Blue lighting technology with  LEDs  và  LDs :

 Phần 2 – Multi quantum wells

Trần  Trí Năng

(Univ. of Minnesota & Ecosolar International)

Trong số những tháng trước [1,2] , chúng tôi đã giới thiệu với độc giả GS     Shuji Nakamura của University of California- Santa Barbara (UCSB), người đã đưa ra thị trường sản phẩm đi -ốt phát quang màu xanh (blue light emitting diodes hay gọi tắc là blue LED’s) và laze đi- ốt màu xanh (blue laser diodes  hay blue LDs).  Đây là một thành công lớn với nhiều ứng dụng trong nhiều lãnh vực khác nhau chẳng hạn như  blu-ray optical storage như blu-ray disc , HD-DVD, LED TV , LED displays  , đèn thắp sáng ngoài trời đặc biệt là đèn trắng, đèn giao thông , đèn xe, laser printers và  laser displays. Chúng tôi cũng đã giới thiệu một số cơ bản về những yếu tố lượng tử cần thiết trong nguyên ly hoạt động của LEDs và LDs.

  Trong số này, chúng tôi sẽ thảo luận khái niệm cơ bản về multi quantum wells (MQW) – một cấu trúc nano với nhiều giếng lượng tử (quantum wells hay QWs)  và tường lượng tử (quantum barriers hay QBs) cực mỏng có đơn vị nanometers (nm). MQW với nhiều chu kỳ của InGaN với lượng In khác nhau hay InGaN/GaN đóng vai trò như vùng hoạt động giữa hai chất bán dẫn n-type và p-type GaN trong cấu tạo của LEDs và LDs.  Nói chung, quantum wells có những lợi điểm sau: (i) tự do trong việc thiết kế,  cho nhiều loại bán dẫn khác nhau (bandgap engineering); (ii) có hiệu xuất phát xạ cao; (iii) laser threshold thấp với mật độ dòng điện giới hạn thấp; và (iv) sự tái kết hợp của hạt tải trên bề mặt ít quan trọng đối với QW hơn là đối với bulk materials.

Keywords : heterostructures, bandgap engineering, quantum confinement, superlattice, multi quantum well (MQW), quantum well, quantum barrier,  bandgap, bandgap , GaN, InGaN, optical confinement.

Quantum  wells (QW) and superlattices (SL) đã và đang trở thành kỹ thuật quan trọng trong lãnh vực vi điện tử và quang điện tử một phần lớn là nhờ những ưu thế chưa từng có trước đây trong kỹ nghệ chế tạo màng mỏng (MBE và MOCVD) như kiểm soát rất đích xác chiều dày tới mức nanometers (nm), phân giới giữa các màng mỏng  , và    thành phần các chất và pha tạp chất .  

1.Cấu tạo của linh kiện bán dẫn  LEDs & LDs

Cả hai LEDs và LDs có cấu trúc p⁺-n⁺  với chất bán dẫn có  năng lương vùng cấm trực tiếp (direct  bandgap semiconductor) phát ra ánh sáng khi phân cực thuận (forward bias) được áp đặt ở hai đâu điện cực. LEDs không có điện thế giới hạn (threshold voltage). Thường LEDs phát quang khi dòng điện tiêm nhập (injection current) chạy qua vùng tiếp hợp (junction) . Ánh sáng của LEDs được sinh ra do  sự tái kết hợp phát xạ (radiative recombination) của electrons-holes  trong vùng hoạt động (active region) khi  forward bias đặt trên linh kiện bán dẫn này.  LEDs vì thế cho ra  tự phát photôn không điều hợp cùng pha, không có độ chỉ hướng và không phân cực (nonincoherent, non-directional and unpolarized spontaneous photons) . Trong khi đó, Laze là một linh kiện bán dẫn thuộc dạng khuếch tán quang (semiconductor optical amplifier) như đã trình bày ở những số trước [1,2] .   Sự khác biệt chính nhất giữa LEDs và LDs là ở trường hợp của LDs,  tia sáng được khuếch đại ở trong buồng cộng hưởng  của LDs . Ở phần cuối của buồng cộng hưởng, có thiết lập  phần gương (mirrors)  để phản chiếu phôton di chuyển  qua lại nhiều lần, khiến  cho phôton  va chạm với hạt electrons , bị kích thích và kết quả là thêm  nhiều hạt phôton phóng ra và ánh sáng được khuếch đại .  Sự phản hồi quang học (the  optical feedback) của LDs được thực hiện  bằng cách tách rẽ chất bán dẫn dọc theo  mặt kết tinh (crystal planes). Sự khác nhau rõ nét về hệ số khúc xạ giữa tinh thể  (~ 3.5) và các môi trường chung quanh làm cho bề mặt tách rẽ của tinh thể đóng vai trò như một tấm phản chiếu.

