CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In the last few decades the physics of low dimensional semiconductor systems have attracted much attention due to the potential applications that arise from their due to electronic and optical properties. For example, InGaAs and InGaAsP heterostructures are currently used in optoelectronic applications that operate in the infrared spectrum. In such systems, the con_nement of charges can be realized in one, two or in three dimensions. The optical properties of quantum con_nement systems are basically determined by electronic transitions. Excitons, formed by an electron-hole pair bounded by coulombic interaction, are the responsible for the emission wavelenght. The aim of this work is to computer the ground state exciton energies in quantum wells, cylindrical quantum wires and pyramidal quantum dots as a function of the their size and shape. The results show that the exciton energies of In0:4Ga0:6As/GaAs quantum wells and wires are in the range from 0.9 to 1.3 eV. The results of In0:4Ga0:6As/GaAs pyramidal quantum dots show that the e-lh (e-hh) recombination energies are approximately 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV / A fÃsica de sistemas semicondutores de baixa dimensionalidade tem evoluÃdo bastante nas Ãltimas dÃcadas. Em parte, porque essas estruturas oferecem a oportunidade de testarmos vÃrios modelos teÃricos, mas tambÃm porque existe um grande potencial de aplicaÃÃo tecnolÃgica derivada das propriedades de tais estruturas e dos materiais que a formam. Como exemplo, temos as heteroestruturas semicondutoras formadas com os materiais InGaAs e InGaAsP que sÃo de grande utilidade em dispositivos optoeletrÃnicos emitindo na regiÃo do infravermelho. Nesses sistemas podemos fazer um confinamento dos portadores de carga, como elÃtrons e buracos, em uma, duas ou em trÃs direÃÃes, aos quais sÃo chamados de poÃo (2D), fio (1D) e ponto quÃntico (0D), respectivamente. As propriedades Ãticas dos semicondutores sÃo determinadas pelos autovalores e autovetores do movimento dos elÃtrons e buracos. Os excitons que à o par elÃtron-buraco interagindo entre si sÃo os maiores responsÃveis pela emissÃo (pico da fotoluminescÃncia) em sistemas de confinamento em semicondutores. A interaÃÃo colombiana e o tipo de confinamento imposto pela construÃÃo dessas estruturas junto com suas interfaces graduais afeta o movimento desses portadores. O nosso objetivo neste trabalho à calcular a energia de emissÃo dos excitons elÃtron-buraco leve e elÃtron-buraco pesado em poÃos, fios cilÃndricos e em pontos quÃnticos piramidais em funÃÃo de seus parÃmetros de dimensionalidade. Os resultados obtidos mostram as energias do exciton no poÃo e no fio quÃntico In0.4Ga0.6As/GaAs na mesma ordem de grandeza, estando na faixa de 0.9 à 1.3 eV. Para o ponto piramidal, as energias de recombinaÃÃo do par e-hh (e-lh) estÃo na faixa de 1.3-1.4 (1.18-1.28) eV.

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.

Neste trabalho é apresentado um estudo espectroscópico sobre vidros de germanato contendo nanopartículas (NPs) metálicas e semicondutoras dopados com íons de terras-raras (TRs) Eu3+, Nd3+ e Er3+ visando o desenvolvimento de novos materiais para aplicações em fotônica. Estes vidros apresentam larga janela de transmissão (400-4500 nm), alto índice de refração (~ 1,9), baixa energia de fônon (700 cm-1), alta resistência mecânica e durabilidade química. Com a finalidade de verificar a nucleação das NPs metálicas e semicondutoras, foram realizadas análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) que indicaram a presença de NPs metálicas e semicondutoras. As técnicas de espectroscopia de fluorescência de raios X por energia dispersiva (EDS energy dispersive spectroscopy) e difração de elétrons comprovaram a natureza química das NPs. As medidas de absorção óptica evidenciaram a incorporação dos íons de TRs na forma trivalente, fenômeno responsável pela luminescência nos vidros, e permitiram as medidas das bandas de absorção