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Centro Nacional de Microelectrónica Instituto de Microelectrónica de Madrid |
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Centro Nacional de Microelectrónica Instituto de Microelectrónica de Madrid |
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Departamento de Fabricación y Caracterización de Nanoestructuras
1.-
Nanoestructuras semiconductoras
2.- Nanoestructuras magnéticas
3.- Nanofabricación y microscopías de fuerzas y túnel (AFM, STM)
Departamento de Dispositivos, Sensores y Biosensores
4.- Tecnologías de procesos y litografía electrónica
5.- Dispositivos
optoelectrónicos
6.- Sensores
ópticos
7.- Biosensores
8.- Microscopía electrónica analítica (Rayos X, PEELS)
Descripción de las líneas de trabajo
1) Nanoestructuras semiconductoras
Esta línea de investigación incluye una continua
actualización de las tecnologías necesarias para fabricar
estructuras artificiales semiconductoras con dimensiones del orden del
nanómetro, como para que aparezcan efectos de confinamiento cuántico
en sus propiedades electrónicas y ópticas. Estas
nanoestructuras
o estructuras de baja dimensionalidad en semiconductores (pozos cuánticos,
superredes, hilos y puntos cuánticos) son la base de dispositivos
electrónicos avanzados (diodos túnel, transistores HEMT, etc..)
y optoelectrónicos (moduladores y conmutadores ópticos, diodos
láser, detectores de IR) cuyas aplicaciones y, por tanto, mercados
son cada vez más amplios. En el IMM se dispone de la tecnología
más avanzada para la fabricación de nanoestructuras:
la epitaxia de haces moleculares (MBE) de materiales III-V (GaAs, InP, InSb,
GaInP, GaSb, etc..).
A lo largo de los últimos diez años en el IMM se ha desarrollado
esta técnica (diseñando e incluso construyendo los reactores
de epitaxia) hasta alcanzar reconocimiento internacional por las variantes
y mejoras introducidas (ALMBE: epitaxia de haces moleculares de capas
atómicas) y transferir tecnología y patentes a multinacionales
del sector. Estos desarrollos están soportados por la investigación
básica sobre cinética de crecimiento, control in-situ
con espectroscopías ópticas (RDS), RHEED,
medida de tensión
acumulada, dispersión de luz, epitaxia a bajas
temperaturas, incorporación de impurezas,
crecimiento de sistemas con desajuste del parámetro de red , distribución y
propagación de dislocaciones, segregación superficial y crecimiento
autoorganizado.
En cuanto a nuevos objetivos puramente tecnológicos, relacionados con esta línea, está previsto abordar la integración monolítica de dispositivos optoelectrónicos sobre GaAs y Silicio (CMOS) la optimización de estructuras epitaxiales y uniones túnel en el sistema GaInP para células fotovoltáicas "tandem" de gran rendimiento y la modelización y fabricación de diodos láser con estructuras de baja dimensionalidad incorporadas en la zona activa .
Nuestro interés es el estudio de las propiedades ópticas y vibracionales de sistemas de baja dimensionalidad, tales como pozos cuánticos o cajas cuánticas. Una línea de investigación es el análisis de la estructura electrónica y vibracional de las nanoestruturas de materiales de parámetro de red diferente; otra es el estudio de las inclusiones nanométricas (cajas cuánticas) de un material en otro, en particular nos interesa la influencia que tiene el tipo de matriz y la geometría de la inclusión en las propiedades ópticas y vibracionales de la caja cuántica. Para realizar estos estudios se emplean diferentes técnicas experimentales tales como las reflectancias de modulación, la elipsometría espectral, la espectroscopía Raman o la fotoluminiscencia. Las reflectancias de modulación también se están aplicando al estudio de las propiedades ópticas de superficies de semiconductores III-V.
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Esta línea de investigación se ocupa de la fabricación, estudio y potenciales aplicaciones de nuevos sistemas magnéticos de reducida dimensionalidad. Se presta especial atención a la influencia que cambios en la estructura a nivel atómico y dimensiones a escala nanométrica de dichos sistemas tenga en propiedades tales como efectos magneto-ópticos, anisotropía magnética, efectos magnetorresistivos o de acoplamiento magnético. De interés es el estudio de aleaciones (de metales de transición y eventualmente tierras raras) magnéticas binarias y ternarias (por ejemplo tipo Heusler) en forma de película delgada o con estructuración a escala nanométrica, ya sea durante el crecimiento (fabricación de tricapas, superredes o favoreciendo la aparición de islas o hilos) o con posterioridad (recocidos o mediante litografía). Para la fabricación de dichas estructuras se cuenta con un sistema de deposición por pulverización catódica UHV de diseño propio que dispone además de la posibilidad de realizar caracterización estructural in situ mediante RHEED.
