Implantação de iões terras raras em super-redes de pontos quânticos de

Em estruturas de camadas planas dopadas com terras raras (por exemplo, GaN:Eu), apesar de recentemente se ter desenvolvido um LED através da dopagem do material com iões terras raras [Nis09], um dos principais problemas reside na ineficiente transferência de energia da matriz semicondutora para os iões lantanídeos. Um dos motivos para a reduzida eficiência quântica alcançada em camadas implantadas tem que ver com a criação de defeitos irrecuperáveis por recozimento térmico. Além disso, a baixa incorporação de iões terra rara na matriz e os problemas específicos de dopagem, tais como a elevada probabilidade de ocorrência de separações de fase e a deterioração do cristal, são problemas expectáveis em materiais dopados in-situ.

O aumento da eficiência da emissão dos iões lantanídeos pode ser testado em matrizes que envolvam efeitos de confinamento quântico, entre os quais as heteroestruturas de elevada qualidade cristalina que incluam pontos quânticos de GaN [And06,Hor04]. Contudo, a dopagem in-situ de pontos quânticos de GaN é descrita por um crescimento difícil [Bod09,Hor04b] pelo que a dopagem ex-situ por implantação iónica constitui uma alternativa viável a essa metodologia. Porém, a implantação danifica as amostras criando defeitos pontuais como lacunas e intersticiais que podem interagir formando defeitos extensos como falhas de empacotamento podendo mesmo alterar a morfologia da superfície das amostras. Todavia, alguns destes defeitos são recuperáveis com o uso de recozimentos térmicos a altas temperaturas. Estas elevadas temperaturas fornecem energia aos átomos do cristal, e, quando estes relaxam, podem ocupar as posições que minimizam a energia livre do cristal, melhorando, por isso, a qualidade cristalina. Neste trabalho será também estudado o efeito da implantação de iões terras raras em super-redes compostas por pontos quânticos de GaN envolvidos por camadas de AlN. Com o objetivo de se analisar a estabilidade térmica das super-redes, foram tratadas termicamente a várias temperaturas. Além da recuperação da qualidade cristalina a partir das técnicas de recozimento permitindo posteriormente a ativação ótica dos iões lantanídeos na matriz implantada, a eficiência da recombinação dos iões terras raras pode ser aumentada tendo por base a análise do balanço entre o efeito de confinamento quântico e os efeitos piezoelétricos. O confinamento quântico destas nano-estruturas deverá aumentar a secção eficaz de excitação, ao mesmo tempo que a qualidade cristalina dos pontos quânticos de GaN diminui a probabilidade de recombinação não radiativa.

CAPÍTULO I: Introdução

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A relaxação elástica de tensões permite o crescimento destas estruturas com qualidade cristalina muito superior à qualidade de filmes, sem deslocações, e, ao mesmo tempo, o rendimento dos dispositivos aumenta devido ao confinamento das cargas. Estas estruturas, foram crescidas pelo método de SK descrito genericamente no capítulo II, que tem por objetivo a diminuição dos estados de tensão e logo, da densidade de defeitos.

A sua dopagem com diferentes iões terras raras permite, em princípio, a emissão de luz em toda a região do visível e infravermelho, como ilustrado na figura I.2, e a promoção do efeito de confinamento quântico nos pontos quânticos permite pressupor uma maior estabilidade da emissão do ião, conduzindo a uma acrescida eficiência quântica interna, através da minimização de processos competitivos não radiativos. Este facto, associado à estabilidade térmica e de irradiação dos pontos quânticos de GaN, sugere que o processo de implantação iónica possa ser eficaz no âmbito da incorporação do dopante nos pontos quânticos.

O comportamento espetroscópico do sistema de pontos quânticos de GaN envolvidos por camadas de AlN é determinado pelo confinamento quântico dos portadores de carga que depende das dimensões dos pontos quânticos, nomeadamente, a sua altura (medida em relação à direção de crescimento) e diâmetro, estado de tensão, da forma de como as camadas se encontram empilhadas, e pelos intensos campos elétricos internos, resultantes da polarização espontânea e de efeitos piezoelétricos. Estes últimos podem atingir a ordem de grandeza de MV/cm [Gog03,Bre06]. Como mencionado previamente, estes elevados campos elétricos induzem uma separação espacial nas funções de onda dos portadores de carga no interior dos pontos quânticos, sendo por isso responsáveis pelo aumento no tempo de vida e do desvio para menores energias da recombinação excitónica [Bre03,And01,Cho02] provocado pelo efeito de Stark [Dam99,Wid99,Bre03,Sal04,Gui06,Bra09].

Nas figuras I.4a e I.4b mostram-se imagens de Microscopia Eletrónica de Transmissão de uma super-rede composta por pontos quânticos de GaN envolvidos por camadas de AlN [Cha04]. Note-se que os pontos quânticos se encontram alinhados ao longo da direção de crescimento. Assim, e genericamente, este método tende a diminuir as tensões elasticamente, pelo que daí, pode resultar no crescimento de uma heteroestrutura com elevada qualidade cristalina.

CAPÍTULO I: Introdução

14 Figura I.4: Imagem de TEM ilustrando o alinhamento vertical, a), e dimensões, b), dos pontos quânticos de GaN envolvidos por camadas de AlN [Cha04].

No capítulo VII descrevem-se as propriedades estruturais, morfológicas e óticas de super-redes compostas por pontos quânticos de GaN envolvidos por camadas de AlN nos seus estados virgens, recozidas, implantadas com diversas fluências do ião Eu3+ e posteriormente, novamente recozidas. Note-se que foi implantado o elemento Eu; todavia, como este irá ocupar a posição do Ga na rede e este último possui um estado de carga 3+, é expectável que o Eu adote o mesmo estado de carga.

Por último, no capítulo VIII são efetuadas as conclusões finais do trabalho e a discussão de trabalho futuro. Nele, são refletidas as conclusões principais de cada capítulo. Além disso, tentam explorar-se possíveis soluções para os problemas não resolvidos ou não esclarecidos na sua totalidade.

Com este capítulo introdutório pretendeu-se efetuar uma análise sumária da vanguarda de conhecimento dos materiais em estudo neste trabalho, apresentar algumas das suas propriedades relevantes e limitações, delinear os objetivos do estudo e estabelecer a sequência de etapas do trabalho apresentado nesta dissertação.

Capítulo II

Descrição da estrutura nominal das amostras,

técnicas usadas no seu crescimento e

CAPÍTULO II: Descrição da estrutura nominal das amostras, técnicas usadas no seu crescimento e