Studies and integration of Silicon-based light emitting systems

El proyecto aborda el estudio de dispositivos y materiales luminiscentes basados en silicio para su uso en la fabricacion de un sistema optico que integre emisor de luz, guia de ondas, y sensor en un solo chip obtenido mediante el uso de tecnicas y materiales estandar para la fabricacion CMOS. Las caracteristicas atomicas y estructurales de los materiales son analizados y relacionados con su respuesta luminiscente. Considerando los resultados de la caracterizacion del material activo, se presenta el diseno, fabricacion, y caracterizacion de dispositivos electroluminiscentes basados en dichos materiales. Finalmente, se discute y analizan el diseno, fabricacion, y caracterizacion de un transceptor como Sistema Optico Integrado. Los materiales activos para la emision de luz fueron distintos Dioxidos de Silicio enriquecidos con Silicio (SRO por sus siglas en ingles) y bi-capas SRO-Si3N4, obtenidos mediante una variedad de tecnicas compatibles con los procesos CMOS y distintos parametros para los mismos. Se identificaron dos mecanismos que contribuyen a la fotoluminiscencia del SRO en todos los casos, relacionados con defectos radiativos y fenomenos de Confinamiento Cuantico, respectivamente. Se sugiere y pone a prueba un modelo para describir este ultimo, basado en la aproximacion de la masa efectiva y la relacion entre la cantidad de enlaces Si-Si y el volumen de nano-aglomerados. En muestras bi-capa, se observo una banda adicional de luminiscencia, cuya generacion fue identificada en el material de transicion entre el nitruro de silicio y el oxido, y relacionada con estados de energia introducidos por defectos. Muestras con un espesor de SRO diez veces mayores a aquel del nitruro presentaron una clara dominacion de la luminiscencia relacionada con el oxido. Se hallo que los centros responsables por la electroluminiscencia en los dispositivos electronicos son fundamentalmente los mismos que los responsables de la fotoluminiscencia a pesar de las diferencias en los espectros medidos, y se concluyo que la influencia de la arquitectura sobre el espectro de salida es de importancia significativa. Se mostro que dispositivos bi-capa entregan mejores resultados en terminos de eficiencia, control sobre la luz emitida, distribucion de la misma, y estabilidad en el funcionamiento. Se observo que los mecanismos de transporte de carga hallados en los dispositivos estan 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 Optico que integra el emisor, una guia de ondas, y el detector de luz, fue disenado y fabricado con base en los resultados de la fabricacion y analisis de los dispositivos emisores de luz aislados. Durante la etapa de diseno, se corroboro mediante simulaciones por computadora que las caracteristicas de la luz emitida por los dispositivos que presentaron la maxima eficiencia y fiabilidad fueran apropiadas para su transmision a traves de la guia de ondas propuesta. Tambien se corroboro teoricamente que las capacidades de deteccion de los sensores disenados fuera la adecuada para el tipo de luz emitida. Se exploro el apropiado funcionamiento de los elementos del sistema finalmente fabricado. Se encontraron diferencias en la operacion de los dispositivos emisores de luz aislados y aquellos integrados, pero la luminiscencia resultante se hallo dentro de los limites del espectro transmisible. La operacion del Sistema Optico Integrado fue probada y estudiada de manera preliminar, con la obtencion de resultados positivos en su respuesta estimulo-deteccion, cumpliendo asi con el objetivo principal del trabajo, y abriendo la puerta para estudios posteriores que pueden guiar a la optimizacion del diseno del sistema para aplicaciones particulares.