Submitted by Ziani DE SOUZA SCHIABER (zianisouza@yahoo.com.br) on 2016-05-02T20:43:07Z No. of bitstreams: 1 Tese_Final_Ziani_Schiaber.pdf: 4224142 bytes, checksum: 63114f480403729da0d811c82872c3cc (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-05-04T19:24:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 schiaber_zs_dr_bauru.pdf: 4224142 bytes, checksum: 63114f480403729da0d811c82872c3cc (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-04T19:24:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 schiaber_zs_dr_bauru.pdf: 4224142 bytes, checksum: 63114f480403729da0d811c82872c3cc (MD5) Previous issue date: 2016-04-19 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Nanosestruturas de GaN destacam-se devido à baixa densidade de defeitos e consequentemente alta qualidade estrutural e óptica quando comparadas ao material em forma de filme. O entendimento dos mecanismos de formação de nanofios e nanocolunas de GaN por diferentes técnicas é fundamental do ponto de vista da ciência básica e também para o aprimoramento da fabricação de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos baseados nesse material. Neste trabalho discorre-se sobre a preparação e caracterização de nanofios e nanoestruturas de GaN pelas técnicas de epitaxia por magnetron sputtering e epitaxia por feixe molecular em diferentes tipos de substratos. Pela técnica de epitaxia por magnetron sputtering foram obtidos nanocristais e nanocolunas de GaN, além de uma região com camada compacta. Visando criar uma atmosfera propícia para o crescimento de nanoestruturas de GaN não coalescida, atmosfera de N2 puro e um anteparo, situado entre o alvo e o porta-substratos, foram utilizados. O anteparo causou diferença no fluxo incidente de gálio no substrato, ocasionando a formação de diferentes tipos de estruturas. A caracterização das amostras se deu principalmente através de medidas de microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X e espectroscopia de fotoluminescência. As nanocolunas, de 220 nm de altura, foram formadas na região distante 2 mm do centro da sombra geométrica do orifício do anteparo e apresentaram orientação [001] perpendicular ao substrato, comumente encontrada em nanofios de GaN depositados por MBE. Em relação aos nanofios obtidos pela técnica de MBE, investigou-se a possibilidade de controlar a densidade de nanofios através de uma camada de Si sobre o GaN–Ga polar visando inibir a coalescência. Diferentes quantidades de Si foram depositadas e a densidade dos nanofios foi diferenciada significativamente. Os nanofios apresentaram densidade média de 108 nanofios/cm2 com 0,60 nm de espessura da camada de Si. Espessuras menores não resultaram no crescimento de nanofios, porém espessuras superiores causaram uma alta densidade de nanofios de 1010 nanofios/cm2 que permaneceu constante, independentemente do tempo de deposição. Medidas de polo por difração de raios X evidenciaram que os nanofios nuclearam-se orientados e em uma camada cristalina de Si ou SixNy. Experimentos de ataque químico com KOH indicaram a polaridade N para o nanofio e as medidas de difração por feixe convergente confirmaram a polaridade de N para o nanofio e Ga para a buffer layer. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram um melhor entendimento da nucleação e dos mecanismos de formação de nanoestruturas de GaN, viabilizando maior controle das características dessas nanoestruturas produzidas. / GaN nanowires and nanocolumns stand out due to the low defect density and high structural and optical quality compared to the corresponding thin films. The understanding of the formation mechanism of the different GaN structures using different techniques is critical to improving the manufacture of the electronic and optoelectronic devices based on this material. This thesis focuses on the preparation and characterization of GaN nanowires and nanostructures. The molecular bem epitaxy (MBE) and magnetron sputtering epitaxy (MSE) were used and different substrates were tested. Concerning GaN nanocrystals and nanocolumns obtained by MSE, optimization of the deposition conditions was necessary in order to produce non-coalesced GaN nanostructures. The best conditions were: pure N2 atmosphere, silicon substrate, and a perforated screen placed between the target and the substrate holder. The later produced differences on the Ga flow to the substrate, inducing the formation of different structures, depending on the position of growth spot. Samples were characterized using scanning electron microscopy, X-ray diffraction and photoluminescence spectroscopy. Nanocolumns were observed, mainly in sites corresponding to a disc of radius 2 mm from the geometric centre of the hole. The columns were oriented with the GaN [001] axis perpendicular to the Si (111) substrate surface, situation which is commonly found in GaN nanowires deposited by MBE. Regarding the nanowires prepared by MBE technique, in order to inhibit coalescence and to investigate the possibility of controlling the numerical density of nanowires, we have used Si cap layers on top of the Ga-polar GaN buffer layer. Different amounts of Si have been deposited, and the density of the nanowires was significantly modified. With Si layer thickness of 0.60 nm, the nanowires had an average density of 108 nanowires/cm2 . Lower thickness did not result in the growth of nanowires, but higher thickness caused a high density of nanowires of 1010 nanowires/cm2 which remained constant regardless of the deposition time. X-ray diffraction pole figures showed that the different nanowires grown up in oriented fashion in a crystalline layer of Si or SixNy. Etching with KOH indicated N polarity for the grown nanowires, in spite of the fact that they were grown using Ga polar GaN buffer layers. Measurements by convergent beam electron diffraction confirmed the N polarity to the nanowire and Ga polarity for the buffer layer. Aspects obtained in this study allowed a better understanding of nucleation and nanostructures formation mechanisms of GaN, enabling greater control of the characteristics of these nanostructures produced. / FAPESP: 2011/22664-2 / FAPESP: 2013/25625-3

