En la última década del siglo XX, el campo de los microsistemas para análisis total (µ-TAS) y, más concretamente, el de los DNA-chips ha adquirido una importancia preponderante en el ámbito de los microsistemas. En gran parte, el creciente interés por estos dispositivos se debe a las substanciales mejoras que prometen: análisis más rápidos, baratos y automatizados, pero también es debido a la posibilidad de implementar técnicas analíticas antes impensables (e.g. chips de hibridación). En el caso particular de los DNA-chips, se han desarrollado prototipos funcionales para PCR, LCR, electroforesis en gel, di-electroforesis, hibridación y varias combinaciones de estas técnicas, al tiempo que los chips de hibridación masiva (mayoritariamente basados en arrayers) han llegado a convertirse en un éxito comercial. Aun así, y aunque se ha llevado a cabo mucho trabajo en estos años, es necesaria todavía mucha investigación para afrontar algunos de los principales retos de los DNA-chips. En el transcurso de esta tesis doctoral, se ha llevado a cabo el desarrollo un proceso tecnológico común para la fabricación de DNA-chips multifunción (i.e. sistemas versátiles basados en PCR y electroforesis), poniendo un especial énfasis en la compatibilidad con los procesos CMOS estándar, a fin de conseguir desarrollar prototipos proto-industriales. Como demostrador de esta puesta a punto tecnológica, se han diseñado, fabricado y testado chips de PCR, y la PCR en chips ha sido optimizada con respecto a materiales de fabricación, metodologías de inserción/extracción, composición bioquímica de la mix de PCR, diferentes configuraciones de calentadores/sensores (Peltier/termopares vs. resistencias integradas) y la cinética de la reacción. / In the last decade of the twentieth century, the fields of µ-TAS and, more specifically, DNA-chips have acquired increasing importance in the microsystems arena. The main reason for this surge of interest lies in the advantages these new devices seek to bring forth: faster, cheaper and completely automated analyses, and also in the outbreak of novel analytical techniques (e.g. hybridization chips). In the particular case of DNA-chips, functional prototypes have been demonstrated for PCR, LCR, gel electrophoresis, di-electrophoresis, hybridization and various combinations of these techniques, whilst hybridization chips (mainly arrayer chips) have become a successful market application. But, even though a considerable amount of work has been carried out in these few years, much research is still required to address fundamental problems of DNA-chips. In this doctoral work, a common-ground technological setup for the production of multifunction DNA-chips (i.e. PCR plus electrophoresis systems) has been laid down, placing strong emphasis in its compatibility with standard CMOS processes in order to produce proto-industrial prototypes. As a demonstrator of this technological setup, PCR-chips have been designed, manufactured and tested, and the chip PCR reaction has been optimized with respect to surface materials, insertion and extraction methods, biochemical mix composition, heater/sensor setups (Peltier/thermocouple vs. thin-film driven systems) and reaction kinetics.

The tendency towards cost reduction in the photovoltaic industry has led to the development of the so-called thin film silicon technology. Among the different possible morphologies, a material that presents very promising features is nanocrystalline silicon (nc Si:H), which consists in an aggregate of crystallites with sizes in the order of few tens of nanometers embedded in an amorphous matrix. The deposition technique used at Universitat de Barcelona to grow nc-Si:H solar cells is Hot-Wire Chemical Vapour Deposition (HWCVD), which features several advantages in comparison with Plasma Enhanced CVD, the most widely used one in industry at the moment (higher deposition rates, simpler and cheaper deposition geometry and easier to scale to large area deposition).In order to grow a completely Hot-Wire deposited nanocrystalline silicon solar cell with enhanced efficiency, different strategies have been followed. First of all, the effects of the different deposition parameters, especially the tantalum filament temperature, have been studied aiming to the obtaining of compact material. Several modifications of the set-up have also been performed with the same finality. Material with good structural, electrical and transport properties has been obtained at low filament temperature (1600ºC). Secondly, the effects of the substrate nature on the microstructure of the nc-Si:H layers has been considered in the three possible cases (intrinsic, n-type and p-type doped layers). Later on, the performance of different p-i-n solar cells has been studied. Firstly, the effects of different preliminary light trapping strategies has been considered: the use of a textured front contact and of a back reflector. Finally, the relation existent between the microsctructure of the material and the performance and stability of the devices has been investigated. Different degradation mechanisms that affected our devices were detected and their possible causes identified (contact degradation, effects outside the p-i-n nc Si:H structure, active layer degradation). A best efficiency of 5.2% in a completely Hot-Wire deposited p-i-n solar cell has been achieved at low filament (1600ºC) and substrate (200ºC) temperatures and by using preliminary light trapping strategies. Stability of this device was verified after more than 1000 hours of light soaking. The preliminary character of this device makes it a very promising starting point to further increase the conversion efficiency of Hot-Wire deposited nanocrystalline silicon solar cells.

Metallic deposits can be produced on the surface of silicon crystals by immersion in aqueous solutions containing fluoride and the metallic ions. This work aims to elucidate the general mechanism of the deposition process, based on "in situ" electrochemical measurements under potentiostatic control and "ex situ" microscopic and spectroscopic techniques. The mechanism developed takes into account the classical concepts of semiconductor electrochemistry, as well as the recent advances in the understanding of silicon chemistry. The consequences of this study and its technological applications are also discussed.

