Crystal growth and characterization of Zn1-xMgxO advanced micro- and nanostructures

Dentro de la creciente área de investigación de la física de semiconductores, los pertenecientes a la familia II-VI se han convertido en un campo fundamental de la física de materiales debido a que sus propiedades fotofísicas son únicas para crear una nueva generación de dispositivos en el campo de la fotónica y la microelectrónica. Entre ellos, los semiconductores basados en ZnO han ganado un considerable interés en la comunidad científica en parte debido a su alta energía de enlace del excitón (60 meV) la cual es 2.4 veces más alta que la energía térmica a temperatura ambiente. Este hecho puede dar lugar a emisión laser excitónica a temperaturas incluso mayores que la ambiente. Además, gracias al alto punto de fusión del ZnO y su alta energía de cohesión, es esperable que el deterioro del material durante el uso de los dispositivos sea bajo. Finalmente, sus elementos constituyentes son abundantes, no tóxicos y de bajo precio. Las aplicaciones del ZnO en dispositivos son muy variadas. Muchos de ellos como emisores de luz, detectores de luz ultravioleta (UV), láseres en el rango azul-UV, láseres de emisión superficial con cavidad vertical… están basados en el crecimiento de capas epitaxiales sobre diferentes tipos de sustratos, que deben tener unas propiedades morfológicas y estructurales de una calidad extrema. Las propiedades eléctricas, mecánicas, químicas y ópticas cambian en el rango de los nanómetros. En particular, las nanoestructuras de ZnO de una dimensión como los naohilos y las nanobarillas han sido extensamente estudiadas para aplicaciones como sensores químicos, células solares, diodos emisores de luz azul y UV, almacenamiento de hidrógeno y aplicaciones biomédicas. Por otro lado, a través de aleaciones de ZnO con otros materiales, se puede variar el gap, los parámetros de red, el índice de refracción y otras muchas propiedades. Entre otras, la aleación ZnO-MgO ha atraído mucho la atención de los científicos debido al parecido radio iónico entre el Zn y el Mg (Zn2+ (0.60 A) and Mg2+ (0.57 A)). Esto podría dar lugar a pensar que el ZnO1-xMgxO es fácil de obtener, sin embargo, no es así. El ZnO cristaliza en una estructura hexagonal mientras que la estructura del MgO es cúbica. Además, el límite de solubilidad del Mg en la red del ZnO es bajo en condiciones de equilibrio termodinámico, por ello la obtención de ZnO1-xMgxO con una alta calidad cristalina es un verdadero reto. Es necesario el estudio de nuevas configuraciones para el desarrollo de una nueva generación de dispositivos que pueda cubrir la actual demanda tecnológica. En este sentido en esta tesis se estudia el ZnO1-xMgxO en configuración de nanohilos y de multicapas. En el caso de los nanohilos se ha empleado una metodología consistente en la creación previa de un motivo mediante el fenómeno de Laser Induced Periodic Surface Structures, para crecer sobre él, estructuras ordenadas mediante la técnica vapor-sólido. Se ha estudiado cómo afecta a la morfología, a la estructura y a la luminiscencia la presencia del Mg y también, las condiciones empleadas para la irradiación. En el caso de las multicapas, se han crecido por epitaxia de haces moleculares y caracterizado estructuras tipo VCSEL sobre sustratos de ZnO no polares (10-10). Estas estructuras consisten en una microcavidad de ZnO embebida entre reflectores de Bragg distribuidos ZnO/ZnO1-xMgxO. También, como paso previo para un futuro desarrollo de estas microcavidades con otras orientaciones, se han crecido y caracterizado capas semi polares (01-12) de ZnO1-xMgxO. En estas estructuras se ha encontrado el fenómeno de la difracción híbrida múltiple (HMD), la cual es una clase de difracción múltiple poco conocida y hasta la fecha, no reportada para este plano. Además se ha aplicado el fenómeno de la HMD a la medida de los parámetros de red, ahorrando con esta metodología la mitad de tiempo del necesario para su obtención