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.
z
Banda de
condução
z
Banda de
valência
EG
Substrato
E
O crescimento epitaxial é feito utilizando um substrato já crescido por outras técnicas.
Poço Quântico
Crescimento epitaxial

Confinamento unidimensional do elétron.
z
Banda de
condução
z
Banda de
valência
E’G
EG
Substrato
E
Poço Quântico
Crescimento epitaxial

Confinamento unidimensional do elétron.
z
Banda de
condução
z
Banda de
valência
EG
E’G
EG
Substrato
E
Poço Quântico
E
z
Banda de
condução
Banda de
valência
Banda de condução
Banda de valência
E
z
Ponto Quântico

Confinamento tridimensional do elétron.
Banda de
condução
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 ponto\poço.
Alterando o tamanho do poço, controlamos as energias
dos níveis.
B
0,8
0,8
0,6
0,6
E (eV)
E (eV)
B
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
z (nm)
Poços iguais
15
20
25
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
z (nm)
Poços diferentes
15
20
25
Fotodetectores de Pontos
Quânticos Acoplados com
Poços
z
Banda de
condução
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
GaAs ; AlAs; InAs ; InP ...
Ternários
InxGa1-xAs ; InxA1-xlAs ; InxGa1-xAl ...
InxGayAl1-x-yAs, InxGa1-xAsyP1-y ...
Quaternários
III
IV
V
Semicondutores III-V
a
Estrutura cristalina do grupo III-V*
InP
InAs
Parâmetro de rede‡
5,8688 Å
6,0584 Å
Energia de gap (@300K)‡
1,344 eV
0,354 eV
*http://www.siliconfareast.com/physics/zinc-blende.htm
‡Physics os Optoelectronic devices, Shun Lien Chuang
Semicondutores III-V
GaAlAs
InAlAs
InGaAs
Semicondutores III-V
In0,53Ga0,47As
Semicondutores III-V
Crescimento da parábola
Eg(z) = 0,76 + 0,49 z + 0,20 z2 (eV )*
InGaAl0,20As
* 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: In0,53Ga0,27Al0,20As (Egap = 1,0eV)
Fim da parábola: In0,53Ga0,47As (Egap = 0,75eV);
Dividimos a parábola em 10 segmentos e variamos a concentração
dos elementos gradualmente;
Egap(z) = 0,76 + 0,49 z + 0,20 z2 (eV )
InGaAl0,20As
InGaAs


