Neste trabalho desenvolvemos rotinas computacionais em Python para o cálculo de propriedades dinâmicas (espectros de fotocorrente e absorção) de heteroestruturas semicondutoras baseadas em Dinâmica Quântica. Em uma primeira etapa do desenvolvimento do projeto, a formulação baseada na evolução temporal das soluções da equação de Schrödinger dependente do tempo foi aplicada a sistemas com soluções analíticas conhecidas ou com resultados já reportados na literatura. Devido à excelente concordância entre nossos dados e aqueles já conhecidos, em uma etapa seguinte, foram calculadas as energias de transição observadas em espectros de fotoluminescência para poços quânticos de InGaAs/GaAs, crescidos por MBE, levando-se em conta os efeitos de tensão e segregação de átomos de índio. Na continuidade do projeto, especial atenção foi dada ao desenvolvimento de estratégias para calcular os espectros de absorção e fotocorrente para dispositivos do Estado Sólido. O conjunto de resultados apresentados neste trabalho demonstra que a metodologia desenvolvida é precisa e pode ser utilizada com baixo custo computacional para o modelamento de heteroestruturas semicondutoras mais complexas, que servem de base para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos. / In this work we developed computational routines in Python for the calculation of the dynamic properties (spectrum of photocurrent and absorption) of semiconductor heterostructures based on Quantum Dynamics Theory. In a first stage of the development of the project the formulation based on the time evolution of the solutions of the time dependent Schrödinger equation was applied to systems with known analytical solutions or results already reported in the literature. Due to the excellent agreement between our data and those already known, in the next stage the transition energies observed in photoluminescence spectra for InGaAs/GaAs quantum wells, grown by MBE, were calculated taking into account the effects of stress and segregation of indium atoms. In the continuity of the project, special attention was given to the development of strategies to calculate absorption and photocurrent spectra for solid state devices. The set of results presented in this work demonstrates that the methodology developed is accurate and can be used with low computational cost for the modeling of more complex semiconductor heterostructures, which are used for the development of optoelectronic devices.

[pt] No ano de 2014, o Brasil ocupou o quinto lugar no ranking mundial de produção de leite. No entanto, a produtividade média foi baixa, comparada aos outros grandes produtores. A avaliação da qualidade do leite é importante para melhorar a produtividade, pois ela auxilia na identificação de fatores que prejudicam a produção. As quantidades de proteína e gordura no leite são utilizadas como critérios de qualidade e, geralmente, medidas por equipamentos baseados em técnicas de espectroscopia no infravermelho. Esses equipamentos possuem alto custo e são adequados somente para uso em laboratório. Este trabalho tem como objetivo avaliar o uso de fotodetectores baseados em nanoestruturas na quantificação da proteína do leite, visando um dispositivo portátil e de baixo custo. Para isso, técnicas de espectroscopia no infravermelho foram utilizadas no estudo do leite, da sua proteína e de algumas adulterações. A resposta dos fotodetectores (corrente) também foi analisada através da espectroscopia no infravermelho. Finalmente, uma simulação experimental do dispositivo completo foi feita e os resultados comparados com os estudos de espectroscopia. Com base nessas comparações, constatou-se a viabilidade de se utilizar os fotodetectores baseados em nanoestruturas na quantificação da proteína do leite. / [en] In 2014, Brazil occupied the fifth position in the world ranking of milk production. However, the average productivity was small compared to the other major producers. Quality evaluation is important for improving milk productivity, as it helps to identify factors that hinder production. The quantities of protein and fat in milk are used as quality standards, and they are usually measured with instruments based on infrared spectroscopy techniques. These devices are expensive and they are only suitable for laboratory use. This study intends to evaluate the application of photodetectors based on nanostructures in the quantification of milk protein, aiming at the production of a portable and inexpensive device. In order to accomplish this, infrared spectroscopy techniques were used in the study of milk, protein and milk adulteration. The photodetectors response (current) was also analyzed by infrared spectroscopy. Later, an experimental simulation of the final device was done and the results were compared with the spectroscopy studies. Given these relations, it was found that photodetectors based on nanostructures can be used in the quantification of milk protein.

