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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA Nesta tese, apresento uma investigação teórica e experimental das propriedades eletro-ópticas de um fotodetector baseado em uma superrede assimétrica InGaAs/InAlAs com um defeito estrutural. Essa heteroestrutura apresenta duas importantes características: estados parcialmente localizados no contínuo, chamados de estados eletrônicos vazantes, e um aumento virtual do band offset na banda de condução. Devido à assimetria da superrede, a função de onda do estado eletrônico vazante é localizada numa direção e estendida na outra. Em consequência dessas características, o fotodetector apresenta modo dual de operação, fotocondutivo e fotovoltaico, e temperatura de operação ambiente. O modo fotovoltaico foi alcançado devido à direção preferencial de escape do fluxo de elétrons excitados para os estados eletrônicos vazantes no contínuo. A temperatura de operação elevada ocorre devido à diminuição da corrente de escuro térmica causada pelo aumento virtual do band offset. No modo fotovoltaico, o espectro de fotocorrente apresenta dois picos estreitos de energias em 300 meV e em torno 440 meV, sendo eles relacionados às transições ópticas do estado fundamental para o primeiro e o segundo estado vazante no contínuo, respectivamente. Para o modo fotocondutivo, a largura de linha do espectro de fotocorrente é fortemente dependente da direção do bias de voltagem aplicado. Para o bias positivo, o espectro de fotocorrente apresenta um pico em 300 meV e um ombro de energia em torno de 260 meV. Para o bias negativo, o espectro de fotocorrente mostra uma banda larga com dois picos em 300 meV e 260 meV. Esse comportamento está relacionado com a população dos estados na minibanda em função da direção do bias aplicado. As figuras de mérito do fotodetector, em ambos os modos de operação, apresentam resultados similares aos melhores fotodetectores encontrados na literatura. In this thesis, I present a theoretical and experimental investigation of the electro-optical properties of a photodetector based on an InGaAs/InAlAs asymmetric superlattice with a structural defect. This heterostructure has two important characteristics: partially localized states in the continuum, called by leaky electronic states, and a virtual increase in conduction band offset. Due to the asymmetry of the superlattice, the wavefunction of the leaky electronic state is located in one direction and extended in another one. As a result of these features, the photodetector presents a dual-mode operation, photoconductive and photovoltaic modes, and room temperature operating. The photovoltaic mode has reached due to the preferential direction for the flow of excited electrons in the leaky electronic state in the continuum. The high operating temperature occurs because of the decrease in thermal dark current due to the virtual increase of band offset. In photovoltaic mode, the photocurrent spectrum has two narrow energy peaks at 300 meV and around 440 meV, which are related to optical transitions from the ground state to the first and the second leaky electronic states, respectively. For photoconductive mode, the line width of the photocurrent spectrum is strongly dependent on the direction of the applied voltage bias. For the positive bias, the photocurrent spectrum has a peak at 300 meV and a power shoulder around 260 meV. For the negative bias, the photocurrent spectrum shows broadband with two peaks at 300 meV and 260 meV. This behavior is related to the population of the mini band states as a function of the applied bias direction. The figure of merits of the photodetector, in both operation modes, present results similar to the best photodetectors found in the literature.

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

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO DOUTORADO SANDUÍCHE NO EXTERIOR Neste trabalho tem sido investigado a presença de defeitos em células solares de banda intermediária (IB) de GaAs con pontos quânticos (PQs) de InAs. As três células estudadas contêm camadas de separação entre as camadas de PQs, as quais foram crescidas à diferentes temperaturas, e camadas delgadas de recobrimento dos PQs de diferentes espessuras. As eficiências de conversão de energia destas células foram medidas previamente, sendo que a célula com camadas de separação crescidas à 700 graus C e com camadas de recobrimento de 3 nm é a mais eficiente (6.9 por cento). As outras duas células com camadas de recobrimento de 6 nm apresentam menores eficiências: uma, com camadas separadoras crescidas à 700 graus C, com 5.1 por cento, e a outra, com camadas separadoras crescidas à 630 graus C, com 2.8 por cento. Estudos de DLTS e Laplace DLTS mostram que há um grande número de defeitos em altas concentrações na célula menos eficiente, enquanto nas outras duas células só é detetado o mesmo defeito EL2 em menores concentrações. Portanto, a redução dos defeitos induz o incremento da eficiência das células IB. Amostras adicionais foram crescidas e estudadas pelas mesmas técnicas, entre elas, três células solares com estruturas idênticas às das células IB, mas sem PQs, e quatro amostras GaAs mono-camada dopadas com carbono e silício, similares às camadas de contacto p e n das células IB. Do estudo das três células sem PQs foi possível determinar que alguns defeitos nas células IB são induzidos pelas condições de crescimento dos PQs ou são induzidos pela temperatura de crescimento das camadas separadoras. O estudo das amostras mono-camada indicou a presença de defeitos nos contatos p e n que podem armadilhar os portadores foto-excitados nas células sob operação e, portanto, limitar a eficiência delas. Os resultados deste trabalho contribuem para desenvolver novas estratégias para crescimento epitaxial de células IB no laboratório LabSem na PUC-Rio. Defects present in structures of intermediate band (IB) solar cells of GaAs with InAs quantum dots (QDs) grown by MOVPE have been investigated. The three studied IB solar cells differ in the growth temperature of the spacer layers that separate the InAs QD layers in the active region and the thickness of the thin layer that capping each QD layer. Previously, the energy conversion efficiencies of these cells were measured and the cell with the highest spacer layer-growth temperature (700 C degrees) and thinner capping layer (3 nm) showed the highest efficiency, about 6.9 percent. The cells with thicker capping layers (6 nm) showed lower efficiencies, one of them, with spacer layers grown at 700 C degrees, reaching 5.1 percent, and the other one, with spacer layers grown at 600 C degrees, reaching only 2.8 percent. In this work, DLTS and Laplace DLTS studies show that the cell with the lowest efficiency has the largest number and highest concentrations of defects, unlike the other two cells, which have only one trap, EL2, in lower concentrations. These results demonstrate that the different growth conditions are determinant for the formation of defects and that the defect reduction leads to the increase of the IB solar cell efficiencies. Other samples were also grown and studied by the same techniques: three solar cells with identical structure as the IB solar cells, but without QDs, and individually doped GaAs samples that represent the p and n contact sides of the IB solar cells. From the study of the cells without QDs, the origin of some defects in the IB solar cells was found to be related to the QD growth conditions or related to the spacer layer-growth temperature. The study of the GaAs samples indicated the presence of defects in the p and n sides that could trap photo-excited carriers collected through these contacts during cell operation and thus reduce the efficiency. The results of this work allow developing new strategies to improve the epitaxial growth quality of IB solar cells in the laboratory of semiconductors LabSem of PUC-Rio where the studied samples were grown.

