Fabrication of sub-100 nm IDT SAW devices on insulating, semiconducting and conductive substrates

This work describes the electron-beam (e-beam) lithography process developed to manufacture nano interdigital transducers (IDTs) to be used in high frequency (GHz) surface acoustic wave (SAW) applications. The combination of electron-beam (e-beam) lithography and lift-off process is shown to be effective in fabricating well-defined IDT finger patterns with a line width below 100 nm with a good yield. Working with insulating piezoelectric substrates brings about e-beam deflection. It is also shown how a very thin organic anti-static layer works well in avoiding this charge accumulation during e-beam lithography on the resist layer. However, the use of this anti-static layer is not required with the insulating piezoelectric layer laying on a semiconducting substrate such as highly doped silicon. The effect of the e-beam dose on a number of different layers (of insulating, insulating on semiconducting, semiconducting, and conductive natures) is provided. Among other advantages, the use of reduced e-beam doses increases the manufacturing time. The principal aim of this work is to explain the interrelation among e-beam dose, substrate nature and IDT structure. An extensive study of the e-beam lithography of long IDT-fingers is provided, in a wide variety of electrode widths, electrode numbers and electrode pitches. It is worthy to highlight that this work shows the influence of the e-beam dose on five substrates of different conductive nature

Fabrication of GaN nanorods by focused ion beam

Ordered arrays of III-Nitride nanocolumns are excellent candidates for the fabrication of nano-optoelectronic devices. Different technologies such as e-beam lithography or colloidal lithography, have been used to obtain ordered arrays. All these technologies have in common several processing steps that can affect the crystalline growth of the nanocolumns. In this work, we present a single lithographic step that permits to grow ordered GaN nanocolumns with different geometries. The patterning is based in the use of a focusedionbeam with different doses. With this method has been possible to create GaN nanopillars and nanocylinders

Crecimiento, fabricación y caracterización de heteroestructuras y nanocolumnas ordenadas basadas en nitruros del grupo III para aplicaciones sensoras

