Hiện tượng vận chuyển điện tử trong các cấu trúc nano bán dẫn dựa trên vật liệu phân cực algan gan và penta graphene nanoribbon tt

câ thº ÷ñc ùng döng cho transistor ë linh ëng i»n tû cao, transistor hi»u ùng tr÷íng c§u tróc dà ch§t.. Ngo i ra, hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû cõa vªtli»u mîi düa tr¶n graphene cö thº l

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

PHẠM THỊ BÍCH THẢO

HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG CÁC CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU PHÂN CỰC AlGaN/GaN

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Thành Tiên

Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Đoàn Nhật Quang

Phản biện 1: PGS.TS Đinh Văn Trung

Phản biện 2: GS.TS Đào Tiến Khoa

Phản biện 3: TS Phạm Ngọc Đồng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ …’, ngày … tháng … năm 20…

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

Ph¦n mð ¦u

Trong thíi ¤i ng y nay, cæng ngh» b¡n d¨n l  mët trong nhúng l¾nh vücquan trång v  câ £nh h÷ðng nh§t ¸n sü ph¡t triºn cõa khoa håc - cængngh» Cæng ngh» b¡n d¨n l  n·n t£ng cõa x¢ hëi thæng tin, ¢ v  ang thóc

©y x¢ hëi lo i ng÷íi ti¸n l¶n vîi nhúng sü thay êi trong s£n xu§t, sinhho¤t, giao ti¸p v  thªm ch½ trong c£ suy ngh¾ Trong cæng ngh» b¡n d¨n, vªtli»u b¡n d¨n âng mët vai trá quan trång Transistor ¦u ti¶n ÷ñc ph¡tminh v o n«m 1947 düa tr¶n ch§t b¡n d¨n gecmani (Ge) vîi ë rëng vòngc§m ð nhi»t ë pháng l  0.66 eV M¤ch t½ch hñp ¦u ti¶n ra íi v o n«m

1958, m¤ch t½ch hñp khèi xu§t hi»n v o n«m 1961 sû döng gecmani v  silic(Si) vîi ë rëng vòng c§m ð nhi»t ë pháng 1.12 eV Tø n«m 1965, silic trð

th nh vªt li»u ch½nh cho c¡c m¤ch t½ch hñp b¡n d¨n Hi»n nay, ph¦n lîn c¡c

ng nh cæng nghi»p b¡n d¨n, m¤ch t½ch hñp ho°c pin quang i»n v¨n düatr¶n silic

Silic v  gecmani th÷íng ÷ñc gåi c¡c ch§t b¡n d¨n th¸ h» ¦u C¡c ch§tb¡n d¨n th¸ h» thù hai bao gçm gallium arsenide (GaAs, ë rëng vòng c§m

ð nhi»t ë pháng l  1.42 eV) v  indium phosphide (InP, ë rëng vòng c§m

ð nhi»t ë pháng 1.35 eV) ÷ñc giîi thi»u v o nhúng n«m 1970 B¡n d¨nth¸ h» thù hai chõ y¸u ÷ñc ùng döng trong c¡c thi¸t bà tèc ë cao, thi¸t

bà n«ng l÷ñng vi sâng v  m¤ch t½ch hñp Ngo i ë rëng vòng c§m lîn hìn,GaAs câ ë linh ëng i»n tû cao g§p s¡u l¦n v  vªn tèc træi b¢o háa lînhìn hai l¦n so vîi silic Do â, c¡c thi¸t bà sû döng GaAs phò hñp cho c¡cho¤t ëng t¦n sè cao Ngo i ra, transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n GaAscông câ nhúng ÷u iºm nh÷ ë nhi¹u th§p, hi»u su§t cao, Tuy nhi¶n,GaAs câ ë d¨n nhi»t v  hi»u i»n th¸ ¡nh thõng k²m hìn so vîi c¡c ch§tb¡n d¨n nh÷ GaN v  SiC, d¨n ¸n h¤n ch¸ v· cæng su§t

Cuèi th¸ k XX, c¡c ch§t b¡n d¨n th¸ h» thù ba (ë rëng vòng c§m rëng)nh÷ gallium nitride (GaN, ë rëng vòng c§m ð nhi»t ë pháng l  3.45 eV)

v  silicon carbide (SiC, ë rëng vòng c§m ð nhi»t ë pháng 3.25 eV cho4H-SiC) thº hi»n nhúng t½nh n«ng v÷ñt trëi, thu hót ÷ñc nhi·u sü quant¥m B¡n d¨n nitride nhâm III bao gçm GaN, InN, AlN v  c§u tróc dà ch§tcõa chóng câ thº ÷ñc ùng döng rëng r¢i cho c¡c thi¸t bà i»n tû v  quang

i»n tû C¡c c§u tróc n y câ ë rëng vòng c§m tø vòng hçng ngo¤i g¦n (0.7

eV, InN) ¸n ¸n vòng cüc t½m xa (6.2 eV, AlN) °c bi»t, so vîi c¡c ch§tb¡n d¨n nhâm III-V v  II-IV thæng th÷íng, sü ph¥n cüc tü ph¡t v  ¡p i»ntrong GaN v  AlN vîi c§u tróc wuztzite lîn hìn kho£ng m÷íi l¦n Do â,GaN, AlGaN/GaN, InGaN/GaN, câ thº ÷ñc ùng döng cho transistor

