Resumen: Esta memoria está basada en el crecimiento y caracterización de heteroestructuras Al(Ga)N/GaN y nanocolumnas ordenadas de GaN, y su aplicación en sensores químicos. El método de crecimiento ha sido la epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PAMBE). En el caso de las heteroestructuras Al(Ga)N/GaN, se han crecido barreras de distinto espesor y composición, desde AlN de 5 nm, hasta AlGaN de 35 nm. Además de una caracterización morfológica, estructural y eléctrica básica de las capas, también se han fabricado a partir de ellas dispositivos tipo HEMTs. La caracterización eléctrica de dichos dispositivos (carga y movilidad de en el canal bidimensional) indica que las mejores heteroestructuras son aquellas con un espesor de barrera intermedio (alrededor de 20 nm). Sin embargo, un objetivo importante de esta Tesis ha sido verificar las ventajas que podían tener los sensores basados en heteroestructuras AlN/GaN (frente a los típicos basados en AlGaN/GaN), con espesores de barrera muy finos (alrededor de 5 nm), ya que el canal de conducción que se modula por efecto de cambios químicos está más cerca de la superficie en donde ocurren dichos cambios químicos. De esta manera, se han utilizado los dispositivos tipo HEMTs como sensores químicos de pH (ISFETs), y se ha comprobado la mayor sensibilidad (variación de corriente frente a cambios de pH, Ids/pH) en los sensores basados en AlN/GaN frente a los basados en AlGaN/GaN. La mayor sensibilidad es incluso más patente en aplicaciones en las que no se utiliza un electrodo de referencia. Se han fabricado y caracterizado dispositivos ISFET similares utilizando capas compactas de InN. Estos sensores presentan peor estabilidad que los basados en Al(Ga)N/GaN, aunque la sensibilidad superficial al pH era la misma (Vgs/pH), y su sensibilidad en términos de corriente de canal (Ids/pH) arroja valores intermedios entre los ISFET basados en AlN/GaN y los valores de los basados en AlGaN/GaN. Para continuar con la comparación entre dispositivos basados en Al(Ga)N/GaN, se fabricaron ISFETs con el área sensible más pequeña (35 x 35 m2), de tamaño similar a los dispositivos destinados a las medidas de actividad celular. Sometiendo los dispositivos a pulsos de voltaje en su área sensible, la respuesta de los dispositivos de AlN presentaron menor ruido que los basados en AlGaN. El ruido en la corriente para dispositivos de AlN, donde el encapsulado no ha sido optimizado, fue tan bajo como 8.9 nA (valor rms), y el ruido equivalente en el potencial superficial 38.7 V. Estos valores son más bajos que los encontrados en los dispositivos típicos para la detección de actividad celular (basados en Si), y del orden de los mejores resultados encontrados en la literatura sobre AlGaN/GaN. Desde el punto de vista de la caracterización electro-química de las superficies de GaN e InN, se ha determinado su punto isoeléctrico. Dicho valor no había sido reportado en la literatura hasta el momento. El valor, determinado por medidas de “streaming potential”, es de 4.4 y 4 respectivamente. Este valor es una importante característica a tener en cuenta en sensores, en inmovilización electrostática o en la litografía coloidal. Esta última técnica se discute en esta memoria, y se aplica en el último bloque de investigación de esta Tesis (i.e. crecimiento ordenado). El último apartado de resultados experimentales de esta Tesis analiza el crecimiento selectivo de nanocolumnas ordenadas de GaN por MBE, utilizando máscaras de Ti con nanoagujeros. Se ha estudiado cómo los distintos parámetros de crecimiento (i.e. flujos de los elementos Ga y N, temperatura de crecimiento y diseño de la máscara) afectan a la selectividad y a la morfología de las nanocolumnas. Se ha conseguido con éxito el crecimiento selectivo sobre pseudosustratos de GaN con distinta orientación cristalina o polaridad; templates de GaN(0001)/zafiro, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000-1)/Si y GaN(11-20)/zafiro. Se ha verificado experimentalmente la alta calidad cristalina de las nanocolumnas ordenadas, y su mayor estabilidad térmica comparada con las capas compactas del mismo material. Las nanocolumnas ordenadas de nitruros del grupo III tienen una clara aplicación en el campo de la optoelectrónica, principalmente para nanoemisores de luz blanca. Sin embargo, en esta Tesis se proponen como alternativa a la utilización de capas compactas o nanocolumnas auto-ensambladas en sensores. Las nanocolumnas auto-ensambladas de GaN, debido a su alta razón superficie/volumen, son muy prometedoras en el campo de los sensores, pero su amplia dispersión en dimensiones (altura y diámetro) supone un problema para el procesado y funcionamiento de dispositivos reales. En ese aspecto, las nanocolumnas ordenadas son más robustas y homogéneas, manteniendo una alta relación superficie/volumen. Como primer experimento en el ámbito de los sensores, se ha estudiado como se ve afectada la emisión de fotoluminiscencia de las NCs ordenadas al estar expuestas al aire o al vacío. Se observa una fuerte caída en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando las nanocolumnas están expuestas al aire (probablemente por la foto-adsorción de oxígeno en la superficie), como ya había sido documentado anteriormente en nanocolumnas auto-ensambladas. Este experimento abre el camino para futuros sensores basados en nanocolumnas ordenadas.

