Introdução a Nanotecnologia

NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS

Aula 1

Mauricio Pamplona PiresIF-UFRJ

1. Motivação2. O que são Semicondutores, Isolantes e Condutores?3. Dopagem n e p4. Crescimento epitaxial5. Junção p-n e heteroestruturas6. Dispositivos convencionais7. Técnicas de caracterização8. Processamento e fotolitografia9. Nanoestruturas: poços, fios, discos e pontos

quânticos10.Dispositivos e aplicações

Programa

1. Motivação

Qual a relação entre

semicondutores e

nanotecnologia?

Vamos começar pelo começo...

Motivação

Válvula?

Diodo Triodo

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

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

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

Descoberta do transistor

John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley descobriram o efeito transistor e fabricaram o 1o dispositivo em Dezembro de 1947.

Prêmio Nobel de Física de 1956

Bardeen (1908-1991)Shockley (1910-1989)Brattain (1902-1987)

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

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

Lei de Moore

Gordon MooreCo-fundador da Intel

“O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”

Physics and the communications industry, W. F. Brinkman and D. V. Lang

Redução do tamanho dos telefones celulares como resultado do aumento do número de transistores num único circuito integrado

Lei de Moore:

Diferença de tempo entre o que está no laboratório e o que é utilizado comercialmente

Avanço da capacidade de transmissão na fibra óticaPhysics and the communications industry,

W. F. Brinkman and D. V. Lang

Laboratório

Comercial

Tempo ?....

Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna

Mudança de escala de componentes microeletrônicos

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

Efeitos quânticos em MOSFETs

E

B

C

Mas a Lei de Moore não é tudo....

Novas necessidades

•Mais rápido•Mais eficiente•Menor custo• ....

Como fazer isto???

Mudança de escalaprovoca mudanças nas

•Transições óticas•Correntes•...•Novos efeitos

Solução:

Nano dispositivos

Feitos de ...

2. O que são semicondutores?Nem condutores nem isolantes...

Resistividade ( m) Resistência () (L=1m, d =1mm)

Alumínio 2.8x10-8 3.6x10-2

Cobre 1.7x10-8 2.2x10-2

Platina 10x10-8 12.7x10-2

Prata 1.6x10-8 2.1x10-2

Germánio 0.45 5.7x105

Silício 640 6x108

Porcelana 1010 - 1012 1016 - 1018

Teflon 1014 1020

Sangue 1.5 1.9x106

Gordura 24 3x107

L

dResis

tivid

ade

a T

ambi

ente

(.m

)10

-810

-310

710

14

Met

ais

Sem

icond

utor

es

Isola

nte

s

Sólidos cristalinosComo os átomos se organizam nos sólidos?

Rede cúbica Rede cúbica de corpo centrado Rede cúbica de face centrada

a

a – parâmetro de rede do cristalIMPORTANTE

Rede do diamante

Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio

C, Si ou Ge

Rede cúbica de face centrada

Usados para eletrônica...

Duas redes transladadas de¼ da diagonal central

Cada átomo está ligado a 4 outros

Rede Zincblend

Rede cristalina do GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs...

Ga, In, Al

As, P

... e na opto-eletrônica

Tabela periódica dos elementos

IVIII V

Átomo de hidrogênio

+

luz níveis eletrônicos

Sólido

Surgimento de bandas de energias

1 átomo Vários átomos?

Surgimento de bandas de energias

+ +2 átomos distantes

independentes

+ +

átomos próximos

+

Quais bandas estarão cheias e vazias?

Três possibilidades ... metais, isolantes e semicondutores

Bandas

Surgimento de bandas de energias

MetaisE

nerg

ia d

o el

étro

n

Posição

Próxima banda

incompleta

METAL

Última banda

Ene

rgia

do

elét

ron

Posição

Outra possibilidade ...

elétron livre

Próximo estado disponível: +

Metais

incompleta

METAL

Última banda

Próxima banda

Cálculos de estrutura de bandas

GapGap

Ene

rgia

do

elét

ron

Posição

Banda de Condução (1a banda vazia)

Banda de Valência (última banda cheia)

Isolantes e semicondutores

Si (14 elétrons) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

Ne + 3s2 3p2 4 elétrons disponíveis

Si Si

Si Si

Si

SiSiSi

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Elétrons ligados(BV)

Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?

Si Si

Si Si

Si

SiSiSi

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Elétrons livre(BC)

Falta de 1 elétron“buraco”

Ene

rgia

do

elét

ron

Posição

Banda de Condução (1a banda vazia)

Banda de Valência (última banda cheia)

buraco

elétron livre

Eg grande

Eg pequeno

ISOLANTE

SEMICONDUTOR

Eg

também tem massa e carga ...

(vários eV)

tem massa e carga

Metal Isolante Semicondutor

E= hc/E= 1240 / (eV/nm)E= 1,24 / (eV/m)

SemicondutoresE

nerg

ia d

o el

étro

n

BC

BV

Eg

Ene

rgia

do

elét

ron

BC

BV

Eg

Eg pequeno

Posição Posição

Facilidade para elétrons saírem da BV para a BC

Temperatura e luz

Ene

rgia

do

elét

ron

BC

BV

Eg

Posição

Probabilidade: e-Eg/kT

(.m) d/dT

Silício 3 x 103 -70 x 10-3

Cobre 2 x 10-8 4 x 10-3

Mecanismos de condução diferentes

+

- T

T

Aumento no número de portadores de carga

O aumento das vibrações cristalinas dificulta a passagem do elétron

3. Dopagem p e n

IVIII V Em relação ao Si:

mais um elétron (grupo V) – tipo n

Si – Ne + 3s2 3p2

As: Ar + 3s2 3p3

B: He + 3s2 3p1 menos um elétron (grupo III) – tipo p

As Si

Si Si

Si

SiSiSi

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

“Sobra” 1 elétron

Qual a energia necessária para liberar este elétron?

Doador tipo n

Doador tipo nE

nerg

ia d

o el

étro

n

BC

BV

Posição

Ed

Ene

rgia

do

elét

ron

BC

BV

Posição

Ed

Do + Ed = D+ + e-

+

B Si

Si Si

Si

SiSiSi

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

“Falta” 1 elétron

Qual a energia necessária para liberar este elétron?

Doador tipo p

Doador tipo pE

nerg

ia d

o el

étro

n

BC

BV

Posição

Ea

Ene

rgia

do

elét

ron

BC

BV

Posição

Ao + Ea = A- + h+

Ea

-

Crescimento de Camadas Epitaxiais

• LPE• VPE• MBE – Molecular Beam Epitaxy• MOCVD - Metal Organic Chemical Vapour

Deposition

Reator MBE

Cho, A. Y. e Arthur J. R.; Molecular Beam Epitaxy, Progress in Solid State Chemistry, 10, 3, 157-191 (1975).

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.

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:• AsH3

• PH3

• TMGa• TMIn• TMAl, ...

• Fluxos

Vantagem Desvantagem

LPE •SimplesBarata 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 EscalabilidadeCrescimento de nanoestruturas

•Segurança Fontes caras Crescimento complicado

Onde ?

MOCVDRio de Janeiro

MBESão PauloCampinasBelo Horizonte

TMGa

AsH3

Substrato GaAs

TMAl,TMIn

PH3

Crescimento Epitaxial

GaAs

AlAsInP InAsInxGa1-xAs

GaxAl1-xAsGaP

InxGa1-xP InxAl1-xAs

a a

Material casado Material descasado

GaAs

AlGaAs

GaAs

a’ > a InAs

InAs tensionado

x 3x 8.3

x 10x 4000

x 10000