Semicondutores de gap de banda grande possuem um vasto campo de aplicação na construção de dispositivos que necessitam operar em alta potência, em alta frequência e em ambientes hostis. Nesse trabalho apresentamos um estudo das sínteses de SiC e GaAsN obtidos, respectivamente, por implantação iônica de C em Si pré-implantado com He, e de N em substratos de GaAs. Uma camada de 110 nm de SiO2 foi depositada nos substratos antes do processo de implantação. Essa foi removida após a síntese, expondo as camadas à superfície. Para a síntese de SiC, substratos de Si préimplantados com He foram preparados a fim de gerar um estágio intermediário de substrato do ponto de vista de tensão exercida por esse na camada de SiC em síntese. Apresentamos diferenças entre a síntese do presente trabalho com as sínteses dos trabalhos anteriores, nos quais foram feitas a partir de Si bulk (tensão máxima) e a partir de SIMOX (sem tensão). Análises composicionais e estruturais foram feitas por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford (RBS), Canalizacão (RBS/C) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Substratos pré-implantados com He nos levaram a uma redução na fluência mínima de C necessária para a síntese de uma camada de SiC estequiométrica, em comparação com o mesmo processo de síntese de SiC em SiO2/Si utilizando substratos de Si bulk. A fluência é comparável àquela necessária na síntese a partir de estruturas SIMOX, porém, a presente síntese apresentou uma importante melhora na qualidade estrutural. Na síntese de GaAsN por implantação de N em SiO2/GaAs, diferentes temperaturas de implantação foram utilizadas, partindo de temperatura ambiente até 500oC. Tratamentos térmicos em 850oC por 5 min foram feitos e diferenças estruturais foram extensamente estudadas por RBS, Fotoluminescência e TEM. Análise estrutural feita por TEM indica que a temperatura de implantação de 400oC é a mais adequada para a síntese de GaN cristalino. Temperaturas mais baixas que essa aumentam a tendência de formação de ligas GaAsN, no quais, para implantação em temperatura ambiente são amorfas. Condutividade tipo-p foi medida em ligas GaAsN:Mg obtidas por epitaxia de feixe molecular (MBE) e em amostras dopadas com Mg por implantação iônica em GaAsN amorfo obtido por MBE. Também exploramos a possibilidade de obtenção dessas ligas por co-implantação de N e Mg em substratos GaAs em temperatura ambiente. / Semiconductors with a large band gap have a wide application in the construction of devices that need to operate at high power, at high frequency and in hostile environments. In this work we present studies about the synthesis of SiC and GaAsN obtained by ion implantation of C into Si pre-implanted with He, and N into GaAs substrates, respectively. About 110 nm of SiO2 layer was deposited on all substrates previously to the implantation procedures. This layer was removed after synthesis revealing the synthesized layers to the surface. For the SiC synthesis, Si substrates pre-implanted with He were prepared in order to generate an intermediate stress stage as applied by the substrate on the epitaxial SiC in synthesis. We present differences between the current synthesis and those performed in in previous works, where synthesis started from Si bulk (maximum stress) and from SIMOX structures (no stress). Compositional and structural analyses were undergone by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Channeling (RBS/C) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Si substrates pre-implanted with He led us to a reduction in the minimum C fluence required for synthesis of a stoichiometric SiC layer, compared to the same SiC synthesis process in SiO2/Si using Si bulk substrates. Such fluence is comparable to the one required for the synthesis started from SIMOX structures, but the present synthesis now demonstrates an important structural quality improvement. For the GaAsN synthesis by N ion implantation into SiO2/GaAs, the samples were kept at different implantation temperatures, starting from room temperature (RT) up to 500oC. Thermal treatments at 850oC during 5 min were performed and structural differences were extensively studied by RBS, Photoluminescence and TEM measurements. Structural analysis performed by TEM indicates that the implantation temperature of 400oC is more adequate for the synthesis of a crystalline GaN layer. Lower temperatures enhance the tendency to form GaAsN alloys, which is particularly amorphous for the RT implantation case. In addition, p-doping of GaAsN using Mg was also addressed. P-type conductivity was measured in GaAsN:Mg alloys obtained by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and in samples doped by Mg implantation into amorphous GaAsN grown by MBE. We also probed the possibility to obtain such allows by N and Mg co-implantation into GaAs substrates at room temperature.

