Nghiên cứu sự phụ thuộc của độ linh động và mật độ hạt tải vào nhiệt độ trong kênh dẫn ge pha tạp điều biến

Sự hoạt động của những cấu trúc lượng tử có độ linh động cao và mật độ hạt tải được quy định bởi các tính chất vận chuyển của hạt tải trong hệ.. Độ linh động và mật độ hạt tải là một tro

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này không trùng lặp với các khóa luận, luận văn, luận án và các công trình nghiên cứu đã công bố

Người cam đoan

(Ký, ghi rõ họ và tên)

Nguyễn Thị Tú

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các giảng viên giảng dạy lớp K11- Cao học Vật lý lý thuyết và Vật lý toán- Trường ĐH Hồng Đức, tập thể cán bộ giảng viên bộ môn vật lý trường ĐH Hồng Đức, cùng các giảng viên của trường Đại học khác đã tham gia giảng dạy tại đây

Trong quá trình học tập tại trường ĐH Hồng Đức, tôi đã được các thầy cô giáo giảng dạy và hướng dẫn tận tình , tôi đã học hỏi được rất nhiều kiến thức vật lý, toán học cũng như các ứng dụng máy tính hỗ trợ để mô phỏng các bài toán Để hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này tôi được sự hướng dẫn nhiệt tình

và tận tâm của PGS-TS Trần Thị Hải, phó trưởng bộ môn Vật lý- Khoa khoa học tự nhiên- Trường ĐH Hồng Đức Tôi xin gửi tới cô lời cảm ơn sâu sắc nhất với tất cả tình cảm yêu quý cũng như lòng kính trọng của mình

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý, khoa khoa học Tự nhiên, Trường ĐH Hồng Đức đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, phòng quản lí sau đại học đã hỗ trợ tôi hoàn để thành các thủ tục bảo vệ luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn cùng lớp, những đồng nghiệp, những người thân yêu trong gia đình tôi, những người luôn sát cánh ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn

Học viên

Nguyễn Thị Tú

iii

MỤC LỤC Trang

LỜI CAM ĐOAN……….….i

LỜI CẢM ƠN……….… ii

MỤC LỤC……… iii

DANH MỤC HÌNH……… v

CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU……… vi

MỞ ĐẦU……… 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Dự kiến kết quả đạt được……… 2

5 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ge: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU TẠO, TÍNH CHẤT CỦA Ge, Si, SixGe1-x ……… 3

1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn 3

1.2 Giới thiệu về vật liệu Ge ……… 5

1.3 Giới thiệu về vật liệu Si 8

1.4 Giới thiệu về vật liệu SiO2……… 9

1.5 Giới thiệu về phương pháp chế tạo màng mỏng phổ biến………10

CHƯƠNG 2: TÍNH ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA HẠT TẢI TRONG KÊNH DẪN Ge PHA TẠP ĐIỀU BIẾN……… 14

2.1 Mô hình……….14

2.2 Các biểu thức tán xạ của hạt tải trong giếng lượng tử pha tạp một phía 26

2.2.1 Độ nhám bề mặt (SR) 27

2.2.2 Thế biến dạng khớp sai(DP) 30

2.2.3 Tạp chất bị ion hóa (RI) 32

2.2.4 Tán xạ của phonon âm trong cấu trúc dị chất ở nhiệt độ cao 34

2.2.4.1 Thế biến dạng khớp sai(DP) 34

iv

2.2.4.2 Thế điện áp tích điện(PZ) 36

2.3.Xác định độ linh động của hệ hạt tải……….37

2.4 Xác định mật độ hạt tải phụ thuộc nhiệt độ……… 38

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN SỐ VÀ THẢO LUẬN……… 40

3.1 Hàm sóng của hạt tải trong kênh dẫn Ge pha tạp điều biến 1 phía…… 41

3.2 Độ linh động phụ thuộc nhiệt độ ………42

3.3 Mật độ hạt tải phụ thuộc vào nhiệt độ……… 45

KẾT LUẬN……….46

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 47 PHỤ LỤC……… P1

v

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc vùng của Si và GaAs gần vùng cấm 5

Hình 1.2.1 Giản đồ năng lƣợng của Ge trong vùng E1………6

Hình 1.2.2 Biểu diễn sơ đồ mạng tinh thể Ge………7

Hình 2.1 Cấu trúc mẫu 14

Hình 2.2 Số liệu thực nghiệm về độ linh động của hạt tải và mật độ hạt tải phụ thuộc vào nhiệt độ ……….………15

