Etude et réalisation de capteurs au silicium poreux

Abstract

Dans ce travail, nous avons étudié, réalisé et caractérisé des capteurs dont la structure devrait permettre une faible consommation d’énergie. Ces capteurs sont composés d’un substrat de silicium sur lequel une couche poreuse a été formée. Après dépôt d’une couche hydrocarbonée par PECVD, les contacts métalliques sont réalisés, cette fois-ci, par la technique des couches épaisse, la sérigraphie. Les capteurs fabriqués ont été testés pour la détection d’une variété de gaz et de vapeurs tels que l’oxygène, le dioxyde de carbone, le propane, l’hydrogène, l’ammoniaque, le chlorure d’hydrogène et le méthanol. Deux types de mécanismes pour la détection ont été exploités, électrique et optique. Ces deux approches ont été abordées avec la perspective de maitriser la conception et le fonctionnement des dispositifs dans des conditions expérimentales proches de celles de leur utilisation. Ainsi, l’étude de la réponse électrique et capacitives des capteurs dans un environnement gazeux a permis de disposer d’un ensemble de résultats qui explique le rôle des interfaces gaz (vapeur)/CHx/PS dans la détection. D’autre part, l’influence de certains paramètres liés à la température de recuit des contacts et l’épaisseur de la couche hydrocarbonée et poreuse dans l’amélioration de la sensibilité des capteurs a été démontrée. Un des résultats le plus marquant de ce travail est l’amélioration et la stabilisation de la photoluminescence de la structure CHx/PS/Si sur une durée de 30 mois et qui a donné naissance à un capteur dont la réponse luminescente se trouve modifiée en présence d’un gaz. Le manuscrit se compose de cinq chapitres: Nous rappellerons dans le premier chapitre les principales propriétés morphologiques et optiques du silicium poreux. Nous présenterons l’état d’avancement des travaux de recherche et de développement sur ce type de capteurs, puis nous décrirons dans le chapitre deux le procédé de fabrication de nos échantillons en développant la technique de sérigraphie employée pour la réalisation des contacts ainsi que les moyens techniques utilisés pour leur caractérisation. Dans le chapitre trois, nous traiterons des résultats expérimentaux de la caractérisation physique et optique des couches de SiP d’une part, et de la conception des capteurs d’autre part. Au cours du chapitre quatre, nous décrirons les résultats de caractérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL). Le suivi de l’évolution des résultats de la PL en fonction du temps et de la température nous permettra d’éclaircir le(s) principal(aux) mécanisme(s) de recombinaison mis en jeu et qui seront analysés en vue de l’élaboration de dispositifs luminescents stables dans le temps. Dans le chapitre cinq, nous étudierons les réponses électrique et photoluminescente des capteurs en présence de gaz oxydants tels que l’oxygène et de gaz réducteurs tels que le propane. L’analyse de la réponse électrique nous permettra d’expliciter les phénomènes qui interviennent dans l’apparition du signal électrique et de mieux appréhender l’influence de certains gaz, en particulier l’oxygène, sur la réponse du capteur. Notre démarche consistera donc à approfondir la compréhension des phénomènes qui sont à l'origine de la réponse électrique et photoluminescente de ce capteur afin d'en optimiser le fonctionnement pour les différentes applications visées. L’ensemble des résultats obtenus nous permettra d’évaluer et d’analyser les potentialités de ces capteurs et de présenter des perspectives qui nous paraîtront intéressantes de développer.