Elastic properties in different nano-structured AlN films

International audienc

Influence of the magnetron power on the Er-related photoluminescence of AlN:Er films prepared by magnetron sputtering

International audienceThe effect of magnetron power on the room temperature 1.54 µm infra-red photoluminescence intensity of erbium doped AlN films grown by r. f. magnetron sputtering, has been studied. The AlN:Er thin films were deposited on (001) Silicon substrates. The study presents relative photoluminescence intensities of nanocrystallized samples prepared with identical sputtering parameters for two erbium doping levels (0.5 and 1.5 atomic %). The structural evolution of the crystallites as a function of the power is followed by transmission electron microscopy. Copyright line will be provided by the publisher 1 Introduction For some time now, rare-earth (RE)-doped semiconductors represent significant potential applications in the field of opto-electronic technology. Part of this technological interest relies on the shielded 4f levels of the RE ions as they give rise to sharp and strong luminescence peaks [1-5]. Among the RE elements, Er is preferred to its counterparts since the Er ions can produce both visible light at 558 nm (green, one of the primary colours) and IR light at 1.54 µm whose spectrum region coincides with the main low-loss region in the absorption spectrum of silica-based optical fibres, combining so potential applications towards photonic devices and towards optical communication devices operating in the infrared domain. These interesting emissions can however only be exploited when placed into host matrixes. On one side, the shielding of the intra 4f levels prevents the shifting of the RE 3+ energy levels and ensures the frequency emission stability. Moreover the intra 4f transitions are parity forbidden for the isolated ions. Matrixes can render the Er 3+ ions optically active, via a relaxation of selection rules due to crystal field effects. As silicon based materials were tested in the 1960s to the 90s with no clear industrial success it was found that th

Mise au point d'un procédé d'élaboration de films minces quasicristallins Al62CU25,5 Fe12,5 (Cinétique des changements de phases du mélange métallique amorphe)

NANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Elaboration, caractérisation structurale et luminescence de dépots AIN dopés Er obenus par PVD magnétron RF

Le travail présenté ici est une contribution à l étude des propriétés de photoluminescence (PL) d ions de terre rare (Erbium) insérés dans des matrices grand gap (AlN) de différentes morphologies et déposées sous forme de films minces. Une méthode de dépôt PVD magnétron rf a été utilisée pour obtenir des dépôts minces de nitrure d aluminium dont les morphologies cristallines couvrent une gamme allant de la morphologie colonnaire classique jusqu à l état nano cristallisé et amorphe. On montre comment, plus la puissance magnétron est élevée plus les cristallites colonnaires d AlN sont de grande dimension et comment l application d une polarisation négative sur les substrats de silicium permet l obtention de dépôts nano cristallisés. Différents taux de dopage, de 0.1 à 6 at. %, sont obtenus avec une cible composite Al+Er.La PL à 1.54 [micro]m de l atome d Er a été étudiée en fonction des valeurs des paramètres procédé et donc en fonction des morphologies de AlN. Il a été montré que le maximum d'émission de PL a lieu pour un dopage de 1 at. %. L étude montre que l'intensité de PL augmente avec la puissance magnétron et diminue avec l intensité de polarisation des substrats. Ces deux résultats montrent que l'intensité PL est fortement corrélée à la morphologie des films. Plus les cristallites sont importantes, plus l'émission de PL est efficace. Cette corrélation entre la PL et la morphologie des matrices a permis de mettre en évidence le rôle des champs cristallins des défauts non radiatifs dans les cristallites. Le rôle des défauts a été confirmé par des mesures de luminescence résolue en temps, des mesures sur dépôts recuits et des mesures de PL à basse température. L effet de diminution de la PL avec la température est très faible ce qui rend le matériau très prometteur pour des applications en optoélectronique et en photoniqueThe work presented here is a contribution to the study of the photoluminescence (PL) properties of a rare earth ions (Erbium) inserted inside wide gap matrices (AlN) of different morphologies and deposited as thin films. A physical vapour deposition magnetron rf technique has been used to obtain thin layers of aluminium nitride whose crystalline morphologies are ranging from the classical columnar morphology to the nanocrystalline state or amorphous. One shows how, the higher the magnetron power, the larger are the columnar crystallites and how the use of a negative polarization on the silicon substrates allows obtaining nano crystallized layers. Different doping rates (from 0.1 to 6 at. %) have been achieved using a Al+Er composite target.The PL of the Er atom at 1.54 [micro]m has been studied versus the process parameters and so as a function of the different AlN morphologies. It was shown that the maximum of PL emission is achieved for a rate of 1 atomic %. PL intensity was shown to increase with the magnetron power and decrease with the polarization intensity of the substrates. These two results demonstrate that PL intensity is strongly correlated to the matrix morphology. The larger the crystallites, the most efficient are the PL emission allows evidencing the role of the non radiative defects crystalline fields in the crystallites. The role of the defects was confirmed by time resolved photoluminescence measurements and by PL measurements performed on annealed samples or at low temperature. The decrease of PL with temperature is very weak, making this way the material very promising for optoelectronic and photonic applicationsNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Mécanismes de sélection de l'orientation préférentielle lors de la croissance couches minces, application au dépôt d'oxyde de zinc par pulvérisation magnétron à impulsions de haute puissance