Laze đi-ốt dựa trên nitride (nitride diode laser), vận hành ở bức sóng gần 420 nm, được thực hiện  vào năm 1995 bởi TS  Nakamura và nhóm ông tại  hãng Nichia, Nhật bản. Laze đi-ốt dựa trên nitride này lúc đầu chỉ có thể vận hành ở điều kiện mạch xung (pulsed conditions)  với một mật độ dòng điện giới hạn (threshold current densities ) khoảng  vài chục kA/cm²  . Nhưng  chức năng của linh kiện bán dẫn này đã được cải thiện  khá  nhanh sau đó: ngoài sự vững chắc của  các chất  liệu dùng , vào năm 1998  laze đi-ốt  dựa trên nitride này đã vượt qua laze dựa trên các chất bán dẫn II-VI về độ dài của thời gian hoạt động ở điều kiện sóng  liên tục (continuous wave mode hay CW mode) . Đặc biệt nhất là nhóm nghiên cứu ở Nichia  đã thành công trong việc nâng  thời gian hoạt động  của mẫu thử đi-ốt (prototyped diodes) lên tới 10.000 giờ; cái mốc  đòi hỏi trước khi có thể tung sản phẩm này ra thị trường [3]. Sau đó , nhiều nhóm khác ở Nhật như Sony, Fujitsu, Xerox, NEC, Matsushita, and Toyoda Gosei  cũng chế tạo được  blue LDs  vận hành ở mode liên tục CW – mặc dù chưa đạt được thời gian hoạt động kỷ lục  như Nichia.

 Dưới đây chúng tôi xin đơn cử vài cấu tạo điển hình của hai linh kiện bán dẫn LEDs và LDs:

1-1 Sự liên hệ giữa các đơn vị dùng trong công nghệ màng mỏng

Màng mỏng có chiều dày rất nhỏ, chỉ trong khoảng từ 0,002 đến 1 micron (trong khi đường kính của sợi tóc con người khoảng 50-100 micron). Trong lĩnh vực này, chúng ta không thể dùng những đơn vị quen thuộc như mét (m), centi-mét (cm), milli-mét (mm) , mà phải dùng những đơn vị nhỏ hơn hàng triệu lần (micrometer) hay nhỏ hơn một tỉ lần (nanometer) của một mét, như được biểu hiện ở Hình 1. Ba đơn vị thường dùng trong công nghệ này là micrometer (µm), nanometer (nm) và Angstrom (A) [4] .Đặc biệt trong số này, chúng tôi sẽ dùng nhiều đơn  vị nanometer để miêu tả chiều dày của các lớp màng mỏng trong cấu trúc LEDs và LDs. . 

Hình 1: Sự liên hệ giữa nanometer (nm), Angstrom (A) và micrometer (µm),
ba thông số thường dùng nhất trong công nghệ màng mỏng.

1-2 Vài thí dụ về  LEDs :

Hình 2 diễn tả cấu tạo của tiếp hợp p-n LEDs với giếng điện tử (quantum wells) dùng trong vùng hoạt động. Bởi vì vật nền saphia (sapphire substrate) không dẫn điện, hai điện cực của LEDs phải nằm cùng một phía về hướng đối diện với vật nền.

Hình 2:  Cấu tạo của tiếp hợp p-n  blue LED’s 
(tài liệu của TS Ian Watson, Univ. of Strathclyde, 2007, reference 5).

Ở một cấu tạo khác của LEDs biểu hiện ở Hình 3  (a và b) , tường chắn (barrier) Mg doped  GaN  được dùng để gia tăng cường độ phát quang (photoluminescence  intensity),  độ  an định nhiệt (thermal stability) , and hiệu xuất lượng tử nội bộ IQE (internal quantum efficiency) của LEDs. Sự cải thiện về công suất đầu ra (output power) là do sự gia tăng về lượng hole tiêm nhập vào các lớp trong giếng lượng tử với tường  chắn Mg-doped.  Độ giảm về mức độ khiếm khuyết (defect density) và độ gồ ghề RMS (RMS roughness) được xác nhận bởi hình AFM. Thêm vào đó, người ta cũng xác nhận được sự giảm độ khiếm khuyết với  Mg (magiê) từ 10⁹  cm^-2  (không thêm tạp chất Mg) xuống còn  10⁶  cm^-2  (với Cp₂ Mg : 0.04 sccm) và cuối cùng còn 0 (với Cp₂ Mg : 0.2 sccm). Điều này chứng tỏ rằng  thêm tạp chất magiê vào trong cấu trục giếng lượng tử có thể cải thiện tính chất quang học của linh kiện bán dẫn quang học  dựa trên GaN.  Giếng lượng tử (MQW’s) trong hình này gồm có giếng lượng tử (quantum wells-QWs) InGaN và tường chắn  lượng tử (quantum barriers-QBs)  GaN.

