Crecimiento por MBE de pozos cuánticos de InGaAsN sobre GaAs (111)B y (100) para su aplicación en láseres de semiconductor

 En este trabajo se presenta el crecimiento por epitaxia de haces moleculares de InGaAsN sobre GaAs (111) B y (100), para su aplicación al desarrollo de dispositivos optoelectrónicos para comunicaciones ópticas, basados en la tecnología bien desarrollada del GaAs. La utilización de sustratos GaAs (111)B viene motivada por las propiedades que podrían presentar las heteroestructuras tensionadas crecidas sobre este tipo de orientación, similares a las del sistema InGaAs/GaAs (111)B: Existencia teórica de un campo piezoeléctrico, distintas propiedades para el espesor de capa crítico y la posibilidad de realizar dispositivos electro-ópticos no lineales. Se presenta la dependencia de la calidad óptica y estructural de pozos cuánticos de InGaAsN sobre sustratos desorientados de GaAs (111) B con los parámetros de crecimiento: Velocidad de crecimiento, flujo de arsénico, temperatura de sustrato. Esta calidad es estudiada mediante diferentes técnicas estructurales (Microscopía de Transmisión de Electrones, de Fuerza Atómica, de Barrido de Electrones y Nomarski) así como técnicas de caracterización óptica (Fotoluminiscencia y catodoluminiscencia). Se observa cómo es necesario un elevado flujo de arsénico y una baja temperatura de crecimiento para optimizar la emisión de los pozos cuánticos. Para el crecimiento de nitruros diluidos en esta Tesis Doctoral se caracteriza y optimiza un plasma de nitrógeno generado por radiofrecuencia, y se presenta un método para caracterizar plasmas usados en crecimiento in-situ, utilizando para ello una sonda Bayard-Alpert. Mediante este método, se puede detectar la presencia de iones llegando sobre el sustrato durante el crecimiento. La aplicación de campos magnéticos para deflectar los iones del plasma demuestra que la calidad estructural y óptica de los pozos cuánticos de InGaAsN es muy dependiente de la presencia de iones durante el crecimiento: Al reducir la densidad de iones la emisión de los pozos cuánticos aumenta, y su modulación de composición se reduce. Asimismo, se aplicaron procesos de recocido térmico rápido a los pozos cuánticos de InGaAsN sobre GaAs (111)B, encontrándose que existe una temperatura para la cual éste aleado es óptimo, y la emisión óptica aumenta casi dos órdenes de magnitud, la anchura se reduce y se desplaza hacia mayores energías. Se encontró que todos estos efectos observados son dependientes de las propiedades estructurales del pozo cuántico bajo estudio, necesitándose menores temperaturas de recocido para las muestras con una mejor calidad estructural de partida. Por último, se presentan los resultados de la caracterización óptica y eléctrica de los primeros dispositivos con estructura de diodo p-i-n y láseres de semiconductor de pozo cuántico de InGaAsN/GaAs (111)B, demostrándose emisión láser a temperatura ambiente, en régimen pulsado, mostrándose así la viabilidad de este material para el desarrollo de dispositivos para comunicaciones ópticas. En cuanto al GaAs (100) se utiliza como superficie base para establecer una comparación, pues los dispositivos sobre (100) han sido extensamente estudiados en la literatura y están disponibles en los comercios.