Mô phỏng và phân giải pha phổ quang - phản xạ của bán dẫn inp và cấu trúc đa lớp dị thể AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA PHỔ QUANG - PHẢN XẠ CỦA BÁN DẪN InP VÀ CẤU TRÚC ĐA LỚP DỊ THỂ AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p) 2 NỘI DUNG TRÌNH BÀY  Quang phản xạ (Photoreflectance PR)  Hiệu ứng Franz-Keldysh  Sai hỏng bề mặt – mức Tamm  Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy) và phương pháp quang phản xạ  Mô phỏng và phân giải pha phổ quang phản xạ của InP  Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)  Thành phần Eciton  Phổ PR đa thành phần  Phân giải pha từ phổ PR  Phân giải phổ PR từ thực nghiệm  Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể  So sánh với các kêt quả thực nghiệm  Vấn đề tồn tại 3 Hiệu ứng Franz-Keldysh gE 0F  cE vE 0F  cE qFz iE 4  gE   gE qFz vE Phổ hấp thu Phổ hấp thu (phản xạ) khi có điện trường sẽ dịch chuyển về phía vùng năng lượng thấp Sai hỏng bề mặt – Mức Tamm Lý tưởng: không có trạng thái mặt ngoài Tại bề mặt: - Tính tuần hoàn bị gián đoạn (mức Tamm) - Hấp thu nguyên tử lạ, sai hỏng mạng (mức khác) 5 Bán dẫn pha tạp Bắt electron Bắt lỗ trống Trạng thái bề mặt Điện trường bề mặt Cong lên (n) Cong xuống (p) Dải năng lượng mặt ngoài bị uốn cong lên ở bán dẫn loại n Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy) Những phép đo quang với cùng tính chất giống nhau là: R, T Biến điệu SampleR, T 6 Biến điệu ngoài Biến điệu trong - Điện phản xạ (Electroreflectance-ER) - Quang phản xạ (Photoreflectance-PL) - Từ phản xạ (Magnetoreflectance_MR) - Pizo phản xạ (Piezoreflectance) - Nhiệt phản xạ (Thermoreflectance) - Biến điệu độ dài bước sóng tia tới - Biến điệu sự phân cực ánh sáng tới - Thay đổi vị trí trên mẫu Phương pháp quang phản xạ Laser off n cE FE vE 7 Seraphin và BottkaHiệu ứng Franz-Keldysh on off off R - RΔR = R R 21   ssR R Hệ đo quang phản xạ 8 Hệ đo quang phản xạ Nước cất Axeton loãng Hữu cơ lạXử lý mẫu 9 Nước cất dd HCl 2% Làm khô Vô cơ lạHình 7: Xử lý mẫu Mô phỏng phổ quang phản xạ 10 Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) là các hệ số Seraphin.,s s  InP s  s  Seraphin và Bottka 21   ssR R 1 1    R Rs 2 1    R Rs 11         2 2 s 2 2 s 22 2 2 2 2 2 2n n -3k -1 α = c 2k 3n - k -1 β = c c = n + k n + k + 2k - 2n +1   ( )E eV GaAs s  s  ( )E eV             1/ 2 1 2 1/ 2 2 2 const E G x E const E F x E         3 / 2 1/ 2 3 / 22 ( )ge Econst eV   Eg E x   2 / 32   1/ 32 2 2 8 q F         21,   Là sự biến thiên của hằng số điện môi phức 21  i Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) 12 * * 1 1 1 e hm m                          1/ 2' 2 2 ' ' 1/ 2 F x Ai x xAi x x U x G x Ai x B i x xAi x Bi x x U x               / 3 0 0 0 0 0'( , ') '( , ') 2 [ '( ) '( ) ( ) ( )]iF x iG x e Ai z Ai Ai z Ai         1/ 2 1/ 22 2 1/ 2 2 2 1/ 2( ' ) ( ' ) 2 2 x x x xi                   3/2exp ' 00 0  iz ixz      ' ( )F x ( )G x -10 -7.5 -5 -2.5 2.5 5 -0.4 -0.2 0.2 0.4 Z Ai(Z) Smaller period Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) 13 x       3 / 2 3 / 22 1 4 exp cos 3 E EgR E EgE R E E Eg                      Công thức thực nghiệm của Aspnes và Studna Ảnh hưởng của điện trường bề mặt 1.0 sF 0.7 sF 0.5 sF R R  Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) sF Mô hình lý tưởng 14 6 1 g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV    0.2 sF E (eV) Phổ PR của InP với điện trường bề mặt khác nhau sF  Chu kỳBiên độ       3 / 2 3 / 22 1 4 exp cos 3 E EgR E EgE R E E Eg                      1/ 32 2 2 8 q F         0 del Điện trường bề mặt bất biến theo độ sâu Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) R R  ' 0  Ảnh hưởng của hệ số giãn nở     Biên độ Chu kỳ: không đổi 15       3 / 2 3 / 22 1 4 exp cos 3 E EgR E EgE R E E Eg                      6 11.344 , 4 10g sE eV F Vm    Phỏ PR của InP với thông số giãn nở khác nhau ' 0.1  ' 0.2  ' 0.5  E (eV)       3 / 2 3 / 22 1 4 exp cos 3 E EgR E EgE R E E Eg                      Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) Tính Fs và độ cong vùng năng lượng Có cực trị 3 / 2 4 3 n gE E n         3/243  n gE E 16      3 / 2 3 / 2 3 / 243 n gE E n        1 2 3 n Hệ số góc 3/1 2 22 2     sFe   2 2 0 02 2 s ss b F Q e n n    Mô hình đa lớp    v v vN N F 0,E N F ,E      1v 2v 2v 1vv 2 2 n k i n k N 2 n k          v vv vv d d2 N N 2 N                2 j j j N r N N       L 1 v1L0 L v1L 1 N - N+ ΔN N -Nf = = N +NN + N+ sF deldv0 z Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) 17 eldv d / j el v el v s d d d F F       v vv 1 v 1 v vv 1 f r exp 2i r 1 f r exp 2i         v 1 v v 1 v 1 v N Nf 2N N N             2 0 0 0 r Re RR E R Re R   2 L 0 L N NR N N      1LNMô hình đa lớp Mô phỏng phổ PR Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) sF deldv0 z A S = Fs.del R R  Đơn lớp Đa lớp 18 Hiệu thế vùng điện trường bề mặt Điện trường Đơn lớp Điện trường Đa lớp E (eV) So sánh giữa mô hình đa lớp và đơn lớp 6 1 gE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 11.35meV         6 1gE 1.344eV ,F 4 10 Vm , j 100,del 100 nm, 11.35meV Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO) R R  del 100nm del 50nm sF 2del0 z1del 19 E (eV) del 20nm del 10nm 6 1 g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 11.35meV ,dv 2nm     Phổ PR của InP khi độ dày vùng điện trường bề mặt thay đổi del Chu kỳBiên độ Điện trường bề mặt với độ sâu khác nhau Thành phần dao động Exiton                       exc n excn EEarcn EECE R R cot.cos.1. 2/ 2 2 1.338excE eVR R  Phổ dịch chuyển về phía năng lượng cao Phổ Eciton với năng lượng Eciton thay đổi: 20 1.340excE eV 1.342excE eV E (eV) 011meV , 120   Dạng phổ Eciton của InP với năng lượng Eciton thay đổi excE  Phổ PR đa thành phần n jj 1 R R R R         Phổ PR là phổ tổng hợp của các thành phần phổ riêng lẻ Phổ tổng hợp R R  21 FKO EXC R R R R R R              FKO Eciton E (eV)Phổ PR đa thành phần Phân giải pha phổ PR đa thành phần         n j s s j2 2 j 1 j RR 2E,F , , E,F 1 i R R 1          j jtan( )   Góc trễ pha của từng thành phần             n jj j 1 n jj j 1 RX E E cos R RY E E sin R                     'x (2.4.1) Có sự trễ pha trong phổ PR giữa tín hiệu PR và tín hiệu laser Thực nghiệm 22 (2.4.2) 'y  Y X y  x 'Y 'X L a ser P RPhổ PR thu được trên hai kênh của lock-in Phân giải pha phổ PR đa thành phần R R  R R              RX E E cos R RY E E sin R           j = 1             n jj j 1 n jj j 1 RX E E cos R RY E E sin R                     X Phổ PR 1 thành phần 23 6 0 0 g s elE 1.412eV ,F 3.44 10 V / m, 12meV ,d 100nm, j 100, 45 , 3.9           Phổ PR của GaAs một thành phần E (eV) Hai kênh X,Y thu được từ lock-in E (eV) Phân giải pha Y FKO Phân giải pha phổ PR đa thành phần  R Y R  Giản đồ pha 2D truyền thống Giản đồ pha 2D phổ PR một thành phần có dạng tuyến tính 24  R X R  048.9   Giản đồ pha 2D trên hai kênh X,Y Xây dựng giản đồ pha 3D Phân giải pha phổ PR đa thành phần  E eV             RX E E cos R RY E E sin R           Giản đồ pha 3D 25  R X R   R Y R 048.9   giản đồ pha 3D hai kênh X, Y, và trục E       2 2R E X E Y E R  Cơ sở phân giải pha phổ PR đa thành phần Phổ PR trên giản đồ pha nằm trên một mặt phẳng (2.4.1) Phân giải pha phổ PR đa thành phần R R  R R                  1,2 1,2 1,2 1,2 RX E E cos R RY E E sin R       j = 2             n jj j 1 n jj j 1 RX E E cos R RY E E sin R                     Phổ PR 2 thành phần 26 Phổ PR 2 thành phần của InP 6 0, 0 g s elFKO : E 1.344eV ,F 4 10 , 11.35meV ,d 100nm,sl 100, 0 60          : . , , ,0 0excEciton E 1 34eV 11meV 0 30       E (eV) Phổ PR trên 2 kênh X, Y E (eV) X YEciton FKO Tổng hợp Phân giải pha phổ PR đa thành phần ( )R Y R  Giản đồ pha 2D truyền thống ( )E eV A B C F 27 ( )R X R  H25 Giản đồ pha 2D hai kênh X, Y Giản đồ pha 2D có dạng đường cong Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E ( )R X R  ( )RY R  O D Phân giải pha phổ PR đa thành phần ( )EeV A B Phương pháp xác định các thành phần trong phổ PR Xác đinh mặt phẳng dao động chính (ABC) Mặt phẳng dao động FKO Tại lân cận năng lượng vùng cấm (BDF). Nếu đỉnh (D) bị lệch khỏi mặt phẳng chính. 28 Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E ( )RX R  ( )RY R  C F O D Có mặt thành phần Eciton Các thành phần khác xác định tương tự như thành phần Eciton Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm 1) Tách vùng phổ chỉ gồm thành phần FKO R R  Phần tách ra 29 E (eV) Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm 2) Sử dụng mô hình đa lớp, hiệu chỉnh thành phần dao động Franz-Keldysh trên vùng phổ vừa tách ra. R R  30 E (eV) Tính điện trường và các thông số bề mặt Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm 3) Tiến hành trừ phổ (phổ tổng hợp và phổ FKO hiệu chỉnh), tách thành phần