Universidad Politcnica De MadridEscuela Tcnica Superior de Ingenieros de

Telecomunicacin

CONTRIBUCIN AL DESARROLLO YCARACTERIZACIN DE FOTODETECTORESAVANZADOS BASADOS EN NITRUROS DEL

GRUPO III

TESIS DOCTORAL

lvaro Navarro TobarIngeniero de Telecomunicacin

2011

Departamento de Ingeniera Electrnica

Escuela Tcnica Superior de Ingenieros deTelecomunicacin

CONTRIBUCIN AL DESARROLLO YCARACTERIZACIN DE FOTODETECTORESAVANZADOS BASADOS EN NITRUROS DEL

GRUPO III

Autor:

lvaro Navarro TobarIngeniero de Telecomunicacin

Director:

Elas Muoz Merino

Doctor Ingeniero de TelecomunicacinCatedrtico de Universidad

2011

TESIS DOCTORAL

CONTRIBUCIN AL DESARROLLO Y CARACTERIZACIN DEFOTODETECTORES AVANZADOS BASADOS EN NITRUROS

DEL GRUPO III

AUTOR: lvaro Navarro TobarDIRECTOR: Elas Muoz Merino

Tribunal nombrado por el Excelentsimo Seor Rector Magnfico de la Univer-sidad Politcnica de Madrid, el da de de 2011.

PRESIDENTE:

SECRETARIO:

VOCAL:

VOCAL:

VOCAL:

Realizado el acto de defensa y lectura de Tesis el da de de 2011en la Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Telecomunicacin.

Calificacin:

EL PRESIDENTE EL SECRETARIO

VOCAL VOCAL VOCAL

A Ins, Diego, y los que, espero, vendrn;ellos son el proyecto ms importante de mi vida.

ndice general

Agradecimientos xiii

Resumen xv

Abstract xvii

Glosario xix

1. Introduccin 11.1. Estado de la tcnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1. Los nitruros y sus aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2. La deteccin de luz con nitruros del grupo III . . . . . . . . 3

1.2. Demanda de aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3. Objetivos y estructura de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1. Caracterizacin en temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.2. Dispositivos sensibles a la polarizacin . . . . . . . . . . . . 91.3.3. Aplicacin en sistemas de medida de fluorescencia . . . . . . 10

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura 132.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1.1. La Detectividad especfica D . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2. Tcnicas experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.1. Crecimiento y fabricacin de los fotodetectores . . . . . . . . 182.2.2. Caracterizacin de fotodetectores . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.3. Caracterizacin del ruido de baja frecuencia . . . . . . . . . 212.2.4. Medida del ruido en modo fotovoltaico en muestras de alta

impedancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.5. Sistema de medida en alta temperatura . . . . . . . . . . . . 27

ix

2.2.6. Sistema de medida del ruido RTS . . . . . . . . . . . . . . . 312.3. Fotodiodos de silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.1. Motivacin del estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.2. Estudio terico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3.3. Caracterizacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4. Fotodiodos p-i-n de GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.5. Fotodiodos p-i-n de InGaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.6. Fotodiodos p-i-n de MQW de InGaN/GaN . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6.1. Estudio del ruido de baja frecuencia . . . . . . . . . . . . . . 472.6.2. Figuras de mrito en alta temperatura . . . . . . . . . . . . 552.6.3. Detectores p-i-n con MQW optimizados . . . . . . . . . . . . 63

2.7. Comparacin de los distintos dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . 672.8. Otros experimentos realizados con estos dispositivos . . . . . . . . . 71

2.8.1. Medidas de velocidad de respuesta sobre fotodetectores p-i-nde MQW de InGaN/GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.8.2. Fotocorriente bajo polarizacin inversa . . . . . . . . . . . . 742.8.3. Avalancha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.9. Resumen y conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3. Fotodetectores sensibles a la polarizacin 833.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.2. Tcnicas experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.3. Caracterizacin del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.4. Fabricacin de los dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.5. Caracterizacin elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.6. Caracterizacin optoelectrnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.7. Estudio de redes de difraccin metlicas . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.7.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.7.2. Desarrollo de las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.8. Resumen y conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4. Aplicacin en sistemas de luminiscencia 1154.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.2. Tcnicas experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.2.1. TC-SPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1184.2.2. Microscopa confocal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

x

4.2.3. XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.3. Mtodo de medida del de la fotoluminiscencia . . . . . . . . . . . 120

4.3.1. Introduccin y estado de la tcnica . . . . . . . . . . . . . . 1204.3.2. Descripcin del mtodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1294.3.3. Alternativas de diseo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.4. Validacin experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444.4.1. Descripcin de los elementos del sistema . . . . . . . . . . . 1464.4.2. Dificultades y limitaciones para la medida del tiempo de vida

de la emisin luminiscente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494.4.3. Descripcin del sistema final . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1584.4.4. Medidas de luminiscencia realizadas . . . . . . . . . . . . . . 159

4.5. Funcionalizacin de superficies de GaN . . . . . . . . . . . . . . . . 1664.5.1. Proceso con solucin piraa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1694.5.2. Intentos de proteccin de los contactos metlicos . . . . . . . 1734.5.3. Intento de fabricacin compatible con la funcionalizacin . . 1744.5.4. Uso de plasmas en el proceso de funcionalizacin . . . . . . . 176

4.6. Resumen y conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5. Conclusiones 1835.1. Conclusiones cientficas y tcnicas de la tesis . . . . . . . . . . . . . 1835.2. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

6. Conclusions 1896.1. Scientific and technical conclusions of the thesis . . . . . . . . . . . 1896.2. Future work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

Bibliografa 193

A. Lista de muestras 215

B. Lista de mritos 221

C. Valoracin y conclusin personal 227

xi

xii

Agradecimientos

Si ests leyendo estas lneas es porque, gracias a Dios, no me han faltadola ilusin y las fuerzas para terminar la tesis. A lo largo de estos aos, muchaspersonas me han ayudado, directa e indirectamente, a hacer mi doctorado, y nopuede faltar un espacio para agradecrselo.

En primer lugar quiero agradecer a mi director, Elas, lo mucho que me ha dadodurante estos aos: apoyo, gua, ideas, opciones, oportunidades y confianza.

Las dos personas con las que ms estrechamente he trabajado durante estosaos son los ahora doctores Carlos Rivera y Juan Pereiro. De ellos he aprendidomucho y siempre han sido un slido apoyo donde afianzar mi trabajo. Jos Luis,mi director del proyecto de fin de carrera, fue quien me puso en el camino y megui en los primeros pasos en el mundo de la investigacin. Otras personas hanpasado por el grupo de detectores, y entre ellos me gustara recordar tambin aIcar y a Pablo.

Recuerdo con mucho cario y agradecimiento a mis compaeros del ISOM.Aparte de las colaboraciones que hayamos podido tener, y de las discusiones cien-tficas, o de su ayuda con la tecnologa y las medidas, lo mejor que he sacado deellos es el magnfico ambiente que tenamos. Jos Mara Ulloa, Javier Miguel, Jor-ge, Javier Grandal, Sergio, Ftima, Raquel, Fernando, Miguel, Roberto, Eugenio,Ana, Zarko, Gema, Manu, Sara, Juan, Tomasso, Johanna, Miguel Romera, MiguelGonzlez, scar de Abril, David Ciudad, Roco Ranchal, Roco San Romn, David,Maika, Jota, Fernando, scar, Montse, gracias a todos.

De los otros compaeros del ISOM, los que conoc ya con el tercer grado pues-to, tambin me llevo muchas cosas. Me gustara agradecer su ayuda a Adrin,lvaro, Carlos ngulo, Claudio, Fernando, Jos Luis Prieto, Marco y Mara delMar.

A los tutores de mis dos estancias, Emilio y Peter, les debo agradecer haber-me dado la oportunidad de vivir dos experiencias muy enriquecedoras. A Emilio,

xiii

adems, porque es una gran persona, amn de un gran investigador.De entre los investigadores de otras instituciones con los que he colaborado,

me gustara destacar a Juan Lpez Gejo y Guillermo Orellana, porque el contactointerdisciplinar ha sido muy enriquecedor, y trabajar con ellos ha sido un placer.

Me gustara agradecer a mi familia el apoyo que siempre he recibido de ellos,y el haberme dado gran parte de lo que hoy soy.

Ins, siento que la escritura tesis nos haya hecho sacrificar tanto tiempo familiar,gracias por tu comprensin y por tu apoyo durante todo este tiempo.

xiv

Resumen

El objetivo de esta tesis es el desarrollo y la caracterizacin de detectores avan-zados, basados en nitruros del grupo III. Es decir, se pretende la utilizacin denitruros de galio, indio y aluminio, de manera que se aprovechen las cualidadesespecficas de estos materiales, para la fabricacin de fotodetectores que destaqueny mejoren el actual estado de la tcnica en diversos mbitos o aplicaciones. Lasprincipales lneas de actuacin han sido tres: evaluacin del comportamiento enalta temperatura, sensibilidad a la polarizacin de la luz, y aplicacin en sistemasde fotoluminiscencia.

Se ha realizado un estudio terico y experimental del comportamiento de foto-detectores de tipo p-i-n en alta temperatura, centrando el inters en la evaluacinde la detectividad especfica en modo fotovoltaico. Se ha podido comprobar que elsilicio, el material semiconductor ms extendido en la actualidad, sufre una severadegradacin de sus caractersticas en alta temperatura, debido a su gap relativa-mente estrecho. Los nitruros, sin embargo, al ser materiales de gap ancho, tienenmejores caractersticas en cuanto al ruido, siendo ms ventajosa la diferencia enaltas temperaturas. Su rendimiento se ve dificultado, sin embargo, por la peor cali-dad cristalina del material, lo cual supone un inconveniente ms acusado en el casode los ternarios, y en particular del InGaN. Se ha comprobado que la fabricacin defotodetectores de GaN con mltiple pozo cuntico de InGaN en su regin intrnsecaposibilita la deteccin en el visible, sin perjudicar las caractersticas elctricas delfotodiodo. En este tipo de dispositivos, adems, se ha llevado a cabo un estudiodel ruido en alta y baja temperatura.

Se han fabricado fotodetectores de tipo metal-semiconductor-metal con inter-digitados sub-micromtricos en GaN crecido sobre el plano cristalino A. Se hapodido comprobar que estos dispositivos tienen una sensibilidad intrnseca a lapolarizacin de la luz incidente para fotones de energas en torno al gap, debidoa la anisotropa de la red cristalina en el plano de crecimiento. Adems, se han

xv

caracterizado elctricamente estos dispositivos, observando que tienen unos nivelesmuy bajos de corriente de oscuridad y ruido.

