Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử GaNAlN (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐẶNG THỊ DIỄM PHÚC KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM THÔNG QUA MẬT ĐỘ HẤP THỤ TÍCH HỢP TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ GaN/Al N Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐẶNG THỊ DIỄM PHÚC

KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM THÔNG QUA MẬT ĐỘ HẤP THỤ TÍCH HỢP TRONG

GIẾNG LƯỢNG TỬ GaN/Al N

Chuyên ngành: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN

Mã số: 60 44 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS ĐINH NHƯ THẢO

Thừa Thiên Huế, năm 2017

i

Demo Version - Select.Pdf SDK

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong Luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất

kỳ một công trình nghiên cứu nào khác

Huế, tháng 9 năm 2017 Tác giả Luận văn

Đặng Thị Diễm Phúc

Demo Version - Select.Pdf SDK

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm

ơn quý Thầy, Cô giáo trong khoa Vật Lý và phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã tận tình giảng dạy và giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường

Đặc biệt, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo -PGS

TS Đinh Như Thảo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những người bạn thân thiết

đã luôn ở bên cạnh động viên giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn

Huế, tháng 9 năm 2017 Tác giả Luận văn

Đặng Thị Diễm Phúc

iii

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Mục lục 1

Danh mục các bảng biểu 3

Danh mục các từ viết tắt và kí hiệu 4

Danh sách các hình vẽ 6

MỞ ĐẦU 7

NỘI DUNG 11

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

1.1 Cơ sở cấu hình nhám 11

1.2 Các đặc trưng của khí điện tử hai chiều 12

1.2.1 Các cấu trúc với khí điện tử hai chiều 12

1.2.2 Các cơ chế tán xạ 14

1.3 Tổng quan về các mô hình giếng 16

1.3.1 Giếng thế vuông góc sâu vô hạn 17

1.3.2 Giếng thế vuông góc sâu hữu hạn 20

1.3.3 Giếng thế parabol 23

1.3.4 Giếng thế tam giác 28

1.4 Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaN/Al N 30

1.4.1 Các đặc trưng của GaN 30

1.4.2 Các đặc trưng của Al N 32

1.4.3 Dị cấu trúc bán dẫn GaN/Al N 33

1.5 Phương pháp biến phân 35

Demo Version - Select.Pdf SDK

Chương 2 KHẢO SÁT CẤU HÌNH NHÁM BỀ MẶT

TRONG GIẾNG LƯỢNG TỬ GaN/Al N 38 2.1 Sự phân bố gây bởi các điện tích phân cực lên điện tử

trong cấu trúc dị chất kép Al N/GaN/Al N 38 2.2 Các đại lượng đặc trưng của cấu hình nhám 39 2.3 Ảnh hưởng của tán xạ nhám bề mặt lên độ rộng vạch phổ 41 2.4 Đặc điểm của quang phổ hấp thụ 43 2.4.1 Đỉnh của sự hấp thụ 43 2.4.2 Độ rộng vạch phổ 43 2.5 Cách xác định chiều dài tương quan từ dữ liệu quang học 44 Chương 3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Giá trị chiều dài tương quan (Λ) 46 3.2 Giá trị biên độ nhám (∆) 47 3.3 So sánh cấu hình nhám của vật liệu GaN/Al N khi thay

đổi tham số của giếng lượng tử 49 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC P.1

2

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Các thông số vật liệu GaN 31 1.2 Các hằng số mạng thành phần của GaN 32 1.3 Tham số vật liệu Al N 33

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

Cụm từ viết tắt Nghĩa của cụm từ viết tắt

4

Demo Version - Select.Pdf SDK

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

1.1 Sơ đồ thế năng của giếng thế một chiều vuông góc sâu vô

hạn 18

1.2 Đồ thị hàm sóng và năng lượng của giếng thế một chiều vuông góc sâu vô hạn 19

1.3 Sơ đồ thế năng của giếng thế một chiều vuông góc sâu hữu hạn 20

1.4 Đồ thị xác định các giá trị ξ1, ξ2, ξ3 tương ứng với ba mức năng lượng E1, E2, E3 22

