Etude et modélisation du comportement des nanocristaux semiconducteurs comme source de lumière

Abstract

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une étude et modélisation du comportement des nanocristaux de silicium encapsulés dans une matrice amorphe SiNx comme source de lumière suite à une excitation laser (Photoluminescence) ou électrique (Electroluminescence). Les modèles de photoluminescence existants dans la littérature à savoir: le confinement quantique électronique, le confinement quantique amélioré par les états d’interfaces, les queues de bandes et les interférences sont étudiés dans ce travail et sont comparés avec la photoluminescence expérimentale. L’étude de la photoluminescence à partir des structures à base de nanocristaux de silicium (Si-ncs) a nécessité la connaissance de certains paramètres physiques caractérisants le système en question. Ces paramètres sont extrait des caractérisations structurales du film (microscopie électronique à balayage, mesures Raman et diffraction de rayons X). Pour cela, une nouvelle méthode permettant le calcul de la composition chimique de la matrice amorphe après recuit thermique a été proposée. Pour l’étude de la photoluminescence, nous avons proposé un nouveau modèle basé sur les interférences des ondes lumineuses. En effet, suite à une excitation laser, des photoporteurs sont générés à l’intérieur des Si-ncs par le confinement quantique. Ces photoporteurs vont être diffuser vers l’interface des Si-ncs, caractérisée par sa richesse en défaut, et recombiner radiativement délivrant une onde plane. Chaque onde générée se dirigeant vers le milieu d’incidence subit des multiples réflexions à la rencontre d’interface (SiNx/Sinc ; SiNx/Milieu d’incidence et SiNx/substrat). Notre approche consiste en la prise en compte de la réflexion par les Si-nc dont la position dans la matrice amorphe est estimée par la méthode de Monte Carlo. Les ondes ainsi réfléchies originaires du même Si-nc et transmises vers le milieu d’incidence s’interfèrent constructivement. La somme totale des ondes transmises construit le spectre total de la photoluminescence. Les résultats de modélisation sont en bon accord avec la photoluminescence expérimentale en termes de positions et nombre de pics. L’électroluminescence est aussi étudiée dans ce travail par la proposition d’un nouveau modèle décrivant le phénomène. En effet, suite à une excitation électrique, des porteurs sont injectés dans le film actif par un processus du type Fowler-Nordheim, la diffusion des porters vers la cathode se produit par un autre phénomène du type Hopping se traduisant par le saut des porteurs d’un Si-nc à un autre. Certains porteurs vont être piégés à l’intérieur des Si-ncs et vont être recombinés radiativement par le confinement quantique donnant naissance à l’électroluminescence. Un cas réel d’un dispositif électroluminescent, composé d’une anode en aluminium et une cathode en oxyde d’indium-étain (ITO) séparés par un film de SiNx contenant des Si-ncs, pris de la littérature a été simulé. Les résultats ont permis la validation du modèle proposé. Une analyse des spectres EL en fonction des paramètres du dispositif nous a permis la sélection des grandeurs physiques pour un système émettant en courte longueur d’onde