Introduo a Nanotecnologia NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS Aula 1 Mauricio

Introdução a Nanotecnologia NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS Aula 1 Mauricio Pamplona Pires IF-UFRJ

Programa 1. Motivação 2. O que são Semicondutores, Isolantes e Condutores? 3. Dopagem n e p 4. Crescimento epitaxial 5. Junção p-n e heteroestruturas 6. Dispositivos convencionais 7. Técnicas de caracterização 8. Processamento e fotolitografia 9. Nanoestruturas: poços, fios, discos e pontos quânticos 10. Dispositivos e aplicações

1. Motivação Qual a relação entre semicondutores e nanotecnologia? Vamos começar pelo começo. . .

Motivação Válvula?

Diodo Triodo http: //en. wikipedia. org/wiki/Vacuum_tube

Grande avanço na eletrônica: • Amplificador • Rádios • Equipamentos telefônicos • Televisores • Primeiros computadores Porém não eram perfeitas. . . • Grandes • Não duravam muito • Pouco confiáveis (queima do filamento, vácuo, . . . • Grande consumo de energia • Produção de calor Triodo http: //www. lsi. usp. br/~chip/como_funcionam. html

Descoberta do transistor Bardeen (1908 -1991) Shockley (1910 -1989) Brattain (1902 -1987) John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e fabricaram o 1 o dispositivo em Dezembro de 1947. Prêmio Nobel de Física de 1956

http: //www. lsi. usp. br/~chip/como_funcionam. html

http: //www. bellsystemmemorial. com/belllabs_transistor. html

Lei de Moore Gordon Moore Co-fundador da Intel “O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”

Lei de Moore: Redução do tamanho dos telefones celulares como resultado do aumento do número de transistores num único circuito integrado Physics and the communications industry, W. F. Brinkman and D. V. Lang

Diferença de tempo entre o que está no laboratório e o que é utilizado comercialmente Laboratório Tempo ? . . Comercial Physics and the communications industry, W. F. Brinkman and D. V. Lang Avanço da capacidade de transmissão na fibra ótica

Mudança de escala de componentes microeletrônicos Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna

http: //www. lsi. usp. br/~chip/como_funcionam. html

Efeitos quânticos em MOSFETs B E C

Mas a Lei de Moore não é tudo. . Novas necessidades • Mais rápido • Mais eficiente • Menor custo • . . Solução: Mudança de escala provoca mudanças nas • Transições óticas • Correntes • . . . • Novos efeitos Como fazer isto? ? ?

Nano dispositivos Feitos de. . .

2. O que são semicondutores? Isolantes Semicondutores 10 -3 10 -8 Metais 107 1014 Resistividade a T ambiente(. m) Nem condutores nem isolantes. . . Resistividade ( m) Alumínio Cobre Platina Prata Germánio Silício Porcelana Teflon Sangue Gordura Resistência ( ) (L=1 m, d =1 mm) 3. 6 x 10 -2 2. 2 x 10 -2 12. 7 x 10 -2 2. 1 x 10 -2 5. 7 x 105 6 x 108 1016 - 1018 1020 1. 9 x 106 3 x 107 2. 8 x 10 -8 1. 7 x 10 -8 10 x 10 -8 1. 6 x 10 -8 0. 45 640 1010 - 1012 1014 1. 5 24 d L

Sólidos cristalinos Como os átomos se organizam nos sólidos? a Rede cúbica IMPORTANTE Rede cúbica de corpo centrado Rede cúbica de face centrada a – parâmetro de rede do cristal

Usados para eletrônica. . . Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio Rede do diamante C, Si ou Ge Cada átomo está ligado a 4 outros Rede cúbica de face centrada Duas redes transladadas de ¼ da diagonal central

. . . e na opto-eletrônica Rede cristalina do Ga. As, In. P, Al. Ga. As, In. Al. As. . . Rede Zincblend Ga, In, Al As, P

Tabela periódica dos elementos III IV V

Surgimento de bandas de energias Átomo de hidrogênio luz Sólido níveis eletrônicos + 1 átomo Vários átomos?

Surgimento de bandas de energias + + 2 átomos distantes independentes

Bandas + + átomos próximos + Surgimento de bandas de energias Quais bandas estarão cheias e vazias? Três possibilidades. . . metais, isolantes e semicondutores

Metais Energia do elétron Próxima banda Última banda incompleta Posição METAL

Metais Energia do elétron Próxima banda elétron livre Última banda incompleta Posição Próximo estado disponível: +e Outra possibilidade. . . METAL

Cálculos de estrutura de bandas Gap

Energia do elétron Isolantes e semicondutores Banda de Condução (1 a banda vazia) Banda de Valência (última banda cheia) Posição Si (14 elétrons) – 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2 Ne + 3 s 2 3 p 2 4 elétrons disponíveis

Si Si Si Elétrons ligados (BV) Si Si Si Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?

