[pt] O foco do presente estudo é desenvolvimento de uma heteroestrutura de dois semicondutores com capacidade de reduzir a taxa de recombinação elétron/buraco mediante uma intensa separação de carga, e ao mesmo tempo sendo sensível ao espectro de luz visível. A separação de carga estaria sendo alcançada por meio da injeção de elétrons livres dentro da banda de condução (BC) do TiO2 na forma de anatásio, provenientes do orbital molecular mais alto ocupado (HOMO) da acetilacetona (Acac), ligada às partículas de anatásio, seguida da sua injeção dentro dos orbitais d desocupados do Fe3+ localizados dentro da banda de energia proibida das nanofolhas de ferrititanatos. Ao mesmo tempo a absorção da luz visível poderia ser assegurada através das nanofolhas de ferrititanatos, considerando-se a interação dos níveis energéticos do Fe3+ com a luz e as bandas de valência e condução, bem como pela formação de complexo de transferência de carga (CTC), entre as nanopartículas de anatásio e Acac. Os nanohíbridos mesoporosos (as heteroestruturas) são produzidos pelas diferentes rotas de junção de nanofolhas de ferrititanato, obtidas da areia mineral ilmenítica e posteriormente esfoliadas, com nanopartículas de TiO2 modificadas com acetilacetona, estes útlimos formando CTC. As técnicas de caraterização empregadas tais como adsorção-dessorção de N2, espectroscopia de emissão de fotoluminescência (PL) e espectroscopia de refletância difusa (DRS), entre outras, confirmaram a formação das heteroestruturas mesoporosas sensíveis à luz visível e com forte mecanismo de separação de cargas. A fotodegradação do gás poluente NO no espectro de luz-visível por meio de vários nanohíbridos mesoporosos (fotocatalisadores) mostrou-se bem sucedida, exibindo uma eficiência até 7 vezes superior em comparação à atividade do material fotocatalítico padrão TiO2 (P-25 da Degussa). / [en] This work focues on the development of a heterostructure composed by two semiconductors, capable to decrease the electron/hole recombination rate through a robust charge separation, and at the same time, this nanohybrid is sensitive to visible light spectrum. The charge separation is achieved by the injection of free electrons within the conduction band (BC) of TiO2 in anatase form, which come from the highest-occupied-molecular-orbital (HOMO) of acetylacetone (Acac), linked to the anatase nanoparticles, followed by the injection into unoccupied Fe3+ d-orbital within band-gap energy of the ferrititanate nanosheets. Additionally, the absorption of visible light could be assured by ferrititanate nanosheets, considering the interaction of the energy levels of Fe3+ with visible light and the valence and conduction bands, as well as, the formation of the charge transfer complex (CTC), between the anatase nanoparticles and Acac. The mesoporous nanohybrids (called also as heterostructures) were produced by different routes of junction of two components: i) ferrititanate nanosheets, which were synthesized from ilmenite mineral sands, and then they were exfoliated into single layers and ii) TiO2 nanoparticles, modified with Acac, which formed the CTC. The characterization techniques, such as N2 adsorption-desorption, photoluminescence emission spectroscopy (PL) and diffuse reflectance spectroscopy (DRS), and so on, confirmed the formation of the mesoporous heterostructures sensitive to visible light and with a robust mechanism of charge separation. The photodegradation of NO pollutant gas within the visible light spectrum through several mesoporous nanohybrids (photocatalysts) demonstrated being well succeeded, exhibiting an efficiency more than seven times higher than the activity benchmark TiO2 (Degussa P-25) photocatalyst.

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.

