Caracterización de nanoestructuras de aleaciones emergentes de gaas(sb)(n) para aplicaciones de fotovoltaica y fotodetección por técnicas de microscopia electrónica

  1. Braza Blanco, Verónica
Dirigida por:
  1. David González Robledo Director
  2. Teresa Ben Fernández Directora

Universidad de defensa: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 05 de abril de 2019

Tribunal:
  1. Richard Beanland Presidente/a
  2. José María Ulloa Herrero Secretario/a
  3. M. Pilar Villar Castro Vocal
Departamento:
  1. Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica y Química Inorgánica

Tipo: Tesis

Teseo: 584641 DIALNET

Resumen

La fotónica es considerada una de las tecnologías clave del siglo XXI. Dentro de ella, la fotovoltaica y las comunicaciones ópticas son dos de los sectores más prometedores, siendo el desarrollo de nuevos materiales esencial para proporcionar una mayor eficiencia en los dispositivos. En particular, se necesitan materiales que cubran el rango espectral de 1-1,15 eV para MJSC y fotodetectores de infrarrojos. El sistema GaAsSbN podría ser prometedor para estas tecnologías, ya que puede crecer en ese rango de banda prohibida y ajustada al GaAs. Además, se puede ajustar independientemente las energías de la banda de conducción y de valencia controlando los contenidos de N y Sb, respectivamente. Sin embargo, la presencia de tres elementos del grupo V añade complejidad al crecimiento de GaAsSbN causando problemas técnicos en el control de la composición de estas capas. En primer lugar, se estudia el crecimiento de una capa simple de GaAsSbN ajustada a GaAs para comprender el efecto de los diferentes parámetros de crecimiento. Con este objetivo, hemos aprovechado el gradiente de temperatura que se producen en el reactor de MBE para analizar el impacto de la temperatura en la incorporación de especies Sb y N según los gradientes de composición radial de las obleas. Los resultados que se obtienen de la combinación de las técnicas de XRD y EDX muestran una velocidad de incorporación opuesta entre N y Sb a medida que nos alejamos del centro de la oblea. Se observa un comportamiento competitivo entre Sb y N para ocupar la posición del grupo V que depende de la tasa de crecimiento y de la temperatura del sustrato. Las propiedades ópticas obtenidas por fotoluminiscencia se discuten en el marco del modelo DBAC. Las condiciones de crecimiento definen dos conjuntos de parámetros diferentes para el nivel de energía y el potencial de interacción de acoplamiento de N, que deben tenerse en cuenta en la búsqueda de las composiciones óptimas de las aplicaciones fotónicas de 1-1,15-eV. En segundo lugar, la fabricación y el estudio de QDs han atraído mucha atención debido a sus prometedoras propiedades para aumentar la eficiencia en ambas tecnologías. En general, aunque hay muchos informes que se centran en las propiedades estructurales de los QDs, la morfología de la capa humectante (WL) ha sido típicamente pasada por alto a pesar de su impacto relevante en las propiedades eléctricas y ópticas de los QDs. En primer lugar, se propone un procedimiento para describir cuantitativamente la relación entre la WL y los QDs en su conjunto de forma estadística. Este procedimiento se llevó a cabo mediante mapas de deformación en imágenes de HRTEM y mapas de composición por EDX. El área por debajo de los perfiles medios obtenidos por ambas metodologías surge como el mejor parámetro para cuantificar la cantidad de InAs en la WL, de acuerdo con los resultados de HR-XRD. En segundo lugar, con este procedimiento se evalúa el efecto de tres tasas de crecimiento diferentes de la capa de recubrimiento (CL) de GaAs sobre la descomposición de los QD. Los resultados han demostrado que las velocidades de crecimiento de la CL más lentas producen un enriquecimiento de la WL en comparación con las más rápidas, junto con una disminución de la altura del QD. Además, suponiendo que la densidad de QD no cambia con las diferentes tasas de crecimiento de CL, se ha realizado una estimación del contenido medio de In dentro de los QDs. La alta mezcla de Ga/In durante la descomposición de los QDs enterrados no sólo provoca una reducción de la altura de los QDs, sino sobre todo un mayor empobrecimiento del contenido de In dentro de los QDs, modificando así los dos parámetros más importantes que determinan las propiedades ópticas de estas estructuras. Además, se ha estudiado el efecto del proceso de recubrimiento sobre la morfología de los QDs de InAs/GaAs mediante el uso de diferentes CL basadas en GaAs(Sb)(N). Para ello, se ha medido la altura y el diámetro de QDs enterrados y superficiales, en poblaciones de cientos de QD. La población de QD superficiales evoluciona en todos los casos desde una forma piramidal a una distribución más homogénea de QDs enterrados con forma de cúpula esférica. Esta forma final depende sólo del tamaño final del QD, donde el radio de curvatura es función del diámetro de la base, independientemente de la composición del CL y de las condiciones de crecimiento. Se produce una evolución asimétrica de la morfología de los QDs, en la que la altura del QD y el diámetro de la base se modifican en la cantidad necesaria para adoptar una forma estable similar caracterizada por una relación de aspecto promedio de 0,21. Estos resultados contradicen el modelo tradicional de redistribución de material en los QDs desde el ápice a la base y apuntan a un comportamiento universal diferente de los procesos de recubrimiento en QDs de InAs. Por último, como el uso de superredes (SLs) de GaAsSbN ha demostrado ser una forma eficaz de mejorar la eficiencia fotovoltaica en comparación con las capas simples, se ha realizado un análisis completo de la distribución composicional en las SLs de tipo II (GaAsSb/GaAsN) y tipo I (GaAsSbN/GaAs). Para el análisis se ha utilizado una combinación de técnicas HR-XRD, PL y (S)TEM transversales. Las mediciones de los perfiles de composición indican que el Sb está fuertemente segregado en las capas de GaAsN mientras que el N permanece confinado donde se deposita. Los perfiles Sb se pueden describir con precisión con un modelo de intercambio de fluidos de tres capas. Además, el papel que desempeña la periodicidad en la eficacia de la incorporación del Sb añade un nuevo nivel de complejidad. Por otro lado, se analiza la correlación entre la distribución de la composición y sus propiedades ópticas en ambas estructuras SL antes y después de un tratamiento con recocido rápido (RTA). La SL tipo II presenta una mayor calidad de intercara y una tendencia mucho menor a la formación de clústeres que la SL tipo I. El proceso de RTA no varió el perfil composicional en ambos SL sino que da lugar a una mejora de la rugosidad de la interfaz, junto con una disminución del área asociada a los clústeres en ambas estructuras. El desplazamiento hacia el azul y la mejora de la intensidad del PL inducida por el recocido en ambas muestras están más correlacionadas con la descomposición de los pares de nitrógeno en nitrógeno sustitutivo aislado que con la disolución de las inhomogeneidades de Sb. Una distribución diferente de los nuevos átomos de N sustitutivos alrededor de los clústeres Sb podría explicar las diferencias en la mejora del PL de ambos SLs durante el recocido.