estudio de las propiedades fÍsicas del algaas para

ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES

FÍSICAS DEL AlGaAs PARA POSIBLES

APLICACIONES EN DISPOSITIVOS Y

CELDAS SOLARES

JUAN DAVID LOSADA LOSADA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE CIENCIAS EXÁCTAS Y NATURALES,

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA

MANIZALES, COLOMBIA

2019

ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL

AlGaAs PARA POSIBLES APLICACIONES EN

DISPOSITIVOS Y CELDAS SOLARES

STUDY OF THE PHYSICAL PROPERTIES OF

AlGaAs FOR POSSIBLE APPLICATIONS IN

DEVICES AND SOLAR CELLS

JUAN DAVID LOSADA LOSADA

Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ciencias – Física

Director:

Doctor, Álvaro Pulzara Mora

Universidad Nacional de Colombia

Manizales

Línea de Investigación:

Materiales semiconductores III-V

Grupo de Investigación:

Nanoestructuras Semiconductoras

Magnetismo y Materiales Avanzados

Universidad Nacional de Colombia

Facultad Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física

Manizales, Colombia

2019

A mi mamá Amelia, cada uno de mis logros

por grande o pequeño que sea, siempre será

gracias a su amor. A mi papá y hermanos

porque siempre tuvieron las palabras precisas

que sirvieron como aliento para continuar mi

camino.

A mis tías Sara y Leonor, porque aun en la

distancia siempre sentí su amor y su apoyo.

Agradecimientos

Quiero agradecer principalmente a mi profesor y director de tesis el Dr. Álvaro Pulzara

Mora, por marcarme el camino a seguir, y por compartir sus conocimientos para el

desarrollo de esta tesis.

A mi compañero y amigo el Dr. Jorge Iván Montes por su tiempo y sus consejos.

Al Laboratorio de Nanoestructuras Semiconductoras de la Universidad Nacional de

Colombia, sede Manizales en donde compartí tiempo con personas que fortalecieron mi

desarrollo personal y profesional: Camilo Pulzara, Sara, Andrés Forero, Martin Ayerbe y

especialmente Roberto Bernal, entre otros. ¡Gracias muchachos!

Al Dr. Oscar Hernán Giraldo director del Laboratorio de Materiales Nanoestructurados y

Funcionales de la Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales por su

colaboración en las medidas Rayos X.

Al Dr. Carlos Vargas Hernández director del Laboratorio de Propiedades Ópticas de los

materiales de la Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales por contribuir con

las mediciones de Espectroscopia Raman.

Al Ingeniero John Edwer Alzate Betancur del laboratorio de Química de la Universidad

Nacional de Colombia, sede Manizales por su disposición y colaboración durante las

medidas de UV-Vis.

A los ingenieros Néstor Eduardo Sánchez Ospina y Carolina Valencia por las medidas

SEM y EDS realizadas en Tecnoacademia SENA, Manizales.

A Catalina Giraldo le agradezco el apoyo brindado y la paciencia que tuvo durante todo

este tiempo.

A mis amigos Alvin Leonardo Tejada, Oscar Eduardo Fernández, Cristian Carvajal, Arlis

Javier Rojas, Diego Andrés Montealegre, Natalia Idárraga Arias, Edgar Mauricio Caleño,

Cristian Ceballes y todos los que me apoyaron de alguna forma durante este proceso.

A COLCIENCIAS por la beca otorgada en el año 2015 con su programa “Jóvenes

Investigadores e Innovadores”.

A la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad Nacional de Colombia,

sede Manizales por el apoyo económico para participación en eventos Nacionales e

Internacionales, enfocados en la divulgación del conocimiento.

Resumen

En la actualidad, la mayor parte de los dispositivos electrónicos son fabricados a partir de

materiales semiconductores. Debido a sus múltiples aplicaciones no solo en dispositivos

optoelectrónicos sino también en celdas solares, los materiales semiconductores de los

grupos III-V han sido objeto de estudio en muchos centros de investigación.

Por tal motivo es que en este trabajo nos enfocamos en estudiar las propiedades ópticas

y estructurales de películas delgadas de AlGaAs obtenidas mediante la técnica de

depósito pulverización catódica asistida por campo magnético. Este material en

particular, despierta un gran interés debido a que su ancho de banda de energía puede

variar desde 1,42 eV para el GaAs hasta 2,17 eV para el AlAs, dependiendo de la

concentración de Al en el ternario, y con una pequeña variación en su parámetro de red,

lo que favorece la formación de multicapas.

Las películas fueron depositadas sobre sustratos de vidrio y Si con orientación (100) y se

utilizaron blancos de Al y GaAs de alta pureza. Aprovechando las ventajas de la técnica

de depósito se realizaron diferentes muestras variando la temperatura del sustrato, la

potencia de los blancos y el tiempo de depósito, debido a que pequeñas variaciones en

estos parámetros pueden generar cambios importantes en las propiedades de la capa

final. Para el análisis de las propiedades físicas se utilizaron las técnicas de

caracterización difracción de rayos x, espectroscopia Raman y espectroscopia UV-Vis.

La información obtenida nos permitió caracterizar cada muestra, y relacionar la influencia

de cada una de las variables, que podíamos controlar, con las propiedades físicas del

material depositado.

Los resultados obtenidos nos permiten asegurar que hemos logrado encontrar las

condiciones para el depósito de películas delgadas de AlGaAs por medio de la técnica

de pulverización catódica asistida por campo magnético.

Palabras claves: Películas delgadas, Semiconductores, AlGaAs, Espectroscopia Raman

Abstract

Nowadays, most electronic devices are made of semiconductor materials. Due to their

multiple applications, not only in optoelectronic devices but also in solar cells, the III-V

semiconducting materials have been studied in many research centers.

Therefore, in this research we focus on studying optical and structural properties of thin

films obtained by the magnetron sputtering technique. This particular material prompts

great interest in science because its band gap can range from 1.42 eV (GaAs) to 2.17 eV

(AlAs), depending on Al concentration in the ternary semiconductor, and with a small

variation in its lattice parameter, which leads to the formation of multilayers.

Thin films were deposited on glass and Si substrates with (100) orientation and using high

purity targets of Al and GaAs. Different samples were grown varying the substrate’s

temperature, the targets’ power and the deposition time; because small variations in these

parameters may generate important changes in the semiconductor´s properties. To

analyze the physical properties, x-ray diffraction, Raman spectroscopy and UV-Vis

spectroscopy techniques were used.

The results allowed us to characterize each sample, and associate the influence of each

of the variables that we can control, with the physical properties of the deposited material.

The results allowed us to confirm that we have found the conditions to grow AlGaAs thin

films by R.F Magnetron Sputtering.

Keywords: Thin films, Magnetron Sputtering, AlGaAS, X-Ray Diffraction, Raman.

Contenido Pág.

Resumen ................................................................................................................................................................ IX

Lista de figuras .................................................................................................................................................. XIII

Lista de tablas...................................................................................................................................................... XV

Introducción ........................................................................................................................................................... 1

1. Capítulo Introducción a los Semiconductores .......................................................................... 3 1.1 Semiconductores ......................................................................................................... 3

1.1.1 Modelo de Electrones Casi Libres.................................................................... 4 1.1.2 Bandas de Energía .................................................................................................. 7 1.1.3 Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos ............................................................ 8 1.1.4 Semiconductores de Gap Directo e Indirecto ....................................................... 11 1.1.5 Semiconductores III-V ........................................................................................ 12

1.2 Arseniuro de Galio (GaAs)........................................................................................ 13 1.3 Arseniuro de Galio-Aluminio (Alx Ga1-x As) ............................................................. 15

2. Capítulo Técnica de preparación de la muestra .................................................................. 19 2.1 Pulverización Catódica.............................................................................................. 20 2.2 Pulverización catódica asistida por campo magnético (Magnetron Sputtering) ........... 21 2.3 Equipo utilizado ........................................................................................................ 24 2.4 Preparación de los Sustratos ...................................................................................... 26

2.4.1 Influencia del Sustrato ................................................................................... 26 2.5 Condiciones de Depósito ........................................................................................... 27 2.6 Procedimiento para depositar capas utilizando la técnica de Magnetron Sputtering .... 27 2.7 Crecimiento de Películas delgadas de GaAs .............................................................. 28 2.8 Crecimiento de Películas delgadas de AlGaAs........................................................... 29

3. Capítulo Técnicas de Caracterización...................................................................................... 31 3.1 Difracción de Rayos -X (XRD) ................................................................................. 31

3.1.1 Fundamento teórico ....................................................................................... 31 3.1.2 Condiciones Experimentales para la medición ............................................... 32

3.2 Espectroscopia Raman .............................................................................................. 33 3.2.1 Fundamento Teórico ...................................................................................... 33 3.2.2 Condiciones Experimentales para la medición ............................................... 35

3.3 UV-Vis ..................................................................................................................... 35 3.3.1 Fundamento Teórico ...................................................................................... 35 3.3.2 Condiciones Experimentales para la medición ............................................... 36

3.4 Espectroscopia de Rayos-x de energía dispersiva (EDS) ........................................... 36 3.4.1 Fundamento Teórico ...................................................................................... 36 3.4.2 Condiciones Experimentales .......................................................................... 37

4. Capítulo Análisis de Resultados ............................................................................................... 38 4.1 Películas depositadas sobre sustratos de Vidrio: ........................................................ 38

4.1.1 GaAs ............................................................................................................. 39 4.1.2 Caracterización Estructural ............................................................................ 39 4.1.3 Caracterización por Espectroscopia Raman .................................................... 41

4.1.4 AlGaAs ........................................................................................................ 42 4.1.5 Análisis Químico Semi-cuantitativo por EDS ............................................... 42 4.1.6 Caracterización Estructural ........................................................................... 44 4.1.7 Caracterización por microscopía Raman........................................................ 49 4.1.8 Caracterización UV-Vis ................................................................................ 51

4.2 Películas depositadas sobre Si(100): ......................................................................... 55 4.2.1 GaAs ............................................................................................................ 55 4.2.2 Caracterización Estructural ........................................................................... 55 4.2.3 Caracterización por microscopía Raman........................................................ 56 4.2.4 AlGaAs ........................................................................................................ 57 4.2.5 Análisis químico Semi-cuantitativo EDS ....................................................... 57 4.2.6 Caracterización Estructural ........................................................................... 59 4.2.7 Caracterización por Microscopía Raman ....................................................... 61

5. Capítulo Conclusiones y recomendaciones ............................................................................ 63 5.1 Conclusiones ............................................................................................................ 63 5.2 Recomendaciones ..................................................................................................... 64 5.3 Perspectivas ............................................................................................................. 64

A. Anexo: Publicaciones y Congresos ....................................................................................................... 65

Bibliografía ........................................................................................................................................................... 68

Lista de Figuras y Tablas XIII

Lista de figuras Pág.

Figura 1-1 Separación de los niveles de energía en el H2+. ...................................................................8

Figura 1-2 Diagrama de bandas simplificado de un semiconductor. .................................................9

Figura 1-3 Semiconductor tipo n, en este caso hay exceso de electrones. ................................ 10

Figura 1-4 Semiconductor tipo p, impureza trivalente (B: Boro) ........................................................ 11

Figura 1-5 Diagrama de bandas de un semiconductor directo e indirecto. ................................. 11

Figura 1-6 Estructura cristalina tipo zinc Blenda para el GaAs........................................................... 14

Figura 1-7 Variación de la constante de red para el ternario AlGaAs en función de la

composición. ....................................................................................................................................................................... 15

Figura 2-1 Esquema del proceso de pulverización física. Cuando los átomos del solido

son eliminados de la superficie, se dicen que son pulverizados. ...................................................... 21

Figura 2-2 a) Esquema del proceso pulverización en un equipo de Magnetron Sputtering

R.F. con dos blancos. b) Imagen tomada del proceso mediante el depósito de las

películas de este trabajo. ............................................................................................................................................ 22

Figura 2-3 Magnetron Sputtering, ubicado en el laboratorio de Nanoestructuras

Semiconductoras de la universidad Nacional de Colombia, sede Manizales. .......................... 24

Figura 2-4 Esquema del magnetrón sputtering utilizado para depositar las capas en este

trabajo. ................................................................................................................................................................................... 25

Figura 2-5 a) vidrio y b) Si (100) utilizados como sustratos en el desarrollo de este

trabajo. ................................................................................................................................................................................... 26

Figura 2-6 a) Esquema del proceso de Sputtering para el depósito de GaAs. b) Imagen

ilustrativa de la película obtenida. ......................................................................................................................... 29

Figura 2-7 Esquema del proceso de Co-sputtering para el depósito de AlGaAs. b) Imagen

ilustrativa de la película obtenida. ......................................................................................................................... 30

Figura 3-1 Esquema de difracción de los rayos X en los planos cristalinos de un sólido. 32

Figura 3-2 Imagen del equipo para Microscopia Raman de la Universidad Nacional de

Colombia ............................................................................................................................................................................... 33

Figura 3-3 Representación esquemática de los tipos de dispersión de la luz. ......................... 34

Figura 3-4 Espectrómetro UV/VIS marca PEKIN ELMER, Lambda 20. Universidad

Nacional de Colombia................................................................................................................................................... 35

Figura 3-5 Esquema de un típico experimento UV-Vis ............................................................................ 36

Figura 3-6 Posibles interacciones entre el haz incidente y la muestra en la técnica SEM.

