Design, fabrication and characterization of porous silicon multilayer optical devices

Abstract

Thesis: DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON MULTILAYER OPTICAL DEVICES<br/><br/>Author: Elisabet Xifré Pérez<br/>Directors: Lluís F. Marsal Garví i Josep Pallarès Marzal<br/><br/> <br/>Aquesta tesi està centrada en el disseny i fabricació de dispositius òptics multicapa realitzats en silici porós. El silici porós és un material dielèctric que s'obté amb l'atac electroquímic del silici mitjançant solucions d'àcid fluorhídric. Aquest material té unes excel·lents propietats mecàniques i tèrmiques i és totalment compatible amb la tecnologia del silici. És un material molt adient per a la fabricació de multicapes ja que l'índex de refracció i el gruix de cadascuna de les capes que les formen es determinen durant el procés de fabricació. Escollint de forma adient aquests dos paràmetres de les capes, es poden fabricar diferents dispositius òptics. <br/>Per a assolir el principal objectiu d'aquesta tesi que és la fabricació de dispositius òptics multicapa de silici porós per aplicacions en el camp de les telecomunicacions s'han realitzat els següents passos. En primer lloc s'han realitzat programes de simulació per a l'estudi teòric del comportament òptic de les multicapes. Amb aquests programes s'ha realitzat l'estudi i el disseny de diversos dispositius òptics: Distributed Bragg Reflectors, microcavitats, miralls omnidireccionals i guies d'ona tant basades en reflexió total interna com basades en les propietats dels cristalls fotònics. Una vegada simulats i dissenyats, aquests dispositius òptics de silici porós s'han fabricat. S'ha posat en marxa un sistema complert de fabricació de silici porós i s'ha realitzat la seva calibració. Amb aquest sistema s'han fabricat monocapes i multicapes de silici porós que s'han caracteritzat física i òpticament mitjançant diversos mètodes: SEM, espectroscopia FTIR i el·lipsometria espectroscòpica. Un d'aquests mètodes de caracterització, l'el·lipsometria, s'ha dut a terme durant una estada predoctoral de tres mesos a l'Ecole Polytechnique de Paris. Aquest mètode es diferencia de tots els altres utilitzats en que ha permès analitzar l'anisotropia de les capes en funció de la porositat. Tots aquests passos han estat necessaris per assolir l'objectiu final d'aquesta tesi que és la fabricació de dispositius òptics multicapa. Els dispositius de silici porós fabricats han estat Distributed Bragg Reflectors, microcavitats (amb aplicacions de sensor d'humitat) i miralls omnidireccionals amb estructures diferents a les utilitzades fins ara que optimitzen les seves característiques òptiques. <br/><br/><br/>Les aportacions científiques del treball desenvolupat durant la realització d'aquesta tesi han estat: <br/>- el disseny i desenvolupament de noves estructures multicapa que permeten obtenir miralls omnidireccionals amb una amplada de banda omnidireccional independent de les limitacions que fins ara presentava el material i amb una baixa complexitat de fabricació.<br/>- la fabricació d'aquestes estructures mirall el que implica la introducció de les multicapes de silici porós en aplicacions làsers i de guies d'ona<br/>- el disseny i anàlisi de guies d'ona basades en cristalls fotònics (miralls omnidireccionals).<br/>- la introducció de multicapes de silici porós com a sensors òptics d'humitat.<br/>- la creació de programes de simulació de multicapes que són utilitzats actualment pel grup NePhos<br/>- la posta en marxa i calibració d'un sistema de fabricació de silici porós al Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA), que serà utilitzat en un futur pròxim per a realitzar el treball de nous doctorands sobre noves aplicacions del silici porós, <br/>- l'anàlisi el·lipsomètric de multicapes de silici porós iniciant les relacions entre el DEEEA i el LPICM de l'Ecole Polytechnique de París. Aquest anàlisi ha determinat el comportament anisotròpic del silici porós i iniciant una nova línia de simulació de multicapes de materials anisòtrops. <br/><br/>Del treball desenvolupat durant la tesi s'han realitzat 7 publicacions a revistes internacionals, 7 comunicacions a congressos internacionals i 6 comunicacions a congressos nacionals. <br/>Cal destacar que una part del treball realitzat s'ha dut a terme durant una estada de tres mesos a la Universitat Ecole Polytechnique (Palaiseau, Paris) de França. <br/><br/><br/><br/><br/><br/>Thesis: DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON MULTILAYER OPTICAL DEVICES<br/><br/>Author: Elisabet Xifré Pérez<br/>Directors: Lluís F. Marsal Garví i Josep Pallarès Marzal<br/><br/> <br/>This thesis is focused on the design and fabrication of multilayer optical devices based on porous silicon. Porous silicon is a dielectric material obtained with the electrochemical etching of silicon with hydrofluoric acid solutions. This material has excellent mechanical and thermal properties and is completely compatible with the well-established silicon technology. It is a very suitable material for the fabrication of multilayers because the refractive index and the thickness of each of the layers of the multilayer are determined during the fabrication process. Selecting, in an appropriate way, these two parameters of the layers different optical devices can be fabricated. <br/>In order to achieve the main objective of this thesis that is the fabrication of multilayer optical devices made of porous silicon, different steps have been realized. Firstly, different simulation programs have been developed to theoretically study the optical behavior of the multilayers. With these simulation programs, it has been realized the study and design of different optical devices: Distributed Bragg Reflectors, microcavities, omnidirectional mirrors, and waveguides not only based on total internal reflection but also based on the photonic crystal properties. Once simulated and designed, these porous silicon multilayer devices have been fabricated. For this purpose, a fabrication system has been established and calibrated and several porous silicon monolayers and multilayers have been fabricated. These fabricated layers have been characterized to determine their physical and optical properties using different methods: SEM, FTIR spectrometry, and spectroscopic ellipsometry. One of these methods, the ellipsometry, has been carried out during a three-month predoctoral stage at the Ecole Polytechnique in Paris. This method has allowed the analysis of the anisotropy of the porous silicon layers. All these steps were necessary to achieve our main and final objective: the fabrication of porous silicon multilayer optical devices. <br/>The optical devices fabricated with porous silicon multilayers are Distributed Bragg Reflectors, microcavities (with applications as humidity sensors) and omnidireccional mirrors with structures different to the ones used until this moment that optimize their optical characteristics. <br/><br/><br/><br/>The scientific contributions derived from the work realized during this thesis are: <br/>- the design and development of new multilayer structures that permitted to obtain omnidirectional mirrors with a low fabrication complexity and with an omnidirectional bandgap width independent of the limitations that the material presented until this moment.<br/>- the fabrication of these mirror structures that introduces porous silicon multilayers for laser applications and waveguides.<br/>- the design and analysis of waveguides based on the photonic crystals properties (omnidirectional mirrors).<br/>- the introduction of porous silicon multilayers for humidity sensors applications.<br/>- the creation of programs for the simulation of multilayers, that are used nowadays by the NePhos group.<br/>- the establishment and calibration of a porous silicon fabrication system at the Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA), that will be used in a near future by new doctoral students for new applications of porous silicon. <br/>- the ellipsometric analysis of porous silicon multilayers beginning the relations between the DEEEA and the LPICM at the Ecole Polytechnique in Paris. This analysis has determined the anisotropic behavior of porous silicon and started a new simulation line of multilayers with anisotropic materials. <br/><br/>From the work realized during this thesis 7 publications in international journals, 7 communications to international conferences and 6 communications to national conferences have been realized. <br/>It is worth to emphasize that one part of the work has been realized during a stage at the Ecole Polytechnique (Palaiseau, Paris) in France.