FKO trong phổ tổng hợp R R  31 E (eV) Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm 4) Hiệu chỉnh Eciton đối với phần phổ vừa trừ ra R R  32 E (eV) Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm 5) Cộng hai thành phần hiệu chỉnh ta được phổ PR tổng hợp hiệu chỉnh Phổ thực nghiệm Phổ hiệu chỉnh R R  33 E (eV) Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p) LASER 632.8nm Ga1-xAlxAs 0.3m 1 2 3 Bề mặt A (GaAlAs/Air) 34 GaAs:Si (Subtract) GaAs0.05m Hình 8: Mô hình cấu trúc đa lớp dị thể của mẫu đo Ga0.95Al0.05As/GaAs/GaAs:Si. Bề mặt B (GaAlAs/GaAs) Bề mặt C (GaAs/GaAs:Si) Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p) 1 23 EC EF 35 Sơ đồ các dịch chuyển hấp thu và bức xạ khi chiếu laser lên mẫu bán dẫn đa lớp dị thể Ga1-xAlxAs/GaAs/GaAs:Si. GaAs:Si (p+) GaAs (p-) Ga1-xAlxAs (n) EV Air Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p) Phổ PR là phổ tổng hợp của 3 phổ s R R     Phổ PR của AlxGa1-xAs tại bề mặt 1i R R     Phổ PR của AlxGa1-xAs tại lớp tiếp xúc 2i R R     Phổ PR của GaAs tại lớp tiếp xúc Xét trường hợp x = 0.05 6 sF 3 10 V / m  eld 1.242nm nW 108.69nm BỀ MẶT LỚP TIẾP XÚC 36 6 txF 2 10 V/ m  pW 0.992 nm A: đặc trưng cho sự hấp thu 1 2s i i R R R RA R R R R                               MÔ PHỎNG Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p) R R  37 E (eV) 0.05 0.95 /  n Al Ga As p GaAs    6 6s txF 3 10 V / m; F 2 10 V / m; j=30 Phổ PR của So sánh với phổ thực nghiệm của InP R R  X 81.34 11.36 21.37 R R  Lý thuyết Thực nghiệm 38 Phổ PR của InP thu được trên 2 kênh của lock-in tại phòng thí nghiệm Quang – quang phổ, ĐH KHTN [5] E (eV) Y 91.34 21.36 11.37 6 sF 1 10 V / m  3 gE 1.348eV, 7.5 10 meV     Làm khớp giữa phổ thực nghiệm và lý thuyết của InP E (eV) 6 sF 1.5 10 V / m  X So sánh với phổ thực nghiệm của AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p) R R  Thực nghiệm Lý thuyết Thực nghiệm 3: 1.42gGaAs E eV 0.047 0.953 7: 1.48gAl Ga As E eV 6 31.52 10 /sF V m  6 32.23 10 /txF V m  Mô phỏng 39 Phổ PR của Al0.05Ga0.95As (n+)/GaAs (p-) so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết E (eV) 3: 1.42 12.5 gGaAs E eV meV    0.048 0.952 9: 1.48 13.5 gAl Ga As E eV meV    61.7 10 /sF V m  62.5 10 /txF V m  qFz Hiệu ứng Franz-Keldysh Lý thuyết mô phỏng phổ PR Phổ hấp thu (phản xạ) Dịch chuyển về phía năng lượng thấp Phổ không dịch chuyển Ý kiến đề nghị 40 Do vậy, chúng tôi đề nghị khi mô phỏng cần thay: Eg thành Eg’ Eg’= Eg – qFz Ý kiến đề nghị 0.7 sF 0.5 sF 0.2 sF R R  qFz=0.0008 eV qFz=0.002 eV qFz=0.0028 eV qFz=0.004 eV Eg’= Eg - qFz R R  0.7 sF 0.5 sF 0.2 sF 41 6 1 g s 9 E 1.344eV ,F 4 10 Vm 0meV ,z 10 m        E (eV) Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào điện trường 1.0 sF 6 1 g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV    E (eV) 1.0 sF Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấm không phụ thuộc vào điện trường THE END 42