relacionadas à ressonância dos plasmons superficiais e das bandas de absorção características de NPs de natureza semicondutora. Medidas de emissão foram realizadas através de diferentes procedimentos, que variaram de acordo com a natureza das TRs. Foram medidas intensas bandas de emissão da luz vermelha do Eu3+ relacionadas com as transições 7F J (J=0 a 6) -> 5D0, bandas de emissão associadas à conversão ascendente de freqüências do Er3+ em 530, 550 e 670nm relacionadas com as transições 2H 11/2 -> 4I 15/2 , 4S 3/2 -> 4I 15/2 e 4F 9/2 -> 4I 15/2 respectivamente, e bandas de emissão de luz na região do infravermelho do Nd3+ em 900, 1076 e 1350 nm relacionadas com as transições 4F 3/2 -> 4I 9/2 , 4F 3/2 -> 4I 11/2 e 4F 3/2 -> 4I 13/2 . Foi observado aumento significativo da luminescência da luz vermelha do Eu3+ nas amostras contendo NPs de prata, ouro, e prata juntamente com ouro. Nas amostras contendo NPs de silício foi observado aumento significativo da emissão associada à conversão ascendente de freqüências do érbio. Os aumentos ocorridos na luminescência das amostras contendo NPs metálicas são provavelmente causados pelo aumento do campo local nas proximidades dos íons de TRs e pela transferência de energia entre as NPs e os íons deTRs. Os aumentos ocorridos na luminescência das amostras contendo NPs semicondutoras são provavelmente causados pela transferência eficiente de energia entre as NPs e os íons de TRs originada da recombinação de éxcitons dentro das NPs semicondutoras. Portanto, a presença das NPs desempenha um papel importante para o aumento da luminescência, permitindo o desenvolvimento de novos materiais com aplicações em nanofotônica. / This work presents a spectroscopic study about Eu3+, Nd3+ and Er3+ rare-earth doped germanate glasses containing metallic and semiconductor nanoparticles (NPs) aiming the development of new materials for photonic applications. These glasses have a large transmission window (400-4500 nm), high refractive index (~ 1.9), low phonon energy (700 cm-1), high mechanic resistance and chemical durability. Transmission Electronic Microscopy analysis was performed to verify the metallic and semiconductor NPs nucleation, and indicated the presence of metallic and semiconductor NPs. X ray fluorescence by energy dispersive spectroscopic (EDS) and electron diffraction analysis showed the chemical nature of the NPs. Optic absorption measurement proved the trivalent incorporation of the rare-earth ions, the responsible phenomenon for the luminescence of the glasses that allowed the measurement of the absorption bands related to the superficial plasmon resonance. Emission measurements were performed with different procedures, related to nature of the rare-earth. High emission bands of Eu3+ were measured related to the 7F J (J=0 to 6) -> 5D 0 transitions; emission bands associated to the frequency upconversion of Er3+ in 530, 550 and 670nm related to the 2H 11/2 -> 4I 15/2, 4S 3/2 -> 4I 15/2 e 4F 9/2 -> 4I 15/2 transitions were observed, and as well as emission bands of Nd3+ in 900, 1076 and 1350 nm related with the 4F 3/2 -> 4I 9/2, 4F 3/2 -> 4I 11/2 e 4F 3/2 -> 4I 13/2 transitions. A significant enhancement of the red light luminescence of Eu3+ was observed in the samples containing silver, gold, and silver together with gold NPs. For the samples containing silicon NPs it was observed a considerable enhancement of the frequency upconversion emission of the erbium. The luminescence enhancement of the samples with metallic NPs is due to the enhancement of the local field nearby the rare-earth ions and/or to the energy transfer between the NPs and the rare-earth ions. The luminescence enhancement of the samples with semiconductor NPs are due to the efficient energy transfer between the NPs and the rare-earth ions originated from the excitons recombination inside the semiconductor NPs. Therefore, the presence of the NPs plays an important role on the luminescence enhancement, allowing de development of new materials for nanophotonic applications.

