Dispositivo emisor de luz basado en nanocristales con modulación integrada de alta velocidad.

La presente invención se refiere a un método y a un dispositivo que permiten la modulación de una fuente de luz excitada eléctricamente según una señal eléctrica, y que son aplicables a la fotónica del silicio. El dispositivo comprende un transistor de efecto de campo que tiene un medio dieléctrico de puerta con nanocristales y dopantes embebidos. Este dispositivo está provisto de primeros medios para inyectar cargas y excitar los nanocristales produciendo excitones, y de segundos medios para inyección de cargas en el dieléctrico respondiendo a una segunda señal eléctrica; ambos operando de tal manera que los segundos medios son capaces de modular la emisión de luz según la señal eléctrica aplicada. El dispositivo es especialmente útil porque integra la fuente de luz y el modulador, y porque opera a frecuencias muy altas

Dispositivo emisor de luz basado en nanocristales con modulación integrada de alta velocidad.

La presente invención se refiere a un método y un dispositivo que comprende una fuente silicio-compatible de luz con modulación de alta velocidad integrada como respuesta a una señal eléctrica. Es aplicable en fotónica del silicio.

Estado de la técnica

El silicio ha sido el material a partir del cual se ha construido la electrónica moderna. Durante décadas se han dedicado grandes esfuerzos en ciencia con el objetivo de dotar a la electrónica del silicio con funcionalidades ópticas. Desafortunadamente el silicio (por lo menos en su forma macroscópica) ha sido relegado solamente a aplicaciones electrónicas, debido a que es un material de gap indirecto y, por lo tanto, un mal emisor de luz. El actual interés a nivel mundial hacia las propiedades ópticas del silicio resultó principalmente de la propuesta, en 1990, de que una emisión eficiente de luz visible se obtenía de estructuras altamente porosas a través de efectos de confinamiento cuántico. Desde entonces la fotónica del silicio ha dedicado sus esfuerzos a encontrar nuevos dispositivos tales como fuentes de luz, moduladores electro-ópticos y detectores. Se requieren dispositivos silicio-compatibles emisores de luz con el objetivo de iluminar los chips de silicio. Los moduladores son aquellos elementos cuya misión es codificar la información en señales. En particular, los moduladores electro-ópticos codifican la información en haces ópticos mediante el efecto electro-óptico, esto es, mediante un cambio en las propiedades ópticas de un material en respuesta a un campo eléctrico que varía lentamente comparado con la frecuencia de la luz. Finalmente, los detectores integrados en chips serán los responsables de leer la información óptica cuando sea requerido.

El crecimiento exponencial que está sufriendo la electrónica moderna con el tiempo es conocido como ley de Moore. Su primera versión fue enunciada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, y afirmaba que el número de transistores que se pueden poner en un circuito integrado sin aumentar su precio, se dobla aproximadamente cada dos años (hoy este crecimiento es incluso mayor). Como consecuencia, muchas magnitudes de la tecnología digital están mejorando exponencialmente.

Aunque la unión de la fotónica y la electrónica proveería a la circuitería con inmunidad electromagnética y un bajo consumo de potencia, la venidera integración no debe limitar la velocidad de funcionamiento que se ha conseguido a lo largo de este fructífero periodo de evolución de la ley de Moore. Así, los moduladores ópticos integrados deben estar proveídos de alta velocidad para su exitosa explotación.

La electroluminiscencia es un fenómeno que puede ser usado para obtener un dispositivo emisor de luz. Puede ser generada mediante excitación eléctrica de nanocristales embebidos en un medio dieléctrico.

La modulación de la amplitud de la electroluminiscencia se puede conseguir apagando/encendiendo la excitación eléctrica del medio aplicando una señal cuadrada en la que el voltaje de polarización se cambia abruptamente entre dos valores.

La emisión de luz obtenida del dispositivo electroluminiscente no responde instantáneamente a cambios del voltaje aplicado; en consecuencia, la modulación de la electroluminiscencia está limitada en frecuencia como mínimo por la constante de tiempo capacitiva. El resultado es una emisión de luz modulada altamente limitada en frecuencia.

Se conoce el uso de la la recombinación por mecanismo Auger para modular luz obtenida mediante fotoluminiscencia.

La patente US 6771410 describe un método y un aparato para modular luz con una matriz de nanocristales y dopantes. Desde de una fuente de luz externa, los fotones son dirigidos hacia una matriz de nanocristales. Como mínimo una parte de estos fotones son dirigidos a la matriz de nanocristales. La matriz de nanocristales dopados emite segundos fotones. La longitud de onda de estos segundos fotones es modulada en respuesta a una señal que es aplicada a través del dieléctrico que forma un condensador. En esta patente la velocidad a la que puede modularse la información está limitada, como mínimo, por la constante de tiempo capacitiva. Además, solamente se usa un mecanismo de inyección mediante polarización transversal debido a que la excitación de los nanocristales es llevada a cabo por primeros fotones a través de un bombeo óptico externo.

La patente US 7121474 describe un dispositivo de memoria electro-óptico a base de nanocristales. El dispositivo de memoria incluye un sustrato y una matriz de nanocristales formados en un medio dieléctrico próximo al sustrato. La matriz de nanocristales está eléctricamente aislada para mantener los portadores de carga en ellos. La presencia de portadores de carga en la matriz de nanocristales representa un primer estado lógico del dispositivo de memoria. La ausencia de portadores de carga en la matriz de nanocristales representa un segundo estado lógico del dispositivo de memoria. La presencia y la ausencia de portadores de carga son determinables dirigiendo un haz de fotones a la matriz de nanocristales y sensando la respuesta óptica. En la patente US 7121474 sólo hay un tipo de inyección de cargas. Las cargas se inyectan en los nanocristales para obtener una recombinación Auger que bloquea la emisión de luz obtenida mediante la excitación por fotones. De esta manera, el estado eléctrico de la memoria puede ser leído ópticamente. Como el voltaje se aplica a través de un dieléctrico, la velocidad de las operaciones de escritura está todavía limitada por la constante de tiempo capacitiva característica. La integración en una estructura planar se complica por el hecho de que es necesaria una fuente de luz externa para excitar a los nanocristales.

Las invenciones descritas en US 6771410 y US 7121474 se sustentan ambas en la presencia de una excitación óptica externa para obtener modulación o para la lectura óptica del estado de la memoria, respectivamente. En otras palabras, están basadas en fotoexcitación o fotoluminiscencia. Así, resulta evidente del estado de la técnica que es altamente deseable tener un único dispositivo que comprenda en sí mismo una fuente de luz y un modulador integrado, basado en electroexcitación o electroluminiscencia. Además, es deseable que este dispositivo opere a muy altas frecuencias, minimizando los retrasos capacitivos y tiempos de inyección.

Explicación de la invención

Un aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo emisor de luz y modulable que comprende: (i) un dieléctrico D con nanocristales N y dopantes Dp embebidos; (ii) primeros medios de inyección de carga I1 capaces de inyectar carga en el dieléctrico D, teniendo las cargas suficiente energía para excitar los nanocristales N y producir excitones; y (iii) segundos medios de inyección de carga I2 capaces de inyectar carga en el dieléctrico D, llegando a los nanocristales N o a sus proximidades para bloquear la electroluminiscencia, y siendo estos medios capaces de operar inyectando y extrayendo cargas según una señal moduladora S. Realizaciones preferidas del dispositivo son las definidas en las adjuntas reivindicaciones dependientes de dispositivo, las cuales se incluyen en esta descripción por referencia. En todos los casos, el dispositivo emisor de luz y excitado eléctricamente, y los medios de modulación pueden integrarse completamente en el mismo dispositivo. La palabra "dopantes" debe entenderse incluyendo cualesquiera otros centros luminiscentes equivalentes.

Otro aspecto de la presente invención se refiere a un método para modular un dispositivo emisor de luz como respuesta a una señal S, que comprende: (i) usar un dispositivo que comprende un dieléctrico D con nanocristales N y dopantes Dp embebidos; (ii) inyectar cargas continuamente en el dieléctrico D, teniendo dichas cargas suficiente energía para excitar los nanocristales N y producir excitones; y (iii) simultáneamente inyectar cargas diferentes para bloquear la electroluminiscencia de los nanocristales o la transferencia de energía a los dopantes. Realizaciones preferidas del método son las definidas en las adjuntas reivindicaciones dependientes de método, que se incluyen en esta descripción por referencia.

A través de los primeros medios de inyección de carga, los nanocristales son continuamente excitados de manera que se producen excitones continuamente en los nanocristales. La aplicación exclusiva de estos primeros medios...

1. Dispositivo emisor de luz y modulable que comprende:

2. Dispositivo según la reivindicación 1, donde los primeros medios de inyección (I1) comprenden una fuente de voltaje que genera un campo eléctrico capaz de producir excitones.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, donde los segundos medios de inyección de carga (I2) son medios de inyección de carga por portadores calientes.

4. Dispositivo según la reivindicación 1, donde la estructura del dispositivo emisor de luz modulable es un transistor de efecto de campo.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, donde el transistor de efecto de campo tiene un sustrato (Sb) con una fuente (Sr) y un drenador (Dr); y donde encima del sustrato hay una puerta (G) separada del sustrato (Sb) por el dieléctrico (D).

6. Dispositivo según la reivindicación 5, donde la puerta (G) es translúcida o transparente.

7. Dispositivo según la reivindicación 5, donde los primeros medios de inyección de carga (I1) se obtienen mediante contactos que permiten la polarización entre la puerta (G) y el sustrato (Sb).

8. Dispositivo según la reivindicación 5, donde los segundos medios de inyección de carga (I2) se obtienen mediante contactos que permiten la polarización entre la fuente (Sr) y el drenador (Dr).

9. Dispositivo según la reivindicación 5, donde los nanocristales (N) están hechos de un material semicon- ductor.

10. Dispositivo según la reivindicación 5, donde los dopantes (Dp) son tierras raras.

11. Método para modular un dispositivo emisor de luz como respuesta a una señal (S), que comprende:

12. Método según la reivindicación 11, donde las cargas continuamente inyectadas en el dieléctrico (D) se obtienen mediante la aplicación de un campo eléctrico (E).

13. Método según la reivindicación 11, donde la segunda inyección de carga es una inyección de portadores calientes.

14. Método según la reivindicación 13, donde el dieléctrico (D) está situado entre la puerta (G) y el sustrato (Sb) de un transistor de efecto de campo.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 12 ó 13, donde el campo eléctrico (E) que permite la inyección continua de cargas en el dieléctrico (D), se crea mediante la aplicación de un voltaje entre la puerta (G) y el sustrato (Sb).

16. Método según la reivindicación 15, donde el voltaje entre la puerta (G) y el sustrato (Sb) es constante.

17. Método según la reivindicación 14, donde el transistor de efecto de campo tiene un drenador (Dr) y una fuente (Sr) a voltajes V_Dr y V_Sr respectivamente; y donde la inyección de canal caliente se obtiene aplicando un voltaje V_Dr-V_Sr entre el drenador (Dr) y la fuente (Sr).

18. Método según la reivindicación 17, donde la señal moduladora define el voltaje entre drenador (Dr) y la fuente (Sr).

19. Método según cualquiera de las reivindicaciones 15 o 17, donde el voltaje del drenador (V_Dr) es inferior al voltaje de la puerta (V_G).