Esta tesis doctoral tiene como objetivo final, el diseño, crecimiento, fabricación y caracterización de fotodetectores de luz visible y UV basados en pozos cuánticos de semiconductores III-N. La memoria recoge el trabajo realizado en torno al crecimiento de los semiconductores (Al,In,Ga)N y estructuras basadas en pozos cuánticos de GaN con barreras de AlGaN, así como de InGaN con barreras de GaN por epitaxia de haces moleculares asistida por plasma. La investigación llevada a cabo sobre el crecimiento del ternario InGaN se ha visto culminada con la elaboración de un diagrama que describe los modos de crecimiento y la composición del material en función de las condiciones de crecimiento utilizadas (Flujo de In, flujo de N y temperatura del sustrato). Se ha llevado a cabo una completa caracterización del compuesto InGaN, con el fin de entender los problemas asociados a esta aleación y proponer las mejores soluciones de cara a la fabricación de dispositivos fotodetectores. Fenómenos como la separación de fases, la acumulación de electrones en superficie, la localización o la descomposición de los enlaces In-N, han sido objeto de estudio. Se ha analizado el comportamiento de estas propiedades en función del contenido de In, se ha indagado en el origen de cada una de ellas y se ha comparado su incidencia utilizando diferentes técnicas de crecimiento. Estas características intrínsecas del InGaN afectan de forma perjudicial al funcionamiento de los dispositivos fotodetectores. Para superar estos inconvenientes se han diseñado estructuras concretas; en este sentido, la memoria recoge el trabajo realizado en torno a la fabricación y caracterización de fotodetectores basados en estructuras metal-aislante-semiconductor sobre muestras de InGaN, metalsemiconductor a partir de muestras de InGaN tipo p dopado con Mg y de fotodetectores basados en pozos cuánticos de InGaN / GaN, que se diseñaron para mejorar, entre otras cosas, la rectificación de los contactos fabricados sobre el material, de cara a aumentar la respuesta del dispositivo en régimen fotovoltaico. Este trabajo se ha enfrentado al bajo nivel de desarrollo que presentaban los detectores basados en pozos cuánticos antes del comienzo del mismo, lo que ha provocado que a lo largo de esta investigación haya habido que solucionar un gran número de inconvenientes relacionados con el diseño de los dispositivos. Se demuestra que en el caso de materiales ternarios, y especialmente en el caso del InGaN, los dispositivos basados en pozos cuánticos resuelven, en gran medida, los problemas, anteriormente mencionados, asociados al material. Se presentan los resultados obtenidos en torno a la optimización del rendimiento de los dispositivos fotodetectores de luz UV basados en pozos cuánticos de GaN/AlGaN, y de luz visible basados en pozos cuánticos de InGaN con barreras de GaN. Las modificaciones introducidas en la estructura dan lugar a mejoras en la responsividad de los dispositivos de hasta 3 órdenes de magnitud, asimismo este trabajo permite a los diodos basados en pozos cuánticos de InGaN / GaN superar en rendimiento a los fotodiodos basados en Si a temperaturas superiores a 130 ºC. Por último, se demuestra que el correcto diseño de la estructura posibilita el aprovechamiento de los campos de polarización para mejorar el rendimiento del fotodetector, como por ejemplo, aumentar la eficiencia de colección de los portadores fotogenerados en los pozos cuánticos, u obtener fotorrespuesta en régimen fotovoltaico de dispositivos aparentemente simétricos. Como aplicación final de los fotodetectores, y en el marco del proyecto europeo GaNano y del proyecto, financiado por la Comunidad Autónoma de Madrid, Futursen, tanto los dispositivos basados en pozos cuánticos de InGaN con barreras de GaN, como los diodos Schottky basados en muestras de InGaN:Mg, han sido utilizados para la fabricación de sensores integrados de fluorescencia. Este trabajo demuestra la viabilidad de la utilización de los fotodetectores basados en InGaN para la realización de experimentos de fluorescencia utilizando marcadores comunes, utilizados para la detección de ácidos nucleicos o proteínas, como el Alexa Fluor o el Pacific blue.

