1. MONOGRAFIA
TEMA:
Aplicaciones potenciales de los semiconductores a escala nano.
PRESENTADO POR:
Mauricio Herrera Duran
Estudiante de Ingenieria de Telecomunicaciones
TUTOR:
Alvaro Morales
Universidad de Antioquia
Medellin, colombia
2011

2. Un breve resumen
En la actualidad, la sociedad y su leal amiga “la ciencia”, han venido creciendo; una de la
mano de la otra. El hombre como interfaz entre ambas, se ha venido valiendo de
descubrimientos e inventos, con los cuales ha logrado, “mejorar su estilo de vida”. En este
trabajo solo consideraremos aspectos científicos a cerca del trabajo del hombre, en la
búsqueda de esa mejor forma de vida. Hoy en día, basados en descubrimientos de finales
del siglo XVII, y comienzos del XIX, el hombre ha desarrollado numerosas aplicaciones de
estos. En las siguientes líneas se hablara un poco, acerca, de las aplicaciones mas actuales y
como seguirá siendo, una posible evolución, de estas.
En este trabajo se parte del hecho de que los investigadores examinaron el movimiento
ultrarrápido de los electrones en un cristal de arseniuro de galio expuesto por corto tiempo a
un campo eléctrico de gran intensidad. Este experimento, conceptualmente nuevo, muestra
por primera vez un movimiento oscilatorio colectivo, de los electrones con frecuencia muy
alta, que además se añade, al conocido movimiento de deriva de estas partículas. Este
efecto recién descubierto podría desempeñar un papel importante en relación con la
miniaturización de los dispositivos electrónicos.
Introducción
Hasta hoy, el avance, que ha tenido el área de la electrónica en el mundo ha sido increíble,
ya que solo se han tardado, aproximadamente, un siglo los científicos, para adaptar a las
necesidades del hombre, los descubrimientos que trajeron al mundo hombres como Albert
Einstein, Max Planck, Werner Heisenberg, entre muchos otros. Una de esas necesidades, es
la de comunicación a distancia. La electrónica ha sido, la rama de la ingeniería, que le ha
dado principios y fundamentos a la suplencia de dicha necesidad, que podemos llamar mas
modernamente “tecnologías de la información y las telecomunicaciones”. Hoy por hoy, el
avance es tal, que ya se habla cómodamente de estructuras a niveles de micro y nano escala,
en dispositivos electrónicos y fotonicos. La demanda de estos sistemas se ha incrementado
y se espera que sigan incrementando de la misma forma, con el fin de suministrar redes,
sistemas de conmutación y sistemas computacionales con componentes de alta velocidad y
capacidad.
Un concepto importante para todos estos desarrollos, ha sido el aceptado acerca de los
semiconductores y, mas explícitamente, a las uniones heterosexuales de estos. Este último
concepto ha sido de gran ayuda, para formar los dispositivos ya antes descritos. La
necesidad ahora, que hay una tecnología confortable para suplir la necesidad de
comunicación, es tener mayor procesamiento y una buena capacidad de transmisión de
energía (información), en dispositivos tan pequeños, que por exagerar un poco, hasta las
hormigas podrán tener su propio teléfono celular de bolsillo. Investigaciones en el área de
heteroestructuras semiconductoras, condujeron a identificar varios nuevos fenómenos, de
los cuales se espera que den luz a novedosos dispositivos funcionales, y que puedan suplir
esa necesidad de escalas de dimensiones demasiado pequeñas, y buen procesamiento. Uno
de ellos son las oscilaciones aleatorias en el número de átomos de impureza en el área

3. activa del dispositivo. Dispositivos de dimensiones del orden de 10nm de longitud,
empiezan a mostrar algunas falencias con la coherencia y desfases en el transporte de
electrones, y por lo general estos comportamientos se muestran a escalas menores de 40nm.
Una grafica que nos puede dar una idea, de cómo se comportan los electrones que forman
corrientes en estructuras con dimensiones mayores que 40nm, es la siguiente:
En ella se puede observar como deberá ser el
comportamiento de los electrones (corriente), a medida
que pasan por un transistor bipolar, y como será su
inclinación a medida que se esta variando un voltaje
aplicado. Se quiere lograr, no desfasarse mucho del
mostrado comportamiento, al reducir las dimensiones
de algún dispositivo que trabaje con principios
cuánticos, como el mencionado.