ë linh ëng i»n tû cao, transistor hi»u ùng tr÷íng c§u tróc dà ch§t

Ng y nay, c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n ÷ñc sû döng rëng r¢i trong nhi·ul¾nh vüc kh¡c nhau do nhúng lñi th¸ to lîn cõa nâ Cö thº, trong l¾nh vücvi¹n thæng vîi transistor b¡n d¨n, truy·n h¼nh v» tinh, h» thèng c£nh b¡o, ; l¾nh vüc n«ng l÷ñng vîi pin m°t tríi, diode ph¡t s¡ng, thi¸t bà l÷u trúthæng tin, ; l¾nh vüc y t¸ vîi h» thèng låc n÷îc, h» thèng xû lþ dú li»u, Nhi·u nghi¶n cùu cho th§y, ë d¨n i»n v  t½nh ch§t quang cõa c§u tróc

dà ch§t b¡n d¨n thay êi ¡ng kº so vîi c§u tróc b¡n d¨n khèi v  khi ÷ñc

¡p tr÷íng ngo i Hìn núa, c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n công câ nhúng °c t½nhnëi t¤i ÷u vi»t Mët trong nhúng °c t½nh â l  sü ph¥n cüc i»n phö thuëc

v o h÷îng vªt li»u v  c§u tróc vªt li»u, °c bi»t l  c¡c c§u tróc th§p chi·u.V¼ vªy, c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n l  mët chõ · h§p d¨n trong nghi¶n cùuvªt li»u hi»n ¤i ð nhúng thªp k qua

Hi»u ùng ph¥n cüc m¤nh tçn t¤i trong nhi·u vªt li»u nh÷ GaN, ZnO,MgO, InN, M°c dò ¢ câ mët sè nghi¶n cùu v· £nh h÷ðng cõa hi»u ùngph¥n cüc l¶n c¡c t½nh ch§t i»n cõa c¡c c§u tróc tr¶n, nhúng cæng tr¼nh n yv¨n ch÷a ÷ñc nghi¶n cùu ho n ch¿nh v  câ h» thèng °c bi»t, c§u tróc dàch§t b¡n d¨n thº hi»n hi»u ùng giam c¦m ph¥n cüc c¦n ÷ñc nghi¶n cùumët c¡ch s¥u rëng Ngo i ra, mèi quan h» giúa hi»u ùng giam c¦m v  °ct½nh vªn chuyºn i»n tû c¦n ÷ñc nghi¶n cùu chi ti¸t hìn

Còng vîi c¡c c§u tróc dà ch§t, c¡c d¤ng thò h¼nh cõa carbon hi»n nay

ang thu hót ÷ñc nhi·u sü quan t¥m Cho ¸n nhúng n«m giúa th¸ k XX,hai d¤ng thò h¼nh phê bi¸n nh§t cõa carbon trong tü nhi¶n l  kim c÷ìng

v  than ch¼ Than ch¼ l  mët vªt li»u bao gçm nhi·u lîp nguy¶n tû carbonhai chi·u (2D) ÷ñc s­p x¸p trong mët m¤ng löc gi¡c Do ch¿ câ 2 trong

3 orbitan p t¤o li¶n k¸t, câ mët quÿ ¤o khæng gh²p æi, quÿ ¤o pz, câthº ÷ñc sû döng trong vªn chuyºn i»n tû Do â, than ch¼ l  mët ch§td¨n i»n tèt D¤ng thò h¼nh ti¸p theo cõa carbon l  Buckminster Fullerenes

÷ñc ph¡t hi»n v o n«m 1984 bði Richard Smalley v  cëng sü Ti¸p theo,èng nano carbon mët chi·u ÷ñc Iijima ph¡t hi»n ¦u n«m 1990

Nghi¶n cùu chuy¶n s¥u v· graphene, mët vªt li»u hai chi·u (2D) bao gçmc¡c nguy¶n tû carbon trong m¤ng löc gi¡c tu¦n ho n b­t ¦u tø n«m 2004

°c t½nh ¡ng chó þ nh§t cõa graphene, ¥y l  lo¤i tinh thº mäng nh§t

÷ñc bi¸t vîi ë cùng cüc lîn, ë  n hçi v  ë d¨n nhi»t v÷ñt trëi Vîi c§utróc hai chi·u v  di»n t½ch b· m°t lîn kho£ng 2675 m2/g, graphene thº hi»nmët sè t½nh ch§t vªt lþ ëc ¡o Khæng gièng nh÷ tinh thº ba chi·u, t§t c£c¡c nguy¶n tû trong graphene l  c¡c nguy¶n tû b· m°t, tùc l  chóng câ thºtham gia v o c¡c ph£n ùng hâa håc v  c¡c t÷ìng t¡c kh¡c nhau i·u n y

t¤o triºn vång lîn cho vi»c thay êi c¡c °c t½nh cõa graphene Trong nhi·un«m qua, nhi·u nghi¶n cùu lþ thuy¸t v  thüc nghi»m cho graphene ¢ ÷ñcthüc hi»n Cö thº, vi»c têng hñp graphene ìn lîp, a lîp hay graphenenanoribbon tr¶n ¸ kim lo¤i ¢ ÷ñc thüc hi»n C¡c t½nh ch§t i»n tû, hâahåc, tø t½nh v  i»n hâa cõa graphene công ÷ñc xem x²t.

