Optimización de técnicas ópticas y eléctricas para el estudio de heteroestructuras basadas en compuestos III-V

Abstract

En la primera parte de este trabajo se analizan diferentes técnicas experimentales tales como la Fotoluminiscencia (PL); Absorción Óptica (AO); Fotoexcitación de la Luminiscencia (PLE) Admitancia, que hemos utilizado para llevar a cabo la caracterización de capas epitaxiales de InGaAs crecidas sobre InP o GaAs, y de pozos cuánticos de InA1As/InGaAs/InA1As. Algunas de estas técnicas han sido desarrolladas específicamente para realizar este trabajo, tal es el caso de la PLE y la admitancia, y otras como la PL han sido perfeccionadas por lo que se hace una explicación muy detallada de los diferentes elementos del sistema experimental, así como de los problemas que surgen al poner a punto un montaje de este tipo. Uno de estos problemas surge al utilizar el detector de Ge, puesto que es muy sensible a radiaciones cósmicas parásitas que producen ruido en la señal medida. Para evitar este ruido hemos diseñado y construido un filtro discriminador de dicha radiación. En el caso de la absorción óptica se ha utilizado un espectro comercial que trabaja mediante transformadas de Fourier por lo que en este apartado nos dedicamos a analizar los aspectos básicos que podemos observar en estos espectros, así como las precauciones que se han de tomar a la hora de realizar las medidas.<br/><br/>En la segunda parte del trabajo hemos llevado a cabo la caracterización de las capas epitaxiales de InGaAs crecidas sobre InP o GaAs. Para ello hemos desarrollado una técnica de análisis basada en el estudio de las transiciones ópticas banda-banda.<br/><br/>En primer lugar se hace una introducción sobre la problemática del crecimiento de capas epitaxiales deformadas basadas en aleaciones de semiconductores III-V.<br/><br/>A continuación establecemos las líneas básicas del método de análisis que hemos desarrollado para extraer informaci6n de las medidas de AO y PL. Primero hacemos un estudio de la influencia de la deformaci6n y de la composición de la capa en la estructura de bandas del semiconductor. Después mostramos la forma en que realizamos el ajuste de los espectros experimentales a una expresión analítica del coeficiente de absorci6n 6ptica. En dicho ajuste se tiene en cuenta tanto el desdoblamiento de la banda de valencia en una subbanda debida a los huecos pesados y otra debida a los huecos ligeros, como las dispersiones energéticas de estas subbandas. De los ajustes obtenemos los parámetros siguientes: la energía del gap (E(G)); el desdoblamiento energético de las dos subbandas de valencia (Delta-E); la relación de intensidades de los dos frentes de absorción (A(HH)/ A(LH)); la energía de ligadura del excitón y la dispersión energética de las dos subbandas (Sigma-HH y Sigma-LH). Y a partir de éstos podemos deducir otros parámetros que nos permitirán realizar una caracterización apropiada de la muestra. Estos son: la deformación media (Epsilon-II); la fracción molar de In (x); la deformación máxima (Epsilon-Máx); la deformación remanente (Ni); el tipo de deformación (compresión o tensión); y las variaciones microscópicas de deformación o de composición, según el caso.<br/><br/>Una de las contribuciones más importantes de este trabajo reside precisamente en el análisis de la relación entre las dispersiones energéticas de las dos subbandas. Hemos demostrado que un análisis de este tipo nos permite averiguar si las dispersiones energéticas son debidas a: inhomogeneidades de composición, en el caso de que Sigma-HH y Sigma-LH sea menor o del orden de 1; o inhomogeneidades de deformación si Sigma-HH y es mayor que Sigma-LH en particular este cociente es del orden de 2.8 para una x de unos 0.5.<br/><br/>La técnica de análisis desarrollada ha sido aplicada a un conjunto de muestras, lo que nos ha permitido obtener gran información sobre del estado de estas capas. Por ejemplo, hemos podido analizar la modulación de contraste gruesa observada mediante TEM. También hemos estudiado la calidad cristalina de las capas de InGaAs crecidas sobre GaAs en función de la fracción molar de In, comprobando que las dispersiones energéticas son debidas a inhomogeneidades de composición y que éstas son un efecto de la deformación media y no de las dislocaciones de la capa. En cambio, en otras muestras de InGaAs sobre InP comprobamos que las dispersiones energéticas son debidas a inhomogeneidades de deformación, en estas capas detectamos la presencia de dominios de deformación delimitados por dislocaciones. También hemos realizado un estudio del efecto del tamaño del excitón en los resultados de las medidas, estableciendo un límite de resolución de esta técnica, consecuencia del cual es la imposibilidad de estudiar la modulación de contraste fina observada mediante TEM. Por último hemos realizado un ajuste de la evolución de la energía del gap con la temperatura para el In(0'53)Ga(0'47)As, mediante la ley de Varshni obteniendo unos resultados que mejoran los presentes en la literatura.<br/><br/>En el último apartado del trabajo hemos realizado la caracterización de pozos cuánticos. En primer lugar hacemos un estudio teórico sobre el cálculo de niveles energéticos en este tipos de estructuras, en este estudio hemos tenido en cuenta efectos de no parabolicidad de las bandas siguiendo el modelo de Kane. Hemos aplicado el análisis precedente al InGaAs e InAlAs, y a los pozos creados en la heteroestructura InAlAs/InGaAs/InAlAs. Esto nos ha permitido realizar los cálculos necesarios para obtener la energía de las transiciones tanto entre niveles ligados de los pozos creados en la banda de conducción y de valencia, como de las que ocurren entre un nivel ligado del pozo y la banda de conducción de la barrera.<br/><br/>Hemos utilizado estas energías para ajustar las obtenidas mediante la medida de espectros de PLE para obtener el band-offset. Esta técnica nos permite medir el band-offset en pozos no deformados pero presenta problemas cuando hay deformaciones, además de que está sujeta a problemas como son el desconocimiento de la energía de ligadura del excitón o la energía del gap del semiconductor que forma el pozo. Para evitar estos problemas hemos desarrollado una técnica, basada en mediadas de admitancia, que permite trabajar con las transiciones entre un nivel ligado del pozo y la banda de conducción de la barrera. Como consecuencia hemos podido medir el band-offset tanto en muestras no deformadas como en muestras deformadas.