1.5 Đồ thị hàm sóng của hạt trong giếng lượng tử vuông góc sâu hữu hạn 23

1.6 Đồ thị thế năng của giếng thế parabol 23

1.7 Đồ thị hàm sóng và các mức năng lượng E1, E2, E3 của giếng thế parabol 27

1.8 Đồ thị hàm sóng của giếng thế tam giác 30

1.9 Cấu trúc tinh thể GaN 30

1.10 Cấu trúc tinh thể Al N 32

1.11 Sơ đồ minh họa giếng lượng tử GaN/Al N 34

1.12 Cấu trúc vùng năng lượng của GaN và Al N 35 3.1 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ tích hợp I(L, ns; Λ)

vào chiều dài tương quan Λ trong giếng lượng tử GaN/Al N

với độ rộng giếng L = 90 ˚A, mật độ điện tử ns = 0, 1×1013

cm−2; trong đó đường liền nét và đường đứt nét biểu diễn

lần lượt kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm, dấu

mũi tên chính là giá trị chiều dài tương quan tương ứng 47

Demo Version - Select.Pdf SDK

3.2 Sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ γSR(L, ns; ∆; Λ) vào

biên độ nhám ∆ trong giếng lượng tử GaN/Al N với độ

rộng giếng L = 90 ˚A, mật độ điện tử ns = 0, 1 × 1013 cm−2

và chiều dài tương quan được lấy từ hình 3.1 có giá trị

Λ = 70 ˚A; trong đó đường liền nét và đường đứt nét biểu

diễn lần lượt kết quả tính toán và kết quả thực nghiệm,

dấu mũi tên chính là giá trị biên độ nhám 48 3.3 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ tích hợp I(L, ns; Λ)

vào chiều dài tương quan Λ trong giếng lượng tử GaN/Al N

với độ rộng giếng L = 100

o

A (tăng 10 ˚A so với ban đầu

là L = 90 ˚A), mật độ điện tử ns = 0, 1 × 1013 cm−2; trong

đó đường liền nét và đường đứt nét biểu diễn lần lượt kết

quả tính toán và kết quả thực nghiệm, dấu mũi tên chính

là giá trị chiều dài tương quan tương ứng 49 3.4 Sự phụ thuộc của độ rộng vạch phổ γSR(L, ns; ∆; Λ) vào

biên độ nhám ∆ trong giếng lượng tử GaN/Al N với độ

rộng giếng L = 100 ˚A, mật độ điện tử ns = 0, 1 × 1013

cm−2 và chiều dài tương quan được lấy từ hình 3.3 có

giá trị Λ = 77 ˚A; trong đó đường liền nét và đường đứt

nét biểu diễn lần lượt kết quả tính toán và kết quả thực

nghiệm, dấu mũi tên chính là giá trị biên độ nhám 50

6

Demo Version - Select.Pdf SDK

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây ngành công nghệ bán dẫn đang ngày càng phát triển mạnh mẽ và trở thành mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới [1] Các vật liệu bán dẫn có cấu trúc cỡ nanô mét có nhiều đóng góp to lớn cho công nghệ và đời sống Các hợp kim bán dẫn đã được ứng dụng thành công vào diode laser, và việc sử dụng chúng có khả năng làm tăng độ linh hoạt trong việc thiết kế các linh kiện điện tử

Một trong những cấu trúc thấp chiều đang được các nhà khoa học quan tâm nhất đó là giếng lượng tử Giếng lượng tử là cấu trúc giam giữ hạt vi mô một chiều bởi việc ghép các lớp bán dẫn mỏng khác nhau [5] Sự giam cầm này làm các mức năng lượng bị lượng tử hóa dọc theo hướng nuôi tinh thể trong các mẫu nuôi dẫn đến sự chuyển dời quang giữa các mức năng lượng Khí điện tử hai chiều trong cấu trúc giếng lượng tử có độ dẫn điện thường cao hơn so với khí điện tử trong bán dẫn khối Do đó, cấu trúc giếng lượng tử được dùng làm cơ sở để chế tạo các linh kiện điện tử và quang điện tử với các tính năng vượt trội

Sự nhám bề mặt là một hiện tượng tán xạ gây ra bởi bề mặt tiếp xúc gồ ghề của vật liệu dị cấu trúc Nguyên nhân gây ra là do sự không tương thích về hằng số mạng và sự ngẫu nhiên chiếm các vị trí trên nút mạng của các nguyên tử Điều này có ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất chung, sự chuyển dời liên vùng quang học, độ mở rộng vạch phổ Vì vậy, khi nghiên cứu các tính chất của dị cấu trúc ta cần phải khảo sát độ nhám mà được đặc trưng bởi cấu hình nhám Cấu hình nhám được xác

Demo Version - Select.Pdf SDK

quan (Λ) [4].

