Composición, estructura interna y transporte electrónico de nanohilos individuales de In1-xGaxN e InN

Resumen

La posibilidad de sintonizar la banda prohibida de las aleaciones de In1-xGaxN desde el UV al IR variando x desde 0 a 1 es la base para potenciales aplicaciones de esta aleación como diodos emisores de luz (LEDs), del inglés “light emitting diodes”, diodos láser (LDs), del inglés “laser diodes” o células solares. Sin embargo, las inhomogeneidades en la composición y la segregación de fases, debido no sólo a la fata de sustratos con coeficientes de expansión térmica que se ajusten a los del InN y el GaN, sino también a la baja temperatura de disociación del InN comparada con la del GaN, dificulta el crecimiento de capas de alta calidad en todo el rango de composiciones. Con el objetivo de superar éstos problemas estudios teóricos y experimentales sugieren el crecimiento de In1-xGaxN en forma de nanohilos (NWs), del inglés “nanowires”. El primer objetivo de esta tesis ha sido estudiar las propiedades morfológicas, estructurales y ópticas de nanohilos (NWs), del inglés “nanowires”, crecidos sobre Si (111) por epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PA-MBE), del inglés “plasma assisted molecular beam epitaxy”, en ausencia de catalizador. Estando las temperaturas de sustrato (Ts) empleadas comprendidas en el rango entre 400 y 500ºC, y la concentración nominal de In ,[In], por encima del 40%, condiciones hasta ahora inexploradas. En primer lugar se estudia el efecto de la Ts de tres series de muestras crecidas bajo concentraciones de Ga nominales constantes tales que [Ga] = 7, 13 y 27%, y Ts barriendo el rango de temperaturas mencionado anteriormente. La morfología y el tamaño de las muestras se estudia a partir de las imágenes obtenidas en un microscopio electrónico de barrido (SEM), del inglés “scanning electron microscope”. Se observe un aumento del diámetro y de la longitud a medida que aumenta Ts, mientras que la densidad de NWs por área de muestra disminuye. La morfología de las muestras crecidas a menor Ts es de prisma hexagonal, empeorando a medida que aumenta la Ts. Todas la meustras también se caracterizan por espectroscopía Raman, difracción de rayos X (XRD), del inglés “X ray diffraction” y fotoluminiscencia (PL), del inglés “photoluminescence”, Las técnicas anteriormente mencionadas corroboran la existencia de una región muy rica en In, x~5%, otra de composición intermedia, x~25%, y una región rica en Ga, x>60%. El aumento de la Ts se traduce en una peor incorporación del Ga en las zonas más ricas en In y el efecto contrario en las zonas más ricas en Ga. El efecto la variación del suministro de Ga se estudia en muestras crecidas con Ts~450ºC constante y [Ga]= 7, 13, 27 y 60%. Las muestras crecidas con [Ga]<30% mostraron morfología de prisma hexagonal. El aumento en [Ga] dio lugar a una disminución en el diámetro de los NWs, y a un ligero aumento de su longitud promedio, mientras que la densidad aumenta. Al aumentar [Ga] al 60%, se observa una distribución de los tamaños de los NWs bimodal y un empeoramiento de la morfología de los NWs. En relación a la composición, las tres técnicas mencionadas anteriormente evidenciaron la existencia de las tres regiones que aparecen en el estudio del efecto de la Ts. Con el objetivo de encontrar el origen de las inhomogeneidades de las muestras se caracterizaron NWs individuales de cada muestra utilizando dos técnicas con resolución espacial nanométrica basadas en la dispersión de energía de rayos X (EDX), del inglés “energy dispersive X-ray spectroscopy. La primera de ellas utiliza como fuente de excitación el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión (TEM), del inglés “transmission electron microscope” y la segunda rayos X generados en un sincrotrón. Estas técnicas evidenciaron la existencia de una estructura núcleo-corteza en el interior de cada NW, revelando que las inhomogeneidades proceden del interior de cada NW. Dicha estructura se constituye por un núcleo que es prácticamente InN y que ocupa la mayor parte del volumen del NW, rodeado de una corteza más rica en Ga. El grosor de la corteza disminuye desde la base a la punta y su contenido en Ga sigue esa misma tendencia. Este modelo fue también verificado a través del estudio Raman resonante.... El crecimiento por MBE ha permitido obtener NWs de InN alta calidad, contribuyendo a una mejor comprensión de las propiedades fundamentales de los NWs de InN, como su alta conductividad tipo n, pese a que no estén intencionalmente dopados, y la existencia de una capa de acumulación tanto en las superficies polares como no polares. Sin embargo, es necesaria una mejor comprensión de las propiedades eléctricas de los NWs de InN es para explotar sus potenciales aplicaciones en dispositivos nanoelectrónicos. Hasta ahora, las configuraciones utilizadas en su caracterización eléctrica se han llevado a cabo a T ambiente en cofiguración FET, y de 2 y 4 puntas, pero estudios en función de la temperatura sólo se han hecho bajo la influencia de las resistencias de contacto. El segundo objetivo de esta tesis fue el estudio del transporte electrónico en NWs individuales de InN en configuración de 4 puntas en función de la temperatura, en el rango de 0 a 300K.