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