Crescimento e Estudo de Fotodetectores de Infravermelho de

Crescimento e Estudo de Fotodetectores de Infravermelho de Pontos Quânticos Acoplados com Poços Quânticos Parabólicos Germano Maioli Penello Orientador: Mauricio Pamplona Pires

Fotodetectores de IR Aplicações Indústria • Astronomia; • Detecção de gases; • Militar; • Agricultura; • Transmissão sem fio. Segurança Prevenção de falhas Medicina http: //www. nationalinfrared. com/

Detector de fótons em heteroestruturas Alterando a espessura do poço sintonizamos as transições óticas.

Detector de fótons em heteroestruturas Alterando a espessura do poço sintonizamos as transições óticas.

Poço Quântico Crescimento epitaxial ¢ Confinamento unidimensional do elétron. Banda de condução Banda de valência z z EG Substrato E O crescimento epitaxial é feito utilizando um substrato já crescido por outras técnicas.

Poço Quântico Crescimento epitaxial ¢ Confinamento unidimensional do elétron. Banda de condução Banda de valência z z E’G EG Substrato E

Poço Quântico Crescimento epitaxial ¢ Confinamento unidimensional do elétron. Banda de condução Banda de valência z z EG E’G EG Substrato E

Poço Quântico E Banda de condução Banda de valência z Banda de condução Banda de valência E z

Ponto Quântico ¢ Confinamento tridimensional do elétron. Banda de condução

Fotodetectores Intrabanda de Poços Quânticos Fatores determinantes na absorção de fótons em heteroestruturas: ¢ Banda de condução das camadas epitaxiais; Incidência normal em poços ¢ Regras de seleção. não é observada θ d

Fotodetectores de Pontos Quânticos Permitem absorção com incidência normal! Para obter seletividade devemos controlar as dimensões do ponto, mas o controle dos pontos é de extrema dificuldade.

Fotodetectores de Pontos Quânticos Permitem absorção com incidência normal! Para obter seletividade devemos controlar as dimensões do ponto, mas o controle dos pontos é de extrema dificuldade. Solução: Acoplar um poço quântico ao ponto.

Fotodetectores Acoplando um poço com o ponto criamos estados que pertencem a estrutura pontopoço. Alterando o tamanho do poço, controlamos as energias dos níveis. Poços iguais Poços diferentes

Fotodetectores de Pontos Quânticos Acoplados com Poços Banda de condução z z E Observamos a incidência normal devido ao ponto, e alteramos os níveis de energia com o controle da espessura do poço quântico.

Poço Quântico Parabólico E = (n + ½) ћ ω Níveis de energia regularmente espaçados

Pontos Quânticos Acoplados com Poços Quânticos Parabólicos ¢ Absorção de fótons com incidência normal; ¢ Controle dos níveis de energia; ¢ Níveis de energia regularmente espaçados.

Crescimento das amostras

Semicondutores III-V • Gap direto nos materiais utilizados • Diferentes ligas podem ser criadas • Controle da concentração dos elementos das ligas Ex. : Binários Ga. As ; Al. As; In. As ; In. P. . . Ternários Inx. Ga 1 -x. As ; Inx. A 1 -xl. As ; Inx. Ga 1 -x. Al. . . Inx. Gay. Al 1 -x-y. As, Inx. Ga 1 -x. Asy. P 1 -y. . . Quaternários III IV V

Semicondutores III-V a Estrutura cristalina do grupo III-V* In. P In. As Parâmetro de rede‡ 5, 8688 Å 6, 0584 Å Energia de gap (@300 K)‡ 1, 344 e. V 0, 354 e. V *http: //www. siliconfareast. com/physics/zinc-blende. htm ‡Physics os Optoelectronic devices, Shun Lien Chuang

Semicondutores III-V Ga. Al. As In. Ga. As

Semicondutores III-V In 0, 53 Ga 0, 47 As

Semicondutores III-V

Crescimento da parábola Eg(z) = 0, 76 + 0, 49 z + 0, 20 z 2 (e. V )* In. Ga. Al 0, 20 As * I. Vurgaftman, JR Meyer, and LR Ram-Mohan. Band parameters for III-V compoundsemiconductors and their alloys. Journal ofapplied physics, 89: 5815, 2001.

