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Neste trabalho foram processados e caracterizados dispositivos emissores de luz (LED’s) baseados em estruturas p-i-n a partir de filmes de GaAs dopados unicamente com Silício e crescidos através da técnica de Epitaxia de Feixes Moleculares sobre substratos de GaAs orientados nas superfícies (311)A e (211)A. Nas superfícies (311)A e (211)A, o Si tem comportamento anfótero, ou seja, pode ocupar tanto o sítio do Ga como o do As, o que resulta em filmes com portadores tipo n e p, respectivamente. As características elétricas dos filmes dependem das seguintes condições de crescimento: i) razão entre os fluxos de Ga e As; e ii) temperatura do substrato. As técnicas de caracterização utilizadas foram fundamentalmente: Fotoluminescência, IxV (corrente-tensão) e Efeito Hall. Os dispositivos p-i-n foram processados a partir de técnicas convencionais de fotolitografia e caracterizados a partir das técnicas de IxV e Eletrolumi-nescência. Os dispositivos estudados foram produzidos a partir de camadas de GaAs e AlGaAs crescidas nas direções [311]A e [211]A. Os dispositivos obtidos a partir de filmes dopados de GaAs apresentaram uma boa eficiência de emissão, porém foram observadas perdas ôhmicas ocasionadas pela natureza da junção obtida nestes planos, ocasionada por defeitos, principalmente nos filmes dopados tipo n que são crescidos em condições extremas de temperatura e pressão de Arsênio. Os dispositivos a base de AlGaAs apresentaram baixa eficiência e altas perdas, relacionadas com a alta compensação apresentada pelos filmes. Foram testados também dispositivos com heteroestruturas na camada intrínseca, apresentando resultados satisfatórios.

Neste trabalho foram processados e caracterizados dispositivos emissores de luz (LED’s) baseados em estruturas p-i-n a partir de filmes de GaAs dopados unicamente com Silício e crescidos através da técnica de Epitaxia de Feixes Moleculares sobre substratos de GaAs orientados nas superfícies (311)A e (211)A. Nas superfícies (311)A e (211)A, o Si tem comportamento anfótero, ou seja, pode ocupar tanto o sítio do Ga como o do As, o que resulta em filmes com portadores tipo n e p, respectivamente. As características elétricas dos filmes dependem das seguintes condições de crescimento: i) razão entre os fluxos de Ga e As; e ii) temperatura do substrato. As técnicas de caracterização utilizadas foram fundamentalmente: Fotoluminescência, IxV (corrente-tensão) e Efeito Hall. Os dispositivos p-i-n foram processados a partir de técnicas convencionais de fotolitografia e caracterizados a partir das técnicas de IxV e Eletrolumi-nescência. Os dispositivos estudados foram produzidos a partir de camadas de GaAs e AlGaAs crescidas nas direções [311]A e [211]A. Os dispositivos obtidos a partir de filmes dopados de GaAs apresentaram uma boa eficiência de emissão, porém foram observadas perdas ôhmicas ocasionadas pela natureza da junção obtida nestes planos, ocasionada por defeitos, principalmente nos filmes dopados tipo n que são crescidos em condições extremas de temperatura e pressão de Arsênio. Os dispositivos a base de AlGaAs apresentaram baixa eficiência e altas perdas, relacionadas com a alta compensação apresentada pelos filmes. Foram testados também dispositivos com heteroestruturas na camada intrínseca, apresentando resultados satisfatórios.

Dispositivos fotovoltaicos híbridos baseados em polímeros conjugados e semicondutores inorgânicos estão sendo utilizados nos últimos anos para a produção de células de energia solar com baixo custo. Para que haja uma alta eficiência é necessária dissociação eficiente de éxcitons, por isso é importante conhecer os níveis de energias dos componentes do dispositivo fotovoltaico. O presente estudos mostra que o sistema híbrido formado por nanofios cilíndricos preparados com heteroestrutura radial de camadas alternadas de GaAs/AlGaAs/GaAs recobertas com polímero conjugado poli-fenileno vinileno (PPV) forma uma opção alternativa para a fabricação de dispositivos fotovoltaicos. Os nanofios foram fabricados por Epitaxia por Feixe Molecular (MBE). Tanto potencial interno radial e modulação energética axial produzem a separação eficiente de elétrons e buracos fotoexcitados, que gera emissões de natureza e origem distintas e singulares nos nanofios: emissões envolvendo a impurezas aceitadoras no centro do núcleo de GaAs, bem como éxcitons indiretos presos a interface WZ e BZ e a interface da barreira estreita de AlGaAs na casca do nanofio. Medidas do decaimento temporal da emissão mostram uma forte dependência tempo de vida com o comprimento de onda, o que está associado com o afunilamento e distribuição energética destes estados emissivos. Medidas da emissão com a temperatura dão forte evidencia experimental de que a energia de ligação das impurezas tem uma forte dependência na direção radial. Este sistema híbrido funciona como coletor eficaz de luz tanto no visível quanto no infravermelho próximo. O trabalho demonstra também por espectroscopia resolvida no tempo que éxcitons são dissociados nas interfaces formadas por filmes ultrafinos de polímeros conjugados e nanofios e que esse material à base de arseneto de gálio (GaAs) atua como um forte receptor e separador de elétrons (alta afinidade eletrônica). / Hybrid photovoltaic devices based on conjugated polymers and inorganic semiconductors are being used in recent years to the production of solar cells at low cost. So there is a high efficiency is required efficient exciton dissociation, so it´s important to know the levels of energy of the components of the photovoltaic device. The present studies show that the hybrid system formed by cylindrical radial heterostructure nanowires prepared from alternating layers of GaAs / AlGaAs / GaAs covered with the conjugated polymer poly-phenylene vinylene (PPV) forms an alternative option for the manufacture of photovoltaic devices. Nanowires were manufactured by Molecular Beam Epitaxy (MBE). Both radial and axial inner potential energy modulation produce the efficient separation of electrons and photoexcited holes, which generates distinct and unique nature and source emissions in nanowires: emissions involving the acceptor impurities in the center core of GaAs and indirect excitons attached to the interface WZ and BZ and narrow barrier interface of AlGaAs on the shell of the nanowire. Measures the time decay of the issue show a strong dependence lifetime with the wavelength, which is associated with the bottleneck and energy distribution of emissive states. Emission measurements with temperature provide strong experimental evidence that the impurity binding energy has a strong dependence on the radial direction. This hybrid system works as an efficient collector of light both in the visible and near infrared. The work also shows for time resolved spectroscopy that excitons are dissociated at the interfaces formed by ultrathin conjugated polymers and films and nanowires that this material based on gallium arsenide (GaAs) acts as a strong receiver and electrons separator (high electron affinity ).

Milimetrinių bangų sritis yra perspektyvi daugelyje sričių, nuo kasdienio vartojimo įtaisų tokių, kaip telekomunikacijų tinklų įranga iki specifinių taikymų kariuomenėje, bei diagnostinėje medicinoje. Milimetrinių bangų imtuvuose dažniausiai naudojamas netiesinis elementas yra Šotkio (Schottky) diodas. Nors jo veikimo dažnių ruožas yra iki terahercų srities, tokie trūkumai kaip jautrio priklausomybė nuo temperatūros, neatsparumas elektrinėms perkrovoms, bei jo parametrų blogėjimas laikui bėgant verčia ieškoti naujų alternatyvų. Disertacijoje pristatomi dviejų tipų mikrobangų diodai, pagaminti naudojant įvairiatarpius GaAs/AlGaAs darinius. Puslaidininkinių darinių sluoksnių kokybė buvo eksperimentiškai įvertinta naudojant nuostoviosios fotoliuminescencijos ir laike koreliuoto fotonų skaičiavimo metodus. Aprašytas mikrobangų diodų gamybos procesas. Elektrinės savybės buvo įvertintos išmatavus mikrobangų diodų voltamperines charakteristikas, o detekcinės jų savybės ištirtos plačiame dažnių ruože. / Spectrum region of millimeter wave is extensively used in various areas: from consumer devices in telecommunication networks, to specific applications in military and diagnostic medicine. Schottky diode is the most commonly used two terminal device in microwave receivers. Although the operational frequency of Schottky diode is reaching the terahertz frequency range it has several drawbacks such as sensitivity dependence on temperature, long-term instability and sensitivity to overloads. These drawbacks impelled one to search new type of devices. Two types of microwave diodes fabricated using GaAs/AlGaAs heterostructures are presented in the thesis. The quality of semiconductor epitaxial layers was experimentally estimated using photoluminescence and time correlated single photon counting techniques. The process of microwave diode fabrication is described. Electrical properties of microwave diodes were estimated from current-voltage characteristics and properties of microwaves detection were investigated in wide frequency range.

