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Electroluminescence et structures de type ZnO:TR/Si P

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Spectres d’électroluminescence obtenus à partir d’un dispositif ZnO:Eu,Tb/Si P de 50 microns de côté avec un film de ZnO:Eu,Tb de seulement 70 nm d’épaisseur et un dopage total de l’ordre de 2,5% at. (collaboration avec l’Université de Barcelone).

De nombreux travaux de recherche sont consacrés au développement de matériaux électroluminescents compatibles avec la technologie du silicium.

Parmi ces matériaux, on trouve les films minces semi-conducteurs ou d’oxydes transparents conducteurs dopés avec des ions terres rares (TR). Un choix judicieux de ces derniers, noyés dans une matrice transparente et conductrice appropriée, permet de contrôler les propriétés de l’émission lumineuse sous excitation électrique.

Le choix du ZnO comme matrice hôte comporte des avantages indéniables : semi-conducteur de type n de grand gap permettant l’excitation indirecte des ions terres rares ; matériau transparent dans la gamme spectrale du visible,…

L’équipe NIMPH du CIMAP a récemment élaboré des structures de type ZnO:TR/Si P par pulvérisation magnétron et des résultats d’électroluminescence très encourageants ont été obtenus.

L’exemple de la figure ci-contre concerne un dispositif de forme carrée et de 50 microns de côté. Le film émetteur a une épaisseur de 70 nm et l’ensemble du dopage en ions europium et terbium n’est que de l’ordre de 2,5% at. tout en offrant une émission parfaitement visible à l’œil nu. Des analyses structurales ont montré que suite au traitement thermique auquel est soumis le dispositif (environ 700°C pendant quelques minutes), une diffusion du dopant a lieu en direction de l’interface entre le film de ZnO et le substrat de silicium. Une concentration en Eu3+ beaucoup plus importante que 2,5% at. dans la zone de charge d’espace de la jonction a pour conséquence un nombre important d’émetteurs sous l’influence du champ électrique régnant dans cette zone de la jonction.

Cela explique les pics d’émission très intenses des transitions de l’ion europium de la figure ci-contre. Des études sont actuellement en cours sur d’autres ions terre rare et sur l’optimisation de la qualité d’interface entre le film et le substrat pour améliorer le rendement quantique de ces structures.

Contact : Xavier PORTIER