This Thesis work is devoted to the development of infrared optoelectronic devices both detectors and light emitters by MBE growth and characterization of quantum dot nanostructures based on (Ga,In)(As,N) on GaAs (100) and misoriented GaAs (111)B substrates. As it is well known in the literature, recently quantum dot nanostructures have been subject of numerous research studies in the electronic and optoelectronic devices fabrication field, due to the interesting physical properties that they show as consequence of their three-dimensional carrier confinement. The material system based on (Ga,In)(As,N) QDs on GaAs substrates offers, on one hand the attractive possibility of developing innovative optoelectronic devices by means of the introduction of nitrogen into their structure; and on the other hand, the possibility of basing their development on a mature technology like GaAs; hence, the fundamental motivations in order to carry out this Thesis. The MBE growth study and characterization of InAs quantum dots have been performed by using two methods for fabricating this type of nanostructures: self-organized growth on GaAs (100) substrates, and pre-patterning techniques on misoriented GaAs (111)B substrates. First of all, a detailed investigation about the effect of the growth conditions (growth rate, substrate temperature, amount of material, V/III flux ratio) on the optical and structural characteristics of these nanostructures, has been carried out and has led us to find that there exists an obvious dependence of these mentioned characteristics on each growth parameter. Such knowledge allows us to control the properties of the InAs quantum dots by combining appropriately the different growth parameters, what is very useful for their later application to the fabrication of optoelectronic devices. Secondly, a new in-situ pre-patterning technique, based on the MBE growth of GaAsN on misoriented GaAs (111)B substrates, has been developed. The control of the pattern generated (holes size and density) is possible by means of the growth parameters. Also, the chance of growing InAs quantum dots on patterned surfaces of GaAs (111)B substrates, as well as a selective growth mode on such pattern using only the growth conditions are proved. Following, a study devoted to dilute nitride quantum dot nanostructures was performed. Such study began analyzing the dependence of the optical and structural characteristics of InAsN quantum dots buried with GaAs as a function of the different growth parameters. This was followed by a comparative study between the InAsN quantum dots and their equivalent InAs quantum dots, which allowed us to observe how the N introduction into these nanostructures gives rise to some notable consequences, as for instance, the increase of the nanostructures size, the formation of a bimodal distribution and the degradation of the quantum dots optical characteristics among others. A study of the influence of the different species, that constitute the nitrogen plasma on the optical and morphological characteristics of InAsN quantum dots, have been carried out. The experimental results obtained demonstrate a clear dependence on the ionized species and the atomic nitrogen, and a small influence on the molecular nitrogen. Likewise they allow to discern the atomic and molecular nitrogen as possible responsible of the bimodal distribution formation. As regards the optical degradation caused by the N introduction into these nanostructures, recovering the optical quality of them by post-growth rapid thermal annealing was investigated. The results show a clear improvement of the optical quality together with a blueshift. Moreover, the same annealing analysis was made on InAs and InAsN quantum dots covered with InGaAs. We found a similar behaviour as we detected in quantum dots buried with GaAs. Additionally, the effects on InAs and InAsN, both buried with InGaAs, are similar up to 750ºC of annealing temperature. However, the effects due to the annealing at 850ºC are more pronounced on dilute nitride quantum dots. Next, a study of the growth and characterization of GaInAsN quantum dot nanostructures allows to demonstrate an unquestionable dependence of the N incorporation into these nanostructures on the Ga content by means of four different methods, such as, a morphological analysis, an optical analysis, a study of the transition thickness, and finally a study of the post-growth rapid thermal annealing. The results obtained in all of them agree about the existence of a dependence on the Ga content of the N incorporation into GaInAsN quantum dots, which is characterized by a N incorporation enhancement up to 30% of Ga content and a reduction for larger Ga concentrations, so that, there is a maximum N incorporation around 30% of Ga. Finally the design, fabrication and characterization of infrared photodetectors and light emitting devices based on the (Ga,In)(As,N) quantum dots nanostructures, previously examined, were made in this work. Firstly, dot infrared photodetectors based on InAs and on the other hand based on GaInAsN were developed. And secondly, GaInAsN quantum dot-based p-i-n light emitting diodes were fabricated. Through the development of these devices we have been able to demonstrate the viability of this type of nanostructures for their application to the fabrication of optoelectronic devices working at infrared wavelengths, with good features. Resumen Este trabajo de tesis está dedicado al desarrollo de dispositivos optoelectrónicos, tanto detectores como emisores de luz infrarroja, mediante el crecimiento por MBE y a la caracterización de nanoestructuras de punto cuántico basadas en (Ga,In)(As,N) sobre sustratos de GaAs (100) y GaAs (111)B desorientado. Como es bien sabido en la literatura, las nanoestructuras