POZOS CUÁNTICOS ULTRA-DELGADOS DE ZnxCd1

POZOS CUÁNTICOS ULTRA-DELGADOS DE ZnxCd1-xSe PARA
APLICACIONES EN OPTOELECTRÓNICA
Dr. Juan Carlos Salcedo Reyes
jsalcedo@fisica.ugto.mx
Profesor Asociado
Instituto de Física
Universidad de Guanajuato
RESUMEN
El objetivo de la primera parte de este artículo es dar una visión general de
cómo ha sido la evolución de la relativamente joven ciencia de la electrónica y
cuál es su estado actual en cuanto al nivel de integración se refiere, es decir,
en cuanto a la capacidad de poner juntos, en una misma pastilla
semiconductora, una gran cantidad de componentes electrónicos. Esto lleva,
en la segunda parte del artículo, a los conceptos de física cuántica y pozos
cuánticos como elementos esenciales en el proceso de “miniaturización” que se
prevé para un futuro cercano. Una de las técnicas de crecimiento de pozos
cuánticos mas eficaces en la actualidad es la Epitaxia de Haces Moleculares,
que se discute brevemente en la tercera parte. Finalmente, en la cuarta parte,
se discute como se puede variar la frecuencia de la luz que emite un pozo
cuántico en función de los parámetros de crecimiento cuando se utiliza la
técnica de Epitaxia de Haces Moleculares. Este tipo de pozos cuánticos tienen
una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo para la fabricación
de diodos láser y diodos emisores de luz (LED’s, Light Emmiting Diode) que
emitan en la región verde-azul del espectro visible.
UN POCO DE HISTORIA:
NANOESTRUCTURAS
DE
LOS
TUBOS
AL
VACÍO
A
LAS
La ciencia de la electrónica surge en 1883 con la invención de las válvulas al
vacío (también llamados válvulas termo-iónicas) por parte de Thomas Edison.
A partir de la válvula al vacío se desarrollaron dos dispositivos electrónicos
fundamentales: El kenotrón (después llamado diodo) inventado por John A.
Flemming que permitió la rectificación de señales alternas y el Audión
(comúnmente denominado triodo) por Lee De Forest, con el cual se pudieron
amplificar señales. El intento por mejorar el funcionamiento del triodo llevó a la
invención de otros tantos dispositivos tales como los tetrodos, pentodos,
hexodos, heptodos, etc. Lo realmente importante es que estos
rectificadores/amplificadores dieron lugar a la invención de la radio, la
televisión, las centrales telefónicas, los computadores y, en general, a toda la
industria electrónica a la cuál hoy estamos tan acostumbrados.
Claude Shannon demostró en 1938 que las operaciones booleanas se pueden
representar mediante la combinación de circuitos conmutadores eléctricos y en
1943 se logró implementar esta tecnología por medio de tubos al vacío, lo que
desembocó en la primera computadora digital llamada ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Calculador) diseñada por John W. Mauchly y J.
Eckert. Posteriormente, en 1946, estos dos científicos, basados en “La
maquina de Von Neumann” construyeron la primera computadora con
capacidad de almacenamiento de memoria EDVAC (Electronic Discrete
Variable Automatic Computer). Este tipo de computadoras ocupaban alrededor
de 28m3, consumían 25 kW, realizaban 5000 operaciones por segundo, estaban
constituidas por 17000 válvulas al vacío y costaban varios cientos de miles de
dólares.
En 1947 la historia de la electrónica –y quizá de la humanidad– se divide en
dos: J. Bardeen, W. Brattain y W. Shockley inventan el transistor (transfer
resistor) por lo que recibieron el Premio Nóbel de Física en 1956. Un transistor
está construido por un material semiconductor (normalmente silicio) que puede
cambiar su conductividad eléctrica. En estado normal el semiconductor es
aislante, pero cuando se le aplica un determinado voltaje se convierte en
conductor, permitiendo que la corriente eléctrica fluya a través de él,
funcionando como un interruptor electrónico. Es decir, el equivalente, en estado
sólido, al triodo de De Forest. A partir de la aparición del transistor surge la
segunda generación de computadores: más rápidos, más ligeros y más
eficientes energéticamente hablando. Ejemplo de estos computadores de
segunda generación son el TRADIC (Transistorized Digital Computer) y el
PDP-1, primer video juego desarrollado por la empresa DEC (Digital Equipment
Corporation). La velocidad de procesamiento de los computadores de segunda
generación es de varios millones de operaciones por segundo (MHz).
