Etudes des propriétés opto-électroniques de structures et de composants à base de nanostructures de Si

Président de jury :G.GUILLOT Professeur (INSA de Lyon)Composition du jury : J. EYMERY Docteur Habilité (CEA – DRFMC)M. VERGNAT Professeur (Université Nancy 1)B. GARRIDO Professeur (Université de Barcelone)P. MUR Ingénieur (CEA – LETI)Silicon is the base semiconductor for microelectronics in particular because of the high integration levels and low productions costs that can be achieved. However, at the present time, the size reduction of components is confronted to serious problems since according to predictions, in the next 10 years the transmission lengths will exceed the 90km in one single chip and the transmission of information will represent a serious handicap because of signal propagation delays and overheating. In this framework, a 100% silicon based microphotonics seems to be a a very interessting option since to date most of the photonics devices neccesary to develop this technology like optical waveguides, fast switches and optical modulators or even tunable optical filters has been demonstrated. However, a major element for the development of this sector which is obtaining a silicon based effective light source is a serious challenge to overcome. This work concerns the study of the optoelectronic properties of silicon nanocrystals (nc-Si) fabricated by ion implantation at University of Barcelona or by LPCVD at CEA-LETI in Grenoble for obtaining reliable light emitting devices (DEL). Thus, the luminescence of nc-Si will be discussed within the framework of the various postulated models. Besides, we will discuss the several approches used to obtain DELs and we will present a light emitting device operating in a “cold” carrier injection regime with low polarisation voltage which avoids the electroluminescent properties's degradation. Finally, the development of the photocurrent technique that has permitted to determine in a relatively simple way the absorption spectrum of nc-Si will be presented.Actuellement le silicium est le semiconducteur de base de la microélectronique grâce notamment à la grande échelle d'intégration et les faibles coûts de production. Cependant, à l'heure actuelle, la miniaturisation de composants microélectroniques est confrontée à des forts problèmes puisque selon les prédictions, dans une dizaine d'années les longueurs de transmission dépasseront les 90 km dans une seule puce et la transmission d'information représentera un gros handicap à cause des problèmes de retardement de propagation des signaux et de dissipation de chaleur. Dans ce contexte, une microphotonique basée 100% en silicium (Si) semble être une option particulièrement intéressante puisque à ce jour la plupart de dispositifs nécessaires pour développer cette technologie tels que des guides d'onde, des modulateurs et commutateurs optiques rapides ou encore des filtres optiques accordables ont été déjà démontrés. Pourtant, un élément majeur pour le développement de cette filière qui est l'obtention d'une source efficace de lumière à base de Si reste à nos jours un obstacle important à franchir. Ce travail porte sur l'étude des propriétés électro-optiques des nanocristaux de silicium (nc-Si) fabriqués par implantation ionique à l'Université de Barcelone et par LPCVD au CEA-LETI à Grenoble en vue de l'obtention de dispositifs électroluminescents (DEL) efficaces. Ainsi, la luminescence des nc-Si sera discutée dans le cadre des différents modèles théoriques postulés. Par ailleurs, nous montrerons les différentes approches utilisées pour l'obtention de DELs et nous présenterons un dispositif opérant à une faible tension de polarisation et dans un régime d'injection de porteurs « froids » qui évite la dégradation de leurs propriétés électroluminescentes. Enfin, la mise au point de la technique de photocourant qui a permit de déterminer d'une façon relativement simple le spectre d'absorption des nc-Si sera présentée