La técnica EDS generalmente se adiciona a una columna de lentes del sistema SEM. .... 37

Figura 4-1 Espectro de difracción de Rayos X para una muestra de GaAs depositada

sobre vidrio.......................................................................................................................................................................... 40

Figura 4-2 Espectro Raman para una película de GaAs depositada sobre vidrio. ............... 41

Figura 4-3: Espectro EDS de las muestras de AlGaAs depositadas sobre vidrio. ................. 42

Figura 4-4 Porcentaje de Al, Ga y As en función de la temperatura. .............................................. 43

Figura 4-5 Difractogramas de las capas M1- M5 de AlGaAs depositadas sobre vidrio con

la misma potencia de los blancos pero a diferentes temperaturas. ................................................. 45

Figura 4-6 Grafica de 𝜷 en función de Q de los datos obtenidos para la muestra M5

depositada a 550°C. ...................................................................................................................................................... 48

Figura 4-7 Microestrés y tamaño del cristalito en función de la temperatura. ........................... 48

Figura 4-8 a. Espectro Raman de las películas delgadas de AlGaAs depositadas sobre

vidrio por Magnetron Sputtering a diferentes temperaturas. b. Espectro Raman de la

película a 550°C donde se puede observar el modo LA- AlGaAs. ................................................... 50

Figura 4-9 Graficas de (𝜶𝒉𝒗)𝟐 en función de la energía del Fotón (𝒉𝒗) para cada una de

las capas depositadas en función de la temperatura. .............................................................................. 53

Figura 4-10 Grafica de (𝜶𝒉𝒗)𝟐 en función de la energía del Fotón (𝒉𝒗) a partir de datos

tomados de la página www.filmetrics.com....................................................................................................... 54

Figura 4-11 Espectro de difracción de rayos X para una capa de GaAs sobre Si(100) ..... 55

Figura 4-12 Espectro Raman de una película delgada de GaAs depositada sobre Si(100)

.................................................................................................................................................................................................... 56

Figura 4-13 Espectros EDS para algunas muestras de AlGaAS sobre Si(100) ....................... 57

Figura 4-14 Porcentaje atómico de Al, Ga y As en función de la temperatura. ........................ 58

Figura 4-15 Difractogramas de las capas M1- M5 de AlGaAs depositadas sobre Si(100)

con la misma potencia de los blancos pero a diferentes temperaturas. ....................................... 60

Figura 4-16 Espectro Raman de todas las películas delgadas de AlGaAs depositadas

sobre Si (100) por Magnetron Sputtering. ........................................................................................................ 62

Lista de tablas Pág.

Tabla 1-1 Constantes de Red y estructura de algunos compuestos III-V. .................................. 13

Tabla 1-2 Resumen de las propiedades Físicas del GaAs ................................................................... 14

Tabla 1-3 Parámetros básicos a 300 K para el GaAs, AlAs y AlxGa1-xAs .................................... 16

Tabla 2-1 Propiedades Físicas de algunos materiales utilizados frecuentemente como

sustratos. .............................................................................................................................................................................. 27

Tabla 2-2. Resumen de las condiciones de depósito de las películas de GaAs ..................... 29

Tabla 2-3 Resumen de las condiciones de depósito de las películas delgadas de AlGaAs

.................................................................................................................................................................................................... 30

Tabla 4-1 Análisis químico elemental semi-cuantitativo para las muestras de AlGaAs. .... 43

Tabla 4-2 Datos obtenidos del espectro de difracción de Rayos X para la capa de

AlGaAs depositada a 550°C. ................................................................................................................................... 47

Tabla 4-3 Modos Vibracionales para el AlGaAs asignados en este trabajo. ............................. 49

Tabla 4-4 Valores para el ancho de banda y la concentración X de Al en las películas de

AlGaAs sobre vidrio. ...................................................................................................................................................... 52

Tabla 4-5 Resumen de los datos obtenidos por DRX para las capas de GaAs. .................... 56

Tabla 4-6 Análisis químico semi-cuantitativo de las capas de AlGaAs ......................................... 58

Tabla 4-7 Planos cristalográficos asignados a las fases presentes en el material. ............... 61

Introducción El programa de las naciones unidad para el medio ambiente (PNUMA) ayuda a los

países a reducir su vulnerabilidad y a utilizar los servicios de los ecosistemas para

reforzar la capacidad de recuperación natural frente al cambio climático. El PNUMA y la

organización Meteorológica Mundial (OMM) publicaron un informe especial sobre el papel

que deben desarrollar las fuentes de energías renovables en la mitigación del cambio

climático e indica que en el escenario más favorable, si lo países adoptan las políticas

públicas adecuadas, se podría abarcar un 80% del suministro de energía mundial

mediante fuentes ER.

Pese a las fluctuaciones de la economía mundial en el presente siglo, el sector de las

energías renovables ha mantenido importantes inversiones principalmente en parques

eólicos y en la incorporación de paneles solares a pequeña escala, colocando como

tendencia el aprovechamiento de la energía eólica generada a partir del viento y la

energía solar fotovoltaica la cual se beneficia de la radiación solar.

Esta tecnología de celdas y paneles solares que empezó con el descubrimiento del

efecto fotovoltaico a mediados del siglo XIX y que se abastece de una fuente ilimitada de

energía, está ligada al desarrollo de la ingeniería de materiales, no solo desde la

investigación en propiedades físicas de la materia sino también desde el desarrollo de

tecnologías para su preparación.

Entre los materiales más usados y estudiados para la fabricación de celdas solares se

encuentran el silicio cristalino y el arseniuro de galio (GaAs), siendo el arseniuro de galio

un material más eficiente pero también más costoso. Sin embargo, las celdas solares

fotovoltaicas han ido evolucionando con el pasar de los años y con el aumento de la

demanda mundial a raíz de nuevas políticas que benefician al consumidor final, por lo

tanto los centros de investigación públicos y privados continúan en la búsqueda de

2 Introducción

nuevos materiales y nuevas técnicas que permitan mejorar la eficiencia y la relación

costo beneficio de esta tecnología.

Los materiales desarrollados en base de AlGaAs han sido también fuertemente

investigados y utilizados en aplicaciones como dispositivos ópticos en celdas solares,

diodos laser y diodos emisores de luz debido a su mayor movilidad y a su estructura de

banda, de banda directa. Durante los últimos años, la eficiencia de estos dispositivos ha

mejorado significativamente con la mejora de las técnicas de crecimiento y por la

aplicación de estructuras más efectivas. Sin embargo, existen todavía algunas

limitaciones intrínsecas que afectan directamente la eficiencia de dispositivos a base de

este material. Se demostró que la utilización de sustratos absorbentes, como el GaAs,

disminuían considerablemente la eficiencia de los dispositivos ópticos. No obstante, el

GaAs es uno de los semiconductores más utilizados como sustrato para su fabricación

debido a la gran similitud entre los parámetros de red que tienen estos dos materiales.

El objetivo general de esta tesis es obtener películas delgadas del material

semiconductor AlGaAs crecidas por la técnica Magnetron Sputtering R.F.

La metodología empleada para cumplir nuestro objetivo consiste en:

Identificar las condiciones ideales para el depósito de películas delgadas de AlGaAs por

pulverización catódica asistida por campo magnético.

Realizar la variación sistemática de las condiciones de crecimiento, entre las cuales se

encuentran el tiempo de depósito, la presión de la cámara de vacío, la temperatura del

sustrato y la potencia de los blancos.

Utilizar diferentes técnicas de caracterización tanto estructurales como ópticas que nos

permitan estudiar sus propiedades físicas, entre las cuales están difracción de rayos X,

Espectroscopia Raman y espectroscopia UV- Vis.

Analizar la influencia de las condiciones de crecimiento en las propiedades físicas de la

película y determinar una relación entre ellas, y finalmente estudiar la influencia de los

sustratos en la película delgada.

1. Capítulo Introducción a los Semiconductores

En este capítulo estudiaremos el principio básico de un semiconductor, algunos términos

importantes para comprender los fenómenos físicos relacionados con estos materiales,

nos enfocaremos en los semiconductores formados por elementos de los grupos III-V de

la tabla periódica. Por otro lado realizaremos un estudio previo de las propiedades del

GaAs y AlGaAs, materiales semiconductores con múltiples aplicaciones y objeto de

estudio de esta tesis.

1.1 Semiconductores

Los materiales semiconductores forman parte de los tres grupos principales en los que

podemos clasificar la materia en estado sólido. Los cuales se diferencian entre si

principalmente por el grado de resistividad eléctrica que presentan, en este orden de

ideas, podemos clasificarlos de acuerdo a esta propiedad de mayor a menor en

materiales aislantes, semiconductores y metales, respectivamente. La resistividad

eléctrica de un metal puro a una temperatura de 1K puede llegar a ser del orden ~10-10

Ω.cm, mientras que la resistividad de un material aislante alcanza valores ~1022 Ω.cm, es

decir, una diferencia de 1032. Entre estos dos grupos podemos encontrar los

semiconductores, con una resistividad en un intervalo aproximado de 10 -2 – 109 Ω.cm.

Debido a su resistividad intermedia, los semiconductores poseen propiedades físicas de

gran interés para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas, las cuales inician a

mediados del siglo pasado con la invención del transistor, que sirvió como catalizador en

el proceso de investigación de materiales en general.

La resistividad eléctrica es inversa con el número de electrones que participan en la

conductividad, lo cual nos indica que un sólido con una resistividad alta posee un número

pequeño de electrones para intervenir en la conducción, pero todos los sólidos poseen

4 ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL AlGaAs PARA POSIBLES

APLICACIONES EN DISPOSITIVOS Y CELDAS SOLARES

electrones, lo importante es analizar cómo responden los electrones a un campo eléctrico

aplicado.

Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, se establecen ciertas diferencias en las

estructuras electrónicas de los sólidos. Los electrones en los cristales están divididos en

bandas de energía, formadas por los niveles de energía permitidos y separadas por

regiones en las cuales no existe orbitales electrónicos ondulatorios, también llamadas

bandas prohibidas o bandas de energías prohibidas, las cuales resultan de la interacción

de los electrones de conducción con los núcleos iónicos del cristal.

La mecánica cuántica nos permitió cuantificar los niveles de energía y la energía que

deben poseer los electrones de cualquier átomo, ésta nos indica que cada elemento

debe poseer ciertos niveles de energía característicos que se forman de acuerdo con su

carga nuclear y con el número de electrones, sin olvidar que no todos los electrones

pueden ocupar el mismo nivel de energía, según el principio de exclusión Pauli.

Un cristal puede comportarse como un aislante siempre y cuando las bandas permitidas

se encuentren totalmente llenas o vacías, esto se debe a que no queda ningún electrón

que pueda moverse en presencia de un campo eléctrico externo aplicado. Mientras que

si el cristal posee una o más bandas parcialmente llenas, se comportará como un metal.

El cristal es un semiconductor si una o dos bandas están ligeramente llenas o

ligeramente vacías.

1.1.1 Modelo de Electrones Casi Libres

La ecuación de Schrödinger para el caso de una partícula libre en 3 dimensiones es:

[−ħ2

2𝑚∇2] ∅𝑘(𝑟) = 𝐸𝑘∅𝑘(𝑟) (1.1)

Suponiendo que todos los electrones se encuentran confinados en un cubo de arista L, la

función de onda es la onda estacionaria:

𝜙𝑘(𝑟) = 𝐴 𝑠𝑒𝑛(𝜋𝑛𝑥𝑥 𝐿⁄ )𝑠𝑒𝑛(𝜋𝑛𝑦𝑦 𝐿⁄ )𝑠𝑒𝑛(𝜋𝑛𝑧𝑧 𝐿⁄ ) (1.2)

Capítulo 1 5

Con 𝑛𝑥 , 𝑛𝑦, 𝑛𝑧 son enteros positivos.

La función 𝜙𝑘(𝑟) que satisface la ecuación de Schrödinger de partícula libre y la

condición de periodicidad (Periodo L) tiene la forma de una onda plana móvil:

𝜙𝑘(𝑟) = 𝑒𝑖𝑘∙ 𝑟 (1.3)

Cualquier componente de k tiene la forma 2𝑛 𝜋 𝐿⁄ , donde n puede ser entero positivo o

negativo. Para condiciones periódicas aplicadas a un cubo de arista L, las componentes

de K tomando el origen desde un vértice del cubo, son:

𝑘𝑥 , 𝑘𝑦 , 𝑘𝑧 = 0 ; ±2𝜋

𝐿 ; ±

4𝜋

𝐿 ; … (1.4)

Al sustituir la ecuación (1.8) en la expresión (1.6) se obtiene la energía 𝐸𝑘 del orbital con

vector de onda k:

𝐸𝑘 =ħ2

2𝑚𝑘2 =

ħ2

2𝑚(𝑘𝑥

2 + 𝑘𝑦2+ 𝑘𝑧

2) (1.5)

La onda plana 𝜙𝑘 es una función propia de la cantidad de movimiento lineal p con el

valor propio ħ𝑘.

El modelo de electrones libres de los metales nos permite explicar conceptos como la

conductividad térmica, conductividad eléctrica y la susceptibilidad magnética, además de

la electrodinámica en los metales, pero no es preciso para ayudarnos a interpretar la

diferencia entre los metales y aislantes.

Se debe ampliar este modelo de electrones libres, con el fin de tener presente la red

periódica del sólido, esto nos ayudara a explicar e interpretar la diferencia entre estos dos

tipos de materiales, en este modelo los valores de energía permitidos para los electrones

están distribuidos continuamente desde cero hasta el infinito. [1]

El teorema de Bloch establece que asumiendo la existencia de un potencial de energía

𝑉(𝑟) periódico, con la periodicidad de la red, y simétrico alrededor del centro de cada

celda unidad, la ecuación de Schrödinger (1.6) se puede escribir:



[−ħ2

2𝑚∇2 + 𝑉(𝑟)] ∅𝑘(𝑟) = 𝐸𝑘∅𝑘(𝑟) (1.6)

Donde la solución 𝜙𝑘(𝑟) de esta ecuación, tiene la forma:

𝜙𝑘(𝑟) = 𝑒𝑖𝑘∙ 𝑟𝑈𝑛(𝑘, 𝑟) (1.7)

A esta función solución se le conoce como función de Bloch, en la cual 𝑈𝑛(𝑘, 𝑟) es

periódica en r y n es el índice de la banda. Podemos decir que las auto-funciones de la

ecuación de onda para este potencial V(r) son el producto de una onda plana 𝜙𝑘 y otra

función periódica 𝑈𝑛(𝑘, 𝑟) con igual periodo que la red cristalina. [2]

El valor del vector de onda está relacionado con la longitud de onda λ por 𝑘 = 2𝜋/𝜆. Del

teorema de Bloch podemos ver que la Energía 𝐸𝑘 es periódica en la red recíproca, es

decir, 𝐸𝑘 = 𝐸𝑘+𝐺 donde G es el vector de general de la red recíproca y está dado por:

𝑮 = ℎ𝑎∗ + 𝑘𝑏∗ + 𝑙𝑐∗ teniendo en cuenta que h, k y l son enteros.

