LINEA DE CRISTALES FOTONICOS DE SEMICONDUCTORES III-V EN EL INSTITUTO DE MICROELECTRONICA DE MADRID

Investigador responsable: Pablo Aitor Postigo

¿Por qué cristales fotónicos?

El creciente tráfico de datos en la red de telecomunicaciones (vídeo y audio en Internet) hace necesario el desarrollo de nuevas infraestructuras de mayor ancho de banda y velocidad (>100 Gb/s) mediante la implantación de arquitecturas ópticas en sustitución de los actuales subsistemas electrónicos. En última instancia será necesario disponer de dispositivos optoelectrónicos (LEDs y/o diodos láser) de ultra-alta velocidad integrados en chips capaces de intercomunicarse ópticamente. Por otra parte, estos dispositivos podrían ser la piedra angular de nuevos computadores ópticos que superen las limitaciones impuestas por la progresiva miniaturización de los actuales procesadores de silicio.
Los cristales fotónicos son nuevos materiales nanoestructurados que presentan propiedades exclusivas [1] , ya aplicadas para fibras ópticas[2], que permiten fabricar nuevos dispositivos optoelectrónicos más rápidos, más eficaces y más pequeños para las telecomunicaciones fotónicas y la computación óptica.

¿Qué son los cristales fotónicos?

Los cristales fotónicos son estructuras con banda prohibida para fotones (o photonic bandgap, PBG). Estas estructuras están constituidas por variaciones periódicas en el índice de refracción del material que las constituye. En analogía con las bandas electrónicas de sólidos ordenados (como los materiales semiconductores) donde la periodicidad atómica origina bandas o niveles de energía para los electrones, la distribución espacial de la constante dieléctrica en el caso de los cristales fotónicos origina una estructura de bandas para fotones. Estas bandas pueden diseñarse a voluntad (de forma análoga a la ingeniería de bandas en los materiales semiconductores), por lo que estas estructuras pueden impedir o favorecer la propagación de fotones con determinadas energías.

Tanto la periodicidad como las dimensiones físicas de las zonas de variación de la constante dieléctrica están relacionadas con la longitud de onda de los fotones que se propagan, exigiendo para estas zonas dimensiones en la escala de nanometros para fotones con energías dentro del espectro visible e infrarrojo cercano.

Fig.2. Una distribución periódica de motivos de diferente constante dieléctrica (en este ejemplo cilindros de semiconductor separados por aire) posee una distribución (en el espacio recíproco) con bandas de energías y zonas donde no existen estados permitidos (energías prohibidas para fotones).

Cristales fotónicos en el IMM

En el Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM) fabricamos cristales fotónicos en materiales semiconductores III-V (como GaAs e InP y sus aleaciones.) Esta nueva línea de trabajo en el Instituto ha sido apoyada por la concesión de un contrato Ramón y Cajal durante la convocatoria del año 2001. Fabricar cristales fotónicos mediante materiales semiconductores III-V presenta una doble ventaja: por un lado los materiales semiconductores III-V poseen la importante propiedad de emitir luz a partir de corriente eléctrica con eficiencias elevadas. Por otro lado, para fabricar cristales fotónicos a partir de compuestos III-V podemos utilizar las técnicas de fabricación de dispositivos optoelectrónicos como láseres de diodo [3] que ya han sido desarrolladas.

Cristales fotónicos en el IMM: Diseño y fabricación

En el IMM fabricamos cristales fotónicos bidimensionales sobre compuestos semiconductores III-V. Estos compuestos se sintetizan en las cámaras de crecimiento epitaxial por haces moleculares (molecular beam epitaxy, MBE). En el IMM se cuenta con dos cámaras de MBE que permiten la epitaxia de compuestos III-V con elementos como In, Ga, Al, As, P y Sb, además de dopantes como Si, Be y SnTe. La combinación de estos elementos permite obtener heteroestructuras semiconductoras para dispositivos optoelectrónicos con importantes aplicaciones como diodos láser.

Fig.3. Epitaxia por haces moleculares. El compuesto III-V sobre el que se fabrica el cristal fotónico se sintetiza mediante este método de gran versatilidad que permite un elevado control del proceso de síntesis cristalina.

Una vez obtenido el material semiconductor, definimos los motivos de algunas decenas de nanometros de tamaño que forman la red periódica de variación de la constante dieléctrica. Para ello usamos la litografía por haz de electrones (Fig.4). Mediante esta técnica hemos fabricado cilindros huecos (rellenos de aire) rodeados de material semiconductor.

 

Fig.4. Litografía por haz de electrones en el IMM: (izda.) la longitud de onda de electrones a elevadas energías (250 KeV aprox.) de un microscopio electrónico permite la definición de motivos nanométricos como círculos de tamaños nanométricos (dcha. círculos de 350 nm de radio). Estos motivos son transferidos al material semiconductor mediante ataque seco por haces de iones reactivos (Fig.5). Procesos auxiliares como deposición de SiO₂ mediante PECVD o evaporación de metales (térmica y haz de electrones) son también utilizados.

Fig.5. Ataque anisotrópico por haces de iones reactivos. Básicamente, especies químicas reactivas en fase gas son ionizadas y aceleradas hacia la muestra, reaccionan con el semiconductor y producen compuestos que son evaporados, eliminando el material semiconductor deseado.

El diseño de la estructura con bandgap fotónico previo a la fabricación es un paso fundamental del proceso. En el IMM realizamos el cálculo y simulación de cristales fotónicos 2D formando parte de una capa delgada de compuesto III-V, mediante simulaciones por elementos finitos. Uno de nuestros objetivos es lograr emisores verticales de luz a partir de diodos láser emisores en el plano⁴. Para ello hemos investigado el acoplo de guías de onda con bandgap fotónico con cavidades que actúen como micro y nanoresonadores (Fig.6):

Acoplados a estas guías de onda, que en un láser de diodo actúan además como zonas de contacto eléctrico, hemos simulado y fabricado resonadores de área extensa o microresonadores (Fig.7,8):

Fig.7. Simulación mediante elementos finitos (izda) y fotografía Nomarsky del dispositivo fabricado (dcha). La longitud de onda de la luz utilizada es de 1.5 micras.

Además hemos estudiado el acoplamiento con defectos de área pequeña, eliminando típicamente uno de los cilindros de aire de la cavidad (nanoresonadores) como muestra la Fig.9:


Fig.9. Simulación mediante elementos finitos de nanocavidades resonantes en una estructura bidimensional con bandgap fotónico. El índice de refracción empleado es 10,8. Las figuras muestran la energía total de superfice (izda.) y el campo magnético en la dirección normal al plano (dcha.) para luz con longitud de onda de 1555 nm.

Nuestros objetivos futuros están centrados en la fabricación y aplicación de cristales fotónicos de materiales semiconductores a nuevos dispositivos optoelectrónicos. En la actualidad seguimos trabajando y mantenemos una colaboración con diferentes instituciones como el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, la Universidad Autónoma de Madrid, o el Massachusetts Institute of Technology.