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16 mars 2018
Photoluminescence géante du cérium dans des films d'oxynitrure de silicium
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La forte augmentation de la demande de stockage, de capacité de calcul et de communication liée au numérique va rapidement rendre obsolète l'interconnexion électrique inter- et intra-puces. D'autres solutions doivent être envisagées, comme la photonique sur silicium. En effet, l'intégration de composants photoniques sur silicium permet de développer des liaisons toutes optiques offrant des débits d'information beaucoup plus importants avec une moindre consommation d'énergie.

C'est dans ce contexte qu'une collaboration franco-américaine, constituée de deux laboratoires français, (UMR Cimap (Caen)-UMS Placamat (Bordeaux)) et l'Université de l'Ohio aux États-Unis, a réussi à obtenir une source émissive bleue à l'aide du Cérium, fabriquée entièrement sur silicium. Sous excitation optique, cette lumière est même visible à l'œil nu ! Reste maintenant aux chercheurs à réussir à exciter électriquement ce nouveau composant pour une intégration à des fins applicatives, dans des circuits hybrides électrique / photonique.

 

 

Le silicium est le semi-conducteur le plus abondant sur terre avec des propriétés physiques qui lui permettent de s'imposer en microélectronique depuis près de 70 ans. Mais la demande toujours croissante de débit d'information oblige à penser non plus électronique mais photonique, la lumière permettant de transmettre plus d'information et de façon plus rapide. Mais le silicium est un très mauvais émetteur de lumière (ceci est lié au caractère indirect de son gap d’énergie). Depuis plusieurs années, les chercheurs et entreprises s'évertuent à trouver des solutions pour que ce matériau émette de la lumière : la nano-structuration [1] ou le dépôt d’un autre matériau sur substrat de silicium comme des éléments issus des groupes III-V [2] sont des solutions envisageables. Certaines réalisations sont couronnées de succès comme l'obtention d'un gain optique sur silicium par exemple [3]. Une autre approche consiste à utiliser les terres rares comme sources émettrices au sein de matériaux à base de silicium.

Représentation schématique de l'excitation possible ou non du cérium pour de faible (a) et forte (b) concentrations d'azote dans la structure, selon le flux d'azote imposé dans la chambre de dépôt au cours de la croissance. À forte concentration d'azote, l'environnement de l'ion cérium n'est plus essentiellement du silicium, ce qui a pour effet d'élargir le gap entre la bande de valence (VB) et la bande de conduction (CB). Ceci favorise le mécanisme de transfert d'excitation vers les ions cérium et donc la photoluminescence.

 

 
Photoluminescence géante du cérium dans des films d'oxynitrure de silicium

Spectre de photoluminescence en fonction de la concentration de cérium.

L'émission des terres rares est très utilisée comme source de lumière injectée dans les fibres optiques pour les télécoms (erbium-1.5 µm) ou pour les cristaux lasers dopés avec des ions ytterbium (1 µm) ou terbium (550 nm) par exemple. Mais l'émission des ions terres rares au sein du silicium reste cependant très faible [4] et se trouve encore loin des puissances optiques obtenues par les premières sources citées.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont conjointement emprunté deux voies :

  • en choisissant une terre rare, le cérium, qui possède une configuration électronique dite "4f-5d" [5]. Cette propriété lui confère une large excitation spectrale et une absorption plus grande par rapport aux autres terres rares de configuration "4f-4f". Ainsi l'excitation est plus efficace, et le signal de photoluminescence s'en trouve exalté.
  • puis en fournissant aux ions cérium un environnement, non pas en silicium pur, néfaste à l'émission lumineuse, mais sous la forme d'un composé, permettant de maintenir une intégration compatible avec le substrat silicium. Le matériau choisi est l'oxynitrure de silicium (SiOxNy), qui combine les avantages des matrices d’oxyde de silicium (SiO2) et de nitrure de silicium (Si3N4) : à savoir une solubilité des terres rares plus grande que dans une matrice de SiO2 et une absorption plus faible qu’une matrice Si3N4, limitant les pertes dues à l’absorption du matériau [6,7]. Ce film mince est déposé par pulvérisation magnétron.
 
