Seminario 2 papel das nanoestruturas quânticas no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e fotônicos

Papel das nanoestruturas quânticas no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e fotônicos

“Roles of Quantum Nanostructures on the Evolution and Future Advances of Electronic and Photonic Devices”

Hiroyuki Sakaki

MINI-CURSO

Profa. R. Ragi

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ResumoProcuramos nesta apresentação mostrar os avanços ocorridos na fabricação e na compreensão teórica das nanoestruturas semicondutoras nos últimos anos que possibilitaram um grande desenvolvimento nas áreas de eletrônica e fotônica.

As dimensões em que os fenômenos são aqui investigados encontram-se numa escala de 10 nm.

Dentro destas dimensões, são discutidas as estruturas de poços quânticos em geral, de modo a mostrar como o confinamento quântico de elétrons em tais estruturas é controlado para maximizar o desempenho de uma série de possíveis dispositivos de interesse para a tecnologia atual, tais como, transistores de efeito de campo, lasers, diodos e outros dispositivos.

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Sumário Resumo

Sumário

1. Introdução

2. Transistor de efeito de campo e Nanoestruturas Quânticas

2.1 MOSFET e Confinamento Quântico dos Elétrons em Canais Ultrafinos

2.2 Heteroestruturas FET´s (HEMTs) e elétrons 2D

2.3 Transistores de efeito de campo de fio quântico e transporte eletrônico em uma dimensão

2.4 Transistores de efeito de campo com pontos quânticos embutidos para memórias e detectores

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1. Introdução

Ao longo das últimas décadas, dispositivos semicondutores, eletrônicos e fotônicos, proporcionaram progressos notáveis, e revolucionaram a forma como nossa sociedade funciona.

Como exemplo podemos citar os transistores bipolares, os transistores de efeito de campo (os FETs), os lasers, os LED’s, os fotodetectores, e outros dispositivos, que permitiram, de um modo geral, adquirir, armazenar, processar, transmitir e exibir vários tipos de informações.

De um ponto de vista mais específico, um ponto em comum entre todos esses dispositivos é o confinamento quântico de elétrons, que permite maximizar e controlar o desempenho desses dispositivos. Em muitos destes dispositivos, os elétrons são confinados em duas dimensões, tal como ocorre no canal condutor dos MOSFET’s (“metal-oxide-semiconductor field effect transistor”), no canal condutor dos transistores de efeito de campo de heterojunção, e nas fontes ópticas, tais como lasers e LED’s.

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IntroduçãoVale observar enfaticamente, que todo esse progresso e desenvolvimento somente foi possível devido ao enorme desenvolvimento experimental nas técnicas de fabricação, das quais destacamos o controle de crescimento epitaxial, camada a camada, conhecida como MBE (“Molecular Beam Epitaxy”), dentre outras.

Esquema retirado de http://www.veeco.com/molecular-beam-epitaxy.aspx

Mecanismo de crescimento MBE. Átomos chegam à superfície de um substrato e submetem-se a absorção da superfície, a migração da superfície, a incorporação na rede cristalina, e

desorção térmica. Qual das vias concorrentes domina o crescimento dependerá fortemente da temperatura do

substrato. À baixas temperatura, os átomos vão ficar onde eles chegarem, sem se organizarem adequadamente - levando a um

cristal de qualidade pobre. A uma temperatura elevada, os átomos irão dessorver (reevaporar) da superfície muito

rapidamente - conduzindo a taxas de crescimento baixas e a formação de um cristal de qualidade pobre. No intervalo de

temperaturas intermédias apropriadas, os átomos terão energia suficiente para se mover para a posição adequada na

superfície e ser incorporado no cristal em crescimento.Fig. 1

http://www.veeco.com/molecular-beam-epitaxy.aspx

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Introdução

Figura 2 – Os quatro tipos básicos de nanoestruturas de estado sólido: (a) poço

quântico; (b) super-rede; (c) fios quântico e (d) pontos quânticos.

A Figura (2a) mostra uma estrutura conhecida como poço quântico, na qual o elétron pode mover-se livremente no plano x-y, supondo uma aproximação teórica em que a espessura da estrutura na dimensão z é considerada ultra-fina.Em linhas gerais, de posse do controle da fabricação de estruturas semicondutoras, podendo-se controlar o grau de impurezas nas amostras, e variar os materiais crescidos uns sobre os outros, camada a camada, pode-se observar uma série de efeitos que surgem da combinação dessas deposições umas sobre as outras, sobre regime estritamente controlado, que permitiu a fabricação de estruturas que exibiam várias potencialidades para aplicações tecnológicas, em dimensões reduzidas, e que poderiam ser obtidas a baixo custo, seguindo os padrões da circuitaria convencional.