Os fotodetectores infravermelhos baseados em pontos quânticos (Quantum-dot Infrared Photodetectors, QDIPs) surgiram recentemente como uma nova tecnologia para a detecção de radiação infravermelha. Comparados com fotodetectores mais convencionais baseados em poços quânticos (Quantum-well Infrared Photodetectors, QWIPs), as suas vantagens se originam no confinamento tridimensional de portadores e incluem a sensibilidade intrínseca à incidência normal de luz, um maior tempo de vida dos portadores fotoexcitados e uma baixa corrente de escuro, que devem permitir o funcionamento dos dispositivos acima das temperaturas criogênicas. No presente trabalho, a técnica de epitaxia por feixe molecular (Molecular-Beam Epitaxy - MBE) foi usada para crescer várias amostras de QDIPs de InAs/GaAs com o objetivo de estudar a inuência dos parâmetros estruturais destes dispositivos. Após o crescimento, as amostras foram processadas em pequenas mesas quadradas por técnicas de litografia convencional e, então, caracterizadas. As propriedades ópticas e eletrônicas dos dispositivos foram verificadas para temperaturas a partir de 10 K. Com o objetivo de realizar medidas eletrônicas de alta qualidade, janelas de Ge e cabos com conectores de baixo ruído para baixa temperatura foram empregados. As curvas de corrente de escuro, as curvas de responsividade com corpo negro (fotocorrente), as medições do ruído com uma analisador de sinais e as respostas espectrais por FTIR (Fourier Transform Infrared) forneceram um conjunto completo de informações sobre os dispositivos. As figuras de mérito dos nossos melhores dispositivos permitiram também, determinar a probabilidade de captura e o ganho fotocondutivo. Com o intuito de compreender a relação entre as dimensões físicas dos pontos quânticos e as características de funcionamento dos QDIPs, desenvolveu-se um cálculo dos estados eletrônicos de da função de onda de um elétron confinado em um ponto quântico de InxGa1-xAs em formato de lente, envolvido em uma matriz de GaAs, com massas efetivas dependentes da posição. Esse modelo leva em conta o efeito da tensão assim como o gradiente de In dentro do ponto quântico, resultante do forte efeito de segregação presente em um sistema de InxGa1-xAs/GaAs. Diferentes perfis de segregação foram testados com o nosso modelo teórico com vista a proporcionar o melhor ajuste os nossos dados experimentais. / Quantum-dot Infrared Photodetectors (QDIPs) recently emerged as a new technology for detecting infrared radiation. Compared to more conventional photodetectors based on quantum wells (QWIPs), their advantages originate from the three-dimensional confinement of carriers and include an intrinsic sensitivity to normal incidence of light, a longer lifetime of the photoexcited carriers and a lower dark current which should hopefully allow their operation close to room temperature. In the present work, molecular-beam epitaxy (MBE) was used to grow several InAs/GaAs QDIP samples in order to analyse the influence the structural properties of such devices. After the growth, the samples were processed into small squared mesas by conventional lithography techniques and fully characterized. The optical and electrical properties of the devices were checked as a function of temperature using Ge optical windows and all the connectors and low-temperature/low-noise cables needed to perform high quality low-level electrical measurements. Dark-current curves, Responsivity (photocurrent) data with a black body, noise measurements with a signal analyzer and spectral responses by FTIR provided a full set of information about the devices. The figures of merit of our best devices allowed us also to determine the capture probability and the photoconductive gain. In order to understand the relationship between the physical dimensions of the quantum dots and the operating characteristics of the QDIPs, we developed a position-dependent effective-mass calculation of the bound energy levels and wave function of the electrons confined in lensshaped InxGa1-xAs quantum dots embedded in GaAs, taking into account the strain as well as the In gradient inside the quantum dots which is due to the strong In segregation and intermixing present in the InxGa1-xAs/GaAs system. Different In profiles inside the quantum dots were tested with our new theoretical model in order to provide the best _t to our experimental data.