M°c dò graphene câ c¡c t½nh ch§t vªt lþ v  hâa håc tuy»t víi, tuy nhi¶ngraphene l  mët vªt li»u khæng câ vòng c§m, g¥y khâ kh«n cho vi»c ùngdöng graphene trong transistor hi»u ùng tr÷íng v  c¡c thi¸t bà i»n tû kh¡c.N«m 2015, mët d¤ng thò h¼nh mîi cõa carbon ÷ñc dü o¡n bði Zhang

v  cëng sü, gåi l  penta-graphene Penta-graphene (PG) thº hi»n sü ên ành

cì håc v  ëng håc ngay c£ khi nhi»t ë ¤t 1000 K Th¶m v o â, graphene hai chi·u câ ë rëng vòng c§m trüc ti¸p kho£ng 3.25 eV, cao hìn

penta-so vîi c¡c d¤ng thò h¼nh kh¡c cõa carbon Penta-graphene thº hi»n nhi·ut½nh ch§t i»n, nhi»t v  quang ëc ¡o Nghi¶n cùu v· penta-graphene côngcho th§y hydro hâa câ thº l m t«ng ë d¨n nhi»t cõa PG, vi»c pha t¤p Si,

B, N, Ge v  Sn câ thº l m gi£m ë rëng vòng c§m cõa PG, hay vi»c phat¤p kim lo¤i chuyºn ti¸p câ thº l m t«ng ho°c gi£m ë rëng vòng c§m çngthíi t«ng c÷íng ¡ng kº sü h§p phö hydro Vîi t¿ l» b· m°t v  ë rëng vòngc§m lîn, PG câ lñi cho sü h§p phö cõa c¡c ph¥n tû kh½ Do nhúng °c t½nhvªt lþ v  hâa håc v÷ñt trëi, thíi gian g¦n ¥y PG ¢ ÷ñc nghi¶n cùu thængqua c¡c t½nh to¡n lþ thuy¸t v  cho th§y chóng câ ti·m n«ng to lîn º ¡pdöng trong l¾nh vüc i»n tû nano, cì håc nano v  ch§t xóc t¡c

Tø penta-graphene, ng÷íi ta câ thº t¤o th nh bèn lo¤i penta-graphenenanoribbon (PGNR) vîi d¤ng bi¶n kh¡c nhau Kh£o s¡t °c t½nh i»n tûcõa bèn lo¤i PGNR cho th§y, c¡c c§u tróc thº hi»n °c t½nh b¡n d¨n ho°ckim lo¤i Mët sè cæng tr¼nh ¢ thüc hi»n tªp trung nghi¶n cùu t½nh ch§t

i»n tû cõa c¡c c§u tróc PGNR thu¦n, ÷ñc tæi hâa bi¶n b¬ng c¡c nguy¶n

tû kh¡c nhau ho°c tø t½nh cõa c¡c d¤ng PGNR

Tø nhúng ph¥n t½ch tr¶n cho th§y, £nh h÷ðng cõa hi»u ùng ph¥n cüc ¸n

sü vªn chuyºn i»n tû trong c¡c h» th§p chi·u, cö thº l  h» hai chi·u, c¦n

÷ñc nghi¶n cùu chi ti¸t Ngo i ra, hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû cõa vªtli»u mîi düa tr¶n graphene cö thº l  penta-graphene nanoribbon c¦n ÷ñckh£o s¡t mët c¡ch ¦y õ hìn V¼ vªy, c¡c v§n · nh÷ c§u tróc dà ch§tph¥n cüc, t½nh ch§t i»n tû trong h» th§p chi·u câ xem x²t £nh h÷ðng cõa

i»n t½ch ph¥n cüc, °c t½nh c§u tróc v  t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû trongpenta-graphene nanoribbon s³ ÷ñc tr¼nh b y trong luªn ¡n n y

Möc ½ch nghi¶n cùu

Nghi¶n cùu hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c c§u tróc nano b¡nd¨n düa tr¶n c¡c vªt li»u AlGaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon

èi t÷ñng nghi¶n cùu

T½nh ch§t i»n tû v  hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c h» vªt li»uAlGaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon

Nëi dung nghi¶n cùu

- Têng quan v· vªt li»u AlGaN/GaN v  penta-graphene

- Hi»n t÷ñng giam c¦m i»n tû trong c¡c c§u tróc nano b¡n d¨n

- Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c¡c c§u tróc nano b¡n d¨n GaN/GaN v  penta-graphene nanoribbon

- Sû döng lþ thuy¸t phi¸m h m mªt ë k¸t hñp h m Green khæng c¥nb¬ng º kh£o s¡t °c t½nh i»n tû (c§u tróc vòng, mªt ë tr¤ng th¡i, ) v t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû («c tr÷ng I(V), phê T(E), ) trong h» vªtli»u penta-graphene nanoribbon

- Sû döng ph¦n m·m Origin º xû lþ sè li»u

- So s¡nh vîi mët sè k¸t qu£ thüc nghi»m

Bè cöc luªn ¡n

Luªn ¡n ÷ñc tr¼nh b y cö thº nh÷ sau:

Ph¦n mð ¦u: Tr¼nh b y têng quan v· luªn ¡n

Ph¦n nëi dung

Ch÷ìng 1: Têng quan v· vªt li»u nghi¶n cùu

Ch÷ìng 2: Ph¥n bè i»n tû trong c§u tróc AlGaN/GaN

Ch÷ìng 3: Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c§u tróc AlGaN/GaN.Ch÷ìng 4: Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong penta - graphene nanorib-bon pha t¤p

Ph¦n k¸t luªn: Tâm t­t nhúng âng gâp cõa luªn ¡n v  n¶u triºn vångnghi¶n cùu ti¸p theo

Nëi döng ch½nh cõa luªn ¡n thº hi»n ð cæng bè 1, 2 v  3 Cö thº, ch÷ìng

2 ÷ñc tr¼nh b y theo nëi dung cæng bè 1, ch÷ìng 3 ÷ñc tr¼nh b y theonëi dung cæng bè 2 v  ch÷ìng 4 ÷ñc tr¼nh b y theo nëi dung cæng bè 3

