Desarrollo de detectores de infrarrojo fotovoltaicos, de pozo cuántico y doble barrera, para la banda de 3-5 um

Abstract

El tema principal de esta tesis es el desarrollo de detectores de infrarrojo de pozo cuántico (QWIP) con operación fotovoltaica (PV) en la ventana de transmisión atmosférica de 3-5 µm. El mecanismo de operación de un QWIP reside en las transiciones intersubbanda que se establecen entre las subbandas energéticas de un pozo cuántico de potencial alojado en la banda de conducción (que es el caso de los QWIPs de esta tesis) o en la banda de valencia. En particular, el trabajo expuesto se refiere al estudio de la estructura de pozo cuántico y doble barrera (DBQW), donde los pozos de la zona activa están delimitados por dos barreras de potencial: una primera barrera interna delgada (~20 Å de AlAs, generalmente); y una segunda barrera exterior, más gruesa (~300 Å) formada por otro material con menor gap (AlGaAs, por ejemplo). En nuestro caso, la mayor parte de los detectores estudiados (con la excepción de los detectores con (In)GaAsN en el pozo), tienen la estructura AlGaAs/AlAs/GaAs. El trabajo desarrollado en esta tesis incluye no sólo el desarrollo y caracterización de los detectores DBQW, sino también el diseño de las estructuras, así como el crecimiento de los dispositivos mediante Epitaxia por Haces Moleculares (MBE). Con respecto al crecimiento, en este trabajo se demuestra un método sistemático para controlar la temperatura de crecimiento (Ts), que permite obtener una elevada reproducibilidad en los crecimientos. Este resultado es especialmente importante cuando se crecen dispositivos, pues facilita la transferencia de conocimientos del laboratorio a la industria. Por su parte, a partir del aspecto de las reconstrucciones superficiales del GaAs (001) y AlAs (001), se propone un método para determinar la rugosidad de la superficie durante el crecimiento. Finalmente, el estudio se completa con la demostración de un método fiable y sencillo para determinar la relación de flujos V / III empleada en el crecimiento de heteroestructuras basadas en AlGaAs. En lo que se refiere al dispositivo, en primer lugar se realiza un estudio sobre cómo afectan los parámetros de diseño del QWIP al valor de la longitud de onda y ancho de banda de detección. En particular, interesa determinar cuál es la mínima longitud de onda y el menor ancho de banda que se obtiene con un detector basado en la estructura DBQW. A continuación, el trabajo se centra en el estudio de la propiedad más sorprendente y notable que exhiben estos detectores con el dopaje distribuido en el pozo de potencial: la existencia de un acusado e inesperado efecto fotovoltaico, i.e. la posibilidad de detectar radiación infrarroja para Vapl = 0 V. Se encuentra, asimismo, que la aparición de ciertas anomalías en las características eléctricas del dispositivo (asimetrías, existencia de I 0 para V = 0 V (offset) en las curvas de corriente de oscuridad) está íntimamente relacionada con el comportamiento PV. Una parte importante del trabajo realizado en esta tesis se centra en investigar la posible relación entre las características electro-ópticas de los detectores y la microestructura de las muestras, lo que permitiría determinar el origen del efecto PV de los detectores DBQW dopados en el pozo. Según la literatura, el origen del efecto PV reside en las asimetrías internas no intencionadas que se introducen durante el proceso de crecimiento epitaxial. Las dos posibles causas son: 1) la existencia de diferencias estructurales de las dos barreras de AlAs adyacentes al pozo, 2) la presencia de campos internos de built-in en la estructura generados por las regiones de carga-espacio consecuencia de la segregación de Silicio del pozo. En nuestro estudio, se ha crecido la misma estructura nominal bajo distintas condiciones de crecimiento, encontrando que, efectivamente, el efecto PV y las asimetrías internas son distintas en cada caso. Asimismo, por primera vez, se ha realizado un estudio de estos detectores mediante Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), que ha permitido determinar que la existencia de imperfecciones estructurales en las capas de AlAs no parece ser la causa del efecto PV, estando éste causado principalmente por los efectos derivados de la segregación de Si. En particular, un análisis detallado de las micrografías TEM revela la existencia de una asimetría composicional en las barreras de AlAs (posiblemente causada por la presencia de Si) que explicaría este efecto, pues la muestra con la mayor asimetría composicional es la que presenta las asimetrías eléctricas más acusadas. En lo que se refiere a las prestaciones de los dispositivos, uno de nuestros objetivos principales es promover el uso de estos detectores en el modo PV, y al mismo tiempo, mejorar los valores de las figuras de mérito (responsividad y detectividad). Nuestra propuesta reside en el uso de la técnica de Modulación de Dopaje (MD), siendo ésta la primera vez que se aplica la técnica en detectores DBQW con operación en la región de 3-5 µm. Se encuentra que los detectores basados en este diseño exhiben una notable respuesta PV, con la ventaja adicional de que es posible controlar este efecto a través de un diseño cuidadoso de la posición del dopante. Por su parte, los detectores MD exhiben un pico de detección más estrecho y una mayor responsividad que los detectores correspondientes dopados en el pozo. Un diseño optimizado de la estructura de potencial de los detectores DBQW con MD permite mejorar las prestaciones del dispositivo (los valores de las figuras de mérito se encuentran entre los mejores valores aparecidos en la literatura) de tal forma que es posible abordar de manera optimista el proyecto de desarrollar una cámara IR de plano focal basada en estos detectores. Finalmente, por primera vez, se propone el uso de las aleaciones de Nitrógeno diluido como parte activa de un detector DBQW. La enorme reducción del gap al incorporar una pequeña fracción de N en el compuesto (In)GaAs, hacen que este material sea muy atractivo en el diseño de dispositivos intersubbanda con operación en el IR cercano. En nuestro caso, los pozos de GaAs de la estructura DBQW se han reemplazado por (In)GaAsN. Aunque todavía existen importantes dificultades relacionadas con el crecimiento del material y con el estudio de las propiedades peculiares del InGaAsN y su influencia en las prestaciones del dispositivo, con los detectores basados en AlGaAs/AlAs/(In)GaAsN hemos demostrado detección IR por debajo de ~ 3 µm, el mínimo valor que se obtiene con QWIPs basado en GaAs. Se encuentra que, en todos los QWIPs con N, la aplicación de tratamientos térmicos posteriores al crecimiento mejora la responsividad y desplaza la posición del pico de detección hacia menores energías. Se observa que este efecto es más acusado en el detector con InGaAsN en el pozo