O objetivo deste trabalho é estudar a dinâmica vibracional de dois materiais cristalinos: o germânio (Ge) e o arseneto de gálio (GaAs) por intermédio da técnica de XAFS. Inicialmente, uma breve revisão baseada nas teorias básicas de livro-texto de física é apresentada e seus resultados e simplificações discutidos com base no que se conhece atualmente sobre vibração dos átomos nos sólidos. Em seguida, a técnica de análise empregada neste trabalho, a estrutura fina estendida de absorção de raios X (EXAFS), é apresentada. É feita uma descrição pormenorizada dos parâmetros físicos que podem ser obtidos, bem como das diferenças que fazem do EXAFS uma técnica bastante sui generis. Após isso, dados de EXAFS da borda K do Ge, do gálio (Ga) e do arsênio (As), medidos como função da temperatura, no intervalo de 20-350 K, serão analisados. São obtidos, além de distâncias interatômicas e coeficientes de expansão térmica, fatores de Debye- Waller e os terceiros cumulantes das distribuições de distâncias para cada temperatura. Por meio destes resultados, puderam ser estimados coeficientes de expansão térmica linear e frequência de Einstein medidos por EXAFS. Os resultados obtidos neste trabalho são comparados, tanto qualitativamente quanto quantitativamente, com resultados já bem estabelecidos de outras medidas, por exemplo, difração de raios X (XRD), calorimetria e espalhamento inelástico de nêutrons. Uma maneira coerente de interpretar a frequência de Einstein é proposta com base em medidas de densidade de estados. Além disso, são expostas algumas limitações da técnica e do método de análise. / The main objective of this work is to study the vibrational dynamics of two crystalline materials: germanium (Ge) and gallium arsenide (GaAs) using EXAFS. Initially, a brief review of physic's textbook theories are presented and their results are discussed based on what is currently known about vibrations of crystals. Later, the theory of Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) is presented. It is made a detailed description of the physical parameters that can be obtained as well as the di erences which make EXAFS a quite sui generis technique for solid state analysis. After that, EXAFS measurements of Ge, gallium (Ga) and arsenic (As) K edges carried out as function of temperature, in the range of 20-350 K, are analyzed. Interatomic distances, thermal expansions, Debye-Waller factors and the third cumulants of the distances distributions were obtained for each temperature. Through these results, linear thermal expansion coe cients and Einstein frequencies, as measured by EXAFS, could be estimated. The results obtained in this study were compared qualitatively and quantitatively with well-established results of measurements of other techniques, for example, X-ray di raction (XRD), calorimetry and inelastic neutron scattering. A consistent manner to interpret Einstein frequencies are proposed based on density of states measurements. Besides, some limitations, both of the technique and of the analysis method, are exposed.

O objetivo deste trabalho é estudar a dinâmica vibracional de dois materiais cristalinos: o germânio (Ge) e o arseneto de gálio (GaAs) por intermédio da técnica de XAFS. Inicialmente, uma breve revisão baseada nas teorias básicas de livro-texto de física é apresentada e seus resultados e simplificações discutidos com base no que se conhece atualmente sobre vibração dos átomos nos sólidos. Em seguida, a técnica de análise empregada neste trabalho, a estrutura fina estendida de absorção de raios X (EXAFS), é apresentada. É feita uma descrição pormenorizada dos parâmetros físicos que podem ser obtidos, bem como das diferenças que fazem do EXAFS uma técnica bastante sui generis. Após isso, dados de EXAFS da borda K do Ge, do gálio (Ga) e do arsênio (As), medidos como função da temperatura, no intervalo de 20-350 K, serão analisados. São obtidos, além de distâncias interatômicas e coeficientes de expansão térmica, fatores de Debye- Waller e os terceiros cumulantes das distribuições de distâncias para cada temperatura. Por meio destes resultados, puderam ser estimados coeficientes de expansão térmica linear e frequência de Einstein medidos por EXAFS. Os resultados obtidos neste trabalho são comparados, tanto qualitativamente quanto quantitativamente, com resultados já bem estabelecidos de outras medidas, por exemplo, difração de raios X (XRD), calorimetria e espalhamento inelástico de nêutrons. Uma maneira coerente de interpretar a frequência de Einstein é proposta com base em medidas de densidade de estados. Além disso, são expostas algumas limitações da técnica e do método de análise. / The main objective of this work is to study the vibrational dynamics of two crystalline materials: germanium (Ge) and gallium arsenide (GaAs) using EXAFS. Initially, a brief review of physic's textbook theories are presented and their results are discussed based on what is currently known about vibrations of crystals. Later, the theory of Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) is presented. It is made a detailed description of the physical parameters that can be obtained as well as the di erences which make EXAFS a quite sui generis technique for solid state analysis. After that, EXAFS measurements of Ge, gallium (Ga) and arsenic (As) K edges carried out as function of temperature, in the range of 20-350 K, are analyzed. Interatomic distances, thermal expansions, Debye-Waller factors and the third cumulants of the distances distributions were obtained for each temperature. Through these results, linear thermal expansion coe cients and Einstein frequencies, as measured by EXAFS, could be estimated. The results obtained in this study were compared qualitatively and quantitatively with well-established results of measurements of other techniques, for example, X-ray di raction (XRD), calorimetry and inelastic neutron scattering. A consistent manner to interpret Einstein frequencies are proposed based on density of states measurements. Besides, some limitations, both of the technique and of the analysis method, are exposed.

