Silicio macroporoso para cristales fotónicos y otras aplicaciones avanzadas

Abstract

(English) This thesis deals with the study of macroporous silicon structures and their application to different technological areas. Macroporous silicon is a material that was described, in the form in which it is used in this thesis, for the first time at the beginning of 1990, since then several applications have been suggested for this material, but to date it has not been observed that these have gone beyond the laboratory and research to its commercial development for the most part. Macroporous silicon is an artificial material whose structure is based on the creation of holes of a certain size in a mass of silicon. The optical and physical characteristics will depend on the morphology of these holes. A field of great interest is that of photonic applications. The creation of periodic structures allows the passage of electromagnetic waves through the material to be altered, creating so-called photonic crystals. These structures quickly gained attention as they promise the creation of optical devices with dimensions comparable to the wavelength and whose spectral characteristics can be designed according to the required specifications. Macroporous silicon has also been proposed as a photonic crystal for the creation of selective optical filters. Possible applications for such devices include gas detection or thermo-photovoltaic applications. An interesting application is the creation of anti-reflection coatings. Macroporous silicon is also proposed for selective thermal emitters. Other applications of macroporous silicon not related to optical systems include electronic devices (high-capacity capacitors), energy storage (batteries), micro-fluidic applications (drug delivery, Brownian filters), chemical applications (reactors, catalysts), etc. One aspect to consider for macroporous silicon photonic crystals is the fabrication technology. Typical master technologies have certain disadvantages such as the cost or the robustness of the devices. In contrast, this thesis works with a technology of great simplicity and flexibility: the electrochemical etching of silicon. This fabrication technique makes it possible to obtain structures with very high aspect ratios and modulated pore profiles. This results in three-dimensional photonic crystals. The applications of three-dimensional structures are those studied in this thesis. The range of possible applications of macroporous silicon is very wide, so only some of them have been studied, specifically as a demonstration platform. This thesis studies the application of macroporous silicon as anti-reflection coatings, selective thermal emitters, filters and gas sensors. The applications of capacitors and FET transistors are also studied. Other applications have also been studied in collaboration with other research groups. Finally, one of the most important aspects of this work has been the development of the technology, procedures and know-how to reduce the dimensions of macroporous silicon structures and obtain structures with periodicities of 700 nm and smaller, whose pores have profiles that can be modulated and with direct application to optical applications such as gas detection.

(Español) La presente tesis versa sobre el estudio de las estructuras de silicio macroporoso y su aplicación a diferentes áreas tecnológicas. El silicio macroproso es un material que se describió, en la forma en que se usa en esta tesis, por primera vez a principios de 1990, desde entonces se han sugerido diversas aplicaciones para este material, sin embargo hasta la fecha no se observado que estas hayan traspasado del ámbito del laboratorio y la investigación hasta su desarrollo comercial en su mayor parte. El silicio macroporoso es un material artificial cuya estructura se basa en la creación de agujeros de determinado tamaño en una masa de silicio. Las características ópticas y físicas dependerán de la morfología de estos agujeros. Un campo de gran interés es el de las aplicaciones fotónicas. La creación de estructuras periódicas permite alterar el paso de las ondas electromagnéticas a través del material, creando así los llamados cristales fotónicos. Estas estructuras rápidamente captaron la atención pues prometen la creación de dispositivos ópticos de dimensiones comparables a la longitud de onda y cuyas características espectrales pueden ser diseñadas de acuerdo con las especificaciones demandadas. El silicio macroporoso también se ha propuesto como cristal fotónico para la creación de filtros ópticos selectivos. Algunas de las aplicaciones posibles para los dispositivos de esta índole son la detección de gases o las aplicaciones termo-fotovoltaicas. Una aplicación interesante es la creación de capas anti-reflectantes. También se propone el silicio macroporoso para emisores térmicos selectivos. Otras aplicaciones del silicio macroporoso no relacionadas con los sistemas ópticos incluyen dispositivos electrónicos (condensadores de alta capacidad), almacenamiento de energía (baterías), aplicaciones micro-fluídicas (dispensación de fármacos, filtros brownianos), aplicaciones químicas (reactores, catalizadores), etc. Un aspecto a considerar para los cristales fotónicos de silicio macroporoso es la tecnología de fabricación. Las tecnologías mást típicas tienen ciertas desventajasja como el coste o la robustez de los dispositivos. Por el contrario en esta tesis se trabaja con una tecnología de gran sencillez y flexibilidad: el ataque electroquímico del silicio. Esta técnica de fabricación permite obtener estructuras con relaciones de aspecto muy elevadas y con poros de perfil modulado. Así se obtienen cristales fotónicos de tres dimensiones. Las aplicaciones de las estructuras tridimensionales son las que se han estudiado en la presente tesis. El abanico de posibles aplicaciones del silicio macroporoso es muy amplio por lo que sólo se han estudiado algunas de ellas, en concreto como plataforma de demostración. Esta tesis estudia la aplicación del silicio macroporoso como capas anti-reflectantes, emisores térmicos selectivos, filtros y sensores de gases. También se estudian las aplicaciones de condensadores y transistores FET. También se han estudiado otras aplicaciones en colaboración con otros grupos de investigación. Finalmente, uno de los aspectos más importantes que se ha desarrollado a lo largo de este trabajo ha sido el desarrollo de la tecnología, los procedimientos y el know-how para reducir las dimensiones de las estructuras de silicio macroporoso y conseguir estructuras con periodicidades de 700 nm y menores, cuyos poros presentan perfiles se pueden modular y con aplicación directa a aplicaciones ópticas como la detección de gases.