Dentro del amplísimo campo de los sensores, están emergiendo con gran fuerza los dispositivos basados en tecnología de silicio. El uso de la tecnología microelectrónica para la producción de sensores permite obtener dispositivos de bajo coste, altas prestaciones y reducido tamaño.Además, la utilización del silicio como material base para la realización de sensores permite, no sin dificultades, la integración de circuitos de tratamiento de señal en el mismo chip. El silicio, por otro lado, es un material de excelentes propiedades mecánicas exhibiendo una gran variedad de mecanismos de transducción que permiten desarrollar una gran variedad de sensores: mecánicos, térmicos, magnéticos, químicos, etc. En particular la medida de magnitudes mecánicas es posible debido a variación de la resistividad del silicio cuando se encuentra sometido a esfuerzos mecánicos. Esta variación se conoce como el efecto piezorresistivo y fue descubierto por Smith en 1954.Las tecnologías para el micromecanizado de silicio monocristalino permiten la fabricación de microestructuras tales como ranuras, membranas, agujeros, barras de torsión o vigas. En concreto, los sensores de presión se basan en la fabricación de un diafragma delgado de silicio. En presencia de una presión diferencial, el diafragma deflecta dando lugar a la aparición de esfuerzos mecánicos en el material. Integrando un puente de Wheatstone en el diafragma y colocando las piezorresistencias de forma adecuada se obtiene un voltaje proporcional a la presión aplicada. Este diafragma se obtiene mediante el grabado anisótropo húmedo de silicio utilizando disoluciones de carácter básico.Con el objetivo de fabricar sensores de presión piezorresistivos en tecnología de silicio, se procedió a un exhaustivo estudio experimental del grabado anisótropo húmedo mediante una disolución de KOH, 2-propanol y H2O. El análisis de los resultados ha permitido escoger aquellas condiciones de trabajo óptimas que aseguran unas rugosidades residuales inferiores a 0.1 milimicra y una aceptable velocidad de grabado. A continuación se han fabricado diafragmas delgados de silicio mediante el control cronométrico del ataque. Para una medida no destructiva del grosor de los diafragmas se ha utilizado las interferencias presentes en un espectro de absorción infrarroja. Se ha diseñado un proceso tecnológico utilizando la tecnología microelectrónica estándar y el ataque anisótropo previamente estudiado para la fabricación de sensores de presión.El correcto funcionamiento de estos ha sido verificado y se han extraído los parámetros que definen su comportamiento.Para un mejor control dimensional del grosor del diafragma hemos estudiado el paro electroquímico en una unión p-n. Se ha comparado los resultados obtenidos en configuraciones con 2, 3 y 4 electrodos, estudiando además la influencia de la luz. La puesta a punto de esta técnica ha permitido la fabricación de membranas mediante capas epitaxiales y difusiones con una gran uniformidad y repetitividad, así como la fabricación de puentes de silicio monocristalino.Se ha hecho especial hincapié en la posibilidad de obtener membranas estructuradas verticalmente. Los mejores resultados se han obtenido en las configuraciones de 4 electrodos sin luz y en la de 3 electrodos bajo iluminación.La utilización de galgas de silicio implantado limita el rango de operación del sensor a temperaturas inferiores a 125°C. Temperaturas mayores pueden alcanzarse utilizando galgas de polisilicio aisladas del substrato por una capa de óxido de silicio. Sin embargo, la optimización de capas de polisilicio LPCVD en sensores lleva a la utilización de condiciones de depósito no estándar. Se ha procedido a una completa caracterización estructural y eléctrica de capas de polisilicio dopadas con boro obtenidas a diferentes temperaturas y presiones. Se ha observado como las muestras depositadas entre 580°C y 600°C, a bajas presiones de silano presentan una fuerte textura {110} y estructura columnar. Estas muestras presentan una resistividad más elevada que las depositadas en otras condiciones. En cambio, muestras depositadas en fase amorfa presentan tras un recocido posterior una estructura formada por granos equiaxiados y de mayor tamaño, que darán lugar a unos mayores coeficientes piezorresistivos. Por otro lado, el análisis eléctrico ha mostrado que es posible controlar el coeficiente térmico de las resistencias a través del nivel de dopaje. Utilizando las polisilicio optimizado tras el estudio estructural y eléctrico, se han fabricado sensores de presión con galgas de polisilicio que manteniendo niveles de sensibilidad altos han mostrado un correcto funcionamiento hasta temperaturas de 200°C con gran estabilidad de sus características.En la fabricación de sensores de presión de alta sensibilidad la disminución progresiva del grosor del diafragma da lugar a niveles de no-linealidad inaceptables. Este problema se solventa mediante el diseño de diafragmas que introducen zonas rígidas en el interior del diafragma que habitualmente tienen el grosor total de la oblea. Sin embargo, si las dimensiones del sensor se reducen la inclusión de zonas rígidas con ese grosor queda prohibida por la dimensión lateral de los muros {111}. Se ha analizado el comportamiento mecánico de diafragmas que incluyen zonas rígidas de grosor reducido. Se ha observado que una relación de grosores 5/20 es suficiente para una eficaz reducción de la no-linealidad manteniendo niveles de sensibilidad altos. Mediante un método gráfico basado en un diagrama no-linealidad fondo de escala, las prestaciones de cada estructura han sido comparadas con el diseño estándar basado en una membrana cuadrada de grosor uniforme.La medida invasiva de la presión sanguínea en el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares impone severas restricciones en el diseño de sensores de presión. Su tamaño, sensibilidad y nolinealidad son parámetros críticos que deben ser optimizados en relación a un sensor convencional. Se ha desarrollado un sensor de presión de reducidas dimensiones para incorporarse en el extremo de un catéter 7F (diámetro exterior 2.3 mm.) Para obtener sensores de alta sensibilidad minimizando el error debido a la no-linealidad se han fabricado sensores de presión con diafragma no-uniforme utilizando la tecnología del paro electroquímico. La caracterización de los sensores fabricados ha demostrado que el