Estudio de estructura de baja dimensionalidad y avanzadas para la detección de radiación visible y ultravioleta basadas en nitruros del grupo III

En esta Tesis Doctoral se presenta una contribución al diseño, fabricación y caracterización de estructuras avanzadas para la detección de radiación ultravioleta y visible basadas en nitruros del grupo III. Los nitruros del grupo III se revelan como la familia de semiconductores potencialmente más prometedora para realizar detectores de radiación ultravioleta y visible debido a que, entre otras características, pueden desplazar su borde de absorción desde el infrarrojo ( 0.7 eV para el InN) hasta el ultravioleta ( 6.2 eV para el AlN) sin más que variar la composición de la aleación de (Al,Ga,In)N. Las aplicaciones de estos detectores son muy diversas tanto en el ámbito militar como civil, desde instrumentación básica, monitorización de la combustión o astronomía, hasta comunicaciones seguras o detección de misiles, por ejemplo. Por otra parte, las propiedades intrínsecas de estos materiales, como su elevada piezoelectricidad o su simetría cristalina en la fase wurtzita, sugieren la posibilidad de estudiar nuevos tipos de dispositivos aptos para la detección. El desarrollo de estructuras avanzadas ha seguido dos aproximaciones diferentes. Una consistente en la mejora de los parámetros básicos de los detectores. Para realizar esta tarea se han empleado estructuras basadas en las propiedades de la baja dimensionalidad. Y otra consistente en la aportación de funcionalidades añadidas a la detección, como son la sensibilidad a la polarización de la luz o la posibilidad de modificar la respuesta espectral de los dispositivos para permitir una detección paso banda. Para cumplir con este objetivo se ha hecho uso de las propiedades de anisotropía óptica de las capas en función de la orientación cristalina y la deformación. Las estructuras de baja dimensionalidad basadas en pozos cuánticos múltiples de (In,Ga)N/GaN fueron propuestas inicialmente para sustituir a los detectores fabricados en capas gruesas principalmente por razones tecnológicas. Este trabajo, sin embargo, se ha enfocado al estudio de las propiedades inherentes de estas estructuras y del material para la detección. Las predicciones teóricas y la caracterización tanto eléctrica como óptica demuestran que el comportamiento de los pozos cuánticos de (In,Ga)N/GaN está dominado por el efecto de los campos inducidos por la polarización y por el efecto de la localización originada por la inhomogeneidad en composición del (In,Ga)N. Los campos inducidos por la polarización tienen a su vez dos efectos, uno sobre las propiedades del pozo (intrapozo) y otro sobre la estructura (extrapozo). El efecto intrapozo resulta en la modificación de la estructura de subbandas en el pozo y en la reducción de la fuerza de oscilador de las transiciones observada experimentalmente. El efecto extrapozo da lugar a un campo eléctrico interno que puede oponerse al preexistente en la estructura (el de una unión p-n, por ejemplo) llegando incluso a crear regiones con campo promedio negativo. La localización, por otra parte, parece estar relacionada con la captura de huecos en mínimos de potencial ocasionados por la inhomogeneidad en composición del ternario. Se estudiaron también las propiedades de discos cuánticos mesoscópicos de (Al,Ga)N/GaN en estructuras nanocolumnares. Para explicar los resultados se ha desarrollado un modelo original que explica el mecanismo de confinamiento específico de este tipo de sistemas donde coexisten los efectos de la deformación pura con los campos inducidos por la polarización. El mecanismo, denominado confinamiento por deformación, sugiere que se pueden formar estados separados espacialmente en la dirección del plano de los discos. Se ha propuesto y demostrado un mecanismo de ganancia de fotocorriente propio de materiales piezoeléctricos que requiere de la existencia de un campo promedio negativo. Se fabricaron y caracterizaron detectores de tipo fotocoductivo, diodos de barrera Schottky y diodos p-i-n con pozos cuánticos como parte activa. Cada tipo de dispositivo se investigó haciendo énfasis en la eficiencia de colección y la reducción de la corriente en oscuridad. Se ha demostrado que la eficiencia de colección disminuye en gran medida para pozos que se encuentran en la zona cuasi-neutra con respecto a pozos que se encuentran en la zona de carga espacial de un diodo p-i-n. El segundo bloque de esta Tesis trata el diseño, la fabricación y la caracterización de detectores sensibles a la polarización de la luz basados en GaN orientado según el plano M y crecido sobre sustratos de LiAlO2. El cambio de orientación cristalina produce una modificación de las reglas de selección para luz incidente en la dirección perpendicular al plano de la muestra. Esta modificación se ve reforzada por el uso de sustratos que generan una deformación anisótropa en las capas. En la memoria se presentan cálculos basados en el formalismo kp para estructuras wurtzita que predicen las reglas de selección y las propiedades ópticas de dicroísmo encontradas en los experimentos. Los resultados de la caracterización eléctrica y óptica revelan algunas particularidades de este material, tales como la evolución de la deformación con la temperatura o las propiedades de las superficies del GaN plano M. Finalmente, se ha demostrado la realización de detectores cuya fotorrespuesta depende del ángulo de la polarización de la luz incidente cerca del borde de detección, es decir, en torno a la energía de la banda prohibida. Además de los resultados experimentales se ha desarrollado una metodología de diseño específica para este nuevo tipo de detectores donde la principal herramienta es el espesor de las capas. El espesor de las capas afecta al grado de relajación presente en el material y, por tanto, a la separación de las bandas de valencia inducida por la deformación y a las reglas de selección, así como a la cantidad de luz absorbida. Por último, se ha propuesto la construcción de sistemas que mejoran el contraste a la polarización de la luz y permiten conseguir detección en banda estrecha.