O objetivo deste trabalho é estudar a dinâmica vibracional de dois materiais cristalinos: o germânio (Ge) e o arseneto de gálio (GaAs) por intermédio da técnica de XAFS. Inicialmente, uma breve revisão baseada nas teorias básicas de livro-texto de física é apresentada e seus resultados e simplificações discutidos com base no que se conhece atualmente sobre vibração dos átomos nos sólidos. Em seguida, a técnica de análise empregada neste trabalho, a estrutura fina estendida de absorção de raios X (EXAFS), é apresentada. É feita uma descrição pormenorizada dos parâmetros físicos que podem ser obtidos, bem como das diferenças que fazem do EXAFS uma técnica bastante sui generis. Após isso, dados de EXAFS da borda K do Ge, do gálio (Ga) e do arsênio (As), medidos como função da temperatura, no intervalo de 20-350 K, serão analisados. São obtidos, além de distâncias interatômicas e coeficientes de expansão térmica, fatores de Debye- Waller e os terceiros cumulantes das distribuições de distâncias para cada temperatura. Por meio destes resultados, puderam ser estimados coeficientes de expansão térmica linear e frequência de Einstein medidos por EXAFS. Os resultados obtidos neste trabalho são comparados, tanto qualitativamente quanto quantitativamente, com resultados já bem estabelecidos de outras medidas, por exemplo, difração de raios X (XRD), calorimetria e espalhamento inelástico de nêutrons. Uma maneira coerente de interpretar a frequência de Einstein é proposta com base em medidas de densidade de estados. Além disso, são expostas algumas limitações da técnica e do método de análise. / The main objective of this work is to study the vibrational dynamics of two crystalline materials: germanium (Ge) and gallium arsenide (GaAs) using EXAFS. Initially, a brief review of physic's textbook theories are presented and their results are discussed based on what is currently known about vibrations of crystals. Later, the theory of Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) is presented. It is made a detailed description of the physical parameters that can be obtained as well as the di erences which make EXAFS a quite sui generis technique for solid state analysis. After that, EXAFS measurements of Ge, gallium (Ga) and arsenic (As) K edges carried out as function of temperature, in the range of 20-350 K, are analyzed. Interatomic distances, thermal expansions, Debye-Waller factors and the third cumulants of the distances distributions were obtained for each temperature. Through these results, linear thermal expansion coe cients and Einstein frequencies, as measured by EXAFS, could be estimated. The results obtained in this study were compared qualitatively and quantitatively with well-established results of measurements of other techniques, for example, X-ray di raction (XRD), calorimetry and inelastic neutron scattering. A consistent manner to interpret Einstein frequencies are proposed based on density of states measurements. Besides, some limitations, both of the technique and of the analysis method, are exposed.

The present work is concerned with the theory of optical and magnetic properties of deeo centers in various III-V semiconductors.

