Contribución a la fabricación de heteroestructuras basadas en nitruros semiconductores para dispositivos más eficientes y baratos

Laburpena

La investigación recogida en la presente tesis versa sobre aquellos materiales III-N que constituyen películas delgadas y/o nanoestructuras basadas en los compuestos GaN, InN y AlN, o en las aleaciones ternarias de InGaN, depositadas sobre substratos no nativos (de composición distinta a la del nitruro semiconductor): silicio monocristalino, y cerámicas co-sinterizadas a baja temperatura (Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC). Estos materiales forman heteroestructuras novedosas y de menor coste, ventajosas frente a las que usan otros substratos más caros y menos adecuados empleados más comúnmente. Se han utilizado diferentes técnicas de análisis para realizar una caracterización exhaustiva de los materiales, con una especial relevancia de aquellas basadas en haces de electrones acelerados para facilitar dichos estudios. La combinación de todos estos métodos ofrece información sobre la estructura cristalina o amorfa, composición química, propiedades ópticas, rugosidad superficial, la textura de la micro- y nano-estructura, etc., permitiendo mejorar progresivamente las heteroestructuras fabricadas. Los resultados de esta investigación se presentan siguiendo una secuencia lógica, que muestra cómo afecta la variación progresiva de las condiciones de fabricación de los materiales implicados en las heteroestructuras III-N, así como las arquitecturas de estas. Con el conocimiento generado durante sus estudios, se han conseguido obtener materiales y sus propios apilamientos más optimizados, cuyas características constitucionales y funcionales podrían ser ideales para aplicaciones concretas y novedosas. Se proponen reglas de diseño para mejorar diversos aspectos de estos sistemas (homogeneidad composicional, cristalinidad, rugosidad…), además de haberse aplicado (y a veces desarrollado) métodos originales para estudiar características particulares, cuyo conocimiento es crucial para el control del comportamiento electrónico del material. En este sentido, los principales resultados que se recogen y explican en el documento de Tesis Doctoral son los siguientes: • Se caracterizaron con éxito, por técnicas como microscopías (principalmente, las basadas en haces de electrones acelerados), difracción de rayos X y espectroscopía óptica, capas delgadas de InGaN depositadas sobre Si (111) mediante MBE. Las aleaciones se depositaron a temperaturas inferiores a 500ºC, lo que favoreció la incorporación de cantidades de In a las epicapas, mayores de las usuales. Usar condiciones de fabricación por MBE idóneas llevó, y así se reivindicó por primera vez en la literatura científica, al crecimiento de capas gruesas, epitaxiales, monocristalinas, monofásicas y compactas, de aleaciones InGaN sobre Si (111) en todo el rango composicional. • La microscopía (S)TEM sirvió para estudiar el crecimiento de puntos cuánticos (QDs) de InN depositados por MBE sobre heteroestructuras relativamente rugosas de InGaN/Si(111) (con una fracción molar de InN del 75%) y, mediante epitaxia de gota a baja temperatura con tratamiento térmico añadido de recocido, de InN-QDs tanto sobre Si (111) atómicamente liso, así como sobre InGaN/Si (111) (con una fracción molar de InN del 33%) relativamente rugoso. Se determinó que los QDs formados eran monocristalinos y, en su caso, epitaxiales al InGaN o al Si. Se concluyó que la epitaxia de gota era el mejor método para obtener distribuciones uniformes y de alta densidad de QDs. Además, combinando métodos avanzados de microscopía electrónica, se describió, por primera vez en la literatura, un método genérico para determinar el tipo de polaridad de QDs de semiconductores III-N, usando para su demostración los InN-QDs presentes en estas heteroestructuras analizadas en la tesis. • Se estudiaron en detalle, con una amplia variedad de técnicas, películas delgadas de GaN depositadas sobre LTCC y otros substratos basados en materiales cerámicos, y usando en ocasiones diferentes capas “buffer”, que incluyen el AlN. Las capas de materiales III-N se depositaron usando una técnica de crecimiento a baja temperatura, LTMEE, a temperaturas entre 540 y 550ºC y empleando un plasma generado por fuente de radiofrecuencias a 800 W, o por corriente continua a 800 V, para obtener átomos de N activo. Se consiguieron, con esta última modalidad de generación de plasma, también debido al uso de procesos previos de lapeado y pulido mecánico del substrato, calidades del GaN superficial sin precedentes para estructuras con substratos de LTCC. • Se analizaron capas de GaN depositadas sobre substratos de LTCC mediante MBE, técnica de crecimiento epitaxial más accesible que la de LTMEE. La textura, rugosidad y calidad cristalina de la mejor capa de GaN fabricada con procesos de MBE (a 800ºC y en régimen de crecimiento casi estequiométrico) fueron similares a las logradas por LTMEE para el mismo material. Esta aproximación llevó a la deposición de películas de GaN polar con estructura mosaico, pero también con un tamaño de grano (~120 nm) intermedio, respecto a los conseguidos cuando se reduce la temperatura del substrato (~110 nm) o se incrementa la cantidad de galio incidente (~190 nm).