Nouvelles structures multicouches pour applications photoniques et photovoltaïques F. Gourbilleau (CIMAP) Nanostructures Intégrées pour la Microélectronique et la Photonique
L équipe Permanents GOURBILLEAU Fabrice Directeur de Recherche Non Permanents BOISSERIE Michael Technicien LEVALOIS Marc Professeur CUEFF Sébastien Doctorant DEY Kalpana Rani Post-Doctorante CARDIN Julien Ingénieur de recherche MARIE Philippe Maître de Conférences DEBIEU Olivier Post-Doctorant KHOMENKOV Vladimir DUFOUR Christian Professeur FOUBERT Sylvain Adjoint-Technique FRILAY Cédric Technicien LABBE Christophe Maître de Conférences LEMARIE Franck Technicien MORALES Magali Maître de Conférences PORTIER Xavier Professeur RENOUF Stéphane Technicien RIZK Richard Directeur de Recherche VOIVENEL Patrick Ingénieur d Etude LIANG Chuan-Hui Doctorant LECERF Céline Doctorante KHOMENKOVA Larysa Chercheur Invité Chercheur Invité RAMESH Pratibha-Nalini Doctorante AN Yong-Tao Doctorante 8 Chercheurs/Enseignants-Chercheurs 7 ITA Post-Docs/Chercheurs invités 5 Doctorants
F.nom Gourbilleau
Thématiques Microélectronique Photonique. Croissance de nanocristaux de Si ou de Ge dans une matrice à forte constante diélectrique (ANR PNANO NOMAD) a) b) c) d) Elaboration et étude de couches minces pour le développement d amplificateurs optiques planaires (FP6 LANCER) ou de lasers planaires (ANR PNANO DAPHNES), Wavelength (nm) 00 600 800 1000 Photoluminescence Intensity (a.u.) (a) -6,0x10 Intensité de PL (U.A.) -6 3,0x10 (x 0) -6 2,0x10 (b) r=0% (c) r=1.5% (d) r=17.% (e) r=19.% (f) r=22.3% (g) r=29.1% (h) F3/2- I11/2 S1 F3/2- I9/2 0,0 2200 200 F3/2- I13/2 2+ Monocristal de Cr :ZnSe 2+ Film Cr :ZnSe (PRF = 250 W, MCr = 0.17 g) 2000 r=38.8% S2-6 1,0x10 100 2600 2800 00 600 800 1000 1200 100 Wavelength (nm) λ (nm) Modélisation Photovoltaïque Croissance de films minces pour cellules tandem ou à conversion de fréquence (ANR DUOSIL, Projet DGA-REI) HRTEM plan view Modélisation des aspects macroscopiques et microscopiques en relation avec les aspects expérimentaux (ANR PNANO DAPHNES, ANR BLANC SHAMAN, ANR PNANO NAMAMIS) Méthode ADE-FDTD (Auxilairy Differential Equation-Finite Differential Time domain [Si] : 1019 grains.cm-3 W.m-2 Densité de nanograins de Si ~1019 ng.cm-3 Augmentation de la conductivité de 20% sous éclairement W.m-2 [Si] : 1018 grains.cm-3 [Si] : 1017 grains.cm-3 W.m-2 F.nom Gourbilleau IL 1200 r=0% as-deposited
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photovoltaïques nc-si ~ 3-nm E g ~ 1.7eV Projet ANR DUOSIL c-si Silicium nano 1.7 < E g1 < 2.1 ev Silicium nanocristallin
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photovoltaïques Multicouches (3nm-SRSO/ 3nm SiO 2 ) 60 motifs SES/SiO 2 HRTEM plan view Observations effectuées par D. Maestre and O. Palais de l IM2NP-Marseille Images filtrées à 16 ev (nc-si) Présence de nanoparticles de Si (EFTEM). Bonne homogéneité Distance np-si-np np-si 1.5 nm densité de np-si 10 +19 np.cm -3 F. Gourbilleau et al., J. Appl. Phys. 2009, 106, 013501-1
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photovoltaïques Absorption, α grain (cm -1 ) 10 5 10 10 3 10 2 1,2 1,5 1,8 2,1 2, 2,7 3,0 3,3 3,6 Energy (ev) Si nanograins diameter 8 nm 6 nm 3 nm 1.5 nm Coefficients d absorption similaires pour les nanocristaux de Si Augmentation du coefficient d absorption avec la nature du Si
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photovoltaïques Absorption, α grain (cm -1 ) 10 5 10 10 3 10 2 1,2 1,5 1,8 2,1 2, 2,7 3,0 3,3 3,6 Energy (ev) Si nanograins diameter 8 nm 6 nm 3 nm 1.5 nm Coefficients d absorption similaires pour les nanocristaux de Si Augmentation du coefficient d absorption avec la nature du Si D. Maestre et al., J. Appl. Phys., 2010, 107, 06321-1 9.0x10-5 6.0x10-5 I (A) 3.0x10-5 Darkness UV-Blue (λ = 375 nm) IR-Red (λ = 90 nm) 0.78 kω 6.20 kω 0.0 0 1 2 3 V (V) Augmentation de la conductivité sous éclairement Dépendance de la conductivité avec λ. Pas d effet du substrat Contribution des nanoparticules de Si