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 3D (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 InGaAl0,20As a 520 ºC:
Densidade
Tamanho
cobertos com InP.
Densidade = 1,10 x 1010 cm-2!
Ponto Quântico dentro de
Poço Quântico Parabólico
Banda de condução
Banda de condução
Quaternário
Direção de crescimento
z
Crescimento ideal
w
InP
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
x10
w
Amostras (simulação QWS)
0,6
1164
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
E (eV)
E (eV)
0,5
0,6
0,2
W = 5,5 nm
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
-0,1
1080
1165
W = 8,4 nm
-0,1
1100
1120
1140
1100
1120
1140
z (nm)
z(nm)
Os oscilator stregth não ajudam em nada!
0,6
1166
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
E (eV)
E (eV)
0,5
0,6
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
-0,1
1167
-0,1
1100
1120
1140
z(nm)
W = 11,0 nm
1100
1120
1140
z(nm)
W = 16,8 nm
1160
Amostras finais
Caracterização das
amostras
Fotoluminescência
E1
E2 < E1
Região ativa
Fotoluminescência
1164
1165
1166
1167
Fotoluminescência
1164
1165
1166
1167
840
Energia do pico (meV)
820
800
780
1,6
760
740
720
700
1,8
680
660
640
620
2
600
4
6
8
10
12
w (nm)
14
16
18
Comprimento de onda (m)
860
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
880
Medidas fora
do criostato
860
840
Energia do pico (meV)
800
780
1,6
760
740
1,7
720
700
1,8
680
660
1,9
640
620
Comprimento de onda (m)
1,5
820
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.
2
0
50
100
150
200
250
300
Temperatura (K)
Amostra 1167
820 meV
Corrente de escuro
Medida de curva IxV 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
0,1
300 K
0,01
Corrente (A)
1E-3
42 K
1E-4
Com o aumento da
temperatura aumentamos a
corrente de escuro.
1E-5
42 K
80 K
100 K
120 K
140 K
160 K
1E-6
1E-7
1E-8
180 K
200 K
220 K
250 K
300 K
ID(V) = qn*(V)υ(V)A
n*(V) = g(E)f(E)
1E-9
1E-10
1E-11
-2
-1
0
1
Voltagem (V)
Amostra 1166
2
Corrente de escuro
Corrente em função da temperatura a uma voltagem fixa.
0,1
300 K
0,01
Corrente (A)
1E-3
42 K
1E-4
1E-5
42 K
80 K
100 K
120 K
140 K
160 K
1E-6
1E-7
1E-8
180 K
200 K
220 K
250 K
300 K
1E-9
1E-10
1E-11
-2
-1
0
1
2
Voltagem (V)
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
E1
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
1164
1165
1166
1167
Energia do pico (meV)
320
300
4
280
4,5
260
5
240
5,5
220
6
200
5
6
7
8
9
10
11
12
w (nm)
13
14
15
16
17
6,5
18
Comprimento de onda (m)
340
Tendência dos estados a
irem para energias menores.
Fotocorrente
Intrabanda - FTIR
340
1164
1165
1166
1167
Theory
300
4
280
4,5
1
260
4
5
240
1
3
1
2
5,5
220
200
5
6
7
8
9
10
11
12
w (nm)
13
14
6
15
16
17
6,5
18
Wavelength (m)
Peak energy (meV)
320
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 1D não explica este
resultado, esperamos a simulação
3D para compreender melhor.
Amostra 1165
Fotocorrente
Intrabanda - FTIR
Energia do pico (meV)
300
250
4
5
6
200
7
8
150
9
-300
-200
-100
0
100
Voltagem (mV)
Amostra 1165
200
300
Comprimento de onda (m)
180 meV
220 meV
265 meV
Aplicação de campo elétrico
não altera significativamente
os picos de energia,
indicando que não é
observado efeito Stark nas
amostras.
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).
Comprimento de onda (m)
151413121110 9
Fotocorrente (u.arb.)
2,0
Amostra 1164
8
7
6
5
4
Resposta do sistema
-200mV
-100mV
-50mV
0mV
+50mV
+100mV
+140mV
+180mV
T=5K
1,5
1,0
0,5
0,0
100
150
200
250
Energia (meV)
300
350
400
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 100mV a
intensidade dos picos vai a
zero.
Fotocorrente
Intrabanda – Monocromador & FTIR
Amostra 1165
Fotocorrente
Interbanda
Corrente
E1
Região ativa
Fotocorrente
Interbanda
FTIR
Monocromador
Amostra 1164
Amostra 1164
Aparentemente as medidas são diferentes.
Fotocorrente
Interbanda
FTIR
Monocromador
@ 20 K
0 mV
Intensidade (u. arb.)
0,2
0,0
600
800
1000
1200
Energia (meV)
Ajuste de lorentzianas
2ª derivada
Fotocorrente
Interbanda
MONO(Azul) FTIR(pereto)
1100
1100
1,15
1,25
950
1,3
1,35
900
1,4
1,45
850
1,5
800
1,55
FTIR
Monocromador
750
700
0
50
100
150
200
250
300
1,6
1,65
1,7
1,75
1,2
1000
1,25
950
1,3
1,35
900
1,4
1,45
850
1,5
800
FTIR
Monocromador
750
700
0
Temperatura (K)
Amostra 1164
50
100
150
Temperatura (K)
Amostra 1165
• Todas as amostras apresentam o pico de 1100
meV – 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.
200
1100 meV
250
300
1,55
1,6
1,65
1,7
1,75
Comprimento de onda (m)
1000
1050
Energia do pico (meV)
Energia do pico (meV)
1,2
1,15
Comprimento de onda (m)
1050
Fotocorrente +
Fotoluminescência
1150
1150
1100
1,15
1,25
950
1,3
1,35
900
850
800
PL medidas fora do criostato
750
700
FTIR
Monocromador
Fotoluminescência
650
600
0
50
100
150
200
250
300
1,4
1,45
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
1,9
1,95
2
2,05
1,1
1,15
1,2
1000
1,25
950
1,3
1,35
900
PL medidas fora do criostato
1000
1050
Energia do pico (meV)
1,2
Comprimento de onda (m)
Energia do pico (meV)
1050
FTIR
Monocromador
Fotoluminescência
1100
850
800
750
700
1,4
1,45
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
1,9
1,95
2
2,05
650
600
0
Temperatura (K)
Amostra 1164
50
100
150
200
250
300
Temperatura (K)
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 meV
820 meV
Comprimento de onda (m)
1,1
Fotocorrente +
Fotoluminescência
1150
1150
1,1
1000
1,3
950
900
1,4
850
1,5
PL medidas fora
do criostato
800
1,6
750
1,7
700
1,8
1,9
650
2
600
0
50
100
150
200
250
300
FTIR
Fotoluminescência
1050
1,2
1000
Energia do pico (meV)
1,2
Comprimento de onda (m)
1050
Energia do pico (meV)
1,1
1100
FTIR
Fotoluminescência
1,3
950
Medidas fora
do criostato
900
850
1,4
1,5
800
1,6
750
1,7
700
1,8
1,9
650
2
600
0
Temperatura (K)
Amostra 1166
50
100
150
200
250
300
Temperatura (K)
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 meV
820 meV
Comprimento de onda (m)
1100
Medidas de IxV iluminada
Medindo a curva IxV 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 IxV iluminada
Comparação da medida IxV
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 meV e 210 meV.
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 IxV,
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 LabSem e da UFRJ;
 Ao CNPq e a FAPERJ.

Cálculo 3D
~260 meV
~180 meV
2°
1°
8
o
1
o
2
o
3
o
4
o
5
Força de oscilador (u. arb)
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Energia (meV)
Cálculo 3D
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