Por ltimo, se ha explorado de una manera ms profunda la aplicacin de losnitruros en sistemas de medida de fotoluminiscencia. Se ha demostrado la funcio-nalizacin covalente de superficies de GaN con complejos luminiscentes basados enrutenio, y su sensibilidad a la concentracin ambiental de oxgeno. Se ha funciona-lizado tambin un diodo emisor de luz basado en nitruros con este mismo complejo,demostrando la posibilidad de caracterizar el tiempo de vida de la luminiscencia,utilizando como excitacin de la misma la luz emitida por este dispositivo. Dadoque la simplificacin de elementos pticos dificulta la caracterizacin del tiempode vida medio de la luminiscencia, se ha desarrollado un mtodo para la medidadel mismo en condiciones en las que no es posible eliminar la seal de fondo pticadebida a la excitacin. Dicho mtodo se ha validado experimentalmente realizandola medida de una membrana impregnada del complejo luminiscente de rutenio bajoeste tipo de condiciones.

xvi

Abstract

The main purpose of this thesis is the development and characterization ofadvanced photodetectors, based on group-III nitrides. In other words, what isintended is the utilization of gallium, indium and aluminum nitrides, taking ad-vantage of the specific characteristics of these materials, for the fabrication ofphotodetectors that stand out and improve the current state of the art for diffe-rent applications. The three main lines of research have been: high-temperaturebehaviour assessment, sensitivity to the polarization of light, and application inphotoluminescence measurement systems.

A theoretical and experimental study on the behaviour of p-i-n photodetectorsat high temperatures has been carried out, centered on the evaluation of specificdetectivity in photovoltaic mode. Silicon, currently the most widely-used semicon-ductor, suffers a severe degradation of its characteristics at high temperature, dueto its relatively thin bandgap. Nitrides, in contrast, being wide bandgap semicon-ductors, display better noise characteristics, with this difference being stronger athigher temperature. However, their performance is hindered by the lower crystalquality of the material, especially in the case of the ternary compounds, and for In-GaN in particular. It has been observed that the fabrication of GaN photodetectorswith multiple quantum wells in their intrinsic region allows for light detection inthe visible range, without sacrificing the electrical performance of the photodiode.In this kind of devices, a low- and high-temperature noise study has been carriedout.

Metal-semiconductor-metal photodetectors with sub-micron interdigitated con-tacts have been fabricated on A-plane GaN. It has been possible to confirm thatthese devices show an intrinsic sensitivity to the polarization of incident lightat photon energies around the gap, due to the anisotropy on the crystal lattice.An electrical characterization has revealed that the devices present very low darkcurrent and noise values.

xvii

Finally, the application of nitrides in photoluminescence measurement systemshas been explored. The covalent functionalization of GaN surfaces with ruthenium-based photoluminescent complexes and their sensitivity to the environmental oxy-gen concentration have been demonstrated. A nitride-based light emitting diodehas also been functionalized with this same complex, and the feasibility of characte-rizing the luminescence lifetime using the light emitted by the device as excitationsource has been proved. Since the simplification of optical elements makes thecharacterization of the luminescence lifetime difficult, a method has been develo-ped for its measurement in conditions in which it is not possible to eliminate thebackground signal due to excitation. This method has been validated experimen-tally by measuring the luminescence of a membrane impregnated in luminescentruthenium complex.

xviii

Glosario

AC Alternating Current, corriente alternaADN cido DesoxirribonucleicoAFM Atomic Force Microscope, microscopio de fuer-

zas atmicasAlGaN Nitruro de Aluminio-Galio, estequiometra in-

determinadaAlInGaN Nitruro de Aluminio-Galio-Indio, estequiome-

tra indeterminadaAlN Nitruro de AluminioAPD Avalanche Photo Diode, fotodiodo de avalan-

chaAPTES 3-aminopropiltrietoxisilano

CAD Computer-Aided Design, diseo asistido porordenador

CCD Charge-Coupled Device, dispositivo de cargaacoplada

CD Compact Disc, disco compactoCV Capacitance-Voltage, curva de capacidad-

tensin de un dispositivo de dos terminalesCVD Chemical Vapour Deposition, depsito qumi-

co en fase gaseosa

DC Direct Current, corriente continuaDIE Departamento de Ingeniera ElectrnicaDSSC Dye-Sensitized Solar Cell, clula solar sensibi-

lizada por colorante

xix

DUT Device Under Test, dispositivo bajo pruebaDVD Digital Versatile Disc, disco verstil digital

Eficiencia Cuntica ExternaEg Energa del gapEn Valor eficaz de la tensin de ruidoen Densidad espectral la tensin de ruidoEPSRC Engineering and Physical Sciences Research

CouncilETSI Escuela Tcnica Superior de Ingenieros

FLIM Fluorescent Lifetime Imaging Micros-copy/Microscope, microscopio/microscopa deimagen de tiempo de vida de fluorescencia

FPGA Field-Programmable Gate Array, matriz depuertas programables por el usuario

FWHM Full Width at Half Maximum, ancho de bandaa media altura

GaN Nitruro de GalioGPIB General Purpose Interface Bus, bus de interfaz

de propsito generalGSOLFA Grupo de Sensores Qumicos pticos y Foto-

qumica Aplicada

HEMT High Electron Mobility Transistor, transistorde alta movilidad de electrones

HOMO/LUMO Highest Occupied Molecular Orbital - LowestUnoccupied Molecular Orbital, orbital molecu-lar ocupado ms alto - orbital molecular vacoms bajo

ICP-RIE Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Et-ching, ataque por iones reactivos de plasmaacoplado por induccin

xx

In Valor eficaz de la corriente de ruidoin Densidad espectral la corriente de ruidoInGaN Nitruro de Galio-Indio, estequiometra inde-

terminadaInN Nitruro de IndioISOM Instituto de Sistemas Optoelectrnicos y Mi-

crotecnologaIV Intensity - Voltage, curva de corriente - tensin

de un dispositivo de dos terminales

k Constante de Boltzmann

LCD Liquid Crystal Display, visualizador de cristallquido

LED Light Emitting Diode, diodo emisor de luzLP-MOVPE Low-Pressure Metal-Organic Vapor-Phase

Epitaxy, epitaxia en fase de vapor de organo-metlicos de baja presin

LPF Long Pass Filter, filtro pasolargo

MBE Molecular Beam Epitaxy, epitaxia de hacesmoleculares

MIS Metal-Insulator-Semiconductor, metal-aislante-semiconductor

MOVPE Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy, epitaxiaen fase de vapor de organo-metlicos

MQW Multiple Quantum Well, pozo cuntico mlti-ple

MSM Metal-Semiconductor-Metal

NASA National Aeronautics and Space Administra-tion, administracin nacional para la aeronu-tica y el espacio)

NEP Noise-equivalent power, potencia equivalentede ruido

xxi

PFC Proyecto de Fin de CarreraPL Photoluminescence, fotoluminiscenciaPMT Photomultiplier Tube, tubo fotomultiplicadorPSD Power Spectral Density, densidad espectral de

potencia

QCSE Quantum-confined Stark effect, efecto Starkconfinado cunticamente

RIE Reactive Ion Etching, ataque por iones reacti-vos

rms root mean square, valor eficazrpm revoluciones por minutoRT Room Temperature, temperatura ambienteRTA Rapid Thermal Annealing, recocido trmico

rpidoRTS Random Telegraph Signal, seal telegrfica

aleatoria

SAW Surface Acoustic Wave, onda acstica superfi-cial

SEM Scanning Electron Microscope, microscopioelectrnico de barrido

SMU Source and Measurement Unit, unidad defuente y medida

SNR Signal-Noise Ratio, relacin seal a ruidoSPF Short Pass Filter, filtro pasocortoSPT Single Photon Timing, cronometraje de foto-

nes individuales

tiempo de vidaTC-SPC Time-Correlated Single Photon Counting,

conteo de fotones individuales correlacionadoscon el tiempo

xxii

TEM Transmission Electron Microscope, microsco-pio electrnico de transmisin

UAM Universidad Autnoma de MadridUCM Universidad Complutense de MadridUCSB Universidad de California, Santa BrbaraUPM Universidad Politcnica de MadridUSB Universal Serial Bus, bus serie universalUV Ultravioleta

XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy, espectros-copa de fotoelectrones emitidos por rayos X

XRD X-Ray Diffraction, difraccin de rayos X

xxiii

xxiv

Captulo 1

Introduccin

1.1. Estado de la tcnica

1.1.1. Los nitruros y sus aplicaciones

Los nitruros del grupo III [100,136] constituyen la familia de semiconductoresque ms xito ha alcanzado en estos ltimos aos de entre aquellas que cuentancon una anchura de la banda prohibida (o gap) grande.

Dentro del conjunto de materiales semiconductores que se pueden utilizar ac-tualmente para aplicaciones de fotodeteccin, los nitruros presentan unas propie-dades que los hacen extremadamente valiosos [48]. Por ejemplo, es interesanteobservar que mediante la utilizacin de compuestos con distintas concentracionesde trreos1 dentro de este sistema de materiales se puede seleccionar el ancho dela banda prohibida desde el infrarrojo cercano (0.7 eV para el InN) hasta el ul-travioleta (6.2 eV para el AlN), permitiendo as escoger el gap necesario para cadaaplicacin, y evitando, por ejemplo, la necesidad de incluir un filtro ptico parael corte pasocorto de la ventana de deteccin. Este gap es, adems, de naturalezadirecta para toda la familia de compuestos (los tres binarios GaN, InN, AlN, losternarios y el cuaternario AlInGaN), lo que lo hace un candidato ms adecuadopara las aplicaciones optoelectrnicas que el carburo de silicio, otro semiconductorde gap ancho, pero indirecto. La corriente de oscuridad en los detectores deberaser ms baja que en otros detectores basados en semiconductores de gap estrecho,ya que el aumento del gap lleva consigo una reduccin exponencial de la concen-

1Elementos del grupo III de la tabla peridica.

1

1. Introduccin

tracin intrnseca de portadores. En consecuencia, adicionalmente, estos disposivosdeberan tener tambin un ruido menor. Los nitruros poseen una alta estabilidadqumica y trmica debido principalmente a la alta energa de sus enlaces [38],siendo por tanto muy apropiado para operar en condiciones adversas. Por ltimo,los nitruros, debido a su estructura cristalina hexagonal, presentan campos depolarizacin intrnsecos, lo cual puede, dependiendo del caso, ser una ventaja o uninconveniente para el rendimiento ptimo del dispositivo, pero que, indudablemen-te, ofrece una nueva variable de diseo que utilizar. Si bien lo ms habitual es lautilizacin de sustratos que favorecen el crecimiento sobre el plano C, dando lugara estos campos de polarizacin, tambin es posible que su crecimiento sea sobreun plano no polar, perpendicular al C (planos M y A, por ejemplo2) [17, 28].

