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Thèse - Vers les sources optiques compatibles CMOS : corrélation entre élaboration et propriétés des nanocristaux de Si par LPCVD

nanocristaux de Si par LPCVD
Koukos, Konstantinos

Sous la direction du :  
Arguel, Philippe . Gauthier-Lafaye, OlivierEcole doctorale: Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres : LPCVD - SiOx - Nanocristaux de Si - Recuit rapide - RTA - Photoluminescence - Diode electrolminescente
Sujets : Electricite, électronique, automatique

Résumé

Les systèmes sur puce comportant des fonctions optiques ont un vif intérêt pour les futures générations de systèmes embarqués, les telecommunications, l'instrumentation. La faisabilité d'une source silicium compatible avec la technologie CMOS reste à ce jour un verrou majeur pour ouvrir la voie à des systèmes optoélectroniques intégrés. L'utilisation des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 est actuellement une voie prometteuse visant à lever ce verrou. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de sources émettant dans le visible/proche infrarouge à base de nanocristaux de silicium, en explorant les potentialités de dépôts LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). En partant de l'étude des propriétés des nanocristaux, une approche bottom-up a été choisie pour la réalisation des composants de test. Un procédé d'élaboration du matériau actif, compatible avec la technologie CMOS, a été mis au point et nous a permis d'obtenir de façon reproductible des nanocristaux avec les propriétés souhaitées. Les mécanismes d'émission lumineuse ont été étudiés et corrélés avec les propriétés structurales et électriques. Une émission lumineuse intense a été obtenue sous excitation optique. L'obtention d'électroluminescence nécessite quant à elle une optimisation spécifique tant au niveau matériau qu'au niveau procédé technologique. A cette fin, plusieurs voies ont été explorées nous conduisant à établir le compromis entre propriétés optiques et électriques. Au terme de cette étude, nous avons évalué les avantages et inconvénients de cette technique d'élaboration et proposons des solutions pour parvenir à fabriquer un dispositif électroluminescent fonctionnel.
Table des Matières

1. CONTEXTE ET MOTIVATION
1.1. CONTEXTE
1.2.1. Propriétés uniques des nanostructures de Si
1.2.2. Applications des nanostructures de Si  

1.3. LA PHOTONIQUE SUR SI 

1.3.1. Motivation
1.3.2. Les diodes électroluminescentes en Si
1.3.3. Le matériau actif
1.4. NOTRE APPROCHE
1.4.1. Objectif et structure de la thèse
RÉFÉRENCES 

2. MOYENS EXPERIMENTAUX : ELABORATION ET CARACTERISATION  

2.1. ELABORATION
2.1.1. Dépôt en phase vapeur
2.1.2. Recuits
2.1.2.1. Recuit rapide
2.1.2.2. Recuit lent
2.1.2.3. Recuit de passivation
2.1.3. Préparation de la surface avant dépôt
2.2. CARACTERISATIONS
2.2.1. Caractérisation structurale
2.2.1.1. Spectroscopie d’électrons X (XPS)
2.2.1.2. Spectroscopie Raman
2.2.1.3. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
2.2.1.4. Microscopie Electronique à Transmission
2.2.1.5. Microscopie à Force Atomique
2.2.2. Caractérisation optique
2.2.2.1. Spectroscopie de Photoluminescence
2.2.2.2. Ellipsométrie
2.2.3. Caractérisation électrique
2.2.3.1. C-V
2.2.3.2. I-V
2.3. STRUCTURES ELABOREES
2.3.1. Structures pour les tests électriques
2.4. CONCLUSIONS DU CHAPITRE
RÉFÉRENCES 

3. TRAITEMENT THERMIQUE : EFFET SUR LA STRUCTURE ET L’EMISSION 

3.1. PROPRIETES DE LA COUCHE DE SIOX APRES DEPOT 3.2. LA SEPARATION DE PHASES  3.3. CROISSANCE DES NANOCRISTAUX ET INTERFACES 3.4. LA DISTRIBUTION DE TAILLES 3.5. DISCUSSION SUR LE CHOIX DU TRAITEMENT THERMIQUE 

3.5.1. Intérêt du recuit en deux étapes
3.5.2. Le recuit optimal
3.5.3. Recuits à budget thermique équivalent
3.6. LES PARAMETRES TECHNOLOGIQUES IMPORTANTS
3.6.1. La composition
3.6.2. Le recuit rapide
3.6.3. Le recuit lent
3.6.4. Le recuit de passivation 

3.7. RUGOSITE DE SURFACE  

3.8. CONCLUSIONS DU CHAPITRE
REFERENCES  

4. PROPRIETES OPTIQUES ET MECANISMES D’EMISSION 

4.1. RAPPELS THEORIQUES
4.1.1. Confinement quantique
4.1.2. Défauts du SiO2
4.1.3. Etats d’interface
4.1.4. Autres théories
4.1.5. Effets collectifs
4.2. DEPENDANCE DE LA TAILLE
4.3. ABSORPTION
4.4. DECALAGE DE STOKES
4.4.1. Relaxation dans un état excité délocalisé
4.4.2. Excitons auto-piégés
4.4.3. Etats localisés sur les liaisons Si=O 

4.5. FORME DU SPECTRE DE PHOTOLUMINESCENCE 

4.5.1. Modèle simple de confinement quantique
4.5.2. Modèle de confinement quantique avec états de surface
4.5.3. Interaction entre nanocristaux
4.5.4. Energie d’excitation
4.5.5. Puissance d’excitation
4.6 DEPENDANCE AVEC LA TEMPERATURE
4.6.1. Evolution avec la puissance
4.6.2. Evolution avec le traitement thermique
4.7. DUREE DE VIE
4.7.1. Dépendance spectrale
4.7.2. Dépendance avec la température
4.7.3. Dépendance avec les recuits
4.8. RENDEMENT
4.9. CONCLUSIONS DU CHAPITRE
REFERENCES  

5. PROPRIETES ELECTRIQUES  

5.1. DISPOSITIFS DE TEST
5.2. RETENTION DE CHARGES ET MESURES C-V
5.3. TRANSPORT ELECTRIQUE
5.3.1. Conduction limitée par l’interface
5.3.2. Conduction limitée par le volume
5.4. ELECTROLUMINESCENCE
5.4.1. Electrodes
5.5. CONCLUSIONS DU CHAPITRE   

6. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES  



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Ditulis oleh: younes younes - jeudi 8 novembre 2012

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