Especial interés se presta también al estudio de la epitaxia de diferentes precapas , no sólo sobre los substratos aislantes típicamente utilizados (MgO o zafiro), sino sobre substratos semiconductores (como Si y GaAs), con importante relevancia tecnológica en el campo de la microelectrónica, utilizando nuevas técnicas de epitaxias y finalmente la integración monolítica de nanoestructuras magnéticas monocristalinas en dispositivos microelectrónicos mediante epitaxia por pulverización catódica.
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3) Métodos de Microscopías de fuerzas y de túnel (STM/AFM)
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y túnel
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4) Tecnología de procesamiento de materiales microelectrónicos
Esta línea de trabajo presta apoyo a las demás líneas
de investigación del Instituto, innovando o desarrollando las
técnicas de procesamiento requeridas por ellas.
Como ejemplos recientes se puede citar la innovación de una
técnica de ataque selectivo de capas de óxido de silicio en
vapores de FH/H2O, controlable mediante la diferencia de temperatura entre
las capas y la fuente de vapor, que fué necesaria para la
fabricación de un sensor óptico de metano mediante la
tecnología de micromecanizado superficial. El desarrollo de nuevas
químicas de gases adaptables a plasmas ECR-RIBE, para conseguir ataques
de semiconductores compuestos sin introducir dañado residual óptico,
electrónico y topográfico, necesarios para la fabricación
de fotodetectores de infrarrojo GaInSb/AlInSb y uniones túnel de InP.
El desarrollo de deposición de láminas muy delgadas de nitruro
de silicio a baja temperatura necesario para la fabricación de nuevos
soportes para la obtención de imágenes filtradas de materal
biológico. Asímismo se han desarrollo técnicas de
deposición por ablación con láser pulsado de materiales
ferroeléctricos y biomateriales cerámicos.
El foco de trabajo futuro de esta línea lo constituye el desarrollo
de la técnica de microlitografía por haz de electrones,
inicialmente como una herramienta útil de fabricación de
estructuras y dispositivos de dimensiones submicrónicas.
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5) Dispositivos optoelectrónicos:
En esta línea de investigación se desarrollan distintas disciplinas, todas ellas necesarias para la fabricación de estos dispositivos. Los objetivos que abordamos se basan en el diseño de estructuras novedosas con el fin de conseguir longitudes de onda específicas. Dichas estructuras se obtienen mediante el crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE). Procesos tecnológicos posteriores que incluyen técnicas de fotolitografía, ataques y metalizaciones son necesarios para definir contactos eléctricos y dimensiones de los dispositivos. Los láseres fabricados en nuestros laboratorios nos permiten estudiar sus propiedades físicas más importantes con el propósito de examinar los mecanismos más importantes que determinan su funcionamiento, así como sus posibles aplicaciones.
A lo largo de estos años hemos fabricado láseres que emiten en longitudes de onda que van desde los 850 nm (sistemas GaAs/AlGaAs) hasta los 1550 nm (sistemas InP/GaInAsP/GaInAs) con estructuras de pozo cuántico y superredes. En la actualidad estamos desarrollando dos tipos de láseres:
A) Láseres libres de aluminio, incorporando GaInP, en sustitución del AlGaAs, en estructuras convencionales. Grandes ventajas ofrecen estas estructuras, como son el bajo dañado de los espejos, baja resistencia térmica y eléctrica y la posibilidad de realizar recrecimientos más fáciles entre otras.
B) Láseres que incorporan estructuras de baja dimensionalidad en la zona activa (puntos e hilos cuánticos), que nos permiten estudiar nuevos efectos físicos relacionados con las estructuras altamente tensionadas y el confinamiento.
