Studies and integration of Silicon-based light emitting systems

• Autores: Alfredo Abelardo González Fernández
• Directores de la Tesis: Carlos Dominguez Horna (dir. tes.), Blas Garrido Fernández (dir. tes.), M. Aceves Mijares (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Albert Cirera Hernández (presid.), Miquel Garriga i Bacardi (secret.), David Izquierdo Núñez (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Dispositivos fotoeléctricos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Dipòsit Digital de la UB
• Resumen

  • El proyecto aborda el estudio de dispositivos y materiales luminiscentes basados en silicio para su uso en la fabricación de un sistema óptico que integre emisor de luz, guía de ondas, y sensor en un solo chip obtenido mediante el uso de técnicas y materiales estándar para la fabricación CMOS. Las características atómicas y estructurales de los materiales son analizados y relacionados con su respuesta luminiscente. Considerando los resultados de la caracterización del material activo, se presenta el diseño, fabricación, y caracterización de dispositivos electroluminiscentes basados en dichos materiales. Finalmente, se discute y analizan el diseño, fabricación, y caracterización de un transceptor como Sistema Óptico Integrado. Los materiales activos para la emisión de luz fueron distintos Dióxidos de Silicio enriquecidos con Silicio (SRO por sus siglas en inglés) y bi-capas SRO-Si3N4, obtenidos mediante una variedad de técnicas compatibles con los procesos CMOS y distintos parámetros para los mismos. Se identificaron dos mecanismos que contribuyen a la fotoluminiscencia del SRO en todos los casos, relacionados con defectos radiativos y fenómenos de Confinamiento Cuántico, respectivamente. Se sugiere y pone a prueba un modelo para describir este último, basado en la aproximación de la masa efectiva y la relación entre la cantidad de enlaces Si-Si y el volumen de nano-aglomerados. En muestras bi-capa, se observó una banda adicional de luminiscencia, cuya generación fue identificada en el material de transición entre el nitruro de silicio y el óxido, y relacionada con estados de energía introducidos por defectos. Muestras con un espesor de SRO diez veces mayores a aquel del nitruro presentaron una clara dominación de la luminiscencia relacionada con el óxido. Se halló que los centros responsables por la electroluminiscencia en los dispositivos electrónicos son fundamentalmente los mismos que los responsables de la fotoluminiscencia a pesar de las diferencias en los espectros medidos, y se concluyó que la influencia de la arquitectura sobre el espectro de salida es de importancia significativa. Se mostró que dispositivos bi-capa entregan mejores resultados en términos de eficiencia, control sobre la luz emitida, distribución de la misma, y estabilidad en el funcionamiento. Se observó que los mecanismos de transporte de carga hallados en los dispositivos están dominados por ruptura del material en el caso de dispositivos de una sola capa, y Tuneleo Asistido por Trampas en el caso de dispositivos bi-capa. El Sistema Óptico que integra el emisor, una guía de ondas, y el detector de luz, fue diseñado y fabricado con base en los resultados de la fabricación y análisis de los dispositivos emisores de luz aislados. Durante la etapa de diseño, se corroboró mediante simulaciones por computadora que las características de la luz emitida por los dispositivos que presentaron la máxima eficiencia y fiabilidad fueran apropiadas para su transmisión a través de la guía de ondas propuesta. También se corroboró teóricamente que las capacidades de detección de los sensores diseñados fuera la adecuada para el tipo de luz emitida. Se exploró el apropiado funcionamiento de los elementos del sistema finalmente fabricado. Se encontraron diferencias en la operación de los dispositivos emisores de luz aislados y aquellos integrados, pero la luminiscencia resultante se halló dentro de los límites del espectro transmisible. La operación del Sistema Óptico Integrado fue probada y estudiada de manera preliminar, con la obtención de resultados positivos en su respuesta estímulo-detección, cumpliendo así con el objetivo principal del trabajo, y abriendo la puerta para estudios posteriores que pueden guiar a la optimización del diseño del sistema para aplicaciones particulares.¿¿¿¿¿