Amostras de Semicondutores III-V foram crescidas usando a técnica de Epitaxia por feixes Moleculares. As propriedades elétricas das estruturas de GaAs com dopagem planar com Silício foram investigadas, e também a saturação e a difusão do Silício nestas amostras. As propriedades ópticas e elétricas das estruturas dopadas planarmente com Selênio foram analisadas, usando as técnicas de Capacitância-voltagem e a de Tunelamento resonante. As propriedades elétricas dos poços quânticos a base de InGaAs/GaAs foram investigadas, em função da posição da impureza planarmente dopada com Silício. / III-V semiconductor samples were grown using the Molecular beam epitaxy technique, the electrical properties of the GaAs structures planar doped with silicon were investigated as well as the Silicon saturation and diffusion in these samles. The optcal and electrical properties of structures planar doped with Selenium were analyzed using the Capacitance Voltage and resonant Tunneling techniques. The electrical properties of InGaAs/ GaAs based quantum wells were investigated as a function of the planar doped with Silicon impurity position.

A isolação elétrica de estruturas semicondutoras de InP e GaAs através de bombardeamento com íons foi estudada. Amostras de InP semi-isolante e tipo-p foram implantadas com íons P+ para produzir excesso de átomos de fósforo na ordem de 0,1%. Recozimento em ambiente de argônio no intervalo de temperatura de 400ºC a 600ºC e tempo de 30s foram feitos em sistema de tratamento térmico rápido. Medidas de efeito Hall com temperatura variável (12-300K) foram usadas para a caracterização elétrica. Uma alta concentração de portadores livres negativos foi observada. A existência destes elétrons foi atribuída a criação de anti-sítios PIn com energia acima do mínimo da banda de condução. A dependência da resistência de folha de camadas δ tipo-p de GaAs com a dose irradiada de íons de He+ foi investigada. A dose de limiar (Dth) para isolação elétrica depende da energia dos íons implantados e da concentração inicial da camada condutiva. A estabilidade térmica da isolação aumenta com o aumento da dose de irradiação e depende da razão entre a concentração de armadilhas criadas durante o bombardeamento e a concentração inicial de portadores livres. A isolação observada foi atribuída principalmente a introdução de anti-sítios AsGa e defeitos relacionados. A máxima estabilidade térmica para camadas δ tipo-p em GaAs foi de 550ºC, para doses maiores do que 10Dth. Os resultados deste trabalho podem ser usados para isolação de diferentes dispositivos discretos e integrados de InP e GaAs. / Electrical isolation of InP and GaAs structures by ion bombardment was studied. Semi-insulating and p-type InP were implanted with P+ ions to produce an excess of phosphorous atoms in the order of 0.1 at. %. Subsequent annealing in Ar ambient in the temperature interval 400ºC – 600ºC were performed for 30s in rapid thermal annealing system. Room temperature and variable temperature (12-300 K) Hall-effect measurements have been used for electrical characterization. A large amount of negative free carriers have been observed after the thermal treatments. These electrons are contributed to the creation of PIn anti-site with energy level above the minimum of the conduction band. The dose dependence of sheet resistance of p-type δ-doped GaAs structures irradiated by He+ ions was investigated. It was found that the threshold dose (Dth) for electrical isolation of the structures was determined by the energy of ions and by the concentration of initial doping. The thermal stability of isolation rises as the irradiation dose increases and is dependent on the ratio of trap centers concentration, created during the bombardment, to the initial concentration of free carriers. The isolation was attributed mainly to the introduction of AsGa anti-site related defects. The maximum thermal stability for p-type δ conductive layers in GaAs was of 550 0C for doses higher than 10 Dth. The results of this work can be used for isolation of different InP and GaAs discrete and integrated devices.

É feito um resumo dos principais modelos criados para se explicar as intrigantes propriedades do centro DX e atualizar o problema. O decaimento da fotocondutividade persistente (PPC) é medido em AlxGa1-x As dopado com Si e se discute a validade dos modelos em função da cinética de captura dos elétrons pelos centros DX. Boa concordância com o modelo de Chadi e Chang é encontrada desde que se postule a existência de um nível doador mais raso. O crescimento por MBE assim como todo o processamento de amostras para os experimentos realizados é descrito sinteticamente. É discutido também o problema dos contatos a baixa temperatura e a possível influência dos centros DX nos desvios do comportamento ôhmico observados. Inclui-se também a descoberta da. fotocondutividade persistente em AlxGa1-xAs dopado com Pb, que também é relacionado à existência dos centros DX. / A short discussion about the main models created to explain the striking properties of the DX center is done in order to bring the problem up-to-date. The decay of persistent photoconductivity is measured and it is analyzed as a function of the kinetics of electron trapping by DX centers in Si-doped AlxGa1-xAs, according to these models. Good agreement with Chadi and Chang\'s model is found as long as we postulate the existence of a shallower donor. The M.B.E. growth as well as the whole sample processing is shortly described. It in siso diacussed the problem of low temperature contacts and the possible influence of DX centers in the deviation from ohmic behavior. Persistent Photoconductivity has been found in Pb-doped AlxGa1-xAs and it is also related to the DX center existence.

