Architectures based on Ga₂O₃ micro- and nanowires with applications in photonics

Los oxidos conductores transparentes (TCOs) son materiales que combinan una baja absorcion en el rango visible del espectro electromagnetico con una conductividad electrica moderada. Perteneciente a la familia de los TCOs, el oxido de galio (beta-Ga2O3) tiene uno de los mayores band gaps de todos los semiconductores (casi 5 eV). Una de las aplicaciones menos exploradas de este material se encuentra en el ambito de la fotonica. La fotonica esta basada en el estudio de la generacion, la deteccion y la manipulacion de la luz para aplicaciones opticas, en algunos casos con el objetivo de reemplazar ciertos dispositivos electronicos. En este contexto, esta Tesis Doctoral esta basada en el estudio y la modificacion de las propiedades opticas del Ga2O3 en la nanoescala para afianzar el atractivo de este material en aplicaciones fotonicas. En esta hemos constatado como distintas impurezas introducidas en los tratamientos termicos pueden inducir el crecimiento de nanoestructuras de distinta dimensionalidad y morfologia. Los dopantes que se han estudiado son el cinc (Zn), el germanio (Ge), el estano (Sn) y el cromo (Cr). Se ha observado que cada una de ellos tambien afecta a las propiedades fisicas de las estructuras. En primer lugar, hemos estudiado la incorporacion del Zn en el Ga2O3. Mediante este dopante se puede analizar la influencia de las impurezas aceptoras en este material. Tambien hemos realizado los primeros estudios sobre la incorporacion de Ge en el Ga2O3, teniendo en cuenta que este dopante podria dar lugar a mejores dispositivos tipo n de Ga2O3. Ademas de estudiar su proceso de crecimiento, dichas estructuras han sido analizadas mediante microscopia electronica y micro-espectroscopia Raman. A partir de los resultados anteriores, hemos dado un paso mas en la optimizacion de los parametros de crecimiento para obtener nanoarquitecturas de Ga2O3 - SnO2, es decir, nano-heteroestructuras complejas basadas en TCOs. Se han obtenido nanohilos de Ga2O3 recubiertos parcialmente con particulas de SnO2 de morfologia poliedrica, los cuales hemos denominado ``estructuras tipo brocheta''. Por otro lado, hemos obtenido ``estructuras CW'', formadas por un hilo central de Ga2O3 e hilos cruzados de SnO2. Mediante microscopia electronica de transmision (TEM) hemos estudiado con profundidad tanto las brochetas como las estructuras CW, obteniendose un buen acoplamiento de red a escala atomica en ambos casos. Ademas, las estructuras CW presentan guiado de luz. Finalmente, usando el microscopio de Haz de Iones Focalizado (FIB), hemos tallado patrones periodicos para obtener cavidades basadas en reflectores de Bragg (cavidades DBR). Hemos obtenido resultados prometedores: las cavidades DBR a partir de microhilos de Ga2O3:Cr han aumentado sustancialmente su reflectividad hasta el 80% en el rojo-IR cercano. Las resonancias se encuentran en los rangos de energia deseados en ambas polarizaciones, presentan una alta fineza y tienen una alta intensidad respecto a la luminiscencia no guiada. Ademas, muestran desplazamientos en longitud de onda resonante reversibles mediante la aplicacion de distintas densidades de excitacion del laser incidente, lo cual tiene aplicaciones en sensores de temperatura. Ademas, se han tallado de nanohilos no dopados cuya emision se encuentra en el azul-UV. Por tanto, hemos logrado controlar y desplazar el rango de emision y confinamiento de la luz en cavidades opticas de Ga2O3 desde el rojo-IR cercano hasta el azul-UV. En resumen, en esta tesis hemos modificado y estudiado las propiedades estructurales y opticas de micro- y nanoestructuras complejas de Ga2O3. Los resultados prometedores de los emisores de luz sintonizables de Ga2O3:Zn, las estructuras alargadas de Ga2O3:Ge, las nanoarquitecturas complejas de Ga2O3 - SnO2 y las micro- y nanocavidades opticas DBR de Ga2O3 y Ga2O3:Cr son un avance importante para el desarrollo de dispositivos fotonicos de Ga2O3 en la micro- y nanoescala.