Neste trabalho é apresentado um estudo espectroscópico sobre vidros de germanato contendo nanopartículas (NPs) metálicas e semicondutoras dopados com íons de terras-raras (TRs) Eu3+, Nd3+ e Er3+ visando o desenvolvimento de novos materiais para aplicações em fotônica. Estes vidros apresentam larga janela de transmissão (400-4500 nm), alto índice de refração (~ 1,9), baixa energia de fônon (700 cm-1), alta resistência mecânica e durabilidade química. Com a finalidade de verificar a nucleação das NPs metálicas e semicondutoras, foram realizadas análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) que indicaram a presença de NPs metálicas e semicondutoras. As técnicas de espectroscopia de fluorescência de raios X por energia dispersiva (EDS energy dispersive spectroscopy) e difração de elétrons comprovaram a natureza química das NPs. As medidas de absorção óptica evidenciaram a incorporação dos íons de TRs na forma trivalente, fenômeno responsável pela luminescência nos vidros, e permitiram as medidas das bandas de absorção relacionadas à ressonância dos plasmons superficiais e das bandas de absorção características de NPs de natureza semicondutora. Medidas de emissão foram realizadas através de diferentes procedimentos, que variaram de acordo com a natureza das TRs. Foram medidas intensas bandas de emissão da luz vermelha do Eu3+ relacionadas com as transições 7F J (J=0 a 6) -> 5D0, bandas de emissão associadas à conversão ascendente de freqüências do Er3+ em 530, 550 e 670nm relacionadas com as transições 2H 11/2 -> 4I 15/2 , 4S 3/2 -> 4I 15/2 e 4F 9/2 -> 4I 15/2 respectivamente, e bandas de emissão de luz na região do infravermelho do Nd3+ em 900, 1076 e 1350 nm relacionadas com as transições 4F 3/2 -> 4I 9/2 , 4F 3/2 -> 4I 11/2 e 4F 3/2 -> 4I 13/2 . Foi observado aumento significativo da luminescência da luz vermelha do Eu3+ nas amostras contendo NPs de prata, ouro, e prata juntamente com ouro. Nas amostras contendo NPs de silício foi observado aumento significativo da emissão associada à conversão ascendente de freqüências do érbio. Os aumentos ocorridos na luminescência das amostras contendo NPs metálicas são provavelmente causados pelo aumento do campo local nas proximidades dos íons de TRs e pela transferência de energia entre as NPs e os íons deTRs. Os aumentos ocorridos na luminescência das amostras contendo NPs semicondutoras são provavelmente causados pela transferência eficiente de energia entre as NPs e os íons de TRs originada da recombinação de éxcitons dentro das NPs semicondutoras. Portanto, a presença das NPs desempenha um papel importante para o aumento da luminescência, permitindo o desenvolvimento de novos materiais com aplicações em nanofotônica. / This work presents a spectroscopic study about Eu3+, Nd3+ and Er3+ rare-earth doped germanate glasses containing metallic and semiconductor nanoparticles (NPs) aiming the development of new materials for photonic applications. These glasses have a large transmission window (400-4500 nm), high refractive index (~ 1.9), low phonon energy (700 cm-1), high mechanic resistance and chemical durability. Transmission Electronic Microscopy analysis was performed to verify the metallic and semiconductor NPs nucleation, and indicated the presence of metallic and semiconductor NPs. X ray fluorescence by energy dispersive spectroscopic (EDS) and electron diffraction analysis showed the chemical nature of the NPs. Optic absorption measurement proved the trivalent incorporation of the rare-earth ions, the responsible phenomenon for the luminescence of the glasses that allowed the measurement of the absorption bands related to the superficial plasmon resonance. Emission measurements were performed with different procedures, related to nature of the rare-earth. High emission bands of Eu3+ were measured related to the 7F J (J=0 to 6) -> 5D 0 transitions; emission bands associated to the frequency upconversion of Er3+ in 530, 550 and 670nm related to the 2H 11/2 -> 4I 15/2, 4S 3/2 -> 4I 15/2 e 4F 9/2 -> 4I 15/2 transitions were observed, and as well as emission bands of Nd3+ in 900, 1076 and 1350 nm related with the 4F 3/2 -> 4I 9/2, 4F 3/2 -> 4I 11/2 e 4F 3/2 -> 4I 13/2 transitions. A significant enhancement of the red light luminescence of Eu3+ was observed in the samples containing silver, gold, and silver together with gold NPs. For the samples containing silicon NPs it was observed a considerable enhancement of the frequency upconversion emission of the erbium. The luminescence enhancement of the samples with metallic NPs is due to the enhancement of the local field nearby the rare-earth ions and/or to the energy transfer between the NPs and the rare-earth ions. The luminescence enhancement of the samples with semiconductor NPs are due to the efficient energy transfer between the NPs and the rare-earth ions originated from the excitons recombination inside the semiconductor NPs. Therefore, the presence of the NPs plays an important role on the luminescence enhancement, allowing de development of new materials for nanophotonic applications.