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Tesis:

Desarrollo de detectores de infrarrojo fotovoltaicos de pozo cuántico y doble barrera para la banda de 3 a 5 u m.

  • Autor: LUNA GARCIA DE LA INFANTA, Esperanza

  • Título: Desarrollo de detectores de infrarrojo fotovoltaicos de pozo cuántico y doble barrera para la banda de 3 a 5 u m.

  • Fecha: 2004

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA

  • Acceso electrónico:

  • Director/a 1º: SANCHEZ DE ROJAS ALDAVERO, José Luis
  • Director/a 2º: FERNANDEZ GONZALEZ, Alvaro de Guzmán

  • Resumen: El tema principal de esta tesis es el desarrollo de detectores de infrarrojo de pozo cuántico (QWIP) con operación fotovoltaica (PV) en la ventana de transmisión atmosférica de 3-5 um. El mecanismo de operación de un QWIP reside en las transiciones intersubbanda que se establecen entre las subbandas energéticas de un pozo cuántico de potencial. El trabajo expuesto se refiere al estudio de la estructura de pozo cuántico y doble barrera (DBQW), donde los pozos de la zona activa están delimitados por una barrera interna de potencial (-20 A de AlAs, generalmente); y una segunda barrera exterior, más gruesa (-300 A) de un material con menor gap. En nuestro caso, la mayor parte de los detectores estudiados, tienen la estructura AlGaAs/AlAs/GaAs. Esta tesis incluye no sólo el desarrollo y caracterización de los detectores DBQW, sino también el diseño de las estructuras, así como el crecimiento de los dispositivos mediante epitaxia por Haces Moleculares (MBE). Con respecto al crecimiento, se demuestra un método sistemático para controlar la temperatura de crecimiento, que permite una elevada reproducibilidad en los mismos. Esto facilita la transferencia de conocimientos del laboratorio a la industria. A partir del aspecto de las reconstrucciones superficiales del GaAs (001) y AlAs (001), se propone un método para determinar la rugosidad de la superficie durante el crecimiento. Finalmente, se demuestra un método fiable y sencillo para determinar la relación de flujos V / III empleada en el crecimiento de heteroestructuras basadas en AlGaAs. En lo que se refiere al dispositivo, en primer lugar se realiza un estudio sobre cómo afectan los parámetros de diseño del QWIP al valor de la longitud de onda y ancho de banda de detección. A continuación, se estudia la propiedad más sorprendente y notable de estos detectores dopados en el pozo: el efecto fotovoltaico, i e. la posibilidad de detectar radiación infrarroja (IR) para Vapl=0 V. Se encuentra, asimismo, que la aparición de ciertas anomalías en las características eléctricas (asimetrías, existencia de I 0 para V = 0 V (offset) en la corriente de oscuridad) está íntimamente relacionada con el comportamiento PV. Una parte importante del trabajo realizado se centra en investigar la posible relación entre las características electro-ópticas y la microestructura de las muestras, lo que permitiría determinar el origen del efecto PV de los detectores DBQW dopados en el pozo. Las dos posibles causas son: 1.- La existencia de diferencias estructurales en las barreras de AlAs. 2.- La presencia en la estructura de campos internos de built-in generados por las regiones de carga-espacio consecuencia de la segregación de silicio del pozo. En nuestro estudia, encontramos que el efecto PV y las asimetrías internas dependen de las condiciones de crecimiento. Asimismo, por primera vez, se ha realizado un estudio de estos detectores mediante Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), que ha permitido determinar que el efecto PV está causado principalmente por los efectos derivados de la segregación de Si . En particular, un análisis detallado de las micrografías TEM revela la existencia de una asimetría composicional en las barreras de AlAs (posiblemente causada por la presencia de Si, donde la muestra con mayor asimetría composicional es la que presenta las asimetrías eléctricas más acusadas. Con respecto a las prestaciones de los dispositivos, uno de nuestros objetivos es promover el uso de estos detectores en el modo PV, así como mejorar los valores de las figuras de mérito (responsividad y detectividad). Así, se propone por primera vez el uso de la técnica de Modulación de Dopaje (MD) en detectores DBQW con operación en 3-5 um. Se encuentra que los detectores con MID exhiben una notable respuesta PV, con la ventaja adicional de que es posible controlar este efecto a través de un diseño cuidadoso de la posición del dopante. Por su parte, los detectores MD exhiben un pico de detección más estrecho y una mayor responsividad que los detectores correspondientes dopados en el pozo. Un diseño optimizado de la estructura de potencial de los detectores con MD permite mejorar las prestaciones del dispositivo (los valores de las figuras de mérito se encuentran entre los mejores valores publicados). Este resultado permite abordar de manera optimista el proyecto de desarrollar una cámara IR de plano focal basada en estos detectores. Finalmente, por primera vez, se propone el uso de las aleaciones de nitrógeno diluido como parte activa de un detector DBQW. La enorme reducción del gap al incorporar una pequeña fracción de N en el compuesto (in)GaAs, hacen que este material sea muy atractivo en el diseño de dispositivos intersubbanda con operación en el IR cercano. En nuestro caso, los pozos de GaAs de la estructura DBQW se han reemplazado por (In)GaAsN. Aunque todavía existen dificultades relacionadas con el crecimiento del material y con el estudio de las propiedades particulares del In GaAsN y su influencia en las prestaciones del dispositivo, con los detectores basados en AlGaAs/AlAs/(in)GaAsN hemos demostrado detección IR por debajo de 3 um el mínimo valor que se obtiene con QWIPs basado en GaAs. Se encuentra que en todos los QWIPs con N la aplicación de tratamientos térmicos posteriores al crecimiento mejora la responsividad y desplaza la posición del pico de detección hacia menores energías. Este efecto es más acusado en el detector con In GaAsN en el pozo.