Mô phỏng Monte carlo ba chiều bức xạ Terahertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InAs

Bài viết Mô phỏng Monte carlo ba chiều bức xạ Terahertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InAs trình bày: nghiên cứu lý thuyết về bức xạ TeraHertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InAs bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo tập hợp tự hợp ba chiều. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng điện tử chủ yếu chuyển động theo phương x. Cường độ bức xạ TeraHertz phát ra từ bán dẫn loại p lớn hơn so với cường độ bức xạ TeraHertz phát ra từ bề mặt bán dẫn loại n,... Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng Monte carlo ba chiều bức xạ Terahertz phát ra từ bề mặt bán dẫn InAsMÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZPHÁT RA TỪ BỀ MẶT BÁN DẪN InAsHOÀNG BÁ BAN - ĐINH NHƯ THẢOTrường Đại học Sư phạm - Đại học HuếTóm tắt: Bài báo trình bày các nghiên cứu lý thuyết về bức xạ TeraHertzphát ra từ bề mặt bán dẫn InAs bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlotập hợp tự hợp ba chiều. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng điện tử chủyếu chuyển động theo phương x. Cường độ bức xạ TeraHertz phát ra từ bándẫn loại p lớn hơn so với cường độ bức xạ TeraHertz phát ra từ bề mặt bándẫn loại n. Bài báo cũng chỉ ra rằng bức xạ TeraHertz phát ra từ bán dẫnInAs loại p có tần số cao hơn so với bức xạ phát ra từ bán dẫn loại n khi sửdụng cùng một loại laser kích thích.1. GIỚI THIỆUBức xạ TeraHertz (THz) là bức xạ có tần số cao nằm trong khoảng 10 THz đến 30 THz,bức xạ TeraHertz có vai trò quan trong các ngành khoa học và kỹ thuật: vật lý học, hoáhọc, y học, thiên văn học, sinh học. Các nghiên cứu và báo cáo chỉ ra rằng, bán dẫnInAs phát ra các sóng THz với cường độ cao hơn một bậc về mặt biên độ so với nhữngbán dẫn có năng lượng khe vùng rộng như InP hay GaAs dưới cùng điều kiện. Theohướng (100) bán dẫn InAs bức xạ các sóng THz chủ yếu do sự vận chuyển hạt tải đượcđiều khiển bởi trường Dember quang [8]. Thêm vào đó, bức xạ THz phát ra từ các bềmặt bán dẫn đã được nghiên cứu rộng rãi bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo tậphợp tự hợp một chiều [10].Gần đây, K.Liu [8] và các cộng sự đã tiến hành các thực nghiệm bức xạ THz phát ra từmột chuỗi các lớp mỏng bán dẫn InAs loại n và loại p dưới ảnh hưởng của hiệu ứngDember quang. Kết quả thí nghiệm đã chỉ ra rằng hiệu suất bức xạ THz phát ra từ bándẫn InAs loại p lớn hơn bán dẫn InAs loại n. Vấn đề này đã được các tác giả Ngô QuốcHưng và Nguyễn Duy Hoàng nghiên cứu về mặt lí thuyết [2], [3]. Các tác giả trên đãmô phỏng bức xạ THz phát ra từ các loại bán dẫn khác nhau từ việc sử dụng các phươngpháp phương trình cân bằng [2] và dưới ảnh hưởng của hiệu ứng Dember quang [3] đãthu được kết quả khá phù hợp so với thực nghiệm mà K.Liu và các đồng sự đưa ra. Tuynhiên với bài toán này các kết quả thí nghiệm trên có thể được kiểm tra bằng mộtphương pháp tính chính xác hơn đó là phương pháp mô phỏng Monte Carlo ba chiều.Phương pháp này đã được nhiều tác giả áp dụng vào các bài toán động học siêu nhanhtrong các linh kiện bán dẫn nano. Với các kết quả thu được các tác giả đã giải thíchtường minh bức tranh vật lý về sự bức xạ THz phát ra từ bề mặt bán dẫn mà các kết quảthực nghiệm đã đưa ra.Tuy vậy, bài toán này mới chỉ dừng lại ở mức độ chỉ có nồng độ hạt tải trong chất bándẫn InAs và chưa khảo sát chi tiết ảnh hưởng của nồng độ pha tạp. Ngoài ra, bài toánTạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm HuếISSN 1859-1612, Số 03(23)/2012, tr. 30-36MÔ PHỎNG MONTE CARLO BA CHIỀU BỨC XẠ TERAHERTZ…31trên cũng chỉ mới được các tác giả thực hiện mô phỏng theo một chiều không gian cònchuyển động của hạt tải theo hai chiều còn lại chưa được khảo sát.Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo tập hợp tựhợp ba chiều để mô phỏng bức xạ THz phát ra từ bán dẫn InAs loại p và bán dẫn InAsloại n. Chúng tôi tính toán bức xạ THz phát ra bởi quá trình tán xạ và trôi dạt của hạt tảitrên bề mặt bán dẫn InAs khi tính đến ảnh hưởng của nồng độ pha tạp.2. MÔ HÌNH LINH KIỆNQuá trình mô phỏng được thực hiện trên cả bán dẫn InAs loại n và bán dẫn InAs loại pvới nồng độ pha tạp tương ứng là 3×1016 cm-3 và 1×1016 cm-3.Các điện tử và lỗ trống được tạo ra trên bề mặt bán dẫn bởi một xung laser với nănglượng 1.54 eV và độ dài xung 10 fs. Mật độ hạt tải bị kích thích quang được cho là 1018cm-3. Chuyển động của các hạt tải quang do sự chênh lệch nồng độ điện tích trên bề mặtbán dẫn trong điều kiện không có trường ngoài. Bảng 1 đưa ra các tham số của vật liệubán dẫn InAs được dùng trong quá trình mô phỏng.Bảng 1. Các tham số vật liệu bán dẫn InAs ở 300 KĐại lượngGiá trịĐại lượngMật độ khối lượngNănglượngphonon quang5667 kg/m3dọcHằng số điện môi tĩnhNăng lượng phonon quang12.3ε0 F/mngangHằng số điện môi với tầnKhối lượng hiệu dụng của lỗ15.15ε0 F/msố caotrống nặngVận tốc truyền sóng âm3240 m/sThế biến dạng phonon âmm*eL=0.290m0 Thế biến dạng phonon quangKhốilượng hiệu dụng củađiện tử trong các thungm*eX = 0.640m0 Độ rộng khe năng lượnglũngm*eΓ = 0.023m0Giá trị0.0297 eV0.0274 eVm*h=0.410m06.5 eV1.4 1010 eV0.354 eV3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬNChúng tôi đã nghiên cứu và xây dựngchương trình mô phỏng Monte Carlotập hợp tự hợp ba chiều cho cả bán dẫnInAs loại n và loại p với nồng độ phatạp tương ứng là 3.1016 cm-3 và 1.1016cm-3.Hình 1 chỉ ra vận tốc trôi dạt của điệntử bên trong bán dẫn loại p, trong đóvận tốc của điện tử theo phương x đượcthể hiện bằng đường liền nét có kí hiệuhình vuông, vận tốc của điện tử theophương y được thể hiện bằng đườngđứt nét có kí hiệu hì ...