Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-09-21T13:22:05Z No. of bitstreams: 1 DissJXP.pdf: 3665347 bytes, checksum: 82164e5257df12677206609fad9335c0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-23T20:44:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJXP.pdf: 3665347 bytes, checksum: 82164e5257df12677206609fad9335c0 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2016-09-26T18:35:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissJXP.pdf: 3665347 bytes, checksum: 82164e5257df12677206609fad9335c0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-26T18:47:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissJXP.pdf: 3665347 bytes, checksum: 82164e5257df12677206609fad9335c0 (MD5) Previous issue date: 2015-03-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / This work is aimed to theoretically determine, based on the k p method, the energy spectrum of the minimum of conduction band and the top of valence band, in a quantum well heterostructure based on gallium arsenide, in the presence of a tilted magnetic eld. In this work, conduction and valence bands are independently treated. For the conduction band, it is employed the e ective-mass Hamiltonian when the magnetic eld is parallel, perpendicular, and tilted in relation to the con nement direction of the quantum well, de ned here as ^z. The basis that solves the orbital problem for = 0o is also employed to perpendicular ( = 90o) and tilted magnetic eld cases through two approaches: (i) expansion and diagonalization of orbital part of Hamiltonian and (ii) non-degenerate perturbation theory. The problem for = 90o is also analytically treated, through a basis composed of con uent hypergeometric functions. Results obtained by approach (i) are shown to be equivalent to those extracted from the analytical treatment, for a broad range of magnetic eld intensity and quantum well thickness. Such a result motivates the employment of the basis, determined for = 0o, to deal with tilted eld in the conduction band and with the treatment of valence band, based on the Luttinger model. The Luttinger Hamiltonian is expanded and diagonalized, in parallel and tilted magnetic eld con gurations, with respect to ^z. The energy branches as a function of the magnetic eld intensity are computed for the valence band when = 0o, = 35o, and = 70o. The two topmost states are selected, whose spin characters indicate that both predominantly have a heavy hole type with either spin-up or spin-down. From these levels, it is calculated the electron-hole pair spin splitting EZ, for quantum wells of di erent thickness and for angles 0o, 35o and 70o with respect to ^z. The connection with experimental results is performed by using the data of the Zeeman splitting obtained from a sample of multiple quantum wells made of gallium-aluminium arsenide, on which a magnetic eld is applied in = 0o and in = 70o. The calculated EZ show a reasonable agreement with the experimental data in both cases when = 0o and = 70o. / Este trabalho tem como objetivo determinar de maneira teórica, baseando-se no método kp, o espectro de energia do mínimo da banda de condução e do topo da banda de valência de uma heteroestrutura de poço quântico baseada em arseneto de gálio, na presença de um campo magnético inclinado em relação a sua direção de crescimento, definida aqui por z. As bandas de condução e de valência são tratadas de maneira independente neste trabalho. Para a banda de condução, o Hamiltoniano de massa efetiva e utilizado nas configurações de campo magnético paralelo, perpendicular e inclinado em relação à direção de confinamento do poço quântico. A base que soluciona o problema orbital em _ = 0o também _e aplicada aos casos de campo magnético perpendicular (_ = 90o) e de campo inclinado, utilizando duas abordagens: (i) expansão e diagonalização da parte orbital do Hamiltonino do sistema, e (ii) teoria de perturbação não degenerada. O problema em que _ = 90o também _e abordado de maneira analítica, por meio de uma base composta de funções hipergeométricas confluentes. Verifica que os resultados obtidos pela abordagem (i) são equivalentes aos obtidos pelo método analitico para uma faixa ampla de valores de campo magnético e largura do poço quântico. Esta equivalência motiva a utilização da base, obtida para _ = 0o, no caso do campo inclinado na banda de condução, e no tratamento da banda de valência, baseado no modelo de Luttinger. O Hamiltoniano de Luttinger _e expandido e diagonalizado, para as configurações de campo magnético paralelo e inclinado em relação a ^z. Os ramos de energia em função do campo magnético são calculados na banda de valência para _ = 0o, _ = 35º e para _ = 70o. Nesta mesma banda foram selecionados os dois estados mais energéticos, cujos caracteres de spin indicam que ambos são predominantemente do tipo buraco pesado com spin para cima ou para baixo. A partir destes niveis, o desdobramento de spin do par eletron-buraco _EZ _e calculado para poços quânticos de diversas espessuras e para os ângulos de inclinação do campo magnético em relação a ^z de 0o, 35o e 70o. A conexão com a abordagem experimental _e realizada por meio de dados de desdobramento Zeeman determinados para um amostra de poço quântico múltiplo constituído de arseneto de gálio-alumínio, sobre a qual foi aplicado campo magnético em _ = 0o e _ = 70o. As curvas _EZ calculadas neste trabalho mostram uma concordância razoável com os dados experimentais, tanto no caso _ = 0o quanto no caso _ = 70o.

