En esta Tesis Doctoral se presenta una contribución al diseño, fabricación y caracterización de estructuras avanzadas para la detección de radiación ultravioleta y visible basadas en nitruros del grupo III. Los nitruros del grupo III se revelan como la familia de semiconductores potencialmente más prometedora para realizar detectores de radiación ultravioleta y visible debido a que, entre otras características, pueden desplazar su borde de absorción desde el infrarrojo ( 0.7 eV para el InN) hasta el ultravioleta ( 6.2 eV para el AlN) sin más que variar la composición de la aleación de (Al,Ga,In)N. Las aplicaciones de estos detectores son muy diversas tanto en el ámbito militar como civil, desde instrumentación básica, monitorización de la combustión o astronomía, hasta comunicaciones seguras o detección de misiles, por ejemplo. Por otra parte, las propiedades intrínsecas de estos materiales, como su elevada piezoelectricidad o su simetría cristalina en la fase wurtzita, sugieren la posibilidad de estudiar nuevos tipos de dispositivos aptos para la detección. El desarrollo de estructuras avanzadas ha seguido dos aproximaciones diferentes. Una consistente en la mejora de los parámetros básicos de los detectores. Para realizar esta tarea se han empleado estructuras basadas en las propiedades de la baja dimensionalidad. Y otra consistente en la aportación de funcionalidades añadidas a la detección, como son la sensibilidad a la polarización de la luz o la posibilidad de modificar la respuesta espectral de los dispositivos para permitir una detección paso banda. Para cumplir con este objetivo se ha hecho uso de las propiedades de anisotropía óptica de las capas en función de la orientación cristalina y la deformación. Las estructuras de baja dimensionalidad basadas en pozos cuánticos múltiples de (In,Ga)N/GaN fueron propuestas inicialmente para sustituir a los detectores fabricados en capas gruesas principalmente por razones tecnológicas. Este trabajo, sin embargo, se ha enfocado al estudio de las propiedades inherentes de estas estructuras y del material para la detección. Las predicciones teóricas y la caracterización tanto eléctrica como óptica demuestran que el comportamiento de los pozos cuánticos de (In,Ga)N/GaN está dominado por el efecto de los campos inducidos por la polarización y por el efecto de la localización originada por la inhomogeneidad en composición del (In,Ga)N. Los campos inducidos por la polarización tienen a su vez dos efectos, uno sobre las propiedades del pozo (intrapozo) y otro sobre la estructura (extrapozo). El efecto intrapozo resulta en la modificación de la estructura de subbandas en el pozo y en la reducción de la fuerza de oscilador de las transiciones observada experimentalmente. El efecto extrapozo da lugar a un campo eléctrico interno que puede oponerse al preexistente en la estructura (el de una unión p-n, por ejemplo) llegando incluso a crear regiones con campo promedio negativo. La localización, por otra parte, parece estar relacionada con la captura de huecos en mínimos de potencial ocasionados por la inhomogeneidad en composición del ternario. Se estudiaron también las propiedades de discos cuánticos mesoscópicos de (Al,Ga)N/GaN en estructuras nanocolumnares. Para explicar los resultados se ha desarrollado un modelo original que explica el mecanismo de confinamiento específico de este tipo de sistemas donde coexisten los efectos de la deformación pura con los campos inducidos por la polarización. El mecanismo, denominado confinamiento por deformación, sugiere que se pueden formar estados separados espacialmente en la dirección del plano de los discos. Se ha propuesto y demostrado un mecanismo de ganancia de fotocorriente propio de materiales piezoeléctricos que requiere de la existencia de un campo promedio negativo. Se fabricaron y caracterizaron detectores de tipo fotocoductivo, diodos de barrera Schottky y diodos p-i-n con pozos cuánticos como parte activa. Cada tipo de dispositivo se investigó haciendo énfasis en la eficiencia de colección y la reducción de la corriente en oscuridad. Se ha demostrado que la eficiencia de colección disminuye en gran medida para pozos que se encuentran en la zona cuasi-neutra con respecto a pozos que se encuentran en la zona de carga espacial de un diodo p-i-n. El segundo bloque de esta Tesis trata el diseño, la fabricación y la caracterización de detectores sensibles a la polarización de la luz basados en GaN orientado según el plano M y crecido sobre sustratos de LiAlO2. El cambio de orientación cristalina produce una modificación de las reglas de selección para luz incidente en la dirección perpendicular al plano de la muestra. Esta modificación se ve reforzada por el uso de sustratos que generan una deformación anisótropa en las capas. En la memoria se presentan cálculos basados en el formalismo kp para estructuras wurtzita que predicen las reglas de selección y las propiedades ópticas de dicroísmo encontradas en los experimentos. Los resultados de la caracterización eléctrica y óptica revelan algunas particularidades de este material, tales como la evolución de la deformación con la temperatura o las propiedades de las superficies del GaN plano M. Finalmente, se ha demostrado la realización de detectores cuya fotorrespuesta depende del ángulo de la polarización de la luz incidente cerca del borde de detección, es decir, en torno a la energía de la banda prohibida. Además de los resultados experimentales se ha desarrollado una metodología de diseño específica para este nuevo tipo de detectores donde la principal herramienta es el espesor de las capas. El espesor de las capas afecta al grado de relajación presente en el material y, por tanto, a la separación de las bandas de valencia inducida por la deformación y a las reglas de selección, así como a la cantidad de luz absorbida. Por último, se ha propuesto la construcción de sistemas que mejoran el contraste a la polarización de la luz y permiten conseguir detección en banda estrecha.

