Ingénierie des centres colorés dans SiC pour la photonique et la solotronique

Engineering of color centers in SiC for photonics and solotronics

• Auteur / Autrice : Abdul Salam Al Atem
• Direction : Jean-Marie Bluet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Spectroscopie optique et Nanomatériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Bruno Masenelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Bluet, Bruno Masenelli, Marie-France Barthe, Sandrine Juillaguet, Anaïs Dreau, Julien Houel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-France Barthe, Sandrine Juillaguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Mots clés libres

Electronique

Semiconducteur

Bits quantiques d'information - Qubits

Carbure de Silisium - SiC

Photoluminescence

Résonance paramagnétique électronique - RPE

Défauts ponctuels

Dafauts paramagnétiques

Implantation ionique

Irradiation

Gravue plasma

Nano-Piliers

Electronics

Semicondutor

Quantum Information Bits - Qubits

Siicon carbide - SiC

Photoluminescence

Electron paramagnetic resonance (EPR)

Point defects

Paramagnetiocs defects

Implant

Irradiation

Nano-Pillars

Résumé

Les défauts ponctuels dans les semi-conducteurs sont étudiés pour la réalisation de bits quantiques d’information (Qubit). A ce jour, le système le plus développé est le centre NV dans le diamant. Récemment, les défauts ponctuels du carbure de silicium (SiC) ont été identifiés comme prometteurs pour la réalisation de Qubit en raison de leur long temps de cohérence de spin et du fonctionnement à température ambiante. Dans ce contexte, nous étudions la formation, la caractérisation optique et magnétique des défauts ponctuels dans SiC, ainsi que l’amélioration de la collection de leur luminescence. Nous commençons par une description des différents critères qui font du SiC un matériau clé pour les applications Qubit. Ensuite, nous présentons une étude bibliographique sur les principaux défauts ponctuels dans SiC en nous focalisant sur les centres : VSi, VSiVC, NV. Nous portons par la suite notre étude sur les conditions optimales d’irradiation ioniques/électroniques et de recuit post-irradiation pour la formation de défauts ponctuels luminescents dans le polytype cubique de SiC. Nous avons identifié les différents types de défauts dans le visible. Dans l’infra-rouge, nous n’avons détecté que le centre VSiVC en trouvant les conditions optimales de sa luminescence dans le cas d’implantation par les protons (dose 1016 cm-2 et le recuit à 750 °C). Puis, nous avons comparé les résultats obtenus par des irradiations aux électrons à ceux obtenus avec les protons en précisant les différents types de défauts ponctuels détectés par deux méthodes: la photoluminescence et la résonance paramagnétique électronique. Enfin, nous avons développé un processus technologique qui consiste en la fabrication de nano-piliers en SiC-4H. Nous avons montré les avantages de leur réalisation sur l’efficacité de la collection de PL des défauts ponctuels comme VSi et VSiVC. Une amélioration d’un facteur 25 pour le centre VSi et d’un facteur 50 pour le centre VSiVC a été obtenue.

Point defects in semiconductor materials are studied for the realization of quantum information bits (Qubit). Nowadays, the most developed system is based on the NV center in diamond. Recently, point defects in silicon carbide (SiC) have been identified as promising for the realization of Qubit due to the combination of their long spin coherence time and room temperature operation. In this context, this thesis studies the formation, optical and magnetic characterization of point defects in SiC, as well as the improvement of their luminescence collection. We begin with a general introduction to SiC in which we describe the different criteria that make SiC a key material for Qubit applications. Next, we present a bibliographical study on the main point defects in SiC, focusing on the centers: VSi, VSiVC, NV. We have studied the optimal conditions of ionic/electronic irradiation and post-irradiation annealing for the formation of luminescent point defects in the cubic polytype of SiC. We have identified the different types of visible range defects. In the infra-red range, we detected only the Ky5 center (VSiVC) by finding the optimal luminescence conditions of this center in the case of implantation by protons (dose 1016 cm-2 and annealing at 750 °C). Then, we compared the results obtained by electron irradiations with those obtained with protons specifying the different types of point defects detected by two methods: photoluminescence and electronic paramagnetic resonance. Finally, we have developed a technological process that consists of nano-pillars fabrication in SiC-4H. We have shown the advantages of realizing these pillars on the efficiency of the PL collection of point defects like VSi and VSiVC : an improvement of a factor of 25 for the VSi center and a factor of 50 for the VSiVC center was obtained.