GINEAF. Tesis

Estudio de la influencia de las trampas en el comportamiento DC y AC de nanodiodos de GaN a temperaturas criogénicas y su aplicación como detectores de microondas

2023-10-28T00:00:24Z

Las aplicaciones que surgen de la radiación electromagnética en el rango de ondas milimétricas y submilimétricas (llegando a los THz) tienen un enorme potencial en infinidad de campos relacionados con las tecnologías de la información y las comunicaciones, control industrial, diagnóstico médico, escáneres de seguridad, etc. De ahí la creciente necesidad de encontrar dispositivos capaces de operar a frecuencia elevada. Con el fin de mejorar las prestaciones de las tecnologías tradicionales (fundamentalmente basadas en diodos Schottky de GaAs), tales como la frecuencia de operación o las capacidades de manejar altas potencias, se busca desarrollar nuevos dispositivos semiconductores con arquitecturas diferentes. En este trabajo, se realiza un análisis experimental exhaustivo en función de la temperatura T (10-300 K), tanto en régimen DC como AC, así como de la detección de potencia en RF, de una de estas posibles opciones novedosas: el diodo autoconmutante o Self-Switching Diode (SSD) basado en una heteroestructura de AlGaN/GaN. Para analizar el importante impacto de las trampas que típicamente aparecen en la no completamente madura tecnología de GaN (ya sean en volumen o en superficie), se realizarán experimentos que van desde la medida básica de las curvas DC o el análisis de la impedancia, hasta algunas más complejas como es la extracción del circuito equivalente de pequeña señal, o el cálculo de las figuras de mérito que caracterizan la detección (responsividad y potencia equivalente de ruido) hasta una frecuencia de 43.5 GHz. Los resultados experimentales se complementan, por un lado, con el desarrollo de un modelo analítico cuasi-estático (QS) que predice las prestaciones de detección a partir de las curvas I-V y, por otro, con simulaciones numéricas usando un simulador Monte Carlo (MC) para explicar la física que hay detrás del mecanismo de detección y analizar el papel de las trampas en el funcionamiento del SSDs.

Simulación, fabricación y caracterización de diodos de barrera Schottky de nitruro de galio para aplicaciones en el rango de sub-terahercios

