Junção p-n
tipo – p
BC
tipo – n
BC
Ed
Ea
BV
BV
tipo – p
BC
tipo – n
BC
Ed
Ea
BV
BV
Surgimento de um campo elétrico intrínseco
e
tipo – p
BC
tipo – n
Fluxo de e
-
BC
+
+
Fluxo de b
BV
BV
Região de
cargas fixas
Aumento do campo elétrico intrínseco
e
tipo – p
tipo – n
BC
BC
- - -
++
++
BV
BV
Região de
cargas fixas
e
tipo – p
tipo – n
BC
BC
Equilíbrio
- - -
++
++
BV
Corrente
X
Campo elétrico
BV
Cargas
Cargas
negativas positivas
fixas
fixas
Região de
cargas fixas
e
tipo – p
tipo – n
BC
BC
- - -
++
++
BV
BV
Região neutra p
V(x)
Cargas
Cargas
negativas positivas
fixas
fixas
Região de depleção
Região neutra n
x
e
tipo – p
tipo – n
BC
eV0
EF
BV
Região neutra p
Região neutra n
Junção p-n com aplicação de
potencial
Portadores minoritários
BC
Portadores majoritários
Corrente de difusão: id *(possuem energia para
superar a barreira)
Corrente de arraste: ia *
eV0
Excitação térmica
BV
e
tipo – p
tipo – n
* Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!
Portadores minoritários
BC
Portadores majoritários
Corrente de difusão: id
Corrente de arraste: ia
eV0
Excitação térmica
BV
e
tipo – p
tipo – n
Corrente de arraste: barreira eV0 não influi
Corrente de difusão: barreira eV0 influi muito
Aumento da corrente de difusão
BC
Corrente de difusão: id
Corrente de arraste: ia
eV
Potencial diminui
BV
Corrente
medida
e
tipo – p
tipo – n
+
-
Polarização direta
Diminuição da região de depleção
e do campo elétrico intrinseco
Diminuição da corrente de difusão
BC
Corrente de difusão: id
Corrente de arraste: ia
eV
Potencial aumenta
BV
Corrente
medida
e
tipo – p
tipo – n
-
+
Polarização reversa
Aumento da região de depleção e
do campo elétrico intrinseco
Curva característica de um diodo
i
Polarização
direta
Polarização
reversa
V
Região ativa de um
dispositivo: onde
geralmente estão as
nanoestruturas
BC
eV
BV
Corrente
medida
e
tipo – p
tipo – n
-
+
Polarização reversa
Da escala micro para a escala nano
Como são produzidos os semicondutores ?
As técnicas de crescimento epitaxial
permitiram a miniaturização
MBE – Molecular Beam Epitaxy
CBE – Chemical Beam Epitaxy
MOVPE – Metalorganic Vapor Phase Epitaxy
Alto vácuo
Pressão 10-10 Torr
MBE
MOVPE
• MOCVD - Metalorganic
Chemical Vapor Deposition
• OMCVD - Organometallic
Chemical Vapor Deposition
• OMVPE - Organometallic
Vapor Phase Epitaxy
Princípio de deposição
• (CH3)3Ga + AsH3 → GaAs + 3 CH4
• (1-x) (CH3)3Ga + x(CH3)3Al + AsH3 → AlxGa1-xAs + 3 CH4
Epitaxial Growth
TMGa
AsH3
GaAs Substrate
GaP
InxGa1-xP
AlAs
GaxAl1-xAs
GaAs
InP
InxGa1-xAs
InAs
InxAl1-xAs
Lattice matched
Strained layers
InAs
a’ > a
AlGaAs
a
GaAs
Strained InAs
a
GaAs
3D a 0D
De 3D a 0D
• 3D
E = Eg + h2k2/8pm
Density of states
r(E) = 21/28mc3/2 (EEg)1/2/h3
• 1D
E = Eg+Eqz+Eqy+h2kx2/8p2m
Eqz,y= qz,y2h2/8md2
Density of states
r(E) = 8Lm1/2/h2 ½(E-Eq)1/2
• 2D
E = Eg + Eqz + h2k//2/8p2m
Eqz= qz2h2/8md2
Density of states
r(E) = 4pm/h2
• 0D
E = Eg+Eqz+Eqy+Eqx
Eq(z,y.x)= qz,y,x2h2/8md2
Density of states
r(E) = # of dots g /Vol
Pontos quânticos
O que são estas estruturas 0D?
