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Título
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
Autor(es)
Director(es)
Materia
Tesis y disertaciones académicas
Universidad de Salamanca (España)
Tesis Doctoral
Academic dissertations
Radiofrecuencias
Diodos
Clasificación UNESCO
2212.13 Radiación (Electromagnética)
Fecha de publicación
2023
Resumen
[ES]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 heterostrutura AlGaN/GaN. Para analizar el importante impacto de las trampas que típicamente aparecen en la no completamente
madura tecnología de GaN (ya sean en el bulk 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. La capacidad de detección de un dispositivo está marcada por el grado de no linealidad de las curvas I-V, que en el caso de los SSD es significativa para polarización nula. Además, su geometría planar permite gran flexibilidad en el diseño para reducir las capacidades parásitas y obtener valores competitivos de responsividad hasta frecuencias bastante elevadas. Inicialmente se ha realizado el estudio de los dispositivos a temperatura ambiente. El modelo QS basado en las curvas DC predice valores de responsividad de algunas decenas de V/W y potencias equivalentes de ruido de pocos nW/Hz1/2. Además, estas prestaciones mejoran al reducir la anchura del canal del diodo. Mientras que β QS V,50 apenas varía con la longitud L o el número de diodos en paralelo N, la NEP es proporcional a L y mejora al aumentar N (es proporcional a 1/N). Las medidas de detección en RF confirman las predicciones del modelo QS y muestran un resultado bastante independiente de la frecuencia al menos hasta el valor límite del equipo de medida de 43.5 GHz. Se ha obtenido también el circuito equivalente de pequeña señal (SSEC) de los SSDs, que además de la rama R ∥ C intrínseca, necesita de nuevos elementos (asociados al comportamiento de las trampas) para reproducir las medidas de impedancia y de parámetros S. Estos nuevos elementos son una autoinducción que asociamos a las cargas de superficie (típicas de un dispositivo con una alta relación superficie-volumen) y una rama extra RC en serie que atribuimos a las trampas del bulk. Con este SSEC somos capaces de determinar una frecuencia intrínseca de funcionamiento para los SSDs de más de 1 THz, lo que confirma las excelentes propiedades de estos dispositivos, pero que se ve reducida hasta
centenas de GHz por las capacidades crosstalk, por lo que es necesario optimizar el diseño
de los dispositivos si se quiere mejorar su comportamiento de alta frecuencia. Finalmente, analizamos la capacidad de los SSDs para operar como memorias y fotodetectores. Las curvas DC presentan un acusado ciclo de histéresis por debajo de 200 K que permite identificar dos estados de corriente bien diferenciados para un mismo valor de polarización de lectura. Se ha demostrado que aplicando valores suficientemente positivos/negativos de voltaje (pulsos de escritura) es posible conmutar entre los estados de llenado o vaciado de los estados de superficie, modulando de esta forma la conductividad del nanocanal. Por medio del análisis de los transitorios de corriente se extraen unos tiempos de evolución muy lentos (del orden de decenas o centenas de segundos), demostrando así la capacidad de retención como memoria a 70 K de aproximadamente 2 h. En cuanto a la capacidad de operar como fotodetector se ha obtenido una responsividad óptica máxima de 0.12 A/W, con interesantes dependencias con el voltaje, asociadas a la carga o descarga de los estados que se añade a la liberación de los electrones provocada por el efecto de la radiación luminosa.
[EN]The applications arising from electromagnetic radiation in the millimetre and submillimetre wave range (up to THz) have enormous potential for multitude of fields related to information and communication technology, medical diagnostics, industrial control, security scanners, etc. Hence the growing need to find devices with high frequency operation capabilities. In order to improve the performance of traditional technologies (mainly
GaAs-based Schottky diodes), such as operating frequency or high power capabilities, new semiconductor devices with different architectures are being developed. In this work, an in-depth experimental analysis is carried out as a function of temperature T (10- 300 K), both in DC and AC regime, as well as RF power detection, in one of these novel structures: the Self-Switching Diode (SSD) based on an AlGaN/GaN heterostruture. To analyse the important impact of the traps that typically appear in the not fully mature GaN technology (either in the bulk or on the surface), experiments are carried out from basic measurement of the DC curves or impedance analysis, to more complex ones such as the extraction of the small-signal equivalent circuit, or the calculation of the figures of merit characterising the detection (responsivity and noise equivalent power) up to a frequency of 43.5 GHz. The experimental results are complemented, by the development of
an analytical quasi-statistical (QS) model that predicts the detection performance from the I-V curves and, by numerical simulations using a Monte Carlo (MC) simulator to explain the physics behind the detection mechanism and to analyse the role of traps in the operation of SSDs. The detection capability of a device is determined by the non-linearity of its I-V curves, which is significant at zero bias in the case of SSDs. In addition, their planar geometry allows great flexibility in design to reduce parasitic capacitances and obtain
competitive responsivity values up to quite high frequencies. Initially, the devices have been analysed at room temperature. The QS model based on the DC curves predicts responsivity values of several tens of V/W and noise equivalent powers (NEPQS 50) of only a few nW/Hz1/2. Moreover, these performances are
improved by reducing the diode channel width. While β QS V,50 hardly changes with the length L or the number of parallel diodes N, the NEP is proportional to L and improves as N increases (it is proportional to 1/N). RF detection measurements (β RF V) confirm the QS model predictions and show a fairly frequency-independent result at least up to 43.5 GHz (limit of the measurement equipment). The small-signal equivalent circuit (SSEC) of the SSDs has also been obtained, which apart from the intrinsic R || C branch, needs new elements (associated to the traps behaviour) to reproduce the impedance and S-parameter measurements. These new elements are an inductor associated to the surface charges (typical of a device with a high surface-to-volume ratio) and an extra serial RC branch attributed to the bulk traps. Using this SSEC, we are able to determine an SSDs intrinsic operating frequency of more than 1 THz, confirming their excellent properties, but the crosstalk capabilities reduce this frequency to hundreds of GHz, making it necessary to optimise the design of the
devices in order to improve their high-frequency performance. Finally, we analyse the SSD capacity to operate as memories and photodetectors. The DC curves of the SSDs exhibit a marked hysteresis cycle below 200 K, thus allowing to identify two well-differentiated currrent states for a given read bias. By applying enough positive/negative voltages (write pulses), it is possible to switch between the filled and empty states of the surface traps, and thus modulate the conductivity of the nanochannel. The analysis of current transients reveals very slow evolution times (of the order of tens or hundreds of seconds), thus demonstrating a memory retention time at 70 K of approximately 2 h. Regarding the photodetector capabilities, a maximum optical responsivity of 0.12 A/W has been obtained with the SSD with W=80 nm, with interesting dependencies on voltage, associated with the voltage induced charge/discharge of the surface states which is added to the light induced electron release.
URI
DOI
10.14201/gredos.153159
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