Academic literature on the topic 'Emetteurs de lumière en silicium'

L'objectif de cette thèse est d'explorer le potentiel des impuretés complexes de carbone dans le silicium (G-centers) pour des applications dans les technologies quantiques. Ce défaut ponctuel a été initialement mis en évidence dans des échantillons de Si riches en carbone soumis à une irradiation électronique à haute énergie suivie d'un recuit à haute température. Une caractéristique clé des centers-G est leur émission infrarouge, correspondant à l'importante longueur d'onde de la bande O des télécommunications optiques qui s'étend entre 1260-1360 nm. Nous avons démontré que nous sommes capables de créer des centres G individuels par implantation ionique dans du SOI, du 28Si isotopiquement purifié sur isolant, et des nanostructures photoniques telles que des résonateurs diélectriques de Mie vers des sources intégrées de photons uniques dans le silicium émettant dans la gamme de longueur d'onde des télécommunications. Par lithographie optique et de gravure au plasma, associée à un démouillage à l'état solide de silicium cristallin ultra-mince sur isolant, afin de former des résonateurs de Mie monocristallins. En intégrant des centres G émetteurs de lumière dans les antennes en Si, j'ai conçu l'émission de lumière en réglant la dose de carbone, l'énergie du faisceau et la taille des îlots afin d'optimiser le couplage entre les émetteurs et les résonances de Mie. L'émission de lumière directionnelle à 120 K a été démontrée expérimentalement et confirmée par des simulations FDT. Nous estimons qu'avec un couplage optimal de l'émission des centres G avec les antennes résonantes, une efficacité de collecte d'environ 90 % peut être atteinte en utilisant un objectif conventionnel<br>The aim of this thesis it to explore the potential of complex carbon impurities in silicon (G-centers) for applications in quantum technologies. This point defect was originally highlighted in carbon-rich Si samples undergoing high-energy electron irradiation followed by high temperature annealing. A key feature of G-centers is their infrared emission, matching the important optical telecommunications wavelength O-band spreading between 1260-1360 nm. Through my PhD work we have demonstrated that we are able to create individual G-centers by ion implantation in conventional silicon on insulator, isotopically purified 28Si on insulator, and embed these emitters in photonic nanostructures such as dielectric Mie resonators. We developed a low-resolution optical lithography and plasma etching method joined with solid state dewetting of monocrystalline, ultra-thin, silicon on insulator to form monocrystalline, atomically-smooth, Mie resonators in well-controlled and large, periodic arrays.By integrating light emitting G-centers within the Si-based antennas we engineered the light emission by tuning carbon dose, beam energy and islands size in order to optimize the coupling between the emitters and the Mie resonances in space and frequency. directional (Huygens-like) light emission at 120 K was demonstrated experimentally and confirmed by finite difference time domain simulations. We estimate that, with an optimal coupling of the G-centers emission with the resonant antennas, a collection efficiency of about 90% can be reached using a conventional objective lens

Ce travail de thèse porte sur l’étude et le développement de lasers à cavité verticale accordable ultra rapide pour des applications à la distribution de haut débit optique. Dans ce contexte l’accent a été mis sur différentes parties du laser : les miroirs de Bragg, la zone active et l’injection électrique. L’utilisation d’un miroir hybride en fond de cavité, composé d’un Bragg diélectrique et d’une couche d’or a permis d’augmenter la puissance de sortie. L’insertion de fils quantiques dans la zone active à permis de démontrer une émission laser sous pompage optique continu à température ambiante, avec une émission polarisée (1000:1) dans le sens des fils. Un second composant pompé électriquement a été étudié et mis en œuvre. L’injection électrique utilise une jonction tunnel enterrée. Le montage du laser se fait selon la technique originale de flip-chip développée par la société Intexys. Un travail de modélisation et d’optimisation de la jonction tunnel a conduit à de faibles résistances d’accès<br>This thesis deals with the study and the development of fast and tunable vertical cavity lasers for applications to high-speed optical data transmission. In this context, the highlighting has been placed on different parts of laser: Bragg mirrors, active zone and electrical injection. Using a hybrid mirror in the bottom of the cavity, composed of a dielectric Bragg and a layer of gold, we have demonstrated an increase of the output power. The insertion of quantum wires in the active zone made possible to demonstrate a laser emission under continuous optical pumping at room temperature with a polarized emission (1000:1) in the direction of the wires. A second component electrically pumped has been studied and implemented. The electrical injection uses a buried tunnel junction. The assembling of laser is based on the original technique developed by the company Intexys. A work of modeling and optimization of the tunnel junction has led to a low access resistance

