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

Towards CMOS compatible light sources : correlation between fabrication and properties of LPCVD Si nanocrystals

• Auteur / Autrice : Konstantinos Koukos
• Direction : Philippe Arguel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-électronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes organiques

Recuit thermique rapide

Silicium

Photoluminescence

MOS complémentaires

Mots clés libres

Lpcvd

SiOx

Nanocristaux de Si

Recuit rapide

Rta

Photoluminescence

Diode électro-luminescente

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.

Integrated systems comprising on-chip optical functions are of great interest for future generations of embedded, telecommunications sensing and instrumentation applications. The feasibility of a Silicon light source, compatible with CMOS technology remains a major hurdle in the development of systems combining optical and electronic functions on the same chip. The use of silicon nanocrystals embedded in a SiO2 matrix seems to be a promising solution. The objective of this work is to study the feasibility of visible/near infrared light sources using silicon nanocrystals obtained by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Starting with a study of the material properties, we chose a bottom-up approach to fabricate several test devices. A reproducible, CMOS compatible technological process has been established to obtain the active material with the desired properties. The mechanisms of light emission have been studied by different characterization techniques and correlated with the structural and electrical properties. We have obtained intense emission under optical excitation in the visible/near infrared domain. Electroluminescence, however, requires a specific optimization of the active layer. We have explored several different implementations and have identified the tradeoffs between optical and electrical properties. At the end of this study, we have evaluated the advantages and disadvantages of LPCVD as a fabrication method for Si nanocrystals and propose solutions for the implementation of a functional electroluminescent device.