Microsources photoniques à base de nanocristaux de silicium

Silicon nanocrystols based ptotonic microsources

• Auteur / Autrice : David Amans
• Direction : Jacques Joseph
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, optoélectronique et microsystèmes (Ecully, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Photonique

Matière condensée

Cavités résonnantes (acoustique)

Photoluminescence

Silicium

Mots clés libres

Cristal photonique

Résumé

L'étude intitulée "microsources photoniques à base de nanocristaux de silicium" porte sur l'utilisation du silicium comme matériau actif dans une source de lumière. On cherche donc à déterminer si le silicium, omniprésent dans l'industrie de l'électronique, peut également être utilisé dans l'optoélectronique. Notre but est alors de réaliser une source utilisant comme matériau émetteur des nanocristaux de silicium. Ce sont des grains de silicium monocristallins, sphériques et d'un diamètre compris entre 3 nm et 7. 5 nm. Leur émission dans le visible est interprétée dans le cadre du confinement quantique. Les nanocristaux sont placés dans une cavité résonante formée par deux miroirs de Bragg. Les miroirs de Bragg sont composés de matériaux diélectriques: SiO2 et TiO2. La cavité plane ainsi constituée est le dispositif le plus couramment utilisé pour la réalisation de laser. Ce travail comporte quatre parties distinctes. La première partie concerne l'étude des propriétés intrinsèques des nanocristaux de silicium en couche mince: indices optiques et propriétés de photoluminescence. Dans une seconde partie, nous avons étudié les miroirs de Bragg et les cavités planes afin d'optimiser nos sources pour l'émission verticale. La troisième partie décrit la réalisation et la caractérisation en photoluminescence des sources. On a notamment observé la modification de l'émission spontanée induite par la cavité, à partir de mesures de temps de vie de photoluminescence. La réalisation et la caractérisation des cavités planes présentant une direction de confinement étant concluante, nous avons étudié les structures autorisants le confinement de la lumière selon 2 directions puis 3 directions. Dans la quatrième partie, nous exposons donc l'étude préliminaire traitant du confinement de la lumière au sein d'un dépôt de nanocristaux arrangé en cristal photonique 2D. Nous avons réalisé des dépôts structurés et nous avons calculé la structure de bande photonique correspondant à la morphologie idéal du cristal photonique 2D.

The doctoral thesis entitled "silicon nanocrystals based photonic microsources" deals with the use of silicon as emitter material in light sources. We want to know if silicon, omnipresent in the electronic industry, may offer new oppor-tunity in the field of optoelectronic. The main aim consists in making silicon nanocrystals based cavities. The silicon monocrystalline grains, named sili-con nanocrystals, have spherical shapes with diameters between 3 nm and 7. 5 nm. The nanocrystals strong photoluminescence in the visible range is ascribed to the effect of quantum confinement. The active layer composed of silicon nanocrystals is placed in a Fabry-Pérrot resonator. It is a plane cavity surrounded by two dielectric mirrors composed of silicon oxide and titanium oxide. This device correspond to laser device. Our work can be di-vided into four part. The first part is dedicated to the silicon nanocrystals thin film properties : optical index and photoluminescence properties. The second part is dedicated to the cavities properties and to the Bragg mirrors properties. This theoretical part allows to improve sources properties by well fitting cavities design. In the third part, we describe the production and the photoluminescence characterisation of half cavities and full cavities. Espe¬cially, we have deduced from the life time measurements, the spontaneous emission rate evolution induced by the cavity. Since the production and the characterisation of plane cavities were successful, we investigated 2D and 3D light confinement devices. In the fourth part, we report the preliminary study about light confinement in silicon nanocrystals based 2D photonic crystals. We have produced nanostructured films composed of silicon nanocrystals. We have theoretically investigated the photonic band structure of 2D structured films.