de punto cuántico vienen siendo durante los últimos años objeto de numerosas investigaciones en el campo de la fabricación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, debido a las interesantes propiedades físicas que presentan como consecuencia de su confinamiento de carga en las tres dimensiones del espacio. Asimismo, el sistema de materiales de QDs (Ga,In)(As,N) sobre sustratos de GaAs ofrece, por una parte la atractiva posibilidad de desarrollar innovadores dispositivos optoelectrónicos gracias a la introducción de nitruros diluidos en su estructura; y por otra la posibilidad de basar el desarrollo de los mismos sobre una consolidada tecnología como es la del GaAs; de ahí las motivaciones fundamentales para el desarrollo de esta tesis. Se lleva a cabo el estudio del crecimiento por MBE y caracterización de nanoestructuras de punto cuántico de InAs utilizando dos grandes métodos de crecimiento de este tipo de nanoestructuras: crecimiento auto-organizado sobre sustratos de GaAs (100), y técnicas pre-patterning sobre sustratos GaAs (111)B desorientados. Para ello, se ha elaborado en primer lugar un estudio detallado del efecto de las condiciones de crecimiento (velocidad de crecimiento, temperatura de sustrato, cantidad de material crecida, relación de flujos V-III) sobre las propiedades ópticas y estructurales de estas nanoestructuras, el cual nos ha llevado a la observación de una clara dependencia de dichas características con cada uno de los parámetros de crecimiento. Este conocimiento nos lleva al control de las características de los QDs de InAs con la combinación adecuada de los parámetros de crecimiento, siendo esto de gran utilidad para su posterior aplicación en dispositivos optoelectrónicos. En segundo lugar, se ha desarrollado un nueva técnica pre-patterning in-situ basada en el crecimiento por MBE de GaAsN sobre sustratos de sustratos GaAs (111)B desorientados, cuyo control (tamaño y densidad de los motivos) es posible a través de los parámetros de crecimiento. Además, se demuestra la posibilidad de crecer QDs de InAs sobre una superficie grabada de GaAs (111)B, al igual que un crecimiento totalmente selectivo en tales patrones ayudándonos únicamente de las condiciones de crecimiento. A continuación se realiza un estudio dedicado a nanoestructuras de punto cuántico con nitrógeno diluido, el cual se da comienzo con el análisis de la dependencia de las características ópticas y estructurales de puntos cuánticos de InAsN enterrados con GaAs en función de los parámetros de crecimiento, seguido de un estudio comparativo con puntos cuánticos de InAs equivalentes, que nos permite observar cómo la introducción de N en estas nanoestructuras trae notables consecuencias tales como, el incremento de tamaño de los puntos cuánticos, la formación de una distribución bimodal y la degradación de las características ópticas de los mismos, entre otras. Se realiza también un estudio del efecto que cada una de las especies del plasma presenta sobre las características ópticas y estructurales de puntos cuánticos de InAsN, demostrándose una clara dependencia con las especies ionizadas y el nitrógeno activo, y una influencia más ligera por parte de las especies de nitrógeno molecular. Asimismo, permite vislumbrar como posible origen de la típica distribución bimodal de estas nanoestructuras a las especies de nitrógeno atómico y molecular. Por otra parte, en lo referente a la degradación óptica producida por la introducción de nitrógeno en estas nanoestructuras se investiga la posibilidad de recuperar la calidad óptica de las mismas a través de un recocido térmico rápido posterior al crecimiento. Los resultados encontrados muestran una clara mejora de la calidad óptica junto con un desplazamiento hacia el azul. Asimismo, se estudia este mismo tipo de tratamiento térmico sobre nanoestructuras de punto cuántico de InAs e InAsN enterradas con InGaAs, observándose un comportamiento similar al encontrado para los enterrados con GaAs. A su vez se ha encontrado un comportamiento similar entre puntos cuánticos de InAs e InAsN enterrados ambos con InGaAs hasta temperaturas de 750ºC. No obstante, para valores de 850ºC los efectos del aleado son mucho más pronunciados para las nanoestructuras con nitrógeno diluido. Seguidamente un estudio del crecimiento y caracterización de nanoestructuras de punto cuántico de GaInAsN permite demostrar una incuestionable dependencia de la incorporación de nitrógeno en tales nanoestructuras con el contenido de Ga por medio de cuatro métodos diferentes, a saber, un análisis morfológico, un análisis óptico, un estudio del espesor de transición, y finalmente un estudio de recocido térmico posterior al crecimiento. Los resultados de todos ellos coinciden en la existencia de una dependencia de la incorporación de N con el contenido de Ga en puntos cuánticos de GaInAsN, la cual se caracteriza por una intensificación de la incorporación de N hasta el 30% de Ga y una reducción a partir de este valor, encontrando por tanto un contenido máximo de N alrededor del 30%. Finalmente en este trabajo se describe el diseño, fabricación y caracterización de los dispositivos tanto emisores como detectores de luz infrarroja basados en las nanoestructuras de punto de cuántico de (Ga,In)(As,N) estudiadas anteriormente. En primer lugar, se desarrollan dispositivos detectores de infrarrojo basados por un lado en puntos cuánticos de InAs y por otro en puntos cuánticos de GaInAsN. Y en segundo lugar, se desarrollan diodos emisores de luz con estructura p-i-n basados en puntos cuánticos de GaInAsN. Mediante el desarrollo de estos dispositivos se consigue demostrar la viabilidad de este tipo de nanoestructuras para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos trabajando en el infrarrojo con buenas prestaciones.

