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Studies and integration of Silicon-based light emitting systems

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Universitat de Barcelona. Facultat de Física

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[spa]  	
Este 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-Si3 N4, 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.

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[eng] This project presents the study of luminescent devices and materials based on silicon for its use in the fabrication of an optical system that integrates light emitter, waveguide, and light sensor in a single chip obtained by the use of standard CMOS techniques and materials. The atomic and structural characteristics of the materials are analysed and related to its luminescent response. Taking into account the results from the active material characterization, the design, fabrication, and characterization of electroluminescent devices based on such materials is presented. Finally, the design, fabrication and characterization of a complete CMOS compatible Integrated Optical System consisting of a transceiver, is discussed and analysed. The active materials used for light emission were different Silicon Rich Silicon Dioxide(SRO) and SRO-Si3 N4 bi-layers, obtained by a variety of CMOS compatible techniques and fabrication parameters. Two contributing mechanisms to photoluminescence in SRO were identified in all cases, respectively linked to the presence of radiative defects, and to Quantum Confinement phenomena. It is proposed and tested a model to describe the latter, based on the effective mass approximation, and the relation between the amount of Si-Si links and the volume of nano-agglomerates present in the material. In bi-layer samples, an additional luminescence band was observed, found to be generated in the transition material between silicon nitride and dioxide, and related to energy states introduced by defects. Samples with SRO thickness ten times higher than that of nitride, presented a clear dominance of the photoluminescence related to the dioxide. The centres responsible for electroluminescence in the electronicd evices were found to be fundamentally the same as those for photoluminescence despite the differences in measured spectra, and it was concluded that the influence of the architecture on the light output is of significant importance. It was shown that bi-layered devices delivered better results in terms of efficiency, light emission control, distribution and stability. The carrier transport mechanisms observed in the devices were dominated by material breakdown in single-layered devices, and Trap-assisted Tunnelling in the bi-layers. The Optical System integrating the light emitter, a waveguide, and a light detector, was designed and fabricated based on the results from the fabrication and analysis of the stand alone light emitting devices. During the design stage, it was corroborated by computer simulations that the characteristics of thelight emittedby thedevices thatpresented thehighest e.ciency and reliability, were suitable for its transmission trough the pro­posed waveguide architecture. The detection capabilities of the designed light sensors were also theoretically corroborated to be appropriated for the detection of the emitted light type. The proper functioning of the elements conforming the finally fabricated system was probed. Differences were found in the operation of the stand alone light emitting devices and those integrated, but the resulting luminescence was within the boundaries of the transmittable spectrum. The operation of the Integrated Optical System was tested and preliminarily studied, obtaining positive results in its stimulus-detection response, fulfilling the main objective of the work, and opening the door for further studies which can lead to the optimization of the design for particular applications.

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Studies and integration of Silicon-based light emitting systems