Neste trabalho, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais de super-redes InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As dopadas fortemente com Si (densidade equivalente no bulk superior a 4.4 x 10 POT. 18cm POT. -3). O espectro de Fourier das oscilações de Shubnikov-de Haas apresenta um dubleto característico de elétrons que populam uma minibanda de energia, assim como uma freqüência de oscilação associada a elétrons confinados em uma camada superficial bidimensional (elétrons de Tamm). Verificamos que, para descrever o espectro de energia dos elétrons da minibanda, o modelo de Kronig-Penney é em geral suficiente porém, para descrever adequadamente os estados de Tamm é necessário recorrer a um cálculo auto-consistente completo. A boa resolução do dubleto associado aos elétrons que populam a minibanda de energia permitiu extrair as mobilidades quânticas dos elétrons associados aos hodógrafos extremais (\"cintura\" e \"pescoço\") da mini-superfície de Fermi. O tratamento de dados foi efetuado com a utilização de procedimentos especialmente desenvolvidos, que apresentam a vantagem de não necessitar da utilização de filtros de Fourier sofisticados. A detecção do estado de Tamm nas oscilações de Shubnikov-de Haas é inétida por se tratar de estados de Tamm degenerados. Por ser a mobilidade quântica dos elétrons de Tamm quase duas vezes maior do que a mesma mobilidade para os elétrons da minibanda, em campos magnéticos fracos as oscilações de Shubnikov-de Haas são dominadas pelos elétrons de Tamm, apesar da quantidade de elétrons de Tamm corresponder a apenas em torno de 10% do total de portadores livres em nossas amostras. As super-redes InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As:Si apresentam, também, grande redução de portadores livres com a diminuição do período das super-redes. A perda de portadores livres é de 60% quando o período é diminuído em 20%. Esta redução está correlacionada com a quantidade de átomos de ) dopantes que recai na camada interfacial de InAs IND. X P IND. 1-X que se forma quando InP é depositado sobre In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As. Um estudo de um conjunto de 8 amostras nos permitiu estimar que a espessura da camada interfacial é de aproximadamente 20 ANGSTRONS. Os dados experimentais indicam que os átomos de Si que recaem nas camadas interfaciais, ao invés de formarem doadores rasos, formam centros profundos com energia de ativação superior a 50 meV. / In this work the electronic and structural properties of InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As superlattices heavily doped with Si (bulk equivalent density greater than 4.4 x 10 POT. 18cm POT. -3) were studied. The Fourier spectrum of the Shubnikov-de Haas oscillations presents a double peak characteristic of electrons which populate the first miniband of the energy spectrum, and an additional peak associated to electrons confined in a two-dimensional surface layer (Tamm electrons). We verified that the Kronig-Penney model is, in general, a good approximation to describe the energy spectrum of electrons in the miniband. However, to describe adequately the Tamm states, it is necessary to resort to a full self-consistent calculation of the energy levels in the effective mass approximation. The well-resolved doublet associated to the electrons in the miniband allowed us to extract the quantum mobilities associated to both extremal orbits of the Fermi mini-surface (belly and neck). The data analysis was done by using specially developed procedures, which have the advantage of not requiring the use of sophisticated Fourier filters. The detection of Tamm states throught Shubnikov-de Haas oscillations was done for the first time in superlattices in which the Tammm states are degenerate. On account of the fact that the quantum mobility of the Tamm electrons is about a factor of two greater than the quantum mobility of the miniband electrons, the Shubnikov-de Haas oscillations are dominated by electrons from the Tamm states, especially at weak magnetic fields, despite of the fact that the amount of Tamm electrons is only about 10% of the total amount of free carriers in our sample. The InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As:Si superlattices also display a strong reduction in the amount of free carriers when the period of the superlattice decreases. This reduction reaches 60% when the superlatticess period is decreased by only 20%. This reduction correlates with the amount of doping atoms that fall into the interfacial layer InAs IND. X P IND. 1-X which is formed when InP is grown on In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As. A study of a set of 8 samples allowed us to estimate that the interfacial layer is approximately 20 ANGSTRONS thick. The experimental data indicate that the Si atoms which fall into the interfacial form deep levels with an activation energy larger than 50 meV.