Spectrum region of millimeter wave is extensively used in various areas: from consumer devices in telecommunication networks, to specific applications in military and diagnostic medicine. Schottky diode is the most commonly used two terminal device in microwave receivers. Although the operational frequency of Schottky diode is reaching the terahertz frequency range it has several drawbacks such as sensitivity dependence on temperature, long-term instability and sensitivity to overloads. These drawbacks impelled one to search new type of devices. Two types of microwave diodes fabricated using GaAs/AlGaAs heterostructures are presented in the thesis. The quality of semiconductor epitaxial layers was experimentally estimated using photoluminescence and time correlated single photon counting techniques. The process of microwave diode fabrication is described. Electrical properties of microwave diodes were estimated from current-voltage characteristics and properties of microwaves detection were investigated in wide frequency range. / Milimetrinių bangų sritis yra perspektyvi daugelyje sričių, nuo kasdienio vartojimo įtaisų tokių, kaip telekomunikacijų tinklų įranga iki specifinių taikymų kariuomenėje, bei diagnostinėje medicinoje. Milimetrinių bangų imtuvuose dažniausiai naudojamas netiesinis elementas yra Šotkio (Schottky) diodas. Nors jo veikimo dažnių ruožas yra iki terahercų srities, tokie trūkumai kaip jautrio priklausomybė nuo temperatūros, neatsparumas elektrinėms perkrovoms, bei jo parametrų blogėjimas laikui bėgant verčia ieškoti naujų alternatyvų. Disertacijoje pristatomi dviejų tipų mikrobangų diodai, pagaminti naudojant įvairiatarpius GaAs/AlGaAs darinius. Puslaidininkinių darinių sluoksnių kokybė buvo eksperimentiškai įvertinta naudojant nuostoviosios fotoliuminescencijos ir laike koreliuoto fotonų skaičiavimo metodus. Aprašytas mikrobangų diodų gamybos procesas. Elektrinės savybės buvo įvertintos išmatavus mikrobangų diodų voltamperines charakteristikas, o detekcinės jų savybės ištirtos plačiame dažnių ruože.

Dispositivos fotovoltaicos híbridos baseados em polímeros conjugados e semicondutores inorgânicos estão sendo utilizados nos últimos anos para a produção de células de energia solar com baixo custo. Para que haja uma alta eficiência é necessária dissociação eficiente de éxcitons, por isso é importante conhecer os níveis de energias dos componentes do dispositivo fotovoltaico. O presente estudos mostra que o sistema híbrido formado por nanofios cilíndricos preparados com heteroestrutura radial de camadas alternadas de GaAs/AlGaAs/GaAs recobertas com polímero conjugado poli-fenileno vinileno (PPV) forma uma opção alternativa para a fabricação de dispositivos fotovoltaicos. Os nanofios foram fabricados por Epitaxia por Feixe Molecular (MBE). Tanto potencial interno radial e modulação energética axial produzem a separação eficiente de elétrons e buracos fotoexcitados, que gera emissões de natureza e origem distintas e singulares nos nanofios: emissões envolvendo a impurezas aceitadoras no centro do núcleo de GaAs, bem como éxcitons indiretos presos a interface WZ e BZ e a interface da barreira estreita de AlGaAs na casca do nanofio. Medidas do decaimento temporal da emissão mostram uma forte dependência tempo de vida com o comprimento de onda, o que está associado com o afunilamento e distribuição energética destes estados emissivos. Medidas da emissão com a temperatura dão forte evidencia experimental de que a energia de ligação das impurezas tem uma forte dependência na direção radial. Este sistema híbrido funciona como coletor eficaz de luz tanto no visível quanto no infravermelho próximo. O trabalho demonstra também por espectroscopia resolvida no tempo que éxcitons são dissociados nas interfaces formadas por filmes ultrafinos de polímeros conjugados e nanofios e que esse material à base de arseneto de gálio (GaAs) atua como um forte receptor e separador de elétrons (alta afinidade eletrônica). / Hybrid photovoltaic devices based on conjugated polymers and inorganic semiconductors are being used in recent years to the production of solar cells at low cost. So there is a high efficiency is required efficient exciton dissociation, so it´s important to know the levels of energy of the components of the photovoltaic device. The present studies show that the hybrid system formed by cylindrical radial heterostructure nanowires prepared from alternating layers of GaAs / AlGaAs / GaAs covered with the conjugated polymer poly-phenylene vinylene (PPV) forms an alternative option for the manufacture of photovoltaic devices. Nanowires were manufactured by Molecular Beam Epitaxy (MBE). Both radial and axial inner potential energy modulation produce the efficient separation of electrons and photoexcited holes, which generates distinct and unique nature and source emissions in nanowires: emissions involving the acceptor impurities in the center core of GaAs and indirect excitons attached to the interface WZ and BZ and narrow barrier interface of AlGaAs on the shell of the nanowire. Measures the time decay of the issue show a strong dependence lifetime with the wavelength, which is associated with the bottleneck and energy distribution of emissive states. Emission measurements with temperature provide strong experimental evidence that the impurity binding energy has a strong dependence on the radial direction. This hybrid system works as an efficient collector of light both in the visible and near infrared. The work also shows for time resolved spectroscopy that excitons are dissociated at the interfaces formed by ultrathin conjugated polymers and films and nanowires that this material based on gallium arsenide (GaAs) acts as a strong receiver and electrons separator (high electron affinity ).

