RICERCA ITALIANA     

Nanofili a semiconduttore ad alta purezza: crescita MBE, trasporto, spettroscopia ottica e modellizzazione di nuovi fenomeni

Abstract

Il progetto è centrato su una nuova classe di nanofili a semiconduttore monocristallini e di estrema purezza. Ne prevede la progettazione, la fabbricazione per epitassia da fasci molecolari (MBE) e lo studio sperimentale e teorico/computazionale. Combina quindi l’esplorazione di nuove strategie di crescita con l’analisi di aspetti fondamentali delle proprietà elettroniche delle strutture ottenute, come l’effetto della correlazione elettronica e del drogaggio.
La novità dei materiali proposti deriva dal processo di crescita, basato su MBE assistita da goccioline di oro depositate sul substrato, la cui taglia nanometrica determina la sezione dei fili. Il diametro nanometrico e la tecnica di deposizione permettono di produrre sistemi quasi-1D fortemente confinati di eccezionale purezza. Inoltre è possibile il drogaggio di questi campioni, cosicché ne risulti un gas di elettroni ad alta mobilità a forma di superficie cilindrica che potrebbe mostrare fenomeni fisici del tutto nuovi.
Le attività sperimentali (crescita dei materiali, spettroscopie, trasporto) saranno sviluppate al “Braun Center for Submicron Research” del Weizmann Institute of Science in Israele (WSI-BCSR), mentre il Centro di Ricerca S3 sulle “nanoStrutture e i bioSistemi sulle Superfici” di INFM-CNR di Modena (S3-INFM) curerà modelli e simulazioni.
Il progetto si concentrerà su tre classi di materiali:
(1) fili di InAs con diametro di poche decine di nm, ove si prevede che si realizzi>>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Elisa MOLINARI, CNR

Obiettivo del Finanziamento

Le nanostrutture unidimensionali, come i nanofili a semiconduttore, sono materiali promettenti per la costruzione e l'assemblaggio dei sistemi elettronici funzionali di prossima generazione, e rappresentano un terreno fertile per la ricerca nella fisica di base [1,2]. Nei nanofili semiconduttori i portatori di carica si possono muovere in una sola direzione, essendo presente un forte confinamento nelle altre due direzioni. Essi possono essere prodotti con composizione chimica, dimensioni fisiche e proprietà elettriche altamente controllate, e le loro proprietà ottiche e di trasporto possono essere settate e testate tramite mezzi esterni (ad es. metallizzazioni polarizzate o impulsi laser).

L'obiettivo scientifico di questo progetto è la progettazione, la realizzazione e la modellizzazione numerica di nanostrutture semiconduttorici innovative basate su nanofili modulati cilindrici di InAs e InAs/GaAs.

Nell'ultimo decennio, entrambi i partner del progetto hanno dedicato grandi energie alla comprensione della fisica dei nanofili: il Centro di Ricerca S3 dell'Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM-S3) attraverso approcci teorici e di modellizzazione; il Braun Centre for Submicron Research (WSI-BCSR) del Weizmann Institute of Science attraverso studi sperimentali. Il progetto di ricerca proposto mette assieme questi aspetti complementari della ricerca e fonda una collaborazione tra due gruppi leader nella fisica dei semiconduttori (si vedano Reff. Nei nanofili semiconduttori i portatori di carica si possono muovere in una sola direzione, essendo presente un forte confinamento nelle altre due direzioni. Essi possono essere prodotti con composizione chimica, dimensioni fisiche e proprietà elettriche altamente controllate, e le loro proprietà ottiche e di trasporto possono essere settate e testate tramite mezzi esterni (ad es. metallizzazioni polarizzate o impulsi laser).

L'obiettivo scientifico di questo progetto è la progettazione, la realizzazione e la modellizzazione numerica di nanostrutture semiconduttorici innovative basate su nanofili modulati cilindrici di InAs e InAs/GaAs.

