Etats électroniques localisés dans a-Si1-xCx:H massif et poreux

La ligne directrice de ce travail concerne l’étude détaillée des porteurs localisés dans le silicium amorphe hydrogéné et ses alliages carbonés.

Nous présentons en première partie de ce travail quelques généralités sur la structure amorphe. Nous insisterons sur certaines différences entre structure cristalline et amorphe, dans le but de mieux comprendre l’origine des porteurs localisés dans les matériaux amorphes. Ces porteurs déterminent un grand nombre de propriétés du matériau, et c’est la raison pour laquelle ce travail se consacre particulièrement à leur étude. Nos échantillons étant élaborés par PECVD, nous présentons le principe général de cette méthode qui offre non seulement la possibilité de déposer des couches minces à basse température mais aussi de faire des dépôts sur des substrats en grande surface. Dans le domaine d’application du silicium amorphe, cette technique de dépôt est très utilisée, notamment pour la fabrication de matrices de transistors en couches minces pour écrans d’affichage. Pour notre part, nous l’avons utilisée pour l’élaboration des alliages carbonés du silicium amorphe hydrogéné. Ce sont des matériaux qui présentent des propriétés de luminescence les rendant prometteurs pour les applications d’électroluminescence en grande surface.

L’absorption infrarouge des porteurs photoinduits dans des couches minces de silicium amorphe hydrogéné et de ses alliages carbonés permet de sonder sélectivement les états localisés du matériau. Ce phénomène est étudié en détail dans la deuxième partie de cette thèse. Grâce à la technique de spectroscopie infrarouge photomodulée, associée à la spectroscopie par transformée de Fourier. Cette association nous a permis d’étendre le domaine exploré vers les faibles énergies pour sonder le peuplement des états localisés. L’analyse des résultats a montré qu’il est alors possible de mesurer deux paramètres importants dans l’étude des matériaux amorphes à savoir, la largeur de la queue de bande de valence et celle de la queue de bande de conduction. En comparaison avec les autres méthodes spectroscopiques traditionnelles, l’absorption infrarouge photomodulée s’avère, à notre connaissance, la seule technique qui permet de mesurer ces deux paramètres directement et séparément.

Les propriétés de luminescence des alliages carbonés permettent d’envisager leur utilisation dans le domaine de l’affichage en grande surface. Les structures à base de semiconducteurs (III-V) présentent des rendements d’électroluminescence élevés mais sont peu adaptés aux applications en grande surface. Plusieurs équipes de recherche se sont intéressées à l’électroluminescence de structures à base de a-Si:H et de ses alliages carbonés [1-3] mais le rendement de luminescence dans le visible de ces matériaux demeure insuffisant. Des structures élaborées à partir du silicium cristallin poreux ont été étudiées d’une manière intensive ces dix dernières années afin de pouvoir les utiliser comme dispositifs électroluminescents [4-6]. Dans ce cas, l’efficacité et la stabilité de l’électroluminescence restent relativement faibles pour d’éventuelles applications mais sont considérablement augmentées par rapport au matériau massif. Dans notre cas, la situation initiale semble plus favorable (en termes de rendement de luminescence du matériau massif). Nous avons donc tenté d’explorer la possibilité d’introduire le matériau amorphe comme couche active tout en utilisant la commodité du dépôt plasma pour réaliser les électrodes injectrices à gap variable. L’électroluminescence de telles structures est étudiée en troisième partie de ce travail, ainsi que les possibilités d’amélioration des rendements en rendant (comme pour le silicium cristallin) la couche poreuse.

La difficulté des problèmes posés par l’électroluminescence (problèmes combinés d’injection, de transport et de recombinaison des porteurs) nous a conduit à approfondir davantage l’un de ces aspects. Ainsi, en quatrième partie de cette thèse, nous étudions en détail les propriétés de photoluminescence du silicium amorphe carboné hydrogéné et leur évolution lorsque le matériau est rendu poreux par anodisation dans l’acide fluorhydrique. Nous parvenons ainsi à expliquer pourquoi la luminescence de ces couches poreuses est décalée vers le bleu. D’autre part, nous arrivons à préciser le principal facteur limitant la recombinaison radiative dans le matériau, en exploitant notamment les grandeurs caractéristiques des états localisés mesurées dans la deuxième partie de cette thèse.