2025-09-02T11:21:32Z

[ES]En esta tesis se aborda el estudio de diodos de barrera Schottky (SBDs) de nitruro de galio (GaN) y arseniuro de galio (GaAs), tanto en el régimen DC como en AC, desde el punto de vista experimental y de simulaciones. La no linealidad de la característica capacidad-voltaje de estos diodos permite su operación como multiplicadores de frecuencia. Por otro lado, la no linealidad de la curva corriente-voltaje es clave para su uso como mezcladores y detectores. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos que deben ser abordados para el progreso de los dispositivos electrónicos que se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo de Nanodispositivos Electrónicos de Alta Frecuencia de la Universidad de Salamanca. El simulador dispone de dos modelos de carga superficial: (i) modelo de carga constante (CCM) y (ii) modelo de carga autoconsistente (SCCM), que se basa en la actualización de la carga de superficie en función de la concentración de portadores en las proximidades. Los resultados obtenidos demuestran que el SCCM proporciona resultados más realistas, siendo la ventaja del CCM el tiempo de cálculo más reducido. Se ha realizado un análisis de la capacidad asociada a los efectos bidimensionales o de borde para distintos diodos de GaAs y GaN, a través de simulaciones. El modelo MC permite calcular la carga en el interior del dispositivo, proporcionando así la capacidad ideal asociada al vaciamiento y la debida a los efectos de borde para distintos puntos de polarización. Se ha estudiado la influencia del dopaje, la pasivación o parámetros geométricos en la capacidad asociada a los efectos de borde. El objetivo de dicho estudio es optimizar el diodo Schottky, reduciendo la capacidad al máximo para su funcionamiento como multiplicador, y obtener expresiones analíticas que puedan ser utilizadas en simuladores circuitales y así predecir de forma más precisa las prestaciones de los multiplicadores de frecuencia y otros circuitos basados en SBDs. Las simulaciones muestran la disminución de los efectos de borde al reducir la extensión lateral de la epilayer, llegando incluso a suprimirse cuando se alinean la epilayer y el contacto. La comparación entre medidas estáticas de corriente-voltaje realizadas en temperatura y un modelo desarrollado para estimar la corriente ideal en el diodo ha permitido estudiar los mecanismos de corriente de pérdidas adicionales en inversa. Para dicho modelo, se deben utilizar una serie de parámetros característicos del diodo Schottky, como son: el dopaje, la altura de la barrera o la resistencia serie. Estos parámetros se obtienen del ajuste de las curvas experimentales en directa, teniendo en cuenta el efecto de la carga imagen. La corriente ideal considera dos contribuciones: la emisión termoiónica y la corriente túnel (generada por electrones que pasan desde el metal al semiconductor). Las medidas muestran un comportamiento ideal para las temperaturas más altas, hecho que muestra la validez del modelo. El resto de temperaturas han revelado la existencia de contribuciones adicionales de corriente generadas por la presencia de trampas, y que se producen por dos mecanismos diferentes: emisión de Poole-Frenkel y túnel asistido por trampas. El voltaje de ruptura de los diodos Schottky es clave en su uso como multiplicadores, por lo que se han realizado simulaciones para tratar de entender y optimizar la ruptura del diodo. En primer lugar se han realizado simulaciones unidimensionales, mostrando la necesidad de considerar de manera adecuada la inyección túnel, la ionización por impacto y el transporte de electrones y huecos, siendo importante la autoconsistencia entre la concentración de portadores y el perfil de la barrera para determinar la inyección túnel. Sin embargo, en dispositivos reales los efectos bidimensionales son importantes y deben considerarse especialmente en inversa cuando el valor del campo eléctrico es más elevado en el borde del contacto, lo cual produce un aumento de la inyección túnel en esta zona. Por ello, se han llevado a cabo simulaciones bidimensionales. Los altos campos eléctricos hacen que aumente la inyección túnel, y esos electrones, al provocar ionizaciones por impacto, pueden producir la ruptura del diodo. Se han simulado diodos con diferentes dopajes, espesores de la epilayer y dieléctricos de pasivación, observándose que todos ellos afectan, en mayor o menor medida, a la corriente de pérdidas y al voltaje de ruptura. Se ha comprobado que la pasivación del diodo mejora el valor del voltaje de ruptura. Se han obtenido los elementos discretos necesarios para representar mediante un circuito equivalente el comportamiento AC de los SBDs, obteniéndose un excelente acuerdo con los parámetros S medidos para diferentes diodos. La extracción de los elementos del circuito, incluyendo los parásitos, nos permite analizar su dependencia con parámetros geométricos y tecnológicos. Además los diodos Schottky pueden ser usados como detectores, por lo que se analizan los valores de la responsividad obtenidos experimentalmente. Los diodos medidos muestran buenas prestaciones como detectores cuando se polarizan, obteniéndose un valor constante de la responsividad hasta una frecuencia de corte de 20 GHz para el diodo de GaN, mientras que para el diodo de GaAs se determinó una frecuencia de corte de 25 GHz. Para bajas frecuencias, la responsividad obtenida a partir de las medidas y la calculada con un modelo cuasiestático, cuya responsividad está directamente relacionada con la resistencia y la curvatura de la característica corriente-voltaje, prácticamente coinciden.

