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Da escala micro para a escala nano As técnicas de crescimento epitaxial permitiram a miniaturização Como são produzidos os semicondutores ? MBE – Molecular Beam Epitaxy CBE – Chemical Beam Epitaxy MOVPE – Metalorganic Vapor Phase Epitaxy

Da escala micro para a escala nano As técnicas de crescimento epitaxial permitiram a miniaturização Como são produzidos os semicondutores ? MBE – Molecular

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Da escala micro para a escala nano

As técnicas de crescimento epitaxial permitiram a miniaturização

Como são produzidos os semicondutores ?

MBE – Molecular Beam Epitaxy

CBE – Chemical Beam Epitaxy

MOVPE – Metalorganic Vapor Phase Epitaxy

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MBEAlto vácuo

Pressão 10-10 Torr

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MOVPE

• MOCVD - Metalorganic Chemical Vapor Deposition

• OMCVD - Organometallic

Chemical Vapor Deposition

• OMVPE - Organometallic Vapor Phase Epitaxy

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Princípio de deposição

• (CH3)3Ga + AsH3 → GaAs + 3 CH4

• (1-x) (CH3)3Ga + x(CH3)3Al + AsH3 → AlxGa1-xAs + 3 CH4

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TMGa

AsH3

Epitaxial Growth

GaAs Substrate

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GaAs

AlAsInP InAs

InxGa1-xAsGaxAl1-xAs

GaP

InxGa1-xP InxAl1-xAs

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a a

Lattice matched Strained layers

GaAs

AlGaAs

GaAs

a’ > a InAs

Strained InAs

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3D a 0D

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De 3D a 0D

• 3DE = Eg + h2k2/8pm

Density of states r(E) = 21/28mc

3/2 (E-Eg)1/2/h3

• 2DE = Eg + Eqz + h2k//

2/8p2mEqz= qz

2h2/8md2

Density of states r(E) = 4pm/h2

• 1DE = Eg+Eqz+Eqy+h2kx

2/8p2mEqz,y= qz,y

2h2/8md2

Density of states r(E) = 8Lm1/2/h2 ½(E-Eq)1/2

• 0DE = Eg+Eqz+Eqy+Eqx

Eq(z,y.x)= qz,y,x2h2/8md2

Density of states r(E) = # of dots g /Vol

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Pontos quânticos

• 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.

O que são estas estruturas 0D?

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Estrutura de banda

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Sintonia de estruturas de PQs

Fafard 2003

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Top-down vs bottom-up

Top-down: PhotolithographyElectron beam lithographyX-raysExtreme ultraviolet lightScanning probe methods

Bottom-up:Self-assembled quantum dotsScanning probe methods

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Comparando os métodos

•LithographyAdvantage: 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 ProbeAdvantage: STM and AFM are very versatile, they can move particles in a patterned fashion.Disadvantage: Too slow for mass production.

•Bottom-up MethodsAdvantage: Controlled chemical reactions can cheaply and “easily” produce nanostructures.Disadvantage: Cannot produce designed, interconnected patterns.

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Pontos quânticos auto-organizados

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Métodos diferentes de crescimento

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Stranski-Krastanow

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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

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Espessura da wetting layer

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Dots’ parameters

• Dot density108 to 1011 cm2

• Dot size4 – 20 nm height, 20 – 50 nm base width

• Dot shapePyramidal, truncated pyramidal, lens- and

cone-shaped

How to determine these parameters?

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Scanning Tunneling Microscopy

(Nobel Prize to Rohrer and Binnig in 1986)

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Atomic Force Microscopy

Determination of size distribution and density of quantum dots

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4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

50

100

150

(8.2 ± 1.5) nmnormal curve

(8.2 ± 1.5) nm

830

density = 1.48 1010

QD/cm2

400nm

InAs / InGaAs

520oC5.5 s66 sccm

830

Example of AFM Results

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Transmission Electron Microscopy

Two geometries: Plain view Cross section

Cross section gives information about shape, size and composition.

Samples are thinned down to a thickness of the order of 1mm.

InAs/GaAs

104 – 106 atoms per dot

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TEM image of an InAs/InGaAs/InP dot

Landi et al 2005

HREMimages

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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.

