Desarrollo de la tecnología de MOVPE para el crecimiento de semiconductores III-V : fabricación de células solares para concentraciones luminosas elevadas

El trabajo de estas tesis trata sobre el desarrollo en el IES-UPM de la tecnología de crecimiento epitaxial de fase vapor mediante precursores metalorgánicos (MOVPE) para el crecimiento de células solares de semiconductores III-V para concentraciones luminosas elevadas. En la primera parte de la memoria se presentan los principios de la MOVPE y el estudio de los materiales semiconductores utilizados a lo largo de la tesis: GaAs, AlGaAs, GaInP y AlInP. Para ello, se ha analizado cómo influyen las condiciones del proceso epitaxial en la velocidad de crecimiento y la concentración de portadores y, en el caso de los ternarios, en su composición. Una vez analizados los resultados, el control de estos materiales permite crecer estructuras con las características deseadas. Este estudio ha ido más allá en el caso del GaAs, ya que es el material que configura las capas activas de la célula (emisor y base). Por eso, se ha estudiado la relación entre su calidad cristalina y las condiciones de crecimiento mediante espectroscopia de fotoluminiscencia, medidas de tiempo de vida y de movilidad por efecto Hall, deduciendo las condiciones de crecimiento óptimas para conseguir un material de buena calidad. Continuando en el campo del crecimiento epitaxial, en la Universidad Philipps de Marburgo (Alemania) se ha llevado a cabo parte de esta tesis en lo que se refiere al estudio del sistema GaAs/Ge. Se ha desarrollado un proceso a baja temperatura para el crecimiento de GaAs sobre substratos de Ge basado en un recubrimiento con una monocapa de Ga seguida de una de As a 475 ºC (Ga/As) y, posteriormente, una capa de nucleación de 50 nm crecida, también, a baja temperatura. Esta es la primera vez que se optimiza un proceso para el sistema GaAs/Ge basado en un recubrimiento de Ga/As, pudiendo tener importancia en el crecimiento de células multiunión sobre Ge. La segunda parte de esta tesis trata sobre un modelo 3D basado en circuitos electrónicos distribuidos para células solares. Dicho modelo consiste en la división del dispositivo en unidades circuitales según su ubicación (iluminación, oscuridad y perímetro) asignando a cada unidad su circuito correspondiente. La validez de dicho modelo se ha confirmado mediante el ajuste de datos experimentales en concentración. También se presentan alguna aplicaciones de dicho modelo, tales como el diseño óptimo de la malla frontal, el ajuste de las curvas I-V en oscuridad y la simulación del dispositivo bajo luz no uniforme. Por último, en la tercera parte de este trabajo se aborda la fabricación completa de células solares. Para ello, se presentan los procesos de post-crecimiento introducidos en esta tesis (desarrollo de un nuevo contacto para n-GaAs basado en Cu/Ge y la sustitución de resina positiva por resina negativa para la malla frontal) y las mejoras logradas en las células solares monounión de GaAs durante esta tesis hasta reproducir los resultados de eficiencia obtenidos previamente por LPE. En concreto, se ha conseguido el 26% a 1000 X con una eficiencia pico de 26,2% a 800 X. También, en esta tercera parte, se presentan los primeros resultados de células solares de GaAs sobre substratos de Ge como primer paso para el desarrollo de células multiunión

