30 3. Estructuras nanométricas en sólidos: dispositivos electrónico

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3. Estructuras nanométricas en sólidos: dispositivos electrónico-cuánticos.
La microelectrónica ha llegado a un nivel de desarrollo en que una serie de
problemas físicos señala, que su futuro desarrollo exige más nuevos conceptos y no
solamente la optimización de los conceptos actuales. Las ciencias materiales llaman
por un amplio estudio respecto a materiales o combinaciones de sustancias
alternativas a las actuales. Esto se refiere a semiconductores, metales y dieléctricos
al mismo tiempo, procesado por tecnologías más limpias y mejor controlables.
La nanoelectrónica, no obstante, implica mas que solamente una continuada
miniaturización de la microelectrónica. Su tópico es la fabricación, el estudio y la
aplicación de estructuras, materiales moleculares, interfases internas y superficies
con dimensiones cuánticas y tolerancias de producción de unos 10 nm a tamaños
atómicos. El objetivo final consiste en el desarrollo de materiales, cuyas funciones
y propiedades dependen exclusivamente de los efectos implícitos de escala
nanométrica y sus componentes. El aprovechamiento controlado del ’mundo
atómico’ encontró acceso en 1981 con la introducción de la microscopía de
tunelamiento por escaneo (STM). La nanotecnología une leyes físicas, propiedades
químicas de materiales en una aproximación interdisciplinaria, empujando la
miniaturización en la física técnica, y el desarrollo de la química supramolecular.
El fin de la microelectrónica clásica ha dado inicio a la microelectrónica cuántica,
donde de la naturaleza ondular de los electrones nacen mecanismos operacionales
para nuevos dispositivos electrónicos. La nanotecnología de silicio implica los
componentes básicos para la construcción de dispositivos electrónico-cuánticos,
como son las barreras y pozos cuánticos, alambres cuánticos y puntos cuánticos
envueltos en dióxido de silicio.
3.1 Cuantización en estructuras sólidas.
La pregunta surge, desde que tamaño de estructuras serán importantes los efectos
cuánticos en el espacio real, como un hecho importante a ser considerado. Una
situación típica se establece en la extensión de la función de onda de un electrón, en
un campo (potencial) creado por una carga puntual, imaginable por un ion donador
y ’su’ electrón en un semiconductor con una constante dieléctrica ε. El radio
efectivo de BOHR a*,
a* = ħ2ε/m* e4
(3.1)
donde m* es la masa efectiva del electrón en la banda de conducción, es útil para
resolver la pregunta. Si la profundidad de la estructura (eje z) y/o el tamaño lateral
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(ejes x, y) son comparables o mas pequeños que el radio efectivo de BOHR de un
electrón de cristal, entonces (su función de onda está ’comprimida’ entre las
barreras del potencial, y) se generan efectos cuánticos en diversos estados
localizados.
Una aproximación diferente pero con un resultado similar podría asignarse a la
longitud de onda de DeBROGLIE del electrón en el movimiento,
λe = h/(2m* E)½ .
(3.2)
Con el uso de la estadística de BOLTZMANN la energía cinética E, está
representada por el valor promedio 3kT/2, con T como la temperatura de equilibrio
y k el factor BOLTZMANN. Los electrones calientes se comportarán en forma
diferente. La consideración de la longitud de onda de DeBROGLIE con respecto a
los efectos cuánticos está justificada por el hecho del tunelamiento de los electrones
en, o a través, de las regiones en donde está excluida la física clásica. La siguiente
lista (Tabla 3.1) contiene algunos casos típicos de semiconductores de banda
prohibida directa e indirecta, y relaciona los tamaños característicos, donde los
efectos cuánticos están presentes.
material
m*/mo
a*[Å]
Si
0.98(l); 0.19(t)
16
100
indirecta (1.11 eV)
GaP
GaAs
InSb
0.13
0.07
0.013
16
100
600
100
240
520
indirecta (2.25 eV)
directa (1.43 eV)
directa (0.17 eV)
λe [Å]
banda prohibida
Tabla 3.1: Semiconductores típicos, radio efectivo a* de BOHR; longitud de onda λe DeBROGLIE, y
banda prohibida Eg (300 K).