Khi sü l»ch m¤ng giúa ¸ vîi c¡c lîp v  giúa c¡c lîp vîi nhau l  nhä th¼

ta ÷ñc tinh thº lþ t÷ðng l m tø hai vªt li»u kh¡c nhau C¡c c§u tróc n y

÷ñc gåi l  c§u tróc dà ch§t Sü khæng li¶n töc cõa vªt li»u n£y sinh trongti¸p gi¡p dà ch§t d¨n ¸n sü thay êi mët sè t½nh ch§t i»n v  quang quantrång, ch¯ng h¤n nh÷ sü giam c¦m h¤t t£i (do sü b§t li¶n töc cõa vòng d¨nhay vòng hâa trà) hay sü giam c¦m bùc x¤ (do sü b§t li¶n töc vòng c§m).C§u tróc hai ti¸p gi¡p dà ch§t ÷ñc t¤o th nh tø mët lîp b¡n d¨n mäng(ë d y kho£ng 100 nm) kµp giúa hai lîp b¡n d¨n kh¡c t¤o ra mët gi¸ngth¸ trong vòng d¨n hay vòng hâa trà v  th÷íng ÷ñc xem nh÷ mët gi¸ngl÷ñng tû (QW) (v½ dö nh÷ AlGaAs/GaAs/AlGaAs) C¡c c§u tróc dà ch§tph¦n lîn düa tr¶n c¡c hñp kim b¡n d¨n Hñp kim b¡n d¨n câ thº c§u th nh

tø hai nguy¶n tè, ba nguy¶n tè hay bèn nguy¶n tè (v½ dö nh÷ GaAs, InAs,InP, GaAs, GaP, AlGaAs, InGaAsP, )

1.1.2 C§u tróc dà ch§t ph¥n cüc

Ph¥n cüc l  mët °c t½nh quan trång cõa b¡n d¨n nitride nhâm III C¡cc§u tróc nitride nhâm III câ d¤ng wurtzite khæng câ èi xùng £o dåc theotröc c Sü ion hâa m¤nh cõa li¶n k¸t kim lo¤i  nitrogen d¨n ¸n sü ph¥ncüc m¤nh dåc theo h÷îng tinh thº [0001] Hi»u ùng ph¥n cüc xu§t hi»n ðc¡c c§u tróc nitride nhâm III khi sùc c«ng b¬ng 0, n¶n sü ph¥n cüc n y

÷ñc gåi l  ph¥n cüc tü ph¡t Mùc ë khæng lþ t÷ðng cõa m¤ng s³ £nh

h÷ðng ¸n c÷íng ë ph¥n cüc tü ph¡t.

H¼nh 1.1: Sü s­p x¸p nguy¶n tû tr¶n m°t Ga v  N cõa tinh thº GaN Môit¶n ch¿ h÷îng ph¥n cüc tü ph¡t

Sü ph¥n cüc bê sung trong c¡c c§u tróc nitride nhâm III do sùc c«ng

÷ñc gåi l  ph¥n cüc ¡p i»n Pz C¡c t½nh to¡n cho i»n t½ch t¤i ti¸p gi¡p

dà ch§t v  kh½ i»n tû hai chi·u (2DEG) ·u phö thuëc v o c£ ph¥n cüc ¡p

i»n Pz v  ph¥n cüc tü ph¡t Psp Gi¡ trà Psp trong vªt li»u l  khæng êi,trong khi Pzl  mët h m cõa sùc c«ng v  câ thº ÷ñc x¡c ành tø biºu thùcsau:

sè m¤ng khi h» chàu t¡c ëng cõa ùng su§t k²o ho°c n²n, e31 v  e33 l  c¡ch» sè ¡p i»n C13 v  C33 l  c¡c h¬ng sè  n hçi

1.1.3 ƒnh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥n cüc l¶n hi»n t÷ñng

vªn chuyºn i»n tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN

Trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN, mªt ë 2DEG r§t cao câthº ¤t tîi n2d≈ 2 × 1013cm−2 v  ë linh ëng ð nhi»t ë pháng µ ≈ 1500

cm2/V.s Mªt ë h¤t t£i 2DEG câ thº ÷ñc i·u ch¿nh b¬ng c¡ch thay êi

ë d y lîp r o AlGaN công nh÷ thay êi h m l÷ñng kim lo¤i Al Khi x£y

ra sü ph¥n cüc m¤nh (∼ 1 MVcm−1), i»n tû ÷ñc ©y t¾nh i»n g¦n vîi

b· m°t AlGaN/GaN v  trång t¥m cõa c¡c h m sâng ÷ñc ÷a ¸n g¦n b·m°t dà ch§t i·u n y d¨n ¸n sü gia t«ng t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim v t¡n x¤ nh¡m b· m°t ¥y l  c¡c qu¡ tr¼nh t¡n x¤ chi¸m ÷u th¸ ð nhi»t ëth§p, v  ngay c£ ð nhi»t ë pháng khi 2DEG câ mªt ë cao.