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4172.pdf: 7642766 bytes, checksum: 9dacbeac3b1c3b074d74029cfe1395d6 (MD5) Previous issue date: 2012-02-16 / Financiadora de Estudos e Projetos / The present work aims the study of electronic, elastic and structural properties of a whole class of nanoscopic semiconductors systems, which include quasi-two-dimensional, one-dimensional and zero-dimensional confined systems. Within two-dimensional systems, the effects caused by strain and temperature on the electronic structure of AlGaAs=GaAs multiple quantum wells oriented along [001] and [113] crystallographic directions were studied. The energy difference between light- and heavy-hole states as a function of temperature, for both crystallographic directions, was obtained from photoluminescence spectra. Using k _ p calculations, it was possible to phenomenologically explain experimental data and to show that electronic structure of quantum wells grown along [113] direction presents higher sensitivity to temperature variation. A second task in quasi-two-dimensional systems was the study of the magnetic response of neutral excitons in AlGaAs=GaAs simple quantum wells grown along [110] crystallographic direction. The Zeeman splitting and the degree of circular polarization (DCP) for the sample was extracted from circularly polarized photoluminescence spectra. Using k _ p calculations, it was possible to show that the valence band presents a high hybridization of spin states in this kind of system. To simulate the relative occupation of hybridized states, a dynamic model for spin relaxation combined with electronic structure calculations was performed. Based on theoretical results, the experimental data of the Zeeman splitting and DCP were satisfactorily and phenomenologically explained. As the last task in quasi-two-dimensional systems, the effect of in-plane magnetic field in a AlGaAs=GaAs double quantum well system was studied. As the main result, the envelope functions required for an efficient k _ p calculation in this kind of system was constructed. Concerning one-dimensional confined systems, structural properties of a twin-plane superlattice in InP nanowires were studied. The system was simulated along [111] crystallographic direction by molecular dynamics. The latter provided, besides nanowire atomic structure, stress tensor elements and elastic constants at T = 0 K. Giving the molecular dynamics results, it was possible to theoretically calculate strain tensor components and the potential profiles at the valence and conduction energy bands. The calculations showed how the strain potential profiles modulate the electronic band structure of the nanowire, generating a one-dimensional superlattice. Finally, within zero-dimensional confined systems, dynamic effects detected in the time-resolved emission from InAs quantum dots ensembles were studied. To explain the experimental behavior of the time decay as a function of quantum dots emission energy, the electron-phonon interaction, considering Fröhlich Hamiltonian model, and a carrier dynamics, that takes in account nonlinear effects such as carrier imbalance, were included in theoretically calculations. The theoretical results show that, when the system behaves like an ensemble, collective effects predominate, and different relaxation processes stand out in the system, distinguishing it from that one of isolated quantum dots. By means of theoretical calculations it was possible to satisfactorily explain the experimental data. / Este trabalho visa o estudo das propriedades eletrônicas, elásticas e estruturais de toda uma classe de sistemas semicondutores denominada de nanoscópica, a qual abrange sistemas quase bidimensionais, unidimensionais e zero-dimensionais. Nos sistemas quase bidimensionais se investigou os efeitos que o strain e a temperatura provocam na estrutura eletrônica de poços quânticos múltiplos de AlGaAs=GaAs orientados ao longo das direções cristalográficas [001] e [113]. A partir de espectros de fotoluminescência se obteve a dependência da diferença de energia entre os estados de buraco pesado e buraco leve em função da temperatura para as duas direções cristalográficas. Calculando a estrutura de bandas via método k _ p foi possível explicar fenomenologicamente os dados experimentais, e mostrar que a estrutura