Strain balanced epitaxial stacks of quantum dots and quantum posts

• Autores: Diego Alonso Álvarez
• Directores de la Tesis: José María Ripalda Crespo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2011
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Pascual Martínez Pastor (presid.), Basilio Javier García Carretero (secret.), Antonio Rivera Mena (voc.), Ned John Ekins Daukes (voc.), Luca Seravalli (voc.), David Fuster Signes (voc.), Mª Yolanda González Diez (voc.)
• Materias:
  • Filosofía
    • Doctrinas filosóficas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: digitool-uam.greendata.es
• Resumen

  • La utilización de nanoestructuras cuánticas es un modo muy prometedor de mejorar las propiedades de muchos dispositivos optoelectrónicos. Debido a la sencillez que ofrecen de integrarse en la tecnología actual de semiconductores, uno de los sistemas mejor estudiados es el de puntos cuánticos (quantum dots, QDs) de InAs fabricados epitaxialmente sobre GaAs. Este tipo de QDs autoensamblados presentan habitualmente excelentres propiedades ópticas, con intensa emision/absorción de luz a energías bien de¿nidas. Lo primero está relacionado con la calidad cristalina del material y el número de QDs presentes en la estructura. Lo segundo, por su parte, depende de la forma de los QDs, su composición y su tamaño. Para algunas aplicaciones, es su¿ciente con incluir una sola capa de QDs en la zona activa del dispositivo. Tal es el caso de los emisores de un solo fotón. Otras, como es el caso de los láseres, requieren el apilamiento de varias capas de nanoestructuras, de 3 a 10 típicamente, no siendo necesario además que estén especialmente juntas. En estos casos, las propiedades ópticas de las nanoestructuras en cada capa pueden controlarse de forma independiente y no se corre el peligro de que la acumulación excesiva de energía elástica degrade la estructura. Finalmente, otros dispositivos tales como los detectores de infrarrojo basados en QDs o dispositivos más novedosos como las células solares de banda intermedia, requieren para su funcionamiento el apilamiento de decenas o incluso cientos de capas de QDs poco separadas entre si con objeto de aumentar la respuesta eléctrica de la estructura a la luz incidente. En estas condiciones, los QDs tienden a apilarse formando columnas verticales, se acoplan electricamente y sufren una evolución de tamaños de capa en capa. Como resultado, la energía elástica acumulada tiende a relajarse mediante la formación de dislocaciones, resultando en una degradación del material.

    Uno de los métodos sugeridos para permitir la fabricación de esos grandes apilamientos sin que se produzca la degradación del material es la técnica de compensación de tensión. Esta técnica, desarrollada originalmente para pozos cuánticos, consiste en introducir un material con menor parámetro de red que el substrato entre capa y capa de QDs. De este modo, la tensión compresiva que introducen estos se ve compensada por la tensión expansiva que introduce dicho material, retrasando la formación de dislocaciones en la estructura. En el caso de que el substrato sea GaAs, diferentes materiales que pueden compensar la tensión que introducen los QDs de InAs son aleaciones diversas de GaAsP, GaInP o GaAsN.

    Con objeto de calcular la composición y espesor óptimos de la capa compensadora, históricamente se han utilizado varios criterios heredados de la compensación de pozos cuánticos. No obstante, estos criterios no tenían en cuenta la forma tridimensional de los QDs o el efecto de los campos de tensión inhomogeneos, algo que resulta de capital importancia, como veremos más adelante.

    La motivación de este trabajo es, por lo tanto, caracterizar y entender integramente el proceso de compensación de QDs de InAs apilados usando para ello una novedosa aproximación consistente en monitorizar la tensión que se acumula en la muestra durante su fabricación.

    La técnica del sensor de tensión mecano-óptico (mechano-optical stress sensor, MOSS) es una técnica de medida in-situ y en tiempo real cuya aplicación, entre otras muchas, es el monitorizado de la tensión que una capa de QDs de InAs introduce en el resto de la estructura. La técnica se basa en determinar la tensión que se acumula en la muestra midiendo su curvatura, usando para ello la de¿exión de dos haces laser re¿ejados en su super¿cie. En nuestro sistema, la muestra debe tener forma de palanca y estar sujeta al portamuestras solo por un extremo. Este debe contar con un hueco en el medio que permita a la palanca curvarse sin restricciones.

    La separación existente entre los haces láser re¿ejados a cierta distancia de la muestra se puede relacionar, en estas condiciones, con la tensión que se acumula en ella.

    El trabajo realizado se puede dividir en tres grandes bloques. En el primero, hemos usado la técnica MOSS para caracterizar la tensión que acumulan las capas de QDs de InAs y las capas compensadoras de GaAsP.

    Mediante estas medidas, hemos encontrado que la tensión que acumula una capa de QDs es mucho mayor que lo estimado teóricamente, con el impacto que esta discrepancia tiene, por lo tanto, en los criterios teóricos de compensación de tensión. La simulación del proceso usando un método de elementos ¿nitos apoya estos resultados y corrobora, desde un punto de vista experimental, las hipotesis realizadas por varios autores hace casi una década sobre la presencia de procesos de migración de In desde la capa de mojado hacia los QDs, asistidos por sus campos de tensiones.

