Neste trabalho, estudamos o crescimento epitaxial por feixe molecular assim como as propriedades ópticas e estruturais de camadas de InGaAs depositadas sobre substratos de GaAs(001) com diferentes ângulos e direções de corte. Um ênfase foi dada à investigação da segregação dos átomos de Índio que modifica consideravelmente o perfil de potencial das heteroestruturas e influencia as características dos dispositivos contendo este tipo de camadas. Um novo método experimental baseado em medidas de difração de elétrons de alta energia (RHEED) possibilitou a determinação in situ e em tempo real do coeficiente de segregação dos átomos de Índio e, conseqüentemente, do perfil de composição das camadas de InGaAs. Medidas de raios X e de fotoluminescência em baixa temperatura foram realizadas em amostras de poços quânticos de InGaAs e confirmaram, a posteriori, os resultados obtidos pela técnica RHEED. Foi também demonstrado que o uso de substratos desorientados podia reduzir levemente o efeito de segregação e melhorar as propriedades ópticas das camadas em baixa temperatura. / In this work, we investigated the molecular-beam-epitaxy growth as well as the optical and structural properties of InGaAs layers deposited on top of GaAs (001) substrates with different miscut angles and directions. We emphasized the investigation of the segregation of In atoms that considerably modifies the potential profile of the heterostructures and influences the characteristics of the devices based on this type of layers. A new experimental method involving the diffraction of high-energy electrons (RHEED) allowed the in-situ and real-time determination of the segregation coefficient of the In atoms and, consequently, of the compositional profile of the InGaAs layers. X-rays and low-temperature photoluminescence measurements were carried out InGaAs quantum wells and confirmed, a posterior, the results obtained by the RHEED method. It was also demonstrated that the use of vicinal substrates slight reduces the segregation effect and improves the optical properties of the layers at low temperature.

Orientador: Fernando Iikawa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-26T04:11:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 UrdaniviaEspinoza_JorgeLuis_D.pdf: 1019469 bytes, checksum: 4eabb7080b374bd951fabac7d0ba912c (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Neste trabalho, fizemos o estudo sistemático sobre a dinâmica de spin em poços quânticos de GaAs/AlGaAs tipo-n com diferentes concentrações de gás de elétrons utilizando as técnicas de fotoluminescência e a fotoluminescência de excitação com luz circularmente polarizada, nos modos contínuo e resolvido no tempo. Dois pontos importantes foram estudados: i) relaxação de spin de excitons e de buracos e ii) o efeito de desdobramento de energia. Os resultados experimentais mostram que o grau de polarização e o tempo de relaxação de spin aumenta em função do aumento da densidade de gás de elétrons intrínsecos na amostra. Esses resultados sugerem que em amostras com baixa concentração de elétrons a emissão ainda é dominada por excitons e que esse efeito é gradualmente blindado pelo gás de elétrons, diminuindo a taxa de relaxação de spin. Ao mesmo tempo, a polarização de spin do buraco começa a competir para amostras com maiores densidades de elétrons, onde a taxade relaxação é menor. No regime de alta intensidade de excitação e em condição de ressonância é observado uma separação em energia entre os picos de emissião das duas configurações de polarização circular da luz. Esta separação se observa na amostra não dopada e em amostras de baixa densidade intrínseca de elétron. A separação em energia aumenta com o aumento da intensidade de excitação, porém diminui quando a diferença na intensidade integrada entre as duas configurações de polarização da luz é reduzida. Este desdobramento de spin é explicado pelo modelo simples baseado na variação daenergia de ligação do exciton devido ao efeito de preenchimento de espaço de fase. Este efeito é diferente para cada componente do exciton opticamente ativo devido à diferença na população dos dois excitons. Com isso, suas energias de ligação serão diferentes resultando em posições diferentes do pico de fotoluminescência entre os excitons com spin ? +1 > e ? -1 > . O modelo prevê também a redução da separação de energia com o aumento da densidade de elétrons intrínsecos o qual está de acordo com os resultados experimentais / Abstract: In this work, we studied the spin dynamics in n-type GaAs/AlGaAs quantum wells with different electron gas concentration using photoluminescence and