Simulación de fotodiodos monopolares de onda viajera para aplicaciones en Terahertz

Abstract

Actualmente, los fotodetectores más veloces usados en el ámbito comercial son los fotodiodos P-I-N. Estos fotodiodos son capaces de alcanzar anchos de banda cercano a los 300 GHz. Una de sus principales limitaciones para alcanzar mayores amplitudes, es que tanto electrones como huecos contribuyen a la conducción eléctrica. Estos últimos, los huecos, por tener una masa efectiva mucho mayor que la de los electrones, limitan la respuesta en frecuencia del fotodiodo P-I-N, disminuyendo la velocidad de respuesta y por ende el ancho de banda. El Laboratorio de Fotónica de Tera-Hertz de la Universidad de Chile, en conjunto con el Departamento de Nanotecnología de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia), está desarrollando un nuevo prototipo de fotodiodo denominado TW-UTC-PD (Traveling-Wave Uni-Traveling Carrier Photodiode). Este tipo de fotodetector se encuentra en su etapa preliminar, por lo cual, se requiere de simulaciones para optimizar su diseño y desempeño.

Dentro de este contexto, esta memoria está enfocada en desarrollar un modelo fenomenológico y analítico aproximado del dispositivo, simularlo en Wolfram MathematicasR y comparar los resultados con los modelos numéricos que se estás simulando en el estado del arte. De modo de estudiar el alcance del modelo en dos dimensiones (2D), para luego ser comparado con otros modelos numéricos en 3D que están siendo desarrollados. En la modelación del fotodetector se considera el comportamiento de UTC (Uni-Traveling Carrier) en su dimensión vertical, descrito según las ecuaciones de Drift-Diffusion, y en su dimensión longitudinal, el comportamiento de la señal es modelado como una onda viajera (Traveling-Wave) en una línea de transmisión. Ambos modelos convergen en una solución que busca eliminar los efectos capacitivos y de movilidad de sus predecesores convencionales. La incidencia del haz que estimula la generación de este fenómeno, puede ser producida mediante dos tipos de iluminación, una es a través de fibra óptica, o también conocida como edge-couple, y la otra con iluminación vertical. En este trabajo se modela con iluminación por fibra óptica, sin desmedro de que la técnica utilizada por el Laboratorio de Fotónica de la Universidad de Chile sea la iluminación vertical Por lo tanto, este trabajo se enfoca en estudiar el comportamiento del dispositivo en su región activa, o también llamada capa de absorción, comparándolo con el estado del arte en dispositivos de similares características. Se busca también, modelar el ancho de banda, la eficiencia y la potencia de salida del fotodiodo para converger en una herramienta de simulación y optimización del UTC-TW PD.