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COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in

Electrical and Electronic Engineering

Fig. 3

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IntroduçãoCom o desenvolvimento e domínio das técnicas experimentais de MBE e MOCVD, estruturas tais como a mostrada na Figura (2b), proposta por Esaki e Tsu desde 1969, conhecidas como super-redes, tornaram-se possíveis. Nestas estruturas os elétrons ficam confinados em poços quânticos dentro da escala de aproximadamente 10 nm, formando estados eletrônicos acoplados, induzindo a inúmeras propriedades únicas, tais como, o confinamento quântico dos elétrons, incluindo o efeito Hall Quântico, o efeito Stark quântico-confinado, o tunelamento ressonante, as oscilações de Bloch, e a emissão e detecção de fótons com base em transições inter sub-banda de elétrons.

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

Elétron livre - 2D

(1b)

Fig. 2b

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Introdução

z

y

x

z

y

x

(1c)

(1d)

Conhecida as hipóteses sob as quais se baseia o movimento bidimensional dos elétrons nos materiais semicondutores e de posse da tecnologia necessária para implementação dessas estruturas, entre 1975 e 1980 Sakaki propôs o conceito de fios e pontos quânticos, resultando num avanço tecnológico na área de nanostruturas semicondutoras. Sakaki estudou a viabilidade de utilização de tais estruturas em dispositivos, tais como dispositivos de transporte não linear controlado por porta e transistores de efeito de campo de fios e pontos quânticos, Figuras (2c e 2d).

Fig. 2c-d

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IntroduçãoEm 1982, Arakawa e Sakaki, estenderam o conceito de Sakaki e propuseram a utilização de fios quânticos e pontos quânticos na fabricação de lasers e de diodos.

Embora de difícil implementação no início, devido ainda as sérias limitações experimentais, o rápido desenvolvimento das técnicas de fabricação de heteroestruturas tornaram possível a fabricação de estruturas de fios quânticos e de pontos quânticos, revelando propriedades e funções únicas de elétrons 1D e 0D.

Vale observar que, a técnica de litografia de feixe de elétrons, que foi originalmente desenvolvida para a produção de transistores de efeito de campo de canal curto, foi muito utilizada, para se produzir estruturas envolvendo fios e pontos quânticos.

De imediato, muitos outros métodos de fabricação de tais estruturas foram propostos, com a finalidade de se dispor das propriedades e funções que somente os sistemas uni e zero-dimensionais podem oferecer.

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Introdução

Alguns desses métodos destacamos abaixo:

A auto-organização de pontos quânticos de InAs formados sobre GaAs;

O crescimento seletivo de fios quânticos sobre substratos processados;

Formação de fios quânticos por “cleaved edge overgrowth”;

Auto-organização de nanopartículas e nanotubos em vapor ou líquido;

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IntroduçãoNesta apresentação, é discutido primeiramente o papel significativo dos elétrons 2D, 1D e 0D,

nos MOSFETs, nos transistores de efeito de campo de heterojunção, nos transistores de efeito de campo de fios quânticos, e nos transistores de efeito de campo de pontos quânticos, de armazenamento de

carga.

Em seguida, são apresentados as funções únicas

das super-redes, dos transistores de um elétron, e dos dispositivos de tunelamento.

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Introdução

Finalmente, são examinados as propriedades fotônicas de

poços quânticos, fios quânticos e pontos quânticos em conexão com

lasers baseados em pontos quânticos, emissores de um único fóton, fotodetectores inter/intra banda.

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2 - Transistor de efeito de campo e Nanoestruturas Quânticas

Os transistores de efeito de campo são um dos mais importantes dispositivos da eletrônica atual, desde a invenção dos circuitos integrados em grande escala, “LSI-based”.

De um lado, destacam-se as memórias e processadores que são na sua maioria composta por MOSFETs, e por outro lado, os sistemas de comunicação avançados, os quais são construídos muitas vezes usando transistores de efeito de campo de heteroestruturas, em geral, baseadas em GaAs.

Nesta seção, são discutidos os efeitos que ocorrem nos transistores de efeito de campo construídos em dimensões de aproximadamente 10nm, e as memórias baseadas em transistores de efeito de campo de fios e pontos quânticos.

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Transistor de efeito de campo e Nanoestruturas Quânticas

2.1 Transistores de efeito de campo baseados em silício

Conforme ilustrado na Figura 4, os elétrons em um MOSFET de Si são confinados em um canal formado por um poço quântico.

SiO2 (isolante)

Dreno

Fonte Porta

Silício

Canal 2DEG

VG

y

z

xy

z

x

Figura 4 – Diagrama esquemático de um MOSFET mostrando o confinamento quântico

do elétrons no canal condutor.

O perfil de potencial que descreve o sistema, pode ser descrito pela aproximação do poço quase triangular, formado pela barreira de óxido e pelo campo eletrostático imposto pelos contatos. Quando a tensão na porta Vg é alta, os níveis de energia dos elétrons tornam-se discretos e bem separados entre si, porém, se a tensão na porta for baixa, o espaçamento dos níveis de energia pode ser bem menor, podendo até mesmo, o confinamento quântico deixar de existir, retornando o movimento natural dos elétrons em três dimensões.

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2.2 Transistores de efeito de campo baseados em semicondutores compostos Seguindo os mesmos princípios da tecnologia baseada em silício para fabricação de transistores de efeito de campo, muitos pesquisadores investigaram o uso de materiais compostos, tais como GaAs, para fabricação dos FETs ou TECs.