Resumen: La investigación realizada en este trabajo de tesis se ha centrado en la caracterización y optimización del sistema Fe/Gd/Fe y en el estudio de su efecto en el transporte dependiente de espín y en la transferencia de espín (STT) en dispositivos magnéticos. El fenómeno de STT, uno de los grandes descubrimientos de la espintrónica, se basa en la transferencia de momento angular de una corriente polarizada de espín a la imanación local de un material magnético. Este efecto se traduce en que una corriente polarizada de espín puede provocar variaciones en la imanación del material sin necesidad de campo magnético aplicado. Este fenómeno necesita una densidad de corriente muy alta, de manera que sus efectos solo se observan en dispositivos de tamaño nanométrico a partir de la llamada densidad de corriente crítica. El STT tiene un gran potencial tecnológico para distintas aplicaciones, como emisores de radiofrecuencia para comunicación in-chip o memorias magnéticas alternativas, en que se podría leer y escribir la información únicamente mediante corriente, sin necesidad de aplicar campo magnético ni utilizar bobinas de detección. Desde el punto de vista de este tipo de aplicaciones hay un gran interés en disminuir la densidad de corriente crítica a la que empieza a observarse el efecto. Sin embargo, hay otro tipo de dispositivos en que el STT supone un problema o factor limitante. Este es el caso de las cabezas lectoras de ordenador, en las que a partir de la densidad de corriente crítica aparece ruido e inestabilidad adicional en la señal inducidos por STT, lo que limita su sensibilidad. Para este tipo de aplicación, se desea por tanto que la corriente crítica a partir de la cual aparece ruido e inestabilidad adicional en la señal sea tan grande como sea posible. El Gd (y especialmente el sistema Fe/Gd/Fe) tiene unas características muy particulares con potencial para afectar varias propiedades relacionadas con la densidad de corriente crítica de un dispositivo de STT. Por este motivo, resulta interesante introducir la tricapa Fe/Gd/Fe en la capa libre de este tipo de dispositivos y estudiar cómo afecta a su estabilidad. Para ello, una primera parte del trabajo se ha centrado en la exhaustiva caracterización del sistema Fe/Gd/Fe y la optimización de sus propiedades de cara a su introducción en la capa libre de dispositivos de STT. Por otro lado, la intención final es alterar o controlar el efecto de transferencia de espín en un dispositivo afectando lo menos posible al resto de las propiedades intrínsecas de su funcionamiento (por ejemplo, al valor de su magnetorresistencia). Por tanto, ha sido necesario estudiar los efectos del sistema Fe/Gd/Fe en el transporte de espín y determinar la manera de introducir la tricapa en el dispositivo optimizando el resto de sus propiedades o afectándolas lo menos posible. Finalmente, hemos introducido el sistema Fe/Gd/Fe en la capa libre de nanodispositivos y hemos estudiado su efecto en la corriente crítica de inestabilidad por STT. Los resultados muestran que estas tricapas Fe/Gd/Fe pueden suponer una solución potencial para los problemas de estabilidad de algunos nanodispositivos magnéticos como las cabezas lectoras magnéticas.

El objetivo de esta tesis es el desarrollo y la caracterización de detectores avanzados, basados en nitruros del grupo III. Es decir, se pretende la utilización de nitruros de galio, indio y aluminio, de manera que se aprovechen las cualidades específicas de estos materiales, para la fabricación de fotodetectores que destaquen y mejoren el actual estado de la técnica en diversos ámbitos o aplicaciones. Las principales líneas de actuación han sido tres: evaluación del comportamiento en alta temperatura, sensibilidad a la polarización de la luz, y aplicación en sistemas de fotoluminiscencia. Se ha realizado un estudio teórico y experimental del comportamiento de fotodetectores de tipo p-i-n en alta temperatura, centrando el interés en la evaluación de la detectividad específica en modo fotovoltaico. Se ha podido comprobar que el silicio, el material semiconductor más extendido en la actualidad, sufre una severa degradación de sus características en alta temperatura, debido a su gap relativamente estrecho. Los nitruros, sin embargo, al ser materiales de gap ancho, tienen mejores características en cuanto al ruido, siendo más ventajosa la diferencia en altas temperaturas. Su rendimiento se ve dificultado, sin embargo, por la peor calidad cristalina del material, lo cual supone un inconveniente más acusado en el caso de los ternarios, y en particular del InGaN. Se ha comprobado que la fabricación de fotodetectores de GaN con múltiple pozo cuántico de InGaN en su región intrínseca posibilita la detección en el visible, sin perjudicar las características eléctricas del fotodiodo. En este tipo de dispositivos, además, se ha llevado a cabo un estudio del ruido en alta y baja temperatura. Se han fabricado fotodetectores de tipo metal-semiconductor-metal con interdigitados sub-micrométricos en GaN crecido sobre el plano cristalino A. Se ha podido comprobar que estos dispositivos tienen una sensibilidad intrínseca a la polarización de la luz incidente para fotones de energías en torno al gap, debido a la anisotropía de la red cristalina en el plano de crecimiento. Además, se han caracterizado eléctricamente estos dispositivos, observando que tienen unos niveles muy bajos de corriente de oscuridad y ruido. Por último, se ha explorado de una manera más profunda la aplicación de los nitruros en sistemas de medida de fotoluminiscencia. Se ha demostrado la funcionalización covalente de superficies de GaN con complejos luminiscentes basados en rutenio, y su sensibilidad a la concentración ambiental de oxígeno. Se ha funcionalizado también un diodo emisor de luz basado en nitruros con este mismo complejo, demostrando la posibilidad de caracterizar el tiempo de vida de la luminiscencia, utilizando como excitación de la misma la luz emitida por este dispositivo. Dado que la simplificación de elementos ópticos