 Los transistores basados en nitruros se han convertido en poco tiempo en los candidatos idóneos para trabajar a alta temperatura (hasta 500°C), alta potencia de salida (40 W/mm), bajo ruido y con posibilidad de trabajar a frecuencias altas, que abarcan un amplio espectro (entre 1 y 100 GHz). Esto es debido fundamentalmente a la anchura del gap de estos materiales (GaN 3,4 eV), que les confiere una gran estabilidad térmica y tensión de ruptura (3 MV/cm), frente a otras tecnologías hasta ahora más usadas. Estas prometedoras características son muy atractivas para muchos sectores industriales, especialmente para su uso en amplificadores de potencia en el rango de microondas y electrónica de potencia de alta eficiencia. Sin embargo, todavía queda mucho por hacer para conseguir una tecnología madura y competitiva, tanto en coste, como en fiabilidad. Uno de los aspectos críticos a combatir es la dispersión de corriente observada en la mayoría de los dispositivos. Esta dispersión ocasiona una caída en la corriente de salida y, por tanto, en potencia, al operar en RF. Esta anomalía en el funcionamiento se atribuye a estados de superficie o intercara en la heteroestructura AlGaN/GaN originados durante el crecimiento del material y/o el proceso de fabricación del dispositivo, aunque siguen sin ser bien conocidos ni controlados. Esta Tesis tiene como objetivo contribuir al desarrollo de los transistores de alta movilidad (HEMT) de AlGaN/GaN desde el punto de vista del proceso de fabricación, que es uno de los cuellos de botella para alcanzar las prestaciones estimadas teóricamente. Para ello se han abordado algunos de los puntos más débiles del proceso de fabricación como son: la formación de contactos óhmicos de drenador y fuente, la estabilización térmica del contacto Schottky de puerta y el proceso de pasivación. Este último punto es de especial relevancia, ya que uno de sus objetivos es mitigar los efectos de colapso, por lo que tiene un gran protagonismo en esta Tesis. El desarrollo de esta Tesis ha llevado consigo la fabricación y caracterización de los dispositivos, junto con un seguimiento cuidadoso de cada una de las etapas del mismo, lo que ha permitido identificar de primera mano las dificultades y limitaciones dentro de cada proceso, así como proponer soluciones específicas a los mismos. En el estudio de la formación de los contactos óhmicos (basados en Ti/Al) se ha puesto de manifiesto la gran dificultad que presentan las heteroestructuras de AlGaN/GaN, con barreras de AlGaN no dopadas, para obtener contactos bien definidos y con baja resistencia. En este sentido, se han estudiado algunos de los múltiples parámetros que intervienen en la formación de los contactos óhmicos, como son: espesores de las capas de metales, temperaturas de aleado y los tratamientos superficiales previos. Para ello se han estudiado dos esquemas basados en la multicapas Ti/AI/metal-barrera/Au, utilizando Ti como metal barrera o Ni. En ambos casos se ha analizado su comportamiento eléctrico, morfología superficial y composición. A pesar de las numerosas variables que intervienen en la formación de estos contactos óhmicos, se han obtenido para cada caso unas condiciones y espesores concretos que mejoran los resultados de partida. Otra de las etapas claves en el proceso de fabricación que se ha analizado ha sido la formación del contacto Schottky de puerta. Se ha analizado la estabilidad del mismo tras ser sometido a diversos test de degradación, tanto por efecto térmico (test de almacenamiento en temperatura), eléctrico (aplicando un punto de polarización al dispositivo), o una combinación de ambos. Las metalizaciones de puerta que se han analizado son: Pt/Ti/Au, Ni/Au, y Mo/Au. A través de este estudio se ha comprobado que el uso de contactos de puerta con metales refractarios, como el esquema Mo/Au, son una opción muy prometedora para garantizar la estabilidad térmica y eléctrica de este tipo de dispositivos, frente a otros esquemas más usados hasta ahora, como Ni/Au o Pt/Ti/Au, ya que son ligeramente más robustos. Además, haciendo uso de un modelo sencillo y suponiendo trampas de un único nivel energético se han podido caracterizar algunas de las trampas generadas tras los test de degradación. En el caso de Ni/Au tras un proceso de almacenamiento térmico a alta temperatura (350°C) durante 2000 horas se han obtenido trampas con una energía de activación de 340 meV y con tiempos de respuesta de 62 us. El estudio del proceso de pasivación en el cual se ha invertido un gran esfuerzo a lo largo del desarrollo de esta Tesis se ha enfocado desde dos perspectivas. Por una parte, el estudio de la película dieléctrica que actúa como pasivante (SiN u otras alternativas, como la bicapa Si02/SiN o Ta205), y por otra parte, los tratamientos previos al depósito de SiN en particular aquellos basados en plasma de N2. En cuanto a la película pasivante, el estudio se ha centrado básicamente en el uso de SiN depositado mediante depósito químico en fase vapor asistido con plasma (PE-CVD), analizando sus características eléctricas, ópticas y de composición en función de las condiciones de depósito. De manera complementaria, también se ha analizado el comportamiento eléctrico de los HEMT de AlGaN/GaN, y se han relacionado con los resultados de la caracterización del pasivante. Uno de los resultados más destacados del estudio es que la potencia RF aplicada durante el depósito de SiN puede ser un factor crítico para conseguir una adecuada capa pasivante en los transistores HEMT de AlGaN/GaN, posiblemente por su relación con la incorporación de H. Por otro lado, se ha comprobado que el uso de N2 como precursor en vez de NH3 mejora la calidad de la superficie de contacto SiN/AIGaN, reduciendo la densidad de carga fija en la interfase casi un orden de magnitud. Además, se ha obtenido un 20% menos de H enlazado en el SiN usando precursor de N2 respecto del contenido usando NH3. Por lo que todo apunta a que el contenido de H en las películas de SiN juega un papel destacado en el proceso de pasivación en los HEMT de AlGaN/GaN. También se ha analizado el uso de Ta205 como alternativa de pasivante, demostrando que éste proporciona una redución en el grado de colapso y mejora el comportamiento en frecuencia, frente a otras alternativas como la bicapa Si02/SiN o SiN. Por otra parte, gran parte del desarrollo de esta Tesis se ha dedicado al estudio de tratamientos previos al depósito de SiN, en especial, al tratamiento in situ basado en plasma de N2 (utilizando un sistema de PE-CVD). Los efectos de aplicar dicho tratamiento se han estudiado desde distintos puntos de vista, atendiendo a su impacto sobre la superficie del semiconductor (GaN o AlGaN/GaN), a la carga atrapada en la interfase GaN/SiN, y al comportamiento de los HEMT de AlGaN/GaN, tanto en régimen continuo, como pulsado, y en pequeña señal de RF. Este resultado constituye la principal contribución de esta Tesis al desarrollo tecnológico de los HEMT. Uno de los resultados más destacados es la mejora significativa del efecto del pasivante para mitigar los efectos de colapso, observado a través de las características eléctricas de los transistores HEMT de AlGaN/GaN al hacer uso de un pretratamiento de plasma de N2 a baja potencia, respecto del caso tradicional con sólo limpieza de orgánicos. En particular, se ha comprobado que dicho plasma de N2 es capaz de reducir drásticamente la densidad de trampas (con tiempos de respuesta r z 1US) en la zona activa de los transistores, responsables en gran medida de los efectos de colapso observados. Dicho resultado ha sido corroborado mediante medidas de iluminación en los transistores y medidas de conductancia y capacidad realizadas en estructuras MIS, donde se ha obtenido una reducción del 65% en la densidad de estados de intercara con el tratamiento de plasma de N2. Este comportamiento se relaciona con una posible reducción en superficie de residuos de C y O, principalmente, detectado por espectroscopia de rayos X (XPS) tras el tratamiento con el plasma de N2. Cabe destacar que además se ha conseguido una alta reproducibilidad en los resultados usando el pretratamiento con plasma. De esta manera se ha logrado un avance significativo en el proceso de fabricación de los transistores HEMT de AlGaN/GaN.

