Quantum Nanostructures and Their Role in Electronics and Photonics

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

Resumo
Procuramos 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.

2

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
3

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.
4

Introdução
Vale 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.

Fig. 1

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.
Esquema retirado de http://www.veeco.com/molecular-beam-epitaxy.aspx
5

Introdução
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.

Figura 2 – Os quatro tipos básicos de
nanoestruturas de estado sólido: (a) poço
quântico; (b) super-rede; (c) fios quântico e (d)
pontos quânticos.

6

COMPEL: The International Journal for
Computation and Mathematics in
Electrical and Electronic Engineering

Fig. 3
7

Introdução
Com 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 superredes, 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.

(1b)

E lé tro n liv re - 2 D





Fig. 2b
8

Introdução
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).

(1c)
x
y

z

(1d)

Fig. 2c-d

9

Introdução
Em 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.

10

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;

11

Introdução
Nesta 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.

12

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.

13

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.

14

Transistor de efeito de campo e
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)

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.

VG
Silício
Canal 2DEG

x

y
z

Fonte

Porta

Dreno

Figura 4 – Diagrama esquemático de um
MOSFET mostrando o confinamento quântico
do elétrons no canal condutor.
15

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.

16

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.
17

Fonte

Porta

Dreno

Especificamente, todo este
AlGaAs intrínseco
desenvolvimento, é conhecido, como
n AlGaAs
esquema de dopagem modulada, e pôde
GaAs intrínseco
ser empregado para se fabricar uma
Canal 2DEG - GaAs
família de transistores de
heteroestruturas de alta velocidade,
também conhecidos por transistores de
alta mobilidade eletrônica, os HEMTs,
Figura 5 - Estrutura básica de um HEMT de dupla
(“high electron mobility transistors”), os
heterobarreira com um canal de poço quântico.
quais vêm desempenhando um papel
extremamente 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.
-

18

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.

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.

Como mostrado na Fig. 6, a corrente elétrica em tais TECs é suportada por elétrons
unidimensionais que fluem nos QWRs
19

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.

Fig. 6
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.
20

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
21

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
22

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
23

2.4 TECs com pontos quânticos embutidos
para memórias e detectores
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)).

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])
24

TECs com pontos quânticos embutidos
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)).

Fig. 7
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.
25

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.
26

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.
27

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).

Fig. 7
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.

28

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

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

Especialmente, 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

30

Em 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 superredes 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

31

Este 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.

32

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.

Fig. 9

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.
33

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).

Fig. 9
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.
34

Fig. 14

An InAs/InP quantum dot with four electrodes; Physical Review B 78,
195301 (2008). http://www.extremephotonics.uottawa.ca/
40

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

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 em
poços 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.

41

rear = parte de trás

Fig. 17
43

Fig. 19

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 avanços
em 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.
45

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 “farinfrared” (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 interbanda podem eficientemente ser aprisionados por pontos quânticos, os quais
influenciam na condutividade próxima ao canal de um transistor de efeito de campo.

47

Avanços dos dispositivos fotônicos e
das nanoestruturas
Assim, este fenômeno pode ser usado em um fotodetector persistente, como mostrado
na Fig. 7 (b).

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)

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.
48

das nanoestruturas
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.

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).

49

das nanoestruturas
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.

Fig. 21

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”.
50

das nanoestruturas
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.

51

das nanoestruturas
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 .
52

das nanoestruturas
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 automontados 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 multiexciton PL, pode-se seletivamente capturar os fótons necessários.
53

das nanoestruturas
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 .

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)

54

das nanoestruturas
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.

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)
55

das nanoestruturas
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 autoorganizado 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)
56

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 automontagem, 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
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

57

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.

Fig. 26

Ilustração (à esquerda) e imagem típica SEM de (à direita) da seção transversal de um QDIP

58

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

59

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.

Fig. 28

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.

60

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

61

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.

Fig. 30
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
62
InAs / InGaAs / InAlAs / MWIR InP operando em 130K, à direita.

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.
63

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
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.

64

Quantum Nanostructures and Their Role in Electronics and Photonics

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