Embora esforços consideráveis tenham sido feitos na década de 60 e 70, para se obter o isolamento da porta em transistores de efeito de campo baseados em GaAs, nenhum deles teve êxito, devido a presença de defeitos na interface isolante- semicondutor, ou no próprio isolante que se utilizava, originando inúmeros problemas no desempenho do dispositivo.

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De fato, este cenário somente começou a ser modificado, quando se verificou o desenvolvimento de técnicas de fabricação de semicondutores mais avançadas, tais como, o crescimento epitaxial por feixe molecular, conhecido como MBE, (“molecular beam epitaxy”), e outros métodos de crescimento epitaxial, os quais removeram estes problemas, permitindo o crescimento de heteroestruturas semicondutoras, tais como sistemas AlGaAs / GaAs, InAlAs / InGaAs, Si / SiGe, com alto grau de pureza, e/ou impurezas controladas.

Em linhas gerais, todo o desenvolvimento dos métodos de fabricação ocorrido a partir da década de 70 permitiu que, em tais heteroestruturas um material funcionasse como uma barreira de potencial para a outra camada de material, inserindo os dopantes apenas nas camadas desejadas, correspondentes às camadas de barreiras.

Esta abordagem permitiu o uso de heteroestruturas de diversos sistemas de materiais para fabricação de transistores de efeito de campo de alta velocidade, e uma nova forma de suprimir o espalhamento de elétrons por impurezas.

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Especificamente, todo este desenvolvimento, é conhecido, como esquema de dopagem modulada, e pôde ser empregado para se fabricar uma família de transistores de heteroestruturas de alta velocidade, também conhecidos por transistores de alta mobilidade eletrônica, os HEMTs, (“high electron mobility transistors”), os quais vêm desempenhando um papelextremamente importante nos avanços dos sistemas de comunicação ópticas. A Figura 5 mostra esquematicamente a estrutura básica de um HEMT (DH-HEMT) de dupla heterobarreira, na qual, os elétrons 2D são fornecidos pelos doadores positivos encontrados nas regiões das barreiras, transportando a corrente no canal do poço quântico. Neste ponto, vale a pena lembrar, que, o protótipo do HEMT nascido de fato, em 1980, empregava apenas uma única heterojunção n-AlGaAs/GaAs.

Figura 5 - Estrutura básica de um HEMT de dupla heterobarreira com um canal de poço quântico.

n- AlGaAs

GaAs intrínseco

Canal 2DEG

AlGaAs intrínseco

DrenoFonte Porta

- GaAs

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2.3 Transistores de efeito de campo de fio quântico e transporte eletrônico em uma dimensão A utilização de um ou vários fios quânticos (quantum wires – QWRs) como canal de um transistor de efeito de campo foi proposto pela primeira vez por Sakaki em 1980.

Como mostrado na Fig. 6, a corrente elétrica em tais TECs é suportada por elétrons unidimensionais que fluem nos QWRs

Fig. 6: (a) Um esquema de transistor de efeito de campo de fio quântico com múltiplos canais de fios quânticos. (b) Ilustração do espaço de fase de um processo de espalhamento elástico, espalhamento para trás que acompanha uma grande varriação no momento eletrônico.

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Se o canal de elétrons estiver todo acomodado na sub-banda fundamental, um elétron movendo-se ao longo do fio com sentido para a direita não têm qualquer chance de mudar sua direção ou ser elasticamente espalhado, a menos que espalhe para trás com sentido para a esquerda.

Este processo de espalhamento para trás deve ser muito raro para elétrons com alta velocidade de Fermi, uma vez que é acompanhado por uma grande variação no momento eletrônico. Assim, espera-se que o espalhamento por impureza e outros processos de espalhamento elástico sejam suprimidos em estruturas de fio quântico de um único modo, conduzindo a uma melhoria na mobilidade eletrônica a baixas temperaturas.

Fig. 6

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Possibilidades de reduzir as taxas de emissão de fônons polares em um fio quântico com uma alta densidade eletrônica também foram constatadas por Yamada e Sone.

Indícios ou evidências experimentais para a redução do espalhamento elástico foram encontrados indiretamente em estudos de transporte de contatos de ponto quântico, onde a condutância quantizada em degrau, resultante do transporte balístico (livre de espalhamento), são mais claramente visíveis sob a condição limite quântico, onde todos os elétrons são acomodados na sub-banda fundamental.

Fig. 6

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Note que os TECs, que utilizam nanotubos de carbono (CNTs) como o material de canal, são QWR FETs, a medida que a corrente em tais dispositivos é suportada por lacunas ou elétrons unidimensionais.

É apontado por Ando et al que o processo de espalhamento para trás de portadores em nanotubos de carbono metálicos é quase eliminado, devido a aspectos exclusivos dos estados eletrônicos dos nanotubos, onde os pseudo-spin desempenham um papel extremamente significativo.