Directores: Juan José Vaquero López/Manuel Desco Menendez

Esta Tesis Doctoral explora alternativas tecnológicas para la implementación de sistemas PET y SPECT para roedores así como la integración de los mismos con sistemas tomográficos de rayos X. Específicamente, se aborda el problema de optimizar el rendimiento de los escáneres basados en anillos parciales de detectores debido a que además de ser una solución menos costosa que los equipos basados en anillos completos, permiten la integración de un sistema de imagen anatómica de forma coplanar. Los sistemas de imagen funcional propuestos se basan en bloques detectores de elevada resolución intrínseca y área activa reducida, cuyo diseño les permite funcionar con mínimos cambios en PET y SPECT. Para la detección y digitalización de los datos de los detectores se ha desarrollado una nueva técnica denominada WMLET (Width Modulated Leading Edge Timing) y se ha implementado una arquitectura de adquisición de datos sobre dispositivos de lógica programable basada en la misma. El rendimiento y las posibilidades de esta aproximación se han evaluado mediante la construcción de un prototipo de sistema de adquisición de datos para PET y/o SPECT y la realización de pruebas exhaustivas del mismo utilizando diferentes tipos de detectores. Para evaluar la aplicabilidad de la combinación tecnológica propuesta a la construcción de equipos de imagen tomográfica se han implementado sistemas PET y SPECT para roedores cuyo diseño permite incluir un sistema CT de rayos X coplanar al sistema de imagen funcional. El rendimiento del sistema PET se ha medido utilizando el estándar NEMA NU-4 recientemente aprobado para la evaluación del rendimiento de tomógrafos PET de animales de laboratorio. Para caracterizar el sistema SPECT, al no existir un protocolo estándar para pequeño animal se ha seguido un protocolo similar al utilizado para sistemas de humanos y se han realizado estudios in vivo con roedores y con maniquíes. Para validar la aproximación multimodalidad basada en sistemas coplanares se ha integrado un sistema tomográfico de rayos X con el sistema PET, se ha medido la precisión del alineamiento inter-modalidad y se han realizado estudios multimodalidad con maniquíes y con roedores (in vivo). En relación al sistema CT se incluyen las aportaciones realizadas al diseño e implementación del mismo. Para finalizar, se compara el rendimiento y el potencial de las aproximaciones de diseño propuestas con otras desarrolladas por diversos grupos de investigación (algunas utilizadas en sistemas comerciales) demostrando su viabilidad para la implementación de sistemas de pequeño animal. Abstract This PhD Thesis explores technological alternatives for the implementation of small-animal PET and SPECT systems as well as the possibilities for integrating them with X-ray tomographic systems. Specifically, this work focuses on the problem of optimizing the performance of scanners based on partial rings of detectors, because this approach is a more inexpensive solution than complete rings based systems, and also allows the integration of an anatomical imaging system in a coplanar configuration. The functional imaging systems proposed are based on high-resolution and small-area detectors, whose design allows them to work with minimal changes in PET and SPECT modalities. For the detection and digitization of the data from the detectors a new technique called WMLET (Leading Edge Timing Width Modulated) has been developed and a data acquisition architecture based on it has been implemented using programmable logic devices. The performance and potential of the proposed approach have been evaluated through the construction of a prototype data acquisition system for PET or SPECT and thorough testing of its performance using different types of detector. To evaluate the applicability of the proposed technology to small-animal scanners, PET and SPECT tomographic imaging systems have been implemented. The design of these systems allows the inclusion of an X-ray CT system coplanar to them. PET system performance was measured using the NEMA NU-4 2008 standard recently adopted for assessing the performance of small-animal PET scanners. To evaluate the performance of the SPECT system, and due to the absence of a standard protocol for small animals, it has been followed a similar protocol to that used for human systems and in vivo studies have been conducted with rodents and phantoms. To validate the multimodality approach based on coplanar systems, an X-ray tomographic system has been integrated with the PET tomograph. Inter-modality alignment precision has been measured and multimodality studies have been conducted with phantoms and rodents (in vivo). In relation to the CT system, this work includes some contributions of the author to the design and implementation. Finally, we compare the performance and potential of the proposed design approaches, with those developed by other research groups (some used in commercial systems) to demonstrate its feasibility for the implementation of small-animal imaging systems.