diseño y la tecnología utilizada permite mejorar la respuesta de transductores caracterizados por diafragmas delgados y con área reducida, reduciendo la no-linealidad exhibida por los dispositivos. / Silicon integrated circuit technology may be used in the fabrication of miniaturised, low-cost, high-performance mechanical sensors. Pressure sensors are based on a thin silicon diaphragm, fabricated using anisotropic etching, what deflects under a pressure between both sides. The integration of a Wheatstone bridge permits to obtain an analog output proportional to the pressure difference because of the piezoresistive effect.Implanted resistors limit the sensor operation range below 125°C, because of the leakage currents in the p-n junctions. Higher temperatures are allowed if polysilicon resistors, isolated from the substrate by a silicon dioxide layer, are used instead. However, the optimization of the LPCVD polysilicon layers for this particular application leads to non-standard deposition conditions and it is essential a previous structural and electrica1 characterization work. The fabricated sensors are very stable for temperatures up to 200°C.The invasive blood pressure measurement for cardiovascular diagnostics imposes strong requirements in the sensor design. Sensibility, size and non-linearity are critical parameters that have to be optimized. For high sensitivity designs, very thin diaphragms are used because of the reduced diaphragm area. They require an accurate control of the diaphragm thickness in order to attain good uniformity in the sensor characteristics. This is achieved using the electrochemical etch-stop, which has been thoroughly studied. Especial attention has been devoted to the fabrication of non-uniform diaphragms. The manufacturing of high sensitive devices just reduces the utilization of the electrochemical etch-stop for the inclusion of rigid zones in the diaphragm.In order to study whether this improves the sensor response an extensive analysis of different mechanical structures by the finite element method has been carried out. Finally, the devices have been fabricated and the improvement of the characteristics comparing with the standard flat diaphragm design has been demonstrated. An specially designed package has been designed and manufactured in order to mount the pressure sensor in the catheter tip.

Aquest treball presenta un estudi ampli sobre les estructures multicapa basades en semiconductors amorfs, en concret les formades per silici amorf hidrogenat i els aliatges d'aquest material amb carboni.El treball compren des de la tecnologia de dipòsit d'aquests nous materials fins a la sevacaracterització, tant estructural com optoelectrònica, i inclou alguna referencia a possibles aplicacions de les multicapes a dispositius.En quant a la tecnologia de dipòsit, les multicapes han estat preparades a partir de dipòsit químic en fase vapor assistit per un plasma de radiofreqüència. En el treball es descriu amb detall el sistema de dipòsit, que presenta com a trets més característics la incorporació d'un sistema de portasubstrats giratori, que permet d'obtenir les estructures multicapa evitant els transitoris del plasma durant els canvis de fase gasosa, i el control automatitzat de tot el procés de dipòsit, que permet un bon control dels gruixos i la reproduibilitat d'aquests al llarg de l'estructura.Com a pas previ a l'estudi optic i electric de les multicapes dipositades, es realitza un estudi detallat de les seves propietats estructurals amb diferents tècniques: espectroscopia de fotoelectrons induïts per raigs X, espectroscopia infraroja per transformada de Fourier, espectrometria de masses d'ions secundaris, microscopia electronica de transmissió i reflectometria de raigs X.A partir de les tècniques de caracterització estructural i composicional, es mostra la bona qualitat de les multicapes: periodicitat ben controlada i interfícies composicionalment abruptes fins a nivells de l'ordre de l0 Angstrom. Es presenten, a més, resultats interessants sobre l'esquema d'incorporació de l'hidrogen en les multicapes, mostrant que no existeixen asimetries entre les interfícies, que l'estructura multicapa no afecta sensiblement a l'incorporació de l'hidrogen, i que els aliatges de carboni poden canviar Ileugerament la seva estructura quant formen part d'una estructura multicapa, reduint la seva porositat.Les propietats optiques són estudiades mitjançant espectroscopia de transmissió optica i espectroscopia de deflexió fototèrmica, amb l'ajut d'algunes simulacions numeriques per interpretar els resultats.Amb les dues tècniques pot observar-se com existeixen variacions del gap òptic importants en les multicapes quan es redueix el gruix de les capes elementals de silici amorf a valors inferiors als 20-30 Angstrom. Aquest comportament, que ha estat atribuït repetidament a la presència d'efectes qüantics de confinament en les multicapes, és discutit, arribant a la conclusió que també podria ser degut a altres efectes de tipus estructural sense considerar els efectes quantics. Altres resultats de caracteritzacions optiques permeten d'evidenciar l'increment en el desordre dels materials a mesura que es redueix el gruix de les capes elementals.Finalment, a partir de la tècnica d'espectroscòpia de desviació fototèrmica s'arriba a acotar superiorment la densitat d'estats per interfície que presenten aquestes estructures multicapa, mostrant que aquesta és molt baixa, fet que indica la bona qualitat de les multicapes.Les propietats elèctriques en la direcció paral.lela de les estructures multicapa és estudiada mitjançant mesures de conductivitat i fotoconductivitat en funció de la temperatura. A partir dels resultats pot veure's com el silici amorf és el material dominant en la conducció.L'estudi de les energies d'activació de la conductivitat en fosc en funció del gruix de les capes de silici mostra un comportament similar al gap òptic, cosa que indica un origen comú per als dos paràmetres, que pot trobar la seva explicació tant en els efectes quàntics de confinament com en els efectes d'aliatge en les interfícies.Les variacions de fotoconductivitat observades permeten evidenciar la importancia deIs estats d'interfície per a la recombinació dels portadors fotogenerats.L'acompliment de la regla de Meyer-Neldel per les multicapes amb composició promig constant, però amb geometries diferents, mostra la