Architectures based on Ga₂O₃ micro- and nanowires with applications in photonics

Résumé

Los óxidos conductores transparentes (TCOs) son materiales que combinan una baja absorción en el rango visible del espectro electromagnético con una conductividad eléctrica moderada. Perteneciente a la familia de los TCOs, el óxido de galio (beta-Ga2O3) tiene uno de los mayores band gaps de todos los semiconductores (casi 5 eV). Una de las aplicaciones menos exploradas de este material se encuentra en el ámbito de la fotónica. La fotónica está basada en el estudio de la generación, la detección y la manipulación de la luz para aplicaciones ópticas, en algunos casos con el objetivo de reemplazar ciertos dispositivos electrónicos. En este contexto, esta Tesis Doctoral está basada en el estudio y la modificación de las propiedades ópticas del Ga2O3 en la nanoescala para afianzar el atractivo de este material en aplicaciones fotónicas. En esta hemos constatado cómo distintas impurezas introducidas en los tratamientos térmicos pueden inducir el crecimiento de nanoestructuras de distinta dimensionalidad y morfología. Los dopantes que se han estudiado son el cinc (Zn), el germanio (Ge), el estaño (Sn) y el cromo (Cr). Se ha observado que cada una de ellos también afecta a las propiedades físicas de las estructuras. En primer lugar, hemos estudiado la incorporación del Zn en el Ga2O3. Mediante este dopante se puede analizar la influencia de las impurezas aceptoras en este material. También hemos realizado los primeros estudios sobre la incorporación de Ge en el Ga2O3, teniendo en cuenta que este dopante podría dar lugar a mejores dispositivos tipo n de Ga2O3. Además de estudiar su proceso de crecimiento, dichas estructuras han sido analizadas mediante microscopía electrónica y micro-espectroscopía Raman. A partir de los resultados anteriores, hemos dado un paso más en la optimización de los parámetros de crecimiento para obtener nanoarquitecturas de Ga2O3 - SnO2, es decir, nano-heteroestructuras complejas basadas en TCOs. Se han obtenido nanohilos de Ga2O3 recubiertos parcialmente con partículas de SnO2 de morfología poliédrica, los cuales hemos denominado ``estructuras tipo brocheta''. Por otro lado, hemos obtenido ``estructuras CW'', formadas por un hilo central de Ga2O3 e hilos cruzados de SnO2. Mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) hemos estudiado con profundidad tanto las brochetas como las estructuras CW, obteniéndose un buen acoplamiento de red a escala atómica en ambos casos. Además, las estructuras CW presentan guiado de luz. Finalmente, usando el microscopio de Haz de Iones Focalizado (FIB), hemos tallado patrones periódicos para obtener cavidades basadas en reflectores de Bragg (cavidades DBR). Hemos obtenido resultados prometedores: las cavidades DBR a partir de microhilos de Ga2O3:Cr han aumentado sustancialmente su reflectividad hasta el 80% en el rojo-IR cercano. Las resonancias se encuentran en los rangos de energía deseados en ambas polarizaciones, presentan una alta fineza y tienen una alta intensidad respecto a la luminiscencia no guiada. Además, muestran desplazamientos en longitud de onda resonante reversibles mediante la aplicación de distintas densidades de excitación del láser incidente, lo cual tiene aplicaciones en sensores de temperatura. Además, se han tallado de nanohilos no dopados cuya emisión se encuentra en el azul-UV. Por tanto, hemos logrado controlar y desplazar el rango de emisión y confinamiento de la luz en cavidades ópticas de Ga2O3 desde el rojo-IR cercano hasta el azul-UV. En resumen, en esta tesis hemos modificado y estudiado las propiedades estructurales y ópticas de micro- y nanoestructuras complejas de Ga2O3. Los resultados prometedores de los emisores de luz sintonizables de Ga2O3:Zn, las estructuras alargadas de Ga2O3:Ge, las nanoarquitecturas complejas de Ga2O3 - SnO2 y las micro- y nanocavidades ópticas DBR de Ga2O3 y Ga2O3:Cr son un avance importante para el desarrollo de dispositivos fotónicos de Ga2O3 en la micro- y nanoescala.