Factores importantes
Podemos dividir algunos factores importantes, en el desarrollo de la capacidad de nano
estructuras, de tres formas; tiempo, longitud de onda y espacio. En términos de división de
tiempo, la velocidad de procesamiento, velocidad de transporte de electrones, el tiempo de
relajación de los electrones, los efectos túneles y otros, se convierten en puntos importantes
para aumentar la velocidad de procesamiento de electrones en las heteroestructuras
semiconductoras. Por otro lado, lo que respecta a la longitud de onda, se podrían aplicar
conceptos de guías de onda y microlasers, los cuales podrían ser eficaces a la hora de
querer mejorar un desfase existente ya mencionado. Por ultimo, el ámbito espacial, es al
que mas se le ha hecho referencia en el texto, y si se trata con cuidado y despacio, alcanzara
muy pronto su conexión con las otras dos divisiones, logrando así solucionar algunos
problemas que presentan las nano estructuras de semiconductores.
Otro factor importante, a tener en cuenta en los dispositivos, es reducir o minimizar el
voltaje de la operación. Esta consideración tiene por objeto reducir, o, por que no, eliminar
el uso de electrones e implementar diseños completamente ópticos. Aunque esto se sale un
poco del objeto de estudio en este texto, como ya se ha implementado dicha tecnología, por
ejemplo, en las fibras ópticas, se piensa que si se llegara a implementar diseños ópticos se
crecería mucho en un factor importante, permitir el flujo de información en una mayor
densidad.
Algunos conceptos
En las siguientes líneas, se definirá; el tipo de material con el que se esta tratando, y
algunas definiciones de la física cuántica útiles para analizar el problema.

4. - AlGaAs (arseniuro de galio y aluminio): Es un material semiconductor con casi la
misma constante de red como GaAs , pero un mayor gap. El gap varía entre
1.42 eV (GaAs) y 2.16 eV (AlAs). Arseniuro de galio y aluminio se utiliza como
material de la barrera en dispositivos basados en heteroestructuras de GaAs. Como
dato ambiental tenemos que la toxicología de AlGaAs no ha sido plenamente
investigado. El polvo es un irritante para la piel, ojos y pulmones.
- Pozos cuanticos: En un pozo cuántico los electrones están confinados en una
dirección solamente (por ejemplo, en la dirección z), mientras que en las otras dos
(x, y) se mueven libremente. Es "como si" obligáramos a los electrones a moverse
en el queso de un sandwich. Entonces los estados electrónicos cuyo movimiento es
perpendicular al “queso” son discretos pero los estados donde el electrón se mueve
paralelo al “pan” son continuos y presentan un comportamiento semiclásico.
Esquema de un pozo cuántico formado por un “sándwich” de semiconductores
GaAs entre dos capas de AlGaAs. En la figura superior se muestra una imagen realizada
con un microscopio de transmisión, donde pueden diferenciarse los átomos individuales en
cada región. La figura inferior muestra el potencial eléctrico correspondiente que forma una
capa muy fina (6nm de ancho) donde están confinados los electrones.
- Fonones: Los fonones son vibraciones de la red cristalina. La materia casi siempre
se ordena en forma de cristales, aunque éstos no sean necesariamente transparentes.
Como los átomos que forman la red están ordenados es muy fácil para los fonones
viajar a través de la red. Estas vibraciones son las que transmiten el calor en un
sólido no metálico. Por eso el diamante (un cristal) conduce el calor mucho mejor
que el vidrio (un amorfo). Desde el punto de vista cuántico se puede considerar que
estas vibraciones son partículas o pseudopartículas, cuantos de energía vibracional.
- Efecto túnel: es un fenómeno nanoscópico por el que una partícula viola los
principios de la mecánica clásica penetrando una barrera potencial
o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. Una barrera, en
términos cuánticos aplicados al efecto túnel, se trata de una cualidad del estado

5. energético de la materia análogo a una "colina" o pendiente clásica, compuesta por
crestas y flancos alternos, que sugiere que el camino más corto de un móvil entre
dos o más flancos debe atravesar su correspondiente cresta intermedia si dicho
objeto no dispone de energía mecánica suficiente como para imponerse con la
salvedad de atravesarlo.
