Silicon-Modified rare-earth transitions - a new route to Near- and Mid-IR Photonics

Silicon underpins microelectronics but lacks the photonic capability needed for next-generation systems and currently relies on a highly undesirable hybridization of separate discrete devices using direct band gap semiconductors. Rare-earth (RE) implantation is a promising approach to bestow photonic capability to silicon but is limited to internal RE transition wavelengths. Reported here is the first observation of direct optical transitions from the silicon band edge to internal f-levels of implanted REs (Ce, Eu, and Yb); this overturns previously held assumptions about the alignment of RE levels to the silicon band gap. The photoluminescence lines are massively redshifted to several technologically useful wavelengths and modeling of their splitting indicates that they must originate from the REs. Eu-implanted silicon devices display a greatly enhanced electroluminescence efficiency of 8%. Also observed is the first crystal field splitting in Ce luminescence. Mid-IR silicon photodetectors with specific detectivities comparable to existing state-of-the-art mid-IR detectors are demonstrated

Capteur d’humidité en Si poreux pour la fiabilité des systems in package

La problématique de cette thèse est l’amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l’herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d’humidité. Le travail consiste en l’étude d’un capteur pour mesurer in situ le taux d’humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d’évaluation de l’herméticité, l’intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l’atmosphère de la cavité sur une longue période d’utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent). Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d’abord été caractérisées d’un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d’azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m²/g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d’image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d’estimer les distributions de taille de pore (DTP), porosité, surface spécifique et fraction volumique d’oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l’analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l’absence d’hypothèse mathématique sur l’estimation de la DTP. Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d’humidité : -90 % entre 0 et 80 % d’humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l’hypothèse d’une barrière de potentiels à l’interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d’oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface. L’utilité d’un capteur d’humidité in situ en Si poreux pour l’herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d’un prototype.This work deals with the improvement of reliability of packaged electronic devices, concerning the hermeticity and the disturbances caused by moisture infiltration. As an analysis method of sealing quality of Systems in Package (SiP), a study of humidity sensors for in situ moisture level evaluation of SiP microcavities is presented. Compared to others analysis methods, the interest of the present one is its global utility for all manufactured chips, the capability to monitor the cavities atmosphere over a long period, and the possibility of automatic drifts correction. Two porous silicon (PS) based structures have been studied to make sensors. First we performed morphological analyses of PS layers. Both have a porosity of 45 %. Nitrogen sorption measurements applied to BET and BJH theories showed that PS1 and PS2 respectively present specific areas of 330 and 223 m²/g and mean pore diameters of 4.3 and 5.5 nm. A new analysis method based on processing of PS surface images is presented. It allows the estimation of pore size distribution (PSD), porosity, specific area, and volumic oxide ratio. The method has been validated by the closeness between its results and sorption theories results. In addition to the method’s completeness, it presents several advantages such as easy-to-use application, no restriction on PSD range, and no computing hypothesis on PSD evaluation. Electrical measurements showed that PS1 resistance is higher than PS2 resistance, and that sensitivity of PS1 based sensors exposed to moisture variation is superior: -90 % from 0 to 80 % relative humidity. Specificity of carriers transport in PS structures has been experimentally underlined; leading to the hypothesis of a potential barrier between PS and non porous Si. Higher resistance has been explained by the higher volumic oxide ratio of PS1, and the more developed quantum confinement and depletion surface effects. Utility of such in situ PS moisture sensor for SiP hermeticity has been demonstrated by preliminary experimental results

