Fabrication et caractérisation de nanocristaux de silicium encapsulés dans des matrices siliciées amorphes : rôle des interfaces et de la matrice sur les propriétés structurales, optiques et électriques

par Jérémy Barbé

Thèse de doctorat en Micro et nanosystèmes

Sous la direction de Kremena Makasheva et de Bernard Despax.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.

  • Titre traduit

    Fabrication and characterization of silicon nanocrystals embedded in amorphous silicon-based matrix : influence of the interfaces and matrix on the structural, optical and electrical properties


  • Résumé

    Due to their specific properties, silicon nanocrystals (Si-nc) embedded in dielectric matrix have recently attracted much interest for their use in silicon-based devices. The fabrication of these nanostructures is fully compatible with the existing technologies. However, in order to develop efficient devices, the properties of the Si-nc and their host matrix have to be strictly controlled. In this work, Si-nc embedded in silicon carbide or silicon nitride matrix have been fabricated and characterized to provide a better understanding of the structural, optical and electrical properties. These two matrices received our attention because of their intermediate gap between silicon and silicon dioxide which is expected to give improved properties for electrical components. Two synthesis techniques have been used: the nucleation/growth of Si-nc on a-Si0,8C0,2 thin films by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), and the deposition by pulsed plasma enhanced chemical vapor deposition (PPECVD) of Si-rich a-SiNx alloys followed by high temperature annealing. During the results interpretation, a particular attention was paid to the surface/interface effects as well as the influence of the matrix. After analyzing and controlling the deposition parameters of a-SiCx:H alloys by PECVD, we showed that the nucleation/growth of Si-nc on a-Si0,8C0,2 surface by LPCVD is appropriate because of the high Si content in the carbide matrix. We obtained Si-nc densities higher than 1012 cm-2, even for low growth time or SiH4 flow rates. These results show the feasibility of such structure. A detailed study of the Si-nc/silicon nitride couple was then realized using a large range of diagnostics. First, it was shown that the size of Si-nc can be estimated by Raman spectroscopy. We also explained the process of Si-nc formation during annealing and suggested a model for the structure of Si-nc/a-Si3N4 interfaces from the deconvolution of the XPS spectra. Then, the optical properties of Si-nc were determined by spectroscopic ellipsometry and UV-Vis spectroscopy. The increase of the gap, broadening and weakening of the dielectric constants, and increase of the absorption coefficient at low energy suggest a confinement effect in the Si-nc. Time-resolved photoluminescence measurements indicated that the use of a nitride matrix would not be appropriate to the study of Si-nc optical emission, due to the large number of radiative and non-radiative defects in the matrix and at the interfaces. Finally, charge carriers transport mechanisms through the nanocomposite layer were determined through current-voltage measurements. Because the percolation threshold is reached, the film embedding Si-nc behaves as polycristalline Si with a low amount of Si dangling bonds. A photoconduction effect is observed which gives interesting works in sight.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par [CCSD] à Villeurbanne

Fabrication et caractérisation de nanocristaux de silicium encapsulés dans des matrices siliciées amorphes : rôle des interfaces et de la matrice sur les propriétés structurales, optiques et électriques

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (178 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 165-177

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0197
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.