Linear arrays of InGaAs quantum dots on nanostructured GaAs-on-Si substrates

Linear arrays of high-quality quantum dots (QD) integrated in Si are an ideal platform in exploring the manipulation and transmission of quantum information. Understanding QD self-organization mechanisms on substrates compatible with Si technology is therefore of great practical importance. Here we demonstrate the epitaxial growth of linear arrays of InAs and InGaAs QDs from As2 and In molecular beams on bare and GaAs-coated Si(0 0 1) substrates, patterned by high-resolution laser interference nanolithography. Atomic force microscopy, in combination with high-resolution scanning and transmission electron microscopies, show that these arrays exhibit an improvement in growth selectivity, lateral order and size uniformity of the QDs when a pseudomorphic 1 nm-thick GaAs buffer layer is grown prior to InAs deposition. In addition, preferential nucleation of InxGa1-xAs QDs along the 〈1 1 0〉 -oriented edges of the nanostructured GaAs-on-Si(0 0 1) substrate results from In adatom migration from (1 1 1) to (0 0 1) nanofacets and the erosion of the wetting and buffer layers caused by the Ga-In intermixing at the step edge during the Stranski-Krastanov transition. These are key elements in the formation of linear arrays of coherent QDs, which differ in morphology and structure from those obtained on both GaAs(0 0 1) and Si(0 0 1) planar surface

Long wavelength stacking induced shift of the near-infrared photoluminescence from unintentional MOVPE grown InGaSb/GaSb quantum wells

The effect of stacking on the near-infrared photoluminescence (NIR-PL) of InGaSb/GaSb quantum wells (QWs) which were inadvertently formed during an attempt to fabricate stacked InSb/GaSb quantum dots (QDs) using atmospheric pressure Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) are investigated in this work. The morphology of uncapped dots was studied by means of scanning probe microscopy (SPM) which shows a significant deviation in the shape and density of dots grown directly on the buffer compared to those that terminated an "embedded-dot" sample. Cross-sectional scanning transmission electron microscopy (STEM) and transmission electron microscopy (TEM) of the capped structures clearly revealed the formation of QWs in the capped structures. An increase in the number of InSb QD-layers, which metamorphosed into QWs, was observed to cause an increase in the luminescence spectral line width and a long-wavelength shift of the QW PL lines, together with an enhancement in the strength of PL emission. Variations in layer thicknesses and alloy composition introduced as a result of inter-diffusion of Ga and In which is enhanced by the prolonged annealing time of the QDs (during spacer/cap layer deposition) and In adatom migration is suggested to alter the morphology of the capped dots and induce a change in PL peak positions and the spectral linewidth of the NIR low energy lines. (C) 2018 Author(s).This work is based upon research supported by the South Africa Research Chairs Initiative of the Department of Science and Technology and the National Research Foundation (NRF), South Africa. This work has also been partially supported by Spanish Government (MINECO through projects with references TEC2014-54260-C3-2-P). The financial support from Nelson Mandela University and African Institute for Mathematical Sciences (AIMS) are also gratefully acknowledged

Te doping of GaAs using metalorganic vapor phase epitaxy: volatile vs. non volatile

The incorporation of Te into the crystal lattice, when it is used as an n-type dopant for GaAs grown by metalorganic vapor phase epitaxy, is studied. For this purpose, several growth temperatures, total pressures, growth rates, and substrate misorientations have been analyzed, from which it is concluded that depending on the substrate misorientation and total pressure used, the Te behaves like a volatile dopant or a nonvolatile dopant as result of the enhancement or minimization of its adsorption onto the growth surface

Study of non-uniform light profiles on high concentration III-V solar cells using quasi-3D distributed models

The quasi-3D models based on distributed circuit units are a powerful tool to analyse the performance of a solar cell from the point of view of its electrical behavior. Quite accurate models have been developed in the past that reproduce the experimental data of single-junction solar cells very closely. These models help in the determination of the origin of the peculiarities of the dark and one sun or high concentration experimental I-V curves. They also allow the design of the front grid, the analysis of the impact of the electrical parameters of the solar cell on the performance of the final device, etc. In this work, these models are used to study the effect of non-uniform profiles, generated by the concentrator optics, on the performance of a concentrator solar cell. The design of the front grid is then optimized to minimize the losses introduced by the light distribution, even taking into account the effect of the tracking system misalignment. As an introductory application example of multijunction solar cells analysis with this kind of modeling, the effect of the chromatic aberration on a double junction solar cell is presented

A GaAs metalorganic vapor phase epitaxy growth process o reduce Ge out-diffusion from the Ge substrate

