Durante este trabalho, sete amostras foram processadas com sucesso ao final da pen´ultima etapa da fabrica¸c˜ao, a remo¸c˜ao do ´oxido. S˜ao apresentados nesta se¸c˜ao os resultados das tentativas de crescimento com localiza¸c˜ao pr´evia de pontos quˆanticos semicondutores de InAs e de In0,53Ga0,47As sobre substrato de InP via AON. As imagens de AFM s˜ao seguidas de uma
discuss˜ao detalhada a respeito da caracteriza¸c˜ao das amostras ap´os os crescimentos dos QDs e da interpreta¸c˜ao dos resultados, indicando se foi obtido sucesso na localiza¸c˜ao dos QDs.
Crescimento dos Pontos Quˆanticos de InAs - Resultados e discuss˜ao
Em cinco das sete amostras foram feitas tentativas de localiza¸c˜ao de QDs de InAs sobre os padr˜oes gravados via AON. O ´unico parˆametro vari´avel durante o crescimento dos QDs era o tempo em que o substrato de InP permanecia em contato com a atmosfera de gases arsina e trimetil-´ındio dentro do reator de MOVPE.
A imagem de AFM da primeira tentativa (Amostra 01), realizada com tempo de crescimento igual a 2,0 s, ´e exibido na Figura 4.8.
Esse resultado mostrou-se bastante promissor, visto que grande parte das depress˜oes foi, como esperado, preenchida pelo InAs. No entanto, podem ser observados pontos quˆanticos semicondutores espalhados pela amostra, que cresceram fora do padr˜ao gravado por AON.
De acordo com os resultados dos trabalhos de Fonseca-Filho et al. [10] e Song et al. [14] o crescimento dos pontos quˆanticos semicondutores de InAs deveria ocorrer apenas dentro das depress˜oes. Por isso foi determinado que esses resultados preliminares n˜ao estavam em completo acordo com o esperado e seriam necess´arias novas tentativas com diferentes tempos de crescimento. A suposi¸c˜ao inicial foi de que 2,0 segundos era um tempo maior do que o necess´ario o que possibilitaria a forma¸c˜ao de QDs em regi˜oes fora dos padr˜oes gravados. Na Figura 4.8(c), os c´ırculos amarelos representam QDs nucleados dentro dos padr˜oes e os c´ırculos azuis representam depress˜oes que n˜ao foram nucleadas durante o crescimento dos QDs de InAs. Foi realizado, ent˜ao, um segundo crescimento de QDs de InAs sobre o substrato litografado,
Figura 4.8: Primeira tentativa de obten¸c˜ao de QDs de InAs localizados sobre substrato de InP. (a): Matriz de depress˜oes antes do crescimento dos QDs. (b): Mesma matriz ap´os o crescimento. (c): C´ırculos indicando as depress˜oes preenchidas ap´os o crescimento (amarelo) e as depress˜oes que n˜ao foram preenchidas (azul). Essa matriz, feita em parceria com o estudante de doutorado Pablo Valentim, tamb´em da UFMG, tinha um padr˜ao ligeiramente diferente do padr˜ao gravado nas outras seis (Figura 3.9).
dessa vez com um tempo de crescimento de 1,0 segundo (Amostra 02). As imagens de AFM realizadas sobre a regi˜ao das matrizes litografadas eram parecidas `as imagens mostradas na Figura 4.6 e n˜ao indicavam forma¸c˜ao de nenhum ponto quˆantico em nenhum lugar da amostra, ou seja, 1,0 segundo n˜ao foi tempo suficiente para que houvesse forma¸c˜ao de QDs de InAs sobre o substrato.
Tendo em vista os resultados das amostras 01 e 02, na Amostra 03 foi feito um novo cresci- mento, com tempo igual a 1,5 s. A Figura 4.9 mostra o resultado desse crescimento.
Figura 4.9: Tempo de crescimento igual a 1,5 s. ´E observada uma densidade de depress˜oes preenchidas muito baixa e, novamente, formam-se pontos fora do padr˜ao litografado. `A esquerda mostra-se uma imagem geral da amostra e `a direita a regi˜ao superior esquerda ´e vista em maior resolu¸c˜ao.
Com o tempo de crescimento do InAs igual a 1,5 s, ainda n˜ao havia sido alcan¸cado o objetivo principal, a localiza¸c˜ao dos QDs de InAs nas posi¸c˜oes pr´e-determinadas pela AON. Ocorreu nuclea¸c˜ao apenas em algumas poucas depress˜oes. Al´em disso, parece ter havido nessas depress˜oes uma deposi¸c˜ao excessiva de material. Na maioria das depress˜oes a nuclea¸c˜ao n˜ao ocorreu e, novamente, foram formados pontos quˆanticos fora das matrizes gravadas por AON.
Esses resultados s˜ao contradit´orios e n˜ao correspondem ao resultado esperado, ou seja, que a nuclea¸c˜ao ocorresse exclusivamente dentro das depress˜oes e que todas elas fossem preenchidas. Dessa forma, decidiu-se repetir os crescimentos realizados com 1,5 s e 2,0 s para testar a repetibilidade do experimento e confirmar os resultados obtidos at´e aqui.