O sistema ferro-carbono é investigado sob alta pressão em duas regiões de concentração representativas. Inicialmente uma alta dose de carbono (3,8 x 1017 íons/cm² ) é implantada em ferro metálico, à temperatura. ambiente. As amostras foram submetidas a tratamentos térmicos até 450 °C. A evolução térmica da série de carbonetos de ferro, e-Fe2C, x-Fe5C2 e θ-Fe3C é acompanhada pela técnica de espectroscopia Mössbauer com elétrons de conversão (CEMS). No estágio inicial observou-se a predominância do carboneto e, que evoluiu posteriormente para os carbonetos ﭏ e θ. Os átomos de carbono implantados se combinam na forma de compostos de Fe-C e começam a difundir para fora da região sensível ao CEMS em torno de 450 °C. A aplicação de uma pressão de 3 GPa acelera o processo de evolução térmica, reduzindo a temperatura necessária para a formação dos carbonetos ﭏ e θ. Este efeito pode ser interpretado como sendo causado, fundamentalmente, pelo aumento da solubilidade do carbono no ferro devido à pressão. A solubilidade do carbono em ferro é aumentada pela concentração de defeitos, principalmente deslocações. A aplicação de alta pressão na matriz de ferro e precipitados, de diferentes compressibilidades, origina regiões deformadas plasticamente ao redor dos precipitados ele Fe-C, tornando possível o aumento na solubilidade e, como consequência, do transporte ele carbono. Posteriormente, foi feito um estudo exploratório do sistema Fe-C na região de alta pressão e alta temperatura da síntese elo diamante. Foram processadas amostras de grafite policristalino com 57Fe em concentrações muito baixas (em torno de 0,3% at.) em alta pressão e alta temperatura. As amostras foram analisadas por espectroscopia Mössbauer de transmissão. São identificados nos espectros Mössbauer compostos de Fc2+ e Fe3+. Estes compostos são óxidos de ferro, hidróxido ferroso, esquaratos e oxalatos. Foi concluído que a solubilidade do ferro em grafite é muito baixa, provavelmente abaixo ele 0,03%. Não foi detectada nenhuma evidência de ferro em solução ou intercalado no grafite. Adicionalmente foi estudado o efeito do meio transmissor de pressão com respeito à presença de água. Foi observado que uma considerável quantidade de compostos de ferro e carbono hidratados foram formados quando um meio não anidro foi usado em torno da amostra Estes compostos podem explicar os efeitos danosos da água na síntese do diamante e, também, os efeitos danosos do hidrogênio e outros gases que contenham hidrogênio na síntese do diamante em pressão.