Si bien, como se ha explicado, los nitruros presentan unas caractersticas extra-ordinarias para su aplicacin en fotodeteccin, tambin es cierto que existen incon-venientes que actualmente lastran su rendimiento y que deben ser superados parapermitir su mximo aprovechamiento. El mayor de todos ellos, y a la vez fuente demuchos de sus problemas, es la inexistencia de sustratos perfectamente acopladosen red y coeficiente de expansin trmica.3 Esta carencia de sustratos provoca quelos nitruros se crezcan en condiciones de desajuste de red, lo que induce una grancantidad de defectos estructurales. La bsqueda solucin a este problema ha sidoy es un tema de gran inters en la comunidad cientfica, habindose propuestodistintas soluciones tecnolgicas para reducir el nmero de defectos en heteroepi-taxia [3, 8, 109] y desarrollado la manera de disponer de sustratos de GaN parahomoepitaxia [50,62,110], aunque todava no se ha alcanzado una solucin que seasatisfactoria tanto tcnica como econmicamente. A pesar de todo, el impacto delos defectos estructurales sobre las propiedades optoelectrnicas de los dispositivosno ha sido tan grande como se esperaba, permitiendo, por ejemplo, altas eficienciasde recombinacin radiativa en el caso de los diodos electroluminiscentes [21]. Otrade los grandes obstculos histricos para el desarrollo de dispositivos con nitrurosha sido y es la gran dificultad para dopar estos materiales con carcter p, lo cuallimita fuertemente la calidad de los mismos.

2Para esquema de la estructura cristalina del GaN y sus principales planos, consultar lafigura 3.1.

3Si bien es posible lograr un acoplamiento casi perfecto a algunos sustratos existentes esco-giendo un ternario adecuado, la diferencia de coeficientes de expansin trmica hara que esteacoplamiento no sea ptimo simultneamente a temperatura de crecimiento y a temperaturaambiente, siendo imposible evitar los problemas relacionados con este desajuste.

2

1.1 Estado de la tcnica

Las aplicaciones de los nitruros se reparten por un amplio abanico de campos,aunque podramos englobarlas en dos grupos principales: las aplicaciones electr-nicas y las optoelectrnicas.

Dentro de las primeras, es importante destacar los transistores de alta movili-dad de electrones (HEMT, High Electron Mobility Transistor), caracterizados porsus buenos rendimientos en aplicaciones que requieren alta frecuencia y/o poten-cia [93,158,194]. Estos dispositivos aprovechan la formacin de un gas de electronesbidimensional en la intercara de una heteroestructura AlGaN/GaN, que se ve fa-vorecida por la presencia de campos piezoelctricos. Tambin basados en estosmateriales, y, debido a su piezoelectricidad [15, 88], existe actividad en el campode los filtros de ondas acsticas superficiales (SAW, Surface Acoustic Wave) parasu utilizacin en comunicaciones [33]. Sus propiedades electrnicas tambin loshacen apropiados para su utilizacin como sensores qumicos por interaccin de susuperficie con el medio [156,167].

En el campo de la optoelectrnica, los nitruros son una referencia obligatoriaen la industria de la iluminacin, dado que son el material ms utilizado en lafabricacin de diodos emisores de luz (LED, Light Emitting Diode) en el azul yultravioleta cercano [104,120,164]. Estos dispositivos consisten tpicamente en unaestructura p-i-n de GaN con pozos cunticos de InGaN en su regin intrnseca.Recientemente han alcanzado relevancia tambin en el campo del almacenamientode datos, debido a la utilizacin de diodos lser de InGaN/GaN en las unidadesBlu-ray Disc, en las que la reduccin hasta los 405 nm de la longitud de ondautilizada ha permitido incrementar dramticamente la densidad de informacin.4

Tambin se ha propuesto la utilizacin de nitruros en la fabricacin de clulassolares, aprovechando la posibilidad de cubrir con InGaN la porcin del espectrodonde ms potencia se recibe del Sol [59,193].

1.1.2. La deteccin de luz con nitruros del grupo III

Los primeros estudios sobre las propiedades fotoconductivas del GaN fueronrealizados por Pankove y Berkeyheiser en 1974 [128], pero hasta 1982 no se publi-caran resultados sobre el primer detector de ultravioleta [65]. Desde este momentose abre un periodo de exploracin en el que se estudian muy diversos tipos de es-tructuras: fotoconductores, fotodiodos p-n y p-i-n, diodos de barrera Schottky, dis-

4Los otros formatos estndar de almacenamiento ptico, de menor capacidad, son el DVD,que utiliza un lser de 640 nm, y el CD, de 780 nm.

3

1. Introduccin

positivos metal-semiconductor-metal (MSM), metal-aislante-semiconductor (MIS,Metal-Insulator-Semiconductor), fototransistores, diodos de avalancha, etc. [60,102,160,168,173]

La mayora de la actividad se ha concentrado en el intervalo de energas delultravioleta cercano y lejano, en el desarrollo de detectores ciegos al visible o ciegosal espectro solar,5 utilizando principalmente AlGaN. Este intervalo de energascumpla a la vez tres condiciones: en l la tecnologa permita una mayor calidad delos detectores, era el camino natural para investigar con materiales de gap ancho,y es un intervalo en el que los semiconductores de gap estrecho, mejor establecidos,perdan eficiencia. Merecen especial mencin los trabajos llevados a cabo sobre estematerial por investigadores del ISOM entre 10 y 15 aos atrs [9598,101,126,132].En la actualidad ya es posible encontrar en el mercado electrnico dispositivosdetectores basados en esta tecnologa. Tal es el caso, por ejemplo, de los fotodiodosde AlGaN para deteccin de ultravioleta comercializados por SGlux con corte en300 nm y 350 nm. La demanda de detectores en estas bandas responda a diversostipos de aplicaciones, entre las que podemos destacar las comunicaciones pticas enespacio abierto y en agua, curado de materiales polimricos, purificacin de agua,monitorizacin y control de combustin, deteccin de llama, aplicaciones militaresy de control ambiental. Por otra parte, el desarrollo de dispositivos con contenido enindio se ha visto retrasado por las dificultades de utilizacin de capas de InGaN, porproblemas de concentracin residual y de fluctuacin y agrupamiento (clustering)de indio.

El paulatino avance logrado en los distintos parmetros de calidad de los de-tectores basados en nitruros se ha basado principalmente en tres ejes principales:la mejora de la calidad cristalina del material (tanto mediante mtodos que permi-tieran obtener una reduccin en la densidad de defectos de los binarios como en laoptimizacin de condiciones para crecer ternarios de buena calidad), la mejora deldopaje de tipo p (ms difcil para contenidos altos de aluminio), y la tecnologa decontactos. La mayora de los fotodetectores desarrollados se han fabricado sobrecapas en volumen, dado que proporcionan, en principio, una mayor sensibilidadal aumentar la absorcin, y con estructuras como los diodos de barrera Schottky,diodos p-n y p-i-n, fotoconductores y MSM.

Algunos de los trabajos recientes sobre nitruros van encaminados a la obtencinde mecanismos de ganancia que permitan la obtencin de una mayor seal. En este

5Referidos comnmente por los trminos visible-blind y solar-blind.

4

1.1 Estado de la tcnica

sentido, el acercamiento ms clsico al problema es la obtencin de ganancia pormultiplicacin de portadores o avalancha, habindose logrado un cierto xito endetectores de AlN [32], GaN [80, 195] y AlGaN [90, 176, 177]. Sin embargo, estosdetectores adolecen de ciertas desventajas, como la necesidad de ser operados aaltas tensiones de polarizacin, lo cual complica la electrnica asociada. Adems,el hecho de que las calidades cristalinas disponibles a da de hoy degradan sucomportamiento y limitan el rea mxima de estos dispositivos. Se han propuestomecanismos alternativos de ganancia, algunos de los cuales aprovechan las cuali-dades piezoelctricas de esta familia de materiales. Tales soluciones aprovechan lapresencia de pozos cunticos [145,147] e hilos cunticos [69]. No se debe olvidar laobtencin en detectores simtricos con ganancia fotoconductiva [44,64,101].

Alejndonos de lo que podramos considerar dispositivos estndar basadosen nitruros, podemos encontrar algunos trabajos que proponen la realizacin dedetectores en dos o mltiples bandas [1, 9]. Tambin hay propuestas para utilizarestos materiales forzando sus lmites de deteccin ms all de sus bandas de de-teccin naturales, en deteccin de altas energas [133], o de infrarrojo utilizandotransiciones inter-sub-banda en pozos cunticos [31,53].

Como se ha comentado anteriormente, el crecimiento de fotodetectores conun borde de absorcin que incluya regiones en el visible implica el aumento delcontenido de indio en las capas. Este aumento del contenido de indio conllevacasi ineludiblemente una prdida de calidad cristalina, que es ms acusada cuantomayores son el espesor crecido y el contenido de indio, deteriorando las cualidadespticas del dispositivo. Sin embargo, gran parte de estos problemas pueden sersuperados con la utilizacin de diodos de mltiple pozo cuntico de InGaN/GaN,habiendo demostrado estos dispositivos ser una solucin prometedora para la de-teccin en los intervalos UVA y visible, con bordes de deteccin abruptos, respon-sividades razonables y bajas corrientes de oscuridad [22, 149]. Adicionalmente, lapresencia de campos de polarizacin permite la adaptacin de los campos internosdel dispositivo [150].

El crecimiento de nitruros sobre planos no polares est recibiendo una crecienteatencin por parte de la comunidad cientfica, que ha visto en esta tecnologa laposibilidad de eliminar los efectos adversos de los campos de polarizacin en aque-llas arquitecturas de dispositivo en las que no se pueden utilizar favorablemente.El ejemplo ms destacado de esto es el aumento de la eficiencia radiativa en lospozos cunticos de los LED de InGaN/GaN [17,23,68]. El crecimiento sobre planos

5

1. Introduccin

no polares no slo conlleva la desaparicin de los posibles aspectos adversos de loscampos piezoelctricos, sino que tambin se produce una anisotropa ptica en elplano de crecimiento que ha sido utilizada para la fabricacin de fotodetectoressensibles a la polarizacin de la luz en un estrecho margen de frecuencias [46,148].

1.2. Demanda de aplicaciones

Tras exponer en la seccin anterior cules son las principales caractersticas delos nitruros y sus aplicaciones, y cules han sido los principales hitos y desarrollosen la deteccin de luz utilizndolos, se van a exponer ahora cules son algunasde las necesidades sin resolver, algunas de las aplicaciones, a las que se puededar respuesta utilizando dispositivos de nitruros, o que precisan desarrollo paramejorar los sistemas actuales. No se pretende hacer una descripcin exhaustiva,sino hacer un especial nfasis en las reas en las que el trabajo de este doctoradopuede haber supuesto un avance.