dificulta la caracterización del tiempo de vida medio de la luminiscencia, se ha desarrollado un método para la medida del mismo en condiciones en las que no es posible eliminar la señal de fondo óptica debida a la excitación. Dicho método se ha validado experimentalmente realizando la medida de una membrana impregnada del complejo luminiscente de rutenio bajo este tipo de condiciones. Abstract The main purpose of this thesis is the development and characterization of advanced photodetectors, based on group-III nitrides. In other words, what is intended is the utilization of gallium, indium and aluminum nitrides, taking advantage of the specific characteristics of these materials, for the fabrication of photodetectors that stand out and improve the current state of the art for different applications. The three main lines of research have been: high-temperature behaviour assessment, sensitivity to the polarization of light, and application in photoluminescence measurement systems. A theoretical and experimental study on the behaviour of p-i-n photodetectors at high temperatures has been carried out, centered on the evaluation of specific detectivity in photovoltaic mode. Silicon, currently the most widely-used semiconductor, suffers a severe degradation of its characteristics at high temperature, due to its relatively thin bandgap. Nitrides, in contrast, being wide bandgap semiconductors, display better noise characteristics, with this difference being stronger at higher temperature. However, their performance is hindered by the lower crystal quality of the material, especially in the case of the ternary compounds, and for In- GaN in particular. It has been observed that the fabrication of GaN photodetectors with multiple quantum wells in their intrinsic region allows for light detection in the visible range, without sacrificing the electrical performance of the photodiode. In this kind of devices, a low- and high-temperature noise study has been carried out. Metal-semiconductor-metal photodetectors with sub-micron interdigitated contacts have been fabricated on A-plane GaN. It has been possible to confirm that these devices show an intrinsic sensitivity to the polarization of incident light at photon energies around the gap, due to the anisotropy on the crystal lattice. An electrical characterization has revealed that the devices present very low dark current and noise values. Finally, the application of nitrides in photoluminescence measurement systems has been explored. The covalent functionalization of GaN surfaces with rutheniumbased photoluminescent complexes and their sensitivity to the environmental oxygen concentration have been demonstrated. A nitride-based light emitting diode has also been functionalized with this same complex, and the feasibility of characterizing the luminescence lifetime using the light emitted by the device as excitation source has been proved. Since the simplification of optical elements makes the characterization of the luminescence lifetime difficult, a method has been developed for its measurement in conditions in which it is not possible to eliminate the background signal due to excitation. This method has been validated experimentally by measuring the luminescence of a membrane impregnated in luminescent ruthenium complex.

Resumen El tremendo crecimiento de Internet y de la transmisión de datos a alta velocidad están elevando los requerimientos de ancho de banda de las redes de ñbra óptica a un ritmo sin precendentes. Las ñbras ópticas han sustituido en buena medida a los cables de cobre y han pasado de ser una curiosidad a ser la tecnología dominante. El objetivo de esta tesis es la investigación de nuevos materiales para la fabricación de dispositivos emisores de luz basados en GaAs que operen en las longitudes de onda de la segunda y tercera ventanas de telecomunicaciones por ñbra óptica, alrededor de 1.3 y 1.55 |j.m, respectivamente. Para alcanzar ese objetivo se utilizan paralelamente dos estrategias basadas en heteroestructuras semiconductoras, de modo que esta tesis está dividida en dos grandes bloques. Por un lado, el primer bloque estará dedicado al estudio de dispositivos basados en pozos cuánticos de GalnNAs/GaAs. Por otro lado, el segundo bloque se centra en los dispositivos basados en puntos cuánticos de InAs cubiertos con capas de GalnNAs o GaAsSb. Dispositivos basados en pozos cuánticos de GalnNAs/GaAs. El primer bloque de la tesis está dedicado a los dispositivos basados en pozos cuánticos de GalnNAs/GaAs. Es bien sabido que la incorporación de una pequeña fracción molar de N en un cristal de InGaAs produce un fuerte desplazamiento al rojo de la longitud de onda de emisión. En este bloque se muestra una serie de diodos láser en los que, mediante la variación del contenido de N en el pozo cuántico, se consigue sintonizar la longitud de onda de emisión láser en todo el rango entre 1 y 1.5 \xm. Asimismo, se demuestra cómo el aumento de la concentración de N también provoca una degradación de las figuras de mérito de los dispositivos, concretamente, un aumento de la densidad de corriente umbral, Jth, y una disminución de la eficiencia cuántica diferencial externa, r\¿. El papel que juega el N en dicha degradación es estudiado en detalle, prestando especial atención a varias de las magnitudes implicadas en el funcionamiento del láser. Así, se encuentra que la eficiencia cuántica diferencial interna, rji, disminuye en un ~35% con la incorporación de N, aunque es prácticamente independiente de la concentración de este elemento. Esta degradación se atribuye a que los portadores no alcanzan la región del pozo cuántico donde se produce la radiación láser, posiblemente por un aumento en la recombinación en las barreras o en las capas que forman la guía de onda, o también por una distribución inhomogénea de los portadores en el pozo cuántico. Las pérdidas ópticas de la cavidad, a¿, aumentan al aumentar la concentración de N. Este aumento se atribuye a una mayor dispersión de luz en las inhomogeneidades de