Nesse trabalho, foi investigado um novo tipo de fotodetector de radiação infravermelha baseado em pontos quânticos de submonocamada de InAs obtidos pela técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE, Molecular Beam Epitaxy). Suas propriedades foram comparadas com as de fotodetectores de pontos quânticos de InAs convencionais obtidos pela mesma técnica de deposição, mas no modo de crescimento Stranski-Krastanov. Medidas de corrente de escuro, de ruído, de responsividade e de absorção mostraram que, dependendo da estrutura das amostras, os dispositivos com pontos quânticos de submonocamada podem ter um excelente desempenho. In this work, we investigated a new type of infrared photodetector based on InAs sub-monolayer quantum dots grown by molecular beam epitaxy (MBE). Their properties were compared with those of photodetectors containing conventional InAs quantum dots obtained by the same deposition technique, but in the Stranski-Krastanov growth mode. Dark current, noise, responsivity and absorption measurements have shown that, depending on the structure of the samples, the devices with sub-monolayer quantum dots can perform very well.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO FUNDAÇÃO DE APOIO À PESQUISA DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO BOLSA NOTA 10 No ano de 2014, o Brasil ocupou o quinto lugar no ranking mundial de produção de leite. No entanto, a produtividade média foi baixa, comparada aos outros grandes produtores. A avaliação da qualidade do leite é importante para melhorar a produtividade, pois ela auxilia na identificação de fatores que prejudicam a produção. As quantidades de proteína e gordura no leite são utilizadas como critérios de qualidade e, geralmente, medidas por equipamentos baseados em técnicas de espectroscopia no infravermelho. Esses equipamentos possuem alto custo e são adequados somente para uso em laboratório. Este trabalho tem como objetivo avaliar o uso de fotodetectores baseados em nanoestruturas na quantificação da proteína do leite, visando um dispositivo portátil e de baixo custo. Para isso, técnicas de espectroscopia no infravermelho foram utilizadas no estudo do leite, da sua proteína e de algumas adulterações. A resposta dos fotodetectores (corrente) também foi analisada através da espectroscopia no infravermelho. Finalmente, uma simulação experimental do dispositivo completo foi feita e os resultados comparados com os estudos de espectroscopia. Com base nessas comparações, constatou-se a viabilidade de se utilizar os fotodetectores baseados em nanoestruturas na quantificação da proteína do leite. In 2014, Brazil occupied the fifth position in the world ranking of milk production. However, the average productivity was small compared to the other major producers. Quality evaluation is important for improving milk productivity, as it helps to identify factors that hinder production. The quantities of protein and fat in milk are used as quality standards, and they are usually measured with instruments based on infrared spectroscopy techniques. These devices are expensive and they are only suitable for laboratory use. This study intends to evaluate the application of photodetectors based on nanostructures in the quantification of milk protein, aiming at the production of a portable and inexpensive device. In order to accomplish this, infrared spectroscopy techniques were used in the study of milk, protein and milk adulteration. The photodetectors response (current) was also analyzed by infrared spectroscopy. Later, an experimental simulation of the final device was done and the results were compared with the spectroscopy studies. Given these relations, it was found that photodetectors based on nanostructures can be used in the quantification of milk protein.

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

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR PROGRAMA DE EXCELENCIA ACADEMICA Se faz um estudo detalhado da produção de pontos quânticos de InAs crescidos sobre ligas de InGaAlAs que, por sua vez, são depositadas em substratos de InP de forma casada. Através da caracterização óptica e morfológica dos pontos quânticos obtém-se a dependência tanto da altura quanto da densidade dos pontos produzidos em função das condições de crescimento. Os pontos quânticos são produzidos em condições de crescimento variadas. A temperatura, o tempo de crescimento e a taxa de deposição são os parâmetros alterados de uma amostra para a outra. São utilizadas técnicas de microscopia de força atômica (AFM) e fotoluminescência (PL) para avaliar o efeito dos parâmetros de crescimento epitaxial sobre a qualidade óptica das estruturas obtidas, as alturas dos pontos quânticos nucleados, a homogeneidade e a densidade da distribuição resultante. É desenvolvida a otimização no processamento digital das imagens de AFM para obter melhores resultados em suas análises. São correlacionados e analisados os resultados obtidos em AFM como a altura e a densidade dos pontos quânticos e seus respectivos picos de emissão de PL. Finalmente foram feitas simulações dos níveis de energia dos pontos quânticos para correlacioná-las com os valores dos picos dos sinais de PL e as alturas dos pontos quânticos. A detailed study is performed of the production of InAs quantum dots grown on InGaAlAs lattice matched to InP. Performing the optical and morphological characterization of the quantum dots the dependence of the height and density of the quantum dots with the growth conditions is obtained. The quantum dots were produced under different growth conditions. Temperature, growth time and growth rate were changed from one sample to another. We use atomic force microscopy (AFM) and photoluminescence (PL) techniques to evaluate the effect of the growth conditions on the optical quality of the obtained structures, as well as the quantum dots heights, their homogeneity and density distribution. Image processing of AFM images was optimized to allow better accuracy in the analysis of quantum dot height. The AFM results, such as quantum dots height and density, were related and analyzed with their respective PL emission. Finally, simulations of the quantum dots energy levels were performed to correlate them with the quantum dots height and PL signal.

O funcionamento de detectores fotocondutivos se baseia na geração de corrente elétrica por fotoexcitação de portadores de carga. Neste trabalho, estudamos os diversos processos que contribuem para a geração de corrente em fotodetectores intrabanda (BC) e construímos um método de investigação para revelar, dentre as diferentes possibilidades, os processos que resultam na emissão eletrônica em um dispositivo concreto. Uma vez estabelecida uma metodologia, passamos ao estudo de um caso particular: um fotodetector baseado em pontos e poços quânticos acoplados, com picos de absorção no infravermelho médio. Através da comparação de espectros de absorção e fotocorrente, medidos por espectroscopia de transformada de Fourier, e de simulações computacionais para o cálculo das forças de oscilador, indicamos as transições óticas e os processos de transporte eletrônico envolvidos na fotocondutividade do dispositivo. The operation of photoconductive detectors is based on the generation of current through photoexcitation of charge carriers. In this work, we study the various processes that contribute to the generation of current in intraband (CB) photodetectors and build a method of investigation to reveal, among the different possibilities, the processes that actually result in electron emission in a particular device. After establishing a methodology, we apply it to a case study, more specifically, a dot-in-a-well (DWELL) photodetector with absorption peaks in the mid-infrared. By comparing absorption and photocurrent FTIR spectra as well as oscillator strength calculations performed by a computer simulation of the structure, we have approached the optical transitions and electron transport processes involved in the device s photoconductivity.