Hình 3.1 Cấu trúc kênh dẫn Ge pha tạp điều biến với bề rộng của giếng lƣợng tử L75A0……….………

41 Hình 3.2.1 Độ linh động của tán xạ phonon âm phụ thuộc vào nhiệt độ T bao gồm 2 cơ chế: Thế biến dạng khớp sai(DP), thế điện tích áp điện(PZ)……….42

Hình 3.2.2 Độ linh động phụ thuộc vào nhiệt độ T của tất cả các cơ chế tán xạ: Thế biến dạng khớp sai (DP), Thế điện tích áp điện (PZ), Tán xạ do tạp chất bị ion hóa (RI), tán xạ do độ nhám bề mặt (SR), và độ linh động tổng cộng Tot…43 Hình 3.2.3 Độ linh động tot phụ thuộc vào nhiệt độ T 44

Hình 3.3 Mật độ hạt tải (sheet carrier density) phụ thuộc vào nhiệt độ T 45

vi

CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU

2D (two-dimensional) Hai chiều

2DHG(two-dimensional hole gas) Khí lỗ trống hai chiều

ACF(autocorrelation funtion) Hàm tự tương quan

SQW(square quantum wells) Giếng lượng tử

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nghành khoa học và công nghệ nano đã

mở ra một triển vọng mới trong việc ứng dụng những dụng cụ thông tin kỹ thuật

có những chức năng mà trước kia chưa có Máy tính điện tử ngày càng mạnh lên

do tăng được tốc độ xử lý thông tin và mật độ bằng cách thu nhỏ kích thước của thành tố cơ bản của nó – các transistor Sự hoạt động của những cấu trúc lượng tử

có độ linh động cao và mật độ hạt tải được quy định bởi các tính chất vận chuyển của hạt tải trong hệ Độ linh động và mật độ hạt tải là một trong những tham số lượng tử quan trọng đặc trưng cho sự hoạt động của các linh kiện điện tử Độ linh động và mật độ hạt tải lớn sẽ giúp giảm tỏa nhiệt trong linh kiện và đồng thời cho phép chúng ta chế tạo những linh kiện có tốc độ chuyển mạch nhanh.Do đó, trong những năm gần đây việc nghiên cứu độ linh động của các cấu trúc lượng tử được tiến hành mạnh mẽ cả về lý thuyết và thực nghiệm

Luận văn của tôi đi sâu nghiên cứu độ linh động và mật độ hạt tải trong cấu trúc kênh dẫn Ge pha tạp điều biến ở nhiệt độ lên tới 300K Bài toán này dần tiếp cận những mô hình gần với thực tế hơn, nó là cơ sở để có thể nghiên cứu chế tạo những vật liệu có khả năng ứng dụng vào thực tiễn Bài toán phát triển từ các nghiên cứu trước đây về hiện tượng vận chuyển của hạt tải trong các cấu trúc bán dẫn thấp chiều Đó chính là lí do tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sự phụ thuộc của

độ linh động và mật độ hạt tải vào nhiệt độ trong kênh dẫn Ge pha tạp điều biến”

2 Mục đích nghiên cứu

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ linh động và mật độ của hạt tải điện trong Ge pha tạp điều biến

So sánh với những kết quả thực nghiệm về sự ảnh hưởng của nhiệt độ vào

độ linh động và mật độ của hạt tải điện trong Ge pha tạp điều biến

3 Phương pháp nghiên cứu

2

- Tính toán lý thuyết bằng việc giải phương trình poisson, phương trình Schrodinger để tìm ra hàm sóng, từ đó tìm ra các hàm tự tương quan để xác định

độ linh động và mật độ của hạt tải phụ thuộc nhiệt độ

- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Mathematica, Matlab để lập phương trình và tính số các đại lượng độ linh động và mật độ phụ thuộc nhiệt độ trong Ge pha tạp điều biến

4 Dự kiến kết quả đạt được

- Đưa ra được các biểu thức giải tích cụ thể cho quá trình vận chuyển của hạt tải trong Ge pha tạp điều biến