Esta memoria está basada en el crecimiento y caracterización de heteroestructuras Al(Ga)N/GaN y nanocolumnas ordenadas de GaN, y su aplicación en sensores químicos. El método de crecimiento ha sido la epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PAMBE). En el caso de las heteroestructuras Al(Ga)N/GaN, se han crecido barreras de distinto espesor y composición, desde AlN de 5 nm, hasta AlGaN de 35 nm. Además de una caracterización morfológica, estructural y eléctrica básica de las capas, también se han fabricado a partir de ellas dispositivos tipo HEMTs. La caracterización eléctrica de dichos dispositivos (carga y movilidad de en el canal bidimensional) indica que las mejores heteroestructuras son aquellas con un espesor de barrera intermedio (alrededor de 20 nm). Sin embargo, un objetivo importante de esta Tesis ha sido verificar las ventajas que podían tener los sensores basados en heteroestructuras AlN/GaN (frente a los típicos basados en AlGaN/GaN), con espesores de barrera muy finos (alrededor de 5 nm), ya que el canal de conducción que se modula por efecto de cambios químicos está más cerca de la superficie en donde ocurren dichos cambios químicos. De esta manera, se han utilizado los dispositivos tipo HEMTs como sensores químicos de pH (ISFETs), y se ha comprobado la mayor sensibilidad (variación de corriente frente a cambios de pH, Ids/pH) en los sensores basados en AlN/GaN frente a los basados en AlGaN/GaN. La mayor sensibilidad es incluso más patente en aplicaciones en las que no se utiliza un electrodo de referencia. Se han fabricado y caracterizado dispositivos ISFET similares utilizando capas compactas de InN. Estos sensores presentan peor estabilidad que los basados en Al(Ga)N/GaN, aunque la sensibilidad superficial al pH era la misma (Vgs/pH), y su sensibilidad en terminos de corriente de canal (Ids/pH) arroja valores intermedios entre los ISFET basados en AlN/GaN y los valores de los basados en AlGaN/GaN. Para continuar con la comparación entre dispositivos basados en Al(Ga)N/GaN, se fabricaron ISFETs con el área sensible más pequeña (35 x 35 m2), de tamaño similar a los dispositivos destinados a las medidas de actividad celular. Sometiendo los dispositivos a pulsos de voltaje en su área sensible, la respuesta de los dispositivos de AlN presentaron menor ruido que los basados en AlGaN. El ruido en la corriente para dispositivos de AlN, donde el encapsulado no ha sido optimizado, fue tan bajo como 8.9 nA (valor rms), y el ruido equivalente en el potencial superficial 38.7 V. Estos valores son más bajos que los encontrados en los dispositivos típicos para la detección de actividad celular (basados en Si), y del orden de los mejores resultados encontrados en la literatura sobre AlGaN/GaN. Desde el punto de vista de la caracterización electro-química de las superficies de GaN e InN, se ha determinado su punto isoeléctrico. Dicho valor no había sido reportado en la literatura hasta el momento. El valor, determinado por medidas de “streaming potential”, es de 4.4 y 4 respectivamente. Este valor es una importante característica a tener en cuenta en sensores, en inmovilización electrostática o en la litografía coloidal. Esta última técnica se discute en esta memoria, y se aplica en el último bloque de investigación de esta Tesis (i.e. crecimiento ordenado). El último apartado de resultados experimentales de esta Tesis analiza el crecimiento selectivo de nanocolumnas ordenadas de GaN por MBE, utilizando mascaras de Ti con nanoagujeros. Se ha estudiado como los distintos parámetros de crecimiento (i.e. flujos de los elementos Ga y N, temperatura de crecimiento y diseño de la máscara) afectan a la selectividad y a la morfología de las nanocolumnas. Se ha conseguido con éxito el crecimiento selectivo sobre pseudosustratos de GaN con distinta orientación cristalina o polaridad; templates de GaN(0001)/zafiro, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000-1)/Si y GaN(11-20)/zafiro. Se ha verificado experimentalmente la alta calidad cristalina de las nanocolumnas ordenadas, y su mayor estabilidad térmica comparada con las capas compactas del mismo material. Las nanocolumnas ordenadas de nitruros del grupo III tienen una clara aplicación en el campo de la optoelectrónica, principalmente para nanoemisores de luz blanca. Sin embargo, en esta Tesis se proponen como alternativa a la utilización de capas compactas o nanocolumnas auto-ensambladas en sensores. Las nanocolumnas auto-ensambladas de GaN, debido a su alta razón superficie/volumen, son muy prometedoras en el campo de los sensores, pero su amplia dispersión en dimensiones (altura y diámetro) supone un problema para el procesado y funcionamiento de dispositivos reales. En ese aspecto, las nanocolumnas ordenadas son más robustas y homogéneas, manteniendo una alta relación superficie/volumen. Como primer experimento en el ámbito de los sensores, se ha estudiado como se ve afectada la emisión de fotoluminiscencia de las NCs ordenadas al estar