Silicon photonics has gained increasing interest in recent years as it promises high performance, cost-effective integrated optical devices. The advent of Si fabrication techniques at the micro and nano-scales, in conjunction with the interesting optical properties of this material, such as its high refractive index, has enabled the development of new methods of light confinement. In particular, Si microspheres behave as excellent resonators with ultra-high quality factors, resulting in an enhancement in light harvesting. This work presents a new fabrication method of monocystalline Si spheres connected to the substrate, which is also c-Si, through a narrow neck. The fabrication process relies on the surface reorganization in solid phase that occurs when silicon is exposed to high temperatures (above 1100 C). Therefore, initial sharp structures, such as micropillars with relatively high aspect ratios, evolve into rounded shapes, ideally spheres, while keeping attached to the Si bulk through a narrow neck. In this project we fabricate micropillars of varying dimensions and reorganize them through high-temperature annealing at different conditions. As a result, it is proved that the initial aspect ratio together with both the annealing time and atmosphere are decisive in the final shape of the structures. Moreover, they exhibit a faceted surface, confirming that their monocrystalline nature is not altered during the fabrication process. In addition to that, we develop a comparison between the experimental results and the ones obtained through a theoretical model. This analysis shows a satisfactory agreement between both approaches, indicating that the evolution of a given profile can be accurately predicted and simulated. Furthermore, we also verify that the principal mechanism inducing this atomic migration is surface diffusion, in contrast with evaporation/condensation that becomes almost negligible in our experimental conditions.

El interés en la fotónica basada en silicio ha aumentado en los últimos años debido a que promete dispositivos económicos y de alto rendimiento. La aparición y avances en las técnicas de fabricación a escalas micro y nano, junto con algunas de las propiedades ópticas de este material, como por ejemplo su alto índice de refracción, han permitido el desarrollo de nuevos métodos para el confinamiento de la luz. En particular, las microesferas de Si se comportan como excelentes resonadores con factores de calidad muy altos, lo que resulta en un mayor aprovechamiento de la luz. Este trabajo presenta un nuevo método de fabricación de esferas monocristalinas de silicio conectadas al sustrato, también de c-Si, a través de un cuello estrecho. El proceso de fabricación se basa en la reorganización de la superficie en estado sólido que ocurre cuando el silicio se somete a altas temperaturas (superiores a 1100 C). De esta forma, estructuras con bordes inicialmente agudos, como micropilares con relaciones de aspecto relativamente altas, evolucionan en formas redondeadas, idealmente esferas, a la vez que se mantienen unidas al silicio mediante un cuello. En este proyecto fabricamos micropilares de dimensiones variadas y los reorganizamos mediante un tratamiento de recocido a altas temperaturas en diferentes condiciones. Demostramos que tanto la relación de aspecto inicial como el tiempo y la atmósfera del proceso de recocido son determinantes en la forma final de las estructuras. Además, éstas presentan una superficie con los planos cristalinos claramente marcados, hecho que confirma que su naturaleza monocristalina no se ve afectada durante el proceso de fabricación. Asimismo, también comparamos los resultados obtenidos experimentalmente y mediante el modelo teórico. Este análisis muestra un acuerdo satisfactorio entre ambos enfoques, hecho que indica que la evolución de un determinado perfil se puede predecir y simular correctamente. Adicionalmente, también verificamos que el mecanismo principal que provoca esta migración atómica es la difusión superficial, en contraste con la evaporación/ condensación, que es prácticamente negligible en las condiciones experimentales dadas.

L’interès en la fotònica basada en silici ha augmentat durant els últims anys donat que promet dispositius econòmics i d’alt rendiment. L’aparició i avanç en les tècniques de fabricació a escales micro i nano, junt amb algunes de les propietats òptiques d’aquest material, com per exemple el seu alt índex de refracció, han permès el desenvolupament de nous mètodes per al confinament de llum. En particular, les microesferes de Si es comporten com a excel·lents ressonadors amb factors de qualitat molt alts, fet que permet un major aprofitament de la llum. En aquest treball es presenta un nou mètode de fabricació d’esferes cristal·lines de silici connectades al substrat, també de c-Si, a través d’un coll estret. El procés de fabricació es basa en la reorganització de la superfície en estat sòlid que es produeix quan el silici es sotmet a altes temperatures (superiors a 1100 C). D’aquesta forma, estructures amb vores afilades, com micropilars amb relacions d’aspecte relativament altes, evolucionen en formes arrodonides, idealment esferes, a la vegada que es mantenen unides al silici a través d’un coll. En aquest projecte fabriquem micropilars de diverses dimensions i els reorganitzem mitjançant un tractament de recuita a altes temperatures en diferents condicions. Demostrem que tant la relació d’aspecte com el temps i l’atmosfera del procès de recuita són determinants per a la forma final de les estructures. A més, aquestes presenten una superfície amb els plans cristal·lins clarament marcats, fet que confirma que la seva naturalesa monocristal·lina no es veu afectada durant el procés de fabricació. Així mateix, també comparem els resultats obtinguts experimentalment i mitjançant el model teòric. Aquest anàlisi mostra un acord satisfactori entre ambdós enfocaments, fet que indica que l’evolució d’un determinat perfil es pot predir i simular correctament. Addicionalment, també verifiquem que el mecanisme principal que provoca aquesta migració atòmica és la difusió superficial, en contrast amb l’evaporació/condensació, que és pràcticament negligible en les condicions experimentals donades.