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 1o 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=1m, d =1mm)
3.6x10-2
2.2x10-2
12.7x10-2
2.1x10-2
5.7x105
 6x108
1016 - 1018
1020
1.9x106
3x107
2.8x10-8
1.7x10-8
10x10-8
1.6x10-8
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 GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs...
Rede Zincblend
Ga, In, Al
As, P
Tabela periódica dos elementos
III
IV
V
Surgimento de bandas de energias
Átomo de hidrogênio
Sólido
níveis eletrônicos
luz
+
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
Gap
Energia do elétron
Isolantes e semicondutores
Banda de Condução (1a banda vazia)
Banda de Valência (última banda cheia)
Posição
Si (14 elétrons) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
Ne + 3s2 3p2
4 elétrons disponíveis
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétrons ligados
(BV)
Si
Si
Si
Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Elétrons livre
(BC)
Si
Si
Si
Falta de 1 elétron
“buraco”
Si
Si
Si
Energia do elétron
Banda de Condução (1a 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 eV)
Eg pequeno
SEMICONDUTOR
Metal
Isolante
Semicondutor
E= hc/l
E= 1240 /l (eV/nm)
E= 1,24 /l (eV/mm)
BC
Eg
Energia do elétron
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/kT
Mecanismos de condução diferentes
r (.m)
dr/dT
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 + 3s2 3p2
B: He + 3s2 3p1
menos um elétron (grupo III) – tipo p
As: Ar + 3s2 3p3
mais um elétron (grupo V) – tipo n
Doador tipo n
Si
Si
Si
Si
Si
“Sobra” 1 elétron
Si
Si
As
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Qual a energia necessária para liberar este elétron?
Doador tipo n
Ed
BC
Energia do elétron
Energia do elétron
BC
+
BV
Posição
BV
Posição
Do + Ed = D+ + e-
Ed
Doador tipo p
Si
Si
Si
Si
Si
“Falta” 1 elétron
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Qual a energia necessária para liberar este elétron?
Doador tipo p
Ea
BC
Energia do elétron
Energia do elétron
BC
Ea
BV
Posição
BV
Posição
Ao + Ea = 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:
•
•
•
•
•
AsH3
PH3
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
AsH3
PH3
Substrato GaAs
GaP
InxGa1-xP
AlAs
GaxAl1-xAs
GaAs
InP
InxGa1-xAs
InAs
InxAl1-xAs
Material casado
Material descasado
a’ > a
AlGaAs
a
GaAs
InAs
InAs tensionado
a
GaAs
x 10000
x 4000
x 8.3
x 10
x3