possibilitat de variar les propietats elèctriques dels materials en un rang considerable sense canvis importants en les òptiques.Un altre dels resultats importants és la presencia de fotoconductivitat persistent en les multicapes, que consisteix en un estat de conductivitat entre un i dos ordres de magnitud superior a la inicial, i que pot mantenir-se durant hores, ocasionat per la il.luminació de la multicapa durant un temps breu (de l'ordre d'alguns segons).Les propietats de transport elèctric de les estructures en la direcció perpendicular són estudiades mitjançant característiques intensitat-voltatge d'estructures doble barrera, formades per una capa d'alguns Angstrom de silici amorf situada entre dues capes també molt primes d'un aliatge amb carboni de gap elevat, i, tot el conjunt, en la zona intrínseca d'una estructura n-i-n. L'anàlisi dels resultats indica la presencia d'algunes anomalies en la característica intensitat-voltatge, que en la bibliografía han estat atribuides a fenòmens de conducción ressonant per efecte túnel, encara que aquestes podrien ser degudes també a altres motius, com el canvi de mecanisrne de conducció ocasionat pels elevats camps existents.Finalment, es presenten els resultats de dos assajos d'ús de les multicapes per substituir capes de material homogeni en dispositius. S'utilitza una estructura multicapa com a fínestra per a una cèl.lula solar, i com a zona intrínseca d'un dispositiu fotodetector d'alt camp i guany òptic. / The subject of this work is the study of amorphous silicon/amorphous silicon-carbon multi-layers from several viewpoints. First, the preparation process of these new materials by plasma-assisted chemical steam deposition and some technological aspects of this technique applied to amorphous semiconductor multi-layers are treated. The experimental setup used is a conventional mono-chamber system, but provided with an automated substrate holder which allow us to remove the substrates from plasma influence during gas exchange process.The structure of multi-layers is characterized by a wide spectrum of techniques. The results show that the periodicity of the multi-layers is very good. The study of hydrogen content in these materials shows that no additional hydrogen at interfaces can be detected and that there is not any detectable asymmetry between both types of interface. The abruptness of interfaces is estimated to be about 10 Angstrom.Optical and electrical properties of the multi-layers are studied by means of optical transmission spectroscopy, photo-thermal deflection spectroscopy, parallel dark and photo-conductivity and transverse conductivity through double barrier structures.Some of the interesting effects that appear in these materials are put in evidence, as the blue shift of optical gap, the increase in activation energy in dark conductivity, the presence of persistent photoconductivity, and the presence of bumps in the intensity-voltage characteristics of double barrier structures. Several of these results can be interpreted as a consequence of quantum size effects, but other possible explanations in terms of the structural properties are proposed.Finally, the possible application of these multi-layers to amorphous silicon solar cells and high field photo-detectors are considered.

A lo largo de este trabajo se ha estudiado la metodología de análisis de óxidos de silicio mediante elipsometría, la espectroscopía infrarroja y la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Se han establecido las dificultades en la obtención de la información útil a partir de las medidas experimentales y se han propuesto las soluciones oportunas. Los procedimientos de cálculo diseñados se han aplicado a un amplio abanico de óxidos de silicio depositados mediante depósito químico en fase vapor a presión atmosférica (APCVD), asistido por plasma (PECVD) y a baja presión (LPCVD). Asimismo, se han calculado modelos termodinámicos basados en la minimización de la función de Gibbs para explicar la microestructura.Se han definido de manera precisa los conceptos básicos sobre estructura de los sólidos amorfos y vítreos, cuya adecuada comprensión es imprescindible para la correcta interpretación de los resultados experimentales.Describimos los efectos que las condiciones de medida y la disposición de la muestra en una geometría de capa tienen sobre los espectros de infrarrojo medidos experimentalmente, así como los errores de interpretación que pueden producir si no son corregidos convenientemente. Se presentan las dependencias de los parámetros de las bandas de infrarrojo con respecto del espesor de la capa en estudio. La conclusión de dicho análisis es que no es posible utilizar estos parámetros directamente para comparar la composición o la estructura de óxidos de espesores diferentes.Con el fin de obtener la función dieléctrica a partir de los espectros de infrarrojo hemos obtenido desarrollos hasta segundo orden del espesor para transmitancias y reflectancias de materiales depositados en capas delgadas. Estos desarrollos aproximados han demostrado ser útiles en capas de hasta 100  de espesor. Se ha implementado un procedimiento para la simulación de espectros de transmitancia y reflectancia teóricos de multicapas en cualquier conjunto de condiciones de medida. Gracias a este procedimiento es posible determinar cuáles serán las mejores condiciones de medida (polarización, ángulo de incidencia, etc.) para la detección de la banda de nuestro interés.El análisis de los procedimientos utilizados corrientemente en la literatura para obtener las constantes ópticas a partir de medidas de infrarrojo demuestra que no es posible obtener resultados precisos en la zona de frecuencias donde el material absorbe fuertemente, puesto que pequeñas variaciones en la medida experimental provocan cambios varios órdenes de magnitud superiores en las constantes ópticas. Para resolver este problema, se ha diseñado un procedimiento de ajuste global de los espectros de transmitancia y reflectancia que permite calcular la función dieléctrica del material, incluso aunque coexistan diferentes fenómenos de absorción (resonancia, portadores libres, etc.). Los procedimientos de simulación y de ajuste de espectros de infrarrojo se han implementado en una herramienta de análisis informática, llamada CAPAS, la cual permite realizar multitud de estudios de forma cómoda y eficaz.Se han analizado en