Aspects expérimentaux
L’objectif de ce chapitre est d’introduire les aspects expérimentaux sur lesquels repose ce travail de thèse. Dans le régime du proche infrarouge, dans lequel nous travaillons, l’équipement utilisé est peu commun et coûteux. En particulier les photodiodes InGaAs utilisées ici sont bien moins efficaces que les photodiodes silicium pour la détection dans le visible. A la fin de ce chapitre, auront été décrits tous les outils permettant de saisir l’ensemble des mesures qui seront présentées au chapitre suivant, comme la photoluminescence résolue en temps et les mesures d’auto-corrélation de l’intensité. Ce chapitre est divisé en trois sections : la première (section
2.1) est consacrée à la description de l’ensemble des échantillons avec le procédé de fabrication utilisé pour créer des centres G. La deuxième (section 2.2) est vouée à la description détaillée du dispositif expérimental. Et enfin en dernière section (2.3) on expliquera les différentes techniques de spectroscopie appliquées aux centres G.
2.1 Fabrication et description des échantillons
2.1.1 Fabrication de centres G
Nous décrivons ici la méthode de fabrication des échantillons permettant de générer une grande densité de centres G dans un échantillon de silicium. Bien que l’on ait eu de nombreux échantillons à notre disposition pendant cette thèse, ils reposent tous sur le même procédé de fabrication qu’on peut retrouver dans la littérature [67,69]. Ces échantillons sont le fruit d’une collaboration de différents groupes chacun spécialisé dans un domaine :
— Le groupe de Marco Abbarchi de l’université d’Aix Marseille s’employait à nous fournir des substrats de silicium et s’occupait aussi du recuit des échantillons nécessitant des fours particuliers qui montent très vite en température.
— Le groupe de Sébastien Pezzagna et Jan Meijer de l’université de Leipzig réalisait l’implantation carbone et l’irradiation proton.
Le substrat ayant été principalement utilisé est du silicium sur isolant (SOI = "silicon on insulator"). Le SOI est une structure constituée d’un empilement d’une couche de silicium mono-cristallin de 220 nm d’épaisseur (épaisseur la plus répandue dans le marché) sur une
couche de dioxyde de silicium (SiO2) qui correspond à l’isolant. Cet empilement repose sur du silicium massif de quelques millimètres d’épaisseur.
On explique maintenant chacune des étapes intervenant dans la fabrication de centres G dans un échantillon type, et qui sont illustrées dans la figure2.1 :
1. Implantation carbone : on soumet le substrat à un faisceau d’ions carbone pour introduire le carbone dans la matrice. La profondeur à laquelle sont incorporés les ions carbone dépend de l’énergie d’implantation. Avec une énergie d’implantation comprise entre 5 keV et 100 keV, on s’assure que la majeure partie des ions implantés sont localisés dans les 100 premiers nanomètre de la couche supérieure de silicium. La densité en carbone résulte du flux (dose) du faisceau d’ions. Celui-ci peut avoir des valeurs entre [C] = 109 et 1015 cm−2. Dans le cas du silicium massif, l’implantation carbone n’est pas forcément nécessaire car le silicium est déjà riche en atomes de carbone résiduels (voir section 1.2.3). D’ailleurs Chartrand et al. [105] ont obtenu une grande densité de centres G dans du silicium massif non implanté carbone.
2. Recuit : l’étape 1 d’implantation est un processus qui endommage fortement le cristal et l’amorphisme. Pour réordonner la matrice on procède à un recuit rapide à haute température (1000◦C) pendant 20 s sous une atmosphère neutre de diazote (N2).
3. Irradiation proton : l’étape suivante est d’irradier en protons (H+) le silicium avec un flux (dose) qui peut être choisi entre [H+] = 109 et 1016cm−2. Cette dernière étape est essentielle dans la formation des centres G. L’irradiation se fait avec un accélérateur Singletron 3 MeV qui dispose d’un système de focalisation de faisceaux à l’échelle micrométrique et d’un système permettant de balayer le faisceau à la surface de l’échantillon avec une grande précision. Cela permet d’avoir une irradiation localisée de l’échantillon. L’énergie typique d’irradiation est de 2.25 MeV correspondant à un libre parcours moyen des protons au sein de la matrice de plusieurs µm. C’est une des raisons pour lesquelles on utilise principalement du SOI, de cette manière on s’assure que les centres G sont localisés proches de la surface dans la couche mince de silicium. L’étape d’irradiation est une étape très bien maîtrisée et connue spécialement par la communauté des centres NV du diamant. INTERET DE L IRRADIATION PROTONS
Nous verrons au chapitre 3 que cette procédure de fabrication a bien abouti à la création de centres G puisque nous détectons bien le signal de photoluminescence. De plus nous verrons que la dose d’irradiation affecte drastiquement le signal de PL émis. Cependant nous ne sommes pas capables actuellement d’évaluer la densité de centres G créés.
