بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با مقایسه نتایج تجربی و محاسبات نظري تحرك پذیري گاز الکترونی دوبعدي در ساختارهاي دورآلاییده AlGaAs/GaAs ، چگالی بارهاي زمینه تعیین شده اند. در رشد رونشانی ساختارهاي نامتجانس وقوع ناکاملی، تهی جا و یا جانشینی ناخالصی ها امري اجتناب ناپذیر است و این عیوب عامل ظهور بارهاي زمینه - BC - و باعث پراکندگی حاملهاي آزاد و کاهش تحرك پذیري آنها می شود. بعلاوه پراکندگی از ناخالصی هاي یونیده دور - RI - در لایه آلاییده بعد از لایه جداگر نیز مزید بر علت است.
محاسبات نشان می دهد که در این سا ختارها با افزایش ضخامت لایه جداگر ls ، پراکندگی کولنی گاز الکترونی از ناخالصی هاي یونیده دور - RI - کاهش، ولی پراکندگی از بارهاي زمینه - BC - افزایش می یابد. بعلاوه با کاهش چگالی بارهاي زمینه تحرك پذیري افزایش می یابد. از مقایسه نتایج تجربی و محاسبات نظري تغییرات ʽ بر حسبls ، در می یابیم که چگالی بارهاي زمینه در ساختار تحت مطالعه در حد 5×1014 ±e/cm3 می باشد.
مقدمه
با تکامل روشهاي رونشانی پیشرفته مانند MBE ، رشد ساختارهاي چند لایهاي نامتجانس عملی شده است. با کنترل آهنگ و دماي رشد می توان ناکاملی ها و ناصافی هاي سطح رشد را کاهش داد و به تبع آن چگالی تهی جاها در رشد لایه تقلیل می یابد. از طرف دیگر ورود ناخالصی هاي ناخواسته در رشد لایه ها پدیدهاي اجتناب ناپذیر بوده و براي رفع این مشکل استفاده از سیستم هاي خلأ بسیار بالا و محفظه هاي رشد با کمترین آلودگی n-AlGaAs/GaAs بسیار کارساز بوده است. بهرحال وجود ناخالصی هاي یونیده و یا تهی جاهاي باردار و بعبارتی بارهاي زمینه - مثبت یا منفی - باعث پراکندگی حامل هاي آزاد و کاهش تحرك پذیري آنها می شود. در این مقاله با استفاده از محاسبات نظري وابستگی تحرك پذیري گاز الکترونی دوبعدي به چگالی بارهاي زمینه، میزان آنها را در ساختار دورآلاییده AlxGa1-xAs/GaAs با x= 0.3 ارزیابی می کنیم.
خواص و ساختار الکترونی
درصد Al افزایش می یابد. در شکل 2 تغییرات نظري ns بر حسب ضخامت لایه جداگر ls که به روش حل خودسازگار معادلات شرودینگر و پواسون [2] ، محاسبه شده است را ملاحظه می کنید. وجود لایه جداگر - spacer - به ضخامت ls ، بین لایه آلاییده و گاز الکترونی باعث کاهش برهم کنش کولنی الکترونها و ناخالصیهاي یونیده در لایه آلاییده می شود و درنتیجه تحرك پذیري گاز الکترونی به مراتب افزایش می یابد و در دماي پایین - دماي هلیم مایع - که پراکندگی فونونی ناچیز می باشد تحرك پذیري به دهها برابر مقدار آن در دماي اتاق افزایش می یابد. معذالک پراکندگی کولنی گاز الکترونی از ناخالصی هاي دور و یا بارهاي زمینه در ناحیه چاه کوانتومی مهمترین عوامل محدودیت تحرك پذیري می باشند.
پراکندگی کولنی و تحرك پذیري
در دماي پایین - T=0K - و در حد کوانتوم الکتریک تحرك پذیري گاز الکترونی شبه دوبعدي به زمان واهلش τ و جرم مؤثر حامل m و یکاي بار الکتریکی e مربوط می شود: æ در پائین، ساختار نوار رسانش آن نشان داده شده است. بارهاي زمینه با نماد * نمایش داده شده اند و چون چگالی آنها در مقایسه با ND ناچیز است لذا در فرآیند انتقال بار قابل صرفنظر می باشند لذا در شکل پایین مشخص نیستند.
ساختار دورآلاییده AlGaAs/GaAs
در قسمت بالاي شکل1 ترتیب لایه هاي یک ساختار دورآلاییده که به روش رونشانی بر بستر GaAs رشد یافته نشان داده شده است. بخشی از لایه AlGaAs با فاصله اي 5-70nm از لایه GaAs با ناخالصی دهنده با غلظت ND = 3/4×1017 اتم بر سانتیمتر مکعب آلاییده شده است .[1] مطابق نمودار پائین شکل 1 وجود یک چاه کوانتومی در نوار رسانش - - Ec این ساختار در محل لایه GaAs باعث می شود که یک گاز الکترونی شبه دوبعدي - 2DEG - در نزدیکی میان گاه AlGaAs/GaAs تشکیل شود. چگالی در واحد سطح گاز الکترونی دو بعدي ns ، با کاهش ضخامت لایه جداگر ویا افزایش شکل: 2 تغییرات نظري - منحنی ها - دانسیته 2DEG در ساختار AlGaAs/GaAs بر حسب ضخامت لایه جداگر ls که با احتساب پارامترهاي مندرج در شکل که به روش حل خودسازگار معادلات شرودینگر و پواسون محاسبه شده است. دایره ها نتایج تجربی مرجع [1] می باشند.
نتایج و بحث
در محاسبه تحرك پذیري ابتدا تغییرات نظري ns-ls محاسبه و این کار در شکل1 نشان داده شده است. بعد از اینکه به ازاء هر مقدا ر ls ، مقدار ns مشخص گردید ، به تبع آن ld =ns/ND ، تابع موج در چاه کوانتمی و سایر پارامترهاي لازم محاسبه می شوند و سپس معکوس زمانهاي واهلش τRI و τBC طبق معادلات 3 تا 7 در یک برنامه محاسباتی بدست آمده و سرانجام تحرك پذیري کل طبق قاعده ماتیسن محاسبه می شود. در شکل 3 تغییرات نظري تحرك پذیري محدود به: ناخالصی هاي دور ʽRI و بارهاي زمینه ʽBC و نیز تحرك پذیري کل ʽ بر حسب ls که براي پارامترهاي مندرج در شکل محاسبه شده نمایش داده شده است.
ملاحظه می شود که در ضخامتهاي کوچک لایه جداگر، پراکندگی از ناخالصیهاي یونیده دور - در لایه آلاییده - عامل اصلی و در ضخامتهاي بزرگ، پراکندگی از بارهاي زمینه عامل مهم در محدودیت تحرك پذیري کل گاز الکترونی می باشد. لازم به توضیح است که وابستگی ʽBC به ضخامت لایه جداگر ls ناشی از وابستگی kF و gs و gimp وb - طبق معادلات 3 تا - 6 به ns می باشد که ns خود تابع ضخامت لایه جداگر می باشد.
