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 Ia electrónica moderna. Durante décadas se han dedicado grandes esfuerzos en ciencia con el objetivo de dotar a Ia electrónica del silicio con funcionalidades ópticas. Desafortunadamente el silicio (por Io menos en su forma macroscópica) ha sido relegado solamente a aplicaciones electrónicas, debido a que es un material de gap indirecto y, por Io tanto, un mal emisor de luz. El actual interés a nivel mundial hacia las propiedades ópticas del silicio resultó principalmente de Ia 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 Ia 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 ¡luminar los chips de silicio. Los moduladores son aquellos elementos cuya misión es codificar Ia información en señales. En particular, los moduladores electro-ópticos codifican Ia 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 Ia frecuencia de Ia luz. Finalmente, los detectores integrados en chips serán los responsables de leer Ia información óptica cuando sea requerido.

El crecimiento exponencial que está sufriendo Ia 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 Ia unión de Ia fotónica y Ia electrónica proveería a Ia circuitería con inmunidad electromagnética y un bajo consumo de potencia, Ia venidera integración no debe limitar Ia velocidad de funcionamiento que se ha conseguido a Io largo de este fructífero periodo de evolución de Ia 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 Ia amplitud de Ia electroluminiscencia se puede conseguir apagando/encendiendo Ia excitación eléctrica del medio aplicando una señal cuadrada en Ia 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, Ia modulación de Ia electroluminiscencia está limitada en frecuencia como mínimo por Ia constante de tiempo capacitiva. El resultado es una emisión de luz modulada altamente limitada en frecuencia.

Se conoceel uso de Ia Ia 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 Ia 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 Ia velocidad a Ia que puede modularse Ia información está limitada, como mínimo, por Ia constante de tiempo capacitiva. Además, solamente se

usa un mecanismo de inyección mediante polarización transversal debido a que Ia 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 Ia matriz de nanocristales representa un primer estado lógico del dispositivo de memoria. La ausencia de portadores de carga en Ia matriz de nanocristales representa un segundo estado lógico del dispositivo de memoria. La presencia y Ia ausencia de portadores de carga son determinables dirigiendo un haz de fotones a Ia matriz de nanocristales y sensando Ia respuesta óptica. En Ia 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 Ia emisión de luz obtenida mediante Ia excitación por fotones. De esta manera, el estado eléctrico de Ia memoria puede ser leído ópticamente. Como el voltaje se aplica a través de un dieléctrico, Ia velocidad de las operaciones de escritura está todavía limitada por Ia 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 Ia presencia de una excitación óptica externa para obtener modulación o para Ia lectura óptica del estado de Ia memoria, respectivamente. En otras palabras, están basadas en fotoexcitación o fotoluminiscencia. Así, resulta evidente del estado de Ia 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 Ia 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; (i¡) primeros medios de inyección de carga 11 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 12 capaces de inyectar carga en el dieléctrico D, llegando a los nanocristales N o a sus proximidades para bloquear Ia 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 Ia 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 Ia electroluminiscencia de los nanocristales o Ia 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 de inyección de carga genera electroluminiscencia y constituye Ia base del dispositivo emisor de luz.

La electroluminiscencia puede ser generada o bien por recombinación radiativa de excitones dentro del nanocristal, o bien por una transferencia de energía eficaz desde los nanocristales hacia los dopantes, que seguidamente se recombinan radiativamente a través de una transición atómica.

Los segundos medios de inyección de carga operan bajo un fenómeno distinto. En este caso, las cargas migran a los nanocristales o a sus vecindades en lugar de impactarlas, activando procesos no radiativos e inhibiendo Ia emisión de luz. Si las cargas son retiradas, entonces los fotones son emitidos de nuevo desde los nanocristales.

Para modular Ia luz emitida por los nanocristales o los dopantes en el medio dieléctrico en respuesta a los primeros medios de inyección de carga, se aplica además una señal eléctrica moduladora, lo que constituye los segundos medios de inyección de carga.

