Etude des propriétés électriques et optiques d'hétérostructures Si/CaF2 déposées sur des substrats de Si(111)
Résumé
This work deals with the electrical and optical properties of various Si/CaF2 heterostructures grown by molecular beam epitaxy. This technique of growth allows us to fabricate very thin CaF2 layers and more complex structures such as photoluminescent multilayers as well as Fabry-Perot structures.
In the first part, we have investigated the electrical properties of thin CaF2 layers either monocristallines or nanocristallines deposited on Si(111) substrates of different thicknesses by varying the growth parameters, in particular the substrate temperature. This study demonstrates the importance of the preparation of the Si substrate to get high quality CaF2 layers. In particular, a template layer of Si permits to get CaF2 layers exempt of pin-holes. Furthermore, this study shows that the interface is of B-type (rotation of 180° with respect to the [111] direction) for CaF2 layers deposited at high temperature while it is of A-type when the layers are deposited at low temperature. This type (A or B) determines the density of electrical traps present at the interface. Time-resolved electrical measurements evidence that long relaxation times of charge carriers are at the origin of hysteresis phenomena observed on I-V characteristics as well as the behavior of negative differential resistance. These dynamic effects have been modelled by means of an equivalent lumped-element circuit.
In the second part, we were interested in the fabrication and characterization of interference filters (Bragg mirrors, microcavities) in order, on one hand to tune the emission wavelength, and on the other hand to narrow the spectral bandwidth of the photoluminescence of nanometric Si/CaF2 multilayers. Reflectivity measurements show that it is possible to get Bragg mirrors having a high reflectivity in a large spectral domain even for a small number of periods and to get Fabry-Perot structures having a well defined mode of a few tens of nanometers in the visible.
In the first part, we have investigated the electrical properties of thin CaF2 layers either monocristallines or nanocristallines deposited on Si(111) substrates of different thicknesses by varying the growth parameters, in particular the substrate temperature. This study demonstrates the importance of the preparation of the Si substrate to get high quality CaF2 layers. In particular, a template layer of Si permits to get CaF2 layers exempt of pin-holes. Furthermore, this study shows that the interface is of B-type (rotation of 180° with respect to the [111] direction) for CaF2 layers deposited at high temperature while it is of A-type when the layers are deposited at low temperature. This type (A or B) determines the density of electrical traps present at the interface. Time-resolved electrical measurements evidence that long relaxation times of charge carriers are at the origin of hysteresis phenomena observed on I-V characteristics as well as the behavior of negative differential resistance. These dynamic effects have been modelled by means of an equivalent lumped-element circuit.
In the second part, we were interested in the fabrication and characterization of interference filters (Bragg mirrors, microcavities) in order, on one hand to tune the emission wavelength, and on the other hand to narrow the spectral bandwidth of the photoluminescence of nanometric Si/CaF2 multilayers. Reflectivity measurements show that it is possible to get Bragg mirrors having a high reflectivity in a large spectral domain even for a small number of periods and to get Fabry-Perot structures having a well defined mode of a few tens of nanometers in the visible.
Ce travail porte sur l'étude des propriétés électriques et optiques de diverses hétérostructures Si/CaF2 élaborées par la technique d'épitaxie par jets moléculaires. Cette technique de croissance a permis l'élaboration de couches minces de fluorure de calcium (CaF2) et de structures plus complexes telles que des multicouches photoluminescentes ainsi que des structures Fabry-Perot.
Dans une première partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés électriques de couches minces de CaF2 monocristallines et nanocristallines, déposées sur substrats Si(111), de différentes épaisseurs en faisant varier les paramètres de croissance, en particulier la température d'élaboration. Cette étude montre l'importance de la préparation du substrat pour l'obtention de couches de CaF2 de bonne qualité. En particulier, une couche tampon de Si permet d'obtenir des couches de CaF2 exemptes de trous. Egalement cette étude montre que l'interface est de type B (interface maclée) pour des couches de CaF2 élaborées à haute température alors qu'il est de type A pour les couches déposées à basse température. Ce type (A ou B) fixe la densité de pièges électriques à l'interface mesurée. Des mesures électriques résolues en temps ont permis de mettre en évidence des temps de relaxation longs des porteurs de charges à l'origine des phénomènes d'hystérésis observés sur les caractéristiques I-V et du comportement de résistance différentielle négative. Ces effets dynamiques ont pu être modélisés en utilisant un circuit électrique équivalent formé d'éléments discrets (résistances, capacités).
Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la fabrication et à la caractérisation de filtres interférentiels (miroirs de Bragg, structures Fabry-Perot) afin d'une part d'ajuster la longueur d'onde d'émission et d'autre part de réduire la largeur spectrale de photoluminescence des multicouches nanométriques Si/CaF2. Les mesures de réflectivité montrent qu'il est possible d'obtenir des miroirs de Bragg présentant une forte réflectivité sur un large domaine spectral pour un nombre réduit de périodes et d'obtenir des structures Fabry-Perot ayant un mode bien défini de quelques dizaines de nanomètres dans le visible.
Dans une première partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés électriques de couches minces de CaF2 monocristallines et nanocristallines, déposées sur substrats Si(111), de différentes épaisseurs en faisant varier les paramètres de croissance, en particulier la température d'élaboration. Cette étude montre l'importance de la préparation du substrat pour l'obtention de couches de CaF2 de bonne qualité. En particulier, une couche tampon de Si permet d'obtenir des couches de CaF2 exemptes de trous. Egalement cette étude montre que l'interface est de type B (interface maclée) pour des couches de CaF2 élaborées à haute température alors qu'il est de type A pour les couches déposées à basse température. Ce type (A ou B) fixe la densité de pièges électriques à l'interface mesurée. Des mesures électriques résolues en temps ont permis de mettre en évidence des temps de relaxation longs des porteurs de charges à l'origine des phénomènes d'hystérésis observés sur les caractéristiques I-V et du comportement de résistance différentielle négative. Ces effets dynamiques ont pu être modélisés en utilisant un circuit électrique équivalent formé d'éléments discrets (résistances, capacités).
Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la fabrication et à la caractérisation de filtres interférentiels (miroirs de Bragg, structures Fabry-Perot) afin d'une part d'ajuster la longueur d'onde d'émission et d'autre part de réduire la largeur spectrale de photoluminescence des multicouches nanométriques Si/CaF2. Les mesures de réflectivité montrent qu'il est possible d'obtenir des miroirs de Bragg présentant une forte réflectivité sur un large domaine spectral pour un nombre réduit de périodes et d'obtenir des structures Fabry-Perot ayant un mode bien défini de quelques dizaines de nanomètres dans le visible.
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