Author(s):
Cavaco, Ana Margarida Rocha de Oliveira 
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/3728
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Física; Semicondutores; Estrutura electrónica; Teoria quântica; Espectroscopia óptica
Description
As estruturas quânticas de semicondutores, nomeadamente baseadas em
GaAs, têm tido nos últimos vinte anos um claro desenvolvimento. Este
desenvolvimento deve-se principalmente ao potencial tecnológico que estas
estruturas apresentam. As aplicações espaciais, em ambientes agressivos do
ponto de vista do nível de radiação a que os dispositivos estão sujeitos,
motivaram todo o desenrolar de estudos na área dos defeitos induzidos pela
radiação.
As propriedades dos semicondutores e dos dispositivos de semicondutores
são altamente influenciadas pela presença de defeitos estruturais, em
particular os induzidos pela radiação. As propriedades dos defeitos, os
processos de criação e transformação de defeitos devem ser fortemente
alterados quando se efectua a transição entre o semicondutor volúmico e as
heteroestruturas de baixa dimensão.
Este trabalho teve como principal objectivo o estudo de defeitos induzidos pela
radiação em estruturas quânticas baseadas em GaAs e InAs. Foram avaliadas
as alterações introduzidas pelos defeitos em estruturas de poços quânticos e
de pontos quânticos irradiadas com electrões e com protões.
A utilização de várias técnicas de espectroscopia óptica, fotoluminescência,
excitação de fotoluminescência e fotoluminescência resolvida no tempo,
permitiu caracterizar as diferentes estruturas antes e após a irradiação.
Foi inequivocamente constatada uma maior resistência à radiação dos pontos
quânticos quando comparados com os poços quânticos e os materiais
volúmicos. Esta resistência deve-se principalmente a uma maior localização da
função de onda dos portadores com o aumento do confinamento dos mesmos.
Outra razão provável é a expulsão dos defeitos dos pontos quânticos para a
matriz.
No entanto, a existência de defeitos na vizinhança dos pontos quânticos
promove a fuga dos portadores dos níveis excitados, cujas funções de onda
são menos localizadas, provocando um aumento da recombinação nãoradiativa
e, consequentemente, uma diminuição da intensidade de
luminescência dos dispositivos.
O desenvolvimento de um modelo bastante simples para a estatística de
portadores fora de equilíbrio permitiu reproduzir os resultados de
luminescência em função da temperatura. Os resultados demonstraram que a
extinção da luminescência com o aumento da temperatura é determinada por
dois factores: a redistribuição dos portadores minoritários entre os pontos
quânticos, o poço quântico e as barreiras de GaAs e a diminuição na taxa de
recombinação radiativa relacionada com a dependência, na temperatura, do
nível de Fermi dos portadores maioritários. Quantum size semiconductor structures, namely those based on GaAs, have
experienced an outstanding development in the past twenty years. This
development is mainly due to the technological potential these structures
present. Space-based telecommunications in harsh radiation environments
motivated a run off of studies in the field of radiation-induced defects.
Semiconductor properties and semiconductor device performance are highly
influenced by the presence of structural defects, particularly those induced by
irradiation. Properties as well as processes of creation and transformation of
defects are expected to be substantially modified when moving from a bulk
semiconductor to corresponding low-dimensionality structures.
The main goal of this work was to study the radiation-induced defects in
quantum-size heterostructures composed of GaAs and InAs. The changes
introduced by radiation defects have been evaluated in structures comprising
quantum dots and quantum wells subjected to irradiation with electron and
protons.
The use of several optical spectroscopy techniques, namely
photoluminescence, photoluminescence excitation and time-resolved
photoluminescence, allowed the characterization of different structures in the
as-grown and irradiated state.
A higher radiation hardness of the quantum dots as compared to quantum wells
and corresponding bulk materials has been clearly established. This higher
resistance is mainly due to the higher localization of the carrier wavefunction
with increasing confinement. Another probable reason is the expulsion of
mobile defects into the surrounding barrier material.
However, the existence of defects in the neighbourhood of the quantum dots
promotes tunnel escape of carriers from the excited dot states, whose
wavefunctions are less localized, to the defects, causing an increase in the
non-radiative recombination and, consequently, a decrease in device
luminescence.
A rather simple model for the carrier statistics out of equilibrium which
reproduces quite well the luminescence results as a function of temperature
allowed to demonstrate that the quantum dot photoluminescence quenching
with increasing temperature is determined by two factors: the minority carrier
redistribution between the quantum dots, quantum well and GaAs barriers, and
the decrease in the radiative recombination rate related to the temperature
dependence of the Fermi level of the majority carriers. Doutoramento em Física FCT SFRH/BD/1264/2000
Document Type
Doctoral Thesis
Language
English
Advisor(s)
Carmo, Maria Celeste do; Sobolev, Nikolai Andreevich