eletrônica do poço crescido ao longo da direção [113] é mais sensível aos efeitos da temperatura. Estudou-se também a resposta magnética de éxcitons neutros em poços quânticos simples de AlGaAs=GaAs orientados ao longo da direção cristalográfica [110]. Por meio da fotoluminescência com luz circularmente polarizada se obteve experimentalmente o desdobramento Zeeman e o grau de polarização circular (DCP). O cálculo da estrutura de bandas via k _ p mostrou que neste sistema a banda de valência se mostra altamente sensível à hibridização dos estados de spin. Para simular a ocupação relativa destes estados hibridizados combinou-se um modelo dinâmico de taxas de relaxação de spins com cálculos de estrutura eletrônica. A partir dos resultados teóricos foi possível explicar de forma satisfatória o comportamento experimental tanto do desdobramento Zeeman quanto do DCP. Ainda nos sistema bidimensionais estudou-se também o efeito da aplicação do campo magnético perpendicular à direção de quantização na estrutura eletrônica de poços quânticos duplos acoplados de AlGaAs=GaAs. Como principal resultado se obteve a função envelope, necessária para um cálculo eficiente da estrutura eletrônica via k_p neste tipo de sistema. No estudo voltado para sistemas unidimensionais foram investigadas as propriedades estruturais de uma super-rede twinning em um nanofio de InP. O sistema foi simulado ao longo da direção [111] por dinâmica molecular, que forneceu, além da estrutura atômica do nanofio, os elementos do tensor de stress e as constantes elásticas a 0 K. A partir destes resultados obteve-se teoricamente os elementos do tensor de strain e o perfil de potencial gerado pelo campo de strain. Os cálculos mostraram que estes potenciais geram uma modulação na estrutura de bandas do nanofio, criando um perfil de potencial do tipo gerado por uma super-rede unidimensional. Por fim, em sistemas zero-dimensionais se estudou os efeitos dinâmicos detectados a partir da emissão resolvida no tempo de um ensemble de pontos quânticos de InAs. Para explicar o comportamento experimental do tempo de decaimento óptico, em função da energia de emissão do sistema, foram feitos cálculos teóricos do tempo de decaimento levando-se em conta a interação elétron-fônon, por meio do Hamiltoniano de Fröhlich, e uma dinâmica de portadores, a qual inclui efeitos não lineares como o desbalanço de cargas. Os resultados mostraram que quando o sistema se apresenta como um ensemble os efeitos coletivos predominam, fazendo com que o sistema apresente propriedades diferenciadas com relação a um sistema de pontos quânticos isolados. Por meio dos cálculos teóricos foi possível explicar de maneira satisfatória os resultados experimentais.

Neste trabalho, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais de super-redes InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As dopadas fortemente com Si (densidade equivalente no bulk superior a 4.4 x 10 POT. 18cm POT. -3). O espectro de Fourier das oscilações de Shubnikov-de Haas apresenta um dubleto característico de elétrons que populam uma minibanda de energia, assim como uma freqüência de oscilação associada a elétrons confinados em uma camada superficial bidimensional (elétrons de Tamm). Verificamos que, para descrever o espectro de energia dos elétrons da minibanda, o modelo de Kronig-Penney é em geral suficiente porém, para descrever adequadamente os estados de Tamm é necessário recorrer a um cálculo auto-consistente completo. A boa resolução do dubleto associado aos elétrons que populam a minibanda de energia permitiu extrair as mobilidades quânticas dos elétrons associados aos hodógrafos extremais (\"cintura\" e \"pescoço\") da mini-superfície de Fermi. O tratamento de dados foi efetuado com a utilização de procedimentos especialmente desenvolvidos, que apresentam a vantagem de não necessitar da utilização de filtros de Fourier sofisticados. A detecção do estado de Tamm nas oscilações de Shubnikov-de Haas é inétida por se tratar de estados de Tamm degenerados. Por ser a mobilidade quântica dos elétrons de Tamm quase duas vezes maior do que a mesma mobilidade para os elétrons da minibanda, em campos magnéticos fracos as oscilações de Shubnikov-de Haas são dominadas pelos elétrons de Tamm, apesar da quantidade de elétrons de Tamm corresponder a apenas em torno de 10% do total de portadores livres em nossas amostras. As super-redes InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As:Si apresentam, também, grande redução de portadores livres com a diminuição do período das super-redes. A perda de portadores livres é de 60% quando o período é diminuído em 20%. Esta redução