Les couches minces de pentoxyde de tantale (Ta₂O₅) sont des matériaux clés pour les applications optiques et photoniques, grâce à leur indice de réfraction élevé et leur faible coefficient d’extinction. Ces propriétés en font des candidats idéaux pour les filtres interférentiels, les revêtements antireflets, les guides d’ondes optiques et les dispositifs microélectroniques. Cependant, leurs performances dépendent fortement des conditions de dépôt et des traitements thermiques. Des chercheurs ont étudié comment ajuster précisément ces paramètres pour obtenir le meilleur compromis entre transparence, indice élevé et stabilité structurale, ouvrant la voie à de nouveaux matériaux optiques performants.
Les couches minces de Ta₂O₅ suscitent un intérêt majeur dans les dispositifs optiques et électroniques grâce à leur indice de réfraction élevé (n ~ 2,1–2,3) et leur faible coefficient d’extinction (k < 10⁻⁴), deux propriétés essentielles pour la fabrication de dispositifs optiques de haute précision. Cependant, leurs performances optiques et structurales dépendent fortement des conditions de dépôt et des traitements thermiques post dépôt. Avant cette étude, les couches déposées par pulvérisation cathodique présentaient des variations significatives de leurs propriétés, avec une phase amorphe privilégiée pour sa transparence, mais un indice de réfraction inférieur à celui de la phase cristalline, cette dernière étant cependant associée à des défauts structuraux et à des pertes optiques accrues, limitant leur utilisation dans certaines applications.
Dans cette étude, les chercheurs ont déposé des couches minces de Ta₂O₅ sur silicium par pulvérisation cathodique radiofréquence (RF), en faisant varier la densité de puissance (2,19 à 6,57 W/cm²), le débit d’oxygène (0 à 16 sccm) et la température de recuit thermique rapide (RTA, de 450 °C à 850 °C). Les propriétés structurales ont été analysées par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge (FTIR) et microscopie électronique en transmission (TEM), tandis que les propriétés optiques ont été caractérisées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie.
Cette étude a permis de mettre en évidence plusieurs résultats majeurs : un rapport Ta/O proche de la stœchiométrie (0,38) a été obtenu pour une densité de puissance de 3,29 W/cm² et un débit d’oxygène de 8 sccm, offrant une composition optimale pour des propriétés optiques stables. La cristallisation, initiée à 650 °C, conduit à une phase orthorhombique (β-Ta₂O₅) dominante à plus haute température, comme confirmé par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique en transmission (TEM). L’indice de réfraction (n) atteint ainsi un maximum de 2,24 à 750 °C, avant de diminuer à 2,18 à 850 °C, en raison de la densification puis de la dégradation structurale. Par ailleurs, le coefficient d’extinction (k) subit un décalage vers le rouge, passant de 4 eV à 3 eV après cristallisation, traduisant une augmentation de l’absorption liée à la formation de défauts structuraux, notamment des lacunes d’oxygène. Enfin, la bande interdite optique (Eg) diminue de 4,14 eV à 2,5 eV après cristallisation, en raison de la création d’états intermédiaires dans la bande interdite.
En conclusion, cette étude montre qu’un compromis optimal entre un indice de réfraction élevé, une faible perte optique et une large fenêtre de transparence peut être atteint en contrôlant la phase amorphe ou cristalline des couches. Les couches amorphes présentent un indice de réfraction de 2,15 et une fenêtre de transparence relative étendue (1,55–4,5 eV), alors que les couches cristallines offrent un indice de réfraction plus élevé (2,24), mais une transparence réduite due à l’absorption sous-bande interdite. Ces résultats ouvrent des perspectives pour des applications optiques avancées, comme les filtres interférentiels, les guides d’ondes non linéaires ou les métamatériaux photoniques, et suggèrent comme prochaine étape l’optimisation des conditions de recuit pour minimiser les défauts structuraux et améliorer encore les performances optiques.
Performances optiques du Ta₂O₂ transparent à indice de réfraction élevé : taille de la fenêtre de transparence relative (Esize) en fonction de l’indice de réfraction n. La zone en pointillés gris représente les films cristallisés, tandis que la zone en rose correspond aux films amorphes. Les flèches indiquent les étapes de traitement (conditions de croissance et recuit).
Référence :
« Tailoring structural and optical properties of Ta2O5 thin films via radio frequency magnetron sputtering for high-refractive index transparent materials », Journal of Alloys Compounds, 1040, 183273 (2025).
(Base de données refractiveindex.info)
Contact :
Julien Cardin, IRAMIS/CIMAP/NIMPh
Collaboration :
- Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux – CIRIMAT (UMR CNRS, Université Toulouse, Toulouse INP), France.
- Nanoscale & Quantum Phenomena Institute – NQPI, Ohio University, USA.