Hình 3: Cấu tạo của LED với giếng lượng tử  MQW  được thành lập với 5 chu kỳ
gồm có undoped-GaN (2 nm) / Mg-doped GaN (4 nm) / GaN (2 nm) [6].

Một thí dụ nữa về giếng lượng tử MQWs  với GaInN ở những thành phần khác nhau cho cả hai quantum wells (QWs) and  quantum barriers (QBs) như ở  hình 4 (a) . Cấu tạo với GaN (QB) /GaInN (QW) biểu  hiện ở Hình 4 (b) dùng để tham khảo. 

Hình 4:  Sơ đồ cấu tạo epitaxy của (a) GaInN/GaInN MQW LED (GaInN/GaInN LED)
và  (b) GaInN/GaN MQW LED (để tham khảo) [10].

LEDs với cấu tạo ở  Hình 4 được hình thành trên vật nền saphia có c-plane (0001), dùng một hệ thống MOCVD do hãng  Aixtron (Đức)  chế tạo.  Cấu tạo này gồm có một  lớp  undoped GaN (2 µm) đặt nằm trên lớp đệm GaN (30 nm), một lớp a Si-doped  n-type  GaN (3 µm) , vùng hoạt động  giếng lượng tử MQW với ba chu kỳ GaInN/GaInN (3 nm/12 nm) hay GaInN/GaN (3 nm/16 nm)  , một lớp  undoped GaN dùng làm miếng đệm (spacer) , một lớp chắn electron (electron blocking layer EBL) Mg- doped p-type Al_0.13 Ga_0.87N (35 nm) , và lớp contact a Mg- doped  GaN (50 nm). Để dễ dàng trong việc tham khảo, chúng tôi gọi cấu tạo ở Hình . 4(a) “GaInI/GaInN LED” và cấu tạo ở Hình 4(b) “reference LED” . Đối với tường chắn lượng tử GaN QBs ở Hình . 4(b), lớp GaN layer (LT-GaN QB, 2 nm)  trước tiên được tạo ra ở nhiệt độ at 720 C; đây cũng ở cùng nhiệt độ  dùng cho QW’s để bảo vệ GaInN khỏi phải bị nhiệt phân giải trong suốt thời gian gia tăng nhiệt độ tạo thành màng mỏng nói trên. Tiếp theo, lớp GaN QB (HT-GaN QB, 14 nm) được hình thành ở 790 C nhằm để bảo đảm phẩm chất của  tinh thể. Hơn nữa,  GaInN QB’s  được hình thành mà không cần lớp bảo vệ GaN đặt giữa  QWs and QBs và ở nhiệt độ hình thành thấp hơn HT- GaN QBs. Lớp GaInN QBs mỏng hơn lớp   GaN QBs để duy trì chất lượng tinh thể tốt.  Thành phần của In trong GaInN QWs và  GaInN QBs theo thứ tự là 20%  và  10%  để cho ra tia sáng màu blue và để giảm thiểu độ  phân cực không điều hợp (polarization mismatch) giữa  QW and QB.  Lớp GaInN (2.5 nm) được dùng như tường chắn lượng tử QB sau cùng  , tiếp theo bằng   GaN spacer layer ( 2.5 nm)  dùng cho GaInN/GaInN LED.  Lớp  LT- GaN ( 2 nm) được dùng như lóp QB đầu tiên , theo sau bằng  lớp GaN spacer layer (5 nm)  dùng cho “reference LED”. Trong cả hai cấu trúc này, trừ trường hợp của QBs, điều kiện tạo thành cho tất cả các màng mỏng khác đều giống nhau. 

Dấu hiệu đầu tiên liên quan đến phẩm chất của vật liệu tạo thành là cả hai mẫu linh kiện đều có bề mặt giống như mặt  kính . Sau khi wafers được nung nóng ở 800 C trong 1 phút trong môi trường nitrogen để kích thích độ doping trong p-type GaN, cả hai linh kiện LEDs được cắt thành mẫu nhỏ LEDs có tầm kích 300 x 300 µm²   dùng phương pháp chế tạo LEDs tiêu chuẩn . Ti/Al/Ti/Au và NiZn/Ag điện cực được dùng theo thứ tự  cho n-type and p-type Ohmic contact, [6].