- Heteroestructuras semiconductoras: Son semiconductores formados por dos o
más capas de diferentes semiconductores crecidos coherentemente con una
estructura cristalina común. La heteroestructura ideal es la formada por elementos
de los grupos III-V de la tabla periódica. Las propiedades electrónicas de estos
materiales se pueden estudiar considerando exclusivamente los electrones de
valencia, esto es, tres electrones por cada átomo del grupo III y cinco electrones por
3
cada átomo del grupo V. Estos ocho electrones forman el enlace híbrido sp . En el
sólido los electrones de valencia están deslocalizados y forman bandas de energía.
En el caso de los compuestos III-V los dos electrones que ocupan el orbital s dan
lugar a la banda de conducción, mientras que los seis electrones restantes que
ocupan los tres orbitales p originan las tres bandas de valencia, dos de ellas
degeneradas en k = 0. El borde superior de la banda de valencia corresponde al
centro de la primera zona de Brillouin.
- Qubit: se entiende por qubit la información que contiene ese sistema cuántico de
dos estados posibles. En esta acepción, el qubit es la unidad mínima y por lo tanto
constitutiva de la teoría de la información cuántica. La cantidad de información
contenida en un qubit, y, en particular, la forma en que esta información puede ser
manipulada, es fundamental y cualitativamente diferente de un bit clásico. Hay
operaciones lógicas, por ejemplo, que son posibles en un qubit y no en un bit.
- Substrato: es una especie química que se considera, de forma explícita, objeto de la
acción de otros reactivos.
- (PCs): nano estructuras semiconductoras con cero dimensiones o puntos cuánticos.
Avances hacia las nano estructuras buscadas
Investigaciones recientes dan grandes resultados, uno de ellos, es que las reacciones al
vacio ultraalto se pueden utilizar para formar nanoestructuras de silicio, sin necesidad de
utilizar patrones artificiales. Para el material tratado(AlGaAs), se puede hacer una
aproximación con el GaAs, ya que prácticamente, desempeñan una labor muy parecida en
el ámbito electrónico, y se podría decir, que solamente difieren esencialmente en el tamaño
de su banda prohibida, la cual es menor en la aproximación descrita. Teniendo esa
aproximación se sigue. Actualmente son conocidos los procesos de nitración de GaAs con
sobrepresión de As para pasivacion de los substratos, asi como la obtención de películas de
GaNxOy, por exposición de GaAs a NH3 y compuestos de oxigeno. Por otra parte la parte
de nitración de GaAs asistida por plasma para formar GaN es conocida y la convension de
GaAs de superficies epitaxiales a GaN por nitridacion ha sido usada para mejorar la calidad
de películas epitaxiales de GaAs sobre sustratos de silicio. Este método ha sido
prácticamente el primero desarrollado para lo obtencion de GaAs por medios no artificiales.
Se ha informado, que una nitridacion ligera podría ser inducida por la exposición N2 a la
superficie del silicio a moderadamente altas temperaturas por debajo de 1100(grados

6. centígrados). Una aplicación importante de de este nitruro formado con silicio es que podría
ser utlizado como una mascara de oxidación, lo cual le podría dar una mayor duración y un
mejor rendimientos a los dispositivos electrónicos que hemos venido mencionando.
Se puede hablar del material aislado, como islas de de nitruro de silicio, para la obtención
de estas dos diferentes procedimientos son usados: N2 con iones de baja energía expuestos
a temperatura ambiente y posteriormente recocido a 980(grados centígrados) durante 10
minutos, y el segundo de ellos es, la exposición al gas N2 a 800(grados centígrados) y
haciendo un procedimiento análogo al anterior pero a 800 grados durante 15 minutos. Los
experimentos anteriores, mostraron como resultados que el nitruro de silicio puede ser
utilizado como mascara de oxigeno a la exposición a altas temperaturas.
Es importante notar que se han utilizado mas compuestos semiconductores, para dar vida a
mejoras en las nano estructuras, como lo ha sido el InGaAs (Arseniuro de Galio e Indio),
sustraído por el método de deposición de vapor químico. Este compuesto estará dispuesto a
mejorar el comportamiento laser que presentan las partículas (fonones, electrones), dentro
de estructuras ópticas, que son las más opcionadas a contribuir fuertemente al futuro de las
tecnologías de la información. A continuación se expandirá el método tratado en este
numeral.