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

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Este trabalho apresenta a caracterização por fotoluminescência de amostras com camadas de arseneto de índio depositadas em substratos de arseneto de gálio. O objetivo é estudar a transição entre os modos bidimensional e tridimensional no crescimento epitaxial em reator MOVPE, com a formação de pontos quânticos autoorganizados pelo método Stranski-Krastanov e a subsequente aplicação da técnica de indium flush. São analisados espectros de fotoluminescência, simulações dos níveis de energia, imagens de microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão para a obtenção de informações sobre densidade, tamanho, uniformidade e energia das transições radiativas dos pontos quânticos. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão revelam a qualidade das interfaces e a espessura das camadas. This work presents the photoluminescence characterization of indium arsenide layers deposited on gallium arsenide substrates. The objective is to analyze the transition in growth mode, from two-dimensional to tri-dimensional in MOVPE, with the formation of self-assembled quantum dots by Stranski-Krastanov method and subsequent use of the indium flush technique. Photoluminescence spectra, quantum well and quantum dot simulations, atomic force microscopy and transmission electron microscopy images are analyzed in order to obtain information about quantum dot size, density, uniformity and electronic transitions. Transmission electron microscopy images reveal the interfaces quality and layers thicknesses.

Os calcógenos de európio (EuX, onde X representa O, S, Se ou Te) possuem propriedades magneto-ópticas únicas e interessantes, devido ao enorme magnetismo gerado dos elétrons na camada f do átomo pertencente a família dos terras raras, tornando estes materiais atraentes para aplicações na spintrônica (eletrônica baseada nos transporte de spins e não de carga). Neste trabalho investigamos em baixa temperatura o espectro de absorção utilizando luz circularmente polarizada na região próxima do limiar da banda para o telureto de európio EuTe e o seleneto de európio EuSe em alto campo magnético no ordenamento ferromagnético dos spins de Eu^{2+} da rede cristalina. As amostras crescidas por epitaxia por feixe molecular apresentaram um dicroísmo circular magnético intenso no espectro de absorção para a configuração de Faraday. O par de linhas estreitas observadas estão separadas de aproximadamente 200 meV para o EuTe e 300 meV para o EuSe. Em seguida, formulamos um modelo teórico para a interpretação deste espectro de absorção no arcabouço do modelo de transições eletrônicas entre o estado fundamental 4f^{7}({8}^S_{7/2}) e o estado excitado formado dos estados do caroço remanescente 4f^{6}({7}^F_{J=0...6}) mais o estado em que o elétron se encontra na banda de condução 5d(t_{2g}), resultando em uma excelente concordancia qualitativa e quantitativa com o experimento. Europium chalcogenides (EuX, where X stands for O, S, Se or Te) have very interesting and unique magneto-optical properties, due to the huge magnetism that arises from the electrons in the f?shell of the rare earth element and which makes them attractive for spintronics applications ( spin transport electronics or spin basedelectronics) In this work we investigate the band-edge optical absorption in high magnetic fields in the Faraday geometry for EuTe and EuSe in the ferromagnetic order attained at low temperatures. In thin layers grown by molecular beam epitaxy, an intense magnetic circular dichroism were observed. The doublet of absorption lines showed a separation by about 200meV in EuTe and 300meV in EuSe. Next, we developed a theoretical model for the interpretation of the absorption spectrum, based in the framework of the model of an electronic transition from a localized ground state 4f^{7}({8}^S_{7/2)) to an excited state formed by the core states 4f^{6}({7}^F_{J=0...6}) and the electron extended state in the 5d(t_{2g}) conduction band, yielding an excellent qualitative and quantitavie agreement with experiment.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO A integração monolítica de um modulador com um guia de onda é de muito interesse para aplicação em comunicações ópticas pelo fato de que podemos diminuir as perdas por acoplamento óptico entre os dois dispositivos e usar moduladores curtos que operem em altas taxas de transmissão de dados. O crescimento epitaxial seletivo é uma das técnicas mais promissoras na atualidade para aplicação na integração monolítica de dispositivos semicondutores. Esta técnica permite controlar a espessura e a tensão das camadas crescidas seletivamente permitindo otimizar a integração e as características das estruturas dos dispositivos. A tese trata da implementação, do estudo e da aplicação do crescimento epitaxial seletivo por MOCVD de estruturas casadas e tensionadas de poços quânticos múltiplos de InGaAs/InAlAs para a fabricação de moduladores de amplitude baseados no efeito Stark e sua integração com guias de onda. O desempenho dos moduladores, baseados em estruturas de poços quânticos múltiplos de InGaAs/InAlAs que operam em 1,55 ym, é notavelmente melhorado quando é introduzida uma composição de 52% de Ga na liga e se tem um poço de ~100 A de espessura. Nesse caso, os moduladores possuem uma elevada figura de mérito e podem ser insensíveis à polarização. Nesse estudo foram crescidas várias amostras onde foi analisado o aumento na taxa de crescimento e a variação na composição das ligas de InGaAs e InAlAs em material bulk e em poços quânticos de InGaAs/InAlAs em função da geometria da máscara utilizada, i.e. diferentes larguras do dielétrico e largura da janela onde ocorre o crescimento fixo. Finalmente foram processados guias de onda cujas estruturas foram crescidas com a técnica de crescimento seletivo. Esses guias foram caracterizados por técnicas de campo próximo. The monolithic integration of a modulator with a waveguide is a lot of interest for application in optical communications for the fact in that can decrease the losses for optical joining between the two devices and to use short modulators that operate in high rates of transmission data. The selective growth is at the present time, one the more promising technique for application in the monolithic integration of semiconductors device. This technique allows to control the thickness and the stress of the grown layers allowing to improve the integration and the characteristics of the