Electromagnetic and device simulations for improvements on vertically illuminated travelling-wave uni-travelling-carrier photodiodes

Abstract

Los fotomezcladores Verticalmente Iluminados (VI) de Onda Viajera (TW) de Portadores Unipolares (UTC) son fuentes continuas de radiación de THz. Este dispositivo usa la conversión heterodino para generar señales de onda milimétrica. Este dispositivo genera además una corriente distribuida para incrementar su capacidad de manejar mayores cantidades de corriente y además eliminar la limitación de constante RC. Este trabajo se divide en simulaciones electromagnéticas de alta frecuencia y simulaciones de dispositivos semiconductores. Los estudios de dispositivos semiconductores se enfocan en el modelado numérico del fenómeno de transporte de portadres proveyendo una descripción cualitativa y cuantitativa del transporte de portadores en fotodiodos UTC. Como resultado del análisis de semiconductor, resultados de brecha de energía, espacio de carga, densidad electrónica, velocidad del electrón, todos ellos bajos diferentes valores de potencia de iluminación son presentados en esta sección. Una curva de responsividad versus potencia óptica se muestra también. Esta tesis desarrolla además simulaciones electromagnéticas de alta frecuencia para estudiar la propagación de la onda electromagnética a lo largo del dispositivo VI-TW-UTC. Los fotodiodos VI-TW-UTC ultra-rápidos requieren una capa base altamente dopada que hace de conexión conductora entre el fondo de la estructura mesa y los contactos metálicos de la capa base. Tal estructura se denomina mesa vertical p-i-n o de Uni-Portador. La capa base dopada tiene una fuerte influencia en las perdidas de THz. Por lo tanto, simulaciones electromagnéticas de alta frecuencia fueron ejecutadas en HFSS y CST Microwave Studio para estudiar las pérdidas de THz. El dispositivo VI-TW-UTC fue modelado como una línea de transmisión cuasi-coplanar (Q-CPW). Posteriormente, las pérdidas de THz fueron calculadas indirectamente a través de los parámetros de dispersión S21. Las simulaciones muestran un valle de baja pérdida cerca de la conductividad 5×〖10〗^4 Sm-1, en medio de un rango de conductividad de excesiva absorción de THz haciendo este valor la mejor elección para el rango de frecuencia de 0 a 2000 GHz. Adicionalmente, estructuras de Mushroom-CPW y Wall-CPW se desarrollaron y simularon en la presente tesis para comparar sus pérdidas de THz. Un modelo analítico describiendo la potencia entregada a la entrada de antena del fotomezclador se desarrolló. El modelo analítico tiene como variables de entrada la curva de responsividad versus potencia óptica y la absorción de THz. Como resultado, la conductividad de la capa base muy alta es necesaria para alcanzar una potencia de THz razonablemente alta.