Étude de la photoluminescence de films d'AlN dopé erbium (AlN-Er) déposés par PVD magnétron RF

Study of photoluminescence of erbium-doped AlN layers (AlN-Er) prepared by PVD magnetron RF

• Auteur / Autrice : Jérémy Legrand
• Direction : Philippe Pigeat, Hervé Rinnert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Abdallah Ougazzaden
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tiberiu Minea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Le Brizoual, Michaël Molinari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure d'aluminium

Pulvérisation cathodique

Terres rares

Luminescence

Propriétés optiques

Couches minces

Mots clés libres

Pulvérisation

AlN

Morphologie

Terre rare

Photoluminescence

Sputtering

AlN

Morphology

Rare-earth

Photoluminescence

Résumé

Ces dernières décennies, les couches minces de semiconducteurs nitrures III-V dopés avec des terres rares ont fait l'objet d'un intérêt grandissant et ont donné lieu à de nombreuses études. En raison de leur bande interdite directe, les nitrures III-V constituent des matrices hôtes adéquates permettant la luminescence des terres rares (TR). Ainsi, en combinant les propriétés des III-V et des TR, il est possible d'envisager des applications prometteuses dans le domaine optoélectronique. Dans cette étude, l'erbium (Er) a été choisi en raison de son émission de photons à la fois dans le visible et dans l'infrarouge. Dans ce travail, les films minces d'AlN dopé à l'Er ont été élaborés avec un réacteur expérimental de pulvérisation cathodique réactive magnétron radiofréquence. Pendant le dépôt, une polarisation négative appliquée sur le substrat a permis d'obtenir des films présentant différents types de morphologies cristallines, qui ont été étudiés par diverses techniques de caractérisation telles que l'AFM, les DRX, l'ellipsométrie, le MEB, le MET. Les propriétés de luminescence des films ont été examinées expérimentalement et à l'aide d'un modèle de simulation optique par spectroscopie de photoluminescence (excitation lumineuse). Des mesures expérimentales par spectroscopie de cathodoluminescence (excitation électronique) ont également été réalisées. Le but de cette thèse était d'optimiser le procédé d'élaboration et le matériau et de mieux comprendre l'influence de la morphologie cristalline de la matrice AlN sur l'efficacité de luminescence de l'erbium. L'AlN-Er représente un système modèle et les résultats obtenus pourront être étendus aux autres TR

During the last decades, rare-earth-doped III-V thin films have been the subject of growing interest and the topic of many studies. Because III-V nitrides possess a direct gap, they are suitable host matrices to allow rare-earth (RE) luminescence. Thereby, by combining the III-V and the RE characteristics, it becomes possible to consider promising applications in the optoelectronic field. In this study, erbium (Er) was chosen because of its emission both in the visible and in the infrared range. In this work, Er-doped AlN thin films were prepared in an experimental PVD sputtering magnetron radiofrequency reactor. During the deposition, an applied negative bias on the substrate allowed to obtain different kinds of crystalline morphology of the deposited layers, which were studied by several characterization techniques such as AFM, DRX, ellipsometry, MEB, MET. Luminescence properties of the films were investigated both experimentally and with an optical model by photoluminescence (light excitation) spectroscopy. Experimental measurements by cathodoluminescence (electronic excitation) spectroscopy were also performed. This thesis aimed to optimize the elaboration process and the material and to get a better understanding of the influence of AlN host matrix crystalline morphology on the erbium luminescence efficiency. The AlN:Er system stood as a model system and the obtained results could be extended to the other RE