Nell'ultimo decennio, entrambi i partner del progetto hanno dedicato grandi energie alla comprensione della fisica dei nanofili: il Centro di Ricerca S3 dell'Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM-S3) attraverso approcci teorici e di modellizzazione; il Braun Centre for Submicron Research (WSI-BCSR) del Weizmann Institute of Science attraverso studi sperimentali. Il progetto di ricerca proposto mette assieme questi aspetti complementari della ricerca e fonda una collaborazione tra due gruppi leader nella fisica dei semiconduttori (si vedano ReffLe nanostrutture unidimensionali, come i nanofili a semiconduttore, sono materiali promettenti per la costruzione e l'assemblaggio dei sistemi elettronici funzionali di prossima generazione, e rappresentano un terreno fertile per la ricerca nella fisica di base [1,2]. Nei nanofili semiconduttori i portatori di carica si possono muovere in una sola direzione, essendo presente un forte confinamento nelle altre due direzioni. Essi possono essere prodotti con composizione chimica, dimensioni fisiche e proprietà elettriche altamente controllate, e le loro proprietà ottiche e di trasporto possono essere settate e testate tramite mezzi esterni (ad es. metallizzazioni polarizzate o impulsi laser).

L'obiettivo scientifico di questo progetto è la progettazione, la realizzazione e la modellizzazione numerica di nanostrutture semiconduttorici innovative basate su nanofili modulati cilindrici di InAs e InAs/GaAs.

Nell'ultimo decennio, entrambi i partner del progetto hanno dedicato grandi energie alla comprensione della fisica dei nanofili: il Centro di Ricerca S3 dell'Istituto Nazionale di Fisica della Materia (INFM-S3) attraverso approcci teorici e di modellizzazione; il Braun Centre for Submicron Research (WSI-BCSR) del Weizmann Institute of Science attraverso studi sperimentali. Il progetto di ricerca proposto mette assieme questi aspetti complementari della ricerca e fonda una collaborazione tra due gruppi leader nella fisica dei semiconduttori (si vedano Reff. [8-10] per INFM-S3 e Reff. [11-13] per WSI-BCSR).
I tipi specifici di nanofili che saranno realizzati, modellizzati e caratterizzati durante il progetto, saranno nanofili a cristallo singolo di materiali composti III-V. Il processo di crescita realizzato al WSI-BCSR si avvale di una tecnica a fasi vapore-liquido-solido (VPL) che è recentemente diventata dominante nel settore della ricerca sui materiali [3-6]. La crescita è assistita dalla presenza di nano-goccioline d'oro distribuite sulla superficie del substrato: esse servono da catalizzatore per i processi di crescita, agendo come soluzioni nanometriche dalle quali i materiali assorbiti vengono depositati nell'interfaccia proprio sotto la gocciolina. Il diametro della gocciolina determina l'ampiezza dei nanofili, mentre la lunghezza è determinata dal tempo di crescita (vedi figura).


(nanowiskers di InAs cresciuti su substrato di Si; si notino le goccioline d'oro sopra ogni filo)

Poichè l'epitassia a fascia molecolare (MBE) rappresenta il sistema intrinsicamente più pulito per la crescita degli strati epitassiali e il metodo più promettente per la produzione di fili ad alta purezza, essa è stata scelta per questo progetto tra gli altri possibili metodi di deposizione. Lo scopo principale del progetto è di stabilire una solida collaborazione teorica-sperimentale nella modellizzazione e caratterizzazione di nanofili ad alta purezza di materiali III-V, come InAs e GaAs a sostegno dell'intero campo di studi della fisica mesoscopica.

Attraverso il metodo MBE, i partners della WSI-BCSR prepareranno strati epitassiali semiconduttori ad alta purezza (la base della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore), sui quali saranno fatti crescere con la tecnica VLS dei nanofili verticali di diametro variabile tra 50 e 10 nm e lunghi più di 5 micron. Si fa notare come le caratteristiche essenziali di questa tecnica di crescita siano l'elevato livello di purezza dei materiali dei nanofili e il controllo del profilo di drogaggio lungo i fili.