está correlacionada com a quantidade de átomos de ) dopantes que recai na camada interfacial de InAs IND. X P IND. 1-X que se forma quando InP é depositado sobre In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As. Um estudo de um conjunto de 8 amostras nos permitiu estimar que a espessura da camada interfacial é de aproximadamente 20 ANGSTRONS. Os dados experimentais indicam que os átomos de Si que recaem nas camadas interfaciais, ao invés de formarem doadores rasos, formam centros profundos com energia de ativação superior a 50 meV. / In this work the electronic and structural properties of InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As superlattices heavily doped with Si (bulk equivalent density greater than 4.4 x 10 POT. 18cm POT. -3) were studied. The Fourier spectrum of the Shubnikov-de Haas oscillations presents a double peak characteristic of electrons which populate the first miniband of the energy spectrum, and an additional peak associated to electrons confined in a two-dimensional surface layer (Tamm electrons). We verified that the Kronig-Penney model is, in general, a good approximation to describe the energy spectrum of electrons in the miniband. However, to describe adequately the Tamm states, it is necessary to resort to a full self-consistent calculation of the energy levels in the effective mass approximation. The well-resolved doublet associated to the electrons in the miniband allowed us to extract the quantum mobilities associated to both extremal orbits of the Fermi mini-surface (belly and neck). The data analysis was done by using specially developed procedures, which have the advantage of not requiring the use of sophisticated Fourier filters. The detection of Tamm states throught Shubnikov-de Haas oscillations was done for the first time in superlattices in which the Tammm states are degenerate. On account of the fact that the quantum mobility of the Tamm electrons is about a factor of two greater than the quantum mobility of the miniband electrons, the Shubnikov-de Haas oscillations are dominated by electrons from the Tamm states, especially at weak magnetic fields, despite of the fact that the amount of Tamm electrons is only about 10% of the total amount of free carriers in our sample. The InP/In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As:Si superlattices also display a strong reduction in the amount of free carriers when the period of the superlattice decreases. This reduction reaches 60% when the superlatticess period is decreased by only 20%. This reduction correlates with the amount of doping atoms that fall into the interfacial layer InAs IND. X P IND. 1-X which is formed when InP is grown on In IND. 0.53 Ga IND. 0.47As. A study of a set of 8 samples allowed us to estimate that the interfacial layer is approximately 20 ANGSTRONS thick. The experimental data indicate that the Si atoms which fall into the interfacial form deep levels with an activation energy larger than 50 meV.

É feito um resumo dos principais modelos criados para se explicar as intrigantes propriedades do centro DX e atualizar o problema. O decaimento da fotocondutividade persistente (PPC) é medido em AlxGa1-x As dopado com Si e se discute a validade dos modelos em função da cinética de captura dos elétrons pelos centros DX. Boa concordância com o modelo de Chadi e Chang é encontrada desde que se postule a existência de um nível doador mais raso. O crescimento por MBE assim como todo o processamento de amostras para os experimentos realizados é descrito sinteticamente. É discutido também o problema dos contatos a baixa temperatura e a possível influência dos centros DX nos desvios do comportamento ôhmico observados. Inclui-se também a descoberta da. fotocondutividade persistente em AlxGa1-xAs dopado com Pb, que também é relacionado à existência dos centros DX. / A short discussion about the main models created to explain the striking properties of the DX center is done in order to bring the problem up-to-date. The decay of persistent photoconductivity is measured and it is analyzed as a function of the kinetics of electron trapping by DX centers in Si-doped AlxGa1-xAs, according to these models. Good agreement with Chadi and Chang\'s model is found as long as we postulate the existence of a shallower donor. The M.B.E. growth as well as the whole sample processing is shortly described. It in siso diacussed the problem of low temperature contacts and the possible influence of DX centers in the deviation from ohmic behavior. Persistent Photoconductivity has been found in Pb-doped AlxGa1-xAs and it is also related to the DX center existence.