• Estruturas com confinamento 3D
numa escala menor que o raio de
Bohr levando a uma quantização
3D.
• Comportamento atômico.
• 1980 foram fabricados os
primeiros pontos quânticos de
ZnS em vidro.
• Existem várias maneiras de
produzí-los.
Estrutura de banda
Sintonia de estruturas de PQs
Fafard 2003
Top-down vs bottom-up
Top-down:
Photolithography
Electron beam lithography
X-rays
Extreme ultraviolet light
Scanning probe methods
Bottom-up:
Self-assembled quantum
dots
Scanning probe methods
Comparando os métodos
•Lithography
Advantage: The electronics industry is already familiar with this
technology.
Disadvantage: The necessary modifications will be expensive. UVlight and x-rays can damage the equipment.
•Scanning Probe
Advantage: STM and AFM are very versatile, they can move
particles in a patterned fashion.
Disadvantage: Too slow for mass production.
•Bottom-up Methods
Advantage: Controlled chemical reactions can cheaply and “easily”
produce nanostructures.
Disadvantage: Cannot produce designed, interconnected patterns.
Pontos quânticos auto-organizados
Métodos diferentes de
crescimento
Stranski-Krastanow
Princípio de formação de
pontos quânticos por MOVPE
• Uma diferença importante no parâmetro de rede
numa heteroestrutura, leva a um aumento na energia
elástica que será aliviada com a formação de ilhas de
dimensões que podem ser inferiores ao raio de Bohr.
• Para materiais descasados um aumento na tensão
elástica com o aumento na espessura torna a
superfície rugosa. O crescimento 2D camada a
camada é interrompido e num segundo passo, a
nucleação 3D se inicia. Numa terceira etapa as ilhas
3D se desenvolvem em tamanho consumindo o
material que está móvel na superfície.
Seifert 2000
Espessura da wetting layer
Dots’ parameters
• Dot density
108 to 1011 cm2
• Dot size
4 – 20 nm height, 20 – 50 nm base width
• Dot shape
Pyramidal, truncated pyramidal, lens- and
cone-shaped
How to determine these parameters?
Scanning Tunneling
Microscopy
(Nobel Prize to Rohrer and Binnig in 1986)
Atomic Force Microscopy
Determination of size distribution and density of quantum dots
Example of AFM Results
830
InAs / InGaAs
o
520 C
5.5 s
66 sccm
400nm
830
150
10
2
density = 1.48 10 QD/cm
100
(8.2 ± 1.5) nm
normal curve
(8.2 ± 1.5) nm
50
0
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Transmission Electron
Microscopy
Two geometries:
Cross section
gives information
about shape, size
and composition.
Samples are
thinned down to
a thickness of the
order of 1mm.
104 – 106 atoms per dot
Plain view
Cross section
InAs/GaAs
TEM image of an
InAs/InGaAs/InP dot
HREM
images
Landi et al 2005
Photoluminescence
• The laser beam usually probes an ensemble
of quantum dots. The FWHM gives
information on the uniformity of the dot size
distribution.
• For a density of 1010 cm-2, one probes about
106 dots for a 100 mm laser spot.
• Single dot spectroscopy requires low dot
density and processing to isolate one dot.
Examples of Photoluminescence of Dots
Luminescence of an ensemble of dots
with resolved excited states.
Linewidths of the order of 20-30 meV.
f
Fafard et al 2000
d
p
Single dot spectroscopy.
Linewidths of the order of
meV. Signal is time averaged.
s
Finley et al 2001
Electroluminescence for two injection levels
reveals the Pauli principle.
