Crecimiento y caracterización de nanohilos y nanomembranas de gaas sobre sustratos de silicio (growth and characterization of gaas nanowires and nanomembranes on silicon substrates)

Resumen

La miniaturización de los circuitos integrados ha marcado la hoja de ruta del progreso de la microelectrónica basada en silicio desde sus comienzos. Sin embargo, tras décadas de escalado, la industria se está acercando a límites fundamentales que sugieren la necesidad de un nuevo enfoque. La integración de compuestos semiconductores es una alternativa en la que la ciencia y la industria llevan trabajando décadas. Los semiconductores III-V presentan una serie de propiedades que los diferencian claramente del Si. Entre todas ellas, dos son de particular importancia para su uso en optoelectrónica: una banda prohibida directa y una alta movilidad de los portadores de carga. Además, la combinación de diferentes semiconductores III-V posibilita la ingeniería de bandas. Sin embargo, la integración directa de semiconductores III-V sobre Si es todo un desafío. Los principales factores limitantes han sido la ausencia de polaridad en el Si, el desajuste térmico y el desajuste en el parámetro de red. El uso de nanoestructuras pretende superar estas limitaciones a través de la reducción del área de contacto con el Si hasta una escala nanométrica. En esta tesis, hemos estudiado la integración de semiconductores III-V sobre Si a través de dos estructuras diferentes: nanohilos y nanomembranas. La primera parte de la tesis está dedicada al estudio del crecimiento y las propiedades de nanohilos. El campo de los nanohilos ha generado mucho interés en los últimos años debido a las propiedades únicas que les confiere su geometría. Entre ellas, la relajación eficiente de la tensión a través de su eje axial, un aumento de su absorción de luz y la posibilidad de extender su funcionalidad integrando otras estructuras en ellos. El primer paso para poder transferir su uso a una escala industrial es el crecimiento de nanohilos de forma controlada y reproducible. En el presente trabajo hemos investigado las condiciones óptimas que pueden dar lugar a una distribución homogénea de nanohilos verticales, crecidos sobre sustratos de Si(111) mediante la técnica conocida como Vapor-Líquido-Sólido (VLS). Hemos estudiado las propiedades ópticas de matrices de nanohilos en función de su densidad y geometría. A través de medidas de reflectancia hemos comprobado que presentan una alta absorción y propiedades antireflectantes, lo cual resulta de gran interés para aplicaciones fotovoltaicas. En la segunda mitad de la tesis hemos mostrado, por primera vez, el crecimiento de nanomembranas de GaAs sobre sustratos de Si. Hemos visto que la formación de defectos en las primeras etapas implica una serie de desafíos en lo referente al crecimiento de estas estructuras sobre Si(111) y Si(100). Hemos comprobado que una preparación previa de la superficie, exponiéndola al flujo de As o Ga antes del crecimiento de las nanoestructuras, puede ser la llave para lograr la integración sobre Si de nanomembranas libres de defectos. A través de medidas de la emisión por catodoluminiscencia y fotoluminiscencia, hemos caracterizado sus propiedades ópticas, las cuales se ven fuertemente afectadas por la presencia de defectos estructurales. Por último, hemos estudiado su estructura de modos de resonancia en base a cálculos numéricos. Esto nos ha permitido proponer una sencilla regla que describe con precisión la posición espectral de las resonancias en función de sus dimensiones. En general, los resultados presentados en esta tesis son una muestra del gran potencial de estas nanoestructuras para aplicaciones optoelectrónicas y proporcionan nuevos conceptos que serán de utilidad para lograr la integración monolítica de semiconductores III-V sobre Si.