Crescimento da parábola ¢ ¢ ¢ Início da parábola: In 0, 53 Ga 0, 27 Al 0, 20 As (Egap = 1, 0 e. V) Fim da parábola: In 0, 53 Ga 0, 47 As (Egap = 0, 75 e. V); Dividimos a parábola em 10 segmentos e variamos a concentração dos elementos gradualmente; Egap(z) = 0, 76 + 0, 49 z + 0, 20 z 2 (e. V ) In. Ga. Al 0, 20 As In. Ga. As ¢ ¢ Utilizando a equação Egap(z), determinamos a concentração dos elementos de cada ponto; A variação de um ponto a outro é feita variando linearmente o fluxo dos gases no MOVPE.

Ponto Quântico Estudos anteriores: Neste trabalho: Visualização 3 D (AFM) TEM

Ponto Quântico Crescimento ¢ ¢ ¢ Pontos quânticos auto-organizáveis; Controle de parâmetros de crescimento muito complexo; Fatores que alteram o crescimento: 1. Superfície em que são crescidos; 2. Temperatura; 3. Fluxo dos gases. Amostra de calibração: Crescimento sobre In. Ga. Al 0, 20 As a 520 ºC: Densidade Tamanho cobertos com In. P. Densidade = 1, 10 x 1010 cm-2!

Ponto Quântico dentro de Poço Quântico Parabólico Banda de condução Quaternário Direção de crescimento z Crescimento ideal w In. P w Direção de crescimento z Crescimento real

Ponto Quântico dentro de Poço Quântico Parabólico 5 nm Crescemos 4 amostras com diferentes espessuras de poços parabólicos para estudar a diferença nas transições devido ao poço parabólico; 8 nm 3 nm ¢ 99 nm w 16 nm x 10 w

Amostras (simulação QWS) 1164 1165 W = 5, 5 nm W = 8, 4 nm 1166 1167 W = 11, 0 nm W = 16, 8 nm

Amostras finais

Caracterização das amostras

Fotoluminescência E 1 E 2 < E 1 Região ativa

Fotoluminescência 1164 1166 1165 1167

Fotoluminescência A energia dos picos praticamente não se altera nas amostras, indicando que essas transições vêm de estruturas que são iguais nas três amostras. • Pontos quânticos e camadas de contato

Fotoluminescência Comparação dos pontos experimentais com a curva teórica que mostra o comportamento do gap do material ternário em função da temperatura. Material ternário = camada de contato Energias menores que a do ternário indicam transições internas ao ponto quântico. Amostra 1167 820 me. V

Corrente de escuro Medida de curva Ix. V feita sem a incidência de luz nas amostras. ID(V) = qn*(V)υ(V)A Contínuo Eativ = Ec - EF Energia de ativação nos indica a energia necessária para excitar termicamente o elétron para o contínuo

Corrente de escuro Com o aumento da temperatura aumentamos a corrente de escuro. ID(V) = qn*(V)υ(V)A n*(V) = g(E)f(E) Amostra 1166

Corrente de escuro Corrente em função da temperatura a uma voltagem fixa. Acima de 80 K a corrente de escuro que prevalece é a termoexcitada.

Corrente de escuro Energia do contínuo é igual para todas as amostras, indicando que na amostra 1167 o nível de Fermi está mais próximo do contínuo. A maior energia de ativação deveria ser com o campo elétrico nulo (V=0). Indicativo de um campo elétrico intrínseco nas amostras.

Fotocorrente Dois tipos diferentes de montagem experimental: • FTIR • Monocromador Dois tipos diferentes de medidas: • Intrabanda • Interbanda

Fotocorrente Intrabanda Corrente E 1 Região ativa

Fotocorrente Intrabanda - FTIR Pico de absorção não muda com a temperatura. Com o aumento da temperatura diminuímos a intensidade do pico. Amostra 1165

Fotocorrente Intrabanda - FTIR Tendência dos estados a irem para energias menores.

Fotocorrente Intrabanda - FTIR Comparação entre o resultado experimental e a diferença entre os primeiros níveis calculados com o programa QWS. O bom acordo nesta comparação nos indica que o cálculo unidimensional ainda é válido.

