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Papel das nanoestruturas quânticas na evolução e nos avanços futuros de dispositivos eletrônicos e fotônicos |
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Eduardo Luiz Trovó |
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Papel das nanoestruturas quânticas na evolução e nos avanços futuros de dispositivos eletrônicos e fotônicos “Roles of Quantum Nanostructures on the Evolution and Future Advances of Electronic and Photonic Devices” Resumo:
Avanços em nanoestruturas semicondutoras são analisados para mostrar a sua importância em eletrônica e fotônica. Primeiramente numa escala de 10nm são discutidos os transistores de efeito de campo, os poços quânticos, e respectivos temas para mostrar como o confinamento quântico de elétrons em tais estruturas é controlado para maximizar o desempenho dos transistores de efeito de campo, dos lasers e de outros dispositivos, bem como propor dispositivos quânticos, como diodos de tunelamento ressonante inter sub-banda e dispositivos infravermelhos. Em seguida, analisar potenciais de pontos quânticos e fios, através do qual são propostas eletrônicas ainda mais restritas para fornecer várias novas propriedades e funções.
Introdução:
Ao longo das últimas décadas, à base de semicondutores eletrônicos e fotônica fizeram progressos notáveis e revolucionou a forma como nossa sociedade funciona. Por exemplo, transistores bipolares, transistores de efeito de campo (TEC), lasers, LEDs, fotodetectores, e outros dispositivos nos permitiram adquirir, armazenar, processar, transmitir e exibir todos os tipos de informações. Na maioria destes dispositivos, em duas dimensões, os elétrons são confinados em filmes semicondutores de 10 nm de escala. Note que o canal condutor dos MOSFETs e dos TEC de heterojunção e a geração de lasers e LEDs, são todos formados por filmes de escala nanométrica, por crescidos por MBA (“Molecular Beam Epitaxy”) ou pelo campo elétrico no portão dos TEC. Em 1969, Esaki e Tsu propôs a super-redes (“layered superlattice” SL), em que elétrons são confinados em poços quânticos de 10nm de escala formado em um filme fino. Esses filmes são empilhados para formar estados acoplados, a fim de induzir e utilizar funções e propriedades únicas (ver Fig. 1(a) e 1(b)). Na verdade, extensas obras sobre poços quânticos, super redes e outras camadas nanoestruturadas tem demonstrado que estes sistemas possuem uma série de novas propriedades e funções, originárias principalmente do confinamento quântico dos elétrons. Principais exemplos incluem o Efeito Hall Quântico, o efeito Stark quântico-confinado, o tunelamento ressonante, a oscilação Bloch, e a emissão e detecção, de fótons com base em transições inter sub-banda de elétrons. Para expandir a investigação das nanoestruturas, Sakaki propôs e analisou em 1975 e em 80 o controle eletrônico de estruturas de pontos quânticos e fios quânticos (Ver Fig. 1(c) e 1(d)) e a sua possível utilização em novos dispositivos, tais como dispositivos de transporte não linear de porta controlada e TEC de fios quânticos. Estes trabalhos foram estendidos em 82 por Arakawa e Sakaki [14] que propõe a utilização do fio quântico e ponto quântico em laser de diodo. Embora difícil no início, se tornou possível a formação de estruturas de fios quânticos e de pontos quânticos. Embora avançada à litografia de feixe de elétrons, originalmente desenvolvida para a produção de TEC de canais curtos de alta velocidade, têm sido utilizada principalmente para fazer fios quânticos e pontos quânticos, outros métodos de fabricação foram desenvolvidos, que incluem: A auto-organização de pontos quânticos de InAs formados sobre GaAs; O crescimento de face selecionada de fios quânticos sobre substratos processados; Formação de fios quânticos por “cleaved edge overgrowth”; Auto-organização de nanopartículas e nanotubos de vapor ou líquido; Neste artigo, discutimos primeiramente as importantes funções dos elétrons em duas dimensões, uma dimensão e zero dimensão nos MOSFETs, em TEC de heteroestrutura, em TEC de fio quântico, e em TEC de pontos quânticos de armazenamento carregado. Então descrevemos as funções originais de super-redes, de transistor de elétrons, e de outros dispositivos de tunelamento. Em seguida examinamos as propriedades fotônicas de poços quânticos, fios quânticos e pontos quânticos em conexão com lasers baseados em pontos quânticos e na simples emissão de fótons, fotodetectores inter banda e inter sub-banda. E por último, novos esforços para expandir as frentes de investigação das nanoestruturas quânticas serão discutidos, tais como as suas aplicações para sistemas de informação quântica, bio-diagnóstico médico e assim por diante. II – Transistor de efeito de campo e Nanoestruturas Quânticas Os transistores de efeito de campo são um dos mais importantes dispositivos da eletrônica, desde “LSI-based”, memórias e processadores são na sua maioria composta por MOSFETs, enquanto avançados sistemas de comunicação são construídos muitas vezes usando TEC de heteroestruturas. Aqui, a importância da escala de 10nm nestes TEC será discutida e em estado exploratório as memórias com base em TEC de fio quântico e TEC baseado de ponto quântico serão examinadas.
