L'exploitation et l'amélioration des propriétés optiques et électriques du germanium pour la conception et la réalisation de dispositifs de mesures optoélectroniques

Chaabane, Ibtihel (2017). L'exploitation et l'amélioration des propriétés optiques et électriques du germanium pour la conception et la réalisation de dispositifs de mesures optoélectroniques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Étant donné le contexte énergétique actuel, les exigences par rapport à l’exactitude des instruments de mesure radiométriques deviennent de plus en plus cruciales et les matériaux nécessaires aux dispositifs convertissant l’énergie en un courant électrique donnent lieu à de nombreuses recherches et développement. Tout ceci implique que ces matériaux doivent être plus performants de point du vue sensibilité au changement de la température ou du rayonnement lumineux. La sensibilité d’un instrument de mesure radiométrique est le rapport entre la sortie qui est le courant électrique et la puissance lumineuse incidente. Cette dernière s’exprime aussi en fonction du coefficient de réflexion du matériau et du rendement quantique. Ce projet a été réalisé dans le but d’améliorer ces deux paramètres en exploitant les propriétés structurales du Germanium pour l’amélioration de ses caractéristiques optiques dans un premier temps et pour l’amélioration potentielles de ses caractéristiques électriques.

La plus grande partie du projet a été consacrée à la réflexion optique de ce matériau. En effet, des recherches ont été réalisées dans le but d’établir une méthode originale de gravure à coût réduit qui permet de porosifier la surface active du dispositif permettant ainsi d’augmenter le ratio surface/air afin de piéger les photons incidents et de créer plus de pairs électrons-trous. Différents traitements ont été testés qui s’appuient sur des gravures autocatalytiques dans des bains de solutions chimiques. Le traitement qui a encouragé à faire plus d’investigations est le traitement à l’eau régale puisque l’observation de ses résultats sous le Microscope Électronique à Balayage (MEB) montrait un réseau de cavités en forme de V peu profond et homogène. Une analyse topographique plus précise par l’étude de l’influence de la durée du bain en utilisant un Microscope à Force Atomique (AFM), une analyse cristallographique en utilisant la technique de Diffraction des Rayons X (XRD) et une analyse de la réflexion optique à l’aide de la technique UV-VIS- NIR spectroscopie ont été menées afin de comprendre le comportement et la nature de la surface gravée. La conclusion de ces analyses a été que le traitement à l’eau régale permettait de porosifier la surface d’une façon contrôlable tout en conservant sa nature cristalline et qu’un traitement rapide de 5 min à l’eau régale pouvait diminuer la réflexion de 12-14% par rapport au Ge brut alors qu’un traitement d’une heure pouvait diminuer la réflexion sous les 14%.

Une autre partie du projet a été concentrée sur la conception et à la réalisation d’une photodiode au Germanium à jonction PN. Cette étape a été réalisée dans le but d’identifier tous les points à considérer et à contrôler lors du processus de réalisation d’une photodiode à jonction PN et dans le but de commenter les anomalies détectées dans cette première réalisation afin de pouvoir les améliorer dans le futur. Afin de faciliter la collecte des électrons générés par le circuit extérieur et d’éviter les recombinaisons des porteurs de charge pour l’amélioration du rendement quantique, les paramètres d’implantation de la couche dopée pour la formation de la jonction PN étaient choisis sur la base de la simulation et de la bibliographie de telle sorte que la couche supérieure soit fortement dopée et proche de la surface. La qualité de l’implantation réalisée a été ensuite discutée. Aussi le choix des métaux pour le dépôt des électrodes a été effectué de telle sorte à permettre la possibilité de l’obtention de contacts ohmiques. D’un autre côté, l’électrode supérieure devrait répondre aux critères de transparence et de conductivité ce qui a conduit à mener une étude de la forme de l’électrode supérieure.