O conhecimento da física de semicondutores foi usado para desenvolver e otimizar um sensor ótico de silício capaz de determinar com precisão a posição bidimensional de incidência de um feixe de luz em sua superfície. O sensor usa o efeito de fototensão lateral para gerar um sinal elétrico de saída que é função da posição de incidência da luz. Tecnologia planar do silício foi usada na fabricação do dispositivo, incluindo implantação iônica, difusão, fotolitografia, deposição de filmes metálicos e crescimento de dielétricos. A caracterização elétrica do sensor inclui medidas estáticas, com a distribuição de portadores em regime estacionário, medidas dinâmicas, onde é analisado o transiente do sinal elétrico e medidas espectroscópicas para analisar a resposta do sensor em função do comprimento de onda da luz incidente. Simulações dos processos de fabricação, parâmetros dos passos tecnológicos, distribuição dos portadores e do potencial elétrico bidimensional no sensor foram usadas para a otimização das características do sensor.

O conhecimento da física de semicondutores foi usado para desenvolver e otimizar um sensor ótico de silício capaz de determinar com precisão a posição bidimensional de incidência de um feixe de luz em sua superfície. O sensor usa o efeito de fototensão lateral para gerar um sinal elétrico de saída que é função da posição de incidência da luz. Tecnologia planar do silício foi usada na fabricação do dispositivo, incluindo implantação iônica, difusão, fotolitografia, deposição de filmes metálicos e crescimento de dielétricos. A caracterização elétrica do sensor inclui medidas estáticas, com a distribuição de portadores em regime estacionário, medidas dinâmicas, onde é analisado o transiente do sinal elétrico e medidas espectroscópicas para analisar a resposta do sensor em função do comprimento de onda da luz incidente. Simulações dos processos de fabricação, parâmetros dos passos tecnológicos, distribuição dos portadores e do potencial elétrico bidimensional no sensor foram usadas para a otimização das características do sensor.

Neste trabalho, realizamos medidas sistemáticas dos efeitos Hall e Shubnikov-de Haas em função do tempo de iluminação das amostras a fim de investigar as propriedades de transporte elétrico de um gás bidimensional de elétrons (2DEG) confinado num poço-quântico de GaAs/InGaAs próximo a pontos-quânticos de InAs introduzidos na barreira superior do poço-quântico (GaAs). Nós não observamos qualquer degradação expressiva da mobilidade eletrônica devido a inserção deles na heteroestrutura. Contudo, observamos diferentes variações das mobilidades quânticas de amostra para amostra, as quais atribuimos ao acúmulo da tensão mecânica na camada de InAs. O comportamento das mobilidades quânticas e de transporte são discutidas no contexto da modulação local dos perfís das bandas de condução e de valência pela camada de InAs. / In this work, systematic Shubnikov-de Haas and Hall measurements as a function of the sample illumination time were used to investigate the transport properties of a two-dimensional electron gas (2DEG) confined in GaAs/InGaAs quantum wells and close to InAs quantum-dots placed in the GaAs top barrier. We did not observe any expressive degradation of the electronic mobility due to the insertion of them in the heterostructure. However, we observed a different change of the quantum mobility of the occupied subbands from sample to sample, which was attributed to the accumulation of mechanical strain in the InAs layer. The behavior of the quantum and transport mobilities are discussed in the context of the local modulation of the band edges by the InAs layer.

Neste trabalho desenvolvemos rotinas computacionais em Python para o cálculo de propriedades dinâmicas (espectros de fotocorrente e absorção) de heteroestruturas semicondutoras baseadas em Dinâmica Quântica. Em uma primeira etapa do desenvolvimento do projeto, a formulação baseada na evolução temporal das soluções da equação de Schrödinger dependente do tempo foi aplicada a sistemas com soluções analíticas conhecidas ou com resultados já reportados na literatura. Devido à excelente concordância entre nossos dados e aqueles já conhecidos, em uma etapa seguinte, foram calculadas as energias de transição observadas em espectros de fotoluminescência para poços quânticos de InGaAs/GaAs, crescidos por MBE, levando-se em conta os efeitos de tensão e segregação de átomos de índio. Na continuidade do projeto, especial atenção foi dada ao desenvolvimento de estratégias para calcular os espectros de absorção e fotocorrente para dispositivos do Estado Sólido. O conjunto de resultados apresentados neste trabalho demonstra que a metodologia desenvolvida é precisa e pode ser utilizada com baixo custo computacional para o modelamento de heteroestruturas semicondutoras mais complexas, que servem de base para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos. / In this work we developed computational routines in Python for the calculation of the dynamic properties (spectrum of photocurrent and absorption) of semiconductor heterostructures based on Quantum Dynamics Theory. In a first stage of the development of the project the formulation based on the time evolution of the solutions of the time dependent Schrödinger equation was applied to systems with known analytical solutions or results already reported in the literature. Due to the excellent agreement between our data and those already known, in the next stage the transition energies observed in photoluminescence spectra for InGaAs/GaAs quantum wells, grown by MBE, were calculated taking into account the effects of stress and segregation of indium atoms. In the continuity of the project, special attention was given to the development of strategies to calculate absorption and photocurrent spectra for solid state devices. The set of results presented in this work demonstrates that the methodology developed is accurate and can be used with low computational cost for the modeling of more complex semiconductor heterostructures, which are used for the development of optoelectronic devices.