expuestas al aire o al vacio. Se observa una fuerte caída en la intensidad de la fotoluminiscencia cuando las nanocolumnas están expuestas al aire (probablemente por la foto-adsorción de oxigeno en la superficie), como ya había sido documentado anteriormente en nanocolumnas auto-ensambladas. Este experimento abre el camino para futuros sensores basados en nanocolumnas ordenadas. Abstract This manuscript deals with the growth and characterization of Al(Ga)N/GaN heterostructures and GaN ordered nanocolumns, and their application in chemical sensors. The growth technique has been the plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE). In the case of Al(Ga)N/GaN heterostructures, barriers of different thickness and composition, from AlN (5 nm) to AlGaN (35 nm) have been grown. Besides the basic morphological, structural and electrical characterization of the layers, HEMT devices have been fabricated based on these layers. The best electrical characteristics (larger carriers concentration and mobility in the two dimensional electron gas) are those in AlGaN/GaN heterostructures with a medium thickness (around 20 nm). However, one of the goals of this Thesis has been to verify the advantages that sensors based on AlN/GaN (thickness around 7 nm) have compared to standard AlGaN/GaN, because the conduction channel to be modulated by chemical changes is closer to the sensitive area. In this way, HEMT devices have been used as chemical pH sensors (ISFETs), and the higher sensitivity (conductance change related to pH changes, Ids/pH) of AlN/GaN based sensors has been proved. The higher sensibility is even more obvious in application without reference electrode. Similar ISFETs devices have been fabricated based on InN compact layers. These devices show a poor stability, but its surface sensitivity to pH (Vgs/pH) and its sensibility (Ids/pH) yield values between the corresponding ones of AlN/GaN and AlGaN/GaN heterostructures. In order to a further comparison between Al(Ga)N/GaN based devices, ISFETs with smaller sensitive area (35 x 35 m2), similar to the ones used in cellular activity record, were fabricated and characterized. When the devices are subjected to a voltage pulse through the sensitive area, the response of AlN based devices shows lower noise than the ones based on AlGaN. The noise in the current of such a AlN based device, where the encapsulation has not been optimized, is as low as 8.9 nA (rms value), and the equivalent noise to the surface potential is 38.7 V. These values are lower than the found in typical devices used for cellular activity recording (based on Si), and in the range of the best published results on AlGaN/GaN. From the point of view of the electrochemical characterization of GaN and InN surfaces, their isoelectric point has been experimentally determined. Such a value is the first time reported for GaN and InN surfaces. These values are determined by “streaming potential”, being pH 4.4 and 4, respectively. Isoelectric point value is an important characteristic in sensors, electrostatic immobilization or in colloidal lithography. In particular, colloidal lithography has been optimized in this Thesis for GaN surfaces, and applied in the last part of experimental results (i.e. ordered growth). The last block of this Thesis is focused on the selective area growth of GaN nanocolumns by MBE, using Ti masks decorated with nanoholes. The effect of the different growth parameters (Ga and N fluxes, growth temperature and mask design) is studied, in particular their impact in the selectivity and in the morphology of the nanocolumns. Selective area growth has been successful performed on GaN templates with different orientation or polarity; GaN(0001)/sapphire, GaN(0001)/AlN/Si, GaN(000- 1)/Si and GaN(11-20)/sapphire. Ordered nanocolumns exhibit a high crystal quality, and a higher thermal stability (lower thermal decomposition) than the compact layers of the same material. Ordered nanocolumns based on III nitrides have a clear application in optoelectronics, mainly for white light nanoemitters. However, this Thesis proposes them as an alternative to compact layers and self-assembled nanocolumns in sensor applications. Self-assembled GaN nanocolumns are very appealing for sensor applications, due to their large surface/volume ratio. However, their large dispersion in heights and diameters are a problem in terms of processing and operation of real devices. In this aspect, ordered nanocolumns are more robust and homogeneous, keeping the large surface/volume ratio. As first experimental evidence of their sensor capabilities, ordered nanocolumns have been studied regarding their photoluminiscence on air and vacuum ambient. A big drop in the intensity is observed when the nanocolumns are exposed to air (probably because of the oxygen photo-adsortion), as was already reported in the case of self-assembled nanocolumns. This opens the way to future sensors based on ordered III nitrides nanocolumns.