photoluminescence excitation techniques with circularly polarized light in continous wave and time resolved regimes. Two important topics were investigated: i) exciton and hole spin relaxation and ii) the spin-splitting effect. In the first part, we observed that the polarization degree and spin relaxation time increase when the intrinsic electron concentration in the sample increases. The experimental results suggest that the optical emissions are dominated by excitons in slightly doped samples and this effect is quenched when the electron gas density increases decreasing the spin relaxation rate. On the other hand, in highly doped samples the polarization of the spin is dominated by the photocreated holes which show a weaker relaxation rate. In the second part, in resonant condition and under high excitation intensity, we observed a energy splitting between emission lines of two component of circularly polarized light. This splitting is observed in undoped sample and those slightly doped ones. The splitting increases when the excitation intensity increases, but it decreases when the diference of integrated intensity of two configuration of the polarization of light is reduced. This energy splitting is explained by a simple model based in the variation of exciton binding energy due to the phase space filling effect, which is different for each exciton due to the unbalance populations between them. The binding energy is different for each exciton resulting in a different peak position for corresponding emission lines. The model predicts the reduction of the spin-splitting with the increase of intrinsic electron density, whichis in agreement with the experimental results / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho apresentaremos os resultado de nossas investigacões e caracterização através da técnica de Espectroscopia de Fotoluminescência em 03(três) amostras que consiste de Poços Quânticos Quadrados Duplos que serão designados por essa abreviação DQWs de AlGaAs=AlAs de diferentes percentual de alumínio nos poços quânticos.

Orientador: Eliermes Arraes de Meneses / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-01T15:17:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Laureto_Edson_D.pdf: 1405302 bytes, checksum: c968370a0a1573efd8fecf84d420629c (MD5) Previous issue date: 2002 / Resumo: Não informado / Abstract: Not informed. / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Carlos Lenz Cesar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-02T12:49:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Faria_CristianeOliveirade_M.pdf: 5757534 bytes, checksum: 93f71c18839dec4c3d3d59548f456207 (MD5) Previous issue date: 2000 / Resumo: A cinética de crescimento de pontos quânticos (QD) em matrizes vítreas é importante porque suas propriedades ópticas lineares e não lineares dependem dos seus tamanhos e da sua dispersão. QD's são fabricados fundindo os elementos precursores do semicondutor junto com uma matriz vítrea. Após a fusão o vidro é submetido a um tratamento térmico à baixas temperaturas, na qual os elementos precursores do semicondutor adquirem mobilidade suficiente para se reagruparem na forma de QD. A absorção e emissão de átomos na superfície do ponto quântico é muito mais rápida do que a difusão dos mesmos na matriz, criando uma concentração de equilíbrio, dependente do raio, em torno dos mesmos. Haverá crescimento por difusão quando essa concentração for menor do que a concentração dos elementos na matriz e redissolução no caso oposto. Enquanto não existir superposição do gradiente de concentração de dois QD, o crescimento de cada um deles independe da presença dos outros. Quando se inicia a superposição ocorre uma competição pelos átomos dispersos na matriz com vantagem para os QD maiores, um processo conhecido como coalescência. Nesse estágio a distribuição de tamanhos aumenta, pois os QD menores redissolvem liberando átomos que alimentam o crescimento dos maiores e deve-se parar o crescimento, uma vez que o objetivo é obter a menor distribuição possível. Neste trabalho resolvemos a equação de difusão sujeita a condições de contorno em uma fronteira que muda com o tempo. Usando técnicas de duplos potenciais de Green, em lugar da função de Green convencional para uma fronteira fixa, o problema foi transformado em um problema de uma equação íntegro-diferencial para a fronteira. Resolvida a forma da fronteira obtivemos então o campo de difusão em torno dos QD's / Abstract: The growth kinetics of pontos quânticos (QD) in a vitreous matrix is important because its linear and non linear optical properties depends on their sizes