Foram estudadas a ativação elétrica e a redistribuição de As (dopante tipo n) implantado em SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Estruturas SIMOX com diferentes espessuras da camada superficial de Si e do óxido enterrado foram usadas. As implantações de As+ foram feitas com a energia de 20 keV e doses de 5x1014cm-2 ou 2x1015cm-2. Um perfil em forma de platô foi implantado em algumas amostras por implantação com tripla energia. Recozimentos térmicos rápidos e convencionais foram aplicados para a ativação dos dopantes e cobertura dos danos de implantação. A caracterização física e elétrica foi feita através de RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering) e medidas elétricas por efeito Hall. Os resultados são discutidos considerando a profundidade de amorfização alcançada pela implantação de dopantes e a cobertura dos danos após recozimentos e sua influência na ativação elétrica dos dopantes.As amostras completamente amorfizadas apresentaram maiores valores de resistência de folha e menor percentagem de ativação dos dopantes em comparação com as amostras que não tiveram a completa amorfização do filme de Si. Os resultados mostram claramente a necessidade de evitar a amorfização total do filme de Si em SIMOX durante a implantação iônica, possibilitando a formação de uma boa estrutura cristalina com boas características elétricas após o recozimento. / The re-crystallization and electrical activation of As (n-type dopant) implanted in SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) were studied. Two SIMOX structures with different Si overlayers and buried oxide thicknesses were used. The As+ implantations were performed with energy of 20 keV to doses of 5x1014cm-2 or 2x1015cm-2 in both substrates. A plateau-like profile was achieved in an additional set of SOI samples by triple energy implantation. Rapid thermal and conventional furnace annealing were applied for dopant activation and recovery of the implantation damage. The physical and electrical characterizations were done by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), sheet resistance measurements and Hall Effect measurements. The results are discussed considering the amorphization depth reached by dopant implantation and the crystal recovery process via thermal treatment and the influence in the electrical activation of the dopants. The completely amorphized samples presented higher values of sheet resistance and lower electrical activation percentage compared with the samples that did not have the complete top Si film amorphized. These results clearly show the need for avoiding total amorphization of the Si film during ion implantation in SIMOX, so that it is possible to achieve good crystal and electrical characteristics after thermal processing.

Neste trabalho, medimos a perda de energia de íons de He e Li em Zn, com energias que vão de 400 keV a 7 MeV, no primeiro caso, e de 300 keV a 5 MeV, no segundo. Usamos a técnica de retroespalhamento de Rutherford com amostras do tipo Au(100Å)\Zn\Au(100Å)\Si, com camadas de Zn de espessuras de 460 Å, 750 Å e 1500 Å. Sendo o Zn o metal de transição com o maior deslocamento de energia entre as camadas 4s e 3d, ele é o alvo ideal para estudar a relação entre o poder de freamento e a velocidade do íon a baixas energias. Para ambos os tipos de projétil consegue-se observar a relação de proporcionalidade entre a perda de energia e a velocidade do íon incidente, como previstos pelas teorias existentes. Por outro lado, encontrou-se que, para íons de He incidindo a baixas energias (E < 800keV) em Zn, a curva do poder de freamento está em perfeito acordo com os resultados obtidos utilizando o método de transmissão por N. Arista et al. Para altas energias (E > 800keV), os resultados estão em bom acordo com o cálculo feito pela subrotina RSTOP do programa Transport of Ions in Matter (TRIM). No caso dos íons de Li, as medições de perda de energia foram realizadas num alvo de Zn pela primeira vez. Esses resultados se mostraram em bom acordo com a previsão da subrotina RSTOP de Ziegler te al e com a fórmula universal de Kalbitzer. Esse acordo ocorre para todo o intervalo de energia estudado. / In this work, we present results on the stopping power of He and Li in Zn in the 0.4-7 MeV energy range He and in the 0.3-5 MeV for Li. We have used the Rutherford backscattering technique (RBS) with Au (100 Å)/Zn/Au (100 Å) films with Zn slabs of 460, 750, 1500 Å width. Since Zn is the transition metal with the larger energy gap between the 4s and 3d sub shells, it is the ideal candidate for studying the relationship between the stopping power and the ion velocity (at lower energies). In both cases it was possible to observe the direct proportionality between both quantities as anticipated by current theories. On the other hand, we found that, for lower energies (E < 800 keV), the stopping power measured in our laboratory is in perfect agreement with similar measurements performed using the transmission technique by N. Arista et al. For higher energies (E > 800 keV) the He results are in fair agreement with the RSTOP predictions. For the Li case, the stopping power measurements were the first ones done on a Zn target. The results are in good agreement with the RSTOP predictions as well as with the universal function by Kalbitzer et al. This is valid for all the measured energy range.

