En esta Tesis se presenta una metodología de análisis basada en la aritmética de intervalos y sus extensiones para calcular los efectos de cuantificación en uno de los sistemas conceptualmente más sencillos y utilizados en el área de procesamiento de señal, los filtros digitales. Las diferentes propuestas de realización de estos sistemas (las diferentes familias de estructuras) pretenden reducir en lo posible estos efectos, a la vez que minimizan el coste asociado a su implementación. Las estructuras de filtros digitales han sido ampliamente investigadas durante las últimas décadas utilizando estudios o simulaciones numéricas, pero la formalización de la aritmética afín, basada en desglosar linealmente las operaciones con intervalos que describen el funcionamiento de los sistemas, permite ofrecer información adicional de forma rápida y sencilla, y sobre todo, es capaz de adaptarse con precisión a los cálculos que requieren estos sistemas. El hecho de que se produzcan sobredimensionamientos en los intervalos que representan los resultados es especialmente importante en sistemas con realimentaciones, lo cual ocurre en casi todos los sistemas DSP, puesto que tienden a hacer inservibles las informaciones que puedan proporcionar estos elementos. En el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad Politécnica de Madrid se ha desarrollado el conjunto de herramientas Ábaco. Una de sus principales cualidades es que basa sus cálculos en simulaciones de elementos multiprecisión cuyos tipos de cuantificación han sido previamente especificados o asignados en todas las señales, lo que restringe nuevamente los posibles sobredimensionamientos. Además, durante esta Tesis se han incorporado nuevas herramientas para analizar los efectos de cuantificación en sistemas lineales con realimentaciones, lo que permite, por ejemplo, comparar y evaluar las ventajas e inconvenientes de las estructuras de filtros digitales. En esta memoria ser proporciona: 1,- Una revisión de los antecedentes y el estado actual de los estudios sobre los efectos de cuantificación en las estructuras de filtros digitales y sobre la aritmética de intervalos y sus extensiones. 2,- Una descripción de las herramientas que componen Ábaco. 3,- Un conjunto de experimentos que muestran el funcionamiento de las herramientas y los principales resultados que se han obtenido durante esta Tesis. Además de las anteriormente comentadas, entre otras aportaciones de esta Tesis Doctoral cabe destacar: 1,- El análisis de cómo afecta el uso de intervalos al muestreo de señales estadísticas cuando se utiliza el método de Monte-Carlo. 2,- La ivnestigación de cómo la aplicación de intervalos permite trasladar las incertidumbres en el dominio temporal al dominio de la frecuencia y viceversa. 3,- La comparación entre complejidad de implementación de las estructuras de filtros digitales y los resultados que obtienen las distintas cuantificaciones, en parte posible gracias a la simplificación de los cálculos necesarios por medio de la combinación de los tipos de cuantificación y la artimética afín. Estas aportaciones ofrecen una forma, complementaria a las existentes, de abordar el cálculo de las incertidumbres en sistemas DSP cuando éstas son todas de orden igual o inferior a uno. Gracias a ellas, es posible obtener información adicional sobre el comportamiento de los sistemas lineales en general, y sobre los efectos de cuantificar en las estructuras de filtros digitales en particular.

El trabajo realizado es una contribución al desarrollo de diodos láser de pozo cuántico de InGaAs/GaAs(111)B para emisión en 1.06 -1.1 micras y de GaInNAs/GaAs para la región de 1.3 -1.55 micras. Se presenta un detallado estudio teórico que incluye el cálculo de la estructura de bandas y la ganancia material de los mencionados pozos cuánticos. En el cso del InGaAs, se demuestra emisión láser a temperatura ambiente hasta 1.11 micras y demuestra que el campo piezélectrico está sólo parcialmente apantallado en umbral . También se calcula por primera vez la renormalización del gap en estos dispositivos , resultados ser mayor que en el caso equivalente en substrato convencional (100). En cuanto al GalnNas, además de analizar de forma teórica los cambios que el N produce en la estructura de bandas y la ganancia del material , se realiza un estudio óptico y estructural de pozos cuánticos que permite relacionar el fenómeno de la localización de portadores con la morfología del pozo , así como aclarar el efecto de los tratamientos térmicos en la fotoluminiscencia. Se utilizan diodos electroluminiscentes para demostrar el enorme impacto de la recombinación no-radiativa y finalmente se demuestra emisión láser hasta 1.52 micras con valores record de densidd de corriente umbral.