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spd

f

Luminescence of an ensemble of dotswith resolved excited states.Linewidths of the order of 20-30 meV.

Fafard et al 2000

Single dot spectroscopy.Linewidths of the order of meV. Signal is time averaged.

Examples of Photoluminescence of Dots

Finley et al 2001

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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

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Growth parameters• TemperatureHigher temperature, lower density, larger size.

• Deposition timeLonger times, more material, larger dots.

• Fluxes of gases/ Growth rateHigher growth rates, smaller dots, higher density.

• Annealing time

For the same amount of material the dot density and the dot size show inverse behavior

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3 6 9 120

20

40

60

80

cou

nt

QD height

(7.8 ± 1.8) nm

density = 8.0 109 QD/cm2

Tgrowth = 500°C

3 6 9 120

40

80

120

QD height

cou

nt

(9.0 ± 1.4) nm

density = 9.05 109 QD/cm2

Tgrowth = 520°C

• Height increases

• FWHM decreases

Effect of temperature on InAs/InGaAs/InP

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0.60 0.63 0.66 0.69 0.72 0.75 0.78 0.81

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.277 K60 mW

Tgrowth

= 500 °C, FWHM =106meV T

growth = 510 °C, FWHM =70meV

Tgrowth

= 520 °C, FWHM =47meV

no

rma

lize

d P

L (

arb

. u

nits)

energy (eV)

Reduction of the PL FWHM in agreement with AFM results

PL intensity for higher energies decreases → larger dots

Effect of temperature on InAs/InGaAs/InP

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1.0µm 1.0µm1.0µm

Deposition time increases → Dot density increases

InAs/InGaAs/InP

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22 23 24 25 26 27 280

2

4

6

8

(25 ± 1) nm

<density> = 4.8 107 QD/cm

2744

1.0µm 1.0µm 1.0µm 1.0µm

5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

(35.6 ± 3.5) nm

normal curve(18.5 ± 3.4) nm

(18.7 ± 2.8) nm

738density = 7.8 10

9 QD/cm

2

10 20 30 400

50

100

normal curve(16.9 ± 4.3) nm

(34.2 ± 3.9) nm

(16.5 ± 2.4) nm

density = 8.05 109 QD/cm

2

743 AFM image A

5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

normal curve(14.5 ± 4.7) nm

753

(30.8 ± 3.3) nm

(13.8 ± 2.8) nm

density = 5.2 109 QD/cm

2

In flux: 30 sccm 60 sccm 66 sccm 76 sccm

Tgrowth: 520 oC tgrowth: 4.2 sInAs / InP

In flux / growth rate dependence

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1.0µm

1.0µm

InAs / InGaAs / InP

400nm

400nm

Attempting to reach higher densities

InAs /InP

200nm

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Same scale: from 2.0 108 to 2.0 1010 dots cm-2

InAs/InP Tg = 490oCH 12 nm

InAs/InGaAs Tg =490oCH 9 nm

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Stacks of quantum dots

• For device applications it is important to have several layers of dots.

• Nature has helped. In general dots spontaneously grow on top of each other.

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200 nm

Surface QDs

200nm

Multi-layers of quantum dots

20 nm

AFM image

TEM Images of Stacked Quantum Dots

Landi et al 2005

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Red-shift with increasing number of stacks

0 2 4 6 8 10 12

16

32

48

64

Q D

den

sity

( c

m -

2 )

number of stacks

0 2 4 6 8 10 124

8

12

16

Q D

heig

ht (n

m)

number of stacks

0,54 0,57 0,60 0,63 0,66 0,69 0,72

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

PL 12.5 K

1 QD layer 10 QD layers

norm

aliz

ed P

L (a

rb. u

nits

)

energy (eV)

Vertical coupling increases the average dot height

Effect of number of stacks on dots’ properties

Landi et al 2004

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14µm400nm1.5µm

Controlled site deposition of quantum dots on a patterned surface

Patterned substrateusing AFM

Dots’ formation on designated sites

Dots grown away from the patterned region

Fonseca Filho et al 2005