O conhecimento da física de semicondutores foi usado para desenvolver e otimizar um sensor ótico de silício capaz de determinar com precisão a posição bidimensional de incidência de um feixe de luz em sua superfície. O sensor usa o efeito de fototensão lateral para gerar um sinal elétrico de saída que é função da posição de incidência da luz. Tecnologia planar do silício foi usada na fabricação do dispositivo, incluindo implantação iônica, difusão, fotolitografia, deposição de filmes metálicos e crescimento de dielétricos. A caracterização elétrica do sensor inclui medidas estáticas, com a distribuição de portadores em regime estacionário, medidas dinâmicas, onde é analisado o transiente do sinal elétrico e medidas espectroscópicas para analisar a resposta do sensor em função do comprimento de onda da luz incidente. Simulações dos processos de fabricação, parâmetros dos passos tecnológicos, distribuição dos portadores e do potencial elétrico bidimensional no sensor foram usadas para a otimização das características do sensor.

Orientador: Jacobus Willibrordus Swart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T07:19:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Goes_MarcosAugustode_M.pdf: 31444750 bytes, checksum: e7c5cce48b9c9ec73f1804fee26b6062 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Esta dissertação de mestrado descreve o estudo, projeto e implementação de um receptor optoeletrônico integrado (OEIC) utilizando a tecnologia de transistores bipolares de heterojunção (HBT), fabricados a partir do material semicondutor arseneto de gálio. A grande vantagem deste transistor é o seu alto ganho e baixa resistência de base, o qual possibilita operações na faixa de gigahertz. A integração do estágio de fotodetecção, feita por um fotodiodo do tipo PIN, com o circuito de amplificação em um mesmo circuito integrado é possível, pois o fotodetector é construído com as camadas de base, coletor e subcoletor do transistor HBT. Com isso, as resistências, capacitâncias e indutâncias parasitas presentes na conexão entre estes dois estágios são minimizadas. Isto permite aos receptores monolíticos trabalharem em freqüências mais altas em relação aos receptores híbridos. O circuito fabricado opera com fontes de luz no comprimento de onda de 850 nm e pode ser utilizado em redes locais de curta distância (LAN) / Abstract: This master degree dissertation describes the study, project and implementation of an optoelectronic integrated circuit (OEIC) using the heterojunction bipolar transistors (HBT) technology over a gallium arsenide substrate. The major advantage of this transistor is its high gain and low base resistance, allowing operation at frequencies in the range of gigahertz. The integration of the photodetection stage, performed by a PIN photodetector, with the amplifier circuit in a single chip is possible because the photodetector is built from the base, collector and subcollector layers of the HBT transistor. Thus, the parasitic resistances, capacitances and inductances between the connection of these two stages are minimized. In this way, monolithic receivers can operate at higher frequencies than hybrid receivers. The fabricated circuit is intended to work with 850 nm light sources and can be used in local area networks (LAN) / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