Directores: Juan José Vaquero López/Manuel Desco Menendez.

The reconstruction and quantitative characterization of organogenesis during the development of living species is an area of great interest in the field of bio-medicine: What are the processes underlying animal embryogenesis where a single cell (a zygote) transforms into a multi-cellular organism comprising a rich diversity of cells in a detailed spatiotemporal organization?. Recent advances in microscopy techniques combined with the application of biological markers have now enabled the capture of in-vivo 3D image sequences of animal models, at the scale of individual cells, as they undergo embryogenesis. Robust and efficient computational techniques are required to meet the challenge of quantitatively processing and analyzing the huge amount of data provided by such in-vivo observations. In this context, this PhD Thesis contributes to the design of mathematical methods that aim automatically to digitally reconstruct the embryogenesis of animal models (mainly zebrafish) from 3D+time data acquired with state-of-the-art microscopy technologies. To accomplish this long-standing goal, the multiscale integration of cell dynamics must be combined with the molecular dynamics that occur within that spatio-temporal context. Towards this goal, on the one hand, cell dynamics can be explored from lineage tree information combined with information concerning cell shape and structure; and on the other, molecular dynamics can be gleaned from the analysis of spatio-temporal patterns of gene expression data. This PhD thesis comprises four parts that cover different aspects of the multiscale digital reconstruction of embryogenesis; it relies upon the use of various distinct methodologies, ranging from image processing to quantitative data analysis for biological interpretations. The first two parts explore the reconstruction of cell dynamics during zebrafish embryogenesis. In the first part, entitled 'In-toto reconstruction of early zebrafish embryogenesis from multiharmonic imaging', a dedicated image processing pipeline (mitosis tracking, membranes segmentation) for digitizing the first three hours of zebrafish development has been implemented. This strategy is employed to produce the lineage trees in a group of six embryos including complete division timings, coordinates, and cell shapes with minute temporal accuracy and micrometer spatial resolution. The analysis of this data shows the existence of a metasynchronous mitotic wave during the first cleavages in zebrafish development. In the second part 'Towards the spatio-temporal atlas of gene expression in zebrafish embryo development', a prototype of the image registration and data quantification workflows needed to generate a gene expression atlas of zebrafish development from fluorescence in-situ hybridization images is shown. The viability of the proposed approach is illustrated with a proof-ofconcept example that aligns and quantifies five gene expression patterns on a zebrafish template at the beginning of gastrulation. In the next two parts, new generic tools for reconstructing cell dynamics are presented. The third part, entitled 'Spatio-temporal mathematical morphology processing for in-vivo embryogenesis imaging', explores the extension of morphological image processing to 4D datasets. The definition of the basic spatio-temporal structuring elements (hypersegment, hypersphere, hypertube, hyperhorn) allows to present several applications (filtering, tracking, segmentation) dedicated to the analysis of 4D datasets of embryogenesis acquired with different microscopy techniques. Working directly in 4D spaces provides more spatio-temporal coherence than classical methods. Finally, in the fourth part -entitled 'Measuring the cell lineage tree'- a quantitative method that characterizes cell lineage tree data is presented. Because of the lack of mathematical formalisms in this field (usually only qualitative descriptions are provided), the Morphogenetic Entropy measure is defined. It allows one to quantify the informational content of a cell inside a lineage tree, concerning pluripotency and behavior during cell division (proliferation, diversification, stem cell mode). Morphogenetic Entropy measurements can be broadly applied to research on embryogenesis and stem cells. Overall, this PhD Thesis presents mathematical methods that when applied to in-vivo images from animal models (e.g. zebrafish, sea urchin) allow the quantitative description of embryogenesis processes at a cellular scale. The proposed methods analyze structural information, cell lineage trees and gene expression data. From a broader perspective, the use of these methods should contribute to fill the gap between genetics and epigenetics by providing a deeper understanding of embryogenesis.