La presente invención representa una doble mejora respecto el estado de Ia técnica. En primer lugar, Ia luminiscencia se obtiene a través de Ia excitación eléctrica mediante los primeros medios de inyección de carga. Esto elimina Ia necesidad de un bombeo óptico externo, que es una dificultad potencial para una integración planar en CMOS ("complementary metal-oxide- semiconductor" = semiconductor de óxido metálico complementario). Además, hay indicios científicos que concluyen que Ia excitación eléctrica es energéticamente más eficiente que el bombeo óptico. En segundo lugar, los segundos medios de inyección de carga resultan de Ia aplicación de un voltaje no necesariamente a través de Ia región capacitiva. En una realización, Ia señal moduladora aplicada se aplica entre los terminales de Ia fuente y el drenador de un MOSFET ("metal-oxide-semiconductor field effect transistor" = transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico) en inversión. Como el voltaje es aplicado básicamente a través de un camino resistivo, no se esperan retrasos capacitivos en semejante estructura, Io que Ia hace adecuada para trasferencias de alta velocidad.

A Io largo de esta descripción y reivindicaciones, Ia palabra "comprende" y variaciones de Ia misma, tales como "comprendiendo", no deben entenderse como excluyentes de otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Objetos adicionales, ventajas y características de Ia invención resultarán evidentes a los expertos en Ia materia tras examinar Ia descripción, o pueden ser aprendidos mediante Ia práctica de Ia invención. Los siguientes ejemplos y ilustraciones se incluyen a modo de ilustración, y no pretenden limitar Ia presente invención.

BREVE DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1 muestra un esquema de Ia invención con los principales componentes.

La FIG. 2a muestra una realización de Ia presente invención donde se utiliza un transistor metal-óxido-semiconductor de efecto de campo con nanocristales embebidos en el óxido de puerta. Esta figura representa Ia generación de excitones por excitación por impacto de electrones desde Ia capa de inversión a través de un voltaje de comente continua aplicado entre Ia puerta y el sustrato.

La FIG. 2b muestra una realización de Ia presente invención donde se utiliza un transistor metal-óxido-semiconductor de efecto de campo con nanocristales y dopantes embebidos en el óxido de puerta. Esta figura representa Ia generación de excitones por excitación por impacto de electrones desde Ia capa de inversión a través de un voltaje de corriente continua aplicado entre Ia puerta y el sustrato, y Ia subsiguiente transferencia de energía desde los nanocristales a los dopantes. En esta realización Ia emisión de luz se debe a una transición atómica de los dopantes.

La FIG. 3a muestra una representación esquemática del mecanismo de inyección por portadores calientes del canal y Ia subsiguiente supresión de Ia electroluminiscencia de los nanocristales.

La FIG 3b muestra una representación esquemática del mecanismo de inyección por portadores calientes del canal y Ia subsiguiente supresión de excitones. Como consecuencia, se suprime Ia transferencia de energía hacia los dopantes, y se modula Ia luminiscencia debida a las transiciones atómicas.

La FIG. 4 muestra Ia modulación electro-óptica de alta velocidad mediante un pulsado de drenador mientras Ia puerta está fijada a un voltaje dado.

La FIG. 5 muestra un detalle de Ia señal modulada.

La FIG. 6 muestra una transformada rápida de Fourier de los datos extraídos de Ia zona enmarcada de Ia FIG 5.

DESCRIPCIóN DETALLADA DE REALIZACIONES PARTICULARES

La FIG. 1 muestra el dispositivo emisor de luz modulable electro-ópticamente según Ia invención. El dispositivo emisor de luz modulable electro- ópticamente comprende un medio dieléctrico -aquí referido simplemente como dieléctrico D- con nanocristales N y dopantes Dp embebidos. En las realizaciones mostradas en Ia FIG. 2a y 3a, el dieléctrico D tiene embebidos nanocristales de silicio, y una puerta G y sustrato Sb como contactos eléctricos.

La puerta G está hecha de silicio, silicio policristalino, metal, óxido de indio- estaño o materiales conductivos similares. Los nanocristales están hechos de silicio, germanio, seleniuro de cadmio (CdSe), arseniuro de galio (GaAs) u otros materiales ópticamente activos, combinación de elementos o compuestos que presenten efectos electro-ópticos tales como recombinación Auger.

En Ia realización representada en Ia FIG. 2a, cuando se aplica un voltaje a Ia puerta G, los electrones de Ia capa de inversión L alcanzan una energía suficiente para sobrepasar Ia barrera Si/SiO ₂ por efecto túnel y llegar a Ia puerta G. Los electrones se representan mediante círculos pequeños con un carácter "-" dentro. Esta excitación ha sido esquemáticamente representada en Ia parte derecha de Ia FIG. 2a. En este proceso, un portador caliente inyectado en Ia banda de conducción del SiO ₂ , libera parte de su energía cinética impactando con un nanocristal. La energía liberada entonces se usa para formar un excitón que finalmente recombina radiativamente.

En Ia realización mostrada en Ia FIG. 2b, en cambio, Ia energía liberada es transferida a los dopantes Dp próximos a los nanocristales, que usan esta energía para promocionar electrones a estados excitados que posteriormente decaen radiativamente a través de una transición atómica. En este caso, Ia emisión se debe a los dopantes Dp, y los nanocristales N hacen solamente de mediadores de energía.

En Ia realización representada en Ia FIG. 2a, Ia modulación de Ia electroluminiscencia mediante un voltaje de puerta VG está inherentemente limitada en frecuencia por tres mecanismos: los tiempos túnel de los portadores, los tiempos de vida radiativos de los nanocristales y Ia constante de tiempo de Ia capacidad de puerta.

Los tiempos de inyección y los retrasos capacitivos pueden ser diseñados para obtener mayores velocidades. Por el contrario, los tiempos de vida radiativos de los nanocristales residen siempre en el rango de los microsegundos. Aunque los tiempos de vida radiativos dependen ligeramente de los tamaños de los nanocristales, los materiales que los envuelven y los campos eléctricos, no se pueden disminuir ían drásticamente como se requeriría para poder asegurar modulaciones rápidas e impactar significativamente en tecnologías futuras. Este hecho relega a los primeros medios de inyección en sí mismos a inutilizables para una modulación rápida.

Como demostración de este hecho, bajo Ia excitación de puerta de Ia realización que se muestra en Ia FIG. 2a, Ia máxima frecuencia para Ia cual Ia modulación de Ia electroluminiscencia es observada experimentalmente en el dispositivo es solamente de unos 100 kHz. A 500 kHz, una frecuencia que se corresponde con el inverso de los tiempos de vida radiativos de los nanocristales de silicio, Ia electroluminiscencia es estrictamente nula.

En Ia realización de Ia FIG. 3a, el mecanismo de inyección de carga permite una rápida supresión Auger de Ia electroluminiscencia continua de los nanocristales, Ia cual es inducida inicialmente mediante un voltaje constante de puerta V _G . Mientras un nanocristal residente en N es cargado, Ia electro- excitación de un segundo par electrón-hueco está todavía permitida debido a Ia alta densidad de estados. Sin embargo, en este estado cargado, Ia energía involucrada en Ia recombinación de un subsiguiente excitón es transferida más eficientemente al portador de Ia carga adicional que ya está presente en el nanocristal o sus inmediaciones, Io que resulta en Ia extinción de Ia emisión de fotones. Esta supresión de Ia emisión se ilustra esquemáticamente en Ia parte derecha de Ia FIG. 3a. El nanocristal recupera su capacidad para emitir un fotón tras haber recuperado su neutralidad de carga. La relajación Auger es un eficaz canal no-radiativo que tiene tiempos de decaimiento que van desde los picosegundos a los nanosegundos, siendo

varios órdenes de magnitud mas rápido que Ia recombinación radiativa, Ia cual está en el rango de los microsegundos.

En Ia realización de Ia FIG. 3a, un exceso de portadores en Ia capa de nanocristales ópticamente activa se genera recurriendo a Ia inyección por portadores calientes. Un voltaje de puerta constante V _G , mayor que V _T H, donde VTH representa el voltaje umbral de Ia estructura transistor, causa emisión de luz desde los excitones de los nanocristales creados mediante excitación por impacto de electrones que los atraviesan por efecto túnel desde el sustrato Sb. Mientras se mantiene a tierra el terminal de fuente, se aplica un voltaje VD _γ al drenador Dr, Io cual crea un campo eléctrico E a Io largo del canal que acelera a los portadores desde los contactos de Ia fuente a los contactos del drenador. Esta situación de fuera-de-equilibrio resulta en una distribución de energía de portadores calientes no-maxwelliana que tiene una pronunciada cola de energía cerca del drenador Dr.

Provistos de suficiente dirección de momento hacia Ia puerta G y de una energía media considerablemente mayor, los portadores son inyectados eficientemente en los nanocristales, generando un exceso de carga en Ia capa con nanocristales, con desplazamientos de Ia tensión umbral mayores que aquéllos obtenidos mediante Ia sola aplicación de los primeros medios de inyección de carga.

Se observa una eficaz supresión Auger de Ia electroluminiscencia cuando se inunda Ia capa de nanocristales con portadores mediante inyección por portadores calientes. La señal de electroluminiscencia se detecta rápidamente una vez que el voltaje de drenador V _Dr se conecta a tierra y se recupera Ia eficaz excitación por impacto de los primeros medios de inyección de carga.

Si están presentes dopantes Dp en las proximidades de los nanocristales N, como es el caso de Ia realización mostrada en la FIG. 3b, Ia recombinación no-radiativa deshabilita Ia transferencia de energía hacia los dopantes. De esta manera, la modulación de Ia luz que emerge de los dopantes también es posible. En realizaciones particulares los dopantes pueden ser de erbio, samario, lantano, neodimio u otros elementos de las tierras raras.

La FIG. 4 muestra la modulación experimental de alta velocidad del dispositivo emisor de luz mediante pulsado del drenador Dr en Ia realización ilustrada en Ia FIG. 3a, mientras el voltaje de puerta G se fija en 5 V. La FIG. 4 se divide en dos partes; en Ia parte superior se representa el voltaje aplicado al drenador Dr en función del tiempo, y en Ia parte inferior se representa Ia electroluminiscencia EL en función del tiempo, inducida por una señal moduladora de 200 MHz/s en el drenador.

La presente invención supera alguno de los factores más limitantes que presenta Ia modulación de puerta G. En primer lugar, como Ia señal S se aplica a Io largo de un canal de un MOSFET en inversión, Ia constante de tiempo de carga capacitiva es despreciable. En segundo lugar, como Ia supresión de Ia electroluminiscencia por procesos Auger es un canal no- radiativo sub-nanosegundo, Ia modulación de Ia emisión de los nanocristales se puede lograr por primera vez a velocidades varios órdenes de magnitud más altas que los tiempos de decaimiento radiativos de Ia población de nanocristales.

La velocidad de modulación final alcanzable en un dispositivo emisor de luz a nanocristales está solamente limitada por el ancho de banda entre los terminales fuente Sr y drenador Dr del transistor en inversión, y por Ia transparencia túnel de los delgados óxidos implicados. Así, el dispositivo de Ia presente invención abre nuevas perspectivas a Ia realización de fuentes de luz integradas monolíticamente con velocidades de modulación arbitrariamente altas, mediante Ia reducción de las longitudes de canal y de inyección túnel, o mediante el uso de dieléctricos con menores barreras de energía.

La FIG. 5 muestra un detalle de Ia señal modulada. La anchura a media altura de los pulsos de drenador Dr es de 10 nanosegundos, Io que corresponde a 0.2 Gb/s. La línea continua representa el voltaje aplicado al drenador en función del tiempo, y Ia línea de puntos representa Ia señal de electroluminiscencia en función del tiempo.

En Ia FIG. 6 se muestra una transformada rápida de Fourier de los datos extraídos de Ia región enmarcada de Ia FIG. 5, como densidad espectral de potencia en función de Ia frecuencia, donde Ia gráfica inferior corresponde a

Ia entrada eléctrica en el drenador y Ia gráfica superior corresponde a Ia electroluminiscencia óptica de salida, demostrando que Ia información no es degradada por el proceso de modulación. Se obtienen profundidades de modulación del 100% a voltajes de drenador tan bajos como 1 V.