2.4 LED planari
3.1.1 Dall’eterostruttura alla giunzione
La giunzione nin presentata `e basata su di una eterostruttura di GaAs/ AlxGa1−xAs (Tabella 3.1) contenente un pozzo quantico che confina un gas
di elettroni bidimensionale, cresciuta presso il Cavendish Laboratory (Cam- bridge, UK); misure di effetto Hall classico e quantistico (Fig. 3.3) hanno permesso di caratterizzarne mobilit`a e densit`a elettronica risultate rispetti- vamente 7.23 × 105 cm2V−1s−1 e 1.26 × 1011 cm−2.
Una regione contenente un pozzo quantico intrinseco pu`o essere ottenuta a partire da un’eterostruttura come quella utilizzata rimuovendo completa- mente o parzialmente lo strato drogato: nel primo caso il pozzo quantico diviene intrinseco, nel secondo (shallow etching) pur non venendo rimosso lo strato drogato il pozzo quantico pu`o risultare comunque totalmente o parzial- mente spopolato in quanto tutti o parte degli elettroni forniti dal drogaggio rimangono intrappolati negli stati localizzati che si vengono a formare in corrispondenza della regione della superficie in cui `e stato effettuato l’at-
A2775
Materiale Drogaggio Si (cm−3) Spessore (nm)
GaAs 10 I Al0.33Ga0.67As 1 × 1018 40 II GaAs 40 III Al0.33Ga0.67As 50 IV GaAs/Al0.33Ga0.67As S.L. 2.5/2.5 × 20 V Al0.33Ga0.67As 150 VI
Buffer GaAs VII
Substrato GaAs S. I. VIII
Tabella 3.1: Composizione dell’eterostruttura utilizzata per la realizzazione della giun- zione nin planare. Un gas bidimensionale di elettroni `e localizzato all’interno del pozzo quantico (strato III).
tacco chimico. All’aumentare della profondit`a dell’etching diminuisce sen- sibilmente la quantit`a di carica che confluisce nel pozzo. La tensione di conduzione tra i contatti del dispositivo dipende, dunque, criticamente dalla profondit`a dell’attacco chimico operato per generare la regione i. La geome- tria scelta per realizzare la regione della giunzione `e riportata in Fig. 3.4: la lunghezza del canale `e stata fissata in modo da essere paragonabile con la lunghezza d’onda della SAW (∼3 µm) che deve propagarsi lungo di esso. Per determinare larghezza e profondit`a del canale ho invece realizzato un programma in linguaggio C che, risolvendo in maniera autoconsistente l’e- quazione di Poisson in due dimensioni, permettesse di calcolare il profilo della banda di conduzione (d’ora in avanti Ec) all’interno di una eterostruttura in
cui fosse stato ricavato un canale intrinseco tramite etching. Composizione dell’eterostruttura, larghezza e profondit`a dell’etching possono essere mod- ificate nel programma in fase di esecuzione. Nelle Figg. 3.5, 3.6, 3.7 sono riportati alcuni risultati delle simulazioni effettuate per diversi valori dei parametri forniti in ingresso al programma. I dati ottenuti dalle simulazioni hanno permesso di concludere che soglie di conduzione nell’intervallo voluto (1 ÷ 10 V a temperature criogeniche) si ottengono per un canale profondo
0 50 100 150 200 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 E c ( e V ) Z (nm) T=300 K T=5 K
Figura 3.2: Calcolo dell’energia della banda di conduzione a temperatura ambiente e a 5 K effettuato risolvendo in maniera autoconsistente le equazioni di Poisson o Schr¨odinger in una dimensione (asse di crescita dell’eterostruttura).
da 25 nm a 40 nm e largo da 200 a 300 nm. Sono stati realizzati, quindi, numerosi dispositivi con diverse larghezze e profondit`a di etching nel range determinato tramite la simulazione ed `e stato verificato i parametri ottimali corrispondono 30 nm di profondit`a e 250 nm di larghezza1. La lunghezza
della regione intrinseca `e stata fissata a ∼ 70 µm, dimensioni necessarie per la realizzazione degli split gate e che inoltre assicura una soglia di conduzione fra iniettore e colletore maggiore rispetto a quella tra i due iniettori.