Trong c¡c c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc xu§t hi»n mët cì ch¸ t¡n x¤ mîikhæng tçn t¤i trong b¡n d¨n khæng ph¥n cüc v  b¡n d¨n ph¥n cüc y¸u gåi

l  l÷ïng cüc t¡n x¤ Nguy¶n nh¥n l  do sü b§t trªt tü vi mæ trong mët lîphñp kim, d¨n ¸n c¡c moment l÷ïng cüc trong méi æ ìn và l  khæng tu¦n

ho n vîi m¤ng tinh thº

Sü ph¥n bè i»n t½ch theo h÷îng [0001] cõa c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc câthº ÷ñc x¡c ành b¬ng vi»c gi£i ph÷ìng tr¼nh Schrodinger v  ph÷ìng tr¼nhPoisson trong g¦n óng khèi l÷ñng hi»u döng

1.2 Vªt li»u graphene v  penta-graphene

1.2.1 Vªt li»u graphene

Graphene l  mët ìn lîp graphite câ ë linh ëng h¤t t£i cao, trongkho£ng 20005000 cm2/Vs V¼ vªy, graphene câ kh£ n«ng ùng döng chotransistor hi»u ùng tr÷íng (FET) ho¤t ëng ð t¦n sè cao Graphene côngthº hi»n ë trong suèt quang håc cao l¶n ¸n 97,7 % n¶n l  mët ùng vi¶nti·m n«ng cho c¡c ùng döng pin m°t tríi, l÷u trú dú li»u ba chi·u Ngo i

ra, graphene cán câ ë d¨n nhi»t, modul Young cao v  di»n t½ch b· m°tlîn Tuy nhi¶n, graphene l  mët c§u tróc khæng câ ë rëng vòng c§m n¶nh¤n ch¸ cho c¡c ùng döng trong l¾nh vüc quang i»n tû Do vªy, ng÷íi ta

¢ thüc hi»n nhi·u ph÷ìng ph¡p kh¡c nhau º mð vòng c§m cho graphenenh÷ pha t¤p, thay êi bi¶n, ¡p tr÷íng,

1.2.2 Vªt li»u graphene nanoribbon

Graphene nanoribbon (GNR) l  c§u tróc mët chi·u ÷ñc t¤o th nh khic­t graphene theo nhúng h÷îng tinh thº kh¡c nhau Düa v o d¤ng bi¶n cõagraphene nanoribbon, ta câ hai d¤ng graphene nanoribbon: zigzag graphenenanoribbons (ZGNR) v  armchair graphene nanoribbons (AGNR) Nh¼nchung, c¡c t½nh ch§t cõa GNR r§t nh¤y vîi nhi·u y¸u tè, ch¯ng h¤n nh÷pha t¤p, sai häng, thay êi bi¶n, h§p phö v  i»n tr÷íng ngo i i·u n ymang ¸n nhi·u cì hëi º i·u ch¿nh v  mð rëng c¡c ùng döng cõa GNR.Trong sè c¡c ph÷ìng ph¡p ÷ñc · xu§t, pha t¤p l  mët trong nhúng c¡ch

÷ñc ¡p döng th÷íng xuy¶n nh§t º i·u ch¿nh c¡c thuëc t½nh cõa GNR

1.2.3 Vªt li»u penta-graphene

Penta-graphene ÷ñc t¤o th nh tø carbon T12, câ ë rëng vòng c§mkho£ng 3.25 eV v  chùa c£ hai lo¤i lai hâa sp2v  sp3 Tø khi ra íi, penta-graphene ¢ thu hót nhi·u sü quan t¥m bði mët sè °c t½nh ÷u vi»t º trð

th nh mët ùng vi¶n ti·m n«ng trong l¾nh vüc quang i»n tû Nhi·u nghi¶ncùu v· nhúng °c t½nh c§u tróc cõa penta-graphene ¢ ÷ñc thüc hi»n K¸tqu£ kh£o s¡t c§u tróc penta-graphene pha t¤p thay th¸ Si, B, N cho th§y,

ë rëng vòng c§m penta-graphene khæng nhúng phö thuëc v o nguy¶n tè

÷ñc pha t¤p m  cán phö thuëc và tr½ t¤p Ngo i ra, ë d i v  gâc li¶n k¸tcõa c§u tróc penta-graphene công £nh h÷ðng bði t¤p thay th¸, tæi hâa bi¶n,

H¼nh 1.2: C¡c c§u tróc penta-graphene nanoribbon

1.2.4 Vªt li»u penta-graphene nanoribbon

Cho ¸n nay, ng÷íi ta câ thº t¤o ra 4 d¤ng penta-graphene nanoribbon(PGNR): penta-graphene nanoribbon d¤ng bi¶n zigzac (ZZPGNR), penta-graphene nanoribbon d¤ng bi¶n armchair (AAPGNR), penta-graphene nanorib-bon d¤ng bi¶n zigzac-armchair (ZAPGNR) v  penta-graphene nanoribbond¤ng bi¶n r«ng c÷a (SSPGNR) (h¼nh 1.2)

Theo k¸t qu£ nghi¶n cùu cõa Yuan v  cëng sü, SSPGNR l  c§u trócb·n nh§t khi x²t còng ë rëng c§u tróc trong bèn d¤ng PGNR K¸t qu£ph¥n t½ch c§u tróc vòng công cho th§y, c¡c c§u tróc ZZPGNR, AAPGNR,ZAPGNR thº hi»n °c t½nh kim lo¤i, trong khi SSPGNR l  mët b¡n d¨n

1.3 Transistor ë linh ëng i»n tû cao düa tr¶n

Al-GaN/GaN v  transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n graphene