La tomografía por emisión combina biología, física y computación para dar lugar a imágenes del organismo que en última instancia se relacionan con el comportamiento celular, habiendo demostrado ser una técnica de gran interés en oncología, neurología y radiología, tanto en investigación como en rutina clínica. La técnica se fundamenta en la detección de la radiación gamma generada por un radiofármaco que previamente se ha inyectado al paciente, para lo cual el equipo de tomografía dispone un conjunto de detectores de radiacción gamma en torno al objeto bajo estudio, generalmente configurando un anillo. Estos dectectores constan por una parte de un material denso destinado interaccionar con los rayos gamma y de una electrónica anexa capaz de detectar y caracterizar las señales resultantes de estas interacciones. En la actualidad una parte significativa de la investigación con mamíferos hace uso de ratones, los cuales han demostrado ser una excelente plataforma para el estudio multitud de enfermedades humanas. Este hecho explica el desarrollo y comercialización de multitud de equipos para tomografía por emisión específicamente diseñados para estudios con animales. La presente tesis doctoral tiene por objetivo explorar una nueva aproximación para la electrónica de cabecera de un sistema de tomografía por emisión de positrones para pequeños animales, que incorpore las técnicas digitales en lo que a detección y caracterización del pulso de centello se refiere. En primer lugar se desarrolla una metodología para la validación funcional de la electrónica a diseñar. La aproximación escogida analiza en detalle todo el proceso de adquisición, desde la interacción del rayo gamma con el cristal de centelleo hasta su digitalización, con el fin de modelar los estímulos que sirven de entrada al sistema electrónico. En segundo lugar, se analizan las distintas técnicas digitales para la caracterización del pulso, prestando especial incapié a las alternativas para la temporización del pulso de centelleo. Tras una comparación de cuatro métodos posibles se determinan las codiciones óptimas para extraer una marca temporal del pulso con una resolución próxima al nanosegundo. En tercer lugar, se implementa y caracteriza un prototipo del módulo de adquisición que incluye las técnicas digitales anteriores como parte de un sistema empotrado más complejo basada en lógica programable. Finalmente, se emplean los resultados anteriores para estimar mediante simulación las prestaciones prestaciones de un equipo híbrido que hiciera uso de la electrónica desarrollada La investigación realizada nos ha permitido determinar las condiciones en las que un sistema de adquisición para tomografía por emisión con muestreo continuo puede igualar o superar las prestaciones de un sistema convencional.