Fig. 6

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Deve-se notar também que TECs de fios quânticos apresentam outra vantagem em relação ao gate ou estrutura de gate de duplo lado sobre o canal de fio quantico pode controlar a concentração de portadores eficazmente mesmo quando o canal possua comprimento tão pequeno, da ordem de 10nm.

Com isso os TEC de fios quânticos podem muito bem desempenhar um papel importante no desenvolvimento futuro da LSIs, uma vez que o canal tem comprimento 30 nm ou menos. Além disso, a possível utilização de TEC de fios quânticos como sensores ultra sensíveis tem sido explorado.

Fig. 6

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2.4 TECs com pontos quânticos embutidos para memórias e detectores

Fig. 7: (a) Transistor de efeito de campo de armazenamento de carga com pontos quânticos de InAS embebidos entre o gate e o canal. (b) Curvas características. Note que a concentração de elétrons Ns aumenta linearmente com a tensão VG; seu limiar pode ser deslocado à direita ou à esquerda, dependendo do armazenamento de carga nos pontos quânticos. (Yusa G. et al [8,9])

Elétrons e lacunas podem ser confinados e armazenados por um ou múltiplos pontos quânticos (PQs). Ao incorporar pontos quânticos na região do canal de um transistor de efeito de campo, pode se construir diversos dispositivos de armazenamento de carga. Por exemplo, a incorporação de uma camada planar auto-organizada de pontos quânticos de InAS próximo à região de um canal de um transistor de alta mobilidade eletrônica de GaAs / AlGaAs foi fabricada pela primeira vez em 1996, constituindo numa espécie de transistor de efeito de campo com capacidade de armazenamento de carga. (Ver Fig.7 (a)).

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TECs com pontos quânticos embutidos para memórias e detectores

Neste transistor de efeito de campo, a concentração (Ns) de elétrons no canal pode ser aumentada linearmente através do aumento da tensão na porta, até a concentração saturar para uma tensão de porta acima de 1 V (ver Fig. 7 (b)).

A saturação de Ns indica que os elétrons em um canal começam a fluir para os pontos quânticos, preenchendo cada ponto quântico com cerca de um elétron.

Fig. 7

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Como resultado, a tensão de limiar deste transistor de efeito de campo desloca-se para a direita, resultando em uma ação de memória.

Tiwari [10] desenvolveu um dispositivo de armazenamento de carga de MOS de Si com função de memória incorporando nanocristrais de Si em uma camada de óxido de um MOSFET como nodos de armazenamento de carga. Funções de memória não-volátil com tempos de duração muito mais longos foram demonstradas.


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Em comparação com dispositivos de armazenamento de carga baseado em MOS, os TECs de heteroestruturas com pontos quânticos incorporados têm uma limitação inerente a tempos de retenção muito longos. Em vez disso, tais transistores possuem uma vantagem, eles podem funcionar como fotodetectores, uma vez que excitações inter-banda e inter sub-banda podem ser usadas para controlar a carga nos (PQs).

Note na Fig. 7 (b) que o canal de condutância aumenta persistente tanto com iluminação no visível quanto no infravermelho, enquanto um elétron armadilhado em (PQ) é “apagado” através da recombinação com uma lacuna foto-gerada ou por seu escape fóton-assistido sob iluminação de médio-infravermelho.

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Quando a excitação inter banda cria lacunas, PQs negativamente carregados podem ser primeiramente neutralizados, mas estes ainda podem ser carregados positivamente para armazenar uma ou múltiplas lacunas. Figura 7 (b) mostra claramente que a característica NS-Vg desloca para a esquerda a medida que a lacuna é persistentemente armadilhada em cada (PQ).

Além disso, se o canal é constrito, a sua condutância será afetada de forma eficiente, logo que o estado carregado de um único (PQ) ou poucos (PQs) mudam. Tal fenômeno tem sido empregado com sucesso para modificar o transporte eletrônico através de um ponto de contato quântico e também para detectar um único fóton.

Fig. 7

3 - Super-redes, transistor de único elétron e dispositivos que apresentam tunelamento

29Fig.(8) – (a) Um diodo de dupla barreira de tunelamento ressonante, (b) seu perfil de banda de potencial. (c) Uma super-rede com multi-barreiras.

O fenômeno de tunelamento quântico de um elétron através de uma barreira simples tem sido estudado em uma variedade de sistemas, levando a importantes descobertas e invenções como o diodo Esaki, a junção Josephson, e dispositivos que apresentam Magnetoresistência de Tunelamento (“tunneling magnetoresistance” - TMR).

Quando duas barreiras são colocadas com um espaçamento de 10 nm como mostrado na fig. 8 (a) e (b), as componentes das ondas refletidas nas duas barreiras interferem umas com as outras, resultando em um número interessante de consequências.

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3 - Super-redes, transistor de único elétron e dispositivos que apresentam tunelamentoEspecialmente, quando o espaçamento entre as barreiras for igual a um múltiplo inteiro do comprimento de onda do elétron incidente, o elétron tunela ressonantemente através da dupla barreira (DB) com uma probabilidade de transmissão de 100%.