Posteriormente, en 1958, el ingeniero J. Kilby –Premio Nóbel de Física en el
2000– desarrolló el concepto de Circuito Integrado (CI). Un circuito integrado
es una pastilla semiconductora (comúnmente llamada chip) en la que se
encuentran varios transistores, diodos, condensadores y resistencias sobre la
misma base y conectados sin necesidad de cables. En su primera etapa los CI
integraban alrededor de diez transistores en un solo chip (SSI, Small Scale
Integration). La integración a esta escala fue crucial, en particular, en el
desarrollo de los programas espaciales. Por ejemplo, en el programa Apolo se
desarrolló la AGC (Apollo Guadance Computer) que fue la primera
computadora que podía controlar, en tiempo real, todas las funciones de
navegación de las naves espaciales. La tecnología de los CI permitió la
“miniaturización” de complejos circuitos electrónicos en un espacio muy
pequeño, con un peso mínimo, poco consumo de potencia y, principalmente, a
un costo muy bajo. En 1965, G. E. Moore, co-fundador de Intel (Integrated
ELectronics), previó que durante los siguientes diez años el número de
componentes en un chip se duplicaría cada dieciocho meses. [1] Lo realmente
sorprendente -y por eso se le conoce como Ley de Moore- es que la evolución
de los CI a la integración a ultra gran escala (ULSI, Ultra Large Scale
Integration) ha cumplido la predicción de Moore. Se pasó de fabricar CI
constituidos por 2300 transistores (Intel 4004) en el año 1971 a CI constituidos
con cerca de 600.000.000 de transistores (Intel-Itanium 2) en el año 2004.
La pregunta obvia en este punto es: ¿La ley de Moore seguirá siendo válida en
los próximos años? Podemos responder parcialmente que sí: Se podrá seguir
duplicando el número de transistores en un chip cada 18 meses, pero ello
requiere de toda una nueva tecnología basada en estructuras cuánticas. Se
espera que la Ley de Moore siga siendo válida mas allá del año 2015 a través
de la construcción de chips cuyos transistores están formados por pozos
cuánticos de 100 nm de espesor. Es decir, sobre la base de la nanoelectrónica.
LAS NANOESTRUCTURAS Y LA MECÁNICA CUÁNTICA
La nanociencia se puede definir, en términos generales, como la capacidad de
entender y controlar los procesos físicos, químicos y biológicos que se llevan a
cabo en sistemas con dimensiones de entre 1 y 100 nanómetros, donde los
fenómenos cuánticos determinan el comportamiento físico del sistema. [2] Por
lo tanto para entender los conceptos básicos sobre los que se basa la
nanoelectrónica es necesario introducir algunos aspectos importantes de la
física cuántica. Primero es necesario revisar los conceptos de partícula y de
onda. Las partículas (puntuales) son un concepto de la física clásica en el cual
a un punto –geométrico– se le asigna una masa de tal forma que su
movimiento se describe mediante la mecánica de Newton. En principio, según
la mecánica clásica, se puede determinar con absoluta precisión la posición y
la velocidad de la partícula en cualquier instante de tiempo. Por otra parte, las
ondas se consideran como una perturbación que viaja por el espacio. A
diferencia de las partículas, las ondas se distribuyen por todo el espacio y están
caracterizadas por su frecuencia. Sobre estos conceptos la física cuántica
establece dos hipótesis fundamentales. En primer lugar, M. Planck, en 1900,
planteó la hipótesis de que la energía de las ondas electromagnéticas está
cuantizada, es decir, que las ondas se comportan como un flujo de partículas
sin masa que viajan a la velocidad de la luz, transportando una energía bien
definida que depende de la frecuencia de la onda electromagnética. A este tipo
de partículas se les llama un fotón. En segunda instancia, L. De Broglie, en
1923, planteó la hipótesis de que a una partícula –un electrón, por ejemplo– se
le puede asignar una frecuencia que es inversamente proporcional a su
momento (la masa de la partícula multiplicada por su velocidad). Por ende, a la
materia se le pueden asociar propiedades ondulatorias. Estas dos hipótesis
definen lo que se conoce en mecánica cuántica como la dualidad ondapartícula: las ondas, bajo ciertas circunstancias, se comportan como partículas
y las partículas, bajo ciertas circunstancias se comportan como ondas. La
hipótesis de De Broglie fue confirmada en 1927 por C. Davisson y L. Germer en
el experimento conocido como de las dos rendijas. Por su parte, la hipótesis de
Planck es demostrada por medio del efecto fotoeléctrico. Estos planteamientos
llevan, intuitivamente, a pensar que si un electrón tiene propiedades
ondulatorias entonces su comportamiento se debe poder describir mediante las
teorías desarrolladas para describir los fenómenos ondulatorios. Un ejemplo
típico de comportamiento ondulatorio es una cuerda que se fija en los extremos
y se hace vibrar (una cuerda de guitarra o de piano) de modo que,
dependiendo de la longitud, la masa de la cuerda y de la tensión con la que
esté sujetada, comenzará a vibrar con una frecuencia que es la superposición
de una frecuencia fundamental y los modos normales de oscilación (múltiplos
enteros de la frecuencia fundamental).[3] El equivalente cuántico de la cuerda
oscilante es un pozo cuántico, es decir, una partícula confinada a una región
del espacio con dimensiones semejantes a la longitud de onda de De Broglie
de la partícula. La energía de la partícula confinada estará cuantizada, de
manera equivalente a los modos normales de oscilación en una cuerda
vibrante, de modo que sólo podrá tener ciertos valores discretos de energía
bien definidos que dependen principalmente del ancho del pozo y de las
características fundamentales de la partícula.
