Nouveaux procédés de l'élaboration et de mise en oeuvre de capteurs et microsystèmes en silicium et silicium poreux par des méthodes luminescentes et électriques

par Arthur Benilov

Thèse de doctorat en Electronique et automatique

Sous la direction de Yves Robach.

Soutenue en 2007

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Cette thèse traite de différents aspectsdu silicium poreux, qui incluent des questions liées à la fabrication, à la modification, aux mesures effectuées sur ce matériau ainsi qu'à des applications pour des capteurs. Le but de ce travail est de continuer à explorer le potentiel silicium poreux en tant que capteur, tout en tentant de trouver des conditions de stabilisation pour sa préparation et sa mise en oeuvre. Les propriétés de photoluminescence du silicium poreux ont été étudiées par spectrométrie temporelle. Cette étude est importante pour clarifier le mécaniqume de quenching et de dégradation de la de la photoluminescence du silicium poreux par absorption de différentes substances. L'influence du niveau de pH sur l'intensité et la durée de vie de la photoluminescence du silicium poreux a été étudiée. L'on a découvert que l'intensité et la durée de vie diminuent dans un milieu pH et augmentent dans un milieu acide, ce qui peut expliquer par les processus d'effusion et de restauration d'hydrogène. Pour stabiliser la surface du Si poreux, nous avons tenté de le couvrir d'un polymère PEDOT avec un succès partiel. L'incorporation de métaux catalytique (Ag, Pt, Ni) dans les couches de Si poreux est aussi méthodiquement étudiée, ce qui offre une opportunité pour créer des matricessilicium avec des nanoclusters métalliques dans les pores, pour des applications liées aux capteurs. Les propriétés électriques du Si poreux ont été étudiées en fonction de l'absorption de différents gaz (Ar, N2, Co2 et O2) par spectrométrie DLTS. Une méthode de mesure sans contact basée sur des courants de Foucault est porposée pour suivre les changements de conductivité électrique du Si poreux en présence de NO2. La formation localisée du Si poreux par attaque assistée par la lumière a aussi été étudiée. Il est démontré que la résolution spatiale de cette méthode est limitée par la longueur de diffusion des porteurs de charge minoritaires. Enfin, nous procédons à un travail exploratoire sur l'usinage localisé du silicium par micro-électro-érosion (uEDM). Un dispositif d'EDM a été développpé pour procéder à l'usinage du Si à l'échelle 5-100 um. Les perspectives pour améliorer cette résolution sont discutées. La formation par décharges électriques de Si poreux, intégrée dans le processus d'EDM, est démontrée.

  • Titre traduit

    New processes for the development and application of silicon and porous silicon sensors and microdevices based on luminescent and electrical methods


  • Résumé

    This thesis deals with various aspects of porous silicon that includes the questions of fabrication, modification, measurement and application in sensor devices. The goal is to continue to explore the potetial of porous silicon as sensing system, trying to find stabilizing conditions of preparation and usage. The photoluminescent properties of porous silicon, using time-resolved spectrometry, are considered. This study is important to clarify the mechanisms of porous silocon photoluminescence quenching and degradation at absorbance of certain substances. The influence of pH level of surrounding environment on photoluminescence intensity and decay time of porous silicon layers are studied. It is found that photoluminescence intensity and decay time is decreased in basic solutions and is increased in acidic solutions, which can be explained by hydrogen effusion and restoration processes. We have tried to stabilize the surface of porous Si with a PEDOT polymer coating with a partial sucess. The methodic incorpration of catalytic metals (Ag, Pt, Ni) into porous Si layers is also studied as an opprtunity to create silicon matrices with metallic nanoclusters in pores for sensor applications. The electrical properties of porous Si are studied at absorbance of certain gases (Ar, N2, Co2 and O2) by DLTS spectrometry. The contactless measurement method bases on eddy current is proposed to monitor the conductivity changes of porous Si in presence of No2. The localized formation of porous silicon by light-assited etching is also studied. It is shown that the spatial resolution of this method is limited by the diffusion lengh of minor carriers. Lastly an exploratory work on the micro electro-discharge machining uEDM) of silicon is performed. An EDM apparatus has been designed to perform the machinig of silicon at the scale of 5-100 um. Perspectives to improve this resolution are discussed. The formatio of porous silicon by spark-erosion, integrated into the EDM process, is demonstrated.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (170p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 207 références

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2094
  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : T2094 mag
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