A isolação elétrica de estruturas semicondutoras de InP e GaAs através de bombardeamento com íons foi estudada. Amostras de InP semi-isolante e tipo-p foram implantadas com íons P+ para produzir excesso de átomos de fósforo na ordem de 0,1%. Recozimento em ambiente de argônio no intervalo de temperatura de 400ºC a 600ºC e tempo de 30s foram feitos em sistema de tratamento térmico rápido. Medidas de efeito Hall com temperatura variável (12-300K) foram usadas para a caracterização elétrica. Uma alta concentração de portadores livres negativos foi observada. A existência destes elétrons foi atribuída a criação de anti-sítios PIn com energia acima do mínimo da banda de condução. A dependência da resistência de folha de camadas δ tipo-p de GaAs com a dose irradiada de íons de He+ foi investigada. A dose de limiar (Dth) para isolação elétrica depende da energia dos íons implantados e da concentração inicial da camada condutiva. A estabilidade térmica da isolação aumenta com o aumento da dose de irradiação e depende da razão entre a concentração de armadilhas criadas durante o bombardeamento e a concentração inicial de portadores livres. A isolação observada foi atribuída principalmente a introdução de anti-sítios AsGa e defeitos relacionados. A máxima estabilidade térmica para camadas δ tipo-p em GaAs foi de 550ºC, para doses maiores do que 10Dth. Os resultados deste trabalho podem ser usados para isolação de diferentes dispositivos discretos e integrados de InP e GaAs. / Electrical isolation of InP and GaAs structures by ion bombardment was studied. Semi-insulating and p-type InP were implanted with P+ ions to produce an excess of phosphorous atoms in the order of 0.1 at. %. Subsequent annealing in Ar ambient in the temperature interval 400ºC – 600ºC were performed for 30s in rapid thermal annealing system. Room temperature and variable temperature (12-300 K) Hall-effect measurements have been used for electrical characterization. A large amount of negative free carriers have been observed after the thermal treatments. These electrons are contributed to the creation of PIn anti-site with energy level above the minimum of the conduction band. The dose dependence of sheet resistance of p-type δ-doped GaAs structures irradiated by He+ ions was investigated. It was found that the threshold dose (Dth) for electrical isolation of the structures was determined by the energy of ions and by the concentration of initial doping. The thermal stability of isolation rises as the irradiation dose increases and is dependent on the ratio of trap centers concentration, created during the bombardment, to the initial concentration of free carriers. The isolation was attributed mainly to the introduction of AsGa anti-site related defects. The maximum thermal stability for p-type δ conductive layers in GaAs was of 550 0C for doses higher than 10 Dth. The results of this work can be used for isolation of different InP and GaAs discrete and integrated devices.

The present work is concerned with the theory of optical and magnetic properties of deeo centers in various III-V semiconductors.

The present work is concerned with the theory of optical and magnetic properties of deeo centers in various III-V semiconductors.

A isolação elétrica de estruturas semicondutoras de InP e GaAs através de bombardeamento com íons foi estudada. Amostras de InP semi-isolante e tipo-p foram implantadas com íons P+ para produzir excesso de átomos de fósforo na ordem de 0,1%. Recozimento em ambiente de argônio no intervalo de temperatura de 400ºC a 600ºC e tempo de 30s foram feitos em sistema de tratamento térmico rápido. Medidas de efeito Hall com temperatura variável (12-300K) foram usadas para a caracterização elétrica. Uma alta concentração de portadores livres negativos foi observada. A existência destes elétrons foi atribuída a criação de anti-sítios PIn com energia acima do mínimo da banda de condução. A dependência da resistência de folha de camadas δ tipo-p de GaAs com a dose irradiada de íons de He+ foi investigada. A dose de limiar (Dth) para isolação elétrica depende da energia dos íons implantados e da concentração inicial da camada condutiva. A estabilidade térmica da isolação aumenta com o aumento da dose de irradiação e depende da razão entre a concentração de armadilhas criadas durante o bombardeamento e a concentração inicial de portadores livres. A isolação observada foi atribuída principalmente a introdução de anti-sítios AsGa e defeitos relacionados. A máxima estabilidade térmica para camadas δ tipo-p em GaAs foi de 550ºC, para doses maiores do que 10Dth. Os resultados deste trabalho podem ser usados para isolação de diferentes dispositivos discretos e integrados de InP e GaAs. / Electrical isolation of InP and GaAs structures by ion bombardment was studied. Semi-insulating and p-type InP were implanted with P+ ions to produce an excess of phosphorous atoms in the order of 0.1 at. %. Subsequent annealing in Ar ambient in the temperature interval 400ºC – 600ºC were performed for 30s in rapid thermal annealing system. Room temperature and variable temperature (12-300 K) Hall-effect measurements have been used for electrical characterization. A large amount of negative free carriers have been observed after the thermal treatments. These electrons are contributed to the creation of PIn anti-site with energy level above the minimum of the conduction band. The dose dependence of sheet resistance of p-type δ-doped GaAs structures irradiated by He+ ions was investigated. It was found that the threshold dose (Dth) for electrical isolation of the structures was determined by the energy of ions and by the concentration of initial doping. The thermal stability of isolation rises as the irradiation dose increases and is dependent on the ratio of trap centers concentration, created during the bombardment, to the initial concentration of free carriers. The isolation was attributed mainly to the introduction of AsGa anti-site related defects. The maximum thermal stability for p-type δ conductive layers in GaAs was of 550 0C for doses higher than 10 Dth. The results of this work can be used for isolation of different InP and GaAs discrete and integrated devices.