Alta temperatura

Si bien la mayora de los fotodetectores son utilizados a temperatura ambiente,hay aplicaciones en las que es un requisito indispensable la operacin a altas tem-peraturas. Tal es el caso, por ejemplo, de las aplicaciones espaciales, en las que laausencia de una atmsfera que amortige los cambios hace que las temperaturaspuedan variar entre las decenas de kelvin y los 100 oC. Adems, la exploracin deotros planetas puede requerir el diseo de sistemas completos que sean capaces desoportar altas temperaturas, de hasta 450 oC en el caso de Venus.

Las aplicaciones militares a menudo han tenido requisitos ms exigentes que lasindustriales, en cuanto a temperatura se refiere. Tanto es as, que la mayora de losproductores de semiconductores y componentes electrnicos a nivel mundial ofre-cen gamas de productos (o distintas versiones de los mismos) cuyo funcionamientose certifica en el intervalo militar de temperaturas, que a menudo alcanza hasta los125 oC. En ocasiones estas aplicaciones tambin requieren de la utilizacin de unfotodetector, que debera ser, tambin, capaz de funcionar a altas temperaturas.

Otra de las aplicaciones que requieren la operabilidad de fotodetectores a altastemperaturas es la deteccin y monitorizacin de llama. La obtencin de informa-cin espectral de una combustin puede ayudar a mejorar la calidad de esta, lo

6

1.2 Demanda de aplicaciones

cual puede tener enormes repercusiones econmicas en industrias como la metalr-gica. Para ello es necesaria la utilizacin de fotodetectores que, en mayor medida,sufrirn los efectos de una temperatura mayor que las habituales a causa de suproximidad con una fuente intensa de calor.

Polarizacin

De las distintas cualidades mensurables en la luz, la mayora de los aplicacioneshoy en da hacen uso nicamente de su distribucin espectral y/o potencia. El gradoy ngulo de polarizacin de la luz, sin embargo, puede dar lugar a distintas e in-teresantes posibilidades. Por ejemplo, de cara a la fabricacin de sensores qumicosy biolgicos, como es el caso de la deteccin de glucosa en sangre, la polarizacinde la luz puede aportar gran cantidad de informacin [27]. En el campo de lascomunicaciones, es conocida posibilidad de duplicar el ancho de banda de un en-lace transmitiendo un flujo de datos en cada de las dos polarizaciones ortogonales;sistemas similares en comunicaciones pticas podran beneficiarse de la existenciade fotodetectores con sensibilidad a la polarizacin.

Sensores qumicos de fotoluminiscencia

Una de las tcnicas para la medida de distintos parmetros qumicos, biolgicosy medioambientales con mayor desarrollo y perspectivas de crecimiento es la detec-cin de la fotoluminiscencia (fluorescencia, fosforescencia) de distintas sustanciascuyas caractersticas se ven alteradas por la variacin de dichos parmetros. Tal esel caso, por ejemplo, de la medida de concentracin de oxgeno utilizando complejosluminiscentes de rutenio [123].

Dichos sistemas poseen, a menudo, complejos subsistemas pticos, con elemen-tos costosos y separados entre s, utilizando fibras pticas para conducir la luz. Elresultado es un sistema poco porttil y econmicamente costoso. Muchas de estasaplicaciones se veran altamente beneficiadas de una importante reduccin en sucoste y tamao, de tal manera que se pudiera difundir su utilizacin (evaluacinde calidad del agua, anlisis de sustancias en sangre, saliva u orina). Sera, portanto, enormemente beneficioso, contar con soluciones que permitieran una mayorintegracin en la parte ptica de estos sistemas de luminiscencia.

7

1. Introduccin

1.3. Objetivos y estructura de la tesis

Dentro de este marco, en esta tesis se plantean una serie de estudios y rea-lizaciones, por un lado, para profundizar en el conocimiento de las propiedadesde ciertos dispositivos, y por otro lado, con el objetivo de fabricar dispositivosfotodetectores avanzados, que permitan superar algunas dificultades presentes enlos disponibles hoy en da, y que ofrezcan nuevas ventajas y alternativas a la horade disear ciertos sistemas optoelectrnicos especficos.

Si su ttulo es Contribucin al desarrollo y caracterizacin de fotodetectoresavanzados basados en nitruros del grupo III, su subttulo podra redactarse de lasiguiente manera:

Aprovechamiento de las cualidades nicas de los nitruros para el desarrollo dedetectores con mejores prestaciones en el visible, con sensibilidad a la

polarizacin de la luz, y la aplicacin en sistemas experimentales de medida deltiempo de vida de luminiscencia.

1.3.1. Caracterizacin en temperatura

Uno de los problemas de que adolecen gran parte de los fotodetectores actuales,principalmente los basados en silicio, es la imposibilidad de ser operados a altastemperaturas. Los semiconductores con gap estrecho experimentan una gran varia-cin de sus propiedades electrnicas al aumentar la temperatura, como por ejemplola concentracin intrnseca de portadores, que es fuertemente dependiente de la es-ta. Como consecuencia, estos dispositivos experimentan una rpida degradacin desus caractersticas al aumentar la temperatura, y su uso est desaconsejado a partirde 100 oC. Si bien la demanda de este tipo de fotodetectores no es importante, s esinteresante para determinado tipo de aplicaciones, como por ejemplo la detecciny monitorizacin de llama.

Al comienzo de este doctorado se esperaba que la utilizacin de semiconductoresde gap ancho, en concreto los basados en nitruros del grupo III, posibilitara lafabricacin de dispositivos con mejor comportamiento trmico. Con este propsitose han estudiado los siguientes tipos de dispositivos:

Dispositivos basados en silicio: si bien el estudio del comportamiento delsilicio en alta temperatura no es novedoso, se ha realizado un estudio terico

8

1.3 Objetivos y estructura de la tesis

de sus lmites y se han analizado los detectores disponibles comercialmente,como referencia para valorar la mejora que supone el uso de nitruros.

Dispositivos p-i-n de GaN en volumen: el estudio de dispositivos en volumenpermite una interpretacin ms sencilla de los resultados.

Dispositivos p-i-n de GaN con pozos cunticos de InGaN en su regin in-trnseca: este tipo de dispositivos permite la deteccin de luz en longitudesde onda mayores que los anteriores, introducindonos en el intervalo visible.Una de las ventajas de utilizar pozos cunticos es que las principales propie-dades elctricas del dispositivo van a estar marcadas por las caractersticaselectrnicas del GaN, siendo la influencia de los pozos cunticos mnima, ylogrando as independizar el comportamiento elctrico en alta temperaturade la longitud de onda de deteccin.

Dispositivos p-i-n de InGaN en volumen: el estudio de estos dispositivossirve como referencia para comparar la mejora lograda al utilizar dispositivosbasados en pozos cunticos.

La comparacin se ha basado en distintos parmetros de calidad del fotodetec-tor, si bien se va ha hecho especial hincapi en la caracterizacin del ruido, dadoque es en ltimo trmino (a travs de la detectividad), es el factor que limita lamnima cantidad de luz que el dispositivo es capaz de detectar.

1.3.2. Dispositivos sensibles a la polarizacin

Si bien los parmetros de inters en la mayora de las medidas optoelectr-nicas son la potencia ptica y la longitud de onda, no debemos olvidar que laluz tiene otras caractersticas cuya medida puede ser interesante en determinadassituaciones. Una de estas propiedades es el estado de polarizacin de la luz, quepuede proporcionar informacin de inters en distintos campos, como por ejemploen comunicaciones o en deteccin de fluorescencia. Con los dispositivos disponiblesa da de hoy, semejante caracterizacin requiere necesariamente la utilizacin demedios pticos para filtrar la luz incidente sobre el detector, dotando a este desensibilidad a la polarizacin.

La utilizacin capas crecidas en planos no polares de GaN puede aportar unnuevo camino para abordar este problema. El nitruro de galio es un material

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1. Introduccin

que presenta dicrosmo, debido a la asimetra de la red cristalina hexagonal, queproduce un desplazamiento de la longitud de onda de absorcin para luz polarizadaen orientaciones perpendicular y paralela al eje C, cuando esta incide normal aalguno de los planos no polares del dispositivo (A y M). Esto ya ha sido demostradosobre capas crecidas en el plano M, y en esta tesis se ha llevado a cabo la fabricaciny caracterizacin de dispositivos crecidos sobre el plano A. Se esperaba que estosdispositivos presentaran unas mejores caractersticas elctricas, debido a la mayorcalidad de las capas epitaxiales disponibles, que aquellas crecidas en el plano M.Se han fabricado dispositivos MSM de distintos interdigitados, con tamaos sub-micromtricos y micromtricos.

La fabricacin de dispositivos con interdigitados nanomtricos plantea el pro-blema de si la sensibilidad a la polarizacin es intrnseca, o por el contrario se debeal efecto geomtrico de la red de difraccin. Para comprobarlo y poder descartaresta posibilidad se ha realizado el depsito de redes de difraccin metlicas sobrefotodiodos de silicio. Adicionalmente, se ha intentado optimizar la fabricacin deun detector de silicio con una red de difraccin con el objetivo de comparar losdispositivos fabricados en nitruro de galio con otras posibilidades tecnolgicas.

1.3.3. Aplicacin en sistemas de medida de fluorescencia

La fluorescencia, o, de una manera ms general, fotoluminiscencia, es una pro-piedad de algunas sustancias consistente en la reemisin de luz en longitudes deonda largas tras haber sido excitada con fotones ms energticos. Esta tcnicaproporciona informacin sobre procesos qumicos y biolgicos, y encuentra unagran aplicacin en diversos campos de qumica analtica, anlisis medioambienta-les, anlisis clnicos, etc.

Durante el desarrollo de esta tesis doctoral he tenido oportunidad de trabajaren dos proyectos de investigacin que usan esta tcnica, lo cual me ha permitidoadquirir una visin multidisciplinar del sistema y poner los conocimientos sobrefotodetectores al servicio de una aplicacin real. Se pretende un estudio lo msamplio del sistema de instrumentacin, de tal modo que permita adaptar los foto-detectores y los mtodos de medida para proporcionar unas mejores prestacionesa estos sistemas.

En concreto, se pretenda funcionalizar con luminforos basados en rutenio unLED azul basado en InGaN/GaN. De este modo se habra podido lograr una mayorintegracin en el sistema. La eleccin de funcionalizar el emisor en vez del detector

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1.3 Objetivos y estructura de la tesis

responde al hecho de que es tecnolgicamente ms sencillo alcanzar con nitruros laslongitudes de onda correspondientes a la excitacin de los luminforos utilizados(en la banda azul) que las correspondientes a su emisin (en la banda roja).