Este diodo de tunelamento ressonante induz uma espécie de condutância diferencial negativa, uma vez que a corrente aumenta para um valor de pico, e então cai, assim que a tensão de polarização aumenta excessivamente acima da condição ressonância. A velocidade de resposta dos RTDs é limitada pelo tempo de permanência de um elétron na cavidade da estrutura de dupla barreira e é demonstrada exceder 700 GHz, com utilização de harmônicos de terceira ordem. Asada et al obtiveram êxito em gerar radiação da ordem de THz.

Fig. 8

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3 - Super-redes, transistor de único elétron e dispositivos que apresentam tunelamentoEm 1969 e 1970, Tsu e Esaki propuseram o conceito de super-redes (SL), um conjunto de poços quânticos e barreiras de potencial alternadas , Fig. (8). As estruturas de super-redes são uma espécie de filtros de Bragg que tem a característica de transmissão de um comprimento de onda seletivo, o movimento dos elétrons em uma super-rede sob um campo elétrico leva a um numero único de fenômenos, que incluem a condutância diferencial negativa (NDC) e um comportamento oscilatório, denominado oscilação de Bloch . Além disso, Sakaki e Esaki demonstraram em 1977 que a SL pode funcionar como um detector de infravermelho-médio, uma vez que a foto-excitação pode induzir uma transição inter-sub-banda de elétrons do estado fundamental fortemente ligado a um estado excitado fracamente ligado, dando origem a uma fotocorrente através da barreira.

Fig. 8

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3 - Super-redes, transistor de único elétron e dispositivos que apresentam tunelamentoEste fotodetector de infravermelho de poço quântico (quantum well infrared photodetector - QWIP) foi concebido por B. Levine e outros, em seguida, tornando-se comercialmente disponível para fazer imagens de infravermelhos (termográficas), espectroscopia de gás e assim por diante.Inspirado no conceito de super-redes de Tsu e Esaki, Sakaki propôs em 1975-76 a introdução de barreiras periódicas (ou potencial de super-rede) dentro de um canal muito fino de um transistor de efeito de campo fabricando assim um dispositivo de super-rede planar de porta controlada.

Fig. 9: (a) Transistor de efeito de campo de super-rede planar com um conjunto de pontos quânticos acoplados. (b) Transferência de um único elétron operação (catraca) de um transistor de um único elétron (inserção) baseado e GaAs.

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A Fig. 9 (a) mostra um exemplo deste tipo de transistor de efeito de campo, onde uma matriz de pontos quânticos acoplados é definida por uma barreira bidimensional. Da mesma forma, um conjunto de fios quânticos ligados também foi proposto. Em comparação com a super-rede de Tsu e Esaki, este dispositivo tem características únicas. Por exemplo, a densidade de estados na região do mini-gap dessas super-redes planas podem ser reduzidas e desaparecer. Isto significa que a condutância se torna nula, logo que a primeira mini-banda esteja completamente preenchida de elétrons.

Em outras palavras, logo que a tensão de porta é aumentada para colocar dois elétrons em cada ponto quântico (um spin "up" e um spin "down"), a corrente ou a condutância vai à zero, resultando numa transcondutância negativa.


Fig. 9

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Um dos descendentes de tais transistores de efeito de campo de super-rede planar é o transistor de um único elétron (SET), onde o transporte de elétrons através de uma pequena ilha (COULOMB) é criticamente controlada pelo número de elétrons na ilha Fig. (9b).

Vale ressaltar que, como resultado das investigações acumuladas, as características dos transistores de um único elétron têm melhorado drasticamente, permitindo, por exemplo, a operação confiável de transistores de um único elétron baseado em Si à temperatura ambiente . Adicionalmente, há estudos também da utilização de transistores de um único elétron para sensores de carga e manipulação quântica de um único elétron e fóton.


Fig. 9

35

Fig. 10

36

Fig. 11

37

Fig. 11

38

Fig. 12

39

Fig. 13

40

An InAs/InP quantum dot with four electrodes; Physical Review B 78, 195301 (2008). http://www.extremephotonics.uottawa.ca/Fig. 14

http://www.extremephotonics.uottawa.ca/

41

http:

//io

psci

ence

.iop.

org/

2040

-898

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ticle

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Fig. 15

Estruturas fotônicas de sub-comprimento de onda e materiais em nanoescala têm

grande potencial para aumentar a eficiência de células solares, possibilitando a absorção

máxima de luz solar. Heteroestruturas semicondutoras proporcionam

oportunidades para melhorar a absorção de radiação infravermelha em dispositivos

fotovoltaicos, que responde por metade da potência do espectro solar. (...)

