Design, Characterization and Simulation of Electronic and Optoelectronic Nanodevices based on Bidimensional Materials

Abstract

This Doctoral Thesis aims to study the electronic and optoelectronic properties of devices based on 2D materials and their heterostructures, with emphasis in photodiodes and phototransistors. For this purpose, a numerical method to self-consistently solve the 2D Poisson and Drift-Diffusion equations is developed, which also allows the evaluation of the 1D Schr odinger equation to calculate the carrier mobility. The code is able to handle arbitrary combinations of semiconductor and isolator materials, solving the direct or band-to-band tunneling in heterojunctions, and considering Ohmic or Schottky contacts. Generation-recombination effects such as light generation, SRH, Auger and Radiative recombinations are also included. Finally, traps with arbitrary energetic pro le are implemented. To accelerate the convergence of the simulator, the Newton-Rhapson linearisation scheme is implemented. The numerical method developed is applied in this Thesis to evaluate different electronic and optoelectronic devices of interest based on bidimensional materials. In summary, our work delves into the potential applications of bidimensional materials and which elements should be taken into account in their fabrication, focusing on the in uence of contacts and the quality of the interfaces with other materials.

Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el estudio de las propiedades electrónicas y optoelectrónicas de dispositivos basados en materiales 2D y heteroestructuras que los contengan, con especial énfasis en fotodiodos y fototransistores. Para ello, se desarrolla un simulador que resuelve autoconsistentemente las ecuaciones de Poisson y Deriva Difusión en dos dimensiones, y que permite también resolver la ecuación de Schrodinger para evaluar la movilidad de portadores. El programa admite combinaciones arbitrarias de materiales aislantes o semiconductores, considerando túnel directo o banda a banda en las heterouniones, así como contactos óhmicos o de tipo Schottky. Es posible también considerar efectos de generación-recombinación que modelan distintos fenómenos físicos, tales como generación por luz o recombinaciones SRH, Auger y Radiativa. Por último, se ha implementado el modelado de trampas con per les energéticos arbitrarios. Para acelerar la convergencia del código, se hace uso del método de linealización de Newton-Rhapson. El método numérico desarrollado se aplica en la Tesis a la evaluación de distintos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de interés basados en materiales bidimensionales. En conjunto, el trabajo desarrollado profundiza en las aplicaciones potenciales de los materiales bidimensionales y en qué elementos deben tenerse en cuenta en su fabricación, enfocándose en la influencia de los contactos y de la calidad de las interfaces con otros materiales.