Esto nos lleva a que los semiconductores de brecha indirecta necesitan rasgos
estructurales finos para producir efectos cuánticos en el espacio real. Para producir
pozos cuánticos en Si/SiGe se requiere un control de crecimiento mayor que en
GaAs.
3.2 Pozos cuánticos y superredes.
Los pozos cuánticos representan un problema matemático casi didáctico para la
solución de la ecuación de SCHRÖDINGER. La esencia del cálculo es, que los
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electrones están restringidos a moverse libremente en la dirección – z, que es la
dirección de crecimiento del pozo cuántico y ocupando solamente niveles de
energía discretos en dos dimensiones (2D) correspondientes a:
Εn = π2ћ2n2 / 2m* L2 , n=1,2,...
(3.3)
Tal como el propio problema mecánico-cuántico implica pozos infinitamente
profundos, la energía confinada En , dada aquí es solamente un valor aproximado.
Para el ancho de base del pozo cuántico L = 100 Å, la expresión En (n = 1)
transmite alrededor de 5 meV para un material con una masa efectiva m* = 0.07 mo,
y a 27 meV para m* = 0.013mo. La energía FERMI está dada por:
EF = ћ2πN / 2m* ,
(3.4)
donde N es la densidad de portadores por unidad de área.
Sea N = 1011cm-2 en el GaAs (m* = 0.07 mo), entonces EF ≅ 12 meV, y solamente
unas cuantas sub-bandas En por debajo de EF estarán ocupadas.
Figura 3.1: Pozo de potencial con barrera de altura finita, EB y anchura de barrera L. La energía
FERMI EF y los niveles de energía discretos En (n = 1, 2, 3) no están dibujados a escala.
B
Una secuencia periódica de estructuras de pozos cuánticos (Figura 3.1) da lugar a
los multipozos cuánticos (multi quantum wells, MQW), donde un solo pozo
cuántico es suficiente, apartado de los otros, para conocer las funciones de onda de
los electrones en la incorporación de pozos de potencial adyacentes. La estructura
electrónica y la forma escalonada de la función de densidad de estados se mantiene.
Muchos de los dispositivos optoelectrónicos operan con eficiencia bajo estás
condiciones de confinar electrones y huecos.
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Sea la distancia entre los pozos cuánticos vecinos reducida a la longitud de onda
extendida DeBROGLIE del electrón, λe, o la extensión de la función de onda del
electrón excede el ancho de las barreras de MQW, una superred (SL) en el sentido
real de una estructura es formada con nuevas propiedades físicas (al menos el
término es usado a menudo genéricamente e incluye, multipozos cuánticos, y
cualquier estructura periódica en composición o en dopamiento). Superredes han
sido investigados a finales de los setenta por ESAKI y TSU, así como las
superredes dopadas por DÖHLER, quien propuso también el cristal nipi. La
introducción potencial de la superred perturba la estructura de banda del material
huésped. De la misma manera, como resolvieron KRONIG y PENNEY, - para un
caso muy irreal (pero posible solamente) de un potencial cuadrado en una cadena
uniatómica-, la ecuación de SCHRÖDINGER, y obtuvieron expresiones cerradas
para una estructura de banda de energía E(k) hipotética, la misma pero ahora mas
realista con un potencial cuadrado para la superred nos guía a lo que llamamos
minibandas en minizonas de una zona BRILLOUIN dividida. En la aproximación
de enlace firme y en la correspondiente substitución del átomo por un simple pozo
cuántico, una solución para las minibandas de energía vs. el momentum es
Enk(k||, kz) = Enk + (ћ2 k2||) / 2m* - Ank cos kzl
(3.5)
con Ank como el elemento de matriz del enlace firme de la interacción con el vecino
siguiente. Las minibandas están separados por una minibrecha en la frontera de la
zona kz = ±π /l en completa analogía a la brecha de energía entre la primera y
segunda zona de BRILLOUIN, en k = ±π/a en el resultado de KRONIG-PENNEY.