SiC é um semicondutor promissor para dispositivos eletrônicos de alta-potência, alta-freqüência e alta temperatura e a síntese de uma camada epitaxial de SiC por implantação, na superfície do Si, pode ser uma via de integração com a tecnologia de Si. Implantação em alta temperatura (600°C) através de uma capa de SiO2, recozimento pós-implantação a 1250°C sob um ambiente de Ar (com 1% de O2) e ataque químico são a base da presente síntese. Implantações à energia de 40 keV foram executadas em substratos SIMOX(111) e Si(111), cobertos com uma capa de 100 nm de SiO2. Implantação em SIMOX foi o foco principal. Isto nos permitiu obter uma camada sintetizada de SiC separada do Si bulk e analisar as conseqüências estruturais. Neste caso, foi produzida a conversão da camada superior de 65 nm de Si superior da estrutura SIMOX em 30-45 nm de SiC. Implantações seqüenciais de C (passos de fluências de ~ 5 × 1016 C/cm2), seguidas por recozimento à 1250°C, permitiu estimar as fluências mínimas de C para atingir a estequiometria como 2,3 × 1017 C/cm2 e 2,8 × 1017 C/cm2, quando implantado em SIMOX e em Si, respectivamente. Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford (RBS) foi empregada para medir a evolução composicional da camada. Pela análise das implantações seqüenciais, foi possível compreender a redistribuição de carbono durante a implantação e recozimento. Uma estrutura de duas camadas é observada no SiC sintetizado separado do Si bulk, sendo a camada superficial mais rica em Si. Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) mostrou que as camadas sintetizadas são sempre cúbicas e epitaxiais à estrutura original do Si. TEM também mostrou que as implantações diretas, até as fluências mínimas, resultam em uma melhor qualidade estrutural. Para uma fluência muito mais alta (4 × 1017 C/cm2), uma camada completamente estequiométrica é obtida, com redução na qualidade estrutural. Nossos resultados indicam que o excesso de carbono é o principal fator determinante da qualidade cristalina final do SiC sintetizado por feixe de íons, quando comparado ao stress, resultante de um casamento de redes forçado entre o substrato Si e o SiC sintetizado. / SiC is a promising semiconductor for high-power, high-frequency and hightemperature electronic devices and the synthesis of an epitaxial layer of SiC by implantation, on the surface of Si, can be a route for integration with the Si technology. High temperature implantation (600oC) through a SiO2 cap, 1250oC post-implantation annealing under Ar ambient (with 1% of O2), and chemical etching are the base for the present synthesis. 40 keV carbon implantations were performed into SIMOX(111) and Si(111) substrates covered with a 100 nm SiO2 cap. Implantation into SIMOX was the main focus. It has allowed us to obtain a SiC synthesized layer separated from the bulk silicon and to analyze the structural consequences. In this case, it was performed the conversion of a 65 nm Si(111) overlayer of a SIMOX(111) into 30-45 nm SiC. Sequential C implantations (fluence steps of about 5 × 1016 C/cm2), followed by 1250oC annealing, has allowed to estimate the minimum C fluences to reach the stoichiometric composition as 2.3 × 1017 C/cm2 and 2.8 × 1017 C/cm2, when implanting into SIMOX and into Si, respectively. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) was employed to measure layer composition evolution. By analyzing the sequential implantations it was possible to understand the carbon redistribution during implantation and annealing. A two-sublayers structure is observed in the synthesized SiC separated from the bulk Si, being the superficial one richer in Si. Transmission Electron Microscopy (TEM) has shown that the synthesized layers are always cubic and epitaxial to the original Si structure. TEM also show that single-step implantations, up to the minimum fluences, result in better structural quality. For a much higher C fluence (4 × 1017 C/cm2), a whole stoichiometric layer is obtained, with reduction of structural quality. Our results indicate that excess of carbon content is the major detrimental factor to determine the final crystalline quality in SiC ion beam synthesis, as compared to the stress, resulting from a forced lattice matching between the Si substrate and the synthesized SiC.

