PUNTOS CUÁNTICOS DE GaN, APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
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 ("Swetting 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, 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 AlN.
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