày của màng Đế có chiết suất

là s, hệ số hấp thụ œ, = 0 và độ truyền qua được xác định bởi n và s

Nếu độ dày màng mồng đồng nhất, phương trình cơ bản cho vân giao

thoa là :

Với m nguyên đối với cực đại và bán nguyên với cực tiểu

Phương trình (1.2.2) chỉ cho phép tính tích số nd, vì vậy không biết giá

trị riêng rẽ của n và d bằng phương pháp này Ta phải kết hợp với việc đo độ

truyền qua T Độ truyền qua T là một bàm phức được biểu diễn như sau:

e_ Xác định chiết suất và độ dày màng mồng

Để xác định chiết suất n, ta cần thu giá trị Tạ và Tụ ở các giá trị A

khác nhau.

Gọi n¡ và nạ là hai chiết suất ở hai cực đại hoặc hai cực tiểu kế tiếp nhau, từ điểu kiện giao thoa màng mỏng, công thức (1.2.2), ta suy ra

Phương trình (1.2.16) có độ chính xác không cao Các giá trị d tính

từ phương trình trên không hoàn toàn trùng nhau, do vậy để loại bổ sự khác biệt trên, ta sẽ lấy giá trị trung bình của chúng Giá trị trung bình này

sử dụng cùng n¡ để xác định bậc giao thoa m trong phương trình 1.2.2

Và cũng từ phương trình 1.2.2 này, bằng các giá trị ở bước sóng,

bậc giao thoa, chiết suất tính được, ta tìm được d¿; và các giá trị dạ trùng

nhau khá tốt Vậy, giá trị d; trùng với giá trị của d là giá trị chính xác cho

độ dày của màng

17

1,3 PHEP DO QUANG PHAN XA[4,17,18]

Trên cơ sở phương pháp phản xạ truyển thống, bổ sung hiệu ứng Franz- Keldysh trên bể mặt và dùng tia laser kích thích làm sản sinh cặp electron, lễ

trống người ta có thêm phương pháp thực nghiệm mới với tên gọi là “Quang phan xạ ”(Photoreflectance) Phương pháp Quang phản xạ hiện nay đã trở thành một trong những phương pháp quang hiện đại rất hữu hiệu trong nghiên cứu tính

chất quang- điện bể mặt bán dẫn, trước tiên là xác định điện trường bể mặt và

mật độ điện tích bể mặt

1.3.1 Sự phức hóa của các hằng số quang và điện [1,5]

Bước sóng ^ của bức xạ quang (từ 0.4 wm đến 0.7um) ding trong phương

pháp quang nói chung lớn hơn hằng số mạng của tỉnh thể nên ta có thể dùng

thuyết vĩ mô Maxwell, bé sung dang vi phan cia dinh luat Ohm (j =c£) dé mô

e,: hằng số điện môi của chân không, z, = 8,86 10"? Wat

z,: hằng số điện môi tương đối của môi trường

H= byl,

¿ø,: hằng số từ (độ từ thẩm) của chân không, / = 47.10 7 _

H,: hang sé ti tudng d6i cia méi trudng

Trong môi trường điện môi: ( độ dẫn ø = 0)

Như vậy sự khác biệt cơ bản giữa kim loại ,bán dẫn so với điện môi chính

là sự hiện diện của thành phần thứ hai (chứa o) trong (1.3.1) tức là chứa electron

Trong đó k là vecto sóng hướng theo chiều truyền sóng và có độ lớn bing:

Thay (1.3.2) vào (1.3.1) ta có mối liên hệ giữa k va cdc hing s6 dién (¢,0):

kÌ = gu” — guÌ@

Công thức trên có thể viết lại hai cách như sau:

k= po’ (;-] =ø”£`

oO

k? =-ipa(o + ive) = -ipao’

Ta thu được hai hằng số điện môi phức và độ dẫn phức:

+ : đặc trưng sự hấp thụ của môi trường

Cân bằng phần thực, phần áo (1.3.3), (1.2.4) ta có mối liên hệ giữa hằng số quang và hằng số điện:

(1.3.5)

2

+Y nghia vat Wi cila y:

Nếu sóng điện từ truyền theo chiều của truc x thi nghiém (1.3.2) viét theo

sự giảm biên độ theo độ dầy x

Như vậy sóng truyền trong môi trường hấp thụ có biên độ giảm dần Sự tắt dẫn đó được qui định bởi chỉ số hấp thụ Z

Từ (1.3.5) ta thấy: đối với chất điện môi (ơ = 0 ) chỉ số tất x cũng bằng 0,

như vậy sóng điện từ truyền trong chất điện môi không bị hấp thụ và chất dẫn điện càng mạnh (ơ càng lớn ) thì sự hấp thụ cằng mạnh.