- Tính được độ linh động và mật độ của hạt tải trong Ge pha tạp điều biến

- So sánh kết quả nghiên cứu đạt được với những kết quả thu được trước đây

- Vẽ được đồ thị biểu thị sự phụ thuộc độ linh động và mật độ phụ thuộc nhiệt

độ

5 Nội dung nghiên cứu

Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo, Luận văn dự kiến gồm 03 chương sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ Ge: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU TẠO, TÍNH CHẤT CỦA Ge, Si, VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG

Chương 2: Tính được độ linh động và mật độ hạt tải trong kênh Ge pha tạp điều biến phụ thuộc nhiệt độ

Chương 3: Tính toán số và thảo luận

3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ge: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU TẠO, TÍNH CHẤT CỦA Ge, Si, VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG 1.1 Đặc điểm cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn [3]:

Vùng năng lượng là khoảng năng lượng mà có tồn tại trạng thái điện trong tinh thể Các vùng năng lượng được tách bởi các vùng cấm (bandgaps) Cấu trúc vùng năng lượng1

này thu được từ việc giải phương trình Schrödinger cho electron trong tinh thể2

( , )r k u r e k( ) ikr

   (1.2)

ở đây u r k( )có tính tuần hoàn của mạng tinh thể Phương trình Schrödinger trên chỉ giải thích chính xác cho một số trường hợp đặc biệt, nói chung phải giải gần đúng, phương pháp gần đúng phụ thuộc vào mô hình Các phương pháp này tuy khác nhau về phương diện tính toán nhưng đều dựa trên nguyên tắc chung là phân tích hàm riêng  ( , )r k theo hệ hàm đầy đủ đã biết nào đó Ta thường gặp hai mô hình như sau:

1 Mô hình electron gần tự do: Dựa trên ý tưởng biên độ của thế gây ra bởi các nút mạng không lớn, có thể xem đây là thế nhiễu loạn, xem như các electron liên kết yếu với tinh thể tuần hoàn, hệ các hàm sóng theo mô hình này là hệ các hàm

mô hình này thì các vùng năng lƣợng và các vùng cấm là phần dƣ của phổ năng lƣợng gián đoạn của các nguyên tử Mô hình liên kết chặt cho ta quy luật tán sắc4:

Cấu trúc vùng của hai chất bán dẫn quen thuộc Si và GaAs đƣợc minh họa ở hình 1.1

5

Hình 1.1: Cấu trúc vùng của Si và GaAs gần vùng cấm.[8]

1.2 Giới thiệu về vật liệu Ge

Germani (Ge) là nguyên tố thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn Các tính chất hóa học của Ge đã được Mendeleev tiên đoán từ năm 1771 Ge là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương Một điều quan trọng cần lưu ý là Ge là chất bán dẫn, với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện Ở trạng thái tinh khiết, nó là chất kết tinh, giòn và duy trì độ bóng trong không khí ở nhiệt độ phòng Các kỹ thuật tinh chế khu vực đã dẫn tới việc sản xuất Ge kết tinh cho ngành công nghiệp bán dẫn với hàm lượng tạp chất chỉ ở cấp độ 10−10 Cùng với gali, bitmut, antimoan và nước, nó là một trong các chất giãn nở ra khi đóng băng Dạng ôxít, đioxít Ge, cũng có tính chất bất thường như có chiết suất cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại là trong suốt với ánh sáng hồng ngoại [1]

Bảng 1.2: Các thông số vật lý của vật liệu Ge.[1]

Các tính chất vật lý Các thông số

Cấu hình điện tử 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2

K – E G0 – eV) 0,785 Năng lượng vùng cấm ở 300 0

K (eV) 0,72 Nồng độ hạt dẫn điện tử ở 300 0

K 2,5.10 13 /cm 3

*)Cấu trúc vùng năng lượng và tính chất quang của Germani tinh thể khối

Về mặt cấu tạo Ge cũng giống như Si thuộc phân nhóm 4 có cấu trúc vỏ ngoài cùng là (1s 2 )(2s 2 )(2p 6 )(3s 2 )(3p 6 )(3d 10 )(4s 2 )(4p 2 ) Như vậy lớp ngoài cùng chưa điền đầy Tinh thể Ge cũng thuộc loại tinh thể kim cương Sơ đồ mạng tinh thể của

nó được biểu diễn trên hình vẽ Ở mỗi nút mạng có lõi ion mang điện tích +4 và 4 electron hóa trị gắn với nó Những electron này cùng với các electron của 4 nguyên tử gần nhất tạo thành các mối liên kết bền vững