La définition de la configuration de la photodiode à jonction PN au Germanium avec tous ses paramètres et la caractérisation de la couche poreuse, permettent de sélectionner les paramètres de gravure adéquats pour proposer l’intégration de cette porosité sur la face avant de la photodiode au Germanium.

Titre traduit

Operation and amelioration of Germanium's optical and electrical properties for the design of optoelectronic devices

Résumé traduit

Based on current energy context, the requirements regarding the accuracy of radiometric instruments are becoming increasingly critical and the materials needed for devices converting energy into an electric current gives rise to numerous research and development. All this, implies that these materials should be more efficient from the point of view sensitivity to temperature change and light radiation. The sensitivity of a device for radiometric measurements is the ratio between the output which is the electric current and the input which is the incident light power. The latter is also expressed in terms of the material’s reflection coefficient and the quantum efficiency. This project was carried out with the aim of improving these two parameters by exploiting the structural properties of Germanium to first improve its optical characteristics and for the potential improvement of its electrical ones.

Most of the project was devoted to the optical reflectance of this material. Indeed, research has been conducted with the aim of establishing an original and low cost-effective method of etching allowing the porosification of the device active surface and thus increasing the surface to air ratio to trap the incident photons and create more electron-hole pairs. Different treatments have been tested which are all chemical-solution based baths. The treatment that encouraged us to do further investigation is the aqua-regia treatment since the observation of its results under the Scanning Electron Microscopy (SEM) showed homogeneous and shallow V-shaped nanotextured pit arrays. A more precise topographic analysis by studying the influence of the bath time using an Atomic Force Microscope (AFM), a crystallographic analysis using the XRay Diffraction technique (XRD) and analysis of optical reflection using the UV-VIS-NIR spectroscopy have been conducted in order to understand the nature and the behavior of the etched surface. The conclusion of this analyzes was that the aqua regia treatment allowed not only the porosification of the surface in a controllable way while maintaining its crystalline structure but also showed that rapid treatment of 5min immersion could reduce the reflection by 12-14% compared to bulk Ge and a one-hour treatment could reduce reflection under 14%.

Another part of the project focuses on the design and the implementation of a Germanium photodiode PN-junction based. This step was carried out with the aim of identifying all the points to be considered and to be checked during the realization process of a PN junction photodiode and with the aim of commenting on the anomalies detected in this first embodiment in order to be able to improve them in the future. To facilitate the collection of the generated electrons by the external circuit and to prevent the recombination of the charged carriers to improve the quantum efficiency, the implantation parameters of the doped layer for the formation of the PN junction were chosen in the basis of the simulation and the bibliography allowing the upper layer of the device to be highly doped and close to the surface. The quality of the realized implantation was then discussed. Also, the choice of metals for electrodes deposition has been made in such a way to make possible, an ohmic contact formation. On the other hand, the upper electrode must meet the requirements of transparency and conductivity, which has led to a study of the shape of the upper electrode. The realization of the crude Gebased photodiode with this configuration will allow us later, after the characterization of the porous layer, to make another similar photodiode, but based on porous Ge.

The definition of the Germanium PN junction photodiode’s configuration with all its parameters and the characterization of the porous layer allow us to select the appropriate engraving parameters to propose the integration of this porosity on the front face of the Germanium photodiode.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique". Bibliographie : pages 95-102.
Mots-clés libres:	Dispositifs optoélectroniques Conception et construction. Photodiodes Conception et construction. Dispositifs optoélectroniques Matériaux. Germanium Propriétés optiques. Germanium Propriétés électriques. Semiconducteurs Jonctions. Matériaux poreux. Autocatalyse. eau, regal, semi-conducteur, mesure infrarouge, gravure autocatalytique, photodiodes, jonction PN, réflectivité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cloutier, Sylvain G.
Codirecteur:	Codirecteur Touayar, Oualid
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	24 nov. 2017 21:48
Dernière modification:	24 nov. 2017 21:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1970

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