and dispersion. QD's are fabricated by melting the semiconductors elements together with the vitreous matrix. After melting, the glass is submitted to a thermal treatment to lower temperatures, (500- 600°C) in which the semiconductors elements acquire enough mobility for rearrange themselves in the form of a QD. Because the absorption and emission of atoms in the surface of the QD's are much faster than their diffusion in the matrix, there is an equilibrium concentration in its surface, which depends on the QD's radius. Growth will happen when this concentration is smaller than the dispersed elements concentration in the matrix and dissolution in the opposite case. While there is no overlap of the concentration field of two neighbor QD's, the growth of each one of them is independent of the presence of the other ones. When the overlap begins starts a competition for the dispersed atoms in the matrix with advantage for the larger QD's, a process known as coalescence. In coalescence stage the size distribution increases, because the smaller QD's redissolve, decreasing in size and liberating atoms to the glass matrix that will feed the growth of the largest ones. Once our objective is to obtain the narrowest size distribution we should stop the growth at this point. In this work we solved the diffusion equation subject to certain conditions at a boundary that changes with time. Using a mathematical technique called Green 's double potencials, instead of the conventional Green's function for a fixed boundary, the problem was transformed in a problem of an integro-differential equation for the boundary. Once we find the time evolution of the boundary we obtain the diffusion field around the QD / Mestrado / Física / Mestra em Física

Orientador: Fernando Iikawa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-03T21:39:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_PauloFreitas_M.pdf: 1146621 bytes, checksum: b7f76e8d642550fddb547a7ed86d00e3 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Estudamos a influência de uma pressão biaxial externa sobre a estrutura de banda de poços quânticos de GaAs / AlGaAs por medidas ópticas. A aplicação de uma pressão externa é uma técnica bastante útil no estudo de efeitos da mistura das bandas em heteroestruturas, principalmente da banda de valência. A sua grande vantagem é de ter controle externo utilizando uma mesma amostra. Utilizamos técnicas de medidas de fotoluminescência e fotoluminescência de excitação. A medida da deformação (tensão) foi feita a partir do pico de luminescência da camada espessa de GaAs da própria amostra. Os poços quânticos investigados têm uma largura nominal de 107Å, onde a separação de energia entre a subbanda de buraco pesado e leve no centro da zona de Brillouin é de 12 meV. A célula de pressão utilizada aplica uma tração biaxial suficiente para deslocar as subbandas com energias maiores que essa separação. Realizamos cálculos numéricos das dispersões de energia da banda de valência utilizando o Hamiltoniano 6x6 de Luttinger-Kohn e de Bir-Pikus, para analisar os dados experimentais. Uma propriedade interessante observada nos resultados experimentais, que fora previsto nos cálculos, é o anti-cruzamento entre as subbandas nos estados fundamentais do buraco leve e pesado. O "gap" indireto também previsto teoricamente, não foi observado devido ao efeito de localização que alarga a linha de emissão e absorção da ordem da diferença de energia entre o topo da banda de valência e o centro da zona. Este trabalho abre possibilidades de realizar estudos futuros de efeitos da mudança na estrutura de bandas em poços quânticos, como por exemplo, sobre a dinâmica e formação de éxcitons, como também magneto-éxcitons. A aplicação simultânea de uma pressão biaxial e um campo magnético permite investigar o fator-g de Landé ( efeito Zeeman ) influenciado pela mistura das bandas em poços quânticos / Abstract: We have studied the influence of external biaxial stress in GaAs / AlGaAs quantum wells heteroestructures by optical measurements. For this purpose, we have used photoluminescence and excitation photoluminescence measurement techniques. Biaxial stress application is a extremelly useful technique to study the valence band mixing in heterostructures, and its greatest advantage is the external control of the sample strain.. The measurement of strain (stress) was carried out measuring the photoluminescence peak of the thick GaAs layer. The quantum wells have nominal width of L = 107 Å, and the energy difference between the heavy and light hole subband is about 12 meV, in k = 0 (center of first Brillouin