Contraste entre propriedades optoeletrônicas em estruturas de tunelamento ressonante n-i-n baseadas em GaAs

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Autor(a) principal: Oliveira, Edson Rafael Cardozo de
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/11602
Resumo: Resonant Tunneling Diodes (RTDs) are semiconductor devices usually composed of two barrier structures embedding a single quantum well (QW) and highly doped layers in its extremities. Under an applied bias voltage, the charge carriers‘ energy aligns with the QW bound state and they can tunnel resonantly through the double barrier with, ideally, unity transmission probability and a peak in the current density for a certain voltage value is observed. This process occurs until the charge carriers‘ energy passes the energy of the QW bound state and now a sharp decline of the current density emerges due to the energetic misalignment of the charge carriers‘ energy and the QW bound state. The reduction of the current density at higher bias voltages leads to a region of Negative Differential Resistance, which for instance is utilized in high frequency RTD applications. Another essential property of RTDs is the peak-to-valley current ratio, which determines the device quality. It was demonstrated that the insertion of a pre-well adjacent to the emitter barrier enhances the PVCR through 2D-2D tunneling between pre-well and QW quantized states. Resonant Tunneling Diodes can also emit light. Accelerated electrons can experience collisions with other electrons, bringing them to the conduction band and generating holes at the valence band. Generated holes eventually recombine with electrons, thus, emitting light. This process is denominated electroluminescence through impact ionization. The electroluminescence combined with the unique RTDs properties, such as the NDR region and high frequency operation, enables the development of high speed functional opto-electronic devices, e.g., optical switches, logic gates, etc. In this work we study two resonant tunneling structures based on GaAs/AlGaAs with and without the presence of an InGaAs potential prewell and quantum well, using mainly transport and electroluminescence techniques. The main goal is to contrast the electroluminescent and transport properties in the study of charge carrier dynamics in these structures, and also, to compare the optoelectronic properties which the prewell addition provides. First, it is identified two independent impact ionization channels associated with the coherent resonant tunneling current and the incoherent valley current. Furthermore, by simulating a resistance variation for the I-V and the EL we observe the possibility to tune the EL on-off ratio up to 6 orders of magnitude and further observe that the EL on and off states can be either direct or inverted compared to the tunneling current on and off states. By comparing with the prewell containing sample, it is demonstrated that at room temperature the charge carriers confined at the prewell quantized state preserve the electrical current intensity with respect to the sample without prewell, therefore, it is thematically more stable. Finally, by studying the electroluminescence with magnetic field, it is demonstrated for the first time the Landau levels splitting in RTDs with emitter prewell.
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Under an applied bias voltage, the charge carriers‘ energy aligns with the QW bound state and they can tunnel resonantly through the double barrier with, ideally, unity transmission probability and a peak in the current density for a certain voltage value is observed. This process occurs until the charge carriers‘ energy passes the energy of the QW bound state and now a sharp decline of the current density emerges due to the energetic misalignment of the charge carriers‘ energy and the QW bound state. The reduction of the current density at higher bias voltages leads to a region of Negative Differential Resistance, which for instance is utilized in high frequency RTD applications. Another essential property of RTDs is the peak-to-valley current ratio, which determines the device quality. It was demonstrated that the insertion of a pre-well adjacent to the emitter barrier enhances the PVCR through 2D-2D tunneling between pre-well and QW quantized states. Resonant Tunneling Diodes can also emit light. Accelerated electrons can experience collisions with other electrons, bringing them to the conduction band and generating holes at the valence band. Generated holes eventually recombine with electrons, thus, emitting light. This process is denominated electroluminescence through impact ionization. The electroluminescence combined with the unique RTDs properties, such as the NDR region and high frequency operation, enables the development of high speed functional opto-electronic devices, e.g., optical switches, logic gates, etc. In this work we study two resonant tunneling structures based on GaAs/AlGaAs with and without the presence of an InGaAs potential prewell and quantum well, using mainly transport and electroluminescence techniques. The main goal is to contrast the electroluminescent and transport properties in the study of charge carrier dynamics in these structures, and also, to compare the optoelectronic properties which the prewell addition provides. First, it is identified two independent impact ionization channels associated with the coherent resonant tunneling current and the incoherent valley current. Furthermore, by simulating a resistance variation for the I-V and the EL we observe the possibility to tune the EL on-off ratio up to 6 orders of magnitude and further observe that the EL on and off states can be either direct or inverted compared to the tunneling current on and off states. By comparing with the prewell containing sample, it is demonstrated that at room temperature the charge carriers confined at the prewell quantized state preserve the electrical current intensity with respect to the sample without prewell, therefore, it