Rare Earth-Doped Silicon-Based Light Emitting Devices: Towards new Integrated Photonic Building Blocks

Abstract

[cat] Aquesta tesi presenta el treball dut a terme en la implementació de dispositius luminescents basats en silici i dopats amb terres rares pel desenvolupament de nous pilars optoelectrònics fonamentals compatibles amb la fotònica del silici. Aquest treball abasta des dels aspectes més fonamentals tals com l’estructura, la morfologia de les capes actives que contenen nano-cristalls de silici i/o ions de terres rares o l’estudi de l’origen de l’electroluminescència dels dispositius quan són polaritzats per diferents voltatges alterns, fins al desenvolupament de nous dispositius avançats basats en silici. En aquest cas, l’estudi portat a terme bé acompanyat d’una descripció detallada del disseny de cada dispositiu, el disseny de la màscara de procés elaborada especialment per a la fabricació dels dispositius en cas que sigui necessari, així com el procés de fabricació dels mateixos i una caracterització optoelectrònica detallada amb les pertinents conclusions al final de cada capítol. També, al final d’aquesta tesi es proposen nous dissenys i arquitectures de dispositiu que pretén establir un mapa de ruta per millorar els dispositius estudiats en aquest tesi, i que està basat en l’experiència adquirida durant els quatre anys d’investigació en dispositius electroluminescents basats en silici.

[eng] This thesis presents the work carried out towards the implementation of RE-doped Si-based light emitting devices as integrated optoelectronic building blocks for Silicon Photonics. This work spans from the fundamentals such as the structure, the morphology of active layers containing Si-ncs and/or RE ions or the origin of the EL emission under different voltage excitations, to the development of advanced Si-based light emitting devices, providing insights on the device design, mask layout, device fabrication and the optoelectronic characterization. Also, novel layer architectures are proposed to overcome some of the inherent limitations of studied devices, paving the way towards efficient and reliable Si-based light emitting devices. This thesis is divided in two main blocks: one dedicated to the study of Er-doped Si-based light emitting devices emitting at 1.54 µm for on-chip optical data routing, and another one focussed on the structural and luminescence properties of Tb3+ and Ce3+ doped silicon oxide and oxynitride thin films with different layer compositions as enabling materials for sensing and RGB micro display applications. Also, different multilayer architectures containing alternated RE-doped single layers are explored.