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Este trabalho trata do estudo das condições para a produção de padrões em escala nano e micrométricas, utilizando o processo de litografia eletrônica. A parte inicial refere-se ao estudo do elétron-resiste de PMMA incluindo a preparação da solução, o recobrimento do substrato e a secagem. Em seguida, são apresentados estudos sobre o funcionamento do sistema de litografia por feixe de elétrons em detalhe. São tratados problemas com o resiste, o substrato e a interação com a amostra. São apresentados os aspectos mais importantes dos substratos utilizados, sendo dado um enfoque a heteroestruturas semicondutoras com gás de elétrons bidimensionais. As condições para revelação do resiste e das etapas de processamento para que seja feita a replicação para o substrato do padrão gerado no resiste são também abordadas. Diversos estudos foram realizados para mostrar a influência de alguns efeitos comuns na litografia como a influência da espessura do filme de resiste e os efeitos de proximidade. Também trata da produção de padrões sobre substratos diversos como GaAs, VIDRO, ALUMINA e PRATA. A última etapa estuda a utilização de um resiste híbrido PMMA-Sílica como um método de conformação cerâmica. Finalmente é apresentado um estudo relativo a produção de diversos padrões diferentes sobre heteroestruturas semicondutoras de AlGaAs/GaAs. / The work describe the conditions for pattern production at nano and micrometric scale using the electronic lithographic process. In the first part many types of lithographic technics are compared and the aim why the electron beam lithographic nanostructured production was chosen. Detailed results about operation with the lithographic system and some problems related to electron resist, substrate and interaction between electron beam and sample are presented. The most important substrate aspects are shown. The two dimensional electron gas (2DEG) semiconductors heterostrutures and the M B E process to grow samples are discussed too. The conditions to develop electron resist and steps for pattern transfer over the substrate are discussed. Many experimental studies were realized to show the influence and some effects, common to the lithographic process, such as electron resist thickness and the proximity effect. A production of pattern on some kind of substrate like GaAs, Glass, Aluminum, Silver can also be observed. In the last part of this work some discussion about utilisation of hybrid electron resist composite PMMA-Silica was done, as well as very important technics for ceramic conformation. Finally, the main goal of this work is presented: the production of different nanostructure samples using AlGaAs/GaAs substrates.

Os resultados apresentados neste trabalho estão sistematizados em três partes. Em uma primeira etapa, efetuamos um estudo sistemático do comportamento da estrutura eletrônica em super-redes de deltas em função do período da super-rede e em função da concentração planar de dopantes. Uma nova abordagem, que se baseia no método celular e na solução autoconsistente das equações de Schroedinger e de Poisson, foi desenvolvida e aplicada para super-redes com dopagem planar tipo n em GaAs e em silício. Em ambos os casos, foi observada a transição de um comportamento eletrônico de caráter bi- para tridimensional conforme o período da super- rede diminui. No caso de super-redes de deltas de Si em GaAs foi empreendido o cálculo da energia de corte nos espectros de fotoluminescência de excitação. Uma boa concordância com as medidas experimentais foi obtida. O estudo da estrutura eletrônica para o caso de super-rede de deltas de Sb em Si foi pioneiro. Isto tornou os resultados de nossa investigação teórica de importância fundamental para experimentais e teóricos atuando na 6rea. A concordância entre nossas previsões teóricas e dados experimentais da literatura demonstram a consistência e o poder da abordagem desenvolvida. Em uma segunda etapa, foi efetuado o estudo da distribuição espacial do campo elétrico interno em heteroestruturas contendo camadas tipo \"bulk\", compostas por GaAs e (A1Ga)As. Uma nova abordagem foi desenvolvida para a execuqi3o de cálculos dos perfis de potencial eletrostático e de campo elétrico, sem assumir a ionização total dos dopantes e a não-degenerescência do material. Nosso método transforma a equação de Poisson em uma equação integral que deve ser resolvida autoconsistentemente. Os exemplos numéricos demonstram a aplicabilidade de nossa abordagem a sistemas reais. Perfis do campo elétrico calculados são usados para interpretar os espectros de fotorefletância. Em uma terceira etapa, a teoria geral da fotorefletância de heteroestruturas semicondutoras foi desenvolvida neste trabalho para tornar a interpretação de espectros de fotorefletância precisa e de aplicação eficiente. Um novo metodo de cdculo do coeficiente de reflexgo na presenga de inomogeneidade espacial da funggo dieletrica no interior de cada camada fmeceu um novo patamar de cornpreens20 dos espectros de fotorefletiincia. Este metodo e baseado na construgiio de uma matriz de transferhcia que iraclui as inomogeneidades no interior da camada de um mod0 integral. Portanto, para descrever uma camada de heteroestrutura e preciso ter apenas uma ma& de transferencia. 