Oficina de Vinculación

Manipulación de nanoestructuras para generar tuneleo cuántico resonante a temperatura ambiente
 

Un proyecto de tesis doctoral de diseño y fabricación de una nanoestructura para un innovador dispositivo semiconductor aprovecha el uso de materiales depositados a nivel de capas atómicas para generar un pozo cuántico que permite discretizar estados energéticos dentro de la banda de conducción de  un  óxido metálico ultra-delgado y, con ello, promover tuneleo resonante a temperatura ambiente. Este fenómeno permite obtener zonas de resistencia negativa, con aplicaciones muy útiles en Electrónica y en el estudio de fenómenos de transporte balístico.

Este proyecto es desarrollado por Héctor Uribe Vargas, estudiante de doctorado del INAOE, bajo la asesoría del Dr. Joel Molina, y realizado en los laboratorios de Electrónica del INAOE. Los resultados principales de este proyecto serán presentados dentro del congreso internacional ALD/ALE 2018, foro internacional en el que se dan a conocer los avances del estado del arte para materiales electrónicos avanzados y cuyo enfoque principal es la manipulación de estos materiales a nivel atómico. Dentro de este congreso Héctor Uribe presentará el trabajo "Room-temperature Resonant Tunneling by Band-offset Engineering of Nanolaminated High-k Oxides Deposited by Atomic-layer Deposition", el cual es uno de los cinco finalistas a recibir el reconocimiento como ALD Best Student Paper Award de entre más de 600 trabajos a presentarse en este prestigioso foro científico: https://ald2018.avs.org/awards/

"Estamos trabajando en un fenómeno cuántico que se llama tuneleo resonante", comenta Héctor Uribe, quien añade que el tuneleo resonante es un fenómeno ya estudiado pero que se presenta en estructuras que pueden ser muy complejas y caras de fabricar, tales como las heteroestructuras basadas en múltiples materiales cristalinos que no son compatibles a un proceso de fabricación CMOS pues se desarrollan con crecimiento epitaxial, es decir, por el depósito de distintas capas atómicas en condiciones de ultra-alto vacío pero con elementos atómicos incompatibles con silicio.

Para disminuir la complejidad y costo de estas nanoestructuras, en su proyecto Héctor Uribe propone una forma de depósito que se conoce como ALD (atomic layer deposition), la cual consiste en depositar óxidos metálicos de alta constante eléctrica, pero con distinto ancho de banda prohibido. Una combinación adecuada de estos nanomateriales permite generar pozos cuánticos que a su vez, ayudan a generar el efecto de tuneleo resonante a temperatura ambiente.

Héctor explica la parte teórica de su trabajo y del diseño de la estructura de la siguiente manera: "analizamos obviamente todas las propiedades físicas de los óxidos. En este caso lo más importante para nosotros es la altura de barrera energética entre diferentes materiales o la diferencia de las alturas de barrera, y el offset energético con el óxido de silicio. Utilizamos una capa de óxido de aluminio de dos nanómetros de espesor, una capa de óxido de hafnio de un nanómetro y luego otra capa de óxido de aluminio de 2 nanómetros, lo que genera un pozo cuántico en el óxido de hafnio que nos permite tener una cuantización de estados en sus bandas de conducción y de valencia, que son zonas que permiten el transporte de carga electrónica pero ahora, de una manera cuantizada por medio de transporte en niveles discretos de energía. Hacemos después mediciones eléctricas de estas estructuras y obtenemos el efecto de tuneleo resonante que se ve en una curva corriente-voltaje (I-V) como una zona de resistencia negativa. En este caso nosotros ya hemos visto que tenemos tres zonas de resistencia negativa".

La fabricación de la estructura así como la medición de la misma se realizaron en el INAOE, obteniendo muy buenos resultados. "De hecho obtenemos mejores resultados de los esperados porque no sólo tenemos una zona de resistencia negativa, sino tres. Estos dispositivos son útiles sobre todo en aplicaciones electrónicas de muy alta frecuencia o en el desarrollo de dispositivos electrónicos cuyo transporte de carga se beneficie de una reducción en sus mecanismos de dispersión".