Introdução a Nanotecnologia

Apresentação em tema: "Introdução a Nanotecnologia"— Transcrição da apresentação:

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

2 Programa Motivação O que são Semicondutores, Isolantes e Condutores?
Dopagem n e p Crescimento epitaxial Junção p-n e heteroestruturas Dispositivos convencionais Técnicas de caracterização Processamento e fotolitografia Nanoestruturas: poços, fios, discos e pontos quânticos Dispositivos e aplicações

3 Vamos começar pelo começo...
1. Motivação Qual a relação entre semicondutores e nanotecnologia? Vamos começar pelo começo...

4 Motivação Válvula?

5 Triodo Diodo

6 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

7 Descoberta do transistor
Bardeen ( ) Shockley ( ) Brattain ( ) 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

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10 Lei de Moore Gordon Moore Co-fundador da Intel “O número de transistores em um chip dobra a cada dois anos”

11 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

12 Diferença de tempo entre o que está no laboratório e o que é
utilizado comercialmente Physics and the communications industry, W. F. Brinkman and D. V. Lang Laboratório Comercial Tempo ?.... Avanço da capacidade de transmissão na fibra ótica

13 Mudança de escala de componentes microeletrônicos
Siegfried Selberherr, Tecnical University Vienna

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15 Efeitos quânticos em MOSFETs
B E C

16 Mas a Lei de Moore não é tudo....
Mais rápido Mais eficiente Menor custo .... Novas necessidades Como fazer isto??? Solução: Transições óticas Correntes ... Novos efeitos Mudança de escala provoca mudanças nas

17 Nano dispositivos Feitos de ...

18 2. O que são semicondutores?
Nem condutores nem isolantes... 10-8 Resistividade ( m) Resistência () (L=1m, d =1mm) Alumínio 2.8x x10-2 Cobre 1.7x x10-2 Platina 10x x10-2 Prata 1.6x x10-2 Germánio x105 Silício   6x108 Porcelana Teflon Sangue x106 Gordura x107 Metais 10-3 107 Resistividade a T ambiente(.m) Semicondutores Isolantes L d 1014

19 Sólidos cristalinos a – parâmetro de rede do cristal
Como os átomos se organizam nos sólidos? a Rede cúbica Rede cúbica de corpo centrado Rede cúbica de face centrada IMPORTANTE a – parâmetro de rede do cristal

20 Usados para eletrônica...
Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio Rede cúbica de face centrada Rede do diamante C, Si ou Ge Duas redes transladadas de ¼ da diagonal central Cada átomo está ligado a 4 outros

21 ... e na opto-eletrônica Rede cristalina do GaAs, InP, AlGaAs, InAlAs... Rede Zincblend Ga, In, Al As, P

22 Tabela periódica dos elementos
III IV V

23 Surgimento de bandas de energias
Sólido Átomo de hidrogênio + luz níveis eletrônicos 1 átomo Vários átomos?

24 Surgimento de bandas de energias
+ + 2 átomos distantes independentes

25 Quais bandas estarão cheias e vazias?
+ + + Bandas átomos próximos Surgimento de bandas de energias Quais bandas estarão cheias e vazias? Três possibilidades ... metais, isolantes e semicondutores

26 Metais Próxima banda Energia do elétron Última banda incompleta
Posição METAL

27 Próximo estado disponível:
Metais Próxima banda Energia do elétron elétron livre Última banda incompleta Posição Próximo estado disponível: + e METAL Outra possibilidade ...

28 Cálculos de estrutura de bandas
Gap

29 Isolantes e semicondutores
Banda de Condução (1a banda vazia) Energia do elétron Banda de Valência (última banda cheia) Posição Si (14 elétrons) – 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Ne + 3s2 3p2 4 elétrons disponíveis

30 Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?
Si Si Si Si Si Elétrons ligados (BV) Si Si Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?

31 Si Si Si Elétrons livre (BC) Si Si Falta de 1 elétron “buraco” Si Si

32 GAP Banda de Condução (1a banda vazia) elétron livre tem massa e carga
Eg Energia do elétron buraco também tem massa e carga ... Banda de Valência (última banda cheia) Posição GAP Eg grande ISOLANTE (vários eV) Eg pequeno SEMICONDUTOR

33 Eg Metal Isolante Semicondutor

34 E= hc/l E= 1240 /l (eV/nm) E= 1,24 /l (eV/mm)

35 Semicondutores Temperatura e luz BC BC Eg Eg Energia do elétron
BV BV Posição Posição Eg pequeno Facilidade para elétrons saírem da BV para a BC Temperatura e luz

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37 Energia do elétron BC BV Eg Posição Probabilidade: e-Eg/kT

38 Mecanismos de condução diferentes
r (W.m) dr/dT Silício 3 x 103 -70 x 10-3 Cobre 2 x 10-8 4 x 10-3 Aumento no número de portadores de carga r - T + r T O aumento das vibrações cristalinas dificulta a passagem do elétron

39 3. Dopagem p e n Em relação ao Si: III IV V 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

40 Doador tipo n Si Si Si Si Si Si Si Si Si As Si Si Si Si Si
“Sobra” 1 elétron Si Si Si Si As Si Si Si Si Si Qual a energia necessária para liberar este elétron?

41 Doador tipo n + Do + Ed = D+ + e- BC BC Ed Ed Energia do elétron
BV BV Posição Posição Do + Ed = D+ + e-

42 Doador tipo p Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si
“Falta” 1 elétron Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Qual a energia necessária para liberar este elétron?

43 Doador tipo p - Ao + Ea = A- + h+ BC BC Energia do elétron
BV BV Posição Posição Ao + Ea = A- + h+

44 Crescimento de Camadas Epitaxiais
LPE VPE MBE – Molecular Beam Epitaxy MOCVD - Metal Organic Chemical Vapour Deposition

45 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, (1975).

46 Reator MBE

47 Reator MBE

48 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).

49 Reator MOCVD Temperatura Pressão Gases: Fluxos AsH3 PH3 TMGa TMIn
TMAl, ... Fluxos

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54 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 Uniforme Excelente morfologia Interface abrupta Controle in-situ Alta pureza Crescimento de nanoestruturas Alto custo Alta manutenção Defeitos ovais MOVPE Fexível Escalabilidade Segurança Fontes caras Crescimento complicado

55 Onde ? MOCVD Rio de Janeiro MBE São Paulo Campinas Belo Horizonte

56 Crescimento Epitaxial
TMGa TMAl,TMIn PH3 AsH3 Substrato GaAs

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

58 Material casado Material descasado a’ > a InAs AlGaAs InAs tensionado a GaAs a GaAs

59 x 10000 x 4000 x 10 x 8.3 x 3

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