Medições e simulações de células solares de GaAs com menos de um mícron de material

ativo demonstram os benefícios da incorporação de pontos e poços quânticos

de InGaAs para melhorar seu desempenho. Simulações que incorporam um modelo

realista de absorção empoços quânticos mostram que o uso de

estruturas fotônicas de banda larga com tais dispositivos podem melhorar

substancialmente o benefício de incorporação heteroestruturas, permitindo

significativas melhorias no seu desempenho.

http://iopscience.iop.org/2040-8986/14/2/024007/article/

42

Fig. 16

43

Fig. 17

rear = parte de trás

44

Fig. 18

45

Energia renovável tem se tornado um assunto de grande interesse como resultado de preocupações sobre o custo, disponibilidade, efeitos ambientais e implicações políticas e sociais associadas com as formas tradicionais de geração de energia. Contínuos avançosem tecnologia fotovoltaica e sua relevância para a alimentação de equipamentos no espaço levou a um progresso assustador (dramático) no desenvolvimento de células solares tanto para aplicações terrestres como para aplicações no espaço. No entanto, uma das questões mais persistentes no projeto de célula solar continua a ser qual a forma mais eficaz de abordar a compensação entre a absorção de luz e a coletagem de portadores. A utilização de estruturas de sub-comprimento de onda e materiais nanoestruturados para melhorar a absorção de dispositivos fotovoltaicos, frequentemente aumentando o comprimento do percurso da luz como um resultado de espalhamento ou de difração, é uma abordagem poderosa para abordar essa compensação. A este respeito, materiais nanoestruturados permitem novas possibilidades para o projeto e integração de meios ativos e passivos em células solares. Uma miríade de estruturas fotônicas de características de sub-comprimento de onda têm sido propostas para melhorar o desempenho do dispositivo fotovoltaico, incluindo redes de difração, nanopartículas, e cristais fotônicos. Enquanto isso, as propriedades únicas das nanoestruturas semicondutoras têm inspirado uma série de novas estruturas de celulas solares, incluindo projetos baseados em poços quanticos, pontos quânticos e nanofios.

Fig. 19

46Fig. 20

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4 - Avanços dos dispositivos fotônicos e das nanoestruturas

Como estudado na seção 1, os poços quânticos desempenham um papel fundamental em fotônica, uma vez que, são usados em lasers, LED´s e moduladores de poços quânticos.

Além disso, os detectores de poços quânticos inter sub-banda (QWIPs) e os lasers (QC lasers) estão tornando-se dispositivos chaves nas regiões de “mid-infrared” e “far-infrared” (THz) de ondas eletromagnéticas.

Aqui, nós discutimos diversos tópicos com o foco nas aplicações de pontos quânticos e de fios quânticos para detectores avançados e fontes luminosas.

Na seção 2, salientamos que os elétrons e/ou as lacunas gerados por excitação inter-banda podem eficientemente ser aprisionados por pontos quânticos, os quais influenciam na condutividade próxima ao canal de um transistor de efeito de campo.

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Avanços dos dispositivos fotônicos e das nanoestruturas

Assim, este fenômeno pode ser usado em um fotodetector persistente, como mostrado na Fig. 7 (b).

Este esquema foi expandido por Shields e outros para mostrar que um único fóton pode ser detectado. Neste tipo de aplicação, pontos quânticos carregados influenciam tanto na concentração de portadores dentro do canal quanto em sua mobilidade.

Fig. 7: (a) Transistor de efeito de campo de armazenamento de carga com pontos quânticos de InAS embebidos entre o gate e o canal. (b) Curvas características. Note que a concentração de elétrons Ns aumenta linearmente com a tensão VG; seu limiar pode ser deslocado à direita ou à esquerda, dependendo do armazenamento de carga nos pontos quânticos. (Yusa G. et al)

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Figura (21a) – HEMT invertido com QDs embebidos. (a) o potencial de espalhamento em torno de um quantum dot carregado negativamente. (b) Mobilidade eletrônica versus a fração do dots carregados (ocupação).

A Figura (21a), por exemplo, mostra um dispositivo de teste, onde as mobilidades dos elétrons são medidas no canal, em que os elétrons são espalhados tanto por pontos quânticos neutros, quanto por pontos quânticos carregados. Como mostrado na Fig. (21b), a mobilidade eletrônica aumenta à medida que a fração (ocupação do elétron) de pontos quânticos negativamente carregados aumenta, contrariando a expectativa intuitiva.

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Este resultado intrigante é causado por um mecanismo, no qual o potencial atrativo intrínseco a um ponto quântico é parcialmente cancelado pelo potencial Coulomb repulsivo, proveniente do elétron armadilhado.

Este tipo de análise detalhada é importante para maximizar o desempenho de detectores baseados em pontos quânticos tanto inter banda quanto inter sub-banda. Como descrito na seção 3, a transição ótica de elétrons entre o fundo da sub-banda e um estado excitado, em poços quânticos e nas super-redes podem oferecer um número de possibilidades de dispositivos para a escala espectral de “mid-infrared” e “far-infrared”.


Fig. 21

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Como mostrado na Fig. 22, a transição dos elétrons de um estado ligado mais fundamental para um estado excitado mais fracamente ligado tem sido habilmente utilizado para fazer um detector de “mid-infrared” (QWIP), seguindo a proposta de 1993 por Levine et al. Adicionalmente, o processo reverso é agora extensivamente usado para fazer uma família de “quantum cascade lasers” que permitam a geração de radiações de infravermelho médio e de THz (far-infrared) .