La funcionalizacin del emisor para lograr una mayor integracin presenta ungrave problema instrumental con la seal de fondo proveniente del propio LED,por lo que se ha estudiado la manera de separar la seal de inters de la seal defondo.

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Captulo 2

Estudio de fotodetectores en altatemperatura

2.1. Introduccin

Los nitruros de metales del grupo III, en particular el GaN y el AlN, y losternarios o cuaternarios con contenido de indio bajo, son semiconductores de gapancho. Esto significa que no son materiales naturalmente dotados para la interac-cin (emisin, deteccin) de fotones poco energticos. Los fotones ms energticos(3.4 eV para el caso del GaN), sin embargo, s son absorbidos por esta familia demateriales, lo que los hace candidatos a ser utilizados como fotodetectores paraesos intervalos. Sin embargo, estos fotones ms energticos son tambin absorbidospor otros materiales como pueda ser el silicio, el germanio, u otros semiconductorescompuestos de gap estrecho que han alcanzado mayor madurez tecnolgica que elGaN. Intuitivamente, la utilizacin de materiales de gap estrecho para la deteccinde luz de corta longitud de onda es subptima: parece un derroche de energa lautilizacin de fotones de 3 eV para excitar un electrn de la banda de valenciaa la de conduccin del silicio, que requiere un salto de 1.12 eV. De hecho, lasnuevas tecnologas para la fabricacin de clulas fotovoltaicas permiten un mejoraprovechamiento de la energa solar mediante la absorcin escalonada de la luz encapas de semiconductores de gap adaptado a cada banda [70].

Desde el punto de vista de la fotodeteccin, es decir, de la obtencin de algunainformacin de la luz incidente sobre un detector, tampoco es ptimo utilizarmateriales de gap estrecho para fotones muy energticos. La energa del gap de

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2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

un semiconductor est estrechamente relacionada con la densidad intrnseca deportadores del mismo, ni. Esta, a su vez, est directamente relacionada con lacorriente de saturacin de una estructura rectificadora p-i-n. Esta corriente desaturacin es un parmetro fundamental en la determinacin de la calidad de unfotodetector, dado que influye negativamente en el nivel de ruido presente en lamedida. Por tanto, y como se ver en detalle ms adelante, cuanto menor sea elgap del semiconductor utilizado, mayor ser el ruido intrnseco al dispositivo.1

Para medidas a temperatura ambiente (RT, Room Temperature) el lmite in-trnseco de ruido de los fotodetectores debido al material de fabricacin no es elfactor limitante ltimo de la sensibilidad del sistema, al menos para fotodetecto-res de pequeo tamao.2 En las aplicaciones habituales a temperatura ambiente,usando dispositivos de silicio, el ruido presente en la electrnica (no refrigerada) deamplificacin de la fotocorriente es superior al causado por el propio fotodetector.Por ello, al menos en cuanto a ruido, no resulta justificado la utilizacin de unatecnologa mucho ms cara y menos madura.

Sin embargo, en aplicaciones en las que el fotodetector se encuentra necesa-riamente a una temperatura elevada, encontramos que las caractersticas de losfotodetectores basados en materiales de gap estrecho no son adecuados, mientrasque con los de gap ancho s es viable obtener medidas razonablemente libres deruido.

Durante el desarrollo de mi Proyecto de Fin de Carrera [111] (PFC),3 colaboren distintas tareas encaminadas al desarrollo y puesta en funcionamiento de unsistema de deteccin y monitorizacin de llama para calderas de gas. En esteproyecto se pretenda la deteccin y monitorizacin de la calidad de la llama, comoelemento de seguridad y para optimizar su rendimiento, mediante la deteccin endos bandas pticas relacionadas con dos picos de emisin de la quimiluminiscenciade los radicales OH* y CH* [130]. En una aplicacin como esta, en la que losfotodetectores estn situados muy cerca de una fuente intensa de calor, resulta deespecial importancia la utilizacin de fotodetectores cuyo comportamiento trmicoes tal que permite su utilizacin con niveles razonables de ruido.

1Naturalmente tambin es posible, mediante procesos poco optimizados, la fabricacin defotodetectores de gap ancho con psimos niveles de ruido.

2Entendiendo por pequeos los fotodetectores cuya rea activa es menor de 1 cm2.3Para obtener el ttulo de Ingeniero de Telecomunicacin por la Universidad Politcnica de

Madrid (UPM). Realizado durante el curso 2003-2004 en el Instituto de Sistemas Optoelectrnicosy Microtecnologa (ISOM) y Departamento de Ingeniera Electrnica (DIE) de la Escuela TcnicaSuperior de Ingenieros (ETSI) de Telecomunicacin.

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2.1 Introduccin

En este captulo, a modo de continuacin del trabajo iniciado durante el PFC,se ha hecho un estudio terico y experimental del comportamiento con la tempe-ratura de distintos parmetros de calidad de un fotodetector. Se han caracterizadoen alta temperatura fotodetectores basados en silicio, y en distintas estructurasbasadas en nitruros (p-i-n de GaN, p-i-n de InGaN, p-i-n de GaN con pozos cun-ticos), prestando especial atencin al nivel de ruido. Se presentan sucesivamentelas medidas realizadas a los distintos tipos de diodos, y se incluye finalmente unapartado en el que se comparan sus rendimientos.

2.1.1. La Detectividad especfica D

Aunque la caracterizacin en alta temperatura admite muchas dimensiones(velocidad, ruido, respuesta, degradacin) se ha considerado conveniente establecerla comparacin en trminos de la detectividad especfica [36,61]:

D =A fNEP

(2.1)

Donde A es el rea activa del detector, f es el ancho de banda elctrico conside-rado, y NEP es la potencia equivalente de ruido4 (Noise-equivalent power). D seexpresa habitualmente en cm Hz1/2/W. La ecuacin (2.1) puede ser reescrita dela siguiente forma [36]:

D =A fIn

< (2.2)

Donde < es la responsividad del fotodetector e In es el valor eficaz5 de la corrientede ruido a la salida. Normalizando el valor de la corriente de ruido por el ancho debanda considerado, obtenemos:

D =< Ain

(2.3)

Donde in es la densidad espectral de la corriente de ruido a la salida del detector,expresada en A/

Hz.

4La potencia equivalente de ruido se define como la potencia ptica que debe incidir sobre eldetector para que la relacin seal a ruido (SNR, Signal-Noise Ratio) sea 1.

5Se ha adoptado la notacin utilizada por Sergio Franco en su libro Design with operationalamplifiers and analog integrated circuits [40]: en, in se refieren, respectivamente, a la densidadespectral de la tensin de ruido (V/

Hz) y de corriente de ruido (A/

Hz), e2n, i2n a las densidades

15

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

La detectividad especfica, que representa la relacin entre la sensibilidad (res-ponsividad) del dispositivo y el ruido, normalizada por el rea y el ancho de bandaelctrico considerado, ofrece una cuantificacin muy apropiada para valorar la ca-lidad de un fotodetector a la hora de medir niveles pequeos de luz. Sin embargo,no debe olvidarse que, en funcin de la aplicacin, debern considerarse otrosparmetros, como el tiempo de respuesta o la linealidad con la potencia incidente.

Dentro de las fuentes de ruido intrnsecas al fotodetector es interesante destacarlas siguientes [36, 85]:

Ruido trmico o Johnson: causado por el movimiento trmico de las part-culas cargadas. Para un resistor de valor R, a una temperatura T , el valoreficaz de la corriente de ruido est determinado por la expresin:

In,J =

4kTf/R (2.4)

Donde k es la constante de Boltzmann y f es el ancho de banda conside-rado.

Ruido de disparo o shot : causado por la naturaleza discreta de los portadoresde carga, cuya generacin obedece a una distribucin de Poisson, resultandoen la siguiente expresin para el valor eficaz de la corriente de ruido:

In,shot =

2qif (2.5)

Donde q es la carga del electrn, y i es la corriente media que atraviesa eldispositivo.

Ruido de generacin-recombinacin: causado por las fluctuaciones en la gene-racin de portadores de carga y su recombinacin. Esta contribucin no debeser tenida en cuenta para detectores que poseen una barrera de potencial yfuncionan en modo fotovoltaico, sino para aquellos que funcionan en modofotoconductivo [36].

Ruido 1/f : este ruido ha sido ampliamente estudiado y se han propuestomltiples hiptesis sobre su origen [85]. Recibe su nombre de su distribucin

espectrales de potencia (PSD, Power Spectral Density) de ruido de tensin (V2/Hz) y de corriente(V2/Hz), y En, In a los valores eficaces o rms (root mean square).

16

2.2 Tcnicas experimentales

espectral:

i2n =i2n,1Hzf

, 1 (2.6)

Fluctuaciones de temperatura: la ausencia de un equilibrio trmico en elsistema de medida y el dispositivo durante la medida es causa de ruido en lamisma.

Microvibraciones: los desplazamientos mecnicos del sistema son tambinfuente de ruido.

De todas estas fuentes de ruido, se van a considerar especialmente6 el ruidotrmico y el 1/f . En cuanto al 1/f , no se encuentra presente en los detectoresfuncionando en modo fotovoltaico, por lo cual ser caracterizado en estudios bajopolarizacin elctrica. Por tanto, en fotodetectores funcionando en modo foto-voltaico el ruido trmico queda como la contribucin ms relevante al ruido deldispositivo.

Expresin de la variacin con la temperatura. La detectividad sufre, enla mayora de los dispositivos, una degradacin con la temperatura que respondea una ecuacin exponencial. De forma anloga a como es costumbre expresar undecaimiento exponencial en el tiempo mediante el tiempo de vida, que se corres-ponde como el tiempo tras el cual la magnitud medida ha disminuido en un factor1/e, en este texto se va a expresar la tasa de cada de la detectividad utilizando laexpresin una dcada por x Kelvin. Esta forma de expresarlo permite visualizarinmediatamente la magnitud de la degradacin, dado que proporciona una estima-cin directa de la variacin trmica necesaria para producir un cambio de un ordende magnitud. Sin embargo, tngase en cuenta para aquellas degradaciones que noson constantes con la temperatura, que, aunque sea expresada de esta manera,sigue siendo una tasa puntual, y no una tasa media en un intervalo amplio.

2.2. Tcnicas experimentales

En los siguientes apartados se describen las tcnicas que se han utilizado eneste captulo. En la seccin 2.2.1 se resumen los principales procesos necesarios

6Para una justificacin, consultar la seccin 2.2.4.

17

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

para la fabricacin de los fotodetectores. Por otra parte, la caracterizacin de fo-todetectores conlleva la utilizacin de distintas tcnicas para estudiar sus distintaspropiedades; en la seccin 2.2.2 se hace un repaso general de las principales, paraprofundizar en las siguientes secciones en los mtodos usados para la caracteriza-cin del ruido.

