Resumen de Infrared intersubband detection and plasmonics with (zn,mg)o and (cd,zn)o compounds
La presente tesis doctoral analiza las características de heteroestructuras basadas en ZnO y CdO, con el objetivo de evaluar sus capacidades para el desarrollo de dispositivos detectores y emisores de luz en los rangos del infrarrojo medio y de los terahercios del espectro electromagnético. La tesis comprende distintos estudios, englobados en dos partes principales: compuestos basados en ZnO y heteroestructuras para la detección de transiciones intersubbanda y compuestos basados en CdO para su aplicación en plasmónica en el infrarrojo medio.
En primer lugar, con el objetivo de entender las propiedades físicas del ZnO, de su aleación con MgO en fase wurtzita, y de su dopaje tipo-n con Ga, se han caracterizado óptica y eléctricamente epicapas no polares de (Zn,Mg)O:Ga.
Los resultados prueban un incremento del bandgap de la aleación hasta los 4.41 eV para un contenido de Mg del 50 %. Además, el aumento del contenido de Mg produjo un efecto de compensación de electrones libres. Aun así, se llegó a alcanzar una concentración de electrones de 4.4 E19 cm^(-3) en la aleación con un 35 % de Mg y un dopaje nominal de Ga de 4 E19 cm^(-3), lo cual implica una eficiencia del dopaje cercana al 100 %.
El conocimiento adquirido con el estudio de las propiedades físicas de las aleaciones de (Zn,Mg)O:Ga se utilizó para el diseño, crecimiento y caracterización de las estructuras de multipozos cuánticos de ZnO:Ga/(Zn,Mg)O, con el objetivo de la detección de transiciones de intersubbanda, como primer paso para el desarrollo de fotodetectores de infrarrojo de pozos cuánticos y láseres de cascada cuántica. La dependencia de la frecuencia de las transiciones intersubbanda tanto con el espesor de los pozos cuánticos de ZnO:Ga como con su nivel de dopaje de Ga fue analizada, y los resultados fueron corroborados con espectros de absorción modelados computacionalmente. Pozos cuánticos con espesores desde 2.2 hasta 4.0 nm fueron caracterizados: los pozos cuánticos más estrechos dieron lugar a transiciones más energéticas, debido a la mayor separación energética entre los niveles del pozo cuántico. Además, en pozos cuánticos anchos (≥ 3.5 nm) los modelos predijeron la formación de tres niveles confinados, y la interacción entre los dipolos de las dos transiciones intersubbanda permitidas dio lugar al plasmón multisubbanda, una única transición resultante del acoplo de los dos osciladores individuales. Los experimentos confirmaron los modelos teóricos, ya que se observó un único pico de absorción a la frecuencia predicha para el plasmón de multisubbanda. Además, los dopajes de Ga produjeron un desplazamiento del pico de absorción hacia mayores energías, debido al efecto de depolarización.
El segundo bloque de la tesis aborda la caracterización de la aleación de (Cd,Zn)O en fase rock-salt y los polaritones de superficie formados en sus intercaras con el medio adyacente.
La caracterización eléctrica de las aleaciones mostró un aumento de la concentración de electrones libres con el contenido de Zn, llegando hasta un máximo de 3.9 E20 cm^(-3). Además, la movilidad de los electrones para contenidos de Zn de 5, 10 y 15 % resultó ser mayor que la obtenida para el binario CdO, con un valor máximo de 110 cm^2 V^(-1) s^(-1) para un contenido de Zn del 10 %. Combinando los parámetros de transporte se calculó la resistividad de las aleaciones, encontrándose en el orden de magnitud de 1E(-4) Ω cm. Los valores obtenidos corresponden a las menores resistividades publicadas para la aleación de (Cd,Zn)O, siendo además comparables a las resistividades de los materiales comúnmente utilizados como óxidos conductores transparentes. Los resultados suponen una mejora de las perspectivas de la aleación para aplicaciones en el infrarrojo medio, donde son necesarios materiales plasmónicos con bajas pérdidas.
La aleación de (Cd,Zn)O con un contenido de Zn del 10 % mostró las menores pérdidas y fue empleada para estudiar los fenómenos de superficie formados en sus intercaras. Para ello, aleaciones con distintos espesores fueron analizadas por medio de la técnica de reflexión total atenuada.
El estudio se centró en el modo híbrido formado en la intercara (Cd,Zn)O-zafiro: el plasmón de superficie del (Cd,Zn)O se hibridó con el fonón de superficie del zafiro, para dar lugar al polaritón de superficie plasmón-fonón. Se observó que la naturaleza del mismo podía ser modulable gracias al control sobre el acoplo de los campos entre las dos intercaras de la aleación, esto es, gracias al preciso control del espesor de la aleación. Para aleaciones más gruesas (≥ 150 nm), las frecuencias del modo híbrido fueron mucho más energéticas que las de la reststrahlen band formada por los fonones del zafiro, y por lo tanto el modo presentaba un comportamiento plasmónico. Por el contrario, para menores espesores las frecuencias del modo híbrido se aproximaban a las de los fonones del zafiro. Precisamente para esas frecuencias se predijo teóricamente una gran mejora de la distancia de propagación a lo largo de la intercara, alcanzando valores superiores a 500 µm, un orden de magnitud mayor que las distancias de propagación típicamente obtenidas en modos de superficie puramente plasmónicos. Esta mejora de la distancia de propagación, una de las principales características de los modos de superficie, supone un gran avance para la implementación de este modo híbrido en dispositivos fotónicos en los que se requieren largas distancias de propagación, como por ejemplo en guías de onda plasmónicas.