Transistor ë linh ëng i»n tû cao (HEMT) v· cì b£n l  c¡c ti¸p gi¡p

dà ch§t ÷ñc h¼nh th nh bði c¡c ch§t b¡n d¨n câ ë rëng vòng c§m kh¡cnhau

C¡c HEMT düa tr¶n GaN câ c§u tróc lîp t÷ìng tü nh÷ c¡c HEMT düatr¶n GaAs thæng th÷íng Tuy nhi¶n, trong c¡c AlGaN/GaN HEMT khængy¶u c¦u pha t¤p Thay v o â, c¡c electron do sü ph¥n cüc tü ph¡t xu§thi»n trong GaN c§u tróc wurtzite Sü t½ch lôy cõa h¤t t£i tü do t¤o th nhnçng ë h¤t t£i cao t¤i ti¸p gi¡p dà ch§t d¨n ¸n k¶nh 2DEG Kh½ i»n tûhai chi·u l  mët h m cõa r o th¸, ë d y AlGaN v  i»n t½ch d÷ìng t¤i ti¸pgi¡p dà ch§t

K¸ thøa nhúng nghi¶n cùu transistor ti¸p gi¡p l÷ïng cüc truy·n thèng,vi»c s£n xu§t v  nghi¶n cùu c¡c transistor hi»u ùng tr÷íng graphene (GFET)

¢ v  ang ÷ñc thüc hi»n Nhí v o c¡c °c t½nh ÷u vi»t cõa graphene,GFET câ thº ÷ñc ùng döng hi»u qu£ trong mët lo¤t c¡c cæng ngh» kh¡cnhau

K¸t luªn ch÷ìng 1

Trong ch÷ìng n y, c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN v  graphene nanoribbon còng c¡c °c t½nh cõa c¡c h» vªt li»u n y ¢ ÷ñc tr¼nh

penta-b y Tø nhúng ph¥n t½ch cho th§y, h» vªt li»u dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN

v  penta-graphene nanoribbon l  nhúng vªt li»u phò hñp cho c¡c thi¸t bàquang i»n tû Tuy nhi¶n, º ÷a v o ùng döng trong thüc ti¹n, chóng c¦n

÷ñc kh£o s¡t mët c¡ch chi ti¸t v· sü ph¥n bè i»n tû, °c t½nh i»n tû, ëlinh ëng, °c tr÷ng I(V), C¡c t½nh ch§t vªt lþ tr¶n l¤i bà chi phèi bðic¡c cì ch¸ t¡n x¤ Mët cì ch¸ t¡n x¤ quan trång mîi c¦n ÷ñc kh£o s¡t l 

sü t¡n x¤ do i»n t½ch ph¥n cüc Hìn núa, £nh h÷ðng cõa i»n t½ch ph¥ncüc l¶n t½nh ch§t vªn chuyºn i»n tû cõa h» vªt li»u AlGaN/GaN công c¦n

÷ñc xem x²t èi vîi h» vªt li»u penta-graphene nanoribbon, £nh h÷ðngcõa pha t¤p, tæi hâa, ¡p tr÷íng, l¶n °c t½nh c§u tróc v  vªn chuyºn c¦n

÷ñc kh£o s¡t chi ti¸t hìn C¡c v§n · °t ra s³ ÷ñc nghi¶n cùu mët c¡ch

câ h» thèng trong nhúng ch÷ìng ti¸p theo cho c¡c h» cö thº vîi nhúng t½nhto¡n gi£i t½ch v  t½nh to¡n sè chi ti¸t cho sü ph¥n bè i»n tû, ë linh ëng

i»n tû, c§u tróc vòng, mªt ë tr¤ng th¡i, phê truy·n qua v  °c tr÷ngI(V)

Ch֓ng 2

Ph¥n bè i»n tû trong

c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc

AlGaN/GaN

Ch÷ìng n y s³ tr¼nh b y sü ph¥n bè kh½ i»n tû hai chi·u trong c§u tróc

dà ch§t ph¥n cüc pha t¤p i·u bi¸n AlGaN/GaN Kh¡c vîi pha t¤p n·n,pha t¤p i·u bi¸n gióp h¤n ch¸ t¡n x¤ bði ion t¤p v  t¤o th¸ giam giú chokh½ i»n tû hai chi·u Mæ h¼nh nghi¶n cùu ÷ñc tr¼nh b y trong h¼nh 2.1.C§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN ÷ñc t¤o th nh tø hai lîp ti¸p gi¡pAlGaN v  GaN câ mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc σP ÷ñc pha t¤p i·u bi¸nvîi k½ch th÷îc t¤p v  mªt ë donor l¦n l÷ñt l  Ldv  NI, và tr½ pha t¤p c¡chkh½ i»n tû hai chi·u mët kho£ng Ls Trong ph¦n n y, vai trá cõa 2DEG v t¤p ion hâa s³ ÷ñc xem x²t Ngo i ra, vai trá cõa i»n t½ch ph¥n cüc v  vaitrá cõa t¤p ion hâa s³ ÷ñc so s¡nh, i·u cán ½t ÷ñc thüc hi»n trong c¡ccæng tr¼nh tr÷îc ¥y

H¼nh 2.1: Mæ h¼nh pha t¤p i·u bi¸n trong c§u tróc AlGaN/GaN

2.1 H m sâng bi¸n ph¥n cho c§u tróc dà ch§t ìn r o

húu h¤n

X²t c§u tróc dà ch§t nitride nhâm III l  AlGaN/GaN Gi£ ành ð nhi»t

ë th§p, 2DEG ch¿ chi¸m giú chõ y¸u ð vòng con th§p nh§t Trong mæ h¼nhthüc cõa gi¸ng l÷ñng tû tam gi¡c vîi r o th¸ húu h¤n, tr¤ng th¡i i»n tû

÷ñc mæ t£ bði h m sâng bao Fang-Howard ÷ñc bê sung bði Ando:

2.2 C¡c th¸ giam giú i»n tû trong c§u tróc dà ch§t

ph¥n cüc pha t¤p i·u bi¸n

H» kh£o s¡t ÷ñc giam giú dåc theo ph÷ìng z (ph÷ìng vuæng gâc vîi b·m°t) x¡c ành bði Hamiltonian sau:

H = T + Vtot(z) , (2.3)

T l  ëng n«ng v  Vtot(z)l  th¸ giam giú hi»u döng ÷ñc cho bði:

Vtot(z) = Vb(z) + Vσ(z) + VH(z) , (2.4)vîi Vb(z) , Vσ(z) , VH(z)l¦n l÷ñt l  th¸ r o, th¸ g¥y bði i»n t½ch ph¥n cüc

v  th¸ Hartree

Th¸ r o vîi chi·u cao húu h¤n V0 t¤i b· m°t z = 0:

Vb(z) = V0θ (−z) , (2.5)vîi θ (z) l  h m b÷îc Chi·u cao th¸ r o do sü ch¶nh l»ch vòng c§m giúa

AlGaN v  GaN: V0= ∆Ec(x), vîi x l  h m l÷ñng kim lo¤i Al trong AlGaN.Th¸ g¥y bði i»n t½ch ph¥n cüc: Do ph¥n cüc tü ph¡t v  ph¥n cüc

¡p i»n, trong c§u tróc dà ch§t nitride tçn t¤i i»n t½ch ph¥n cüc d÷ìng baoquanh b· m°t ti¸p gi¡p Nhúng i»n t½ch n y t¤o ra mët i»n tr÷íng çngnh§t vîi th¸ ÷ñc cho bði:

Vσ(z) = 2π

εa

eσ |z| (2.6)

vîi σ l  mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc, e l  i»n t½ch electron v  εa l  h¬ng sè

i»n mæi trung b¼nh cõa AlGaN v  GaN

Th¸ Hartree do tr÷íng t¾nh i»n cõa khèi donor ion hâa v  2DEG trongc§u tróc dà ch§t t¤o ra, ÷ñc x¡c ành bði ph÷ìng tr¼nh Poisson:

èi vîi c§u tróc dà ch§t, h» donor v  2DEG trung háa, v¼ vªy i»n tr÷íngtri»t ti¶u t¤i z = ±∞:

∂VH

∂z (±∞) = 0. (2.10)Tuy nhi¶n, trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc, 2DEG câ nguçn gèc khængch¿ tø donor m  cán tø i»n t½ch ph¥n cüc n¶n i·u ki»n tr¶n khæng cánphò hñp V¼ vªy, i·u ki»n bi¶n t¤i z = −∞ ÷ñc cho bði:

∂VH

∂z (−∞) = 0 v  VH(−∞) = EI, (2.11)vîi EI l  n«ng l÷ñng li¶n k¸t donor ion hâa

K¸t qu£ l , th¸ Hartree ÷ñc x¡c ành nh÷ sau:

VH(z) = VI(z) + Vs(z) (2.12)Th¸ t¤o bði tr÷íng donor VI(z)

mz l  khèi l÷ñng hi»u döng cõa i»n tû theo ph÷ìng z

Th¸ r o trung b¼nh, th¸ ph¥n cüc trung b¼nh, th¸ donor trungb¼nh v  th¸ electron trung b¼nh

hVbi = V0A2 (2.18)

hVIi = EI+4πe

2nI

εa

 d + s2κ+ A

2

k c

2+ 4c + 6

 (2.20)

2.4 K¸t qu£ t½nh sè v  th£o luªn

H¼nh 2.2:H m sâng (a) v  c¡c th¸ giam c¦m (b) trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cücAlGaN/GaN khi mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc l¦n l÷ñt l  σ/e = 5 × 1012, 1013 v 

5 × 1013cm−2, ÷ñc kþ hi»u t÷ìng ùng a, b v  c ÷íng li·n n²t v  ùt n²t ùngvîi mæ h¼nh r o húu h¤n v  mæ h¼nh r o væ h¤n

Tø c¡c k¸t qu£ tr¶n cho th§y, £nh h÷ðng cõa nguçn giam c¦m l¶n h msâng i»n tû trong mæ h¼nh lþ t÷ðng (r o væ h¤n) v  mæ h¼nh thüc (r o húu

h¤n) v· cì b£n l  kh¡c nhau Trong mæ h¼nh lþ t÷ðng vîi r o væ h¤n (÷íng

ùt n²t), ¿nh cõa h m sâng ÷ñc n¥ng l¶n khi t«ng mªt ë i»n t½ch ph¥ncüc b· m°t v  t¤p ion Trong khi â, d¤ng h m sâng h¦u nh÷ khæng thay

êi khi thay êi Ls Ng÷ñc l¤i, trong mæ h¼nh thüc vîi r o húu h¤n (÷íngli·n n²t), ¿nh cõa h m sâng h¤ th§p khi t«ng mªt ë kh½ i»n tû hai chi·u,mªt ë donor v  gi¡ trà Ls ¿nh cõa h m sâng ch¿ ÷ñc n¥ng l¶n khi t«ngmªt ë i»n t½ch ph¥n cüc b· m°t