detalle los procedimientos de Beer Lambert y de Brodsky Cardona para el cálculo del coeficiente de absorción a partir de medidas de infrarrojo sobre materiales depositados con geometría de capa. El estudio ha demostrado que, si bien las áreas obtenidas con ellos son proporcionales a la intensidad de oscilador de la banda (y por tanto también a la densidad de enlaces absorbentes), el factor de proporcionalidad depende del espesor de la capa y de la propia intensidad de la banda. Ello implica que no es correcto utilizar los mismos factores de conversión de áreas de bandas a concentraciones de enlaces para muestras de espesores diferentes. Se propone un procedimiento para obtener las concentraciones de enlaces Si O y las de las impurezas minoritarias como H y OH sin las incorrecciones derivadas de los efectos geométricos. Se presenta un factor de calibración general para las áreas del coeficiente de absorción, se define la intensidad de oscilador normalizada y se obtienen sus valores para las vibraciones Si O, Si H y Si OH. Además se presentan las ecuaciones que permiten calcular a partir de todo ello las concentraciones de enlaces. Se han depositado una amplia colección de óxidos de silicio mediante APCVD, LPCVD y PECVD para disponer de óxidos con características muy diversas. Se ha realizado un análisis mediante espectroscopía infrarroja (FTIR), espectroscopía de fotoelectrones (XPS) y elipsometría con todos ellos y, mediante la aplicación de los estudios precedentes, se ha determinado su composición.El modelo termodinámico de la estructura de enlaces que se ha desarrollado permite explicar la evolución de los óxidos al someterlos a un recocido a alta temperatura. El modelo predice las probabilidades de enlace del hidrógeno y del oxígeno con el silicio. Se han calculado las probabilidades de enlace del silicio, el oxígeno y el hidrógeno en nuestros óxidos. En los materiales SiOxHz con valores de z mayores que 0.2, prácticamente todo el hidrógeno se enlaza con silicio. Para valores menores que 0.2, la tendencia a enlazarse con el silicio crece rápidamente con z. El oxígeno se enlaza preferentemente con el silicio en todo el rango de concentraciones de hidrógeno presentes en nuestros óxidos. Se ha calculado la energía de la reacción de intercambio de hidrógeno entre el silicio y el oxígeno para todos los óxidos y se ha establecido su evolución con la razón estequiométrica x. Los óxidos con mayor contenido de oxígeno tienen una mayor tendencia a enlazar el hidrógeno con el silicio. La proximidad del valor de la energía a la línea que describe el comportamiento de los óxidos recocidos es un buen criterio para averiguar la estabilidad térmica de un óxido cualquiera. Los óxidos plasma PECVD no recocidos y los depositados a baja temperatura LTO muestran una estructura de enlaces cercana al modelo de enlace aleatorio y se encuentran lejos del equilibrio termodinámico debido a la falta de movilidad de las especies reaccionantes en el momento del depósito. Ello hace suponer que serán más inestables frente a posteriores tratamientos térmicos.La tendencia a la separación de fases con el recocido a alta temperatura, descrita por numerosos autores, en óxidos de silicio poco estequiométricos, es interpretada en base a un modelo termodinámico de intercambio de oxígeno entre los diversos tipos de tetraedros centrados en silicio que componen el óxido.Se han calculado las probabilidades de los diversos tipos de tetraedros ajustando medidas de la banda Si2p de XPS. Los óxidos con mayor contenido de oxígeno tienden a distribuir de forma aleatoria los oxígenos entre todos los tipos de tetraedros. A medida que disminuye el contenido de oxígeno, los tetraedros con mayor número de oxígenos tienen menor tendencia a ganar más átomos de oxígeno, lo cual implica una mayor tendencia a homogeneizar el material.Se ha determinado el valor de la energía de intercambio de oxígenos entre tetraedros. Su valor indica que todos los óxidos tienen una cierta tendencia a ser homogéneos. Sin embargo, al aumentar la temperatura, esta tendencia se debilita. Ello se manifiesta como un aumento de las probabilidades de los tetraedros con número mayor y menor de oxígenos en detrimento de los de número de oxígenos intermedio. Este comportamiento ha sido descrito por numerosos autores como una separación de fases. / The work is focused on the compositional and structural study of atmospheric pressure (APCVD), plasma enhanced (PECVD) and low pressure chemical vapour deposition (LPCVD) silicon oxides by using Ellipsometry, Infrared Spectroscopy (IR) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Evolution of spectra parameters when the film thickness, the band intensities and experimental measurement conditions vary is stated. Beer-Lambert and Brodsky-Cardona procedures are analysed and a fitting procedure is implemented in a computer analysis tool to obtain the dielectric function using a transmittance or reflectance measurement.The bond probabilities in hydrogenated silicon oxides are explained in terms of the exchange of hydrogen bonds between the silicon and oxygen atoms. In highly hydrogenated oxides, almost all the hydrogen bond to silicon atoms. When hydrogen content is low, this trend grows very quickly with hydrogen content. Oxygen atoms bond preferently to silicon however much hydrogen be present in the oxide. Nearness to the line relating hydrogen exchange reaction energy to oxygen content in annealed oxides is proposed as an excellent criteria to evaluate the thermal stability of any oxide. As deposited PECVD and LPCVD silicon oxides show bond structures near the random bonding model and are placed far from the thermodynamic equilibrium. Distribution of oxygen atoms is analysed with a thermodynamic model taking into account the exchange of oxygen atoms between the diferent types of tetrahedra. The tetrahedra probabilities are calculated from XPS measurements by using a fitting procedure. Oxides with greater oxygen content tend to a more random distribution of the oxygen between the 5 kinds of tetrahedra, leading to a less homogeneous material. The value of the reaction energy corresponding to oxygen exchange between tetrahedra is stated as a function of the oxygen content. The general trend is to homogenity, but when the annealing temperature increases, this trend is weaker. This situation has been described by many authors as a phase separation.