7

Hình 1.2.2: Biểu diễn sơ đồ mạng tinh thể Ge Vùng năng lượng của Ge cơ bản giống với vùng năng lượng của Si Sơ đồ vùng năng lượng được biểu diễn trong hình 1.4 Cấu trúc vùng dẫn của Ge khác với vùng dẫn của Si nhiều hơn và so với vùng hóa trị của chúng Sự khác nhau cơ bản nhất là cực tiểu vùng dẫn Ge nằm ở trên vùng Broullin theo hướng [111] của tinh thể Biểu thức năng lượng có dạng:

m là khối lượng hiệu dụng dọc

Mặt đẳng năng của Ge là 8 nửa hình xoay khối elip dọc theo các trục [111], biên của vùng Broullin tại tâm các hình xoay khối elip và các mặt năng lượng không đổi Cần chú ý rằng tại một điểm trên vùng Broullin, nếu dùng một mặt đang có năng lượng lớn hơn cực tiểu một ít thì chỉ có một nửa elip nằm trong vùng Broullin thứ nhất Như vậy với 8 cực tiểu đối xứng chúng ta chỉ có 8 nửa elip nằm trong vùng Broullin Nói cách khác chúng ta chỉ có 4 elip nằm trong vùng Broullin Vùng cấm của Ge cũng thuộc vào vùng cấm xiên như Si, bề rộng vùng

8

cấm cũng có thể biểu diễn gần đúng bằng công thứcE g   (0, 69 9.10  T4 )eV Ở

300K ta có E g (Ge)=0,66 eV

Điều này cần lưu ý khi tính mật độ trạng thái trong vùng dẫn Cấu trúc vùng năng lượng Ge cũng thuộc loại vùng cấm xiên, bề rộng vùng cấm Ge ở 0K là 0,69

eV, ở 300 K là 0,66 eV

Như vậy dựa vào cấu trúc vùng năng lượng của Si và Ge, ta thấy khi ở 300K

bề rộng vùng cấm E g (Si)=1,12eV và của E g (Ge)= 0,66 eV [4], [5]

Theo thực nghiệm vùng năng lượng đạt giá trị cực đại là Eg =1 eV, ta thấy vùng năng lượng của E g (Si)=1,12eV của E g (Ge)=0,66 eV Như vậy khi sử dụng chúng để nâng cao hiệu suất của Pin Mặt Trời ta sẽ kết hợp 2 tinh thể đó tạo thành tinh thể nano Si x Ge 1-x Để hình thành tinh thể Si x Ge 1-x từ Si và Ge có rất nhiều phương pháp, trên đây tôi sử dụng phương pháp phún xạ dựa trên nền SiO2

1.3 Giới thiệu về vật liệu Si

Silic (Si) cũng là nguyên tố chính nhóm IV của bảng các nguyên tố tuần hoàn Mendeleev (đƣợc tìm ra năm 1824) Si là nguyên tố phổ biến thứ 2 sau Oxi trong

tự nhiên, chiếm khoảng 1/4 khối lƣợng vỏ trái đất, có nguồn nhiên liệu phong phú, với giá thành sản xuất rẻ và công nghệ chế tạo ổn định Bên cạnh đó, vật liệu Si khối có độ cứng cao cho phép sử dụng các phiến Si có diện tích lớn, độ đàn hồi cao thích hợp để chế tạo các sensor vi cơ Với độ ổn định nhiệt đến 11000C cho phép tiến hành nhiều quá trình công nghệ ở nhiệt độ cao nhƣ: khuếch tán, oxy hóa và xử

lý nhiệt Vật liệu khối Si dễ dàng thụ động hóa bề mặt bằng cách oxi hóa nó

Các thông số vật lý của vật liệu bán dẫn Si đƣợc thể hiện ở bảng 1.2 [2], [4] Thông số vật lý Giá trị

Bảng 1.3: Các thông số vật lý của vật liệu Ge.[2]–[5]

Các tính chất vật lý Các thông số

9

Lớp oxit của Si có tác dụng giảm đáng kể trạng thái bề mặt và từ đó giảm tốc

độ tái hợp bề mặt Oxit silic rất bền vững có tác dụng như một lớp mặt nạ bảo vệ Bên cạnh đó, lớp này như một chất điện môi có khả năng cách điện cao