Photocurrent measurements show absorption to the
ground state (s) and to three excited states (p, d, f).
Mowbray et al 2005
Growth parameters
•Temperature
Higher temperature, lower density, larger size.
•Deposition time
Longer times, more material, larger dots.
•Fluxes of gases/ Growth rate
Higher growth rates, smaller dots, higher density.
•Annealing time
For the same amount of material the dot density and the dot size
show inverse behavior
Effect of temperature on InAs/InGaAs/InP
9
80
density = 8.0 10 QD/cm
2
(7.8 ± 1.8) nm
Tgrowth = 500°C
count
60
•Height
increases
40
20
0
3
6
9
12
QD height
120
9
density = 9.05 10 QD/cm
2
•FWHM
decreases
(9.0 ± 1.4) nm
count
80
40
Tgrowth = 520°C
0
3
6
9
QD height
12
Effect of temperature on InAs/InGaAs/InP
normalized PL (arb. units)
Reduction of the PL FWHM in agreement with AFM results
Tgrowth = 500 °C, FWHM =106meV
Tgrowth = 510 °C, FWHM =70meV
Tgrowth = 520 °C, FWHM =47meV
1.2
1.0
77 K
60 mW
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.60
0.63
0.66
0.69
0.72
0.75
0.78
0.81
energy (eV)
PL intensity for higher energies decreases
→
larger dots
Deposition time increases
1.0µm
1.0µm
→
Dot density increases
1.0µm
InAs/InGaAs/InP
In flux / growth rate dependence
738
100
8
744
7
2
<density> = 4.8 10 QD/cm
743
9
density = 7.8 10 QD/cm
753
AFM image A
2
9
9
density = 8.05 10 QD/cm
80
density = 5.2 10 QD/cm
2
2
60
100
(18.7 ± 2.8) nm
6
(25 ± 1) nm
(16.5 ± 2.4) nm
(13.8 ± 2.8) nm
60
40
normal curve
(18.5 ± 3.4) nm
4
50
40
normal curve
(14.5 ± 4.7) nm
normal curve
(16.9 ± 4.3) nm
20
2
20
(30.8 ± 3.3) nm
(35.6 ± 3.5) nm
22
23
24
25
26
27
28
In flux: 30 sccm
1.0µm
InAs / InP
0
0
0
0
(34.2 ± 3.9) nm
5
10
15
20
25
30
60 sccm
1.0µm
35
10
20
30
40
5
66 sccm
1.0µm
Tgrowth: 520 oC
10
15
20
25
30
35
76 sccm
1.0µm
tgrowth: 4.2 s
InAs / InGaAs / InP
Attempting to reach
higher densities
1.0µm
400nm
1.0µm
InAs /InP
200nm
400nm
Same scale:
from 2.0 108 to 2.0 1010 dots cm-2
InAs/InP
Tg = 490oC
H  12 nm
InAs/InGaAs
Tg =490oC
H  9 nm
Stacks of quantum dots
• For device
applications it is
important to have
several layers of dots.
• Nature has helped. In
general dots
spontaneously grow
on top of each other.
TEM Images of Stacked Quantum Dots
Multi-layers of
quantum dots
Surface QDs
200 nm
200nm
AFM image
Landi et al 2005
20 nm
Q D density ( cm )
Effect of number of stacks on dots’ properties
-2
PL 12.5 K
1,0
0,8
1 QD layer
10 QD layers
0,6
64
48
32
16
0
0,4
2
4
6
8
10
12
10
12
number of stacks
0,2
0,0
0,54
0,57
0,60
0,63
0,66
energy (eV)
Red-shift with increasing
number of stacks
0,69
0,72
Q D height (nm)
normalized PL (arb. units)
1,2
16
12
8
4
0
2
4
6
8
number of stacks
Vertical coupling increases the average dot height
Landi et al 2004
Controlled site deposition of
quantum dots on a patterned surface
Dots grown away from
the patterned region
Patterned substrate
using AFM
1.5µm
Fonseca Filho et al 2005
Dots’ formation on
designated sites
400nm
14µm