Les nanocristaux de silicium comme source de lumière : analyse optique et réalisation de microcavités, Silicon nanocrystals as light sources : optical analysis and realisation of microcavities

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http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Thèse
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université H. Poincaré, Nancy 1
en Physique par
Mathias Grün
Les nanocristaux de silicium comme source de lumière : analyse
optique et réalisation de microcavités
Soutenance publique devant la commission d’examen : 15 octobre 2010
Membres du Jury :
Président :
Dr. G. LERONDEL Professeur, Université de Technologies de Troyes (Rapporteur)
Examinateurs :
Dr. S. CALLARD Professeur, Ecole Centrale de Lyon (Rapporteur)
Dr. A. EN NACIRI MCF, Université Paul Verlaine, Metz
Dr. M. VERGNAT Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy 1 (Directeur de thèse)
Dr. P. MISKA MCF, Université Henri Poincaré, Nancy 1 (Co-directeur de thèse)
Ecole Doctorale EMMA
Département de Formation Doctorale de Physique et Chimie de Matière et des Matériaux2Remerciements
Je tiens à remercier à Michel Vergnat pour m’avoir accueilli dans le département en plus
d’avoir accepté de diriger ma thèse.
Ce travail doit beaucoup à Patrice Miska qui a également encadré cette thèse. Il a toujours été
là – jour et nuit, en semaine comme pendant les weekends – quand j’avais « juste une petite
question » dont l’explication, parfois, nous occupait des heures. Je lui exprime ma gratitude
pour tout ce qu’il a fait pour moi pendant ces années à Nancy.
Je remercie les membres du Jury d’avoir accepté d’évaluer ce travail : M. Lérondel, Mme.
Callard, et M. EnNaciri. Je remercie également M. Bouazaoui et M. Gilliot qui, malgré leur
impossibilité à venir participer au Jury, ont manifesté un grand intérêt pour ce travail.
Je remercie Hervé Rinnert pour son soutien soit administratif, soit moral.
Pour le soutien technique pendant ma thèse je tiendrai remercier du fond du c œur : François
Mouginet, Juan Arocas-Garcia et Alexandre Bouché pour la réalisation des échantillons,
Xavier Devaux et Pascal Martin pour les nombreuses lames minces fabriquées et analysées,
Sylvie Robert pour les analyses en rayons X, Christian Senet pour le soutien informatique
ainsi que Hamid M’Jahed pour avoir réparé plus qu’une fois nos alimentations.
Pour le soutien moral, je tiens remercier : Martine (les deux !!), Damien, Michel Hehn, Daniel
Lacour, bref le cercle qui se rassemblait régulièrement autour d’un bon café souvent très fort
au quatrième étage. Je remercie également les autres doctorants et étudiants avec lesquels j’ai
eu le plaisir de collaborer : Ganye Wora-Adéola, avec lequel j’ai partagé le bureau en arrivant,
Joël Briones, Luis Cardenas-Arellano et Emilie Steveler. Pour la bonne collaboration un
grand merci également à Nader Kozhaja, Nguyen Thi Dinh, Anne-Laure Pointel et Aurélie
Thiel.
Cet énorme travail n’aurait pas été possible sans plusieurs collaborations fructueuses pour
lesquelles je voudrais remercier : Manuel Dossot et Jérôme Grausem de nous avoir donné
accès à leur spectromètre Raman, J.-F. Pierson pour l’accès au spectromètre UVVIS, l’équipe
de M. Blas Garrido pour nous avoir accueillis très chaleureusement à Barcelone et pour nous
avoir facilité l’accès au microscope EFTEM et M. EnNaciri pour les mesures d’ellipsométrie.
Le dernier paragraphe va être dédié à ceux auxquels je dois tout parce qu’ils m’ont toujours
encouragés pendant ce temps parfois très dur de séparation de ma chère famille : mes beaux-
parents, ma s œur, mes deux frères et mes parents. Et la dernière ligne est réservée aux deux
femmes dans ma vie : Myriam et Elisa, ma petite famille à moi. Merci pour tout ce que Vous
me donnez ! Je Vous aime !!!
