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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.43.1997.tde-17122013-143351
Document
Author
Full name
Júlio Antônio Nieri de Toledo Soares
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 1997
Supervisor
Committee
Enderlein, Erich Werner Rolf (President)
Meneses, Eliermes Arraes
Pajanian, Maria Aparecida Godoy Soler
Poussep, Iouri
Souza, Patrícia Lustoza de
Title in Portuguese
A fotorefletância na caracterização de heteroestruturas e dispositivos de heteroestruturas semicondutoras
Keywords in Portuguese
Matéria condensada
Semicondutores
Abstract in Portuguese
Desde a invenção do transistor em 1947, uma verdadeira revolução tecnológica trouxe à realidade dispositivos e fatos que, há pouco tempo, pareciam ser possíveis somente em livros e filmes de ficção científica. Para que este desenvolvimento acontecesse, uma intensa pesquisa dos materiais semicondutores conhecidos foi necessária, juntamente com uma incessante busca por novos materiais, melhor adaptados a aplicações específicas. Dentre as técnicas de caracterização usadas no estudo de materiais, estruturas e dispositivos semicondutores, a fotorefletância (FR) vem se tornando mais e mais importante, devido a sua versatilidade e baixo custo, características que fazem a FR apropriada para ser uma ferramenta de diagnóstico na linha de produção de uma fábrica de dispositivos com a mesma eficiência que é usada em laboratórios de pesquisa. Essa versatilidade da FR, juntamente com a comprovada habilidade na obtenção de importantes parâmetros dos dispositivos foram os fatores que motivaram o presente trabalho. Nesta tese nós demonstramos algumas das várias possibilidades da FR como técnica de caracterização de heteroestruturas semicondutores e dispositivos baseados nestas estruturas. Na parte I, uma breve apresentação da FR é dada, mostrando os princípios físicos nos quais esta se baseia e detalhando sua implementação. Também é descrito, um método de cálculo de perfis de campo elétrico e espectros de FR, que possibilitam uma extensiva interpretação de resultados experimentais. Na parte II, os métodos teóricos e experimentais da parte I são aplicados. Começando com amostras de poços quânticos de INGAAS / GAAS, obtemos parâmetros importantes, como energias das transições inter sub-bandas de elétrons e buracos, composição de IN na liga e o deslocamento de bandas para a heteroestrutura. Também verificamos as mudanças causadas nos espectros dessas estruturas pela inserção de um plano de cargas no meio do poço, como o encolhimento da energia da banda proibida. No caso de poços não dopados, podemos observar transições aos subníveis do poço, mesmo à temperatura ambiente, demonstrando a sensibilidade desta técnica. Ademais, apresentamos um estudo de poços quânticos assimétricos, feito através da FR. Observamos o controle óptico do gás bidimensional de elétrons e separamos a contribuição ao espectro devida aos buracos leves e pesados. Este é o primeiro relato da observação de um controle óptico do gás bidimensional de elétrons através de FR feito neste tipo de estrutura, que temos conhecimento. Investigações experimentais e teóricas foram feitas em dois tipos de dispositivos um transistor de efeito de campo metal-semicondutor (MESFET) baseado em GAAS e transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMT) baseados em GAALAS / GAAS. Obtemos diversos parâmetros importantes para as propriedades ópticas e eletrônicas desses dispositivos, tais como perfis de campo elétrico interno e parâmetros de alargamento. Neste estudo, pela primeira vez a FR é usada na caracterização de um dispositivo tipo HEMT em funcionamento, nos possibilitando descobrir a origem de estruturas espectrais que têm gerado controvérsia. Ainda, um resumo das publicações dos últimos anos sobre a aplicação de FR e espectroscopia de modulação na caracterização de dispositivos semicondutores é apresentado. É dada ênfase na caracterização de estruturas tipo HEMT, mas uma ampla bibliografia para aqueles que estejam interessados em outros dispositivos também é fornecida.
Title in English
Photoreflectance in the characterization of heterostructures and devices of semiconductor
Keywords in English
Condensed matter
Semiconductors
Abstract in English
Since the invention of the transistor in 1947, a true technological revolution has brought to reality such devices and facts that, little time ago, seemed to be only possible in science fiction books and films. For this development to happen, an intense research on known semiconductor materials was necessary, together with a ceaseless search for new materials better adapted to specific purposes. Among the characterization techniques used to study semiconductor materials, structures and devices, photoreflectance (PR) is getting more and more important, due to its versatility and inexpensiveness, characteristics that make PR suitable to be a diagnostic tool in a production line of a device factory with the same efficiency it is used in research laboratories. This versatility of PR, besides its proven ability in the evaluation of important device parameters, is what motivated the present work. In this Thesis we demonstrate some of the various possibilities of PR as a characterization technique for semiconductor heterostructures and devices based on such structures. In part I, a brief presentation of PR is given, showing the physical principles on which it is based and detailing its implementation. Also described, is a calculation method for electric field profiles and PR spectra, which allows for a comprehensive interpretation of experimental results. In part II, the experimental and theoretical methods of part I are applied. Starting with INGAAS/GAAS quantum well samples, we obtain important parameters as electron-hole subband transition energies, In alloy composition, and the band offset for the heterostructure. We also verify the changes caused to these structures spectra by the insertion of a charged plane at the middle of the well, such as the shrinkage of the energy gap. In the case of undoped wells, we can see transitions between well sublevels, even at room temperature, demonstrating the sensitivity of the technique. Furthermore we present a PR study of asymmetric quantum wells. We observe the optical control of the two-dimensional electron gas, and separate the contributions due to the light and heavy holes. This is the first PR report on the observation of an optical control of the two-dimensional electron gas in such structures that we know. Experimental and theoretical PR investigations are performed in two kinds of device structures: a GAAS based metal-semiconductor field effect transistor (MESFET) and GAALAS / GAAS based high electron mobility transistors (HEMT). We obtain several important parameters for the optical and electronic properties of these devices, such as built in electric field profile and broadening parameters. For the first time PR is applied to a HEMT in operation, enabling us to reveal the origin of controversial spectral structures. The difficulty on the interpretation of such structures led us to first interpret them as arising from the two-dimensional electron gas. To confirm our interpretation we constructed a macroscopic device, which enabled to vary the gas concentration in the measured region of the sample. The results coming from this measurements shows that this interpretation is not true, in the case of our sample, and is a very conclusive method for testing similar structures. Yet, a résumé of the last years publications on the application of PR and modulation spectroscopy for semiconductor device characterization is presented. Emphasis is given on the characterization of HEMT structures, but a broad bibliography to those ínterested in other devices is also provided.
 
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46050Soares.pdf (868.99 Kbytes)
Publishing Date
2014-02-21
 
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