Per via delle dimensioni estremamente ridotte (centinaia di nm) il canale intrinseco e il profilo degli split gate devono essere realizzati tramite litografia
1Nel progetto CAD realizzato per pilotare il SEM durante il processo di litografia
elettronica il canale intrinseco ha una larghezza nominale di 150 nm. L’attacco chimico produce, poi, un canale pi`u largo rispetto alle dimensioni nominali in quanto durante il processo viene rimosso materiale anche dalle pareti laterali del canale che si sta formando. Le dimensioni nominali sono state fissate, dunque, in modo che l’effetto descritto desse luogo al termine di tutto il procedimento ad una regione intrinseca delle dimensioni volute.
1 2 3 4 50 100 150 V x x ( V ) Campo Magnetico (T) T = 410 mK
Figura 3.3: Misura di effetto Hall quantistico: caduta di tensione longitudinale.
elettronica. I bracci di raccordo e le aree destinate ad accogliere i contatti per i collegamenti con gli strumenti di misura grazie alle dimensioni decisamente maggiori (centinaia di µm) sono invece realizzati in un secondo momento tramite un procedimento di litografia ottica che sar`a descritto in un’altra sezione di questo capitolo. La procedura seguita per la realizzazione della giunzione `e la seguente:
• Applicazione del resist per litografia elettronica sulla superficie del cam-
pione. Il resist utilizzato `e il PMMA (polimetilmetacrilato in soluzione di etil lattatato) AR-P 679.02 prodotto dalla AllResist: `e necessario renderlo omogeneo facendo ruotare il campione con uno spinner a 6000 giri/min per 60 s. Lo spessore omogeneo assicura una esposizione uniforme.
• Trattamento termico del resist a 170◦ C per 10 minuti: questa proce-
dura induce nel resist l’evaporazione del solvente ed `e utile allo scopo di renderlo meccanicamente resistente.
Figura 3.4: Rappresentazione schematica della regione centrale della giunzione: si dis- tinguono i profili del canale intrinseco e degli split gate. Le misure riportate in figura sono espresse in µm.
0.2 0.4 0.6 0.8 20 40 60 80 100 120 140 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 E c ( e V ) X ( m ) Z (n m )
Figura 3.5: Calcolo Poisson autoconsistente in 2 dimensioni: energia della banda di conduzione rispetto al potenziale chimico a 300 K per l’eterostruttura A2775. Il calcolo tiene conto della presenza di un canale scavato tramite attacco chimico largo 250 nm e profondo 30 nm. Le dimensioni superficiali simulate sono di 1 µm. La superficie del campione `e stata considerata monodimensionale.
• Esposizione tramite microscopio elettronico a scansione. La geometria
della regione da impressionare (Fig. 3.4) e i parametri di esposizione sono stati ottimizzati in svariate prove sperimentali.
• Sviluppo: il resist esposto viene rimosso tramite una soluzione di svilup-
po (PMMA-developer ) in cui il campione viene lasciato immerso per 2 minuti e 30 s.
• Attacco chimico: `e stata utilizzata una soluzione di etching di H2SO4:
H2O2:H2O con concentrazioni relative pari a 1:8:500. Il campione `e
200 400 600 800 50 100 150 Simulazione etching 250 nm x 30 nm Densità di carica T = 300 K Convergenza 10 -7 eV x ( m) z ( n m ) -10 -6.5 -3.0 0.50 4.0
Figura 3.6: Calcolo Poisson autoconsistente in 2 dimensioni: densit`a di carica (e/m−3) a
300 K per l’eterostruttura A2775. Il calcolo tiene conto della presenza di un canale scavato tramite attacco chimico largo 250 nm e profondo 30 nm. La superficie del campione `e stata considerata monodimensionale. Il rettangolo grigio corrisponde alla regione rimossa tramite l’attacco chimico.
precedente taratura, tale periodo permette di ottenere un canale pro- fondo 30 nm. Una volta rimosso dalla superficie del campione anche il resist non impressionato, sono state verificate con un microscopio a forza atomica le dimensioni del canale realizzato. In particolare il canale intrinseco `e risultato profondo 30 nm (in perfetto accordo con quanto atteso) e largo 250 nm. Nelle Figg. 3.8 e 3.9 sono riportate una immagine SEM della giunzione e una ricostruzione tridimensionale del canale i ricavata dai dati forniti dal microscopio a forza atomica.