Simulación, fabricación y caracterización de diodos de barrera Schottky de nitruro de galio para aplicaciones en el rango de sub-terahercios

Resumen

En esta tesis se aborda el estudio de diodos de barrera Schottky (SBDs) de nitruro de galio (GaN) y arseniuro de galio (GaAs), tanto en el régimen DC como en AC, desde el punto de vista experimental y de simulaciones. La no linealidad de la característica capacidad-voltaje de estos diodos permite su operación como multiplicadores de frecuencia. Por otro lado, la no linealidad de la curva corriente-voltaje es clave para su uso como mezcladores y detectores. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos que deben ser abordados para el progreso de los dispositivos electrónicos que se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo de Nanodispositivos Electrónicos de Alta Frecuencia de la Universidad de Salamanca. El simulador dispone de dos modelos de carga superficial: (i) modelo de carga constante (CCM) y (ii) modelo de carga autoconsistente (SCCM), que se basa en la actualización de la carga de superficie en función de la concentración de portadores en las proximidades. Los resultados obtenidos demuestran que el SCCM proporciona resultados más realistas, siendo la ventaja del CCM el tiempo de cálculo más reducido. Se ha realizado un análisis de la capacidad asociada a los efectos bidimensionales o de borde para distintos diodos de GaAs y GaN, a través de simulaciones. El modelo MC permite calcular la carga en el interior del dispositivo, proporcionando así la capacidad ideal asociada al vaciamiento y la debida a los efectos de borde para distintos puntos de polarización. Se ha estudiado la influencia del dopaje, la pasivación o parámetros geométricos en la capacidad asociada a los efectos de borde. El objetivo de dicho estudio es optimizar el diodo Schottky, reduciendo la capacidad al máximo para su funcionamiento como multiplicador, y obtener expresiones analíticas que puedan ser utilizadas en simuladores circuitales y así predecir de forma más precisa las prestaciones de los multiplicadores de frecuencia y otros circuitos basados en SBDs. Las simulaciones muestran la disminución de los efectos de borde al reducir la extensión lateral de la epilayer, llegando incluso a suprimirse cuando se alinean la epilayer y el contacto. La comparación entre medidas estáticas de corriente-voltaje realizadas en temperatura y un modelo desarrollado para estimar la corriente ideal en el diodo ha permitido estudiar los mecanismos de corriente de pérdidas adicionales en inversa. Para dicho modelo, se deben utilizar una serie de parámetros característicos del diodo Schottky, como son: el dopaje, la altura de la barrera o la resistencia serie. Estos parámetros se obtienen del ajuste de las curvas experimentales en directa, teniendo en cuenta el efecto de la carga imagen. La corriente ideal considera dos contribuciones: la emisión termoiónica y la corriente túnel (generada por electrones que pasan desde el metal al semiconductor). Las medidas muestran un comportamiento ideal para las temperaturas más altas, hecho que muestra la validez del modelo. El resto de temperaturas han revelado la existencia de contribuciones adicionales de corriente generadas por la presencia de trampas, y que se producen por dos mecanismos diferentes: emisión de Poole-Frenkel y túnel asistido por trampas. El voltaje de ruptura de los diodos Schottky es clave en su uso como multiplicadores, por lo que se han realizado simulaciones para tratar de entender y optimizar la ruptura del diodo. En primer lugar se han realizado simulaciones unidimensionales, mostrando la necesidad de considerar de manera adecuada la inyección túnel, la ionización por impacto y el transporte de electrones y huecos, siendo importante la autoconsistencia entre la concentración de portadores y el perfil de la barrera para determinar la inyección túnel. Sin embargo, en dispositivos reales los efectos bidimensionales son importantes y deben considerarse especialmente en inversa cuando el valor del campo eléctrico es más elevado en el borde del contacto, lo cual produce un aumento de la inyección túnel en esta zona. Por ello, se han llevado a cabo simulaciones bidimensionales. Los altos campos eléctricos hacen que aumente la inyección túnel, y esos electrones, al provocar ionizaciones por impacto, pueden producir la ruptura del diodo. Se han simulado diodos con diferentes dopajes, espesores de la epilayer y dieléctricos de pasivación, observándose que todos ellos afectan, en mayor o menor medida, a la corriente de pérdidas y al voltaje de ruptura. Se ha comprobado que la pasivación del diodo mejora el valor del voltaje de ruptura. Se han obtenido los elementos discretos necesarios para representar mediante un circuito equivalente el comportamiento AC de los SBDs, obteniéndose un excelente acuerdo con los parámetros S medidos para diferentes diodos. La extracción de los elementos del circuito, incluyendo los parásitos, nos permite analizar su dependencia con parámetros geométricos y tecnológicos. Además los diodos Schottky pueden ser usados como detectores, por lo que se analizan los valores de la responsividad obtenidos experimentalmente. Los diodos medidos muestran buenas prestaciones como detectores cuando se polarizan, obteniéndose un valor constante de la responsividad hasta una frecuencia de corte de 20 GHz para el diodo de GaN, mientras que para el diodo de GaAs se determinó una frecuencia de corte de 25 GHz. Para bajas frecuencias, la responsividad obtenida a partir de las medidas y la calculada con un modelo cuasiestático, cuya responsividad está directamente relacionada con la resistencia y la curvatura de la característica corriente-voltaje, prácticamente coinciden.