Fotocorrente Intrabanda - FTIR A intensidade dos picos cai a medida que a temperatura aumenta. Acima de 80 K a corrente de escuro aumenta e consequentemente a intensidade dos picos diminui. Amostra 1164

Fotocorrente Intrabanda - FTIR Com a aplicação de bias, observamos o aparecimento de um pico de energia menor. Simulação 1 D não explica este resultado, esperamos a simulação 3 D para compreender melhor. Amostra 1165

Fotocorrente Intrabanda - FTIR Aplicação de campo elétrico não altera significativamente os picos de energia, indicando que não é observado efeito Stark nas amostras. Amostra 1165

Fotocorrente Intrabanda - FTIR Os picos diminuem a intensidade e novamente aumentam com a aplicação de bias. Isto é um indicativo de inversão de corrente onde só o módulo é medido (FTIR). Amostra 1164

Fotocorrente Intrabanda - Monocromador As dificuldades de medir com o monocromador ainda não permitiram obter resultados com as outras amostras. Amostra 1165

Fotocorrente Intrabanda - Monocromador Reproduzimos os mesmos resultados observados com o FTIR, em torno de 100 m. V a intensidade dos picos vai a zero.

Fotocorrente Intrabanda – Monocromador & FTIR Amostra 1165

Fotocorrente Interbanda Corrente E 1 Região ativa

Fotocorrente Interbanda FTIR Monocromador Amostra 1164 Aparentemente as medidas são diferentes.

Fotocorrente Interbanda FTIR Ajuste de lorentzianas Monocromador 2ª derivada

Fotocorrente Interbanda Amostra 1164 Amostra 1165 • Todas as amostras apresentam o pico de 1100 me. V – Característico do material quaternário. • Pequenas diferenças são notadas e serão estudadas mais a fundo. Podemos dizer que de um modo geral as duas medidas são equivalentes. 1100 me. V

Fotocorrente + Fotoluminescência Amostra 1164 Amostra 1165 • Nenhum pico de energia da fotoluminescência é observado na fotocorrente. • A falta de uma simulação computacional interbanda limita a análise dos dados. 1100 me. V 820 me. V

Fotocorrente + Fotoluminescência Amostra 1166 Amostra 1167 • Nenhum pico de energia da fotoluminescência é observado na fotocorrente. • A falta de uma simulação computacional interbanda limita a análise dos dados. 1100 me. V 820 me. V

Medidas de Ix. V iluminada Medindo a curva Ix. V iluminando a amostra com feixes monocromáticos reproduzimos a medida de fotocorrente. A vantagem é que podemos determinar com absoluta certeza o sentido da corrente.

Medidas de Ix. V iluminada Comparação da medida Ix. V iluminada com a medida de fotocorrente com o monocromador.

Conclusões ¢ ¢ ¢ Excelente controle no crescimento das amostras; Observação da incidência normal indica a participação dos pontos nas transições óticas; Medidas de corrente de escuro indicam a faixa de temperatura de funcionamento sem excitação térmica dos elétrons; Fotocorrente é observada tanto com o FTIR quanto com o monocromador, indicando um excelente acordo entre as medidas; Simulação computacional é confiável, apesar da limitação unidimensional; Fotodetectores com uma sintonia fina em energias entre 240 me. V e 210 me. V.

Projetos Futuros ¢ ¢ Simular com o cálculo tridimensional; Fazer melhorias nas medidas do monocromador: 1. 2. 3. ¢ ¢ Melhorar controle dos passos, Automatizar as medidas em conjunto com a curva Ix. V, Implementar uma nova lâmpada; Entender em detalhes as inversões de corrente e o aparecimento do pico de baixas energias com a aplicação de bias; Compreender em detalhes as diferenças entre o FTIR e o monocromador.

Agradecimentos Ao Mauricio; ¢ A todos do Lab. Sem e da UFRJ; ¢ Ao CNPq e a FAPERJ. ¢

Cálculo 3 D ~260 me. V ~180 me. V 2° 1°

Cálculo 3 D Dependente das dimensões dos pontos. ¢ Tempo computacional extremamente maior. ¢ Força de oscilador calculada levando em conta as regras de seleção tridimensionais. ¢ Por enquanto apenas um usuário. ¢

Amostra 1165 (correção) novo