0s resultados de simulag6es numericas de espectros da fotoreflethcia estilo em uma concordhcia bastante boa com aqueles obtidos atravb de medidas opticas. A eficiencia de nosso metodo o torna aplicavel a simulag6es tip0 \"on-line\". 0s resultados dos metodos anteriores sgo reproduzidos como casos limites de nossa abordagem geral. / The results presented in this work can be displayed along the following three lines. In the first we performed a systematical study of the electronic structure behavior in delta superlattices as a function of superlattice period and sheet doping concentration. A new approach, based on the cellular method and on the selfconsistent solution of Schroedinger and Poisson equations, was developed and applied to superlattices with n-type delta doping in GaAs and silicon. In both cases, a transition from bi- to three- dimensional electronic behavior with the decrease of superlattice period was observed. For Si delta-doping superlattices in GaAs we performed calculations of the energy threshold in the photoluminescence excitation spectra. A good agreement with experimentally measured values was observed. Our investigation of the electronic structure of Sb delta-doping superlattices in Si was a pioneer theoretical study. Due to thls fact, the results of our work are of great importance for experimentalists and theoreticians acting in this area. The agreement between our theoretical predictions and the available experimental data demonstrates the consistency and the power of the developed approach. Along the second line we studied electric field spatial distribution inside of heterosinctures containing bulk layers of GaAs and (A1Ga)As. A new approach was developed to calculate the electrostatic potential and electric field profiles, providing the possibility to take .into account the incomplete ionization of impurities and the degeneracy of the materials. Our method transforms the Poisson equation into an integral equation, which must be solved selfconsistently. Numerical examples show the way to apply our approach to real systems. Internal electric field proiiles, calculated by means of our method are used to interpret photoreflectance spectra. In the third line, a general theory of photoreflectance for semiconductor heterostructures was developed in this work to make the interpretation of fotoreflectance spectra more precise and straightfornard. A new method to calculate the reflection coefficient in the presence of weak spatial inhomogenities of the dielectrical function inside each layer, provided us with a new degree of comprehension of the photoreflectance spectra. This method is based on the construction of a transfer matrix which includes the inhomogenities inside the layer in an integral way. This explains why we need only one matrix to describe one layer of the heterostructure. Results of our numerical simulations are in very good agreement with data of optical measurements. The efficiency of our method makes it suitable for on-line simulations. The results of previous methods emerge from our general approach as limit cases.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work we used the density functional theory to study InAs and InP nanowires and InAs/InP nanowire heterostructures. Initially we studied the structural, electronic and mechanical properties of InAs and InP nanowires as a function of the diameter and the influence of external mechanical stress on the electronic properties of these systems. Our results show that all analyzed properties change with increasing quantum confinement. Further, the application of an external stress along the nanowire axis reveals a direct to indirect band gap transition for compressive strain in very thin nanowires. We have also studied the quantum confinement effects on the effective masses of charge carriers in InAs nanowires grown in different crystallographic directions. We found the electron and hole effective masses increase with decreasing diameter independently of the growth direction. However, in the range of the studied diameters, the hole effective mass is significantly smaller to the corresponding one at the bulk system. From the study of the stability and electronic properties of the cadmium and zinc