Análisis de efectos de carga superficial en nanodispositivos semiconductores modelizados mediante simulaciones Monte Carlo

Abstract

En los últimos años se han fabricado nuevos dispositivos nanométricos con geometrías ingeniosas basados en heteroestructuras AlInAs/InGaAs de alta movilidad, en donde los electrones se mueven balísticamente guiados por formas, fronteras u obstáculos. En esta línea encontramos las uniones de tres terminales en forma de T y de Y (TBJs y YBJs) y el diodo unipolar rectificador, denominado diodo autocunmutante (SSD). Estos dispositivos balísticos semiconductores capaces de funcionar a temperatura ambiente y a altas frecuencias, con poco consumo y bajo ruido, son la referencia de las Telecomunicaciones (analógicas/digitales) a THz en un futuro inmediato.Para el modelado físico de los nanodispositivos usamos un simulador Monte Carlo bidimensional que contiene todos los componentes necesarios (mecanismos de scattering, presencia de dieléctricos y carga superficial, y geometrías arbitrarias ). Al reducir el tamaño de los dispositivos, la relación superficie/volumen aumenta, por ello los efectos superficiales son decisivos en el comportamiento del dispositivo. El tema principal de estudio de este trabajo ha sido analizar el papel y la influencia de la carga superficial en las características de salida. Hemos propuesto un nuevo modelo en el que el valor de la carga superficial se adapta auto?consistentemente con la dinámica de los portadores en las proximidades de la superficie.Se ha estudiado la dependencia con la anchura de la rama vertical de la forma parabólica del voltaje del fondo de la rama central de TBJs. También analizamos la influencia del tamaño de la rama horizontal. Se han presentado algunos resultados de respuesta en frecuencia (rectificación, dobladores de frecuencia, detección de fase). Hemos utilizado nuestro modelo para explicar la física de la rectificación en un SSD analizando y discutiendo la dependencia con la topología tanto de la respuesta ac como del espectro del ruido, para proporcionar indicaciones de diseño y así mejorar sus prestaciones como detector de señales.

In recent years new nanometer sized electronic devices based on high electron mobility AlInAs/InGaAs heterostructures with ingenious geometries, in which electrons fly ballistically guided by shapes, edges or inner obstacles have been proposed. In this line of research we find devices like T and Y shaped three branch junctions (TBJs and YBJs) and a nanoscale unipolar rectifying diode, so called self switching diode (SSD). These semiconductor ballistic devices able to work at room temperature and at high frequencies, with low power consumption and low noise, will be the reference of the THz Telecommunications (analogue/digital) in a medium term future.A 2D Monte Carlo simulator, containing all the necessary ingredients (accurate scattering models, presence of dielectrics and surface charges, and arbitrary geometries) has been used to physically model the nanodevices. As the size of electronic devices is reduced, the surface/volume ratio increases, so surface effects become decisive in the device behaviour. The role and the influence of this surface charge on the output characteristics is the main topic under study throughout our work. We report on a new model in which the local value of the surface charge is updated self consistently with the carrier dynamics near the interface during the simulation.The dependence of the well known parabolic behaviour of the output voltage measured at the bottom of the central branch of TBJs on the width of the vertical branch has been studied. We also study the influence of the size of the horizontal branch. Some results concerning the frequency response (rectifiers, frequency doublers, phase detectors) are also discussed. We successfully apply our model to explain the physics of the SSD rectifying behaviour to analyze and discuss the ac and noise spectra dependence on the topology of the devices, providing design indications to improve their performance as signal detectors.