devices structures. These thesis is about the implementation, study and application of the selectuve growth by MOCVD of both match and tensile structures of multi quantum wells of inGaAs/InAlAs for the production of the amplitude modulators based on the Stark effect and its integration with waveguide. The performance of the modulators based on structures of multi quantum wells of InGaAs/InAlAs operating in 1,55 um, is notably improved whena Ga composition of 52% is used and the thickness of a quantum well is near to ~100 A. In that case, the modulators have a high figured of merit and they can be insensitive to the polarization. In this study, several samples was grown and the growing rate increase was analyzed and the variation of the composition in InGaAs and InAlAs in bulk alloys and in quantum wells of InGaAs/InAlAs in function of the window where the growth is spent. Finally, waveguides were processed whose structures were grown with the technique of selective growth. Those guides were characterized by the near field technique.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CENTRO LATINO-AMERICANO DE FÍSICA No presente trabalho de tese, se faz uma avaliação de moduladores de amplitude baseados no efeito de electro-absorção. As estruturas usadas para a fabricação dos dispositivos foram estruturas com poços quânticos múltiplos de InAlAs/InGaAs e AlGaAs/GaAs. As estruturas de InAlAs/InGaAs foram projetadas para trabalhar na faixa comercial das telecomunicações (1.55 µm). Por isto a importância de aperfeiçoar os parâmetros de desempenho do dispositivo, tais como Stark shift, chirp, razão de contraste, perda por inserção, entre outros. Um estudo sistemático prévio destas estruturas foi realizado por Pires [Pires,1998]. Ele propõe variar a concentração de gálio na liga para produzir uma leve tensão na estrutura e modificar desta forma as propriedades ópticas do material. O estudo de [Pires,1998] propôs uma faixa de valores para variar a concentração de gálio (entre 46 por cento e 52 por cento) onde pode ser encontrada a melhor condição de operação do dispositivo. Cabe a esta tese aprofundar o estudo nesta faixa de valores, e decidir os parâmetros mais adequados para operação. No referente às estruturas de AlGaAs/GaAs, se toma como partida uma proposta teórica de [Batty et al, 1993], e estudada posteriormente por [Tribuzy, 2001], onde se sugere usar finas camadas de dopagem delta nos poços de GaAs para melhorar o deslocamento Stark em 87% para um campo aplicado de 40 kV/cm. O dispositivo foi desenhado e fabricado, obtendo-se um valor de 78 por cento para o mesmo campo aplicado, resultado relevante, pois é a verificação experimental de uma proposta teórica. In this thesis work, is made an evaluation of modulators of amplitude based in the electrum-absorption effect. The structures used for the devices were multiple quantum wells of InAlAs/InGaAs and AlGaAs/GaAs. The structures of InAlAs/InGaAs are used to work in the commercial band of the telecommunications (1,55 µm). This is the reason it is important to optimize the parameters of performance of the device, such as the Stark shift, chirp, contrast reason, insertion loss, etc. Previously, a systematic study of these structures was made by [Pires, 1998], the gallium concentration was varied to produce a strain in the structure and to modify the optic properties of the material. In the study of [Pires, 1998] considered the Gallium concentration was varied between 46 percent and 52 percent in which range the best condition to operate the device can be found. This is part of the work here presented. In this thesis this range of values was studied in more detail. For the structures of AlGaAs/GaAs, a theoretical proposal of [Batty et al, 1993] was experimentally investigated. It was suggested a nipi structure to use a fine delta doped in the GaAs wells, this delta doped will improve in 87 percent the Stark shift for a field of 40 KV/cm. The device was simulated and manufactured, obtaining a value of 78 percent for the same field applied, this is a excellent result, because this confirm the theoretical prediction.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO As tecnologias envolvendo detectores de infravermelho são consideradas de emprego dual, ou seja, podem ser empregadas tanto no meio civil quanto no militar. No meio civil, tais detectores podem ser utilizados como meio auxiliar na formulação de diagnósticos médicos, em inspeções de rotina nas indústrias, no controle de pragas da agricultura etc.. E no meio militar os equipamentos envolvendo detectores de infravermelho (visão noturna) são comumente empregados em situações táticas, com o objetivo de se obter uma situação de vantagem sobre o inimigo. Esta dissertação teve por objetivo avaliar de forma sistemática o desempenho de detectores de infravermelho baseados na heteroestrutura de poços quânticos múltiplos de InGaAs/InAlAs ao se variar a densidade do elemento dopante (silício) no poço. Em um reator do tipo MOVPE foi realizado o crescimento epitaxial das heteroestruturas que foram caracterizadas de acordo com as técnicas de difração de raios X, efeito Hall, fotoluminescência e absorção. Em seguida, elas foram processadas, tomando forma de dispositivo. A partir da caracterização do dispositivo final, com base nas principais figuras de mérito de um fotodetector (corrente de escuro, fotocorrente, responsividade e detectividade), foi possível obter conclusões importantes a respeito da influência da dopagem em poços quânticos no desempenho de fotodetectores do tipo QWIPs (Quantum Well Infrared Photodetectors). Infrared detectors are considered of dual employment technologies, ie they can be employed both in the civilian and military environment. With respect to the civilian environment, such detectors can be used, among other applications, as an auxiliary device in the formulation of medical diagnoses, on the routine inspection in industries, in pests control in agriculture and so on. Military applications involving infrared detectors (night vision) are commonly tactical situations, when they are employed in order to get an advantage over the enemy. The main motivation of the present work is the systematical evaluation of the performance of infrared detectors based on the multiple quantum wells heterostructure of InGaAs /InAlAs, varying the density of the doping element (silicon) into the well. The epitaxial growth of the heterostructures was performed in a MOVPE reactor. Afterwards, they were characterized in accordance with X-ray diffraction, Hall effect, photoluminescence and absorption techniques. Finally, they were processed, achieving a devices form. Based on the characterization of the final device, that took into consideration the key figures of merit of a photodetector (dark current, photocurrent, responsivity and detectivity), it was possible to obtain important conclusions about the quantum well doping effects on the QWIPs (Quantum Well Infrared Photodetectors) performance.