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de modulateurs de lumière rapides, intégrés dans des microguides d'ondes sur substrat silicium sur isolant (SOI). Dans le silicium, la modulation du nombre de porteurs libres est l'effet physique qui conduit à la plus grande variation de l'indice de réfraction du matériau. La structure originale des modulateurs étudiés est basée sur la désertion de porteurs dans un empilement de multipuits silicium-germanium/silicium à modulation de dopage, inséré dans une diode pin. Sous polarisation inverse, la désertion des trous initialement confinés dans les puits induit une variation de l'indice effectif du mode guidé. Cet effet a été mesuré sur des composants de test réalisés à l'IEF. Les performances du modulateur intégré dans un guide d'onde SOI en arête ont été prévues théoriquement et l'empilement a été optimisé par des simulations électriques et électromagnétiques couplées. La réponse temporelle intrinsèque a été calculée. L'influence des pertes optiques dans les zones de contact a été étudiée. Pour obtenir une modulation d'intensité, différentes structures interférométriques intégrées ont été comparées. L'ensemble de ces études a conduit au dimensionnement de modulateurs intégrés performants en tenant compte des contraintes technologiques imposées par la géométrie des guides<br>This work deals with the design and the realization of fast optical modulators, integrated in Silicon On Insulator (SOI) waveguides. In silicon, free-carrier density variation is the physical effect that leads to the largest refractive index variation. The studied modulator is based on free carrier depletion in a silicon-germanium/silicon multilayer structure, included in a PIN diode. A reverse bias applied to the diode depletes holes from SiGe wells, and creates a variation of the guided mode effective index. This effective index variation has been experimentally measured. Electrical and electromagnetic simulations have been used to calculate the structure performances, and to optimize the structure for the integration in a rib waveguide. The intrinsic response time has been calculated. The influence of optical losses in contact areas has been evaluated. To obtain intensity light modulation, interferometric structures have been compared. All the studies presented have lead to the design of efficient integrated modulator, taking into account technological constraint due to the waveguide geometry

Ce travail porte sur la caractérisation optique du silicium poreux et son application à la réalication de structures à modulation d'indice (superréseaux). Une première étude de la diffusion optique a montré l'homogénéité de ce matériau à l'échelle de la lumière, justifiant une description par un indice de réfraction moyen. Si la formation électrochimique du silicium poreux permet l'obtention de couches minces d'épaisseurs parfaitement définies, en revanche des fluctuations du front de dissolution entrainent une diffusion à l'interface silicium poreux/silicium cristallin. Cet effet a nécéssité de développer une analyse des mesures optiques dans le cas d'interfaces rugueuses. La détermination des constantes optiques a été réalisée par une mesure à basse température de la transmission par photoconduction dans le silicium cristallin et par ajustement des spectres de réflectivité des couches minces. D'une manière générale, alors que la dispersion de l'indice est assez faible, l'absorption du siliicum poreux se caractérise par une dépendance exponentielle sur une grande plage en énergie. Cette étude a permis la réliasation de structures à modulation d'indice telles que des réflecteurs de Bragg, des filtres Fabry-Perot ou des microcavités luminescentes. La mise en évidence de différences entre la formation des couches simples et enterrées a compliqué la caractérisation de ces structures. La très bonne qualité optique et le fort rendement quantique intrinsèque au silicium poreux de type P ont permis d'obtenir des microcavités luminescentes très efficaces. Enfin, en combinant l'holographie et la photochimie, un nouveau type de gravure en profondeur a été développé permettant d'obtenir des structures à modulation d'indice latérale de périodicité submicronique. La photodissolution localisée du matériau a été mise en évidence après et pendant la formation de la couche poreuse et ce pour tout type de silicium poreux y compris le macroporeux

