Porous gan produced by cvdprogress in development and characterization

Resumen

La societat actual està experimentant un creixement constant en la demanda d'energia. Una part significativa d'aquesta energia es emprada per il•luminació tant domestica com industrial o enllumenat públic. Per aquest motiu es imprescindible buscar alternatives a les fonts de llum convencionals que ja aquests tenen un rendiment energètic baix. Les bombetes incandescents les quals van ser la principal font d'il•luminació durant moltes dècades, constaven d’un fil de tungstè pel qual passava un corrent elèctric i que per efecte Joule s’escalfava fins a temperatures elevades, emetent llum per radiació d'un cos negre. Bé, doncs el rendiment energètic d’aquestes bombetes és de no més del 10%, la resta de l’energia es dissipa en forma de calor i radiació electromagnètica no perceptible a l’ull humà. Després va aparèixer el tub fluorescent, el rendiment energètic del qual és del 30% i la seva vida operativa mitjana és de 6.000 h. Això implica que encara un 70% de l’energia produïda és perd en forma de calor El nitrur de gal•li (GaN) és un semiconductor amb una banda prohibida ampla amb aplicacions importants en els LED de la llum blanca, que són una alternativa atractiva a les fonts de llum convencionals a causa de la seva llarga vida útil, robustesa física, unitats de mida petita i un mínim impacte ambiental, ja que consumeixen un 65% menys d'energia que les LFC i redueixen les emissions de mercuri en un 50%. Al reemplaçar fonts de llum convencionals per LEDs s'espera una Reducció del voltant del 20% en l'electricitat consumida total. El GaN, en la seva forma porosa, s'espera que millori l'extracció de llum d'aquests LEDs. En els últims anys el GaN ha atret l'atenció del món dels sensors, i molts prototips s'han fabricat dispositius utilitzant HEMT. S'espera que els sensors basats en GaN porós ampliïn la superfície de contacte de l'analit amb la superfície del sensor, augmentant la sensibilitat. A més, la realització d'aquests sensors específics per a un analit concret es pot aconseguir funcionalizant la superfície del dispositiu. L'objectiu principal d'aquesta tesi és optimitzar les condicions de creixement per a la fabricació de GaN porós, així com el creixement de InGaN porós, i GaN porós dopat amb Mg i Si per poder fabricar dispositius basats en la unió p-n tals com LEDs i HEMT. En aquesta tesi s'ha abordat també l'estudi de la funcionalització química amb silans i sals de diazoni de la superfície GaN per tal de fabricar més sensors eficients i selectius. Les partícules i les capes epitaxials nanoporoses de GaN es van sintetitzar en un sol pas mitjançant deposició química de vapor (CVD de les seves sigles en anglès) a través de la reacció directa entre el gal•li i l'amoníac. Per al dopat de les partícules i capes poroses, es van triar l’acetilacetonat de magnesi i l’acetat de silici com a precursors de Mg i Si, respectivament, per generar els semiconductors de tipus p i n, respectivament. Els resultats obtinguts mostren avenços prometedors per a la fabricació de dispositius porosos basats en les unions p-n i la funcionalització de superfícies de GaN per a aplicacions de detecció. La caracterització morfològica de les partícules de GaN es va fer mitjançant SEM i ESEM. Aquest tipus de microscòpia ens permet visualitzar amb facilitat la porositat de les partícules de GaN que es de l'ordre de 100 nm. Un dels paràmetres estudiats en la deposició de capes de partícules de GaN porós sobre diferents substrats va ser la orientació d'aquestes partícules. Tot i que visualment es pot apreciar per SEM, la difracció de raigs-X en ha ajudat a determinar en cada cas si existia una orientació preferencial d'aquestes partícules o no. Una de les principals aplicacions del GaN es en optoelectrònica degut a les seves propietats com a material luminescent, per estudiar les propietats luminescents del GaN tant dopat com no dopat s'ha emprat principalment la catodoluminescència i fotoluminescència a baixa temperatura (80 K) amb col•laboració amb la Universitat de Valladolid. A l'hora aquestes tècniques ens permet avaluar certes propietats estructurals del GaN porós crescut. Una part de la tesis ha sigut dedicada a l'estudi de les propietats hidrofòbiques de les capes poroses de GaN. Per aquest propòsit s'ha mesurat l'angle de contacte entre una gota sèssil damunt de la capa de GaN porós. Per mesurar aquest angle s'ha emprat un goniòmetre que mesura el angle de contacte utilitzant la gravació d'imatges. Aquesta tècnica ens permet mesurar amb facilitat si la superfície es comporta hidrofòbicament o hidrofílicament. A l llarg d'aquesta tesis em estudiat com afecten alguns paràmetres experimentals en el creixement de partícules i capes poroses de GaN i com aquestes afecten a la seva morfologia externa. També s'han fet avenços en el dopatge de partícules de GaN porós amb magnesi i silici, imprescindible per a les seves aplicacions en optoelectrònica i electrònica. L'evolució de la porositat al llarg del temps de deposició en capes poroses de GaN s'ha estudiat, com també s'ha estudiat com afecta el temps de deposició en la seva estructura mitjançant tècniques indirectes com són la catodoluminescència, la fotoluminescència i la dispersió Raman ressonant. En el mateix context també s'ha estudiat com influeix la porositat de la mostra en les seves propietats com a material inicialment hidrofílic, però que amb la porositat adequada es pot convertir en un material hidrofòbic. Finalment, s'ha explorat la possibilitat de funcionalitzar químicament superfícies de GaN amb silans i sals de diazoni. Els resultats apunten a que es possible funcionalitzar la superfície del GaN amb silans, de mateixa manera que apunta a que algunes sals de diazoni són útils per a funcionalitzar la superfície del GaN.