Development and optimization of silicon based light sources for integration into a sensor platform
- Autores: Joan Juvert Sández
- Directores de la Tesis: Blas Garrido Fernández (dir. tes.), Carlos Dominguez Horna (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Paolo Pellegrino (presid.), Mariano José Peralvarez Barrera (secret.), Andreu Llobera Adan (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX Dipòsit Digital de la UB TESEO
- Resumen
Els sistemes fotònics basats en silici han atret molta atenció en les últimes dues dècades, particularment per l'interès de la indústria microelectrònica en resoldre els problemes de coll d'ampolla en les interconnexions entre dispositius individuals que apareixen quan s'assoleixen els alts nivells d'integració amb els que treballa la indústria actualment. Tanmateix, les aplicacions d'una font de llum basada en silici i compatible amb la tecnologia CMOS s'estén des de les comunicacions fins al sensat i la il¿luminació. Actualment, gairebé tots els dispositius fotònics necessaris per a la fabricació d'un sistema fotònic complet basat en silici, com ara guies d'ona, interruptors i moduladors òptics, i fotodetectors, s'han demostrat amb èxit. Malauradament, encara cal una font de llum eficient basada en silici i compatible amb la tecnologia CMOS. El present treball forma part d'un esforç continuat per assolir una font de llum basada en silici i fabricada amb un procés compatible CMOS, que pugui ser integrada monolíticament en una plataforma de sensat. Les nanoestructures de silici permeten resoldre la qüestió del bandgap indirecte, que és la principal limitació del silici pel que fa a la seva eficiència com a emissor, a través del confinament quàntic. Per tal d'obtenir nanoestructures de silici, el nostre grup ha estat utilitzant un mètode de fabricació basat en l'òxid de silici enriquit en silici (SRO) i el nitrur de silici enriquit en silici (SRN). Després d'un recuit tèrmic d'alta temperatura, les capes de SRO i SRN sofreixen una separació de fases que dóna com a resultat nanoaglomerats de silici pur incrustats a l'interior de la matriu dielèctrica. Altres mètodes per obtenir emissió eficient en silici són la fabricació de silici porós, superxarxes de SiO/SiO2, que permeten un control molt precís de la mida dels nanocristalls, punts quàntics col¿loïdals de silici. Pel que fa a la integració, a dia d'avui no s'ha publicat cap transceptor compatible amb la tecnologia CMOS amb tots els components integrats monolíticament en el mateix procés. Tot i així, sí que s'ha aconseguit integrar fonts de llum del grup III-V en plataformes de silici. En el nostre grup, el treball previ en aquest camp va centrar-se en la fabricació de les capes actives de SRO i SRN, en l'estudi de la relació entre els paràmetres de fabricació i les propietats estructurals i fotoluminescents de les capes, en en la demostració d'electroluminescència (EL) en dispositius complets que utilitzaven aquestes capes com a material actiu. L'objectiu del present treball és doble. En primer lloc, un cop les propietats estructurals i òptiques dels materials luminescents han estat estudiades i la EL ha estat demostrada, cal estendre el treball a l'estudi detallat de les propietats òptiques i elèctriques dels dispositius complets. Cal esperar que tal estudi resulti en pistes que ens permetin determinar estratègies per tal de millorar el rendiment dels dispositiu, en particular la potència òptica emesa, la seva eficiència i durabilitat, així com millorar el control de l'espectre d'emissió. El segon objectiu d'aquest treball és proposar un disseny per un transceptor òptic en el qual tots els components (emissor, guia d'ones i detector) estiguin monolíticament integrats en un procés CMOS i que pugui utilitzar-se com a plataforma de sensat, fabricar el disseny proposat i, finalment, caracteritzar-lo. El primer objectiu es tracta en els capítols 2 i 3 d'aquesta tesi. El capítol 2 descriu el procés de fabricació que se seguim per obtenir les capes actives i els dispositius complets. S'hi presenten els resultats de la caracterització estructural i de la fotoluminescència (PL) de les capes, i es relacionen amb els resultats de la caracterització òptica i elèctrica dels dispositius complets. La caracterització s'ha dut a terme en dispositius experimentals que s'han preparat des de zero específicament per aquest treball. La comparació de la PL i EL de bicapes SRO/SRN ens ha permès concloure que cada