L'étude des précipités d'oxygène et des dislocations dans le silicium représente un enjeu important pour l'amélioration de la qualité des substrats SOI ou silicium. La technique LST (« Laser Scattering Tomography »), particulièrement adaptée à la densité ou la taille relativement faibles des défauts recherchés, est basée sur la diffusion de la lumière infrarouge. Ces travaux présentent les développements nécessaires de cette technique pour la mesure puis l'étude du comportement et de l'évolution des défauts. La taille des précipités d'oxygène individuels, à présent accessible, permet d'étudier leur croissance au cours du temps pour différentes températures et morphologies. L'étude des défauts étendus en fonction de la polarisation de la lumière incidente est ensuite détaillée. Le développement de la théorie de la diffusion de la lumière par les dislocations combinée aux différents développements de la technique LST permet la détermination complète du système de glissement d'une boucle de dislocation non décorée. Enfin, les mesures LST permettent de discriminer les dislocations décorées des non décorées<br>The on-going quality improvement of Silicon-On-Insulator wafers motivates further development of Laser Scattering Tomography (LST). This technique enables the investigation of oxygen precipitates and dislocations in silicon by means of infra-red light scattering. After evaluating the LST capability for the investigation of statistical populations of oxygen precipitates, the characterisation of individual precipitates was addressed. The size of specific oxygen precipitates was accurately monitored during their growth for different temperatures and defect morphologies. In the second part of this work, the theory of light scattering by a dislocation was adapted to the silicon case. This development combined with the tomography and polarization LST options makes it possible the complete characterisation of non-decorated dislocation slip systems. The discrimination of decorated vs. Non-decorated dislocations is also achievable by LST

Ce travail de thèse concerne la réalisation et l'analyse des propriétés optiques de nanocristaux de silicium. Ces objets de taille nanométrique possèdent des propriétés optiques remarquables, en particulier de photoluminescence. Les propriétés de confinement quantique qui les caractérisent permettent d'obtenir un signal de luminescence intense dans le domaine du visible. Des composants optoélectroniques et photoniques ont été envisagés à base de nanocristaux de silicium. Les raisons physiques du fort signal de luminescence en revanche sont encore mal comprises. Les nanocristaux de silicium sont élaborés par évaporation. L'élaboration et le recuit thermique de multicouches SiO/SiO2 permet d'obtenir des nanocristaux de silicium de diamètre moyen bien contrôlé. Ceux-ci sont issus de la démixtion de la couche de SiO selon la réaction SiOx --&gt; Si + SiO2. Le contrôle du diamètre des nanocristaux de silicium permet de maîtriser la région spectrale de luminescence dans la région du visible.La première partie de ce travail de thèse vise à isoler un ou quelques nanocristaux de silicium. L'objectif est de remonter à la largeur homogène de ces nano-objets. Dans un premier temps, une étude centrée sur le matériau SiOx est réalisée afin de réduire la densité surfacique de nanocristaux de silicium. Dans un deuxième temps, des moyens de lithographie ultime sont mis en oeuvre afin de réaliser des masques percés de trous de diamètres de l'ordre de la centaine de nanomètre. Des expériences de spectroscopie optique sont réalisées sur ces systèmes.La deuxième partie de ce travail vise à contrôler l'émission spontanée de lumière issue des nanocristaux de silicium. Ceci se fait en couplant les modes électroniques aux modes optiques confinés d'une microcavité optique. Le manuscrit détaille les moyens développés afin d'obtenir une microcavité optique dont les modes optiques puissent se coupler efficacement aux nanocristaux de silicium. Les propriétés optiques de ces systèmes sont finalement analysées<br>This work concerns the implementation and analysis of optical properties of silicon nanocrystals. These nanoscaled objects have remarkable optical properties, especially in photoluminescence. The properties of quantum confinement that characterize them allow obtaining an intense luminescence signal in the visible range. Optoelectronic and photonic devices have been proposed based on silicon nanocrystals. The physical reasons of the strong luminescence signal, however, are still poorly understood. The silicon nanocrystals are prepared by evaporation. The preparation and thermal annealing of multilayers SiO/SiO2 leads to silicon nanocrystals with a well controlled average diameter. They are created during the demixing of the SiO layer by the reaction SiO ? Si + SiO2. The control the diameter of the silicon nanocrystals influences directly the spectral region of luminescence in the visible region.The aim of first part of this work is to isolate one or a few silicon nanocrystals. The intent is to trace the homogeneous width of these nano-objects. Initially, a study focusing on the SiOx material is conducted to reduce the surface density of silicon nanocrystals. In a second step, lithography is implemented to make masks with holes with diameters of about one hundred nanometers. Optical spectroscopy experiments were performed on these systems.The second part of this work aims controlling the spontaneous emission of light from silicon nanocrystals. This is done by coupling the electronic transmission to optical modes confined in an optical microcavity. The manuscript describes the methods developed to obtain an optical microcavity whose optical modes can be coupled effectively to the silicon nanocrystals. The optical properties of these systems are finally analyzed

