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Techniques de caractérisation, et plate-forme "CAMADISC"

Le développement de techniques de caractérisation de matériaux semiconducteurs constitue le socle des activités de l'équipe SCM. Le nombre de techniques opérationnelles dans l'équipe et leur diversité augmente au fil des ans et enrichit notre plate-forme de caractérisation "CAMADISC" (CAractérisation de MAtériaux et DIspositifs SemiConducteurs).

Ces techniques sont destinées à la détermination des principaux paramètres du transport électronique, comme les produits (mobilité X durée de vie) des porteurs majoritaires et minoritaires, ainsi qu'à celle des paramètres des défauts actifs : densité, position en énergie, sections efficaces de capture.


Résultats récents :


Nous avons montré que la technique de photocourant modulé, déjà couramment employée pour la détermination de la densité d'états, pouvait être affinée pour en obtenir des paramètres supplémentaires par rapport à son utilisation classique [ACL.4.36]. Nous avons également montré que la technique du photocourant sous interférométrie laser, destinée initialement à la détermination de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, pouvait conduire à la détermination de certains niveaux d'énergie de défauts dans la bande interdite [ACL.4.3]. Enfin, nous avons mis en évidence qu'un traitement particulier des résultats d'une expérience de photoconductivité en régime continu conduisait également à l'obtention des caractéristiques de certains états localisés [ACL.4.5]. Nous avons souligné les corrélations et les complémentarités de chacune de ces techniques et montré que l'application de l'ensemble de ces techniques au même échantillon conduit à une bonne détermination des paramètres de la densité de défauts présents dans la bande interdite d'un semiconducteur [ACL.4.8, ACL.4.9]. Dans le cas de couches minces de silicium désordonné, il est alors possible d'obtenir une véritable fiche d'identité du matériau permettant de juger aussi bien de ses propriétés de transport pour les électrons et pour les trous, que de la densité de défauts électroniquement actifs et de leur pouvoir recombinant. La figure 1 montre un exemple de spectroscopie du produit NC/µ (N étant la densité des états, C la section efficace de capture pour électron ou trou et m la mobilité correspondante) reconstituée pour une couche mince de silicium amorphe à partir de plusieurs techniques. Grâce à nos nouvelles analyses de ces techniques, on obtient un accord remarquable, ce qui nous permet de choisir pour nos études futures la technique la plus appropriée, compte tenu de différentes caractéristiques (niveaux de courants, photosensibilité, etc.) et contraintes propres à chaque matériau.

Spectroscopie du produit NC/µ

Spectroscopie du produit NC/µ (N : densité d'états, C : coefficient de capture, µ : mobilité), reconstituée sur une couche mince de a-Si:H à partir de mesures de photoconduc-tivité en régime continu (dc γ-NC/µ) à différent flux, de photoconductivité en régime alternatif (ac γ-NC/µ), et d'interférométrie laser (ß-NC/µ). L'accord entre les différentes techniques est remarquable.

 

Perspectives :

Les recherches seront menées suivant trois idées directrices :

  1. Le développement d'expériences de caractérisation de type électrique, mais sans contact :
    Ces expériences sont très utiles dans la mesure où elles peuvent être effectuées à divers stades de fabrication d'un dispositif tel qu'une cellule photovoltaïque. Elles permettent donc d'apprécier l'impact de différentes étapes technologiques tout en s'affranchissant des contacts, dont l'optimisation peut être longue et fastidieuse, et qui risquent, à défaut, de contrôler les propriétés du dispositif, masquant ainsi l'impact du matériau et des autres interfaces du dispositif. Nous nous intéressons particulièrement à trois techniques sans contact : la photoconductance sans contact, la photoluminescence, et la réflectivité micro-onde résolue en temps (Time Resolved Microwave Conductivity). Les études autour de ces techniques seront suivies notamment dans le cadre du projet ANR THRI-PV, démarré en décembre 2006, et qui s'achèvera en décembre 2010. Le consortium de ce projet regroupe 7 UMR CNRS: l'IRDEP, le LGEP, le LCAES-ENSCP-UPMC, l'EM2C, l'IES, l'IREM-ILV et le LPN. Il vise à répondre au double défi de conceptualiser et de préparer la voie à la réalisation des dispositifs innovants de très hauts rendements. Dans ce projet, deux différentes classes de matériaux innovants ouvrant la voie à de nouveaux concepts pour la conversion de l'énergie solaire sont explorés (matériaux additionneurs de photons ainsi que des dispositifs à porteurs chauds, accompagnés de systèmes de management optique avancés) et des moyens de caractérisation spécifiques développés. Ce dernier point fait l'objet d'une tâche dont notre équipe (D. Mencaraglia) a la responsabilité scientifique.

