TÍTULO: "Desarrollo y caracterización de fotodetectores de radiación ultravioleta basados en nitruros del grupo III"
DIRECTORES: D. Fernando Calle Gómez D. Elías Muñoz Merino
DEPARTAMENTO: Ingeniería electrónica (ETSIT – UPM)
FECHA DE LECTURA: 24 de Febrero de 2000
CALIFICACIÓN: Sobresaliente cum Laude
Resumen
La detección de radiación ultravioleta (UV) ha atraído una gran atención en los últimos años. Tanto la industria civil como la militar requieren una mejora en la instrumentación UV, para aplicaciones como control de motores, seguimiento de la radiación UV solar, calibración de emisores, estudios astronómicos, sensores de llama, detección de misiles, sistemas compactos de almacenamiento de información y comunicaciones espaciales seguras. Los nitruros del grupo III (GaN, AlN, InN y sus aleaciones ternarias) se han revelado como los materiales más prometedores para la fabricación de fotodetectores de UV basados en semiconductores, gracias a la anchura de su gap directo, que proporciona coeficientes de absorción elevados y una insensibilidad intrínseca a la radiación visible. Entre otras ventajas se incluyen la posibilidad de fabricar dispositivos de heterounión y de seleccionar la longitud de onda de corte modificando la fracción molar de los compuestos ternarios.
En esta Tesis Doctoral se describen en primer lugar las principales propiedades de los nitruros del grupo III y los parámetros más importantes que caracterizan el comportamiento de los fotodetectores de semiconductor (responsividad, contraste UV/visible, ancho de banda, potencia equivalente de ruido y detectividad). Posteriormente, se realiza un estudio de las capas epitaxiales de material semiconductor utilizado en la fabricación de los dispositivos, incluyendo análisis estructural, óptico y eléctrico. Dichas capas fueron crecidas mediante la técnica de epitaxia en fase vapor con precursores metalorgánicos (MOVPE) sobre substratos de zafiro. Finalmente, se detallan los distintos tipos de fotodetectores fabricados en este trabajo (fotoconductores, fotodiodos Schottky, fotodiodos metal-semiconductor-metal y fotodiodos de unión p-n y p-i-n), incluyendo la tecnología desarrollada para su fabricación, sus principales prestaciones y los modelos propuestos para explicar su comportamiento.
Los fotoconductores son el dispositivo fotodetector más sencillo y económico, que consiste en dos contactos óhmicos depositados sobre una barra de material semiconductor. Se comportan como una resistencia cuyo valor óhmico depende de la intensidad luminosa incidente. Los fotoconductores de AlxGa1-xN presentan grandes responsividades a temperatura ambiente (100 para Popt = 1 W/m2), como resultado de una elevada ganancia interna. Desgraciadamente, esta ganancia está asociada a un comportamiento sublineal con la potencia óptica, un contraste UV/visible reducido y efectos persistentes. Estos inconvenientes hacen que los fotoconductores resulten inadecuados para la mayor parte de las aplicaciones. Tanto la linealidad como el rechazo al visible mejoran significativamente mediante un sistema de detección síncrono, utilizando un amplificador lock-in. Sin embargo, en esta configuración los fotoconductores pierden todas sus ventajas, ya que la responsividad disminuye y el sistema de medida se complica y encarece. Se ha desarrollado un modelo teórico que explica el comportamiento de estos dispositivos, tanto en lo referente a ganancia como a tiempos de respuesta, basándose en las zonas de carga espacial asociadas a las dislocaciones e intercaras. Este modelo presenta validez general, permitiendo justificar comportamientos no lineales observados en distintos materiales semiconductores.
También se han fabricado fotodiodos Schottky planares, con contactos Schottky semitransparentes de distintos metales. Estos dispositivos presentan una responsividad aproximadamente constante para excitación con radiación de energía superior al gap del semiconductor, independientemente de la potencia óptica y de la temperatura. Su respuesta espectral muestra un corte abrupto, con un contraste UV/visible de 103. El tiempo de respuesta de estos dispositivos está limitado por su producto RC, con constantes de tiempo mínimas en el rango de nanosegundos. Se ha efectuado un análisis teórico de la respuesta de estos dispositivos, concluyéndose que su responsividad está todavía limitada por la elevada densidad de dislocaciones existentes en este material. De hecho, se ha verificado que los fotodiodos fabricados sobre GaN recrecido lateralmente (con una densidad de dislocaciones dos órdenes de magnitud inferior que el GaN típico) presentan un rechazo al visible un orden de magnitud superior, mayor ancho de banda y mayor detectividad. Se ha demostrado que los fotodiodos Schottky son adecuados para aplicaciones medioambientales, como la evaluación de la radiación UV solar, o para transmisión de datos a baja velocidad (MHz).
Por otra parte, se han fabricado fotodiodos metal-semiconductor-metal (MSM) consistentes en dos contactos Schottky interdigitados sobre capas semi-aislantes de AlxGa1-xN. Estos dispositivos presentan muy bajas corrientes en oscuridad, se comportan linealmente con la potencia óptica y su contraste UV/visible supera 104. Su estructura planar permite conseguir un gran ancho de banda (en el rango de los GHz), que, con sus bajos niveles de ruido, hace que estos detectores sean los mejores candidatos para la fabricación receptores en comunicaciones ópticas en el rango UV. Desde el punto de vista de esta aplicación, resulta de especial interés el rango de longitudes de onda >280 nm, para comunicaciones entre satélites, que no podrían interferirse desde la Tierra gracias a la presencia del ozono estratosférico. Para trabajar en este rango son necesarios contenidos de Al superiores al 30%, donde es muy difícil depositar contactos óhmicos de calidad razonable. Los fotodiodos MSM, que no precisan de contactos óhmicos, constituyen una prometedora alternativa tecnológica. Además, una ventaja añadida de estos dispositivos es su facilidad de integración con transistores de efecto campo.
Los fotodiodos de unión p-n y p-i-n basados en AlxGa1-xN son lineales con la potencia óptica y presentan un contraste UV/visible de 104. Sin embargo, su tiempo de respuesta suele estar limitado por el comportamiento de los centros relacionados con el dopante tipo p (Mg), que también pueden deteriorar la respuesta espectral. Por otra parte, la longitud de onda de corte mínima que puede alcanzarse con estos dispositivos está limitada por la dificultad de conseguir conducción tipo p en AlxGa1-xN con contenidos de Al superiores al 15%. Aunque los resultados son prometedores, resulta todavía necesario un esfuerzo investigador en el dopaje tipo p del AlxGa1-xN para mejorar las prestaciones de estos detectores.
En conclusión, los resultados actuales confirman a las aleaciones de AlxGa1-xN como los semiconductores más adecuados para la fotodetección en el rango ultravioleta del espectro. A partir de capas epitaxiales de semiconductor se ha desarrollado la tecnología de fabricación de distintos modelos de fotodetectores, con resultados competitivos a nivel comercial. Se han obtenido dispositivos con bajas corrientes de oscuridad, velocidad de respuesta en el rango de los picosegundos y detectividades >1011 cmW-1Hz1/2, comparables a los fotodiodos comerciales de silicio. Además, la insensibilidad de estos materiales a las radiaciones visible e infrarroja abre el camino a un nuevo tipo de sensores que pueden operar en presencia de fondos calientes, evitando el coste adicional y los efectos de envejecimiento debidos a los filtros. Como prueba de estos resultados, la Tesis se completa con la demostración de un prototipo de sistema automatizado para medida de la radiación solar UV.
JESUS IBAÑEZ
CRF
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