zone). The pressure cell used applies a biaxial stress enough to dislocate the subbands more than 12 meV (the energy difference between the heavy and light hole subbands). We have numerically calculated the valence band energy dispersion using the Bir-Pikus and Luttinger-Kohn 6x6 hamiltonian to analyze the experimental data. An interesting property observed in the experimental data and theoretically simulation, is the anti-crossing between the heavy and light hole subband in the ground state. The indirect gap, also theoretically predicted, was not observed due the localization effect. This effect extends the emission and absorption line in amount of the energy difference between the valence band top and the center of the zone. This work opens possibilities for future studies about the effects of changes in the quantum well band structure, like dynamics and formation of excitons, also magnetic-excitons. The simultaneous application of biaxial stress and magnetic field permits to investigate the Landé g-factor (Zeeman effect) influenced by the band mixing in quantum wells / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Peter A. B. Schulz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-07-24T17:49:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RiveraRiofano_PabloHector_D.pdf: 2370592 bytes, checksum: e397e394b20fb652a49a6d32c2924fe3 (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: O estudo do acoplamento de uma estrutura eletrônica de heteroestruturas de semicondutores com campos AC intensos, é o principal objetivo do presente trabalho. A interação dessa estrutura eletrônica comum campo AC de uma freqüência dada é descrita por um Hamiltoniano independente do tempo que substitui o Hamiltoniano semiclássico dependente do tempo. A estrutura eletrônica das heteroestruturas é descrita através de um modelo heurístico de ligações fortes considerando só os primeiros vizinhos. A evolução das minibandas vestidas é observada, não perturbativamente, em um esquema de quase-energias nas zonas de Brillouin. Em um primeiro caso observando a validade do modelo- simulamos uma minibanda vestida de uma super rede e seus colapsos produzidos pela variação da intensidade do campo AC, comparando esses resultados com os encontrados na literatura. Em um segundo passo, simulamos duas minibandas acopladas e vestidas de uma super rede dimerizada obtida com dois poços de diferentes larguras e alternados- desde um regime de altas freqüências onde as minibandas estão intensamente acopladas- até outro regime de baixas freqüências, onde as minibandas podem ser consideradas como isoladas. Na transição entre os ambos regimes há uma competição entre o efeito Stark AC das minibandas e o colapso em dímeros (dois poços de diferentes larguras). Quando a razão da separação das minibandas e a energia dos fótons é um número inteiro, ocorrem colapsos do gap das minibandas (semelhante a uma transição isolante-metal induzido pelo campo AC). No último caso, simulamos a estrutura eletrônica de um arranjo bidimensional de pontos ou anti-pontos quânticos sob os efeitos de um campo magnético perpendicular ao plano e dois campos AC paralelos aos lados do plano; o espectro de quase-energias apresenta uma estrutura auto-similar quando existe uma razão entre as freqüências das duas radiações. Também, observa-se o cruzamento dos autoestados induzido pelo campo AC / Abstract: The study of coupling of the electronic structure of a semiconductor heterostructure with strong AC fields, is the main purpose of the present work. The interaction of the electronic structure of a heterostructure with an AC field of determined frequency is given by a time-independent Hamiltonian which replaces a semiclassic time- dependent Hamiltonian. The heterostructure electronic structure is described by a heuristic model based on the tight-binding approximation, considering only nearest neighbors. We follow the evolution of the dressed minibands, non perturbatively, in a quasienergies esquem on the Brillouin zones. Firstly, observing the validity of the model, we simulate the dressed miniband of a superlattice and the collapses produced by the variation of the AC field and comparing these results with others that we found in the literature. Secondly, we simulate two coupling and dressed superlattice minibands -obtained with two quantum wells of alternate and different width- from the high frequency regime where the minibands are strongly coupled- to other regime of low frequency, where the minibands are isolated. In the transition between both regimes, there is a competition between resonances due to AC Stark shifts and the collapsing of dressed dimers ( two wells with different width). When the ratio of the gap of minibands and the foton energy is an integer number, ocurs collapses of the miniband gap (similarly to a field induced like insulator-metal transition). Finally, we simulate the electronic structure of a bidimensional array of quantum dots or antidots under a perpendicular magnetic field and two paralel AC fields. The quasienergies spectra show an autosimilar structure when there are frequencies commesurability. Also is observed the crossing of ground state induced by the AC field / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

This thesis presents the modeling, design, fabrication and characterization of a quantum well infrared photodetector (QWIP) capable of detecting near infrared (NIR), mid wavelength infrared (MWIR) and long wavelength infrared (LWIR), simultaneously. The NIR detection was achieved using interband transition while MWIR and LWIR were based on intersubband transition in the conduction band. The quantum-well structure was modeled by solving self-consistently the Schrödinger and Poisson equations with the help of the shooting method. A sample with three different stacks of quantum wells formed by different configurations of GaAs, AlGaAs and InGaAs, separated by n-doped GaAs contact layers was grown on a semi-insulated GaAs substrate using MBE (Molecular Beam Epitaxy). Intersubband absorption in the sample was measured for the MWIR and LWIR using Fourier transform spectroscopy (FTIR) and the measured peak positions were found at 5.3 and 8.7 ?m, respectively which are within 5% of the theoretical values, indicating the good accuracy of the self-consistent model. The test photodetectors were fabricated using a standard photolithography process with exposed middle contacts to allow separate bias and readout of signals from the three wavelength bands. A 45 degree facet was polished to allow light coupling. Performance analyses were conducted in order to obtain the I-V characteristics, responsivity and detectivity of each detection band. The background-limited infrared performance (BLIP) for the LWIR quantum wells shows an upper operating temperature of about 70 K, limiting the overall device. Photocurrent spectroscopy was performed and gave three peaks at 0.84, 5.0 and 8.5 m wavelengths with approximately 0.5, 0.03 and 0.13 A/W peak responsivities for NIR, MWIR and LWIR bands, respectively. Estimated peak detectivities, limited by the number of quantum well repetitions, are 140, 1.6 and 1.2x109 cm.Hz1/2/W for NIR, MWIR and LWIR, respectively. The overall results demonstrate the possibility of detection of widely separated wavelength bands, in a single pixel device, using interband and intersubband transitions in quantum wells.

Este trabalho apresenta o resultado de investigações sobre efeitos de spin em amostras de poços quânticos simples e duplos de AlGaAs, crescidos em substratos de GaAs por MBE - Molecular Beam Epitaxy. O estudo se concentra na variação do fator g de Landé ao longo da estrutura dos poços, a qual ocorre em virtude da dependência dessa grandeza, com respeito ao conteúdo de Al na liga AlGaAs. Através de cálculos autoconsistentes foram encontradas a distribuição eletrônica nos poços e a penetração da densidade eletrônica nas barreiras. Os cálculos se basearam em valores de densidade superficial de elétrons ns medidos experimentalmente em diversas amostras através de medidas de Hall e Shubnikov-de Haas. O estudo permitiu a determinação do valor esperado do fator g de Landé, em função do deslocamento da densidade eletrônica dentro dos poços devido `a ação de campos elétricos externos arbitrário. Também foi estudada a influência do tunelamento da densidade eletrônica dos poços. / In this work we presents the results of our investigations concerning MBE grown AlGaAs/GaAs single and double quantum well samples. We focused on the variation of the Land´e g factor along the structure of the quantum wells, which occur as a consquence of its dependence on the Al content on the alloy AlGaAs. The electronic distribution on the wells and the penetration of the eletronic density into the barriers of the samples were found through selfconsistent calculations. The calculations were based on the eletronic sheet density ns measured through Hall and Shubinikov-de Haas efects. This research allowed the determination of the expected value of the Landé g-factor, as a function of the displacement of the electronic state inside the wells due to an arbitrary external electric field action. Also the influence of the tunneling effects was also studied.

Apresento neste trabalho uma derivação alternativa da hamiltoniana efetiva para um elétron na banda de condução de uma heteroestrutura semicondutora de rede Zincblende. Partindo do modelo de Kane 8 × 8 e da aproximação das funções envelope, esta hamiltoniana efetiva foi obtida com a linearização dos denominadores (dependentes das autoenergias) presentes na equação para a banda de condução, sob a hipótese de que o gap de energia seja muito maior que todas as demais diferenças de energia envolvidas (verdade para a maioria das estruturas Zincblende). A partir de um procedimento introduzido previamente1,3, desenvolvi um procedimento mais geral que implementa sistematicamente esta linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia e que corrige a normalização do spinor da banda de condução usando as bandas de valência. Este procedimento é idêntico à expansão em série de potência no inverso da velocidade da luz utilizada para se obter aproximações relativísticas da equação de Dirac. Uma vantagem deste procedimento é a arbitrariedade na forma dos potenciais, o que implica na validade da hamiltoniana resultante para poços, fios e pontos quânticos. Evidencio também as consequências de cada termo desta hamiltoniana efetiva para os autoestados eletrônicos em poços retangulares, incluindo termos independentes de spin inéditos (Darwin e interação momento linearcampo elétrico). Estes resultados estão de acordo com os estudos anteriores4. A fim de estudar transições ópticas dentro da banda de condução, mostro que o acoplamento mínimo pode ser realizado diretamente na hamiltoniana de Kane se os campos externos variam tão lentamente quanto as funções envelope. Repetindo a linearização dos denominadores de energia, derivo uma hamiltoniana efetiva para a banda de condução com acoplamentos elétron-fótons. Um destes acoplamentos, induzido exclusivamente pela banda de valência, origina transições mediadas pelo spin eletrônico. Estas transições assistidas por spin possibilitam mudanças, opticamente induzidas, na orientação do spin eletrônico, um fato que talvez possa ser útil na construção de dispositivos spintrônicos. Por fim, as taxas de transição deste acoplamento apresentam saturação e linhas de máximos e mínimos no espaço recíproco. Espero que estas acoplamentos ópticos possam auxiliar na observação dos efeitos dos acoplamentos spin-órbita intra (Rashba) e intersubbandas. / In this work, I present an alternative derivation of the conduction band effective hamiltonian for Zincblende semiconductor heterostructures. Starting from the 8×8 Kane model and envelope function approximation, this effective hamiltonian was obtained by means of a linearization in the eigenenergy-dependent denominators present the conduction band equation, under the hypothesis that the energy gap is bigger than any other energy difference in the system (true for mostly every Zincblende semiconductor bulk or heterostructure). Based on a previous procedure1,3, I have developed a more general procedure that implements sistematicaly (i) this linearization and (ii) renormalizes the conduction band spinor using the valence bands, both (i) and (ii) up to second order in the inverse of the energy gap. This procedure is identical to the expansion in power series of the inverse of the light speed used to derive non-relativistic approximations of the Dirac equation. One advantage of this procedure is the generality of the potentials adopted in our derivation: the same results hold for quantum wells, wires and dots. I show the consequences of each term of this hamiltonian for the electron eigenstates in retangular wells, including novel spin-independent terms (Darwin and linear momentumelectric field couplings). These resulties agree with previous works4. In order to study conduction band optical transitions, I show that the minimal substitution can be performed directly in the Kane hamiltonian if the external fields vary slowly (at least, as slowly as the envelope functions). Repeating the linearization of the energy denominators, I derive a new effective hamiltonian, up to second order in the inverse of the energy gap, with electron-photons couplings. One of these couplings, induced exclusively by the valence bands, gives rise to optical transitions mediated by the electron spin. This spin-assisted coupling enable optically-induced spin flipps in conduction subband transitions, which can be useful in the construction of spintronic devices. Finaly, the spin-assisted transitions rates show saturation and lines of maxima and minima in the reciprocal lattice. I hope that these optical couplings can be of any help in the observation of interesting effects induced by the intra and intersubband spin-orbit coupling.