STAGE effectué à l'issue de la 4è année au Département de Physique de l'INSA Toulouse du 3 Mai au 31 Août 1999.

 

CARACTERISATION ET FABRICATION DE DELs basées sur des multiples puits quantiques de Si/SiGe

Ce projet a été réalisé à l'Institut de Science des Matériaux, département de Génie Electrique, Université de Wuppertal en Allemagne, sous la tutelle du Prof. Dr. Clivia Sotomayor Torres et de Tamim P. Sidiki, du 3 Mai au 31 Août 1999 (4 mois).
 
Ce travail de Recherche envisageait l'utilisation de multiples puits quantiques (MPQ) de Si/SiGe (Si : Silicium ; Ge : Germanium) en tant qu' émetteur de lumière potentiel. Dans une première étape, les échantillons furent caractérisés par photoluminescence et par spectroscopie Raman, tandis qu'une seconde étape consista à fabriquer une diode électroluminescente basée sur de multiples puits quantiques de Si/SiGe.

La caractérisation optique des échantillons à multiples puits quantiques de Si/Si0,77Ge0,23 a donné des résultats encourageants motivant ainsi la fabrication d'une diode électroluminescente (DEL). La caractérisation électrique qui a suivi le processus de fabrication a démontré que la diode émet de la lumière dans le domaine du proche infrarouge (autour de 1,3 µm) y compris à température ambiante. En conséquence, même si d'autres améliorations restent à accomplir pour le futur, la potentialité de telles structures pour réaliser un appareil émetteur de lumière basé sur le Silicium a été clairement mise en évidence.
 

La caractérisation optique a été composée principalement de spectroscopie par photoluminescence. Les différentes expériences ont montré les intéressantes propriétés des échantillons à MPQ de Si/SiGe qui émettent de la lumière autour de 1,3 µm. La baisse de la luminescence avec la montée en température reste le principal désavantage de ce système. D'autre part, l'importance de la contrainte au sein du MPQ de Si/SiGe a été démontrée en étudiant l'effet de recuit à différentes températures des échantillons. La structure à MPQ doit être composée de fines couches (qui sont ainsi contraintes) pour produire des propriétés luminescentes satisfaisantes. Néanmoins de nouvelles recherches doivent être accomplies dans ce domaine pour clarifier les mécanismes de relaxation de la contrainte qui ont lieu au sein des couches épitaxiées, au cours de la procédure de recuit par exemple. En ce qui concerne ce point particulier, le rôle du processus de croissance des échantillons est aussi crucial. Des techniques d'épitaxie de haute qualité doivent être employées afin d'obtenir de telles nanostructures qui doivent être exemptes de tous défauts pour éviter la luminescence liée aux dislocations. Cette luminescence rentre en effet en compétition avec la luminescence recherchée due à l'alliage SiGe.
La seconde technique de caractérisation utilisée fut la spectroscopie par diffusion Raman. Même si des résultats intéressants ont été obtenus avec cette méthode, il est difficile de réellement conclure sur son utilité dans l'étude d'échantillons de MPQ de Si/SiGe. Une poursuite du travail commencé est nécessaire, celui-ci devra utiliser une meilleure résolution et éventuellement des échantillons de paramètres différents. En effet la spectroscopie Raman peut donner des informations sur la concentration en Germanium de l'alliage, ou encore et surtout sur la contrainte au sein de la structure en multiples puits quantiques.

Au delà de ces considérations, les résultats de photoluminescence, principalement ceux obtenus sur les échantillons recuits, ont donné matière à une publication scientifique pour le Laboratoire. Un article a été présenté lors d'une conférence internationale ("Silicon Epitaxy and Heterostructures". Septembre 1999, Myagi, Japon) et a été publié dans le journal  Thin Solid Films : "Optical and structural characterization of Si/SiGe heterostructures grown by RTCVD" (version pdf).
 

La seconde partie de mon projet consistait à fabriquer une diode électroluminescente et à la caractériser électriquement. Ce travail fut couronné de succès puisque la diode fabriquée émet de la lumière à la température ambiante. Ce résultat positif prouve non seulement les propriétés de luminescence de la structure à multiples puits quantiques de Si/Si0,77Ge0,23 mais aussi l'utilité de l'ITO (Oxyde d'étain et d'indium) en tant que contact transparent d'une DEL. Pour la première fois, des diodes électroluminescentes ont été réalisées en utilisant de l'oxyde d'Indium et d'Etain comme contact supérieur de la diode.
Cependant la procédure de fabrication n'était pas parfaite. Par exemple, la fabrication d'une structure "mesa", qui aurait permis d'augmenter la densité de courant à travers la structure, a du être abandonnée. Des doutes sur la qualité des contacts électriques effectués peuvent également être formulés. En utilisant un processus de fabrication de plus grande qualité, on peut espérer obtenir de meilleures propriétés de la diode.

Dans tous les cas, la localisation spatiale des porteurs, qui sont confinés selon une dimension (structure 2D) dans ce projet, semble être une solution satisfaisante pour la réalisation de DELs. A fortiori un confinement selon les trois dimensions en utilisant des boîtes quantiques (quantum dots) de Si/SiGe dans la région active peut probablement être le meilleur moyen d'améliorer les propriétés de la DEL.
 

D'une manière plus générale, ce stage dans un laboratoire de Recherche étranger, en ouverture sur l'international, m'a permis de mettre en oeuvre mes compétences acquises lors de ma formation à l'INSA. Il m'a également permis d'acquérir de nouvelles connaissances, en particulier en suivant plusieurs cours du Professeur Clivia Sotomayor Torres sur l'importance grandissante des nanostructures pour l'électronique du futur. J'ai pu travaillé de manière autonome, et également en équipe, en contact avec mon tuteur Tamim Sidiki et avec les autres membres du laboratoire ; ma langue de travail était l'anglais dont ma pratique a considérablement été amélioré grâce à ce séjour à l'étranger. La diversité de mon projet m'a permis d'utiliser une grande diversité d'équipements présents au laboratoire, de la chaîne de mesure de photoluminescence à l'évaporateur MBE pour la déposition d'ITO.

Appareillages et techniques utilisés :

spectroscopie par photoluminescence
(laser Ar+, cryostat, double spectromètre, photodiode au Ge pour la détection du signal)

spectroscopie par diffusion Raman (laser Ar+, triple spectromètre, détection par caméra CCD)

déposition de l'ITO : évaporateur de type MBE  (Epitaxie par jets moléculaires)

MEB (Microscopie électronique par balayage)

caractérisation électrique : mesure du courant, de la résistivité, ...

spectroscopie par électroluminescence

Plus d'informations :
Pour plus d'informations, un rapport de stage en anglais a été rédigé. Contact : schabert@chez.com. 

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