The goal of this dissertation is the study and characterisation of high dose Carbon (C) implantation processes into Silicon (Si) and related materials for the synthesis of Silicon Carbide (SiC). The attainment of well-characterised multilayer structures useful to fabricate sensor and electronic devices based on them constitutes the main objective of this work.SiC constitutes a very promising semiconductor, thermally and chemically stable with excellent physical properties, which has started to be successfully applied in some of the most outstanding fields in electronics. Electronic devices of SiC can operate at high temperatures, in chemically aggressive conditions and even under extreme radiation, dissipating heat excesses, and as a result, proportioning enormous benefits over electronic devices based on the other available semiconductors. Among the amount of applications, the optoelectronic, high temperature electronic, hard radiation electronic, high power and high frequency devices are worth remarking. Operable devices such as three colour LEDs, power MOSFETs, bipolar transistors, photodiodes or rectifiers have successfully been fabricated. Additionally, the high mechanical and chemical stability, and the high stiffness of SiC in relation to Si, are also interesting properties to develop complete Micro-Electro-Mechanical systems (MEMS), where sensing devices, signal processing and even actuators are integrated in the same substrate.The synthesis of good quality and cheaper SiC structures is required to develop its technology. This implies the growth of SiC on the cheap and useful Si substrate. The traditional methods for obtaining SiC have been CVD and MBE, but some drawbacks such as the degree of reproducibility and the higher temperatures used in these processes can constitute a problem. In this sense, ion implantation constitutes a suitable alternative process for the direct synthesis of SiC, totally compatible with Si technology. This technique allows a high degree of control in the synthesis, offering enormous possibilities for obtaining complex structures.By ion implantation, the properties of the synthesised material strongly depend on the implantation and annealing parameters. The perfect design of the implantation process will have repercussions on the characteristics of the resulting structure. Moreover, the amount of implanted C plays an important role in the way in which C is incorporated in the system. The incorporated C can take different places in de Si network, what will finally affect the structural characterisation of the synthesised material.A complete group of analysis techniques has been used in order to characterise adequately the materials studied along this work. Among them, it may be mentioned the Raman and FTIR spectroscopies, mainly used in structural studies and to determine phases, XPS, which has allowed the measurement of the in-depth implanted C distribution and the study of the different bond configurations in the implanted layer, and finally TEM, which is used for the direct observation of the synthesised structures. The interpretation of all these data makes it possible to deep in the knowledge of the physical mechanisms involved in these processes.As far as the contents are concerned, the thesis is structured in five chapters, each one containing its own references to other works. The introductory part, chapter 1, is divided in sections. The first one contains all the basic data related to SiC. The second section deals with the ion implantation as a method of SiC synthesis. A description of the analysis techniques used along this work is presented in the last section.Chapter 2 is devoted to the synthesis and recrystallisation of amorphous SiC. Previously, it has been studied the behaviour of the 6H-SiC commercially available in front of implantation processes, taking into account the role played by the temperature of implantation, the implanted dose and the temperature of annealing. Once performed this characterisation, the study of amorphous Si implanted with C at room temperature (RT) is carried out. The detailed disposition of existing chemical bonds as a function of the amount of introduced C has been an object of interest. Finally, the recrystallisation of this material by thermal processes and by IBIEC (a dynamic process that involves high-energy implantation) has been considered.The direct synthesis of crystalline SiC by C implantation in a Si crystalline substrate is the subject of chapter 3. The procedure is to implant at a high enough temperature, 500°C, to avoid the Si amorphisation. This part of the chapter has been divided attending to the value of the implanted dose. Firstly, samples implanted at doses below the threshold dose needed to reach a stoichiometric SiC composition at the implanted peak have been analysed. The study of these samples has allowed to characterise the main processes involved in the ion beam synthesis of crystalline SiC. Then, a multiple step implantation has been defined to obtain a continuous stoichiometric SiC layer. The analysis of the implanted samples has corroborated the formation of such a layer, with abrupt interfaces with the surface and substrate Si regions.Chapter 3 finishes with a detailed study of the etch-stop properties of the ion beam synthesised layers. The excellent etch selectivity between these layers and the Si regions has allowed the fabrication of test micromechanic structures such as membranes, bridges and other self-standing simple structures. The attainment of these kinds of structures based on the ion beam synthesised layers constitutes an important conclusion, as it demonstrates its ability for the development of micromachined devices.The study of the ion beam synthesis of SiC is extended to SiGe substrates in Chapter 4. In principle, the aim of this study is to improve the understanding of the mechanisms involved, in order to determine the influence of parameters such as the chemical composition, strain and bond length of the target material. Moreover, the possible modification of the synthesised phases by the incorporation of Ge atoms in a Si(x_y)Ge(x)C(y) ternary alloy is also investigated.This study is performed in a way similar to that previously done in Si. Firstly, the synthesis and recrystallisation of amorphous layers is investigated. After that, the analysis of high temperature processes in crystalline substrates is performed.Finally, some general conclusions are written in chapter 5.

