Ce travail de thèse porte sur la photoluminescence (PL) de l’erbium à 1,54 µm dans deux systèmes contenant des particules de silicium. Le premier système contient des nanoristaux de silicium de taille contrôlée obtenus dans des multicouches SiO/SiO2 recuites à haute température. Un phénomème de couplage est mis en évidence entre les nc-Si et les ions Er3+. La PL à 1,54 µm a été étudiée en fonction de la taille des nc-Si. Le second système est constitué par des couches minces SiOx (x _ 2). Ces films ne contenant pas de nc-Si présentent un signal de PL intense à 1,54 µm avec un maximum pour l’échantillon SiO1 recuit à 700°C. L’origine de cette PL est corrélée à la structure des films. Des mesures de PL résolue en temps à 300 K et à 4 K ont permis d’étudier les mécanismes de luminescence à 1,54 µm. / Photoluminescence (PL) at 1.54 µm from erbium is studied in two systems containing silicon clusters. The first one consists of size-controlled silicon nanoclusters (Si-nc) obtained by annealing SiO/SiO2 multilayers. A coupling effect between Si-nc and Er3+ ions has been proved. The Si-nc size effect on PL at 1.54 µm has been also studied. The second system consists of SiOx (x _ 2) films. These films which not contain Si-nc show intense PL at 1.54 µm and the maximum is obtained for the SiO1 sample annealed at 700°C. The origin of this PL is correlated to the structure of the films. Time-resolved PL measurements at room-temperature and at helium temperature have been performed to study the luminescence mechanisms at 1.54 µm.

Actuellement, plusieurs types de photodétecteurs sont disponibles sur le marché. Leurs performances se caractérisent notamment par la réponse spectrale, le courant d'obscurité, le rapport signal sur bruit, le rendement quantique et le temps de réponse. L'émergence de nouvelles applications nécessite des photodétecteurs de plus en plus sensibles, afin de pouvoir détecter de très faibles niveaux de radiation, voire de pouvoir compter des photons un par un. Ce travail de thèse s'intéresse aux moyens de réalisation de nanopixels pour la détection de faibles niveaux de lumière visible, en utilisant l'absorption dans des nanocristaux de silicium. Après avoir discuté de l'influence de la réduction des dimensions sur les propriétés électroniques et optiques du silicium, ainsi que de l'utilisation du blocage de Coulomb pour la photodétection, nous présentons un procédé de fabrication et d'isolation de nanopiliers contenant des nanocristaux de silicium dans une matrice d'oxyde de silicium. Les caractéristiques électriques des nanopixels intégrant ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence les phénomènes de piégeage de charges dans les îlots, ainsi que leur contribution aux mécanismes de transport. Nous présentons finalement une première étude des propriétés électro-optiques des nanopixels qui ont été caractérisés par des mesures de photocourant.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'une nouvelle approche pour la localisation et l'organisation de nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique. Cette dernière représente une technique simple et peu couteuse [i.e. coûteuse] par rapport aux autres techniques couramment utilisées pour la fabrication de nanocristaux de silicium. L'idée de ce travail a été d'étudier la nanostructuration de minces couches de nitrure de silicium, d'environ 30 nm d'épaisseur pour permettre par la suite un arrangement périodique des nanocristaux de silicium. Cette pré-structuration est obtenue de façon artificielle en imposant un motif périodique via une technique de lithographie par faisceau d'électrons combinée avec une gravure plasma. Une optimisation des conditions de lithographie et de gravure plasma ont permis d'obtenir des réseaux de trous de 30 nm de diamètre débouchant sur le silicium avec un bon contrôle de leur morphologie (taille, profondeur et forme). En ajustant les conditions de gravure électrochimique (concentration d'acide, temps de gravure et densité de courant), nous avons obtenu des réseaux -2D ordonnés de nanocristaux de silicium de 10 nm de diamètre à travers ces masques de nanotrous avec le contrôle parfait de leur localisation, la distance entre les nanocristaux et leur orientation cristalline. Des études électriques préliminaires sur ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence des effets de chargement. Ces résultats très prometteurs confirment l'intérêt des nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique dans le futur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs nanoélectroniques.

En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.

Les nanocristaux de Silicium (SiNCs) de taille inférieure à 5 nm sont des matériaux qui présentent une intense photoluminescence (PL) et capables d’amplification optique. Cette dernière propriété est un pré-requis à l’obtention d’émission stimulée sous pompage optique. Atteindre l’émission stimulé (et l’effet laser) à partir de nanostructures basées sur Si est d’un intérêt particulier dans le domaine de la photonique à base de silicium. Le but de ce travail était (i) d’étudier les propriétés optiques fondamentales de SiNCs, (ii) de concevoir et de réaliser un cristal photonique présentant une efficacité d’extraction augmentée et (iii) d’explorer la possibilité d’améliorer l’amplification optique des émetteurs de lumière à base de SiNCs en les combinant avec un cristal photonique à deux dimensions. / Silicon nanocrystals (SiNCs) of sizes below approximately 5 nm are a material with an efficient room-temperature photoluminescence (PL) and optical gain. Optical gain is a prerequisite for obtaining stimulated emission from a pumped material, and the achievement of stimulated emission (and lasing) from Si-based nanostructures is of particular interest in the field of silicon photonics. The aim of this work was (i) to investigate fundamental optical properties of SiNCs, (ii) to design and prepare a photonic crystal with enhanced light extraction efficiency and (iii) to explore a possibility of enhancing optical gain of light-emitting SiNCs by combining them with a two-dimensional photonic crystal.