Hiện nay, việc khảo sát cấu hình nhám đối với các giếng lượng tử có nhiều phương pháp khác nhau với các ưu và nhược điểm riêng như các phương pháp thông qua độ linh động, thông qua tỉ số độ rộng phổ [3] Một trong những phương pháp đáng tin cậy đó là phương pháp mật độ hấp thụ tích hợp Mật độ hấp thụ tích hợp bằng tích của độ rộng phổ nhân với chiều cao của đỉnh phổ Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là chỉ sử dụng một mẫu giếng lượng tử nhưng có thể hoàn toàn xác định được cấu hình nhám bề mặt

Gần đây, vật liệu GaN đang thu hút các nhà nghiên cứu do những tiềm năng đầy hứa hẹn trong khoa học và công nghệ [9] GaN có những ứng dụng quan trọng trong việc chế tạo các linh kiện quang điện tử hoạt động trong vùng khả kiến và vùng cực tím Bên cạnh đó, vật liệu Al N là loại vật liệu gốm duy nhất kết hợp tính dẫn nhiệt cao với điện trở suất cao Giếng lượng tử hình thành trên mẫu vật liệu GaN/Al N có những

ưu điểm vượt trội về tần số, hiệu suất, ứng dụng điện tử ở nhiệt độ cao

Ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu về lĩnh vực này Năm 2014, tác giả Nguyễn Thị Trình đã khảo sát cấu hình nhám trong giếng lượng

tử tam giác Al GaN/GaN [8] Sau đó, tác giả Dương Đình Phước đã khảo sát cấu hình nhám bề mặt trong giếng lượng tử InAs/GaAs trong năm

2015 [5] Năm 2016, nhóm tác giả Nguyễn Thành Tiên, Đinh Như Thảo, Phạm Thị Bích Thảo và Đoàn Nhật Quang đã nghiên cứu một số cơ chế tán xạ chính ảnh hưởng đến việc vận chuyển điện tử bên trong một dị cấu trúc điều biến pha tạp [16]

Từ những lí do trên, tôi quyết định chọn đề tài “Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử GaN/Al N” làm Luận văn Thạc sĩ

8

Demo Version - Select.Pdf SDK

2 Mục tiêu nghiên cứu

Trong Luận văn này chúng tôi sẽ khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử GaN/Al N ứng với cơ chế tán xạ nhám bề mặt phân cực, có tính đến ảnh hưởng của tất cả các nguồn giam giữ có thể

3 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu khái quát về vật liệu;

- Khảo sát cấu hình của giếng lượng tử;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu hình nhám trong giếng lượng

tử GaN/Al N;

- Tính toán và rút ra kết quả nghiên cứu

4 Phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ của Luận văn chúng tôi chỉ nghiên cứu về khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng

tử GaN/Al N

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên lý thuyết Cơ học lượng tử;

- Sử dụng các phương pháp biến phân và phương pháp số để tính toán;

- Sử dụng chương trình Mathematica để lập trình tính số và vẽ đồ thị

Demo Version - Select.Pdf SDK

6 Bố cục Luận văn

Ngoài Mục lục, Phụ lục, Tài liệu tham khảo, Luận văn gồm ba phần:

mở đầu, nội dung và kết luận

Phần Mở đầu: Trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

và bố cục Luận văn

Phần Nội dung: gồm ba chương

-Chương 1: Cơ sở lý thuyết;

-Chương 2: Khảo sát cấu hình nhám thông qua mật độ hấp thụ tích hợp trong giếng lượng tử GaN/Al N;

-Chương 3: Kết quả tính toán và thảo luận

Phần Kết luận: Trình bày các kết quả đạt được của Luận văn và

đề xuất hướng phát triển nghiên cứu

10

Demo Version - Select.Pdf SDK