Tesis doctoral de Rafael Mata Sanz
Introducción por todos es sabida la diversidad de nuevas tecnologías que han surgido en la sociedad en los últimos años. Entre los dispositivos más comunes podemos encontrar los emisores de luz utilizados para la iluminación en linternas, semáforos, etc. Y aquellos integrados en lectores de almacenamiento de datos, como en el caso del blue-ray. Algunos de estos dispositivos están basados en los nitruros semiconductores del grupo iii-v, que están compuesto por in, ga, al y nitrógeno. Con la formación de aleaciones de estos compuestos se puede abarcar todo el espectro visible desde el uv al ir mediante la variación de su banda prohibida directa [1]. La fase más estable de crecimiento de los nitruros semiconductores se denomina wurtzita (wz) y presenta una simetría hexagonal, que se caracteriza por ser compatible con la existencia de una polarización espontanea. En materiales reales la estructurase ve deformada por compresiones y extensiones debidas, por ejemplo, a la utilización de substratos con distintos parámetros de red. Entre otros efectos ocasionados por las deformaciones, se pueden ver modificadas la estructura electrónica de bandas y la frecuencia de los modos de vibración. Adicionalmente, los nitruros semiconductores presentan propiedades piezoeléctricas. La polarización ocasionada por las deformaciones, junto con aquella generada por la estructura, crea una polarización suma resultante muy intensa. En el caso de gan depositado sobre aln a lo largo del eje c encontramos un desacuerdo de red del -2.4%. Al formar un pozo cuántico de gan con barreras de aln, nos encontramos con una diferencia de polarización en las interfases, que genera una densidad de carga superficial creando un campo eléctrico interno a lo largo del eje c que puede alcanzar valores del orden de 10 mv/cm. El campo eléctrico curva el potencial del pozo y en consecuencia se separan espacialmente el electrón y el hueco que forman un par electrón-hueco. Este efecto es conocido como efecto stark de confinamiento cuántico y entre sus consecuencias podemos citar una reducción de la energía de la emisión, un ensanchamiento de la emisión y tiempos más largos de recombinación. Algunos grupos de investigación han demostrado que estos efectos se ven considerablemente reducidos debido a la supresión total o parcial del campo eléctrico en heteroestructuras crecidas a lo largo de direcciones no polares [2]. en este contexto, el trabajo de tesis recientemente finalizado y defendido el día 23 de septiembre se compone de dos partes: en la primera se analizan las propiedades ópticas de nanoestructuras crecidas a lo largo de la dirección [11-20] de la wurtzita. En la segunda se analizan propiedades ópticas, eléctricas y estructurales de nanohilos de gan, así como nanoestructuras axiales y radiales crecidas en estos nanohilos. memoria en primer lugar investigamos superredes de gan/aln crecidas a lo largo de la dirección [11-20]. Investigamos las propiedades ópticas de estos sistemas a través de experimentos de fotoluminiscencia. En particular, centramos nuestro estudio en un análisis de la influencia del confinamiento y la deformación en el grado de polarización de la luz emitida. Cuatro muestras componen la serie y cada una contiene pozos cuánticos con anchuras de 2, 4, 8 y 16 nm. El grado de polarización de la luz emitida comienza siendo alto (70%) para los pozos de 2 nm, mientras que desciende hasta que cambia su signo para los pozos más gruesos. Para poder clarificar esta evolución, se ha analizado la deformación en el sistema mediante distintas técnicas: dispesión raman, rayos x y tem. El estudi permite determinar las distintas componentes del tensor de deformaciones. Se encuentra que en la dirección de crecimiento, x, la muestra está tensionada y sigue un comportamiento similar al predicho por la teoría elástica. La compresión a lo largo de z, en cambio, es muy grande y queda determinada por el sustrato, por lo que permanece constante en las distintas muestras. Finalmente, a lo largo de y la deformación sigue la variación teórica, salvo para la muestra con pozos de 16 nm de grosor. Con el fin de entender la