Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật lý: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "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" là nghiên cứu các hiện tượng vận chuyển điện tử trong các cấu trúc nano bán dẫn dựa trên các vật liệu AlGaN/GaN và penta-graphene nanoribbon.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật lý: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC 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 VÀ PENTA-GRAPHENE NANORIBBON Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số: 9 44 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - 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
1 Ph¦n mð ¦u Trong thíi ¤i ng y nay, cæng ngh» b¡n d¨n l mët trong nhúng l¾nh vüc quan trång v câ £nh h÷ðng nh§t ¸n sü ph¡t triºn cõa khoa håc - cæng ngh». 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, sinh ho¤t, giao ti¸p v thªm ch½ trong c£ suy ngh¾. Trong cæng ngh» b¡n d¨n, vªt li»u b¡n d¨n âng mët vai trá quan trång. Transistor ¦u ti¶n ÷ñc ph¡t minh v o n«m 1947 düa tr¶n ch§t b¡n d¨n gecmani (Ge) vîi ë rëng vòng c§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 düa tr¶n silic. Silic v gecmani th÷íng ÷ñc gåi c¡c ch§t b¡n d¨n th¸ h» ¦u. C¡c ch§t b¡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¨n th¸ 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 lîn hìn hai l¦n so vîi silic. Do â, c¡c thi¸t bà sû döng GaAs phò hñp cho c¡c ho¤t ëng t¦n sè cao. Ngo i ra, transistor hi»u ùng tr÷íng düa tr¶n GaAs công 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§t b¡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 cho 4H-SiC) thº hi»n nhúng t½nh n«ng v÷ñt trëi, thu hót ÷ñc nhi·u sü quan t¥m. B¡n d¨n nitride nhâm III bao gçm GaN, InN, AlN v c§u tróc dà ch§t cõa chóng câ thº ÷ñc ùng döng rëng r¢i cho c¡c thi¸t bà i»n tû v quang
2 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§t b¡n d¨n nhâm III-V v II-IV thæng th÷íng, sü ph¥n cüc tü ph¡t v ¡p i»n trong 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·u l¾nh vüc kh¡c nhau do nhúng lñi th¸ to lîn cõa nâ. Cö thº, trong l¾nh vüc vi¹n 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 trú thæng 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 t½nh nëi 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 cùu vªt 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 ùng ph¥n cüc l¶n c¡c t½nh ch§t i»n cõa c¡c c§u tróc tr¶n, nhúng cæng tr¼nh n y v¨n ch÷a ÷ñc nghi¶n cùu ho n ch¿nh v câ h» thèng. °c bi»t, c§u tróc dà ch§t b¡n d¨n thº hi»n hi»u ùng giam c¦m ph¥n cüc c¦n ÷ñc nghi¶n cùu mët c¡ch s¥u rëng. Ngo i ra, mèi quan h» giúa hi»u ùng giam c¦m v °c t½nh 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 carbon hai 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 , câ thº ÷ñc sû döng trong vªn chuyºn i»n tû. Do â, than ch¼ l mët ch§t d¨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 gçm c¡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§u tróc hai chi·u v di»n t½ch b· m°t lîn kho£ng 2675 m2 /g, graphene thº hi»n mët 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 thº tham gia v o c¡c ph£n ùng hâa håc v c¡c t÷ìng t¡c kh¡c nhau. i·u n y
3 t¤o triºn vång lîn cho vi»c thay êi c¡c °c t½nh cõa graphene. Trong nhi·u n«m qua, nhi·u nghi¶n cùu lþ thuy¸t v thüc nghi»m cho graphene ¢ ÷ñc thüc hi»n. Cö thº, vi»c têng hñp graphene ìn lîp, a lîp hay graphene nanoribbon tr¶n ¸ kim lo¤i ¢ ÷ñc thüc hi»n. C¡c t½nh ch§t i»n tû, hâa håc, 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¶n graphene l mët vªt li»u khæng câ vòng c§m, g¥y khâ kh«n cho vi»c ùng döng 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, penta- graphene hai chi·u câ ë rëng vòng c§m trüc ti¸p kho£ng 3.25 eV, cao hìn so vîi c¡c d¤ng thò h¼nh kh¡c cõa carbon. Penta-graphene thº hi»n nhi·u t½nh ch§t i»n, nhi»t v quang ëc ¡o. Nghi¶n cùu v· penta-graphene công cho 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 pha t¤p kim lo¤i chuyºn ti¸p câ thº l m t«ng ho°c gi£m ë rëng vòng c§m çng thíi t«ng c÷íng ¡ng kº sü h§p phö hydro. Vîi t¿ l» b· m°t v ë rëng vòng c§m lîn, PG câ lñi cho sü h§p phö cõa c¡c ph¥n tû kh½. Do nhúng °c t½nh vªt lþ v hâa håc v÷ñt trëi, thíi gian g¦n ¥y PG ¢ ÷ñc nghi¶n cùu thæng qua c¡c t½nh to¡n lþ thuy¸t v cho th§y chóng câ ti·m n«ng to lîn º ¡p döng 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-graphene nanoribbon (PGNR) vîi d¤ng bi¶n kh¡c nhau. Kh£o s¡t °c t½nh i»n tû cõa bèn lo¤i PGNR cho th§y, c¡c c§u tróc thº hi»n °c t½nh b¡n d¨n ho°c kim 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 vªt li»u mîi düa tr¶n graphene cö thº l penta-graphene nanoribbon c¦n ÷ñc kh£o s¡t mët c¡ch ¦y õ hìn. V¼ vªy, c¡c v§n · nh÷ c§u tróc dà ch§t ph¥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 trong penta-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¡n d¨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»u AlGaN/GaN v penta-graphene nanoribbon.
4 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 Al- GaN/GaN v penta-graphene nanoribbon. Ph÷ìng ph¡p nghi¶n cùu - Sû döng ph÷ìng ph¡p bi¸n ph¥n º x¡c ành t½nh ch§t i»n tû v d¨n ra c¡c biºu thùc gi£i t½ch li¶n quan ¸n ë linh ëng °c tr÷ng cho hi»n t÷ñng vªn chuyºn i»n tû trong h» vªt li»u AlGaN/GaN. - Sû döng ph÷ìng ph¡p sè, lªp tr¼nh b¬ng Mathematica º x¡c ành c¡c tham sè bi¸n ph¥n v minh håa c¡c ¤i l÷ñng vªt lþ b¬ng ç thà. - Sû döng lþ thuy¸t phi¸m h m mªt ë k¸t hñp h m Green khæng c¥n b¬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» vªt li»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 vång nghi¶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 theo nëi dung cæng bè 2 v ch÷ìng 4 ÷ñc tr¼nh b y theo nëi dung cæng bè 3.
5 Ch÷ìng 1 Têng quan v· vªt li»u nghi¶n cùu 1.1 C§u tróc dà ch§t AlGaN/GaN 1.1.1 C§u tróc dà ch§t 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 trong ti¸p gi¡p dà ch§t d¨n ¸n sü thay êi mët sè t½nh ch§t i»n v quang quan trång, ch¯ng h¤n nh÷ sü giam c¦m h¤t t£i (do sü b§t li¶n töc cõa vòng d¨n hay 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¸ng th¸ trong vòng d¨n hay vòng hâa trà v th÷íng ÷ñc xem nh÷ mët gi¸ng l÷ñng tû (QW) (v½ dö nh÷ AlGaAs/GaAs/AlGaAs). C¡c c§u tróc dà ch§t ph¦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¡c c§u tróc nitride nhâm III câ d¤ng wurtzite khæng câ èi xùng £o dåc theo tröc c. Sü ion hâa m¤nh cõa li¶n k¸t kim lo¤i nitrogen d¨n ¸n sü ph¥n cüc m¤nh dåc theo h÷îng tinh thº [0001]. Hi»u ùng ph¥n cüc xu§t hi»n ð c¡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
6 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. Môi t¶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 Pz l mët h m cõa sùc c«ng v câ thº ÷ñc x¡c ành tø biºu thùc sau: a − a0 C13 Pz = 2 e31 − e33 (1.1) a0 C33 vîi a0 l h¬ng sè m¤ng khi h» khæng chàu ùng su§t k²o ho°c n²n, a l h¬ng sè m¤ng khi h» chàu t¡c ëng cõa ùng su§t k²o ho°c n²n, e31 v e33 l c¡c h» sè ¡p i»n. C13 v C33 l c¡c h¬ng sè n hçi. 1.1.3 nh 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 câ thº ¤t tîi n2d ≈ 2 × 1013 cm−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
7 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 ë th§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¤ mîi khæng 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 lîp hñp 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 câ thº ÷ñc x¡c ành b¬ng vi»c gi£i ph÷ìng tr¼nh Schr odinger v ph÷ìng tr¼nh Poisson 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, trong kho£ng 20005000 cm2 /Vs. V¼ vªy, graphene câ kh£ n«ng ùng döng cho transistor hi»u ùng tr÷íng (FET) ho¤t ëng ð t¦n sè cao. Graphene công thº hi»n ë trong suèt quang håc cao l¶n ¸n 97,7 % n¶n l mët ùng vi¶n ti·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°t lîn. Tuy nhi¶n, graphene l mët c§u tróc khæng câ ë rëng vòng c§m n¶n h¤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 graphene nh÷ 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 khi ct graphene theo nhúng h÷îng tinh thº kh¡c nhau. Düa v o d¤ng bi¶n cõa graphene nanoribbon, ta câ hai d¤ng graphene nanoribbon: zigzag graphene nanoribbons (ZGNR) v armchair graphene nanoribbons (AGNR). Nh¼n chung, 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 y mang ¸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.
8 1.2.3 Vªt li»u penta-graphene Penta-graphene ÷ñc t¤o th nh tø carbon T12, câ ë rëng vòng c§m kho£ng 3.25 eV v chùa c£ hai lo¤i lai hâa sp2 v 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¶n cùu v· nhúng °c t½nh c§u tróc cõa penta-graphene ¢ ÷ñc thüc hi»n. K¸t qu£ 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¸t cõa 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 nanoribbon d¤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 tróc b·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.
9 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¡c nhau. C¡c HEMT düa tr¶n GaN câ c§u tróc lîp t÷ìng tü nh÷ c¡c HEMT düa tr¶n GaAs thæng th÷íng. Tuy nhi¶n, trong c¡c AlGaN/GaN HEMT khæng y¶u c¦u pha t¤p. Thay v o â, c¡c electron do sü ph¥n cüc tü ph¡t xu§t hi»n trong GaN c§u tróc wurtzite. Sü t½ch lôy cõa h¤t t£i tü do t¤o th nh nçng ë h¤t t£i cao t¤i ti¸p gi¡p dà ch§t d¨n ¸n k¶nh 2DEG. Kh½ i»n tû hai chi·u l mët h m cõa r o th¸, ë d y AlGaN v i»n t½ch d÷ìng t¤i ti¸p gi¡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¡c nhau. K¸t luªn ch÷ìng 1 Trong ch÷ìng n y, c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN v penta- graphene nanoribbon còng c¡c °c t½nh cõa c¡c h» vªt li»u n y ¢ ÷ñc tr¼nh 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 bà quang 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, ë linh ëng, °c tr÷ng I(V), ... C¡c t½nh ch§t vªt lþ tr¶n l¤i bà chi phèi bði c¡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¥n cüc 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÷ðng cõa 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 t½nh to¡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÷ng I(V).
10 Ch÷ìng 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 cho kh½ 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¡p AlGaN v GaN câ mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc σP ÷ñc pha t¤p i·u bi¸n vîi k½ch th÷îc t¤p v mªt ë donor l¦n l÷ñt l Ld v NI , và tr½ pha t¤p c¡ch kh½ 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 vai trá cõa t¤p ion hâa s³ ÷ñc so s¡nh, i·u cán ½t ÷ñc thüc hi»n trong c¡c cæng tr¼nh tr÷îc ¥y. H¼nh 2.1: Mæ h¼nh pha t¤p i·u bi¸n trong c§u tróc AlGaN/GaN.
11 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 h¼nh thüc 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: Aκ1/2 exp (κz/2) z < 0, ζ (z) = 1/2 (2.1) Bk (kz + c) exp (−kz/2) z > 0. Trong ph÷ìng tr¼nh (2.1), z < 0 ùng vîi mi·n AlGaN; z > 0 ùng vîi mi·n GaN. A v B l h» sè chu©n hâa h m sâng, ÷ñc x¡c ành tø i·u ki»n chu©n hâa, κ v k l sè sâng ÷ñc x¡c ành tø i·u ki»n li¶n töc ζ (z) v 0 ζ (z) t¤i z = 0. Tø i·u ki»n chu©n hâa v i·u ki»n li¶n töc, ta câ h» ph÷ìng tr¼nh mæ t£ mèi li¶n h» giúa A, B, c, κ v k nh÷ sau: Aκ1/2 = Bk 1/2 c, Aκ3/2 2 = Bk 3/2 (1 − (2.2) c/2) , A2 + B 2 c2 + 2c + 2 = 1. 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 V 0 t¤i b· m°t z = 0: Vb (z) = V0 θ (−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
12 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 bao quanh b· m°t ti¸p gi¡p. Nhúng i»n t½ch n y t¤o ra mët i»n tr÷íng çng nh§t vîi th¸ ÷ñc cho bði: 2π Vσ (z) = eσ |z| . (2.6) εa 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 trong c§u tróc dà ch§t t¤o ra, ÷ñc x¡c ành bði ph÷ìng tr¼nh Poisson: d2 4πe2 dz 2 V H (z) = εa [NI (z) − n (z)] . (2.7) Trong â, NI (z) v n (z) l¦n l÷ñt l nçng ë donor v nçng ë i»n tû dåc theo h÷îng nuæi. Vîi m¨u pha t¤p i·u bi¸n, ta câ: NI −zd ≤ z ≤ −zs , NI (z) = (2.8) 0 z < −zd , z > −zs . ð ¥y, zs = Ls v zd = Ls + Ld , Ls v Ld t÷ìng ùng vîi kho£ng c¡ch tø t¤p ¸n gi¸ng v k½ch th÷îc ph¥n bè t¤p. Nçng ë i»n tû dåc theo ph÷ìng z ÷ñc x¡c ành nh÷ sau: 2 n (z) = ns |ζ (z)| , (2.9) vîi ns l mªt ë i»n t½ch m°t cõa kh½ i»n tû hai chi·u. èi vîi c§u tróc dà ch§t, h» donor v 2DEG trung háa, v¼ vªy i»n tr÷íng tri»t ti¶u t¤i z = ±∞: ∂VH (±∞) = 0. (2.10) ∂z Tuy nhi¶n, trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc, 2DEG câ nguçn gèc khæng ch¿ tø donor m cán tø i»n t½ch ph¥n cüc n¶n i·u ki»n tr¶n khæng cán phò hñp. V¼ vªy, i·u ki»n bi¶n t¤i z = −∞ ÷ñc cho bði: ∂VH (−∞) = 0 v VH (−∞) = EI , (2.11) ∂z vîi EI l n«ng l÷ñng li¶n k¸t donor ion hâa.
13 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) z < −zd ,   0  2 4πe nI 2 (z + zd )  −zd ≤ z ≤ −zs ,  VI (z) = EI + 2Ld (2.13) εa   z + (zs + zd )  −zs < z.  2 Th¸ t¤o bði tr÷íng i»n tû Vs (z) 4πe2 ns f (z) z < 0, Vs (z) = − (2.14) εa g (z) + z + f (0) − g (0) z > 0. vîi c¡c h m phö trñ f (z) v g (z) l¦n l÷ñt l : A2 κz f (z) = e , κ B 2 −kz 2 2 k z + 2k (c + 2) z + c2 + 4c + 6 . (2.15) g (z) = e k 2.3 Têng n«ng l÷ñng ùng vîi mët electron trong vòng con th§p nh§t E0 (k, κ) = hT i + hVb i + hVσ i + hVI i + hVs i /2 (2.16) ëng n«ng trung b¼nh h 2 2 ¯ A κ + B 2 k 2 c2 − 2c − 2 , (2.17) hT i = − 8mz 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 trung b¼nh v th¸ electron trung b¼nh hVb i = V0 A2 . (2.18)
14 2πeσ A2 B2 2 (2.19) hVσ i = + c + 4c + 6 . εa κ k 4πe2 nI d + s hVI i = EI + εa 2κ 2 d2 A + χ2 (d) − χ2 (s) − dχ1 (d) + sχ1 (s) + [χ0 (d) − 1] κ (d − s) 2 s2 B2 2 (2.20) − [χ0 (s) − 1] + c + 4c + 6 . 2 k 4πe2 ns A2 A4 hVs i = − − (2.21) εa κ 2κ B2 2 B4 2c4 + 12c3 + 34c2 + 50c + 33 . + c + 4c + 6 − k 4k 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 cüc AlGaN/GaN khi mªt ë i»n t½ch ph¥n cüc l¦n l÷ñt l σ/e = 5 × 1012 , 1013 v 5 × 1013 cm−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. Tø c¡c k¸t qu£ tr¶n cho th§y, £nh h÷ðng cõa nguçn giam c¦m l¶n h m sâng i»n tû trong mæ h¼nh lþ t÷ðng (r o væ h¤n) v mæ h¼nh thüc (r o húu
15 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¥n cüc 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 (÷íng li·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«ng mªt 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 ë 2DEG l¦n l÷ñt l n = 1012 , 5 × 1012 , 1013 cm−2 , ÷ñc kþ hi»u t÷ìng ùng a, b v s 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 cüc b· m°t g¥y ra sü hót i»n tû. Trong mæ h¼nh r o væ h¤n, h m sâng khæng thº xuy¶n r o, v¼ th¸ ¿nh h m sâng ÷ñc n¥ng l¶n, ë dèc cöc bë t¤i m°t ph¯ng giao di»n ζ 0 (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 sâng dàch chuyºn v· ph½a r o v gi¡ trà àa ph÷ìng t¤i m°t ph¯ng ζ(0) gi£m. K¸t qu£ l t¡n x¤ nh¡m k¸t hñp (CR), sü k¸t hñp giúa nh¡m b· m°t v nh¡m ph¥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 dà ch§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.
16 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¤n düa 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 khi mªt ë donor l¦n l÷ñt l N = 1018 , 5 × 1018 v 1019 cm−3 , ÷ñc kþ hi»u t÷ìng I ùng a, b v c. H¼nh (b), h m sâng trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc AlGaN/GaN khi kho£ng c¡ch tø 2DEG ¸n t¤p l¦n l÷ñt l L = 0 A, 70 A v 150 A ÷ñc kþ s 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. 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§t ph¥n cüc AlGaN/GaN ð mæ h¼nh thüc ÷ñc nghi¶n cùu. Kh½ i»n tû hai chi·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 húu h¤n) v mæ h¼nh lþ t÷ðng (r o væ h¤n) thay êi theo hai h÷îng ng÷ñc nhau khi 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»n t½ch 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.
17 Ch÷ìng 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§t ph¥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 cüc pha t¤p i·u bi¸n AlGaN/GaN s³ ÷ñc nghi¶n cùu. Tø â, gi£i th½ch ç thà d¤ng chuæng khi x²t sü phö thuëc ë linh ëng 2DEG v o h m l÷ñng hñp kim 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. 3.1 K¸t qu£ gi£i t½ch Ð nhi»t ë th§p, ë linh ëng ÷ñc t½nh nh÷ sau: eτ µ= (3.1) m∗ i»n tû trong c§u tróc dà ch§t ph¥n cüc pha t¤p i·u bi¸n s³ bà chi phèi bði hai cì ch¸ t¡n x¤: t¡n x¤ b§t trªt tü hñp kim v t¡n x¤ nh¡m k¸t hñp. Têng thíi gian vªn chuyºn theo c¡c cì ch¸ t¡n x¤ ri¶ng ÷ñc x¡c ành theo
18 quy tc Matthiessen: 1 1 1 = + (3.2) τtot τAD τCR Khi mªt ë 2DEG kh¡ cao (ns > 1012 cm−2 ), nhi·u hi»u ùng t¡n x¤ nhä khæng ¡ng kº, v do â, câ thº ¡p döng lþ thuy¸t vªn chuyºn tuy¸n t½nh nh÷ l mët x§p x¿ g¦n óng. Nghàch £o thíi gian vªn chuyºn ð nhi»t ë th§p sau â ÷ñc biºu di¹n d÷îi d¤ng h m tü t÷ìng quan (ACF) cho tøng t¡n x¤ t÷ìng ùng nh÷ sau: Z2kF q D E 2 1 1 q 2 |U ( )| = dq (3.3) τ 2π¯hEF (4kF2 − q 2 ) ε2 (q) 0 q: vectì chuyºn díi xung l÷ñng do t¡n x¤, q = |q| = 2kF sin (ϑ/2), vîi √ ϑ l gâc t¡n x¤. Sè sâng Fermi ÷ñc x¡c ành theo nçng ë 2DEG: kF = 2πns . N«ng l÷ñng Fermi EF = h ¯ 2 kF2 2m∗ v m∗ l khèi l÷ñng hi»u döng cõa i»n tû GaN. H m i»n mæi ε (q) câ t½nh ¸n hi»u ùng chn do th¸ t¡n x¤ bði 2DEG. Thæng th÷íng, trong g¦n óng pha ng¨u nhi¶n ÷ñc x¡c ành nh÷ sau: qs ε (q) = 1 + Fs (q/k) [1 − G (q/k)] , q ≤ 2kF (3.4) q vîi qs = 2m∗ e2 εa ¯ h2 l nghàch £o chi·u d i chn Thomas-Fermi hai chi·u, εa l h¬ng sè i»n mæi trung b¼nh cõa hai lîp vªt li»u. Trong gi¸ng th¸ 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 nh÷ ph÷ìng tr¼nh 2.1. Thøa sè d¤ng chn Fs (q) phö thuëc v o sü ph¥n bè i»n tû giam c¦m dåc theo h÷îng nuæi v ÷ñc x¡c ành nh÷ sau: 2 A4 a 2 + 2c (t + 1) + c2 (t + 1) Fs (t) = + 2A2 B 2 a 3 t+a (t + a) (t + 1) B4 4 3 2 + 3 2 c + 4c + 8c + 8c + 4 2 (t + 1) + t 4c4 + 12c3 + 18c2 + 18c + 9 + t2 2c4 + 4c3 + 6c2 + 6c + 3 . (3.5) vîi t = q/k, a = κ/k . (3.6) T÷ìng quan tr÷íng àa ph÷ìng do hi»u ùng trao êi nhi·u h¤t cõa 2DEG