1.3.2 Do hé số phản xạ [1,5]

Tính chất quang học của một chất bán dẫn hoàn toàn được xác định nếu

biết chỉ số khúc xạ n và chỉ số tắt „ hoặc phần thực và phần ảo hằng số điện

môi phức (z, và e,) trong một khoảng tần số rộng Thực ra n và z liên hệ

với nhau qua các hệ thức tán sắc, ¢, và z, cũng thế Do đó về nguyên tắc ta chỉ cần biết một trong bốn đại lượng trên trong khoảng tần số rộng là đủ

Trong miền bước sóng mà sự hấp thụ của mẫu rất lớn ( vùng UV)

ta không thể đo hệ số truyền qua được, khi đó ta chỉ có thể đo hệ số phản xạ

Để có hệ số phần xạ tại một bước sóng nào đó ta cân phải đo cường độ ánh

sáng tới và cường độ ánh sáng phản xạ trên mặt mẫu Điều này có thể thực hiện được bằng cách so sánh sự phản xạ của mẫu với sự phản xạ của một gương chuẩn Hệ số phan xạ đối với một chất bán dẫn phụ thuộc bước sóng

ánh sáng tới, sự phụ thuộc đó gọi là phổ phản xạ, ký hiệu R(2)

Gọi lọ là cường độ ánh sáng tới

lạ là cường độ ánh sáng phản xạ

Khi đó hệ số phản xạ R(A) được tính bằng:

Cách đo hệ số phản xạ bằng phương pháp tỉ đối này cho phép ta

loại trừ sự phân bố năng lượng không đều theo bước sóng của nguồn sáng cũng như khử được ảnh hưởng của đặc trưng tần số của các thiết bị đã dùng

trong phép đo

Để tăng độ nhạy và loại trừ nhiễu người ta thường dùng phương pháp biến

điệu ánh sáng, theo đó người ta dùng một chopper cắt nguồn sáng và đặt

trước máy đơn sắc Ở lối ra của máy đơn sắc ta sẽ được chùm sáng không

“liên tục”, do đó tín hiệu thu được sau nguồn nhận là tín hiệu xoay chiều nên

rất dễ để khuếch đại mạnh tuỳ ý, Ngoài ra do tan số của tín hiệu là cố định ta

có thể dùng khuếch đại lọc lựa và tách sóng đồng bộ để loại nhiễu nhd Lock-

im

1.3.3 Giới thiệu phương pháp đo Quang phản xa[4,17]

Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy MS) dùng cho nhiều

phương pháp đo quang học có cùng tính chất chung là: Trong khi đo có sự

biến đổi có tính chu kỳ của các tính chất mẫu (biến điệu ngoài- externe

Modulation) Hai phương pháp đại diện thường được nhắc đến của biến điệu

xạ(photoreflectance-PR) Ở biến điệu trong, người ta có thể biến điệu độ dài sóng tia tới, thay đối vị trí trên mẫu (quét), biến đổi sự phân cực ánh sáng Trong phương pháp phổ học biến điệu, đại lượng cần đo luôn là hệ số

phân xạ (R) hoặc hệ số truyền qua (T)

Nguyên tắc của phổ học biến điệu như trên Hình 1.4:C lo cường độ tia tới)

` lotrloAR

\ IoTHoAT Hình 1.4 Sơ đồ nguyên tắc của phổ học biến điệu -Tín hiệu không đổi: lọR, lọT,

-Tín hiệu biến đổi: loAR, loAT

Thường thì tín hiệu biến đổi nhỏ hơn tín hiệu không đổi từ 3 đến 7 bậc do

đó sự biến điệu cân phải xảy ra trong khoảng thời gian rất nhỏ nhằm ngăn ảnh hưởng nhiễu của hệ thống đo, như vậy tần số biến điệu cần cỡ vài kHz

Và cần phải sử dụng Lock-in để đo được thành phân biến đổi

Phương pháp Quang-phản xạ (Photoreflectance-PR) là một trường hợp

riêng của phương pháp phổ học biến điệu[6,7]

Để thấy rõ cấu trúc phổ trước và sau Eg, phương pháp Quang-phản xạ được ra đời dựa vào nên tảng lý thuyết của việc lấy đạo hàm của R theo một thông số nào đó ( ví dụ dR/ ARQ) Cấu trúc phổ trước và sau khi lấy đạo

hàm được minh hoạ như hình 1.5:

Ta thấy ở phổ phần xạ “truyền thống” cấu trúc phổ (các peaks) không rõ

nét, còn đối với phổ đạo hàm bậc nhất và phổ (AR/“ _), cho ta cấu trúc phổ

sắc nét,

Năm 1965, Seraphin va Bottka đã tìm được mối liên hệ giữa hàm điện

môi biến dién (Ac) va việc thay đổi hệ số phân xạ |^R⁄ |, được xuất phát từ Ỳ p ⁄R Ị

phương trình Fresnel, thu được:

* gylmwysel ẻg

V6i Ac(F)= Ae, +ide,

Ta thu dude:

S = asle,.2,) + B{e,,6,\, (1.3.7)

Với: œ,(s,£,)/(<,,e,} là các hệ số Seraphin phụ thuộc vào chất nghiên

cứu và năng lượng photon Giần đồ trên hình 1,6 cho biết hệ số Seraphin đối

với các chất khác nhau (ứng với độ rộng vùng cấm xác định)

Hình1.6 Biểu diễn hệ số Seraphin

Còn đối với InP ở nhiệt độ T=300” K, hệ số Seraphin tai Eg:

a, fs,,5,}= 0.056

B,le,,£, }= 0.008

Quang Phản xạ là một kiểu biến điệu không tiếp xúc, được dựa trên hiệu

ứng Franz-Keldysh ỞỔ đây dùng nguồn laser có năng lượng lớn hơn Eg được

cắt bởi một chopper như là một nhân tố biến điệu, nhằm mục đích biến điệu

điện trường trên bể mặt bán dẫn

Trên hình (1.7) mô tả vùng mặt ngoài khi chưa chiếu laser (a) và khi có chiếu laser (b)

⁄ | By _ \Naser

Hình!.7 Giản dé vùng bể mặt khi chưa có laser và khi có laser

(mức Tamm) Mặt khác, ở mặt ngoài luôn có chất hấp phụ (hấp phụ các nguyên tử, phân tử), bản thân chất hấp phụ này cũng tạo ra mức mặt

ngoài (tuỳ vào bán dẫn, những mức này có thể là mức cho hay mức nhận

Khi chiếu laser vào, electron từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn làm sản

sinh các cặp electron và lỗ trống, trung hoà bớt các ion đonor, đồng thời lỗ

trống ở vùng hoá trị kết hợp với electron mặt ngoài, làm giảm điện tích âm

mặt ngoài Điều này dẫn đến điện trường trên bể mặt bị giảm đi, đường cong

năng lượng bị giảm xuống (Hình 1.8.b)

Hiện tượng có và không có laser dẫn đến sự thăng giáng điện trường bể

mặt Cơ chế “biến điệu” được hình thành Có thể xem đây là cơ chế “vi mô”,

một trường hợp riêng đặc biệt của hiéu ting Franz-Keldysh

Gọi Rẹ là hệ số phản xạ bể mặt khi không có laser (vùng năng lượng bị

cong lên do hiện tượng tích điện âm ở các mức mặt ngoài gây ra), R'là hệ số

té

phần xạ khi chiếu tia laser kích thích ( điện trường bể mặt bị đập tắt”)

Phương pháp thực nghiệm quang phần xạ dựa trên cơ sở biểu thức:

Từ (1.3.8) cho thấy dạng đặc trưng của phổ quang phan xa = là hàm

tuần hoàn ( vì thế hay gọi là “Dao động Franz-Keldysh”-FKO) và biên độ

giảm dẫn về phía năng lượng cao theo qui luật exponent Ngoài ra biên độ

đạt maximum tại E = Eg Nhờ đó có thể xác định độ rộng vùng cấm Eg của bán dẫn từ vị trí năng lượng của cực đại phổ (ở phía năng lượng thấp) Trên

hình 1.8 là một ví dụ đặc trưng của phổ quang - phản xạ của GaAs Cực đại

có vị trí năng lượng tại khoảng 1.41 eV ứng với độ rộng vùng cấm của GaAs Đao động Franz —-Keldysh được thể hiện rõ từ 1.41 eV dén 1.6 eV

27

1.3.4 Xử lý phổ Quang ~phản xạ xác định trạng thái bể mặt{9,18],

Việc xử lý phổ PR để nhận được các thông số bể mặt đã được trình bày tỉ

mí đ[] Từ dạng phổ PR, xác định những đỉnh phụ liên tiếp (theo chiểu tăng

năng lượng ), tính được giá trị năng lượng quang điện đặc trưng của mỗi điểm

phụ liên tiếp ñœ theo nguyên tẮc sau:

Giả sử đường cong phổ ARy, có dang như hình (1.8), người ta đánh dấu vị trí

năng lượng của cực trị, bắt đầu từ đỉnh có biên độ đao động lớn nhất rồi tiếp

qua bên phải theo chiều tăng năng lượng tương ứng với mức năng lượng Eạ,E,Éu, E, Khi đó ta có:

af 13⁄2

n= ¬ — +, với n=0,1,2 (1.3.9)

