Energy transfer between Silicon-nanoclusters and Erbium in silicon-based oxides andnitrides matrices : applications to Light-Emitting Diodes
Transfert d'énergie entre nanoclusters de Silicum et Erbium dans des matrices oxydes et nitrures de Si: applications à des diodes électroluminescentes
Résumé
This work is based on the analysis and optimization of an alternative material to replace metallic interconnections of integrated circuits. This material is an SiO2 matrix containing Siliconnanoclusters (Si-nc) and Erbium ions (Er3+). Thanks to an energy transfer between Si-nc and Er3+, the strong absorption of Si-nc in the visible range results in the indirect excitation of Er3+ ions that thus emit at 1.5 μm. The goal is to optimize the emission properties of Er3+ at 1.5 μm, and for that, to maximize the energy transfer between Si-nc and Er3+. First, the work is directed on thermal treatments during and after the deposition. Then, we analyze the influence of the film thickness on the material's optical properties and we show that thinnest films (< 150 nm) contain a low number of that reduces the number of excited erbium. We demonstrate that this problem can be overcome by increasing the silicon concentration, hence raising the number of sensitizers for Er3+. It is also shown that Er3+ ions benefit from a multilevel excitation by Si-nc sensitizers. A second part of the work consists in the realization of light-emitting diodes (LEDs) and to optimize their emission at 1.5 μm. We show that thickness and silicon excess must be chosen concomitantly to optimize optical and electrical properties of LEDs. In a last part we show that LEDs' properties can be enhanced using nitrogen-based matrices like oxynitrides or nitrides as hosts for Er3+.
Ce travail de thèse est basé sur l'analyse et l'optimisation des propriétés physiques d'un matériau photonique compatible avec les technologies CMOS. Ce matériau est une matrice de SiO2 contenant des nanoclusters de silicium (nc-Si) et des ions erbium (Er3+). Grâce à un transfert d'énergie entre nc-Si et Er3+, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est fortement augmentée. L'objectif est d'optimiser le transfert entre nc-Si et Er3+ afin de maximiser les propriétés d'émission de l'erbium à 1,5 µm. Dans un premier temps les travaux sont axés sur les traitements thermiques pendant et après le dépôt. Ensuite, nous analysons l'effet de l'épaisseur de la couche mince sur les propriétés optiques du matériau et nous montrons que les couches très minces (< 150 nm) présentent un manque de sensibilisateurs qui réduit le nombre d'erbium excités. Nous démontrons alors que ce problème peut être résolu en augmentant la concentration en silicium, augmentant ainsi le nombre de sensibilisateurs au sein des couches les plus minces. Il est ensuite montré que les ions Er3+ bénéficient d'une excitation nanoseconde multi-niveaux par les sensibilisateurs nc-Si. Une deuxième partie du travail de thèse présente la réalisation de diodes électroluminescentes (DELs) et l'optimisation de leur émission à 1,5 µm. Nous montrons qu'épaisseur et excès de silicium doivent êtres choisi conjointement pour l'optimisation des propriétés optiques et électriques des DELs. Une dernière partie montre que les propriétés des DELs peuvent êtres améliorés par l'utilisation de matrices hôtes oxynitrures et nitrures pour les nc-Si et Er3+. Ces travaux ouvrent la voie au développement de DELs efficaces à base de silicium et émettant à 1,5 µm