As amostras 04 (tempo de crescimento de InAs t = 1, 5 s) e 05 (t = 2, 0 s) apresentaram resultados distintos da amostras 02 e 03, nominalmente equivalentes respectivamente. Isso indica que algum parˆametro do processo ainda n˜ao ´e controlado. A Figura 4.10 mostra como a Amostra 05 est´a coberta por diversas impurezas (manchas brancas maiores). As amostras podem ter sujado durante o manuseio, no momento em que elas foram colocadas no reator ou durante alguma das etapas de limpeza, que ocorrem imediatamente antes do crescimento.
Figura 4.10: Uma das principais dificuldades durante o processo de crescimento de QDs de InAs sobre os padr˜oes litografados por AON. Impurezas podem aderir ao substratos, prejudicando o crescimento, pois elas atraem o InAs depositado, se tornam pontos de nuclea¸c˜ao e anulam o efeito do padr˜ao gravado sobre o substrato.
fat´orios. Foi observada uma grande dificuldade de fazer com que os QDs crescessem dentro das depress˜oes gravadas por AON sobre o substrato de InP. Al´em disso a dificuldade na repetibili- dade do experimento indica que podem haver falhas relativas ao processamento das amostras. Poss´ıveis falhas foram identificadas e s˜ao apresentadas na na se¸c˜ao 4.2.1 juntamente com algu- mas propostas para solucion´a-las.
Crescimento dos Pontos Quˆanticos de In0,53Ga0,47As - Resultados e Discuss˜ao
Apesar de que as amostras em que foram crescidos pontos quˆanticos semicondutores de InAs demonstrarem que ainda ´e necess´ario otimizar o processamento do substrato antes do crescimento dos QDs, os resultados para a Amostra 06, em que foi crescida uma camada de 2,0 nm de In0,53Ga0,47As sobre o padr˜ao gravado por AON, foram bastante satisfat´orios.
A Figura 4.11 mostra duas imagens de AFM de uma mesma matriz de depress˜oes da Amostra 06. A primeira, acima, mostra a matriz de depress˜oes antes do crescimento da camada de InGaAs e a segunda, abaixo, ilustra essa mesma regi˜ao, ap´os o crescimento da camada de
InGaAs.
Figura 4.11: Em cima: Uma das matrizes de depress˜oes da Amostra 06 logo ap´os a remo¸c˜ao do ´
oxido. Em baixo: A mesma matriz de depress˜oes, depois do crescimento da camada de 2,0 nm de In0,53Ga0,47As.
Podemos notar, atrav´es da figura, que ocorre o preenchimento total das depress˜oes em alguns pontos da matriz. Em outros o preenchimento ´e apenas parcial, visto que as depress˜oes que n˜ao foram preenchidas tiveram sua profundidade reduzida de 4,0 nm para cerca de 2,0 nm
em m´edia. A Figura 4.12 mostra o perfil de uma linha de depress˜oes da Amostra 06, antes e depois da deposi¸c˜ao do InGaAs, evidenciando a redu¸c˜ao da profundidade das depress˜oes. Esse resultado, apesar da n˜ao-uniformidade do crescimento do In0,53Ga0,47As observada, se mostra
de acordo com o esperado, discutido no cap´ıtulo anterior.
Figura 4.12: (a): Perfil de uma das linhas de depress˜oes de uma das matrizes da amostra 06 antes do crescimento do InGaAs. (b): A mesma linha de depress˜oes, depois do crescimento da camada de 2,0 nm de In0,53Ga0,47As teve sua profundidade m´edia, das linhas que n˜ao foram totalmente preenchi-
das, reduzida para cerca de 1,3 nm.
O casamento de parˆametro de rede entre InP e In0,53Ga0,47As faz com que as depress˜oes sejam
preenchidas sem que ocorra nenhum tipo de tens˜ao na interface. Isso pode ser comprovado ao observarmos na Figura 4.11 o fato de que os planos atˆomicos permanecem vis´ıveis e cont´ınuos mesmo nas regi˜oes onde o crescimento do InGaAs foi mais acentuado (depress˜oes totalmente preenchidas), evidenciando o perfeito casamento entre os dois compostos.
Podemos observar que o crescimento do InGaAs n˜ao foi uniforme sobre toda a amostra, caso contr´ario dever´ıamos ter todas as depress˜oes totalmente preenchidas (ou todas as depress˜oes parcialmente preenchidas). Isso pode ser explicado pelo fato de que durante o crescimento da buffer layer, a camada de InP se forma com uma certa inclina¸c˜ao em rela¸c˜ao `a horizontal, o que poderia explicar a diferen¸ca na ades˜ao do InGaAs ao substrato em diferentes pontos. Como podemos ver na Figura 4.11 (em baixo) mais depress˜oes s˜ao totalmente preenchidas na parte inferior (em rela¸c˜ao `a parte superior) e do lado esquerdo (em rela¸c˜ao ao lado direito). Isso poderia indicar que o canto inferior esquerdo da figura ´e a parte mais alta do substrato e, portanto, mais favor´avel `a ades˜ao do InGaAs.
Diante desses resultados, a ´ultima amostra (Amostra 07) foi crescida seguindo a mesma receita da Amostra 06, dessa vez com a adi¸c˜ao da camada 200 nm de InP, para que possam ser feitas medidas de fotoluminescˆencia futuramente, o que poderia comprovar definitivamente a localiza¸c˜ao de pontos quˆanticos semicondutores de In0,53Ga0,47As sobre substrato de InP via
AON. Resultados de microfotoluminescˆencia sobre diferentes QDs podem determinar, al´em disso, o grau de relevˆancia da n˜ao-uniformidade apresentada no crescimento do InGaAs.