The objective of this work is to design an autonomous intrusion detection system for wireless sensor networks that would be able to detect wide range of attacks, including the previously unseen ones. The existing solutions have limited scope, in a sense they provide protection against already identified attacks, which renders the system vulnerable to unknown attacks. Furthermore, in those that can be adjusted in order to expand their scope, the modification has to be done through human interaction. We deal with this problem by proposing an artificial intelligence approach for detecting and confining attacks on the core protocols of wireless sensor networks: aggregation, routing and time synchronization. The approach is based on four main contributions. First of all, the attacks are treated as data outliers. To this end, the spaces of sensed values and the routing information of each node are mapped into vector spaces, which enable definition of distance-based analysis for outlier detection. Second, we develop unsupervised machine learning techniques for detecting outliers using defined distance based analysis. Third, we further envision distributed intrusion detection system, given the distributed nature of WSNs. Every node is being examined by agents that reside on the nodes in its vicinity and listen to its communication in a promiscuous manner, where each agent executes one of the unsupervised algorithms. Considering the optimal algorithm parameters cannot be guessed from the start, the immune system paradigm is used to obtain a set of high quality agents. And finally forth, the system of agents is coupled with a reputation system, in a way the output of an agent assigns lower reputation to the nodes where it detects adversarial activities and vice versa. It is further advocated to avoid any contact with low reputation nodes, which provides implicit response to adversarial activities, since compromised nodes remain isolated from the network. A prototype of the approach is implemented and connected to the sensor network simulator called AmiSim developed by our research group. The approach has been tested on the mentioned simulator on a group of representative attacks on each of the core network protocols. The detection and complete confinement of all the attacks was observed, while maintaining low level of false positives. It is also important to mention that the algorithms have been trained on both clean and unclean (i.e. data with traces of attack presence) data, being able to detect and confine the attacks in both cases, which provides its robustness. Moreover, it has been proven that the resulting reputation system has advantages over the conventional ones in the terms of lower redundancy necessary for correct operations, as well as its robustness to attacks on reputation systems, such as bad mouthing or ballot stuffing, given that it does not use any second hand information. Finally, we have proposed various ways of embedding the approach into a realistic environment, which adapts it to the environment resources, both computational and power, and we have proven its viability. We have provided estimations of resource consumption, which can help in choosing processors that can support the implementation. To summarize, the proposed approach can be expanded and adapted in an easy and rapid way in order to detect new attacks. Furthermore, with the intelligence and the level of uncertainty introduced by the proposed techniques, the solution offers possibilities to address the security problem in a more profound way. Thus, although in the current state this solution does not detect attacks that make no change in sensed value that is forwarded to the base station, nor in the routing paths used to send the values to the base station, it can be used to complement the conventional techniques, which will permit better detection of new attacks and react more rapidly to security incidents. Resumen El objetivo de esta tesis es diseñar un sistema autonomo de deteccion de intrusos para redes de sensores, que tambien seria capaz de detectar una amplia coleccion de ataques, incluyendo los que no se han observado anteriormente. Las soluciones existentes son limitadas en el sentido de que son capaces de proteger la red solo de los ataques previamente identificados, lo que los hace vulnerables a los ataques desconocidos. Asimismo, en los que se pueden ajustar y de esa manera ampliar sus posibilidades de deteccion, la modificacion tiene que hacerse de manera manual. La tesis propone un enfoque basado en la inteligencia artificial para detectar y confinar los ataques a los protocolos clave de las redes de sensores inalambricas, que son la agregacion, el rutado y la sincronizacion temporal. El enfoque se basa en cuatro contribuciones principales. En primer lugar, los ataques se tratan como datos atipicos. Por eso, los valores sensados, asi como la informacion del rutado de cada nodo son mapeados en espacios vectoriales, lo que permite definir el analisis basado en distancia para detectar los datos atipicos. En segundo lugar, se han desarrollado tecnicas de aprendizaje automatico sin supervision, capaces de detectar los datos atipicos utilizando dicho analisis basado en distancias. En tercer lugar, dado el caracter distribuido de las redes de sensores, se propone la deteccion de intrusos organizada de manera distribuida, de manera que cada nodo se examina por agentes que se encuentran en los nodos vecinos y que escuchan su comunicacion de manera promiscua, donde cada agente ejecuta uno de los algoritmos de aprendizaje automatico sin supervision. Ademas, teniendo en cuenta que los parametros optimos de los algoritmos no se pueden adivinar desde el principio, se utiliza el paradigma de los sistemas inmunes para obtener un conjunto de agentes de alta calidad. Por ultimo, el sistema de agentes se une a un sistema de reputacion, de manera que la decision de cualquier agente puede asignar un valor de reputacion mas bajo a los nodos donde encuentra indicios de intrusion, o viceversa. Ademas, se aconseja evitar cualquier contacto con los nodos que tienen reputacion baja, lo que permite tener una respuesta implicita ante actividades adversas, de manera que los nodos comprometidos quedan aislados de la red. El prototipo del enfoque se ha implementado y conectado al simulador de redes de sensores denominado AmiSim, que fue desarrollado por nuestro grupo de investigacion. El enfoque se ha comprobado en el simulador, bajo la presencia de varios ataques característicos para cado uno de los protocolos clave de la red. La detección y el confinamiento completo de todos los ataques fue observado, mientras se mantenía la tasa de falsos positivos en un nivel bajo. Asimismo, es importante mencionar que los algoritmos fueron entrenados con datos “limpios”, pero también con datos “sucios” (los datos que contienen trazas de ataques), siendo capaz de detectar y confinar los ataques en ambos casos, lo que demuestra su robustez. Ademas, se ha demostrado que el sistema de reputacion derivado tiene ventajas sobre los sistemas convencionales, tanto por necesitar menos redundancia para funcionar correctamente, como por su robustez ante ataques al sistema de reputacion, por ejemplo, ante la propagacion de informacion falsa sobre otro elemento de la red, puesto que no utiliza la informacion de segunda mano. Por ultimo, se han propuesto varias maneras de implementar este enfoque en entornos reales, que se adaptan a los recursos de los que dispone cada entorno, tanto computacionales como de potencia, y se ha demostrado su viabilidad. Ademas, se han proporcionado estimaciones del consumo de recursos, que puede ayudar a la hora de elegir el procesador capaz de implementar el enfoque propuesto. En resumen, el sistema propuesto es facilmente ampliable y puede adaptarse de forma rapida para detectar nuevas amenazas. Ademas, con la inteligencia propia de estas tecnicas y el nivel de incertidumbre que se introduce, la solucion que se plantea ofrece alternativas reales para abordar el problema de seguridad con mayor profundidad. Por eso, la idea principal de esta investigacion es complementar las tecnicas de seguridad convencionales con estos metodos, lo que permitira detectar mejor los nuevos ataques y reaccionar de manera mas rapida ante posibles incidentes de seguridad.