A isolação elétrica de estruturas semicondutoras de InP e GaAs através de bombardeamento com íons foi estudada. Amostras de InP semi-isolante e tipo-p foram implantadas com íons P+ para produzir excesso de átomos de fósforo na ordem de 0,1%. Recozimento em ambiente de argônio no intervalo de temperatura de 400ºC a 600ºC e tempo de 30s foram feitos em sistema de tratamento térmico rápido. Medidas de efeito Hall com temperatura variável (12-300K) foram usadas para a caracterização elétrica. Uma alta concentração de portadores livres negativos foi observada. A existência destes elétrons foi atribuída a criação de anti-sítios PIn com energia acima do mínimo da banda de condução. A dependência da resistência de folha de camadas δ tipo-p de GaAs com a dose irradiada de íons de He+ foi investigada. A dose de limiar (Dth) para isolação elétrica depende da energia dos íons implantados e da concentração inicial da camada condutiva. A estabilidade térmica da isolação aumenta com o aumento da dose de irradiação e depende da razão entre a concentração de armadilhas criadas durante o bombardeamento e a concentração inicial de portadores livres. A isolação observada foi atribuída principalmente a introdução de anti-sítios AsGa e defeitos relacionados. A máxima estabilidade térmica para camadas δ tipo-p em GaAs foi de 550ºC, para doses maiores do que 10Dth. Os resultados deste trabalho podem ser usados para isolação de diferentes dispositivos discretos e integrados de InP e GaAs. / Electrical isolation of InP and GaAs structures by ion bombardment was studied. Semi-insulating and p-type InP were implanted with P+ ions to produce an excess of phosphorous atoms in the order of 0.1 at. %. Subsequent annealing in Ar ambient in the temperature interval 400ºC – 600ºC were performed for 30s in rapid thermal annealing system. Room temperature and variable temperature (12-300 K) Hall-effect measurements have been used for electrical characterization. A large amount of negative free carriers have been observed after the thermal treatments. These electrons are contributed to the creation of PIn anti-site with energy level above the minimum of the conduction band. The dose dependence of sheet resistance of p-type δ-doped GaAs structures irradiated by He+ ions was investigated. It was found that the threshold dose (Dth) for electrical isolation of the structures was determined by the energy of ions and by the concentration of initial doping. The thermal stability of isolation rises as the irradiation dose increases and is dependent on the ratio of trap centers concentration, created during the bombardment, to the initial concentration of free carriers. The isolation was attributed mainly to the introduction of AsGa anti-site related defects. The maximum thermal stability for p-type δ conductive layers in GaAs was of 550 0C for doses higher than 10 Dth. The results of this work can be used for isolation of different InP and GaAs discrete and integrated devices.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3924.pdf: 7419866 bytes, checksum: f261961e660d143baa3b2de0edca2b9f (MD5) Previous issue date: 2011-10-14 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work, we have investigated Ga1-xMnxAs/GaAs/AlAs quantum wells (QWs) with low Mn concentration (x < 0.1%) grown by Molecular Beam Epitaxy at substrate temperatures of 400 and 450°C. We have investigated the time-resolved and polarized resolved photoluminescence as a function of laser power excitation, temperature and magnetic field for samples of 4nm and 6nm QW width. The emission spectra of the 4nm QW show two emission bands. The lower band energy presented a distinct behavior with a relatively long decay-time that may be associated to a spatial- and momentum-indirect recombination involving an electron from the AlAs layer and a hole at the GaMnAs QW. The higher energy band was associated to the direct transition in the GaMnAs QW. On the other hand, a wider, is also observed at high Mn concentration for the both QW widths. This band is due to donor-bound exciton emission from shallow donors, Mn interstitial, in the QWs. Our results show that circular polarization degree is very sensitive to the Mn concentration and QW width. In addition, we have