 En este trabajo se presenta el crecimiento por epitaxia de haces moleculares de InGaAsN sobre GaAs (111) B y (100), para su aplicación al desarrollo de dispositivos optoelectrónicos para comunicaciones ópticas, basados en la tecnología bien desarrollada del GaAs. La utilización de sustratos GaAs (111)B viene motivada por las propiedades que podrían presentar las heteroestructuras tensionadas crecidas sobre este tipo de orientación, similares a las del sistema InGaAs/GaAs (111)B: Existencia teórica de un campo piezoeléctrico, distintas propiedades para el espesor de capa crítico y la posibilidad de realizar dispositivos electro-ópticos no lineales. Se presenta la dependencia de la calidad óptica y estructural de pozos cuánticos de InGaAsN sobre sustratos desorientados de GaAs (111) B con los parámetros de crecimiento: Velocidad de crecimiento, flujo de arsénico, temperatura de sustrato. Esta calidad es estudiada mediante diferentes técnicas estructurales (Microscopía de Transmisión de Electrones, de Fuerza Atómica, de Barrido de Electrones y Nomarski) así como técnicas de caracterización óptica (Fotoluminiscencia y catodoluminiscencia). Se observa cómo es necesario un elevado flujo de arsénico y una baja temperatura de crecimiento para optimizar la emisión de los pozos cuánticos. Para el crecimiento de nitruros diluidos en esta Tesis Doctoral se caracteriza y optimiza un plasma de nitrógeno generado por radiofrecuencia, y se presenta un método para caracterizar plasmas usados en crecimiento in-situ, utilizando para ello una sonda Bayard-Alpert. Mediante este método, se puede detectar la presencia de iones llegando sobre el sustrato durante el crecimiento. La aplicación de campos magnéticos para deflectar los iones del plasma demuestra que la calidad estructural y óptica de los pozos cuánticos de InGaAsN es muy dependiente de la presencia de iones durante el crecimiento: Al reducir la densidad de iones la emisión de los pozos cuánticos aumenta, y su modulación de composición se reduce. Asimismo, se aplicaron procesos de recocido térmico rápido a los pozos cuánticos de InGaAsN sobre GaAs (111)B, encontrándose que existe una temperatura para la cual éste aleado es óptimo, y la emisión óptica aumenta casi dos órdenes de magnitud, la anchura se reduce y se desplaza hacia mayores energías. Se encontró que todos estos efectos observados son dependientes de las propiedades estructurales del pozo cuántico bajo estudio, necesitándose menores temperaturas de recocido para las muestras con una mejor calidad estructural de partida. Por último, se presentan los resultados de la caracterización óptica y eléctrica de los primeros dispositivos con estructura de diodo p-i-n y láseres de semiconductor de pozo cuántico de InGaAsN/GaAs (111)B, demostrándose emisión láser a temperatura ambiente, en régimen pulsado, mostrándose así la viabilidad de este material para el desarrollo de dispositivos para comunicaciones ópticas. En cuanto al GaAs (100) se utiliza como superficie base para establecer una comparación, pues los dispositivos sobre (100) han sido extensamente estudiados en la literatura y están disponibles en los comercios.

Los entornos inteligentes han supuesto la aparición de nuevos escenarios con nuevas características diferentes a los modelos existentes: multitud de dispositivos con capacidad de computo y comunicaciones, recursos limitados, redes heterogéneas, evolución temporal permanente, movilidad, etc. que deben ser soportadas y aprovechadas por las aplicaciones desarrolladas para dichos entornos. Este es un campo de trabajo novedoso por lo que las metodologías propuestas para el desarrollo de estas aplicaciones son escasas y presentan problemas, como la existencia de elementos críticos, sobrecarga del protocolo, ausencia de fiabilidad, mala gestión del escalado de la red o ausencia de mecanismos que resuelvan el dinamismo del sistema. La metodología que se propone en esta tesis aborda los problemas anteriores de una manera integral basándose en el concepto de servicios. La concepción de la aplicación como una mera agregación de servicios permite trascender el ámbito de las redes inalámbricas de área personal y así dotar de una mayor funcionalidad al sistema. Los pilares básicos de la metodología: definición sencilla y concreta de la interfaz de servicio, jerarquía de servicios escalable, arquitectura dinámica para soportar la evolución temporal sin sobrecarga del protocolo, filosofía de programación emergente para evitar elementos críticos y verificación formal de los servicios individualmente y del entorno global, involucrados en distintas fases del proceso de desarrollo, permite resolver los problemas de las aproximaciones anteriores y aumentar la productividad de los desarrolladores de aplicaciones. Se ha implementado un entorno inteligente real de referencia (PERSEIA) para soportar la metodología propuesta, que sirve como banco de pruebas para la verificación del enfoque realizado y como patrón de comparación con otras alternativas metodológicas. Se han validado los resultados de las aproximaciones en dicho entorno.