Las minibandas de extensión finita E1 y E2 (figura 3.2) causan que la función 2D de
la densidad de estados pierda su comportamiento escalonado.
El transporte vertical a través de las barreras entre los simples pozos cuánticos
periódicos tiene como un aspecto fascinante el tunelamiento resonante de
electrones, cuando por un campo eléctrico externo el nivel de energía E1 de uno y el
E2 del siguiente pozo cuántico es ajustado. El efecto de tunelamiento por
resonancia encontró amplio uso en dispositivos electrónicos correspondientes
(RTD, QC-laser).
Muchos tipos diferentes de superredes se han hechos crecer, que son usualmente
clasificadas en superredes tipo I, donde la energía de brecha de un semiconductor
está completamente contenida en la brecha de la otra; superredes tipo II, y
superredes politipos formados por más de dos materiales. Una superred especial y
más exótica pero de tipo composición también, es la superred cuasiperiódica
FIBONACCI.
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Figura 3.2: El perfil del potencial cuadrado y las minibandas E1 y E2 (arriba) y sus relaciones energíamomentum con las minizonas. En lugar de kx leer kz en la presente definición de la dirección de
crecimiento.
El dopamiento periódico con donadores y aceptores durante el crecimiento de un
semiconductor nos lleva a las superredes dopadas, de clases diferentes, e. g. nipi,
nini, pipi, didi y otras que se han elaborado.
El factor restrictivo en la selección del material que debe ser usado para el
crecimiento epitaxial de heteroestructuras y superredes está estrechamente
relacionado con las constantes de la red de ambos patrones.
Sin embargo, las películas empleadas son delgadas, entonces la integridad del
cristal se mantiene y como una clase más de superredes, las superredes de película
tensionada, puede crecerse con materiales incompatibles entre las redes. La tensión
integrada sirve como un parámetro adicional para cambiarse al ser usado, e.g. las
brechas en las bandas de los materiales (ver también cap. 3.5).
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Fig. 3.3: Caracterización del estrés en una capa delgada de CaF2 crecida sobre una oblea de silicio
(Zehe et al., Molecular Engineering vol. 8, 403-409 (1999))
Las superredes de película tensionada (SLS) construídas de Si y Si1–xGex tienen y
han tenido un fuerte impacto sobre esos sistemas materiales debido a la posibilidad
de realizar un dopamiento selectivo. El crecimiento de las SLS GexSi1–x/Si
directamente sobre una oblea de Si resulta en un arreglo de tipo I, y las brechas de
las bandas GexSi1–x caen entre los bordes de las bandas de Si. Experimentos de
dopamiento selectivo produjeron una transferencia de huecos del silicio dopado
hacia el compuesto adyacente. Si por lo contrario la SLS Si/SiGe es crecida encima
de una inconmensurada película buffer de SiGe sobre un substrato de silicio, la
deformación estará igualmente distribuida y el sistema se convertirá en tipo II.
Ahora los electrones del compuesto dopado se transfieren al silicio.
Las estructuras con perfiles de bandas no solamente en forma de una onda cuadrada
sino una leve forma dentada o alguna variedad mas compleja apuntan claramente al
alto nivel del control necesario durante el proceso de crecimiento.
3.3 Transistor de un solo electrón (SET).
El transmisor de un solo electrón podría sustituir el FET clásico. Está formado en
su esencia de una ’isla’, que se encuentra entre dos contactos de tunelamiento
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cuántico (Fig. 3.4). A través de estos contactos, los electrones pueden ocupar la isla
(Insel) o bien salir de ella.
Figura 3.4: Estructura energética de un ’single electrón transistor’ (SET).
