Essa tese apresenta uma metodologia para calcular os níveis confinados de energia e suas respectivas funções de onda em estruturas de poços quânticos usando o método de matriz de transferência (TMM). Este trabalho visa prover ferramentas para a estimação de absorção devido a transições interbanda e intersubbanda em fotodetectores infravermelhos a poços quânticos (QWIPs). O uso de fotodetectores desse tipo tem se intensificado nos últimos anos, principalmente em imageadores infravermelhos para identificação de alvos de interesse militar e civil. São estudados os conceitos básicos para o entendimento dos fenômenos quânticos que envolvem a detecção por dispositivos desse tipo. Partindo de um Hamiltoniano 8x8 utilizado para o cálculo da estrutura de bandas em materiais semicondutores, desenvolve-se um modelo que representa a dinâmica dos portadores nas bandas de valência e de condução que permite o cálculo dos níveis confinados (subbandas) e suas respectivas funções de onda. Efeitos de não-parabolicidade, tensão/compressão e segregação de compostos são considerados no modelo. A solução numérica das equações diferenciais envolvidas é feita utilizando-se o método de matriz de transferência, que é adaptado para acomodar qualquer perfil de potencial devido à combinação de camadas de compostos semicondutores. Foram desenvolvidos programas para realizar o cálculo das variáveis em discussão. Os resultados obtidos demonstraram uma boa concordância com aqueles reportados na literatura e com medidas realizadas em laboratório em dispositivos reais. A partir dos resultados, estuda-se o efeito das incertezas nos parâmetros dos materiais semicondutores no cálculo em questão. Erros que variam de 0.2 a 5%, dependendo da estrutura, permitem concluir que método desenvolvido pode ser utilizado no projeto de QWIPs com estruturas complexas.

Este trabalho apresenta a caracterização eletro-óptica de fotodetectores para o infravermelho operando nas janelas atmosféricas de ondas médias e longas. Utilizou-se sensores QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) baseados em estruturas semicondutoras de poços quânticos múltiplos de GaAs/AlGaAs e InGaAs/AlInAs, utilizando transições intrabanda. As estruturas semicondutoras foram crescidas pela técnica de Epitaxia de Fase Vapor de compostos Metalorgânicos (MOVPE). As amostras foram medidas na geometria de guia de onda com incidência da radiação a 45 pela borda do substrato. Os dispositivos foram caracterizados quanto sua corrente de escuro e responsividade a 77K. A responsividade foi determinada por dois métodos: usando um simulador de corpo negro como padrão de fonte luminosa e por comparação com um detector comercial de resposta conhecida. A responsividade de ambos os detectores foi determinada como uma função da tensão aplicada. O QWIP de Al0,27Ga0,73As/GaAs apresenta um pico de resposta em torno de ?p = 9,1 ?m e o QWIP de In0,53Ga0,47As/Al0,52In0,48As um pico de resposta em torno ?p = 4,1 ?m.

Esta tese apresenta uma proposta de metodologia para simulação de Fotodetectores Infravermelhos a Poços Quânticos, empregando-se o programa ATLAS. O ATLAS é um programa comercial, que realiza a simulação das características elétricas, ópticas e térmicas de dispositivos semicondutores. Este trabalho apresentou a simulação das estruturas que fazem parte de um dispositivo monolítico capaz de detectar, simultaneamente, nas faixas do infravermelho próximo (near infrared - NIR), médio (medium-wave infrared - MWIR) e distante (long-wave infrared - LWIR).

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.