C) Diseño y fabricación de dispositivos optoelectrónicos con bandgap fotónico
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Esta línea de trabajo permite la aplicación de los dispositivos generados en el Instituto en el desarrollo de diferentes sensores para la detección de características físicas, sustancias químicas o biológicas. En los últimos años se han desarrollado sensores de radiación infrarroja a partir de diodos PIN en pozos cuánticos de GaInSb/AlInSb. Dentro de la detección de sustancias químicas se han desarrollado sistemas para la detección de gases (H2 y NH3 principalmente, pero extensible a otros gases) y urea, basados en diodos Schottky de metal catalítico sobre GaAs epitaxiado. También se ha diseñado y fabricado un sistema micromecanizado de bajo coste para la modulación espectral en el infrarrojo que se utiliza para la detección de metano y otros hidrocarburos. Este mismo sistema puede ser modificado para la detección de CO2. Asimismo se ha desarrollado un oxímetro de pulso, utilizando diodos láser fabricados en el Instituto con emisión en el infrarrojo, que permita una mayor fiabilidad del dispositivo final y una mayor selectividad frente a los derivados no oxigenados de la hemoglobina. Este sensor se ha utilizado para la realización de un estudio durante pruebas de esfuerzo máxima en deportistas. En la actualidad estamos trabajando en el desarrollo de un cabezal de lectura basado en diodos láser.
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Esta línea de investigación se centra en el desarrollo de dispositivos biosensores
a escala macro, micro y nanométrica. Dentro de este contexto general se pueden
enumerar distintas actividades que se llevan a cabo, como diseño y modelización
teórica de las estructuras biosensoras, tecnología de fabricación, inmovilización
a escala nanométrica de biomoléculas y su caracterización por AFM, montaje
experimental de medida, electrónica de control, sistema de adquisición y
tratamiento de datos que conducirán finalmente, al desarrollo de Prototipos
completos. Asimismo se llevan a cabo actividades complementarias como el diseño
y fabricación de sistemas de flujo, macro y micromecanizados, desarrollo de
sistemas de modulación de señal óptica, integración de componentes, etc
encaminadas a conseguir Microsistemas completos, que permitan su utilización
fuera del entorno del laboratorio. Actualmente se trabaja en tres prototipos
de biosensor: (i) un microsensor óptico integrado basado en Interferómetros
Mach-Zehnder con tecnología de Silicio (ii) un sensor de Resonancia de Plasmón
Superficial de Doble Canal (iii) un nanosensor basado en micropalancas de
Silicio que sirva de base para desarrollar micro/nano biochip de ADN.
Las aplicaciones de estos dispositivos se dirigen fundamentalmente al campo
medioambiental, genómica funcional, proteómica, control de procesos industriales
y análisis clínicos.
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8) Microscopía Electrónica Analítica
La Microscopía Electrónica Analítica permite obtener información cuantitativa, estructural y química, en micro y/o nano regiones bien definidas de muestras delgadas.
Para estudios a nivel microscópico el Instituto cuenta con un microscopio electrónico de barrido de alta resolución (SEM-FEG) equipado con detección númerica de imágenes de electrones secundarios y retrodispersados y con un sistema de microanálisis de rayos X que permite la realización de análisis puntuales y de cartografías químicas.
Los estudios a nivel nanoscópico necesitan la utilización de microscopios electrónicos de transmisión analíticos de alta resolución (AEM-FEG) equipados con espectrómetros de R-X (EDX) y de perdida de energía de los electrones transmitidos (EELS). El Instituto no dispone de este tipo de instrumentos por lo que utilizamos los microscopios del Servicio de Microscopía de la Universidad Complutense de Madrid o los de laboratorios extranjeros con los que colaboramos (CNRS Nantes, Marseille,...)
En el Instituto se realizan :
A) Estudios metodológicos encaminados a:
A1.- Optimizar las cartografías químicas elementales obtenidas por EELS a partir de series de imágenes filtradas en energía
A2. - Obtener secciones planares y transversales delgadas de nanoestructuras por métodos puramente mecánicos (ultramicrotomía y sistema TRIPODE). Los materiales adelgazados han sido : semiconductores III-V, recubrimientos duros de carbono/Cr, y metales magnéticos (FePd/ MgO, Fe/zafiro)
B) Estudios sobre :
B1. - La composición química elemental (carbono, nitrogeno, fósforo, azufre, calcio y hierro) de estructuras biologicas.
B2. - La presencia de moleculas de ferritina y hemosiderina en cerebros de pacientes con enfermedades neurodegenerativas como PSP y Alzheimer (AD).
B3. - El orden lateral inducido en super-redes de periodo corto Ga0.22In0.78As/Ga0.22In0.78P.
B4.- La nanoestructura de islas de hierro depositadas sobre zafiro.
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