A barrier based on GaAs for controlling the Ge out diffusion has been developed by metalorganic vapor phase epitaxy. It is based on a thin GaAs layer (50 nm) grown at a low temperature (≈500 °C) on top of a predeposition layer, showing that GaAs prevents the Ge diffusing when it is grown at a low temperature. Additionally, two different predeposition monolayers have been compared, concluding that when the Ga is deposited first, the diffusions across the GaAsGe heterointerface decrease

MOVPE growth of GaP/GaPN core-shell nanowires: N incorporation, morphology and crystal structure

Dilute nitride III-V nanowires (NWs) possess great potential as building blocks in future optoelectronical and electrochemical devices. Here, we provide evidence for the growth of GaP/GaPN core-shell NWs via metalorganic vapor phase epitaxy, both on GaP(111)B and on GaP/Si (111) hetero-substrates. The NW morphology meets the common needs for use in applications, i.e. they are straight and vertically oriented to the substrate as well as homogeneous in length. Moreover, no parasitical island growth is observed. Nitrogen was found to be incorporated on group V sites as determined from transmission electron microscopy (TEM) and Raman spectroscopy. Together with the incorporation of N, the NWs exhibit strong photoluminescence in the visible range, which we attribute to radiative recombination at N-related deep states. Independently of the N incorporation, a peculiar facet formation was found, with {110} facets at the top and {112} at the bottom of the NWs. TEM reveals that this phenomenon is related to different stacking fault densities within the zinc blende structure, which lead to different effective surface energies for the bottom and the top of the NWs.This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, proj. no. HA 3096/4-2 & DA 396/6-2). We thank D Roßberg and D Flock for preparation of the TEM lamellae via FIB, as well as A Müller for technical support of the MOVPE system and W Dziony for AES measurements. We appreciate fruitful discussions with A Paszuk and A Nägelein

Nanoscale electrical characterization of arrowhead defects in GalnP thin films grown on Ge

In this work the authors present an electrical characterization of the so called arrowhead defects (ADs) in GaInP thin films grown on Ge(100) substrates misoriented by 6° toward (111). The samples have been evaluated by means of conductive atomic force microscopy (C-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM). It is shown that the ADs have terminating planes which are composed from two alternating subplanes inclined 12° (close to {105} plane) and 6° (close to {109}) with respect to the (100) plane. The terminating planes of the arrowhead defects possess higher conductivity compared to their surrounding. The terminating planes differ also in their electrical behavior from each other, demonstrating different values of conductivity (C-AFM) and bucking voltages (KPFM). The difference in current densities between two terminating planes was found to be ∼ 170±35 μA/m2 at −3 V, and the difference in the bucking voltages was ∼ 70 mV at 5 V of the electrical excitation signal in the lift mode. It is suggested that the distinctive electrical behavior of the ADs is caused by an ordering effect which leads in this case to the degraded electrical properties of the ADs

High-heat flux Cu-0.8Y alloys investigated by positron annihilation spectroscopy

This work studies the thermal stability of the microstructure and the evolution of the defects of two high-heat flux Cu-0.8 wt%Y alloys fabricated following two alternative powder metallurgy routes. One batch was produced by direct hot isostatic pressing (HIP) consolidation of Cu-0.8 wt%Y pre-alloyed atomized powders while an additional ball milling processing step was introduced before HIP sintering for the second alloy. The stability and recovery characteristics of the vacancy type defects in these alloys in the as-produced state and after processing by severe equal channel angular pressing to achieve a refine microstructure have been investigated by positron lifetime and coincidence Doppler broadening measurements in samples subjected to isochronal annealing from room temperature to 900 °C. Microhardness measurements and electron transmission microscopy analysis have also been performed to support the results obtained from the positron annihilation spectroscopy analysis techniques. The recovery curves of the positron lifetime and S-W plots show a recovery stage in agreement with the recovery stage V for Cu. However, a full recovery is not accomplished, and a stage that reverts the previous recovery takes place after annealing above ~600 °C, that leads to the formation of very stable defects at temperatures up to 900 °C, identified as vacancy aggregates and nanocavities. The characteristic shape of the coincidence Doppler broadening indicates that the dispersed Y-O particles in the Cu matrix appear to be responsible for stabilizing the vacancy aggregates and nanocavities for temperatures above 600-700 °C.This research was supported by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad (MINECO) in the form of Project ENE2015-70300-C3-2-R and by the Regional Government of Madrid (Spain) through TECHNOFUSIÓN(III)CM (S2018/EMT-4437), and Comunidad de Madrid (Spain) - multiannual agreement with UC3M ("Excelencia para el Profesorado Universitario" EPUC3M14) - Fifth regional research plan 2016-2020; and also Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación through project DAMAINSOL [grant number RTI2018-101020-B-I00]