influencia del confinamiento y la deformación sobre la polarización de la emisión, se calculan, mediante la teoría k¿p con un hamiltoniano 8×8, los mapas de la fuerza de oscilador de la primera transición en el punto gamma [3]. La teoría permite explicar los resultados observados experimentalmente, e indica además que en estos sistemas y en el rango de deformaciones de las muestras, el efecto del confinamiento sobre la polarización de la emisión es despreciable. la segunda parte de la tesis aborda el estudio de nanohilos de gan [4]. Entre sus propiedades destaca su alta calidad cristalina aun habiendo sido crecidos sobre substratos con grandes desacuerdos de red. No presentan trazas de defectos y su estructura se encuentra libre de tensiones. Respecto a la emisión de fotoluminiscencia, los nanohilos de gan muestran unas características diferentes al gan masivo convencional. Los espectros presentan una emisión muy estrecha, de unos 3 mev, correspondiente al complejo d0xa. En el lado de alta energía se aprecia un hombro de débil intensidad atribuido a la recombinación del exciton libre de la primera transición. Por otra parte, en la región de baja energía se observa una emisión a 3.41 ev, que se ha observado en otros sistemas y se ha asignado a defectos de apilamiento en forma de planos basales. Se ha podido comprobar que esta emisión proviene de la base de los nanohilos, formándose estos defectos en los primeros estadios de nucleación. Estos defectos siempre van acompañados de dislocaciones en forma de chimeneas situadas en las terminaciones de los planos basales. Su emisión se encuentra a más baja energía y es de muy débil intensidad [6]. Además de estas transiciones, se ha detectado una emisión en 3.45 ev que cuya intensidad varia fuertemente con la densidad de los nanohilos. los substratos utilizados para el crecimiento de estos nanohilos son obleas de 2.5 pulgadas y están fabricados de si altamente dopado n en la dirección (111) [4]. El calentador del porta substratos en la cámara de crecimiento presenta un diseño que genera un gradiente de temperatura a lo largo del radio de la oblea. Gracias a este gradiente hemos podido estudiar la influencia que tiene la temperatura de crecimiento sobre la densidad, diámetro y longitud de los nanohilos manteniendo el resto de parámetros constante [7]. Además, utilizando las propiedades conductivas de estos substratos, se ha podido hacer un estudio sobre las propiedades eléctricas de nanohilos de gan dopados con silicio. En el estudio se ha utilizado un afm. Se observa un cambio de comportamiento rectificante a óhmico a medida que el dopado de los hilos aumenta. se han analizado también las propiedades estructurales de heteroestructuras axiales, investigando inserciones de 1 y 2.5 nm de grosor mediante la técnica de caracterización raman [8]. De las inserciones más finas se ha obtenido una señal doble del modo e2h del gan. Hemos atribuido la la señal a más baja energía a la base de gan en los nanohilos, donde el material se encuentra más relajado y aquella de mayor frecuencia a los discos. En la muestra con inserciones más gruesas la señal que se obtiene es más intensa y se encuentra centrada en la frecuencia correspondiente al e2h del gan del material masivo. Estas características nos permiten formular la hipótesis de que en esta muestra se ha producido algún tipo de relajación estructural. Mediante tem se ha comprobado que aparecen dislocaciones en los discos de forma sistemática a unos 3 nm de la superficie lateral del hilo. en el caso de heteroestructuras radiales, se ha llevado a cabo un estudio óptico y estructural. Los resultados obtenidos en función del espesor de la corteza de aln son muy diferentes dependiendo de la técnica utilizada. Mediante técnicas macroscópcias (raman y difracción de rayos x) se encuentra una compresión inicial del núcleo de gan, que se satura para cortezas de unos 3 nm. Mediante tem, en cambio, el análisis de hilos individuales da dos tipos de resultado: el núcleo de aquellos hilos de estructura cilíndrica y corteza simétrica está altamente comprimido, y los resultados obtenidos concuerdan con el modelo teórico. En cambio, en hilos curvados