doped InAs nanowires, we show that the Cd impurity prefers to be at the core region, whereas Zn impurity is found to be equally distributed along the nanowire diameter. The analysis of the electronic properties of these systems show that these impurities introduce shallow acceptor levels in the band gap, enabling a p-type behavior of these nanowires. Finally, we determined (i) the structural, electronic and mechanical properties of axially and radially modulated InAs/InP nanowire heterostructures for a specific diameter and (ii) the structural and electronic properties of radial InAs/InP nanowire heterostructures as a function of the diameter and composition. From (i), our calculations showed the analyzed properties have an intermediate value between those for the pure InAs and InP nanowires with similar diameters. In particular, the presence of an InP shell covering the InAs nanowires enhances the InAs electron mobility, as compared to the uncapped InAs nanowires. In addition, for the radial heterostructure, the conduction and the valence band alignments favor a type-I heterojunction, while for the axial heterostructure a transition from a type-I to a type-II heterojunction could occur at this range of diameters. From (ii), we observed that for nanowire heterostrutures of similar diameters, the variation of their structural and electronic properties with the composition possesses significant deviations from the linear behavior, which are dependent of the nanostructure diameter. The conduction band offset is approximately zero and the valence band offset decrease regardless of diameter and composition of the heterostructure. / Neste trabalho realizamos um estudo teórico, baseado na teoria do funcional da densidade, em nanofios de InAs e InP e em heteroestruturas de nanofios InAs/InP. Inicialmente estudamos a variação das propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas com o diâmetro em nanofios de InAs e InP, e as possíveis alterações nas propriedades eletrônicas destes sistemas sob a influência de uma tensão mecânica externa. Nossos resultados mostram que todas as propriedades analisadas são alteradas com o aumento do confinamento quântico. Além disso, a aplicação de uma tensão externa ao longo do eixo de crescimento dos fios leva a uma transição de gap direto para indireto nos nanofios de menores diâmetros. A seguir, avaliamos os efeitos do confinamento quântico na massa efetiva dos portadores de carga em nanofios de InAs crescidos em diferentes direções cristalográficas. Encontramos que as massas efetivas dos elétrons e dos buracos aumentam com a redução do diâmetro, independentemente da direção de crescimento dos nanofios. Contudo, no intervalo de diâmetro estudado, a massa efetiva dos buracos nos nanofios é significativamente menor do que a massa efetiva dos buracos no cristal. Do estudo da estabilidade e das propriedades eletrônicas de nanofios de InAs dopados substitucionalmente com cádmio e zinco observamos que, independentemente do diâmetro dessas nanoestruturas, as impurezas de Cd são mais estáveis quando estão no centro do nanofio, enquanto que as impurezas de Zn se distribuem quase que uniformemente ao longo do diâmetro do fio. Do ponto de vista eletrônico, observamos que estas impurezas introduzem níveis aceitadores rasos no gap de energia desses materiais possibitando um comportamento tipo-p desses nanofios. Por fim, determinamos: (i) as propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de heteroestruturas axiais e radiais de nanofios InAs/InP para um determinado diâmetro; e (ii) as propriedades estruturais e eletrônicas de heteroestruturas radiais InAs/InP como uma função do diâmetro e da composição. Em (i), nossos resultados mostram que as propriedades analisadas possuem valores intermediários entre aqueles dos nanofios de InAs e InP de mesmo diâmetro. Em particular, observamos que a presença de uma camada de InP sobre nanofios de InAs aumenta significativamente sua mobilidade eletrônica quando comparada com a de um nanofio de InAs puro. Além disso, na heteroestrutura radial, o alinhamento das bandas de condução e das bandas de valência favorece uma heteroestrutura do tipo I, enquanto que na heteroestrutura axial, uma transição de uma heteroestrutura do tipo I para uma heteroestrutura do tipo II poderá ocorrer neste intervalo de diâmetros. Em (ii), para as heteroestruturas com diâmetros similares, observamos que a variação de suas propriedades estruturais e eletrônicas com a composição possui desvios significativos do comportamento linear, sendo estes dependentes do diâmetro dessas nanoestruturas. O descasamento da banda de condução é aproximadamente nulo enquanto que o descasamento da banda de valência diminui independente do diâmetro e da composição da heteroestrutura.

