Cette thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de surfaces micro-structurées de silicium, obtenues par traitement dans un plasma SF6/02 à des températures cryogéniques. La texturation qui résulte de ce traitement confère à ces surfaces des propriétés remarquables. L'une d'entre elles est la capacité de piéger et absorber la lumière, qui se traduit par une couleur noire de ces surfaces, d'où l'appellation Black Silicon. Cette propriété qu'on retrouve dans la gamme spectrale du visible et du proche infra-rouge, présente un intérêt particulier pour la conversion d'énergie solaire, aussi bien par voie photovoltaïque que par voie photo-thermique. L'étude que nous avons menée a toutefois porté sur une gamme spectrale plus large, s'étendant jusqu'aux Térahertz. A cet effet, différentes techniques de caractérisation spectrales ont été mises en œuvre. L'analyse des résultats a été effectuée également au moyen de simulations électromagnétiques. Des corrélations ont été mises en évidence entre les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques des surfaces micro-structurées. L'analyse d'images prises au microscope électronique a permis d'esquisser une théorie pour tenter d'expliquer le mécanisme de formation des microstructures de Black Silicon. Enfin, un microcomposant a été réalisé en vue de mettre en œuvre le premier volet applicatif de ce travail. Il s'agit d'un dispositif de conversion photo-thermique qui incorpore des thermo-résistances en platine sur une surface de Black Silicon réalisée sur une membrane thermiquement isolée / This thesis deals with an experimental and theoretical study of micro-structured silicon surfaces, obtained by processing in SF6/02 plasma at cryogenic temperatures. Texturing which results from this treatment gives remarkable properties to these surfaces. One of them is the ability to trap and absorb light, resulting in a black color of the surface, hence the name of Black Silicon. This property that we find in the visible and near infrared spectral ranges, is of particular interest for solar energy conversion, both through photovoltaic and photo-thermal means. The study that we conducted, however, covered a much wider spectral range, extending to the Terahertz. For this purpose, different spectral characterization techniques have been implemented. Analysis of the results was also done using electromagnetic simulations. Correlations were found between the optical and morphological characteristics of micro-structured surfaces. The analysis of images taken by electron microscopy allowed sketching a theory attempting to explain the mechanism of formation of the microstructures of Black Silicon. Finally, a micro-component has been fabricated towards implementing the first part of this application work. It is a photo-thermal conversion device that incorporates platinum thermo-resistance on a surface of Black Silicon, realized on a thermally insulated Silicon membrane

Cette thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de surfaces micro-structurées de silicium, obtenues par traitement dans un plasma SF6/02 à des températures cryogéniques. La texturation qui résulte de ce traitement confère à ces surfaces des propriétés remarquables. L'une d'entre elles est la capacité de piéger et absorber la lumière, qui se traduit par une couleur noire de ces surfaces, d'où l'appellation Black Silicon. Cette propriété qu'on retrouve dans la gamme spectrale du visible et du proche infra-rouge, présente un intérêt particulier pour la conversion d'énergie solaire, aussi bien par voie photovoltaïque que par voie photo-thermique. L'étude que nous avons menée a toutefois porté sur une gamme spectrale plus large, s'étendant jusqu'aux Térahertz. A cet effet, différentes techniques de caractérisation spectrales ont été mises en œuvre. L'analyse des résultats a été effectuée également au moyen de simulations électromagnétiques. Des corrélations ont été mises en évidence entre les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques des surfaces micro-structurées. L'analyse d'images prises au microscope électronique a permis d'esquisser une théorie pour tenter d'expliquer le mécanisme de formation des microstructures de Black Silicon. Enfin, un microcomposant a été réalisé en vue de mettre en œuvre le premier volet applicatif de ce travail. Il s'agit d'un dispositif de conversion photo-thermique qui incorpore des thermo-résistances en platine sur une surface de Black Silicon réalisée sur une membrane thermiquement isolée