Capteur d’humidité en Si poreux pour la fiabilité des systems in package

La problématique de cette thèse est l’amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l’herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d’humidité. Le travail consiste en l’étude d’un capteur pour mesurer in situ le taux d’humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d’évaluation de l’herméticité, l’intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l’atmosphère de la cavité sur une longue période d’utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent). Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d’abord été caractérisées d’un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d’azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m²/g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d’image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d’estimer les distributions de taille de pore (DTP), porosité, surface spécifique et fraction volumique d’oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l’analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l’absence d’hypothèse mathématique sur l’estimation de la DTP. Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d’humidité : -90 % entre 0 et 80 % d’humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l’hypothèse d’une barrière de potentiels à l’interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d’oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface. L’utilité d’un capteur d’humidité in situ en Si poreux pour l’herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d’un prototype.This work deals with the improvement of reliability of packaged electronic devices, concerning the hermeticity and the disturbances caused by moisture infiltration. As an analysis method of sealing quality of Systems in Package (SiP), a study of humidity sensors for in situ moisture level evaluation of SiP microcavities is presented. Compared to others analysis methods, the interest of the present one is its global utility for all manufactured chips, the capability to monitor the cavities atmosphere over a long period, and the possibility of automatic drifts correction. Two porous silicon (PS) based structures have been studied to make sensors. First we performed morphological analyses of PS layers. Both have a porosity of 45 %. Nitrogen sorption measurements applied to BET and BJH theories showed that PS1 and PS2 respectively present specific areas of 330 and 223 m²/g and mean pore diameters of 4.3 and 5.5 nm. A new analysis method based on processing of PS surface images is presented. It allows the estimation of pore size distribution (PSD), porosity, specific area, and volumic oxide ratio. The method has been validated by the closeness between its results and sorption theories results. In addition to the method’s completeness, it presents several advantages such as easy-to-use application, no restriction on PSD range, and no computing hypothesis on PSD evaluation. Electrical measurements showed that PS1 resistance is higher than PS2 resistance, and that sensitivity of PS1 based sensors exposed to moisture variation is superior: -90 % from 0 to 80 % relative humidity. Specificity of carriers transport in PS structures has been experimentally underlined; leading to the hypothesis of a potential barrier between PS and non porous Si. Higher resistance has been explained by the higher volumic oxide ratio of PS1, and the more developed quantum confinement and depletion surface effects. Utility of such in situ PS moisture sensor for SiP hermeticity has been demonstrated by preliminary experimental results

Capteur d'humidité en Silicium poreux pour la fiabilité des Systems in package

Work consists of the study of a sensor to measure in situ the water content in the cavities of the encapsulated systems. Two structures in So porous (SP) were studied to produce sensors, and were initially characterized from a morphological point of view. The two layers have the same porosity of 45%. Measurements of nitrogen sorption applied to theories Study Bureau and BJH showed that SP1 and SP2 respectively had specific surfaces of 330 and 223 m ² /g, and average porous diameters of 4.3 and 5.5 Nm. A new method of characterization based on the image processing of surface of So porous is presented. The method makes it possible to estimate the distributions of size of pore, porosity, specific surface and voluminal fraction of oxide. It is validated by the coherence of the results obtained, compared with those given by the theories of sorption. In addition to the complete character of the analysis, the advantages of this method are its simplicity of implementation, its nonrestriction on a range of size of pores, and the absence of mathematical assumption on the estimate of the DTP.The electric tests showed that SP1 had a resistance higher than SP2 and that the sensor based on SP1 had a greater sensitivity with respect to the catch of moisture: -90% between 0 and 80% of relative humidity. The specificity of electric transport in the studied structures was highlighted in experiments, leading to the assumption of a barrier of potentials to the interface porous Si-Si. The greatest resistance presented by SP1 was clarified by its greater voluminal fraction of oxide, as well as more pronounced effects of quantum containment and negative mascon of surface.The utility of a sensor of in situ moisture in Si porous for the tightness of the systems in package was shown by the experimental results of a prototype.La problématique de cette thèse est l'amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l'herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d'humidité. Le travail consiste en l'étude d'un capteur pour mesurer in situ le taux d'humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d'évaluation de l'herméticité, l'intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l'atmosphère de la cavité sur une longue période d'utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent).Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d'abord été caractérisées d'un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d'azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m²/g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d'image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d'estimer les distributions de taille de pore, porosité, surface spécifique et fraction volumique d'oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l'analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l'absence d'hypothèse mathématique sur l'estimation de la DTP.Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d'humidité : -90 % entre 0 et 80 % d'humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l'hypothèse d'une barrière de potentiels à l'interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d'oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface.L'utilité d'un capteur d'humidité in situ en Si poreux pour l'herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d'un prototype