1.4. Giới thiệu về vật liệu SiO 2

Điôxit-Silic (SiO 2) là một hợp chất hóa học, cón có tên gọi khác là Sia là một

oxit của Si có công thức hóa học SiO 2, nó có độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết với nhau thành phân tử rất lớn Sia có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và dạng vô định hình Trong tự nhiên Sia tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, tridimit, cris)

Điôxit-silic (SiO 2) một phần không thể thiếu trong công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời tạo thành nền có độ rộng vùng cấm lớn khi tinh thể nano Ge

và Si tạo ra một dải năng lượng trong vùng cấm SiO 2 là một hợp chất hóa học, còn

có tên gọi khác là Silica là một oxit của Si có công thức hóa học SiO 2, nó có độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại Thường được dùng để chế tạo các màng

10

mỏng điện môi quang học với chiết suất thấp, hệ số hấp thụ và độ tán xạ thấp trong

vùng khả kiến và vùng hồng ngoại Tính chất quang của lớp màng SiO 2 phụ thuộc

rất nhiều vào điều kiện chế tạo: nhiệt độ đế, áp suất khí, tốc độ lắng đọng… SiO 2

có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và dạng vô định hình, nhiệt độ nóng chảy ~

1800 oC Các thông số vật lý của SiO 2 được thể hiện ở bảng 1.4

Bảng 1.4 Các thông số vật lý của SiO 2

Vật liệu SiO2 là vật liệu vô định hình, có độ rộng vùng cấm lớn, đóng vai trò

để phân tán vật liệu nano SiGe, tạo ra các hố thế Mặt khác, vật liệu SiO2 trên cơ

sở Si nên được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp vi điện tử và chế pin mặt trời cho hiệu suất cao

Si và Ge là hai vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên điển hình, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp vi điện tử Sự tương đồng của Si và Ge cho phép chúng kết hợp với nhau tạo thành hợp kim với chất lượng cao Với độ rộng vùng

11

cấm nằm trong khoảng từ Eg (Ge) = 0,66 eV và Eg (Si) = 1,12 eV, vật liệu Si, Ge hoàn toàn phù hợp cho các nghiên cứu ứng dụng như chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao, các thiết bị quang điện tử hồng ngoại cũng như các thiết bị điện tử tốc độ cao

1.5.Giới thiệu về phương pháp chế tạo màng mỏng phổ biến [3]

Có 2 phương pháp phổ biến: Epitaxy chùm phân tử (MBE) và kết tủa hơi hóa học hữu cơ - kim loại (MOCVD)

Epitaxy chùm phân tử (tiếng Anh: Molecular beam epitaxy, viết tắt

là MBE) là thuật ngữ chỉ một kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng cách sử dụng các

chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao nhằm thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của lớp đế

Kỹ thuật MBE được sử dụng nhiều trong ngành vật lý chất rắn, khoa học và công nghệ vật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn để chế tạo những màng đơn tinh thể với chất lượng rất cao, với độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet Cùng với sự phát triển của công nghệ nano hiện nay, MBE là một trong những kỹ thuật chủ đạo của công nghệ nano để chế tạo các vật liệu nano Do vậy chúng tôi chọn phương pháp Epitaxy chùm phân tử Hệ thống MBE gồm: hai buồng chính, một buồng tải và một buồng tạo màng Buồng tải được sử dụng để mang mẫu vào và ra khỏi môi trường chân không trong khi duy trì môi trường chân không của những buồng khác Nó cũng được sử dụng để lưu trữ các mẫu Một ống chuyển tiếp (Mecatrans) có áp suất khoảng 10-9 Torr cho phép mẫu được đưa đến buồng tạo màng dưới chân không siêu cao

Kỹ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong môi trường chân không siêu cao (áp suất thấp hơn 10−9 Torr), do đó cho phép tạo ra các màng mỏng vật liệu có

