MICROCAVIDADES OPTICAS Y ESPONJAS FOTONICAS, PROCEDIMIENTO DE PRODUCCION Y SUS APLICACIONES EN LA FABRICACION DE DISPOSITIVOS FOTONICOS.

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

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200701681.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS
UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: ESTRADA BELTRAN,HECTOR, MESEGUER RICO,FRANCISCO J, GARCIA DE ABAJO,JAVIER, BELMAR IBAEZ,FRANCISCO, URIS MARTINEZ,ANTONIO, CANDELAS VALIENTE,PILAR.

Fecha de Solicitud: 18 de Junio de 2007.

Fecha de Publicación: 22 de Octubre de 2010.

Fecha de Concesión: 11 de Octubre de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

C01B33/027 QUIMICA; METALURGIA. › C01 QUIMICA INORGANICA. › C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 33/00 Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen prioridad; persilicatos C01B 15/14; carburos C01B 32/956). › por descomposición o reducción de compuestos de silicio gaseoso o vaporizados distintos de sílice o un material que contiene sílice.
C30B25/00 C […] › C30 CRECIMIENTO DE CRISTALES. › C30B CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión, p. ej. para la formación de diamantes B01J 3/06 ); SOLIDIFICACION UNIDIRECCIONAL DE MATERIALES EUTECTICOS O SEPARACION UNIDIRECCIONAL DE MATERIALES EUTECTOIDES; AFINAMIENTO DE MATERIALES POR FUSION DE ZONA (afinamiento por fusión de zona de metales o aleaciones C22B ); PRODUCCION DE MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA (colada de metales, colada de otras sustancias por los mismos procedimientos o aparatos B22D; trabajo de materias plásticas B29; modificación de la estructura física de metales o aleaciones C21D, C22F ); MONOCRISTALES O MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA; TRATAMIENTO POSTERIOR DE MONOCRISTALES O DE MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA (para la fabricación de dispositivos semiconductores o de sus partes constitutivas H01L ); APARATOS PARA ESTOS EFECTOS. › Crecimiento de monocristales por reacción química de gases reactivos, p. ej. crecimiento por depósito químico en fase vapor.
C30B31/06 C30B […] › C30B 31/00 Procesos de difusión o de dopado de monocristales o de materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada; Aparatos para estos efectos. › por contacto con la sustancia de difusión en estado gaseoso.
H01L21/205B6

Clasificación PCT:

C01B33/027 C01B 33/00 […] › por descomposición o reducción de compuestos de silicio gaseoso o vaporizados distintos de sílice o un material que contiene sílice.
C30B25/00 C30B […] › Crecimiento de monocristales por reacción química de gases reactivos, p. ej. crecimiento por depósito químico en fase vapor.
C30B31/06 C30B 31/00 […] › por contacto con la sustancia de difusión en estado gaseoso.
H01L21/205 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 21/00 Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dispositivos semiconductores o de dispositivos de estado sólido, o bien de sus partes constitutivas. › utilizando la reducción o la descomposición de un compuesto gaseoso dando un condensado sólido, es decir, un depósito químico.

MICROCAVIDADES OPTICAS Y ESPONJAS FOTONICAS, PROCEDIMIENTO DE PRODUCCION Y SUS APLICACIONES EN LA FABRICACION DE DISPOSITIVOS FOTONICOS.

Fragmento de la descripción:

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×E9 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_xGe_1-x donde 0=qx=q1, 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_xGe_1-x, donde 0=qx=q1.

Otra realización preferente de la invención lo. constituye una esponja fotónica en la que las: microesferas son de silicio y/o Si_xGe_1-x, donde 0=qx=q1, 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 (SiH₄), quad- Di-silano (Si₂H₆), quad- Germano (GeH₄), 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 (B₂H₆) 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 (GeH₄), 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...

Reivindicaciones:

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.

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.

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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