Electroabsorption and electrorefraction were studied in GaAs/AlGaAs and InP/InAsP multiple quantum well waveguides. Measurements of changes of the absorption coefficient and the refractive index with wavelength and bias voltage were made. Switching ratios of up to 18 dB were obtained for the GaAs/AlGaAs material. The Kramers-Kronig relation was used to calculate the theoretical phase shifts from the absorption coefficient data. / Thesis / Master of Engineering (ME)

A research synopsis is presented summarizing work with integration of Ge and III-V semiconductors and optical devices with Si. III-V GaAs/AlGaAs quantum well lasers and GaAs/AlGaAs optical circuit structures have been fabricated on Si using Ge/GeSi/Si virtual substrates. The lasers fabricated on bulk GaAs showed similar output characteristics as those on Si. The GaAs/AlGaAs lasers fabricated on Si emitted at 858nm and had room temperature cw lifetimes of ~4hours. Straight optical links integrating an LED emitter, waveguide and detector exhibited losses of approximately 144dB/cm. A process for fabrication of a novel CMOS-compatible platform that integrates III-V or Ge layers with Si is demonstrated. Thin Ge layers have been transferred from Ge/GeSi/Si virtual substrates to bulk Si utilizing wafer bonding and an epitaxial Si CMP layer to facilitate virtual substrate planarization. A unique CMP-less method for removal of Ge exfoliation damage induced by the SmartCut™ process is also presented. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

The work presented here report findings in (1) infrared detectors based on p-GaAs/AlGaAs heterojunctions, (2) J and H aggregate sensitized heterojunctions for solar cell and photon detection applications, (3) heterojunctions sensitized with quantum dots as low cost solar energy conversion devices and near infrared photodetectors. (1)A GaAs/AlGaAs based structure with a graded AlGaAs barrier is found to demonstrate a photovoltaic responsivity of ~ 30mA/W (~ 450mV/W) at the wavelength of 1.8 mm at 300K. Additionally the graded barrier has enhanced the photoconductive response at 78 K, showing a responsivity of ~ 80mA/W with a D*=1.4×108 Jones under 1V bias at 2.7 mm wavelength. This is an approximately 25 times improvement compared to the flat barrier detector structure, probably due to the improved carrier transport, and low recapture rate in the graded barrier structure. However, these graded barrier devices did not indicate a photoresponse with photoconductive mode at 300K due to high shot noise. Additionally, two generation-recombination noise components and a 1/f noise component were identified. A series of GaAs/AlGaAs multilayer hetero-junction structures were tested as thermal detectors. A superlattice structure containing 57% Al fraction in the barrier and 3 × 1018 cm-3 p-doped GaAs emitter showed the highest responsivity as a thermal detector with a TCR of ~ 4% K-1, at 300K. (2)The photovoltaic properties of heterojunctions with J-/ H- aggregated dye films sandwiched between n– and p-type semiconductors were investigated for potential application as solar cells and IR detectors. Films of cationic dye Rhodamine-B-thiocyanate adsorbed on Cu2O substrate are found to form organized dye layers by self-assembled J- aggregation, resulting in large red-shifts in the photo -response. Additionally, cells sensitized with a pentamethine cyanine dye exhibited a broad spectral response originating from J- and H-aggregates. The photocurrent is produced by exciton transport over relatively long distances with significant hole-mobility as well as direct sensitized injection at the first interface. (3) A ZnO/PbS-QD/Dye heterostructure had enhanced efficiency compared to ZnO/Dye heterostructure as a solar cell. Furthermore, a ZnO/PbS-QD structure has demonstrated UV and NIR responses with 4×105V/W (390 nm) and 5.5×105 V/W (750 nm) under 1V bias at 300K.