Nanodispositivos de gan para generación de señales de thz. Simulación monte carlo y análisis experimental

Resumen

INTRODUCCIÓN Entre las distintas bandas de frecuencia del espectro electromagnético encontramos el denominado TeraHertz Gap, una región aún poco explotada debido sobre todo a la carencia de fuentes de señal suficientemente versátiles, pero de gran interés práctico por sus múltiples e interesantes aplicaciones en diversos campos del conocimiento como la astronomía, la biología o la química y en el ámbito de la seguridad, el control medioambiental, la espectroscopía o la diagnosis médica. Se trata del rango de frecuencias que se encuentra entre las típicamente estudiadas por la rama de la Óptica y las respectivas de la Electrónica. Entre los dispositivos ópticos candidatos a generar señales en la banda de los THz destacamos los láseres de cascada cuántica (QCL's), mientras que desde el lado electrónico son varias las posibilidades estudiadas, siendo la multiplicación en frecuencia de fuentes de señal en bandas inferiores la más utilizada. A pesar de estos intentos, aún falta bastante camino por recorrer, especialmente en términos de potencia generada. Es por este motivo que en este trabajo hemos apostado por la elección de un material con expectativas prometedoras, el nitruro de Galio (GaN). En primera instancia optamos por analizar el fenómeno de la resonancia de tiempo de tránsito por emisión de fonones ópticos polares (OPTTR) en diodos n+nn+ de GaN, puesto que el elevado valor de la energía del fonón óptico polar en dicho material posibilita la aparición de oscilaciones de amplitud significativa. A pesar del evidente interés de este fenómeno, el hecho del requerimiento de muy baja temperatura hizo que, a continuación, y motivado por la participación de nuestro grupo en el proyecto europeo ROOTHz, consideráramos desplegar mayores esfuerzos en el estudio de Self-Switching Diodes (SSDs) de GaN, nanodispositivos en cuyo canal es posible encontrar oscilaciones Gunn de muy alta frecuencia (gracias a la elevada velocidad de saturación del GaN), a temperatura ambiente y de potencia suficiente para múltiples aplicaciones. OBJETIVOS El objetivo general de este trabajo de Tesis Doctoral es el análisis numérico (mediante simulación Monte Carlo, MC) y experimental (fabricación y caracterización) de nanodispositivos basados en GaN capaces de generar señales en la banda de THz. En primer lugar, y por medio de simulaciones MC, se pretende analizar la posibilidad de obtener oscilaciones de muy alta frecuencia mediante la OPTTR en diodos n+nn+ de GaN. Se investigarán las condiciones en que tiene lugar este fenómeno así como la influencia de múltiples parámetros en la consecución de tales oscilaciones, su frecuencia, amplitud y pureza espectral. En segundo lugar, en el inmejorable escenario que brinda la participación en un proyecto europeo como es el ROOTHz, se estudiarán de forma intensiva los SSDs de GaN para la obtención de señales de THz a temperatura ambiente mediante oscilaciones Gunn. La colaboración con otros grupos experimentales, en este caso en particular el IEMN de Lille (Francia), hará posible que en este ámbito, además de simulaciones MC, dispongamos de fabricación y caracterización de los dispositivos estudiados, lo cual ha de permitirnos refinar los modelos y contribuir al diseño óptimo de los SSDs para trabajar como emisores de THz. METODOLOGÍA Y DISEÑO EXPERIMENTAL La principal herramienta empleada para el estudio que realizaremos en esta Tesis Doctoral es la simulación MC de dispositivos electrónicos, basada en un código íntegramente desarrollado por el Grupo de Investigación en Dispositivos Semiconductores de la Universidad de Salamanca. La primera tarea de este trabajo ha sido la adaptación de tal código para poder abordar el estudio de los dispositivos de GaN objeto de este proyecto. Pese a que el grueso de los resultados procederá de simulaciones MC, también hemos de señalar que fruto de la colaboración con el IEMN se presentará información relativa a la fabricación y caracterización