ES2331824A1 - Microesferas de silicio y esponjas fotonicas, procedimiento de produccion y sus aplicaciones en la fabricacion de dispositivos fotonicos. - Google Patents

Microesferas de silicio y esponjas fotonicas, procedimiento de produccion y sus aplicaciones en la fabricacion de dispositivos fotonicos. Download PDF

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Abstract

Microcavidades ópticas y esponjas fotónicas, procedimiento de producción y sus aplicaciones en la fabricación de dispositivos fotónicos. La invención describe una microesfera de silicio con diámetro entre 0.1 y 50 micras capaz de funcionar como una microcavidad óptica con modos resonantes tipo Mie para longitudes de onda comprendidas entre 1 y 15 micras, y una esponja fotónica constituida a partir de ellas. La obtención de la misma se lleva a cabo por un método sencillo basado en la descomposición por calentamiento de los precursores gaseosos. El uso de estas microesferas y esponjas fotónicas reside en la fabricación de dispositivos fotónicos, por ejemplo, células solares, fotodiodos, láseres y sensores.

Description

Microcavidades ópticas y esponjas fotónicas, procedimiento de producción y sus aplicaciones en la fabricación de dispositivos fotónicos.
Campo de la invención
La presente invención se engloba en general en el campo de la fabricación de materiales microestructurados. En particular se engloba también en el campo de las microcavidades ópticas y los dispositivos fotónicos, y en el campo de las células fotovoltaicas, láseres y sensores.
Estado de la técnica
El confinamiento de energía electromagnética en cavidades pequeñas es un fenómeno con enormes potencialidades. En particular, el fenómeno de resonancia de la luz en cavidades de un tamaño comparable con la longitud de onda, en el rango visible e infrarrojo cercano, está siendo estudiado por investigadores y empresas de microelectrónica de todo el mundo. El hecho de confinar el campo electromagnético en cavidades de este tamaño, llamadas microcavidades, ha dado lugar a interesantes aplicaciones tecnológicas. En primer lugar, las microcavidades son elementos clave para fabricar dispositivos fotónicos de tamaño micrométrico, por ejemplo, multiplexores y de-multiplexores [S. Noda, A. Chutinan, M. Imada, Nature 407, 608, 2000]. Por otra parte, las microcavidades también favorecen notablemente las interacciones de óptica no lineal como por ejemplo la interacción Raman. Esto se puede usar para detectar un líquido o gas que se encuentre cerca de la microcavidad. Otro tipo de aplicaciones son los dispositivos micrométricos emisores o detectores de luz, como por ejemplo los microláseres, que se han fabricado introduciendo un material activo dentro de una microcavidad [O. Painter, R.K. Lee, A. Scherer, A. Yariv, J.D. O'Brien, P.D. Dapkus, I. Kim, Science 284, 1819, 1999].
El desarrollo de microcavidades que permiten modos de resonancia de alto factor de calidad (Q), definido como la relación entre la cantidad de energía almacenada y la perdida por unidad de ciclo, y donde el volumen de confinamiento del campo (V) es muy pequeño, ha permitido realizar experimentos de electrodinámica cuántica mediante el uso de materiales con niveles electrónicos bien definidos como puntos cuánticos e incluso gases monoatómicos. De esta manera el efecto Purcell y el Rabi splitting han podido ser observados [K. Hennessy, A. Badolato, M. Winger, D. Gerace, M. Atatüre, S. Gulde, S. Fált, E.L. Hu, A. Imamoglu, Nature 445, 896, 2007].
Los diferentes tipos de microcavidades que se han fabricado hasta ahora se pueden resumir en las siguientes: micropilares, microdiscos, cavidades de cristal fotónico, microesferas y microtoroides [K.J. Vahala 424, 839, 2003]. La física en todas ellas viene determinada por el ratio Q/V. Valores altos de Q y valores pequeños de V son necesarios para que ocurran los fenómenos antes mencionados. El factor de calidad depende de diferentes aspectos: el índice de refracción de la microcavidad, el mecanismo de resonancia, etc. Los resonadores tipo modos susurrantes (del inglés whisppering gallery modes) proporcionan los factores de calidad más altos alcanzados hasta ahora. El valor record de 8\timesE9 para Q fue alcanzado en microesferas de óxido de silicio [M.L. Gorodetsky, A.A. savchenkov, V.S. Ilchenko, Opt. Lett. 21, 453, 1996]. Sin embargo, su diámetro y por tanto el volumen, V, era relativamente grande, del orden varias decenas de micras. La razón de esto se debe al bajo contraste de índices de refracción entre la esfera y el ambiente, n_esfera/n_aire=1.45, y al mecanismo de resonancia subyacente que es la reflexión interna total de la luz en el interior de la esfera. Una estrategia para disminuir el tamaño de la esfera manteniendo un alto Q consiste en incrementar su índice de refracción. Esto ocurriría, por ejemplo, si la esfera fuera de silicio. En este caso el contraste de índices de refracción sería: n_esfera/n_aire=3.5 en el infrarrojo cercano.
