Elaboration et étude de multicouches Si-SiO2 pour des applications en optoélectronique, caractérisation et modélisation

Fabrication and properties of Si-SiO2 multilayers for applications in optoelectronics, characterization and modelling

• Auteur / Autrice : Sébastien Chausserie
• Direction : Christian Dufour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Matière -- Propriétés

Silice

Photoluminescence

Silicium

Couches minces

Matériaux nanostructurés

Physique de l'état solide

Résumé

Ce travail de thèse s’inscrit dans une dynamique de recherche sur les propriétés de luminescence du silicium. Des films minces de silice enrichie en silicium ont été obtenus à l’aide de la pulvérisation magnétron réactive. A partir d’une seule cible de silice et en ajustant les paramètres tels que la température et la pression partielle d’hydrogène, il est possible de déposer de la silice enrichie en silicium. Les études, en fonction de la température et de la pression d’hydrogène, ont permis de caractériser l’interface silicium-silice et ont montré une incorporation croissante de silicium lorsque ces paramètres augmentent. En choisissant une température de 700°C et une pression de 3,5 Pa d’hydrogène, nous avons élaboré des multicouches Si-SiO2, alternance de couches enrichies en silicium et de couches de silice. En faisant varier l’épaisseur de la couche de silicium nous avons étudié les propriétés de photoluminescence de ces multicouches en fonction du flux laser et de la température. Ces études, associées à des travaux sur la microstructure, ont permis de comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l’émission de lumière et également l’influence de la taille des grains dans la couche de silicium. Enfin, pour faire le lien avec les propriétés structurales des multicouches nous avons conduit une simulation théorique par dynamique moléculaire de l’interface silice-silicium, à l’aide d’un potentiel empirique. Après avoir déterminé une interface stable d’un point de vue énergétique, nous avons entrepris de calculer les propriétés vibrationnelles du matériau et fait le lien avec les études structurales des films minces

This work is part of a research on the silicon properties. Thin silicon rich solid films have been fabricated thanks to the magnetron sputtering apparatus. Owing to the ability of the hydrogen to reduce the sputtered oxygen atoms, we were able to fabricate silica silicon rich films. We have studied the influence of temperature and hydrogen partial pressure on the incorporation of silicon. The Si-SiO2 interface microstructure has then been characterized. With a substrate temperature of 700°C and a hydrogen partial pressure of 3. 5 Pa we have grown multilayers, which are made of an alternating stack of silicon rich layers and silica layers. We have varied the thickness of the silicon rich layers and studied their photoluminescence properties as a function of flux and temperature. These works have allowed to understand the mechanisms that occur at the emission of light and the influence of the thickness of the silicon rich layers. In addition, in order to make the link with the structural properties of the multilayers, we have performed a theoretical investigation of the silicon-silica interface structure using an empirical potential and molecular dynamics. We have determined a stable interface and have calculated the vibrational properties of the structure. These results have been linked to those of the structural properties of the thin solid films