2.1 MOSFET e Confinamento Quântico dos Elétrons em Canais Ultrafino
Conforme ilustrado na Fig. 2, os elétrons em um MOSFET de Si são confinados em um canal formado por um poço de potencial quase triangular formado pela barreira de óxido e pelo campo eletrostático. Quando tensão na porta Vg é alta, os elétrons são obrigados a forma níveis quânticos discretos e bem separados, como ilustrado no entremeio da Fig. 2. Neste sistema, o movimento dos elétrons se da dentro do plano (x, y) e são descritos como um gás de elétrons de duas dimensões. Se tensão na porta é baixa, o espaçamento dos níveis de energia que se obtém é menor do que o tempo de meia vida alargado dos níveis quânticos.
Fig. 2: MOSFET de Si e o Confinamento Quântico do Elétrons
Fig. 3: Magnetoresistência de um MOSFET em (111) Si medido em torno de 300K em função do campo magnético aplicado na direção da tensão da porta Vg como parâmetro.
Neste caso, o confinamento quântico deixa de ser válido e o movimento natural dos elétrons em três dimensões reaparece.
Para esclarecer a natureza quântica dos elétrons num MOSFETs real, nós fabricamos um dispositivo MOS sobre uma superfície de Si (111) e estudamos como a magnetoresistência iria variar com a direção do campo magnético aplicado em temperatura ambiente. A Figura 3 mostra que, quando uma alta tensão é aplicada a porta, a máxima magnetoresistência é quando o campo magnético aplicado é normal à camada; isto indica que o movimento livre dos elétrons é restringido no canal no plano bidimensional. Quando a tensão na porta é baixa (VG = 2V), entretanto, a resistência mostra o pico, quando o campo é inclinado e fica quase paralelo ao eixo [001] do silício; isso indica que o movimento de elétrons reflete na simetria do Si e na maior parte dos cristais, sugerindo que o 3-D natural dos estado eletrônico é recuperado, pelo menos parcialmente. Estes resultados mostram que a rigorosa modelagem dos MOSFETs exige um grande entendimento e uma precisa descrição dos estados eletrônicos. 2.2 Heteroestruturas FET´s (HEMTs) e 2D Elétrons Embora esforços consideráveis foram feitos na década de 60 e 70, para fazer o isolamento da porta em TEC de base GaAs, nenhum deles teve êxito, devido a defeitos no ou perto da interface isolante do semicondutor que induzia o nível de Fermi o que originou graves problemas. O progresso do “molecular beam epitaxy” (MBE) e outros métodos de crescimento epitaxial removeram estes problemas, uma vez que permitiu o crescimento de heteroestruturas semicondutoras, tais como AlGaAs / GaAs, InAlAs / InGaAs, Si / SiGe, nas quais um material funciona como uma barreira de uma camada para a outra. Esta abordagem tem permitido o uso de heteroestrutura de diversos materiais para TEC de alta velocidade, e também é uma nova forma de suprimir impurezas espalhadoras de elétrons por inserção de dopantes apenas na camada da barreira. Este esquema de dopagem modulada foi utilizado para fazer vários transistores de heteroestruturas de alta velocidade, ou seja, transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs); que desempenham papéis extremamente importantes nos avanços dos sistemas de comunicação ópticas e “wireless”. A Figura 4 mostra esquematicamente a estrutura básica de uma dupla heteroestrutura HEMT (DH HEMT), onde os elétrons são equilibrados com doadores positivos na camada da barreira e realiza um percurso no canal de poço quântico. Embora o protótipo HEMT nascido em 1980 empregasse uma estrutura de única heterojunção n-AlGaAs/GaAs. A vantagem do canal de poço quântico de dupla heteroestrutura foi logo reconhecida, pois permite, por exemplo, a supressão dos efeitos num canal curto, o uso de materiais pseudo mórficos com uma tensão intrínseca, o que possibilitou o controle dos canais pelas duas portas. De fato, algumas destas características são agora amplamente reconhecida e valorizada nos TEC tais como o casamento de rede InGaAs / InAlAs HEMTs on INP, pseudo mórfico InGaAs HEMTs e TEC SiGe sobre GaAs. Note que no caso do canal fino do poço quântico um deve compreender e controlar o espalhamento de elétrons através da rugosidade da interface.
Fig. 4: Uma estrutura básica de uma dupla heterobarreira HEMT com um canal de poço quântico.