1-3  Vài thí dụ về LDs

Linh kiện bán dẫn  này hoạt động liên tục ở 100 C với công xuất 35 mW và.được tạo thành  trên vật nền saphia  c- face (0001) ở áp xuất khí quyển tiêu chuẩn dùng  hệ thống two-flow MOCVD [7,8,9] .  Laze đi-ốt dựa trên InGaN MQW  này gồm có GaN buffer layer (30 nm) tạo ở  550 C, lớp n-type GaN:Si (3 µm),  n-type In0.05Ga0.95N:Si  (0.1 µm), n-type Al_0.08 Ga_0.92 N:Si (0.6 µm), n-type GaN:Si (0.1 µm), an In_0.15 Ga_0.85 N/In_0.02 Ga_0.98 N MQW n-type GaN:Si (0.1 µm) , an In_0.15 Ga_0.85 N/In_0.02 Ga_0.98 N MQW với ba chu kỳ  có Si-doped In0.15Ga0.85N (3.5 nm) QW/ Si-doped In0.02Ga0.98N QB (7nm) , p-type  Al0.2Ga0.8N:Mg (20 nm) , p-type GaN:Mg (0.1 μm) ,

p-type GaN: Mg (0.1 μm), p-type Al0.08Ga0.92N:Mg (0.6 μm) , và  p-type GaN:Mg (0.3 μm). Ở đây, hai lớp n-type and p-type GaN (0.1 μm) được dùng  cho light-guiding và lớp  p-type Al0.08Ga0.92N (0.6 μm) dùng như cladding layers trong việc kiềm chế hạt tải (carriers) và ánh sáng  phát ra từ vùng hoạt động của cấu trúc InGaN MQW  [10]

Fig. 5. The lifetime of the InGaN multi-quantum-well (MQW) structure LDs
have been improved to 35 hrs  under RT-CW operation [7,8]

Mốt cấu tạo khác của la-ze đi-ốt tương tự như cấu tạo ở Hình 5 ở trên được biểu hiện ở Hình 6 .

Hình 6    Typical structure of an edge emitting blue multiple quantum well (MQW) diode laser. (a) Schematic of the layered heterostructure for electronic and optical confinement, with electrical contacts. (b) Energy band representation of the active region, with InGaN quantum wells separated by GaN barriers. Injected electrons and holes are trapped in the MQW, where they radiatively recombine.

Lớp kiềm chế electron AlGaN dùng để không cho  hạt electrons rời vùng hoạt động. Cấu tạo của the edge-emitting  laser diode được biểu hiện ở Hình 6 (a). Vùng hoạt động, nơi mà  the optical gain cần thiết để giữ tình trạng lasing  , gồm có MQW với chu kỳ InxGa1–xN (QW) /GaN (QB) với chiều dày 3-4 nm cho mỗi lớp. Cấu trúc  MQW này được đặt nằm giữa tiếp hợp p-n  với QWs có bandgap hẹp hơn QBs.  Biến đổi giữa vùng dẫn (conduction band ) và vùng hóa trị  (valence band) [12] được biểu hiện ở Hình 6 (b). Hạt electrons và holes khi vào MQW bị mắc bẫy (trapped) trong giếng lượng tử . Khi kết hợp, chúng  cho ra photôn. Bằng cách biến đổi tỉ số In/Ga , chúng ta có thể điều chỉnh     chiều dài bước sóng phát ra từ 390 nm (violet) đến 450 nm (blue). Lớp GaN (100 nm) dùng trong p-n  tiếp hợp vừa đóng vai trò   như ống dẫn sóng (waveguide)  dọc theo bề mặt của màng mỏng và vừa làm nợi  tồn trử electrons –holes  để tiêm nhập vào vùng hoạt động. Nhiệm vụ  của  waveguide  sau cùng được hoàn thành  với AlGaN cladding layers với hệ số khúc xạ  thấp hơn.  [13].

2- Bandgap engineering

2-1 Double heterostructures

Vì superlattice và multi quantum wells thảo luận ở các phần kế tiếp  có liên quan nhiều đến double heterostructures, nên chúng tôi xin trình bày cấu trúc này trước để dễ dàng theo dõi hơn sau này.

Cứ tưởng tượng vì một sự tình cờ thiên nhiên nào đó, có một cái giếng nhỏ  được tạo ra giữa hai khe nuối ; và nước mỗi ngày cứ chảy vào cái giếng này. Vì cái giếng nằm dưới thấp, nên nước không thể chảy ngược lại lên cao nên lượng nước  trong giếng càng ngày càng nhiều; và số nước này chỉ có thể thoát ra theo hướng ngang hông nếu bức tường chắn mỏng hay có nhiều lỗ hở.

Cái giếng lượng tử (quantum well) cũng giống như cái giếng này trong đó các hạt tải (carriers) là nước giếng.  Hiệu xuất lượng tử nội bộ (internal quantum efficiency IQE)  có thể được cải thiện nếu hạt tải bị kiềm chế, làm tăng thêm xác xuất tái kết hợp phát xạ .  Một cách để thực hiện điều này là dùng cấu trúc không đồng chất đôi (double heterostructure), nơi mà chất bán dẫn có vùng cấm năng lượng hẹp (narrow bandgap) được kẹp giữa hai lớp bán dẫn có vùng cấm  rộng  hơn, như trường họp của InGaN đặt giữa GaN ở Hình 7.  Hạt tải luôn luôn thích trạng thái năng lượng thấp (lower energy states); thế nên  hạt tải sẽ tập trung ở vùng giữa (InGaN) ; và cho ra nhiều cặp electrons-holes sẵn sàng tham gia vào quy trình tái kết hợp phát xạ.