capa contribueix una banda diferent a l'emissió total, cosa que dóna lloc a una distribució de l'energia en un rang més ampli de l'espectre visible. A més a més, disposar de dues bandes d'emissió dóna lloc a més flexibilitat a l'hora de controlar l'espectre final obtingut. Tanmateix, calen més estudies per tal de trobar la manera de modular la intensitat de cada banda de forma independent. Hem determinat que la EL pot presentar-se en tres formes diferents: a través de punts luminescents discrets distribuïts per l'àrea del dispositiu, com a emissió a la vora del dispositiu, o bé homogèniament distribuïda en tota la seva àrea. Aquests tres tipus d'emissió s'han relacionat amb les propietats òptiques i elèctriques dels dispositius. En els dos primers tipus d'emissió (per punts i a la vora), la EL porta associades densitats de corrent molt altes, de l'ordre de 1 A/cm2, i eficiències de conversió elèctrica-òptica baixes, de l'ordre de 10^-8. En canvi, l'emissió homogènia porta associades densitat de corrent més moderades, de l'ordre de 0.01 A/cm2, i eficiències superiors, en el rang 10^-7 - 10^-5. Per tant, concloem que l'emissió homogènia és l'òptima pel que fa a l'eficiència. A més a més, hem proposat un model senzill que permet explicar l'aparició, i ocasionalment coexistència, dels diferents tipus d'emissió. En aquest model, l'emissió homogènia s'associa a una conducció uniforme a través del dispositiu, mentre que els punts lluminosos es produeixen en camins preferents de baixa resistivitat a través de la capa. També hem explorat l'efecte d'una capa de nitrur de silici sobre la capa activa de SRO, i hem conclòs que és beneficiosa de cara a obtenir una conducció uniforme que afavoreix l'emissió homogènia en els dispositius. També hem relacionat els estats de conducció associats als diferents tipus d'emissió amb el comportament de la característica CV dels dispositius. Els resultats indiquen que l'emissió homogènia va associada a una característica CV típica d'una capacitat MIS, al contrari que l'emissió per punts. Això reforça la idea de una conducció uniforme en un l'emissió homogènia i un dispositiu trencat en l'emissió per punts. Hem estudiat els mecanismes d'injecció de càrrega en mostres fabricades per deposició química de vapor assistida per plasma (PECVD) i per implantació iònica de ions de silici. Hem conclòs que no hi ha cap mecanisme que pugui donar comptes de la injecció de càrrega en tots els règims de camp elèctric en el rang estudiat. L'efecte túnel Fowler-Nordheim o l'efecte túnel assistit per trampes juguen un paper important en les mostres PECVD. En mostres implantades, l'efecte túnel Fowler-Nordheim sembla dominar a camps baixos, però el mecanisme Poole-Frenkel guanya protagonisme a camps alts. Durant la caracterització dels dispositius, hem trobat grans diferències entre els espectres de PL i els de EL. Qualitativament, aquestes diferències s'expliquen fàcilment per efectes d'interferència en la multicapa dels dispositius. En el capítol 3 hem presentat un programa d'ordinador basat en el mètode de Crawford que ens permet estudiar quantitativament els efectes de les interferències en l'emissió dels nostres dispositius. Hem pogut concloure que la PL i la EL són iguals malgrat les aparences. El nostre anàlisi també fa palès que és molt important determinar quantitativament els efectes de les interferències en les multicapes si es vol obtenir informació precisa dels processos físics que donen lloc a la luminescència. Al capítol 4 ens hem ocupat del segon objectiu d'aquest treball. és a dir la fabricació d'un transceptor òptic. N'hem presentat el disseny, el procés de fabricació i la caracterització, i hem superat amb èxit les dues principals dificultats que comporta la integració monolítica d'emissor, guia d'ones i detector en un procés CMOS, que són l'obtenció del detector, la fabricació del qual està sotmesa als requeriments de càrrega tèrmica en la fabricació de l'emissor, i l'obtenció d'una trinxera d'òxid que sigui raonablement plana i uniforme. Malauradament, el transceptor no ha funcionat correctament i no hem pogut mesurar acoblament entre emissor i detector. El principal culpable n'és l'emissor de SRN, que presenta una luminescència molt pobre. Cal fer més feina per controlar millor l'emissió de la capa de SRN al transceptor. Tanmateix, creiem que el disseny bàsic del transceptor és correcte, ja que l'acoblament elèctric entre l'emissor i el detector és molt baix.