Tunelamiento es un proceso discreto, es decir, la carga eléctrica pasa por la unión
túnel en múltiplos de e, la carga de un solo electrón.
El elemento básico del SET es entonces el contacto túnel. Tales contactos son
imaginables como capacidades comunes, sin embargo con un espezor del
dieléctrico en el rango de 5 nm típicamente. La transmisión de la capa aislante para
electrones crece en forma exponencial con la reducción de este espesor, en
acordancia con los resultados mecánico-cuánticos. El potencial de la isla (Fig. 3.4)
puede ser controlado con la ayuda de un electrodo ’gate’ Ug. Si Ug = 0 V, apenas
ocurre algún tunelamiento. Esta situación está llamada ’bloqueo Coulomb’.
Cambiando Ug (o también UB) puede producir una balanza positiva de energía para
que un electrón tunele. Este bloqueo requiere muy pequeñas capacidades para que
sea grande la energía de carga E = e2/2C, que al mismo tiempo debe superar la
energía térmica kT. La temperatura de operación del SET es por lo tanto
reversamente proporcional a las capacidades del dispositivo, que a la vez tienen
relación con las dimensiones geométricas del dispositivo: Mientras más pequeños
son las estructuras, más pequeñas son las capacidades, y consecuentemente mas
alto puede ser la temperatura de operación del SET.
Principalmente en técnicas basadas en la aplicación del STM se ha podido realizar
el efecto SET tanto en estructuras metálicas como semiconductor. Con frecuencia
se usan obleas SOI, sobre que se depositan capas de metal o de polisilicio. Las
figuras 3.5 a y b muestran el esquema tanto como una imagen AFM de un SET
creado en una capa de Ti depositado sobre SiO2, a través de un proceso llamado
STM-nano-oxidación.
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Figura 3.5a: Esquema de un SET sobre un sustrato SOI, realizado en Titaneo
Figura 3.5b: Imagen AFM de un SET, producido por el proceso de STM-nano-oxidación (según
Matsumoto 1995).
Las regiones de óxido de titanio de apenas 2-3 nm de ancho (el espesor de la capa
de Ti es de 3 nm) lleva a una capacitancia tan pequeña como 10-19 F, que permite la
operación del SET a temperatura ambiente.
Mientras SET´s en base a metales tendrían ventajas debido a su mayor densidad de
electrones particularmente en estructuras sub-decananométricas (<10 nm), la base
de silicio permitiría una integración más fácil en tecnologías CMOS existentes de
la microelectrónica. El dominio de los SET´s serán aplicaciones como de
almacenamiento. La sustitución de la tecnología CMOS por SET´s abre el camino
para memorias de tamaño Terabit. Una densidad tan alta como 1012 bit/cm2 parece
posible.
Los datos de una buena biblioteca universitaria podría almacenarse entonces en una
tarjeta del tamaño de una tarjeta telefónica.
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3.4 Alambres nanométricos (whiskers) y superredes unidimensionales.
Siempre han sido sistemas electrónicos unidimensionales de particular interés. Para
la nanotecnología forman los alambres con diámetros de alrededor de 1 - 10 nm
componentes de construcción para circuitos de computación con propiedades
realmente impresionantes.
Sometiendo un gas de electrones en un sistema 1D, la ley de conservación de
energía demanda, que un electrón en el estado ki puede ser dispersado hacia atrás
(referente a su dirección de propagación) solamente al estado (-ki), y solamente si
estos dos puntos se intersectan entre el eje unidimensional del momentum, kx, y la
energía en la ’superficie’ sea igual a ∈=ћ2k2i/2m*. Tan grande es el cambio del
momentum de |2ki|, que tiene una probabilidad pequeña de ocurrir comparada con
la situación del gas de electrones 2D y 3D, donde los electrones pueden ser
dispersados más lejos.