Esta tesis doctoral está dentro del área de investigación de tecnología de imágenes biomédicas y tiene como objetivo el desarrollo, la validación e implementación de métodos eficientes de reconstrucción estadística para obtener imágenes de calidad a partir de los datos que suministra un tomógrafo de emisión de positrones (PET, positron emission tomography) de alta resolución para pequeños animales de laboratorio. El objetivo principal ha sido la obtención de una óptima relación entre la calidad conseguida en las distribuciones volumétricas del radiofármaco y el coste computacional del proceso de reconstrucción. Las características de las cámaras consideradas, los requisitos de resolución y ruido de las imágenes, así como la velocidad requerida de ejecución del algoritmo han motivado la elección de los parámetros de diseño. También se ha tenido en cuenta que los métodos tendrán que ejecutarse sobre un equipo PC estándar, e integrarse en una consola previamente desarrollada. La matriz de sistema parametriza la respuesta del sistema de una cámara PET en los algoritmos de reconstrucción discretos. Esta matriz se ha calculado mediante técnicas de Montecarlo, ya que así se pueden incluir efectos físicos difíciles de hallar analíticamente. Se ha desarrollado una plataforma de simulación propia, optimizada para el cálculo de matrices de sistema, que resulta rápida y flexible ante cambios de los parámetros de la cámara. El código modela el rango del positrón, la no colinealidad y la penetración y dispersión en cristal. Los resultados de la simulación se almacenan en disco en formato disperso, y tras un procesamiento automático para su división en subconjuntos, se pueden utilizar de una manera eficiente por parte de los algoritmos de reconstrucción realizados. Los algoritmos se han desarrollado para adquisición 3D, y se pueden clasificar en dos clases según la dimensionalidad de la matriz de sistema: algoritmos 2D y algoritmos 3D. Los primeros emplean una matriz de sistema aproximada para reconstruir independientemente todos los planos transaxiales de la imagen volumétrica y a pesar de ofrecer una calidad de imagen inferior a los métodos 3D, resultan mucho más rápidos y por tanto son de una gran utilidad. Se aplican sobre datos adquiridos en modo 3D mediante algoritmos de reagrupamiento. Los algoritmos 3D reconstruyen unitariamente todo el volumen de la imagen mediante una matriz de sistema modelada directamente en 3D. Debido al mayor coste computacional de los algoritmos 3D, se han utilizado simetrías de rotación y reflexión en el plano transaxial y de traslación y reflexión según el eje axial para reducir el tiempo de calculo de la matriz de sistema y el espacio requerido para su almacenamiento, lo que redunda también en reconstrucciones mas rápidas. El algoritmo de reconstrucción desarrollado es de tipo OSEM (EM con subconjuntos ordenados) y se puede regularizar mediante un esquema MRP (Median root prior) de tipo generalizado. El esquema propuesto se completa con el método MXE (minimum cross entropy) con regularización mediante imagen anatómica como imagen a priori, que puede utilizarse para mejorar la calidad de la imagen en el caso de que se disponga de una imagen de CT registrada, como ocurre en sistemas híbridos PET/CT. El esquema general que se ha desarrollado no es exclusivo de ninguna cámara en particular, sino que se ha diseñado para que sea flexible y se pueda adaptar rápidamente a diferentes arquitecturas que cumplan unas determinadas especificaciones comunes a la mayoría de cámaras PET existentes. No obstante, al poder contar con datos adquiridos mediante dos cámaras concretas, los resultados presentados en este documento se circunscriben a estas arquitecturas. Los datos sintéticos obtenidos mediante plataformas de simulación de Montecarlo han replicado las geometrías reales disponibles. Del análisis de los resultados obtenidos se puede concluir que el modelado de una matriz de sistema con penetración en cristal mejora la calidad de la reconstrucción en términos de nivel de señal ruido y ausencia de artefactos. Además, la regularización mediante imagen anatómica registrada mejora sustancialmente la resolución en las zonas donde un gradiente anatómico coincida con un gradiente funcional.