y con corteza asimétrica se encuentra una fuerte relajación, similar a la observada por raman y difracción de rayos x. De hecho, la caracterización sem indica que la mayor parte de los hilos se encuentran curvados. Un análisis de tem de alta resolución indica que en un gran número de hilos aparecen escalones que inducen cambios de espesor en el aln. En estos escalones se han encontrado dislocaciones. El estudio permite concluir que, si bien la mayor parte de los hilos presentan defectos estructurales, aquellos cuya geometría es simétrica presentan cortezas libres de dislocaciones de hasta 12 nm de espesor, lo que determina una cota inferior para el espesor crítico en sistemas radiales gan/aln muy superior al predicho teóricamente [9]. resultados de la tesis doctoral del estudio de pozos cuánticos de gan/aln crecidos a lo largo de la dirección [11-20] de la wz, hemos concluido que para obtener un grado de polarización negativo de la emisión la estructura debe de estar altamente comprimida a lo largo del eje c y ligeramente comprimida a lo largo de la dirección y. al estudiar los puntos cuánticos de gan/aln hemos visto que para obtener el mismo resultado además el punto debe de tener forma rectangular y estar orientado a lo largo del eje c. en los nanohilos crecidos directamente sobre si(111), hemos encontrado que la formación de precursores no está dominada por la cinética del crecimiento. Respecto a la morfología de los nanohilos, se ha comprobado que a altas temperaturas se forman precursores durante casi todo el crecimiento dando lugar a nanohilos con diferentes longitudes. sobre nanohilos de gan dopados con distintas concentraciones de si, se ha podido estimar el dopado mediante la técnica de afm conductivo. en nanodiscos de gan formando heteroestructuras sobre nanohilos, se ha detectado una relajación plástica para inserciones más gruesas. Por otra parte, en la formación de heteroestructuras radiales también se ha detectado una relajación plástica cuando se forman cortezas de espesor variable. objetivos logrados con el programa de formación en primer lugar se ha obtenido los conocimientos necesarios para la investigación de nanoestructuras de formadas por gan y otros semiconductores del grupo iii-v. Se ha aprendido a utilizar técnicas de caracterización, no utilizadas en el grupo antes de empezar el programa de formación, así como: microscopia de fuerza atómica, microscopía de escaneado mediante haz de electrones. por otro lado, se han publicado cinco artículos en revistas de investigación con un índice de impacto considerable, entre las cuales se encuentran physical review b y nanotechnology. Además, estos trabajos han dado lugar a seis presentaciones orales en congresos internacionales y una presentación invitada. finalmente, se ha realizado un montaje de afm conductivo con el fin de caracterizar eléctricamente nanoestructuras. Este trabajo ha sido incluido en uno de los capítulos de la tesis doctoral y se está elaborando un artículo para ser publicado en una revista. bibliografía [1] i. Vurgaftman, journal of applied physics 94(6), 3675-3696 (2003) [2] p. Waltereit, nature 406, 865-868 (2000) [3] r. Mata, physical review b 82, 125405 (2010) [4] m. Sánchez-garcía, journal of crystal growth 183, 23 (1998) [5] r. Songmuang, apl 91 251902 (2007) [6] g. Martínez-criado, journal of applied physics 90(11), 56275631 (2001) [7] r. Mata journal of crystal growth, in press 2011 [8] c. Bougerol, nanotechnology, 20, 295706 (2009) [9] k. Hestroffer, nanotechnology 21, 415702 (2010)
Datos académicos de la tesis doctoral «Optical, structural and electrical characterization of gan/aln nanostructures: quantum wells, quantum dots and nanowires«
- Título de la tesis: Optical, structural and electrical characterization of gan/aln nanostructures: quantum wells, quantum dots and nanowires
- Autor: Rafael Mata Sanz
- Universidad: Universitat de valéncia (estudi general)
- Fecha de lectura de la tesis: 23/09/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Ana Cros StÁ¶tter
- Tribunal
- Presidente del tribunal: bruno Daudin
- anna Vinattieri (vocal)
- gema Martínez criado (vocal)
- Juan pascual Matínez pastor (vocal)