composición del pozo cuántico, y a una mayor absorción intrabanda de valencia a las longitudes de onda más largas. Por último, se observa que la densidad de corriente de transparencia, Jtr, aumenta con la concentración de N, efecto que se atribuye a un aumento en la fracción de portadores inyectados que acaban recombinándose no radiativamente en el pozo cuántico. Una de las características por las que los pozos cuánticos de GalnNAs/GaAs se con¬sideran una opción prometedora para obtener luz láser alrededor de 1.3 y 1.55 |j.m es la potencial baja dependencia de sus figuras de mérito de la temperatura de operación. Sin embargo, como se muestra en esta tesis, las temperaturas características de Jth y rjd, To y Ti, respectivamente, tienden a degradarse al aumentar el contenido de nitrógeno en el pozo cuántico. El posible origen de este comportamiento y, en particular, el papel que pueda jugar el escape de huecos del pozo a la barrera se analiza en detalle. Se observa que la degradación de TD se debe principalmente al aumento de «j, y a la disminución tanto de la ganancia modal, r<?0) como de la temperatura característica de Jtr, Ttr. Por otro lado, el aumento de a¿ es el principal responsable de la degradación de T\. Además, se realiza un cálculo del tiempo de vida medio efectivo de los portadores en el pozo cuántico y de su dependencia con la temperatura. Los resultados de este cálculo, junto con el hecho de que la temperatura característia de rji, TVi, tiene una contribución pequeña tanto a TD como a Ti, sirven para descartar la fuga de portadores del pozo cuántico como el proceso dominante en la degradación de TD y Ti. Por último, y teniendo en cuenta que la disminución de r¡i es una de las causas de la degradación de las figuras de mérito de los diodos láser basados en pozos cuánticos de GalnNAs/GaAs al aumentar el contenido de N, se realiza un análisis del papel que juega la eficiencia diferencial de distribución de portadores, rjs, en la degradación de rfr. En primer lugar, la homogeneidad del perfil de inyección de portadores a lo largo de la cavidad del láser se evalúa observando la dependencia de Jth de la posición sobre la superficie del láser donde se inyecta la corriente, para todo el rango de contenidos de nitrógeno considerados. Se obtiene que Jth es fuertemente dependiente del lugar donde se inyecta la corriente en los dispositivos con N debido a una pobre distribución de los portadores a lo largo del láser que se mitiga si la corriente se inyecta en varios puntos separados una cierta distancia. Se propone un modelo para explicar este fenómeno, en el que el calentamiento local causaría variaciones en la energía del gap a lo largo del láser que impediría que la mayor parte de la luz emitida se reabsorbiera por el pozo cuántico, haciendo así más difícil alcanzar inversión mediante bombeo óptico. Por otro lado, se demuestra que la corriente inyectada no se distribuye del mismo modo a lo largo de los láseres en dispositivos con N o sin él cuando se inyectan corrientes cercanas a la corriente umbral. En segundo lugar, se analiza el perfil de inyección de portadores en la dirección perpen¬dicular al eje óptico de la cavidad. Con este propósito, se estudia la evolución de la emisión espontánea del pozo cuántico en función de la corriente, tanto por encima como por debajo del umbral, para evaluar el anclado de los niveles de Fermi por encima del umbral. A partir de estos resultados se observa que r¡s se degrada en ~18% al añadir N. Esta degradación puede explicar parte de la degradación en un 35% que se observa en r¡i con la incorporación de N. El resto de la degradación de r/i puede ser producido por otro mecanismo de recombi¬nación que podría consistir, probablemente, en recombinación no radiativa en defectos en la barrera superior, producida por la presencia inintencionada de átomos de N en esas capas. Además de esta serie de diodos láser de pozo cuántico de GalnNAs/GaAs, y como primer paso hacia la fabricación de dispositivos de cavidad vertical, se presenta una serie de dio¬dos emisores de luz de cavidad resonante basados en pozos cuánticos de GalnNAs/GaAs. Dichos dispositivos emiten luz a 1.3 \xm a temperatura ambiente, y sus figuras de mérito se estudian en función de la temperatura de crecimiento de los reflectores de Bragg que forman la microcavidad, y del aleado de los contactos eléctricos. Se observa que la eficiencia externa, r]ext, y la anchura a media altura de los picos de electroluminiscencia se degradan según disminuye la temperatura de crecimiento de los reflectores de Bragg, junto con una degradación paralela de las características corriente-tensión de los diodos. Comparando los dispositivos con los contactos metálicos aleados o sin alear, se observa que la anchura a me¬dia altura del pico de electroluminiscencia aumenta al alear, probablemente por una pérdida de la lisura del reflector metálico superior debida a la difusión del metal en el GaAs. Los mejores resultados se han obtenido cuando la temperatura de crecimiento del reflector de Bragg es 750 °C y los contactos metálicos se dejan sin alear. Dispositivos basados en puntos cuánticos de InAs. La segunda parte de la tesis se centra en dispositivos basados en puntos cuánticos autoensamblados de InAs. Se presen¬tan dos series de diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) basados en puntos cuánticos de InAs cubiertos por capas de diferente composición. Por una parte, se de¬muestran LED basados en puntos cuánticos de InAs cubiertos por una capa de GalnNAs. Siguiendo esta estrategia, se obtiene electroluminiscencia a temperatura ambiente a 1.5 |j.m con una composición del 15% de In y el 2% de N en la capa que cubre los puntos. Se observa que la incorporación de N no sólo produce un desplazamiento el rojo de la longitud de onda de emisión, sino que también produce una degradación de la eficiencia externa de los LED. Dicha degradación puede ser parcialmente solventada si se somete a los dispositivos a un recocido térmico rápido posterior al crecimiento, aunque dicho proceso