Diseño de Nanodispositivos 2DEG para Detección en la Región THz

Abstract

Con la reducción a escala nanométrica de los dispositivos semiconductores, la interfaz semiconductor-ambiente se vuelve de vital importancia para predecir el comportamiento óptico y eléctrico de estos. Al afectarse la relación entre el volumen total del dispositivo y el volumen ocupado por los átomos de la superficie se deben considerar los efectos de la densidad de estados superficiales disponibles para ser ocupados por electrones provenientes de semiconductor. La redistribución de portadores ocasionada por los efectos de la superficie abre la posibilidad de desarrollar una ingeniería de estados superficiales para dispositivos semiconductores, donde se modulen las propiedades opto-electrónicas con el llenado/vaciado de dichos estados. Esta tesis aborda la problemática de entender, predecir y manipular a los estados superficiales con el propósito de mejorar las propiedades de transporte que presentan las heteroestructuras AlGaAs/GaAs. El conocimiento adquirido sobre la relación entre la superficie y las propiedades de la heteroestructura ofrece un camino para entender y mejorar el desempeño rectificador de los dispositivos denominados self-switching diodes; tecnología donde la modulación de las propiedades de la superficie es aplicada. El interés en los self-switching diodes radica en el bajo valor de voltaje umbral necesario para encenderlo y en que son capaces de alcanzar frecuencias de corte en el régimen THz, características derivadas de la velocidad de recombinación de los estados superficiales. En este trabajo se presenta la influencia que tiene la región de agotamiento superficial en las heteroestructuras AlGaAs/GaAs mediante análisis de espectros de fotorreflectancia y Raman. Se explora un método para determinar la extensión de la región de agotamiento dentro de las heteroestructuras AlGaAs/GaAs utilizando los modos LO y L- presentes en el espectro Raman de las heteroestructuras. Se encontró que el proceso de modulación de fotorreflectancia no se lleva a cabo cuando los estados superficiales están parcialmente llenos o vacíos, reflejándose en el espectro de fotorreflectancia como una ausencia de oscilaciones en la región espectral de 1.42 a 1.8 eV ya que no ocurre la suficiente foto-generación de portadores para inducir la modulación necesaria para producir oscilaciones Franz-Keldysh. Por tanto, al analizar los espectros de fotorreflectancia es necesario tener muy en cuenta las propiedades superficiales ya que de no considerarlas se podría recaer en interpretaciones incorrectas. iv El análisis adecuado de los espectros de fotorreflectancia permite estimar si existe la formación de un gas bidimensional de electrones. Esto es principalmente útil cuando se trabaja con heteroestructuras diseñadas para contener doble gas bidimensional de electrones, donde usualmente una interfaz de uno de los gases bidimensionales es colocada cerca de la superficie. Esto permite afrontar la problemática originada en las deficiencias que existen en los diseños de heteroestructuras planeadas para contener un doble gas bidimensional de electrones. Aportándose el resultado de que si la posición del pozo potencial donde se alojará un gas bidimensional de electrones se encuentra dentro de la extensión de la región de agotamiento, no ocurrirá la formación de éste. Este resultado ayudará en la decisión de la secuencia de capas que deben de conformar una heteroestructura de esta clase para garantizar que los efectos superficiales afecten en menor medida la densidad y movilidad de portadores en el pozo. En la segunda parte de este trabajo se presenta un análisis numérico de las características corriente-voltaje de los self-switching diodes. Se presentan guías de diseño con lo que se espera incrementar la eficiencia de estos dispositivos, obteniendo un voltaje de umbral de cero volts. Se determinó que la geometría del diodo, la carga en los estados superficiales de las trincheras y el material dieléctrico en ellas son las que determinan principalmente la respuesta en corriente directa del self-switching diode. Se explica por primera vez de manera teórica su principio de operación de forma detallada al analizar la distribución de portadores en el nanocanal para cada régimen de polarización. Finalmente, se investiga nuevamente mediante simulaciones el comportamiento de los self-switching diodes cuando son acopladas a una antena tipo espiral cuadrado y a una antena tipo espiral de Arquímedes. El análisis de la eficiencia de conversión de estos tipos de rectennas indican que menos del 0.04% de la energía captada por la antena será convertida a una corriente directa aprovechable. Esto se debe al gran desacople entre la baja impedancia de la antena en resonancia y el alto valor exhibido por el rectificador. Sin embargo, los dispositivos rectificadores con geometría tipo L y tipo V presentan interesantes propiedades a cero volts como una sensibilidad de al menos 20 V-1 lo que es superior a la tecnología empleada hoy en día en estos sistemas.