Dopant spectroscopic studies in II-VI material systems for IR detectors and photovoltaïc cells
Etudes spectroscopiques du dopage dans les matériaux II-VI pour les détecteurs infrarouge et les cellules photovoltaïques
Résumé
This thesis work presents optical and electrical characteristics of dopants in HgCdTe, CdZnTe and CdS layers. These 3 materials II-VI have mutual interest to be used in detection devices, for infrared light detection with HgCdTe and CdZnTe or for visible light detection in the case of CdS. Optical characterization of these II-VI layers was carried out with photoluminescence and was correlated with electrical measurements realized by temperature dependant Hall effect. First, a study of intrinsic doping with mercury vacancies and of extrinsic doping with arsenic in HgCdTe layer, the active layer in infrared detectors, was carried out. To do so, optical measurements by photoluminescence (on an experiment set up in the laboratory during the first thesis year which allows to work from low temperatures to room temperature between 1µm and 12 µm in IR) on HgCdTe layers grown by liquid phase epitaxy (LPE) with different compositions were managed. Correlation between these optical measurements with electrical measurements by temperature dependent Hall measurements led to identify activation energies of the 2 mercury vacancy acceptor levels and to show U-negativity phenomenon of mercury vacancy in HgCdTe. Moreover, comparison between PL spectra of As doped samples during molecular beam epitaxial (MBE) growth with measurements carried out by X-ray absorption (EXAFS) allowed to observe optical recombination associated to the different arsenic complexes formed before and after activation annealing . Besides, a modelling work about alloy disorder phenomenon in HgCdTe was managed. More precisely, a model based on a Gaussian statistic associated to alloy fluctuations around a mean gap and a Boltzmann statistic was developed in order to fit absorption spectra first, then to fit photoluminescence spectra. This model allowed us to fit closely photoluminescence and absorption spectra, taking into account alloy disorder of the material. Thus, we found that spectra fitting with Gaussian functions as usually done in literature allows to find right energy intervals between emission peaks, so right ionization energies. Secondly, also in infrared detection case, our work dealt with the study of CdZnTe substrate used for HgCdTe epitaxy. Comparison of PL spectra with growth parameters were carried out. More particularly, a study on a specific area of samples which show IR ray absorption was realized in order to understand the origin. Last, we took interest in CdS layer, II-VI material intrinsically doped (n-type) used as transparent window and forming p-n junction with CdTe in solar cells, visible light detectors. In this part, we studied consequences of different deposition method, sublimation or chemical bath of CdS layer on a glass substrate, by comparing photoluminescence spectra obtained and thermal treatments carried out after deposition. These measurements were correlated with solar cells efficiency.
Ce travail de thèse présente les caractéristiques optiques et électriques de dopants dans des couches de CdHgTe, CdZnTe et CdS. Ces 3 matériaux II-VI ont pour point commun d'être utilisés dans des dispositifs de détection, que ce soit la détection de lumière infrarouge pour les couches de CdHgTe et CdZnTe ou la détection visible comme c'est le cas pour le CdS. La caractérisation optique de ces couches de matériaux II-VI a été réalisée par la technique de photoluminescence et corrélée à des mesures électriques effectuées par effet Hall en température. Dans un premier temps, une étude du dopage intrinsèque par les lacunes de mercure et du dopage extrinsèque par incorporation d'arsenic de l'alliage CdHgTe, couche active des détecteurs IR a été réalisée. Pour cela, des mesures optiques par photoluminescence (sur un banc mis en place au laboratoire pendant la 1ere année de thèse permettant de travailler depuis les basses températures jusqu'à l'ambiante entre 1µm et 12 µm dans l'IR) sur des couches de CdHgTe réalisées par épitaxie en phase liquide (EPL) de différentes compositions en Cd ont été effectuées. La corrélation de ces mesures optiques avec des mesures électriques par effet Hall en température a permis d'identifier les énergies d'activation des 2 niveaux de la lacune de mercure ainsi que de démontrer le phénomène de U-négativité de la lacune de mercure dans le CdHgTe. De plus, la comparaison de spectres de PL d'échantillons dopés arsenic pendant la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) avec des mesures disponibles réalisées par absorption de rayons X (EXAFS) a permis d'observer des transitions optiques associées aux différents complexes arsenic formés avant et après le recuit d'activation. Par ailleurs, un travail de modélisation du phénomène de désordre d'alliage dans le CdHgTe a été réalisé. Plus précisément, un modèle basé sur une statistique gaussienne associée aux fluctuations d'alliage autour d'un gap moyen et une statistique de Boltzman a été développé pour ajuster dans un premier temps des spectres d'absorption puis pour ajuster les spectres de photoluminescence. Ce modèle nous a permis d'ajuster étroitement les spectres de photoluminescence et d'absorption, tout en prenant en compte intrinsèquement le désordre d'alliage du matériau. Nous avons ainsi constaté que l'ajustement des spectres par des fonctions gaussiennes comme il est réalisé communément dans la littérature permet de trouver les bons écarts entre les pics d'émission et donc les bonnes énergies d'ionisation.. Dans un deuxième temps, toujours dans le cas de la détection infrarouge, le travail a porté sur l'étude du substrat CdZnTe utilisé pour l'épitaxie du CdHgTe. Des comparaisons des spectres de PL avec les paramètres de croissance ont été effectuées. Plus particulièrement, une étude sur une zone spécifique de certains échantillons présentant une absorption du rayonnement IR a été réalisée afin d'en comprendre l'origine. Enfin, nous nous sommes intéressés à la couche de CdS, matériau II-VI dopé intrinsèquement (type n) utilisé comme fenêtre transparente et formant la jonction p-n avec le CdTe dans les cellules solaires, détecteurs de lumière visible. Dans cette partie, nous avons chercher à étudier l'influence des différentes méthodes de dépôts, sublimation ou bain chimique de la couche de CdS sur un substrat de verre, en comparant les spectres d'émission de photoluminescence obtenus ainsi que les types de traitements thermiques effectués après dépôts. Ces mesures ont été corrélées avec le rendement des cellules solaires finales.
Domaines
Optique / photonique
Loading...