Characterization of heterostructured semiconductors for optoelectronic devices

Abstract

Semiconductors are essential materials for the development of high-performance optoelectronic devices, such as light-emitting diodes (LEDs), photodetectors, solar cells, and laser diodes (LDs). These devices combine electronic and optical signals, converting one into the other through the interaction between light and solids. Progress in this field has been driven by advances in material growth and nanostructure fabrication, which have enabled significant improvements in both efficiency and stability.

Miniaturization has played a key role in technological development, leading to nanodevices with dimensions ranging from 1 to 100 nm, where effects associated with low dimensionality emerge, modifying their physical properties compared to their bulk counterparts. Among these, semiconductor nanowires (NWs) stand out as quasi-one-dimensional structures with a high surface-to-volume ratio, capable of acting as optical nanoantennas. Their characteristic geometry allows for easy lattice parameter accommodation, facilitating the formation of heterostructures with tunable bandgaps, thereby optimizing solar spectrum absorption and enhancing efficiency in solar cells and light sensors.

The transition to the nanoscale introduces new challenges in characterization, as conventional techniques must be adapted to study extremely small volumes. To address this, advanced optical techniques such as micro-Raman spectroscopy (μ-Raman), micro-photoluminescence (μ-PL), cathodoluminescence (CL), and tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) are employed.

In this thesis, the optical properties of axially heterostructured InP–InGaP nanowires for solar cell applications, quantum well structures designed for laser diode (LD) applications (AlGaAs/GaAs), and multiple quantum well structures are investigated. The aforementioned spectroscopic techniques have been utilized to obtain key results for understanding their behavior, demonstrating the potential of these methods to provide nanoscale-resolved information and enabling a more comprehensive and detailed characterization of the studied devices.

Los semiconductores son materiales esenciales para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento, como LED, fotodetectores, células solares o diodos láser (LDs). Estos dispositivos combinan señales electrónicas y ópticas, transformando una en otra mediante la interacción entre la luz y los sólidos. El progreso en este campo ha sido posible gracias a los avances en el crecimiento de materiales y nanoestructuras, permitiendo mejorar la eficiencia y estabilidad.

La miniaturización ha sido clave en el desarrollo tecnológico, dando lugar a nanodispositivos con dimensiones entre 1 y 100 nm, en los que surgen efectos asociados a su baja dimensionalidad modificando sus propiedades físicas con respecto a sus homólogos volúmicos. Entre ellos destacan los nanohilos semiconductores (NWs), estructuras cuasi-unidimensionales con gran relación superficie-volumen, capaces de comportarse como nanoantenas ópticas y, presentan una dimensión que permite que su parámetro de red se adapte fácilmente. Esto posibilita la creación de heteroestructuras con bandas prohibidas ajustables, optimizando la absorción del espectro solar y mejorando la eficiencia en células solares y sensores de luz.

El paso a la nanoescala plantea nuevos desafíos en caracterización, ya que las técnicas convencionales deben adaptarse para estudiar volúmenes extremadamente pequeños. Para ello, se utilizan técnicas ópticas avanzadas como la espectroscopía μ-Raman, la fotoluminiscencia (μ-PL), la catodoluminiscencia (CL), o espectroscopia Raman amplificada por punta (TERS).

En esta tesis se estudian las propiedades ópticas de nanohilos axialmente heteroestructurados InP-InGaP para uso en células solares, estructuras de pozo cuántico orientadas a aplicaciones en LDs (AlGaAs/GaAs), así como estructuras de multipozos cuánticos. Para ello se ha hecho uso de las técnicas de espectroscopía mencionada anteriormente, obteniendo resultados esenciales para la comprensión de su comportamiento y mostrando el potencial de estas técnicas, las cuales proporcionan información en el rango de la nano-escala, permitiendo una caracterización más completa y detallada de los dispositivos.