Cette étude a pour but la mise au point d'un procédé de dépôt en vue de réaliser des fibres piézoélectriques. Ces fibres pourront être utilisées soit comme jauge de déformation (extensomètre) soit comme système de récupération d'énergie liée au mouvement d'un utilisateur (tissu) pour alimenter un dispositif d'électronique embarqué. Une fibre piézoélectrique constituée d'un dépôt cylindrique d'oxyde de zinc sur un fil d'acier inoxydable a été réalisée par pulvérisation magnétron à impulsion de haute puissance (HiPIMS) à l'aide d'un prototype de traitement au défilé conçu, réalisé et décrit lors de cette étude. Une caractérisation précise des échantillons réalisés dans différentes conditions expérimentales a permis de décrire et comprendre en partie les mécanismes de croissance des dépôts, ceci de manière, en particulier, à déterminer les conditions de fonctionnement optimum pour l'élaboration de dépôts possédant une orientation cristalline préférentielle hors plan. Pour envisager le traitement de fibres ne supportant pas les hautes températures nous avons montré qu'il était possible de contrôler cette température en ajustant certains paramètres du procédé, tel que la pression et la puissance moyenne. Un mécanisme de germination préférentielle suivi d'une croissance par auto-épitaxie a été proposé afin d'expliquer la très forte orientation préférentielle des films réalisés à faible température. Pour des fortes valeurs de courant crête, le phénomène de germination préférentielle associé à la croissance évolutionnaire pourrait favoriser l'orientation (101)*. Pour les plus fortes valeurs de courant, aucune orientation préférentielle n'est observée et les fortes contraintes mesurées ont été attribuées à l'excès d'oxygène détecté dans les couchesA piezoelectric fiber constituted of ZnO cylindrical coating on a stainless steel wire has been achieved by High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) by using a prototype designed and assembled during this PhD work. The piezoelectric fiber can be used as a strain probe or as a vibration harvesting generator for embedded electronics. The analyses of deposited layer allow to understand ZnO growth mechanism in order to optimize to deposition process. A special emphasis has been placed on the selection of preferential orientation during the growth. The low volume of steel wire, allow to control his temperature by adjusting some process parameters, like the pressure and the average power. Temperature sensitive wires (e.g. polymer) can be treated in the mildest conditions. Preferential nucleation followed by self-epitaxy have been proposed to explain the very strong preferential orientation identified in coatings deposited at low temperature. At high peak current, preferential nucleation and evolutionary growth can promote the (101)* orientation. At highest peak currents no preferential orientation was identified and the high residual stress has been attributed to the excess of oxygen in the coatingMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Étude de la photoluminescence de films d'AlN dopé erbium (AlN-Er) déposés par PVD magnétron RF