Investigam-se no presente trabalho as relações entre a composição superficial e as propriedades mecânicas e tribolõgicas de aços carbono implantados com nitrogenio. Os resultados dos testes de propriedades mecanicas e tribolõgicas foram extraídos da literatura. A análise da composição su perficial fdi realizada através da espectroscopia Wissbauer de elétrons de conversão (CEMS) e de raios-X de conversão (CXMS). Recozimentos em alto vácuo foram realizados para simular o aumento de temperatura nos processos tribolõgicos reais. Os resultados obtidos mostram que hã uma tendência para pre cipitação de carbonitretos de ferro, finamente distribuídos, em aços carbono implantados com nitrogénio. A quantidade de carbono pré-existente desempenha um papel relevante nessa tendência. Mostra-se que a melhoria das propriedades mecânicas e tribo lOgicas de aços carbono implantados com nitrogenio e fundamentalmente devida ao mecanismo de endurecimento por precipitação. Mostra- se também que a persistencia do efeito protetor em profundida des muito maiores do que a camada implantada, está associada com a difusão do nitrogenio liberado pela decomposição térmica dos com postos superficiais. / The relationships between the surface composition and the mechanical and tribological properties of carbon steels implanted with nitrogen were investigated. The results from the mechanical and tribological tests were extracted from the literature. The surface composition analysis was. performed with the conversion electron and X-ray Mdssbauer spectroscopy (CENS and CXMS). Thermal annealing was performed in high vacuum, in order to simulate the temperature increase in real tribological processes. The obtained results shown the tendency to iron carbonitrides precipitation, finely dispersed, induced by nitrogen implantation into carbon steels. The amount of carbon pre-existent plays a relevant rõle in this trend. It is shown that the improved mechanical and tribological performance of nitrogen-implanted carbon steels are mainly due to the precipitation hardening mechanism. It is shown also that the persistence of the protective action at greater depths is associated with the in-diffusion of nitrogen released by thermal decomposition of the compounds formed at the surface.

A Espectroscopia de Transientes de Níveis Profundos (DLTS – Deep Level Transient Spectroscopy) foi, detalhadamente, descrita e analisada. O processo de isolação por implantação em GaAs foi estudado. Sua dependência com a sub-rede, do As ou do Ga, em que o dopante é ativado foi investigada para material tipo-p. Semelhantes doses de implantação de prótons foram necessárias para se tornar semi-isolantes camadas de GaAs dopadas com C ou com Mg possuindo a mesma concentração de pico de lacunas livres. A estabilidade térmica da isolação nestas amostras foi medida. Diferenças no comportamento de recozimento destas apontaram a formação, provavelmente durante a referida etapa térmica, de uma estrutura diferente de defeitos em cada caso. Medidas de DLTS foram realizadas em amostras de GaAs tipo-n e tipo-p implantadas com prótons de 600 keV. A estrutura de picos observada apresentou, além de boa parte dos defeitos introduzidos para o caso de irradiação com elétrons, defeitos mais complexos. Um novo nível, com energia superior em ~0,64 eV ao valor correspondente ao topo da banda de valência, foi identificado nos espectros medidos em material tipo-p. A variação da concentração dos centros de captura introduzidos com diferentes etapas de recozimento foi estudada e comparada com o comportamento previamente observado para a resistência de folha em camadas de GaAs implantadas com prótons. Simulações foram feitas, indicando que a interpretação adotada anteriormente, associando o processo de isolação diretamente à formação de defeitos relacionados a anti-sítios, pode não estar completa.