Una técnica poderosa hacia la “invisibilidad”
Una de las técnicas de crecimiento más poderosas para lograr la síntesis de PCs es la
epitaxia por haces moleculares (MBE, molecular beam epitaxy). Esta técnica fue
inicialmente desarrollada por J. R. Arthur y A.Y. Cho de los laboratorios Bell para el
crecimiento de GaAs y heteroestructuras GaAs/AlGaAs. Ha sido subsecuentemente
extendida a una gran variedad de materiales manteniendo ventajas sobre otras
técnicas de crecimiento de películas epitaxiales. Estas ventajas incluyen la capacidad de
controlar la reproducibilidad del crecimiento en dimensiones menores a monocapas
atómicas y la posibilidad de monitorear el crecimiento in situ y a tiempo real.
Debido al ambiente de ultra alto vacío que se usa en los sistemas MBE, es posible estudiar
la dinámica de los propios procesos de crecimiento usando técnicas como reflexión de
electrones difractados de alta energía.
En esencia, la técnica MBE es más que un método de evaporación basado en ultra alto
vacío. En la práctica es una técnica de depósito capaz de obtener materiales con un nivel de
impurezas por debajo de diez partes por billón de una manera reproducible, con un control
sin precedente sobre la composición, el dopaje de las estructuras y sobre el espesor a escala
nanométrica.
En la técnica de MBE, los elementos constituyentes del material a crecer son propulsados
en forma de haces moleculares hacia un substrato cristalino sobre el cual se formará la
película epitaxial en crecimiento. Estos haces emergen al evaporar térmicamente fuentes
sólidas elementales de muy alta pureza, contenidas en crisoles (contenedores) ubicados
dentro de celdas situadas frente al substrato. En sistemas MBE de elementos III-V las
celdas contienen materiales sólidos de alta pureza de Al, Ga, As, Be, In y Si. En algunos
sistemas suelen utilizarse fuentes de gases, como el nitrógeno o hidrógeno.
Las cámaras de crecimiento se mantienen en un ambiente de ultra alto vacío (UAV), a una
presión del orden de 10^^(-11)(torr o mmHg), que nos garantiza la pureza del material en
las fuentes. Rodeando las celdas, sobre las paredes internas de la cámara, se localizan

7. criopaneles; al mantenerlos a temperatura de nitrógeno líquido, éstos se convierten en
medios efectivos para el atrapamiento de impurezas. Frente a las celdas, justamente en el
centro de la cámara, se encuentra el substrato montado sobre un portasubstrato de
molibdeno (moliblock), sujeto a su vez a un mecanismo manipulador que le permite rotar
con respecto a la normal del substrato. Durante el crecimiento, este movimiento ayuda a
homogeneizar el crecimiento de la película. Para la obtención del material, debe haber un
medidor de ionización presente, con el fin de calibrar los flujos, por lo que su asistencia es
indispensable.
Una de AlGaAs en las tecnologías
Se recitara sobre las computadoras cuánticas(QC).
Cuando se bombean fotones a un semiconductor, los electrones de la banda de valencia se
excitan a la banda de conducción dejando huecos (portadores de carga positiva) en la banda
de la valencia. La interacción coulombiana de los electrones con los huecos da lugar a pares
enlazados electrón-hueco que se conocen como excitones. Un sistema de QC puede llevarse
a cabo usando los excitones localizados en PCs como excitaciones elementales que
representen los binarios lógicos: lógica uno (cero) corresponde a la presencia
(ausencia) de un excitón en un PC. Funciones de compuerta se pueden introducir mediante
radiación electromagnética coherente (un pulso de láser, por ejemplo). Este sistema se basa
en que un arreglo lineal de PCs colocado entre dos electrodos de metal
se excita mediante un láser. Este arreglo lineal se puede obtener creciendo
los PCs sobre sustratos con direcciones cristalinas específicas. Las compuertas lógicas
cuánticas se realizan excitando los PCs con láseres de diferentes longitudes de onda. Dado
que en cualquier sistema real siempre habrá cierta dispersión en el tamaño de los PCs, esto
hace posible excitar PCs individualmente, pues cada PC tendrá los niveles cuantizados a
diferentes energías. Así pues, empleando un láser sintonizable se puede producir una
resonancia sólo en un PC individual. La manipulación rápida de los qubits se hace posible
induciendo una evolución temporal unitaria con pulsos de laseres de pico o femto segundos.