H¼nh 2.3: H m sâng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN khi mªt ë2DEG l¦n l÷ñt l  ns= 1012, 5 × 1012, 1013cm−2, ÷ñc kþ hi»u t÷ìng ùng a, b v 

c ÷íng li·n n²t v  ùt n²t ùng vîi mæ h¼nh r o húu h¤n v  mæ h¼nh r o væ h¤n

Sü kh¡c bi»t n y ÷ñc gi£i th½ch nh÷ sau: vîi σ > 0, i»n t½ch ph¥n cücb· m°t g¥y ra sü hót i»n tû Trong mæ h¼nh r o væ h¤n, h m sâng khængthº xuy¶n r o, v¼ th¸ ¿nh h m sâng ÷ñc n¥ng l¶n, ë dèc cöc bë t¤i m°tph¯ng giao di»n ζ0(z = 0)t«ng l¶n Ng÷ñc l¤i, trong mæ h¼nh r o húu h¤n,

h m sâng câ thº xuy¶n qua m°t ph¯ng giao di»n, v¼ vªy ¿nh cõa h m sângdàch chuyºn v· ph½a r o v  gi¡ trà àa ph÷ìng t¤i m°t ph¯ng ζ(0) gi£m K¸tqu£ l  t¡n x¤ nh¡m k¸t hñp (CR), sü k¸t hñp giúa nh¡m b· m°t v  nh¡mph¥n cüc ÷ñc t¼m th§y l  y¸u Hìn núa, gi¡ trà cõa h m sâng t¤i z = −La

g¦n giao di»n nhä hìn, do â t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim (AD) công gi£m.Trong c¡c nghi¶n cùu tr÷îc ¥y vªn chuyºn 2DEG b¶n trong c§u tróc dàch§t ÷ñc thüc hi»n trong mæ h¼nh lþ t÷ðng vîi r o th¸ væ h¤n, düa tr¶n

h m sâng Fang-Howard Mæ h¼nh n y ìn gi£n hâa v· m°t to¡n håc v  l g¦n óng tèt cho c¡c cì ch¸ t¡n x¤ khæng nh¤y vîi h m sâng g¦n giao di»n,nh÷ t¡n x¤ phonon, t¡n x¤ t¤p ion v  t¡n x¤ sai l»ch i»n t½ch

Ð ¥y, c¡c cì ch¸ t¡n x¤ ÷ñc x²t kh¡ nh¤y vîi h m sâng g¦n giao di»n.

Sü vªn chuyºn 2DEG trong c§u tróc dà ch§t ÷ñc kh£o s¡t vîi r o húu h¤ndüa tr¶n h m sâng Fang-Howard ¢ ÷ñc sûa êi

K¸t qu£ t½nh to¡n công cho th§y c¡c °c t½nh t÷ìng tü èi vîi ti¸p gi¡p

dà ch§t ph¥n cüc MgZnO/ZnO

H¼nh 2.4: H¼nh (a), h m sâng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN khimªt ë donor l¦n l÷ñt l  NI= 1018, 5 × 1018 v  1019cm−3, ÷ñc kþ hi»u t÷ìngùng a, b v  c H¼nh (b), h m sâng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaNkhi kho£ng c¡ch tø 2DEG ¸n t¤p l¦n l÷ñt l  Ls = 0 A, 70 A v  150 A ÷ñc kþhi»u t÷ìng ùng a, b v  c ÷íng li·n n²t v  ùt n²t ùng vîi mæ h¼nh r o húu h¤n

v  mæ h¼nh r o væ h¤n

K¸t luªn ch÷ìng 2

Trong ch÷ìng n y, sü ph¥n bè kh½ i»n tû hai chi·u cõa c§u tróc dà ch§tph¥n cüc AlGaN/GaN ð mæ h¼nh thüc ÷ñc nghi¶n cùu Kh½ i»n tû haichi·u ÷ñc giam c¦m trong gi¸ng l÷ñng tû tam gi¡c vîi r o húu h¤n v  câ

sü uèn cong vòng bði t§t c£ c¡c nguçn giam c¦m èi vîi c§u tróc dà ch§t

÷ñc pha t¤p i·u bi¸n, hi»u ùng giam c¦m bði i»n t½ch ph¥n cüc b· m°t

v  t¤p ion ÷ñc t½nh ¸n

K¸t qu£ công cho th§y, sü ph¥n bè i»n tû trong mæ h¼nh thüc (r o húuh¤n) v  mæ h¼nh lþ t÷ðng (r o væ h¤n) thay êi theo hai h÷îng ng÷ñc nhaukhi nguçn cung c§p h¤t t£i v  nguçn giam c¦m thay êi Sü ph¥n bè i»n

tû cõa hai mæ h¼nh ch¿ câ còng khuynh h÷îng khi t«ng mªt ë cõa i»nt½ch ph¥n cüc b· m°t nh÷ng câ hi»n t÷ñng xuy¶n r o khi chi·u cao r o l húu h¤n

Ch֓ng 3

Hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN

Trong ch÷ìng n y, chóng tæi kh£o s¡t ë linh ëng trong c§u tróc dà ch§tph¥n cüc AlGaN/GaN ð nhi»t ë th§p bà £nh h÷ðng chõ y¸u khæng ph£i

do t¡n x¤ t¤p ion v  sü sai l»ch i»n t½ch m  bði t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim(AD) v  t¡n x¤ nh¡m k¸t hñp (CR) º thüc hi»n i·u n y, sü ph¥n bè kh½

i»n tû hai chi·u (2DEG) v  ë linh ëng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cücpha t¤p i·u bi¸n AlGaN/GaN s³ ÷ñc nghi¶n cùu Tø â, gi£i th½ch ç thàd¤ng chuæng khi x²t sü phö thuëc ë linh ëng 2DEG v o h m l÷ñng hñpkim v  mªt ë 2DEG ¢ thu ÷ñc trong thüc nghi»m Ngo i ra, lþ thuy¸t

÷ñc ÷a ra công câ thº gi£i th½ch sü £nh h÷ðng cõa lîp AlN ¸n ë linh

ëng cõa 2DEG trong c§u tróc dà ch§t AlN/GaN khæng pha t¤p