Hình 7. Energy band diagram of GaN/InGaN/GaN quantum well with electrical carrier injection and radiative recombination.

            Nếu vùng giữa  của cấu trúc này  đủ nhỏ, nó có thể giới hạn  sự di động của hạt tải  vào 2 chiều  , và  được biết như giếng lượng tử (quantum well)—sẽ được trình bày sau.  Trong InGaN LEDs, chiều rộng của giếng lượng tử  vào khoảng  3 nm.  Sự kiềm chế này đưa đến sự gia tăng  IQE. Vì có một số hữu hạn trạng thái năng lượng (energy states) cho mỗi giếng lượng tử  ,  MQW  có thể dùng  để  ngăn chận  sự đong đầy giếng (well filling), ví thế sẽ tăng  số tái kết hợp phát xạ từ băng này đến băng  kia (band-to-band radiative recombination).  Sự kiềm chế hạt tải và  quang học trở thành rất hữu hiệu với  double heterostrcutures. Cấu tạo cơ bản của double heterostructures có thể hoặc P-p-N hay P-n-N (the capital P , N ám chỉ chỉ chất bán dẫn có bandgap rộng, trong khi đó p, n chỉ định chất bán dẫn với bandgap hẹp hơn  Hầu hết tất cả  những hạt tải thặng dư  do dòng điện (current injection) tiêm nhập và kiềm chế ở vùng với bandgap hẹp trong hình.  Bởi vì lớp lớp có bandgap hẹp có hệ số khúc xạ cao hơn  hai lớp có bandgap rộng bên ngoài ,  waveguide (ống dẫn sóng)  được tạo thành ở double heterostructure.

2-2 Bandgap engineering

Vì chiều dài bước sóng phóng ra  tùy thuộc vào bandgap  của chất bán dẫn, nhiều nghiên cứu  chú tâm vào kỹ thuật điều chỉnh để đạt được bandgap mong muốn.  Kỹ thuật này được gọi là  kỹ thuật biến đổi năng lượng vùng cấm (bandgap engineering).  Nói một cách khác,  bandgap engineering  là quy trình tạo chất bán dẫn (gồm nhiều lớp) với đặc tính điện và quang khác nhau bằng cách thay đổi chiếu dày màng mỏng, thành phần  của hợp chất trong các chất bán dẫn. Khái niệm về kiềm chế lượng tử (quantum confinement)  đã dẫn đến  hiệu quả quantum sizes (quantum size effects) trong  quantum well heterostructures  và liên hệ mật thiết  với superlattice (siêu tinh thể)  thông qua hiệu ứng tunen (tunneling phenomena).  Trong cấu tạo double heterostructures nơi  chất bán dẫn có bandgap hẹp hơn như GaAs được đặt kèm giữa   chất bán dẫn có bandgap rộng hơn như AlGaAs ,  sự kiềm chế (confinement) đạt được do độ bất liện tục về năng lương ở vùng phân giới giữa hai chất bán dẫn , đưa đến  sự biến đổi hình thái giữa vùng dẫn (CB) và vùng hóa trị (VB).

Nghê thuật liên quan đến bandgap engineering tùy thuộc nhiều  về sự phát triễn kỹ thuật  về lãnh vực thành trưởng tinh thể . Tinh thể khối (bulk crystals) tạo ra từ trạng thái lỏng thường có  nhiều tạp chất   và mật độ khiếm khuyết cao. Thế nên, các linh kiện bán dẫn quang điện tử  thường được chế tạo  với những phương pháp epitaxy như là epitaxy pha lỏng (liquid phase epitaxy LPE), epitaxy chùm phân tử ( molecular beam epitaxy MBE)  và  ngưng đọng hơi hóa học MO ( metaloorganic chemical vapor deposition MOCVD). Nguyên ly căn bản của epitaxy là thành trưởng  những lớp màng mỏng với độ thuần khiết rất cao trên một  tinh thể khối dùng làm  vật nền. Hệ thống này  dựa trên tinh thể điều hơp (lattice matching)   khi  hằng số tinh thể (lattice constant)  của lớp epitaxy  và của vật nền đồng nhất.  Sự điều hợp tinh thể  mặc dù có thể làm giảm  lượng lệch mạng tinh thể (dislocations) trong lớp epitaxy, nhưng đồng thời cũng tạo nên những ràng buộc rất  khắt khe về bandgaps của màng mỏng tạo thành .         

