Nanotecnología

En esto consiste una de las aplicaciones nanotecnológicas del GaN, ya que, en determinadas condiciones de crecimiento, pueden obtenerse nanohilos autoensamblados de diámetros reducidos, con una alta cristalinidad. Éstos pueden utilizarse en la fabricación de láseres, dispositivos emisores de luz o cristales fotónicos (figura 2).

                                    Figura 2

Las columnas que se obtienen están libres de dislocaciones y presentan una eficiencia de extracción de luz bastante buena (los picos de fotoluminiscencia que aparecen son más intensos que en el caso del GaN crecido de forma convencional). Cuando se utilizan pozos cuánticos múltiples de InGaN/GaN embebidos en los nanohilos, los pozos de InGaN quedan encerrados entre las barreras de GaN, estando los alrededores del hilo rodeados por aire. Esto hace que se cree la estructura de disco cuántico.

Recientemente, se han fabricado LEDs basados en nanohilos InGaN/GaN con pozos cuánticos múltiples de InGaN [1]. Estos dispositivos son capaces de emitir a temperatura ambiente desde el rojo hasta el azul, pero en general lo que se observa en estas estructuras es que emiten en múltiples colores. La nucleación cristalina aleatoria y espontánea en el estadio inicial de crecimiento de las nanocolumnas introduce fluctuaciones tanto en la composición como en el tamaño, y esto queda reflejado en la emisión multicolor que se observa. Para evitarla y poder seleccionar un color de emisión concreto, se hace necesario homogeneizar tanto la composición como el tamaño de las nanoestructuras.

Esta homogeneización puede conseguirse con un crecimiento selectivo de los nanohilos de nitruro de galio [2]. Para ello, se pueden utilizar nanopuntos nitrurados de aluminio sobre sustratos de silicio (111) que actúen como centros de nucleación para el GaN. Este último se crece mediante el procedimiento de epitaxia de haces moleculares asistida por plasma generado por radiofrecuencia (rf-MBE), obteniendo estructuras tubulares tanto en el sustrato de silicio como alrededor de los nanopuntos de AlN. La desviación del grosor de la pared del tubo que crece a partir de los nanopatrones de aluminio es menor que el diámetro de las nanocolumnas que crecen sobre el propio sustrato de silicio. Es más, si se elige adecuadamente la temperatura de deposición, se puede inhibir el crecimiento del GaN sobre el sustrato, de forma que los nanohilos crecen únicamente en las zonas donde se hayan depositado los nanopuntos de AlN (figura 3: [2]).

                                  Figura 3

[1] Xu, T., Nikiforov, A. Y., France, R., Thomidis, C., Williams, A., Moustakas, T. D., Blue-green-red LEDs based on InGaN quantum dots grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy, phys. stat. sol. (a) 204, nº 6, 2098-2102 (2007).  

[2] Ishizawa, S., Kishino, K., Kikuchi, A., Selective-Area Growth os GaN Nanocolumns on Si (111) Substrates Using Nitrided Al Nanopatterns by RF-Plasma-Assisted Molecular-Beam Epitaxy, Applied Physics Express 1, The Japan Society of Applied Physics, 2008.

Los semiconductores compuestos III-V forman una familia muy grande, con propiedades muy diversas (figura 1). Nos podemos encontrar con compuestos de gap directo o indirecto, y con parámetros de red de entre 3 Å hasta casi 6,5 Å, lo que ofrece la posibilidad de cubrir un rango de longitudes de onda muy amplio.

                                          Figura 1

De esta familia, los más recientes son los semiconductores basados en nitruros, como pueden ser el AlN, GaN o InN. Los tres cristalizan en la estructura wurtzita (hexagonal), con parámetros de red de entre 3,1 Å y 3,55 Å, aunque también pueden estabilizarse en una estructura cúbica metaestable. Los 6,2 eV de gap del AlN, los 3,46 eV del GaN y los 0,8 eV del InN hacen que combinando los tres compuestos para formar ternarios se pueda tener un margen de maniobra en longitudes de onda que va desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, existiendo multitud de posibilidades.

El nitruro de mayor interés actualmente es el GaN, que suele combinarse con los otros dos nitruros formando ternarios como el AlGaN o el InGaN. El interés que tienen estos nitruros es que son semiconductores de gap ancho, con emisión en azul, lo que posibilita por un lado fabricar dispositivos que emitan en dicho color, y por otro obtener una mayor resolución de lectura de datos grabados debido a que la longitud de onda es menor. Pero su utilidad no acaba ahí, puesto que las características del enlace covalente entre el galio y el nitrógeno hacen que sea un compuesto especialmente apto para aplicaciones de electrónica de potencia (transistores de alta frecuencia…), donde se debe disipar una gran cantidad de calor, así como para entornos de gran agresividad química. En cambio, el nitruro de galio masivo tiene la desventaja de que sólo cuenta con sustratos muy específicos de crecimiento, como puede ser el zafiro, ya que en los demás los defectos que se crean en la interfase hacen que las

Una gran variedad de dispositivos electrónicos utilizan estructuras de pozos cuánticos múltiples, pero el hecho de utilizar este tipo de estructuras en el sistema InGaN/GaN plantea un inconveniente, ya que la eficiencia cuántica interna del dispositivo disminuye con la fracción molar de InN [1]. Esto se debe a problemas relacionados con los dominios desordenados que pueden aparecer en la aleación InGaN, ya que los gaps que ven los portadores son distintos en función de si la estructura está ordenada o desordenada (alloy scattering). Estos gaps forman una heteroestructura de tipo II, con lo que los portadores, al estar espacialmente separados son incapaces de recombinarse eficientemente. La solución a este problema consiste en confinar los pozos de InGaN en nanohilos, formando estructuras de punto cuántico y eliminando la inhomogeneidad estructural causada por la aleación.