<i>In this work we have optimized some experimental techniques, such as Photoluminiscence (PL); Optical Absorption (OA); Luminiscence Photoexcitation (PLE) and Admittance, in order to characterize InGaAs epitaxial strained layers grown on InP or GaAs, and InAlAs/InGaAs/InAlAs quantum wells.<br/><br/>To perform the characterization of the layers we have developed an analysis method based on the study of band to band optical transitions. Matching the spectra measured by OA or PL, we get the parameters that show the layer state: the gap energy; the splitting of the valence band; the medium strain; the molar composition; the maximum strain; the remanent strain; the sign of the strain (compressive or tensile) and the energetic dispersion of the two subbands. One of the most important contributions that we have made is the analysis of those dispersions, which ratio, we have demonstrated, gives us information about the origin of the microscopical inhomogeneities of the layer (composition variations or strain fields). The analysis has been applied at a wide set of samples giving us very interesting results in subjects such as the coarse contrast modulation observed by TEM, the crystal quality of the InGaAs layers grown on GaAs in function of the In molar fraction, and the strain origin in InGaAs layers grown on InP. Also, we have adjusted the gap evolution with temperature of the In(0'53)Ga(0'47)As, that improves the results that we could find in literature.<br/><br/>For the quantum well characterization, first we have made a theoretical analysis of the energetic levels in such structures. In this analysis non-parabolicity of the bands has been taken into account according to the Kane model. After that, we have made optical measures of PLE to determine the band-offset. In the same way we have developed an analysis technique based on admittance, in order to avoid the problems inherent to optical transitions, such as the unknowledge of the binding exciton energy and the gap energy. </i>