La investigación, tanto a nivel básico como aplicado, en pozos cuánticos ha
crecido exponencialmente en las dos últimas décadas,debido, principalmente, a
sus potenciales aplicaciones tecnológicas. En particular son de mucha
relevancia tecnológica los pozos cuánticos semiconductores para aplicaciones
en optoelectrónica –dispositivos electrónicos que interactúan con la luz– que en
general se forman colocando una capa nanométrica de un material
semiconductor como CdSe (el pozo) insertada entre otro material
semiconductor como el ZnSe (las barreras). Al mismo tiempo, el desarrollo de
la nanotecnología ha permitido implementar métodos de procesamiento a
escala submicroscópica que han hecho posible la fabricación de diferentes
dispositivos electrónicos cuya región activa está constituida por pozos
cuánticos de diferentes tipos de materiales. Un ejemplo muy importante de
dispositivo opto-electrónico son los diodos emisores de luz (LEDs, Light
Emitting Diode) que son muy eficientes conversores de energía eléctrica en
energía óptica y que son ampliamente usados en diferentes aplicaciones (el
lector óptico de un CD o un DVD, las pantallas gigantes, los semáforos, etc).
En este tipo de aplicación la cuantización de la energía permite controlar de
manera muy precisa la frecuencia (color) de la luz que emiten dichos
dispositivos opto-electrónicos al aplicarles un voltaje.
EPITAXIA DE HACES MOLECUALES
El desarrollo de dispositivos electrónicos y opto-electrónicos cuya región activa
está constituida por estructuras cuánticas, está modulado por la capacidad de
fabricar dichas estructuras con una alta calidad cristalina, un alto control de la
composición química y, sobre todo, con gran reproducibilidad. En este sentido
las técnicas de crecimiento epitaxial constituyen la piedra angular en el
desarrollo tecnológico de dichos dispositivos cuánticos. En un crecimiento
epitaxial se crece una película delgada sobre un sustrato cristalino (que está a
una temperatura determinada, es decir, la temperatura de crecimiento) de tal
manera que la película reproduce la estructura cristalina del sustrato. Uno de
los métodos de crecimiento epitaxial mas difundidos en la actualidad es el de
Epitaxia de Haces Moleculares (MBE, Molecular Beam Epitaxy) en la cuál la
cámara de crecimiento está bajo condiciones de ultra-alto vacío –típicamente
menos de 10-11 Torr (1 atm = 760 Torr)– En la Figura 1 se muestra un sistema
MBE en el que se pueden fabricar pozos cuánticos de ZnCdSe(Te) entre
barreras de ZnSe(Te) con un ancho de pozo de entre 0.3 y 1,2 nm, formando lo
que se conoce como un pozo cuántico ultra-delgado (UTQW, Ultra Thin
Quantum Well). Es importante aclarar que un ancho de pozo de 0.3 nm es el
límite inferior, impuesto por el radio atómico, para el ancho de un pozo
cuántico. En este sistema se cuanta con celdas de Zn, Cd, Te, y Se que, al ser
calentadas, producen un haz de átomos que inciden, simultáneamente, sobre
el sustrato y forman la estructura cristalina.
Fig. 1. Sistema MBE para crecimiento de pozos cuánticos ultra-delgados de ZnxCd1-xSe. en el
Departamento de Física del Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados del IPN
(CINVESTAV)
POZOS CUÁNTICOS ULTRA-DELGADOS DE ZnCdSe
La fabricación del primer diodo láser con emisión de luz coherente con longitud
de onda de 490 nm (verde-azul) cuya región activa estuvo formada por un pozo
cuántico de Zn0.2Cd0.8Se de 10 nm de espesor entre barreras de ZnSe [4] dio
un gran impulso al estudio de las propiedades ópticas y electrónicas de
sistemas cuánticos cuya región activa esta constituida por la aleación ternaria
semiconductora ZnxCd1-xSe entre barreras de ZnSe debido a que variando la
concentración de Cd –es decir, la composición química– se puede sintonizar la
emisión del diodo láser en todo el espectro visible. En la figura 2 se muestra la
emisión, en la región verde-azul, de un pozo cuántico ultra-delgado de ZnCdSe
Durante un proceso epitaxial, hay varias maneras de sintonizar la emisión del
pozo cuántico, en particular se pueden hacer modificaciones al tradicional
método MBE, definiendo diferentes técnicas de crecimiento como la Epitaxia de
Capas Atómicas (ALE, Atomic Layer Epitaxy) o la Epitaxia de Haces Pulsados
(SPBE, Submonolayer Pulsed Beam Epitaxy).[5] En esta última se controla la
composición de Cd en el pozo cuántico exponiendo el sustrato a un solo haz de
átomos a la vez, formado ciclos de la forma Cd-Zn-Se. El tiempo de duración
de la exposición a un flujo atómico determinado y la temperatura del sustrato
define la composición de la aleación y, por lo tanto, la emisión del pozo
cuántico.