Fig. (22) - (a) A transição inter sub-banda de elétrons do estado fundamental fortemente ligado para um estado excitado fracamente ligado; (b) e a sua aplicação em detector de infravermelho médio.

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Os lasers de ponto quântico e de fio quântico proposto por Arakawa e Sakaki em 1982 experimentaram uma dificuldade nos primeiros dez anos, porque seus estudos experimentais eram quase impossíveis até o começo da década de 90.

Todavia, os notáveis avanços subsequentes da tecnologia de semicondutores tornou possível fabricar pontos e fios quânticos na escala de 10 nm, através dos quais lasers de pontos quânticos e lasers de fios quânticos com características atraentes puderam ser realizados.

Por exemplo, usando-se pontos quânticos auto-organizados de InAs ou de InGaAs sobre substratos de GaAs, lasers de ponto quântico com limiar de densidade de corrente ultra-baixa (abaixo de 20 A/cm2) puderam ser fabricados.

Além disso, foi demonstrado que a característica de modulação direta de 10 Gb/s de lasers de pontos quânticos sobre GaAs são quase insensíveis à temperatura, de acordo com o que foi previsto anteriormente .

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Outro progresso em dispositivos fotônicos baseados em pontos quânticos é o advento e o desenvolvimento de emissores de um único fóton (Single Photon Emitter - SPE), que são necessários para sistemas de criptografia quântica.

Nestes estudos, uma wafer contendo um ensemble de pontos quânticos auto-montados é usado e um ponto particular é selecionado por métodos litográficos, pelo qual, ou uma “mesa” pequena ou uma máscara de metal com uma minúscula abertura é preparada.

Para certificar-se de que um único par elétron-lacuna ou um éxciton é fornecido para um específico dot em cada intervalo do pulso, diversos pares de éxciton são inicialmente fornecidos ao dot, e a evolução do tempo ou decaimento por foto luminescência (PL) é seguida até que o último éxciton tenha se transformado em fóton.

Enquanto a pequena diferença espectral existir entre o único éxciton PL e o multi-exciton PL, pode-se seletivamente capturar os fótons necessários.

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Fig. 23: Densidade ultra baixa de pontos quânticos de InAs sobre GaAs: sua imagem do CCD e espectros de fotoluminescência. (M.Ohmori e outros Phys. Stat. Solenóide (C) 3. 2006)

O SPEs baseados em pontos quânticos inicialmente somente operavam em baixas temperaturas, uma vez que a linha de PL para o único éxciton e aquelas para múltiplos éxcitons se tornaram tão largas que não podem mais serem separadas.

Outras melhorias são também desejadas para SPEs baseado em ponto quântico, incluindo o estabelecimento de um eficiente esquema de bombeamento elétrico.

Note que a tecnologia para fabricar fios quânticos e estruturas relacionadas tiveram progressos notáveis e as propriedades fotonicas únicas de éxcitons 1D e de plasmas elétron-lacuna foram demonstrados .

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Fig. 24: (a) O conceito básico de um fio quântico (QWR) e a imagem de AFM de um

QWR auto-organizado de InGaAs formado sobre uma estrutura de passos agrupados. (b) A imagem de TEM da seção transversal de um cume QWR de GaAs/AlGaAs e sua imagem do

AFM (c). (S.Koshiba et al)

Por exemplo, a otimização dos processos de padronização litográfica para a escala de 10 nm em fios quânticos baseados em InGaAs e o subsequente supercrescimento por InP e ternários relacionados, desenvolvidos por Arai et al, permitiram a fabricação dos lasers DFB de fios quânticos de alta qualidade.

Uma variedade de métodos novos para a fabricação de fios quânticos foi desenvolvida.

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A Fig. (24) mostra alguns exemplos, incluindo o crescimento seletivo de fios quânticos em um substrato padronizado e crescimento espacialmente modulado de múltiplos fios quânticos em estruturas auto-organizadas.

O crescimento vertical seletivo dos nanotubos de carbono e dos nanofios baseados em semicondutores dos grupos III-V, induzidos por ação catalítica de uma nano-partícula de metal tem sido extensivamente usados.


Fig. 24: (a) O conceito básico de um fio quântico (QWR) e a imagem do AFM de um QWR auto-

organizado de InGaAs a disposição dada forma em uma etapa ajuntada das estruturas. (b) A

imagem de TEM da seção transversal de um cume QWR de GaAs/AlGaAs e sua imagem do AFM (c).

(S.Koshiba et al)

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Fotodetectores de Infravermelho de Pontos Quânticos (QDIPs)

Pesquisadores do Centro de Dispositivos Quânticos (Center for Quantum Devices) demonstraram o crescimento de pontos quânticos de In(Ga)As através da auto-montagem, tanto em sistemas baseados em InP como baseados em GaAs, usando MOCVD – Deposição química de vapor metalorgânico. Os pontos quânticos são crescidos através de auto-montagem de acordo com o modo de crescimento Stranski-Krastanow. Os pontos quânticos podem ser visualizados por microscopia de força atômica

http://cqd.eecs.northwestern.edu/research/qdots.php

Micrografias AFM de: a 1 μm x 1 μm de imagem da superfície de pontos quânticos de InAs sobre GaAs / InP, (no detalhe) um único PQ de InAs.

