Dispositivos Saw en estructuras de nitruros del Grupo III: Propagación y modulación óptica y electrónica.

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.