también resulta en un desplazamiento al azul de la longitud de onda de emisión que debe ser tenido en cuenta a la hora de diseñar el dispositivo. Se observa que los espectros de electroluminiscencia de los dispositivos con N presentan dos transiciones radiativas diferenciadas, una de las cuales corresponde a emisión desde el punto cuántico, y la otra a emisión desde la capa que cubre los puntos. El escape de portadores desde el punto cuántico hasta la capa de cobertura se identifica como el mecanismo dominante de pérdida de portadores. El recocido térmico rápido resulta en una fuerte reducción de la energía de activación para el escape de los por¬tadores en los LED de InAs/InGaAs, sin embargo, tiene un efecto despreciable en el caso de los LED de InAs/GalnNAs. La segunda estrategia para obtener dispositivos emisores de luz a 1.3 y 1.55 |j.m basados en puntos cuánticos de InAs consiste en cubrir dichos puntos con una capa de GaAsSb. Esta estrategia permite obtener electroluminiscencia a temperatura ambiente a longitudesde onda entre 1.1 y 1.5 \im. Como se muestra en esta tesis, el valor de r/ext aumenta con el contenido de Sb en la capa que cubre los puntos hasta alcanzar una concentración de este elemento a la que r¡ext disminuye. A dicha concentración, el alineamiento entre las bandas electrónicas de los puntos cuánticos y la capa de GaAsSb pasa de ser tipo I a ser tipo II. Esta transición se confirma experimentalmente mediante la observación del desplazamiento al azul de los picos de electroluminiscencia en función de la corriente inyectada. Se pueden resolver varios picos en los espectros de electroluminiscencia de los dispositivos tipo I, que se atribuyen a emisión desde estados confinados de los puntos cuánticos. Las emisiones de los LED tipo II, al inyectar corrientes bajas, se atribuyen a recombinación entre electrones confinados en los puntos cuánticos y huecos confinados en la capa de GaAsSb. Sin embargo, si se aumenta la corriente, una intensa banda centrada en 1100 nm domina el espectro. Esta banda es debida probablemente a la transición tipo I entre electrones confinados en el punto cuántico y huecos confinados en un estado extendido del pozo cuántico compuesto por los puntos cuánticos y la capa de GaAsSb que cubre los puntos. Abstract The tremendous growth of the Internet and high speed data transmission pushes the band¬width requirements for fibre networks at an unprecedented pace. Optical fibres have largely replaced copper wire in communications and have developed from a curiosity status to be¬ing the dominant technology. The goal of this thesis is the research of new materials for the fabrication of light-emitting devices based on GaAs for operation at the second and third optical fibre telecommunications windows, at wavelengths around 1.3 and 1.55 |j.m, respectively. In order to achieve this goal, two parallel approaches based on semiconducting heterostructures are employed. Thus, this thesis is divided in two main parts. On the one hand, the first part is dedicated to the study of GalnNAs/GaAs quantum well (QW)-based devices. On the other hand, the second part focuses on the study of devices based on In As quantum dots (QDs) covered either by GalnNAs or GaAsSb capping layers. GalnNAs/GaAs QW-based devices. The first part of the thesis is dedicated to the study of GalnNAs/GaAs QW-based devices. It is well known that adding a small molar fraction of N into an InGaAs matrix results in a strong red-shift of the emission wavelength. In this part, a series of laser diodes is presented from which, by varying the N content in the quantum well from 0 to 3.3%, laser operation from 1 to 1.5 \xm is achieved. Moreover, it is demonstrated how the increase in N concentration also results in a degradation of the figures of merit of the devices, namely, an increase of the threshold current density, Jth, and a decrease of the external differential quantum efficiency, r\¿. The role played by N in such degradation is analysed in detail, paying special attention to several of the magnitudes involved in the performance of the laser diodes. It is found that the internal quantum efficiency, r/i, degrades by ^35% with the addition of N, although it is roughly independent of N concentration. This is attributed to failure of the carriers to reach the area of the QW where lasing is taking place, probably due to an increased recombination at the barriers or cladding layers, or by an inhomogeneous spreading of the carriers. The optical losses of the cavity, <Xi, increase as the N content is increased. This is attributed to an enhanced light scattering due to compositional inhomogeneities in the QW, and to a higher intra-valence band absorption at the longest wavelengths. Finally, the transparency current density, Jtr, is found to increase with the N concentration, which is attributed to an increase in the fraction of injected current that results in non-radiative recombination in the QW. One of the characteristics by which GalnNAs/GaAs QWs are considered a promisingoption to obtain laser light around 1.3 and 1.55 |j.m is the expected low sensitivity to tem¬perature of the figures of merit of the laser diodes based on this material system. However, as it is demonstrated in this thesis, the characteristic temperatures of Jth and rjd, To an(i T\, respectively, tend to degrade as the N content in the QW is increased. The possible origin of this behaviour is analysed in detail and, in particular, the role played by the escape of holes from the QW to the barrier is addressed. It is found that the degradation of To is mainly due to the increase of a¿, and a decrease of both the modal gain, r<?0) an(i the characteristic temperature of Jtr, Ttr. In turn, the increase of a¿ is the main responsible for the degradation of T\. In addition, a calculation is made of the effective lifetime of carriers in the QW and its temperature dependence. The results of this calculation, taken together with the fact that the characteristic temperature of rji, TVi, has a small contribution to To