Cabe mencionar varios métodos que se han utilizado hasta ahora para fabricar esferas de silicio. Por ejemplo, métodos descritos en las patentes US No 5,069,740 y US No 4,637,855. Sin embargo, se trata aparentemente de esferas de tamaño mucho mayor que las que se presentan en esta patente. Tienen diámetros de 0.5 mm o más. Estas invenciones se han realizado con miras a su aplicación en el campo de las células fotovoltaicas, ya que las esferas de silicio de tamaño milimétrico capturan mejor la luz que las estructuras planares debido a efectos geométricos.
Descripción de la invención Descripción breve
Un aspecto de la invención lo constituye una microesfera, en adelante microesfera de la invención, de silicio con diámetro entre 0.1 y 50 micras, preferentemente entre 0.5 y 5 micras, constituida por un material seleccionado del grupo siguiente: silicio y Si_{x}Ge_{1-x} donde 0\leqx\leq1, y con modos resonantes tipo Mie para longitudes de onda comprendidas entre 1 y 15 micras, donde el silicio es transparente.
Un aspecto preferente de la invención lo constituye la microesfera de la invención donde el silicio presenta un estado cristalino de distinta naturaleza, por ejemplo, estado amorfo, amorfo hidrogenado, poli-cristalino, mono-cristalino; y pudiendo ser, además, las microesferas de tipo no poroso o poroso.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye la microesfera de la invención en la que ele material de la partícula es silicio.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye la microesfera de la invención en la que el material de la partícula es Si_{x}Ge_{1-x}, donde 0\leqx\leq1.
Otra realización preferente de la invención lo. constituye una esponja fotónica en la que las: microesferas son de silicio y/o Si_{x}Ge_{1-x}, donde 0\leqx\leq1, y en el que el estado cristalino de la mezcla puede ser cualquiera de los siguientes: amorfo, amorfo hidrogenado, poli-cristalino y mono-cristalino, y siendo las microesferas de tipo no poroso o poroso.
Otro aspecto de la invención lo constituye el procedimiento de producción de las microesferas y esponjas fotónicas de la invención, en adelante procedimiento de la invención, que comprende las siguientes etapas (ver Figura 6):
i)
la introducción de un substrato (5) en un contenedor o reactor (2), y realización de vacío en el reactor;
ii)
la introducción de, al menos, un material precursor de las microesferas en forma de gas en el reactor (2), que se selecciona del siguiente grupo:
\quad
- Silano (SiH_{4}),
\quad
- Di-silano (Si_{2}H_{6}),
\quad
- Germano (GeH_{4}),
\quad
- Una combinación de silano o di-silano y germano en cualquier proporción estequiométrica, y
\quad
- Una combinación de silano o di-silano y di borano (B_{2}H_{6}) como gas dopante;
iii)
Sometimiento de los materiales precursores a las condiciones de presión, temperatura y tiempo de descomposición adecuadas;
iv)
Eliminación de los gases sobrantes del reactor (2); y
v)
Extracción del substrato (5) que contiene las microesferas y esponjas fotónicas del reactor (2).
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material precursor es un material precursor de silicio, preferentemente, silano o disilano, en forma de gas.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material precursor es un material precursor de germanio, preferentemente, germano (GeH_{4}), en forma de gas.
Finalmente, otro aspecto de la invención lo constituye el uso de las microesferas y esponjas fotónicas de la invención en la fabricación de dispositivos fotónicos, por ejemplo, células solares, fotodiodos, láseres y sensores.
Descripción detallada
Las microesferas y la esponja fotónica que describe la presente invención suponen un nuevo concepto para capturar la luz que puede aplicarse en diferentes dispositivos como las células fotovoltaicas, fotodiodos, láseres, sensores químicos y biológicos, entre otros. En efecto, este nuevo concepto se basa en la conjunción de dos fenómenos, por una parte la resonancia de la luz en las microesferas, que concentra enormemente la energía luminosa en su interior, y por otra parte los fenómenos de óptica no lineal que son favorecidos por esta concentración de energía. Entre los fenómenos de óptica no lineal está la absorción de dos o más fotones al mismo tiempo. Este fenómeno permitiría extender el rango de absorción de fotones del silicio, que normalmente va desde el ultravioleta hasta poco más allá del visible(es decir desde longitudes de onda menores que 400 nm, hasta 1000 nm aproximadamente) a longitudes de onda del infrarrojo cercano (posiblemente hasta 2000 nm). Esto permitiría extender el rango de absorción a todo el espectro solar si se usan microesferas para desarrollar células solares o fotodiodos, por ejemplo introduciendo una homounión p-n o una heterounión tipo p-i-n en las microesferas o en la esponja fotónica. La propia resonancia se puede usar en otras aplicaciones como los láseres. Así, si se le introducen o absorben en su superficie sustancias fluorescentes estas microcavidades actúan como cavidades resonantes muy pequeñas que excitan la luminiscencia de los fluorocromos y pueden producir inversión de población y por tanto efecto láser.
La aplicación a sensores se basa en el hecho siguiente: Las resonancias en las microcavidades aparecen a diferentes frecuencias (o longitudes de onda). Este efecto origina mínimos en la transmitancia óptica. Ya que las esferas de silicio pueden presentar porosidad dependiendo de sus parámetros de procesado, estas pueden actuar como sensores. Si en los poros de la esfera se introduce un producto químico o biológico, este modifica el índice de refracción de la microcavidad. Por tanto, las resonancias cambian de posición en longitud de onda y por tanto, se detecta la sustancia.
Se describe en primer lugar una esfera de silicio con diámetro entre 0.1 y 50 micras y el método para obtenerlas. Más concretamente, estas microesferas presentan una dispersión de tamaños como muestra la Figura 1(a) así como una alta esfericidad y una superficie muy lisa como muestra la Figura 1(b). La alta esfericidad y la baja rugosidad superficial son los dos factores clave para que las microesferas funcionen como microcavidades ópticas con modos resonantes tipo Mie o modos susurrantes (del inglés whisppering gallery modes). Dado su tamaño (de hasta 50 micras de diámetro) y teniendo en cuenta la región espectral donde el silicio es transparente, estas resonancias aparecen en un rango espectral comprendido entre 1 y 15 micras, donde el silicio es transparente.
La Figura 2(a) muestra medidas de transmitancia óptica de una sola esfera de 1.88 micras de diámetro (curva sólida bajo la leyenda de datos experimentales). La Figura 2(a) también muestra los cálculos de la transmisión óptica según la teoría de Mie para una esfera de ese tamaño y suponiendo que está hecha de silicio cristalino (curva sólida bajo la leyenda de cálculos). Se observa claramente un buen ajuste de las medidas a la teoría de Mie. Cada uno de los valles de transmisión corresponde a un modo resonante o modo Mie. En la Figura 2(a) también se muestra la asignación de las diferentes resonancias a los diferentes modos de la microcavidad amn y bmn donde los números m, n pueden tomar valores n, m= 1, 2, 3, 4, 5, 6, etc. La Figura 2(b) muestra el cálculo de la distribución espacial del campo electromagnético de los modos b31, y b42. El factor de calidad más alto que se deduce de los picos del espectro de transmitancia es de 1000, debido a la limitada resolución del espectrómetro. Es obvio que usando un espectrómetro con mayor resolución se observarían picos o resonancias con más alto factor de calidad. En particular, los cálculos realizados muestran que algunos de ellos pueden llegar a alcanzar un factor de calidad del orden de lxE9 y confinar el campo electromagnético en un volumen muy reducido, del orden de 1 micra cúbica. También se muestra un cálculo de la transmisión óptica de una esfera de oxido de silicio (línea punteada) del mismo tamaño que la esfera de silicio, ilustrando que esta esfera no posee resonancias Mie. Tal como se muestra en los ejemplos las microesferas se pueden presentar aisladas, en forma de racimos o piñas de unas pocas unidades, y en forma de conglomerados o apilamientos de muchas unidades formando una esponja fotónica (ver Figura 3 y su encarte). Asimismo, también es posible separar fácilmente microesferas de un conglomerado o un racimo por métodos mecánicos. El método de separación se puede realizar por métodos de rascado suave o mediante molienda muy suave o por métodos ultrasónicos.
En este sentido, se ha obtenido una esponja fotónica formada por conglomerados o distribuciones aleatorias de unidades de microesferas. Estas esponjas pueden atrapar y localizar la luz en espacios muy reducidos (del orden del tamaño de esfera) en un rango de longitudes de onda donde el silicio es transparente, concretamente entre 1 y 15 micras. Esta localización de luz se explica en términos de resonancias Mie y favorece notablemente la ocurrencia de fenómenos de óptica no lineal como la localización fotónica de Andersson en donde el recorrido libre medio del fotón es del orden de la distancia entre partículas. La Figura 3 muestra una imagen por microscopía electrónica a bajos aumentos de una esponja fotónica de unas 60 micras de espesor. El encarte corresponde a una parte de la esponja a mayor magnificación. La Figura 4 muestra un espectro de transmitancia óptica de una esponja de 13 micras de espesor (curva a puntos), crecida sobre una oblea o substrato de silicio monocristalino y el espectro de transmisión de la misma oblea sin esponja (curva sólida) para poder compararlas. Aparte del pico de absorción alrededor de las 16 micras, que es debido a los fonones de la red del silicio, se observa claramente cómo mientras que la oblea de silicio sin esponja presenta una curva más o menos plana (el 50% de transmisión es debido a la reflexión de la luz), la esponja da lugar a un borde en el espectro de transmisión. El punto medio de este borde se puede situar en las 15 micras de longitud de onda. La razón de esto se debe a que para longitudes de onda menores que 15 micras el tipo de scattering es Mie, es decir, se produce localización de luz, mientras que para longitudes de onda mayores que 15 micras el tipo de scattering es Rayleigh, que es típico cuando el tamaño de partícula es menor que la longitud de onda de la luz.
Medidas estadísticas del tamaño de esfera en la esponja medida dan una distribución gaussiana con un diámetro promedio de 1.8 micras y una desviación estándar de 0.5 micras. La Figura 4 muestra un cálculo de la sección eficaz de scattering Mie (\sigma_{sca}) de esta distribución de esferas (curva a rayas). El resultado es una curva complementaria al espectro de transmisión de la esponja que explica la existencia de la transición de scattering Mie a scattering Rayleigh. La banda gris ilustra esta zona de transición.
Esponjas con otro tamaño promedio de esfera diferente del anterior dan lugar a un borde en el espectro de transmisión situado en una posición distinta a 15 micras. Asimismo, el cambio en la desviación estándar de la distribución da lugar a un borde más o menos pronunciado según la desviación estándar sea menor o mayor, respectivamente. La Figura 5 muestra el espectro de transmitancia de la esponja de la Figura 4 (esponja 1), junto con el de otra esponja de 9 micras de espesor, también crecida sobre una oblea de silicio monocristalino (esponja 2) y el de la oblea de silicio tomada de referencia (subs. de silicio). En el caso de la esponja 2, la distribución estadística del tamaño de esfera da un diámetro medio de 1.5 micras y una desviación estándar de 0.5 micras. La Figura 5 muestra también el cálculo de la sección eficaz de scattering Mie (\sigma_{sca}) de las dos esponjas. Al comparar los espectros de transmisión y los cálculos de ambas esponjas se observa que la disminución del tamaño medio de esfera provoca el corrimiento hacia el azul, es decir, hacia longitudes de onda menores, de la longitud de onda de transición de scattering Mie a scattering Rayleigh.
La localización de luz que se obtiene con las microesferas y esponjas fotónicas de la invención a su vez propicia la ocurrencia de fenómenos de óptica no lineal como la absorción óptica de dos o más fotones y la emisión láser a partir de iones luminiscentes absorbidos en las cavidades de silicio. Las aplicaciones más inmediatas en el campo de la óptica no lineal serían: láseres, detectores, sensores, etc.
Las esferas micrométricas de silicio permitirían integrar en un solo dispositivo conceptos importantes de la tecnología electrónica y la tecnología fotónica. Una aplicación futura sería el desarrollo de uniones p-n en una sola micro-cavidad. Ello permitiría integrar en un solo dispositivo el concepto de microcavidad con el de fotodiodo.
Así, un aspecto de la invención lo constituye una microesfera, en adelante microesfera de la invención, de silicio con diámetro entre 0.1 y 50 micras, preferentemente entre 0.5 y 5 micras, constituida por un material seleccionado del grupo siguiente: silicio y Si_{x}Ge_{1-x} donde 0\leqx\leq1, y con modos resonantes tipo Mie para longitudes de onda comprendidas entre 1 y 15 micras, donde el silicio es transparente.
Un aspecto preferente de la invención lo constituye la microesfera de la invención donde el silicio presenta un estado cristalino de distinta naturaleza, por ejemplo, estado amorfo, amorfo hidrogenado, poli-cristalino, mono-cristalino; y pudiendo ser, además, las microesferas de tipo no poroso o poroso.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye la microesfera de la invención en la que el material de la partícula es silicio.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye la microesfera de la invención en la que el material de la partícula es Si_{x}Ge_{1-x}, donde 0\leqx\leq1.
Una realización preferente de la invención lo constituye una microesfera, ya sea en forma aislada o en forma de racimo, de silicio, y más preferentemente de silicio amorfo.
Otra realización preferente de la invención lo constituye una microesfera, ya sea en forma aislada o en forma racimo, de Si_{x}Ge_{1-x}, donde 0\leqx\leq1, ya sea en estado. cristalino o amorfo.
Otro aspecto de la invención lo constituye una esponja fotónica, en adelante esponja fotónica de la invención, formada por conglomerados o distribuciones aleatorias de muchas unidades de microesferas de la invención, ya sean de un único o de distintos materiales, en un apilamiento, del tipo de capa o lámina sobre superficies planas, curvas o combinaciones de ambas. Estas esponjas pueden localizar la luz en espacios muy reducidos, en un rango de longitudes de onda donde el silicio es transparente, concretamente entre 1 y 15 micras.
Otra realización preferente de la invención lo constituye una esponja fotónica en la que las microesferas son de silicio y/o Si_{x}Ge_{1-x}, donde 0\leqx\leq1, y en el que el estado cristalino de la mezcla puede ser cualquiera de los siguientes: amorfo, amorfo hidrogenado, poli-cristalino y mono-cristalino, y siendo las microesferas de tipo no poroso o poroso.
Otro aspecto de la invención lo constituye el procedimiento de producción de las microesferas y esponjas fotónicas de la invención, en adelante procedimiento de la invención, que comprende las siguientes etapas (ver Figura 6):
i)
la introducción de un substrato (5) en un contenedor o reactor (2), y realización de vacío en el reactor;
ii)
la introducción de, al menos, un material precursor de las microesferas en forma de gas en el reactor (2), que se selecciona del siguiente grupo:
\quad
- Silano (SiH_{4}),
\quad
- Di-silano (Si_{2}H_{6}),
\quad
- Germano (GeH_{4}),
\quad
- Una combinación de silano o di-silano y germano en cualquier proporción estequiométrica, y
\quad
- Una combinación de silano o di-silano y di-borano (B_{2}H_{6}) como gas dopante;
iii)
Sometimiento de los materiales precursores a las condiciones de presión, temperatura y tiempo de descomposición adecuadas;
iv)
Eliminación de los gases sobrantes del reactor (2); y
v)
Extracción del substrato (5) que contiene las microesferas y esponjas fotónicas del reactor (2).
Durante la etapa iii) del procedimiento de la invención se produce la descomposición por calentamiento de los compuesto/s precursor/es y, posteriormente, tiene lugar la nucleación y el crecimiento en el seno del gas precursor de las microesferas de la invención hasta un tamaño entre 0.1 y 50 micras en función de las condiciones de la reacción que se seleccionen. Las microesferas se difunden en el seno del gas y precipitan y se depositan como una lluvia sobre la superficie del sustrato introducido en el contenedor o sobre las paredes del mismo, hasta formarse microesferas aisladas y esponjas fotónicas.
Este proceso corresponde a un tipo de deposición química en fase vapor o CVD, del inglés Chemical Vapor Deposition, con unos parámetros particulares de tiempo, temperatura y presión de los materiales precursores. Además, este tipo de proceso se usa normalmente en la tecnología para el crecimiento epitaxial de diversos materiales, entre ellos el Silicio (Jasinski, J.M. & Gates, S.M. Silicon Chemical Vapor Deposition One Step at a Time: Fundamental Studies of Silicon Hydride Chemistry. Acc. Chem. Res. 24, 9-15 (1991). Un experto en la materia y con la información descrita en la presente invención puede manejar y variar las cantidades de los gases precursores, por ejemplo de di-silano (H6Si2) y silano (H4Si) (ver ejemplos); el material, volumen y forma del contenedor o reactor, el material y forma del substrato de crecimiento de las esferas de silicio; el emplazamiento del substrato en el contenedor durante el proceso de crecimiento de las partículas de silicio; temperatura de descomposición de los gases y tiempo de descomposición de los gases, con el objeto de obtener un tipo u otro de microesfera o esponja fotónica de la invención.
Las partículas de silicio obtenidas por el procedimiento de la invención tienen forma esférica debido a las fuerzas de tensión superficial. La síntesis, nucleación y precipitación de las partículas esféricas de silicio es parecida a la síntesis de partículas esféricas de óxido de silicio en un medio líquido cuando se usa un método sol-gel de síntesis con unos adecuados precursores (Stöber, W., Fink, A. & Bohn, E. Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range, J. Colloid and Interface Sci. 26, 62-69 (1968)). Las partículas esféricas al depositarse se apilan unas contra otras formando las esponjas fotónicas (Figura 3). El tamaño de las partículas obtenidas varía entre las 0.5 micras y las 5 micras. Sin embargo, modificando los parámetros de la reacción este tamaño se puede extender al rango entre 0.1 micras y 50 micras.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material precursor es un material precursor de silicio, preferentemente, silano o disilano, en forma de gas.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material precursor es un material precursor de germanio, preferentemente, germano (GeH_{4}), en forma de gas.
Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material precursor es una mezcla de materiales precursores de silicio y germanio, preferentemente, disilano, y germano, en estado gaseoso.
Las proporciones adecuadas de las mezclas de precursores de silicio (silano o disilano), germanio (germano, H4Ge) y di-borano (H6B2) pueden prepararse por un experto en la materia para obtener una determinada aleación en función de su aplicación final. Cuando se quiera utilizar gas diborano como dopante se debe introducir en cantidad menor al disilano ya que es el que promueve el silicio tipo p.
Finalmente, otro aspecto de la invención lo constituye el uso de las microesferas y esponjas fotónicas de la invención en la fabricación de dispositivos fotónicos, por ejemplo, células solares, fotodiodos, láseres y sensores.
Descripción de las figuras
Figura 1(a) Imagen de microscopia electrónica de varias microesferas de silicio donde se aprecia la dispersión de tamaños, (b) imagen por microscopía electrónica a grandes aumentos de una microesfera de 2 micras de diámetro aproximadamente. Cabe recalcar la esfericidad y la baja rugosidad de la superficie de la esfera, que son los dos elementos clave para que tenga modos resonantes Mie.
Figura 2. Medidas de transmitancia óptica de una sola esfera de 1.88 micras de diámetro (curva sólida bajo leyenda de datos experimentales) y los cálculos de transmitancia óptica (curva sólida bajo leyenda de cálculos) según la teoría de Mie para una esfera de ese tamaño. En la figura también se muestra la asignación de las diferentes resonancias, que coinciden con los valles o decrecimientos pronunciados en la transmitancia, a los diferentes modos de la microcavidad amn y bmn donde los números m, n pueden tomar valores n, m= 1, 2, 3, 4, 5, 6 etc. Cálculo de la distribución espacial del campo electromagnético de los modos b31, y b42.
Figura 3. Imagen de microscopia electrónica a bajos aumentos de una esponja fotónica de la invención de 60 micras de espesor aproximadamente. El encarte corresponde a una imagen de la misma esponja a alta magnificación.
Figura 4. Espectro de transmisión de una esponja fotónica de 13 micras de espesor depositada sobre una oblea de silicio cristalino (curva a puntos bajo leyenda de Esponja sobre substrato de silicio), y curva de transmisión de la misma oblea sin esponja para compararlas (curva sólida bajo leyenda de substrato de silicio). Aparte dé valle de absorción alrededor de las 16 micras que se debe a vibraciones de enlaces Si-Si y Si-H, se observa una caída o borde en el espectro de transmisión de la esponja que se puede situar en las 15 aproximadamente. Este borde o transición está ilustrado por la banda gris de la figura e indica una transición del tipo de scattering desde tipo Mie (para longitudes de onda menores que 15 micras) a tipo Rayleigh (para longitudes de onda mayores que 15 micras). Se muestra también un cálculo de la sección eficaz de scattering Mie (\sigma_{sca}) (curva a rayas) debido a una distribución gaussiana de esferas con un diámetro promedio de 1.8 micras y una desviación estándar de 0.5 micras, que corresponde al tamaño de las esferas que componen la esponja medida.
Figura 5. Espectros de transmitancia de dos esponjas de diferentes parámetros depositadas sobre una oblea o substrato de silicio. La curva fina y sólida corresponde a una esponja de 13 micras de espesor con un tamaño medio de esfera de 1.8 micras y una desviación standard de 0.5 micras (Esponja 1). Esta curva es la misma que la de la Figura 4. La curva punteada corresponde a una esponja de 9 micras de espesor con un tamaño medio de esfera de 1.5 micras y una desviación standard de 0.4 micras (Esponja 2). La curva sólida gruesa corresponde a la transmitancia de la oblea o substrato de silicio sin esponja. La figura 5 muestra también el cálculo de la sección eficaz de scattering Mie (\sigma_{sca}) de ambas esponjas, ilustrando la complementariedad entre éstas y las correspondientes curvas o espectros de transmitancia. Al comparar las dos esponjas, se observa que la disminución del tamaño medio de esfera produce un corrimiento hacia el azul del borde de transición de scattering Mie a scattering Rayleigh.
Figura 6. Esquemas de dos configuraciones A y B que corresponden a distintas maneras de colocar el substrato sobre el que se depositan las microesferas. Los números corresponden a: Horno tubular (1); Ampolla, contenedor o reactor (2) de cuarzo; Llave (3) de cierre y apertura del reactor (2); Boca (4) de entrada y salida de gases. Se puede abrir y cerrar mediante la llave 3; Substrato (5) donde se depositan las microesferas.
Ejemplos de realización de la invención
A continuación se describen modos particulares de realización de la invención para la fabricación de microesferas de silicio y esponjas fotónicas basadas en ellas. Las dimensiones de un reactor (2) de cuarzo y de un horno (1) utilizado en todos los ejemplos son las siguientes: reactor (2) de cuarzo: Diámetro: 2 cm, Longitud: 15 cm, Volumen: 47 ml; y un Horno tubular: Longitud: 20 cm, Diámetro: 3.5 cm.
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Ejemplo 1 Síntesis de una esponja fotónica de silicio amorfo de 13 micras de espesor formada por partículas con tamaños entre 0.5 micras y 5 micras y ampliables a tamaños entre 0.1 y 50 micras
En este ejemplo se utiliza la configuración A de la Figura 6. El proceso se resume en los siguientes pasos:
- Paso 1: Se retira una llave (3) del un reactor (2) de cuarzo y se introduce un substrato (5) sobre el que se depositan las microesferas. El substrato (5) es de cuarzo para que resista altas temperaturas.
- Paso 2: Se vuelve a colocar la llave (3) en el reactor (2) de tal manera que la boca (4) permanece abierta. La ampolla se conecta a través de la boca (4) a una línea de CVD (del inglés Chemical Vapour Deposition), que permite hacer vacío e introducir gases en el reactor (2).
- Paso 3: Se realiza vacío en el reactor (2) hasta una presión de 1xE-4 torr.
- Paso 4: Se introduce di-silano en el reactor (2) mediante una trampa de nitrógeno líquido. La cantidad de di-silano introducida es de 20 mg.
- Paso 5: Se cierra la llave (3) y se retira el reactor (2) de la línea de CVD. A continuación el reactor (2) se introduce en un horno (1) a 450°C, tal y como muestra la Figura 5, configuración A. De esta manera el substrato (5) queda situado en el punto medio del horno (1), donde la temperatura alcanzada es más estable y es la que marca un controlador de temperatura del horno (1).
- Paso 6: Se mantiene el reactor (2) en el horno (1) durante una hora a la temperatura de 450°C.
- Paso 7: Se retira el reactor (2) del horno (1) y se conecta a través de la boca (4) de nuevo en la línea de CVD. Se abre la boca 4 para eliminar el resto de gases producto de una reacción provocada en el paso anterior, como di-silano sobrante e hidrógeno. Estos gases son explosivos en contacto con el aire, por ello son atrapados y desactivados en una parte de la línea de CVD.
- Paso 8: Se retira la llave (3) del reactor (2) y se extrae el substrato (5) que contiene microesferas.
El proceso de este ejemplo da lugar a una muestra con las siguientes características:
Una capa de silicio de alrededor de 1 micra se ha formado sobre el substrato (5) tanto en el lado que está tocando las paredes del reactor (2) (llamémosle lado pared) como en el lado opuesto (llamémosle lado libre). Encima de esta capa de silicio aparece: en el lado pared microesferas aisladas como las que se muestran en la Figura 1(a) y (b), y en el lado libre una esponja fotónica como la que se muestra en la Figura 3. Esta esponja es frágil y se puede separar del substrato fácilmente con un escalpelo, por ejemplo. Si se realiza este procedimiento, quedan microesferas aisladas sobre el substrato (5) como las que aparecen en la Figura 1(a). En ambos lados las microesferas tienen un color gris, y diámetros entre 0.5 y 5 micras y son de silicio amorfo. Sin embargo, modificando los parámetros de la reacción este tamaño se puede extender al rango entre 0.1 micras y 50 micras.
De estas esponjas se pueden obtener las partículas esféricas mediante una molienda muy suave, o mediante ultrasonidos que hagan separarse dichas partículas.
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Ejemplo 2 Síntesis de microesferas de silicio amorfo y poroso con tamaños entre 0.5 micras y 2 micras
Este ejemplo es igual al ejemplo 1 excepto en el: paso 6, que ahora es:
- Paso 6: Se mantiene el reactor (2) en el horno (1): durante 5 minutos a la temperatura de 450°C.
El proceso de este ejemplo da lugar a una muestra con las siguientes características:
Una capa de silicio de menos de 1 micra se ha formado sobre el substrato tanto en el lado que está tocando las paredes de la ampolla (llamémosle lado pared) como en el lado opuesto (llamémosle lado libre). Encima de esta capa de silicio aparecen microesferas aisladas y a veces en pequeños racimos en el lado libre.
Estas microesferas tienen un color rojo y un diámetro entre 0.5 micras y 2 micras. Están hechas de silicio amorfo y son porosas.
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Ejemplo 3 Síntesis de una esponja fotónica de silicio poli-cristalino de 13 micras de espesor formadas por partículas con tamaños entre 0.5 micras y 5 micras y ampliables a tamaños entre 0.1 y 50 micras.
Este ejemplo es igual al ejemplo 1 excepto en el paso 6, que ahora es:
Paso 6: Se mantiene el reactor (2) en el horno (1) durante 1 hora a la temperatura de 800°C.
La muestra resultado es análoga a la del ejemplo 1 salvo que el silicio ahora es poli-cristalino en lugar de amorfo.
De estas esponjas se pueden obtener las partículas esféricas mediante un una molienda muy suave, o mediante ultrasonidos que hagan separarse dichas partículas.
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Ejemplo 4 Síntesis de microesferas de silicio amorfo y poroso con tamaños entre 0.5 micras y 5 micras y ampliables a tamaños entre 0.1 y 50 micras
La configuración B de la Figura 6 se utiliza en este ejemplo. En este caso el substrato se encuentra fuera de la zona donde el reactor (2) es calentado. Se usan los mismos pasos que en el ejemplo 1.
El proceso de este ejemplo da lugar a una muestra con las siguientes características:
La capa de silicio que se había formado sobre el substrato (5) en los ejemplos anteriores ahora no se forma. La cara del substrato (5) orientada hacia el horno (1) muestra microesferas aisladas, en racimos y también en forma de esponja, con diámetro de esfera entre 0.5 y 5 micras. El silicio es amorfo. Sin embargo, modificando los parámetros de la reacción este tamaño se puede extender al rango entre 0.1 micras y 50 micras.
De estas esponjas se pueden obtener las partículas esféricas mediante una molienda muy suave, o mediante ultrasonidos que hagan separarse dichas partículas La cara opuesta del substrato (5) no muestra microesferas.
Con el fin de realizar medidas ópticas y para que no influya la capa de silicio sobre la que se encuentran las microesferas en los ejemplos 1, 2 y 3, éstas se pueden separar del substrato original y ser depositadas sobre otro substrato de vidrio o de cuarzo por ejemplo. Esto puede hacerse de varias formas, una de ellas es frotando ambos substratos.

Claims (20)

1. Microcavidad óptica caracterizada porque comprende al menos una microesfera de al menos silicio transparente con un diámetro establecido entre 0.1 y 50 micras.
2. Microcavidad óptica según reivindicación 1 caracterizada porque el silicio presenta un estado seleccionado entre amorfo, amorfo hidrogenado, estado poli-cristalino y mono-cristalino.
3. Microcavidad óptica según reivindicación 1 ó 2 caracterizada porque la microesfera es de tipo sólido.
4. Microcavidad óptica según reivindicación 1 ó 2 caracterizada porque la microesfera es de tipo poroso.
5. Microcavidad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque la microesfera comprende adicionalmente germanio.
6. Microcavidad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque las microesferas se presentan en forma aislada.
7. Microcavidad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque las microesferas se presentan agrupadas en forma de racimo.
8. Microcavidad óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque las microesferas se presentan agrupadas en forma de piña.
9. Microcavidad óptica según reivindicación 7 u 8 caracterizada porque las agrupaciones comprenden microesferas de igual tamaño y materiales.
10. Esponja fotónica caracterizada porque está formada por estructuras o distribuciones aleatorias de múltiples microcavidades ópticas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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11. Procedimiento de producción de la microcavidad óptica y de la esponja fotónica descritas en las reivindicaciones 1 a 8 y en la reivindicación 10 respectivamente caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
i)
selección de un reactor (2) de reacción de deposición química en fase vapor de gases, y selección de un material a depositar,
ii)
selección de un substrato (5) y emplazamiento del mismo en el interior del reactor (2),
iii)
introducción de un precursor, en forma de gas, del material a depositar, en el reactor (2),
iv)
calentamiento del precursor ocasionando su descomposición y la consiguiente formación de núcleos del material a depositar, y síntesis de microesferas a partir de dichos núcleos que determinan microcavidades ópticas,
v)
mantenimiento de las condiciones de la etapa anterior hasta provocar la precipitación de las microcavidades ópticas en forma de lluvia y deposición de las mismas sobre el substrato (5) introducido en el reactor (2) y/o sobre las paredes interiores de dicho reactor (2),
vi)
mantenimiento de las condiciones de la etapa anterior hasta provocar la formación de las esponjas fotónicas mediante agrupación de varias microcavidades ópticas,
vii)
extracción de gases sobrantes del reactor (2),
viii)
extracción del reactor (2) del substrato (5) y de las microcavidades ópticas y/o esponjas fotónicas,
ix)
purificación de las microcavidades ópticas y/o esponjas fotónicas.
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12. Procedimiento según reivindicación 11 caracterizado porque el calentamiento se produce durante una hora a una temperatura entre 450°C y 800°C.
13. Procedimiento según reivindicación 11 caracterizado porque el calentamiento se produce durante 5 minutos a una temperatura de 450°C.
14. Procedimiento según reivindicación 11 caracterizado porque el precursor del material a precipitar es un precursor de silicio que se selecciona entre silano y disilano.
15. Procedimiento según reivindicación 11 caracterizado porque adicionalmente comprende introducir en el reactor (2) un material precursor de germanio en estado gaseoso.
16. Procedimiento según reivindicación 15 caracterizado porque el material precursor de germanio es germano.
17. Procedimiento según la reivindicación 14 caracterizado porque adicionalmente comprende añadir diborano como dopante de la reacción conjuntamente con el disilano, en estado gaseoso.
18. Uso la microcavidad óptica descrita en las reivindicaciones 1 a 8 en la fabricación de dispositivos fotónicos.
19. Uso de la esponja fotónica descrita en la reivindicación 10 en la fabricación de dispositivos fotónicos.
20. Uso según reivindicaciones 18 ó 19 donde los dispositivos fotónicos se seleccionan entre células solares, fotodiodos, láseres y sensores.
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