Capacitance spectroscopy in hydrogenated amorphous silicon Schottky diodes and high efficiency silicon heterojunction solar cells.

摘要

Les travaux développés dans cette thèse sont dédiés à l étude des propriétés électroniques de diodes Schottky de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et d'hétérojonctions entre silicium amorphe hydrogéné et silicium cristallin, a-Si:H/c-Si au moyen de spectroscopies de capacité de jonctions.Lors de la fabrication des cellules solaires à haut rendement plusieurs paramètres d une hétérojonction a-Si:H/c-Si doivent être considérés. Premièrement, la densité d états dans le gap du a-Si:H est d une grande importance car il s agit de défauts qui favorisent le piégeage et la recombinaison de porteurs. Deuxièmement, la détermination des désaccords des bandes entre la couche amorphe et la couche cristalline est indispensable puisque ceux-ci contrôlent le transport à travers la jonction et déterminent la courbure des bandes dans c-Si, ce qui va notamment influencer la recombinaison des porteurs sous lumière, donc la tension de circuit ouvert des cellules. Cette thèse a pour but d étudier la spectroscopie de capacité comme technique d'analyse de paramètres clés pour les dispositifs à hétérojonctions de silicium : la densité d états dans le a-Si:H et les désaccords des bandes entre a-Si:H et c-Si.La première partie est dédiée à l étude de la capacité de diodes Schottky. Nous nous concentrons sur un traitement simplifié de la capacité en fonction de la température et de la fréquence reposant sur une expression analytique obtenue par une résolution approchée de l'équation de Poisson. Ce traitement permet en principe d extraire la densité d états au niveau de Fermi dans le a-Si:H et la fréquence de saut des électrons depuis un état localisé au niveau de Fermi vers la bande de conduction. En appliquant ce traitement simplifié à la capacité calculée sans approximation à l'aide de deux logiciels de simulation numérique, nous montrons que sa fiabilité et sa validité dépendent fortement de la distribution des états localisés dans la bande interdite du a-Si:H et de la position du niveau de Fermi. Puis nous abordons l étude de la capacité des hétérojonctions entre a-Si:H de type p et c-Si de type n, et nous mettons particulièrement en avant l existence d'une couche d inversion forte à l interface dans le c-Si, formant un gaz bidimensionnel de trous. Dans une première partie, nous présentons une étude par simulation numérique de la dépendance de la capacité en fonction de la température, pour laquelle un ou deux échelons peuvent être mis en évidence à basse température. Leur analyse montre qu un des ces échelons est attribué à l activation de la réponse de la charge dans le a-Si:H, alors que l autre, présentant une énergie d'activation plus grande, est lié à la modulation de la concentration des trous dans la couche d inversion forte, lorsque celle-ci existe. On présente ensuite une discussion de résultats expérimentaux. Le régime quasi-statique de la capacité fait ainsi l objet d une discussion. Nous mettons en relief le fait que l approximation de la zone de déplétion ne permet pas de reproduire cette augmentation de la capacité en fonction de la température. Du fait de l existence de la couche d inversion forte, la chute de potentiel dans la zone de déplétion du c-Si est plus faible que la valeur déterminée par le calcul attribuant toute la chute de potentiel à la zone de déplétion. Par conséquent, cette approximation conduit à sous-estimer la capacité ainsi que son augmentation avec la température. Nous présentons alors un calcul analytique complet qui tient compte à la fois de la distribution particulière du potentiel dans le a-Si:H, et des trous dans le c-Si dont la contribution à la concentration totale de charges n'est pas négligeable dans la couche d inversion forte. Le calcul analytique complet permet de bien reproduire les résultats expérimentaux de capacité en fonction de la température; ceci confirme la présence de la couche d inversion forte dans les échantillons étudiés.