Los representantes más estudiados entre los alambres nanométricos forman los
nanotubitos de carbono (consulta cap. 4.1.2). Otros estructuras nanométricos, sin
embargo, no dejan de ser interesantes. Una de particular interés consiste en los
cristales hilo, -los whiskers -, de material semiconductor. Conocido por mucho
tiempo, los whiskers de metales, semiconductores y sales poseen propiedades
eléctricas y mecánicas muy particulares. Aplicaciones prácticas requieren
naturalmente tecnologías controlables. Mientras los CNT´s, debido al arreglo
geométrico de los átomos (helicidad), salen de los procesos tecnológicos
generalmente como material semiconductor o metal en una relación semejante, el
crecimiento de los whiskers se controlan químicamente con cierta facilidad. Crecen
a una longitud de décadas de micrómetros por una tecnología conocida como VLS
(vapor-líquido-sólido). Para la fabricación de whiskers de silicio, se genera un
vapor de átomos de Si a través de laser-ablation, agregando algún metal (Fe, Au) al
principio, para que el vapor se condensa en forma de arreglos de clusters sobre la
oblea correspondiente. Los clusters actúan como gérmenes, de las cuales el
crecimiento cristalino unidimensional procede. Todavía es difícil controlar la
distancia entre los clusters y así la densidad de whiskers por unidad de área. La
creación de dispositivos requiere su manipulación. Whiskers muestran una baja
conductividad eléctrica y por lo tanto son polarizables en un campo eléctrico para
poder controlar su movimiento relativo.
La base material semiconductor implica otra ventaja: Durante el proceso de
crecimiento se puede agregar átomos de dopamiento y conseguir whiskers con
diferentes tipos de conductividad (tipo n, tipo p e intrínseco). Llevando la
tecnología un paso más adelante, y variando los elementos de dopamiento durante
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el crecimiento (en semejanza a la técnica MBE), se llega a nano-superredes
unidimensionales. Nuevos principios de operación de tales dispositivos
nanométricos esperan su aplicación. Diodos, e incluso LED´s y lasers, transistores
y unidades de memoria ya mostraron su funcionamiento. La productividad de la
tecnología VLS con millones de whiskers crecidos por hora es bastante alta para
ofrecerse como base de una forma de electrónica molecular, donde los alambres
nanométricos se auto-ensamblan en memorias de computo.
3.5 Puntos cuánticos (quantum dots).
Haber surgido como curiosidad científica hace apenas 10 años, los puntos cuánticos
se han posicionado como bloques de construcción para una indústria
nanoelectrónica del futuro.
Los puntos cuánticos se forman como estructura material en sistemas metálicos, y
contienen un pequeño pero bien definido número de electrones. Este número puede
ser controlado a través de campos electroestáticos, modificándolo entre zero y
cientos de electrones.
La presencia de un espectro de energías eléctricas discretas en los puntos cuánticos
es único en todos los sistemas en estado sólido (de ahí su sobrenombre ’átomos
artificiales’).
El avance tecnológico en la MBE y microlitografía ha llevado a la fabricación de
estructuras, en que electrones (o excitones) son confinados en las tres dimensiones
de movimiento a una región de tamaño nanométrico. No obstante es el
autoensamble de puntos cuánticos durante el proceso de crecimiento epitaxial una
opción con mayor potencial aplicativo, - y se basa en efectos ampliamente
estudiados en la deposición de capas tensionadas sobre una oblea monocristalina.
Este tipo de estructuras cuánticas tiene tamaños en el rango de pocos nanómetros y
potenciales de confinamiento más fuertes, que las estructuras hechas por
microlitigrafía. Empezaron a jugar un papel importante en el área de la electrónica
y la fotónica de una sola partícula.
La fabricación de puntos cuánticos con autoensamble hace uso de sistemas
materiales epitaxiales, que en condiciones de cristal volumétrico tienen un ’misfit’
de las constantes de red. Siguiendo procedimientos conocidos de la MBE (ó MOCVD), átomos del material depositado llegan a la superficie ultralimpio y
reconstruido del sustrato, donde por procesos de difusión superficial forman una
capa monoatómica epitaxial. Debido a la balanza energética (superficial,
interfacial, elástica), los átomos forman un arreglo como para minimizar la suma de
estas energías. La energía de tensión elástica crece en forma cuadrática con el
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espesor de la capa con el efecto que se forman islas de tamaño nanométrico, que
minimizan el total de la energía.