Los nitruros del grupo III (AIN, GaN y sus aleaciones) han surgido en la última década como los materiales más prometedores para el desarrollo de filtros de ondas acústicas superficiales (SAW) de alta frecuencia para procesado de señal y comunicaciones debido a su elevada velocidad de propagación del sonido. Más aún, esta velocidad puede incrementarse en capas de nitruro sobre substratos apropiados. Se requiere para ello una caracterización detallada de la dispersión de las propiedades de la SAW en el sistema laminado en particular. Además, el gap ancho y directo de los nitruros permite desarrollar interesantes aplicaciones explotando la modulación de los bordes de la bandas de energía inducida por los campos de la SAW. No obstante, esta excepcional sinergia apenas ha sido estudiada. Esta Tesis presenta la caracterización de las diferentes SAWs y pseudo-SAWs (PSAWs) que se propagan en las capas de GaN y AlN crecidas en distintos substratos, así como el estudio de la interacción de estas ondas con la luz y los portadores en estructuras basadas en GaN. Esta interacción se ha aplicado en este trabajo a la fabricación de fotodetectores asistidos por SAWs y dispositivos SAW modulados por efecto de campo. Se han caracterizado experimentalmente la dispersion y la polarización del espectro de modos acústicos de superficie en los sistemas de GaN y AlN sobre zafiro(0001) y 6H-SiC(0001), y comparado los resultados con simulaciones numéricas. En la estructura de GaN/zafiro, la menor velocidad de propagación en el nitruro que en el substrato permite la aparición junto con el modo Rayleigh de modos Sezawa y Love, confinados en la epicapa. Por el contrario, en la estructura de AlN/zafiro, con mayor velocidad de propagación en el nitruro que en el substrato, únicamente aparece el modo Rayleigh. Se ha demostrado cómo la simetría trigonal del zafiro no sólo genera la propagación anisótropa de las SAWs en las heteroestructuras, a pesar de la isotropía de las propiedades elásticas en el plano c de los nitruros, sino que también induce la mezcla de sus polarizaciones, incluso en direcciones de alta simetría cristalina. Así, los modos Love, normalmente inactivos piezoeléctricamente en los nitruros, se excitan en GaN a través de esta mezcla de las polarizaciones. La simetría hexagonal de los sistemas lento-sobre-rápido formados por GaN y AlN sobre 6H-SiC produce propagación isótropa y con polarización pura, restringida, por tanto, a la excitación de ondas Rayleigh y Sezawa. Aparte de las SAWs descritas, se han predicho PSAWs en todos los sistemas mencionados por encima de cierto umbral de velocidad, de los que en muchos casos se ha obtenido evidencia experimental. Se ha investigado la ionización de los portadores fotogenerados inducida por los campos piezoeléctricos de una SAW en GaN. Se ha analizado la dinámica de ionización a través de la cancelación de la fotoluminiscencia en el rango excitónico bajo la propagación de distintas SAWs en la heteroestructura de GaN/6H-SiC(0001). Se ha desarrollado un modelo acoplado de ecuaciones de balance, basado en la ionización por impacto de los excitones libre y ligado a donor bajo los campos piezoeléctricos generados por la SAW. La tasa de ionización por impacto revela dos regímenes cuando se incrementa la potencia de la SAW, respectivamente dominados por las ionizaciones por impacto iniciadas por huecos y electrones. El modelo propuesto es también válido para otros semiconductores piezoeléctricos de gap ancho y directo, tales como CdS, ZnO y AlN, donde la ionización directa por el campo requiere un campo eléctrico todavía mayor que en GaN. La ionización de los portadores fotogenerados y su confinamiento y transporte en los pozos de potencial móviles de la SAW se ha aplicado al desarrollo de fotodetectores de UV metal-semiconductor-metal (MSM) en GaN asistidos por ondas acústicas. Se ha demostrado la efectividad del transporte acústico de carga con varias SAWs y PSAWs propagándose en la heteroestructura de GaN/zafiro(0001). Se ha caracterizado la dependencia de la respuesta MSM-SAW con la potencia óptica y acústica. Se ha demostrado que la polarización DC de IDTs formados por barreras Schottky, junto con la exitación de RF, permite la transducción SAW y PSAW en heteroestructuras de AlGaN/GaN con un gas bidimensional de electrones (2DEG) en su interfase. La transducción (P)SAW, impedida inicialmente por el apantallamiento de los campos piezoeléctricos producido por el 2DEG, se recupera cuando se vacía la carga bajo los IDTs. Las características de los filtros (P)SAW también se ven afectadas por la conducción entre IDTs, la cual se ve favorecida o apantallada dependiendo de la modulación particular del diagrama de bandas creada por la polarización específica de los IDTs de entrada y salida. El acoplo electromagnético de carácter capacitivo entre IDTs, que modifica el nivel de fondo de la respuesta del filtro, se minimiza eficientemente mediante la selección de un esquema de polarización apropiado. El mecanismo de control de ganancia de este novedoso dispositivo SAW modulado por efecto de campo se ha utilizado para asegurar la operación de clase casi-A en el lazo de realimentación de un oscilador SAW, reduciendo la distorsión de la señal.. Por otro lado, la transducción SAW basada en la deplexión del 2DEG evita el ataque o tratamiento con plasma de la capa de AlGaN en el proceso de fabricación del dispositivo SAW, que provoca daño estructural y un empeoramiento de la respuesta del filtro. Esta aproximación puede facilitar la integración de los dispositivos SAW con los transistores de alta movilidad electrónica en AlGaN/GaN, básica para el desarrollo de MMICs basados en nitruros.

Directores: Laura M. Lechuga/Jorge Elizalde García