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In any electrical or electronic circuit, thermal energy is a quantity that is always present and generally must be considered in the specifications of any application. In many cases, the heat from the Joule effect, as well as from other internal and irreversible losses, represent the biggest share of maximum heat that a system can dissipate under normal operation. In Power Electronics, the study and application of semiconductor power switches are particularly important. Many solutions have been developed over the years aiming to mitigate electrical losses and heat built-up in semiconductor power switches. It is important to state that the current amount of research available to academics and the general public into thermal effects on semiconductor power switches is not as wide as that concerning the applications of those switches. It is remarkably reduced the amount of work concerning active cooling of semiconductor power switches and components, as well as concerning the behavior of semiconductor power switches and components under active cooling. Thus, there is a lack of studies aiming the investigation of the behavior of electric switches under different thermal loads. Because of this lack, this work is focused on a proposal of an equipment actively cools semiconductor power switches used in Power Electronics, particularly those usually found in switched mode power supplies. The main purpose of this work is to develop an equipment for being used on a lab bench based on Peltier technology that sets thermal action on semiconductor power switches, making possible the evaluation of the behavior of these switches under different thermal exposures and temperatures. Fist, the Peltier technology was investigated and, later on, a solution was developed allowing the usage of this technology on semiconductor power switches. A detailed description and the calculations of the developed thermoelectric system are presented. The results of this work are presented as a comparative study of the behavior and limits of performance of MOSFETs in DC-DC Boost converters under active cooling compared to traditional passive heat sinks. During active cooling the MOSFET was cooled below ambient temperature, assuring its external thermal safety. The experimental results confirm the operation as intended. The main confirmed advantages were greater dissipated power, increase of thermal margin and capacity of actively transferring heat to an overloaded area to another place. / Em qualquer circuito elétrico ou eletrônico, a energia térmica é uma grandeza que está sempre presente e em geral deve ser levada em conta nas especificações de qualquer aplicação. Em vários casos, o calor decorrente do efeito joule, bem como de outras perdas internas e irreversíveis, representam a parcela mais impactante da quantidade de calor limítrofe que um sistema consegue dissipar em operação normal. São de particular importância em Eletrônica de Potência o estudo e a aplicação de chaves semicondutoras. Várias soluções têm sido desenvolvidas ao longo dos anos no sentido de mitigar as perdas elétricas em chaves semicondutoras, bem como o aumento de temperatura nas mesmas durante operação. É importante frisar que atualmente a quantidade de pesquisas disponíveis ao público acadêmico e geral sobre os efeitos térmicos em chaves semicondutoras não é tão ampla quanto sobre as aplicações dessas chaves. É particularmente reduzida a quantidade de trabalhos ligados ao resfriamento ativo de chaves e componentes elétricos, assim como de trabalhos voltados ao comportamento de chaves e componentes mediante resfriamento ativo. Sendo assim, existe uma carência de estudos que objetivem a investigação do comportamento de chaves semicondutoras mediante distintas cargas térmicas. Diante desta carência, o foco deste trabalho é apresentar uma proposta de equipamento que atue termicamente, seja aquecendo ou resfriando, sobre chaves semicondutoras utilizadas em eletrônica de potência, particularmente aquelas comumente usadas em fontes elétricas chaveadas. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um equipamento para uso em bancada baseado na tecnologia Peltier que resfrie ativamente chaves semicondutoras, possibilitando a avaliação de comportamento das mesmas mediante diferente exposições térmicas e temperaturas. Primeiramente a tecnologia Peltier foi investigada e, posteriormente, foi desenvolvida uma solução que permite a utilização desta tecnologia em dispositivos semicondutores de distintos encapsulamentos. Uma descrição detalhada e os cálculos de dimensionamento do sistema termoelétrico desenvolvido são apresentados. Os resultados deste trabalho são apresentados em forma de estudo comparativo sobre o comportamento e limites de desempenho de MOSFETs em conversores CC-CC Boost mediante resfriamento ativo frente aos tradicionais dissipadores passivos. Durante resfriamento ativo o MOSFET foi resfriado à temperatura subambiente e constante, garantindo sua a segurança térmica relacionada à temperatura do encapsulamento. Os resultados experimentais confirmam a operação do protótipo conforme a proposta deste trabalho. As principais vantagens confirmadas foram maior potência dissipada, aumento da margem térmica e capacidade de transferir ativamente calor de uma área sobrecarregada para outro local. / Mestre em Ciências

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

Esta 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.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-09T11:42:53Z No. of bitstreams: 1 alyssonmirandadefreitas.pdf: 61947422 bytes, checksum: fabd334a3f9ff790ff3a3b4c6d2016d5 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-26T19:59:08Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alyssonmirandadefreitas.pdf: 61947422 bytes, checksum: fabd334a3f9ff790ff3a3b4c6d2016d5 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-26T19:59:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alyssonmirandadefreitas.pdf: 61947422 bytes, checksum: fabd334a3f9ff790ff3a3b4c6d2016d5 (MD5) Previous issue date: 2015-03-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, propomos uma nova matriz vítrea, denominada de PZABP, de composição nominal 60P205 . 15ZnO . 5A/203 . 10Ba0 . 10Pb0, em mol %, nanoestruturada com nanocristais de ZnTe e dopada com íons de Yb3+ e avaliamos a viabilidade de utilização deste material para aplicações em dispositivos fotônicos, tais como, lasers de alta potência, fibras ópticas lasers, lasers de pulsos ultra-curtos e lasers sintonizáveis na região do infravermelho. As amostras foram produzidas através do método de fusão-resfriamento, sendo confeccionado dois conjuntos. Um deles, PZABP + xYb, foi dopado apenas com íons de Yb3+ em concentrações que variam de 0% a 10%, em wt%, com acréscimos de 1%. Outro conjunto, PZABP + 1ZnTe + xYb, foi dopado com 1% de nanocristais semicondutores de ZnTe e íons de Yb3+ em concentrações que variam de 0% a 5%, em wt%. As propriedades ópticas das amostras e as interações entre os íons de Yb3+ vizinhos e entre os nanocristais de ZnTe e os íons Yb3+ foram estudadas através das técnicas de Absorção Óptica, Fotoluminescência e Fotoluminescência Resolvida no Tempo. A Espectroscopia de Lente Térmica e a técnica de Capacidade Térmica Volumétrica, também conhecida como pc, foram utilizadas para caracterizar as propriedades térmicas das amostras. Alguns dos principais parâmetros que analisam o desempenho e o limiar de ação laser do material foram estimados a partir da determinação das seções de choque de absorção e emissão dos íons de Yb3+ quando inseridos nessa matriz. De forma geral, a matriz vítrea PZABP demonstrou-se um excelente material hospedeiro para os íons de Yb3+ por apresentar uma ampla janela óptica, ser tolerante a altas concentrações de dopantes e não formar aglomerados de íons de Yb3+, garantindo assim uma boa qualidade óptica para aplicações em fotônica. Parâmetros importantes como o tempo de vida e a eficiência quântica do material apresentaram valores comparáveis aos encontrados na literatura. Foi verificado que a presença dos nanocristais de ZnTe intensificou a emissão dos íons de Yb3+, indicando que houve transferência de energia entre os nanocristais e os íons. Com relação a análise térmica, foram encontrados valores desejáveis para aplicações que envolvem ambientes superaquecidos. A alta difusividade e condutividade térmica das amostras as permitem dissipar calor rapidamente e a baixa variação do caminho óptico com a temperatura (ds/dT) indica que o feixe não sofre desvios muito acentuados no interior da cavidade óptica. Os parâmetros de emissão laser encontrados estão comparáveis aos de outras matrizes vítreas já estudadas, embora a presença dos nanocristais de ZnTe pareça prejudicar esses parâmetros. Portanto, de acordo com os resultados encontrados e com base nas possíveis melhoras que podem ser realizadas, concluímos que a matriz vítrea PZABP nanoestruturada com nanocristais semicondutores de ZnTe e dopada com íons de Yb3+ é um material viável para aplicações em dispositivos fotônicos de alta potência. / In this work, we have proposed a new glass matrix, called PZABP, with nominal composition 60P205 . 15ZnO . 5A/203 . 10Ba0 . 