Thermally assisted tunneling transport in La0.7Ca0.3MnO3/SrTiO3:Nb Schottky-like heterojunctions

We report on the electrical transport properties of all-oxide La0.7Ca0.3MnO3/SrTiO3:Nb heterojunctions with lateral size of just a few micrometers. The use of lithography techniques to pattern manganite pillars ensures perpendicular transport and allows exploration of the microscopic conduction mechanism through the interface. From the analysis of the current-voltage characteristics in the temperature range 20-280 K we find a Schottky-like behavior that can be described by a mechanism of thermally assisted tunneling if a temperature-dependent value of the dielectric permittivity of SrTiO3:Nb (NSTO) is considered.We determine the Schottky energy barrier at the interface, qVB = 1.10 ± 0.02 eV, which is found to be temperature independent, and a value of ? = 17 ± 2 meV for the energy of the Fermi level in NSTO with respect to the bottom of its conduction band.

Ultra high frequency thin film saw devices

Durante los últimos años el flujo de datos en la transmisión que tiene lugar en los sistemas de comunicación ha aumentado considerablemente de forma que día a día se requieren más aplicaciones trabajando en un rango de frecuencias muy alto (3-30 GHz). Muchos de estos sistemas de comunicación incluyen dispositivos de onda acústica superficial (SAW) y por tanto se hace necesario el aumento de frecuencia a la que éstos trabajan. Pero este incremento de frecuencia de los dispositivos SAW no sólo es utilizado en los sistemas de comunicación, varios tipos de sensores, por ejemplo, aumentan su sensibilidad cuando la frecuencia a la que trabajan también lo hace. Tradicionalmente los dispositivos SAW se han fabricado sobre cuarzo, LiNbO3 y LiTaO3 principalmente. Sin embargo la principal limitación de estos materiales es su velocidad SAW. Además, debido a la alta temperatura a la que se depositan no pueden ser integrados en la tecnología de fabricación CMOS. El uso de la tecnología de capa delgada, en la que un material piezoeléctrico es depositado sobre un substrato, se está utilizando en las últimas décadas para incrementar la velocidad SAW de la estructura y poder obtener dispositivos trabajando en el rango de frecuencias requerido en la actualidad. Por otra parte, esta tecnología podría ser integrada en el proceso de fabricación CMOS. Durante esta tesis nos hemos centrado en la fabricación de dispositivos SAW trabajando a muy alta frecuencia. Para ello, utilizando la tecnología de capa delgada, hemos utilizado la estructura nitruro de aluminio (AlN) sobre diamante que permite conseguir velocidades SAW del sustrato que no se pueden alcanzar con otros materiales. El depósito de AlN se realizó mediante sputtering reactivo. Durante esta tesis se han realizado diferentes experimentos para optimizar dicho depósito de forma que se han obtenido los parámetros óptimos para los cuales se pueden obtener capas de AlN de alta calidad sobre cualquier tipo de sustrato. Además todo el proceso se realizó a baja temperatura para que el procesado de estos dispositivos pueda ser compatible con la tecnología CMOS. Una vez optimizada la estructura AlN/diamante, mediante litografía por haz de electrones se fabricaron resonadores SAW de tamaño nanométrico que sumado a la alta velocidad resultante de la combinación AlN/diamante nos ha permitido obtener dispositivos trabajando en el rango de 10-28 GHz con un alto factor de calidad y rechazo fuera de la banda. Estás frecuencias y prestaciones no han sido alcanzadas por el momento en resonadores de este tipo. Por otra parte, se han utilizado estos dispositivos para fabricar sensores de presión de alta sensibilidad. Estos dispositivos son afectados altamente por los cambios de temperatura. Se realizó también un exhaustivo estudio de cómo se comportan en temperatura estos resonadores, entre -250ºC y 250ºC (rango de temperaturas no estudiado hasta el momento) diferenciándose dos regiones una a muy baja temperatura en la que el dispositivo muestra un coeficiente de retraso en frecuencia (TCF) relativamente bajo y otra a partir de los -100ºC en la que el TCF es similar al observado en la bibliografía. Por tanto, durante esta tesis se ha optimizado el depósito de AlN sobre diamante para que sea compatible con la tecnología CMOS y permita el procesado de dispositivos trabajando a muy alta frecuencia con altas prestaciones para comunicaciones y sensores. ABSTRACT The increasing volume of information in data transmission systems results in a growing demand of applications working in the super-high-frequency band (3–30 GHz). Most of these systems work with surface acoustic wave (SAW) devices and thus there is a necessity of increasing their resonance frequency. Moreover, sensor application includes this kind of devices. The sensitivity of them is proportional with its frequency. Traditionally, quartz, LiNbO3 and LiTaO3 have been used in the fabrication of SAW devices. These materials suffer from a variety of limitations and in particular they have low SAW velocity as well as being incompatible with the CMOS technology. In order to overcome these problems, thin film technology, where a piezoelectric material is deposited on top of a substrate, has been used during the last decades. The piezoelectric/substrate structure allows to reach the frequencies required nowadays and could be compatible with the mass electronic production CMOS technology. This thesis work focuses on the fabrication of SAW devices working in the super-high-frequency range. Thin film technology has been used in order to get it, especially aluminum nitride (AlN) deposited by reactive sputtering on diamond has been used to increase the SAW velocity. Different experiments were carried out to optimize the parameters for the deposit of high quality AlN on any kind of substrates. In addition, the system was optimized under low temperature and thus this process is CMOS compatible. Once the AlN/diamond was optimized, thanks to the used e-beam lithography, nanometric SAW resonators were fabricated. The combination of the structure and the size of the devices allow the fabrication of devices working in the range of 10-28 GHz with a high quality factor and out of band rejection. These high performances and frequencies have not been reached so far for this kind of devices. Moreover, these devices have been used as high sensitivity pressure sensors. They are affected by temperature changes and thus a wide temperature range (-250ºC to 250ºC) study was done. From this study two regions were observed. At very low temperature, the temperature coefficient of frequency (TCF) is low. From -100ºC upwards the TCF is similar to the one appearing in the literature. Therefore, during this thesis work, the sputtering of AlN on diamond substrates was optimized for the CMOS compatible fabrication of high frequency and high performance SAW devices for communication and sensor application.