Fig. 25

http://cqd.eecs.northwestern.edu/research/qdots.php

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Usando tais PQs, foi demonstrado um fotodetector de infravermelho de PQs multi-stack (Quantum Dot Infrared Photodetector - QDIP). Tais QDIPs têm muitas vantagens em comparação com o fotodetector de infravermelho convencional de poço quântico (QWIP) , incluindo: maior responsividade, temperatura de operação maior, maior acoplamento de luz de incidência normal, e capacidade de banda estreita. Uma variedade de QDIP e dispositivos quânticos híbridos de poços quânticos e de PQs têm sido crescidos, tanto em substratos de GaAs quanto de InP.

Ilustração (à esquerda) e imagem típica SEM de (à direita) da seção transversal de um QDIPFig. 26

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QDIPs sobre GaAs Nos dispositivos de QDIP de InGaAs/ InGaP/GaAs, a resposta espectral apresentou uma transição intersubbanda em 4,7 μm a 77 K. O pico de responsividade foi medido como uma função da temperatura até 200 K. O recorde de detectividade foi 1.1x1012 cm·Hz½/W à 77 K e 5.5x1010 cm·Hz½/W à 120 K. Operação BLIP foi alcançada até 180 K.

Imagem de um ferro de solda de uma matriz de plano focal baseado MWIR

QDIP de InGaAs / InGaP / GaAs

Fig. 27

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Além disso, o primeiro QDIP de matriz de plano focal (FPA), também foi demonstrado, com base no QDIP InGaAs / InGaP / GaAs com um formato de 256x256. A imagem pode ser vista a temperaturas tão elevadas quanto 120 K e NEΔT foi de cerca de 509 mK a 77 K.

Imagem térmica do corpo humano tomada pelo 256 x 256 InGaAs / GaAs / InGaP DWELL FPA. Observe os vasos sanguíneos claros sobre as mãos.

We have also demonstrated a LWIR GaAs-based QDIP operating at 9 μm at 77K. This device utilizes a InGaAs/GaAs Dot-in-a-Well structure (DWELL) with In- GaP barriers. A 256x256 FPA was also demonstrated operating at 68 K.

Fig. 28

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QDIPs sobre InP

O primeiro QDIPs do mundo baseado em InP foi demonstrado no Centro de Dispositivos Quânticos usando QDs de InAs. O comprimento de onda do pico de detecção foi de 6,4 μm a 80K com pico de responsividade de 843 mA/W a uma polarização de -5 V, com um pico de detectividade 1 x 1010 cm·Hz½/ W a -1.1 V. Além disso, uma matriz de plano focal 256x256 baseado no QDIP InAs / InP, também foi demonstrado. Fig. 29

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Dispositivos de QDIP operando à temperatura ambiente com elevada eficiência quântica foram demonstrados utilizando um dispositivo híbrido de QD de InAs / QW de InGaAs com barreiras InAlAs. O comprimento de onda de pico de detecção foi de 4 μm. A 150 K a detectividade foi de 1 x 1011 cm·Hz½/ W e a eficiência quântica interna foi de 67%. A FPA de 320 x 256 baseada na mesma estrutura foi fabricada e operada a temperaturas de até 200K.

Imagem térmica de um ferro de solda tomada por nosso QDIP de 320x256 InAs / InGaAs / InAlAs / MWIR InP FPA operando a 200 K, à esquerda. Imagem térmica do corpo humano tomada por nosso QDIP FPA 320x256 InAs / InGaAs / InAlAs / MWIR InP operando em 130K, à direita.

Fig. 30

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QDIPs outros Estruturas semelhantes aos QDIP foram também crescidos em substratos de silício pela primeira vez já relatados. A resposta espectral a baixa temperatura revelou um pico de resposta de 5,91 μm a 16 K. Quantum Dot Lasers

Com base na mesma técnica de crescimento de pontos quânticos como para QDIP, pesquisadores do Centro para Dispositivos quânticos têm demonstrado um diodo laser de quantum dot.

O confinamento quântico multidimensional de um laser de quantum dot foi previsto para exibir correntes de limiar extremamente baixos, maior largura de banda de modulação, mais estreita largura de linha espectral, e sensibilidade à temperatura reduzida, em comparação com os seus homólogos lasers de poços quânticos.

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Diagrama esquemático da estrutura de um laser de QD, à esquerda. Características P-I e espectro de emissão de um diodo laser de quantum dot, à direita.

A estrutura de diodo é esquematicamente mostrada na figura abaixo. Emissão estimulada foi observada a 995 nm com uma injecção de corrente de 400 mA.

Fig. 31

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Fig. 32

66Fig. 33

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Fig. 34

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Fig. 35

Technology

Seminario 2 papel das nanoestruturas quânticas no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e fotônicos