Formation of ordered III-V semiconductor nanostructures by different technological approaches

Resum

La formación de nanoestructuras semiconductoras III-V con control en forma, tamaño, densidad y localización espacial es fundamental para desarrollar con éxito dispositivos cuánticos avanzados, en los que es necesario ubicar una nanoestructura emisora de luz en el máximo del campo electromagnético de una microcavidad óptica. Debido a su carácter aleatorio, las técnicas de auto-ensamblado no permiten obtener un control preciso de estas propiedades en nanoestructuras semiconductoras. Mediante esta técnica de crecimiento se obtienen nanoestructuras que normalmente presentan una cierta relación densidad-tamaño prefijada a la vez que se forman con una distribución espacial aleatoria. Una estrategia bastante común para superar estos inconvenientes inherentes al proceso de formación espontánea de puntos cuánticos es el crecimiento de en substratos previamente grabados. En este contexto, el trabajo que se presenta en esta memoria aborda tres procesos tecnológicos distintos que, mediante el uso de técnicas de pregrabado ex situ y técnicas específicas de crecimiento in situ, permiten diseñar nuevas nanoestructuras semiconductoras con cierto control en sus propiedades de emisión, densidad, composición y localización espacial. La primera técnica desarrollada y presentada en este trabajo se basa en la formación de una máscara de alúmina porosa obtenida a partir de la anodización electroquímica de una capa epitaxial de aluminio crecida sobre un substrato de GaAs (001). Continuando el proceso electroquímico en el substrato semiconductor se ha conseguido fabricar un patrón de nanoagujeros en área extensa. En una segunda aproximación tecnológica se han utilizado máscaras previamente fabricadas por litografía de interferencia láser con el objetivo de transferir su diseño ordenado al substrato semiconductor y así poder obtener distribuciones ordenadas de puntos cuánticos de InAs. En el contexto de esta aproximación se ha desarrollado un sistema experimental para la oxidación selectiva de substratos de GaAs (001) e InP (001) que ha permitido la formación de puntos cuánticos ordenados de alta calidad óptica. Como última aproximación tecnológica se ha utilizado una novedosa técnica de grabado in situ (dentro de la campana de crecimiento) basada en la técnica de crecimiento por epitaxia de gotas (del inglés droplet epitaxy) que permite la formación de distribuciones de nanoagujeros de baja densidad (2x10 8 cm-2 ) sobre substratos de GaAs (001) e InP (001). Una vez formados los nanoagujeros, estos son utilizados como centros de nucleación selectiva de InAs para la formación de puntos cuánticos de baja densidad con control en tamaño y el diseño de moléculas de puntos cuánticos en configuración lateral y vertical. También, mediante el uso de antimonio en el proceso de grabado de los nanoagujeros se ha conseguido la formación de anillos cuánticos de Ga(As)Sb sobre substratos de GaAs (001). Finalmente, el proceso de crecimento a baja temperatura desarrollado para cubrir estas nanoestructuras de baja densidad ha permitido mantener su morfología en forma de montículo superficial permitiendo su localización final.