Esta tese trata da modelagem das características eletrônicas de dispositivos semicondutores baseados em contatos Schottky heterodimensionais, definidos como contatos entre um metal e um sistema de dimensionalidade reduzida. Especificamente, este trabalho concentra-se na situação em que o metal é posto em contato direto com um gás eletrônico bidimensional presente na interface de uma heterojunção empregando dopagem modulada. Dispositivos de interesse são diodos Schottky, bem como estruturas do tipo metal-semicondutor-metal (MSM). Para a característica capacitância-tensão, C-V, é desenvolvido um modelo quasi-bidimensional que apresenta excelente concordância com os resultados experimentais disponíveis. Do ponto de vista da característica corrente-tensão, I-V, é apresentado um modelo unificado, considerando tanto o mecanismo de tunelamento, quanto o de emissão termoiônica. Nossas previsões teóricas, suportadas por alguns indicativos experimentais, sugerem que, para aplicações em fotodetecção, o uso de contatos heterodimensionais, substituindo junções metal-semicondutor convencionais, pode reduzir a corrente de escuro em pelo menos uma ordem de magnitude. / This thesis deals with the modeling of the electronic characteristics of semiconductor devices based on heterodimensional Schottky contacts, defined as contacts between a metal and a reduced dimensionality system. Specifically, this work focus on the situation in which a metal is placed in direct contact with a two dimensional electron gas located at the interface of a modulation doped heterojunction. Devices of interest are Schottky diodes as well as metal-semiconductor-metal (MSM) structures. For the capacitance-voltage characteristics a quasi two-dimensional model is developed, which yields very good agreement with available experimental results. For the current-voltage characteristics a unified model is presented, considering the tunneling as well as the thermionic emission mechanisms. Our theoretical predictions, supported by a few experimental findings, suggest that, for photodetection applications, the use of heterodimensional contacts, replacing conventional metal-semiconductor junctions, can reduce the dark current by at least one order of magnitude.

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.

Esta dissertação discute o desenvolvimento de modelos analíticos e numéricos para as características elétricas de transistores de fios quânticos. Sendo assim, realizou-se um estudo implementando uma sequência de formalismos e ferramentas computacionais para solução auto-consistente das equações de Schrödinger e Poisson para poços e fios quânticos. Com a utilização deste método numérico pode-se determinar os auto-estados os níveis de energias e as densidades eletrônicas de portadores livres, dentre outros parâmetros relevantes para dispositivos de fio quântico. Adicionalmente, realizou-se um estudo analítico das heteroestruturas semicondutoras de interesse para a área de dispositivos de dimensionalidade reduzida. Este estudo levou a obtenção de resultados referentes ao desenvolvimento de modelos teóricos para as características elétricas de dispositivos baseados no mecanismo de tunelamento ressonante. Os resultados obtidos para a característica corrente-tensão (I-V) nas heteroestruturas investigadas foram contrastados satisfatoriamente com os encontrados na literatura. Este ferramental analítico foi então aplicado para computar o coeficiente de transmissão eletrônico de um diodo de fio quântico com tunelamento ressonante. / This dissertation discusses the development of analytical and numerical models for the electrical characteristics of quantum wire transistors. A study is carried out, implementing a sequence of formalisms and computational tools for the self-consistent solution of the equations of Schrödinger and Poisson in quantum wells and quantum wires. By using this numerical formulation it is possible to determine the eigenstates, energy levels and free-carrier electronic density, among other relevant parameters for quantum wire devices. In addition, we also conducted an analytical study concerning semiconductor heetrostrucures of interest for reduced dimensionality devices applications. This study led to results regarding the development of theoretical models for the electrical characteristics of devices based on the resonant tunneling mechanism. The results obtained for the current-voltage (I-V) characteristics in the investigated heterostructures were satisfactorily compared to those available at the published literature and this analytical tool was then used to compute the electronic transmission coefficient in a resonant tunneling quantum wire diode.