Dans un cristal parfait, les atomes sont ordonnés, le réseau est périodique et l’existence de bandes est prédictible grâce au théorème de Bloch. Les différents types de défauts que nous pouvons rencontrer dans cette structure peuvent créer des états discrets dans les bandes interdites. Pour ce qui est de la structure amorphe, les atomes sont disposés de façon non périodique. L’ordre atomique à grande distance a disparu mais l’existence d’un ordre local préserve l’existence d’une bande de valence et d’une bande de conduction. la structure peut être assez désordonnée avec des liaisons de longueur et d’angle variables. La présence de liaisons pendantes dans une telle structure crée des états de défauts profonds dans la bande interdite. Quant au désordre et aux distorsions des angles entre les liaisons, ils sont à l’origine de l’apparition d’une queue de bande de conduction et d’une queue de bande de valence dans la bande interdite du matériau .  caractérisé par des bandes de conduction et de valence bien marquées, séparées par une bande interdite pouvant contenir des états discrets (en faible nombre, associés aux défauts ponctuels ou impuretés du matériau) à l’état amorphe, caractérisé par une densité d’états qui chute quasi-exponentiellement avec l’énergie aux extrémités des bandes de valence et de conduction.

Il est à noter que dans les matériaux amorphes, le désordre de structure rend le dopage difficile. Avec les matériaux amorphes hydrogénés, l’hydrogène vient saturer les liaisons pendantes et abaisse la densité des états profonds d’une manière considérable. Il entraîne alors une meilleure efficacité du dopage. Déposés à 250°C, nos échantillons contiennent jusqu’à 10% d’atomes d’hydrogène, voire davantage lorsqu’ils sont carbonés.

En 1975, Spear et LeComber [4] montrent que a-Si:H peut être dopé. Ils publient les premiers résultats de mesure de la conductivité de a-Si:H. En 1977, en faisant une étude de en fonction de la température, ils montrent que quel que soit le type et le niveau de dopage, le niveau de Fermi reste dans les états localisés sans jamais atteindre le seuil de mobilité. La conduction métallique n’est donc pas possible. De plus, l’importance de la diffusion inélastiquedans a-Si:H rend ce matériau plus résistif que le silicium cristallin. La queue de bande de valence étant plus large que celle de conduction, le niveau de Fermi peut être plus proche du seuil de mobilité des états de conduction que de celui des états de valence .

Table des matières

Introduction générale
Première partie: Le silicium amorphe hydrogéné et ses alliages carbonés
I/ Propriétés de a-Si:H et a-Si1-xCx:H
1-Structure amorphe et transition de l’état cristallin à l’état amorphe
2-Propriétés optiques
3- Propriétés de transport
4- Dynamique des photoporteurs
4-1 la thermalisation
4-2 la recombinaison non radiative
4-3 la recombinaison radiative
II/ Elaboration des échantillons
1-Préparation des couches minces de a-Si:H et de a-Si1-xCx:H par PECVD
2-Propriétés des échantillons
Deuxième partie: Absorption infrarouge photomodulée dans a-Si:H et a-Si1-xCx:H
I/ Dispositif expérimental
II/ Mécanisme d’absorption infrarouge photomodulée
III/ Résultats des mesures
IV/ Discussion
V/ Théorie
Troisième partie: Electroluminescence de a-Si:H et a-Si1-xCx:H massif
I/ Etude et caractérisation des diodes électroluminescentes de a-Si1-xCx:H
1- Structure des diodes
2- Principe de fonctionnement
3- Caractérisation des diodes de a-Si1-xCx:H massif
3-1- Régime de faible injection
3-2- Régime de forte injection
a- Régime SCLC
b- Régime d’injection de deux types de porteurs de charge
II/ Electroluminescence des diodes de a-Si1-xCx:H massif
III/Tentative d’électroluminescence des diodes de a-Si1-xCx:H poreux
Conclusion générale

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