Neste trabalho, estudamos a posição de átomos de F na estrutura cristalina do Si. As amostras foram pré-amorfizadas utilizando um feixe de Si de 200 keV e, após, implantadas com F. Então recristalizamos a camada amorfa através do processo de Epitaxia de Fase Sólida (EFS). Empregamos as técnicas de Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford, na condição de canalização iônica, e de Análise por Reação Nuclear (NRA), através da reação ressonante ( ) O p F 16 19 , αγ , à 5 , 340 keV, para determinar a posição dos átomos de F e, depois, reproduzimos os resultados experimentais através do programa de simulação computacional chamado Simulação Adaptada de Canalização de Íons Rápidos em Sólidos (CASSIS - Channeling Adapted Simulation of Swift Ions in Solids). Os resultados obtidos apontam para duas possíveis combinações lineares distintas de sítios. Uma delas concorda com a proposta teórica de Hirose et al. (Materials Science & Engineering B – 91-92, 148, 2002), para uma condição experimental similar. Nessa configuração, os átomos de F estão na forma de complexos entre átomos de flúor e vacâncias (F-V). A outra combinação ainda não foi proposta na literatura e também pode ser pensada como um tipo de complexo F-V.

Foi estudado o comportamento do As (dopante tipo n) em dois tipos diferentes de substratos de Si: bulk e SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Ambos os substratos receberam uma implantação de 5x1014 cm-2 de As+ com energia de 20 keV. Após as implantações, as amostras foram recozidas por um dos dois processos a seguir: recozimento rápido (RTA, Rapid Thermal Annealing) ou convencional (FA, Furnace Annealing). A caracterização física e elétrica foi feita através do uso de diversas técnicas: SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), medidas de resistência de folha, medidas Hall e medidas de perfil de portadores por oxidação anódica. Na comparação entre os substratos SIMOX e Si bulk, os resultados indicaram que o SIMOX se mostrou superior ao Si bulk em todos os aspectos, ou seja, menor concentração de defeitos e menor perda de dopantes para a atmosfera após os recozimentos, maior concentração de portadores e menor resistência de folha. A substitucionalidade do As foi maior no SIMOX após RTA, mas semelhante nos dois substratos após FA. Na comparação entre RTA e FA, o primeiro método se mostrou mais eficiente em todos os aspectos mencionados acima. As explicações para o comportamento observado foram atribuídas à presença de maior concentração de vacâncias no SIMOX do que no Si bulk e à interação destas vacâncias com os dopantes.

Quando dirigimos nossa atenção ao deslocamento e rearranjo dos átomos de um alvo submetido à irradiação com feixe de Íons energéticos, designamos o fenômeno como Mistura Por Feixe De Íons, ou abreviadamente, IM ( do inglês "Ion Beam Mixing" ). O progresso na compreensão dos mecanismos do IM tem sido dificultado pela falta de procedimentos padronizados para a obtenção das amostras e análise dos resultados experimentais. Por outro lado, são raros os estudos sistemáticos da fenomenologia do IM em diferentes sistemas. No presente trabalho sugerimos procedimentos seguros para o estabelecimento de uma base fenomenológica mais sólida para o IM discutindo o significado, as incertezas e a relevância das grandezas físicas comumente empregadas no seu estudo. A seguir, são apresentados resultados referentes à interdifusão e formação de fases do sistema Fej Al discutindo seu significado com base em modelos propostos para os mecanismos do IM. / When the primary interest is the atomic rearrangement of a target submitted to ion beam irradiation, the phenomenon is termed Ion Beam Mixing (IM). The lack of common · procedures in producing samples and analysing experimental results has difficulted the progress in the comprehension of the basic mechanisms involved. On the other hand, systematic studies on the IM phenomenon in different systems are scarce. In the present work we suggest safe procedures to establish a more reliable basis for the IM phenomenology by discussing the role played by the physical parameters usually employed in its study. Finally, experimental results concerning the interdiffusion and phase formation in the Fe/ Al system are presented and discussed on the basis of the model mechanisms proposed to understand IM.