Respuesta infrarroja en silicio mediante implantación iónica de metales en transición

Resumen

Esta tesis explora las posibilidades del Si supersaturado con metales de transición como candidato para una nueva generación de fotodetectores de infrarrojo (IR) compatibles con la tecnología CMOS y operados a temperatura ambiente. Los materiales supersaturados serán obtenidos mediante implantación iónica y fundido por láser pulsado. Las altas concentraciones de los átomos de metales de transición formarán una banda intermedia (BI), en lugar de un conjunto discreto de niveles en el seno del gap del Si. Las transiciones ópticas que involucren a la BI darán lugar a la absorción de fotones con energías menores a las del bandgap del Si, extendiendo sus posibilidades de fotodetección en el rango IR del espectro. Asimismo se estudiará el compuesto de ZnO dopado con vanadio en el marco de los óxidos conductivos transparentes como posible contacto delantero en fotodetectores o células solares. El estudio de las láminas de Si supersaturado se centrará en el V como metal de transición, aunque se presentarán resultados preliminares de Si supersaturado con Cr y con Zr. En primer lugar, se analizarán en profundidad las características estructurales de las láminas de Si supersaturado, con el fin de estudiar los grados de supersaturación alcanzados así como las calidades cristalinas obtenidas en función de los diferentes parámetros de fabricación. Este análisis nos dará información de qué muestras presentan concentraciones de vanadio superiores o inferiores al límite teórico de concentración a partir del cual se formaría una BI (límite de Mott). A continuación se estudiarán en profundidad las propiedades de transporte eléctrico, identificándose dependencias en los valores de movilidad y de concentración de portadores en función del metal de transición utilizado. Se estudiará la influencia que la densidad de energía del pulso láser tiene en el transporte de carga a través de la interfaz material de BI / sustrato de Si, lo que dará lugar a una nueva interpretación del modelo de bloqueo eléctrico en la interfaz desarrollado con anterioridad a esta tesis. Asimismo se aplicará satisfactoriamente la regla de Meyer y Neldel a la expresión de Arrhenius que modela este bloqueo eléctrico para todos los materiales supersaturados. El análisis de las propiedades fotoconductivas de los materiales fabricados servirá de apoyo a la teoría de BI, pues aquellas muestras con concentraciones de vanadio superiores al límite de Mott presentarán una fotorrespuesta varios órdenes de magnitud superior a la de un sustrato de Si y a las muestras con concentraciones de vanadio inferiores al límite de Mott. La fotorrespuesta a temperaturas criogénicas en las muestras de BI se extenderá hasta rangos del infrarrojo lejano (12.4 micrómetros). El análisis de las propiedades de transporte bajo iluminación IR desvelará el mecanismo principal de fotorrespuesta en estos materiales: el efecto de acoplo asistido o desbloqueo por iluminación IR. Finalmente se explorará un nuevo proceso de fabricación mediante un paso previo de preamorfización que permitirá obtener fotorrespuesta a temperatura ambiente hasta energías de 0.5 eV. El estudio del Zn1-xVxO demuestra que el vanadio dopa de manera efectiva al ZnO obteniéndose concentraciones del orden de 1019 cm-3. Las propiedades ópticas de este compuesto revelan que el frente de absorción se desplaza hacia altas energías mientras que el pico de fotoluminiscencia presenta un desplazamiento hacia bajas energías con el aumento del contenido en vanadio. Este comportamiento óptico inusual será explicado mediante la interacción de los niveles de los orbitales d introducidos por los átomos de vanadio y los estados extendidos de la banda de conducción del ZnO. Los resultados presentados en esta tesis abren el camino al desarrollo de una nueva generación de fotodetectores de IR operados a temperatura ambiente y completamente compatibles con las rutas de fabricación microelectrónica CMOS.