Orientador: Newton Cesario Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estaual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T21:02:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vallini_Felipe_D.pdf: 6501837 bytes, checksum: 9c23f9afa5633adc0e7fa246e3bcafc5 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho são investigados os nanolasers de semicondutor do tipo metálico-dielétrico com injeção eletrônica. Com o uso de softwares robustos otimizamos as propriedades eletromagnéticas das cavidades propostas através da solução das equações de Maxwell em um meio material. Também resolvemos auto-consistentemente as equações de Poisson, de continuidade, de transporte e de Schroedinger para obter as propriedades eletrônicas da cavidade. Tal otimização, considerando a parte de confinamento do modo em conjunto com a parte da injeção eletrônica nunca havia sido proposta ou realizada para nanolasers. Estudamos o efeito do meio de ganho em um nanolaser desse tipo através da comparação do desempenho de um nanolaser com meio de ganho bulk e outro com meio de ganho de múltiplos poços quânticos. Essa análise foi feita inserindo um modelo de reservatório de portadores às equações de taxa convencionais para nanolasers. Fabricamos dois nanolasers, um com cada meio de ganho. Os nanolasers foram caracterizados e demonstramos que um meio de ganho bulk é mais adequado ao desenvolvimento de nanolasers de semicondutor metálico-dielétrico com bombeio eletrônico. Por fim, medimos um nanolaser com meio de ganho bulk a 77 K, o qual apresentou uma corrente de limiar da ordem de 2 mA, emissão em 1567 nm e largura de linha de 0.4 nm / Abstract: In this work we have investigated metallo-dielectric semiconductor nanolasers with electronic pumping. We have optimized the electromagnetic properties of the proposed cavities through the solution of Maxwell equations in a material media using robust software. We also solved self-consistently Poisson, continuity, transport and Schrodinger equations to obtain the electronic properties of the cavities. Such optimization, which considers the optical mode confinement together with the electronic injection, had not been proposed or realized for nanolasers yet. We have studied the effect of the gain media in this class of nanolaser comparing the performance of a nanolaser with bulk gain media and a nanolaser with multiple quantum wells gain media. This analysis was done inserting a reservoir model for carriers into conventional laser rate equations. We have fabricated two nanolasers, each one with one of the proposed gain media. The nanolasers were measured and we demonstrated that a bulk gain media is more suitable for the development of metallo-dielectric semiconductor nanolasers with electronic pumping. Finally, we have measured a bulk gain media nanolaser at 77 K, with a threshold current of 2 mA, emission at 1567 nm and a linewidth of 0.4 nm / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5738.pdf: 3104025 bytes, checksum: 27f8126e91dc4b23ddd37a2e733a23fa (MD5) Previous issue date: 2014-01-29 / Universidade Federal de Sao Carlos / In the present thesis, we realize a computational modeling of semiconductor structures based on multiple quantum wells with filter barriers and on quantum wells with semiconductor diluted magnetic layers. We numerically solve the time-dependent Schrödinger s equation within the effective mass approximation, using the Split Operator method. Through the time evolved wave functions we access the dynamics quantities as the light assisted couplings of the states, in which the light is described by the inclusion of an oscillating electric field in the Hamiltonian. Then we determine the probabilities of absorption, oscillator strengths of the intersubband transitions induced by the light. Moreover we analyze the transmission probabilities and, in special, the system s photocurrent. The eigenstates and the eigenfunctions of the stationary states are also obtained within the method by simply making an imaginary time evolution. In the first work, the photocurrent of a multiple quantum well structure with filter barriers modulating the continuum above the wells was analyzed as a function of the applied bias. We find out an interesting dependence of the photocurrent with the applied field, as a differential negative photoconductance controlled by the field. We attribute this negative conductance to the interaction between the localized and extended states in the continuum, expressed by anticrossings between these states and the enhancement of the photocurrent at the crossings by the Landau-Zener-Stückelberg-Majorama like transitions. In the second work, it was evaluated the spin polarized photocurrent arising from quantum well s structures of GaMnAs, under light, electric and magnetic fields of few teslas. The study shows the existence of spectral domains in the THz ranges for which the proposed structure is strongly spin selective. For such photon frequencies, the photocurrent is spin polarized and the application of the external electric field reverts the polarization s signal. This behavior suggests the possibility of conveniently simple switching mechanisms. The physics underlying these results is studied and understood in terms of the spin-dependent coupling strengths emerging from the particular potential profiles of the heterostructures. We present two additional works related to the main ones. In the first additional one, we evaluated the dark current of the multiple quantum well structure with and without filter barriers. For doing this, we add totally the transmission probability through the structure in the Levine s model for the dark current. We observe that dark current is considerably reduced for the structure with the filter barriers when compared to the structure without these barriers. In the second additional work, we calculate the photocurrent in a ZnMnSe structure. We observe the generation of a spin polarized photocurrent controlled by the external electric field, as in the case of the GaMnAs structures. / Na presente tese, realizamos a modelagem computacional de estruturas semicondutoras baseadas em poços quânticos múltiplos com barreiras de filtro e em poços quânticos com camadas de material semicondutor magnético diluído. Para tanto, resolvemos numericamente a equação de Schrödinger dependente do tempo na aproximação de massa efetiva, por meio da evolução temporal das funções de onda do sistema, utilizando o chamado método do Split- Operator. Com as funções de onda evoluídas no tempo temos acesso às variáveis dinâmicas do sistema, como os acoplamentos entre os estados pela presença de luz, descrita na forma de um campo elétrico oscilante. Determinamos assim as probabilidades de absorção, forças de oscilador das transições intersubbandas geradas por essa excitação com luz, as probabilidades de transmissão através da estrutura e, em especial, o espectro de fotocorrente proveniente desses sistemas semicondutores. As autofunções e as autoenergias dos estados estacionários dos sistemas são obtidas pelo mesmo método realizando a evolução em tempo imaginário. No primeiro trabalho, a fotocorrente da estrutura de poços quânticos múltiplos com barreiras de filtro foi analisada em função do campo elétrico aplicado à estrutura. Foi encontrada uma dependência da fotocorrente com o campo elétrico bastante interessante, na forma de uma fotocondutância negativa controlada pelo campo elétrico aplicado à heteroestrutura. Atribuímos essa condutância negativa à interação entre estados localizados e estendidos no continuo se manifestando na forma de anticrossings e o aumento da fotocorrente para os valores de campo elétrico nos quais ocorrem esses crossings foi associado a transições de dois níveis do tipo Landau-Zener-Stückelberg-Majorama. No segundo trabalho, foi calculada a fotocorrente polarizada em spin de estruturas de poços quânticos de GaMnAs, na presença de um campo elétrico varável e um campo magnético de poucos teslas. O estudo mostrou a existência de domínios espectrais na região de THz do espectro eletromagnético, para os quais as estruturas propostas são altamente seletivas em spin. Para tais frequências, encontramos que a fotocorrente é polarizada em spin e a aplicação do campo elétrico é capaz de reverter forma muito eficiente o sinal da polarização. O comportamento observado sugere a possibilidade de mecanismos simples de controle sobre a fotocorrente e a Física por trás de tais efeitos foi entendida em termos dos acoplamentos dependentes de spin dos estados da estrutura, emergentes do perfil de potencial particular das heteroestruturas. Apresentamos dois trabalhos adicionais diretamente relacionados aos trabalhos principais. No primeiro trabalho, calculamos a corrente de escuro proveniente da estrutura de poços quânticos múltiplos com e sem barreiras de filtro, adicionando de forma integral a probabilidade de transmissão através da estrutura no modelo de Levine que determina essa corrente. Observamos que a presença das barreiras de filtro diminui significativamente a corrente de escuro dessa estrutura no regime de altos valores de campo elétrico. No segundo trabalho adicional, foi calculada a fotocorrente de uma estrutura de PQ com camada DMS, composta por ZnMnSe. Observamos a possibilidade de controle da polarização de spin com o campo elétrico, assim como no caso da estrutura composta de GaMnAs.

Neste trabalho, apresentamos estudos sobre o magnetotransporte em um sistema de bicamadas com uma rede de antipontos triangulares em campos magnéticos baixos sob a aplicação de campos elétricos externos, que são produzidos por voltagens de porta. A bicamada é feita em poços quânticos largos (wide quantum well) de alta densidade eletrônica, formado em heteroestruturas semicondutoras de AlxGa1xAs=GaAs. Oscila- ções magneto-inter-sub-banda (MIS) são observadas em poços quânticos largos de alta densidade eletrônica com duas sub-bandas ocupadas. Estas são originadas pelo espalhamento inter-sub-bandas e tem um máximo para campos magnéticos B que satisfazem a condição de alinhamento entre os leques dos níveis de Landau de cada sub-banda. Oscila- ções de comensurabilidade são observadas na magnetoresistência que é sensível ao arranjo do potencial dos antipontos. A aplicação de campos elétricos faz diminuir o número de oscilações na magnetoresistência para campos magnéticos compreendidos entre 0; 1T e 0; 4T, observando-se uma transição das oscilações MIS aos efeitos de comensurabilidade. Aplicando voltagens de porta podemos variar a amplitude do potencial dos antipontos. / In this work, we present studying about magnetotransport in a bilayer system with triangular antidot lattices in low magnetic elds under the application of external electric eld. The bilayer forms inside a wide quantum well of high electron density in semiconductor heterostructures formed by AlxGa1xAs=GaAs. Magneto-inter-subband (MIS) oscillations are observed in a wide quantum wells of high electron density with two subbands occupied, and they are caused by intersubband scattering and have a maximum for a magnetic eld B that satises the alignment condition between the staircase of Landau level. Commensurability oscillations are observed in magnetoresistance, which is sensitive to the potential of antidot arrangements. The application of electric elds decrease the number of oscillations in the magnetoresistance for magnetic elds between 0; 1T and 0:4T, showing a transition of MIS oscillations to commensurability oscillations. We varied the amplitude of the potential of the antidots applying dierent gate voltages.

Since a decade, spintronics and related physics have attracted considerable attention due to the massive research conducted in these areas. The main reason for growing interest in these fields is the expectation to use the electrons spin instead of or in addition to the charge for the applications in spin-based electronics, quantum information, and quantum computation. A prime concern for these spins to be possible candidates for carrying information is the ability to coherently control them on the time scales much faster than the decoherence times. This thesis reports on the spin dynamics in two-dimensional electron gases hosted in artificially grown III-V semiconductor quantum wells. Here we present a series of experiments utilizing the techniques to optically control the spin polarization triggered by either optical or electrical methods i.e. well known pump-probe technique and current-induced spin polarization. We investigated the spin coherence in high mobility dense two-dimensional electron gas confined in GaAs/AlGaAs double and triple quantum wells, and, it\'s dephasing on the experimental parameters like applied magnetic field, optical power, pump-probe delay and excitation wavelength. We have also studied the large spin relaxation anisotropy and the influence of sample temperature on the long-lived spin coherence in triple quantum well structure. The anisotropy was studied as a function sample temperature, pump-probe delay time, and excitation power, where, the coherent spin dynamics was measured in a broad range of temperature from 5 K up to 250 K using time-resolved Kerr rotation and resonant spin amplification. Additionally, the influence of Al concentration on the spin dynamics of AlGaAs/AlAs QWs was studied. Where, the composition engineering in the studied structures allows tuning of the spin dephasing time and electron g-factor. Finally, we studied the macroscopic transverse drift of long current-induced spin coherence using non-local Kerr rotation measurements, based on the optical resonant amplification of the electrically-induced polarization. Significant spatial variation of the electron g-factor and the coherence times in the nanosecond scale transported away half-millimeter distances in a direction transverse to the applied electric field was observed. / Há uma década, a spintrônica e outras áreas relacionadas vêm atraindo considerável atenção, devido a enorme quantidade de pesquisa conduzidas por elas. A principal razão para o crescente interesse neste campo é a expectativa da aplicação do controle do spin do elétron no lugar ou em adição à carga, em dispositivos eletrônicos e informação e computação quânticas. A possibilidade destes spins carregarem informação depende, primeiramente, da habilidade de controlá-los coerentemente, em uma escala de tempo muito mais rápida do que o tempo de decoerência. Esta tese trata da dinâmica de spins em gases de elétrons bidimensionais, em poços quânticos de semicondutores III-V, crescidos artificialmente. Nós apresentamos uma série de experimentos, utilizando técnicas para o controle ótico da polarização de spin, desencadeadas por métodos óticos ou eletrônicos, ou seja, técnicas conhecidas de bombeio e prova e polarização de spin induzida por corrente. Nós investigamos a coerência de spin em gases bidimensionais, confinados em poços quânticos duplos e triplos de GaAs/AlGaAs e a dependência da defasagem com parâmetros experimentais, como campo magnético externo, potência ótica, tempo entre os pulsos de bombeio e prova e comprimento de onda da excitação. Também estudamos a grande anisotropia de relaxação de spin como função da temperatura da amostra, potência de excitação e defasagem entre bombeio e prova, medidos para uma vasta gama de temperatura, entre 5K e 250K, usando Rotação de Kerr com Resolução Temporal (TRKR) e Amplificação Ressonante de Spin (RSA). Além disso estudamos a influência da concentração de Al na dinâmica dos poços de AlGaAs/AlAs, para o qual a engenharia da composição da estrutura permite sintonizar o tempo de defasagem de spin e o fator $ g $ do elétron. Por fim, estudamos a deriva transversal macroscópica da longa coerência de spin induzida por corrente, através de medidas de Rotação de Kerr não-locais, baseadas na amplificação ressonante ótica da polarização eletricamente induzida. Observamos uma variação espacial significante do fator $ g $ e do tempo de vida da coerência, na escala de nanosegundos, deslocada distâncias de meio milímetro na direção transversa ao campo magnético aplicado.

Estruturas semicondutoras com dopagem planar são sistemas de considerável interesse tanto para a a pesquisa básica como para a aplicação em dispositivos. Neste trabalho caracterizamos estruturas semicondutoras com dopagem planar tipo n ou p, utilizando técnicas de espectroscopia ótica tais como fotoluminescencência (PL) e fotoluminescência-excitação (PLE). As amostras foram crescidas com a técnica de Epitaxia por Feixe Molecular (BEM, Molecular Beam Epitaxy) no Laboratório de Novos Materiais Semicondutores (LNMS) do IFUSP, com exceção das amostras com dopagem planar tipo p que foram crescidas nos laboratórios do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais. Investigamos as propriedades eletrônicas de super-redes de GaAs com dopagem planar de silício, em função da concentração dos átomos dopantes, mantendo-se fixa a distância entre os planos de dopagem. Através da comparação de nossos resultados experimentais com os de cálculos autoconsistentes da estrutura eletrônica das super-redes, identificamos a origem de todas as emissões observadas nos espectros de PL. As emissões principais (denominada bandas B) foram identificadas como oriundas do processo de recombinação radiativa dos portadores do gás bidimensional de elétrons (2DEG) com buracos fotogerados na banda de valência. Outras emissões (denominadas bandas A) foram associadas com o processo de recombinação dos elétrons do 2DEG com impurezas de Carbono. Analisamos também amostras de poços quânticos de InGaAs/GaAs com dopagem planar de Silício. Nestes sistemas, devido à presença de impurezas (que atuam como centros de espalhamento) e variações na composição da liga de InGaAs (que dão origem à localização de buracos), transições com e /ou sem conservação de quase-momento envolvendo estados de buraco estendidos e/ou localizados constituem os possíveis processos de recombinação radiativa entre os elétrons do 2DEG e os buracos fotogerados. Neste trabalho, investigamos os processos de recombinação dos elétrons do 2DEG com os buracos gerados por excitação ótica comparando a forma de linha dos espectros experimentais e teóricos de PL. Estruturas semicondutoras de GaAs contendos um único plano de átomos de Berílio (dopagem tipo p ) também foram analisadas neste trabalho. Os resultados de nossas investigações evidenciam a existência de um potencial fotoinduzido, que confina os elétrons fotogerados. O processo de formação deste potencial é discutido neste trabalho. / Delta-doped semiconductor structures are systems of considerable interest for basic research and device applications. In this work, we performed the characterization of n or p-type semiconductor structures, using spectroscopic tecniques as photoluminescence (PL), photoluminescence-excitation (PLE) and selective photoluminescence (SPL). The samples were grown by Molecular Beam Epitaxy (BEM) at LNMS (Laboratório de Novos Materias Semicondutores) of IFUSP anda t Physical Department of UFMG. The electronic structure of Silicon delta-doped GaAs super-lattices with different donor concentrations in the delta-doped layer and a fixed distance between adjacent Si-doped layers was investigated. Though the comparison o four experimental results with the superlattices electronic structure calculated self-consistently we identified the origino f all observed in PL spectra structures. The principal emissions (denominated as bands B) are due to recombination of two-dimensional electron gás (due to delta doping) with photocreated holes in Valence band. Other spectral features (denominated as bands A) were associated with recombination of two dimensional electron gás and Carbon impurity. We analyzed PL spectra of InGaAs/GaAs quantum well samples with Silicon delta doping. In this systems recombination of electrons from two-dimensional gas with photocreated holes through the transitions with or without quase-momentum conservation were observed in PL spectra. Comparing experimental and theoretical lineshape, we are able to determine optical transitions in which holes in localize dor extended states took part. Localization of holes in Valence band is due to fluctuations in dopant distribution in the delta-doped layer. Moreover, GaAs with Beryllium delta doping (p-type) were analyzed in this work . Results o four investigation shown the existence of a photoinduced potential, which confine photocreated electrons in strutures of this type. Formation processo f this potential is discussed in this work.