    Usando esta calibración previa, hemos sido capaces de fabricar apilamientos de QDs completamente compensados en tensión, monitorizando la evolución de dicha tensión mediante la técnica MOSS.

    Nuestros resultados revelan que incluso en condiciones de compensación perfectas, el apilamiento se degrada, dando lugar a la ausencia de formación de QDs más allá de cierta capa y a unas malas propiedades ópticas del material. Continuando el trabajo en esta línea usando estructuras parcialmente compensadas llegamos a la conclusión de que hay una estrecha relacción entre los campos de tensión inhomogeneos creados por los QDs, las características de la capa compensadora y la calidad de la muestra. Nuestros resultas indican que dichos campos inhomogeneous afectan la formación de la capa compensadora del mismo modo que afectan la formación de la siguiente capa de QDs. Este efecto cobra especial importancia si la capa compensadora es un compuesto ternario, tal y como utilizábamos en nuestras muestras, en cuyo caso sería esperable una severa modulación de composición en dicha capa.

    En general, estos estudios apuntan a que, contrariamente a lo que ocurre en pozos cuánticos, en QDs no es su¿ciente con lograr una compensación de tensión completa en promedio y que otros factores, como la composición (compuesto binartio o ternario) y posición de la capa compensadora dentro del espaciador, afectan criticamente a la calidad ¿nal del material. Estos resultados se han visto apoyados por la fabricación exitosa de un apilamiento de 50 capas de QDs de InAs, manteniendo una formación homogenea de las nanoestructuras a lo largo de todo el apilamiento y una emissión de fotoluminiscencia relativamente estrecha. El exito de este proceso ha sido consecuencia, precisamente, del uso de capas compensadoras muy delgadas y fabricadas nominalmente con un compuesto binario, el GaP.

    También hemos estudiado la fabricación de postes cuánticos (quantum posts, QP) que son el límite de QDs acoplados verticalmente cuando el espaciador entre capas se reduce a solo unas pocas monocapas atómicas. Estas nanoestructuras, de relativamente reciente descubrimiento, presentan propiedades que se encuentran a medio camino entre las de los puntos cuánticos y los hilos cuánticos. Su altura puede ser controlada variando el número de periodos de la superred de la que surgen y, cuando están integrados en un dispositivo, su procesado utiliza técnicas bién conocidas de la tecnología de materiales semiconductores III-V. El límite de altura que se puede conseguir viene de¿nido, al igual que en los QDs, por una acumulación excesiva de tensión en la muestra, algo que puede paliarse mediante el uso de la técnica de compensación de tensión. Mediante esta aproximación, hemos fabricado QPs compensados de InAs/GaAsP con una altura de 120 nm, y una baja dispersión de tamaños y densidad de dislocaciones, según queda con¿rmado por las medidas del microscopio electrónico de transmisión y la estrecha emisión de fotoluminiscencia. El casi nulo con¿namiento vertical de estas nanoestructuras tiene un gran impacto en las propiedades de la luz emitida/absorbida por estas nanoestructuras. Nuestros QPs presentan emisión dominada por el modo transversal magnético (TM) sólo para la luz emitida por uno de los bordes de la muestra, en la dirección [1-10], siendo el modo transversal eléctrico (TE) dominante en el otro acimut [110]. Sorprendentemente, la luz emitida en la dirección de crecimiento [001] se encuentra tremendamente polarizada, siendo casi lineal. Entre los efectos que consideramos pueden estar afectando a estos resultados se encuentra la anisotropía de forma de los QPs, modulación de composición en la matriz que los rodea y así como la presencia de enlaces aómicos anisótropos en las intercaras de la superred.

    Finalmente hemos usado la técnica MOSS para caracterizar el crecimiento de QPs no compensados en tensión. En estas estructuras hemos observado un incremento del desprendimiento de átomos de In desde la capa de mojado y su migración hacia los QPs, donde introducen menos tensión. Este fenómeno, observado como una inversión en el la tensión acumulada durante el crecimiento del InAs, está claramente relacionado con la segregación de In mencionada más arriba pero aumentado, en este caso, tanto por la presencia de los campos de tensiones que son la fuerza motora para la formación de QPs, como por un fundido parcial de la super¿cie de la muestra.

    En resumen, en este trabajo hemos usado la técnica MOSS para la caracterización de QDs y, de forma pionera, para el estudio de su apilamiento y compensación de tensión, dando lugar además a QPs con una longitud sin precedentes. Nuestros estudios no solo describen fenómenos de caracter fundamental, como los procesos de migración de In, sino también otros con interés tecnológico, como el impacto de los campos de deformación inhomogéneos en la formación de la capa compensadora de tensión y las extraordinarias propiedades de polarización de los QPs. Como consecuencia, estos resultados no solo contribuyen al conocimiento básico sobre este tipo de nanoestructuras, sino que tamibién sirven como punto de partida para la optimización y el desarrollo de apilamientos compensados en tensión con interés tecnológico.