Capteur d'humidité en Si poreux pour la fiabilité des systems in package

La problématique de cette thèse est l amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d humidité. Le travail consiste en l étude d un capteur pour mesurer in situ le taux d humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d évaluation de l herméticité, l intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l atmosphère de la cavité sur une longue période d utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent). Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d abord été caractérisées d un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m /g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d estimer les distributions de taille de pore (DTP), porosité, surface spécifique et fraction volumique d oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l absence d hypothèse mathématique sur l estimation de la DTP. Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d humidité : -90 % entre 0 et 80 % d humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l hypothèse d une barrière de potentiels à l interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface. L utilité d un capteur d humidité in situ en Si poreux pour l herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d un prototype.This work deals with the improvement of reliability of packaged electronic devices, concerning the hermeticity and the disturbances caused by moisture infiltration. As an analysis method of sealing quality of Systems in Package (SiP), a study of humidity sensors for in situ moisture level evaluation of SiP microcavities is presented. Compared to others analysis methods, the interest of the present one is its global utility for all manufactured chips, the capability to monitor the cavities atmosphere over a long period, and the possibility of automatic drifts correction. Two porous silicon (PS) based structures have been studied to make sensors. First we performed morphological analyses of PS layers. Both have a porosity of 45 %. Nitrogen sorption measurements applied to BET and BJH theories showed that PS1 and PS2 respectively present specific areas of 330 and 223 m /g and mean pore diameters of 4.3 and 5.5 nm. A new analysis method based on processing of PS surface images is presented. It allows the estimation of pore size distribution (PSD), porosity, specific area, and volumic oxide ratio. The method has been validated by the closeness between its results and sorption theories results. In addition to the method s completeness, it presents several advantages such as easy-to-use application, no restriction on PSD range, and no computing hypothesis on PSD evaluation. Electrical measurements showed that PS1 resistance is higher than PS2 resistance, and that sensitivity of PS1 based sensors exposed to moisture variation is superior: -90 % from 0 to 80 % relative humidity. Specificity of carriers transport in PS structures has been experimentally underlined; leading to the hypothesis of a potential barrier between PS and non porous Si. Higher resistance has been explained by the higher volumic oxide ratio of PS1, and the more developed quantum confinement and depletion surface effects. Utility of such in situ PS moisture sensor for SiP hermeticity has been demonstrated by preliminary experimental results.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Influence on moisture sensor performances, and characterization of different specific area porous silicon layers

This paper presents results obtained for characterization of porous silicon (PS) layers having different nanostructures, and the influence of this parameter on moisture sensor performances. Two PS layers have been studied, both present the same porosity of 45% and differ in their specific area: 330 m²/g for PS1 and 223 m²/g for PS2. Sorption isotherms were measured; the results justify the use of adsorption theories used to characterize mesoporous materials. Average values of pore diameter computed from adsorption theories and images processing show that PS1 presents smaller pores than PS2. Pore size distributions have been estimated, showing the wider distribution of PS2 compared with PS1. We measured resistivity of PS layers as a function of relative humidity (RH). We found that PS1 presents higher resistivity and higher relative variation of resistivity. Exposed to moisture step, PS1 sensor presents faster response time, showing a second advantage among performances criteria

Kinetic Water Sorption by Porous Silicon Layers and Temporal Response of Moisture Sensors

International audienceThe experimental results obtained for kinetic water sorption by porous silicon (PS) layers and temporal response of moisture sensors based on these PS layers are presented in this paper. We studied two PS layers presenting equal porosity of 45 %, but differing in their nanostructure organization. PS1 presents a specific area of 330 m²/g and PS2 presents a specific area of 223 m²/g. We made resistive sensors deposing metallic contacts on PS layers surface; we measured the resistance variation of PS layers versus moisture level. The main result consists in the difference of time constant between kinetic water sorption and sensors temporal response. We represented the temporal response of kinetic water sorption which very longer than the temporal response of PS sensors. These results seem to confirm that mechanisms involved in sensors works occur at the PS layers surface; which is precious information in understanding of sensors functioning