2.2.1. Crecimiento y fabricacin de los fotodetectores

El proceso por el cual, a partir de las materias primas, se obtienen fotode-tectores como los caracterizados en este captulo se puede dividir en dos grandesbloques: el crecimiento del material y la fabricacin en s de los dispositivos.

El crecimiento consiste en creacin de una estructura epitaxial con una estruc-tura en capas caracterizadas por su espesor, composicin y dopaje, que hacen debase para la fabricacin de un dispositivo con unas caractersticas determinadas.Dado que las propiedades de los semiconductores estn ntimamente relacionadascon su estructura cristalina, es importante que las capas crecidas reproduzcanesta estructura lo mximo posible, idealmente formando un nico monocristal sindefectos. Existen diversidad de tcnicas de crecimiento, de las que es convenientedestacar las dos por las que se han fabricado los fotodetectores de este captulo: elepitaxia de haces moleculares (MBE,Molecular Beam Epitaxy) y la epitaxia en fasegaseosa de organo-metlicos (MOVPE, Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy). Enla primera el crecimiento se produce por la incidencia de haces moleculares de lassustancias constituyentes del semiconductor sobre un sustrato a alta temperaturaen un ambiente de ultra-alto vaco; en estas condiciones, los tomos tienden aocupar posiciones de mnima energa en la superficie, que son, precisamente, lasque les corresponden por la estructura cristalina. En la segunda, los constituyentesdel semiconductor son transportados por complejos orgnicos en un ambiente sinvaco, reaccionando sobre la superficie del semiconductor, y reproduciendo la es-tructura cristalina del sustrato. Ambos mtodos poseen ventajas e inconvenientes,en los que no se va a ahondar aqu al no haber formado parte de mi trabajo elcrecimiento de semiconductores.

En cuanto a la fabricacin, tpicamente abarca los procesos de ataque mesa,depsito y aleacin de contactos, y soldadura, siendo necesaria la litografa comopaso intermedio en cada uno de los pasos:

Litografa: es el proceso clave para poder hacer procesos en la superficie

18

2.2 Tcnicas experimentales

semiconductora sin afectar a la totalidad de la misma, de manera que sepuedan definir distintas partes con distintas funciones en ella. El proceso delitografa comienza con el depsito de una capa fina y uniforme de resinasobre la superficie de la muestra, lo cual se logra por un proceso de girado ocentrifugado (spinning) a 3000-5000 rpm. Esta resina es sensible a la inciden-cia de luz de determinada energa, tpicamente ultravioleta,7 de modo quesus propiedades qumicas cambian y su comportamiento al ser introducida enel lquido revelador (es decir, si se disuelve, o, por el contrario, permanece) esdistinto tras la exposicin. Para discriminar qu parte de la superficie debepermanecer y cul debe ser eliminada, la exposicin se hace a travs de unamscara, tpicamente un vidrio o cuarzo con un diseo metlico opaco, amenudo fabricado en cromo. Una vez la resina ha sido revelada puede serutilizada en subsiguientes procesos para diferenciar partes funcionales deldispositivo.

Ataque mesa: consiste en la eliminacin de parte del material semiconductorde algunas partes de la oblea para poder acceder a capas inferiores que queda-ron enterradas durante el crecimiento (como la capa n en un diodo p-n) o paraaislar distintas partes del dispositivo. Este ataque se puede llevar a cabo pordistintos mtodos, fsicos, qumicos, o hbridos. Los ataques qumicos suelenser menos anistropos, produciendo perfiles ms suaves, mientras que losfsicos producen mejores perfiles pero tienden a daar ms las superficies. Elataque por iones reactivos (RIE, Reactive Ion Etching) es un mtodo hbridoque combina la accin fsica de erosin de iones acelerados por un plasmacontra la superficie de la muestra con la accin qumica de algunos de esosiones, logrando un equilibrio entre ambos mecanismos. Es muy utilizado porsus buenos resultados y alta reproducibilidad, y gran capacidad de controldel proceso. Para poder diferenciar qu partes se atacan y cules no, sernecesario un proceso litogrfico para que la resina que permanece proteja laspartes que deben resultar intactas.

Depsito y aleacin de contactos. Este paso es fundamental para poder haceruna interfaz entre el exterior del dispositivo, donde las seales se mueven porcables conductores metlicos, y el interior del mismo, donde los electrones y

7Durante mi doctorado tambin he utilizado resinas sensibles a la incidencia de un haz deelectrones, lo cual permite la definicin de patrones nanomtricos.

19

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

huecos se mueven en el potencial peridico de una red cristalina semiconduc-tora. Los metales son evaporados en cmaras donde se ha hecho vaco y estosvapores se depositan sobre la muestra, formando la capa metlica deseada.Dependiendo de cmo sea esta evaporacin, hablaremos de un depsito Joule(la evaporacin se produce por el calentamiento de una resistencia metlicapor la que se hace circular una corriente de varios amperios) o por haz deelectrones (la evaporacin se produce por un calentamiento local producidopor un intenso haz de electrones acelerados). Dado que el depsito se realizaigual en toda la muestra, ser necesario proteger partes de esta por un procesolitogrfico, realizndose al final un proceso de levantamiento de la resina olift-off, que arrastra el metal depositado sobre ella. Tras el depsito, y depen-diendo del tipo de contacto que se quiera crear (hmico o Schottky), puedeser necesario el aleado de los mismos, que consiste en calentar la muestraa determinada temperatura durante un tiempo en un ambiente inerte paraevitar la oxidacin. Si la temperatura es elevada y el tiempo de calentamientocrtico de cara al resultado, este proceso se puede realizar en un horno dealeado trmico rpido (RTA, Rapid Thermal Annealing), que realiza unasubida y/o bajada de temperatura de pendiente controlada y rpida.

Soldadura o bonding : tras los procesos anteriormente descritos, el dispositivopuede ser caracterizado en una estacin de puntas, pero si bien esto es tilpara su caracterizacin preliminar, es poco prctico para su manipulaciny utilizacin. Por ello las muestras se suelen adherir a un porta-muestras(los utilizados en esta tesis han sido del tipo TO5 y TO8), y sus contactossoldados con un hilo metlico de oro o aluminio a un terminal fcilmentemanipulable con los dedos. La microsoldadora logra la adhesin del hilo alcontacto metlico y el terminal mediante la aplicacin de presin, tempera-tura, y ultrasonidos.

Si bien no todos los dispositivos utilizados en este captulo han sido fabricadospor m, he tenido durante mi tesis la oportunidad de aprender a realizar todosestos procesos tecnolgicos para la fabricacin de fotodetectores.

2.2.2. Caracterizacin de fotodetectores

Aunque son muchas las propiedades que se pueden caracterizar en un foto-detector, quiz la ms especfica de este tipo de dispositivos es la respuesta a la

20

2.2 Tcnicas experimentales

luz.La respuesta espectral de los fotodetectores, es decir, su responsividad (rela-

tiva) en funcin de la longitud de onda de deteccin, ha sido caracterizada conla ayuda de una lmpara de Xenon y un monocromador Jobin Ybon de 25 cm,utilizando los elementos pticos adecuados para focalizar el haz incidente sobre lamuestra y maximizar la seal. Las medidas se han realizado pulsando el haz con untroceador o chopper mecnico, y detectando el nivel de alterna con amplificadorlock-in SR530 de Stanford Research Systems. La medida en alterna proporcionauna mayor robustez en la medida, eliminndose automticamente los errores decontinua (luz ambiente, etc.). En todos los casos se ha comprobado que la respues-ta del fotodetector es lo suficientemente rpida, de modo que se puede considerarla respuesta en alterna igual a la respuesta en continua. El espectro de emisindel conjunto ha sido caracterizado con un fotodiodo S1336-8BQ de HamamatsuPhotonics, del que se solicit una calibracin entre 200 nm y 1200 nm.

La respuesta absoluta de los fotodetectores, es decir, la medida de su responsi-vidad en A/W, se hizo utilizando un lser de He-Cd de 325 nm.

En cuanto a las medidas elctricas, se realizaron con dos analizadores de par-metros de semiconductores, el 4145B y el 4156C de Hewlett Packard - Agilent.

Para las medidas en baja temperatura se utiliz un criostato estndar de ciclocerrado de Helio, con una temperatura mnima de funcionamiento de aproximada-mente 10 K. Las medidas en alta temperatura se realizaron con una estacin dealta temperatura con acceso ptico diseada y fabricada para el ISOM por Jmicro.Dicha estacin permite realizar medidas en corriente continua y radiofrecuencia detemperatura ambiente hasta aproximadamente 350 oC.

2.2.3. Caracterizacin del ruido de baja frecuencia

El ruido de baja frecuencia se ha caracterizado con un analizador dinmicode seal SR780 de Stanford Research Systems. El SR780 cuenta con dos canalesde entrada de alta sensibilidad cuya entrada se amplifica, digitaliza y procesadigitalmente para calcular la densidad espectral de seal en un intervalo de fre-cuencias determinado. Su frecuencia mxima de funcionamiento es de 100 kHz, ysus entradas tienen un ruido menor de 10 nVrms/

Hz.

Dado que lo que se pretende medir es la distribucin espectral del ruido encorriente, no en tensin, es necesario el uso de un amplificador de transimpedanciapara convertir la seal del fotodetector en tensin. Para ello se dise y fabric

21

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

un amplificador de bajo ruido, en parte basado en el trabajo realizado por el Dr.Javier Miguel durante la realizacin de su PFC [154].

El esquema bsico del amplificador se ha representado en la parte (a) de lafigura 2.1, en la que tambin se ha desarrollado el circuito equivalente del foto-detector en modo fotovoltaico (b). Consiste, bsicamente, en un amplificador detransimpedancia cuya red de realimentacin es un circuito RC paralelo.

Figura 2.1: Esquema del amplificador de transimpedancia conectado a un fotodiodo(a) y circuito equivalente del mismo (b).

Aunque frecuentemente se encuentran amplificadores de transimpedancia conred de realimentacin en T, esta configuracin no es apropiada para la fabricacinde un amplificador de bajo ruido. El efecto principal de la red de realimentacin enT es la consecucin de una resistencia de realimentacin efectiva alta, aunque si sehace un estudio riguroso del ruido [40] se puede observar que esta configuracin esequivalente a la de una sucesin de dos etapas de amplificacin, una de transimpe-dancia y otra de tensin, en la que el ruido final est limitado por la resistencia derealimentacin de la primera etapa (que se corresponde con la primera resistenciade la red en T). Dado que se dispone de un instrumento con alta sensibilidad paracaracterizar el ruido en tensin, se opt por la red de realimentacin simple RC,en una sola etapa.