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Pontos quânticos (PQs) auto-organizáveis de InAs sobre InP, InGaAs, InGaAlAs utilizando-se substratos de InP foram crescidos pela deposição química de metal-orgânicos (MOCVD) e foram investigadas para fotodetectores. Para PQs de InAs crescidos sobre diferentes substratos de InP, têm-se que a presença de discordâncias é responsável pelo aumento na densidade planar dos PQs. O espectro de fotoluminescência (FL) das estruturas de InP/InxGa1-xAs/InAs/InP, com diferentes composições da camada ternária. Medidas com microscopia de força atômica (AFM) mostraram que os PQs mais altos são obtidos quando os mesmos são crescidos sobre uma camada de InxGa1-xAs com um descasamento de 1000ppm, e a altura decresce com o descasamento a partir deste valor. O espectro de FL dos PQs mostrou uma banda assimétrica, a qual envolve transições entre os níveis de energia dos PQs e pode ser decomposta em dois picos. Pico de energia mais alta desta banda foi observado para a amostra com PQs crescidos sobre uma camada de InxGa1-xAs casada e o pico foi deslocado para energias mais baixas para amostras tensionadas. Estruturas diferentes de PQ de InAs crescidas sobre uma camada de InGaAlAs casada com InP foram investigadas. Picos de fotocorrente extremamente estreitos foram observados, demonstrando um excelente potencial para sintonização estreita de comprimentos de onda. Foram desenvolvidas estruturas para detectar radiação superior à 10μm. Medidas de absorção mostrando uma dependência com a polarização mostraram eu as estruturas tem um confinamento total e são apropriadas para detecção sintonizável de radiação por incidência normal. Self-assembled InAs quantum dots (QD) over an InP, InGaAs, InGaAlAs on InP substrates were grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) and were investigated for quantum dot infrared photodetectors. For InAs QD over an InP buffer on different InP substrates. The results indicate that the presence of dislocations were responsible for the increase in the QD density. Photoluminescence (PL) spectra of InP/InxGa1-xAs/InAs/InP dot-in-a-well structures, with different compositions of the ternary layer. Measurements with atomic force microscopy showed that the largest QD height is obtained when the InAs QDs are grown on the InxGa1-xAs layer with a mismatch of 1000ppm, and the height decreases as the mismatch departs from this value. PL spectra of the QDs showed an asymmetric band, which involves transitions between dot energy levels and can be deconvoluted into two peaks. The highest energy PL peak of this band was observed for the sample with the QDs grown on top of the lattice-matched InxGa1-xAs and it shifted to lower energies for strained samples as the degree of mismatch increased. Different InAs quantum dot structures grown on InGaAlAs lattice matched to InP. Extremely narrow photocurrent peaks were observed, demonstrating great potential for fine wavelenght selection. Structures which can detect radiation beyond 10ìm were developed. Polarization dependence measurements showed that the structures have a zero- dimensional character and are suitable for detection of normal incidence light.

FINANCIADORA DE ESTUDOS E PROJETOS Nas Forças Armadas do Brasil existe uma forte demanda pelo desenvolvimento de detectores de infravermelho nacionais para uso em diversas aplicações sujeitas a rígidas restrições de importação, como sistemas de imageamento infravermelho para visão noturna, guiamento de mísseis, sistemas de mira, etc. O objetivo deste trabalho foi desenvolver fotodetectores para o infravermelho distante em 10µm, baseados em estruturas semicondutoras de poços quânticos múltiplos de GaAs/AlGaAs utilizando transições intrabanda. Os materiais foram crescidos pela técnica de epitaxia de fase vapor de metalorgânicos (MOVPE). A calibração dos parâmetros de crescimento foi realizada por meio de medidas de difração de raios x, efeito Hall, e fotoluminescência. Devido à regra de seleção de que não é possível haver absorção intrabanda da luz sob incidência normal, foram aplicadas duas técnicas de acoplamento: geometria de guia de onda com incidência a 45º pela borda, e utilização de grades de difração metalizadas. Os detectores produzidos foram caracterizados quanto à corrente de escuro e quanto aos espectros de absorção óptica e de fotocorrente, ambos obtidos por espectroscopia FTIR. Ao final dos trabalhos, foi obtido um fotodetector de GaAs/AlGaAs do qual foi possível medir a fotocorrente através dos contatos elétricos do dispositivo, com pico em 9µm. Os resultados obtidos são promissores no sentido de que apontam para a possibilidade de se produzir detectores de infravermelho nacionais para diversas aplicações (defesa, medicina, astronomia, telecomunicações, etc). In the Brazilian Army there is a strong demand for the development of national infrared detectors for use in many applications subjected to severe trade restrictions, like infrared imaging systems for night vision, missile guidance, sight systems, etc. The aim of this work was to develop far- infrared photodetectors for 10µm, based on semiconductor structures of GaAs/AlGaAs multi-quantum wells using intraband transitions. The materials were grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). The calibration of the growing parameters was done by x ray diffraction, Hall effect, and photoluminescence measurements. Since intraband transition of light is not possible to normal incidence, due to selection rules, two coupling techniques were applied: waveguide geometry with 45o incidence on the edge, and metalized diffraction gratings. The produced detectors were characterized in terms of dark current, optical absorption and spectral response. Infrared measurements were made using FTIR spectroscopy. A GaAs/AlGaAs photodetector was obtained. The photocurrent through the electrical contacts of the device showed a peak at 9µm. The results are promising in the sense of revealing the possibility of producing national infrared photodetectors for many applications (defense, medicine, astronomy, telecommunications, etc).