La estructura de banda de un sólido cristalino, es decir, la relación Energía – Momentum

(E-k) se obtiene resolviendo la ecuación de Schrödinger de una aproximación del

problema de un electrón, ecuación (1.11). Esta relación (E-k) se denomina relación de

dispersión y de ella se puede obtener información sobre las propiedades electrónicas del

cristal, tal como la densidad de estados o la masa efectiva de los portadores. Por medio

del teorema de Bloch, se logra demostrar que la forma general de la relación de

dispersión es:

𝐶𝑜𝑠(𝑘𝑎) =𝐶𝑜𝑠 (𝑄𝑎+𝛿)

|𝑡| (1.8)

Donde Q se define de modo que la energía es 𝐸 = (ħ^2 𝑄^2)/2𝑚 y 𝑡 = |𝑡|𝑒𝑖𝛿 es el

coeficiente de transmisión para un electrón libre con dicha energía al incidir sobre una

sola barrera de potencial igual al potencial que se repite en cada punto de la red.

Resolviendo esta ecuación podemos encontrar para cada k el valor de Q y de ahí la

relación de dispersión (E-k).

Capítulo 1 7

Al hallar las soluciones independientes del tiempo de la ecuación de Schrödinger en un

cristal se encuentran rangos finitos de E que sólo la verificarían para k complejos, es

decir, corresponden a funciones de onda que contiene un término exponencial que

diverge en ±∞, algo que no es aceptable físicamente. Por tanto, corresponden a gaps o

bandas de energía prohibida. En la ecuación anterior, estos gaps aparecen porque |t| ≤ 1,

por lo que el término de la derecha es mayor que 1 para ciertas energías,

correspondiendo a k complejos. [3]

1.1.2 Bandas de Energía

La mecánica cuántica y sus reglas nos conducen a la cuantificación de niveles de

energía, y a la determinación de la energía que deben poseer los electrones de un átomo

cualquiera. Es decir, la mecánica cuántica nos permite determinar y conocer las

características electrónicas de los materiales. Cada elemento posee un esquema

característico de niveles de energía permitidos, que están predeterminados por la carga

nuclear y por el número de electrones, los cuales están condicionados por el principio de

exclusión de Pauli, el cual nos dice que no todos los electrones deben ocupar el mismo

nivel.

De esta forma, la densidad de niveles permitidos aumenta con la energía hasta un punto

que se funden formando un “continuum” de niveles. Los electrones que poseen suficiente

energía para ascender a esta región se logran separar físicamente del átomo, y como

consecuencia dejan el átomo ionizado.

Podemos extrapolar el concepto de niveles de energía a moléculas y a sólidos, si por

ejemplo consideramos una molécula con dos átomos idénticos, para este caso los

niveles electrónicos de cada átomo se desdoblan dando lugar a dos niveles, que difieren

con la energía del nivel atómico original. Esto implica que en un conjunto de átomos es

posible generar nuevos niveles de energía.

Explicado de otra forma, en un sistema diatómico cuando tenemos grandes separaciones

de los dos átomos, el nivel de energía del estado fundamental es degenerado. Sin

embargo, la degeneración se elimina por la interacción entre los átomos al acercarse,



que perturba las funciones de onda y los niveles de energía. Como consecuencia el nivel

original degenerado se logra separar en dos niveles.

Figura 1-1 Separación de los niveles de energía en el H2+.

Podemos deducir entonces, que si consideramos un cristal constituido por N átomos

idénticos, cada nivel de energía original se convertirá en N niveles. En agrupaciones

atómicas grandes, es decir en solidos el número de niveles N es tan elevado (~1023 cm-3)

que forman una banda de energía, cuyo ancho varía de acuerdo con el nivel atómico

original.

1.1.3 Semiconductores Intrínsecos y Extrínsecos

Semiconductores intrínsecos:

Podemos definir un semiconductor intrínseco o un semiconductor puro como aquel en el

que un electrón pasa desde la banda de valencia a la banda de conducción por efecto

de la agitación térmica, dejando como consecuencia un hueco en la banda de valencia

(figura 1.4). Esto da lugar a la conductividad eléctrica, tanto en la banda de conducción

(Por electrones) como en la banda de valencia (Por vacantes o huecos).

En otras palabras, a la temperatura de cero absoluto la banda de conducción permanece

vacía mientras que la banda de valencia está totalmente ocupada por electrones, y

ambas separadas por una banda de energía prohibida (Band Gap). Sin embargo, al

aumentar la temperatura los electrones que se encuentran en la banda de valencia, son

excitados térmicamente hasta la banda de conducción. Por ejemplo un cristal de silicio

Capítulo 1 9

se considera un semiconductor intrínseco si todos los átomos del cristal son átomos de

Si, en consecuencia un cristal de Si a temperatura ambiente tiende a comportarse como

un aislante, debido a que posee solamente unos cuantos electrones libres y sus huecos

producidos por excitación térmica.

Figura 1-2 Diagrama de bandas simplificado de un semiconductor.

En este tipo de materiales se cumple la siguiente relación: 𝑛0 = 𝑝0 = 𝑛𝑖 donde 𝑛𝑖es la

concentración de los electrones que pueden pasar de la banda de valencia a la banda de

conducción en equilibrio en un material intrínseco. Es decir, el número de electrones será

igual al número de agujeros de la banda de valencia. Numéricamente esta concentración

es igual a:

𝑛 = 2 (2𝜋𝑚𝑘𝑇

ℎ2 )3/2

𝑒−𝐸𝑔/2𝑘𝑇 (Para Eg >> kT) (1.9)

Donde m es la masa del electrón, Eg es el ancho de banda prohibido y K es la constante

de Boltzmann.

Semiconductores extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos son aquellos que presentan ciertas impurezas o

imperfecciones que afectan fuertemente las propiedades del semiconductor, nos

referimos a impurezas, cuando tenemos la presencia de átomos diferentes a los que

forman la red cristalina del material. Gracias a ellas podemos tener ciertas ventajas,

como la variación de la conductividad y elegir el tipo de portador, entre otras.



Al agregar impurezas, tenemos como objetivo proporcionar electrones a la banda de

conducción o aceptar electrones en la banda de valencia y permitir el movimiento de los

electrones que quedan en esta banda.

Es decir, un semiconductor se puede dopar para que tenga un exceso de electrones

libres o un exceso de huecos, por lo tanto existen dos tipos de semiconductores

dopados:

Semiconductor tipo n

Estos materiales semiconductores se encuentran dopados por impurezas donadoras, en

este tipo de semiconductor los electrones superan a los huecos, por lo tanto reciben el

nombre de portadores mayoritarios, mientras que a los huecos se les conoce como

portadores minoritarios.

Figura 1-3 Semiconductor tipo n, en este caso hay exceso de electrones.

Si a un material semiconductor intrínseco (Si o Ge) se le añade un pequeño porcentaje

de átomos pentavalentes (Donadores: P, Sb o As), se transforma en un material

semiconductor extrínseco tipo n.

Semiconductor tipo p

Si se añade una impureza trivalente (Boro, Indio o Galio) a un semiconductor intrínseco

solo podemos completar 3 enlaces covalentes, y por lo tanto se originan huecos. Como el

Capítulo 1 11

número de huecos es superior al número de electrones libres, se dice entonces que los

huecos son los portadores mayoritarios.

Figura 1-4 Semiconductor tipo p, impureza trivalente (B: Boro)

1.1.4 Semiconductores de Gap Directo e Indirecto

Los semiconductores pueden realizar una transición directa e indirecta entre bandas. En

el caso de la transición directa, como por ejemplo en el GaAs, se puede promover un

electrón de la banda de conducción a la banda de valencia sin cambiar el momento del

electrón, lo que favorece la generación de fotones. Es decir, un fotón es absorbido por el

cristal con la creación de un electrón y un hueco, este proceso se conoce como

recombinación radiativa.

Figura 1-5 Diagrama de bandas de un semiconductor directo e indirecto.



La frecuencia umbral 𝜔𝑔 para absorción mediante la transición directa determina la

banda prohibida de energía 𝐸𝑔 = ħ𝜔𝑔 .

En los materiales de transición indirecta de bandas, la transición incluye un gran cambio

en la cantidad de movimiento, lo cual favorece la producción de fonones. Es decir, la

transición indirecta involucra tanto un fotón como un fonón, porque los bordes de las

bandas de conducción y de valencia están ampliamente separados en el espacio K. El

umbral de absorción para la transición indirecta entre los bordes de las bandas está en

ћ𝜔 = 𝐸𝑔 + ħΩ en donde Ω es la frecuencia de un fonon emitido de onda 𝐊 ≅ −𝒌𝒄.

1.1.5 Semiconductores III-V

Los semiconductores III-V son una familia de materiales desarrollados a partir de

cationes del grupo IIIA y aniones del grupo VA, estos materiales generalmente forman

compuestos que poseen la estructura cristalina cubica tipo Zinc blenda (F43m) con

excepción los materiales basados en nitruro que cristalizan en una estructura tipo

Wurtzita. Estos compuestos pueden ser binarios, ternarios, cuaternarios o de orden

superior dependiendo del número de especies elementales utilizadas para sintetizarlos.

Los semiconductores binarios como el GaAs, son de gran importancia tecnológica ya que

muchos de ellos poseen un ancho de banda de energía directo que permite la absorción

y emisión eficiente de la luz. Por tal motivo estos materiales se convierten en la base de

todos los dispositivos de película delgada que interactúan con la luz. En la mayoría de

sus aplicaciones estos materiales binarios se usan como sustratos y sobre ellos se

crecen epitaxialmente capas delgadas de compuestos ternarios o cuaternarios para

formar la estructura utilizada en el dispositivo.

Generalmente los semiconductores se clasifican teniendo en cuenta la relación entre el

ancho de banda de energía y el parámetro de red. En la tabla 1.1 se relaciona algunos

materiales semiconductores binarios con su estructura cristalina, parámetro de red y

ancho de banda de energía.

Capítulo 1 13

Tabla 1-1 Constantes de Red y estructura de algunos compuestos III-V.

Compuesto

Estructura

Constante de Red a 300 K

(Å)

Brecha de Energía

GaN 𝑊𝑢𝑟𝑡𝑧𝑖𝑡𝑒 𝑎 = 3.186, 𝑐 = 5.176 3.5

BN 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 3.6150 7.5

BP 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 4.5380 6

AlSb 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 6.1355 1.63

GaSb 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 6.0955 0.67

GaAs 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 5.6534 1.43

GaP 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 5.4505 2.24

InSb 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 6.4788 0.16

InAs 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 6.0585 0.33

InP 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝑏𝑙𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑎 = 5.8688 1.29

1.2 Arseniuro de Galio (GaAs)

El arseniuro de galio (GaAs) es uno de los principales rivales del silicio en algunas de las

aplicaciones de los materiales semiconductores, entre las cuales se encuentran las

celdas solares, los LEDs y el láser de estado sólido. El GaAs a diferencia del silicio, tiene

una alta movilidad de electrones, propiedad que permite que los transistores puedan

funcionar a frecuencias superiores a 250GHz. Otra de las ventajas del GaAs respecto al

silicio se encuentra en su band Gap de transición directa, que beneficia el uso de este

material en dispositivos ópticos.

El GaAs puede ser dopado por elementos de diferente valencia, se puede obtener un

semiconductor tipo n al reemplazar algunos átomos de Ga por átomos de Si durante el

proceso de crecimiento del material, lo que genera un estado donador debido al electrón

libre. Del mismo modo podemos obtener un semiconductor extrínseco tipo p, al introducir

como impurezas átomos de un material tetravalente como el C que sustituya al As

pentavalente dentro de la red, lo que ocasiona estados aceptores.



Figura 1-6 Estructura cristalina tipo zinc Blenda para el GaAs

El GaAs tiene una estructura tipo diamante, similar a la del silicio, pero compuesta por

dos tipos de átomos. A esta estructura se le conoce como la estructura cristalina tipo Zinc

Blenda. Algunas propiedades físicas del GaAs se resumen en la tabla 1.2.

Tabla 1-2 Resumen de las propiedades Físicas del GaAs

Parámetros básicos a 300 K

Estructura Cristalina 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝐵𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎

Grupo de Simetría 𝑇2𝑑

− 𝐹43𝑚

Número de átomos en 1 cm3 4.42𝑥1022

Longitud de onda del electrón de Broglie (Å) 240

Temperatura de Debye (K) 360

Densidad (g cm-3) 5,32

Constante de Red (Å) 5,65325

Ancho de Banda de Energía (eV) 1,424

Resistividad Intrínseca (Ω.cm) 3.3𝑥108

Conductividad Térmica (W cm-1 °C-1) 0.55

Punto de fusión (°C) 1240

Calor Especifico (J g-1 °C-1) 0.33

Capítulo 1 15

1.3 Arseniuro de Galio-Aluminio (Alx Ga1-x As)

El arseniuro de galio dopado con aluminio es un material ampliamente utilizado en

dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en GaAs. Este semiconductor

ternario puede variar su ancho de banda desde 1,424 eV para el GaAs hasta 2,168 eV

para el AlAs, de acuerdo con la concentración x de Al que varía entre 0 y 1, tal como se

registra en la tabla 1-3. Una de sus principales ventajas es que registra una pequeña

variación en su parámetro de red en función de la concentración de Al (ver figura 1-7),

por lo que generalmente se crece sobre sustratos de GaAs. Cualquier composición de

AlxGa1-x As se puede hacer crecer sobre este sustrato, lo que lo convierte en un material

ideal para la formación de heteroestructuras, y para la fabricación de pozos cuánticos en

donde se utiliza como barrera de potencial para confinar electrones en la capa activa del

GaAs.

