Elaboration et étude de couches minces de Ca₁₋xPrxF₂₊x (0 ≤ x ≤ 0,1) épitaxiées sur silicium en vue de la réalisation d'un composant luminescent hybride

Abstract

Les fibres optiques à base de silice, utilisées en télécommunication optique, présentent un minimum d’adsorption à 1,3 µm. Dans le but de réaliser des composants luminescents hybrides regroupant le circuit de commande électronique et le matériau luminescent sur silicium, des couches minces de CaF₂, dopées praséodyme ont été épitaxiées sur silicium. Différentes techniques de caractérisation ont permis de montrer que les couches obtenues sont stœchiométriques et que les principaux constituants sont uniformément répartis dans le volume des couches. Les méthodes de conductance, de capacitance et de DLTS sont utilisées pour étudier les propriétés électriques de l’interface CaF₂/Si(100). On note une large modulation du potentiel de surface bénéfique pour le fonctionnement du circuit de commande. Par ailleurs, nous avons montré que les couches minces de Ca₁₋xPrxF₂₊x obtenues émettent dans le visible. De plus, lorsqu’on utilise l’ion Yb comme ion sensibilisateur, les couches minces obtenues émettent, à température ambiante, dans l’infra rouge à 1,3 µm, longueur d’onde utilisée pour les télécommunications. Les études de photoluminescence à basse température ont permis d’étudier l’environnement de l’ion actif Pr³⁺ dans la matrice isolante. Si l’on excepte la présence de sites compensés par des ions oxygène (centres G) sur des couches ayant subi n long séjour sous atmosphère humide, on montre que les ions Pr³⁺ sont en majorité compensés par des ions fluorures en site nn (centre a). Contrairement au cas des monocristaux, aucune clusterisation n’est observée jusqu’à x = 0,10. Dans de cas, des études d’admittance complexe et de dépolarisation stimulée thermiquement montrent que deux types de dipôles sont mis en évidence. Le premier, observé pour les faibles concentrations (x ≤ 0,05), est interprété comme le résultat de sauts d’ions fluorure à l’intérieur de centres A. Le second type de polarisation, observé pour toutes les valeurs x étudiées (x ≤ 0,10), reflète des sauts d’ions fluorure entre ces centres. Ces dipôles sont uniformément répartis dans tout le volume des couches. De ce fait, les interactions entre les ions Pr³⁺ sont minimisées. De tels résultats (absence de clusters, répartition homogène des centres luminescents) autorisent un fort "dopage" en ions Pr³⁺ et par voie de conséquence la réalisation de composants fortement luminescents. Il est à noter que les concentrations admises dans les couches minces sont dix à cent fois supérieures, à celles autorisées dans les monocristaux massifs. Cette différence de comportement entre les monocristaux et les couches minces est imputable à leurs modes de fabrication différents.