Junção p-n tipo – p tipo – n BC BC Ed Ea BV BV.

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1 Junção p-n tipo – p tipo – n BC BC Ed Ea BV BV

2 tipo – p tipo – n BC BC Ed Ea BV BV

3 - + - + e tipo – p tipo – n Fluxo de e BC BC Fluxo de b BV BV
Surgimento de um campo elétrico intrínseco e tipo – p tipo – n Fluxo de e BC BC - + - + Fluxo de b BV BV Região de cargas fixas

4 - - + + - - + + e tipo – p tipo – n BC BC BV BV Região de cargas fixas
Aumento do campo elétrico intrínseco e tipo – p tipo – n BC BC - - + + - - + + BV BV Região de cargas fixas

5 - - + + - - + + e tipo – p tipo – n BC BC Equilíbrio BV BV Região de
Corrente X Campo elétrico - - + + - - + + BV BV Cargas negativas fixas Cargas positivas fixas Região de cargas fixas

6 - - + + - - + + e tipo – p tipo – n BC BC BV BV V(x) x
Cargas negativas fixas Cargas positivas fixas Região neutra p Região neutra n V(x) x Região de depleção

7 e tipo – p tipo – n BC eV0 EF BV Região neutra p Região neutra n

8 Junção p-n com aplicação de potencial
Portadores minoritários Portadores majoritários Corrente de arraste: ia * Corrente de difusão: id *(possuem energia para superar a barreira) BC eV0 Excitação térmica BV e tipo – p tipo – n * Atenção: esta corrente na realidade é ao contrário!

9 Portadores minoritários
Portadores majoritários Corrente de arraste: ia Corrente de difusão: id BC eV0 Excitação térmica BV e tipo – p tipo – n Corrente de arraste: barreira eV0 não influi Corrente de difusão: barreira eV0 influi muito

10 Corrente de arraste: ia
Aumento da corrente de difusão Corrente de arraste: ia Corrente de difusão: id BC eV Potencial diminui BV Corrente medida e tipo – p tipo – n + - Diminuição da região de depleção e do campo elétrico intrinseco Polarização direta

11 Corrente de arraste: ia
Diminuição da corrente de difusão Corrente de arraste: ia Corrente de difusão: id BC eV Potencial aumenta BV Corrente medida e tipo – p tipo – n - + Aumento da região de depleção e do campo elétrico intrinseco Polarização reversa

12 Curva característica de um diodo
Polarização direta V Polarização reversa

13 - + BC eV BV e tipo – p tipo – n
Região ativa de um dispositivo: onde geralmente estão as nanoestruturas BC eV BV Corrente medida e tipo – p tipo – n - + Polarização reversa

14 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

15 MBE Alto vácuo Pressão Torr

16 MOVPE MOCVD - Metalorganic Chemical Vapor Deposition
OMCVD - Organometallic Chemical Vapor Deposition OMVPE - Organometallic Vapor Phase Epitaxy

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18 Princípio de deposição
(CH3)3Ga + AsH3 → GaAs + 3 CH4 (1-x) (CH3)3Ga + x(CH3)3Al + AsH3 → AlxGa1-xAs + 3 CH4

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20 Epitaxial Growth TMGa AsH3 GaAs Substrate

21 AlAs GaP InP InAs GaxAl1-xAs InxGa1-xP InxGa1-xAs InxAl1-xAs GaAs

22 Strained layers Lattice matched a’ > a InAs AlGaAs Strained InAs a GaAs a GaAs

23 3D a 0D

24 De 3D a 0D 3D E = Eg + h2k2/8pm 2D E = Eg + Eqz + h2k//2/8p2m
Density of states r(E) = 21/28mc3/2 (E-Eg)1/2/h3 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 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

25 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.

26 Estrutura de banda

27 Sintonia de estruturas de PQs
Fafard 2003

28 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

29 Comparando os métodos Lithography Scanning Probe Bottom-up Methods
Advantage: The electronics industry is already familiar with this technology. Disadvantage: The necessary modifications will be expensive. UV-light 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.

30 Pontos quânticos auto-organizados

31 Métodos diferentes de crescimento

32 Stranski-Krastanow

33 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

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35 Espessura da wetting layer

36 Dots’ parameters Dot density Dot size Dot shape
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?

37 Scanning Tunneling Microscopy (Nobel Prize to Rohrer and Binnig in 1986)

38 Atomic Force Microscopy
Determination of size distribution and density of quantum dots

39 Example of AFM Results

40 Transmission Electron Microscopy
Two geometries: Plain view Cross section InAs/GaAs 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

41 TEM image of an InAs/InGaAs/InP dot
HREM images Landi et al 2005

42 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.

43 Examples of Photoluminescence of Dots
Luminescence of an ensemble of dots with resolved excited states. Linewidths of the order of meV. Single dot spectroscopy. Linewidths of the order of meV. Signal is time averaged. s p d f Fafard et al 2000 Finley et al 2001

44 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

45 Growth parameters Temperature Deposition time
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

46 Effect of temperature on InAs/InGaAs/InP
Tgrowth = 500°C Height increases FWHM decreases Tgrowth = 520°C

47 Effect of temperature on InAs/InGaAs/InP
Reduction of the PL FWHM in agreement with AFM results PL intensity for higher energies decreases → larger dots

48 Deposition time increases →
Dot density increases InAs/InGaAs/InP

49 In flux / growth rate dependence
In flux: 30 sccm 60 sccm 66 sccm 76 sccm Tgrowth: 520 oC tgrowth: 4.2 s InAs / InP

50 InAs / InGaAs / InP Attempting to reach higher densities InAs /InP

51 Same scale: from 2.0 108 to 2.0 1010 dots cm-2 InAs/InGaAs Tg =490oC
H  9 nm InAs/InP Tg = 490oC H  12 nm

52 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.

53 TEM Images of Stacked Quantum Dots
Multi-layers of quantum dots Surface QDs 200 nm 20 nm AFM image Landi et al 2005

54 Effect of number of stacks on dots’ properties
Red-shift with increasing number of stacks Vertical coupling increases the average dot height Landi et al 2004

55 Controlled site deposition of quantum dots on a patterned surface
Dots grown away from the patterned region Patterned substrate using AFM Dots’ formation on designated sites Fonseca Filho et al 2005