ITTO20010424A1 - Dispositivo laser a base di nanostrutture di silicio. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo laser a base di nanostrutture di silicio"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un dispositivo emettitore di luce, ed in particolare un dispositivo laser a base di silicio.
L'aggiunta di funzionalità ottiche ai microcircuiti elettronici integrati su silicio è un obiettivo di massima importanza nel campo delle telecomunicazioni e nello sviluppo dì circuiti e materiali per l'elettronica, l'optoelettronica e la fotonica.
Una sorgente di luce coerente (laser) è un elemento chiave in applicazioni optoelettroniche.
Com'è ben noto, il silicio è il semiconduttore attualmente preferito e largamente impiegato nei circuiti elettronici per le sue proprietà fisiche, per la sua affidabilità, ed il basso costo.
Il silicio è un semiconduttore a banda proibita indiretta e da questa caratteristica dipendono le pessime proprietà del materiale come sorgente emettitrice di luce. Infatti, perché si verifichi emissione luminosa, deve intervenire un ulteriore processo dì trasferimento di energia (interazione con fononi) nella ricombinazione dei portatori di carica, e le ricombinazioni non radiative sono più probabili di quelle radiative.
Per questa ragione, il silicio è da sempre considerato inadatto ad applicazioni optoelettroniche e l'integrazione di elementi ottici con i circuiti microelettronici su silicio è attualmente ottenuta impiegando semiconduttori composti a banda proibita diretta, in particolare composti dei gruppi III-V.
I dispositivi laser a semiconduttori composti avanzati adottano, come mezzo attivo per ottenere amplificazione ottica, strutture quantiche unidimensionali (punti quantici) o bidimensionali (pozzi quantici) .
E' noto che le proprietà del silicio dipendono dalla sua struttura su scala nanometrica, e recentemente è stato mostrato che è possibile ottenere emissione luminosa a temperatura ambiente quando il silicio forma una struttura quantica unidimensionale o bidimensionale.
Sono pertanto stati realizzati dispositivi elettroluminescenti a base di silicio, ad esempio come descritto da K. D. Hirschman, L. Tsybeskov, S. P. Duttagupta e P. M. Fauchet su Nature 384, pagg.
338-340 (1996) in un articolo dal titolo "Silicon based light emitting devices integrated into microelectronic circuits".
Nanostrutture di silicio (ad esempio silicio poroso) sono in grado di emettere luce a seguito del confinamento quantico dei portatori, se stimolate da luce di ridotta lunghezza d'onda, dell'ordine di 488 nm, come documentato nell'articolo di L. T. Canham apparso sulla rivista Appi. Phys. Lett. 57, pagg. 1045-1048 (1990), dal titolo "Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and Chemical dissolution of wafers" .
A dispetto delle interessanti proprietà del silicio poroso, quest'ultimo è poco adatto alla realizzazione di dispositivi commerciali a causa dell'elevata superficie interna che presenta la sua struttura, la quale è altamente reattiva e determina caratteristiche del materiale fortemente dipendenti dall'ambiente in cui è immerso. Inoltre, in applicazioni microelettroniche, i processi di fabbricazione in ambiente umido sono scarsamente compatibili con i processi di fabbricazione a secco tipici della fabbricazione di circuiti elettronici integrati a semiconduttore.
Tuttavia, ad oggi non è stato possibile ottenere guadagno ottico ed emissione stimolata, e quindi realizzare dispositivi emettitori di luce coerente (laser), poiché il silicio presenta un efficiente assorbimento dei portatori liberi che riduce il guadagno netto disponibile per l'azione laser .
La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente ai problemi in precedenza esposti realizzando un dispositivo emettitore di luce coerente a base di silicio.
Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo emettitore di luce avente le caratteristiche richiamate nella ri-vendicazione 1.
Modi particolari di realizzazione dell'invenzione sono definiti nelle rivendicazioni dipendenti.
In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di ottenere guadagno ottico a partire da una regione attiva comprendente un insieme di nanostrutture di silicio amorfo o cristallino, preferibilmente di raggio dell'ordine di 1,5 nm, dislocate in un substrato di ossido di silicio in modo tale da formare un sottile strato ad elevata densità, sepolto sotto la superficie del campione considerato .
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 mostra, in sezione, una prima forma di realizzazione del dispositivo emettitore di luce secondo l'invenzione;
la figura 2 mostra, in una vista schematica tridimensionale, una seconda forma di realizzazione del dispositivo emettitore di luce secondo 1'invenzione ;
la figura 3 è una rappresentazione schematica del diagramma degli stati in una struttura di nanocristalli immersi in una matrice di ossido di silicio; e
la figura 4 mostra un esempio di integrazione di un dispositivo emettitore di luce secondo l'invenzione in un circuito elettronico realizzato in tecnologia CMOS.
Un dispositivo emettitore di luce secondo l'invenzione è indicato con 10. Il dispositivo comprende una regione attiva 12 in cui nanostrutture di silicio amorfo o cristallino sono formate in una matrice dielettrica a base di ossido di silicio.
La regione attiva 12 è inserita in una struttura risonante ottica realizzata, secondo la forma di realizzazione attualmente preferita, per mezzo di una coppia di riflettori di Bragg distribuiti 14 e 16, disposti da parti opposte della regione attiva 12 nella direzione prestabilita di emissione della luce, in modo tale da realizzare una cavità ottica monodimensionale lungo tale direzione ad elevata riflettività in un desiderato intervallo di lunghezze d'onda.
In una forma di realizzazione alternativa possibile (non raffigurata) il dispositivo comprende un reticolo di Bragg disposto in corrispondenza della regione attiva 12 in modo tale da realizzare una struttura a reazione distribuita integrabile in guide d'onda ottiche.
Nell'integrazione del dispositivo secondo l'invenzione su piastrine di silicio ove sono realizzati circuiti integrati elettronici, esso può essere posizionato secondo una configurazione verticale (come illustrato nelle figure 1 e 4) ovvero orizzontale (come illustrato nella figura 2), nelle figure elementi o componenti identici o funzionalmente equivalenti essendo indicati con gli stessi riferimenti numerici.
Ai capi della regione attiva 12, rispettivamente secondo la direzione di emissione della luce od una direzione ortogonale, è definita una coppia di contatti per l'iniezione dei portatori.
Secondo una prima forma di realizzazione in cui il dispositivo 10 presenta un orientamento verticale rispetto ad un piano di substrato di riferimento 18, contatti elettrici 20 e 22 sono realizzati come canali anulari profondi in polisilicio drogato, come mostrato nella figura 1, e sono disposti concentrici ed isolati tra loro da uno strato di ossido. Essi recano all'estremità sepolta un terminale di contatto con la regione attiva 12, in modo tale da iniettare i portatori sostanzialmente lungo una direzione coincidente con la direzione prestabilita di emissione della luce.
In alternativa, i contatti possono essere costituiti da una semplice struttura del tipo MOS (metallo-ossido-semiconduttore) ortogonale alla direzione di emissione della luce, comprendente un elettrodo 23, la regione attiva 12 ed il substrato 18, come illustrato nella figura 2 per un dispositivo 10 destinato ad essere realizzato con orientamento orizzontale rispetto al piano di substrato di riferimento 18. In quest'ultimo caso il dispositivo potrà essere integrato direttamente all'interno di una guida d'onda ottica.
Naturalmente, anche se non rappresentato nelle figure, in funzione delle applicazioni cui il dispositivo laser 10 deve essere destinato, l'eccitazione della regione attiva 12 può essere ottenuta, in via alternativa, attraverso pompaggio ottico secondo una configurazione ben nota ad un tecnico del settore. Questa soluzione, priva di contatti metallici per l'iniezione di portatori, è preferita per applicazioni tutto-ottiche o fotoniche, dove non sono stringenti i requisiti di integrazione con circuiti microelettronici.
Secondo una prima soluzione, le nanostrutture di silicio (Si) possono essere formate per impiantazione ionica di ioni Si a dosi elevate (dell'ordine di 10<17>/cm<2>) in una matrice di ossido di silicio (Si02) di elevata qualità seguita da una fase di trattamento termico di rinvenimento (annealing) che provoca l'aggregazione del Si in nanocristalli. Un tale procedimento è ad esempio descritto nel brevetto statunitense US 5,852,346.
Nanocristalli di silicio sono stati prodotti per impiantazione ionica ad 80 keV di lxl0<17 >ioni Si per cm<2 >in substrati di quarzo ultra puro o in strati di ossido di silicio cresciuto termicamente su substrato di silicio, seguita da trattamento termico a temperatura di 1100°C per 1 ora.
Convenientemente i substrati di quarzo possono essere utilizzati per la fabbricazione di dispositivi destinati all'impiego in sistemi di trasmissione ottici, mentre i dispositivi cresciuti su substrato di silicio si prestano all'integrazione con microcircuiti elettronici.
Un processo di fabbricazione alternativo prevede la deposizione chimica da fase vapore di ossidi substechiometrici (SiOx) e la successiva separazione del composto depositato in nanocristalli di Si e biossido di silicio per trattamento termico. Alternativamente è possibile ottenere la struttura per deposizione di un super-reticolo Si/Si02 e successivo trattamento termico.
Ancora un ulteriore processo è quello di dissoluzione elettrochimica del silicio seguita da una fase di trattamento termico per formare silicio poroso ossidato.
Il processo di impiantazione ionica descritto ha permesso di realizzare nanocristalli di silicio di circa 1,5 nm di raggio con concentrazione di 2xl0<19 >cm<'3>, sostanzialmente in una regione formata ad una profondità di circa 110 nm dalla superficie del substrato e di spessore circa 100 nm.
Convenientemente sono stati realizzati nanocristalli formati da circa 500 atomi di Si di cui almeno il 35% sono atomi di superficie a contatto con la matrice di ossido in cui i nanocristalli sono immersi.
Facendo ora riferimento alla figura 3, è descritto schematicamente il diagramma degli stati in
il
una struttura di nanocristalli immersi in una matrice di ossido di silicio secondo l'invenzione, ed i processi fisici che determinano l'emissione di luce .
Il funzionamento del dispositivo è descritto con riferimento ad una configurazione sperimentale in cui è stato utilizzato un pompaggio ottico con fascio laser alla lunghezza d'onda di 390 nm (wp) per ottenere l'inversione di popolazione necessaria. Un tecnico del ramo non avrà difficoltà ad estendere analogicamente il comportamento sperimentale descritto nel seguito ad una configurazione in cui l'inversione di popolazione è ottenuta per mezzo di una corrente di iniezione di portatori.
In figura è illustrato un modello a tre livelli proposto per spiegare il fenomeno di amplificazione ottica osservato sperimentalmente. Con Ev è indicato il livello superiore della banda di valenza e con Ec il livello inferiore della banda di conduzione del nanocristallo . Il terzo livello, indicato Er, rappresenta uno stato radiativo associato all'interfaccia tra nanocristallo ed ossido responsabile della banda di emissione luminescente a 800 nm e dell'amplificazione ottica.
Nei nanocristalli delle dimensioni menzionate sopra si possono presentare circa 150 stati di interfaccia disponibili per nanocristallo, assumendo che ciascun atomo superficiale di Si sia legato ad un solo atomo di O (legame Si=0).
L'eccitazione ottica prodotta dal segnale di pompa concorre a svuotare la banda di valenza ed a popolare la banda di conduzione della nanostruttura. Gli elettroni in banda di conduzione decadono rapidamente allo stato intermedio Er ove presentano tempi di vita lunghi, dell'ordine del centinaio di mìcrosecondi . L'inversione di popolazione è così realizzata tra il livello della banda di valenza Ev ed il livello dello stato radiativo Er di interfaccia.
Secondo un modello di interpretazione attualmente preferito, la velocità di spopolamento della banda di valenza è molto maggiore della velocità di ripopolamento per ricombinazione dei portatori, mediata attraverso lo stato intermedio Er di interfaccia ossido-nanocristallo, e ciò permette di raggiungere l'inversione di popolazione tra la banda di valenza e lo stato radiativo.
Secondo il modello, in una condizione di eccitazione dell'ordine di IO<22 >fotoni per cm<2 >per secondo, si generano più di 100 coppie elettronelacuna per nanocristallo.
La ricombinazione radiativa delle coppie elettrone-lacuna generatesi dà quindi origine al segnale luminoso di uscita wo coerente.
Sperimentalmente, nel funzionamento del dispositivo si è osservata una larga banda di emissione con massimo in corrispondenza di una lunghezza d'onda pari a 800 nm, caratteristica del fenomeno di ricombinazione radiativa dei portatori nei nanocristalli di silicio, il massimo di radiazione spostandosi verso lunghezze d'onda minori al diminuire delle dimensioni dei cristalli.
Nella figura 4 è rappresentato un esempio di integrazione di dispositivi optoelettronici nella tecnologia CMOS, in cui il dispositivo emettitore di luce 10 secondo l'invenzione, nella configurazione verticale di figura 1, è affiancato da un transistore di pilotaggio elettrico 30 di tipo MOS. L'elettrodo di drain 31 del transistore realizza un primo contatto metallico per il dispositivo 10 verso un primo strato di polisilicio di contatto 32 disposto in figura superiormente alla regione attiva 12. Un secondo contatto metallico 33 da parte opposta al transistore 30 rispetto al dispositivo laser 10 realizza il collegamento del restante circuito elettrico di pilotaggio (non illustrato) con un secondo strato di polisilicio di contatto 34 disposto inferiormente alla regione attiva.
Un vantaggio fondamentale del dispositivo oggetto dell'invenzione è la sua semplice integrabilità con circuiti elettronici realizzati in tecnologia CMOS. Infatti la regione attiva del dispositivo è realizzata esclusivamente a base di silicio (Si, Si02) contrariamente a quanto avviene nei laser a semiconduttore commerciali, i quali richiedono materiali attivi a semiconduttori diversi (per esempio arseniuro di gallio o fosfuro di indio). La definizione di tutte le strutture che costituiscono il dispositivo (regione attiva, specchi semiriflettenti, contatti) può avvenire contemporaneamente alla definizione dei circuiti elettrici che costituiscono i circuiti di pilotaggio del dispositivo, o comunque con le stesse tecnologie ed apparecchiature .
Vantaggiosamente, quindi, la fabbricazione e l'integrazione del dispositivo non incide in modo rilevante in termini di costi e di logistica degli impianti di fabbricazione, ed è direttamente introducibile in qualsiasi procedimento di fabbricazione CMOS.
Inoltre, con particolare riguardo agli sviluppi tecnologici del settore, la miniaturizzazione dei circuiti comprendenti tali dispositivi può essere vantaggiosamente maggiore che nel caso di tecnologie ibride.
Claims (19)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo emettitore di luce a base di silicio (10), comprendente in combinazione: una regione attiva (12) suscettibile di emettere fotoni a frequenze ottiche in seguito a ricombinazione radiativa dei portatori di carica in essa confinati; un sistema di eccitazione (20, 22; 18, 23; 32, 34) atto ad alterare l'equilibrio termodinamico delle popolazioni dei portatori al fine di determinare una condizione di inversione della popolazione entro la regione attiva (12); e mezzi semi-riflettori (14, 16) atti a definire una struttura risonante ottica in cui è inserita detta ragione attiva (12) in modo tale da determinare un'emissione stimolata di luce coerente, in cui la regione attiva (12) comprende nanostrutture di silicio immerse in una matrice dielettrica a base di ossido di silicio.
- 2. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 1, in cui dette nanostrutture di silicio sono nanostrutture di silicio amorfo.
- 3. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 1, in cui dette nanostrutture di silicio sono nanostrutture di silicio cristallino.
- 4. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui dette nanostrutture sono ottenibili per impiantazione ionica di ioni di silicio nella matrice di ossido di silicio e successivo trattamento termico di rinvenimento del materiale .
- 5. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 4, in cui dette nanostrutture sono ottenibili per impiantazione ionica a 80 keV di lxlO<17 >ioni Si per cm<2 >in substrati di quarzo ultra puro e successivo trattamento termico a temperatura di 1100°C per 1 ora.
- 6. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 4, in cui dette nanostrutture sono ottenibili per impiantazione ionica a 80 keV di lxlO<17 >ioni Si per cm<2 >in strati di ossido di silicio cresciuto termicamente su substrato di silicio, e successivo trattamento termico a temperatura di 1100°C per 1 ora.
- 7. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui dette nanostrutture sono ottenibili per deposizione chimica da fase vapore di ossidi di silicio substechiometrici o super-reticoli e successivo trattamento termico del materiale .
- 8. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui dette nanostrutture sono ottenibili per dissoluzione chimica di silicio e successivo trattamento termico di ossidazione del materiale .
- 9. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi semi-riflettori comprendono una coppia di riflettori di Bragg distribuiti (14, 16), disposti da parte opposta rispetto alla regione attiva (12) nella direzione di emissione della luce.
- 10. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, in cui i mezzi semi-riflettori comprendono un reticolo di Bragg disposto in corrispondenza della regione attiva (12) in modo tale da realizzare una struttura a reazione distribuita.
- 11. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, in cui i mezzi semi-riflettori comprendono almeno uno strato metallico.
- 12. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9 a 11, in cui la regione attiva (12) è inserita in una struttura a guida d'onda.
- 13. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema di eccitazione comprende un laser di pompaggio esterno al dispositivo (10).
- 14. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 12, in cui il sistema di eccitazione comprende contatti elettrici (20, 22; 23; 32, 34) per l'iniezione di portatori nella regione attiva (12).
- 15. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 14, in cui è definita una coppia di contatti (20, 22; 32, 34) per l'iniezione dei portatori ai capi della regione attiva 12 secondo la direzione di emissione della luce.
- 16. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 15, in cui i contatti sono realizzati come canali anulari profondi (20, 22) in polisilicio drogato disposti concentrici ed isolati tra loro da uno strato di ossido, detti canali recando all'estremità sepolta un terminale di contatto con la regione attiva 12.
- 17. Dispositivo emettitore di luce (10) secondo la rivendicazione 14, in cui i contatti sono realizzati secondo una configurazione di tipo MOS (23, 12, 18) ortogonale alla direzione di emissione della luce .
- 18 . Chip comprendente una pluralità di componenti elettronici ed almeno un dispositivo emettitore di luce (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 17 integrati su un singolo substrato (18) a base di silicio.
- 19. Chip secondo la rivendicazione 18, in cui a detto almeno un dispositivo emettitore di luce (10) è associato un circuito elettronico di pilotaggio comprendente un transistore (30) , uno degli elettrodi (31) di detto transistore di pilotaggio (30) estendendosi a formare un primo contatto elettrico (32) per l'iniezione dì portatori nella regione attiva (12) del dispositivo emettitore di luce (10), il secondo contatto elettrico (34) estendendosi a formare un ulteriore nodo del circuito elettronico di pilotaggio.
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