Structure et propriétés optiques d’oxydes de germanium contenant des nanostructures de germanium et influence de leur dopage à l’erbium

Structure and optical properties of germanium oxide films containing germanium nanostructures and influence of erbium doping

• Auteur / Autrice : Mahdi Ardyanian
• Direction : Michel Vergnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie de la matière et des matériaux
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Couches minces semiconductrices

Évaporation

Germanium -- Composés

Résumé

Ce travail porte sur la caractérisation structurale et optique de couches minces d’oxyde de germanium GeOx, de multicouches GeOx/SiO2 et de l’influence du dopage à l’erbium dans des couches minces GeOx:Er. Les films ont été préparés par évaporation d’une poudre de GeO2 et dépôt sur des substrats maintenus à 100°C. Les films sont sous-stœchiométriques avec une composition égale à GeO1,5. Sous l’effet de recuits thermiques, il se produit une démixtion des films selon la réaction GeOx => GeO2 + Ge, ce qui a pour effet de générer des agrégats amorphes de germanium dans une matrice de GeO2. Les films de GeOx et les multicouches montrent, pour les températures de recuit inférieures à 400°C, une bande de photoluminescence large à 800 nm attribuée aux défauts de GeOx. Cette bande disparaît après un recuit à 400°C et une nouvelle bande attribuée aux agrégats amorphes de germanium confinés dans la matrice d’oxyde de germanium apparaît à plus basse énergie. Le dopage des films d’alliages GeOx par de l’erbium permet d’observer un signal de photoluminescence à 1,54 μm caractéristique de la transition 4I13/2 => 4I15/2 dans les ions Er3+. Il est possible de corréler l’intensité de cette bande à la présence de la bande à 800 nm dans les films dopés, ce qui suggère qu’il existe un mécanisme de transfert d’énergie entre la bande de défauts et le niveau 4I9/2 des ions erbium. Les expériences de passivation à l’hydrogène confirment cette hypothèse puisque les films passivés non dopés, qui ne présentent pas de bande à 800 nm, ne montrent pas non plus de bande à 1,54 μm lorsqu’ils sont dopés.

This thesis is reporting on the structural and optical characterization of GeOx germanium oxide thin films, of GeOx/SiO2 multilayers, and of the influence of erbium doping in the GeOx:Er thin films. The samples were prepared by evaporation of GeO2 powder and deposition on substrates maintained at 100°C. The films are substoichiometric with the GeO1,5 composition. With annealing treatments, a demixtion phenomenon occurs in the films, according to the reaction GeOx => GeO2 + Ge, which corresponds to the appearance of amorphous germanium aggregates in a GeO2 matrix. For annealing temperatures less than 400°C, the GeOx thin films and the multilayers show a broad band at 800 nm attributed to defects in the GeOx film. This band disappears after a thermal treatment at 400°C and a new band appears at lower energy. This band is attributed to amorphous germanium aggregates confined in the germanium dioxide matrix. The doping of the GeOx films with erbium allows us to observe a photoluminescence signal at 1. 54 μm characteristic of the 4I13/2 => 4I15/2 transition in the Er3+ ions. It is possible to correlate the intensity of this band to the presence of the band at 800 nm in the doped films, which suggests that an energy transfer mechanism between the band of defects and the level 4I9/2 of the erbium ions. The experiments of passivation with hydrogen confirm this assumption since the passivated undoped films, which do not present any band at 800 nm, do not show either any band at 1. 54 μm when they are doped.