Si Si Si Elétrons livre (BC) Si Si Si Falta de 1 elétron “buraco” Si Si Si

Energia do elétron Banda de Condução (1 a banda vazia) elétron livre tem massa e carga Eg buraco também tem massa e carga. . . Banda de Valência (última banda cheia) Posição Eg grande ISOLANTE (vários e. V) Eg pequeno SEMICONDUTOR

Metal Isolante Semicondutor

E= hc/l E= 1240 /l (e. V/nm) E= 1, 24 /l (e. V/mm)

BC Eg Energia do elétron Semicondutores BC Eg BV Posição Eg pequeno BV Posição Facilidade para elétrons saírem da BV para a BC Temperatura e luz

Energia do elétron BC Eg BV Posição Probabilidade: e-Eg/k. T

Mecanismos de condução diferentes r (. m) dr/d. T Aumento no número de portadores de carga Silício 3 x 103 -70 x 10 -3 - T r Cobre 2 x 10 -8 4 x 10 -3 + T r O aumento das vibrações cristalinas dificulta a passagem do elétron

3. Dopagem p e n III IV V Em relação ao Si: Si – Ne + 3 s 2 3 p 2 B: He + 3 s 2 3 p 1 menos um elétron (grupo III) – tipo p As: Ar + 3 s 2 3 p 3 mais um elétron (grupo V) – tipo n

Doador tipo n Si Si Si “Sobra” 1 elétron Si Si As Si Si Qual a energia necessária para liberar este elétron?

Doador tipo n Ed BC Energia do elétron BC + BV Posição Do + E d = D + + e - Ed

Doador tipo p Si Si Si “Falta” 1 elétron Si Si B Si Si Qual a energia necessária para liberar este elétron?

Doador tipo p Ea BC Energia do elétron BC Ea BV Posição Ao + E a = A- + h +

Crescimento de Camadas Epitaxiais • • LPE VPE MBE – Molecular Beam Epitaxy MOCVD - Metal Organic Chemical Vapour Deposition

Reator MBE No final dos anos de 60 foi desenvolvido também na Bell-Labs, por Cho a técnica chamada epitaxia por feixe molecular. (Molecular Beam Epitaxy – MBE). Este tem sido o mais sofisticado método de crescimento. O princípio deste crescimento reside na evaporação de fontes sólidas altamente purificadas em alto vácuo (10 -10 torr sem crescimento e 10 -8 a 10 -6 torr durante o crescimento), produzindo feixes moleculares irecionados sobre a superfície aquecida do substrato. Cho, A. Y. e Arthur J. R. ; Molecular Beam Epitaxy, Progress in Solid State Chemistry, 10, 3, 157 -191 (1975).

Reator MBE

Reator MBE

Reator MOCVD Uma outra técnica distinta chama-se deposição química por fase vapor (Chemical Vapour Deposition – CVD). Uma variante desta técnica é a epitaxia por fase gasosa de organo-metálicos (Metal Organic Vapour Phase epitaxy – MOVPE, ou Metal Organic Chemical Vapour Deposition – MOCVD). O princípio de crescimento do MOVPE baseia-se num fluxo laminar sobre o substrato aquecido por rádio freqüência ou lâmpadas infra-vermelhas. Embora o MOVPE tenha sido desenvolvido no fianl dos anos 60, ele só apareceu como alternativa a partir do começo da década de 80. Houve, nesta última década, o desenvolvimento e a purificação das fontes organometálicas para o uso no processo MOVPE. Manasevit, H. , Applied Physics Letters, 12, 156 (1968).

Reator MOCVD • Temperatura • Pressão • Gases: • • • As. H 3 PH 3 TMGa TMIn TMAl, . . . • Fluxos

Vantagem Desvantagem LPE • Simples Barata Alta taxa de crescimento Segura Baixa manutenção • Baixa produtividade Baixa pureza Não pode crescer poços quânticos Filme não uniforme Interfaces não abruptas MBE • Simples Uniforme Excelente morfologia Interface abrupta Controle in-situ Alta pureza Crescimento de nanoestruturas • Alto custo Alta manutenção Defeitos ovais MOVPE • Fexível Interface abrupta Excelente morfologia Alta pureza Escalabilidade • Segurança Fontes caras Crescimento complicado Crescimento de nanoestruturas

Onde ? MOCVD Rio de Janeiro MBE São Paulo Campinas Belo Horizonte

Crescimento Epitaxial TMGa TMAl, TMIn As. H 3 PH 3 Substrato Ga. As

Ga. P Inx. Ga 1 -x. P Al. As Gax. Al 1 -x. As Ga. As In. P Inx. Ga 1 -x. As Inx. Al 1 -x. As

Material casado Material descasado In. As a’ > a Al. Ga. As a Ga. As In. As tensionado a Ga. As

x 10000 x 4000 x 8. 3 x 10 x 3