Propagation de la lumière dans le silicium poreux: application à la photonique

This work deals with the optical characterisation of porous silicon and its application in order to obtain refractive index modulation (superlattices). In the first part, we demonstrate the homogeneity of this material on the scale of the wavelength of light studying scattering. This observation justifies the use of a mean refractive index to describe the material. Although the thickness remains well defined, velocity fluctuations appear during the electrochemical process of formation which give rise to an interface roughness. Owing this effect we had to develop a method to analyse optical measurements taking into account the scattering at the interface. Optical constants were determined using two techniques firstly by measuring the transmission of the thin layers at low temperature by photoconduction in the substrate and secondly by measuring and fitting the reflectance spectra. Although the dispersion remains low, the absorption coefficient varies exponentially over a large energy range. In the second part, from the previous characterisation it is demonstrated that weakly doped porous silicon could be used to obtain periodic structures such as Bragg reflectors, Fabry- Perot filters and luminescent microcavities. The characterisation of the structures was complicated by differences between the formation of a single layer and buried one. The structures display a high optical quality. Owing to the high quantum efficiency of the low doped p-type porous silicon, we obtain very efficient luminescent microcavities. The last part, a new type of in-depth grating is developed using a combination of holography and photochemistry. It has enabled us to obtain lateral periodic structures few microns thick and with submicron lateral periodicity. The localised photodissolution has been demonstrated during or after the formation of the porous silicon layer and for all the types of porous silicon, including the macroporous one.Ce travail porte sur la caractérisation optique du silicium poreux et son application à la réalisation de structures à modulation d'indice (superréseaux). Une première étude de la diffusion optique a montré l'homogénéité de ce matériau à l'échelle de la lumière, justifiant une description par un indice de réfraction moyen. Si la formation électrochimique du silicium poreux permet l'obtention de couches minces d'épaisseurs parfaitement définies, en revanche des fluctuations du front de dissolution entraînent une diffusion à l'interface silicium poreux/ silicium cristallin. Cet effet a nécessité de développer une analyse des mesures optiques dans le cas d'interfaces rugueuses. La détermination des constantes optiques a été réalisée par une mesure à basse température de la transmission par photoconduction dans le silicium cristallin et par ajustement des spectres de réflectivité des couches minces. D'une manière générale, alors que la dispersion de l'indice est assez faible, l'absorption du silicium poreux se caractérise par une dépendance exponentielle sur une grande plage en énergie. Cette étude a permis la réalisation de structures à modulation d'indice telles que des réflecteurs de Bragg, des filtres Fabry-Perot ou des microcavités luminescentes. La mise en évidence de différences entre la formation des couches simples et enterrées a compliqué la caractérisation de ces structures. La très bonne qualité optique et le fort rendement quantique intrinsèque au silicium poreux de type p ont permis d'obtenir des microcavités luminescentes très efficaces. Enfin, en combinant l'holographie et la photochimie, un nouveau type de gravure en profondeur a été développé permettant d'obtenir des structures à modulation d'indice latérale de périodicité submicronique. La photodissolution localisée du matériau a été mise en évidence après et pendant la formation de la couche poreuse et ce pour tout type de silicium poreux y compris le macroporeux