La lectura en el PC puede lograrse posicionando los haces de los láseres de excitación
y de prueba en un lugar específico, en donde un número de qubits con diversas frecuencias
excitónicas puedan ser accesibles. Las operaciones de compuerta condicionales de dos
qubits se pueden dar vía la interacción dipolo-dipolo en dos PCs adyacentes. Aplicando un
campo eléctrico entre los electrodos la interacción dipolo-dipolo se puede modular para
modificar el acoplamiento entre dos qubits.
Aspectos importantes del GaAs
La masa efectiva de la carga eléctrica del GaAs tipo N dopado es menor que en
el silicio del mismo tipo, por lo que los electrones en GaAs se aceleran a mayores
velocidades, tardando menos en cruzar el canal del transistor. Esto es muy útil en altas
frecuencias, ya que se alcanzará una frecuencia máxima de operación mayor.
El material tiene una estructura cristalina, formada por cubos simples centrados en las
caras.
Las configuraciones electrónicas de cada material son las siguientes:

8. Para el Ga – Z = 31 ---- 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P1
Para el As – Z = 33 ---- 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P3
Basados en esas configuraciones, notamos que el Ga posee 3 electrones de valencia,
mientras que el As tiene 5, luego el enlace que están formando ellos es de tipo covalente, ya
que están compartiendo los electrones para obtener propiedades como rigidez, duros y
difíciles de dformas, etc. Al introducirle el aluminio, estoy contribuyendo con 3 electrones,
y se me esta formando un material tipo n, ya que puede donar, en algún caso dado, esos
electrones, o simplemente, dejarlos en su interior como impurezas y adquirir propiedades
como mayor GAP, menor resistividad al flujo de elementos cuanticos, entre otras.
El gap del arseniuro de galio es del 1.4eV
Conclusiones
- Componentes hechos de arseniuro de galio se encienden diez veces más rápido que
aquellos de silicio, no sufren tan a menudo daños transmitiendo señales analógicas y
no necesitan mucha energía. Por estas cualidades el arseniuro de galio tiene una
amplia aplicación en la industria de las telecomunicaciones. Su principal aplicación
es en la construcción de circuitos impresos y dispositivos optoelectrónicos en
teléfonos celulares y móviles para la transmisión de señales. Además el arseniuro de
galio se emplea para transmitir información por fibra óptica a través de láseres para
tratamiento superficial (VCSEL) o para suministrar energía mediante los paneles
solares con células fotovoltaicas de los satélites. En la industria de semiconductores
se utiliza ante todo la composición de AlGaAs/GaAs (arseniuro de galio y aluminio
/ arseniuro de galio) para producción de heteroestructuras semiconductoras. Como
dato ambientalista, actualmente surgen muchos problemas por la eliminación de los
tóxicos del Arsenio.
- Se puede notar, con los conceptos y procedimientos vistos, que las tecnologías de
las telecomunicaciones están avanzando en una forma impresionante, cada vez,
creando moléculas mucho mejores transportadoras de energía y que no deforman
mucho, los niveles de energía de los electrones, que empiezan a transmitir
información y esta no se desfas demasiado, como se había mencionado en la
introducción del trabajo.

9. Biblio y cibergrafia
http://www.rae.es
http://www.wikipedia.org/
http://www.laflecha.net
http://svt.cinvestav.mx/LinkClick.aspx?fileticket=hmyoah7UvfI%3D&tabid=57
ALONSO, Marcelo – FINN, Edward J, Fundamentos cuanticos y estadísticos volumen III,
ADDISON-WESLEY IBEROAMRICANA, S.A, Massachusetts, E.U.A, 1968.
MCKELVEY, J.P, Física del estado solido y de semiconductores: Editorial Limusa s.a,
1994.
Augusto, Montes, Curso virtual de física del estado solido, Editorial UdeA, Universidad de
Antioquia, Medellín(colombia).