Ces dernières décennies, les couches minces de semiconducteurs nitrures III-V dopés avec des terres rares ont fait l'objet d'un intérêt grandissant et ont donné lieu à de nombreuses études. En raison de leur bande interdite directe, les nitrures III-V constituent des matrices hôtes adéquates permettant la luminescence des terres rares (TR). Ainsi, en combinant les propriétés des III-V et des TR, il est possible d'envisager des applications prometteuses dans le domaine optoélectronique. Dans cette étude, l'erbium (Er) a été choisi en raison de son émission de photons à la fois dans le visible et dans l'infrarouge. Dans ce travail, les films minces d'AlN dopé à l'Er ont été élaborés avec un réacteur expérimental de pulvérisation cathodique réactive magnétron radiofréquence. Pendant le dépôt, une polarisation négative appliquée sur le substrat a permis d'obtenir des films présentant différents types de morphologies cristallines, qui ont été étudiés par diverses techniques de caractérisation telles que l'AFM, les DRX, l'ellipsométrie, le MEB, le MET. Les propriétés de luminescence des films ont été examinées expérimentalement et à l'aide d'un modèle de simulation optique par spectroscopie de photoluminescence (excitation lumineuse). Des mesures expérimentales par spectroscopie de cathodoluminescence (excitation électronique) ont également été réalisées. Le but de cette thèse était d'optimiser le procédé d'élaboration et le matériau et de mieux comprendre l'influence de la morphologie cristalline de la matrice AlN sur l'efficacité de luminescence de l'erbium. L'AlN-Er représente un système modèle et les résultats obtenus pourront être étendus aux autres TRDuring the last decades, rare-earth-doped III-V thin films have been the subject of growing interest and the topic of many studies. Because III-V nitrides possess a direct gap, they are suitable host matrices to allow rare-earth (RE) luminescence. Thereby, by combining the III-V and the RE characteristics, it becomes possible to consider promising applications in the optoelectronic field. In this study, erbium (Er) was chosen because of its emission both in the visible and in the infrared range. In this work, Er-doped AlN thin films were prepared in an experimental PVD sputtering magnetron radiofrequency reactor. During the deposition, an applied negative bias on the substrate allowed to obtain different kinds of crystalline morphology of the deposited layers, which were studied by several characterization techniques such as AFM, DRX, ellipsometry, MEB, MET. Luminescence properties of the films were investigated both experimentally and with an optical model by photoluminescence (light excitation) spectroscopy. Experimental measurements by cathodoluminescence (electronic excitation) spectroscopy were also performed. This thesis aimed to optimize the elaboration process and the material and to get a better understanding of the influence of AlN host matrix crystalline morphology on the erbium luminescence efficiency. The AlN:Er system stood as a model system and the obtained results could be extended to the other RENANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Structural and optical properties of magnetron-sputtered Er-doped AIN films grown under negative substrate bias

Équipe 104 : NanomatériauxInternational audienceIn seeking suitable host-microstructures enhancing photoluminescent (PL) efficiency of reactively sputtered Er-doped AIN films deposited under varying negative substrate bias, we observed that the films' Er-emitted PL intensity at the wavelength of 1.54 pin builds up with bias up 50 V, before falling sharply and collapsing for U above 90 V. We studied for further insight the bias-induced effects on the film microstructural and optical properties. The transmission electron microscope images of these films biased up to 50 V showed improved film crystallographic quality with wide and long columnar microstructures. The columnar crystallized volumes therein are maximized around a particular bias value around 90V, above which they have finely grained nano-granular microstructures. This film-microstructural evolution concurs well with the film refractive index n and extinction coefficient k obtained from ellipsometry. Both surge for films biased from 50 V to 90V. These correlating evidences point out that adequate adatom mobility gained under low-energy ion bombardment with bias up to 50 V properly configures the AIN Wurzite planes while leaving behind fewer sites for PL-quenching defects. Meanwhile, Urbach tail states associated with other visible-light absorbing defects created by some material disorder in appropriate locations within the columns should have absorb the exciting photon energy and transfer it efficiently to the emitting Er3' ions. These evidences further indicate that the newer defects created under bias above 100 V act as non-radiative centers in putting out the PL. We suggest that these latter defects would be located with a high density, at the numerous grain boundaries of the nano-crystallized volumes

Packageless AlN/ZnO/Si Structure for SAW Devices Applications

Équipe 401 : Nanomatériaux pour la vie et développement durableInternational audienceThe possibility to perform a packageless structure for acoustic wave sensors applications based on AlN/interdigital transducer/ZnO/Si structure was investigated. The effect of thicknesses of AlN and ZnO thin films on structure performance was simulated by 2-D finite element method. Theoretical predictions were confirmed by in-situ measurements of frequency, insertion loss, and thickness during deposition of AlN layer on ZnO/Si