El compuesto ternario AlxGa1-x As puede ser un semiconductor de banda directo para

valores de concentración menor a 0,4 (x<0,4), mientras que para valores superiores a

(x>0,4) se trata de un material de transición indirecta.

Figura 1-7 Variación de la constante de red para el ternario AlGaAs en función de la composición.



Al igual que el GaAs, el AlGaAs presenta una estructura formada por una celda unitaria

denominada tipo esfalerita o Zinc Blenda. Los átomos de arsénico ocupan los sitios de la

estructura FCC, mientras que los átomos de aluminio y galio ocuparan los sitios

intersticiales de la misma.

Actualmente existen técnicas de crecimiento epitaxiales con la que se puede obtener el

material AlxGa1-x As de alta calidad con un grosor razonable (Varias micras) y en las que

podemos despreciar los defectos de crecimiento. Con estas tecnologías actuales

podemos crecer un material de alta calidad para altas concentraciones de Al con el fin de

obtener un valor grande en el ancho de banda.

Tabla 1-3 Parámetros básicos a 300 K para el GaAs, AlAs y AlxGa1-xAs

Parámetro

GaAs

AlAs

AlxGa1-xAs

Estructura Cristalina 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝐵𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝐵𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑍𝑖𝑛𝑐 𝐵𝑙𝑒𝑛𝑑𝑎

Grupo Espacial 𝐹43𝑚 𝐹43𝑚 𝐹43𝑚

Constante de Red a (Å) 5.6533 5.6611 5.6533 + 0.0078𝑥

Punto de fusión (°C) 1238 1740 1238 − 58𝑥 + 560𝑥2

Coef. de expansión térmica α (x10-6 °C)

6.4 5.2 6.4 − 1.2𝑥

Densidad (g cm-3) 5.360 3.760 5,36 − 1.6𝑥

Temperatura de Debye (K)

370 446 370 + 54𝑥 + 22𝑥2

Calor Especifico (Cal/ g °C) 0.08 0.11 0.08 + 0.03𝑥

Band Gap de Energía E (eV) 1.424 2.168 1.424 + 1.25𝑥(0 < 𝑥 < 0.45)

1.90 + 0.125𝑥 + 0.143𝑥2 (0.45 < 𝑥 < 1)

2. Capítulo Técnica de preparación de la muestra

Diferentes técnicas han sido utilizadas para depositar materiales semiconductores. Por

ejemplo, el GaAs, material semiconductor muy estudiado, y el AlGaAs ternario

semiconductor, ambos pertenecientes a los grupos III-V, han sido obtenido por técnicas

muy precisas como epitaxia de haces moleculares (MBE: Molecular Beam Epitaxy) y por

deposición fase liquida (PLD: Pulsed Laser Deposition), entre otras. [4, 5, 6]

La importancia de la selección de la técnica radica en el cambio de las propiedades

físicas que se presentan en la película, según la elección. Pero las propiedades de las

películas no solo dependen de la técnica de crecimiento, la elección del sustrato también

juega un papel importante al momento de crecer un material.

Sin embargo, una de las técnicas más promisorias para el depósito de películas

delgadas, es la pulverización catódica o Sputtering. Esta técnica nos permite obtener

películas de buena calidad a bajo costo y con múltiples aplicaciones a nivel industrial.

Una de sus principales variaciones, pulverización catódica asistida por campo magnético

o Magnetron Sputtering R.F. surge gracias a la invención del cátodo de magnetrón plano

(Chapin, 1974). El método de deposición por Magnetron sputtering se ha ganado su lugar

como uno de los procesos más importantes en la fabricación de productos con múltiples

aplicaciones en campos como el almacenamiento de datos, las pantallas de última

tecnología, dispositivos optoelectrónicos y celdas solares de película delgada. Cabe

resaltar que aparte de ser una técnica de deposición económica, tiene la capacidad de

recubrir sustratos de plástico muy sensibles a la temperatura. [7]

Como hemos dicho el GaAs es un material muy estudiado, y ha sido obtenido por

diferentes técnicas entre las cuales se incluye Magnetron Sputtering R.F. sin embargo,

no se conocen reportes del crecimiento de películas delgadas de AlGaAs por medio de

esta técnica.



En este trabajo se encontraron las condiciones ideales para depositar no solo películas

delgadas de GaAs, sino que además logramos depositar el ternario AlGaAs por

Magnetron Sputtering R.F. sobre sustratos de vidrio y Si (100).

2.1 Pulverización Catódica

La pulverización se produce cuando una partícula golpea una superficie con suficiente

energía para desprender átomos de ella. La cantidad más importante que describe este

proceso es el rendimiento de pulverización catódica y que se puede ver como la

proporción del número de partículas emitidas por partícula incidente.

La pulverización puede ocurrir para cualquier especie incidente (átomos, iones,

electrones, fotones y neutrones) aunque frecuentemente se utiliza el bombardeo de iones

de gases inertes (En este trabajo el Ar) o pequeños iones moleculares como el N2+, y

depende de la transferencia del momento físico y de la energía cinética de la partícula

incidente. [8]

En la Figura 2.1 podemos observar esquemáticamente el proceso de pulverización

catódica, la partícula incidente afecta a los átomos cercanos a la superficie del sólido con

una energía suficiente para lograr romper los enlaces y arrancar los átomos de la

superficie.

Si un ion energético golpea la superficie de un sólido (blanco o Target), pueden ocurrir

los siguientes efectos:

Pulverización (Sputtering)

Emisión de electrones (Emisión de electrones secundarios)

Implantación de Iones

Reflexión Iónica

Vibraciones de la red (Generación de calor)

¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. 21

Figura 2-1 Esquema del proceso de pulverización física. Cuando los átomos del solido son eliminados de la superficie, se dicen que son pulverizados.

En un proceso de deposición de película delgada, la pulverización y emisión de

electrones secundarios son los procesos esenciales. Los átomos eyectados forman la

película delgada, y los electrones son necesarios para crear nuevos iones por colisiones

en el plasma.

2.2 Pulverización catódica asistida por campo magnético

(Magnetron Sputtering)

La pulverización es el fenómeno de arrancar o remover los átomos de la superficie de un

sólido (Blanco o Target). Estos átomos son llevados hasta depositarse sobre un substrato

en forma de película delgada o gruesa. El proceso de bombardeo es el que causa la

pulverización, y generalmente se utilizan iones de gases inertes o pequeños iones

moleculares, los cuales son acelerados hacia el blanco mediante un campo eléctrico

generado. En consecuencia, el electrodo fuente donde se encuentra el blanco será el

cátodo, mientras que el electrodo cercano al sustrato actuara como el ánodo. A este

arreglo experimental se le conoce como Sputtering DC siempre y cuando el potencial

aplicado no varié en el tiempo.



Si un sistema de bombardeo se acciona por voltaje DC sobre un blanco aislante, este

actuara como un condensador. La carga de los iones positivos que inciden sobre la

superficie no conductora produce la acumulación de iones positivos en la cara frontal del

material, la cual no puede ser compensada por electrones de la fuente de alimentación.

Por lo tanto se detendrá el proceso de pulverización. Para mantener la descarga eléctrica

con el material aislador, se debe suministrar un potencial alterno AC al blanco a través de

una fuente RF, a esto se le conoce como Sputtering RF.

Además, es posible incluir un magneto dentro del cátodo que genere un campo

magnético, que logre que los electrones formen una corriente en forma de anillo sobre la

superficie del blanco denominada “pista de carreras”. Debido a que los electrones son

capturados dentro de esta trayectoria, la formación de iones se incrementa al igual que el

ritmo de colisiones entre los electrones y las moléculas del gas. Esto da como resultado

una notable caída del voltaje en el blanco (menor impedancia del plasma) y una mejora

en el ritmo de pulverización. La presión del proceso puede reducirse al menos en un

orden de magnitud, lo que conlleva a un aumento de la trayectoria media. A este arreglo

experimental se le conoce como pulverización catódica asistida por campo magnético o

Magnetron Sputtering. [9]

a) b)

Figura 2-2 a) Esquema del proceso pulverización en un equipo de Magnetron Sputtering R.F. con dos blancos. b) Imagen tomada del proceso mediante el depósito de las películas de este trabajo.

Generalmente para los sistemas de Magnetron Sputtering la presión de trabajo es del

orden de mili-Torr (mTorr) y la tasa de erosión rápida que está dada por R.

𝑅 =𝑘𝑊0

𝑡 (2.1)


Donde k es un factor que depende de la configuración y diseño del equipo, t el tiempo de

sputtering y W0, la cantidad de partículas erosionadas que viene dado por:

𝑊0 = (𝑗+

𝑒) 𝑆𝑡 (

𝐴

𝑁) (2.2)

Siendo j+ la densidad de corriente, e la carga del electrón, S el rendimiento de la

pulverización catódica (rendimiento sputtering), A el peso atómico del material a

erosionar y N el número de Avogadro. [4]

En conclusión las principales ventajas del Magnetron Sputtering son:

Baja impedancia de plasma y por lo tanto altas corrientes de descarga.

Tasa de deposición en el intervalo 1-10 nm/s

Baja carga térmica en el sustrato.

Uniformidad de revestimiento, incluso para cátodos de varios metros de largo.

Fácil de escalar

Revestimientos densos y bien adherentes

Gran variedad de materiales disponibles (casi todos los metales y compuestos)

Excelentes propiedades de la película



2.3 Equipo utilizado

Las capas y multicapas objeto de estudio de este proyecto, fueron depositadas por medio

de un sistema de pulverización catódica asistido por campo magnético (Magnetron

Sputtering) el cual consta básicamente de una torre de control, una cámara de vacío y un

sistema de enfriamiento o chiller, tal como se observa de izquierda a derecha en la

Figura 2.3.

Figura 2-3 Magnetron Sputtering, ubicado en el laboratorio de Nanoestructuras Semiconductoras de la universidad Nacional de Colombia, sede Manizales.

El equipo utilizado fue un INTERCOVAMEX V1 comercial representado

esquemáticamente en la Figura 2.4, este sistema está conformado por una cámara de

depósito de acero inoxidable de un diámetro aproximado de 80 cm, el cual cuenta con un

serpentín de refrigeración. Un sistema de vacío que depende de una bomba mecánica y

una bomba turbo molecular, dos Magnetrones Sputtering o Co-Sputtering modelo K.J.

Lesker Torus 2 con capacidad de albergar blancos de 2" y 1” de diámetro, una fuente de


alimentación RF K.J. Lesker de 300 Watt con adaptador de impedancia manual para

magnetrón de 2 pulgadas y una potencia máxima de trabajo de 180 Watt, una fuente de

alimentación RF K.J. Lesker de 300 Watt con adaptador de impedancia manual para

magnetrón de 1 pulgadas y una potencia máxima de trabajo de 80 Watt.

El equipo permite trabajar desde temperatura ambiente hasta 950°C, con presiones

desde 10-2 Torr hasta 10-4 Torr en atmósferas controladas de argón, nitrógeno, oxigeno,

entre otros. El sistema cuenta con 2 flujometros marca AALBORG que permiten controlar

el paso del gas a la cámara. El área máxima posible a recubrir es de 2” de diámetro

sobre substratos planos que pueden ser aislantes, metales o semiconductores.

Figura 2-4 Esquema del magnetrón sputtering utilizado para depositar las capas en este trabajo.



2.4 Preparación de los Sustratos

Los sustratos utilizados en este trabajo fueron vidrio comercial de aproximadamente 1,2

mm de espesor cortado de forma rectangular: 25 mm de largo por 20 mm de ancho, y

Silicio (100) cortado en cuadrados de 10 mm de arista. Todos los sustratos fueron

sometidos a un tratamiento de limpieza en acetona para eliminar posibles impurezas y

partículas de la superficie.

Figura 2-5 a) vidrio y b) Si (100) utilizados como sustratos en el desarrollo de este trabajo.

2.4.1 Influencia del Sustrato

La técnica de Magnetron Sputtering permite utilizar diferentes materiales como sustratos,

los cuales tienen gran influencia en las propiedades de las películas depositadas.

Generalmente se utilizan vidrios y cerámicos o sólidos con enlaces iónicos o covalentes,

con el objetivo de evitar la conductividad eléctrica debida a electrones libres. Entre los

sustratos más utilizados para el depósito de materiales semiconductores de película

delgada, encontramos el vidrio, el Si (100), el GaAs, entre otros.

Es importante tener en cuenta algunas propiedades del sustrato, tales como: la rugosidad

y morfología de la superficie sobre la cual se depositara el material, estas propiedades se

pueden ver afectadas por la contaminación de partículas externas. La composición

química del material en donde puede influir la presencia de óxidos en la atmosfera antes,

durante y después del proceso. Las propiedades mecánicas (elasticidad, dureza y

fragilidad) y las propiedades térmicas (Punto de fusión, conductividad térmica, dilatación

térmica) ya que generalmente durante el proceso de sputtering se generan cambios de

presión y temperatura que pueden modificar estos parámetros.


Tabla 2-1 Propiedades Físicas de algunos materiales utilizados frecuentemente como sustratos.

