4.8 Proofs for Chapter 4
4.8.4 Proof of Corollary 4.1
el substrato por encima de los 500 ºC durante 3 minutos bajo flujo de fósforo. El fósforo, al igual que el resto de los elementos, proviene de una célula de efusión de fuente sólida, y la presión equivalente del haz que utilizamos, o presión BEP (del inglés “Beam-Equivalent Pressure”), es BEP (P2) = 6,7×10
-6
mbar. A continuación, se baja la temperatura hasta 460 ºC y se depositan 200 nm de InP por MBE.
El crecimiento de la capa de InAs se ha realizado a dos temperaturas distintas, Ts = 400 ºC y Ts= 480 ºC. En general, el flujo de fósforo se interrumpe inmediatamente antes de depositar el InAs, para minimizar el intercambio entre arsénico y fósforo, pero durante los experimentos de medidas in situ de la tensión acumulada hemos establecido una secuencia más lenta para distinguir con claridad la cantidad de InAs procedente de la deposición voluntaria y el procedente del intercambio: el flujo de fósforo se interrumpe dos segundos antes de abrir el de arsénico, y la superficie permanece tres segundos estabilizada bajo el flujo de arsénico antes de proceder al crecimiento de InAs. La presión BEP de arsénico de trabajo es BEP (As4) = 3,3×10-6
mbar. La cantidad de InAs depositado necesaria para que se produzca la transición 2D/3D está en torno a 2-2,5 monocapas (MC), dependiendo de la temperatura de crecimiento y del flujo de arsénico, que controlan la cantidad de InAs que se produce mediante los procesos de intercambio entre arsénico y fósforo. Durante la deposición del InAs, en el diagrama de difracción de electrones, o diagrama RHEED, se mantienen las barras características del crecimiento bidimensional. Si las capas depositadas a Ts = 400 ºC se mantienen a dicha temperatura, dicho patrón no evoluciona, y es necesario calentar el substrato por encima de Ts = 480 ºC para que en el diagrama RHEED aparezca la transición 2D/3D, que se produce lentamente. En el caso de las capas crecidas a alta temperatura, la transición comienza al alcanzar el espesor crítico h3D, pero se hace mucho más evidente una vez finalizada la deposición. El recocido de las capas de InAs ha de realizarse con la superficie bajo flujo de arsénico, ya que si se realiza bajo flujo de fósforo los procesos de intercambio inversos entre fósforo y arsénico provocan la disminución de la cantidad de InAs en la capa, y por tanto su espesor decrece por debajo de h3D. Una vez que en el diagrama RHEED se ha visto claramente la transición 2D/3D (ver figuras IV.1-(b) y (c)), se enfría rápidamente el substrato y a Ts = 300 ºC se interrumpe definitivamente el flujo de arsénico. Durante todo el proceso de fabricación de los hilos cuánticos —crecimiento de la capa tampón de InP, deposición de las 2,5 MC de InAs y recocido de dicha capa— la superficie presenta la reconstrucción (2×4).
La figura IV.1-(a) muestra la imagen, obtenida mediante microscopía de fuerzas, de la superficie de una muestra de 2,5 MC de InAs depositadas sobre InP que contiene hilos cuánticos. En este caso, la deposición se realizó a Ts = 400ºC, y los hilos se desarrollaron durante el correspondiente recocido de la capa bidimensional de InAs. Como se observa en la imagen, los hilos son muy uniformes y muy largos, puesto que la mayoría de ellos atraviesan toda la imagen (1 µm). En la figura IV.1-(d) aparece la representación tridimensional de una imagen AFM de esta superficie, y en ella se aprecia con mayor detalle la regularidad de los hilos cuánticos. La figura IV.1-(e) corresponde a un perfil trazado a lo largo de la dirección [110] sobre dicha imagen (línea blanca), y de este perfil se puede extraer la periodicidad de los hilos, d = 22 nm, que corresponde a una densidad de 45 hilos por micra, y su amplitud, h = 1,1 nm. Aunque la caracterización óptica de los hilos no forma parte de este trabajo de tesis
(a)
200 nm [110]¯(c)
Azimut [110](b)
Azimut [110]¯ 0 100 200 300 400 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 (e) Al tura (nm) Distancia (nm) h = 1,1 nm; d = 22 nm(d)
100 nmFigura IV.1: (a) Imagen (1 µm × 1 µm) obtenida con el microscopio de fuerzas de la superficie de
una capa de 2,5 monocapas de InAs depositada sobre InP (001) en la que se han formado hilos cuánticos. (b) Estructura que presenta el diagrama de difracción RHEED en el azimut [110] cuando se forman los hilos cuánticos. (c) Ídem en el azimut [110]. (d) Representación tridimensional de la imagen obtenida con el microscopio de fuerzas de la superficie que aparece en (a). En este caso, las dimensiones de la imagen son 400 nm ×400 nm. (e) Perfil de la superficie a lo largo de la dirección [110], trazado sobre la línea que aparece en la figura (d). A partir de este perfil se obtiene la periodicidad de los hilos, d = 22 nm, y su amplitud, h = 1,1 nm.
doctoral, sí que me gustaría señalar que su espectro de fotoluminiscencia presenta, a temperatura ambiente, una fuerte emisión centrada en 1,55 µm.[22]
Las figuras IV.1-(b) y IV.1-(c) muestran el patrón de difracción que presenta el diagrama RHEED en las direcciones [110] y [110], respectivamente, cuando se produce la formación de los hilos, y que permite identificar in situ su aparición. En el patrón a lo largo de la dirección [110] se observa que las barras de difracción se inclinan, formando unas estructuras que hemos denominado tipis (por su parecido a las tiendas en que vivían los indios de América del Norte) y que en inglés se conocen como “chevrons”, galones. El ángulo de inclinación de estos tipis se relaciona con la formación de facetas en los hilos.[24] Por el contrario, en el otro azimut la transición 2D/3D no es tan evidente, y en el diagrama de difracción sólo aparece un cierto engrosamiento de las barras en ciertos puntos, que indica el desarrollo de núcleos tridimensionales.