E-beam nano-patterning for the ordered growth of GaN/InGaN nanorods

E-beam lithography was used to pattern a titanium mask on a GaN substrate with ordered arrays of nanoholes. This patterned mask served as a template for the subsequent ordered growth of GaN/InGaN nanorods by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The mask patterning process was optimized for several holes configurations. The smallest holes were 30 nm in diameter with a pitch (center-to-center distance) of 100 nm only. High quality masks of several geometries were obtained that could be used to grow ordered GaN/InGaN nanorods with full selectivity (growth localized inside the nanoholes only) over areas of hundreds of microns. Although some parasitic InGaN growth occurred between the nanorods during the In incorporation, transmission electron microscopy and photoluminescence measurements demonstrated that these ordered nanorods exhibit high crystal quality and reproducible optical properties.

Fabrication of GaN nanorods by focused ion beam

Ordered arrays of III-Nitride nanocolumns are excellent candidates for the fabrication of nano-optoelectronic devices. Different technologies such as e-beam lithography or colloidal lithography, have been used to obtain ordered arrays. All these technologies have in common several processing steps that can affect the crystalline growth of the nanocolumns. In this work, we present a single lithographic step that permits to grow ordered GaN nanocolumns with different geometries. The patterning is based in the use of a focused ion beam with different doses. With this method has been possible to create GaN nanopillars and nanocylinders.

Ferromagnetic resonance and magnetooptic study of submicron epitaxial Fe(001) stripes

We present a combined magnetooptic and ferromagnetic resonance study of a series of arrays of single-crystalline Fe stripes fabricated by electron beam lithography on epitaxial Au(001)/Fe(001)/MgO(001) films grown by pulsed laser deposition. The analysis of the films revealed a clear fourfold magnetocrystalline anisotropy, with no significant presence of other anisotropy sources. The use of a large series of arrays, with stripe widths between 140 and 1000 nm and separation between them of either 200 nm or 500 nm, allowed studying their magnetization processes and resonance modes as well as the effects of the dipolar interactions on both. The magnetization processes of the stripes were interpreted in terms of a macrospin approximation, with a good agreement between experiments and calculations and negligible influence of the dipolar interactions. The ferromagnetic resonance spectra evidenced two types of resonances linked to bulk oscillation modes, essentially insensitive to the dipolar interactions, and a third one associated with edge-localized oscillations, whose resonance field is strongly dependent on the dipolar interactions. The ability to produce a high quality, controlled series of stripes provided a good opportunity to achieve an agreement between the experiments and calculations, carried out by taking into account just the Fe intrinsic properties and the morphology of the arrays, thus evidencing the relatively small role of other extrinsic factors.

Scaling of the coercivity with the geometrical parameters in epitaxial Fe antidot arrays

We studied a series of square lattice antidot arrays, with diameter and lattice parameter from hundreds of nanometers to some microns, fabricated using two lithography techniques in epitaxial Fe(001) films. The coercivity increase of each array with respect to its base film can be scaled to a simple geometric parameter, irrespective of the lithography technique employed. Magnetic transmission x-ray microscopy studies, in arrays fabricated on polycrystalline Fe films deposited on silicon nitride membranes, evidenced the propagation of reversed domains from the edges of the arrays, in agreement with the coercivity analysis of the epitaxial arrays and with micromagnetic models.

Nanoimprinted diffraction gratings for crystalline silicon solar cells: implementation, characterization and simulation

Light trapping is becoming of increasing importance in crystalline silicon solar cells as thinner wafers are used to reduce costs. In this work, we report on light trapping by rear-side diffraction gratings produced by nano-imprint lithography using interference lithography as the mastering technology. Gratings fabricated on crystalline silicon wafers are shown to provide significant absorption enhancements. Through a combination of optical measurement and simulation, it is shown that the crossed grating provides better absorption enhancement than the linear grating, and that the parasitic reflector absorption is reduced by planarizing the rear reflector, leading to an increase in the useful absorption in the silicon. Finally, electro-optical simulations are performed of solar cells employing the fabricated grating structures to estimate efficiency enhancement potential.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Movimiento de paredes de dominio magnético en nanohilos con defectos controlados

La investigación realizada en este trabajo de tesis se ha centrado en el estudio de la generación, anclaje y desenganche de paredes de dominio magnético en nanohilos de permalloy con defectos controlados. Las últimas tecnologías de nanofabricación han abierto importantes líneas de investigación centradas en el estudio del movimiento de paredes de dominio magnético, gracias a su potencial aplicación en memorias magnéticas del futuro. En el 2004, Stuart Parkin de IBM introdujo un concepto innovador, el dispositivo “Racetrack”, basado en un nanohilo ferromagnético donde los dominios de imanación representan los "bits" de información. La frontera entre dominios, ie pared magnética, se moverían en una situación ideal por medio de transferencia de espín de una corriente polarizada. Se anclan en determinadas posiciones gracias a pequeños defectos o constricciones de tamaño nanométrico fabricados por litografía electrónica. El éxito de esta idea se basa en la generación, anclaje y desenganche de las paredes de dominio de forma controlada y repetitiva, tanto para la lectura como para la escritura de los bits de información. Slonczewski en 1994 muestra que la corriente polarizada de espín puede transferir momento magnético a la imanación local y así mover paredes por transferencia de espín y no por el campo creado por la corriente. Desde entonces muchos grupos de investigación de todo el mundo trabajan en optimizar las condiciones de transferencia de espín para mover paredes de dominio. La fracción de electrones polarizados que viaja en un hilo ferromagnético es considerablemente pequeña, así hoy por hoy la corriente necesaria para mover una pared magnética por transferencia de espín es superior a 1 107 A/cm2. Una densidad de corriente tan elevada no sólo tiene como consecuencia una importante degradación del dispositivo sino también se observan importantes efectos relacionados con el calentamiento por efecto Joule inducido por la corriente. Otro de los problemas científico - tecnológicos a resolver es la diversidad de paredes de dominio magnético ancladas en el defecto. Los diferentes tipos de pared anclados en el defecto, su quiralidad o el campo o corriente necesarios para desenganchar la pared pueden variar dependiendo si el defecto posee dimensiones ligeramente diferentes o si la pared se ancla con un método distinto. Además, existe una componente estocástica presente tanto en la nucleación como en el proceso de anclaje y desenganche que por un lado puede ser debido a la naturaleza de la pared que viaja por el hilo a una determinada temperatura distinta de cero, así como a defectos inevitables en el proceso de fabricación. Esto constituye un gran inconveniente dado que según el tipo de pared es necesario aplicar distintos valores de corriente y/o campo para desenganchar la pared del defecto. Como se menciona anteriormente, para realizar de forma eficaz la lectura y escritura de los bits de información, es necesaria la inyección, anclaje y desenganche forma controlada y repetitiva. Esto implica generar, anclar y desenganchar las paredes de dominio siempre en las mismas condiciones, ie siempre a la misma corriente o campo aplicado. Por ello, en el primer capítulo de resultados de esta tesis estudiamos el anclaje y desenganche de paredes de dominio en defectos de seis formas distintas, cada uno, de dos profundidades diferentes. Hemos realizado un análisis estadístico en diferentes hilos, donde hemos estudiado la probabilidad de anclaje cada tipo de defecto y la dispersión en el valor de campo magnético aplicado necesario para desenganchar la pared. Luego, continuamos con el estudio de la nucleación de las paredes de dominio magnético con pulsos de corriente a través una linea adyacente al nanohilo. Estudiamos defectos de tres formas distintas e identificamos, en función del valor de campo magnético aplicado, los distintos tipos de paredes de dominio anclados en cada uno de ellos. Además, con la ayuda de este método de inyección que es rápido y eficaz, hemos sido capaces de generar y anclar un único tipo de pared minimizando el comportamiento estocástico de la pared mencionado anteriormente. En estas condiciones óptimas, hemos estudiado el desenganche de las paredes de dominio por medio de corriente polarizada en espín, donde hemos conseguido desenganchar la pared de forma controlada y repetitiva siempre para los mismos valores de corriente y campo magnético aplicados. Además, aplicando pulsos de corriente en distintas direcciones, estudiamos en base a su diferencia, la contribución térmica debido al efecto Joule. Los resultados obtenidos representan un importante avance hacia la explotación práctica de este tipo de dispositivos. ABSTRACT The research activity of this thesis was focused on the nucleation, pinning and depinning of magnetic domain walls (DWs) in notched permalloy nanowires. The access to nanofabrication techniques has boosted the number of applications based on magnetic domain walls (DWs) like memory devices. In 2004, Stuart Parkin at IBM, conceived an innovative concept, the “racetrack memory” based on a ferromagnetic nanowire were the magnetic domains constitute the “bits” of information. The frontier between those magnetic domains, ie magnetic domain wall, will move ideally assisted by a spin polarized current. DWs will pin at certain positions due to artificially created pinning sites or “notches” fabricated with ebeam lithography. The success of this idea relies on the careful and predictable control on DW nucleation and a defined pinning-depinning process in order to read and write the bits of information. Sloncsewski in 1994 shows that a spin polarized current can transfer magnetic moment to the local magnetization to move the DWs instead of the magnetic field created by the current. Since then many research groups worldwide have been working on optimizing the conditions for the current induced DW motion due to the spin transfer effect. The fraction of spin polarized electrons traveling through a ferromagnetic nanowire is considerably small, so nowadays the current density required to move a DW by STT exceeds 1 107 A/cm2. A high current density not only can produce a significant degradation of the device but also important effects related to Joule heating were also observed . There are other scientific and technological issues to solve regarding the diversity of DWs states pinned at the notch. The types of DWs pinned, their chirality or their characteristic depinning current or field, may change if the notch has slightly different dimensions, the stripe has different thickness or even if the DW is pinned by a different procedure. Additionally, there is a stochastic component in both the injection of the DW and in its pinning-depinning process, which may be partly intrinsic to the nature of the travelling DW at a non-zero temperature and partly due to the unavoidable defects introduced during the nano-fabrication process. This constitutes an important inconvenient because depending on the DW type different values of current of magnetic field need to be applied in order to depin a DW from the notch. As mentioned earlier, in order to write and read the bits of information accurately, a controlled reproducible and predictable pinning- depinning process is required. This implies to nucleate, pin and depin always at the same applied magnetic field or current. Therefore, in the first chapter of this thesis we studied the pinning and depinning of DW in six different notch shapes and two depths. An statistical analysis was conducted in order to determine which notch type performed best in terms of pinning probability and the dispersion measured in the magnetic field necessary to depin the magnetic DWs. Then, we continued studying the nucleation of DWs with nanosecond current pulses by an adjacent conductive stripe. We studied the conditions for DW injection that allow a selective pinning of the different types of DWs in Permalloy nanostripes with 3 different notch shapes. Furthermore, with this injection method, which has proven to be fast and reliable, we manage to nucleate only one type of DW avoiding its stochastic behavior mentioned earlier. Having achieved this optimized conditions we studied current induced depinning where we also achieved a controlled and reproducible depinning process at always the same applied current and magnetic field. Additionally, changing the pulse polarity we studied the joule heating contribution in a current induced depinning process. The results obtained represent an important step towards the practical exploitation of these devices.