Los nitruros del grupo III (InN, GaN y AlN) se han asentado como semiconductores importantes para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos gracias al amplio rango de la banda prohibida ("bandgap") de estos materiales (0.7-6.2 eV) y a que dicho bandgap sea directo. Asimismo, el marcado carácter iónico de los enlaces en estos materiales les confiere una gran estabilidad química y térmica, haciéndoles así buenos candidatos para trabajar en entornos agresivos. La técnica de crecimiento epitaxial más extendida para los nitruros del grupo III es la epitaxia en fase vapor mediante precursores metalorgánicos (MOVPE) y mediante ésta se han obtenido dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia como los comercializados por Nichia, Sony y Toshiba entre otros. Esta técnica necesita de alta temperatura para la pirólisis de los gases reactivos, lo que a su vez incrementa la calidad cristalina de los materiales obtenidos. Sin embargo, tiene como inconvenientes la existencia de niveles altos de carbono, hidrógeno y otros compuestos orgánicos, procedentes de los precursores, que puede provocar efectos negativos de pasivación sobre los dopantes. Otra técnica de crecimiento utilizada para la obtención de nitruros del grupo III es por medio de epitaxia de haces moleculares (MBE) la cual presenta algunas ventajas sobre el MOVPE, por ejemplo: (i) el entorno de ultra alto vacío requerido (presiones base del orden de 10-11 Torr) minimiza la concentración de impurezas incorporadas al material, (ii) la pureza de los materiales empleados en las fuentes de efusión siempre superan el 99,9999%, (iii) la posibilidad de interrumpir el flujo de cualquiera de los elementos (Ga, In, Al, Si, Mg, etc.) de una manera abrupta (mediante el uso de obturadores mecánicos) dando lugar a intercaras planas a nivel atómico, y (iv) la posibilidad de reducir la velocidad de crecimiento (1 nm/min) permitiendo un control preciso del espesor crecido, y por tanto, fabricar estructuras semiconductoras complejas como las basadas en pozos cuánticos. Desde 1986 hasta la actualidad se ha mejorado mucho la calidad cristalina de las capas de InN, obteniéndose actualmente mediante estas técnicas de crecimiento, capas de InN con un valor de bandgap en torno 0.7 eV. Gracias a los numerosos trabajos presentados sobre las propiedades ópticas de este material, el intervalo de operación de los nitruros del grupo III dentro del espectro electromagnético se ha extendido hasta el infrarrojo cercano. Este hecho ha despertado un gran interés en nuevas aplicaciones, como en el campo fotovoltáico con la fabricación de células solares de multi-unión de alta eficiencia cubriendo todo el espectro solar. Se ha detectado también en este material una importante acumulación de carga eléctrica en la superficie, del orden de 1013 e-cm-2. Esta cantidad de electrones parecen acumularse en una capa de unos 4 a 6 nanómetros, incrementando la conductividad de las capas de InN. Si bien esta alta carga superficial podría utilizarse para la fabricación de sensores, ésta no es la única característica que apoya el uso del InN para la fabricación de este tipo de dispositivos. El principal objetivo de esta tesis es el estudio y optimización del crecimiento mediante la técnica de MBE de capas de nitruro de indio para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. La optimización conlleva el control de la morfología y el estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de las capas crecidas. Este objetivo principal se puede concretar en varios puntos relacionados con (i) el crecimiento de capas de nitruro de indio (InN) y sus aleaciones con galio (InGaN) y aluminio (AlInN), (ii) la caracterización de dichas capas, y (iii) el diseño, crecimiento y caracterización de heteroestructuras para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. El crecimiento de capas de InN utilizando diferentes sustratos se ve afectado fundamentalmente por la temperatura de crecimiento pudiéndose afirmar que es el parámetro más crítico. El otro parámetro importante que gobierna la morfología y la calidad cristalina de las capas es la razón III/V que ha de ser precisamente controlado. Con razones III/V<<1 y a una temperatura lo suficientemente baja, se obtiene un material formado por nanocristales columnares de muy alta calidad, libres de defectos extendidos y completamente relajados, con una emisión muy intensa. Para la misma temperatura que en el caso anterior y razones III/V ligeramente por encima de estequiometría (III/V > 1), las capas obtenidas presentan una morfología compacta. Aunque también es posible obtener capas compactas en condiciones nominalmente ricas en nitrógeno (III/V <1) a temperaturas superiores.

