This thesis deals with infrared studies of impurity states, ultrafast carrier dynamics as well as coherent intersubband polarizations in semiconductor quantum structures such as quantum wells and superlattices, based on the GaAs/AlGaAs material system. In the first part it is shown that the 2pz confined impurity state of a semiconductor quantum well develops into an excited impurity band in the case of a superlattice. This is studied by following theoretically the transition from a single to a multiple quantum well or superlattice by exactly diagonalizing the three-dimensional Hamiltonian for a quantum well system with random impurities. Intersubband absorption experiments, which can be nearly perfectly reproduced by the theory, corroborate this interpretation, showing that at low temperatures in the low doping density regime all optical transitions originate from impurity transitions. These results also require reinterpretation of previous experimental data. The relaxation dynamics of interminiband transitions in doped GaAs/AlGaAs superlattices in the mid-IR are studied. This involves single-color pump-probe measurements to explore the dynamics at different wavelengths, which is performed with the Rossendorf freeelectron laser (FEL), providing picosecond pulses in a range from 3-200 µm and are used for the first time within this thesis. In these experiments, a fast bleaching of the interminiband transition is observed followed by thermalization and subsequent relaxation, whose time constants are determined to be 1-2 picoseconds. This is followed by an additional component due to carrier cooling in the lower miniband. In the second part, two-color pump-probe measurements are performed, involving the FEL as the pump source and a table-top broad-band tunable THz source for probing the transmission changes. These measurements allow a separate specification of the cooling times after a strong excitation, exhibiting time constants from 230 ps to 3 ps for different excitation densities and miniband widths. In addition, the dynamics of excited electrons within the minibands is explored and their contribution quantitatively extracted from the measurements. Intersubband absorption experiments of photoexcited carriers in single quantum well structures, measured directly in the time-domain, i.e. probing coherently the polarization between the first and the second subband, are presented. From the data we can directly extract the density and temperature dependence of the intersubband dephasing time between the two lowest subbands, ranging from 50 up to 400 fs. This all optical approach gives us the ability to tune the carrier concentration over an extremely wide range which is not accessible in a doped quantum well sample. By varying the carrier density, many-body effects such as the depolarization and their influence on the spectral position as well as on the lineshape on the intersubband dephasing are studied. Also the difference of excitonic and free-carrier type excitation is discussed, and indication of an excitonic intersubband transition is found.

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The emperical pseudopotential method in the large basis approach was used to calculate the electronic bandstructures of bulk semiconductor materials and layered semiconductor heterostructures. The crucial continuous atomic form factor potentials needed to carry out such calculations were determined by using Levenberg-Marquardt optimization in order to obtain optimal cubic spline interpolations of the potentials. The optimized potentials were not constrained by any particular functional form (such as a linear combination of Gaussians) and had better convergence properties for the optimization. It was demonstrated that the results obtained in this work could potentially lead to better agreement between calculated and empirically determined band gaps via optimization / Physics / M. Sc. (Physics)

Utilizou-se um Hamiltoniano KP (6x6) do tipo Kane para, se estudar a estrutura de bandas e níveis de Landau para heteroestruturas de semicondutores zincblende dos grupos III-V e II-VI. Os efeitos do acoplamento entre as bandas de condução e valência, da mistura dos estados da banda de valência, da não-parabolicidade dos níveis, da total degenerescência dos níveis, do warping e das descontinuidades das massas efetivas nas heterointerfaces são levados em conta. Mostrou-se que a interação entre as bandas de condução e valência não pode ser desprezada, mesmo para semicondutores de gap largo, como citado em trabalhos existentes na literatura. Para um estudo sistemático do modelo, utilizou-se um poço quântico de GaAs Ga(Al)As e então aplicou-se o modelo a um sistema de semicondutores semi-magnéticos (poço quântico de CdTe Cd(Mn)Te). / A Kane-like (6x6) KP Hamiltonian is used to study the subband structure and Landau levels for group III-V and group II-VI zincblende semiconductor heterostructures. The effects of conduction-valence band coupling, valence band states mixing, nonparabolicity of the levels, the full degeneracy of the levels, warping and effective masses discontinuities at the heterointerfaces are taken into account. It is shown that the interaction between conduction-valence bands cannot be neglected, even so the semicondutctor have wide gap, as claimed in previous work in the literature. GaAs-Ga(Al)As quantum well was used as a model for a systematic study of the effects of each effective KP parameters. Then, it was applied to the study the subband structure of semi-magnetic semiconductor system (a quantum well of CdTe-Cd(Mn)Te.

Diese Arbeit stellt eine gründliche Analyse der Schwerpunktsbewegung von Exzitonen in Halbleiter-Quantengräben und -Quantendrähten dar. Dabei wurde die k.p-Kopplung der schweren und leichten Löcher im Valenzband sowie das Coulomb-Potential voll berücksichtigt. Die Optimierung der Schwerpunktstransformation auf der Basis eines Ansatzes für die Abhängigkeit des Grundzustands des Exzitons vom Schwerpunktsimpuls Q ermöglichte numerische Ergebnisse hoher Qualität. Es zeigt sich nämlich, daß in einer Subbandentwicklung die Enveloppe des Grundzustands des Exzitons in guter Näherung unabhängig vom Schwerpunktsimpuls ist. So konnten erstmalig Multiband-Exziton-Berechnungen in Quantendrähten mit voller Berücksichtigung der Coulomb-Wechselwirkung durchgeführt werden. Die in dieser Arbeit dargestellten Untersuchungen zeigen interessante physikalische Effekte auf, wie beispielsweise eine nichtmonotone Zunahme der Bindungsenergie des exzitonischen Grundzustands mit wachsendem Q und einen zur entsprechenden Kontinuumskante weitestgehend parallelen Verlauf der Dispersion des exzitonischen Grundzustands. Die Optimierung der Schwerpunktstransformation führt außerdem zu einem analytischen Ausdruck für eine mittlere Masse, die relevant für den exzitonischen Grundzustand ist. / This thesis presents a thorough investigation of the center-of-mass dispersion properties of excitons in semiconductor quantum wells and quantum wires. The k.p coupling of heavy and light holes as well as the Coulomb coupling are taken fully into account. High-quality numerical calculations of the exciton center-of-mass dispersion are achieved by optimizing the center-of-mass transformation, making use of an Ansatz for the dependence of the groundstate exciton upon the center-of-mass momentum Q. Indeed, the envelope in the subband expansion of the groundstate exciton is to a good approximation independent of Q. This technique made possible for the first time multiband calculations in quantum wires that take the Coulomb coupling fully into account. Various physically interesting effects are found and investigated, like, e.g., the non-monotonous increase of the exciton groundstate binding energy with Q or the fact that the exciton groundstate energy follows the exciton continuum edge rather closely. The center-of-mass optimization leads also to an analytical expression for an estimate of the exciton groundstate center-of-mass mass.

Utilizou-se um Hamiltoniano KP (6x6) do tipo Kane para, se estudar a estrutura de bandas e níveis de Landau para heteroestruturas de semicondutores zincblende dos grupos III-V e II-VI. Os efeitos do acoplamento entre as bandas de condução e valência, da mistura dos estados da banda de valência, da não-parabolicidade dos níveis, da total degenerescência dos níveis, do warping e das descontinuidades das massas efetivas nas heterointerfaces são levados em conta. Mostrou-se que a interação entre as bandas de condução e valência não pode ser desprezada, mesmo para semicondutores de gap largo, como citado em trabalhos existentes na literatura. Para um estudo sistemático do modelo, utilizou-se um poço quântico de GaAs Ga(Al)As e então aplicou-se o modelo a um sistema de semicondutores semi-magnéticos (poço quântico de CdTe Cd(Mn)Te). / A Kane-like (6x6) KP Hamiltonian is used to study the subband structure and Landau levels for group III-V and group II-VI zincblende semiconductor heterostructures. The effects of conduction-valence band coupling, valence band states mixing, nonparabolicity of the levels, the full degeneracy of the levels, warping and effective masses discontinuities at the heterointerfaces are taken into account. It is shown that the interaction between conduction-valence bands cannot be neglected, even so the semicondutctor have wide gap, as claimed in previous work in the literature. GaAs-Ga(Al)As quantum well was used as a model for a systematic study of the effects of each effective KP parameters. Then, it was applied to the study the subband structure of semi-magnetic semiconductor system (a quantum well of CdTe-Cd(Mn)Te.