Silicon nanopillar arrays with SiO2 overlayer for biosensing application

We present the fabrication of silicon dioxide (SiO2) coated silicon nanopillar array structures and demonstrate their application as sensitive optical biosensors. Colloidal lithography, plasma dry etching and deposition processes are used to fabricate SiO2 coated Si nanopillar arrays with two different diameters and periods. Proof of concept bio recognition experiments are carried out with the bovine serum albumin (BSA)/antiBSA model system using Fourier transform visible and IR spectrometry (FT-VIS-IR) in reflection mode. A limit of detection (LoD) value of 5.2 ng/ml is estimated taking in to account the wavenumber uncertainty in the measurements.

Development and fabrication of optical biosensors based on biophotonic sensing cells (BICELLs)

El objetivo de esta tesis es el desarrollo y caracterización de biosensores ópticos sin marcado basados en celdas sensoras biofotónicas (BICELLs). Éstas son un nuevo concepto de biosensor desarrollado por el grupo de investigación y consiste en la combinación de técnicas de interrogación vertical, junto a estructuras fotónicas producidas usando métodos de micro- y nanofabricación. Varias conclusiones son extraídas de este trabajo. La primera, que se ha definido una BICELL estándar basada en interferómetros Fabry-Perot (FP). Se ha demostrado su capacidad para la comparación de rendimiento entre BICELLs estructuradas y para la realización de inmunoensayos de bajo coste. Se han estudiado diferentes técnicas de fabricación disponibles para la producción de BICELLs. Se determinó que la litografía de contacto a nivel de oblea produce estructuras de bajo coste, reproducibles y de alta calidad. La resolución alcanzada ha sido de 700 nm. El estudio de la respuesta a inmunoensayos de las BICELLs producidas se ha desarrollado en este trabajo. Se estudió la influencia de BICELLs basadas en diferentes geometrías y tamaños. De aquí resulta un nuevo enfoque para predecir el comportamiento de respuesta para la detección biológica de cualquier biosensor óptico estructurado, relacionando su superficie efectiva y su sensibilidad óptica. También se demostró una técnica novedosa y de bajo coste para la caracterización experimental de la sensibilidad óptica, basada en el depósito de películas ultradelgadas. Finalmente, se ha demostrado el uso de BICELLs desarrolladas en esta tesis, en la detección de aplicaciones reales, tales como hormonas, virus y proteínas. ABSTRACT The objective of this thesis is the development and characterization of optical label-free biosensors based on Bio-Photonic sensing Cells (BICELLs). BICELL is a novel biosensor concept developed by the research group, and it consists of a combination of vertical interrogation optical techniques and photonic structures produced by using micro- and nano-fabrication methods. Several main conclusions are extracted from this work. Firstly, a standard BICELL is defined based on FP interferometers, which demonstrated its capacity for accomplishing performance comparisons among different structured BICELLs, as well as to achieve low-cost immunoassays. Different available fabrication techniques were studied for BICELL manufacturing. It is found that contact lithography at wafer scale produce cost-effective, reproducible and high quality structures. The resolution achieved was 700 nm. Study on the response of developed BICELLs to immunoassays is performed within this work. It is therefore studied the influence of BICELLs based on different geometries and sizes in the immunoassay, which resulted in a new approach to predict the biosensing behaviour of any structured optical biosensor relating to its effective surface and optical sensitivity. Also, it is demonstrated a novel and low-cost characterization technique of the experimental optical sensitivity, based on ultrathin-film deposition. Finally, it is also demonstrated the capability of using the developed BICELLs in this thesis for real applications detection of hormones, virus and proteins.

Produção e caracterização de guias de onda dopados com terras-raras contendo nanopartículas semicondutoras.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos.