Caractérisation des couches minces par les techniques optiques
A. BOUGHELOUT, A. HAMMOUDA.
Welding and NDT Research Centre (CSC) BP 64 CHERAGA - AlGERIA.
a.boughelout@csc.dz
L. CHABANE, N. ZEBBAR et M. KECHOUANE Laboratoire de Physique des Matériaux ; Equipe « Couches
Minces et Semi-conducteurs »
Faculté de Physique, USTHB, B.P. 32, El Alia, 16111 Bab-Ezzouar, Alger, ALGERIE.
Abstract— Dans ce travail nous avons utilisé des techniques optique et structurale pour caractériser des couches minces de ZnO déposé par pulvérisation cathodique sur des substrats du verre corning et du silicium monocristallin. Nous avons utilisé la spectroscopie Raman pour analyser le type de la structure du couche mince (ZnO) ainsi la diffraction des rayons X, Les caractérisations optiques comportent le relevé des transmittances dans l’UV-Visible et les paramètres optiques tel que les indices de réfraction des couches et leur épaisseur, les mesures de la photoluminescence pour déduire le gap des couches et les niveaux des défauts dans le matériau.
Les caractérisations structurales (diffraction des rayons X et Raman) mettent en évidence une structure hexagonale würtzite de ZnO, Les mesures de transmission optique des couches montrent que la transmission optique est très élevée (facteur de transmission) dans la gamme de longueurs d’ondes située entre 400nm et 2500 nm.
Mots-clés— pulvérisation réactive, oxyde de zinc, propriétés optiques, caractérisation structurale, conductivité électrique.
I. INTRODUCTION
Le développement technologique de certains domaines tels que l’électronique, l’optoélectronique et surtout le photovoltaïque au cours de ces dernières années, a contribué à l’apparition de nouvelles voies de recherche, ces dernières visent à développer des matériaux présentant à la fois de bonnes propriétés (électriques et optiques) et un bas prix de revient.
C’est dans ce cadre que les oxydes transparents conducteurs sont apparus.
Pour la caractérisation des ces matériaux des techniques d’analyse et de caractérisations sont développées tel que les techniques optique comme la spectroscopie Raman spectroscopie UV-visible la photoluminescence l’ellipsométrie
….qui sont des techniques très utilisée pour la caractérisation des couches minces.
II. CARACTÉRISATIONS STRUCTURALE A.DIFFRACTION DES RAYONS X
Les couches élaboré à une fortes pression d’oxygène figure 1.a indiquent une croissance plus désordonnée se manifestant par la présence d’une phase amorphe aux faibles angles de diffraction. Contrairement à la couche plus faible pression d’oxygène figure 1.b, où le pic (002) est plus intense et plus fin, indiquant une amélioration de la qualité cristalline le long de l’axe c. Ces différences dans les diffractogrammes peuvent être expliquées en termes des différents mécanismes de réaction en surface pendant la croissance des films.
Rappelons que ces échantillons ont été préparés à pression totale constante de 0.7 mbar, à la température de dépôt de 100°C et ont subit un recuit à 300°C pendant une heure.
Nous représentons dans la figure 1 les diffractogrammes des échantillons 061211(PAr/PO2= 11%) et le 101211 (PAr/PO2 = 16%).
9 18 27 36 45 54 63 72 81
0 9 18 27
I (a.u)
2 (°)
061211 (PAr/PO2 = 11%)
(a) (002)
Figure 1 : Diffractogrammes des rayons X des couches
8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 100
200 300 400
I (a.u)
2
101211 (PAr/PO2 = 16%)
(b) (002)
Figure 1 a et b : Diffractogrammes des rayons X des couches
Dans le tableau 1, sont rapportées les valeurs des paramètres déduits des diffractogrammes de la figure 1
Tableau 1 : Paramètres de structure des couches de ZnO déposées Echantillons Pic
(hkl)
Positions pics (2θ±0.04
(°))
Largeur à mi- hauteur
(°)
Taille des grain
s (nm)
Param ètre
de maille c (A°) PAr/PO2= 16 % 002 34.39 0.22 34 5,21 PAr/PO2 = 11 % 002 34.37 0.32 29 5,21
Ces résultats donnent une taille moyenne des grains orientés dans la direction (002) de l’ordre de 30 nm.
B.MESURES RAMAN
Nous remarquons sur la figure 1.c la présence des pics associée aux substrats (silicium monocristallin) et qui sont superposé avec les pics des couches du ZnO et comme les épaisseurs des couches sont trop faibles on ne peut pas voire les pics associée au ZnO iniquement.
101211 061211 231211
1000 2000 3000
0 1000 2000
H B D
Figure 1.c : Analyse Raman des couches
III. CARACTERISATIONS OPTIQUES
Les caractérisations optiques comportent le relevé des transmittances dans l’UV-Visible et les paramètres optiques déduits de l’ellipsométrie.
Les spectres dans la figure 3.a montré que le film de ZnO déposé présente un taux de transmission très élevé (de l’ordre de 90%) dans la gamme du visible entre 400 et 800 nm et un front d’absorption dans l’UV à environ 376 nm. L’apparition des franges d’interférences résulte des réflexions entre les deux interfaces du film, ceci indique que la couche déposée est de surface lisse et homogène.
Figure 3.a : Spectres de transmittance UV-Visible des couches
Figures 3.b : Variation de la réflectivité, en fonction de la longueur d’onde, des films déposés
Dans le tableau 3 nous rapportons les épaisseurs, les indices de réfraction, le gap optique et l’énergie d’Urbach
obtenus par les mesures de transmission optique, pour l’ensemble des échantillons élaborés.
