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Type: Dissertação de Mestrado
Title: An evolutionary approach for semiconductor nanodevices optimization
Authors: Fernando Carvalho da Silva Coelho
First Advisor: Omar Paranaiba Vilela Neto
First Referee: Paulo Sergio Soares Guimarães
Second Referee: Thiago Ferreira de Noronha
Abstract: Uma das principais razões para o grande desenvolvimento computacional visto nas últimas décadas foi a miniaturização contínua no tamanho dos transistores. Contudo, estamos próximos do limite físico de miniaturização deste componente eletrônico. Portanto, com o intuito de manter o avanço do desempenho dos processadores, novas alternativas de materiais e tecnologias devem ser investigadas. A Nanocomputação visa o estudo de nanodispositivos e nanoestruturas para o desenvolvimento de uma nova geração de computadores, com arquiteturas inovadoras e eficientes. Dentre as possíveis soluções podemos destacar os nanodispositivos semicondutores. Neste trabalho investigaremos a otimização de dois tipos de nanodispositivos semicondutores diferentes, Cristais Fotônicos e Microcavidades, que podem permitir o desenvolvimento de uma futura geração de computadores que utilizam como variável de estado a luz ao invés da carga elétrica dos processadores convencionais.Tipicamente, o processo de otimização destas estruturas físicas é empírico e lento, dependendo principalmente do conhecimento e intuição dos especialistas. A otimização mais robusta e eficiente exige a existência de modelos matemáticos e simuladores capazes de representar o comportamento estrutural dos dispositivos. Esses modelos podem assumir elevada complexidade computacional, tornando a avaliação sistemática dessas estruturas um desafio. Além disso, a busca por soluções eficientes esbarra em grandes espaços de busca e comportamento não linear. Desta forma, neste trabalho aplicamos algoritmos evolutivos na busca por soluções otimizadas que satisfaçam os requisitos necessários para o desenvolvimento de futuras aplicações.Cristais fotônicos são sistemas cuja função dielétrica é periódica no espaço. Geralmente, essas estruturas são implementadas em um cristal semicondutor como, por exemplo, Arseneto de Gálio (AsGa), e possuem padrões de buracos preenchidas por ar. A partir da alteração dos parâmetros geométricos das cavidades do cristal, ou seja, geração controlada de defeitos na estrutura, a luz pode ter seu fluxo controlado, fato que permite o desenvolvimento de aplicações como portas lógicas ópticas, sensores de alta resolução, processamento quântico da informação, dentre outras. Neste projeto focamos na maximização do fator de qualidade da estrutura conhecida como L3, variando as posições geométricas e raios dos buracos ao redor do defeito. O fator de qualidade pode ser definido pela energia perdida por ciclo versus a energia armazenada no defeito. Os resultados obtidos em nossos estudos de caso superam aqueles previamente apresentados na literatura. Além disso, é importante destacar que a simulação de cada estrutura gerada é computacionalmente muito cara, o que levou ao desenvolvimento de um algoritmo distribuído e robusto que pudesse tirar proveito do maior número de computadores possíveis. Já as microcavidades semicondutoras podem ser consideradas como cristais fotônicos de uma dimensão e são bases para uma variedade de dispositivos optoeletrônicos, tais como, lasers e diodos emissores de luz (LEDs), além de transistores óticos. Normalmente, estes materiais contém muitas camadas diferentes, cujas condições de crescimento devem ser altamente estáveis, com um controle preciso sobre a composição e espessura de cada camada individual. Contudo, incertezas durante o processo físico de crescimento fogem do controle dos especialistas e podem comprometer significativamente a eficiências dos dispositivos. Desta forma, neste projeto visamos não somente encontrar os parâmetros ideais que levem às soluções ótimas, mas também que garantam o crescimento de dispositivos robustos e eficientes. Este é o primeiro projeto que propõem a otimização da estrutura das microcavidades, principalmente focando em sua robustez. Diferentes tipos de microcavidades foram otimizadas e a estratégia proposta neste trabalho se mostrou eficaz, levando a estruturas com fator de qualidade maior que o descrito anteriormente na literatura e alta garantia de robustez no crescimento.
Abstract: One of the main reasons for the large computational development seen in recent decades has been the continued miniaturization of transistors in size. However, we are close to the physical limit of miniaturization of the electronic components. Therefore, in order to maintain the advancement of the performance of processors, we need new alternative technologies and materials to be investigated. Nanocomputing aims to study the nanostructure and nanodevices for the development of a new generation of computers, with innovative and efficient architectures. Among the possible solutions we can highlight the semiconductor nanodevices. In this paper we investigate the optimization of two types of different semiconductor nanodevices: Photonic Crystals and Microcavities, that can enable the development of a future generation of computers that use light as a state instead of the electric charge of conventional processors variable.Typically, the process of optimizing these physical structures is empirical and slow, demanding knowledge and intuition of experts. The most robust and efficient optimization requires the existence of mathematical models and simulators able to represent the structural behavior of the devices. These models can take high computational complexity, making systematic evaluation of these structures a challenge. Moreover , the search for efficient solutions coming up in large search spaces and nonlinear behavior. Thus, in this work we apply evolutionary algorithms in the search for optimized satisfying the requirements for the development of future applications solutions.Photonic crystals are systems whose dielectric function is periodic in space. Generally, these structures are implemented in a semiconductor crystal, for example, Gallium Arsenide (GaAs), and have patterns of holes filled by air. By changing geometrical parameters of the cavities of the crystal, that is, controlled generation of defects in the structure, the light can be controled, a fact that allows the development of applications such as optical logic gates, high resolution sensors, quantum processing information, among others. In this project we focus on maximizing the quality known as L3 structure factor, varying the geometric positions and radii of the holes around the defect. The quality factor can be defined by the energy lost per cycle versus the energy stored in the defect. The results obtained in our case studies outnumber those previously presented in the literature. Furthermore, it is important to note that the simulation of each structure generated is computationally very expensive, which led to the development of a distributed and robust algorithm that could take advantage of the largest possible number of computers .Have the semiconductor microcavities can be considered as a dimension photonic crystals and are bases for a variety of optoelectronic devices such as lasers and light emitting diodes (LEDs), and optical transistors. Typically, these materials contain many different layers, whose growth conditions should be highly stable, with precise control over the composition and thickness of each individual layer. However, uncertainties in the physical process of growth beyond the control of experts and can significantly compromise the efficiency of the devices. Thus, in this project we aim to not only find the optimal parameters that lead to optimal solutions, but also to ensure the growth of robust and efficient devices. This is the first project we propose to structure optimization of the wells, mainly focusing on its robustness. Different types of wells were optimized and the strategy proposed in this study proved effective, leading to structures with higher quality factor than previously described in the literature guarantee robustness and high growth.
Subject: Computação evolucionária
Computação
Nanotecnologia
language: Inglês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/ESBF-9KJR7K
Issue Date: 21-Feb-2014
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