Durante los últimos años han sido desarrollados dispositivos emisores de luz con alta eficiencia, desde el UV hasta el IR usando semiconductores formados por nitruros de metales del grupo III-b, como por ejemplo GaN , abriendo así un gran campo de aplicaciones entre las que podemos destacar la obtención de LEDs (diodos de emisión de luz) verdes y azules y la obtención de diodos láser azules para lectores de DVD que permiten una mayor capacidad de almacenamiento en los mismos que los actuales diodos láser rojos, debido a su menor longitud de onda. Esto es la base del famoso Blu Ray ®. El problema con estos dispositivos es la alta densidad de dislocaciones con que se producen hasta la fecha, lo cual hace disminuir su eficiencia cuántica. Esto quiere decir que disminuye el porcentaje de relajaciones electrónicas que se producen con emisión de luz porque aumentan las relajaciones electrónicas a través de las vibraciones de los átomos que forman la red cristalina. En los LEDs de GaN la densidad de dislocaciones suele ser de 10⁹-10¹⁰ cm^-2, mientras que para los diodos láser de GaN esta densidad de dislocaciones debe ser reducida y suele ser de 10⁶-10⁷ cm^-2., y esto se debe a que hasta estos últimos años no han sido desarrollados sustratos de GaN sobre los que crecer los diodos del mismo GaN.

Una forma de eliminar la influencia de las dislocaciones en la estructuras emisoras de luz consiste en usar puntos cuánticos (las tres dimensiones del orden de los nanómetros) en la zona activa del material.

En la última década ha habido una extensa investigación sobre estos puntos cuánticos en semiconductores. Comparado con el material masivo (tres dimensiones) y con los pozos cuánticos (dos dimensiones), los puntos cuánticos son el prototipo de sistema de cero dimensiones. Los estados electrónicos en los puntos cuánticos están localizados y la energía está totalmente cuantizada. Debido a la cuantización, la densidad de estados cerca del gap es menor, es decir, los niveles electrónicos están más localizados que en sistemas de tres y dos dimensiones, lo que lleva a una mayor deslocalización del momento de esos electrones y por tanto a una mayor eficiencia para las transiciones ópticas. Esta es la más deslumbrante ventaja de los puntos cuánticos para potenciales aplicaciones en dispositivos emisores de luz y en dispositivos detectores.

Además, los puntos cuánticos son más estables a las perturbaciones térmicas y localizan a los portadores inhibiendo su migración a centros de recombinación no radiativa como son las dislocaciones.

De entre los distintos métodos para el crecimiento de puntos cuánticos de semiconductores, el más relevante es el de Stranski-Krastanow de autoorganización (“self assembling”) de los puntos cuánticos, que consiste básicamente en un crecimiento 2D de varias monocapas de semiconductor, llamada capa mojante (“wetting layer”) seguido de la autoformación de pequeñas islas que son los puntos cuánticos: cuando comienzan a crecer las primeras capas del semiconductor sobre el sustrato, debido a la diferencia entre los parámetros de red y entre los coeficientes de dilatación de ambos, el semiconductor va creciendo con una energía elástica acumulada, que va creciendo a medida que aumenta el espesor de la película de semiconductor que se está creciendo, por lo que llegado a un espesor crítico se va a producir la relajación de la película de semiconductor. En este caso, el campo de tensiones fuerza a los átomos a coalescer y la relajación elástica se puede producir en parte mediante la formación de nanoislas sobre esta capa mojante. Estas nanoislas, libres de dislocaciones, son los puntos cuánticos, y sus dimensiones suelen ser piramidales como se puede ver en la imagen, con una altura de uno 3-8 nm y una anchura de unos 10-30 nm.

El GaN por ejemplo se puede crecer por MBE (epitaxia de haces moleculares) sobre un sustrato de silicio (también se pueden usar como sustratos el zafiro y el SiC, pero son más caros) poniendo entre ambos una capa de unos 3000 nm de AlN (“buffer” o “colchón”), que posee la misma estructura cristalina que el GaN (wurtzita) y consecuentemente un parámetro de red y un coeficiente de dilatación térmica más parecidos a los del GaN, y que es capaz de absorber y disipar la mayoría de las tensiones producidas por los distintos parámetros de red y coeficientes de dilatación térmica entre el GaN y el silicio. Tras la deposición de unas pocas monocapas de GaN sobre el AlN (entre 3 y 12), se interrumpe el crecimiento por unos pocos segundos (10 ó 12 s) y se produce la autoformación, debido a la relajación de la red del GaN, de esas pequeñas islitas de GaN llamadas puntos cuánticos.

En la imagen podemos ver un apilamiento de puntos cuánticos de GaN separados de capas de “buffer” de AlN.