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 --> 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. / 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

Les mémoires à nanocristaux de silicium sont considérées comme l'une des solutions les plus intéressantes pour remplacer les grilles flottantes dans les mémoires Flash pour des applications de mémoires non-volatiles embarquées. Ces nanocristaux sont intéressants pour leur compatibilité avec les technologies de procédé CMOS, et la réduction des coûts de fabrication. De plus, la taille des nanocristaux garantie un faible couplage entre les cellules et la robustesse contre les effets de SILC. L'un des principaux challenges pour les mémoires embarquées dans des applications mobiles et sans contact est l'amélioration de la consommation d'énergie afin de réduire les contraintes de design de cellules. Dans cette étude, nous présentons l'état de l'art des mémoires Flash à grille flottante et à nanocristaux de silicium. Sur ce dernier type de mémoire une optimisation des principaux paramètres technologiques a été effectuée pour permettre l'obtention d'une fenêtre de programmation compatible avec les applications à faible consommation d'énergie. L'étude s'attache à l'optimisation de la fiabilité de la cellule à nanocristaux de silicium. On présente pour la première fois une cellule fonctionnelle après un million de cycles d'écriture et effacement dans une large gamme de températures [-40°C;150°C], et qui est capable de retenir l'information pendant dix ans à 150°C. Enfin, une analyse de la consommation de courant et d'énergie durant la programmation montre l'adaptabilité de la cellule pour des applications à faible consommation. Toutes les données expérimentales ont été comparées avec les résultats d'une cellule standard à grille flottante pour montrer les améliorations apportées. / The silicon nanocrystal memories are one of the most attractive solutions to replace the Flash floating gate for nonvolatile memory embedded applications, especially for their high compatibility with CMOS process and the lower manufacturing cost. Moreover, the nanocrystal size guarantees a weak device-to-device coupling in an array configuration and, in addition, for this technology it has been shown the robustness against SILC. One of the main challenges for embedded memories in portable and contactless applications is to improve the energy consumption in order to reduce the design constraints. Today the application request is to use the Flash memories with both low voltage biases and fast programming operation. In this study, we present the state of the art of Flash floating gate memory cell and silicon nanocrystal memories. Concerning this latter device, we studied the effect of main technological parameters in order to optimize the cell performance. The aim was to achieve a satisfactory programming window for low energy applications. Furthermore, the silicon nanocrystal cell reliability has been investigated. We present for the first time a silicon nanocrystal memory cell with a good functioning after one million write/erase cycles, working on a wide range of temperature [-40°C; 150°C]. Moreover, ten years data retention at 150°C is extrapolated. Finally, the analysis concerning the current and energy consumption during the programming operation shows the opportunity to use the silicon nanocrystal cell for low power applications. All the experimental data have been compared with the results achieved on Flash floating gate memory, to show the performance improvement.