and Ti, rule out carrier leakage from the QW as the dominant process limiting TD and T\. Finally, and taking into account that the degradation of rji is one of the causes for the degradation of the figures of merit of GalnNAs/GaAs QW laser diodes upon increasing of the N content, an analysis of the role played by the differential carrier spreading efficiency, rjs, on the degradation of rji is performed. Firstly, the homogeneity of the carrier injection profile along the laser cavity is evaluated by the observation of the dependence of Jth on the location on the surface of the laser where the current is injected, for all the range of N contents considered. It is found that Jth is strongly dependent on the current injection location in N-containing diodes, due to a poor carrier spreading along the length of the laser diodes, which is alleviated if the current is injected at several points separated by a certain distance. A model is proposed as an explanation for this phenomenon, in which local heating would cause band gap energy variations along the stripe which will prevent most of the emitted light to be reabsorbed by the QW, thus making it more difficult to reach inversion by optical pumping. On the other hand, it is shown that the injected current is not distributed similarly along the laser stripe in N-containing and N-free devices when injected at currents near threshold. Secondly, the carrier injection profile in the direction perpendicular to the cavity optical axis is analysed. With that purpose, the evolution of the spontaneous emission from the QW is studied as a function of the injected current, both above and below threshold, in order to evaluate the above-threshold Fermi level pinning in the QW. Based on the results of this experiment it is found that r¡s degrades by a ~16% upon addition of N. This degradation can explain part of the previously found degradation by ^35% of rji with the addition of N. The rest of the degradation of rji could be accounted for by another recombination mechanism which could probably consist on non-radiative recombination at defects in the top barrier caused by the presence of non-intentional N atoms in these top layers. In addition to this GalnNAs/GaAs QW laser diodes series, and as a first step into the fabrication of vertical cavity devices, a series of GalnNAs/GaAs QW-based resonant cavity light-emitting diodes is presented. Room-temperature 1.3 |xm electroluminescence (EL) is demonstrated from these devices, and their figures of merit are studied as a function of the growth temperature of the distributed Bragg reflectors (DBRs) which define the cavity, and as a function of the alloying of the electrical contacts. It is found that the external efficiency, rjext, and the full width at half maximum (FWHM) of the EL peak degrade as the DBR growth temperature decreases in parallel to a degradation of the current-voltage characteristics of the diode. This degradation can be explained to arise from an enhanced roughness in the low temperature DBRs. By comparison of devices with alloyed and non-alloyed contacts, it is observed that the FWHM of the EL emission increases with alloying, probably due to the loss of flatness of the top metallic reflector upon diffusion of the metal into the GaAs. The best results have been obtained when the growth temperature of the DBR was 750 °C and the metallic contacts were left unalloyed. InAs QD-based devices. The second part of the thesis focuses on InAs self-assembled QD devices. Two series of light-emitting diodes (LEDs) based on InAs QDs covered with capping layers of different composition are presented. On the one hand, LEDs based on InAs QDs covered by GalnNAs capping layers are demonstrated. Following this strategy, room-temperature EL at 1.5 |j.m is demonstrated with a capping layer composition of 15% In and 2% N. As it is shown, the incorporation of N not only yields a red-shift of the emission wavelength, but it also results in a degradation of r¡ext . Such degradation can be partially alleviated if the devices are subjected to a post-growth rapid thermal annealing, although this process also results in a blue-shift of the emission wavelength which must be taken into account at the design of the device. It is observed that the EL spectra of the N-containing devices present two distinct radiative transitions, one of them corresponds to emission from the QD, whereas the other is attributed to emission from the capping layer. Carrier escape from the QD to the capping layer is identified as the dominant carrier loss mechanism. RTA results in a strong reduction of the activation energy for the escape of carriers in the InAs/InGaAs QDLEDs, but has a negligible effect in the case of InAs/GalnNAs QDLEDs. The second strategy to obtain light-emitting devices around 1.3 and 1.55 |j.m based on InAs QDs consists on covering these dots with a GaAsSb capping layer. This strategy allows to obtain electroluminescence at room temperature at wavelengths between 1.1 and 1.5 \xm. It is demonstrated that the value of r¡ext increases with the Sb content in the capping layer until a concentration of this element at which r¡ext decreases. That is the Sb concentration at which the band alignment between the dots and the capping layer changes from type I to type II. This band alignment transition is confirmed experimentally through the observation of the EL peak wavelength blue-shift as a function of the injected current. Several peaks have been resolved in the EL spectra of the type I QDLEDs which have been attributed to emission from QD confined states. The emissions from the type II QDLEDs, when injected at low currents, are attributed to recombination between electrons confined in the QD and holes confined in the capping layer. However, as the injected current is increased, a strong band centered at around 1100 nm dominates the spectra. This band is probably due to type I recombination between electrons in the QD and holes in an extended state of the QW composed by the QD and the capping layer.