10Pb0, in mol %, nanostructured with ZnTe semiconductor nanocrystals and doped with Yb3+ ions, then, we analized its availability to photonics devices application like high power lasers, optical fiber lasers, ultra-short pulses lasers and tunable lasers in the infrared region. The samples were produced by fusion method, being made two sets. One, PZABP + xYb, was doped with Yb3+ ions at various concentrations from 0% to 10%, in wt%.The other one, PZABP + 1ZnTe + xYb, was doped with semiconductors nanocrystals of ZnTe and Yb3+ ions at concentrations from 0% to 5%, in wt%. The optical properties of the samples and the interactions between neighbors Yb3+ ions and between semiconductors nanocrystals of ZnTe and Yb3+ ions were studied by Optical Absorption, Photoluminescence and Time Resolved Photoluminescence techniques. Thermal Lens Spectroscopy and Heat Volumetric Capacity, also know as pc, were used to characterize the thermal properties of the samples. The main parameters that avail the performance laser and the threshold action laser were estimated by the determination of absorption and emission cross section of the Yb3+ ions when they are inserted in this matrix. The PZABP glass matrix showed to be an excellent host material to Yb3+ ions because it present a large optical window, it is tolerant to high dopants concentration and not showed Yb3+ clusters. Important parameters like lifetime and quantum efficience showed values comparable to others found in the literature. It was verified that the presence of ZnTe nanocrystals had enhanced the emission of the Yb3+ ions, indicating that have occurred energy transfer between ZnTe nanocrystals and Yb3+ ions. Thermal properties have presented interesting values to applications that involved superheated environment. The high thermal diffusivity and high thermal conductivity allow the sample to dissipate the heat quickly. The low variation of the optical path with the temperature (ds/dT) indicate that the laser beam not strongly deviates into the optical cavity. The laser performance parameters obtained are comparable to the other glass matrix found in the literature, although the presence of the ZnTe nanocrystals seems to prejudice these parameters. According with the results found and the improvement that could be done, we have conclude that the glass matrix PZABP nanostructured with semiconductores nanocrystals of ZnTe and doped with Yb3+ ions is a viable material to application in high power photonics devices materials.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-27T20:21:11Z No. of bitstreams: 1 marcelinocordeironeto.pdf: 92399516 bytes, checksum: 0d59ef50bab71144a1450179047a4f30 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-07T21:07:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marcelinocordeironeto.pdf: 92399516 bytes, checksum: 0d59ef50bab71144a1450179047a4f30 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-07T21:07:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marcelinocordeironeto.pdf: 92399516 bytes, checksum: 0d59ef50bab71144a1450179047a4f30 (MD5) Previous issue date: 2014-05-06 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo desta tese é analisar se as propriedades ópticas apresentadas neste trabalho qualificam o sistema vítreo PZABP, com composição nominal 60P2O5.15ZnO.5Al2O3.10BaO.10PbO (% mol), dopado com íons terras-raras trivalentes, itérbio (Yb3+) e európio (Eu3+) e, também, com nanopartículas semicondutoras de telureto de zinco (ZnTe) como potencialmente útil para construção de dispositivos de emissão de luz na região de 920 nm a 1060 nm. A teoria de Judd-Ofelt é usada nos cálculos dos parâmetros de intensidade Ωλ(λ = 2,4,6). Técnicas de microscopia de força atômica (AFM), absorção óptica (AO), fotoluminescência (FL) e fotoluminescência resolvida no tempo (FLRT) caracterizam o sistema vítreo. A finalidade do ZnTe é aumentar a seção de choque de absorção do sistema vítreo PZABP e transferir energia para os íonsEu3+ e/ouYb3+. A formação de dois tipos de nanopartículas semicondutoras de telureto de zinco ZnTe-propriedades de bulk e pontos quânticos – foram identificados. FL e FLRT sugerem transferência de energia dos íons de Eu3+ e/ou ZnTe para os íons deYb3+. / The aim of this thesis is to analyze if the optical properties presented in this work qualify the glass system PZABP, with nominal composition 60P2O5.15ZnO.5Al2O3.10BaO.10PbO(% mol), doped with trivalent rare earth ions, ytterbium (Yb3+) and europium (Eu3+) as well as zinc telluride (ZnTe) as potentially useful for light emission devices in the infrared region from 920 nm to 1060 nm. The Judd-Ofelt theory is used to calculate the intensity parameters Ωλ(λ = 2,4,6). Atomic force microscopy (AFM), optical absorption (OA), photoluminescence (PL) and time-resolved photoluminescence (TRPL) techniques characterized the vitreous system. The formation of two kinds of ZnTe semiconductor nanoparticles - bulk-like and quantum dots –were identified. PL and TRPL suggest the energy transfer from Eu3+ ions and/orZnTetoYb3+ ions.