[pt] As premências da sociedade contemporânea têm dependido gradativamente mais do uso de dispositivos optoeletrônicos como solução para o aperfeiçoamento de inúmeras aplicações diárias. Notadamente na última década, áreas como a de geração de energia elétrica com células solares inorgânicas ou a de computação com o advento de computadores quânticos baseados em fótons únicos têm acumulado muitos investimentos em pesquisa. Este trabalho visa estudar e definir os parâmetros necessários para a produção de pontos quânticos (QD, do inglês Quantum Dot) de semicondutores III-V com o objetivo de aplicá-los como material ativo para células solares de banda intermediária (IBSC, do inglês Intermediate Band Solar Cell) e para emissores de fótons únicos quando inseridos em nanofios (QD-in-NW, do inglês QD in Nanowire). Para a aplicação em IBSC, os pontos quânticos são produzidos auto organizadamente pelo modo Stranski-Krastanow. A estrutura de banda do IBSC requer um poço de potencial fundo o suficiente para gerar 3 absorções em paralelo de fótons com energias distintas (um proveniente da energia de gap do material da barreira, um da absorção banda-banda do poço de potencial e o terceiro da absorção intra-banda do poço na banda de condução). Os materiais escolhidos foram barreiras de AlxGa1-xAs e poço de InAs crescidos sobre um substrato de GaAs(100). Os resultados do crescimento dessa estrutura foram analisados por microscopia de força atômica (AFM, do inglês atomic force microscopy), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e fotoluminescência (PL, do inglês photoluminescence). Para a aplicação em emissores de fótons únicos, os QDs (de InxGa1-xAs) são crescidos axialmente sobre nanofios de GaAs em substrato de GaAs(111)B. A técnica de crescimento escolhida neste caso foi o crescimento seletivo (SAG, do inglês selective area growth) que traz muitas vantagens com relação à qualidade cristalina e futuras litografias para fabricação do dispositivo. Tal técnica consiste na aplicação de uma máscara sobre o substrato com buracos nanométricos dentro dos quais a epitaxia ocorre exclusivamente. Os resultados de crescimento da estrutura foram analisados por MEV, MET, PL e espectroscopia de raios X por dispersão em energia (EDX, do inglês Energy-dispersive X-ray Spectroscopy). Em ambos os casos, o crescimento das estruturas finais foi otimizado. Foi possível obter correlações da influência de cada parâmetro de crescimento na morfologia, cristalinidade e composição das estruturas. No caso dos QDs para IBSC, o método usado de recobrimento por In-flush foi determinante para a melhoria da qualidade cristalina das camadas e da homogeneização da altura dos QDs. No caso da estrutura de QD-in-NW, primeiro precisou-se encontrar os parâmetros de crescimento dos nanofios para atingir uma razão de aspecto alta, e só posteriormente estudou-se as condições para que o InAs crescesse axialmente sobre o nanofio. As caracterizações, principalmente a ótica, de ambos os trabalhos indicam que as estruturas propostas foram produzidas. / [en] In contemporary society the dependence on optoelectronic devices for countless daily applications has increased gradually. Particularly in the last decade fields such as energy generation through inorganic solar cells or quantum computation based in exchange of single photons has been heavily funded for their development. The aim of this thesis is defining the production parameters needed to fabricate quantum dots (QD) based on III-V semiconductors with planar geometry for intermediate band solar cell (IBSC) and with nanowire geometry (quantum dot in nanowire, QD-in-NW) for single photon emitter applications. For IBSC, the QDs are generated via self-assembly by Stranski-Krastanow mode. The IBSC s band structure requires a potential well deep enough to have 3 parallel photon absorption in different energy ranges (one is the barrier s energy gap, another is from the valence band to the intermediate band and the third one is from the intermediate band to the top of the barrier). The selected materials were AlxGa1-xAs as barriers, InAs as well, all grown on GaAs(100) substrate. The growth results were analysed by atomic force microscopy (AFM), scanning eléctron microscopy (SEM), transmission eléctron microscopy (TEM) and photoluminescence (PL). For the single photon emitters, the QDs (InxGa1-xAs) are grown axially over GaAs nanowires on a GaAs(111)B substrate. The chosen growth technique was the selective area growth (SAG) that brings many advantages in crystal quality and device lithography. This technique consists of applying a mask over the substrate with nanometric holes inside which the epitaxy occurs. The results were analysed by SEM, TEM, PL and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). In both cases, the growth of the structures were optimized for better quality. The growth parameters could be correlated with the structure’s morfology, cristalinity and composition. For the IBSC, a capping method named In-flush was used to increase the crystal quality from the layers and the homogeneity from the QD s heights. For the QD-in-NW, firstly the nanowire s growth was optimized for higher aspect ratio and only then the growth of the InAs QD was optimized for axial growth over the nanowire. In both cases the optical measurements show that the proposed structures were grown successfully.