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.

Orientador: Fernando Iikawa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-06T18:02:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Godoy_MarcioPeronFrancode_D.pdf: 4057709 bytes, checksum: 0df1e56082150d4109dcf891f05d4da6 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho estudamos as propriedade estruturais e ópticas de pontos quânticos auto-organizados de InP crescidos sobre o substrato de GaAs. Esta estrutura apresenta o alinhamento de bandas tipo-II na interface, confinando o elétron no ponto quântico, enquanto o buraco mantém-se na barreira, próximo à interface devido à interação coulombiana atrativa. As amostras foram crescidas por epitaxia de feixe químico (CBE) no modo Stranskii-Krastanov. Os pontos quânticos apresentam raio médio de 25 nm e grande dispersão de altura (1-5 nm) e ocorre a relaxação parcial do parâmetro de rede, chegando a 2 %, em pontos quânticos superficiais. Do ponto de vista de propriedades ópticas, a fotoluminescência de pontos quânticos superficiais exibe uma eficiente emissão óptica, devido a baixa velocidade de recombinação dos estados superficiais do InP, e reflete a densidade e distribuição bimodal de tamanhos. Além disso, sua emissão óptica em função da intensidade de excitação exibe comportamento diverso em comparação com pontos quânticos cobertos com uma camada de GaAs. Em pontos quânticos cobertos, determinamos a energia de ativação térmica, que varia de 6 a 8 meV, e é associada à energia de ligação do éxciton ou energia de ionização do buraco. O decaimento temporal da luminescência de pontos quânticos é de 1,2 ns, um tempo relativamente curto para um ponto quântico tipo-II. A análise das propriedades magneto-ópticas em pontos quânticos individuais, inédita em QDs tipo-II, permitiu verificar que o fator-g do éxciton é praticamente constante, independentemente do tamanho dos QDs, devido ao fato dos buracos estarem levemente ligados. Por fim, mostramos a versatilidade do sistema acoplando-o a um poço quântico de InGaAs. Este acoplamento introduz mudanças na superposição das funções de onda do par elétron-buraco que permitem a manipulação do tempo de decaimento da luminescência e da energia de ligação excitônica / Abstract: We have investigated structural and optical properties of InP self-assembled quantum dots grown on GaAs substrate. This system presents a type-II band lineup where only electrons are confined in the InP quantum dots. The InP/GaAs quantum dots were grown by chemical beam epitaxy in the Stranskii-Krastanov mode. Our quantum dots present a mean radius of 25 nm and large height dispersion, 1-5 nm, and a partial relieve of the strain up to 2 % is observed. The photoluminescence spectra of surface quantum dots show an efficient optical emission, which is attributed to the low surface recombination velocity in InP. We observed a bimodal dispersion of the dots size distribution, giving rise to two distinct emission bands. A remarkable result is the relatively large blue shift of the emission band from uncapped samples as compared to those for capped dots. In capped quantum dots, we obtained the thermal activation energy, from 6 to 8 meV, which is associated to the exciton binding energy or hole ionization energy. The observed luminescence decay time is about 1.2 ns, relatively short decay time for type II system. We investigated magneto-optical properties using single-dot spectroscopy. The values of the exciton g factor obtained for a large number of single InP/GaAs dots are mainly constant independent of the emission energy and, therefore, of the quantum dot size. The result is attributed to the weak confinement of the holes in InP/GaAs QDs. We have also investigated structures where InP quantum dots are coupled to a InGaAs quantum well. This system permits the manipulation of the wave function overlap between electron-hole in order to control the optical emission decay time and exciton binding energy / Doutorado / Física / Doutor em Ciências