mÔ phỎng vÀ phÂn giẢi pha phỔ quang - phẢn xẠ cỦa bÁn dẪn inp vÀ cẤu trÚc Đa...
DESCRIPTION
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). NỘI DUNG TRÌNH BÀY. Quang phản xạ (Photoreflectance PR) Hiệu ứng Franz-Keldysh Sai hỏng bề mặt – mức Tamm - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
2
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA PHỔ QUANG - PHẢN XẠ CỦA BÁN DẪN InP
VÀ CẤU TRÚC ĐA LỚP DỊ THỂAlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)
3
NỘI DUNG TRÌNH BÀY
Quang phản xạ (Photoreflectance PR)(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
4
Hiệu ứng Franz-Keldysh
gE
gE gE qFz
0F ��������������
cE
vE
0F ��������������
cE
vE
qFz
iE
Phổ hấp thu
Phổ hấp thu (phản xạ) khi có điệntrường sẽ dịch chuyển về phía vùng năng lượng thấp
5
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)
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
6
Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy)
Những phép đo quang với cùng tính chất giống nhau là:
R, T
Biến điệu
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… … … …
SampleR, T
7
Phương pháp quang phản xạ
Seraphin và Bottka Hiệu ứng Franz-Keldysh
on off
off
R - RΔR=
R R21
ssR
R
Laser offLaser on
cE
FE
vE
8
Hệ đo quang phản xạ
9
Hệ đo quang phản xạ
Nước cất
Nước cất
dd HCl 2%
Axeton loãng
Làm khô
Hữu cơ lạ
Vô cơ lạ
Xử lý mẫu
Hình 7: Xử lý mẫu
10
Mô phỏng phổ quang phản xạ
11
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
là cac hệ sô Seraphin. ,s s
2 2
s
2 2
s
22 2 2 2 2 2
2n n -3k -1α =
c2k 3n - k -1
β =c
c = n + k n + k + 2k - 2n +1
InP
s
s
( )E eV
GaAs
s
s
( )E eV
Seraphin và Bottka
21
ssR
R
1
1
R
Rs2
1
R
Rs
12
1/ 2
1 2
1/ 2
2 2
constE G x
E
constE F x
E
3/ 2 1/ 23 / 22
( )ge Econst eV
Eg Ex
2 / 32
1/ 32 2 2
8
q F
* *
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
21, Là sự biến thiên của hằng số điện môi phức 21 i
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
/ 30 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
'
13
( )F x
( )G x
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)
3/ 2
3 / 22
1 4exp cos
3
E EgR E EgE
R E E Eg
Công thức thực nghiệm của Aspnes và Studna
14
Ảnh hưởng của điện trường bề mặt
6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV
1.0 sF
0.7 sF
0.5 sF
0.2 sF
R
R
E (eV)
Phổ PR của InP với điện trường bề mặt khac nhausF Chu kỳ
Biên độ
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
3/ 2
3/ 22
1 4exp cos
3
E EgR E EgE
R E E Eg
1/ 32 2 2
8
q F
sF
0del
Điện trường bề mặt bất biến theo độ sâu
Mô hình lý tưởng
15
3/ 2
3/ 22
1 4exp cos
3
E EgR E EgE
R E E Eg
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
6 11.344 , 4 10g sE eV F Vm Phỏ PR của InP với thông sô giãn nở khac nhau
R
R
' 0
' 0.1
' 0.2
' 0.5
Ảnh hưởng của hệ sô giãn nở
E (eV)
Biên độ
Chu kỳ: không đổi
16
3/ 2
3/ 22
1 4exp 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/ 24
3n gE E
n
3/ 2 3 / 2 3 / 24
3 n gE E n
3/ 24
3
n gE E
1 2 3 n
Hệ sô góc
3/1
222
2
sF
e
2 2
0
02 2s ss
b
F Qe
n n
17
Mô hình đa lớp
eldv d / j
el v el
v s
d d d
F F
v v vN N F 0,E N F ,E
1v 2v 2v 1vv
2 2
n k i n kN
2 n k
v vv 1v 1
v vv 1
f r exp 2ir
1 f r exp 2i
v vv vv
d d2 N N 2 N
v 1 vv 1
v 1 v