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photoniques Er I 9/2 I 11/2 I 13/2 Télécommunications O band E band S band C band L band U band 1.5 µm I 15/2 Amplificateur optique - E band Applications Laser à 1.5 µm
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photoniques Er I 9/2 I 11/2 I 13/2 Nd 1.3 µm F 3/2 1.06 µm I 15/2 Télécommunications O band E band S band C band L band U band 1.5 µm I 15/2 I 13/2 I 11/2 I 9/2 Amplificateur optique - E band Applications Laser à 1.5 µm Amplificateur optique O Band Applications laser à 1.06 µm Problème : σ abs pour les ions Er 3+ ou Nd 3+ dans un verre ~10-20 cm 2
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photoniques 3.0 2.5 Er 3+ doped glass Nd 3+ doped glass Intensity (u.a.) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 00 500 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength (nm) Si-nc 0.8 µm Utilisation des np-si comme sensibilisateurs efficaces vis-à-vis des ions Er ou Nd
Pourquoi de nouvelles structures? Applications Photoniques Source photonique excitée électriquement O. Jambois et al. Optics Express, 2010, 18, 2230 Problème : Système Si-SiO 2 -Er Epaisseur du dispositif étudié ~50 nm
Problématique Développer de nouvelles structures Contrôle de la taille des nanoparticules de Si Conservation du confinement quantique (Matrice avec un gap élevé) Favoriser l absorption des photons : augmenter la densité des nanoparticules Favoriser le couplage np-si-ions Terre Rare Favoriser le transport des charges : contrôler le gap de la matrice et/ou augmenter la densité des nanoparticules de Si
Nouvelles structures : Multicouches SRSO/SiN x Ar N 2 substrat Plasma Pompes Générateurs RF Paramètres : Taux d azote r N = P N /P Tot Température du substrat puissance RF Objectifs : Améliorer l absorption des photons Gérer un budget thermique plus adapté Améliorer la conductivité.
F.nom Gourbilleau Nouvelles structures : Multicouches SRSO/SiNx
Propriétés optiques des Multicouches SRSO/SiNx R.P. Nalini, et al., NRL, 6, 2011, 156. 1min 1000 C Energie (ev) F.nom Gourbilleau Intensité (V) 1h 1100 C
Propriétés optiques des Multicouches SRSO/SiN x Intensity(a.u) 12 10 8 6 2 0 NA 1h 00 1h 700 1min1000 1min 900 1h 1100 1.5nm 3nm 5nm 8nm 10nm SiNx sublayer thickness(nm) 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 Wavelength(nm) Origine de la Photoluminescence? Présence de Np-Si? Défauts? Intensity(a.u) Effect of tsinx on PL after RTA 1 min1000 N2
Microstructure des Multicouches SRSO/SiNx Imagerie Filtrée en Energie (M. Carrada CEMES) Plasmon O-23 ev Couches Si-SiO2 Plasmon Si-17 ev Couches SiNx Présence de Np-Si dans la sous-couche SES Pas de Np-Si dans la sous-couche SiNx Pas d oxygène dans la sous-couche SiNx Plus forte densité des Np-Si que dans les multicouches SRSO/SiO2 F.nom Gourbilleau Analyse :
Microstructure des Multicouches SRSO/SiNx Imagerie Filtrée en Energie (M. Carrada CEMES) Plasmon O-23 ev Couches Si-SiO2 Plasmon Si-17 ev SRSO/SiO2 SRSO/SiNx Résistance (Ω) 1500 1753 Résisitivité (Ω.cm) 0.73x108 0.1x107 Couches SiNx Présence de Np-Si dans la sous-couche SES Pas de Np-Si dans la sous-couche SiNx Pas d oxygène dans la sous-couche SiNx Plus forte densité des Np-Si que dans les multicouches SRSO/SiO2 F.nom Gourbilleau Analyse :
Une nouvelle structure prometteuse : SRSO/SiNx Plasmon Si-17 ev Bilan : Meilleures propriétés optiques (PL issue des Np-Si et des défauts) Budget thermique adapté Plus forte densité des Np-Si Meilleures propriétés électriques F.nom Gourbilleau Plasmon O-23 ev
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réunion : Journée Photonique et Photovoltaïque