Neste trabalho estudou-se a estruturação de partículas de Sn ou Pb em interfaces SiO2/Si e SiO2/Si3N4 pela técnica de implantação iônica seguida de tratamento térmico em alta temperatura. A formação de partículas de Sn em interfaces SiO2/Si foi estuda em função do tempo de recozimento em fluxo de N2. Os dados experimentais demonstraram que este método leva a formação de partículas com bases quadradas de ≈ 8,0 nm de largura que crescem epitaxialmente a partir do substrato de Si. Os resultados foram discutidos com base nas propriedades de equilíbrio do sistema Si-Sn bem como em argumentos cinéticos referentes à redistribuição dos átomos implantados. A influência da inclusão de uma etapa de tratamento térmico de envelhecimento em baixas temperaturas antes do recozimento necessário para a formação de partículas na interface foi também estudada. Foi demonstrado, de forma pioneira, a possibilidade de estruturar exclusivamente a região da interface SiO2/Si via implantação iônica. Os resultados foram discutidos considerando um modelo fenomenológico baseado em argumentos termodinâmicos relacionados à dependência da energia de interface partícula/matriz com o tamanho de partículas que podem resultar em pequenas partículas de Sn possuindo elevada estabilidade térmica. Em particular demonstrou-se de maneira inédita que o método de envelhecimento seguido de recozimento em altas temperaturas é capaz de produzir filmes cuja intensidade da resposta luminescente é o dobro das camadas não submetidas a esse processamento. A nucleação e crescimento de partículas de Sn em interfaces SiO2/Si3N4 também foi estudada. Esse sistema é interessante, pois permite a aplicação do processo de síntese de partículas por implantação iônica na elaboração de dispositivos de memória tipo flash. Além disso, esse estudo evidenciou a possibilidade de modificar a distribuição em tamanhos das partículas formadas na interface SiO2/Si3N4 pela aplicação de um segundo recozimento em alta temperatura, aumentando assim o controle sobre as estruturas formadas na interface SiO2/Si3N4. O estudo nanopartículas de Pb em interfaces SiO2/Si(100) demonstrou a formação de partículas com tamanhos menores que 7,0 nm. Essa investigação mostrou a tendência das partículas de se enterrarem no substrato de Si quando utilizados recozimentos de longa duração. Essas partículas enterradas no Si exibem estruturas piramidais cujas bases são quadradas e suas faces formam interfaces com os planos [111] do substrato de Si. Aumentando a quantidade de Pb transferida para a interface SiO2/Si(100) resultou na formação de partículas com duas fases do tipo caroço/casca. Nesse caso o caroço é composto de Pb metálico enquanto a casca é composta provavelmente por uma liga Pb-Si. Diferentemente desse cenário a formação de ilhas em interfaces SiO2/Si(111) demonstrou a possibilidade de formar pela técnica de implantação iônica, estruturas com geometria de calota esférica e que exibem comportamento de crescimento competitivo (Ostwald ripening), onde as partículas menores se dissolvem alimentando o crescimento das maiores. / In this work the formation of Sn or Pb nanoparticles at SiO2/Si and SiO2/Si3N4 interfaces through the technique of ion implantation followed by high temperature heat treatments was studied. The formation of Sn particles at SiO/Si interfaces was studied as a function of the annealing time in N2 flux. The experimental data show that this method leads to the formation of square based particles with ≈ 8,0 nm in length that grow epitaxially attached to the Si substrate. The results were discussed considering the equilibrium properties of the Si-Sn system as well as kinetic arguments related to the implanted atoms redistribution. The inclusion of a low temperature aging step prior to the high temperature thermal annealing was also studied. This work demonstrated for the first time the possibility to form nanoparticles exclusively at the SiO2/Si interface region. The results are interpreted in terms of a phenomenological model based on thermodynamic concepts related to the particle/matrix interface free energy dependence with size, leading to small Sn particles with enhanced thermal stability. The optical response of Sn implanted SiO2/Si was also studied. In particular it was demonstrated that the aging step, followed by high temperature annealing, is capable to produce films with the luminescent intensity response twice the intensity obtained from non aged samples. The nucleation and growth of Sn particles at SiO2/Si3N4 interfaces was also studied. This system is particularly interesting because it allows the application of the ion implantation nanoparticle formation process to the production of flash memory devices. In addition, this study has shown the possibility to modify particle size distribution of the nanoparticles formed at the SiO2/Si3N4 interface by applying a second high temperature annealing step, increasing the control over the structures formed at the SiO2/Si3N4 interface. The studies