EI trabajo realizado en esta tesis ha abordado diferentes estudios orientados a la mejora de un sistema de generacion de respuesta mediante la incorporacion de un sintetizader de habla con emociones en espai'ioJ. La tesis doctoral se ha abordado en tres fases fundamentales, cada una de las cuales esta relacionada con una de las contribuciones cientfficas planteadas originalmente.
En primer lugar, y con el objetivo de obtener informacion sobre la relevancia de las distintas componentes de la senal de habla en los procesos de identificaci6n de emociones, se ha realizado un estudio que demuestra la complementariedad entre los aspectos segment ales y suprasegmen¬tales, caracterizando su importancia relativa para cada una de las emociones bajo estudio. Sobre una base de datos existente, se ha realizado un adJisis de la naturaleza de las emociones en la voz mediante estrategias de identificaci6n automatica y la evaluaci6n perceptual de estimulos gener¬ados mediante metodos de sintesis per copia. Adicionalmente, se ha realizado un estudio sobre la normalizaci6n de caracteristicas acusticas con el fin de implementar sistemas de identificaci6n de emociones multi-locutor y multi-idioma. Como complemento al analisis, se ha evaluado el comportamiento de un sistema automatico de identificaci6n basado en redes bayesianas dinami¬cas a la hora de identificar emociones reales (no actuadas), dicho sistema ha sido evaluado dentro
de la primera competicion internacional de reconocimiento automatico de emociones.
En segundo lugar, los conocimientos adquiridos de este analisis inicial han sido la base para la adquisicion de un corpus pionero en el area de sintesis de emociones, dada la cobertura de su contenido emocional multimedia y multi-locutor. Este corpus ha sido imprescindible para adaptar y evaluar exhaustivamente la aplicaci6n a la sintesis de habla emocional, de dos de las tecnicas de alta calidad empleadas actual mente por la comunidad cientifica: sintesis por selecci6n de unidades, dominante en la ultima decada; y sintesis parametrica basada en modelos ocultos de Markov, tecnica emergente y base de las investigaciones futuras en sintesis de voz durante la pr6xima decada. Tras un exhaustivo y novedoso analisis de los resultados obtenidos en una evaluaci6n perceptual, se ha comprobado que ambas tecnicas producen voz con emociones de la misma calidad. Sin embargo, a pesar de que las emociones se identifican mejor de forma global cuando sintetizamos voz mediante la tecnica de selecci6n de unidades, y que la intensidad emocional resultante es mayor al minimizar el model ado y el procesado de la senal de voz, es la sintesis de voz basada en modelos ocultos de Markov la que modela mejor la informaci6n
prosodica, de maxima relevancia en cuanto a la expresi6n de €ITIociones 5e refiere. El sistema
basado en modelos ocultos de Markov adaptado al castellano ha sido gal ardonado con el premio al mejor sistema en la competici6n nacional de conversi6n texto a voz dentro de las Jornadas de Tecnologia del Habla en 2008.
En tercer lugar, sabre las voces generadas utilizando una de las tecnicas anteriores (concreta¬mente las generadas exitosamente basandose en modelos ocultos de Markov, dada la flexibilidad en la manipulaci6n de parametros del modele que ofrece esta tecnica y los excelentes resultados obtenidos en la competici6n), se ha disenado, implementado y evaluado una nueva estrategia de transformaci6n de emociones independiente del locutor. Dicha estrategia est a basada en la extrapolacion de la emoci6n sobre aquellas caracteristicas halladas como relevantes en el analisis inicial. De los resultados de la evaluaci6n, se ha comprobado que los patrones acusticos ema¬cionales son extrapolados parcialmente a una locutora objetivo sin por ella perder similitud con la voz de dicha locutora, y que la intesidad de la emoci6n extrapolada puede ser modificada con exito variando un coeficiente de extrapolación. Sin embargo, la intensidad con la que se extrapola la emoci6n tiene un impacto negativo en la calidad de la voz sintetizada, especialmente cuando dicha extrapolaci6n se centra en la transformaci6n de parametros espectrales. Finalmente, se ha propuesto una nueva medida sobre la bondad de la extrapolación/transformacion de emociones independiente del locutor, basandose en los resultados perceptuales en cuanto a calidad de voz, identificaci6n de la emoci6n e identificaci6n del locutor objetivo se refiere.