Fotodetectores de infrarrojo basados en semiconductores hiperdopados compatibles con la tecnologia CMOS.

• Autores: Daniel Caudevilla Gutiérrez
• Directores de la Tesis: Eric García Hemme (dir. tes.), David Pastor Pastor (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Infrared photodetectors based on hyperdoped semiconductors compatible with CMOS technology.
• Tribunal Calificador de la Tesis: Alvaro del Prado Millán (presid.), Javier Olea Ariza (secret.), Rocio Barrio Martin (voc.), Daniel Montero Alvarez (voc.), Jan Siegel (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Física
    • Física del estado sólido
      • Semiconductores
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen

  • Los materiales semiconductores del grupo IV, especialmente el silicio, desempeñan un papel dominante en el ámbito de la microelectrónica. Sin embargo, a lo largo de la historia, se han buscado alternativas para sobrepasar sus limitaciones, particularmente en lo que respecta a su respuesta en el rango del infrarrojo. La técnica del hiperdopado de estos semiconductores permite alcanzar concentraciones de dopantes en el interior del semiconductor que superan su límite de solubilidad sólida, manteniendo al mismo tiempo una estructura cristalina de alta calidad que no degrada otras propiedades esenciales. De este modo, es posible incorporar dopantes de nivel profundo en la red cristalina, lo que da lugar a la formación de una banda de impurezas que permite la absorción de fotones con energías inferiores a la banda de energía prohibida o gap del semiconductor. Como resultado, se amplía la respuesta de estos semiconductores a longitudes de onda mayores, llevándola al rango del infrarrojo cercano en el caso del silicio y al infrarrojo medio en el caso del germanio.

    La obtención de semiconductores hiperdopados requiere el uso de técnicas de fabricación que operan fuera del equilibrio termodinámico. La implantación iónica permite introducir las concentraciones deseadas de dopantes en el semiconductor, pero conlleva daños en la red cristalina del mismo. Para restablecer la red cristalina del semiconductor implantado y, por lo tanto, activar eléctrica y ópticamente la mayor cantidad posible de dopantes (hiperdopado), es necesario recurrir a un proceso de recocido que opere fuera del equilibrio termodinámico, como el láser pulsado de nanosegundos o el Flash Lamp Annealing (FLA).

    En esta tesis se estudian las propiedades de Si y Ge hiperdopados utilizando Te como donor profundo. En el caso del Ge, se establecen los primeros pasos en el estudio de este semiconductor hiperdopado, mediante el cual se puede extender su respuesta en el infrarrojo a mayores longitudes de onda. Se estudian las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas de láminas hiperdopadas mediante implantación iónica seguido por un recocido por láser pulsado. Se plantean las dificultades de la implantación iónica en germanio y se presentan diferentes estrategias para evitar la porosidad cuando se implanta en germanio con altas dosis de impurezas, energías o iones de elementos pesados. Se obtiene absorción sub-bandgap más de cinco órdenes de magnitud respecto a un sustrato virgen. Se analizan las propiedades eléctricas de láminas hiperdopadas sobre diferentes sustratos, en los cuales presentan un fenómeno de acoplo eléctrico dependiente de la temperatura, obteniendo concentraciones de portadores de la lámina hiperdopada de más de cuatro órdenes de magnitud sobre el límite de solubilidad sólida de Te en Ge.

    Durante esta tesis se desarrollan los primeros pasos en la consecución del dispositivo fotónico monolíticamente fabricado en sustratos SOI (Silicon on Insulator). El silicio es un semiconductor ideal para el guiado de luz en el rango de las telecomunicaciones (en el infrarrojo), pero no absorbe ni emite luz en esas longitudes de onda, por lo que se proponen modificaciones de sus propiedades mediante técnicas de hiperdopado, en este caso, implantación iónica y recocido FLA. Se fabrica un dispositivo lateral sobre obleas SOI basado en la técnica de hiperdopado, el cual presenta responsividades subgap comparables al resto de fotodetectores basados en semiconductores Se analizan las propiedades del semiconductor hiperdopado mediante implantación iónica y recocido FLA y se estudia su integración en una ruta final que contenga fuente emisora, guía de ondas y fotodetector, que son los tres elementos básicos para conformar un circuito fotónico integrado.