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:35:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2893346 bytes, checksum: 9ae656930afe35b3a72cddee0c2cc87c (MD5) Previous issue date: 2009-05-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The epitaxial growth technique by molecular beams (Molecular Beam Epitaxy – MBE) can be considered as one of the most important for obtaining thin fine films, heterostructures and nanostructures nowadays, allowing the production of high quality layers, and it also allows the in situ monitoring of process through several techniques of characterization. This work presents the project, the construction and the initial tests of a MBE system for the growing of compounds containing cadmium, tellurium, manganese and zinc. The work shows a bibliographic revision of the main types of epitaxy, some of the main techniques of growth, the basic principles of vacuum technology and the necessary tools to the construction of the system. The detailed project of the system and its main components represented. Finally, the functioning tests of the vacuum systems, the effusion cells, the system of controlling and automation and the results obtained with the first obtained samples represented. The total cost of the system in the current configuration is approximately R$150.000 which is about as less as one fourth of one commercial system with approximately the same characteristics. / A técnica de crescimento epitaxial por feixes moleculares (Molecular Beam Epitaxy – MBE) pode ser considerada como uma das mais importantes para a obtenção de filmes finos, heteroestruturas e nanoestruturas nos dias atuais, permitindo a obtenção de filmes de excelente qualidade, além de permitir o acompanhamento do crescimento in situ através de diversas técnicas de caracterização. Este trabalho aborda o projeto, a construção e os testes iniciais de um sistema de MBE para o crescimento de compostos contendo Cádmio, Telúrio, Manganês e Zinco. O trabalho apresenta uma revisão bibliográfica dos principais tipos de epitaxia, algumas das principais técnicas de crescimento, princípios básicos da tecnologia de vácuo e os instrumentos necessários à construção do sistema. É apresentado o projeto detalhado do sistema e seus principais componentes. Finalmente, descrevem-se os testes de funcionamento do sistema de vácuo, das células de efusão, o sistema de controle e automatização e os resultados obtidos com as primeiras amostras obtidas. O custo total do sistema na configuração atual é de aproximadamente R$ 150.000, cerca de 4 vezes menor que o de um sistema comercial com aproximadamente as mesmas características.

Orientadores: Marco Antonio Robert Alves, Gilberto Medeiros Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T09:04:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fiorentini_GiovanniAlessandro_M.pdf: 8940577 bytes, checksum: aa3711a9b5e0821a30c942ef0760c8f7 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O crescimento epitaxial de nanoestruturas semicondutoras e metálicas é algo de grande interesse atualmente em ciência e tecnologia devido às propriedades singulares apresentadas pela matéria na escala nanométrica. Esta dissertação teve como objetivo principal a construção de um sistema de crescimento epitaxial baseado na técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE, do inglês Molecular Beam Epitaxy). Inicialmente, aspectos básicos sobre a física e a tecnologia envolvidas em um sistema de MBE foram analisados. O que é MBE e quais são os princípios que governam seu funcionamento são perguntas intrigantes a um aluno do curso de engenharia elétrica. No decorrer do trabalho, todo o complexo sistema vácuo (bombeamento e monitoramento) teve de ser cuidadosamente montado e ajustado até que se obtivesse as condições ótimas de trabalho dados os componentes disponíveis bem como suas características e limitações. Conceitos teóricos e práticos foram aplicados de forma a tornar o sistema o mais simples, eficiente e amigável possível. As evaporadoras por feixe de elétrons foram montadas, testadas e ajustadas até que se pudesse alcançar os parâmetros de funcionamento desejados para estes dispositivos tão importantes dentro de um sistema de MBE. Toda a instrumentação envolvida no acionamento e no monitoramento destas fontes foi desenvolvido com base em conceitos simples de eletrônica analógica e, em alguns momentos, digital, além de soluções de software, sempre usando LabView. Os resultados do trabalho de construção do sistema puderam ser caracterizados posteriormente de maneira a aferir a confiabilidade dos parâmetros utilizados e das amostras crescidas. Estes resultados foram baseados em técnicas de microscopia de varredura por pontas (SPM, do inglês Scanning Probe Microscopy), as quais forneceram informações detalhadas sobre as nanoestruturas formadas e as superfícies dos substratos, dados estes muito importantes e que podem ser utilizados como indicadores das codições de funcionamento do sistema de crescimento / Abstract: The epitaxial growth of semiconductor and metallic nanostructures is a target of great interest nowadays in science and technology due to the unique properties presented by the matter at the nanometer scale. This dissertation had as the main goal the construction of a system for epitaxial growth based on the Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique. First of all, basic aspects about the physics and the technology involved in a MBE system were analyzed. What is MBE and what are the principles that govern its operation are intriguing questions for an electrical engineering student. During this work, the entire complex