Os fotodetectores infravermelhos baseados em pontos quânticos (Quantum-dot Infrared Photodetectors, QDIPs) surgiram recentemente como uma nova tecnologia para a detecção de radiação infravermelha. Comparados com fotodetectores mais convencionais baseados em poços quânticos (Quantum-well Infrared Photodetectors, QWIPs), as suas vantagens se originam no confinamento tridimensional de portadores e incluem a sensibilidade intrínseca à incidência normal de luz, um maior tempo de vida dos portadores fotoexcitados e uma baixa corrente de escuro, que devem permitir o funcionamento dos dispositivos acima das temperaturas criogênicas. No presente trabalho, a técnica de epitaxia por feixe molecular (Molecular-Beam Epitaxy - MBE) foi usada para crescer várias amostras de QDIPs de InAs/GaAs com o objetivo de estudar a inuência dos parâmetros estruturais destes dispositivos. Após o crescimento, as amostras foram processadas em pequenas mesas quadradas por técnicas de litografia convencional e, então, caracterizadas. As propriedades ópticas e eletrônicas dos dispositivos foram verificadas para temperaturas a partir de 10 K. Com o objetivo de realizar medidas eletrônicas de alta qualidade, janelas de Ge e cabos com conectores de baixo ruído para baixa temperatura foram empregados. As curvas de corrente de escuro, as curvas de responsividade com corpo negro (fotocorrente), as medições do ruído com uma analisador de sinais e as respostas espectrais por FTIR (Fourier Transform Infrared) forneceram um conjunto completo de informações sobre os dispositivos. As figuras de mérito dos nossos melhores dispositivos permitiram também, determinar a probabilidade de captura e o ganho fotocondutivo. Com o intuito de compreender a relação entre as dimensões físicas dos pontos quânticos e as características de funcionamento dos QDIPs, desenvolveu-se um cálculo dos estados eletrônicos de da função de onda de um elétron confinado em um ponto quântico de InxGa1-xAs em formato de lente, envolvido em uma matriz de GaAs, com massas efetivas dependentes da posição. Esse modelo leva em conta o efeito da tensão assim como o gradiente de In dentro do ponto quântico, resultante do forte efeito de segregação presente em um sistema de InxGa1-xAs/GaAs. Diferentes perfis de segregação foram testados com o nosso modelo teórico com vista a proporcionar o melhor ajuste os nossos dados experimentais. Quantum-dot Infrared Photodetectors (QDIPs) recently emerged as a new technology for detecting infrared radiation. Compared to more conventional photodetectors based on quantum wells (QWIPs), their advantages originate from the three-dimensional confinement of carriers and include an intrinsic sensitivity to normal incidence of light, a longer lifetime of the photoexcited carriers and a lower dark current which should hopefully allow their operation close to room temperature. In the present work, molecular-beam epitaxy (MBE) was used to grow several InAs/GaAs QDIP samples in order to analyse the influence the structural properties of such devices. After the growth, the samples were processed into small squared mesas by conventional lithography techniques and fully characterized. The optical and electrical properties of the devices were checked as a function of temperature using Ge optical windows and all the connectors and low-temperature/low-noise cables needed to perform high quality low-level electrical measurements. Dark-current curves, Responsivity (photocurrent) data with a black body, noise measurements with a signal analyzer and spectral responses by FTIR provided a full set of information about the devices. The figures of merit of our best devices allowed us also to determine the capture probability and the photoconductive gain. In order to understand the relationship between the physical dimensions of the quantum dots and the operating characteristics of the QDIPs, we developed a position-dependent effective-mass calculation of the bound energy levels and wave function of the electrons confined in lensshaped InxGa1-xAs quantum dots embedded in GaAs, taking into account the strain as well as the In gradient inside the quantum dots which is due to the strong In segregation and intermixing present in the InxGa1-xAs/GaAs system. Different In profiles inside the quantum dots were tested with our new theoretical model in order to provide the best _t to our experimental data.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Neste trabalho foi estudada a deformação mecânica em semicondutores III-V resultante da nanolitografia por microscopia de força atômica (AFM). O AFM, equipado com uma ponta de diamante de raio de curvatura de 80 nm, foi usado para riscar a superfície do InP com forças da ordem de dezenas de mN ao longo de direções cristalográficas específicas. O padrão litografado na superfície foi caracterizado com o uso do AFM, enquanto uma análise da microestrutura do material foi feita com o uso da microscopia eletrônica de transmissão (MET). Foi realizado um estudo da deformação mecânica ao riscarmos o InP (100) com o uso do AFM utilizando forças normais variando de 7 uN a 120 uN e em direções cristalográficas das famílias e . Foi visto por MET, que é mais fácil produzir deformação plástica para riscos feitos na direção do que na direção , o que associamos à diferença na orientação dos vetores de Burgers ativados para os planos de escorregamento do InP para riscos ao longo das diferentes direções. Foi realizado também um estudo da influência da distância entre dois riscos consecutivos, feitos com o uso do AFM com força normal de 30 uN, no endurecimento por deformação plástica. Um significante endurecimento foi observado para distâncias entre riscos menores que 80 nm indicando que ocorre travamento entre discordâncias geradas por sucessivos riscos a distâncias menores que 80 nm. In this work, the mechanical deformation of III-V semiconductors resulting from atomic force microscopy (AFM) nanolithography was studied. The AFM, equipped with a diamond tip with 80nm radius, was used to scratch the InP surface with forces in the order of tens of mN along specific crystallographic directions. The pattern lithographed at the surface was characterized by AFM, while the material microstructure analyzes was performed by transmission electron microscopy (TEM). We studied the mechanical deformation of InP (100) produced by the AFM with forces in the range of 7uN to 120 uN along directions from the and families. It was observed by TEM that, it is easier to produce plastic deformation for scratches along the than along the directions, which was associated to the different orientations of the Burgers vectors activated for the InP slip planes for the scratches along the different directions. The influence of the distance between two scratches, performed with a normal force of 30 uN on the materials hardening process was performed as well. Significant hardening was observed at distances between scratches of 80nm or less suggesting that locking due to dislocation interaction is occurring at parallel scratches at distances smaller than 80nm.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO A energia é assunto estratégico para a grande maioria dos países e indústrias no mundo. O consumo atual energético é de 138,32 TWh por ano e é previsto um aumento de 44% até o ano de 2030 o que demonstra um mercado em expansão. Porém, a sociedade atual exige soluções energéticas que causem o menor impacto ambiental possível, colocando em dúvida o uso das fontes de energia utilizadas atualmente. O uso da energia solar é uma alternativa para auxiliar no atendimento da futura demanda de energia. O seu principal entrave é o custo de produção de energia ser superior as fontes de energia atuais, principalmente o petróleo. Contudo nos últimos 10 anos foi verificado um crescimento exponencial na quantidade de módulos fotovoltaicos instalados em todo mundo. Nesse trabalho é realizado um estudo sobre célula solares com poços quânticos. O uso de poços quânticos já foi apontado como ferramenta para aumentar a eficiência de células fotovoltaicas. O objetivo é descrever uma metodologia baseada em algoritmos genéticos para projeto e análise desse tipo de dispositivo e estabelecer diretivas para se construir uma célula otimizada utilizando esta tecnologia. Os resultados obtidos estão de acordo com dados experimentais, demonstram a capacidade dos poços quânticos em aumentar a eficiência de uma célula e fornecem uma ferramenta tecnológica que espera-se contribuir para o desenvolvimento do país no setor energético. The energy is a strategical issue for the great majority of the countries and industries in the world. The current world energy consumption is of 138,32 TWh per year and is foreseen an increase of 44% until the year of 2030 which demonstrates a market in expansion. However, the society demands energy solutions that cause as least ambient impact as possible, putting in doubt the use of the current technologies of power plants. The utilization of solar energy is an alternative to assist in the attendance of the future demand of energy. Its main impediment is the superior cost of energy production in comparison with the current power plants, mainly the oil based ones. However in last the 10 years an exponential growth in the amount of installed photovoltaics modules worldwide was verified. In this work a study on solar cell with quantum wells is carried through. The use of quantum wells already was pointed as tool to increase the efficiency of photovoltaics cells. The objective is to describe a methodology based on genetic algorithms for project and analysis of this type of device and to establish directive to construct an optimized cell using this technology. The results are in accordance with experimental data, that demonstrates the capacity of the quantum wells in increasing the efficiency of a cell and supply a technological tool that expects to contribute for the development of the country in the energy sector.