Tre classi di sistemi raranno realizzati sperimentalmente e modellizzati:
(1) Fili di InAs. Tali nanofili possono essere cresciuti in modo relativamente diretto su substrato di Si, fornendo un paragone per sistemi alternativi. Il diametro dei fili sara' di poche decine di nm e, grazie alla elevata purezza del materiale, ci si aspetta che essi mostrino caratteristiche di trasporto balistico. I fili saranno posti su di un substrato conduttivo ricoperto da un sottile strato di isolante. Il substrato servira' come gate per le misure di conduttanza per modulare la densita' dei portatori nei fili. Misure di conduttanza a due e quattro terminali saranno effettuate a varie temperature (fino al regime dei millikelvin) per varie distanze source-drain. La densita' dei portatori, la mobilita' e la resistenza dei contatti saranno confrontate con i risultati dell'approccio teorico. In particolare tra gli obbiettivi ci sono la dimostrazione sperimentale della quantizzazione della conduttanza e della caratteristica tipica di un transistore a effetto di campo, insieme al fitting dei dati sperimentali con i modelli numerici basati su solutori balistici a condizioni al contorno aperte.
(2) Fili di InAs/GaAs. Grazie al piccolo diametro dei fili lo stress reticolare si aggiusta facilmente e il GaAs puo' essere cresciuto sopra InAs e vice versa. Cio' permette la crescita di fili con diversi materiali semiconduttori lungo la loro lunghezza. Un sistema modulato di particolare interesse che sara' costruito e modellizzato consiste in un sistema filo-punto-filo creato includendo due barriere di GaAs lungo un filo di InAs. In questo caso si forma un dispositivo 1D a tunnell risonante con l'isola di InAs che agisce come punto quantico a pochi elettroni accoppiato ai restanti due fili che funzioneranno come contatti di source e drain. Le caratteristiche di trasporto delle strutture sopra descritte saranno confrontate con i risultati di un solutore 1D a pochi elettroni a boundary aperte per discernere tra risonanze di Fano e di Breit-Wigner e stimare il ruolo della correlazione dei portatori sulla conduttanza.
(3) Fili a drogaggio modulato. Saranno cresciute eterogiunzioni GaAs/AlGaAs a simmetria cilindrica in cui un nanofilo interno di GaAs viene ricoperto uniformemente di AlGaAs drogato N. Un 2DEG cilindrico bidimensionale si forma all'interfaccia dei due materiali. Contatti di InAs saranno creati attraverso estremita' di InAs. Le caratteristiche di conduttanza saranno ottenute come descritto per campioni (1). Il ruolo delle condizioni periodiche al contorno e la presenza di stati topologici sara' studiato con un solutore numerico open-boundary su coordinate curvilinee dell'equazione di Schroedingher per superfici cilindriche. Sara' stimato l'effetto della modulazione nel diametro del nanofilo sul trasporto balistico (vedi figura).


(alto: rappresentazione 3D di una superficie cilindrica con una strettoia; basso: il potenziale topologico generato dalla geometria della superficie)

Il Partner INFM-S3 applichera' vari metodi teorici alla descrizione di specifici nanosistemi cresciuti e studiati presso WSI-BCSR, con particolare enfasi verso gli effetti di correlazione a pochi elettroni sulle proprieta' ottiche e di trasporto. Questo richiedera' sia l'uso di software allo stato dell'arte, parte del quale e' gia' sviluppato internamente a INFM-S3, sia lo sviluppo di nuovi tool di simulazione. In particolare si prevede di modellizzare:
- il potenziale di confinamento laterale autoconsistente dei campioni di nanofili in approssimazione massa efficacie e singola banda;
- gli stati elettronici di pochi elettroni correlati nel punto quantico incluso nel filo e le loro caratteristiche di trasporto;
- i regimi di singola e doppia occupazione eccitonica di punti quantici inclusi nei nanofili; le frequenze di ricombinazione saranno stimate in funzione dell'accoppiamento con i contatti;
- le risonanze del trasporto coerente attraverso il punto quantico interno;
- gli effetti topologici dovuti al confinamento cilindrico del gas di elettroni.

La ricerca scientifica richiedera' l'uso di codici simulativi esistenti cosi' come di lo sviluppo di specifici pacchetti di sumulazione al fine di isolare gli effetti a pochi corpi sulle caratteristiche ottiche e di trasporto. Il progetto permettera' non solo di esplorare nuove tecniche di fabbricazione, ma anche di investigare la fisica di base dei nanofili.]>>>

Durata

36 mesi