Se elige como material depositado un semiconductor con una energía de gap menor
que la del sustrato. Una vez formada la isla, se deposita otro semiconductor con un
gap energético mayor que el de las islas. De tal forma las islas se convierten en
puntos cuánticos con potencial electrostático mayor en las tres direcciones del
espacio. Figura 3.6 muestra la formación de una isla de InAs sobre un sustrato de
GaAs debido a un misfit de las redes cristalinas de 7%.
Figura 3.6: Al depositar InAs sobre un sustrato de GaAs se forma inicialmente una delgada capa de
InAs seguido por arreglo periódico de islas en forma de pirámide. Debido al misfit de las redes
cristalinas, tanto la capa de InAs como las pirámides están tensionadas.
3.5.1 Estados energéticos.
Para átomos reales se conocen las potenciales coulombianas de los electrones mas
o menos, y la solución correspondiente de la ecuación de SCRÖDINGER lleva a
los estados energéticos con bastante precisión. Las fuerzas que mantienen los
electrones dentro de los puntos cuánticos, no se puede deducir desde primeros
principios. Ni la forma exacta ni la composición química se conoce con precisión,
dado las implicaciones del procedimiento de crecimiento y la fuerza de tensión, que
han causado la autoformación de las islas.
Con la técnica de espectroscopía de capacitancia (Fig. 3.7a) se puede determinar
los estados base de electrones (Fig. 3.7b) dentro de un punto cuántico.
Los picos en la Figura 3.7b reflejan la estructura eléctrica interna del punto
cuántico, donde los primeros dos electrones llenan el estado s, mientras los
siguientes cuatro electrones se colocan a la siguiente órbita. De esta forma se
podría reproducir lo que se llamaría ’quantum-dot periodic table’, agregando
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siempre un electrón adicional desde el ’quantum-dot hidrógeno’, ’quantum-dot
helio’, ’quantum-dot litio’ etcétera.
Figura 3.7 a: Estructura MIS-FET
Para la espectroscopía de capacitancia.
Figura 3.7 b: Estados electrónicos
de electrones en el punto cuántico.
Si nos imaginamos, que el potencial parabólico de confinamiento para simples
puntos cuánticos (Figura 3.6 b) toma una forma doble-u, en términos de estados
energéticos se forma un ’anillo cuántico’. Los estados energéticos en tal anillo
cuántico se puede derivar suponiendo los anillos como alambres sin fin de radius R.
Tal sólido en una dimensión con condiciones de frontera periódicas tiene
soluciones simples:
Εn = ћ2k2/2m= ћ2n2/2mR2,
n= 0, ±1, ±2 ...
(3.6)
donde m es la masa del electrón.
La aplicación de un campo magnético tiene efectos inmediatos sobre el movimiento
de los electrones dentro del anillo cuántico y da apertura a la física fascinante de las
corrientes persistentes en estructuras anillo microscópicas
Un excitón en estado base de un punto cuántico autoensamblado forma un sistema
ideal para aplicaciones en la electrodinámica cuántica (QED). El sistema elemental
en QED es un sistema de dos niveles energéticos, que interactúa con un modo
electrodinámico de cavidad. La modificación de la emisión espontánea de radiación
(de un átomo, por ejemplo) debido a la presencia de una cavidad se conoce como
efecto PURCELL. El intercambio de energía entre un sistema de dos niveles
cuánticos y un modo de cavidad (régimen de acoplamiento fuerte) ha encontrado
aplicaciones en el área emergente de las ciencias de informática cuántica (consulta
también cap. 5).