Ultimamente tem havido um intenso interesse nas pesquisas sobre heteroestruturas semicondutoras nanoestruturadas. A faixa de emissão de comprimento de onda em torno de 1,55  µm recebe atenção especial por ser de fundamental importância na área de telecomunicações. Estudos recentes indicam que pontos quânticos (QDs) semicondutores de InAs ou de InGaAs crescidos sobre substrato de InP se mostram adequados para a construção de dispositivos ópticos para operar nessa faixa de comprimentos de onda. No entanto, a técnica mais conhecida de crescimento de pontos quânticos, a técnica de crescimento auto-organizado no modo de Stranski-Krastanov, não prevê nenhum controle sobre a posição onde cada ponto quântico é formado. Tendo em vista os fatos citados, o objetivo deste trabalho é localizar pontos quânticos semicondutores de InAs e In0,53Ga0,47As crescidos sobre substrato de InP em posições pré-determinadas. A ferramenta usada para esse objetivo é a nanolitografia por oxidação anódica. Com a ajuda de um Microscópio de Força Atômica (AFM) são feitos pontos de Óxidos de dimensões nanométricas na superfí­cie do InP e após a remoção do Óxido por uma solução ácida restam pequenas depressões nas regiões oxidadas. Essas depressões funcionariam como pontos de nucleação para os pontos quânticos de InAs e de InGaAs. Imagens de AFM mostram dificuldade de nucleação dos QDs de InAs, mas mostram resultados promissores para o InGaAs. O casamento de parâmetro de rede entre InP e In0,53Ga0,47As permite o preenchimento parcial das depressões, favorecendo a formação dos QDs nas posições pré-determinadas. Futuras medidas de fotoluminescência serão feitas com o objetivo de confirmar a formação de tais estruturas. Research on nanostrucured semiconductor heterostructures has remarkably increased over the last decades. The 1, 55 um emission wavelenght receives special attention due to its many applications for telecommunications. Recent studies have shown that InAs and InGaAs semiconductor quantum dots (QDs) grown on InP substrate are useful tools for the construction of optical devices working on that wavelenght range. However, when using the most well known quantum dot growth technnique, the Stranski-Krastanov self-assembled quantum dots technnique, the dots grow at random with no control of their site of formation whatsoever. In sight of those facts, this work was made with the objective of achieving site control of InAs and In0,53Ga0,47As semiconductor quantum dots grown on InP substrate. The Anodic Oxidation Nanolithography (AON) is used for surface patterning. Nano-sized oxide dots are made over the InP surface using an Atomic Force Microscope (AFM). Chemical removal of those oxide dots leads to the formation of pits at the site of oxidation and completes the patterning process. The pits work as nucleation sites for the semiconductor quantum dots. AFM images showed relative difficulty on InAs QD nucleation at the pre-determined sites but, on the other hand, satisfatory results for InGaAs. The perfect lattice match between InP and In0,53Ga0,47As allows partial filling of the pits, favouring QD positioning on pre-determined sites. Photoluminescence measurements are about to be carried out in order to verify the quantum dots properties of this structure.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO A combinação de alta densidade, locais seletivos de nucleação e controle da distribuição de tamanho de nanoestruturas semicondutoras tem acelerado o desenvolvimento de dispositivos ópticos e eletrônicos. Para construir estruturas satisfazendo essas necessidades, várias combinações de técnicas deposição de pontos quânticos e nanolitografia foram desenvolvidas. A nanolitografia por AFM foi aplicada em diversos materiais abrindo uma possibilidade para fabricar dispositivos opto-eletrônicos.Nesta tese de Doutorado, apresentamos um estudo sistemático de crescimento de nanoestruturas de InAs em buracos produzidos na superfície (100) de substratos de InP por nanoindentação com o AFM. Para isto, a ponta precisa exercer uma força no InP que produz deformações plásticas na superfície. A pressão aplicada entre a extremidade da ponta de AFM e a superfície da amostra pode ser variada de modo controlado através do ajuste de alguns parâmetros operacionais do microscópio tais como setpoint, raio da ponta e constante de mola do cantilever. A habilidade para controlar a forma do padrão indentado assim como a natureza dos defeitos cristalinos permite controlar o crescimento seletivo de InAs por epitaxia em fase de vapor de metais orgânicos. Também é apresentada a fabricação de nanoestruturas de InAs/InP alinhadas em uma dimensão. A nanoindentação é produzida pelo arraste da ponta do AFM sob força constante ao longo das direções e do InP. Observamos que o número e o tamanho das nanoestruturas nucleadas são dependentes da distância entre as linhas litografadas. Esses resultados sugerem que o mecanismo de crescimento das nanoestruturas de InAs não é governado por degraus atômicos gerados durante a indentação. Os dados sugerem que, a densidade de defeitos induzidos mecanicamente, tais como discordâncias e fraturas, é o responsável pelo número de nanoestruturas nucleadas. The combination of high density, site selective nucleation, and size distribution control of semiconductor nanostructures has become a challenge in the development of effective optical and electronic devices. In order to build structures satisfying these requirements, various combinations of quantum dot deposition and nanolithography techniques have been developed. The AFM nanolithography technique has been applied on several materials opening a possibility to fabricate opto-electronic devices. In this Phd Thesis, we present a systematic study of growth of InAs nanostructures on pits produced on (100) InP by nanoindentation with the AFM. For that purpose, the AFM tip needs to exert a force on the InP that produces plastic deformation on the surface. The applied pressure between the very end of the AFM tip and the sample surface may be varied in a controlled way by adjusting some of the microscope operational parameters like set point, tip radius and cantilever normal bending constant. The ability to control the shape of the indentation pattern as well as the nature of the crystalline defects allows control of the selective growth of InAs by metal organic vapor phase epitaxy. We also report the fabrication of one-dimensional arrays of InAs/InP nanostructures. The nanoindentation is produced by dragging the AFM tip under constant force of the substrate, along the and InP crystallographic directions. We have observed that the number and the size of nucleated nanostructures are dependent on the distance between the lithographed lines. These results suggest that the growth mechanism of the InAs nanostructures on the pits produced by AFM on InP is not governed by the number of atomic steps generated during the scratching. Instead, the data suggests that, the density of mechanically induced defects, like dislocations and cracks, are responsible for the number of nucleated nanostructures.