En esta memoria se presenta el crecimiento por epitaxia de haces moleculares asistida por plasma (PA-MBE) de compuestos (0001) III-N. Su estudio viene motivado por la necesidad de mejorar las prestaciones de los diodos electroluminiscentes (LED) con emisión en el rango visible-ultravioleta para su aplicación en sistemas de iluminación con luz blanca, sistemas de señalización, dispositivos de almacenamiento óptico de alta densidad y sistemas de esterilización. Los modos de crecimiento y la morfología del (0001) GaN se analizaron en función de la temperatura del sustrato y de la relación de flujos Ga/N. Los resultados evidencian tres modos de crecimiento: tridimensional (3D), capa a capa (2D) y por corrimiento de escalones (1D). Las condiciones de crecimiento que dan lugar a cada uno de estos modos se resumieron en un diagrama universal para el crecimiento de (0001) GaN por PA-MBE. La morfología y composición del ternario (0001) InAlN fueron analizadas en función de la relación de flujos y de la temperatura del sustrato. De manera análoga al GaN, los resultados obtenidos se emplearon para construir un diagrama universal de crecimiento. La obtención de capas de InxAl1-xN con x ~ 0.17 abrió las puertas a la fabricación de espejos Bragg (DBR) de InAlN/GaN con ajuste en red centrados a ~ 400 nm y con reflectividades de hasta un 60 % para un total de 10 períodos. El análisis presentado en esta memoria acerca de la incorporación de In en (0001) InAlGaN en función de la temperatura del sustrato y la relación de flujos Al/Ga muestra que la incorporación de In disminuye con ambos parámetros. La calidad cristalina de las capas de InAlGaN resultó ser comparable a la de los sustratos de GaN/zafiro empleados para su crecimiento. El estudio de sus propiedades ópticas, mediante fotololuminiscencia (PL) y espectroscopía de absorción, reveló la presencia de fenómenos de localización excitónica causados por fluctuaciones de composición. Para un contenido de In fijo, estos fenómenos resultaron ser tanto más notables cuanto mayor fue el contenido de Al. Debido a que la localización excitónica reduce la probabilidad de recombinación no radiativa, los resultados sugieren que el cuaternario InAlGaN puede ser empleado para mejorar la eficiencia de los LED de emisión ultravioleta. La optimización del crecimiento de los distintos compuestos III-N permitió la fabricación de LED con pozos cuánticos (QW). Variando la composición y el espesor de los QW se consiguieron LED con emisiones a 355 y 400 nm. Con objeto de fabricar en un futuro matrices de nano-LED se analizaron el crecimiento y las propiedades de las nanocolumnas (NC) de (0001) (Al)GaN. La optimización de su crecimiento auto-ensamblado, sobre sustratos de Si (111), hizo posible la fabricación de discos cuánticos (QDisk) de GaN embebidos en NC de AlGaN. Las propiedades de estos sistemas fueron estudiadas mediante PL en función del espesor de los QDisk y del contenido de Al de las NC y barreras. Para finalizar, se propone un modelo teórico para explicar el crecimiento auto-ensamblado de NC de III-N sobre Si(111). Abstract This thesis addresses the research on the growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) of (0001) III-N compounds. The studies carried out along this thesis were motivated by the need to improve the performance of the visible and ultraviolet light emitting diodes (LEDs) to be used in white light generation, traffic signals, high density optical storage devices and ultraviolet germicide sterilization. Growth mode and surface morphology of (0001) GaN were analysed as a function of growth temperature and impinging Ga/N flux ratio. The results reveal three different growth modes: three-dimensional (3D), layer-by-layer (2D), and step-flow (1D). A universal growth diagram was established, where the growth modes and the properties of the layers are depicted as a function of the growth parameters. Surface morphology and alloy composition of (0001) InAlN were investigated as a function on impinging fluxes and growth temperature. As in the case of GaN, the results were used to build up a universal growth diagram. The achievement of InxAl1-xN with x ~ 0.17 paved the way to the fabrication of ten periods lattice-matched InAlN/GaN distributed Bragg reflectors (DBRs) with peak reflectivity values up to 60 % at 400 nm. The studies presented in this thesis about In incorporation into (0001) InAlN show that it decreases with both growth temperature and impinging Al/Ga flux ratio. The crystal quality of InAlGaN layers was comparable to that of the GaN/sapphire templates used as substrate. The analysis of the optical properties by photoluminescence (PL) and optical absorption revealed an Al-enhanced exciton localization at potential fluctuations caused by alloy inhomogeneities. Since a stronger localization makes carriers less sensitive to defects and non radiative recombination, InAlGaN seems a promising choice for the active region in efficient ultraviolet LEDs. A proper optimization of the growth conditions for the different III-N compounds allowed the fabrication of LEDs with quantum wells (QWs) as active region. The LED emission wavelength was tuned at 355 and 400 nm by changing the QWs composition and thickness. To fabricate nano-LED arrays in the near future, the growth and properties of (0001) (Al)GaN nanocolumns (NCs) were studied. The optimization of the self-assembled PA-MBE growth of (Al)GaN NCs on Si(111) substrates enabled the subsequent growth of GaN quantum disks (QDisks) embedded in AlGaN NCs. The properties of these low dimensional systems were studied by PL as a function of QDisk thickness and the NC Al content. Finally, a theoretical model is proposed to explain the self-assembled growth of III-N NCs on Si(111).