related to the formation of Pb particles at SiO2/Si(100) interfaces demonstrated the possibility to produce particles with less than 7,0 nm in size. This investigation showed that for longer annealing times the particles form buried structures inside the Si substrate. These nanoparticles embedded to the Si substrate display pyramidal structures with square basis and interfaces with the silicon substrate [111] planes. Increasing the amount of Pb transferred to the SiO2/Si(100) interface resulted in the formation of particles showing two phases with a core/shell structure. In this case the core is made of pure metallic Pb while the shell is probably formed by an Pb-Si alloy. As opposed to this scenario the formation of islands in SiO2/Si(111) interfaces demonstrated the possibility to form nanoparticles with spherical cap structure using ion implantation. In this case the particles coarsening behavior can be described by the competitive coarsening theory, where the small particles dissolve feeding the growth of the larger ones.

Neste trabalho, apresentamos um estudo sistemático das propriedades estruturais e ópticas de nanopartículas FeSi2, sintetizadas em matriz SiO2/Si por implantação iônica, seguida de cristalização epitaxial induzida por feixe de íons (IBIEC) e tratamentos térmicos em atmosfera 95 % N2 - 5 % H2. A cada etapa do processo de síntese, a formação e crescimento de nanopartículas FeSi2, bem como a produção de defeitos, foi caracterizada estruturalmente e correlacionada com as propriedades de emissão de luz. Para fins de interpretação dos resultados, um conjunto de amostras contendo Ni foi sintetizado nas mesmas condições experimentais que as amostras de Fe e suas propriedades estruturais e ópticas também foram estudadas. Através do processo de recristalização IBIEC obtivemos importantes informações sobre as propriedades vibracionais da fase metálica γ-FeSi2 e sua metaestabilidade quando formada a baixa concentração de Fe. Em particular, a transição desta fase via temperatura de recozimento para a fase semicondutora β-FeSi2 foi investigada detalhadamente. A natureza do gap fundamental de energia do composto semicondutor também foi avaliada. Em experimentos em função da temperatura de tratamento térmico, observou-se que concomitantemente à formação e crescimento de nanopartículas semicondutoras, existe uma complexa evolução de defeitos opticamente ativos. De acordo com a temperatura de recozimento, bandas de fotoluminescência (PL) na região espectral do infravermelho próximo (0.7 eV - 0.9 eV) com diferentes intensidades e morfologias foram detectadas a 2 K. Baseado nos resultados das caracterizações estruturais e ópticas do sistema SiO2/Si + nanopartículas FeSi2, juntamente com resultados PL experimentais comparativos da formação do composto metálico NiSi2, as origens físicas das distintas luminescências observadas foram discriminadas em termos de emissões intrínsecas do semicondutor β-FeSi2 e de específicos tipos de defeitos na matriz de Silício que atuam como centros de recombinação radiativa. / In this work, we present a systematic study of the structural and optical properties of FeSi2 nanoparticles, synthesized in SiO2/Si matrix by ion implantation, followed by ion beam induced epitaxial crystallization (IBIEC) and several thermal treatments under 95 % N2 - 5 % H2 atmosphere. Each step of the syntheses process, the formation and growth of the FeSi2 nanoparticles, as well as the damage production, were structurally characterized and correlated with their light emission properties. For purposes of interpreting the results, a set of samples containing Ni was synthesized in the same experimental conditions that the Fe samples and their structural and optical properties were also studied. Through IBIEC recrystallization process, important informations were obtained about vibrational properties of the metallic γ-FeSi2 phase and its metastability when formed at low Fe concentration. In particular, the phase transition from γ-FeSi2 to semiconducting β-FeSi2 via annealing treatment was investigated in detail. Furthermore, the nature of the energy fundamental gap of the semiconductor compound was also evaluated. Thermal treatment experiments at different temperatures showed that concomitantly to the formation and growth of the semiconducting nanoparticles, there is a complex evolution of the optically active defects. According to the annealing temperature, photoluminescence (PL) bands in the near-infrared spectral region (0.7 eV - 0.9 eV) with different intensities and morphologies were detected at 2 K. Based on the structural and optical characterization results of the SiO2/Si + FeSi2 nanoparticles, combined with the comparative experimental PL results of the metallic NiSi2 compound formation, the physical origin of the distinct observed luminescence were discriminated in terms of intrinsic emissions of the semiconducting β-FeSi2 and specific types of defects in the Si matrix, that acts as radiative recombination centers.