N Nf
2N N N
2j
jj
Nr
N N
L 1 v1L0
L v1L 1
N - N+ΔN N -Nf = =
N +NN + N+ΔN
2
0 0
0
r Re RRE
R Re R
2
L0
L
N NR
N N
1LN
sF
deldv0 z
Mô hình đa lớp
Mô phỏng phổ PR
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
18
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
sF
deldv0 z
A
S = Fs.del
Hiệu thế vùng điện trường bề mặt
Điện trường Đơn lớp
Điện trường Đa lớp
R
R
E (eV)
Đơn lớp
Đa lớp
So sanh giữa mô hình đa lớp và đơn lớp6 1
gE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 11.35meV 6 1
gE 1.344eV ,F 4 10 Vm , j 100,del 100 nm, 11.35meV
19
Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)
R
R
E (eV)
del 100nm
del 50nm
del 20nm
del 10nm
6 1g 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 khac nhau
sF
2del0 z1del
20
Thành phần dao động Exiton
exc
n
excn EEarcn
EECE
R
Rcot.cos.1.
2/
2
2
1.338excE eV
1.340excE eV
1.342excE eV
R
R
E (eV)
011meV , 120
Dạng phổ Eciton của InP với năng lượng Eciton thay đổi
excE Phổ dịch chuyển về phía năng lượng cao
Phổ Eciton với năng lượng Eciton thay đổi:
21
Phổ PR đa thành phần
FKO EXC
R R R
R R R
n
jj 1
R R
R R
Phổ PR là phổ tổng hợp của cac thành phần phổ riêng lẻ
Phổ tổng hợp
FKO
Eciton
R
R
E (eV)Phổ PR đa thành phần
22
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
n
js 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
jjj 1
n
jjj 1
RX E E cos
R
RY E E sin
R
(2.4.2)
'y
'x
Y
X
y
x
'Y
'X
Laser
PR
(2.4.1)
Có sự trễ pha trong phổ PR giữa tín hiệu PR và tín hiệu laser
Phổ PR thu được trên hai kênh của lock-in
Thực nghiệm
23
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
6 0 0g 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
R
R
E (eV)
Hai kênh X,Y thu được từ lock-in
R
R
E (eV)
RX E E cos
RR
Y E E sinR
Phân giải pha
j = 1
n
jjj 1
n
jjj 1
RX E E cos
R
RY E E sin
R
X
Y
FKO
Phổ PR 1 thành phần
24
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
RX
R
RY
R
048.9
Giản đồ pha 2D trên hai kênh X,Y
Giản đồ pha 2D truyền thông
Giản đồ pha 2D phổ PR một thành phần có dạng tuyến tính
Xây dựng giản đồ pha 3D
25
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
RX
R
RY
R
E eV
048.9
giản đồ pha 3D hai kênh X, Y, và trục E
RX E E cos
RR
Y E E sinR
2 2RE X E Y E
R
Giản đồ pha 3D
Cơ sở phân giải pha phổ PR đa thành phần
Phổ PR trên giản đồ phanằm trên một mặt phẳng
(2.4.1)
26
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
Phổ PR 2 thành phần của InP6 0 , 0
g s elFKO : E 1.344eV ,F 4 10 , 11.35meV ,d 100nm,sl 100, 0 60 : . , , ,0 0
excEciton E 1 34eV 11meV 0 30
E (eV)
R
R
Phổ PR trên 2 kênh X, Y
R
R
E (eV)
1,2 1,2
1,2 1,2
RX E E cos
RR
Y E E sinR
j = 2
n
jjj 1
n
jjj 1
RX E E cos
R
RY E E sin
R
X
YEciton
FKO
Tổng hợp
Phổ PR 2 thành phần
27
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
( )R
YR
( )R
XR
H25 Giản đồ pha 2D hai kênh X, Y
Giản đồ pha 2D truyền thông
Giản đồ pha 2D có dạng đường cong
Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E
( )R
XR
( )R
YR
( )E eV
A B
C F
O
D
28
Phân giải pha phổ PR đa thành phần
Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E
( )R
XR
( )R
YR
( )E eV
A B
C F
O
D
Phương pháp xác định các thành phần trong phổ PR
Xac 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.
