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

Resumen

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 (10-300K), 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 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/Hz^{1/2}. Además, estas prestaciones mejoran al reducir la anchura del canal del diodo. Mientras que la responsividad 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 RC 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. Al reducir la temperatura, las curvas DC muestran una inusual disminución de la corriente que fluye a través del diodo, junto con un aumento considerable de la no-linealidad, que atribuimos a un aumento de la carga de superficie que aumenta la resistencia del canal. Las medidas pulsadas confirman esta sospecha, ya que presentan una disminución progresiva de la corriente al aumentar la anchura del pulso, con un tiempo de evolución (en torno a algunos µs, prácticamente constante con T) asociado a la carga de los estados de superficie. Aparece además un comportamiento no esperado: a baja temperatura la resistencia de los dispositivos es mayor cuanto mayor es la anchura de su canal. Gracias al uso de la herramienta MC conseguimos explicarlo en términos de la carga de superficie, que no sólo aumenta al disminuir la temperatura, sino que lo hace de forma más acusada para los dispositivos más anchos. Se ha observado también que para temperaturas menores de 250\,K para replicar las curvas I-V se necesita un algoritmo ad hoc en el que ¿ depende no solo del voltaje aplicado sino también de la temperatura ¿(V,T). De esta forma somos capaces de modelar la dependencia de ¿ alrededor de equilibrio y explicar el cambio de signo del coeficiente de curvatura que esta íntimamente ligado con las figuras de mérito del SSD como detector de RF. Las medidas de $\beta^{RF}_V$ corroboran el aumento anómalo predicho por el modelo QS a baja $T$, pero sólo a baja frecuencia, ya que presentan una caída significativa en torno a 1\,GHz, que de nuevo atribuimos al tiempo de respuesta de las cargas de superficie. De hecho, nos apoyamos en las medidas de impedancia AC para confirmar no solo la presencia de las trampas sino también identificar sus propiedades y origen físico. Los tiempos caracte\-rísticos de estos mecanismos se obtienen a partir del mínimo de la parte imaginaria de la impedancia (en paralelo a la disminución de su parte real) que se des\-plaza a frecuencias mayores con el incremento de $T$. Los resultados obtenidos revelan la existencia de dos tipos de trampas, cuya influencia varía según la $T$: (i) para $T<150$\,K, tienen efecto sobre todo los estados de superficie de las paredes laterales del canal (que aparecen como consecuencia del proceso de grabado de las zanjas) y que muestran una dispersión de tiempos de relajación, que ajustando a una relación de Arrhenius podemos asimilar a estados distribuidos con una energías de activación efectiva bastante pequeña, de $\approx$10\,meV y (ii) para $T>150$\,K, son más efectivas las trampas del \textit{bulk} causadas por defectos de la red o impurezas en el \textit{buffer} (que existen de forma intencionada o no, ya que es típico el dopaje con Fe o C) y, caracterizadas por una energía de activación algo mayor $\approx$60\,meV.\\ Se ha demostrado también que es posible mejorar la repetibilidad de las medidas de detección por medio de la aplicación de prepulsos de acondicionamiento, ya que permiten establecer el nivel de carga o descarga de los estados de superficie. Por medio de un prepulso de voltaje positivo se induce la carga de los estados superficiales, aumentando considerablemente tanto la $R$ del diodo como su no-linealidad, lo que a su vez se ve reflejado en una mejora de sus capacidades como detector, sobre todo a baja $T$. Sin embargo aparece una evolución lenta de la señal de salida, que puede hacer necesario el uso de técnicas \textit{lock-in} para la detección. Por otro lado, si el prepulso es negativo se consigue descargar los estados de superficie y es posible eliminar la dependencia en frecuencia de la responsividad, aunque el aumento con respecto al estado estacionario no es tan elevado como cuando el prepulso es positivo.\\ Finalmente, analizamos la capacidad de los SSDs para operar como memorias y fotode\-tectores. 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.