Este trabalho apresenta as variações das propriedades ópticas e elétricas do ITO (Oxido de índio dopado com Estanho) por bombardeamento iônico. Os bombardeamentos foram realizados com íons Ar+ com perfil único e com perfil de plateau. Em seguida, foram realizadas as caracterizações elétricas pelo método de quatro pontas de Van der Pauw e medidas de transmitância especular e refletância total. As amostras foram recozidas a temperaturas de 200oC, 300°C e 400°C, sendo, após, realizadas as devidas caracterizações elétricas e ópticas novamente. A resistência de folha do ITO aumentou de 12,7í2/d (amostra não bombardeada) até 300Í7/D para a amostra implantada com a maior dose (1 x 1017/cm2). Este aumento é devido à diminuição da mobilidade em mais de 10 vezes. Para doses baixas (até 1 x 1013/cm2) o bombardeamento está criando portadores do tipo n devido à formação de vacâncias de oxigênio. Para doses maiores, a concentração dos portadores começa a diminuir devido á remoção dos átomos de Sn dos sítios e ao armadilhamento em níveis profundos dos portadores livres. Nas mecUdas ópticas, foi constatado que todas as doses de bombardeamento diminuem a transmitância do ITO. Para as amostras de perfil único e doses de bombardeamento de até 1 x IO15/cm2, a temperatura de recozimento de 400oC é suficiente para quase recuperar as características elétricas e ópticas iniciais das amostras. As correspondentes larguras da banda proibida foram medidas e verificada a validade do Efeito de Burnstein-Moss nas amostras submetidas à implantação. Provamos que no ITO não podemos conseguir isolamento completo e torná-lo isolante elétrico através de bombardeamento com íons, como é possível para vários semiconutores (GaAs, InP, GaN, etc.). Entretanto, a implantação iônica oferece um método de controle das características ópticas e elétricas. Por exemplo, podemos fazer a camada de ITO menos transparente sem mudar significativamente a resistência de folha, o que pode ser necessário em alguns passos tecnológicos. / This work presents the variations of the optical and electrical properties of the ITO (Indium Tin Oxide) by ionic bombardment. The bombardments were dona using Ar+ ioris with one profile and with plateau profile. In the sequence, the electrical characterizations were done by the four point proba technique of Van der Pauw and the specular transmitance and total reflectance were measured. The samples were anealed at 200°C, 300oC, 400°C and the electrical and optical properties were characterized again. The sheet resistence of the ITO has increased from 12,7íl/a (nonbombardad sample) to 300n/D on the sample that was implanted with the biggest dose (1 X 1017/cm2). This rise is due to the mobility reduction in more than 10 times. For lower doses (until 1 x 1013/cm2) the bombardment creates type n carriers because of the oxygen vacation formations. For greater doses, the density of carriers starts to decrease due to the remotion of Sn atoms from the sites and to the trapping at deep leveis of the free carriers. On the optical measurements it was observed that ali the bombardment doses lead the ITO transmitance to deacrease. For the samples of one profile and bombardment doses until 1 x 1015/cm2 the anealing temperature of 400°C is suffient to almost recover the initial eletrical and optical characteristics of the samples. The corresponding forbiden band gap were measured and it was verified the validity of the Burnstein-Moss theory on the implanted samples. We have proved that in the ITO it is not possible either to get complete isolation nor turn ITO eletrical isolating beyond the ion bombardment, as it is possible for various semiconductors (GaAs, InP, GaN, etc.). However, the ionic implantation offers a method of controling the optical and eletrical characteristcs. For example, we can turn the ITO layer less transparent without significantly modififying the sheet resistence, that can be necessary in some technological steps.

O objetivo da presente dissertação é o estudo de difusão de In e Pd na matriz de a-Ti. O interesse deste estudo baseia-se na investigação sistemática, realizada pelo grupo de Implantação Iônica, de difusão de impurezas substitucionais em a-Ti com o fim de determinar uma relação entre tamanho, valência e solubilidade e os respectivos coeficientes de difusão. Considerações de tamanho, diferença de valência e solubilidade indicam que o In deverá difundir substitucionalmente. Por outro lado, não está claro qual será o mecanismo de difusão do Pd, pois a sua solubilidade não é muito alta e seu raio atômico é menor que o da matriz. A dependência do coeficiente de difusão desses dois elementos com a temperatura foi estudada entre 823 e 1073 K no caso do In, e entre 673 e 1073 K no caso do Pd. Em ambos os casos, a técnica de RBS foi utilizada para determinar os perfis de concentração. Esta técnica tem uma alta resolução em profundidade (tipicamente 10 nm), o que permite a determinação das baixas difusividades esperadas no presente experimento (D ≤ 10-17 m² s-¹). Adicionalmente, utilizamos para o caso do Pd a técnica de canalização, com a finalidade de determinar o grau de substitucionalidade dos átomos de Pd, tanto imediatamente após a implantação, quanto depois de efetuados os recozimentos e, portanto, determinar o mecanismo de difusão do mesmo em α - Ti. No caso do In, os coeficientes de difusão seguem uma lei de Arrhenius com parâmetros de difusão Q = (260 ± 10) kJ/mol e Do = (2,0 ± 1,3) x 10-6 m² s-¹ , valores estes, típicos de um comportamento difusivo substitucional. No entanto, para o Pd, os coeficientes de difusão também seguem um comportamento tipo Arrhenius, com Q = (264 ± 9) kJ/mol e Do = (2,8 ± 1,3) x 10-3 m² s-¹. Quando se comparam os resultados do Pd com outros substitucionais, tais como Pb, Au, Sn e In, os resultados indicam que o Pd é um difusor rápido, porém mais lento que os intersticiais do tipo Fe, Co ou Cu. Por outro lado, os experimentos de canalização indicam que no intervalo de temperatura estudado, 30% dos átomos de Pd ficam em posição intersticial na rede. Isto é um forte indício de que o mecanismo de difusão é do tipo misto.

Nanoaglomerados (NCs) metálicos ou semicondutores podem ser caracterizados como aglomerados atômicos com um pequeno número n de átomos constituintes (tipicamente n<100). De forma distinta aos grandes aglomerados atômicos (nanopartículas), os NCs não tendem a imitar a estrutura cristalina do material massivo correspondente e apresentam um comporta-mento de redução no ponto de fusão que varia suavemente com n. Em vez disso, sua estabili-dade térmica parece depender do desenvolvimento de arranjos atômicos específicos e/ou do reforço das energias de ligação química, usualmente causando flutuações, com pequenas vari-ações de n, nas suas propriedades físicas e químicas, tais como temperatura de fusão (até mesmo excedendo o valor do material massivo). Devido a sua natureza específica, NCs são geralmente sintetizados ou detectados como estruturas autoportantes em vácuo, ou estabilizados por molé-culas ligantes, quando produzidos por vias químicas. Neste trabalho é demonstrado que NCs de Sn, Pb, Bi e Au termicamente estáveis podem ser sintetizados como estruturas imersas em filmes dielétricos de SiO2 e Si3N4. Estes sistemas são produzidos por meio de implantação iônica seguida de tratamentos térmicos específicos de envelhecimento. Os filmes e seus constituintes atômicos foram caracterizados por espectrome-tria de retroespalhamento Rutherford (RBS) e as dimensões dos NCs são caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão convencional (MET) bem como por meio de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução, utilizando condições de imagem de alto ângulo com contraste Z em campo escuro anular (STEM-HAADF). As investigações mos-tram que as estruturas de NCs mantem sua integridade, mesmo quando as amostras são subme-tidas a tratamentos térmicos a altas temperaturas até cerca de 1100 °C, excedendo significati-vamente a temperatura de fusão dos materiais correspondentes na escala massiva. Os resultados são discutidos considerando a influência dos efeitos de pressão e da energia de interface, a fim de explicar a estabilidade térmica dos NCs. / Metallic or semiconducting nanoclusters (NCs) can be characterized as atomic agglom-erates with a small number n of constituent atoms (typically n <100). As distinct to larger atomic aggregates referred as nanoparticles, NCs do not tend to mimic the lattice structure of the cor-responding bulk material or present a melting point depression behavior smoothly varying with n. Instead, their thermal stability seems to relay on the development of specific atomic arrange-ments and/or on the enhancement of the strength of chemical binding energies, usually render-ing fluctuations in their physical and chemical properties such as of the melting temperature (even exceeding the bulk value) with small variations of n. Because of their specific nature, NCs are usually synthesized or detected as freestanding structures in vacuum, or stabilized by ligand molecules when produced by chemical routes. In this work we demonstrate that thermally stable Sn, Pb, Bi and Au NCs can be syn-thesized as embedded structures in dielectric SiO2 and Si3N4 films. They are produced via ion implantation followed by particular thermal aging treatments. The films and their atomic con-stituents are characterized by Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and the NCs di-mensions by conventional transmission electron microscopy (TEM) as well as by high resolu-tion scanning transmission electron microscopy using high angle annular dark field Z contrast imaging conditions (STEM-HAADF). The investigations show that the NCs structures main-tain their integrity even when the samples are submitted to high temperature thermal treatments up to about 1100 o C, significantly exceeding the melting temperature of the corresponding bulk materials. The results are discussed considering the influence of pressure and interface energy effects in order to explain the thermal stability of the NCs.

O processo de isolação elétrica por implantação de prótons é estudado para os casos do semicondutor GaAs e de estruturas DBR - Distributed Bragg Reflectors - de AlGaAs. A obtenção da energia crítica de implantação em camadas DBR de dispositivos VCSELs, Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers, é exemplificada. Medidas da evolução da resistência destas estruturas com a dose de prótons irradiada, tanto para amostras tipo-n quanto para tipo-p, revelaram comportamentos qualitativamente semelhantes para os transportes eletrônicos paralelo e perpendicular às heterojunções. O mesmo valor de dose de limiar para isolação pode ser usado em ambos os casos. A estabilidade térmica da isolação de camadas DBR é estimada em ~150oC. O uso de um modelo simples de conservação de carga é sugerido para a simulação do processo de isolação por implantação em semicondutores, empregando