Entre las técnicas microanalíticas, el SIMS ha experimentado un gran éxito en las dos últimas décadas. Su habilidad para proporcionar datos de composición elemental y estructura, su capacidad para detectar pequeñas concentraciones de elementos y su distribución en profundidad, etc.; ha hecho que el SIMS sea un instrumento muy útil en numerosos campos de la ciencia y la tecnología. Se ha de mencionar también que la limitación más importante que padece la técnica es su falta de carácter cuantitativo, aunque existen muchos métodos y procedimientos, ya sean teóricos, empíricos o semi-empíricos, que permiten interpretar los resultados de forma cuantitativa en muchos casos importantes. El SIMS es una técnica analítica de gran interés y en constante evolución, por esta motivación se han realizado algunas investigaciones sobre el propio progreso de la técnica, como parte del trabajo desarrollado.El trabajo está estructurado en cuatro capítulos e incluye tanto las aportaciones al desarrollo y mejora de la técnica, como los resultados de las caracterizaciones de capas finas de dos materiales de notable importancia tecnológica. Las capas finas analizadas se han fabricado en el Laboratorio de Física de Capas Finas en el marco de diferentes proyectos de investigación.El primer capítulo presenta una introducción breve a la Espectrometría de Masas de Iones Secundarios. Se explican las características básicas de la técnica, su fundamento, los modos de análisis, y la instrumentación básica, concretando al caso de la microsonda iónica A-DIDA 3000-30, instrumento con el que se han realizado las mediciones.En el segundo capítulo se describen dos aportaciones a la técnica que representan mejoras en su aplicación. La primera de ellas consiste en un método para ajustar dinámicamente el voltaje aplicado a la muestra, manteniendo la estabilidad en la sensibilidad del instrumento a lo largo de un perfil en profundidad. El método permite realizar los perfiles en profundidad manteniendo el máximo del espectro de energía en la banda de paso del instrumento con un acoplamiento de ±1 eV. En la otra aportación se describe un método para determinar el ritmo de erosión en los análisis en profundidad por erosión atómica, y que es útil tanto para la calibración de la escala de profundidad como para el análisis estructural.El ritmo de erosión se puede determinar utilizando instrumentación rutinaria, con un requisito mínimo de un haz de iones con barrido lineal. Ambos métodos son sencillos en su aplicación al mismo tiempo que resuelven problemas típicos de SIMS de una forma práctica, con requisitos instrumentales rutinarios.En el tercer capítulo se presentan los resultados de la caracterización de capas finas de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H) obtenidas por descomposición de metano en plasma de RF. Este material ha recibido una atención considerable por sus interesantes propiedades tales como la dureza, alto aislamiento eléctrico, elevada conductividad térmica y transparencia al IR. Hasta ahora se han publicado pocos análisis de capas de a-C:H con SIMS y no se ha hecho ningún intento de correlacionar los datos de SIMS con los parámetros tecnológicos de fabricación de las capas. En este trabajo se explota la información aportada por el SIMS en unas condiciones analíticas muy concretas para estudiar la variación de diferentes propiedades estructurales y de composición cuando cambian las condiciones de depósito. Se han analizado tres series de muestras depositadas en un rango amplio de potenciales de auto-polarización de substrato, sobre substratos no refrigerados, refrigerados y calentados. El análisis de las tres series de muestras ha permitido obtener información sobre la influencia que produce la tensión de auto-polarización y la temperatura sobre el crecimiento y propiedades de las capas. La razón entre las señales C2 y C3, la transición Si-C y el ritmo de erosión, varían con el potencial de substrato y presentan un punto crítico alrededor de 450 V. Se ha estudiado también la variación de estas magnitudes con la temperatura de substrato, y la homogeneidad en profundidad de las capas.El cuarto capítulo aborda la caracterización de capas' finas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) basada fundamentalmente en la detección del hidrógeno contenido en las mismas, alcanzándose un grado de cuantificación del H poco habitual en SIMS. El a-Si:H es un semiconductor con numerosas aplicaciones y ciertas ventajas frente a su homólogo cristalino, tales como su bajo coste de fabricación y la capacidad para recubrir grandes superficies. El hidrógeno confiere al material las propiedades de semiconductor pero también está relacionado con el fenómeno de la degradación que limita el campo de las aplicaciones.En este trabajo se estudia la distribución del hidrógeno en el interior de las capas y su dependencia de los parámetros tecnológicos de fabricación, así como su difusión bajo la acción de tratamientos térmicos. La detección del hidrógeno presenta una problemática típica en los análisis de SIMS por el alto valor de la señal de fondo para el H. Por este motivo se incluye un estudio, previo a la caracterización de las capas, sobre el fondo y las condiciones de análisis para el H. A continuación se estudia la distribución del hidrógeno en el interior de diferentes series de capas obtenidas variando sistemáticamente ciertos parámetros de fabricación. También se estudia un efecto de acumulación del hidrógeno en la intercara capa/substrato. Seguidamente, se realiza un estudio de la difusión del hidrógeno al realizar recocidos a diferentes temperaturas y diferentes tiempos en material no dopado con calidad de dispositivo; y finalmente, utilizando los parámetros determinados en el estudio de la difusión, se simula un espectro de efusión térmica del hidrógeno y se compara con el obtenido experimentalmente. / In this work we present two contributions to the SIMS technique (Secondary Ion Mass Spectrometry) and the characterization of a-C:H and a-Si:H thin films by SIMS.A simple method for the dynamic correction of the voltage offset during depth profiling in quadrupole instruments is described. The maximum of the energy spectrum can be situated in the passband of the instrument with a mismatching of about ± 1 eV during profiling.Depth calibration in sputter profiling can be seriously in error in the analysis of inhomogeneous samples in which the erosion rate varies. In this work, we present a method to evaluate the sputter rate as a function of depth, requiring only routine instrumentation.Hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) deposited on silicon by r.f. plasma decomposition of methane have been ana1yzed by SIMS. The dependence of the Si-C transition width on the substrate temperature and' the homogeneity of the carbon layer have been studied. The C(2)+/C(3)+ signal ratio is constant in a deep region but it increases in the direction towards the surface, this result seems indicate that some degradation of the film occurs during the growth process.The experimental conditions and background sources in the analysis of hydrogen in hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) using secondary ion mass spectrometry (SIMS) have been studied.The diffusion of hydrogen in device quality undoped a-Si:H thin films deposited by rf glow discharge onto silicon substrates has been studied by SIMS. The films were heated in flowing Ar at temperatures in the range 300-400 ºC. Depth profiles reveal diffusion of H towards the interface and substrate, and accumulation of H in the interface depending on the annealing and the substrate temperature during the growth process. The diffusion and effusion coefficients have been determined and the hydrogen effusion rate is simulated by applying the solution of the diffusion equations.