En las últimas dos décadas, la Tomografía por Emisión de Positrones (PET) ha demostrado ser una modalidad clave para el estudio de la biología del cúncer y trastornos cardíacos, y para la realizaciún imágenes moleculares, una tecnica que permite la terapia individualizada de la enfermedad [Weissleder01]. La mejor característica de la PET es su sensibilidad: es la tecnica que proporciona imúagenes moleculares con la mayor sensibilidad, y las imúagenes de cuerpo entero que produce no pueden ser igualadas por otras modalidades [Hoh97, Chae07]. Por otra parte, la PET no proporciona referencias anatómicas, lo cual es un problema facilmente resoluble a traves de su integraciún o coregistro con la tomografía computarizada de rayos X (CT) [Lu07]. Ademas, en com- paraciún con otras modalidades de imagen, la PET se caracteriza por bajas estadísticas de conteo (es decir, desintegraciones por unidad de tiempo), lo cual generalmente limita la resoluciún de la imagen. Sin embargo, detectores con geometrías dedicadas permiten solventar ester problema, y producir exce¬lentes resultados [Humm03]. Dos ejemplos destacables de especializacion, que tomaremos como aplicaciones de referencia, son la Mamografía por Emision de Positrones (PEM) y la monitorizacion en línea de dosis en hadroterapia (in-beam PET o, brevemente, ibPET). Las amplias posibilidades de especializacion tienen, sin embargo, una con¬trapartida: es necesario el desarrollo de sistemas de adquisicion igualmente especializados, cuyo coste y prestaciones puede impedir de hecho conseguir las ventajas teúricas proporcionadas por una geometría dedicada. El objetivo de esta tesis doctoral es proponer una nueva arquitectura tecnologica flexible, capaz de obtener prestaciones similares al estado del arte en distintas aplicaciones, a traves de una plataforma de adquisiciún compacta y eficiente en coste, adecuada para PEM e ibPET. En primer lugar, se exploraran el estado del arte y los problemas que han evitado la amplia difusion de equipos PET dedicados en entornos clínicos. Es¬pecial atenciún se dedicara a las soluciones tecnologicas y las características de los escaneres PEM anteriores. Se revisara tambien la situation de losequipos ibPET, especialmente las prestaciones requeridas para soportar efi¬cazmente la planificación de tratamiento en hadroterapia. En segundo lugar, se tratara un diseño conceptual propuesto como solucion al problema. Se propondrán y justificaran diferentes alternativas, con el fin de maximizar la eficiencia de detection y minimizar el coste. A traves de una serie de prototipos intermedios, se implementaran y caracterizarán las opciones de disenño elegidas. Por ultimo, se propondráa el disenño e implementacioán de un prototipo final de sistema de adquisicioán. El equipo en cuestiáon integraráa y extenderaá la soluciones validadas con los prototipos anteriores. x La investigation llevada a cabo durante esta tesis ha permitido realizar un sistema de adquisicion, con prestaciones al estado del arte, apto para el uso de PET dedicado en el entorno clínico del paciente, y que apoyara la investigation en PEM e ibPET. Summary In the last two decades, Positron Emission Tomography (PET) showed to be a key modality to interrogate biology for cancer and cardiac disorders, and to perform molecular imaging, a technology that permits individualized therapy of disease [Weissleder01]. PET's best characteristic is sensitivity: it is the most sensitive tech¬nique for medical molecular imaging, and the whole-body images it produces are unequalled by any other modality [Hoh97, Chae07]. Of course, it lacks anatomical reference, but this is a problem that can be easily overcome with X-ray (CT) (Computed Tomography) integration or coregistration [Lu07]. Moreover, even if PET uses relatively low statistics with respect to other modalities, which generally limits image resolution, it can produce excellent results by using dedicated detector geometries [Humm03]. Two remarkable examples for this kind of system specialization, that we will take as refer¬ence applications, are Positron Emission Mammography (PEM) and in-beam PET (ibPET) for dose delivery monitoring in hadrontherapy. However, the wide range of design possibilities has a counter effect: it re¬quires the development of specifically tailored acquisition systems, whose cost and performances could actually prevent the achievement of the theoretical advantages obtainable with a specialized detector assembly. This doctoral thesis aims at proposing an alternative technological archi¬tecture, able to achieve state of the art PET imaging performances by means of a compact, cost efficient acquisition platform, suitable for its adoption in both PEM and ibPET. Firstly, the state of the art and the controversies that prevent the broad use of dedicated PET in clinics will be explored. Special attention will be paid to the technological solutions and characteristics of previous PEM scanners. It will be also reviewed the current status of ibPET, with particular focus on the performances required to effectively support treatment planning in hadrontherapy. Secondly, a conceptual design solution will be discussed. Various alter-natives will be proposed and justified, with the aim of maximizing detection efficiency and minimize system cost. Through a series of intermediate pro¬totypes the various design choices are implemented and characterized. Thirdly, a final prototype of the acquisition system is designed and im¬plemented. This piece of hardware integrates and extends the solutions that have been validated through the previous systems. The research carried out during this thesis has allowed realizing a state of the art acquisition system that is suitable for specialized PET imaging in the clinical environment of the patient, and that will be used for further research in PEM and ibPET imaging.