como entrada a distribuição de níveis introduzidos pela irradiação. A comparação dos resultados dessa simulação com dados experimentais para o caso específico do GaAs revela que os modelos de defeitos previamente associados a antisítios na literatura não são suficientes para descrever a isolação. Os dados obtidos até então sobre a estrutura de níveis introduzida pela implantação com prótons também não reproduzem completamente o comportamento observado. Um sistema para medidas de Espectroscopia de Transientes de Níveis Profundos (DLTS) foi desenvolvido para a realização de experimentos visando identificar os níveis responsáveis pela isolação e determinar seus parâmetros relevantes. Quatro contribuições principais foram observadas em GaAs tipo-n (n1, n2, n3 e n4) implantado com prótons, e outras cinco para GaAs tipo-p (p1, p2, p3, p4 e p5). O nível p1, com energia aparente de 0,05 eV e secção de choque de captura de lacunas de 1x10-16 cm2, havia sido identificado previamente em amostras irradiadas com elétrons, mas pela primeira vez foi medido em amostras GaAs tipo-p implantadas com prótons. Medidas de variação de taxas de emissão com o campo elétrico foram realizadas em n1, n2, n3, p1, p2 e p3. O efeito Poole-Frenkel foi identificado como o responsável pelo comportamento observado em p2. Já para n3 e n1, mostrou-se que o responsável é o efeito de tunelamento auxiliado por fônons. O nível p3 não apresentou variação considerável em sua taxa de emissão com o campo; enquanto que os níveis n2 e p1revelaram comportamentos que indicam a presença de ambos os efeitos (Poole-Frenkel e tunelamento auxiliado por fônons). Esses dados, combinados com informações sobre as taxas de introdução obtidas a partir dos espectros DLTS, nos levam a parâmetros para os defeitos introduzidos pela implantação que conseguem descrever, de maneira aceitável, a curva de isolação experimental para doses menores que aproximadamente o dobro da dose de limiar, sugerindo que vacâncias de arsênio e anti-sítios de GaAs desempenhem um papel importante nesta etapa do processo. / The electrical isolation by proton implantation process is studied for the specific cases of AlGaAs Distributed Bragg Reflectors (DBR) and bulk GaAs. The critical implant energy evaluation is exemplified for AlGaAs DBR layers on Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers devices. Sheet resistance measurements as a function of the proton fluence on both p-type and n-type samples presented similar behaviors for the electronic transports parallel and perpendicular to the heterojunctions. The same dose threshold value can be used in both cases. The DBR structures isolation thermal stability is estimated as ~150oC. A simple charge neutrality calculation is employed to simulate the implant isolation process in semiconductors using as input data on the deep levels introduced during irradiation. For the case of bulk GaAs, comparison between simulation results and experimental sheet resistance versus dose curves pointed out that models previously suggested for anti-site defects are not able, by their own, to reproduce the actual isolation behavior. Simulation using information previously obtained on proton implant related deep levels also didn’t reproduce the experimental curves. A Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) system was developed in order to properly identify the deep levels introduced by proton implantation and obtain the relevant parameters regarding each one of these levels. Four main contributions were measured in n-type proton bombarded GaAs (n1, n2, n3 and n4), and other five in p-type samples (p1, p2, p3, p4 and p5). p1 level, with 0.05 eV apparent energy and 1x10-16 cm2 apparent capture cross section, was measured for the first time in proton implanted GaAs. Electric field related emission rate enhancement measurements were carried out on n1, n2, n3, p1, p2 and p3. Poole-Frenkel effect was identified as the responsible for the behavior obtained for p2. Concerning the cases of n3 and n1, the effect responsible for the measured emission rate enhancement was found to be the phonon assisted tunneling. Level p3 presented no appreciable emission rate enhancement with the electric field, and levels n2 and p1 revealed behaviors pointing out the presence of both Poole-Frenkel and phonon assisted tunneling effects. Introduction rates of the measured levels were also obtained. All these data and other previous information on defects in proton bombarded GaAs could then be compiled together, producing a more complete and accurate input for the simulation, which leads to results reproducing the experimental curve in an acceptable manner for doses lower than twice the threshold value. This result points to a very active participation of As vacancies and GaAs in the GaAs implant isolation process.