Fig. 2. Foto-emisión de un UTQW de ZnxCd1-xSe. Cortesía del Dr. Isaac Hernández-Calderón,
Investigador del Departamento de Física del Centro de Investigaciones y de Estudios
Avanzados del IPN (CINVESTAV).
En la figura 3 se muestra la variación de la emisión (y por lo tanto de la
composición química de la aleación ternaria) en función de la temperatura de
crecimiento para un pozo cuántico de 0.5 nm aproximadamente, durante un
crecimiento SPBE. [6] Este método define una forma rápida y eficaz de
sintonizar la emisión en un UTQW de ZnxCd1-xSe entre energías de 2.45 y 2.56
eV. [7]
Emisión de fotoluminiscencia en UTQW de ZnCdSe
2.65
Energía (eV)
2.60
HeCd : 441.6 nm
TFL = 14.5°C
2.55
2.50
2.45
2.40
2.35
210
220
230
240
250
260
270
280
290
Temperatura de Sustrato (°C)
Fig. 3. Foto-emisión de un UTQW de aproximadamente 0.5nm de espesor en función de la
temperatura de crecimiento. El color en el fondo es una ayuda visual para indicar el color de la
luz que emite el pozo cuántico.
CONCLUSIONES
El nivel de integración en los CI ha seguido de forma sorprendente la llamada
“ley de Moore” pasando de chips con 2300 transistores en el año 1971 a chips
con 600 millones de transistores en el año 2004. En el futuro cercano se prevé
que la ley de Moore seguirá siendo válida con tal que se modifique por
completo tanto el principio básico de funcionamiento como la tecnología de
fabricación de los actuales CI. Los nuevos dispositivos –electrónicos u optoelectrónicos– estarán basados en estructuras nanoscópicas tales como los
pozos cuánticos en los cuales, por un lado, las propiedades ópticas y
electrónicas están gobernados por la física cuántica, y, por el otro, los métodos
de fabricación requieren de manipulación de la materia a nivel nanométrico.
Una de las técnicas mas adecuadas en la fabricación de UTQW para
aplicaciones en opto-electrónica es el SPBE, mediante la cual se puede
sintonizar la emisión de pozos de ZnxCd1-xSe de manera precisa variando la
temperatura del sustrato durante el crecimiento epitaxial.
Debido a sus implicaciones tecnológicas, y por supuesto económicas, en todo
el mundo se está invirtiendo una gran cantidad de esfuerzo y de recursos en el
estudio de las nanoestructuras y de sus posibles aplicaciones en sistemas
electrónicos y opto-electrónicos. Actualmente en México se desarrollan
investigaciones de muy alto nivel en el área y aunque se trata de uno de los
países de América Latina con mayores avances al respecto, la investigación
tiene aún proporciones muy reducidas en comparación con otros países como
Estados Unidos, Japón o la Unión Europea. Se espera que esto cambie en un
futuro próximo gracias a políticas estatales de desarrollo que reconozcan la
necesidad de participar decididamente en la producción científica y tecnológica
contemporánea, y a la participación de la industria privada.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm
[2] http://www.nano.gov
[3] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/waves/string.html
[4] Haase, M. A., Qiu, J., DePuydt, J. M., and Cheng, H. (1991). Blue-green
laser diodes, Appl. Phys. Lett. 59, 1272
[5] López-Luna, E., Diaz-Arencibia, P., and Hernández-Calderón, I. (2004).
Tuning of the alloy composition of Zn1-xCdxSe quantum wells by submonolayer
pulsed beam epitaxy (SPBE). Phys. Stat. Sol. (c), 1, 819
[6] Salcedo-Reyes, J. C., and Hernández-Calderón, I. (2005). Symmetry
properties and electronic band structure of ordered Zn0.5Cd0.5Se alloys,
Microelectronics Journal, 36, 342.
[7] Hernández-Calderón, I., Salcedo-Reyes, J.C., Alfaro-Martínez, A., and
García-Rocha, M. (2005). Fine tuning of the emission of ultra-thin quantum
wells of CdSe and CdTe by modification of the growth temperatura.
Microelectronics Journal, 36, 985.