Tableau 3 : Caractéristiques optiques des couches déposées.
Echantillon
Epaisseur (A°)
Indice de ref.
Gap (eV)
Energie d'Urbach
(eV) (PAr/PO2= 7%) 500.5 1.73 3,9 0,382 (PAr/PO2= 11%) 600 1.84 3,27 0,130 (PAr/PO2= 16%) 758 1.92 3,30 0,110
A partir de ces résultats nous représentons dans la figure 3.c l’évolution de la vitesse de dépôt en fonction du rapport des pressions (PAr/PO2). On définit la vitesse de dépôt comme étant le rapport entre l’épaisseur de la couche et le temps de dépôt :
(A°/s)
8 12 16
8 10 12
Vdépôt
Vdépôt (A°/s)
PAr/AO2 (%)
Figure 3.c : Evolution de la vitesse de dépôt des couches déposées en fonction du rapport des pressions dans l’enceinte.
On remarque que la vitesse de dépôt augmente rapidement avec l’augmentation de la pression d’argon dans la chambre de dépôt. En effet à plus forte pression d’argon la quantité de matière arrachée de la cible de zinc est plus importante, ce qui entraine une épaisseur plus élevée de la couche déposée. On dit que L’augmentation de la pression d’argon accélère le processus de dépôt [1]. La variation de la largeur du gap s’explique par celle de l’énergie d’Urbach (désordre), exceptée le cas particulier de l’échantillon 231111 (PAr/PO2= 7%) pour lequel le gap optique et le désordre sont les plus élevés.
Remarquons que ce dernier présente une forte absorbance à une plus faible longueur d’onde.
IV. CARACTERISATIONS PHOTOLUMINESCENCE (PL) L'étude de la photoluminescence de ZnO est intéressante du fait qu'elle peut fournir des informations aussi bien sur la qualité des matériaux que sur la qualité cristalline des films [2].
Pour cela, des mesures de photoluminescence ont été effectuées afin d’étudier la configuration des bandes d’énergie des films élaborés, de même que leurs niveaux d’impuretés en fonction des conditions utilisées durant le dépôt et les traitements appliqués.
Sur la figure 4 nous présentons les spectres de photoluminescence, à la température ambiante, obtenus sur une couche mince de ZnO non dopée déposée sur un substrat de verre à la température ambiante.
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Intensité de PL
Energie d'émission (eV) 190213 R (essai2)
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Intensité de PL
Energie d'émission (eV) 200213 R (Essai 2)
Figure 4 : les spectres de photoluminescence
Les spectres de photoluminescence (PL) des couches minces de ZnO non dopées mettent en évidence la présence des principales bandes d'émission situés, respectivement, à : 382 et 518 nm.
La première émission dans l’UV, à 382 nm, est liée à la transition bande à bande de ZnO. Elle fournit des informations
sur la qualité cristalline à partir de corrélations avec des résultats de DRX obtenus sur les films élaborés [2].
L’émission correspondant à notre spectre, dans le bleu-vert à environ 520 nm, est une caractéristique de l'oxyde de zinc.
Les origines de cette émission ont été discutées par différents auteurs. La plupart d'entre eux l’attribuent aux défauts cristallins dans la couche. Elle est généralement reliée à la présence de lacunes en oxygène [3,4], et aux centres d'activation. Par contre, d'autres auteurs, l’attribuent à la recombinaison électron-phonon, à la déformation du réseau de la maille, et aux interstices de zinc introduits pendant la croissance des échantillons [5, 6].
V. CONCLUSION
Les résultats de la caractérisation des couches semi- conductrices d’oxyde de zinc par pulvérisation cathodique DC, en faisant varier la pression partielle du flux d’oxygène. Les propriétés structurales, optiques ont été analysées. Nous avons obtenu des couches polycristallines de structure hexagonale würtzite de ZnO, leurs réseaux cristallins sont plus ordonnés pour une plus faible pression d’oxygène dans l’enceinte de dépôt avec une orientation préférentielle [002], cette structure et de mauvaise qualité cristalline et qui devient amorphe aux
pressions les plus élevées. Tous les films déposés sont transparents dans le domaine des longueurs d’ondes du visible.
Nous avons montré que la pression partielle d’oxygène influence fortement les propriétés des films synthétisés.
REFERENCES
[1] L. Li a, L. Fang, X.M. Chen, J. Liu, F.F. Yang c, Q.J. Li, G.B.
Liu, S.J. Feng, Influence of oxygen argon ratio on the structural, electrical, optical and thermoelectrical properties of Al-doped ZnO thin films, Physica E 41 (2008) 169–174.
[2] Z. SOFIANI, « Contributions à l'étude des propriétés optiques non linéaires de nanoparticules en couches minces à base de ZnO
», thèse de Doctorat, Université d'Angers, Université d'Ibn Tofail, 2007.
[3] [14] K. Vanheusden, C. Seager, W. Warren, D. Tallant, J. Voigt, Appl. Phys. Lett. 68, 403 (1996)
[4] [15] B. Jin, H. Woo, S. Im, S. Bae, S. Lee, Appl. Surf. Sci.
169/170, 521 (2001).
[5] [16] K. Vanheusden, W. Warren, C. Seager, D. Tallant, J. Voigt, J. Appl. Phys. 79, 7983 (1996)
[6] [17] J. Lim, K. Shin, H.W. Kim, C. Lee, J. Lumin. 109, 181 (2004).