3h AQ |

wh SAB yh 3 rey ain

lượng sø, và mật độ điện tích bê mặt @„ theo các hệ thức sau Ï]:

[ener

mm

4u điểm nổi bật của nhương phân phổ biến điệu:

Gọi D,(ho) là độ nhạy Detector

1,(ho) là phổ nguồn

Detector ghi nhận phổ của nguồn sáng đa sắc

Giá trị đo được: ,(hø)1, (5e) R(he)

Đ,(he)1, (he) ~ > S Noa"

z hol, (heyAarth `

Lập tí số: (0002) (02)A802) ĐA

D(ho}l,(ha)R(ha} R—

Như VẬYy — là hầm không phụ thuộc I¿ và D,, có nghĩa là hoại động

của thiết bị không ảnh hưởng đến kết quả đo

phân giải pha lock-in hai kénh Phé PR có thé duge dién ta nhu sau! :

1.3.5 Phân giải pha từ phổ Quang phần xạ[3,10]

Phương pháp Quang — phản xạ là một phương pháp quang không tiếp xúc, không hủy mẫu và rất nhạy trong việc khảo sát bề mật và tính chất của các lớp tiếp xúc của các chất bán dẫn và các cấu trúc bán dẫn Nói chung, những thông tin cần thiết về chất bán dẫn trong phổ quang phân xạ thu được từ sự phân tích những thành phân khác nhau của phổ

Theo qui luậi, người ta cho rằng sự phản xạ đáp ứng với sự biến điệu

quang diễn ra ngay jap tức Tuy nhiên, đã có những thí nghiệm chứng tỏ có sự

trễ pha của phổ Quang phản xạ có liên quan đến việc biến điệu quang Phố Quang phản xạ thu được là mội phô đa thành phần Ta có thể xác định được từng thành phần riêng biệt của phổ nhờ phân tích pha Loek-in Đây là một phương pháp mới trong thực nghiệm phân giải phổ Quang-phân xạ

Giản để pha của phổ ! thành phần có dạng tuyến tính; giản đồ pha của phé 2 thành phần trở lên không còn dạng tuyến tính mà có dạng vòng phức tạp

Để nghiên cứu sự phụ thuộc pha của tín hiệu PR, người ta sử dụng kỹ thuật

E :năng lượng phofon

Fs : cường độ điện trường

@=2nf ; tân sô biên điệu

Trong hệ tọa độ (x,y), giản đồ pha của tín hiệu PR và góc trễ pha ä được

mình họa như trong hình 1.10:

Hình 1.10 Pha của tín hiệu PR so với ánh sáng biển điệu Pha của tín hiệu

(đo qua lock-in) khi không có (hệ tọa độ xy) và khi có (hệ tọa độ x'y°) góc pha Ø

định sẵn Góc trễ pha ô ứng với Ø=0

Pha của tín hiệu 4 được xác định ở Hình 1.10 là góc giữa phá của anh sáng biển điệu và tín hiệu quang phần xạ Giá trị âm của góc š có nghĩa là giữa sự biện điệu và sự đáp ứng có sự trễ thời gian v t ke) Y

Trong đó góc trễ pha ở được xác định như sau:

X(E} Refl-iar)

Rõ ràng rằng chỉ đối đối với một thành phần phổ và tần số biến điệu cố định,

: moo «AR yyy a, oe

đại lượng ø@z là không đổi (ở đây năng lượng photon E, và do đó ale }, la mét gid

trị có thể thay đốn), và sự không đổi nảy làm cho nó có thể quyết định tính chất thời

hãng r của quá trình biên điệu từ vị trí pha của phố quang phan xa va tn sO @.

31

Trong trường hợp øz =0, phần thực của tín hiệu quang phản xạ (X) có giá

trị lớn nhất và đồng bộ với sự biến điệu ( ở = 0), điều này có thể cho z = 0 và cho tần

số biến điệu triệt tiêu (ø — 0) Trong trường hợp giới hạn khác, øœz = ©, độ lớn của tín hiệu quang phản xạ trở nên rất nhỏ (gần như triệt tiêu), trong khi sự trễ pha ( góc

=F) =r(E}'22) = x(E)+ iy(E) (1.3.15)

x(E)= ^*(p); = ÂÊ (z), cos(2, +4)

Hinh 1.11 la phổ PR thu được từ các ngõ ra X, Y của lock-in 2 kênh và giản

đô pha của nó

Phổ quang phản xạ thực nghiệm trong vùng chuyên tiếp Eg duoc ghi nhận với

mẫu n-GaAs Phổ quang phản xạ ghi được cho các kênh Y và X của bộ khuếch đại