Efeito de campos elétricos, dopagens não-abruptas e interfaces graduais na estrutura eletrônica de poços quânticos de GaAs/AlGaAs e GaN/AlGaN

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2007.Realizamos estudo sistemático da influência de dois campos de laser intenso linearmente polarizados, em configuração cruzada, nos níveis de energia do elétron e na densidade de estados em poços quânticos de GaAs/AlGaAs. Mostramos que tanto o padrão de confinamento dos portadores de carga quanto a densidade de estados são modificados pela aplicação dos campos. Para radiações intensas de laser polarizado na direção de crescimento da heteroestrutura semicondutora, apenas o perfil da banda de condução é modificado, induzindo fortes desvios para o azul nos níveis de energia que dependem monotonicamente da intensidade e da freqüência do laser, além disso, detectamos que tais desvios são mais pronunciados nos níveis de energia mais altos. Por outro lado, polarizações paralelas ao plano das heterointerfaces produzem alterações na densidade de estados, mudando seu perfil suavemente em função da intensidade e freqüência do laser aplicado, o que sugere um interessante mecanismo de regulagem do laser que pode ser utilizado na prática para ajustar as propriedades ópticas e de transporte de dispositivos semicondutores de baixa dimensionalidade sob ação de laser. Na ausência de campos, investigamos a influência do perfil não-abrupto de dopagem na densidade do gás de elétrons bidimensional em poços quânticos de GaAs/AlGaAs com interfaces graduais e dopagem modulada em uma das barreiras. Um método de discretização própria para malhas não-uniformes foi proposto a fim de resolver as equações acopladas de Schrödinger e Poisson de maneira autoconsistente. Observamos, para esse sistema, um aumento significante na densidade bidimensional dos portadores de carga em função do tamanho de difusão dos doadores, apontando assim a provável causa para os baixos valores encontrados em outros trabalhos nos quais um perfil gradual de dopagem não foi considerado. Verificamos ainda que o aumento da largura do espaçador, que separa os portadores de carga das impurezas residuais, diminui o efeito da dopagem gradual no processo de transferência de carga. Analisamos também o efeito dos campos elétricos internos e das interfaces graduais no perfil da banda de condução e nas energias de transição intersubbanda para poços quânticos de GaN/AlGaN com estrutura wurtzita. Identificamos, mais uma vez, a presença de desvios para azul induzidos pelos campos intensos de polarização bem como pelas interfaces graduais. Enquanto o efeito das polarizações piezoelétrica e espontânea é mais acentuado em poços quânticos mais largos, o efeito produzido pelas interfaces graduais é mais pronunciado para poços mais estreitos, indicando a grande importância desse último efeito em nanodispositivos semicondutores. Um aumento significativo na densidade bidimensional dos portadores de carga em função do tamanho de difusão dos doadores também foi encontrado para poços de GaN/AlGaN com dopagem modulada. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACTA systematic study on the influence of two intense, linearly polarized, nonresonant laser fields, in a crossed configuration, on the electron energy levels and density of states in GaAs/AlGaAs quantum wells is performed. The carrier confinement pattern and the density of states are shown to be modified by the laser beams. For laser field polarizations parallel to the growth direction only the conduction band profile is changed, inducing strong blueshifts on energy levels which depend monotonically on both the laser intensity and frequency, besides, we detected that such blueshifts are larger for higher energy levels. On the other hand, for in-plane polarizations only the density of states is altered, changing its profile smoothly in function of the applied laser intensity and frequency, which suggests an interesting laser tuning mechanism that can be used to adjust the optical and transport properties of low-dimensional semiconductor devices under intense laser fields. In the absence of laser fields, we investigated the influence of non-abrupt doping profiles on the carrier sheet density in one-side modulation-doped GaAs/AlGaAs graded quantum wells. A proper discretization method for non-uniform meshes was proposed in order to solve the coupled Schrödinger and Poisson equations self-consistently. We noted, for this quantum system, a significant increase in the electron sheet density in function of the donors diffusion length, pointing, therefore, the probable cause for the underestimations in the two-dimensional electron gas density verified in previous works based upon the abrupt doping profile. We also found that the effect of the non-abruptness on the charge transfer is diminished by the increase of spacer layer thickness, which separates the carriers from the remote donors. The effects of internal electric fields and graded interfaces on the conduction band profile and on the energies of intersubband transitions for GaN/AlGaN quantum wells with wurtzite structure were also analyzed. Once more, the presence of blueshifts induced by intrinsic polarization electric fields and by graded interfaces was identified. While the effect of piezoelectric and spontaneous polarizations is more pronounced for larger quantum wells, the effect produced by the graded interfaces is more pronounced for narrow quantum wells, indicating the great importance of this latter effect on semiconductor nanodevices. A significant increase in the electron sheet density in function of the donors diffusion length was also found for modulation-doped GaN/AlGaN quantum wells