Neste trabalho, medimos a perda de energia de íons de He e Li em Zn, com energias que vão de 400 keV a 7 MeV, no primeiro caso, e de 300 keV a 5 MeV, no segundo. Usamos a técnica de retroespalhamento de Rutherford com amostras do tipo Au(100Å)\Zn\Au(100Å)\Si, com camadas de Zn de espessuras de 460 Å, 750 Å e 1500 Å. Sendo o Zn o metal de transição com o maior deslocamento de energia entre as camadas 4s e 3d, ele é o alvo ideal para estudar a relação entre o poder de freamento e a velocidade do íon a baixas energias. Para ambos os tipos de projétil consegue-se observar a relação de proporcionalidade entre a perda de energia e a velocidade do íon incidente, como previstos pelas teorias existentes. Por outro lado, encontrou-se que, para íons de He incidindo a baixas energias (E < 800keV) em Zn, a curva do poder de freamento está em perfeito acordo com os resultados obtidos utilizando o método de transmissão por N. Arista et al. Para altas energias (E > 800keV), os resultados estão em bom acordo com o cálculo feito pela subrotina RSTOP do programa Transport of Ions in Matter (TRIM). No caso dos íons de Li, as medições de perda de energia foram realizadas num alvo de Zn pela primeira vez. Esses resultados se mostraram em bom acordo com a previsão da subrotina RSTOP de Ziegler te al e com a fórmula universal de Kalbitzer. Esse acordo ocorre para todo o intervalo de energia estudado. / In this work, we present results on the stopping power of He and Li in Zn in the 0.4-7 MeV energy range He and in the 0.3-5 MeV for Li. We have used the Rutherford backscattering technique (RBS) with Au (100 Å)/Zn/Au (100 Å) films with Zn slabs of 460, 750, 1500 Å width. Since Zn is the transition metal with the larger energy gap between the 4s and 3d sub shells, it is the ideal candidate for studying the relationship between the stopping power and the ion velocity (at lower energies). In both cases it was possible to observe the direct proportionality between both quantities as anticipated by current theories. On the other hand, we found that, for lower energies (E < 800 keV), the stopping power measured in our laboratory is in perfect agreement with similar measurements performed using the transmission technique by N. Arista et al. For higher energies (E > 800 keV) the He results are in fair agreement with the RSTOP predictions. For the Li case, the stopping power measurements were the first ones done on a Zn target. The results are in good agreement with the RSTOP predictions as well as with the universal function by Kalbitzer et al. This is valid for all the measured energy range.

O processo de isolação elétrica por implantação de prótons é estudado para os casos do semicondutor GaAs e de estruturas DBR - Distributed Bragg Reflectors - de AlGaAs. A obtenção da energia crítica de implantação em camadas DBR de dispositivos VCSELs, Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers, é exemplificada. Medidas da evolução da resistência destas estruturas com a dose de prótons irradiada, tanto para amostras tipo-n quanto para tipo-p, revelaram comportamentos qualitativamente semelhantes para os transportes eletrônicos paralelo e perpendicular às heterojunções. O mesmo valor de dose de limiar para isolação pode ser usado em ambos os casos. A estabilidade térmica da isolação de camadas DBR é estimada em ~150oC. O uso de um modelo simples de conservação de carga é sugerido para a simulação do processo de isolação por implantação em semicondutores, empregando como entrada a distribuição de níveis introduzidos pela irradiação. A comparação dos resultados dessa simulação com dados experimentais para o caso específico do GaAs revela que os modelos de defeitos previamente associados a antisítios na literatura não são suficientes para descrever a isolação. Os dados obtidos até então sobre a estrutura de níveis introduzida pela implantação com prótons também não reproduzem completamente o comportamento observado. Um sistema para medidas de Espectroscopia de Transientes de Níveis Profundos (DLTS) foi desenvolvido para a realização de experimentos visando identificar os níveis responsáveis pela isolação e determinar seus parâmetros relevantes. Quatro contribuições principais foram observadas em GaAs tipo-n (n1, n2, n3 e n4) implantado com prótons, e outras cinco para GaAs tipo-p (p1, p2, p3, p4 e p5). O nível p1, com energia aparente de 0,05 eV e secção de choque de captura de lacunas de 1x10-16 cm2, havia sido identificado previamente em amostras irradiadas com elétrons, mas pela primeira vez foi medido em amostras GaAs tipo-p implantadas com prótons. Medidas de variação de taxas de emissão com o campo elétrico foram realizadas em n1, n2, n3, p1, p2 e p3. O efeito Poole-Frenkel foi identificado como o responsável pelo comportamento observado em p2. Já para n3 e n1, mostrou-se que o responsável é o efeito de tunelamento auxiliado