En un circuito como el descrito en la figura 2.1, y siendo en y in la tensin y lacorriente de ruido a la entrada del amplificador operacional, el ruido de tensin ala salida para frecuencias intermedias8 e2no viene dado por la expresin:

e2no =

(Rf +RSRS

en

)2+ (Rf in)

2 +R2f4kT

Rf ||RS (2.7)

en la que se pueden apreciar las contribuciones debidas a la amplificacin de la8Frecuencias intermedias es la regin en la que el espectro se corresponde con un ruido blanco,

por encima del ruido de baja frecuencia y por debajo del primer polo o cero del amplificador.

22

2.2 Tcnicas experimentales

tensin y corriente de ruido del amplificador, y al ruido trmico de las resistenciasque forman parte del amplificador. Es importante notar que tanto en el primertrmino como en el ltimo hay una dependencia con la resistencia paralelo deldispositivo RS, aunque con distintas implicaciones. En el primer trmino esta de-pendencia se debe a que el ruido de tensin del operacional es amplificado porla ganancia no inversora 1 + Rf/RS, por lo que esta contribucin se considerarparte del fondo del sistema. En el tercer trmino se debe al ruido trmico generadoen la propia resistencia RS. La parte de este ltimo trmino correspondiente aRS se considerar parte del ruido a medir, mientras que el procedente de Rf seconsiderar parte del fondo del sistema.

La eleccin del amplificador operacional variar en funcin de las caractersticasdel dispositivo a medir. As, si la impedancia de este es muy baja, convendr elegirun amplificador de baja en, mientras que si esta es alta, pasa a ser limitante el valorde in. En este caso se ha escogido un amplificador con un compromiso entre ambosextremos, el OPA627 de Burr-Brown, con en = 4.5 nV/

Hz, in = 1.6 fA/

Hz

En la figura 2.2 se ha representado el ruido blanco del sistema a frecuenciasintermedias, en funcin de la resistencia de entrada RS, para varios valores de Rf .Los smbolos son valores experimentales, y las lneas la prediccin terica a partirde la ecuacin (2.7). Los smbolos en RS = 1 T corresponden al caso de circuitoabierto a la entrada.

La sensibilidad de este amplificador viene determinada por la corriente de ruidoequivalente a la entrada ini, que se obtiene dividiendo el ruido en tensin a la salidaeno (ecuacin (2.7)) por la ganancia de transimpedancia Rf del amplificador:

i2ni =

(en

RS||Rf

)2+ i2n +

4kT

RS||Rf (2.8)

Aunque de la observacin de la ecuacin (2.7) pueda parecer que al aumentar elvalor de Rf aumenta el ruido del sistema, al considerar la ecuacin (2.8) se puedededucir que la sensibilidad del sistema de medida de ruido ser mayor cuanto mayorsea esta. Al aumentar su valor, algunas de las contribuciones a eni crecen con Rfy otras crecen con R1/2f , mientras que la seal de inters crece con Rf , que es laganancia del amplificador. Para aumentar la sensibilidad del amplificador usaronresistencias de hasta 1 G. Es importante notar que este efecto slo se consigue si laresistencia que se coloca entre los terminales V y Vout del amplificador operacionaltiene este valor, y no si esta ganancia se consigue con una red de realimentacin

23

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

1 100 10k 1M 100M 10G 1T

10

-8

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

R

f

10k

100k

1M

10M

100M

Densidad espectral de ruido a la salida e

no

(V

rms

/Hz

1/2

)

Resistencia del dispositivo R

s

( )

1G

Figura 2.2: Nivel de ruido a la salida del amplificador de bajo ruido: prediccinterica (lneas) y valores experimentales (smbolos).

en T. En la figura 2.3 se puede observar la prediccin terica de la sensibilidad delsistema en funcin de las resistencias RS y Rf .

Cuando se pretenden medir bajos niveles de ruido bajo altas ganancias detransimpedancia, como es el caso, puede suceder que el nivel de continua de laseal sature completamente la primera etapa del amplificador. Una posible solucinpara esto sera incluir una etapa de filtrado pasoalto. La desventaja de esta ltimasolucin es que esta etapa de filtrado modificara considerablemente el ruido de bajafrecuencia que se pretende medir. Por ello, se ha optado por aadir a la entrada unrestador de corriente, que consiste en unir el terminal negativo del amplificador auna tensin constante y regulable a travs de una resistencia del valor apropiado.Para evitar que esta etapa aada ruido al sistema, se ha utilizado en la generacinde esta tensin continua un potencimetro que hace variar la tensin del cursorentre dos valores de tensin estabilizados con diodos zener de 5 V.

Para terminar con la descripcin del amplificador es conveniente resumir surespuesta en frecuencia, dado que hasta ahora slo se ha considerado el nivel de

24

2.2 Tcnicas experimentales

10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 100G 1T

10

-15

10

-14

10

-13

10

-12

10

-11

10

-10

10

-9

R

f

Densidad espectral de ruido a la entrada i

ni

(A

rms

/Hz

1/2

)

Resistencia del dispositivo R

s

( )

10k

100k

1M

10M

100M

1G

Figura 2.3: Prediccin terica del nivel de ruido a la entrada del amplificador debajo ruido.

ruido blanco a frecuencias intermedias. Observando el esquema de la figura 2.1se puede apreciar que la red de realimentacin corresponde con la de un filtropaso-bajo, incluso aunque la capacidad Cf est presente nicamente en forma deparsito. La frecuencia de corte de dicho filtro ser fp = (2piRfCf )1 [40]. Alaumentar la ganancia de transimpedancia Rf disminuye la frecuencia fp, como sepuede observar en la figura 2.4. En esta figura tambin se puede apreciar cmo elpropio amplificador tiene ruido de baja frecuencia de tipo 1/f (lo cual concuerdacon las especificaciones, ya que en no es plano). Dicho ruido queda enmascarado porel ruido blanco de los dos segundos trminos de la ecuacin (2.7) en los intervalosde frecuencia caracterizados al aumentar Rf por encima de 100 M. Tambin sepueden apreciar en la figura 2.4 los picos de interferencia de la red elctrica (50 Hz)y sus armnicos.

25

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

100mHz 1Hz 10Hz 100Hz 1kHz 10kHz 100kHz

10

-8

10

-7

10

-6

10

-5

1 G

100 k

1 M

10 M

Densidad espectral de ruido a la salida

(V

rms

/Hz

1/2

)

Frecuencia (Hz)

100 M

Figura 2.4: Densidad espectral de ruido a la salida del amplificador.

2.2.4. Medida del ruido en modo fotovoltaico en muestrasde alta impedancia

En muchas de las muestras estudiadas la magnitud del ruido en modo fotovol-taico est por debajo del fondo de ruido del sistema experimental utilizado (para unfondo 1029A2/Hz como el de nuestro sistema, esto ocurre para los fotodetectorescon una resistencia paralelo mayor de 1 G).

Tal y como se desarrolla en el tercer captulo del libro Optical Radiation De-tectors de E. L. Dereniak y D. G. Crowe [36], para un fotodetector en modofotovoltaico, y bajo ciertas premisas, podemos asumir que la mayor contribucinal ruido es la del ruido trmico. El ruido de tipo 1/f es proporcional a la corrientede continua que atraviesa el dispositivo, por lo que es posible eliminarlo operandoel dispositivo de manera que se anule la corriente media; adems, ser irrelevantea la hora de medir una seal ptica modulada, que ser el modo de operacinnormalmente preferido en caso de tratar con fotocorrientes muy bajas. La otracontribucin relevante, el ruido shot, es intrnseco a la propia radiacin incidenteque se pretende medir, y por tanto nada se puede hacer para reducirlo en el propiodetector. Su valor depende de la tasa media de absorcin de fotones: para tasasaltas, aunque el ruido ser alto, tambin lo ser la propia seal a medir; para tasas

26

2.2 Tcnicas experimentales

bajas, la contribucin del ruido shot ser despreciable en comparacin con el ruidotrmico.

En este modo de operacin, el dispositivo se puede modelar como una fuentede corriente con una resistencia en paralelo (shunt). Esta resistencia es la quedetermina el nivel de ruido trmico presente en el dispositivo y puede ser obtenidade la siguiente manera:

R1S =di

dv

v=0

(2.9)

Utilizando las ecuaciones (2.3) y (2.4), la expresin de la detectividad especficalimitada por ruido trmico quedara [36]:

D = 5 1010 cm2. Esto se traducira, para un fotodetector de silicio conuna respuesta de11 0.6 A/W a 950 nm (correspondiente a una eficiencia cunticaexterna = 0.78), y a temperatura ambiente, en una detectividad D = 1.0 1015 cm Hz1/2/W.

Sin embargo, este valor de RSA est obtenido para el caso en que el espesor de lacapa superior (tpicamente p) es mayor que la longitud de difusin. El diseo tpicode un fotodetector de tipo p-i-n incluye una capa superior estrecha para favorecerque la absorcin de la luz en la regin intrnseca, lo cual aumenta considerablementela velocidad de respuesta. Dado que el coeficiente de absorcin del silicio en elvisible es aproximadamente 104 cm1 = 1 m1, el espesor de la capasuperior va a ser casi inevitablemente menor que la longitud de difusin (para undopaje de Na = 1019 cm3 la longitud de difusin en silicio tipo p sera del ordende 5 m). Aunque un fotodiodo puede tener distintos diseos, en funcin de qufigura de mrito se desee potenciar para una aplicacin concreta [51], difcilmentese lograr alcanzar el nivel de RSA mximo. En el cuadro 2.1 se muestran algunosejemplos de fotodiodos comerciales de silicio de diversos fabricantes, junto con surespectivo RSA.

Como se puede observar, los valores estn tpicamente comprendidos entre 107

y 1010 cm2. Los que mayor producto RSA presentan, de Hamamatsu Photonics,se quedan aproximadamente a un orden de magnitud del mximo terico.

11Ntese que 950 nm corresponde a la regin infrarroja del espectro electromagntico. En laregin visible, la responsividad disminuye por la mayor energa de los fotones, siendo tpicosvalores de 0.2 A/W para luz violeta o 0.4 A/W para luz roja.

34

2.3 Fotodiodos de silicio

Fabricante Fotodiodo rea activa RS RSA(mm2) (G) ( cm2)

Hamamatsu Photonics

S1133 6.6 100 6.6 109S1136-33 33 0.4 1.3 108S1227-1010 100 2 2.0 109S2387-1010 100 5 5.0 109S2387-130 35 20 7.0 109

CentronicsOSD100-7 100 0.2 2.0 108OSD5.8-7 5.8 3 1.7 108OSD35-5 35 0.1 3.5 107

Pacific Sensors PS100 100 0.2 2.0 108

PS50 50 0.3 1.5 108OSI Optoelectronics UV-100 100 0.01 1.0 107

Cuadro 2.1: Producto RSA de algunos fotodiodos comerciales de silicio.