  2. La technique de photoconductance sans contact : (Sinton in-line contactless photoconductance)
    Cette technique est utilisée de façon standard pour l'analyse de la durée de vie des porteurs dans des plaquettes épaisses de silicium cristallin. Notre équipe a acquis en 2007 l'appareil nécessaire, qui sera utilisé dans le cadre de nos projets sur les hétérojonctions de silicium pour analyser la qualité de passivation de leurs interfaces. Nos travaux plus prospectifs porteront donc sur l'adaptation de cette technique au cas de films minces et à leur modélisation. La mise au point d'un banc de photoluminescence pour la caractérisation des phénomènes de recombinaison dans les cellules photovoltaïques à hétérojonctions a démarré avec la thèse de Rémy Chouffot (soutenance prévue fin 2008/début 2009). Elle sera poursuivie dans la thèse de Wilfried Favre (démarrage en octobre 2008), et étendue au fonctionnement en régime alternatif. Nous envisageons en outre de développer un nouveau banc de photoluminescence pour faire de l'imagerie directe sur des cellules photovoltaïques prototype de 5cm x 5cm, afin d'en étudier l'uniformité. Ceci sera d'autant plus important pour révéler l'influence des joints de grains et leur passivation éventuelle par l'hydrogène dans le silicium multicristallin, lorsque celui-ci sera couplé à des couches minces amorphes pour la réalisation de cellules à hétérojonctions silicium multicristallin / silicium amorphe. C'est notamment un des objectifs du projet ANR MULTIXEN, débuté en décembre 2007, dont des éléments plus précis sont donnés dans le thème de recheche relatif à la filière silicium pour le photovoltaïque.

    La technique de réflectivité micro-onde résolue en temps consiste à mesurer l'évolution temporelle du coefficient de réflexion d'une onde hyperfréquence sur un semi-conducteur soumis à une excitation lumineuse. L'énergie des photons est choisie supérieure au gap du matériau. Les photons absorbés par le matériau créent des paires électrons-trous qui modifient la fonction diélectrique du semi-conducteur, ce qui entraîne une variation de la puissance micro-onde qu'il réfléchit. Sous certaines conditions expérimentales, cette variation de la puissance réfléchie est proportionnelle au nombre de porteurs en excès présents dans l'échantillon. L'analyse du signal transitoire peut alors permettre de déterminer la mobilité et la durée de vie des porteurs. Cette technique va être développée en liaison avec l'équipe MDMI, qui possède une expertise dans le domaine des micro-ondes, mais aussi avec le LPICM, qui possède l'instrumentation nécessaire. En partenariat avec ce laboratoire, cette technique sans contact devrait pouvoir être implantée au sein d'un réacteur de dépôt afin d'établir un diagnostic électrique de couches in-situ et en cours de croissance.

  3. Le développement de diagnostics fins des matériaux et interfaces à base de semiconducteurs en couches minces :
    Les techniques à base de photocourant dans différents régimes (photocourant modulé, photocourant sous interférométrie laser, photocourant transitoire) et d'admittances vont être utilisées pour caractériser les matériaux, en partenariat avec des équipes de recherche spécialisées dans le dépôt, et dans le cadre de plusieurs projets (décrits ci-dessous dans les thématiques correspondantes). Ces techniques font l'objet d'améliorations permanentes notamment dans leurs analyses. Celles-ci seront poursuivies en collaboration avec des équipes étrangères réputées dans ce domaine, et avec lesquelles nous avons déjà collaboré efficacement et fructueusement dans un passé récent (Université d'Oldenburg, Helmoltz-Zentrum Berlin, INTEC Santa Fe, ITME Varsovie). En particulier, notre projet POLONIUM "Investigation des niveaux de défauts électriquement actifs dans les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite" avtrois idées directricesec l'ITME se poursuivra en 2009. Nous avons également déposé un projet ECOS-Sud "Etudes des propriétés optiques et électroniques de films minces de silicium amorphe, nanocristallin et polycristallin" avec l'INTEC.Récemment, des contacts avec l'institut de physique de l'université d'Aix-la-Chapelle pour l'étude de semiconducteurs à transition de phase ont également révélé de nouveaux potentiels pour la technique du photocourant modulé. Ces contacts fructueux vont se formaliser par le dépôt d'un projet PROCOPE et d'un projet de thèse en co-tutelle. Enfin, nous allons poursuivre aussi l'investigation de nouvelles techniques pouvant être employées sur le dispositif final (cellule photovoltaïque). Ainsi, nous allons démarrer l'étude d'une technique dérivée du photocourant modulé directement applicable à des cellules photovoltaïques : la technique de phototension modulée. Nous pensons en effet que cette technique sera sensible à la durée de vie effective des porteurs. La combinaison d'une telle technique avec les techniques sans contact doit permettre notamment d'évaluer l'impact des étapes finales de métallisation et la qualité des contacts dans une cellule photovoltaïque.

    La valorisation de notre savoir-faire dans le domaine. Celle-ci passe d'abord par notre action au sein de projets de collaboration nationaux ou internationaux, mais aussi par des actions de transfert industriel. A ce titre, un contrat CEFIPRA : "Transfert technologique d'un procédé de dépôt vers l'industrie de la conversion de l'énergie solaire", est en cours en collaboration avec l'Energy Research Unit de l'Indian Association for the Cultivation of Science (Kolkata, Inde), le LPICM, et la société SOLEMS SA (Palaiseau, France). Nous envisageons également de développer des bancs autonomes et automatisés de caractérisation électronique par les techniques de photocourant modulé, de photocourant sous interférométrie laser, et de photoréponse spectrale. Ces techniques sont très utiles pour la caractérisation de couches minces de silicium non cristallin ou la caractérisation de cellules photovoltaïques. Compte tenu de la forte croissance du marché photovoltaïque, et notamment du secteur des couches minces, de tels bancs automatisés peuvent intéresser les industriels. Ces bancs pourront être accompagnés des logiciels d'exploitation des données que nous avons développés, et qui permettent de déterminer les paramètres électroniques importants de ces couches minces (conductivité, photoconductivité, longueur de diffusion des porteurs, spectroscopie des défauts dans la bande interdite).

Plateforme CAMADISC