Propiedad Si GaAs Vidrio

Estructura Cristalina Diamante Zinc Blenda Amorfo

Parámetro de Red 5.431 (a 298,2K) 5.65 (a300K) ----------

Módulo de Elasticidad (GPa) 129 85.5 ~70

Calor Especifico (J/g.°C) 0.7 0.35 0.84

Coeficiente de dilatación térmica (°C-1) 2.6x10-6 (a 300K) 6.86x10-6 (a 300K) 9x10-6

Conductividad Térmica (W/cm.°C) 1.31 (a 300K) 0.46 0.01

Temperatura de Fusión (°C) 1412 1240 <750

Densidad (g/cm3) 2.329 (a 298K) 5.317(a 298K) 2.5

Gap de Energía (eV) 1.12 (a 300K) 1.424 (a 300K) ----------

Constante dieléctrica 11.7 12.9 (a 300K) 5.4-10

La tabla 2.1 muestra algunas propiedades físicas importantes de los sustratos utilizados

en este trabajo (Vidrio y Si).

2.5 Condiciones de Depósito

Con el fin de encontrar las condiciones óptimas para preparar cada una de las muestras,

se realizó un estudio previo para películas delgadas de los materiales por separado,

donde se tuvieron en cuenta algunos de los parámetros físicos como temperatura de

substrato (Ts), presión del gas Ar, tiempo de depósito y naturaleza o propiedades del

substrato.

2.6 Procedimiento para depositar capas utilizando la técnica de

Magnetron Sputtering

A continuación una breve descripción del procedimiento para el depósito de las capas:

Limpieza de la cámara: Se realiza una minuciosa labor de limpieza dentro de la

cámara con el fin de evitar posibles contaminaciones en el substrato que puedan

afectar las propiedades y la pureza del semiconductor, para esto extraemos

cualquier objeto extraño dentro de la cámara y realizamos un vacío previo a la

colocación de los substratos.



Limpieza y montaje de los substratos: El vidrio y el Si son colocados en su sitio

correspondiente dentro de la cámara evitando el contacto con cualquier agente

externo que lo pueda contaminar.

Preparación de la cámara: Consiste en realizar el vacío base (~ 3 x 10-6 torr) este

procedimiento puede tardar aproximadamente 4 horas.

Se fija la temperatura de depósito: Se sube la temperatura constantemente a una

tasa de 5°C/min hasta la temperatura deseada.

Se introduce gas Ar dentro de la cámara, y posteriormente se fija la presión de

trabajo (5 x 10-3 Torr).

Se realiza el depósito de la capa o multicapas según sea el caso.

Se deja enfriar el sistema hasta temperatura ambiente por inercia en alto vacío.

Por último, se ventila la cámara y se extraen las muestras.

2.7 Crecimiento de Películas delgadas de GaAs

Se crecieron películas delgadas de GaAs por Magnetron Sputtering R.F utilizando como

precursor un blanco de alta pureza (95,95%) de GaAs con orientación preferencial (100).

El sistema permite utilizar blancos de 1 y 2 pulgadas de diámetro (figura 2.4), que se

controlan independientemente por las fuentes R.F. de 80 y 180 Watts, respectivamente.

El blanco (Target) de GaAs utilizado fue de 2 pulgadas. La presión de trabajo se fijó en

5x10-3 Torr, y se utilizó gas Ar de alta pureza (99,999%) para generar el plasma. Los

sustratos de Si y vidrio se ubicaron en el calentador, el cual cuenta con una termocupla

que permite controlar la temperatura, y se encuentra a una distancia aproximada de 4 cm

respecto a los blancos. El resumen de las condiciones de crecimiento del GaAs se

encuentra en la Tabla 2.2.


a) b)

Figura 2-6 a) Esquema del proceso de Sputtering para el depósito de GaAs. b) Imagen ilustrativa de la película obtenida.

Tabla 2-2. Resumen de las condiciones de depósito de las películas de GaAs

Etiqueta Películas/Sustrato Presión (Torr)

Tiempo (Min)

Potencia(Watts)

Mv

GaAs/vidrio

5x10-3

60

50

Ms

GaAs/Si

5x10-3

60

50

2.8 Crecimiento de Películas delgadas de AlGaAs

Para el depósito de AlGaAs se realizó el método de Co-Sputtering, es decir, se depositan

los átomos de ambas especies simultáneamente tal como se ilustra en la figura 2.7.

Utilizamos un blanco de Al de alta pureza y de una pulgada de diámetro, y un blanco de 2

pulgadas de GaAs. Se fijó la presión de trabajo en 5x10-3 Torr y se utilizó una atmosfera

de gas Ar. Nuevamente utilizamos como sustratos Si (100) y vidrio comercial.

Todas las películas de AlGaAs se crecieron sobre una capa buffer de GaAs. En todos los

casos la capa buffer se depositó durante 20 minutos en una atmósfera de gas Ar a una

presión 5x10-3 Torr, 580 °C de temperatura y a una potencia fija de 30 Watts. Siempre

después de cada depósito se cerraba el shutter, y se procedía a acondicionar el equipo

para realizar el crecimiento de la capa de AlGaAs. Este proceso consistía en llevar el

equipo a la temperatura deseada, encender el blanco de Al y fijar las nuevas potencias

de depósito. Este procedimiento podía tardar un máximo de 15 minutos.



a) b)

Figura 2-7 Esquema del proceso de Co-sputtering para el depósito de AlGaAs. b) Imagen ilustrativa de la película obtenida.

El objetivo de la capa buffer de GaAs es disminuir algunos efectos producidos por el

desacople entre las redes del sustrato y la capa de AlGaAs, especialmente en el caso del

vidrio que es un material amorfo.

Las condiciones de crecimiento de las películas delgadas de AlGaAs sobre vidrio y Si

(100) después de realizada la capa buffer, se resumen en la Tabla 2.3.

Tabla 2-3 Resumen de las condiciones de depósito de las películas delgadas de AlGaAs

Muestra Películas Presión (Torr)

Tiempo (Min)

Potencia (Watts)

Temp. (°C)

Método

M1 AlGaAs/GaAs

5x10-3 20 GaAs 40 AlGaAs

PGaAs =50 PAl =30

150°C Co-Sputtering

M2 M3

AlGaAs/GaAs

AlGaAs/GaAs

5x10-3

5x10-3

20 GaAs 40 AlGaAs 20 GaAs 40 AlGaAs

PGaAs =50 PAl =30 PGaAs =50 PAl =30

250°C

350°C

Co-Sputtering Co-Sputtering

M4 AlGaAs/GaAs

5x10-3 20 GaAs 40 AlGaAs

PGaAs =50 PAl =30


M5 AlGaAs/GaAs

5x10-3

20 GaAs 40 AlGaAs

PGaAs =50 PAl =30


3. Capítulo Técnicas de Caracterización

Con el objetivo de identificar algunas propiedades físicas y estructurales de las capas

preparadas en este trabajo, nos ocuparemos de estudiar brevemente el fundamento

teórico de algunas técnicas de caracterización de propiedades físicas, tales como

propiedades ópticas, morfológicas y estructurales. Entre las técnicas de caracterización

más relevantes, encontramos: Difracción de Rayos X, microscopía Raman, microscopía

electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica, entre otras.

En este capítulo realizaremos una breve descripción de cada una de las técnicas

utilizadas y las variables experimentales que se tuvieron en cuenta al momento de

realizar las medidas.

3.1 Difracción de Rayos -X (XRD)

3.1.1 Fundamento teórico

Cuando los fotones de rayos X alcanzan la materia, su interacción conduce a diferentes

efectos de absorción y dispersión. La dispersión de Rayleigh es una dispersión elástica

(coherente) que ocurre entre los fotones y los electrones que rodean los núcleos

atómicos, y se caracteriza porque la onda dispersada no cambia y mantiene su relación

de fase como onda incidente. Debido a la naturaleza periódica de las estructuras

cristalinas, la radiación dispersa puede darse de forma constructiva o destructiva, lo que

conlleva a fenómenos de difracción característicos que pueden ser estudiados para

investigar la estructura cristalina de los materiales.

Diferentes planos de red están en condiciones de difracción y se producen intensidades

variables de la señal difractada de acuerdo con la estructura cristalina y el grupo espacial

de las fases presentes. Como consecuencia, cada fase produce un patrón de difracción

32 ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL AlGaAs PARA POSIBLES APLICACIONES EN DISPOSITIVOS Y CELDAS SOLARES

característico que permite su identificación. Además, cuando varias fases están

presentes en un sistema, los patrones característicos de todas las fases se superponen y

la intensidad de los picos de difracción de las fases son respectivamente proporcionales

a sus cantidades.

En resumen, en la difracción de rayos X (XRD), un haz colimado de rayos X incide sobre

la muestra y es difractado por las fases cristalinas presentes de acuerdo con la ley de

Bragg. La intensidad de los rayos X difractados se mide en función del ángulo de

difracción 2Ө y de la orientación de la muestra.

𝜆 = 2𝑑 𝑠𝑒𝑛 Ө (3.1)

Donde d es la distancia inter-planar, es el ángulo de difracción entre los rayos

incidentes y los planos de dispersión y es la longitud de onda de los rayos-x.

Figura 3-1 Esquema de difracción de los rayos X en los planos cristalinos de un sólido.

Este patrón de difracción se utiliza para identificar las fases cristalinas de la muestra y

para medir sus propiedades estructurales, incluyendo la deformación, la epitaxia, el

tamaño y orientación de las cristalitos (pequeñas regiones cristalinas). XRD también

puede determinar perfiles de concentración, espesores de película y disposiciones

atómicas en materiales amorfos y multicapa. También puede caracterizar defectos. [10]

3.1.2 Condiciones Experimentales para la medición

Los patrones de difracción de rayos-X fueron obtenidos a temperatura ambiente

utilizando un difractómetro marca Rigaku y modelo MiniFlex II, que cuenta con un tubo de

rayos X con blanco de cobre, con lo cual se obtiene una radiación cuya longitud de onda

Capítulo 3 33

tiene un valor de λCu = 1.54 Å y que corresponde a la radiación kα del Cu, con geometría

Bragg-Brentano a 30kV y 15 mA.

Los difractogramas fueron registrados entre 10° y 70° (2Ө) con un paso de 0.02° y una

velocidad de barrido de 5° por minuto.

Para cada una de los difractogramas se realizaron cálculos del FWHM, microestrés y

tamaño del cristalito, este último se determinó utilizando la fórmula de Williamson y Hall.

El error instrumental fue removido de manera automática por medio del software del

equipo.

3.2 Espectroscopia Raman

Figura 3-2 Imagen del equipo para Microscopia Raman de la Universidad Nacional de Colombia

3.2.1 Fundamento Teórico

La espectroscopia Raman es una técnica empleada para el análisis cuantitativo de un

material. La espectroscopia se basa en el estudio de la interacción entre la radiación y la

materia en función de la longitud de onda. Un material puede absorber, emitir o dispersar

la radiación electromagnética y esto nos dará información cualitativa y cuantitativa de la

materia.


El fenómeno de dispersión se describe básicamente como la desviación de luz respecto

a su dirección original de incidencia. Esta dispersión se puede dar básicamente de dos

formas: Cuando el choque es elástico (conocida como dispersión Rayleigh), en donde la

frecuencia del fotón incidente y emitido es la misma, por lo tanto no hay cambio en su

energía. Por otro lado, si el choque es inelástico recibe el nombre de dispersión Raman

de la cual existen dos tipos: una en la que la luz dispersada tiene menor energía que la

luz incidente (Menor Frecuencia) conocida como Raman Stokes. Y la dispersión Raman

anti-Stokes, en donde la luz dispersada tiene mayor energía (Mayor frecuencia) que la

luz incidente. En este caso la molécula no se encontraba en el estado fundamental, por

lo tanto transfiere energía y cae al estado fundamental.

Figura 3-3 Representación esquemática de los tipos de dispersión de la luz.

El procedimiento de medida inicia cuando un haz de luz monocromático incide sobre un

material, dispersándose de manera elástica (Dispersión Rayleigh) e inelásticamente,

presentando un cambio en su frecuencia, los cuales son característicos de la naturaleza

química y del estado físico de la material de la muestra. Estos datos nos permiten

identificar distintos compuestos y características moleculares. [11]

El espectro Raman recoge estos fenómenos representando la intensidad óptica

dispersada en función del número de onda normalizado, el cual se relaciona con la

longitud de onda a través de la expresión: [12]

=1

𝜆=

𝑣

𝑐 [Cm-1] (3.2)

Donde λ es la longitud de onda de la luz incidente.

Capítulo 3 35


El análisis vibracional para las capas de GaAs y AlGaAs se realizó a través de la

espectroscopia Raman, utilizando un microscopio confocal de alta resolución LabRamHR

Horiba Jobin Yvon con una fuente de excitación de línea laser de 473nm DLSS con una

potencia <50 mW. El punto-laser se centró en la muestra utilizando un objetivo óptico

x10.

3.3 UV-Vis

Figura 3-4 Espectrómetro UV/VIS marca PEKIN ELMER, Lambda 20. Universidad Nacional de Colombia


El principio fundamental de la técnica se basa en analizar el comportamiento de un

material cuando interacciona con la luz. Cuando la luz incide sobre una muestra, puede

ocurrir que el material absorba, transmita o refleje una cierta cantidad de luz. En este

orden de ideas, la cantidad de luz absorbida se puede calcular como la diferencia que

existente entre la radiación incidente y la radiación transmitida. Para realizar mediciones

de estos fenómenos expresamos la absorbancia (A) y la Transmitancia (T) mediante las

siguientes expresiones:

𝑇 =𝐼

𝐼0 𝐴 = −𝐿𝑜𝑔 𝑇 (3.3)


Donde 𝐼0 representa la intensidad de la radiación incidente, mientras que 𝐼

representa la intensidad transmitida.

Figura 3-5 Esquema de un típico experimento UV-Vis


El espectro de absorción óptica para todas las muestras depositadas sobre substratos de

vidrio fue tomado en la región UV-Visible entre 300 y 1100 nm. El equipo utilizado fue un

espectrómetro UV/VIS marca PEKIN ELMER, Lambda 20.