Evolucin trmica

Si analizamos la ecuacin (2.14) y recurrimos a los conocimientos que se tienensobre el comportamiento las propiedades de semiconductores en alta temperatura,podemos observar que casi todos los parmetros presentan una variacin con latemperatura, como n2i , Dp, Dn, Lp, Ln, y, por supuesto, T . Esta variacin trmicase puede reducir a la expresin [171]:

I0 T (3+/2)exp(EgkT

)(2.15)

donde Eg es la energa del gap y es una constante relacionada con la variacintrmica del coeficiente de difusin y del tiempo de vida medio de los portadoresminoritarios. Segn Sze,12 la variacin del trmino potencial de T es despreciable,y podemos aproximar la variacin trmica de I0 (y por tanto de RS) al trminoexponencial exp(Eg/kT ), relacionado con el aumento con la temperatura de ladensidad intrnseca de portadores ni.

Esta dependencia supone una disminucin de la resistencia paralelo RS de unfotodiodo de aproximadamente una dcada cada 20 K a temperatura ambiente.Esta prediccin se ajusta notablemente bien a las curvas proporcionadas en lashojas de caractersticas de Hamamatsu Photonics y OSI Optoelectronics, los nicos

12Ver Physics of Semiconductor Devices, S. M. Sze, apartado 2.3, para una discusin sobre lacaracterstica IV de los dispositivos de unin pn [171].

35

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

fabricantes de los anteriormente mencionados que incluyen esta informacin, ynicamente hasta 80 oC y 100 oC, respectivamente. Esta tendencia conlleva unaprdida en la detectividad de los detectores muy acusada con la temperatura. Dehecho, en las hojas de caractersticas de estos fotodetectores, se especifican unosintervalos de temperatura mximos para almacenamiento y operacin que rara vezsuperan los 125 oC y los 100 oC, respectivamente.

Valores tericos de GaN

Haciendo unos clculos similares para el nitruro de galio, con valores obtenidosde la literatura [4,5,12], se obtiene el valor mximo del producto resistencia-rea:RSA > 1048 cm2, casi 40 rdenes de magnitud mayor que la del silicio. Estasorprendente diferencia se debe a la gran diferencia en la concentracin intrnse-ca de portadores ni de ambos semiconductores, que a su vez se explica por sudependencia exponencial con el gap Eg.13

Este estudio terico deja patente un hecho: no es eficiente utilizar semiconduc-tores de gap estrecho para la deteccin de fotones muy energticos, porque un gapestrecho significa ms ruido. Por tanto, si se desea utilizar un fotodetector para ladeteccin de luz visible o ultravioleta, ser conveniente, al menos desde el puntode vista del ruido, utilizar uno cuyo gap se ajuste lo mximo posible a los fotonesobjetivo.

En cuanto a la dependencia trmica, la prediccin terica estima una degrada-cin de una dcada cada 5 K a temperatura ambiente y cada 20 K a 300 oC. Elhecho de que esta disminucin sea mucho ms acusada que la del silicio se debe,nuevamente, a la dependencia exponencial con el gap.

Desafortunadamente, la tecnologa de nitruros no est tan desarrollada comola del silicio, y no es posible acercarse tanto al lmite terico como en el casode los fotodetectores de silicio. La falta de disponibilidad de un sustrato parahomoepitaxia tiene como consecuencia la gran concentracin de defectos de dis-tintos tipos en el material, y la corriente de oscuridad en uniones pn es muchomayor que lo predicho tericamente. An as, como se ver ms adelante en estecaptulo, los fotodetectores basados en nitruros presentan unas caractersticas de

13En el libro Physics of Semiconductor Devices, de S. M. Sze, segunda edicin (no en la tercera),pgina 748, se puede encontrar una figura en la que se representa la detectividad mxima tericay la tpica de varios semiconductores en funcin de la longitud de onda, donde se puede observarclaramente este comportamiento exponencial tan acusado.

36

2.3 Fotodiodos de silicio

ruido a temperatura ambiente comparables a las del silicio, y un comportamientotrmico mejor, siendo posible utilizarlos sin degradacin en un amplio intervalo detemperaturas.

2.3.3. Caracterizacin

Para la caracterizacin de la evolucin trmica se eligi el fotodiodo de siliciocomercial OSD5.8-7Q de Centronic, cuya superficie til es de 5.8 mm2. Los foto-diodos de la serie 7 de Centronic estn optimizados para su funcionamiento en laregin ultravioleta del espectro. Presentan una resistencia paralelo elevada, muchomayor que la de la mayora de los fotodiodos de propsito general. Adicionalmen-te, est disponible comercialmente en encapsulado TO5, muy conveniente para sucaracterizacin en la estacin de alta temperatura del ISOM.

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

Responsividad (A/W)

Longitud de onda (nm)

25

o

C (prev.)

25

o

C (post.)

50

o

C

75

o

C

100

o

C

125

o

C

150

o

C

Figura 2.6: Respuesta espectral para varias temperaturas del OSD5.8-7Q durantela subida del ciclo trmico, y al final del mismo (lnea discontinua).

En la figura 2.6 se muestra la respuesta espectral del fotodiodo de silicio entre250 nm y 400 nm, cada 25 K, entre 25 oC y 150 oC. Tambin se muestra, en lneadiscontinua, la respuesta a temperatura ambiente tras el ciclo trmico. Como sepuede observar, la respuesta vara en aproximadamente un 20% para fotones muy

37

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

energticos, mientras que vara menos para luz ms cercana al visible. Esta mayorvariacin se debe, posiblemente, a que al ser el coeficiente de absorcin del siliciomayor en el ultravioleta que en el visible, la absorcin se produce ms cercana a lasuperficie, y por tanto la corriente que produce es ms sensible a variaciones que latemperatura provoca en la estructura del dispositivo y las propiedades del material(cambio en movilidad, tiempos de recombinacin, densidad de portadores, anchode la zona de carga espacial, etc.). Tambin se puede observar que hasta 100 oCla variacin es montona y bastante homognea, mientras que a 125 oC parecehaber un cambio de tendencia, con un menor aumento de la fotocorriente o inclusodisminucin cerca del visible, y que a 150 oC la respuesta tiene un importantedescenso. Se puede observar, como era esperable, que el nivel de ruido va claramenteen aumento con la temperatura. Por ltimo, comparando las curvas a 25 oC antes ydespus del ciclo trmico (lneas negras, continua y discontinua, respectivamente),se observa que las propiedades del dispositivo se han visto afectadas, aumentandosu responsividad. Dado que el silicio no es el material objeto principal de estatesis, no se ahond en la caracterizacin de los efectos de la temperatura, pero esinteresante notar que el paso por 150 oC no deja intacto el dispositivo, y que esto,independientemente de que el cambio sea a mejor o peor, es una desventaja entrminos de metrologa, dado que una variacin incontrolada en las propiedadesdel dispositivo aumenta la incertidumbre de la medida que se pretende hacer conl.

Durante el ciclo trmico se midi, para cada temperatura, la curva IV deldispositivo, para obtener la resistencia paralelo a partir de la ecuacin (2.9). Losvalores de esta resistencia se muestran en la figura 2.7.

La resistencia paralelo medida a 25 oC tiene un valor de 1.0 G, por encimadel valor garantizado en la hoja de caractersticas del dispositivo, 0.5 G, peropor debajo del valor tpico,14 3 G. Teniendo en cuenta que su superficie til es de5.8 mm2, obtenemos un valor de RSA = 5.8 107 cm2, aproximadamente tresrdenes de magnitud por debajo del lmite terico. En cuanto a la dependenciatrmica, el valor de RS cae aproximadamente a un ritmo de una dcada cada 18 Ka temperatura ambiente, lo cual es perfectamente consistente con los valores pre-dichos tericamente y descritos en las hojas de caractersticas de otros fotodiodosbasados en silicio.

14El valor tpico, segn la hoja de caractersticas, est medido a 22 oC. Una extrapolacinde la medida de la resistencia paralelo en nuestro dispositivo a esa temperatura dara un valorRS = 1.5 G. Ntese cun acusada es la dependencia trmica en el silicio, en el que el valor de

38

2.3 Fotodiodos de silicio

25 50 75 100 125 150

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

Resistencia paralelo R

S

(

)

Temperatura (

o

C)

Detectividad especfica D* (cmHz

1/2

/W)

Figura 2.7: RS y D en funcin de la temperatura del fotodiodo OSD5.8-7Q.

Tambin en la figura 2.7 se ha representado el valor de la detectividad especficaD en funcin de la temperatura, calculado para este fotodiodo a partir de suresponsividad y el valor de la resistencia paralelo RS. Como se puede observar, lacada de D con la temperatura es de aproximadamente una dcada cada 40 K atemperatura ambiente, es decir, muy acusada. A 150 oC la detectividad ha cadocasi tres rdenes de magnitud con respecto a su valor a temperatura ambiente, ylos detectores estn al lmite de sus posibilidades de uso.15

Aunque no se encontraba entre los objetivos de este captulo la realizacinde un estudio riguroso de los efectos sobre las caractersticas de los dispositivosde una exposicin prolongada a altas temperaturas, en todos ellos se realiz lacaracterizacin elctrica tras el ciclo trmico (en muchos, de hecho, durante toda laetapa de bajada de temperatura) y en gran parte de ellos tambin la caracterizacinde la respuesta espectral. Esta ltima slo se vio modificada en el caso del silicio,resultando inalterada en todos los dispositivos basados en nitruros analizados,

RS disminuye un 33% con slo aumentar 3 oC la temperatura.15De hecho, bastante sobrepasadas si atendemos a las recomendaciones de la hoja de ca-

ractersticas, que para este dispositivo en concreto recomiendan limitar su uso a 70 oC y sualmacenamiento a 125 oC.

39

2. Estudio de fotodetectores en alta temperatura

mientras que las caractersticas elctricas en todos los casos permanecan igualeso incluso mejoraban ligeramente.

2.4. Fotodiodos p-i-n de GaN

De cara a establecer una comparacin entre el silicio y los nitruros, resulta muyconveniente la caracterizacin de un dispositivo fotodetector compuesto ntegra-mente de GaN. El proceso de crecimiento del GaN est mucho ms maduro queel del InN, y no presenta las dificultades que se encuentran en el crecimiento deInGaN, como la separacin de fases [20, 163]. Dado que, como se ha comentadoanteriormente, el rendimiento de los fotodetectores de nitruros se encuentra toda-va alejado de su mximo terico, estando limitado por factores tecnolgicos, esimportante caracterizar el comportamiento con la temperatura de un fotodetectorde esta familia tan libre de estas limitaciones como sea posible, y, para el