Có mặt thành phần Eciton
Cac thành phần khac xac định tương tự như thành phần Eciton
29
Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm
1) Tach vùng phổ chỉ gồm thành phần FKO
R
R
E (eV)
Phần tach ra
30
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 tach ra.
R
R
E (eV)
Tính điện trường và cac thông sô bề mặt
31
Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm
3) Tiến hành trừ phổ (phổ tổng hợp và phổ FKO hiệu chỉnh), tach thành phần FKO trong phổ tổng hợp
R
R
E (eV)
32
Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm
4) Hiệu chỉnh Eciton đôi với phần phổ vừa trừ ra
R
R
E (eV)
33
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
E (eV)
34
Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể
AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)
LASER632.8nm
Ga1-xAlxAs
GaAs:Si (Subtract)
GaAs
0.3m
0.05m
1 2 3
Hình 8: Mô hình cấu trúc đa lớp dị thể của mẫu đo Ga0.95Al0.05As/GaAs/GaAs:Si.
Bề mặt A (GaAlAs/Air)
Bề mặt B (GaAlAs/GaAs)
Bề mặt C (GaAs/GaAs:Si)
35
Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể
AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)
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.
1
23
GaAs:Si(p+)
GaAs(p-)
Ga1-xAlxAs(n)
EC
EV
EF
Air
36
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
6sF 3 10 V / m
eld 1.242nm
6txF 2 10 V / m pW 0.992 nmnW 108.69nm
A: đặc trưng cho sự hấp thu
1 2s i i
R R R RA
R R R R
BỀ MẶT
LỚP TIẾP XÚC
MÔ PHỎNG
37
Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể
AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)
R
R
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
38
So sánh với phổ thực nghiệm của InP
Phổ PR của InP thu được trên 2 kênh của lock-in tại phòng thí nghiệm Quang –
quang phổ, ĐH KHTN [5]
E (eV)
R
R
X
Y
81.3411.36
21.37
91.34 21.36
11.37
6sF 1 10 V / m
3gE 1.348eV, 7.5 10 meV
Làm khớp giữa phổ thực nghiệm và lý thuyết của InP
E (eV)
R
R
Lý thuyết
Thực nghiệm
6sF 1.5 10 V / m
X
39
So sánh với phổ thực nghiệm của
AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)
Phổ PR của Al0.05Ga0.95As (n+)/GaAs (p-) so sanh giữa thực nghiệm và lý thuyết
E (eV)
R
R
Thực nghiệm Lý thuyết
Thực nghiệm
3: 1.42gGaAs E eV
0.047 0.953 7: 1.48gAl Ga As E eV6
31.52 10 /sF V m 6
32.23 10 /txF V m
Mô phỏng
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
40
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
Do vậy, chúng tôi đề nghị khi mô phỏng cần thay: Eg thành Eg’
Eg’= Eg – qFz
Ý kiến đề nghị
41
Ý kiến đề nghị
6 1g s
9
E 1.344eV ,F 4 10 Vm
0meV ,z 10 m
0.7 sF
0.5 sF
0.2 sFR
R
E (eV)
qFz=0.0008 eV
qFz=0.002 eV
qFz=0.0028 eV
qFz=0.004 eV
Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào điện trường
1.0 sF
Eg’= Eg - qFz
6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV
R
R
E (eV)
1.0 sF
0.7 sF
0.5 sF
0.2 sF
Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấm không phụ thuộc vào điện trường
42
THE END