de los SSDs, proceso este último en el que se hE participado de manera directa gracias a la realización de una estancia en este laboratorio durante 3 meses (del 20/09/2011 al 20/12/2011). De hecho, la realimentación entre simulación, fabricación y caracterización constituye un aspecto clave para la mejora de prestaciones de los dispositivos electrónicos en general, y en particular de los estudiados en este trabajo. PLAN DE TRABAJO La línea principal de esta Tesis consiste en el análisis de dos tipos de nanodispositivos de GaN para la obtención de señales de THz basada en principios físicos diferentes: OPTTR en estructuras n+nn+ y oscilaciones Gunn en SSDs.la Memoria se ha estructurado en cuatro capítulos. En el primero de los capítulos mostramos la herramienta de simulación empleada, un simulador MC. Se describirá tanto el método utilizado para caracterizar el material bajo estudio como el empleado para las simulaciones de dispositivos completos. Presentaremos las características más relevantes del GaN sobre todo en relación a la generación de señales de THz. Expondremos finalmente el proceso empleado para la obtención y tratamiento de algunos de los resultados de las simulaciones. Seguidamente, en el segundo capítulo, tras un breve resumen de la física de plasma en sólidos, se explican los fundamentos teóricos del fenómeno OPTTR. Se presentan algunos resultados previos de otros investigadores, aunque hay que indicar que se trata de un terreno poco explorado y la escasa bibliografía versa fundamentalmente sobre otros nitruros distintos al GaN. Mostraremos y analizaremos nuestros resultados obtenidos tanto con el simulador de partícula única como los correspondientes ya a diodos n+nn+ de GaN. En éste último caso se empieza con una estructura de partida sobre la cual realizaremos ciertas variaciones para estudiar su influencia en el fenómeno a estudiar, interesándonos concretamente en el efecto de la temperatura, el dopaje y la longitud de la zona activa del diodo. Con todo ello hacemos una propuesta del diseño más recomendable para optimizar el fenómeno. El tercer capítulo versa sobre los SSDs. Análogamente al capítulo anterior se comienza explicando el fenómeno físico implicado en este caso, el efecto Gunn. A continuación se presenta el dispositivo en cuestión, sus características más importantes y los pasos tecnológicos seguidos para su fabricación. Tras ello se pasa a presentar los resultados de simulación con los distintos modelos empleados. Ya que los procesos de simulación y fabricación han ido de la mano, de modo que uno se valía de los resultados del otro y viceversa, se irán mostrando los resultados de manera cronológica, tanto los conseguidos con nuestras simulaciones como las comparaciones con los experimentales, algunos de los cuales obtuve yo misma durante una estancia de investigación de tres meses en el IEMN en Lille (Francia). De esta manera se irán entendiendo los pasos seguidos en el diseño de los diferentes run de fabricación llevados a cabo. Si bien el propósito último del proyecto es conseguir un sistema de estado sólido compacto de emisión/detección de señales THz funcionando a temperatura ambiente, mi contribución, que se recoge en este capítulo, ha estado principalmente orientada hacia el estudio de la emisión. No obstante, para completar este trabajo, incluimos al final un apéndice explicando los principales resultados relativos a la detección. El capítulo cuarto expone el estudio realizado acerca de la relación entre el aumento del ruido en corriente a baja frecuencia y la aparición de las oscilaciones de THz en los dos fenómenos analizados en este trabajo. Y es que, debido a la dificultad existente a la hora de comprobar experimentalmente la presencia de oscilaciones en el rango de los THz e incluso sub-THz, la medida del ruido a baja frecuencia puede resultar una herramienta muy útil para detectar indirectamente su existencia, según predicen nuestras simulaciones MC. Acabamos esta Memoria con las principales conclusiones de nuestro trabajo CONCLUSIONES OPTTR en diodos n+nn+ de GaN Cuando la temperatura de operación T es suficientemente baja para que el mecanismo más probable de scattering con la red sea la emisión de fonones ópticos polares, la dinámica de los electrones en su transporte a través de la zona activa del diodo consta de vuelos libres, de longitud l0 , acelerados por el campo eléctrico, truncados por súbitas ralentizaciones en el momento de emitir el fonón. En su recorrido de cátodo a ánodo, los electrones emitirán un cierto número de fonones que dependerá del potencial aplicado para acelerarlos. La frecuencia característica de este fenómeno fE, inverso del tiempo de vuelo entre las emisiones de fonones, es proporcional a la polarización aplicada. El proceso cíclico de aceleraciones y paradas del conjunto de portadores da lugar a acumulaciones de carga en las zonas de frenado. De esta forma se tiene una región activa que presenta una sucesión de acumulaciones alternativas de carga positiva y negativa. La frecuencia natural de oscilación de tal densidad de carga es la frecuencia de plasma fp. Si la frecuencia fE es próxima a fp, las oscilaciones de plasma son potenciadas por el aporte cuasi-síncrono de electrones procedentes de las acumulaciones de carga, y ello da lugar a oscilaciones de corriente de muy alta frecuencia, próximas a , a través del dispositivo. Para que esto ocurra, es necesario además que el espaciado entre las acumulaciones de carga, l0 , sea mucho mayor que la longitud de Debye. A potenciales elevados, el perfil del campo eléctrico, además de presentar una forma ondulatoria asociada a las acumulaciones de carga, tiende hacia valores crecientes al acercarnos al ánodo. Esto provoca que los tiempos y longitudes de vuelo entre emisión de fonones sean distintos a lo largo de la estructura, destruyéndose así la coherencia del fenómeno e implicando, por tanto, la ausencia de oscilaciones en la corriente. Los espectros en frecuencia característicos del fenómeno, estimados mediante la densidad espectral de las fluctuaciones de corriente, muestran máximos bien definidos correspondientes a oscilaciones a frecuencias de sub-THz. Tales frecuencias caen siempre en un amplio rango en torno a la frecuencia de plasma de la región activa, y en la mayoría de los casos reproducen fielmente la estimación teórica. Para potenciales aplicados altos (cuando no hay oscilaciones), los perfiles instantáneos de las magnitudes microscópicas proporcionadas por el simulador apenas varían en el tiempo, mientras que para polarizaciones débiles se aprecian variaciones espaciales y temporales significativas asociadas a su continua adaptación a las oscilaciones de corriente. Al aumentar la temperatura por encima de 40 K desaparecen las oscilaciones de corriente, ya que aumenta la longitud de Debye y entran en juego otros mecanismos de scattering, de modo que la periodicidad espacial de los perfiles de carga se diluye considerablemente. Las estructuras con región activa más larga (en torno a algunos micras) resultan óptimas en cuanto a amplitud de las oscilaciones y rango de frecuencia cubierto por las mismas. Cuando aumenta el dopaje de la zona activa del diodo, se reduce la longitud de Debye y crece la frecuencia de plasma, por lo que se consiguen oscilaciones de corriente de mayor frecuencia y amplitud, y se logra superar la frontera del THz. Oscilaciones Gunn en SSDs basados en GaN Como otros materiales III-V, el GaN presenta, a partir de un campo umbral en torno a 200 kV/cm, una zona de movilidad incremental negativa. Su origen es la transferencia de electrones desde el valle ¿1 al valle U, el cual les confiere una mayor masa efectiva y, por tanto, los ralentiza, pudiendo formar acumulaciones de carga que se propagan por el material a la velocidad de saturación. Conocido como efecto Gunn, este fenómeno puede ser aprovechado para obtener oscilaciones en la corriente. El hecho de que el GaN presente valores muy elevados, por un lado, del campo umbral y del campo de ruptura y, por otro, de la velocidad de saturación, le convierte en un prometedor elemento constitutivo de