[pt] Os semicondutores III-V são amplamente investigados para a fabricação de fotodetectores de infravermelho baseados em pontos quânticos (QWIPs); no entanto, o comprimento de onda de operação é limitada pelo bandoffset dos materiais que permitem transições de infravermelho de comprimento de onda maior que 3,1 um. Para comprimentos de onda mais curto do que 1,7 um transições banda a banda são facilmente empregadas. Assim, em QWIPs III-V, o intervalo entre 1,7 e 3,1 um não pode ser alcançado tanto por transições banda-banda ou por transições intrabanda. Nesta tese uma estrutura de superrede especialmente desenhada é proposta a fim de detectar a radiação dentro desta faixa proibida. A estrutura proposta consiste numa superrede com um poço quântico central mais amplo, o qual gera uma modulação no contínuo criando minibandas e minigaps para energias acima da parte inferior da banda de condução do poço quântico, incluindo no contínuo. Com esta abordagem, a limitação de ter estados ligados apenas com energias abaixo a barreira não se mantém e é possível detectar energias mais elevadas do que o limite imposto pelo bandoffset dos materiais. Simulações teóricas para a estrutura foram realizados e medidas de absorção, corrente de escuro, e fotocorrente foram realizadas mostrando picos em 2,1 um, em estreita concordância com o valor teoricamente esperado. / [en] III-V semiconductors are extensively investigated for fabrication of quantum well infrared photodetectors (QWIPs); however the operation wavelength is limited by the bandoffset of the materials allowing infrared transitions for wavelength larger than 3.1 um. For wavelength shorter than 1.7 um band to band transitions are easily employed. Thus, in III-V QWIPs, the range between 1.7 and 3.1 um cannot be reached either by band-to-band or by intraband transitions. In this thesis a specially designed superlattice structure is proposed in order to detect radiation within this forbidden range. The structure proposed consists of a superlattice with a wider central quantum well, which generates a modulation in the continuum creating minibands and minigaps for energies above the bottom of the conduction band of the quantum well, including in the continuum. With this approach the limitation of having bound states only with energies below the barrier no longer holds and it is possible to detect energies higher than the limit imposed by the bandoffset of the materials. Theoretical simulations for the structure were performed and absorption, dark current, and photocurrent measurements were carried out showing peaks at 2.1 um, in close agreement with the theoretically expected value.

[pt] Fotodetectores de infravermelho possuem uma vasta gama de aplicações diretas em diversos setores, desde militar (e.g. visão noturna, orientação de mísseis) até lazer (aparelhos eletrônicos). Especificamente, os fotodetectores baseados em semicondutores III-V são dispositivos que podem ser construídos para selecionar e medir radiação em faixas específicas do espectro eletromagnético. Dentre as figuras de mérito dos fotodetectores um dos grandes desafios está na redução da corrente de escuro. Neste trabalho visamos produzir um dispositivo de InGaAs com geometria planar, que de acordo com a literatura tem como característica apresentar uma baixa corrente de escuro, nesse caso, há necessidade de difusão de um dopante. Estão reportadas neste trabalho todas as etapas, desde o crescimento das amostras até a caracterização do dispositivo final. Com o auxílio de um reator de MOVPE, foram feitas as calibrações das camadas que fazem parte do dispositivo final, bem como as calibrações do processo de difusão do dopante (Zn). Todas as camadas da amostra foram otimizadas individualmente, assim como a profundidade de difusão desejada (1 µm e nível de dopagem de 2x1018 cm−3). Diversas técnicas de processamento e caracterização foram utilizadas ao longo do trabalho para obter o melhor dispositivo possível. Podemos destacar os resultados de fotocorrente e de corrente de escuro, no qual as medidas foram realizadas com variação da temperatura de 77 até 300 K. Foi possível observar no resultado de espectro de fotocorrente um pico em 0,75 eV referente ao InGaAs a 300 K. Este resultado está de acordo com os de diodos de InGaAs feitos usando o método convencional de dopagem do Zn. / [en] Infrared photodetectors have a wide range of direct applications in various sectors, from military (e.g. night vision, missile guidance) to leisure (electronic devices). Specifically, III-V semiconductor-based photodetectors are devices that can be built to select and measure specific ranges of the electromagnetic spectrum. Among the photodetector figures of merit, one of the great challenges is reducing the dark current. In this work we aim to produce an InGaAs device with planar geometry, which according to the literature has the characteristic of presenting a low dark current. This geometry requires a dopant diffusion. This work reports all the steps, from sample growth to final device characterization. With the aid of an MOVPE reactor, the calibrations of the layers that are part of the final device were made, as well as the calibrations of the dopant diffusion process (Zn). All sample layers were individually optimized, as well as, the desired diffusion depth (1 µm and doping level of 2x1018 cm−3). Several processing and characterization techniques were used throughout the work to obtain the best possible device. We can highlight the photocurrent and dark current results, in which the measurements were performed with a temperature variation from 77 up to 300 K. It was possible to observe from the photocurrent spectrum result a peak at 0,75 eV relative to the InGaAs at 300 K. This result is in agreement with those of InGaAs diodes made using the conventional Zn doping method.