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Introdução a Nanotecnologia

Introdução a Nanotecnologia. NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS Aula 1. Mauricio Pamplona Pires IF-UFRJ. Programa. Motivação O que são Semicondutores, Isolantes e Condutores? Dopagem n e p Crescimento epitaxial Junção p-n e heteroestruturas Dispositivos convencionais

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Introdução a Nanotecnologia

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Presentation Transcript

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

  4. Motivação Válvula?

  5. Triodo Diodo http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube

  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 http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

  7. 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

  8. http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

  9. http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html

  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. Laboratório Tempo ?.... Comercial 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 Avanço da capacidade de transmissão na fibra ótica

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

  14. http://www.lsi.usp.br/~chip/como_funcionam.html

  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. d L 2. O que são semicondutores? Nem condutores nem isolantes... 10-8 • 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 Metais 10-3 107 Semicondutores Resistividade a T ambiente(.m) Isolantes 1014

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

  20. C, Si ou Ge Usados para eletrônica... Rede cristalina do diamante, do silício e do germânio Rede cúbica de face centrada Rede do diamante 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. Sólido Átomo de hidrogênio luz níveis eletrônicos + Surgimento de bandas de energias Vários átomos? 1 átomo

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

  25. + + + 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 incompleta Última banda Posição METAL

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

  28. Cálculos de estrutura de bandas Gap 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. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Elétrons ligados (BV) Qual a energia necessária para liberar estes elétrons?

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

  32. 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 Eg Metal Isolante Semicondutor

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

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

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

  37. Mecanismos de condução diferentes Aumento no número de portadores de carga r - T r + T O aumento das vibrações cristalinas dificulta a passagem do elétron

  38. 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

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

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

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

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

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

  44. 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).

  45. Reator MBE

  46. Reator MBE

  47. 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).

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

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