độ tinh khiết rất cao Điểm khác biệt cơ bản nhất của MBE so với các kỹ thuật màng mỏng khác (ví dụ như phún xạ, bốc bay nhiệt ) là các màng mỏng đơn tinh thể được mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc độ cực thấp và có độ hoàn hảo rất cao Vì thế, kỹ thuật MBE cho phép tạo ra các siêu mỏng, thậm chí chỉ vài lớp nguyên tử với chất lượng rất cao Tuy nhiên, chất lượng màng cũng như tốc độ tạo màng phụ thuộc nhiều vào độ hoàn hảo của môi trường chân không Lớp đế

tử của các vật liệu nguồn sẽ không phản ứng với nhau cho đến khi chúng kết hợp với nhau trên đế do quãng đường tự do trung bình của chúng rất dài Đây là lý do

chính của tên gọi chùm phân tử Trong quá trình hình thành màng, người ta thường

dùng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử phản xạ năng lượng cao (RHEED) để kiểm soát quá trình mọc màng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử được ghi trực tiếp Quá trình này cho phép kiểm soát sự phát triển của màng với độ chính xác từng lớp nguyên tử Đồng thời, trong quá trình chế tạo, đế cần được giữ lạnh

Để đạt được môi trường chân không siêu cao, ban đầu buồng chế tạo được hút chân không sơ cấp (cỡ 10−3 Torr), sau đó sử dụng bơm turbo để tạo chân không cao tới 10−7 Torr và tạo chân không siêu cao bằng bơm iôn hoặc bằng cryo-pump (bơm chân không siêu cao, sử dụng các khí hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, ví dụ như nitơ lỏng ở 77 K , để bẫy khí nhằm tạo ra chân không siêu cao) Vì thế, hệ MBE vận hành khá phức tạp và tốn kém Kỹ thuật MBE được sử dụng nhiều trong vật lý chất rắn, khoa học và công nghệ vật liệu, đặc biệt trong công nghệ bán dẫn để chế tạo các màng đơn tinh thể với chất lượng rất cao, với độ dày có thể thay đổi từ vài lớp nguyên tử đến vài chục nanomet Với sự phát triển của công nghệ nano hiện nay, MBE là một trong những kỹ thuật chủ đạo của công nghệ nano để chế tạo các vật liệu nano

MOCVD còn gọi là Epitaxy pha –hơi hữu cơ – kim loại (MOVPE) là một

phương pháp khác có khả năng chế tạo các dị cấu trúc với chất lượng cao

MOCVD nổi tiếng vì nó cho phép chế tạo các linh kiện quang điện tử tốt hơn so với các linh kiện được chế tạo từ MBE Nó cũng nhanh hơn và có khả năng sản

tế nghiêm ngặt

14

CHƯƠNG 2 TÍNH ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA HẠT TẢI TRONG KÊNH DẪN Ge PHA

TẠP ĐIỀU BIẾN 2.1 Mô hình

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu cấu trúc kênh dẫn Ge được nuôi cấy trên nền vật liệu Si (Hình 2.1) Bằng việc nuôi cấy liên tục các lớp vật liệu trên lớp nền Si, người ta sẽ tạo ra được kênh dẫn Ge, mà ở đó tập trung các hạt tải mang điện

Hình 2.1.1 Cấu trúc mẫu [18]

Với mô hình ở trên, ta có được một kênh dẫn Ge có kích thước 7,5nm nằm giữa hai

lớp Si 0.33 Ge 0.67 có kích thước 20nm, được pha tạp bởi một lớp nguyên tử B cỡ 10nm Do đó, ta có thể xem vật liệu bán dẫn trên có cấu trúc là một giếng lượng tử pha tạp một phía với độ rộng của giếng là bề rộng của lớp Ge, hai lớp rào là hai lớp

vật liệu Si0.33Ge0.67 và được pha tạp một phía bởi lớp nguyên tử B có bề rộng 10nm

15

Hình 2.1.2 Số liệu thực nghiệm về độ linh động của hạt tải và mật độ hạt tải phụ

thuộc vào nhiệt độ [19]

Với mô hình kênh dẫn Ge pha tạp điều biến như trên, các tác giả [18],[19] đã nghiên cứu thực nghiệm để xác định độ linh động của hạt tải và mật độ hạt tải trong mô hình phụ thuộc vào nhiệt độ theo hình 2.2 Trong đó các ô vuông rỗng chính là số liệu thực nghiệm đo được của mô hình mà bài toán của chúng tôi nghiên cứu

Khi nghiên cứu kênh dẫn pha tạp ở trên, chúng ta đã xét ảnh hưởng của các nguồn giam cầm có mặt trong hệ như: những tạp ion hoá, bản thân khí lỗ trống 2 chiều, tức là thay vì chỉ xét giếng vuông góc phẳng, chúng ta phải xét đến hiệu ứng uốn cong vùng năng lượng (band bending)