Ce travail introduit des moyens pratiques pour améliorer les propriétés optiques des circuits à base de silicium pour les applications optoélectroniques. Nous avons présenté un processus d’implantation d’une zone de défauts dans la base, proche de la jonction émetteur-base, d’un transistor bipolaire. Les résultats montrent que l’intensité de la lumière émise par le silicium est amplifiée par la présence d’une sous structure constituée de nano-défauts ; nous confirmons la modification locale des niveaux d’énergie dans le silicium cristallin. Ce travail apparaît comme un travail de base permettant de réaliser une amplification de la lumière émise par du silicium. Ces résultats conduisent à proposer une avancée technologique en monitorant la création d’une sous-structure par injonction de porteurs énergétiques dans une jonction d’un composant pour la microélectronique. Une cavité optique, bien structurée pour envisager un laser « tout silicium » doit résulter d’un suivi de densités de défauts, du taux de génération lié à leur localisation et conduisant à maîtriser les effets de la dégradation et de passivation des défauts. Ces résultats présentent un processus avancé pour l’implantation de fonctionnalités optiques dans les dispositifs électroniques de silicium<br>This groundwork introduces practical ways for improving the optical properties of silicon devices for optoelectronic applications. Hot carriers injection has been performed with an applied reverse bias to the emitter-base junction of bipolar transistors in order to create a nanosize defect layer in the p-type silicon base, located at the emitter-base junction. The process has been controlled by the analysis of the jonction I(V) characteristic at each steps of the stress. The observed increase of the light emission intensity is related to a carrier confinement, and the defect layer appears as an optical cavity. Improvements for integration of optoelectronic operations in silicon microelectronic devices need engineering works concerned for the realisation of a better optical cavity by control of the defect generation rate, localisation and passivation effects, then stabilization of the layer properties. The energy levels can be calculated using quantum theory for spectral analysis. Thses results present an advanced process for implantation of optical functionalities in silicon electronic devices

L'étude proposée consiste à préciser les processus de dégradation de transistors bipolaires soumis à une contrainte électrique par polarisation inverse, en régime d'avalanche, de la jonction émetteur-base. La finalité est de déterminer les conditions de stabilité de l'émission lumineuse de la jonction afin d'envisager des applications optoélectroniques du composant au silicium. La méthode de caractérisation utilisée consiste à déterminer, au cours du temps et en fonction de la contrainte, l'évolution des paramètres de la jonction (courant inverse de recombinaison, facteur d'idéalité et résistance série) obtenus à partir de la description des caractéristiques courant-tension avec des modèles à deux exponentielles. Les processus de dégradation ainsi que leurs effets aussi bien sur la structure du composant que sur les phénomènes de transport des porteurs ont été précisés. L'analyse des résultats a montré qu'il y a existence de deux périodes de dégradation de paramètres durant le stress électrique, caractérisées par deux taux différents. L'origine de ces périodes a été liée aux phénomènes de libération et de mobilité d'ions hydrogène à l'interface de la jonction émetteur-base et à la modification locale de la structure cristalline. Il est souligné que ces périodes correspondent aux deux phases d'émission lumineuse, d'abord tout le long de la jonction et ensuite en des points très localisés<br>This work proposed in specifying the processes of bipolar transistors degradation subjected to an electrical stress via avalanche breakdown of the reverse biased emitter-base junction. The finality is to determined the stability conditions of the light emission of the silicon junction in order to consider optoelectronics applications of silicon components. The method of characterization consists to determining, as function of stress time, the evolution of the parameters of the junction (recombination current, ideality factor and series resistances), obtained starting from the description of the current-tension characteristics with a two exponential models. The processes of degradation as their effects as well on the structure of the component as on the phenomena of transport of the carriers were specified. The analysis of the results showed that there is two periods existence of parameters degradation during the electrical stress, characterized by two different rates. The origin of these periods was related to the phenomena of release and of mobility of hydrogen ions to the interface of the emitter-base junction. These two intervals introduced by the differentiation of the evolution of junction parameters during stress correspond to the changes of the light emission observed all along the entire junction before it concentrated into localised junction sites