Ce travail de thèse concerne l’étude des propriétés structurales et optiques de films minces de SiP et d’oxyde de silicium riches en phosphore. Dans les films de Si riches en phosphore recuits à 1100˚C, la formation de cristallites de SiP coexistant avec des polycristaux de Si est observée. Le SiP, qui cristallise dans une structure orthorhombique, est un matériau lamellaire potentiellement intéressant pour le développement de nouveaux matériaux 2D. Les caractérisations vibrationnelles sont en bon accord avec des calculs DFT pour l’alliage SiP. Les mesures de photoluminescence suggèrent de plus que SiP est un semi-conducteur à gap indirect dont le gap est de 1,5 eV. Dans le cas des films minces d’oxyde de silicium riches en phosphore, les propriétés structurales et optiques sont étudiées dans une large gamme de concentrations en phosphore. L’intensité de photoluminescence des nanocristaux de Si suit une évolution complexe lorsque la quantité de phosphore augmente. Pour de faibles teneurs en phosphore, celle-ci augmente ce qui est interprété par une augmentation de la densité des nanocristaux et par un effet de passivation par le phosphore des états électroniques localisés à l’interface nanocristaux/matrice. Les mesures de photoluminescence à basses températures ont permis de mettre en évidence un état électronique lié au phosphore situé à 0,6 eV sous la bande de conduction des nanocristaux de Si. Ce résultat montre qu’il est possible d’incorporer des atomes de phosphore électriquement actifs dans des nanocristaux de Si. Pour des teneurs en phosphore supérieures à 0,3 at.%, l’intensité de photoluminescence des nanocristaux de Si diminue puis disparaît totalement. Cela est lié d’une part à la formation de nanocristaux de Si de tailles supérieures au rayon de Bohr de l’exciton dans le Si (i.e. 5 nm) et d’autre part à la formation de nanoparticules de SiP2 cristallisant dans une structure orthorhombique. Pour des teneurs en phosphore supérieures à 3 at.%, seules des nanoparticules de SiP2 sont observées. Les spectroscopies associées à la microscopie électronique en transmission confirment la stœchiométrie du composé SiP2. Les propriétés vibrationnelles sont en excellent accord avec des calculs DFT pour l’alliage SiP2. / This thesis concerns the study of the structural and optical properties of SiP and phosphorus rich silicon oxide thin films. In phosphorus rich Si films annealed at 1100˚C, the formation of SiP crystallites coexisting with Si polycrystals is observed. SiP, which crystallizes in an orthorhombic structure, is a lamellar material which is of potential interest for the development of new 2D materials. The vibrational characterizations are in good agreement with DFT calculations for the SiP alloy. Photoluminescence measurements further suggest that SiP is an indirect bandgap semiconductor with a gap of 1.5 eV. In the case of phosphorus-rich silicon oxide thin films, the structural and optical properties are studied over a wide range of phosphorus concentrations. The photoluminescence intensity of Si nanocrystals follows a complex evolution as the amount of phosphorus increases. For low phosphorus contents, the photoluminescence intensity increases which is interpreted by an increase in the density of nanocrystals and by a passivation effect by phosphorus of the electronic states located at the nanocrystal/matrix interface. Photoluminescence measurements at low temperatures revealed a phosphor-related electronic state located at 0.6 eV below the Si nanocrystal conduction band. This result shows the possibility to incorporate electrically active phosphorus atoms into Si nanocrystals. For phosphorus contents higher than 0.3 at.%, the photoluminescence intensity of Si nanocrystals decreases and then disappears completely. This is related on the one hand to the formation of Si nanocrystals having sizes larger than the exciton Bohr radius in Si (i.e. 5 nm) and on the other hand to the formation of SiP2 nanoparticles crystallizing in an orthorhombic structure. For phosphorus contents above 3 at.%, only SiP2 nanoparticles are observed in the films. The spectroscopies associated with transmission electron microscopy confirm the stoichiometry of the SiP2 compound. The vibrational properties are in excellent agreement with DFT calculations for the SiP2 alloy.

Depuis une vingtaine d'années, l'industrie de la microélectronique et en particulier le marché des mémoires non-volatiles connaît une évolution considérable, en termes d'augmentation de la capacité d'intégration et de diminution du prix de revient. Ceci a permis au grand public d'accéder aux produits électroniques (téléphones portables, baladeurs MP3, clés USB, appareils photos numériques...) qui connaissent actuellement un énorme succès. Cependant, la miniaturisation des mémoires Flash risque de rencontrer des limitations. C'est pourquoi les industriels et les laboratoires recherchent actuellement de nouvelles voies qui permettraient de prolonger la durée de vie de ces dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif premier de cette thèse est l'étude expérimentale et théorique des mémoires non-volatiles à nanocristaux de silicium. Nous avons montré les différentes possibilités d'intégration des nanocristaux de silicium à partir d'un procédé de fabrication standard. Un démonstrateur Flash NOR 32 Mb à nanocristaux de silicium a été réalisé à partir d'un produit ATMEL. Nous nous sommes ensuite intéressés à la caractérisation électrique des cellules et matrices mémoires. Une étude exhaustive de l'influence des conditions de programmation ainsi que des paramètres technologiques sur les performances électriques a été menée. La modélisation de l'effacement Fowler-Nordheim et du « gate disturb » a permis de comprendre l'influence de certains de ces paramètres. Concernant l'écriture par porteurs chauds, nous avons étudié l'influence des conditions d'écriture sur la localisation de la charge à l'aide de simulations TCAD et d'un modèle analytique couplé à des mesures expérimentales.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes de luminescence de nanocristaux de silicium (nc-Si) de taille contrôlée. Les matériaux étudiés sont des couches minces de SiO2 contenant des nc-Si confinés. La structure des films est caractérisée par spectroscopie d'absorption infrarouge, diffraction de rayons X et microscopie électronique à transmission. La distribution en taille des nc-Si est mesurée, montrant que la taille est contrôlée avec une faible dispersion.<br />Les mécanismes de luminescence sont étudiés par spectroscopie de photoluminescence continue et résolue en temps de 4 K à 300 K. Corrélés à l'étude de structure, les résultats de photoluminescence montrent que la qualité de la matrice et la taille des nc-Si contrôlent les propriétés de luminescence des nc-Si. Les mécanismes de recombinaison des porteurs sont étudiés. Enfin, le transport électrique dans les couches est caractérisé. L'électroluminescence est observée et montre le rôle joué par les nc-Si sur la luminescence.