En esta memoria se presenta el crecimiento por epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PA-MBE) de compuestos (0001) III-N. Su estudio viene motivado por la necesidad de mejorar las prestaciones de los diodos electroluminiscentes (LED) con emisión en el rango visible-ultravioleta para su aplicación en sistemas de iluminación con luz blanca, sistemas de señalización, dispositivos de almacenamiento óptico de alta densidad y sistemas de esterilización. Los modos de crecimiento y la morfología del (0001) GaN se analizaron en función de la temperatura del sustrato y de la relación de flujos Ga/N. Los resultados evidencian tres modos de crecimiento: tridimensional (3D), capa a capa (2D) y por corrimiento de escalones (1D). Las condiciones de crecimiento que dan lugar a cada uno de estos modos se resumieron en un diagrama universal para el crecimiento de (0001) GaN por PA-MBE. La morfología y composición del ternario (0001) InAlN fueron analizadas en función de la relación de flujos y de la temperatura del sustrato. De manera análoga al GaN, los resultados obtenidos se emplearon para construir un diagrama universal de crecimiento. La obtención de capas de InxAl1-xN con x ~ 0.17 abrió las puertas a la fabricación de espejos Bragg (DBR) de InAlN/GaN con ajuste en red centrados a ~ 400 nm y con reflectividades de hasta un 60 % para un total de 10 períodos. El análisis presentado en esta memoria acerca de la incorporación de In en (0001) InAlGaN en función de la temperatura del sustrato y la relación de flujos Al/Ga muestra que la incorporación de In disminuye con ambos parámetros. La calidad cristalina de las capas de InAlGaN resultó ser comparable a la de los sustratos de GaN/zafiro empleados para su crecimiento. El estudio de sus propiedades ópticas, mediante fotololuminiscencia (PL) y espectroscopía de absorción, reveló la presencia de fenómenos de localización excitónica causados por fluctuaciones de composición. Para un contenido de In fijo, estos fenómenos resultaron ser tanto más notables cuanto mayor fue el contenido de Al. Debido a que la localización excitónica reduce la probabilidad de recombinación no radiativa, los resultados sugieren que el cuaternario InAlGaN puede ser empleado para mejorar la eficiencia de los LED de emisión ultravioleta. La optimización del crecimiento de los distintos compuestos III-N permitió la fabricación de LED con pozos cuánticos (QW). Variando la composición y el espesor de los QW se consiguieron LED con emisiones a 355 y 400 nm. Con objeto de fabricar en un futuro matrices de nano-LED se analizaron el crecimiento y las propiedades de las nanocolumnas (NC) de (0001) (Al)GaN. La optimización de su crecimiento auto-ensamblado, sobre sustratos de Si (111), hizo posible la fabricación de discos cuánticos (QDisk) de GaN embebidos en NC de AlGaN. Las propiedades de estos sistemas fueron estudiadas mediante PL en función del espesor de los QDisk y del contenido de Al de las NC y barreras. Para finalizar, se propone un modelo teórico para explicar el crecimiento auto-ensamblado de NC de III-N sobre Si(111). Abstract This thesis addresses the research on the growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) of (0001) III-N compounds. The studies carried out along this thesis were motivated by the need to improve the performance of the visible and ultraviolet light emitting diodes (LEDs) to be used in white light generation, traffic signals, high density optical storage devices and ultraviolet germicide sterilization. Growth mode and surface morphology of (0001) GaN were analysed as a function of growth temperature and impinging Ga/N flux ratio. The results reveal three different growth modes: three-dimensional (3D), layer-by-layer (2D), and step-flow (1D). A universal growth diagram was established, where the growth modes and the properties of the layers are depicted as a function of the growth parameters. Surface morphology and alloy composition of (0001) InAlN were investigated as a function on impinging fluxes and growth temperature. As in the case of GaN, the results were used to build up a universal growth diagram. The achievement of InxAl1-xN with x ~ 0.17 paved the way to the fabrication of ten periods lattice-matched InAlN/GaN distributed Bragg reflectors (DBRs) with peak reflectivity values up to 60 % at 400 nm. The studies presented in this thesis about In incorporation into (0001) InAlN show that it decreases with both growth temperature and impinging Al/Ga flux ratio. The crystal quality of InAlGaN layers was comparable to that of the GaN/sapphire templates used as substrate. The analysis of the optical properties by photoluminescence (PL) and optical absorption revealed an Al-enhanced exciton localization at potential fluctuations caused by alloy inhomogeneities. Since a stronger localization makes carriers less sensitive to defects and non radiative recombination, InAlGaN seems a promising choice for the active region in efficient ultraviolet LEDs. A proper optimization of the growth conditions for the different III-N compounds allowed the fabrication of LEDs with quantum wells (QWs) as active region. The LED emission wavelength was tuned at 355 and 400 nm by changing the QWs composition and thickness. To fabricate nano-LED arrays in the near future, the growth and properties of (0001) (Al)GaN nanocolumns (NCs) were studied. The optimization of the self-assembled PA-MBE growth of (Al)GaN NCs on Si(111) substrates enabled the subsequent growth of GaN quantum disks (QDisks) embedded in AlGaN NCs. The properties of these low dimensional systems were studied by PL as a function of QDisk thickness and the NC Al content. Finally, a theoretical model is proposed to explain the self-assembled growth of III-N NCs on Si(111).

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.

 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.