In this thesis we have presented a thorough study on the optical and sensoristic properties of SRSN Mu-disks, in an isolated configuration and when coupled to a passive Si3N4 waveguide placed underneath. The whole structure of the device have been previously simulated in order to study the behavior of the supported WGM when subject to a geometrical variation (i.e.: radius, thickness, shape of the edge of the isolated Mu-disk): the obtained results granted the realization of Mu-resonators with Q factor exceeding 104. The coupled structure have been then simulated with the main goal of maximizing the WGM intensity transmitted at the end of the WG. This task has been fulfilled through a careful optimization of the geometrical parameters (i.e.: X-Gap and Z-Gap). The subsequent step, involving the fabrication process of the sample - realized in the Centro Nacional de Microelectronica (CNM) of Bellaterra - has been carried out using standard CMOS compatible process. The deposition and the implantation of the Si3N4 has been performed by means of LPCVD technique, while for the SiO2 deposition the PECVD. Finally the optical elements has been defined by means of a two level photolithographic mask. On the produced samples we have performed a superficial analysis (SEM, AFM) with the aim of evaluate the presence of geometrical imperfections and estimation of the superficial roughness. Furthermore the EFTEM analysis revealed the absence of Si-nc inside the active layer. Using the Cut-back technique, low losses under 1 dB/cm have been found in both VIS and IR spectral range in the passive WG of different width. On the other hand, applying the SES technique on an Si-rich WG structure we have been able to extract the losses value of active material in a wide and continuous range of wavelength, defined inside the PL spectrum. As a result of a careful optimization of the active SRSN in terms of PL intensities and optical losses, we have been able to produce bright and high Q isolated Mu-disks, achieving maximum values about 1.4x104 in a wide spectral range in the VIS and emitting up to few nW on a single resonance. The reported Q values are the best ever reported in circular Si-based light emitting Mu-cavities and are just limited by the spectral resolution of our experimental setup. The coupled structures demonstrated Q values up to 1.48x103, which are susceptible to be greatly improved through optimization of the fabrication process. Through a prof of concept , we have demonstrated that these structures are very sensible to the surrounding material and are able to detect refractive index changes with sensitivities of 51.79 nm/RIU and minimum measured refractive index change of 1.15x10-3 RIU. / En esta tesis, realizada en el departament d' Electrònica de la Universitat de Barcelona se ha presentado un estudio detallado the las propiedades ópticas y sensoras de estructuras resonantes tipo micro-disco fabricados íntegramente en nitruro de silicio enriquecido con silicio (SRSN). El estudio se ha llevado a cabo bien en estructuras aisladas o en una configuración acoplada con una guía de onda passiva situada debajo de la cavidad. La totalidad de la estructura ha sido simulada con el fin de estudiar el comportamiento de los modos resonantes WGM soportados cuando se cambian las condiciones de contorno geómetricas y del material. Los resultado obtenidos han permitido la realización de estructuras resonantes con factores de calidad superiores a 104. El objetivo de las simulaciones ha sido el de maximizar la intensidad transmitida de los modos soportados (WGM) al final de la guía de onda. Este hito ha sido cumplido gracias a la optimización de los parámetros geómetricos relativos (el X-gap y el Z-gap). Una vez producidas las muestras, se procedió a la realización de un análisis de superficie (SEM, AFM) para evaluar la rugosidad efectiva de las estructuras y las eventuales imperfecciones geométricas. Como resultado de la optimización del material activo en términos de intensidad de fotoluminiscencia y pérdidas ópticas, se consiguieron realizar cavidades resonantes de alta emisión luminosa y buenos factores de calidad. En un nuevo montaje experimental de u-PL desarrollado íntegramente para el estudio de estos dispositivos, se obtuvieron valores máximos de Q = 1.4x104 en un rango espectral ancho en el visible. La potencia emitida en cada resonancia ha sido medida y cuantificada en un valor de nW. Este valor permite la utilización de detectores de silicio integrados. Con el fin de evaluar la sensitividad del dispositivo, se han llevado a cabo medidas de u-PL cambiando el entorno del microdisco y monitorizando el desplazamiento espectral que sufre una determinada resonancia. El resultado de estas medidas muestra un desplazamiento de 1.37 nm como consecuencia de un índice de refracción de An = 0.0038 RIU (refractive index unit).