Étude des défauts dans les photodiodes par la méthode du bruit à basse fréquence sous éclairage et en température

Résumé :
Les applications des diodes employant l'effet photoélectrique sont très nombreuses, allant des technologies photovoltaïques aux photodétecteurs dans différentes bandes de fréquences. Toutes ces applications ont en commun que chaque paire électron-trou générée par un photon ne doit pas être recombinée avant collecte, au risque de diminuer leurs performances (rendement, responsivité, etc.). Il est donc primordial pour ces composants de réduire la présence de défauts se comportant comme des centres recombinants et d'éviter leur formation au cours du temps.
La formation de ces défauts est actuellement mal comprise, en particulier du fait de l'absence de méthode de caractérisation électrique quantitative permettant une extraction précise des densités de centres recombinants dans les composants. Cette absence empêche par ailleurs une amélioration des procédés limitant leur présence dès leur fabrication.
La méthode de mesure du bruit basse fréquence (Low Fréquence Noise - LFN) est parfaitement adaptée à cette problématique, car les fluctuations du courant reflètent l'activité microscopique des défauts électriquement actifs dans les semi-conducteurs. Très développée pour la caractérisation du MOSFET, elle n'est cependant pas suffisamment exploitée pour les diodes. Des premiers travaux effectués au laboratoire CROMA au cours d’une thèse financée par l’ED EEAATS, ont de la formation potentiel de cette méthode pour les composants photovoltaïques, sans parvenir à l'objectif d'élaboration d'une méthode quantitative d'extraction du taux de défauts dans les composants.
Une piste pour parvenir à cet objectif, explorée partiellement dans la littérature, est l'excitation optique des défauts. Les résultats obtenus semblent en effet montrer qu'il est possible, par l'utilisation de différentes longueurs d'onde, de stimuler des pièges spécifiques. Une autre piste, dont la mise en œuvre est complexe, consiste à mesurer le bruit à basse fréquence en température, afin d'extraire les énergies d'activation des défauts, de leurs sections de captures et leurs densités, à l'image de la technique de spectroscopie transitoire des niveaux profonds (Deep Level Transient Spectroscopy).
Cette thèse vise donc à développer une nouvelle technique quantitative qui n'a pas encore été employée. Elle consiste à coupler la méthode de mesure de bruit à basse fréquence sous éclairage avec des mesures à basse température. La stimulation optique des défauts, modulée par les variations de temps caractéristiques à basse température, permettra d'accéder à des informations sur les défauts actuellement inaccessibles, et donc, in fine, de mieux comprendre les processus de formation des défauts dans ces composants lors de contraintes en tension ou en température.