is thematically more stable. Finally, by studying the electroluminescence with magnetic field, it is demonstrated for the first time the Landau levels splitting in RTDs with emitter prewell.Diodos de tunelamento ressonante (RTDs) são dispositivos semicondutores compostos principalmente por dupla barreira de potencial formando um poço quântico entre elas, e por camadas altamente dopadas nas extremidades. Sob voltagem aplicada, a energia dos portadores de carga alinha-se com os níveis do poço quântico, e, portanto, podem tunelar ressonantemente através da dupla barreira, com probabilidade de transmissão idealmente unitária, em que um pico na corrente elétrica para determinado valor de voltagem é observado. Este processo ocorre até que a energia dos portadores de carga torna-se maior do que a energia do poço, e um declínio abrupto na corrente elétrica ocorre devido ao desalinhamento energético dos portadores de carga e dos estados ligados do poço quântico. A redução na corrente elétrica com o aumento da voltagem leva à formação de uma região de resistência diferencial negativa, que pode ser utilizada, por exemplo, em aplicações de alta frequência com RTDs. Outra característica essencial dos RTDs é a razão pico-vale de corrente elétrica (RPVC), que determina a qualidade do dispositivo. Foi demonstrado que a adição de um pré-poço adjacente à barreira emissora aprimora a RPVC através do tunelamento 2D-2D entre os estados quantizados do pré-poço e do poço quântico. Os diodos de tunelamento ressonante podem também emitir luz. Elétrons acelerados podem experimentar colisões com outros elétrons, promovendo-os para a banda de condução e gerando buracos na banda de valência. Os buracos gerados eventualmente recombinam-se com elétrons, emitindo luz. Este processo é denominado de eletroluminescência através de ionização por impacto. Esta eletroluminescência, combinada com propriedades únicas de RTDs, como a resistência diferencial negativa, permite o desenvolvimento de dispositivos funcionais ultra-rápidos, como interruptores ópticos, portas lógicas, etc. Neste trabalho, estudamos duas estruturas de tunelamento ressonante baseadas em Arseneto de Gálio/Arseneto de Gálio e Alumínio (GaAs/AlGaAs) com e sem a presença de um pré-poço de potencial emissor e poço quântico de Arseneto de Gálio e Índio (InGaAs), utilizando técnicas de transporte elétrico e eletroluminescência. O principal objetivo é contrastar as propriedades eletroluminescentes e de transporte no estudo da dinâmica dos portadores de cargas nestas estruturas, e também comparar as características optoeletrônicas que a adição do pré-poço propicia. Primeiramente, são identificados dois canais independentes de ionização por impacto associados com a corrente coerente de tunelamento ressonante e a corrente incoerente referente a outros canais de tunelamento. Além do mais, simulando uma variação de resistência associada em série aos RTDs, observamos para a corrente-voltagem e eletroluminescência a possibilidade de controlar a razão on-off óptica em até seis ordens de magnitude, e que os estados luminescentes on e off podem ser tanto direto ou inverso, comparado com os estados da corrente de tunelamento. Comparando com a amostra contendo pré-poço, é demonstrado que em temperatura ambiente a densidade de portadores confinados nos estados quantizados do pré-poço preserva a intensidade da corrente elétrica em relação à amostra sem o pré-poço, e portanto é mais estável termicamente. Finalmente, pelo estudo de eletroluminescência com campo magnético aplicado, é apresentado pela primeira vez a abertura dos níveis de Landau em pré-poço emissor em RTDs.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CAPES: 88881.133567/2016-01CNPq: 163785/2018-0CNPq: 141793/2015-5porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGFUFSCarEletroluminescênciaConfinamento quânticoSemicondutoresArseneto de GálioArseneto de Gálio e ÍndioDiodo de tunelamento ressonanteNíveis de LandauElectroluminescenceQuantum confinementSemiconductorsGallium ArsenideIndium Gallium ArsenideResonant Tunneling DiodeCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::ESTRUTURAS ELETRONICAS E PROPRIEDADES ELETRICAS DE SUPERFICIES INTERFACES E PELICULASCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::PROP.OTICAS E ESPECTROSC.DA MAT.CONDENS;OUTRAS INTER.DA MAT.COM RAD.E PART.CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA::TRANSP.ELETRONICOS E PROP. ELETRICAS DE SUPERFICIES;INTERFACES E PELICULASCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADAENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::MATERIAIS ELETRICOS::MATERIAIS E COMPONENTES SEMICONDUTORESContraste entre propriedades optoeletrônicas em estruturas de tunelamento ressonante n-i-n baseadas em GaAsContrasting between optoelectronic properties in n-i-n resonant tunneling structures based in GaAsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisOnline6006004ee30d70-e6cf-40ab-bb84-b9a783a8105dinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese Edson - Final.pdfTese Edson - Final.pdfTese de doutoradoapplication/pdf13302934https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/11602/1/Tese%20Edson%20-%20Final.pdf0e27f8f03e974185560dca52fca3b8f1MD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81957https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/11602/4/license.txtae0398b6f8b235e40ad82cba6c50031dMD54TEXTTese Edson - Final.pdf.txtTese Edson - Final.pdf.txtExtracted texttext/plain269836https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/11602/5/Tese%20Edson%20-%20Final.pdf.txt0cc074ef04c7a1e7f189841508177c2bMD55THUMBNAILTese Edson - Final.pdf.jpgTese Edson - Final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7803https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/11602/6/Tese%20Edson%20-%20Final.pdf.jpg76f6f62392e375696be88c098b2f6ba9MD56ufscar/116022023-09-18 18:31:37.908oai:repositorio.ufscar.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:31:37Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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