vacuum system (pumping and monitoring) had to be carefully mounted and adjusted until the optimum conditions were obtained for the available components as well as their characteristics and limitations. Theoretical and practical concepts were applied so that the system become as simple, efficient and friendly as possible. The electron beam evaporation sources were mounted, tested and adjusted until the desired working parameters for these important devices were achieved. The whole instrumentation involved in the driving and in the monitoring of these sources was developed based on simple concepts of analog and, in some cases, digital electronics, besides software solutions, always using LabView. The performance of the system was evaluated by structural characterization using scanning probe microscopy techniques (SPM), which gave detailed information about the formed nanostructures and the substrates surfaces. These data can be used as indicators of the growth system operation conditions / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Durante as últimas três décadas, a epitaxia por feixe molecular se estabeleceu como uma técnica excelente para o crescimento de camadas semicondutoras de alta qualidade, tanto para a construção de dispositivos quanto para a pesquisa básica. No entanto ainda não existe um método universalmente aceito para obter-se camadas dopadas do tipo p nesta técnica de crescimento. Neste trabalho, estudamos, otimizamos e comparamos três diferentes métodos para a dopagem de camadas de GaAs do tipo p. Dois desses métodos exploraram o caráter anfotérico do silício em substratos de GaAs(311)A (através da mudança das condições de crescimento) e GaAs(100) (aplicando uma nova técnica chamada epitaxia assistida por gotas (droplets) de gálio). O terceiro método foi baseado no uso do carbono, cujas propriedades como dopante do tipo p são bem conhecidas em outras técnicas de crescimento epitaxial, mas pouco estudadas na epitaxia por feixe molecular. Para verificar a qualidade das camadas dopadas obtidas, crescemos estruturas como poços quânticos parabólicos com alta mobilidade de buracos e dispositivos optoeletrônicos como diodos emissores de luz e laseres. / During the last three decades, molecular-beam epitaxy has emerged as an excellent technique for the growth of high-quality semiconductor layers both for device construction and for basic research. In spite of this fact, there is still a lack of a universally accepted method to obtain p-type doped layers by this growth technique. In this work, we studied, optimized and compared three different methods to get p-type GaAs layers. Two of these methods exploited the amphoteric behavior of silicon atoms both on GaAs(311)A (by changing the growth conditions) and on GaAs(100) (by employing a new growth mode called droplet-assisted epitaxy) substrates. The third method was based on the use of carbon, whose properties as a p-type dopant in GaAs layers are well known in other epitaxial techniques but scarcely investigated in molecular-beam epitaxy. In order to check the quality of the doped layers, we grew structures like high hole-mobility parabolic quantum wells and optoelectronic devices like light-emitting diodes and lasers.

Durante as últimas três décadas, a epitaxia por feixe molecular se estabeleceu como uma técnica excelente para o crescimento de camadas semicondutoras de alta qualidade, tanto para a construção de dispositivos quanto para a pesquisa básica. No entanto ainda não existe um método universalmente aceito para obter-se camadas dopadas do tipo p nesta técnica de crescimento. Neste trabalho, estudamos, otimizamos e comparamos três diferentes métodos para a dopagem de camadas de GaAs do tipo p. Dois desses métodos exploraram o caráter anfotérico do silício em substratos de GaAs(311)A (através da mudança das condições de crescimento) e GaAs(100) (aplicando uma nova técnica chamada epitaxia assistida por gotas (droplets) de gálio). O terceiro método foi baseado no uso do carbono, cujas propriedades como dopante do tipo p são bem conhecidas em outras técnicas de crescimento epitaxial, mas pouco estudadas na epitaxia por feixe molecular. Para verificar a qualidade das camadas dopadas obtidas, crescemos estruturas como poços quânticos parabólicos com alta mobilidade de buracos e dispositivos optoeletrônicos como diodos emissores de luz e laseres. / During the last three decades, molecular-beam epitaxy has emerged as an excellent technique for the growth of high-quality semiconductor layers both for device construction and for basic research. In spite of this fact, there is still a lack of a universally accepted method to obtain p-type doped layers by this growth technique. In this work, we studied, optimized and compared three different methods to get p-type GaAs layers. Two of these methods exploited the amphoteric behavior of silicon atoms both on GaAs(311)A (by changing the growth conditions) and on GaAs(100) (by employing a new growth mode called droplet-assisted epitaxy) substrates. The third method was based on the use of carbon, whose properties as a p-type dopant in GaAs layers are well known in other epitaxial techniques but scarcely investigated in molecular-beam epitaxy. In order to check the quality of the doped layers, we grew structures like high hole-mobility parabolic quantum wells and optoelectronic devices like light-emitting diodes and lasers.