Lý thuyết uốn cong vùng năng lượng có vai trò khá quan trọng trong sự hình thành cấu trúc bán dẫn Khi có pha tạp một phía, nó sẽ xuất hiện hiệu ứng uốn

Độ dẫn điện [22] :

Với: ps là nồng độ, là độ linh động của hạt tải, e là điện tích của điện tử

Ba vai trò của nguồn pha tạp đó là:

- Nguồn cung cấp hạt tải

- Nguồn gây ra sự tán xạ hạt tải điện Pha tạp điều biến

- Nguồn thế gây ra giam cầm lƣợng tử

cz L

Trong đó L là độ rộng của kênh dẫn, B và c là những tham số biến phân xác

định.Bvà c đƣợc xác định dựa vào hiện tƣợng chuẩn hóa hàm sóng

* Chuẩn hóa hàm sóng nhƣ sau:

Từ điều kiện chuẩn hóa:

2 2

L

cz L L

2

Trong đó: T là động năng, V z b và V H z là thế rào và thế Hartree

Thế Hartree đƣợc tạo bởi nguồn tạp bị Ion hóa NI(z) và nguồn hạt tải tích điện

P(z) Biến dạng pha tạp ở đỉnh rào

V V

( ) ( )   S   ( )

24

 2 2

Đối với hệ đang xét, ở trạng thái cơ bản năng lƣợng tổng cộng của hạt từ (2.5)

và (2.6) là hàm của tham số biến phân c, năng lƣợng tổng cộng cho bởi (2.53)

Năng lƣợng riêng đƣợc xác định nhƣ sau:

Áp dụng các hàm phụ:

2 2

n L

L

z L

n L

L L

L L

L z

Tại nhiệt độ thấp T = 0, năng lƣợng của cả khối khí là nhỏ nhất Tỉ số năng

lƣợng/số hạt chính là năng lƣợng trung bình Ta có thể xác định đƣợc tham số biến

phân c bằng cách tiến hành cực tiểu hóa năng lƣợng toàn phần ứng với một hạt, từ

đó xác định đƣợc hàm sóng

2.2 Các biểu thức tán xạ của hạt tải trong giếng lƣợng tử pha tạp một phía

Trong giếng lƣợng tử pha tạp một phía các hạt tải có thể chịu tác động các

cơ chế tán xạ sau đây:

- Tán xạ do độ nhám bề mặt - surface roughness (SR)

- Tán xạ do tạp chất - remote impurities (RI)

- Tán xạ gây bởi thế biến dạng khớp sai - misfit deformation potential (DP)

27

- Tán xạ do phonon do phonon âm gây ra (AP)

2.2.1 Độ nhám bề mặt (SR )

Độ lớn của thế tán xạ trong không gian véctơ sóng được xác định bởi giá trị cục bộ

của hàm sóng tại các vị trí biên ζ∓ = ζ(z = ∓L/2): giá trị của thế trong không gian

véc tơ sóng đối với các tán xạ từ bề mặt nhám phía đỉnh có dạng [20]

U∓(q) = V0|ζ∓|2∆q, (2.49)

ở đây, ∆q là biến đổi Fourier hai chiều của cấu hình bề mặt Với chiều cao thế rào

V0 đủ lớn ta có thể thu được (2.3) dưới dạng sau đây [11]:

(2.50)

Tuy nhiên, những sai lệch trong tính toán độ nhám bề mặt dễ xảy ra do sử dụng

hàm sóng gần đúng và đạo hàm của nó tại các mặt phẳng bề mặt Nhược điểm của

công thức trên càng lớn khi mà độ nhám bề mặt là cơ chế tán xạ chủ đạo, lúc này

độ linh động của hạt tải tính được sẽ sai lệch đi nhiều lần Do đó, ta cần có một

công thức mà độ lớn của thế tán xạ chứa những số hạng không nhạy cảm đối với

hàm sóng thử mà ta đưa ra, chẳng hạn giá trị cực đại của hàm sóng trên trục z

Tóm lại, cực trị của hàm sóng từ phương trình (2.7) nằm ở vị trí z0 = δL mà

δ = −(1/π)arctan(c/π), (2.51)

với |δ| < 1/2 Tiến hành tính tích phân phương trình Schrodinger 1 chiều với hàm

sóng bao cho bởi (2.7) từ z=∓∞ tới z=z0 Ta được:

2 2

1 ( )

8 ( ) '( )