34Table of Contents
Chapitre 1 9
Chapitre 2 11
Chapitre 3 15
Chapitre 4 19
General introduction 25
Chapter 1. Bibliography and state-of-the-art 29
1.1 Introduction 31
1.2 Silicon nanocrystals 31
1.2.1 Quantum confinement of the exciton in silicon nanostructures 33
1.2.2 Elaboration techniques for luminescent silicon nanostructures 35
1.3 Microcavities 42
1.3.1 Principle 43
1.3.2 Free space spontaneous emission 43
1.3.3 Modification of the electromagnetic field by a cavity 44
1.3.4 Modification of the spontaneous emission rate 50
1.3.5 Cavity geometries 52
1.4 Summary & structure of this work 58
Chapter 2. Experimental & Theoretical Techniques 61
2.1 Introduction 63
2.2 Evaporator 64
2.3 Thermal annealing 67
2.4 UV-visible-NIR absorption spectrophotometry 68
2.4.1 Experimental 68
2.4.2 Principle of the direct simulation method 70
2.4.3 Swanepoel’s method of envelopes 71
2.4.4 Principle of the transfer matrix simulation method 73
2.5 Glancing incidence x-ray reflectivity 73
2.6 Transmission electron microscopy 74
2.6.1 Principe of the transmission electron microscopy 74
2.6.2 Preparation techniques 77
2.6.3 Electron energy loss spectroscopy 78
2.6.4 Energy filtered transmission electron microscopy 80
2.7 Infrared absorption spectroscopy 80
2.7.1 Principle 80
2.7.2 Vibrational spectrum in oxygen-rich amorphous silicon 80
2.7.3 Vibrational characteristics in a- SiO 812
2.7.4 Analysis of the stoichiometry 82
2.8 Raman spectroscopy 83
2.8.1 Working principle & fundamental notes 83
2.8.2 Density of vibrational states in silicon 84
2.8.3 Raman effect in silicon nanocrystals 85
-12.8.4 Discussion on the interpretation of the vibration at 480 cm 86
52.8.5 Raman scattering experiments 87
2.9 Photoluminescence 87
2.9.1 Continuous photoluminescence setup – general photoluminescence
measurements 87
2.9.2 Time-resolved photoluminescence setup – lifetime measurements 88
Chapter 3. Analysis of the silicon nanocrystals 91
3.1 Introduction 93
3.2 Preliminary investigations on SiO thin films 95x
3.2.1 Infrared absorption spectroscopy 95
3.2.2 Photoluminescence spectroscopy of SiO and SiO thin films 981.5
3.2.3 Photoluminescence and Raman modelization of the experimental spectra 100
3.3 Formation of the silicon nanocrystals in the SiO /SiO multilayers by RTAx 2
annealing 104
3.3.1 Photoluminescence and Raman models for multilayered samples 106
3.3.2 EFTEM analysis 111
3.3.3 Photoluminescence 113
3.4 Application of lithographic techniques to further reduce the surface density 114
3.5 Conclusion 118
Chapter 4. Study of silicon nanocrystals inserted in microcavities 121
4.1 Introduction 123
4.2 Choice of the materials for the distributed Bragg reflector 124
4.3 Optical properties of the Si and SiO thin films 1252
4.3.1 Experimental procedure 125
4.3.2 Properties of the silicon layer 126
4.3.3 SiO layer 1332
4.3.4 Active SiO/SiO layer 1342
4.4 Distributed Bragg reflectors 134
4.4.1 Influence of the number of dielectric pairs 134
4.4.2 Influence of the annealing temperature 138
4.4.3 Importance of the layer thickness 139
4.5 Microcavities 140
4.5.1 Influence of the number of dielectric pairs in the Bragg mirrors 141
4.5.2 Fabrication of the cavities and study of their thermal stability 142
4.5.3 Importance of a constant layer thickness 143
4.5.4 Influence of the thermal annealing on the transmittance spectra of the cavity
145
4.5.5 Influence of the thickness of the active layer 147
4.6 Photoluminescence 147
4.6.1 Choice of the excitation wavelength 147
4.6.2 Microcavity with distributed Bragg reflector containing two Si/SiO bilayers2
148
4.6.3 Microcavities with distributed Bragg reflectors containing three Si/SiO2
bilayers 151
4.6.4 Time resolved spectroscopy 155
4.6.5 Cavity based single dot spectroscopy 156
4.7 Conclusion 160
6General Conclusion 163
Prospects 167
Appendices 169
Appendix A – Direct simulation method 171
Appendix B – Swanepoel’s method of envelopes 177
Appendix C – Principle of the transfer matrix simulation method 181
Bibliography 191
78Chapitre 1
Nous présentons dans ce chapitre l’état de l’art de l’élaboration et de l’analyse de nanocristaux de
silicium présentés dans la littérature. Dans un premier temps, nous détaillons les principales propriétés
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