por fônons. O nível p3 não apresentou variação considerável em sua taxa de emissão com o campo; enquanto que os níveis n2 e p1revelaram comportamentos que indicam a presença de ambos os efeitos (Poole-Frenkel e tunelamento auxiliado por fônons). Esses dados, combinados com informações sobre as taxas de introdução obtidas a partir dos espectros DLTS, nos levam a parâmetros para os defeitos introduzidos pela implantação que conseguem descrever, de maneira aceitável, a curva de isolação experimental para doses menores que aproximadamente o dobro da dose de limiar, sugerindo que vacâncias de arsênio e anti-sítios de GaAs desempenhem um papel importante nesta etapa do processo. / The electrical isolation by proton implantation process is studied for the specific cases of AlGaAs Distributed Bragg Reflectors (DBR) and bulk GaAs. The critical implant energy evaluation is exemplified for AlGaAs DBR layers on Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers devices. Sheet resistance measurements as a function of the proton fluence on both p-type and n-type samples presented similar behaviors for the electronic transports parallel and perpendicular to the heterojunctions. The same dose threshold value can be used in both cases. The DBR structures isolation thermal stability is estimated as ~150oC. A simple charge neutrality calculation is employed to simulate the implant isolation process in semiconductors using as input data on the deep levels introduced during irradiation. For the case of bulk GaAs, comparison between simulation results and experimental sheet resistance versus dose curves pointed out that models previously suggested for anti-site defects are not able, by their own, to reproduce the actual isolation behavior. Simulation using information previously obtained on proton implant related deep levels also didn’t reproduce the experimental curves. A Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) system was developed in order to properly identify the deep levels introduced by proton implantation and obtain the relevant parameters regarding each one of these levels. Four main contributions were measured in n-type proton bombarded GaAs (n1, n2, n3 and n4), and other five in p-type samples (p1, p2, p3, p4 and p5). p1 level, with 0.05 eV apparent energy and 1x10-16 cm2 apparent capture cross section, was measured for the first time in proton implanted GaAs. Electric field related emission rate enhancement measurements were carried out on n1, n2, n3, p1, p2 and p3. Poole-Frenkel effect was identified as the responsible for the behavior obtained for p2. Concerning the cases of n3 and n1, the effect responsible for the measured emission rate enhancement was found to be the phonon assisted tunneling. Level p3 presented no appreciable emission rate enhancement with the electric field, and levels n2 and p1 revealed behaviors pointing out the presence of both Poole-Frenkel and phonon assisted tunneling effects. Introduction rates of the measured levels were also obtained. All these data and other previous information on defects in proton bombarded GaAs could then be compiled together, producing a more complete and accurate input for the simulation, which leads to results reproducing the experimental curve in an acceptable manner for doses lower than twice the threshold value. This result points to a very active participation of As vacancies and GaAs in the GaAs implant isolation process.

Foi estudado o comportamento do As (dopante tipo n) em dois tipos diferentes de substratos de Si: bulk e SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Ambos os substratos receberam uma implantação de 5x1014 cm-2 de As+ com energia de 20 keV. Após as implantações, as amostras foram recozidas por um dos dois processos a seguir: recozimento rápido (RTA, Rapid Thermal Annealing) ou convencional (FA, Furnace Annealing). A caracterização física e elétrica foi feita através do uso de diversas técnicas: SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), medidas de resistência de folha, medidas Hall e medidas de perfil de portadores por oxidação anódica. Na comparação entre os substratos SIMOX e Si bulk, os resultados indicaram que o SIMOX se mostrou superior ao Si bulk em todos os aspectos, ou seja, menor concentração de defeitos e menor perda de dopantes para a atmosfera após os recozimentos, maior concentração de portadores e menor resistência de folha. A substitucionalidade do As foi maior no SIMOX após RTA, mas semelhante nos dois substratos após FA. Na comparação entre RTA e FA, o primeiro método se mostrou mais eficiente em todos os aspectos mencionados acima. As explicações para o comportamento observado foram atribuídas à presença de maior concentração de vacâncias no SIMOX do que no Si bulk e à interação destas vacâncias com os dopantes.

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.