Esta tese compõe-se de contribuições à física das propriedades eletrônicas das heteroestruturas semicondutoras. São investigadas propriedades eletrônicas das duas hetero­estruturas básicas: o poço quântico e a super-rede. Considera-se o poço quântico dopado com impurezas rasas e estudam-se as suas propriedades eletrônicas nos regimes de poço fraca e altamente dopado. No caso de baixa densidade de impurezas é feita uma simulação Monte Carlo. É utilizado um modelo semi-clássico de band de impureza. A interação elétron-elétron é incluída de forma exata e são calculadas as seguintes propriedades do estado fundamental à temperatura zero: densidade de estados de uma partícula, distribuição de carga, energia de Fermi e distribuição do campo elétrico sobre os doadores neutros, todas em função do grau de compensação, da densidade de impurezas e da largura do poço. É observada uma. grande dependência com a compensação. Os resultados são explicados à luz da competição entre os efeitos de desordem e confinamento. É observada a ocorrência de Coulomb Gap característico de sistemas bidimensionais. Mostra-se que a. distribuição de carga possui largura e constante de decaimento determinados independentemente pela compensação e pela concentração de impurezas, respectivamente. Tais resultados são importantes para a caracterização de poços quânticos puros. No limite altamente dopado parte-se de um modelo light-binding desordenado e calcula­se a densidade de estados de uma partícula formada devido ao overlapping entre os estados localizados; utiliza-se o método de Matsubara e Toyosawa. para a obtenção da média sobre configurações. Discutem-se os efeitos da desordem diagonal introduzida pelo potencial de confinamento os quais são comparados com os da. desordem não-diagonal. São apresentados resultados para a densidade de estados em função do grau de confinamento e concentração de impurezas para poços e fios quânticos. Sâo estudadas as propriedades eletrônicas das super-redes sob campo magnético transversal à direção de crescimento. Mostra-se que esta configuração é ideal para o estudo das características básicas das super-redes: a estrutura de mini bandas e o tunelamento. Calculam-se as sub-bandas de condução utilizando a teoria de massa efetiva de muitas bandas. Introduz-se a idéia de massa efetiva renormalizada para barreiras semicondutoras. Comparam-se os resultados com dados experimentais de ressonância ciclotrônica. A ótima concordância obtida demonstra a grande importância e a utilidade do conceito de massa efetiva renormalizada para barreiras semicondutoras, que é uma maneira nova e simples de lidar com as soluções evanescentes. / This thesis is composed of contributions to the theory of electronic properties of semicon­ ductor heterostructures. Electronic properties of the basic two heterostructures (quantum well and superlattice) are investigated. A quantum well doped with shallow impurities is considered and its electronic properties are studied in both limits: lightly and heavily doped. In the first case a Monte Carlo simula­ tion technique is used. A semiclassical impurity band model is used . The electron-electron interaction is included exactly and properties of the ground state such as the density of single particle states, the charge distribution, the Fermi energy and the electric field di tribution on the neutra/ donors are calculated, all of them as a function of the degree of compensation, the impurity concentration and the width of the well. A great dependency with the compensation is observed. The results are explained by the competition between the effects of disorder and confinement. The existence of a Coulomb Gap is verified . The charge distribution is shown to have a width and decay rate given by the degree of compensation and impurity concentration, in this order. Such results are important to characterize pure quantum wells. On the heavily doped limit, a disordered tight-binding model is used and the density of states that is formed by the overlapping of localized states is calculated by using the method of Matsubara and Toyosawa for the configuration average. The diagonal disord er effect introduced by the confinement potential is considered and compared to that of the non­ diagonal disorder. Results of the density of states as a function of the degree of confinement and impurity concentration for quantum wells and wires are presented. The electronic propertie s of a superlattice under a magnetic field which is transversal to the growth direction are studied. Jt is shown that this configuration is id eal for the study of the basic characteristics of the superlattices: the subband structure and the tunneling. The conduction subbands are calculated by using the theory of many bands effective mass. The idea of renormalized effective mass for barriers is introduced. The obtained level spacings are compared with cyclotron resonance experimental data (infrared absorption). The good agreement obtained demonstrates the importance and usefulness of the renormalized effective mass, which is a new and simple way to handle evanescent waves.

Esta pesquisa engloba o estudo e desenvolvimento de novas heteroestruturas semicondutoras, tomando como base as estruturas SOI (Silicon-On-Insulator - silício sobre isolante) obtidas pela técnica Smart Cut, estudadas nestes últimos anos no Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Esta técnica combina a solda direta para a união de lâminas e a implantação iônica (I/I) de íons leves para a separação de camadas especificadas. São essenciais na preparação destas estruturas SOI, processos de I/I, limpeza e ativação das superfícies das lâminas e recozimentos em fornos a temperaturas moderadas. Estudamos também, diferentes métodos para a obtenção de novas heteroestruturas, basicamente combinando as técnicas de fabricação da estrutura SOI e os métodos de formação do carbeto de silício (SiC), que chamaremos de heteroestruturas SiCOI (Silicon Carbide-On-Insulator). O método usado para a formação do SiC depende, em cada caso, das características desejadas para o filme que, ao mesmo tempo, estão relacionadas com a aplicação à qual estará destinado. Analisamos três métodos de obtenção do material SiC com características específicas diferentes. A metodologia proposta aborda as seguintes tarefas: Tarefa 1: Obtenção de estruturas SOI pelo método convencional utilizado em trabalhos anteriores e melhoramento das características superficiais da estrutura resultante. Tarefa 2: partindo de uma lâmina de Si previamente coberta por uma camada isolante, fabricar a heteroestrutura SiC/isolante/Si, onde a camada de SiC é crescida pelo método de deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD). O filme obtido por deposição PECVD é amorfo e portanto são necessárias etapas de cristalização posteriores ao crescimento. Tarefa 3: partindo de uma estrutura SOI, fabricar a heteroestrutura SiC/SiO2/Si, onde a camada de SiC é obtida por implantação de íons de carbono (C+) na camada ativa de Si da estrutura SOI para sua transformação em SiC. Tarefa 4: partindo de uma estrutura SOI, fabricar a heteroestrutura SiC/SiO2/Si, onde a camada de SiC é obtida por conversão direta da camada ativa de Si da estrutura SOI em SiC como resultado da carbonização do Si usando exposição a ambiente de hidrocarbonetos. Como resultado deste trabalho foram obtidas estruturas SOI Smart Cut com valor médio de rugosidade superficial dentro dos valores esperados segundo a bibliografia consultada. Durante o desenvolvimento de heteroestruturas SiC/isolante/Si obtidas utilizando a técnica de PECVD obtivemos filmes com boas características estruturais. Os recozimentos feitos em ambiente de N2 aparentemente trazem resultados satisfatórios, conduzindo à completa cristalização dos filmes. Nas análises feitas para a fabricação de heteroestruturas SiC/isolante/Si utilizando I/I de carbono confirma-se a formação de c-SiC depois de realizado o recozimento térmico. / In this work we study new semiconductors heterostructures, based on SOI (Silicon-On- Insulator) structures obtained by \"Smart-Cut\" process, that were studied in the last years at Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). This technique combines high-dose hydrogen ion implantation (I/I) and direct wafer bonding. To produce SOI structures some processes are essential: I/I process, cleaning and activation of the surfaces, and conventional thermal treatments at moderated temperatures. We also investigate different methods to obtain new heterostructures, basically combining SOI technologies and silicon carbide (SiC) growth processes, which will be called as SiCOI (Silicon Carbide-On-Insulator) heterostructures. The utilized methods to obtain the SiC are related, in each case, with the desired film\'s characteristics, which at the same time are associated with the final application. We analyze three methods to obtain SiC material with specific different characteristics. The proposed methodology approaches the following tasks: Task 1: Fabrication of SOI structures by the conventional technology previously used by us, and the improvement of superficial characteristic of the final structure. Task 2: Fabrication of SiC/insulator/Si heterostructures from Si substrate previously covered with an insulator capping layer, where the SiC layer is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The PECVD film is amorphous and therefore, a thermal annealing step is necessary for crystallization. Task 3: Fabrication of SiC/SiO2/Si heterostructures from SOI structure, where the SiC layer is synthesized through a high dose carbon implantation into the thin silicon overlayer of a SOI wafer. Task 4: Fabrication of SiC/SiO2/Si heterostructures from SOI structure, where the SiC layer is achieved by direct carbonization conversion of the silicon overlayer of a SOI wafer In this work we have obtained Smart Cut SOI structures with surface roughness similar to the previous reported. We also obtained SiC/insulator/Si heterostructures with good structural characteristics using PECVD technique. The investigated N2 thermal annealing appears to be suitable for the crystallization of all the amorphous films deposited by PECVD. We have shown the possibility of using carbon ion implantation and subsequent thermal annealing to form c-SiC for SiC/insulator/Si heterostructures.

Esta pesquisa engloba o estudo e desenvolvimento de novas heteroestruturas semicondutoras, tomando como base as estruturas SOI (Silicon-On-Insulator - silício sobre isolante) obtidas pela técnica Smart Cut, estudadas nestes últimos anos no Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Esta técnica combina a solda direta para a união de lâminas e a implantação iônica (I/I) de íons leves para a separação de camadas especificadas. São essenciais na preparação destas estruturas SOI, processos de I/I, limpeza e ativação das superfícies das lâminas e recozimentos em fornos a temperaturas moderadas. Estudamos também, diferentes métodos para a obtenção de novas heteroestruturas, basicamente combinando as técnicas de fabricação da estrutura SOI e os métodos de formação do carbeto de silício (SiC), que chamaremos de heteroestruturas SiCOI (Silicon Carbide-On-Insulator). O método usado para a formação do SiC depende, em cada caso, das características desejadas para o filme que, ao mesmo tempo, estão relacionadas com a aplicação à qual estará destinado. Analisamos três métodos de obtenção do material SiC com características específicas diferentes. A metodologia proposta aborda as seguintes tarefas: Tarefa 1: Obtenção de estruturas SOI pelo método convencional utilizado em trabalhos anteriores e melhoramento das características superficiais da estrutura resultante. Tarefa 2: partindo de uma lâmina de Si previamente coberta por uma camada isolante, fabricar a heteroestrutura SiC/isolante/Si, onde a camada de SiC é crescida pelo método de deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD). O filme obtido por deposição PECVD é amorfo e portanto são necessárias etapas de cristalização posteriores ao crescimento. Tarefa 3: partindo de uma estrutura SOI, fabricar a heteroestrutura SiC/SiO2/Si, onde a camada de SiC é obtida por implantação de íons de carbono (C+) na camada ativa de Si da estrutura SOI para sua transformação em SiC. Tarefa 4: partindo de uma estrutura SOI, fabricar a heteroestrutura SiC/SiO2/Si, onde a camada de SiC é obtida por conversão direta da camada ativa de Si da estrutura SOI em SiC como resultado da carbonização do Si usando exposição a ambiente de hidrocarbonetos. Como resultado deste trabalho foram obtidas estruturas SOI Smart Cut com valor médio de rugosidade superficial dentro dos valores esperados segundo a bibliografia consultada. Durante o desenvolvimento de heteroestruturas SiC/isolante/Si obtidas utilizando a técnica de PECVD obtivemos filmes com boas características estruturais. Os recozimentos feitos em ambiente de N2 aparentemente trazem resultados satisfatórios, conduzindo à completa cristalização dos filmes. Nas análises feitas para a fabricação de heteroestruturas SiC/isolante/Si utilizando I/I de carbono confirma-se a formação de c-SiC depois de realizado o recozimento térmico. / In this work we study new semiconductors heterostructures, based on SOI (Silicon-On- Insulator) structures obtained by \"Smart-Cut\" process, that were studied in the last years at Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). This technique combines