Fabrication et description des échantillons
Implantation C et recuit: 36 keV, [C] = 1⇥ 1014ions/cm2 Implantation protons : 2 MeV Leipzig, J. Meijer et al.
220 nm Si sur isolant (SOI) Marseille, M. Abbarchi et al.
Figure 2.1 : Différentes étapes intervenant dans la création d’un ensemble de centres G avec l’indication des lieux de réalisation. Les carrés rouges représentent les zones implantées protons ; la dose d’irradiation proton est (de gauche à droite) [H+] = 9 × 1014, 3 × 1014, 1 × 1014, 3 × 1013 et 1 × 1013 cm−2. Les carrés ont une surface de 50 × 50 µm2; le cercle en vert indique grossièrement la zone où a été trouvé les centres uniques (section 3.4) ; cette zone se trouve à environ 200 µm de la zone la moins irradiée (le carré le plus à droite).
2.1.2 Liste d’échantillons
L’ensemble des échantillons qui sont décrits ci-dessous repose sur le même procédé de fabrication. Les échantillons diffèrent seulement par les flux d’implantation et d’irradiation aux étapes 1 et 3. Voici une liste des échantillons en notre possession :
— PRB : il fait partie des premiers échantillons étudiés. Sa description est montrée sur la figure
2.1. La densité d’atomes de carbone implantés dans l’échantillon est homogène sur toute la surface de l’échantillon avec un [C] = 1 × 1014 cm−2. De cette échantillon sont issus nos résultats qui ont été publiés [106]. De plus c’est sur cet échantillon que nous avons détecter des centres uniques dans une zone de l’échantillon loin (> 200 µm) des carrés irradiés. — GZF : la disposition de l’échantillon est schématisée en figure 2.2. Le carbone est implanté
dans des disques de 1 mm de diamètre avec une dose allant de [C] = 3 × 1011 à 3 × 1015
cm−2. Les disques sont irradiés en protons sur des zones de 100 × 100 µm2 avec une dose allant de [H+] = 1 × 1010 à 3 × 1016 cm−2. Cet échantillon permet l’étude systématique de l’influence des doses d’irradiation protons et d’implantation carbone sur la densité de centres G. Ces résultats seront présentés en section 3.1.2.
— Si3N4 : cet échantillon dispose d’une couche anti-reflet de nitrure de silicium (Si3N4) de 234 nm d’épaisseur. Il a été implanté en carbone avec une dose de [C] = 3×1013cm−2, et irradié protons uniformément sur toute sa surface. La couche anti-reflet a un indice de réfraction à 1.3 µm de 2. Le but premier de cet échantillon était d’obtenir une meilleure extraction de la lumière hors de l’échantillon. On devait obtenir jusqu’à 30% en plus de lumière extraite du substrat par rapport à un échantillon sans couche anti-reflet. On verra au chapitre 3 section
— Échantillons nano-structurés : beaucoup d’efforts ont été consacrés pour étudier des substrats nano-structurés avec des nano-fils et des cristaux photoniques. Le but était d’améliorer l’efficacité d’extraction de lumière émise par les centres G. Les principaux résultats issus de ces échantillons seront détaillés en annexe B.
— Échantillons de boite quantique en nanofils : il nous faut mentionner aussi les échantillons de boites quantiques en nano-fils. Ce sont les échantillons qui nous permis de caractériser et d’aligner le dispositif expérimental d’auto-corrélation de l’intensité décrit en section 2.3.2.4. La forme en aiguille des ces boites quantiques permet une grande efficacité d’extraction de la lumière (jusqu’à 72% [107]). Il est alors aisé de pouvoir caractériser notre microscope confocal et confirmer la capacité du dispositif de mesurer une statistique de photons uniques. Nos études sur cet échantillon sont soumis à publication et sont décrits en annexe A.
Figure 2.2 : Schémas de l’échantillon GZF. Les zones gris foncées et rouges correspondent respectivement aux zones implantées carbone et protons (les dose d’irradiation protons sont exprimées en cm−2) ; la partie gris claire est vierge.