3.4 Espectroscopia de Rayos-x de energía dispersiva (EDS)


La técnica de espectroscopia de rayos X (EDS) es una técnica de análisis químico

elemental semicuantitativa basada en la recolección y la dispersión de la energía de los

rayos X característicos, los cuales son emitidos cuando se ionizan los átomos de un

material mediante una radiación de alta energía. Un sistema básico para EDS consta de

una fuente de radiación de electrones de alta energía, un detector de estado sólido, una

muestra y un sistema electrónico de procesamiento de señales.

Capítulo 3 37

Figura 3-6 Posibles interacciones entre el haz incidente y la muestra en la técnica SEM. La técnica EDS generalmente se adiciona a una columna de lentes del sistema SEM.

El espectro de rayos X obtenido muestra una serie de picos característicos del tipo y la

cantidad de elementos presentes en la muestra. El número de conteos en cada pico se

puede convertir en concentración de peso elemental.

3.4.2 Condiciones Experimentales

El equipo para EDS se encuentra adaptado al microscopio de barrido Tescan Vega 3, y

las mediciones se realizaron en alto vacío en simultáneo con las mediciones SEM. Con el

objetivo de obtener mejores resultados analizaron diferentes zonas en las capas y se

realizó un promedio.

4. Capítulo Análisis de Resultados

Este capítulo está dedicado a la interpretación, discusión y análisis de los resultados

obtenidos al depositar capas de GaAs, y capas de AlGaAs sobre una capa buffer de

GaAs sobre sustratos de vidrio y Si (100), mediante la técnica de pulverización catódica

asistida por campo magnético.

Haciendo uso de las técnicas de caracterización explicadas brevemente en el capítulo

anterior, se analizaron las propiedades morfológicas, estructurales y ópticas con el

objetivo de identificar las mejores condiciones de crecimiento, que nos permitieron

obtener el material ternario AlGaAs. Se estudiaron algunos parámetros como el tamaño

del cristalito y el microestrés por medio de rayos X, modos vibracionales característicos

para el GaAs y el AlGaAs que nos permitieron confirmar la formación del ternario por

medio de la técnica de microscopia Raman y el ancho de banda de energía mediante

espectros obtenidos por UV-Vis para cada una de las muestras, con el objetivo de

encontrar el ancho de banda de energía de cada muestra y así poder analizar las

posibles aplicaciones del material obtenido.

4.1 Películas depositadas sobre sustratos de Vidrio:

Para las muestras de GaAs depositadas sobre sustratos de vidrio comercial, se

realizaron medidas con las técnicas de caracterización de difracción de rayos X y

espectroscopia Raman que nos permitieron confirmar el depósito de la capa de arseniuro

de galio (GaAs) bajo ciertas condiciones específicas. Por otro lado, para las películas de

AlGaAs se realizaron, además de las anteriores, las técnicas UV-Vis, análisis SEM y EDS

que contribuyeron en el estudio del material.

Capítulo 4 39

4.1.1 GaAs

Nuestros primeros esfuerzos se enfocaron en encontrar las condiciones ideales para el

depósito del material semiconductor Arseniuro de galio (GaAs) mediante la técnica

Magnetron Sputtering. Por tal motivo, en esta primera sección nos dedicaremos a

mostrar los resultados obtenidos de capas de GaAs sobre sustratos de vidrio bajo las

condiciones resumidas en la tabla 2.2.

El análisis de datos por medio de difracción de rayos X nos muestra un crecimiento de

capas policristalinas con orientación preferencial a lo largo de la dirección (111), que se

confirma con la presencia de los modos TO y LO obtenidos mediante espectroscopia

Raman para la misma capa.

La importancia de obtener unas buenas condiciones de depósito para el semiconductor

GaAs sobre sustratos de bajo costo como el vidrio, radica en que este material nos

permite formar aleaciones ternarias que potencializan las aplicaciones tecnológicas del

mismo, entre las aleaciones más estudiadas se encuentran InGaAs, GaAsN y AlGaAs,

entre otras. La obtención del AlGaAs junto con el estudio de algunas de sus propiedades

físicas se investigará en el desarrollo de este trabajo de tesis.

4.1.2 Caracterización Estructural

El análisis de los espectros de difracción de Rayos X nos permite determinar el tamaño

del cristalito y la fase presente en la película de GaAs depositada sobre vidrio. Los

resultados nos muestran un espectro con la presencia de los planos cristalográficos en

las direcciones (111) y (220) ubicados en las posiciones 26.88° y 45.01° en 2θ,

respectivamente. Estos planos están asociados a una estructura cúbica tipo Zinc Blenda

(ZB) cuya orientación preferencial se encuentra a lo largo de la dirección (111) tal como

se observa en la Figura 4-1.

Utilizando el ancho de los picos y el método de Scherrer podemos hacer una

aproximación para el tamaño del cristalito. El ancho del pico de difracción de Bragg

depende del tamaño del cristal, la relación cuantitativa se conoce como la ecuación de

Scherrer:

∆(2𝜃) =0,9𝜆

𝐷 cos 𝜃 (4.1)


Donde ∆(2𝜃) es el tamaño del cristal, D es el ancho medio del pico y θ su posición, el

valor 0.9 es una constante que depende de la forma. La aproximación por medio de esta

ecuación determina el valor mínimo del tamaño del cristal, ya que existen algunos

factores que pueden intervenir en el ancho del pico, además de los efectos

instrumentales y el tamaño del cristalito, el ancho del pico se puede ver afectado por

imperfecciones de la red, dislocaciones, tensiones y microestrés, entre otras. El concepto

de cristalinidad puede ser utilizado para referirse al tamaño del cristal y al

ensanchamiento por imperfecciones. [13]

Figura 4-1 Espectro de difracción de Rayos X para una muestra de GaAs depositada sobre vidrio.

Mediante la ecuación (4.1) y utilizando el pico más intenso y con el menor ángulo con el

fin de disminuir el error por la señal Kα2, realizamos el desarrollo para obtener el valor

aproximado del tamaño del cristalito. Utilizamos el plano (111) ubicado en 26,88° el cual

nos dio como resultado para el tamaño del cristalito un valor de 111.3 Å. El valor del

ángulo 2θ lo encontramos mediante el ajuste de una función Gaussiana utilizando el

software Origin 8.1.

Capítulo 4 41

4.1.3 Caracterización por Espectroscopia Raman

La técnica de espectroscopia Raman nos permite observar los modos vibracionales

característicos del GaAs presentes en la capa depositada sobre vidrio. Según la

geometría utilizada para un material con una estructura tipo Zinc Blenda con orientación

preferencial (111) se permiten los modos vibracionales transversal óptico (TO) y

longitudinal óptico (LO), mostrados en la Figura 4-2. El corrimiento en las frecuencias de

los modos de vibración LO y TO hacia valores más bajos en el vector de onda K se

asocia con trastornos o desorden en la red cristalina. Este efecto es indicativo de la

presencia de nanocristales de GaAs en el material. [14]

Figura 4-2 Espectro Raman para una película de GaAs depositada sobre vidrio.

Los modos vibracionales TO y LO encontrados para el arseniuro de galio se encuentran

en las posiciones 250 cm-1 y 275 cm-1, respectivamente. Los valores se obtuvieron

mediante un ajuste gaussiano como se indica en el inset de la figura 4-2. Estos

resultados están en concordancia con los obtenidos mediante el análisis de difracción de

rayos X.

Esta caracterización nos permitió encontrar las condiciones para el depósito de capas de

GaAs, las cuales utilizaremos como capas buffer. Además nos dio pie para iniciar el


depósito de las capas de AlGaAs bajo estas mismas condiciones y nos servirán de punto

de comparación en el siguiente estudio.

4.1.4 AlGaAs

4.1.5 Análisis Químico Semi-cuantitativo por EDS

El análisis químico elemental se realizó mediante la técnica EDS, en la figura 4-3 se

pueden observar los resultados obtenidos para algunas de las muestras, en donde se pueden identificar los elementos Al, Ga y As. Algunos valores correspondientes a elementos del sustrato no se tuvieron en cuenta para la cuantificación.

Figura 4-3: Espectro EDS de las muestras de AlGaAs depositadas sobre vidrio.

Capítulo 4 43

En la tabla 4-1 se muestran los resultados obtenidos para cada una de las muestras de AlGaAs en donde podemos observar que el porcentaje atómico de aluminio varía entre un 10% y un 23%, lo que puede indicar que los átomos de galio están siendo reemplazados o sustituidos por los átomos de aluminio en la matriz de GaAs.

Tabla 4-1 Análisis químico elemental semi-cuantitativo para las muestras de AlGaAs.

Muestra Al Ga As

% atómico

% atómico

% atómico

M1=150°C 22.94 34.01 43.05

M2=250°C 13.71 43.3 43.08

M3=350°C 10.48 49.33 40.19

M4=450°C 21.32 44.45 34.23

M5=550°C 16.75 39.66 43.59

Figura 4-4 Porcentaje de Al, Ga y As en función de la temperatura.


La figura 4-4 nos permite ver claramente la variación del porcentaje atómico de los

elementos presentes en la película en función de la temperatura. Podemos inferir que las

concentraciones As se mantienen entre un 35% y 45%, y que existe una leve tendencia

a que el aumento del porcentaje de aluminio represente una disminución del porcentaje

atómico de galio, lo que nos indicaría una sustitución de átomos de Ga por átomos de Al

en la matriz de GaAs.


Los espectros de difracción de Rayos X para las películas delgadas de AlGaAs fueron

medidos entre 10° y 70° en 2Ө con un paso de 0,02° y a una velocidad de barrido de 5°

por minuto. Los resultados muestran la presencia de planos cristalográficos asociados al

GaAs (Tarjeta 00-089-1885) y AlAs (tarjeta 00-080-0014).

En la figura 4.5 se pueden observar los difractogramas de todas las capas depositadas,

desde la muestra M1 correspondiente a una película depositada a 150°C de temperatura

del sustrato, hasta la muestra M5 que se depositó a 550°C. Por otro lado las demás

variables se dejaron fijas, es decir, la potencia utilizada para todas las muestras fue de

50W para el GaAs y 30W para el Al, al igual que el tiempo total de depósito se fijó en

una hora y la presión en 5x10-3 Torr. Estas variables se fijaron en estos valores después

de analizar los resultados obtenidos tras el depósito de capas de GaAs.

En todas las capas de AlGaAs encontramos planos asociados tanto al GaAs como al

AlAs definidos por picos en 26.54°, 44.71° y 53,14°en 2Ө correspondientes a los planos

cristalográficos (111), (220) y (311) respectivamente, y de acuerdo a la base de datos ya

reportada. El espectro de difracción nos muestra una orientación preferencial (111) con

un parámetro de red 5,62 Å. Sin embargo, pese a que en todos los difractogramas

encontramos los mismos planos, podemos observar que a bajas temperaturas el

espectro es mucho más ruidoso lo que sugiere que el material presenta algunos defectos

en su estructura cristalina, también podemos decir que a medida que el aumento de la

temperatura beneficia las propiedades estructurales de las películas, por lo tanto se

obtienen picos más definidos en las muestras con temperaturas superiores a 350°C para

el sustrato.

Capítulo 4 45

El ruido en los difractogramas se debe a esfuerzos generados entre el sustrato que es un

material amorfo y la capa buffer de GaAs. Las mejores condiciones bajo el análisis de

esta técnica, se encontraron para las temperaturas de 350°C y 550°C, corroborando la

influencia de la temperatura en el crecimiento del material.

Figura 4-5 Difractogramas de las capas M1- M5 de AlGaAs depositadas sobre vidrio con la misma potencia de los blancos pero a diferentes temperaturas.

De acuerdo con los espectros de difracción en la Figura 4-5, podemos concluir que se

depositaron unas películas policristalinas con mejores propiedades estructurales bajo las

condiciones de crecimiento de las muestras M3, M4 y M5 respecto a las muestras M1 y

M2. Por lo tanto, es posible afirmar que existe una tendencia favorable al depósito de

AlGaAs con el aumento de la temperatura.

La ecuación de Scherrer permite relacionar el tamaño de los cristalitos causantes de la

difracción con el ancho de los picos en el difractograma mediante la ecuación:

𝛽𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 = 𝐾 1

𝑑 (4.2)

Donde 𝑘 es un factor geométrico ~ 0.9 y d es el espacio de la ecuación de Bragg.


Algunos defectos en la estructura cristalina de los sólidos generan un ligero cambio en

las distancias interatómicas, a este fenómeno se le conoce como microtensiones ε. Estos

defectos son asociados con la variación del ancho integral del pico de difracción puro.

Existe una relación entre el ancho de las reflexiones y las microtensiones ε que fue

determinada por Stokes y Wilson:

𝛽𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 2εQ = 2ε

𝑑 (4.3)

Donde 𝛽𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 es el ancho de las reflexiones (picos) debido a los defectos en la red.

Finalmente, el aumento en el ancho final de una reflexión se debe a dos factores: un

ensanchamiento debido al tamaño de las partículas y otro ensanchamiento por

deformación estructural, ambos en función del ángulo de Bragg, de acuerdo con la

siguiente ecuación:

𝛽 = 𝛽𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 + 𝛽𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 𝐾 1

𝑑+ 2ε Q (4.4)

Si ponemos 𝛽 en radianes y 𝑄 = 1/𝑑 obtenemos la ecuación de Bragg:

𝛽(𝑟𝑎𝑑)𝐶𝑜𝑠 𝜃 =𝑘𝜆

𝑑+ 4𝜀 𝑠𝑒𝑛 𝜃 (4.5)

A esta ecuación se le conoce como la ecuación de Williamson-Hall. Mediante esta

ecuación podemos obtener un gráfico del ancho 𝛽 en función de Q=1/d de donde la

pendiente nos permite obtener el valor de las microtensiones y mediante el

intercepto con el eje Y, podemos obtener el tamaño del cristalito.

