Croissance et proprietes d'emission dans le visible de nanograins de silicium dans une matrice de silice : analyse par ellipsometrie spectroscopique

• Auteur / Autrice : STEPHANE CHARNET
• Direction : Richard Rizk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Caen

Résumé

Ce travail porte sur la croissance par pulverisation radiofrequence magnetron et l'etude des proprietes de photoluminescence visible de couches minces de silice (sio 2) renfermant des nanograins de silicium (si). Un traitement thermique a temperature elevee (<900\c) sous atmosphere non oxydante s'est avere necessaire pour l'obtention d'une photoluminescence intense a temperature ambiante dont l'efficacite a ete correlee, d'apres les mesures d'absorption infrarouge, au degre de separation de phases entre si et sio 2 et a la diminution du desordre structural. Les techniques de spectroscopie de diffusion raman et de microscopie electronique en transmission ont revele la formation de nanocristaux de si de taille moyenne voisine de 5 nm dans les seuls echantillons riches en si. Il est montre que le taux d'incorporation du si est fonction non seulement du taux surfacique de pulverisation si/sio 2, mais aussi de la temperature du substrat : un maximum de si a ete introduit lors du depot a 400-500\c, ou un maximum d'intensite de photoluminescence a ete detecte. L'energie de la photoluminescence varie de 1,65 a 1,35 ev lorsque l'exces de si dans la silice est augmente, c'est-a-dire lorsque la taille moyenne des inclusions de si est accrue. Ces resultats plaident pour une origine de l'emission dans le visible provenant du confinement quantique des porteurs au sein des nanograins cristallises ou non. L'evolution des spectres infrarouge et les etudes comparatives realisees avec des echantillons obtenus par implantation de si dans de la silice thermique ou de silicium poreux, montre qu'une interface abrupte entre nanostructures de si et milieu environnant ameliore l'efficacite de la photoluminescence via la minimisation de la densite de defauts (liaisons pendantes). Une analyse quantitative par modelisation de spectres d'ellipsometrie a ete realisee pour la premiere fois en vue de determiner l'exces de si dans la silice et la fonction dielectrique des inclusions formees. Cette approche, dont le protocole est presente dans le detail, s'est revelee relativement precise, et presente l'avantage de s'appuyer sur une technique non destructive. La diminution de l'energie de photoluminescence est mise en evidence lorsque la quantite de si en exces est augmentee, quelles que soient les conditions de depot, confirmant le role du confinement quantique dans le mecanisme d'emission lumineuse.