dispositivos de potencia y alta frecuencia que exploten el efecto Gunn. La sencilla geometría de los diodos SSD, dispositivos de transporte planar donde unas zanjas aislantes en forma de L rompen la asimetría del canal, es favorable para la emisión de señales de THz por efecto Gunn a temperatura ambiente. La utilización inicial de un modelo de carga superficial constante ha permitido confirmar el principio de operación de estos diodos basados en GaN y analizar la dependencia de las oscilaciones Gunn con varios parámetros geométricos y físicos, encontrándose: En diodos con canales de 1 ¿m de longitud, a partir de unos 30 V aplicados aparecen oscilaciones en la corriente de frecuencias en torno a 300 GHz a temperatura ambiente. La frecuencia de oscilación escala esencialmente con el inverso de la longitud del canal. La longitud de la zona de acceso al ánodo apenas influye ni en el nivel de corriente ni en las oscilaciones que ésta presenta. Una menor anchura de las zanjas verticales proporciona oscilaciones de mayor amplitud y frecuencia. Aunque con menor amplitud y frecuencia, las oscilaciones persisten a una temperatura de 500 K. El aumento de la carga superficial asignada a las interfases reduce el nivel de corriente, ya que el vaciamiento inducido en el canal aumenta. La frecuencia y la amplitud de las oscilaciones disminuyen, llegando éstas incluso a desaparecer. Un mayor valor del dopaje de fondo ¿virtual¿ que trata de dar cuenta de las carga fijas de la heterounión y de la capa de la superficie, refuerza las oscilaciones Gunn. Las eficiencias de conversión de DC a AC presentaron varias bandas de generación, con un máximo entre 0.1% y 0.5%, a una frecuencia fundamental y también alrededor de una frecuencia doble. Pese a que estos valores no son muy elevados, como los diodos de GaN son capaces de soportar una gran potencia en DC, la potencia AC generada puede considerarse todavía dentro de los límites prácticos, sobre todo al tratarse de frecuencias tan altas. Las bandas de generación superiores corresponden a la existencia de más de un dominio de carga propagándose por el diodo. La fabricación de estos dispositivos ha significado un gran reto tecnológico por sus dimensiones tan reducidas y por ser la primera vez que se han basado en GaN. En el primer proceso de fabricación (Run 1) se incluyeron canales de 1 y 2 ¿m de longitud y de anchuras de 75 y 150 nm, con anchuras de recess entre 50 y 200 nm, todos ellos realizados con éxito. Asimismo, con el objetivo de aumentar la potencia de salida se dispusieron agrupaciones o arrays de varios SSDs en paralelo. La comparación de las simulaciones con las medidas experimentales en estos diodos constata la necesidad de utilizar un modelo de carga auto-consistente. Las curvas I-V experimentales presentaron las mismas tendencias con los parámetros geométricos que las mostradas por las simulaciones con el modelo de carga constante, pero al compararlas resultó imposible lograr un ajuste aceptable. Además, en las medidas realizadas no se encontró emisión. Las discrepancias con los resultados de las simulaciones se atribuyen esencialmente a la influencia de la carga superficial que, inesperadamente, resulta ser claramente no homogénea a lo largo del canal y fuertemente dependiente del potencial aplicado. El nuevo modelo de carga auto-consistente sí es capaz de ajustar satisfactoriamente las curvas I-V de los diodos fabricados, pero no se observan oscilaciones en las secuencias de corriente, tal y como ocurre en las medidas experimentales. La información aportada por las simulaciones lleva a reconsiderar el diseño de los dispositivos con objeto de conseguir oscilaciones. Las nuevas estrategias de diseño consisten en aumentar la anchura del canal de los clásicos SSDs rectangulares y elegir una geometría más adecuada, abriendo el canal en forma de V. Así se evita el problema de una acumulación excesiva de carga y un posterior vaciamiento al final del canal, y se logra que el valor del campo al principio del mismo sea suficiente para la formación de los dominios. Las