Orientador: Newton Cesário Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T02:03:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mialichi_JoseRoberto_D.pdf: 4426656 bytes, checksum: f54944bc3408b22608afdd373e3445dd (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta tese de doutorado apresenta resultados experimentais do crescimento de pontos quânticos de InAs diretamente sobre InGaAsP de baixa energia de bandgap (?g=1420 nm), cujo desenvolvimento visa a obtenção de um meio ativo com emissão na banda C (1520¿1570 nm) para a fabricação de ressonadores de microdisco. Baseado em resultados de fotoluminescência e microscopia de força atômica, o fenômeno da inter-difusão de elementos na interface InAs/InGaAsP é proposto e calculado, indicando a presença de Gálio e Fósforo na composição dos pontos quânticos. O ganho óptico de pontos quânticos de InAs crescidos sobre InGaAsP é também calculado com base nos resultados obtidos na análise de inter-difusão. Subseqüentemente, a teoria dos modos ressonantes no microdisco, particularmente os modos chamados whispering gallery modes (WGMs), é desenvolvida com o intuito de auxiliar os cálculos de fator de qualidade, fator de confinamento e corrente de limiar. Uma estrutura multicamada (diodo PIN) com região ativa baseada em pontos quânticos do sistema InAs/InGaAsP foi crescida por epitaxia de feixe químico (CBE) para a fabricação de ressonadores de microdisco. A fabricação dos microdiscos é feita por litografia óptica, corrosão por plasma de íons e ataque químico seletivo de InP. Feixe de íons focalizados (FIB) foi usado para substituir o ataque por plasma para diminuir a rugosidade das paredes dos discos. Os ressonadores de microdiscos são caracterizados elétrica e opticamente e os resultados são confrontados com base nos resultados teóricos apresentados ao longo da tese. Com base nos resultados das caracterizações eletro/ópticas dos ressonadores, correções como a inclusão de perdas ópticas da rugosidade da borda e aquecimento local foram acrescidas ao modelo teórico, resultando em boa concordância com os resultados experimentais. Por fim, apresentamos o desenvolvimento de dispositivos híbridos a partir de polímeros orgânicos depositados diretamente sobre microdiscos de InGaAs com o objetivo de integrar meio ativo orgânico com ressonadores inorgânicos para aplicações em optoeletrônica. Estes resultados foram obtidos durante o programa de doutorado com estágio no exterior no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (NNL) vinculado à Università del Salento (Lecce/Itália) / Abstract:This doctorate¿s thesis presents the growth of InAs quantum dots directly on high bandgap InGaAsP (?g=1420 nm) barriers to be used as the active region of microdisk resonators with emission in the C-band (1520¿1570 nm). Based on photoluminescence and atomic force microscopy experiments, the occurrence of inter-diffusion on the InAs/InGaAsP interface is calculated, suggesting the presence of Gallium and Phosphorus in the quantum dots (QDs) composition. Based also on the inter-diffusion results, the optical gain of the InAs QDs is calculated. Subsequently, microdisk resonator whispering gallery modes (WGMs) are calculated and employed to predicting the cavity quality and confinement factors, as well as the threshold current. A PIN diode with an active region based on InAs QDs was grown by Chemical Beam Epitaxy (CBE) for the fabrication of current injected microdisk resonators. Microdisk fabrication process is performed using photolithography, reactive ion etching and InP selective wet-etching. Focused ion beam is used to replace the plasma etching in order to reduce the roughness of the disk¿s edge. Microdisks resonators are characterized electrically and optically and the measurements are analyzed based on the theoretical results presented along this thesis. Based on these measurements, optical losses caused by disk¿s edge roughness and local heating are added to our simulation tool, resulting in better agreement with the experimental results. Finally, we present the development of hybrid resonators using organic polymer deposited directly on inorganic microdisks integrating an organic active medium with inorganic resonators for optoelectronic applications. These results were obtained during our work at the National Nanotechnology Laboratory (NNL) and the University of Salento (Lecce/Italy) / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Física

Orientador: Daniel Mário Ugarte / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T20:15:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tizei_LuizHenriqueGalvao_D.pdf: 12237887 bytes, checksum: e97ac7041ecfd4c30088cf9b43d9849a (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O desenvolvimento de novos materias tem grande interesse devido à ocorrência de novos fenômenos e propriedades, as quais podem ser usadas em futuras aplicações tecnológicas. Em particular, nas últimas décadas, esforços imensos foram realizados buscando compreender nanomateriais e os efeitos da redução de tamanho e de dimensão. Entre os diferentes avanços alcançados, podemos citar o desenvolvimento significativo de nanofios semicondutores (estruturas quasi-unidimensionais) com dezenas ou centenas de nanometros de espessura e milhares de nanometros de comprimento. O método mais utilizado para o crescimento de nanofios é o método catalítico chamado VLS (Vapor-Líquido-Sólido), no qual uma nanopartícula metálica serve como sorvedouro preferencial de átomos de um vapor e, também, como posição para a formação de um sólido (nanofio). O VLS foi proposto por Wagner