high-dose hydrogen ion implantation (I/I) and direct wafer bonding. To produce SOI structures some processes are essential: I/I process, cleaning and activation of the surfaces, and conventional thermal treatments at moderated temperatures. We also investigate different methods to obtain new heterostructures, basically combining SOI technologies and silicon carbide (SiC) growth processes, which will be called as SiCOI (Silicon Carbide-On-Insulator) heterostructures. The utilized methods to obtain the SiC are related, in each case, with the desired film\'s characteristics, which at the same time are associated with the final application. We analyze three methods to obtain SiC material with specific different characteristics. The proposed methodology approaches the following tasks: Task 1: Fabrication of SOI structures by the conventional technology previously used by us, and the improvement of superficial characteristic of the final structure. Task 2: Fabrication of SiC/insulator/Si heterostructures from Si substrate previously covered with an insulator capping layer, where the SiC layer is deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The PECVD film is amorphous and therefore, a thermal annealing step is necessary for crystallization. Task 3: Fabrication of SiC/SiO2/Si heterostructures from SOI structure, where the SiC layer is synthesized through a high dose carbon implantation into the thin silicon overlayer of a SOI wafer. Task 4: Fabrication of SiC/SiO2/Si heterostructures from SOI structure, where the SiC layer is achieved by direct carbonization conversion of the silicon overlayer of a SOI wafer In this work we have obtained Smart Cut SOI structures with surface roughness similar to the previous reported. We also obtained SiC/insulator/Si heterostructures with good structural characteristics using PECVD technique. The investigated N2 thermal annealing appears to be suitable for the crystallization of all the amorphous films deposited by PECVD. We have shown the possibility of using carbon ion implantation and subsequent thermal annealing to form c-SiC for SiC/insulator/Si heterostructures.

This work investigates the defect energies, band alignments, and charge carrier recombination in polycrystalline Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2 chalcopyrite thin films and the interrelationship with the alloy composition. Photoluminescence spectroscopy of investigated Cu-poor Cu(In,Ga)(Se,S)2 layers generally shows broad emission lines with the corresponding maxima shifting towards higher energies under decreasing temperature or under increasing excitation power. Admittance spectroscopy of Cu-poor ZnO/CdS/Cu(In,Ga)(Se,S)2 chalcopyrite devices shows that the activation energies of the dominant defect distributions involving donors at the CdS/absorber interface and deep acceptors in the chalcopyrite bulk, increase upon alloying CuInSe2 with S. The band alignments within the Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2 system are determined using the energy position of the bulk acceptor state as a reference. The band gap enlargement under Ga alloying is accommodated almost exclusively in the rise of the conduction band edge, whereas the increase of band gap upon alloying with S is shared between comparable valence and conduction band offsets. The extrapolated band discontinuities [delta]EV(CuInSe2/CuInS2) = -0.23 eV, [delta]EC(CuInSe2/CuInS2) = 0.21 eV, [delta]EV(CuInSe2/CuGaSe2) = 0.036 eV, and [delta]EC(CuInSe2/CuGaSe2) = 0.7 eV are in good agreement with theoretical predictions. Current-voltage analysis of Cu-poor ZnO/CdS/Cu(In,Ga)(Se,S)2 devices reveals recombination barriers which follow the band gap energy of the absorber irrespective of alloy composition, as expected for dominant recombination in the chalcopyrite bulk. In turn, the recombination at the active junction interface prevails in Cu-rich devices which display substantially smaller barriers when compared to the band gap energy of the absorber. The result indicates that the Cu-stoichiometry is the driving compositional parameter for the charge carrier recombination in the chalcopyrite heterojunctions under investigations.