secuencias de corriente simuladas con estos diseños sí presentan oscilaciones claras. Para diodos rectangulares con longitud de 1 ¿m y anchura W ¿500 nm aparecen oscilaciones de alrededor de 300 GHz al aplicar potenciales en torno a 45-50 V. La geometría en forma de V favorece la aparición de oscilaciones. Por ejemplo, para 200 nm de anchura en la entrada del canal y 300 nm en la salida se aprecian oscilaciones claras ya desde 30 V. El conseguir oscilaciones con anchuras de entrada bajas, siendo por tanto pequeño el nivel de corriente de DC, abre la posibilidad de tener eficiencias mayores y menos problemas de calentamiento. Del análisis espectral de las secuencias de corriente se desprende que: Cuanto más ancho sea el canal, las oscilaciones Gunn son de mayor amplitud (apareciendo incluso más armónicos) pero de menor frecuencia. La frecuencia de oscilación disminuye ligeramente a medida que el voltaje aplicado aumenta. En los canales en forma de V, para cada anchura de entrada parece existir un valor óptimo de la anchura de salida (para generar oscilaciones) que proporciona un ángulo de inclinación de las zanjas horizontales entre 5 y 10º. Siguiendo algunas de las reglas de diseño extraídas de las simulaciones, en un segundo proceso (Run 2) se fabricaron numerosos dispositivos e incluso se integraron algunos con antenas bow-tie. La caracterización DC (medidas que realicé yo personalmente durante una estancia en Lille) corroboró nuevamente la dependencia esperada con los parámetros geométricos y confirmó la reproducibilidad de la fabricación. Sin embargo, puesto que este segundo proceso de fabricación se llevó a cabo de manera paralela a las simulaciones, la mayor parte de los dispositivos fueron demasiado estrechos, más orientados a detección que a emisión. Las medidas free-space realizadas mediante varias técnicas distintas, en las que muchos dispositivos se quemaron, tampoco confirmaron la presencia de emisión. El tercer proceso de fabricación (Run 3) sí ha podido tener en cuenta todas las indicaciones de las simulaciones. Se ha dado total prioridad a los dispositivos para emisión: diodos rectangulares anchos (W=500 nm y 750 nm) y múltiples diodos en forma de V. Para disminuir los efectos térmicos, se ha limitado a 32 el número máximo de SSDs en cada agrupación, aumentando la separación entre ellos, y se han dispuesto en una sola antena, reduciendo además la separación entre sus brazos. Asimismo se han integrado antenas en espiral debido a su mayor ancho de banda y su emisión perpendicular al plano. Las medidas de caracterización DC, único resultado disponible hasta el momento, son reproducidas satisfactoriamente por el simulador MC de carga auto-consistente, el cual predice oscilaciones Gunn. Para confirmar la presencia de tales oscilaciones se realizarán medidas de emisión pulsadas para evitar un calentamiento excesivo cuando se apliquen los elevados potenciales que teóricamente son necesarios parar lograr oscilaciones, y se emplearán lentes de silicio para mejorar las medidas emisión. Aumento del ruido a baja frecuencia como indicador de las oscilaciones Dado que las técnicas experimentales a frecuencias de centenas de GHz aún resultan notablemente complicadas, se plantea la necesidad de disponer de procedimientos alternativos para detectar la presencia de las oscilaciones en el rango de THz o sub-THz que predicen las simulaciones MC. Los kinks asociados a la aparición de inestabilidades, que en algunas ocasiones se detectan en las curvas I-V de dispositivos osciladores indicando la transición de un estado pasivo a un estado de generación, en los diodos estudiados en este trabajo son poco claros (en los diodos n+nn+ para la OPTTR) o incluso inexistentes (en los SSDs). Sin embargo, los resultados de las simulaciones MC para la densidad espectral del ruido en corriente a baja frecuencia SI (0) evidencian que ésta presenta un aumento muy notable cuando el potencial aplicado se aproxima al umbral para la aparición de las oscilaciones. El ruido a baja frecuencia (por encima del ruido 1/f y de