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Junção p-n

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

  2. Ed Ea tipo – p tipo – n BC BC BV BV

  3. 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. 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 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 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 difusão:id *(possuem energia para superar a barreira) Corrente de arraste: ia * 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 difusão:id Corrente de arraste: ia BC eV0 Excitação térmica BV e tipo – p tipo – n Corrente de arraste: barreira eV0não influi Corrente de difusão: barreira eV0 influimuito

  10. Aumento da corrente de difusão Corrente de difusão:id Corrente de arraste: ia 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. Diminuição da corrente de difusão Corrente de difusão:id Corrente de arraste: ia 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 i Polarização direta V Polarização reversa

  13. 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 10-10 Torr

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

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

  18. Epitaxial Growth TMGa AsH3 GaAs Substrate

  19. AlAs GaP InP InAs GaxAl1-xAs InxGa1-xP InxGa1-xAs InxAl1-xAs GaAs

  20. a’ > a InAs a a Strained layers Lattice matched AlGaAs Strained InAs GaAs GaAs

  21. 3D a 0D

  22. De 3D a 0D • 3D E = Eg + h2k2/8pm 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/h2½(E-Eq)1/2

  23. 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.

  24. Estrutura de banda

  25. Sintonia de estruturas de PQs Fafard 2003

  26. 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 Scanning probe methods

  27. Comparando os métodos • Lithography 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.

  28. Pontos quânticos auto-organizados

  29. Métodos diferentes de crescimento

  30. Stranski-Krastanow

  31. 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

  32. Espessura da wetting layer

  33. Dots’ parameters • Dot density 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?

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

  35. Atomic Force Microscopy Determination of size distribution and density of quantum dots

  36. Example of AFM Results

  37. 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

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

  39. 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.

  40. Examples of Photoluminescence of Dots Luminescence of an ensemble of dots with resolved excited states. Linewidths of the order of 20-30 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

  41. 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

  42. Growth parameters • Temperature • 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

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

  44. 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

  45. Deposition time increases→ Dot density increases InAs/InGaAs/InP

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

  47. InAs / InGaAs / InP Attempting to reach higher densities InAs /InP