High-frequency response and thermal effects in GaN diodes and transistors: modeling and experimental characterization

2023-06-13T13:29:54Z

[ES] Se han analizado diodos autoconmutantes (SSDs) y transitores de alta movilidad de electrones (HEMTs) de GaN, tanto en el régimen DC como en AC, tanto desde el punto de vista experimental como de simulaciones. Las no linealidades presentes en las curvas corriente-voltaje permiten su operación como detectores de microondas a polarización nula. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos relacionados con defectos, trampas y calentamiento que deben ser investigados para perfeccionar la electrónica de potencia en el futuro. Medidas pulsadas y de transitorios de corriente realizadas sobre el SSD han revelado la influencia de trampas volúmicas y superficiales, observándose anomalías en las características DC e impedancia AC. Los efectos superficiales son relevantes en canales estrechos puesto que la relación superficie-volumen del dispositivo aumenta, mientras que en los dispositivos más anchos prevalece la influencia de las trampas de tipo volúmico. Las medidas muestran un incremento anómalo de la detección a bajas temperaturas, mientras que a altas frecuencias el voltaje detectado muestra una caída que atribuimos a la presencia de trampas de tipo superficial y volúmico. Se ha observado una fuerte dispersión a baja frecuencia tanto de la transconductanciacomo de la conductancia de salida en HEMTs de AlGaN/AlN/GaN en el rango de microondas, que atribuimos a la presencia de trampas y defectos tanto en el volumen de canal de GaN como en los contactos de fuente y drenador. Estos efectos han sido modelados mediante un circuito equivalente (SSEC) modificado, obteniéndose un acuerdo excelente con los parámetros S medidos. La geometría del dispositivo afecta a los valores de los elementos del circuito equivalente y con ello a las frecuencias de corte, siendo la longitud de puerta el parámetro más influyente. Para LG = 75 nm, ft y fmax son 72 y 89 GHz, respectivamente, en los HEMTs estudiados. En los SSDs caracterizados, se ha observado una potencia equivalente del ruido (NEP) de 100 - 500 pW/Hz1=2 y una responsividad de decenas de V/W con una fuente de 50 ohmios. Se ha demostrado una frecuencia de corte de unos 200 GHz junto a una respuesta cuadrática hasta 20 dBm de potencia de entrada. A bajas frecuencias, las medidas RF muestran una responsividad que reproduce bien los cálculos realizados mediante un modelo cuasiestático (QS) basado en la pendiente y la curvatura de las curvas corriente-voltaje. Polarizar los dispositivos aumenta el voltaje detectado a costa del consumo de potencia y la aparición de ruido 1/f. El modelo QS predice que la reducción de la anchura del canal mejora la responsividad, hecho que ha sido confirmado experimentalmente. El aumento del número de diodos en paralelo reduce la impedancia; cuando coincide con el triple de la impedancia de la linea de transmisión o la antena, la NEP alcanza su valor mínimo. Los diodos con puerta (G-SSDs) muestran, en espacio libre a 300 GHz, una responsividad en torno a 600 V/W y una NEP en torno a 50 pW/Hz1=2 cerca del voltaje umbral. De nuevo, se obtiene un buen acuerdo entre los resultados del modelo QS, las medidas a 900 MHz y las medidas en espacio libre a 300 GHz, todo ello por encima de la zona subumbral. La NEP mejora al aumentar el número de canales en paralelo. Se han comparado los resultados de la detección inyectando la señal por el drenador (DCS) y la puerta (GCS) de los HEMTs hasta 40 GHz. Para DCS, se han obtenido una responsividad en torno a 400 V/W y una NEP de 30 pW/Hz1/2, en un HEMT con LG = 150 nm a temperatura ambiente bajo condiciones de polarización nula y puerta polarizada cerca del umbral. Por otro lado, la responsividad se incrementa en GCS hasta 1.4 kV/W, con la desventaja de polarizar con una corriente de drenador de ID = 1.2 mA. Ambas configuraciones muestran una frecuencia de corte, con -3 dB de caída, en torno a 40 GHz. Resulta interesante que en GCS y a unafrecuencia suficientemente alta para cortocircuitar la rama puerta-drenador con la de la no linealidad, se consigue detectar una responsividad no nula. El estudio del autocalentamiento se vuelve relevante cuando los dispositivos trabajan en condiciones de alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo y acoplada con dos modelos térmicos: (i) modelo de resistencia térmica (TRM) y (ii) un modelo electrotérmico avanzado y que se basa en la resolución autoconsistente de la ecuación del calor independiente del tiempo. A temperatura ambiente la herramienta MC se calibró comparando con resultados experimentales de TLMs (transfer length measurement ), lográndose reproducir la densidad super cial de portadores y la movilidad. Incluyendo la resistencia de contactos, la barrera Schottky y la barrera térmica, nuestros resultados se han validado con medidas experimentales de un HEMT de dimensiones LDS = 1.5 micras y LG = 150 nm, encontrándose un acuerdo razonable. El TRM da unos resultados similares al ETM con valores de la resistencia térmica (RTH) bien calibradas. La principal ventaja del ETM es la posibilidad de obtener mapas de temperatura dentro del canal e identificar la localización de los puntos calientes. También se discute el impacto de la polarización en el SSEC y las discrepancias entre los modelos ETM y TRM. Se utilizan medidas pulsadas hasta 500 K para estimar la temperatura del canal y el valor de la RTH. Para T < 250 K, la responsividad en DCS decrece abruptamente en la región subumbral tras alcanzar un máximo, mientras que permanece constante a temperaturas T > 250 K.

Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THZ bands

2025-06-05T12:36:20Z

[ES]La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopía molecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastre-difusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto para multiplicadores como mezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz.; [EN]The terahertz region of the electromagnetic spectrum (100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, high maintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz.

Monte Carlo analysis of Gunn Oscillations and thermal effects in GaN-Based devices

2025-09-02T11:59:24Z

[EN]In recent years, the development of GaN technology has made significant inroads into high-power and high-frequency applications with respect to other semiconductor competitors such as GaAs or InP. In this dissertation, by means of an in-house Monte Carlo tool, we study the possibility of generating Gunn oscillations through vertical n+nn+ (without notch) and n+n-nn+ (notched) diodes based on InP and GaN with different lengths of the active region and two doping profiles. In general, when the notch accomplishes its role of fixing the onset of charge accumulation near the cathode, the oscillations are of lower frequency and power. For InP-based diodes, the fundamental frequency reaches 140 GHz (notched, L=1.2 μm) and 400 GHz (without notch, L=0.75 μm). For the GaN-based diode with an active length L=1.5 μm, despite the fact that the fundamental harmonic is around 100 GHz, the power spectral density for the 10th harmonic ( 1 THz) is still significant. InP diodes with L=0.9 μm offer an efficiency (η) of up to 5.5 % for frequencies around 225 GHz. The generation bands in GaN diodes appear at higher frequencies (up to 675 GHz with η=0.1 %) than in InP. When circuits work at high powers, thermal models become essential to determine temperature limits with a view to preventing device failure, thus reducing manufacturing costs. In order to include thermal effects in our Monte Carlo code, two techniques have been implemented: (i) a thermal resistance method (TRM), and (ii) an advanced electrothermal model that solves the steady-state heat diffusion equation, called HDEM. We calibrate/validate our simulator by comparison with experimental measurements of an AlGaN/GaN diode. For the TRM, several thermal resistance values are employed, and for the HDEM different substrates (polycrystalline diamond, diamond, carbide silicon, silicon and sapphire), thicknesses and die lengths are tested. In addition, we include the effect of thermal boundary resistance. Using temperature-independent thermal conductivity in the HDEM allows us to extract an equivalent thermal resistance, Rth, for each geometry and substrate material. The extracted Rth values are constant with the dissipated power, Pdiss. However, when a more real temperature-dependent thermal conductivity is employed, Rth exhibits a strong dependence on Pdiss. As final test device, we analyse for an HEMT, the effect of (i) the heat-sink temperature and (ii) gate-length, through electrothermal simulations.