MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA - mientayvn.com hoc quang dien tu/Semina tren lop/Quang_dien...mÔ...

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHAPHỔ QUANG - PHẢN XẠ CỦA BÁN DẪN InP

VÀ CẤU TRÚC ĐA LỚP DỊ THỂAlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

2

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHAPHỔ QUANG - PHẢN XẠ CỦA BÁN DẪN InP

VÀ CẤU TRÚC ĐA LỚP DỊ THỂAlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

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 quangphản 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

Quang phản xạ (Photoreflectance PR)(Photoreflectance PR)


Sai hỏng bề mặt – mức Tamm

Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy) và phương pháp quangphản xạ

Mô phỏng và phân giải pha phổ quang phản xạ của InP


Thành phần Eciton


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


gE

0F

cE

vE

0F

cE

qFz

iE

4

gE gE qFz vE

Phổ hấp thu

Phổ hấp thu (phản xạ) khi có điệntrường sẽ dịch chuyển về phíavùng năng lượng thấp

Sai hỏng bề mặt – Mức Tamm

Lý tưởng: không cótrạng thái mặt ngoài

Tại bề mặt:- Tính tuần hoàn bị gián đoạn(mức Tamm)- Hấp thu nguyên tử lạ, sai hỏngmạng (mức khác)

5

Lý tưởng: không cótrạng thái mặt ngoài

Bán dẫnpha tạp

Bắt electron

Bắt lỗ trống

Trạng thái bềmặt

Điện trườngbề mặt

Cong lên(n)

Cong xuống(p)

Dải năng lượng mặt ngoài bị uốn cong lên ởbán 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 offLaser on

cE

FE

vE

7

Seraphin và BottkaHiệu ứng Franz-Keldysh

on off

off

R - RΔR=

R R21

ssR

R

Hệ đo quang phản xạ

8

Hệ đo quang phản xạ

Nướccất

Axetonloãng

Hữu cơ lạXử lý mẫu

9

Nướccất

Nướccất

dd HCl2%

Axetonloãng

Làmkhô

Vô cơ lạHình 7: Xử lý mẫu

Mô phỏng phổ quang phản xạ

10


là các hệ số Seraphin.,s s

InP

s

s

Seraphin và Bottka

21

ssR

R

1

1

R

Rs2

1

R

Rs

11

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

( )E eV

GaAs

s

s

( )E eV

1

1

R

Rs2

1

R

Rs

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

21, Là sự biến thiên của hằng sốđiện môi phức 21 i


12

1/ 2

1 2

1/ 2

2 2

constE G x

E

constE F x

E

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

/ 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

'

( )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


13

x

-10 -7.5 -5 -2.5 2.5 5

-0.4

-0.2

0.2

0.4

3 / 2

3 / 22

1 4exp 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


sF

Mô hình lý tưởng

14

6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV

0.5 sF

0.2 sF

E (eV)

Phổ PR của InP với điện trường bề mặt khác nhausF Chu kỳ

Biên độ

3 / 2

3 / 22

1 4exp cos

3

E EgR E EgE

R E E Eg

1/ 32 2 2

8

q F

0del

Điện trường bề mặtbất biến theo độ sâu


R

R

' 0

Ảnh hưởng của hệ số giãn nở

Biên độ

Chu kỳ: không đổi

15

3 / 2

3 / 22

1 4exp 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 4exp cos

3

E EgR E EgE

R E E Eg


Tính Fs và độ cong vùng năng lượng

Có cực trị3 / 2

4

3n gE E

n

3/24

3

n gE E

16

3 / 24

3n gE E

n

3 / 2 3 / 2 3 / 24

3 n gE E n

1 2 3 n

Hệ số góc3/1

222

2

sF

e

2 20

02 2s ss

b

F Qe

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 kN

2 n k

v vv vv

d d2 N N 2 N

2j

jj

Nr

N N

L 1 v1L0

L v1L 1

N - N+ΔN

N -Nf = =

N +NN + N+

ΔN

sF

deldv0 z


17

eldv d / j

el v el

v s

d d d

F F

v vv 1v 1

v vv 1

f r exp 2ir

1 f r exp 2i

v 1 v

v 1v 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

deldv0 z

Mô hình đa lớp

Mô phỏng phổ PR


sF

deldv0 z

A

S = Fs.del

R

R

Đơn lớp

Đa lớp

18

S = Fs.del

Hiệu thế vùng điện trường bề mặt

Điện trườngĐơn lớp

Điện trườngĐa lớp

E (eV)

So sánh 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


R

R

del 100nm

del 50nm

sF

2del0 z1del

19

E (eV)

del 20nm

del 10nm

6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 11.35meV ,dv 2nm

Phổ PR của InP khi độ dày vùngđiện trường bề mặt thay đổi

delChu kỳBiên độ

Điện trường bề mặt với độ sâu khác nhau

2del0 z1del

Thành phần dao động Exiton

exc

n

excn EEarcn

EECE

R

Rcot.cos.1.

2/

2

2

1.338excE eVR

R

Phổ dịch chuyển vềphía 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 vớinăng lượng Eciton thay đổi

excE Phổ dịch chuyển vềphía năng lượng cao


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

n

jj 1

R R

R R

FKO

Eciton

E (eV)Phổ PR đa thành phần

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

'x

(2.4.1)

Có sự trễ pha trong phổ PR giữa tín hiệu PR vàtín hiệu laser

Thực nghiệm

22

n

jjj 1

n

jjj 1

RX E E cos

R

RY E E sin

R

(2.4.2)

'y

Y

X

y

x

'Y

'X

L a ser

P RPhổ PR thu được trên haikênh của lock-in


R

R

R

R

RX E E cos

RR

Y E E sinR

j = 1

n

jjj 1

n

jjj 1

RX E E cos

R

RY E E sin

R

X

Phổ PR 1 thành phần

23

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

E (eV)

Hai kênh X,Y thu được từ lock-in

E (eV)

Phân giải pha

X

Y

FKO


RY

R

Giản đồ pha 2D truyền thống

Giản đồ pha 2D phổ PR mộtthành phần có dạng tuyến tính

24

RX

R

048.9

Giản đồ pha 2D trên hai kênh X,Y

Xây dựng giản đồ pha 3D


E eV

RX E E cos

RR

Y E E sinR

Giản đồ pha 3D

25

RX

R

RY

R

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

Cơ sở phân giải pha phổ PR đa thành phần

Phổ PR trên giản đồ phanằm trên một mặt phẳng

(2.4.1)


R

R

R

R

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

Phổ PR 2 thành phần

26

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)

Phổ PR trên 2 kênh X, Y

R

R

E (eV)

X

YEciton

FKO

Tổng hợp


( )R

YR

Giản đồ pha 2D truyền thống ( )E eV

A B

C F

27

( )R

XR

H25 Giản đồ pha 2D hai kênh X, Y

Giản đồ pha 2D có dạngđường cong

Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E

( )R

XR

( )R

YR

O

D


( )EeV

A B

Phương pháp xác định các thành phần trong phổ PR

Xác đinh mặt phẳng dao độngchính (ABC)

Mặt phẳng dao động FKO

Tại lân cận năng lượng vùngcấm (BDF). Nếu đỉnh (D) bị lệchkhỏi mặt phẳng chính.

28

Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E

( )R

XR

( )R

YR

C F

O

D

Tại lân cận năng lượng vùngcấm (BDF). Nếu đỉnh (D) bị lệchkhỏi mặt phẳng chính.

Có mặt thành phần Eciton

Các thành phần khác xác địnhtương tự như thành phần Eciton

Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm

1) Tách vùng phổ chỉgồm thành phần FKO

R

R

Phần tách ra

29

1) Tách vùng phổ chỉgồm thành phần FKO

E (eV)


2) Sử dụng mô hình đa lớp, hiệu chỉnh thành phần dao độngFranz-Keldysh trên vùng phổ vừa tách ra.

R

R

30

E (eV)

Tính điện trường và các thông số bề mặt


3) Tiến hành trừ phổ (phổ tổng hợp và phổ FKO hiệu chỉnh), táchthành phần FKO trong phổ tổng hợp

R

R

31

E (eV)


4) Hiệu chỉnh Eciton đối với phần phổ vừa trừ ra

R

R

32E (eV)


5) Cộng hai thành phần hiệu chỉnh ta được phổ PR tổng hợp hiệu chỉnh

Phổ thực nghiệmPhổ hiệu chỉnh

R

R

33

E (eV)

Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thểAlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

LASER632.8nm

Ga1-xAlxAs0.3m

1 2 3

Bề mặt A (GaAlAs/Air)

34

GaAs:Si (Subtract)GaAs

0.05m

Hình 8: Mô hình cấu trúc đa lớp dị thể của mẫu đoGa0.95Al0.05As/GaAs/GaAs:Si.

Bề mặt B (GaAlAs/GaAs)

Bề mặt C (GaAs/GaAs:Si)


1

23

EC

EF

35

Sơ đồ các dịch chuyển hấp thu và bức xạ khi chiếu laser lên mẫu bán dẫn đalớp dị thể Ga1-xAlxAs/GaAs/GaAs:Si.

1

GaAs:Si(p+)

GaAs(p-)

Ga1-xAlxAs(n)

EV

Air


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

nW 108.69nm

BỀ MẶT

LỚPTIẾP XÚC

36

2i

R

R

Phổ PR của GaAs tại lớp tiếp xúc

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

LỚPTIẾP XÚC

MÔ PHỎNG


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

81.3411.36

21.37

R

R

Lý thuyếtThực nghiệm

38

Phổ PR của InP thu được trên 2 kênh củalock-in tại phòng thí nghiệm Quang –

quang phổ, ĐH KHTN [5]

E (eV)

Y

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 lýthuyết của InP

E (eV)

6sF 1.5 10 V / m

X

So sánh với phổ thực nghiệm của

AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

R

R

Thực nghiệmLý 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

39

Phổ PR của Al0.05Ga0.95As (n+)/GaAs (p-)so sánh giữa thực nghiệm và lý thuyết

E (eV)

632.23 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

qFz


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

qFz

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 sFR

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 1g s

9

E 1.344eV ,F 4 10 Vm

0meV ,z 10 m

E (eV)

qFz=0.004 eV

Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấmphụ thuộc vào điện trường

1.0 sF

6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV

E (eV)

1.0 sF

Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấmkhông phụ thuộc vào điện trường

THE END

42

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA - mientayvn.com hoc quang dien tu/Semina tren lop/Quang_dien...mÔ...

Documents

Transcript of MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA - mientayvn.com hoc quang dien tu/Semina tren lop/Quang_dien...mÔ...