Sự phát triễn phát quang đi-ốt LEDs và laze đi-ốt LDs dẫn đến  sự chú tâm nhiều về các chất bán dẫn GaN-based III-V nitrides trong cộng đồng nghiên cứu thế giới. Những vật liệu  thuộc thể  loại gọi là chất bán dẫn với năng lượng vùng cấm rộng (wide bandgap semiconductors ) được  thiết lập quanh trọng điểm GaN; một chất bán dẫn   có bandgap  3.4 eV (tương đương với chiều dài bước sóng 365 nm) như được biểu hiện ở

Hình  8 (a) .

  (a)

   (b)

FIGURE 8 . Room temperature bandgap energy versus lattice constant for the AlGaInN wide-bandgap semiconductor family, which has a wurtzite structure, compared with the cubic zincblende GaAs -based and ZnSe-based semiconductors. Sapphire and SiC, and other important optoelectronic III-V materials are also shown here. [9, 10]

Thí dụ như, band gaps của hợp chất  In_xGa_1-xN   bao gồm phạm vi của chiều dài bước sóng  từ InN (red) đến GaN (UV), rất thích họp cho nhiều  ứng dụng quang điện tử [10]. Những thành phần hơp chất khác dùng trong cấu tạo phát quang heterostructures là Al_xGa_{1-xN  (}0.65 eV to 6.2 eV tương đương với độ dài bước sóng 1.9 µm to 0.2 µm) và In_1-xGa_xN  .Vì sự khác nhau quá lớn khoảng  16% về   độ điều hợp tinh thể giữa GaN và  vật nền saphia,  AlN được dùng như buffer layer giữa hai vật liệu này. Hình 8  (b) biểu hiện sự thành lập các hợp chất liên quan đến GaAs, GaP, InP, AlAs và InAs với direct bandgaps và indirect bandgaps; nhưng vì các chất bán dẫn không liên quan đến nitrides nên chúng tôi không thảo luận nhiều ở đây. Để biết thêm chi tiết, xin  độc giả tham khảo  tài liệu  [11].

3. Quantum confinement, superlattice and  multiple quantum wells (MQW) in LEDs and LDs

3-1 Siêu tinh thể (superlattice)

Từ lúc đề xướng bởi Esaki*) & Tsu của IBM vào năm 1970, superlattice [13] đã trở thành rất thịnh hành trong nhiều  nghiện cứu  liên quan đến các cấu tạo lượng tử dùng trong  các linh kiện bán dẫn quang điện tử.  Khi hai chất bán dẫn với bandgaps khác nhau  hình thành xen kẽ trên nhau với độ dày 1- 10 nm , chúng ta sẽ tạo được  superlattice (Hình 9).

Hình 9 (a) An artificial  structure consisting of a stack of layers of two materials A and B of thicknesses d₁  and  d₂  , with a periodicity d= d₁ + d₂  (b) spatial profile of the conduction band minimum and valence band maximum, i.e., bandgap (or energy gap) , through a semiconductor lattice. [12]

Tùy thuộc vào tính chất của mỗi thành phần , superlattice có thể thuộc dạng từ tính (magnetic), quang học (optical) hay bán dẫn .  Ngoài ra, theo  tầm kích , superlattice có thể thuộc dạng quantum wire hay quantum dot supperlattice. Superlattice thường được phân loại dựa vào sự  kiềm chế năng lương  của hạt electrons và holes.  Thử khảo sát  hai chất bán dẫn A và B được sắp xếp theo thứ tự  B/A/B/A…, người ta có thể có những trạng huống  biểu hiện ở Hình 10. Những  hệ thống  kiềm chế này  thường có tên   type I và type II. Ở type I, hạt electrons và holes được kiềm chế trong cùng lớp A với giếng thế năng (potential well)  cho cả hai electrons và holes. Một thí dụ điễn hình của Type I là GaAs/Al_xGa_1-xAs. Với Type I,  phần dưới của vùng dẫn  và phần trên của vùng hóa trị ở trong cùng một lớp bán dẫn. nơi mà giếng lượng tử (quantum wells) dành cho hạt electrons và holes nằm gối lên nhau. Thể loại (Type IIA/staggered & IIB/misaligned) còn gọi là “spatially indirect band gap” semiconductor, nơi mà hạt electrons bị kiềm chế ở một lớp bán dẫn và  holes thì nằm ở một lớp khác.  Ngoài ra còn có Type III  gồm có sự họp thành của lớp bán dẫn và lớp zero-gap semiconductor, chẳng hạn như HgTe/CdTe superlattice. Sau cùng  superlattice  cũng có thể được hình thành  bởi hai lớp bán dẫn đồng nhất nhưng  pha (doped) với lượng tạp chất khác nhau.  Chẳng hạn như  cấu tạo  gồm có  lớp A (n-type) và lớp B (p-type) được gọi là doping superlattice.