generación-recombinación) puede constituir por lo tanto un indicador indirecto excelente para detectar el comienzo de las oscilaciones. En el caso de los SSDs basados en GaN, tras el significativo aumento de SI (0) cuando empiezan a aparecer oscilaciones en la corriente, al elevar más el potencial, cuando éstas ya son claras y espectralmente más definidas, SI (0) disminuye. Pero vuelve a aumentar cuando empiezan a observarse nuevos armónicos en la densidad espectral, y a disminuir cuando las oscilaciones son nítidas. De igual manera, en el caso de la OPTTR en diodos n+nn+ de GaN se observa un aumento de SI (0) a los 0.1 V necesarios para emisión del fonón óptico. Sin embargo, puesto que para potenciales mayores las oscilaciones desaparecen al no ser posible la sincronización del proceso de emisiones a lo largo del dispositivo, la densidad espectral disminuye. BREVE RESEÑA BIBLIOGRÁFICA La banda de frecuencias de THz y sus aplicaciones: [1] Beard, M. C., Turner, G. M., Schmuttenmaer, C. A., ¿Progress Toward Two- Dimensional Biomedical Imaging with THz Spectroscopy¿, Phys. Med. Biol. 47, 3841 (2002). [2] Mueller E. R., ¿Terahertz radiation: applications and sources¿, The Industrial Physicist, American Institute of Physics 9, 27 (2003). Distintas alternativas con el fin de conquistar el Gap del THz: [3] J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, and A. Y. Cho, Science 264, 553 1994 . [4] L. Varani, C. Palermo, J. F. Millithaler, J. C. Vaissière, E. Starikov, P. Shiktorov, V. Gružinskis, J. Mateos, S. Pérez, D. Pardo, and T. González, J. Comput. Electron. 5, 71 2006. Artículos relativos a la OPTTR: [5] E. Starikov, P. Shiktorov, V. Gružinskis, L. Varani, C. Palermo, J. F. Millithaler, and L. Reggiani, J. Phys.: Condens. Matter 20, 384209 2008. [6] B. Foutz, S. O¿Leary, M. S. Shur, and L. F. Eastman, J. Appl. Phys. 85, 7727 1999. [7] K. Brennan and K. Hess, Solid-State Electron. 27, 347 1984. [8] V. Gružinskis, E. Starikov, and P. Shiktorov, J. Comput. Electron. 6, 11 2007. [9] V. Gružinskis, P. Shiktorov, and E. Starikov, Acta Phys. Pol. A 113, 947 2008. [10] E. Starikov, P. Shiktorov, V. Gružinskis, L. Reggiani, L. Varani, and J. C. Vaissière, J. Comput. Electron. 2, 465 2003. [11] V. Gružinskis, P. Shiktorov, E. Starikov, L. Reggiani, L. Varani, and J. C. Vaissière, Semicond. Sci. Technol. 19, S173 2004. [12] V. Gružinskis, E. Starikov, and P. Shiktorov, Acta Phys. Pol. A 107, 163 2005. [13] A. Íñiguez-de-la-Torre, J. Mateos, and T. González, J. Appl. Phys. 107, 053707 2010. Artículos relativos a los SSDs: [14] A. M. Song, M. Missous, P. Omling, A. R. Peaker, L. Samuelson and W. Seifert, Appl. Phys. Lett. 83, 1881 (2003). [15] Mateos J., Vasallo B. G., Pardo D. and González T., Appl. Phys. Lett. 86, 212103 (2005). [16] K. Y. Xu, X. F. Lu, A. M. Song and G. Wang, Appl. Phys. Lett. 92, 163503 (2008). [17] I. Iñiguez-de-la-Torre, J. Mateos, D. Pardo, A. M. Song and T. González, Appl. Phys. Lett. 94, 093512 (2009). [18] I. Iñiguez-de-la-Torre, J. Mateos, D. Pardo and González T., J. Appl. Phys. 103, 024502 (2008). [19] K. Y. Xu, X. F. Lu, A. M. Song and G. Wang, J. Appl. Phys. 103, 113708 (2008). [20] K. Y. Xu, G. Wang and A. M. Song, Appl. Phys. Lett. 93, 233506 (2008). [21] T. González, I. Iñiguez-de-la Torre, D. Pardo, J. Mateos and A. M. Song, Journal of Physics: Conference Series 193, 012018 [1-4] (2009). [22] T. González, I. Íñiguez-de-la-Torre, D. Pardo, A. M. Song and J. Mateos, 22th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM 2010), Takamatsu, Japan, May 31-June 4, (2011). [23] J. B. Gunn, Solid State Commun., 1, 88 (1963). Información sobre la herramienta de simulación Monte Carlo: [24] C. Jacoboni and P. Lugli, The Monte Carlo Method for Semiconductor Device Simulation, Vienna, Springer-Verlag, 1989. [25] J. Mateos, B. G. Vasallo, D. Pardo, T. González, J. S. Galloo., Y. Roelens, S. Bollaert and A. Cappy, Nanotechnology 14, 117 (2003). [26] J. Mateos, B. G. Vasallo, D. Pardo, T. González, J. S. Galloo, S. Bollaert, Y. Roelens and A. Cappy, IEEE Trans. Electron Devices 50, 1897 (2003).