Development and optimization of silicon based light sources for integration into a sensor platform

摘要

[spa] Aquesta tesi presenta un estudi de les propietats òptiques de capes d'òxid de silici enriquit en silici (SRO) i nitrur de silici enriquit en silici (SRN) que han sofert un procés tèrmic d'alta temperatura. Aquest procés indueix la creació de nanoaglomerats de silici en la matriu dielèctrica. Aquestes nanoestructures de silici presenten una superior eficiència en l'emissió respecte al silici en bloc, i a més a més emeten en el visible en comptes de l'infraroig. Això és interessant per a l'obtenció de dispositius fotònics integrats basats en silici que poden ser fabricats monolíticament en un procés compatible amb la tecnologia CMOS que domina la indústria microelectrònica. A més a més, hem estudiat les propietats òptiques i elèctriques de dispositius metall-aïllant-semiconductor en les quals l'aïllant és una capa d'SRO o SRN amb nanoaglomerats de silici. N'hem mesurat paràmetres d'interès com ara l'eficiència de conversió d'energia elèctrica-òptica o la potència òptica, i n'hem estudiat els mecanismes d'injecció que hi tenen lloc. S'han identificat tres tipus diferents d'emissió: per punts, per la vora del dispositiu, i emissió homogènia, i hem determinat que l'emissió homogènia és la més adecuada pel que fa a l'eficiència dels dispositius. Hem desenvolupat un programa que permet el càlcul de les interferències òptiques que tenen lloc als sistemes multicapa que conformen els dispositius estudiats, i que distorsionen l'espectre observat respecte al que les capes realment emeten. L'habilitat de poder calcular aquests efectes ens permet, en molts casos, eliminar l'efecte de les interferències i determinar l'autèntic espectre d'emissió de les capes i per tant estar en millors condicions d'assignar l'emissió als mecanismes correctes. Finalment, hem proposat un prototip per a un transceptor en el qual l'emissor, la guia d'ones i el detector estan integrats monolíticament en un procés CMOS. Hem fabricat el dispositiu i l'hem caracteritzat. Tot i que no hem aconseguit acoblament òptic entre l'emissor i el detector, creiem que el disseny bàsic queda validat, ja que els principals obstacles en l'obtenció del dispositiu han sigut superats amb èxit.