Hình 10. Schematic diagrams of three arrangements of the confinement of electrons and holes formed by two semiconductors A and B [14]

Một thí dụ với A=GaAs và B= AlAs  được biểu hiện ở Hình 11. Trong trường hợp này, AlAs đóng vai trò QB và GaAs là QW.

Hình 11. The two materials possess different band gaps. These leads to discontinuities in both the conduction and the valence band. We may neglect the valence band as the holes are much heavier than the electrons and - in the case of doping - of much smaller number. Only the conduction band thus has to be considered [15].

3-2 Sự khác nhau giữa a  multi-quantum well (MQW)  và  a superlattice (SL)

Ở cấu tạo superlattice (Hình 12, bên phải) , QBs rất mỏng. Vì thế tunneling xảy ra giữa hai QWs. Có nghĩa là sự vận chuyển hạt tải  dọc theo hướng thẳng góc với  mặt superlattice  có thể xảy ra (phần sóng màu đỏ liên tục) . Đây là điểm khác của SL đối với MQW , nơi hướng vận   chuyển hạt tải này ít hiệu quả , và phần sóng màu đỏ bị đứt khoản ở QBs {Hình 12, bên trái}.

Hình 12. Vận chuyển hạt tải ở MQWs và SLs [16].

Nhiều đặc tính của SL và MQW giống nhau ( chẳng hạn như hiệu ứng phát sáng cao, hiệu xuất bắt giữ hạt tải trong giếng lượng tử cao, ảnh hưởng của bề mặt ít…) 

Vì trong MQW, QWs ngăn cách bởi các lớp QB’s dày, nên phân phối hạt tải có thể trở thành không đều như có thể thấy ở Hình 13.  Bảng 1 thêm vào vài điểm chính khác nhau giữa MQW và SL.

Hình 13 . Inhomogeneous carrier injection/ non-uniform carrier distribution .
A SL avoids this problem  because the barriers are much thinner  thereby enabling tunneling [16].

            Bảng 1.  Tóm lược vài nét chính khác nhau giữa MQW và SL.

3-3 Quantum confinement in nanostructures 

Hình 14  A single GaAs/AlGaAs quantum well . Electrons are moved freely  in x & y  directions and confined  in the z direction (one- dimentional quantization) .

Tương tự với hình 13, single quantum well ở hình 14 dược tạo thành bằng cách để lớp GaAs bị kẹp giữa hai lớp AlGaAs có bandgaps  rộng hơn. Và sự di động của hạt electrons  trong lớp GaAs bị lượng tử hóa theo hướng z, trong khi đó  di dộng trong hướng x,y còn được tự do. Tổng quan  về  quantum  confinement trong cấu trúc na-nô được biểu hiện ở  Fig. 15. Thêm vào lượng tử hóa một chiều (one-dimensional quantization) ở QWs, quantum wires với lượng tử hóa hai chiều (2- dimensional quantization) và   quantum dots với lượng tử hóa ba chiều (3-dimensinal) có thể tạo thành như ở hình 15 và  bảng 2.

Hình 15 . Cấu trúc na- nô  của quantum well, superlattice, quantum wire và quantum dot.

ảng 2 : Quantum confinement and   number of free dimensions of nanostructures.

3-4 Single quantum well and multi-quantum wells

Quantum  wells (QW) and superlattices đã và đang trở thành kỹ thuật quan trọng trong lãnh vực vi điện tử and quang điện tử. Quantum wells có những lợi điểm sau: (i) tự do trong việc thiết kế,  cho nhiều loại bán dẫn khác nhau; (ii) có hiệu xuất phát xạ cao: QW có một thể tích  nhỏ; vì thế  khi hạt tải tiêm nhập vào QWs, lượng hạt tải tự do sẽ cao,  sự chuyển di không phát xạ (non-radiative deep  transitions) sẽ ít hơn và  hiệu xuất phát xạ  sẽ cao; (iii) laser threshold thấp : vì thể tích  nhỏ, mật độ hạt tải cần thiết cho  dân số nghịch chuyển (population inversion) sẽ ít. Thế nên  mật độ dòng điện giới hạn (threshold current density) của QW sẽ thấp; và (iv) sự tái kết hợp trên bề mặt (surface recombination) trở thành  ít quan trọng đối với QW hơn là đối với bulk materials.  Hạt tải bị mắc bẫy bởi QW  và vì thế không thể đạt tới bề mặt được.

Thêm vào đó, những  kỹ thuất chế tạo màng mỏng như MBE và MOCVD  cho  những ưu thế chưa từng có trước đây trong kỹ nghệ chế tạo màng mỏng như kiểm soát chiều dày tới mức nanometers (nm) , thành phần các chất và pha tạp chất (doping)  và kỹ thuật kiệm soát đích xác các đặc tính quang điện tử. Đây cũng là y‎ do tại sao quantum well lasers thực hiện những đặc tính tốt hơn những loại  semiconductor lasers khác.