Extrusión apical y su relación con la preparación biomecánica del conducto radicular

La preparación químico-mecánica del conducto radicular (CR) durante un tratamiento endodóntico puede causar daño a los tejidos periapicales por la extrusión apical de los desechos y ser el origen del dolor postoperatorio. El presente trabajo tiene por objetivo actualizar y analizar trabajos de investigación sobre extrusión apical producidos en el Glide Path y en la preparación biomecánica del conducto radicular. Se realizó una revisión bibliográfica en bases electrónicas (SCIELO, MEDLINE, EBSCO, LILACS, PUBMED), revisando artículos en español, inglés y portugués, determinando como criterios de inclusión: estudios in vitro publicados en los últimos 10 años, que hayan obtenido medición de desechos apicales por instrumentación mecanizada y manual en el Glide Path apical y conformación del CR (instrumentación, irrigación y recuento bacteriano a partir de desechos extruidos), y como criterios de exclusión, artículos de más de 10 años de publicación, aquellos que comparan limas manuales entre sí; exclusivamente sin instrumentación mecanizada, desobturación del CR y los que no incluyan medición de extrusión apical. Se concluye que todos los procedimientos durante el tratamiento endodóntico generan extrusión apical. El Glide Path con instrumentación mecanizada reduce los desechos extruidos. Los sistemas alternativos producen mayor extrusión apical, disminuye cuando se realiza un Glide Path con limas rotatorias previamente ya que estas La preparación químico-mecánica del conducto radicular (CR) durante un tratamiento endodóntico puede causar daño a los tejidos periapicales por la extrusión apical de los desechos y ser el origen del dolor postoperatorio. El presente trabajo tiene por objetivo actualizar y analizar trabajos de investigación sobre extrusión apical producidos en el Glide Path y en la preparación biomecánica del conducto radicular. Se realizó una revisión bibliográfica en bases electrónicas (SCIELO, MEDLINE, EBSCO, LILACS, PUBMED), revisando artículos en español, inglés y portugués, determinando como criterios de inclusión: estudios in vitro publicados en los últimos 10 años, que hayan obtenido medición de desechos apicales por instrumentación mecanizada y manual en el Glide Path apical y conformación del CR (instrumentación, irrigación y recuento bacteriano a partir de desechos extruidos), y como criterios de exclusión, artículos de más de 10 años de publicación, aquellos que comparan limas manuales entre sí; exclusivamente sin instrumentación mecanizada, desobturación del CR y los que no incluyan medición de extrusión apical. Se concluye que todos los procedimientos durante el tratamiento endodóntico generan extrusión apical. El Glide Path con instrumentación mecanizada reduce los desechos extruidos. Los sistemas alternativos producen mayor extrusión apical, disminuye cuando se realiza un Glide Path con limas rotatorias previamente ya que estas impulsan estos desechos hacia coronal. La instrumentación manual genera más extrusión que la instrumentación mecanizada. La reducción en el número de instrumentos utilizados en la conformación disminuye la extrusión de desechos. La extrusión de bacterias en el Glide Path con limas K es mayor en comparación a las técnicas rotatorias y reciprocantes. La irrigación ultrasónica pasiva PUI promovió mayor cantidad de detritus y extrusión bacteriana y se recomienda el uso de agujas de pequeño diámetro (27 G o 30 G), la extrusión apical del irrigante es menor cuando ésta se realiza con agujas con ventilación lateral