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Seminario para la UIMP “Nanotecnología y Nanociencia”, Valencia, 2003
Nanocristales semiconductores del grupo IV.
Aplicación a dispositivos nanoelectrónicos y nanofotónicos
Blas Garrido
Departamento de Electrónica de La Universidad de Barcelona
La ciencia y tecnología de los materiales nanoestructurados y de las nanoestructuras en general es una amplia e
interdisciplinaria área de investigación y desarrollo. Su actividad, interés y aplicaciones potenciales han ido
incrementándose en gran medida en los últimos años. La utilización de nanopartículas, nanocristales y/o puntos
cuánticos en la fabricación de dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y fotónicos con propiedades nuevas debido
a los efectos de confinamiento cuántico está cobrando gran importancia, y existen numerosos ejemplos recientes. En
nanoelectrónica: nanomemorias con almacenamiento de carga en nanocristales, transistores y memorias de un solo
electrón, dispositivos basados en el bloqueo coulombiano y dispositivos de efecto túnel resonante. Y dentro del
campo de la optoelectrónica y fotónica, materiales de respuesta óptica no lineal, dispositivos electroluminiscentes,
láseres basados en pozos y puntos cuánticos de materiales III-V y II-VI, amplificadores ópticos y hasta la
posibilidad de realizar dispositivos electroluminiscentes y láseres con materiales del grupo IV, especialmente un
láser de Silicio. Una de las grandes ventajas que presentan estos últimos es su compatibilidad con la tecnología
estándar de silicio. El hecho de que el silicio nanoestructurado sea un buen material optoelectrónico lo hace ser un
candidato ideal para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos, ya sea integrados, o bien en sistemas híbridos
con funcionalidades fotónicas y de circuitería electrónica que les permitan formar parte de los sistemas ópticos de
telecomunicación actuales.
Por otro lado, los últimos años han visto la expansión fulgurante de las comunicaciones por fibra óptica. La cantidad
de información transmitida por la fibra se ha incrementado de forma exponencial a un ritmo que supera la ley de
Moore para circuitos integrados, y el factor clave que ha permitido este rápido crecimiento son los materiales
dopados con Erbio, en particular los EDFAs (amplificadores ópticos en fibra dopada con Erbio). La emisión
espontánea y estimulada de los iones Er3+ a 1.54 micras es relevante ya que se corresponde a la longitud de onda de
menor absorción en las actuales fibras de vidrio, y tiene por tanto claras aplicaciones como medio activo para la
amplificación óptica y para generación directa de luz en ese rango, en forma de LEDs y posiblemente láseres
modulables. Si bien los EDFAs han hecho posible la tecnología DWDM (‘Dense Wavelength Division
Multiplexing’) y el que las redes ópticas actuales de larga distancia sean totalmente ópticas, presentan el serio
inconveniente de requerir un bombeo óptico en las bandas discretas de absorción atómica del Er. Este bombeo es
actualmente realizado por diodos láser (a 980 nm o 1480 nm), cuyo precio encarece enormemente el coste del
sistema, y hace muy costosa su implementación en redes locales que lleguen hasta el usuario. Esto hace que deba
regenerarse la señal a través de procesos eléctrónicos, proceso que conlleva una importante ralentización de la
transmisión. Los EDFAs también presentan problemas intrínsecos adicionales debido a la combinación de dos
factores: la baja solubilidad del Er en la fibra, y la baja sección eficaz de absorción del Er, que es de unos 10-20 cm2
para las longitudes de onda de excitación utilizadas. Esto lleva a los amplificadores a tener una ganancia por unidad
de longitud muy baja, haciendo imposible su fabricación en modelos de dimensiones reducidas, tales como serían
necesarios, por ejemplo, para comunicar ópticamente los componentes de un mismo circuito o los sistemas de una
red local. Recientes descubrimientos han demostrado que la inclusión de nanocristales de Silicio en el vidrio dopado
con Erbio potencia enormemente la capacidad amplificadora del mismo, debido a un fenómeno de transferencia de
energía desde los nanocristales hacia los átomos de erbio, que aumenta la sección eficaz del conjunto hasta un valor
cercano a 10-16 cm2. Se abre por tanto la posibilidad de realizar dispositivos tales como fuentes de luz, guías de onda,
amplificadores ópticos compactos en guía de onda, moduladores y fotodetectores funcionando entorno a
1.54 micras, muy eficientes, y que podrían ser la base de los sistemas integrados de transmisión óptica necesarios en
muchas aplicaciones. Los sistemas resultantes combinan las ventajas de las nanoestructuras (ancha banda y elevada
sección eficaz de absorción, sería suficiente bombear con un LED o una lámpara) con las de las tierras raras
(emisión entorno a 1.54 micras y largo tiempo de vida, fundamental para los procesos de emisión estimulada).
Este seminario se centrará dentro de este doble contexto general, y pretende asentar las bases para que los alumnos
obtengan los conocimientos básicos de la ciencia y tecnología de los semiconductores nanoestructurasdos del grupo
IV. La segunda parte del seminario pretende cubrir algunas de las aplicaciones de estos semiconductores
nanoestructurados en las áreas de la electrónica, optoelectrónica y fotónica y sus aplicaciones. Todo ello desde la
compatibilidad con la tecnología CMOS estándar del silicio.
Seminario para la UIMP “Nanotecnología y Nanociencia”, Valencia, 2003
Fig. 1. Nanocristales de Si en SiO2 vistos por microscopía
electrónica.
Fig. 2. Emisión entorno a 700 nm, de una muestra
con nanocristales de Si.
Fig.3. Modo óptico en guía de onda con nanocristales, simulado con programas propios