.3.4.1 Single quantum well

Hình 16: Single quantum well

Khảo sát Hình 16. Hai chất bán dẫn dùng trong single quantum well (SQW) với hai bandgaps khác nhau  : E_g,barrier  (QB) và E_g,well  (QW). Nếu  khoảng cách L_QW  giữa hai chất bán dẫn nhỏ, size quantization sẽ xảy ra. The absorption edge  E_g,QW giữa hai Fermi level sẽ  liên hệ với E_g,well  như sau:

E_g,QW  = E_g,well + E_0,e + E_0,h =

Ở đây,   E_0,e = quantized electron energy; E_0,h = quantized hole energy .

Theo công thức này, năng lượng phát xạ (emission energy) của quantum well khác với năng lượng phát xạ của các bán dẫn tạo thành . Vì thế QW  trở thành một  chất liệu tổng hợp mới.

Sơ đồ của multi quantum well (MQW) được biểu hiện ở hình 17. MQW  gồm có nhiều single quantum well (SQW). Thế nên MQW có nhiều wells và có nhiều carriers hơn. MQW cũng được dùng để giải quyết một số yếu điểm của SQWnhư băng bị đầy (band filling). Nếu  trường hợp này xảy ra, độ phát quang bão hòa sẽ xảy ra ở mật độ dòng điện cao.

3-4-2  Multi- quantum wells (MQW)  vs single quantum well (SQW)

(i)  A MQW duy trì những ưu điểm của SQW. Thêm vào đó, MQW có vùng hoạt động với thể tích lớn hơn  và vì thế có công suất phát  sáng cao hơn ; (ii) A MQW laser có độ gain và mật độ dòng điện giới hạn (threshold current density) lớn hơn SQW laser- low threshold laser; (iii)  Chiều dài tương giao (interaction length)  của bộ điều biến  MQW (modulator) cần ngắn hơn  chiều dài tương giao ở bộ điều biến SQW. Chiều dài tương giao ở đây  là độ dài qua đó optical field tác động tương giao  với QWs..

Hình 17. AlGaN  current –blocking layer in an AlGaN/GaN/GaInN multi-quantum well LED structure. (a) band diagram without doping. (b) Band diagram with doping . The Al content  in the  electron-blocking layer is higher than in the p-type confinement layer. [16]

Trong số tới chúng tôi sẽ trình bày cơ cấu vận hành của LEDs và LDs dựa vào những nguyên lý căn bản đã được trình bày trong số này và những số trước.

Tài liệu tham khảo

[1] http ://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/Hienthuong-Nakamura.htm

[2] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/LEDs-V2.htm

 [3] S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoko, and Y. Sugimoto, Jpn. J. Appl. Phys. 35, L74 (1996).

[4] http://www.erct.com/2-ThoVan/TTriNang/THIN-%20FILMS-1.htm

[5] [5] TS Ian Watson, Univ. of Strathclyde, 2007

[6] Nakamura, Science, 281, (1998), 956; IEEE, Circuits and Devices, May, 19 (1995).

[7] S. Nakamura: Appl. Phys. Lett. 58 (1999) 2021.

[8] S. Nakamura. Materials Science and Engineering B50 (1997) 277-284.

[9]     S. Nakamura, G. Fasol, The Blue Laser Diode, Springer-Verlag,

      Berlin, 1997.

[10] W Lee , M.H.Kim, D. Zhu, A.N. Noemaun, J.K. Kim and E.F. Schubert, J. Applied Phys. 107, (2010) 063102

[11] N.M.Johnson et al. October 2000, Physics Today 31.

[12] R.F. Pierret: Semiconductor device fundamentalsAddison  Wesley Publishing Inc., 1996.

[13] L. Esaki, L.L. Chang and R. Tsu , Proceedings 12th International Conference on Low Temperature Physics, Kyoto, Japan, September 1970. (Keigaku Publishing Co., Tokyo, Japan) 551.

[14] L. Esaki and R. Tsu, IBM J. Res. Dev. 14, 61 (1970)

*) Khám phá  Esaki tunnel diode vào cuối thập niên 50’s lúc ông làm việc tại Tokyo Telecommunications Co. (hiện tại là Sony) . Lãnh giải Nobel về Vật ly năm 1973 về electron tunneling in solids. Từ 1960, TS Esaki làm việc ở  IBM’s Thomas J. Watson , New York, nợi đây ông và đồng nghiệp đã khám phá ra superlattice. Ông trở về Nhật đầu 1990 , tham gia nhiều công tác cố vấn và giảng dạy.

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Superlattice

[16] F.Schubert, Rensselaer Polytechnique Institute, 2003.