also investigated the transport and optical properties of p-i-n AlAs/GaAs/AlAs double barrier resonant tunneling diodes (RTD) with a Ga0,95Mn0,05As top-layer contact and an InGaAs QW in the n-doped GaAs contact side. A reference sample with similar design, except that the magnetic layer was replaced by a C-doped GaAs was also investigated. The spin polarization in this samples was investigated by measuring the I(V) characteristic curves and circular-polarized electroluminescence (EL) and photoluminescence (PL) spectra as a function of the applied voltage and a magnetic field parallel to the tunneling current. We have observed clear evidence of hole resonances in the I(V) characteristic curves for both samples at 2K. The EL and PL intensities from both the GaAs and InGaAs QWs show a clear correlation with the resonances in the I(V) characteristics curves for both samples. The circular polarization degree from the GaAs and the InGaAs QWs attain large values and are more sensitive to the bias voltage in the Mn-doped sample. We have observed a polarization degree up to ~-80% for the GaAs QW emission from the magnetic RTD under 15T and 2K. Under light excitation, holes are photocreated in the non-magnetic side and injected along the structure, which strongly affects the degree of circular polarization of the carriers. / Neste trabalho, realizamos um estudo sistemático em poços quânticos de Ga1- xMnxAs/GaAs/AlAs (QWs) com baixa concentração de manganês (x < 0,1%) crescidos por epitaxia de feixe molecular em altas temperaturas de crescimento do substrato 400 e 450°C. Estudamos as medidas de fotoluminescência resolvida no tempo e fotoluminescência resolvida em polarização em função da potência de excitação do laser, da temperatura e do campo magnético em poços quânticos com larguras de 4nm e 6nm e com diferentes concentrações de Mn. Os espectros de emissão dos poços quânticos de 4nm apresentaram duas bandas de emissão. A banda de emissão de menor energia apresentou um tempo de decaimento relativamente longo que foi associado à recombinação indireta envolvendo elétrons confinados na banda X no AlAs com buracos confinados na banda &#61511; no Ga1-xMnxAs enquanto que a banda de maior energia foi atribuída à transição direta no poço quântico de Ga1-xMnxAs. Por outro lado, para concentrações elevadas de Mn observamos a presença de uma nova banda de emissão mais larga para todos os poços quânticos. Esta banda foi associada à emissão de éxcitons ligados a doadores devido à presença de Mn intersticial no poço quântico. Nossos resultados mostram que o grau de polarização circular é bastante sensível à concentração do manganês e à largura do poço quântico. Paralelamente, investigamos as propriedades de transporte e óticas de diodos de tunelamento ressonante de dupla barreira (DTR) do tipo p-i-n AlAs/GaAs/AlAs com contato superior tipo-n constituído por uma camada magnética de Ga0,95Mn0,05As e um poço quântico de InGaAs entre o contato inferior tipo-n e poço quântico de GaAs. Estudamos também uma amostra referência crescida de modo similar sendo que a camada magnética foi substituída por uma camada de GaAs dopado com carbono. A polarização de spin nestas amostras foi investigada medindo as curvas características I(V), os espectros de eletroluminescência (EL) e fotoluminescência (PL) resolvida em polarização em função da voltagem aplicada e campo magnético aplicado paralelamente à corrente de tunelamento. Observamos nas curvas características I(V) de ambas as amostras evidências de picos ressonantes de buracos. As intensidades de EL e PL dos poços quânticos de GaAs e de InGaAs para ambas as amostras mostram uma clara correlação com as ressonâncias da curva característica I(V). Nossos resultados mostram que o grau de polarização dos poços quânticos de GaAs e InGaAs nas amostras contendo GaMnAs atinge valores superiores e são mais sensíveis à voltagem do que a amostra referência. Em particular, observamos um grau da polarização de até ~-80% para a emissão do poço quântico de GaAs no caso do DTR magnético em 15T e 2K. Na presença de luz, buracos fotocriados na região do contato não magnético são injetados ao longo da estrutura reduzindo consideravelmente o grau de polarização dos portadores no poço quântico.