A continuación mostraremos como ejemplo en la tabla 4-1, los resultados obtenidos del

difractograma de la capa M5 depositada a 550°C. En primer lugar convertimos todas las

unidades a nm, de esta forma λ=0,154059 nm y los demás valores mediante las

ecuaciones:

𝛽(𝑛𝑚−1) = 𝐶𝑜𝑠 𝜃ℎ𝑘𝑙

𝜆𝛽(𝑟𝑎𝑑, 2𝜃) (4.6)

Q =1

𝑑ℎ𝑘𝑙

= 2 𝑠𝑒𝑛 𝜃ℎ𝑘𝑙

𝜆 (4.7)

Capítulo 4 47

Tabla 4-2 Datos obtenidos del espectro de difracción de Rayos X para la capa de AlGaAs depositada a 550°C.

Picos Plano (h, k, l)

𝜷 Ancho (rad)

𝜷 Ancho (nm)

Q (nm-1)

Ө (°)

1 (111) 0,007146774 0,045151175 2,9790 26.54 2 (220) 0,008773945 0,052669990 4,9398 44.72 3 (311) 0,010087130 0,058560836 5,8067 53.14

Utilizando los datos registrados en la tabla 4-2 realizamos una representación gráfica del

ancho 𝛽 en función de Q. Mediante un ajuste lineal obtuvimos el valor de la pendiente

que da lugar al valor del micro-estrés, por otro lado, el valor del intercepto de la recta

obtenida, con el eje Y, está relacionado con el valor del tamaño de cristalito mediante la

siguiente ecuación:

𝑑 = 𝑘1

𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜 (4.8)

Donde k es una constante y λ es la longitud de onda de la radiación utilizada.

Realizamos el mismo procedimiento para las demás muestras (M2, M3, M4 y M5) y se

obtuvo que el tamaño del cristalito para las películas depositadas aproximadamente fue

de 30 nm (250°C), 75nm (350°C), 20 nm (450°C) y 60nm (550°C), estos resultados se

obtuvieron teniendo en cuenta los planos (111), (220) y (311) encontrados en todas las

muestras. Este procedimiento no fue posible de realizar en la capa M1(150°C) debido al

ruido en el espectro, el cual no permite obtener los valores del FWHM para los planos

necesarios. Los resultados se resumen en la figura 4-6.


Figura 4-6 Grafica de 𝜷 en función de Q de los datos obtenidos para la muestra M5 depositada a 550°C.

Figura 4-7 Microestrés y tamaño del cristalito en función de la temperatura.

Capítulo 4 49

4.1.7 Caracterización por microscopía Raman

En la Figura 4-8 se muestran los espectros Raman obtenidos de todas las películas

delgadas de AlGaAs depositadas sobre la capa buffer de GaAs sobre vidrio

(AlGaAs/GaAs/vidrio), aumentando la temperatura del sustrato en 100°C para cada

muestra, empezando desde 150 °C hasta llegar a 550°C. Claramente se puede observar

en todas las muestras la presencia de un modo de vibración centrado en 245 cm-1 y la

formación de un hombro alrededor de 275 cm-1 el cual es más prominente en algunas

capas que en otras. Con el aumento de la temperatura también podemos observar la

formación de dos bandas vibratorias localizadas alrededor de 345 y 380 cm-1.

Teniendo en cuenta que los fonones están activos en el proceso Raman de primer orden

en la retrodispersión sobre la cara (001), se pueden asignar nuestras bandas vibratorias

como los modos fonónicos TO-GaAs (248 cm-1), LO-GaAs (275 cm-1), TO-AlAs (345 cm-1)

y LO-AlAs (380 cm-1). Este comportamiento de dos modos es frecuente en aleaciones

semiconductoras III-V, siendo prohibidos los modos fonónicos TO del cristal tanto para el

GaAs como para el AlAs en la geometría utilizada para la medida Raman

(Backscattering). La presencia de estos modos está asociada con defectos cristalinos e

indica que la calidad del cristal para las capas de AlGaAs no es perfecta. Algunos autores

concluyen que la calidad cristalina del material AlGaAs mejora cuando la temperatura de

crecimiento es mayor, sin embargo aseguran que existe un límite para el cual esto es

cierto. [15]

La presencia de los modos de vibración TO y LO para GaAs y AlAs es un indicativo de la

formación del ternario AlGaAs, tal como se evidencia en el análisis realizado para los

espectros de difracción de rayos-x.

Tabla 4-3 Modos Vibracionales para el AlGaAs asignados en este trabajo.

TO (cm-1) LO (cm-1) LA (cm-1)

GaAs 248 275 --- AlAs 345 380 ---

AlGaAs --- --- 194


Figura 4-8 a. Espectro Raman de las películas delgadas de AlGaAs depositadas sobre vidrio por Magnetron Sputtering a diferentes temperaturas. b. Espectro Raman de la película a

550°C donde se puede observar el modo LA- AlGaAs.

Por otro lado, encontramos un modo vibracional longitudinal acústico LA asociado con el

AlGaAs en 194 cm-1, el cual no es posible explicarlo teniendo en cuenta la simetría del

cristal, y está asociado a defectos y deformaciones de la red debido a la incorporación en

altas concentraciones de Al en la matriz de GaAs.

Capítulo 4 51

4.1.8 Caracterización UV-Vis

La caracterización óptica de las muestras se realizó utilizando un espectrómetro UV-Vis

en modo Transmitancia en el intervalo de longitud de onda 300 -1100 nm a temperatura

ambiente.

El coeficiente de absorción óptica (α) se calculó a partir de la absorbancia, (A). Después

de la corrección de las pérdidas de reflexión, se puede obtener α usando la siguiente

ecuación:

𝛼(𝜈) =2,303𝐴

𝑙 (4.9)

Donde 𝑙 es el espesor de la muestra y A se define por 𝐴 = 𝐿𝑜𝑔(𝐼0

𝐼⁄ ) donde 𝐼0 y 𝐼 son la

intensidad de los haces incidente y transmitido, respectivamente. El coeficiente de

absorción cerca al borde de la banda para materiales no cristalinos muestra una

dependencia exponencial de la energía del fotón (ℎ𝜈) que sigue la fórmula de Urbach:

𝛼(𝜈) = 𝛼0exp (ℎ𝜈𝐸𝑢

⁄ ) (4.10)

Donde 𝛼0 es una constante, 𝐸𝑢 es una energía que se interpreta como el ancho de la

cola de los estados localizados en la banda prohibida y su origen se debe a vibraciones

térmicas en la red, ν es la frecuencia de radiación y h es la constante de Planck.

La relación anterior es frecuentemente utilizada para descubrir el borde de absorción en

algunos materiales cristalinos y también es válida para muchos materiales amorfos, esta

ecuación ha sido modificada por Davis y Mott:

𝛼(ℎ𝜈) =𝐵(ℎ𝜈−𝐸𝑔)

𝑛

ℎ𝜈 (4.12)

Donde ℎ𝜈 es la energía del fotón incidente, 𝐸𝑔 es el valor de la brecha de energía óptica

(Band Gap) entre la banda de valencia y la banda de conducción, n es la potencia que

caracteriza la transición electrónica, ya sea directa o indirecta durante el proceso de

absorción en el espacio-K. Generalmente, n es 1/2, 3/2, 2 o 3 para las transiciones

directas permitidas, directas prohibidas, indirectas permitidas e indirectas prohibidas,

respectivamente. El factor B depende de la probabilidad de transición y se puede

suponer que es constante dentro del rango de frecuencia óptica. [16]


El método que utilizamos para determinar el valor 𝐸𝑔 consiste en realizar (𝛼ℎ𝜈) 2 en

función de la energía del fotón (ℎ𝜈) teniendo en cuenta la porción lineal del borde de

absorción fundamental en el UV-visible.

Los espectros de transmitancia nos permitieron determinar el valor de la energía de la

banda prohibida 𝐸𝑔 . Los resultados se registran en la Figura 4.9, y nos muestran la

presencia de dos transiciones directas que demuestran la existencia de dos capas en el

material depositado. En todas las películas se observa la presencia del GaAs con un

valor de ~1,43 eV para su energía de banda prohibida, estos resultados están acorde

con los reportados en la literatura para este material. Por otro lado, también se observa la

presencia de una capa adicional en cada una de las muestras que se atribuye a la

formación de AlGaAs en bajas concentraciones de Al.

Utilizando la ley de relación entre el ancho de banda y el contenido de Al (Casey and

Panish, 1978), se estimó el contenido de aluminio para cada una de las muestras de

AlGaAs, mediante la ecuación:

𝐸𝑔,𝛤𝐴𝑙𝐺𝑎𝐴𝑠 = 1.424 + 1.247𝑥, (0 ≤ 𝑥 ≤ 0.45) (4.12)

Los resultados obtenidos para el ancho de banda de Energía para las capas de GaAs

permanecen aproximadamente constante en 1,43 eV y para la capa de AlGaAs se

encuentran entre 1,5 y 1,62 eV. Por otro lado, la concentración de Al en las películas

para cada una de las capas oscilan entre el 5 y el 10%, tal como se resume en la tabla 4-

4. Estos resultados concuerdan con la literatura .y también con los presentados en este

trabajo mediante las técnicas de difracción de rayos X y espectroscopia Raman.

Tabla 4-4 Valores para el ancho de banda y la concentración X de Al en las películas de AlGaAs sobre vidrio.

Muestra Band Gap

GaAs (eV)

Band Gap

AlGaAs (eV)

Concentración

x de Al

M1 1,43 1,5 0,061

M2 1,43 1,53 0,085

M3 1,43 1,53 0,085

M4 1,43 1,54 0,093

M5 1,43 1,62 0,157

Capítulo 4 53

a) T= 150 °C b) T= 250 °C

c) T= 350 °C d) T= 450 °C

d) T=550°C

Figura 4-9 Graficas de (𝜶𝒉𝒗)𝟐 en función de la energía del Fotón (𝒉𝒗) para cada una de las capas depositadas en función de la temperatura.


Figura 4-10 Grafica de (𝜶𝒉𝒗)𝟐 en función de la energía del Fotón (𝒉𝒗) a partir de datos tomados de la página www.filmetrics.com

Por medio de la página web de www.filmetrics.com podemos calcular la reflectancia en

longitudes de onda desde 200 nm hasta 2000 nm, ingresando los datos de las

condiciones de crecimiento de las capas, tales como el medio (Ar), el sustrato(vidrio), las

capas y sus espesores. Esta calculadora de reflectancia utiliza un motor de cálculo

basado en la forma de matriz compleja de las ecuaciones de Fresnel. Figura 4-10.

Podemos observar que los cálculos teóricos para pequeños valores en la concentración

de Al, coinciden con los resultados mediante este trabajo. Podemos ver que a medida

que aumenta la concentración de átomos de Al en la matriz de GaAs (Línea azul) el valor

del ancho de banda de energía aumenta, como es de esperarse para este material.

http://www.filmetrics.com/

http://www.filmetrics.com/

Capítulo 4 55

4.2 Películas depositadas sobre Si(100):

4.2.1 GaAs


El espectro de difracción de Rayos X de las capas de GaAs depositadas sobre Si(100) se

muestran en la Figura 4-11. Podemos observar un pico en 2θ = 26.46° que se atribuye

al plano (111) de la capa de GaAs, mientras el pico de difracción en 2θ = 32°

corresponde al plano (002) de una capa de SiO formada sobre el sustrato.

Figura 4-11 Espectro de difracción de rayos X para una capa de GaAs sobre Si(100)

Podemos concluir que sobre ambos materiales utilizados como sustratos (Vidrio y

Si(100)) las capas de GaAs muestran la misma orientación preferencial a lo largo de la

dirección (111), sin embargo las muestras depositadas sobre vidrio presentan una

estructura policristalina que difiere de la estructura monocristalina para las capas sobre

silicio.

Por otro lado, los difractogramas nos permiten observar una muestra con mejores

propiedades cristalinas para la película deposita sobre Si(100), tal como lo indica la tabla

4.5. Este fenómeno se debe a los efectos que tiene las propiedades físicas e intrínsecas

de cada sustrato, entre ellas el parámetro de red, la constante de dilatación térmica y


algunas propiedades morfológicas como la rugosidad los cuales generan esfuerzos en la

unión capa-sustrato que afectan las propiedades cristalinas de la película depositada y la

orientación del cristal. Algunas propiedades físicas de los sustratos utilizados en este

trabajo se resumen en la Tabla 2-1.

Tabla 4-5 Resumen de los datos obtenidos por DRX para las capas de GaAs.

Capa 2θ

(Grados)

Constante de Red (Å)

FWHM Tamaño del Cristalito (Å)

GaAs/vidrio 26,88 103 0.7339 111.3 GaAs/Si 26,46 214 0.3572 228.4

4.2.3 Caracterización por microscopía Raman

El espectro Raman de la figura 4-12 muestra los modos vibracionales característicos

para una capa de arseniuro de galio depositada sobre silicio Si(100) en la región 150-700

cm-1 para el vector de onda K. Los modos TO y LO permitidos para el GaAs (111) se

encuentran ubicados en las posiciones 255 cm-1 y 279 cm-1, respectivamente.

Figura 4-12 Espectro Raman de una película delgada de GaAs depositada sobre Si(100)

Capítulo 4 57

4.2.4 AlGaAs

4.2.5 Análisis químico Semi-cuantitativo EDS

Se realizó un análisis químico semi-cuantitativo a las capas de AlGaAs depositadas

sobre Si(100), los resultados se muestran en la figura 4-13, en ella podemos identificar

no solo los elementos Ga, As y Al ( de izquierda a derecha, respectivamente) asociados

con la película, sino también al Si correspondiente al sustrato.

Figura 4-13 Espectros EDS para algunas muestras de AlGaAS sobre Si(100)

Los resultados se resumen en la tabla 4-7, las concentraciones de Al oscilan entre 13% y

34%, debemos tener en cuenta que esta técnica sólo permite hacer un análisis semi-

cuantitativo y que la información se obtiene mapeando diferentes puntos sobre la

muestra.