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO Esta dissertação investiga e propõe um novo simulador de circuitos de Autômatos Celulares com Pontos Quânticos (QCA) e uma nova metodologia para a criação e otimização de circuitos lógicos, utilizando técnicas da inteligência computacional. Autômatos Celulares com Pontos Quânticos é uma nova tecnologia, na escala nanométrica, que tem chamado a atenção dos pesquisadores por ser uma alternativa à tecnologia CMOS, cujo limite físico de miniaturização será atingido nos próximos anos. QCA tem um grande potencial no desenvolvimento de circuitos com maior densidade espacial, maior velocidade, baixa dissipação e baixo consumo de energia. Ao contrário das tecnologias tradicionais, QCA não codifica a informação pelo fluxo de corrente elétrica, mas pela configuração das cargas elétricas no interior das células. A interação coulombiana entre as células garante o fluxo da informação. Apesar de simples, essas características fazem com que a arquitetura de circuitos de QCA se torne não trivial. Portanto, a criação de um simulador e de uma metodologia de elaboração e síntese automática de circuitos possibilitam aos cientistas uma melhor visualização de como esses dispositivos funcionam, acelerando o desenvolvimento desses sistemas na escala nanométrica. Para atingir o objetivo proposto, técnicas de inteligência computacional, tais como redes neurais do tipo Hopfield, para o desenvolvimento do simulador, e algoritmos genéticos, para a metodologia de criação e otimização dos circuitos, foram empregadas. Os resultados encontrados foram significativos, comprovando que as técnicas da inteligência computacional podem ser uma ferramenta estratégica para o rápido desenvolvimento da nanoeletrônica e da nanotecnologia em geral. This dissertation investigates and considers a new simulator of Quantum Dots Cellular Automata (QCA) Circuits and a new methodology for the synthesis and optimization of logical circuits, by means of Computational Intelligence. Quantum-dot Cellular Automata (QCA) is a new technology in the nanometric scale which has called attention from researchers as one alternative for the CMOS technology, which is reaching its physical limitation. QCA have a large potential in the development of circuits with high space density and low heat dissipation, and can allow the development of faster computers with lower power consumption. Differently from the conventional technologies, QCA do not codify information by means of electric current flow, but rather by the configuration of electrical charges in the interior of the cells. The Coulomb interaction between cells is responsible by the flow of information. Despite simple, these features become the design of logical devices into a non-trivial task. Therefore, the development of a simulator and a methodology of automatic synthesis of QCA circuits make possible to the scientist a better evaluation of how these circuits work, accelerating the development of these new systems in the nanometer scale. To reach the proposed target, Computational Intelligence techniques were used. The first results show that these techniques are capable of simulating efficiently and fast, synthesizing optimized circuits with a reduced number of cells. Such optimization reduces the possibility of failures and guarantees higher speed.

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO FINANCIADORA DE ESTUDOS E PROJETOS ERICSSON DO BRASIL Nesta tese estudamos estruturas de poucos quânticos múltiplos (MQW) com dopagens delta de Si dentro dos poços quânticos de GaAs e de C nas barreiras de AlGaAs (nipi). Esta estrutura foi proposta anteriormente por W. Batty e D. W. E. Allsopp como uma alternativa para maximizar o deslocamento Stark e melhorar o desempenho de moduladores de amplitude por eletroabsorção.As amostras foram crescidas pela técnica de MOCVD, utilizando respectivamente como fontes de Si e C, a silana (SiH4)e o tetrabrometo decarbono(CBr4). Em particular,a dopagem de C em AlGaAs foi cuidadosamente estudada uma vez que seu controle é mais difícil de ser obtido. Apesar de pouca flexibilidade nas condições de crescimento, em particular na razão entre os fluxos dos elementos V e III, foi possível controlar o nível de dopagem de C nas camadas de AlGaAs. As estruturas nipi foram estudadas em detalhe para avaliar seu potencial na aplicação em moduladores ópticos. Observamos que o balanço necessário entre os níveis de dopagem n e p não é trivial de ser alcançado devido µ a presença de armadilhas de buracos nas interfaces AlGaAs=GaAs cuja população depende da concentração da dopagem no pouco de GaAs.Medidas de fotoluminescência (PL), reforçadas por cálculos teóricos, mostraram que uma transição espacialmente indireta envolvendo elétrons no pouco quântico de GaAs e buracos na barreira de AlGaAs ocorre, para baixas temperaturas, em energias abaixo do gap do pouco quântico. A temperatura ambiente esta transição não foi observada e a emissão óptica medida ocorre essencialmente na mesma energia observada em uma estrutura equivalente porém, sem dopagem delta. Estes resultados levaram a conclusão de que problemas de perdas por inserção no modulador, decorrentes de absorção por níveis no gap,não ocorrerão uma vez que, a temperatura ambiente, não existem níveis de energia abaixo da transição ao fundamental do pouco quântico. In this thesis we have studied multiple quantum well structures with Si delta doping inside the GaAs quantum wells and C delta doping in the AlGaAs barriers (nipi). This structure was proposed by W. Batty and D. W. E. Allsopp as an alternativeto maximize the Stark shift and improve the performance of electroabsorption amplitude modulators.The samples were grown by the MOCVD technique, using respectively as Si and C sources, silane (SiH4) and carbon tetrabromide (CBr4). Particularly, the C doping of AlGaAs was carefully studied because of the difficulties in controlling the C incorporation.Despite the little flexibility in the growth conditions, in particular in the V to III fluxes ratio, it was possible to control the C doping level in the AlGaAs layers.The nipi structures were studied in detail to evaluate their potential for use in the fabrication of optical modulators. It has been observed that the required balance between n and p type doping levels is not trivial to be achieved due to the presence of interface hole traps whose population depends on the GaAs quantum well doping concentration.Photoluminescence measurements, supported by calculations, point out that an spatially indirect transition which involves electrons in the GaAs quantum well and holes in the AlGaAs barrier occurs, at low temperatures, at energies below the gap of the quantum well. At room temperature this transition has not been observed and the measured optical emission occurs at essentially the same energy as that of an equivalent undoped structure. These results led to the conclusion that insertion losses problems will not occur due to absorption below the gap since, at room temperature, there are no energy levels below the quantum well fundamental transition energy.