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Nanocristaux semi-conducteurs confinés

Cet axe de recherche, démarré dans le groupe il y a dix ans environ, vise à étudier les effets de confinement quantique dans des nanostructures confinées de Si ou de Ge. La réduction de la dimension des cristaux permet de relaxer les règles de sélection sur le vecteur d’onde. Le confinement quantique des porteurs de charge augmente ainsi la probabilité des transitions radiatives et augmente l’énergie d’émission. Les nanocristaux de Si (ncSi) ont été très étudiés dans la communauté scientifique depuis près de 15 ans et font toujours l’objet de recherche en raison de leur potentiel pour les sources optiques. Dans la période 2007-2010, l’équipe a contribué à l’étude des propriétés de confinement des ncSi dans des systèmes multicouches, qui permettent d’atteindre l’état de l’art en termes d’élaboration de ncSi. La maîtrise de ce système modèle, qui fait l’originalité du travail de l’équipe dans ce domaine, a permis d’étudier les propriétés de confinement électronique, mais également vibrationnel.

Confinement des ncSi: comportement à basse température

Pour contrôler la taille des ncSi, nous avons inséré des couches de SiO entre des couches barrières de SiO2 en préparant des multicouches SiO/SiO2 par évaporations successives de SiO et de SiO2. L’intérêt de la couche de SiO2 est de limiter la croissance verticale lors de l’apparition des grains de silicium dans la couche de SiO. Des recuits à 1100°C ont alors permis d’observer la cristallisation des agrégats de silicium provenant de la dissociation de SiO en Si et SiO2.

<font size="1"> <i>Schéma décrivant l’obtention de ncSi de taille contrôlée.</font></i>

Les films présentent des propriétés de photoluminescence intense dans le domaine visible. Nous avons tout d’abord mis en évidence que l’émission de photons est due au confinement des porteurs dans des cristaux de taille nanométrique. Comme cela est prédit par la théorie du confinement quantique, l’énergie de PL est une fonction décroissante de la taille des ncSi. L’étude de la dépendance de la luminescence avec la température a permis d’expliquer le comportement anormal de la luminescence à basse température. L’évolution de l’intensité de photoluminescence avec la température est singulière dans la mesure où elle présente un maximum, au voisinage de 70 K. L’augmentation de l’intensité de PL quand la température diminue provient de la diminution du rôle des centres non radiatifs qui sont activés thermiquement. En revanche, la diminution de l’intensité de PL pour les plus basses températures est peu expliquée dans la littérature. Nous avons montré que cette décroissance est liée à l’augmentation du temps de vie radiatif à basse température, ce qui diminue le rendement de luminescence. Nous avons de plus mis en évidence que les mesures d’énergie de PL en fonction de la température démontrent une évolution caractéristique du Si. L’énergie suit la loi de Varshni caractéristique du Si cristallin à condition d’ajouter au modèle l’énergie liée au confinement. Comme dans le cas de l’intensité, l’énergie subit également une évolution particulière en dessous de 40 K. La dépendance de l’énergie ne suit plus la loi de Varshni, elle devient supérieure. Nous avons expliqué cette évolution par un phénomène de saturation de la luminescence à basse température qui est d’autant plus important que les ncSi sont de grandes tailles. Comme les films présentent une distribution en taille dont la largeur est une fonction croissante de la taille des ncSi, la luminescence à basse température provient majoritairement des nanocristaux de faible taille, ce qui rend compte de l’augmentation « anormale » de l’énergie de PL à basse température.

<font size="1"> <i>Influence de l’énergie de PL en fonction de la température, pour des ncSi de 5 nm et coupe transverse de la multicouche.</font></i>

Cavités optiques

Cette étude vise à contrôler l’émission spontanée de lumière issue des ncSi en modifiant la répartition spatiale de l’émission et son temps d‘échappement hors du système. Une telle étude a des visées fondamentales comme la compréhension des mécanismes de couplage lumière-matière ou la réalisation de nano-émetteurs. Elle rendrait également possible la réalisation d’applications plus concrètes, telle que l’injection optique de la lumière dans des fibres optiques. Ce point est d’autant plus important qu’il concerne des émetteurs en silicium et réalisés à l’aide de techniques compatibles avec la technologie CMOS.

Des microcavités optiques ont été élaborées, la couche active de la microcavité étant constituée de ncSi obtenus par fabrication d’une multicouche SiO/SiO2. Ces ncSi sont insérés entre deux miroirs de Bragg, réalisés à l’aide de deux doublets Si/SiO2. La microcavité optique est réalisée de façon monolithique lors d’un unique processus d’évaporation, suivi d’un recuit thermique à 1100°C. L’étude de l’influence de l’épaisseur de la couche active à été réalisée en utilisant des multicouches SiO/SiO2 contenant de 18 à 21 doublets. Une évolution du pic de transmission de la microcavité de l’ordre de 4,5 nm par nm déposé est observée. Une telle influence de l’épaisseur de la cavité est donc à prendre en compte afin de centrer la microcavité sur le pic d’émission des ncSi.

Avec le recuit, les couches minces obtenues, poreuses, subissent des modifications de leur épaisseur et de leur indice de réfraction optique. La maîtrise de ces deux derniers paramètres est cruciale dans le contrôle de la bande interdite optique du miroir de Bragg. Une étude systématique des propriétés optiques des différentes couches a été réalisée en fonction de la température de recuit, en utilisant l’ellipsométrie spectroscopique, la spectroscopie de transmission dans le domaine UV-Visible et la réflectométrie X.

Les microcavités ont également été analysées par simulation. En utilisant les valeurs expérimentales d’épaisseur, d’indice, et d’absorption déterminées expérimentalement, les spectres simulés décrivent bien les spectres expérimentaux de l’évolution du pic de résonance de la microcavité en fonction de la température de recuit. Le décalage vers le bleu du pic de résonance lié au recuit thermique de la microcavité est de l’ordre de la centaine de nanomètres. Il s’explique par la densification des couches sous l’effet du recuit.

<font size="1"> <i> a) spectre de photoluminescence de nanocristaux sans cavité et en microcavité (vert).
b) déclin de luminescence de nanocristaux avec et sans cavité</font></i>

 

La figure ci-dessus montre la photoluminescence de deux échantillons de référence (multicouches) et d’une multicouche insérée dans une microcavité. Le premier échantillon est une multicouche constituée de ncSi. Le deuxième est identique mais possède sur sa partie supérieure une couche de silicium d’épaisseur équivalente à celle contenue dans le miroir de Bragg supérieur de la microcavité pour tenir compte de l’absorption de la couche de Si. Le couplage entre la cavité et les émetteurs de lumière est nettement visible. La luminescence issue de la microcavité est plus fine et plus intense que celle issue des ncSi. Ceci est d’autant plus visible lorsque la comparaison se fait avec l’échantillon de ncSi pourvu d’une couche supérieure supplémentaire de silicium. La sélectivité en angle est, elle aussi, nettement visible, avec des lobes d’émission lumineuse bien séparés spatialement. Afin de confirmer la présence de couplage faible de type Purcell sur ce type de système, des analyses par photoluminescence résolue en temps ont été réalisées. La théorie de couplage faible prédit une diminution du temps de déclin de la photoluminescence dans le cas d’émetteurs couplé à une microcavité. Ceci est visible sur nos expériences de photoluminescence résolue en temps. La modification obtenue est de l’ordre de grandeur de celle décrite dans la littérature.