42
3.5.2 Dispositivos en base a puntos cuánticos.
Encerrar electrones dentro de puntos cuánticos impide su difusión o deriva y reduce
drásticamente la razón de recombinación con impurezas ionizadas en el
semiconductor. Este efecto se ofrece como base para memorias de muy alta
densidad, donde la información es almacenada y leída por controlar la carga dentro
de un punto cuántico. Tal dispositivo (Figura 3.8) podría usar luz para escribir y
leer la información.
Figura 3.8: Dispositivo de memoria óptica en base a puntos cuánticos.
La idea detrás de este dispositivo, -generación y disociación de un excitón para su
almacenamiento en una pareja de puntos cuántos a través de un fotón incidente
(punto de datos) y su reunificación con la emisión de un fotón a través de un pulso
eléctrico-, podría resultar en un dispositivo de memoria completamente óptico.
Microscopios de microfotoluminiscencia y fuentes de luz del tamaño molecular ya
existen y pueden servir como cabeza escribir-leer de tales memorias.
Laseres en base a puntos cuánticos (quantum-dot laser) se asemejan en su
estructura geométrica a los laseres con pozo cuántico (GRINSCH-laser). En lugar
del pozo se extiende un campo de puntos cuánticos, donde la onda óptica es
amplificada. El coeficiente de amplificación es enorme. De hecho, los laseres en
base a puntos cuánticos tienen el potencial de superar en prácticamente todas las
propiedades a temperatura ambiente los laseres GRINSCH.
3.6 Tecnologías avanzadas de la nanoelectrónica.
La propiedad de auto-ensamble o auto-organización de puntos cuánticos en capas
delgadas y tensionadas es posiblemente la más natural e intrínseca en la creación de
43
dispositivos a escala nanométrica. En sus bases físicas sencillas, que implican el
control de los diferentes modos de crecimiento de capas delgadas (Frank-Van der
Merwe, Volmer-Weber, Stranski-Krastanov), la generación de superficies
monocristalinas ultra-limpias y perfectas, y la composición de dos materiales
(oblea, depósito) con diferentes geometrías cristalinas (’misfit’ de la constante de
red, etc.), es la última perfección en la composición y el arreglo de los puntos
cuánticos, - incluso en diferentes niveles sobrepuestos -, un reto tecnológico
importante (Figura 3.9 a,b).
Fig. 3.9a: Los tres modos de crecimiento heteroepitaxial
Fig.3.9b: Formación de una estructura 2D por crecimiento en modo Stranski-Krastanov, litografía y
ataque químico
La colocación de átomos uno por uno sobre un sustrato (STM), y de esta manera la
conformación de un sólido completamente arbitrario es un principio posible y fue
en ciertas estructuras realizado con éxito. La eficacia del proceso, no obstante,
todavía no llega a niveles con importancia tecnológica.
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3.6.1 Estructuración por haz electrónico, iónico u atómico.
En dirección de crecimiento de una capa delgada permite la MBE y la MO-CVD
una precisión a un espesor monoatómico. La estructuración lateral por técnicas
litográficas, como se realiza en la microelectrónica convencional por fotolitografía,
llega a límites terminales en dimensiones debajo de los 100 nm. Nuevas técnicas
implican el uso de iónes y electrones, que en forma de un haz altamente colimado
permite la ’escritura’ de un patrón directamente sobre la oblea. La litografía con
haz de electrones (EBL) hace uso del hecho, que ciertos materiales químicos
cambian sus propiedades al ser iluminados con electrones. El haz de electrones se
genera en un microscopio electrónico (SEM), y a través de control computacional
de la posición del haz de electrones se dejan escribir estructuras arbitrarias a la
superficie de la oblea, como muestran las figuras 3.10 a y b
Figura 3.10 a: Pasos para la fabricación de
una nanoestructura por haz de electrones.
Figura 3.10 b: Estructura escrita con un haz de
electrons en una capa epitaxial de CaF2 sobre
silicio (Zehe et al. Thin Solid Films 373, 46(2000))
Líneas tan finas como 5 nm pueden resultar en esta técnica. STM estaría necesario
para aún más finas estructuras.