2.3 Transistores de efeito de campo de fio quântico e transporte eletrônico em uma dimensão
A utilização de um ou vários fios quânticos como canal de um TEC foi proposto pela primeira vez por Sakaki em 1980. Como mostrado na Fig. 5, a corrente elétrica em tais TEC é produzida pelos elétrons em uma dimensão que fluem em fios quânticos. Se o canal dos elétrons são todos acomodados no fundo da sub-banda, um elétron em movimento ao longo do fio com sentido para a direita não têm qualquer hipótese de mudar sua direção ou dispersar de maneira elástica a menos que seja uma dispersão inelástica com sentido para a esquerda. Este processo de espalhamento inelástico deve ser muito raro para elétrons com alta velocidade de Fermi, por que é acompanhado por uma grande mudança do momento eletrônico. Assim, espera-se que o espalhamento por impureza e outros processos de espalhamento elástico serão suprimidos de modo único em estruturas de fio quântico, levando em conta a melhora da mobilidade eletrônica a baixas temperaturas. Possibilidades de reduzir as emissões de fônons polares em fios quânticos com uma alta densidade eletrônica também foram constatadas por Yamada e Sone REFERENCIA. Indícios ou evidências experimentais para a redução do espalhamento elástico foram encontrados indiretamente nos estudos do transportes de pontos quânticos, onde a condutância é quantizada, resultado do transporte balístico (espalhamento-livre), encontra-se mais robusto e bem visível sob a condição limite quântico, onde todos os elétrons são acomodados no fundo da sub-banda. Note que os TEC, que utilizam nanotubos de carbono (CNTs) como o canal material, são TEC de fios quânticos, em tais dispositivos a corrente é produzida por lacunas ou elétrons. É apontado por Ando REFERENCIA que o processo de espalhamento inelástico de portadores metálicos em nanotubos de carbono é quase eliminado, devido a aspectos exclusivos dos estados eletrônicos dos nanotubos, é quando o pseudo-spin desempenha um papel importante.
Fig. 5: Um esquema de transistor de efeito de campo de fio quântico com múltiplos canais de fios quânticos. (a) O espaço de fase ilustração de um elástico, processo de espalhamento inelástico que acompanha uma grande mudança do momento eletrônico. Deve-se notar também que TEC de fios quânticos tem outra vantagem na medida em que cerca a porta ou a porta de dupla face em estrutura de fio quântico o canal pode controlar a concentração de portadores eficazmente mesmo quando o canal possua comprimento tão pequeno como 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 30nm ou menos. Além disso, a possível utilização de TEC de fios quânticos como sensores ultra sensíveis tem sido explorado. 2.4 Transistores de efeito de campo embutido com pontos quânticos para memórias e detectores Elétrons e lacunas podem ser confinados e armazenados por um ou múltiplos pontos quânticos. Ao colocar tais pontos quânticos perto do canal do transistor de efeito de campo, pode se construir diversos dispositivos de armazenamento de carga. Por exemplo, ao colocar uma placa auto-organizada de pontos quânticos de InAS próximo à região de um canal de um transistor de alta mobilidade eletrônica de GaAs / AlGaAs, fabricou-se em 1996 um tipo de transistor de efeito de campo com capacidade de armazenamento de carga. (Ver Fig.6 (a)).
Fig. 6: (a) Transistor de efeito de campo de armazenamento de carga com pontos quânticos de InAS embutidos entre o portão e o canal. (b) As suas 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])
Nesse novo 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 na porta acima de 1V (ver Fig. 6 (b)). A saturação de Ns indica que os elétrons em um canal começam a fluir em pontos quânticos, preenchendo cada ponto com cerca de um elétron. Como resultado, a tensão de limiar deste transistor de efeito de campo desloca-se pra a direita, resultando em uma ação de memória. Tiwari [10] desenvolveu um dispositivo MOS de Si de armazenamento de carga com função de memória por incorporação de nanocristrais na camada de óxido de um MOSFET como cobrar armazenagem nodos. Funções de memória não volátil com muito mais tempos de retenção foram demonstradas.
Em comparação com o dispositivo semicondutor oxido metal de armazenamento de carga, os transistores de efeito de campo de heteroestruturas com pontos quânticos embutidos têm uma limitação inerente a tempos de retenção longos. No entanto , tais transistores possuem a vantagem de seu uso como fotodetectores, desde que a excitação inter banda ou inter sub-banda possa ser usada para controlar a carga em pontos quânticos. Note na Fig. 6 (b) que o canal de condutância teve um aumento persistente tanto no visível quanto no infravermelho, como um elétron aprisionado em cada ponto quântico é “apagado” pela sua recombinação com uma lacuna ou pelos seus escapar em meados de infravermelhos iluminação. Quando a excitação inter banda cria lacunas, Pontos Quânticos carregados negativamente devem ser neutralizados primeiramente, mas estes ainda podem ser carregados positivamente armazenando uma ou várias lacunas. Figura 6 (b) mostra claramente que a curva da esquerda no gráfico de NS-Vg é como se tivesse uma lacuna em cada ponto quântico. Além disso, se o canal é contraído, a sua condutância será afetada de forma eficiente, logo como o estado carregado de um único ponto quântico ou poucos pontos quânticos. Tal fenômeno tem sido empregado com sucesso para modificar a eletrônica dos transportes através de um contato quântico num ponto e também para detectar um único fóton.
Fig. 7: (a) Uma dupla barreira tunelamento ressonante diodo e (b) sua banda perfil. (c) Uma multi-barreira super rede.
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