e Ellis nos anos 60. Em nossos trabalhos, nos concentramos no estudo de nanofios de semicondutores III-V crescidos em um reator de Epitaxia de Feixe Químico (CBE) catalisados por nanopartículas de Au. Mais especificamente, estudamos nanofios de InP, InAs, InGaP, InAsP e heteroestruturas InP/InAs/InP. Como a qualidade de interfaces e homogeneidade química do material crescido, influenciam diretamente as propriedades ópticas e elétricas de nanofios, nossa pesquisa nos levou a avaliar os limites da aplicação de diversas técnicas de microscopia eletrônica de transmissão aplicadas: TEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão), STEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão em Varredura), HRTEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução), EDS (Espectroscopia de Raios-X Dispersados em Energia) e EELS (Espectroscopia de Perda de Energia de Elétrons). Como consequência, determinamos os limites de detecção de variações químicas e de medidas de larguras de interfaces das diferentes técnicas. Em particular, devido às limitações impostas pelo dano por radiação no material, propusemos o uso de deslocamentos químicos de plasmons (EELS) para a caracterização química de nanoestruturas de semicondutores III-V. Desenvolvemos uma metodologia para a análise de seções transversais de nanofios de InAsP. Os experimentos realizados indicam a diferença entre os semicondutores produzidos por crescimento axial (catalítico) e por radial (bidimensional). Além disso, a análise química detalhada de heteroestruturas InP/InAs/InP levou a detecção de concentrações inesperados de As no segmento final de InP. Interpretamos esta observação como uma indicação de que As difunde através da nanopartícula catalisadora durante o crescimento, demonstrando uma rota de incorporação de elementos do grupo V em nanofios crescidos pelo método VLS. Finalmente, estudamos os efeitos de defeitos estruturais extendidos, como discordâncias na morfologia e distorções estruturais de nanofios. Neste sentido, observamos a torção de Eshelby em nanofios de InP contendo discordâncias em parafuso únicas. Nossos resultados mostram que as taxas de torção medida são muito maiores (até 100%) do que o previsto pela teoria elástica macroscópica. Isto mostra as mudanças significativas nas propriedades mecânicas e estruturais em nanoestruturas e ilustra o papel importante de estudos detalhados de microscopia eletrônica para a análise de deformações em nanoestruturas / Abstract: The development of new materials has great interest due to the possibility of finding new phenomena and properties, which can be used in technological applications. In particular, in the last decades, huge efforts have been made in order to understand nanomaterials and, the effects of size and dimensionality reduction. Among different advances, it is worth noting the significant development of semiconductor nanowires (quasi-one dimensional structures) with tens or hundreds of nanometers in diameter and thousands of nanometers in length. The catalytic method VLS (Vapor-Liquid-Solid) is the most used approach for nanowire preparation, in which a metal nanoparticle serves as a preferential sink for atoms from a vapor and, also, as the position for the solid nucleation; this method was proposed by Wagner and Ellis in the 60s. In our work, we have focused on the study of III-V semiconductor nanowires grown by Chemical Beam Epitaxy (CBE) catalyzed by Au nanoparticles. Specifically, we have studied different III-V nanowires (InP, InAs, InGaP and InAsP), as ell as, some heterostructured wires (InP/InAs/InP). As the quality of interfaces and the chemical homogeneity of materials directly influence the optical and electrical properties of nanowires, our research have led us to assess the limit of applicability of several characterization techniques based on transmission electron microscopy: TEM (Transmission Electron Microscopy), STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersed X-Ray Spectroscopy) and EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). As a consequence, we have determined the detection limit for the measurement of chemical composition variations and interface widths. In particular, due to the limitations imposed by radiation damage on III-V nanowires, we have proposed the use of Plasmon chemical shifts (EELS) to the chemical characterization of III-V nanostructures. We have analyzed the cross sections of InAsP nanowires and we have been able to reveal a difference between the semiconductors materials produced by the axial (catalytic) and radial (bidimensional) growth. Through the detailed chemical analysis of InP/InAs/InP heterostructures we have detected an unexpected concentration of As in the last InP segment of the heterostructure. We have interpreted this result as an indication that As diffuses through the catalytic nanoparticle during growth. This demonstrates an incorporation route for group V atoms in nanowires grown by VLS. Finally, we have studied the effects of extended structural defects, like dislocations, in the morphology and structural distortions of nanowires. In this sense, we have observed the Eshelby twist in InP nanowires containing a single screw dislocation. Our results show that measured twist rates are much larger (up to 100%) than the predictions from the elasticity theory. This shows the significant change of mechanical and structural properties in nanoscale and, illustrates the important role of a careful electron microscopy studies to analyze deformations in nanostructures / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências