Contribución al desarrollo y caracterización de fotodetectores avanzados basados en nitruros del grupo III

Navarro Tobar, Álvaro (2011). Contribución al desarrollo y caracterización de fotodetectores avanzados basados en nitruros del grupo III. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM).

Descripción

Título: Contribución al desarrollo y caracterización de fotodetectores avanzados basados en nitruros del grupo III
Autor/es:
  • Navarro Tobar, Álvaro
Director/es:
  • Muñoz Merino, Elías
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2011
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Departamento: Ingeniería Electrónica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El objetivo de esta tesis es el desarrollo y la caracterización de detectores avanzados, basados en nitruros del grupo III. Es decir, se pretende la utilización de nitruros de galio, indio y aluminio, de manera que se aprovechen las cualidades específicas de estos materiales, para la fabricación de fotodetectores que destaquen y mejoren el actual estado de la técnica en diversos ámbitos o aplicaciones. Las principales líneas de actuación han sido tres: evaluación del comportamiento en alta temperatura, sensibilidad a la polarización de la luz, y aplicación en sistemas de fotoluminiscencia. Se ha realizado un estudio teórico y experimental del comportamiento de fotodetectores de tipo p-i-n en alta temperatura, centrando el interés en la evaluación de la detectividad específica en modo fotovoltaico. Se ha podido comprobar que el silicio, el material semiconductor más extendido en la actualidad, sufre una severa degradación de sus características en alta temperatura, debido a su gap relativamente estrecho. Los nitruros, sin embargo, al ser materiales de gap ancho, tienen mejores características en cuanto al ruido, siendo más ventajosa la diferencia en altas temperaturas. Su rendimiento se ve dificultado, sin embargo, por la peor calidad cristalina del material, lo cual supone un inconveniente más acusado en el caso de los ternarios, y en particular del InGaN. Se ha comprobado que la fabricación de fotodetectores de GaN con múltiple pozo cuántico de InGaN en su región intrínseca posibilita la detección en el visible, sin perjudicar las características eléctricas del fotodiodo. En este tipo de dispositivos, además, se ha llevado a cabo un estudio del ruido en alta y baja temperatura. Se han fabricado fotodetectores de tipo metal-semiconductor-metal con interdigitados sub-micrométricos en GaN crecido sobre el plano cristalino A. Se ha podido comprobar que estos dispositivos tienen una sensibilidad intrínseca a la polarización de la luz incidente para fotones de energías en torno al gap, debido a la anisotropía de la red cristalina en el plano de crecimiento. Además, se han caracterizado eléctricamente estos dispositivos, observando que tienen unos niveles muy bajos de corriente de oscuridad y ruido. Por último, se ha explorado de una manera más profunda la aplicación de los nitruros en sistemas de medida de fotoluminiscencia. Se ha demostrado la funcionalización covalente de superficies de GaN con complejos luminiscentes basados en rutenio, y su sensibilidad a la concentración ambiental de oxígeno. Se ha funcionalizado también 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 excitación de la misma la luz emitida por este dispositivo. Dado que la simplificación de elementos ópticos dificulta la caracterización del tiempo de vida medio de la luminiscencia, se ha desarrollado un método para la medida del mismo en condiciones en las que no es posible eliminar la señal de fondo óptica debida a la excitación. Dicho método se ha validado experimentalmente realizando la medida de una membrana impregnada del complejo luminiscente de rutenio bajo este tipo de condiciones. Abstract The main purpose of this thesis is the development and characterization of advanced photodetectors, based on group-III nitrides. In other words, what is intended is the utilization of gallium, indium and aluminum nitrides, taking advantage of the specific characteristics of these materials, for the fabrication of photodetectors that stand out and improve the current state of the art for different applications. The three main lines of research have been: high-temperature behaviour assessment, sensitivity to the polarization of light, and application in photoluminescence measurement systems. A theoretical and experimental study on the behaviour of p-i-n photodetectors at high temperatures has been carried out, centered on the evaluation of specific detectivity in photovoltaic mode. Silicon, currently the most widely-used semiconductor, suffers a severe degradation of its characteristics at high temperature, due to its relatively thin bandgap. Nitrides, in contrast, being wide bandgap semiconductors, display better noise characteristics, with this difference being stronger at higher temperature. However, their performance is hindered by the lower crystal quality 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 photodetectors with multiple quantum wells in their intrinsic region allows for light detection in the visible range, without sacrificing the electrical performance of the photodiode. In this kind of devices, a low- and high-temperature noise study has been carried out. Metal-semiconductor-metal photodetectors with sub-micron interdigitated contacts have been fabricated on A-plane GaN. It has been possible to confirm that these devices show an intrinsic sensitivity to the polarization of incident light at photon energies around the gap, due to the anisotropy on the crystal lattice. An electrical characterization has revealed that the devices present very low dark current and noise values. Finally, the application of nitrides in photoluminescence measurement systems has been explored. The covalent functionalization of GaN surfaces with rutheniumbased photoluminescent complexes and their sensitivity to the environmental oxygen concentration have been demonstrated. A nitride-based light emitting diode has also been functionalized with this same complex, and the feasibility of characterizing the luminescence lifetime using the light emitted by the device as excitation source has been proved. Since the simplification of optical elements makes the characterization of the luminescence lifetime difficult, a method has been developed for its measurement in conditions in which it is not possible to eliminate the background signal due to excitation. This method has been validated experimentally by measuring the luminescence of a membrane impregnated in luminescent ruthenium complex.

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ID de Registro: 8572
Identificador DC: http://oa.upm.es/8572/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:8572
Depositado por: Archivo Digital UPM
Depositado el: 21 Jul 2011 08:29
Ultima Modificación: 20 Abr 2016 17:18
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