El objetivo de esta tesis ha sido la creación de un sistema integrado para la ayuda al diseño de circuitos integrados "full custom", dentro del ámbito del diseño y utilización de los generadores de módulos (cad para vlsi). Para lograr un sistema abierto, potente y con facilidad de crecimiento, inicialmente se creo una estructura de datos para este tipo de herramientas, de utilización y acceso sencillos y que facilite la integración de nuevas herramientas. Se ha desarrollado también un interfaz adoptado al diseño de generadores de módulos. También, para facilitar la tarea del diseñador de mascaras, se creo un lenguaje con escasas sentencias y palabras clave, de sencilla utilización, que permite la descripción completa de los módulos a generar. Se ha dotado también al sistema de importantes características: independencia tecnológica, parametrización de los módulos, "instanciación" automática, evaluación pregeneración... También se han desarrollado herramientas como drc, colocación y conexionado, compactador, etc., necesarias en un entorno de diseño, realizando implementaciones eficientes de potentes algorítmos. Por último, se han creado algunos generadores de módulos y sistemas complejos, siguiendo la metodología propuesta

La tesis de la que se presenta este anteproyecto tiene como primer objetivo la optimización del crecimiento por Epitaxia de Haces Moleculares (MBE) de estructuras de AlGaAS/GaAS/InGaAS de baja dimensionalidad sobre substratos de GaAs (111)B con vistas a su aplicación en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de configuración guía-onda conlongitudes de onda de trabajo mayores a 1 um, con especial atención a láseres de pozo cuántico. La gran mayoría de los estudios realizados en el sistema InGaAs/GaAs para su aplicación en optoelectróncia hasta hace realtivamente poco tiempo, se centraba en heteroestructuras epitaxiadas sobre substratos GaAs (001). La principal razón de este hecho se basa en la relativa facilidad para obtener epitaxias de unas cualidades morfológicas, estructurales y ópticas adecuadas a las exigencias que requiere la fabricación de dispositivos optoelectrónicos. Sin embargo, intentos de extender las longitudes de onda de dispositivos en esta orientación por encima de la micra llevan a dispositivos poco fiables para su aplicación industrial. Para solventar este problema se propone en el presente trabajo el uso de una orientación cristalográfica novedosa: (111)B. La búsqueda de condiciones de crecimiento para este tipo de substratos es el motor principal de la presente Tesis Doctoral. Asimismo, se presenta un estudio del valor de los campos piezoeléctricos intrísecos a la heteroepitaxia coherente de InGaAs/GaAs (111)B mediante el uso de una técnica denominada "Fotocorriente Diferencial". Finalmente, se muestran resultados de caracterización de dispositivos láser fabricados con las obleas crecidas bajo las condiciones de crecimiento determinadas en el presente trabajo.

El modelo de codificación del sistema auditivo establece los criterios de codificación de los parámetros de amplitud; frecuencia y retardo de la señal sonora, tanto para estímulos tonales como para estímulos complejos. El modelo establece como estos procesos de codificación son soportados por el sistema auditivo y en particular por los mecanismos del oído y del tejido nervioso asociado a este sistema de percepción. Como consecuencia del modelo se establece el mecanismo de aprendizaje de frecuencia subjetiva basado en la imbricación del conexionado de las terminaciones nerviosas externas, con lo que se da un sentido funcional a estas, inexistente hasta el momento presente. El modelo establece los procesos de cancelación lógica y de ecualización lógica, los cuales permiten explicar la respuesta en frecuencia de las neuronas de tipo selectivo, a partir de la respuesta impulsiva de las terminaciones nerviosas por medio de operadores relacionales. Estos procesos unidos a los criterios de codificación de amplitud, frecuencia y retardo permiten explicar el comportamiento psicofísico del sistema auditivo: sonoridad subjetiva, frecuencia subjetiva, enmascaramiento, sonoridad en función del ancho de banda, respuesta impulsiva respuesta binaural y linealidad, obteniéndose unos resultados similares a los obtenidos experimentalmente. A diferencia de los modelos neuronales, en los que el comportamiento de una red neuronal desde un punto de vista microscopio se describe formalmente por modelos abstractos y heurísticos, el modelo propuesto establece el comportamiento global del sistema auditivo a partir de su fisiología. En la práctica, el modelo esta definido en dos fases, el modelo de parametrizacion lógica de la señal de habla, en el que el proceso de cancelación lógica produce respuestas neuronales lógicas: activada, no activada, y el modelo de codificación del sistema auditivo, el cual considera efectos secundarios relacionados con la fisiología del sistema auditivo, como es la respuesta impulsiva de las terminaciones nerviosas y de las neuronas