Dans le cadre de cette thèse, nous présentons un aperçu général des surfaces du silicium micro et nano structurées, appelées silicium noir (BSi), et obtenues par la gravure ionique réactive cryogénique (cryo-DRIE). Ces surfaces auto-générées peuvent être fabriquées dans un procédé en une seule étape fournissant de grandes surfaces à faible réflectivité sur une large gamme de longueurs d'onde et d'angles d'incidence. Nous examinons plusieurs aspects des surfaces du BSi, incluant les méthodes de fabrication, les applications, les méthodes de caractérisation de sa topographie, les techniques de modélisation pour les simulations optiques, et les mécanismes de croissance. Nous développons ensuite trois principales contributions que cette thèse apporte à l'état de l'art : une meilleure compréhension de la topographie du BSi, la modélisation de son comportement optique et un aperçu de ses mécanismes de formation. Nous développons une nouvelle technique de caractérisation topographique du BSi, utilisant un faisceau ionique localisé dans le plan de l'échantillon pour réaliser une nanotomographie qui reproduit les détails de structure avec une précision inférieure au micron. Nous présentons ensuite différentes méthodes de modélisation de cellules unitaires du BSi basées soit sur la topographie de la surface réelle obtenue, ou sur des formes géométriques équivalentes qui sont statistiquement représentatives de la topographie du BSi. Nous sommes capables d'obtenir une excellente concordance entre les simulations et les données expérimentales. Nous présentons également un modèle capable de simuler toute l'évolution de la surface du BSi allant d'un substrat plat jusqu'à sa topographie entièrement développée, en concordance avec des données obtenues expérimentalement. On produit un diagramme de phase qui saisit les combinaisons de paramètres responsables de la formation du BSi. Nous sommes en mesure de reproduire dans notre modèle, un certain nombre d'effets subtils qui mènent à la densification du motif observé, responsable de la formation du BSi pendant cryo-DRIE / In this thesis, we present a general overview of silicon micro and nanostructured surfaces, known as black silicon (BSi), fabricated with cryogenic deep reactive ion etching (cryo-DRIE). These self-generated surfaces can be fabricated in a single step procedure and provide large surfaces with reduced reflectance over a broad range of wavelengths and angles of incidence. We review several aspects of BSi surfaces, such as its fabrication methods, applications, topography characterization methods, modelling techniques for optical simulations, and growth mechanisms. We then develop three main contributions that this thesis brings to the state of the art: a better understanding of BSi topography, modelling of its optical behaviour and insights into its formation mechanism. We develop a novel BSi topographical characterisation technique which is based on in-plane focused ion beam nanotomography and can reproduce sample details with submicron accuracy. We then present different methods of modelling BSi unit cells, based either on real surface topography obtained using the aforementioned technique, or on equivalent geometric shapes that are statistically representative for BSi topography. We are capable to obtain excellent matching between simulations and experimental data. Finally, we present an experimentally-backed phenomenological model that is capable of simulating the entire evolution of a surface from a planar substrate to fully developed BSi topography. We produce a phase diagram which captures the parameter combinations responsible for BSi formation. We also observe experimentally, and are able to reproduce within our model, a number of subtle effects that lead to the observed pattern densification that is responsible for BSi formation during cryo-DRIE

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal. / The goal of this project is to study the effect of crystalline damage on the optoelectronic properties of photodetectors made from “black silicon” (i.e. femtosecond-laser microstructured silicon, which make it appear black). Black silicon samples were annealed then implanted with either 300 keV Si+, 1500 keV Si+ or 2000 keV H+ ions. The fluence used for the implantation was 1E11, 1E12 or 1E13 ion/cm2, resulting in nine different samples with a crystalline damage distribution of various depth and concentration. Photodetectors were fabricated on these samples, together with a control detector made from a non-implanted black silicon sample and then characterized. The I-V curves, spectral responsivities and frequency responses of the detectors were measured in short-circuit or under bias and compared. The detectors display an approximately ohmic behavior, but those implanted at a higher fluence show a slightly better current rectification. The implantation had a strong effect on the responsivity. The external quantum efficiency increased from (0.069 ± 0.001) % at 900 nm for the control detector up to (26.0 ± 0.5) % for the 1E12 cm-2, 1500 keV Si+ detector. With an applied bias of -0.50 V, the responsivity is increased and some detectors exhibit above unity photocurrent gain. Similarly, the cutoff frequencies of the implanted detectors are higher. A contactless experiment was attempted for the measurement of the effective carrier lifetime. The implantation damage was expected to reduce the carrier lifetime. The setup didn’t meet all experimental conditions required to detect the signal using frequency-domain photo-induced reflection.

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal. / The goal of this project is to study the effect of crystalline damage on the optoelectronic properties of photodetectors made from “black silicon” (i.e. femtosecond-laser microstructured silicon, which make it appear black). Black silicon samples were annealed then implanted with either 300 keV Si+, 1500 keV Si+ or 2000 keV H+ ions. The fluence used for the implantation was 1E11, 1E12 or 1E13 ion/cm2, resulting in nine different samples with a crystalline damage distribution of various depth and concentration. Photodetectors were fabricated on these samples, together with a control detector made from a non-implanted black silicon sample and then characterized. The I-V curves, spectral responsivities and frequency responses of the detectors were measured in short-circuit or under bias and compared. The detectors display an approximately ohmic behavior, but those implanted at a higher fluence show a slightly better current rectification. The implantation had a strong effect on the responsivity. The external quantum efficiency increased from (0.069 ± 0.001) % at 900 nm for the control detector up to (26.0 ± 0.5) % for the 1E12 cm-2, 1500 keV Si+ detector. With an applied bias of -0.50 V, the responsivity is increased and some detectors exhibit above unity photocurrent gain. Similarly, the cutoff frequencies of the implanted detectors are higher. A contactless experiment was attempted for the measurement of the effective carrier lifetime. The implantation damage was expected to reduce the carrier lifetime. The setup didn’t meet all experimental conditions required to detect the signal using frequency-domain photo-induced reflection.