Tabla 4-6 Análisis químico semi-cuantitativo de las capas de AlGaAs

Muestra Al Ga As

At. % At. % At. %

M1=150°C 34.17 33.34 32.49

M2=250°C 13.71 44.3 42.08

M3=350°C 17.37 42.72 39.91

M4=450°C 29.02 26.82 44.16

M5=550°C 13.96 43.11 42.93

En la figura 4-14 se muestra el porcentaje de cada uno de los elementos presentes en

las muestras depositadas sobre silicio en función de la temperatura, existe un leve

aumento relativo de las concentraciones de Al respecto a las depositadas sobre vidrio.

Sin embargo hay una fuerte relación inversa entre el porcentaje atómico de aluminio con

el de galio, lo que nos sugiere la sustitución atómica de Ga por Al. Por otro lado, el

porcentaje atómico de As se mantiene relativamente estable. El alto contenido de

aluminio en las películas se puede explicar si tenemos en cuenta que las condiciones

favorecen su depósito, lo que puede generar la presencia de aglomerados de este

material en las películas.

Figura 4-14 Porcentaje atómico de Al, Ga y As en función de la temperatura.

Capítulo 4 59


Los espectros de difracción de las películas de AlGaAs correspondientes a las muestras

M1-M5 depositadas sobre sustratos de Si(100) fueron tomados bajo las mismas

condiciones experimentales mencionadas anteriormente para las capas sobre vidrio.

Recordemos que las películas obtenidas sobre silicio se realizaron colocando el sustrato

contiguo a los sustratos de vidrio, lo cual quiere decir que se aumentó las temperatura

desde 150°C para la muestra M1 hasta 550°C para la muestra M5, y las demás variables

se dejaron fijas. En la Figura 4,15 se muestran los resultados obtenidos para todas las

muestras encontrándose que tal como en las capas depositadas sobre vidrio, se forman

planos cristalográficos asociados con GaAs y AlAs con orientación preferencial (111).

Los difractogramas de las muestras depositadas a 350°C y 550°C permiten observar la

formación de estructuras cubicas multifase reportadas como Al0.95Ga0.05 (tarjeta 98-010-

7815), Al (tarjeta 98-015-0692), GaAs (tarjeta 98- 061-0543), y AlAs (tarjeta 98-065-

6315).

Respecto a la influencia de la temperatura se puede inferir que el aumento de la misma

beneficia la formación de los planos de difracción en particular el plano (311) asociado al

GaAs:AlAs, observamos que en la muestra depositada a 150°C el ruido en el espectro es

mayor y presenta menor cristalinidad, además de que en ella desaparece casi totalmente

el plano (311).

Algunos planos cristalográficos asociados al sustrato no fueron etiquetados en este

trabajo, en la Tabla 4-2 se resumen los planos obtenidos.


Figura 4-15 Difractogramas de las capas M1- M5 de AlGaAs depositadas sobre Si(100) con la misma potencia de los blancos pero a diferentes temperaturas.

Los esfuerzos generados durante crecimiento de las muestras se deben a la diferencia

en la constante de red entre AlGaAs (ec. 4.13) y la capa buffer de GaAs, y de aleación

por el contenido de Al. Adicionalmente, a efectos térmicos debido a la diferencia entre los

coeficientes de expansión térmica de GaAs (o AlGaAs) y el substrato (ec. 4.14).

∆𝑎 = 𝑎𝐴𝑙𝐺𝑎𝐴𝑠−𝑎𝐺𝑎𝐴𝑠

𝑎𝐺𝑎𝐴𝑠 (4.13)

∆𝑇 = [𝑇𝑝 − 𝑇𝑠 ] ∆𝑇 (4.14)

Donde 𝑎𝐴𝑙𝐺𝑎𝐴𝑠 es el parámetro de red de la película de AlGaAs para una concentración

de Al, x= 0.1. 𝑎𝐺𝑎𝐴𝑠 es el parámetro de red de la capa buffer de GaAs, que es

aproximadamente el parámetro de red GaAs en bulto. El desajuste en el valor de la

constante de red (a) calculado para la muestra crecida sobre Si(100) es menor 0.018%,

lo cual demuestra que no hay una diferencia significativa entre las constantes de red de

la capa de AlGaAs y la capa buffer de GaAs, y por tanto el corrimiento observado en los

espectros de rayos-x se debe a efectos solo de aleación. En la ecuación (4.14), 𝑇𝑝 es el

coeficiente de expansión térmica de la película de GaAs y 𝑇𝑠 el coeficiente de expansión

Capítulo 4 61

térmica del substrato y T es la diferencia entre la temperatura de crecimiento y la

temperatura ambiente. Se obtuvo un valor de ∆𝑇 de 0.02 %.

Tabla 4-7 Planos cristalográficos asignados a las fases presentes en el material.

Planos (hkl) reportados en la

literatura

Planos (hkl) adicionales en este trabajo

AlA

s

(hkl) (022) (133) (111) (220) (311)

d(Å) 2.001 1.299 3.245 1.987 1.695

2Ө (°) 45.271 72.758 27.49 45.66 54.13

GaA

s (hkl) (022) (133) (111) (220) (311)

d(Å) 2.001 1.298 3.246 1.988 1.6954

2Ө (°) 45.280 72.773 27.47 45.63 54.09

AlG

a

(hkl) (100) (002)

d(Å) 2.342 2.028

2Ө (°) 38.409 44.647

Al

(hkl) (111) (002)

d(Å) 2.349 2.034

2Ө (°) 28.292 44.508

4.2.7 Caracterización por Microscopía Raman

En la figura 4-16 se observa el espectro Raman en la región 200-450 cm-1 para las

películas delgadas de AlGaAs depositadas sobre silicio (AlGaAs/GaAs/Si). Estos

espectros muestran las frecuencias de los modos fonónicos LO y TO, centrados

alrededor de 252 cm-1 y 275 cm-1 asociados con el semiconductor arseniuro de Galio

(GaAs), mientras que los modos fonónicos que se forman para algunas muestras

(evidente en las muestras de 350, 450 y 550°C) alrededor de 350 cm-1 y 390 cm-1 son

asociados con el AlAs. En las muestras a bajas temperaturas no se evidencia la

presencia de los modos del AlAs, lo que nos permite inferir que el aumento de la

temperatura influye en la formación de estas bandas vibratorias. Los resultados

obtenidos difieren en ~5 cm-1 con los obtenidos bajo la mismas condiciones sobre

sustratos de vidrio, diferencia que puede atribuirse directamente a las propiedades

estructurales y superficiales de los sustratos.


Por otro lado, encontramos nuevamente la presencia del modo vibracional longitudinal

acústico LA asociado con el AlGaAs en 194 cm-1.

Figura 4-16 Espectro Raman de todas las películas delgadas de AlGaAs depositadas sobre Si (100) por Magnetron Sputtering.

5. Capítulo Conclusiones y recomendaciones

5.1 Conclusiones

Se depositaron capas de GaAs sobre sustratos de vidrio y Si(100). Se logró

encontrar las condiciones ideales de depósito para preparar capas de GaAs por

Magnetron Sputtering. Se obtuvieron unas capas con una orientación preferencial

en la dirección (111).

Se obtuvieron los planos cristalográficos asociados con el GaAs, por medio de los

cuales se calculó el tamaño del cristalito, confirmando así la obtención de

nanocristales de GaAs.

Se encontraron las condiciones experimentales para obtener la aleación

semiconductora AlGaAs utilizando la técnica de depósito Magnetron Sputtering.

Los resultados obtenidos muestran una gran influencia de la temperatura en las

propiedades físicas del material.

Los espectros Raman mostraron la formación de una pareja de bandas de

vibración asociadas con los modos LO y TO del GaAs y el AlAs, lo que nos

permitió comprobar la formación del material ternario AlGaAs, ya que estos

modos son característicos de aleaciones semiconductoras de los grupos III-V.

El análisis mediante el espectro UV-Vis nos permitió determinar el valor de la

energía de la banda prohibida 𝐸𝑔. Los resultados muestran la presencia de dos

transiciones directas que sugieren la existencia de dos capas en el material

depositado. En todas las películas se observa la presencia del GaAs con un valor

de 1,43 eV para su energía de banda prohibida. Además, un valor de 1,54eV

asociado con el ancho de banda para el material ternario AlGaAs con bajas

concentraciones de Al.

64 Conclusiones

Por ultimo podemos concluir que se cumplió con el principal objetivo de esta tesis,

el cual era estudiar las propiedades físicas de capas de GaAs y la influencia del Al

en las capas de AlGaAs obtenidas por Magnetron Sputtering.

5.2 Recomendaciones

Se recomienda realizar el depósito de capas de AlGaAs a una temperatura cercana a los 550°C, variando algunos parámetros como la potencia de los blancos y el tiempo de depósito, con el fin de mejorar las propiedades de las capas obtenidas en este trabajo.

5.3 Perspectivas

Utilizar los conocimientos obtenidos para el depósito de películas delgadas de AlGaAs por Magnetron sputtering para realizar multicapas de GaAs y AlGaAs con el objetivo de obtener pozos cuánticos.

Realizar una celda solar tipo tándem o multicapas a base de GaAs y AlGaAs por medio de la técnica de pulverización catódica asistida por campo magnético.

A. Anexo: Publicaciones y Congresos

V CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA FÍSICA 2016

PROPIEDADES FÍSICAS DE InGaAs OBTENIDO POR MAGNETRON SPUTTERING

R.F.

Juan Losada Losada, Roberto Bernal Correa, Santiago Torres Jaramillo, Jorge Montes Monsalve,

Álvaro Pulzara.

In this paper we focus on the preparation of InGaAs layers by magnetron sputtering r.f technique.

The sputtering power was used as a control for the formation of different stoichiometry. From the

results obtained by X-ray and Raman spectroscopy, we conclude the formation of InxGa1-xAs in

different concentrations, achieving identify peaks associated with crystallographic planes (X-rays),

and characteristic vibrational modes (Raman). An analysis using the techniques: Secondary ion

mass spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopy, and energy dispersive spectroscopy,

allowed a discussion of the composition in each of the layers. Finally the electronic and optical

properties were determined from transmittance measurements, photoacoustic, and Hall Effect. It is

concluded on the alternative to obtain the InGaAs semiconductor with band gap between 1.0-1.42

eV with polycrystalline structure and preferential growth along the (111)

XXVI INTERNATIONAL MATERIALS RESEARCH CONGRESS, 2017

COMPOSITIONAL AND STRUCTURAL STUDY OF MAGNETRON SPUTTERED

AlGaAs THIN FILMS GROWN ON Si(100) AND GLASS SUBSTRATES

J.D Losada Losada, A.O Pulzara Mora, C.A Pulzara Mora, S. Torres Jaramillo.

III-V semiconductors are a family of materials developed from cations from group 13 (previous

Group IIIA) and anions from group 15 (old Group VA). The study of III-V semiconductor

materials has maintained a strong interest in the area of research due to its applications in

optoelectronics technology and solar cells. That’s why in this paper we focus on showing

experimental results of III-V semiconductor alloys, specifically layers: GaAs, AlGaAs obtained by

R.F magnetron sputtering technique.

This preparation technique allows controlling physical variables involved in the process (time,

pressure, temperature and atmosphere), which make an ideal technique for obtain semiconductors.

66 Artículos y Publicaciones

Thin films of gallium aluminum arsenide AlGaAs have been deposited by R.F sputtering assisted

by a magnetic field on silicon (100) and commercial glass substrates in an atmosphere of argon

(Ar) under different process conditions, using high purity (95,95%) GaAs (100) and Al targets.

Growth temperatures were 400°C and 580°C for the high purity targets of Al and GaAs,

respectively. Samples were prepared: deposition power for the GaAs target (2”) was fixed at 30W,

while varied for the Al target (1”) from P=10W, 20W to 30Watts. Varying deposition time (td)

beginning at 15 minutes to GaAs, 30 minutes to AlGaAs (Co-Sputtering) and finally 5 minutes to

GaAs. The pressure of deposition was fixed at 5x10^-3 Torr.

The films were characterized by XPS and XRD to study composition and structural dependence on

the deposition conditions. Optical responses of the films were analyzed by spectrophotometric

UV/Vis and FTIR measurements.

Keywords: Sputtering, semiconductors, Thin films.

XI INTERNATIONAL CONFERENCE ON SURFACES, MATERIALS AND

VACUUM 2018

Al1-xGaxAs THIN FILMS GROWN ON SI (100) AND GLASS SUBSTRATES

J.D Losada-Losada, C. A. Pulzara-Mora1, M.F Ayerbe-Samaca

1, A.A Forero-Pico, V.H Méndez-

García, A. Pulzara-Mora

Aluminum doped gallium arsenide (AlxGa1-x As) has generated an interest particular since its band

gap energy can be varied between 1.42 eV for GaAs and 2.16 eV for AlAs depending on the

aluminum (Al) content important for applications in optoelectronics. It's have been found that for

Al content less than 4% the AlGaAs ternary alloy is a direct bandgap semiconductor, and its

mismatch lattice parameter is about 1%. In this work, we deposited AlxGa1-x As layers on glass and

Si (100) substrates by using magnetron sputtering technique. In order to decrease the effects of

lattice mismatch parameter between the AlGaAs layer and substrates (glass or Silicon) a GaAs

buffer layer about 300 micrometer thickness was previously deposited on substrate. The X-ray

diffraction spectra show that the films are polycrystalline with preferential orientation (111). The

Raman spectra show a behavior of two modes, corresponding to TO and LO vibrational modes of

GaAs and AlAs, respectively. The band gap energy was calculated from UV-Vis spectra taken at

room temperature. These results are in good agreement with the values obtained from theoretical

model for an AlGaAs/GaAs/glass bilayer.

Artículos y Publicaciones 67

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