En semejanza a la litografía por haz de electrones resulta el uso de un haz de
átomos cargados eléctricamente (FIB) en un esquema tecnológico comparable a la
EBL. Existen resinas para iones, que se desintegran completamente al ser
’iluminado’ con iones energéticos (auto-revelado). Al otro lado puede ser
combinado la técnica FIB con la MBE para generar directamente estructuras
durante el proceso de crecimiento.
Recientes avances en la litografía con átomos neutrales, donde se aplican fuerzas de
luz para entrapar o guiar átomos, han mostrado un potencial para generar
estructuras hasta 1 nm, aplicando los átomos monocromáticos de un laser de
átomos.
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3.6.2 Sistemas nano-electro-mecánicos (NEMS).
Dispositivos nanoelectromecánicos (NEMS) tienen el potencial de revolucionar las
mediciones de desplazamientos extremadamente pequeños, y de fuerzas muy
débiles, - particularmente a escala molecular. Existen NEMS tan pequeños, que su
masa apenas llega a pocos attogramos (10-18g), y sus dimensiones características
son de aproximadamente 10 nm. Resonadores mecánicos realizados con
nanotecnología tienen frecuencias de resonancia arriba de los 10 GHz,
correspondiendo a la banda X en la comunicación por microondas. Los
transductores electrostáticos utilizados con MEMS pierden su potencial a escala de
los NEMS, y se requieren nuevos conceptos, como por ejemplo la óptica de campo
cercano integrada, magnetos a escala nanométrica, los transistores HEMT y SET,
tanto como dispositivos superconductores con interferencia cuántica.
3.7 Metrología en nanosistemas.
Estructuras y métodos de prueba, estándares y normales para mediciones, e incluso
la realización de producción bajo normas comunes son indispensables para el
desarrollo controlado de las tecnologías de nanosistemas. Existen muchos tipos de
estructuras de prueba desarrollados en diferentes entidades para la caracterización
de los procesos de fabricación. Las superredes ΔiΔi son uno entre varios (Zehe
1989), pero al mismo tiempo un ejemplo para la caracterización de precisión a
escala monoatómica tanto como la estabilidad térmica de superredes con
dopamiento ’spike’.
Figura 3.11: La superred ΔiΔi. Planos 2D son dopados con donadores y aceptores formando DAP´s
(Zehe, Superlattices & Microstructures Vol.10, N°1, pp 31-38 (1991))
En contraste a las superredes δ-dopadas tipo n ó tipo p, descritas por PLOOG, una
superred ΔiΔi contiene ambas impurezas, donadoras y aceptoras, dentro de cada
capa. La función de distribución modificada del par donador-aceptor en una
película dopada Δ, y entre las capas vecinas, es introducida en la relación de
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intensidad luminiscente de la radiación entre pares donador-aceptor (DAP). Brincos
característicos aparecen en la distribución de la intensidad, cuyas energías
corresponden a la participación de los pares donador-aceptor formados entre
películas adyacentes. Mientras que este hecho por si mismo proporciona un modo
característico de interés en los pozos cuánticos o en las superredes, la autodifusión
de los átomos impureza de los sitios originales modifica la función de distribución
de los DAP´s, y los saltos en el espectro luminiscente, que se inclinan en una forma
característica.
Figura 3.12: Espectro luminiscente DAP para capas Δ-dopadas separadas por una distancia d=200Å.
Las diferentes curvas corresponden de abajo hacia arriba a densidades de excitación creciente.
Mientras entre 0 y 20 nm la recombinación es dos-dimensional, la tercera dimensión abre canales
para transiciones radiativas adicionales (según Zehe et al.: phys. stat. sol.(b) 157, 305-310 (1990)).
La información que se consigue, tiene una precisión de longitud comparable con la
distancia interatómica en el cristal.