Study, realization and characterization of thin films based on TCO for micro-technology applications.

Abstract

Transparent conducting oxides (TCOs) are materials with dual property of elec-trical conductivity and transparency in the visible, making them ideal candidates for applications in microtechnology. In this thesis work, we prepared thin films of n-type semiconductors, represented by tin oxide (SnO2) and p-type semiconductors, represented by nickel oxide (NiO), with the aim of realizing a heterojunction. This heterojunction is in demand by industry for ultraviolet photodiode applications. This study also made it possible to improve the optical and structural properties of each type of layer, developed using the simple and cost-effective spray pyrolysis technique. The materials obtained were then analyzed using several characterization techniques, in particular spectroscopic ellipsometry (SE). The originality of this work lies in the use of a B-spline model to fit the spectroscopic ellipsometry data and extract the optical constants of SnO2 and NiO films under temperature variation. It reports a minimum root-mean-square error of 4.022 for the ellipsometric fit, indicating a good match between the model and the experimen-tal data. The B-spline model is shown to be effective in accurately fitting spectroscopic ellipsometry data of SnO2 films. In addition, this summary also discusses the use of the Wemple-DiDomenico model to estimate the average oscillator and dispersion energies of NiO films. It also highlights the decrease in refractive index and Urbach energy with increasing crystallite size in NiO films. These analyses suggest that the B-spline model and the Wemple-DiDomenico model are powerful tools for characterising the structural and optical properties of TCO thin films. The results of characterization of the two TCOs were used to design a PIN photodiode based on a NiO/Silicon/SnO2 heterojunction. This PIN photodiode was desgned using Silvaco simulator, resulting in a determination of the current-voltage characteristics of 7.3 nA, with a low leakage current and high sensitivity estimated at 7.3 mA/W for petahertz communication, especially ultraviolet communica-tion.

Les oxydes transparents et conducteurs (TCO) sont des matériaux à double pro-priété, conductivité électrique et transparence dans le visible, ce qui en fait des candidats idéaux pour des applications en microtechnologies. Dans ce travail de thèse, nous avons préparé des couches minces de semi-conductrs de type n, représentées par l’oxyde d’étain (SnO2), et d’autres de type p, représentées par l’oxyde de nickel (NiO), dans le but de réaliser une hétérojonction. Cette hétérojonction est demandée par l’industrie pour des applications de photodiodes ultraviolettes. Cette étude a également permis d’améliorer les propriétés optiques et structurales de chaque type de couche, élaborée par la technique de spray pyrolyse, une technique simple et économique. Les matériaux obtenus ont en-suite été analysés par plusieurs techniques de caractérisation, en particulier l’ellipsométrie spectroscopique (SE). L’originalité de ce travail est l’utilisation d’un modèle B-spline pour ajuster les données d’ellipsométrie spectroscopique et extraire les constantes optiques des films de SnO2 et NiO en variation de température. Il fait état d’une erreur quadra-tique moyenne minimale de 4.022 pour l’ajustement ellipsométrique, ce qui indique une bonne adéquation entre le modèle et les données expérimentales. Le modèle B-spline s’avère efficace pour ajuster avec précision les données d’ellipsométrie spectroscopique des films SnO2. En outre, ce résumé traite également de l’utilisation du modèle de Wemple-DiDomenico pour estimer les énergies moyennes d’oscillateur et de dispersion des films de NiO. Il met également en évidence la diminution de l’indice de réfraction et de l’énergie d’Urbach avec l’augmentation de la taille des cristallites dans les films de NiO. Ces analyses suggèrent que le modèle B-spline et le modèle Wemple-DiDomenico sont des outils puissants pour caractériser les propriétés structurelles et optiques des films minces de TCO. Les résultats de caractérisation des deux TCOs ont été exploités pour concevoir une photodiode PIN à base d’une hétérojonction NiO/Silicon/SnO2. Cette photodiode PIN été conçue à l’aide du simulateur Silvaco, ce qui a permis de déterminer les caractéristiques courant-tension de 7.3 nA avec une faible fuite de courant et une sensibilité élevée estimée à 7.3 mA/W pour la communication petahertz, en particulier pour l’ultraviolet communication.

أكاسيد التوصيل الشفاف (TCOs) هي مواد تتمتع بخاصيتين مزدوجتين، التوصيل الكهربائي والشفافية في المجال المرئي، مما يجعلها مرشحةً مثالية للاستخدامات في التقنيات الدقيقة. في هذا العمل البحثي، قمنا بتحضير أغشية رقيقة من أشباه الموصلات من النوع n، الممثلة بأكسيد القصدير (SnO2)، وأشباه الموصلات من النوع p، الممثلة بأكسيد النيكل(NiO)، بهدف تحقيق وصلة p-n. هذه الوصلة مطلوبة بشدة من قبل الصناعة لتطبيقات الصمامات الثنائية البصرية فوق البنفسجية. وقد أتاحت هذه الدراسة أيضًا تحسين الخصائص البصرية والهيكلية لكل نوع من الطبقات، التي تم تطويرها باستخدام تقنية الرش البسيطة والفعالة من حيث التكلفة. ثم تم تحليل المواد التي تم الحصول عليها باستخدام العديد من تقنيات التوصيف، ولا سيما قياس استقطاب الضوء الطيفي (SE) تكمن أصالة هذا العمل في استخدام نموذج B-spline لملاءمة بيانات قياس استقطاب الضوء الطيفي واستخراج الثوابت البصرية لأفلام SnO2 وNiO تحت اختلاف درجات الحرارة. يبلغ الحد الأدنى لمتوسط مربع الخطأ.022 4 للملاءمة القياسية، مما يشير إلى تطابق جيد بين النموذج والبيانات التجريبية. يظهر أن نموذج B-spline فعال في ملاءمة بيانات قياس استقطاب الضوء الطيفي لأفلام SnO2 بدقة. بالإضافة إلى ذلك، يناقش هذا الملخص أيضًا استخدام نموذج Wemple-DiDomenico لتقدير متوسط طاقات التذبذب والتشتت لأفلام NiO كما يسلط الضوء على انخفاض مؤشر الانكسار وطاقة Urbach مع زيادة حجم البلورية في أفلام NiO تشير هذه التحليلات إلى أن نموذج B-spline ونموذج Wemple-DiDomenico أدوات قوية لتوصيف الخصائص البنيوية والبصرية لأغشية TCO الرقيقة. ومن ثم استخدام نتائج تحديد خصائص TCOs الاثنين لتصميم صمام ثنائي البصري PIN يعتمد على وصلة NiO/Silicon/SnO2. حيث تم تصميم هذا الصمام الثنائي البصري باستخدام برنامج المحاكاة Silvaco، مما أدى إلى تحديد خصائص التيار والجهد والتي تبلغ 3.7 نانو أمبير، مع تيار تسريب منخفض وحساسية عالية تقدر بـ 3.7 مللي أمبير / وات للاتصال بيتاهرتز، وخاصةً الاتصال فوق البنفسجي.