Photoluminescence géante du cérium dans des films d'oxynitrure de silicium

Intensité intégrée de photoluminescence (PL) et photos de l'échantillon en fonction de la concentration de cérium.

La combinaison de ces deux voies permet aux équipes franco-américaines d'obtenir, dans un premier temps, une émission bleue à faible dopage (0.3 Ce3+ at. %) en jouant sur le taux d'azote dans le film déposé. Pour connaitre l'origine de cette émission, des modèles basés sur l’existence de plusieurs centres luminescents sont proposés (matrice, clusters, défauts, terres rares,…) ainsi que différents chemins d'excitation. Après une série de tests, la confirmation de l'émission de l'ion Ce3+ est expérimentalement observée et le mécanisme d'excitation de la terre rare a pu être décrypté en comparant les données pour de faible et forte concentrations d'azote dans la structure, selon le flux d'azote imposé dans la chambre de dépôt au cours de la croissance (figure ci-dessus).

De plus, la matrice obtenue à fort flux d'azote permet d’inclure des ions cérium "isolés" sans agrégats, dont la formation est néfaste à l'émission lors d'un plus fort dopage [8]. Dans ces conditions, il devient possible d'augmenter la concentration de terre rare (figure 2) pour amplifier la luminescence. Un signal intense bleu (visible à l'œil nu !) est ainsi détecté sous excitation optique (λexc = 340 nm).

Au-delà de l'observation de cette luminescence géante, les chercheurs essayent aujourd'hui d'obtenir un signal équivalent à partir d'une excitation électrique pour une intégration à des fins applicatives, dans des composants hybrides électrique / photonique.

Référence :

The nitrogen concentration effect on Ce doped SiOxNy emission: towards optimized Ce3+ for LED applications,
F. Ehre, C. Labbé, C. Dufour, W. Jadwisienczak, J. Weimmerskirch-Aubatin, X. Portier, J.-L. Doualan, J. Cardin, A. Richard, D. C. Ingram, C. Labrugère, and F. Gourbilleau,
Nanoscale 20, 4818 (2018).


[1] F. Priolo, T. Gregorkiewicz, M. Galli, and T. F. Krauss, Nature Nanotechnology 9, 19 (2014).

[2] G. Roelkens, L. Liu, D. Liang, R. Jones, A. Fang, B. Koch, and J. Bowers, Laser & Photonics Reviews 4 (6), 751 (2010).

[3] S. G. Cloutier, Pavel A. Kossyrev, and Jimmy Xu, Nature Materials 4, 887 (2005).

[4] A. J. Kenyon, Semicond. Sci. Technol. 20, R65 (2005).

[5] Jose Gracia, Luis Seijo, Zoila Barandiarán, Daniel Curulla, Hans Niemansverdriet, and Wouter van Gennip, Journal of Luminescence 128 (8), 1248 (2008).

[6] C. Labbé, Y. T. An, G. Zatryb, X. Portier, A. Podhorodecki, P. Marie, C. Frilay, J. Cardin, and F. Gourbilleau,  Nanotechnology 28, 115710 (14pp) (2017)

[7) Jee Soo Chang, Kiseok Suh, Moon-Seung Yang, and Jung H. Shin, Silicon Photonics: II, Development and Application of Er-Doped Silicon-Rich Silicon Nitrides and Er Silicates for On-Chip Light Sources. (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin: Springer), 2011).

[8] Nikola Prtljaga, Daniel Navarro-Urrios, Andrea Tengattini, Aleksei Anopchenko, Joan Manel Ramírez, José Manuel Rebled, Sònia Estradé, Jean-Philippe Colonna, Jean-Marc Fedeli, Blas Garrido, and Lorenzo Pavesi, Opt. Mater. Express 2 (9), 1278 (2012).


Contact CEA-IRAMIS : Christophe Labbé, UMR6252 / CIMAP Equipe Nimph.

Collaboration :

 

Maj : 20/03/2018 (2838)

 

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