Theoretical characterization of point defects in semiconductors : from photovoltaics to quantum engineering applications
Caractérisation théorique des défauts ponctuels dans les semi-conducteurs : du photovoltaïque aux applications d'ingénierie quantique
Résumé
Point defects play an essential role in the technological applications of semiconductors, providing suitable doping conditions. At the same time, defects with carrier trap characteristics can prove to be detrimental to the performance and efficiencies of solid-state devices. Due to their implications on semiconductors, especially electronics and optical properties, defects have been the subject of extensive research for the last several decades.In this thesis, intentionally added impurities in Cadmium Telluride (CdTe) and their interaction with native defects have been studied using first principle based methods. CdTe has several technological applications, such as solar cells, nuclear radiation detectors, and astronomical spectroscopy. The properties of CdTe have been studied for several decades. However, the growth process related to defects composition, for photovoltaics and other applications is still evolving with a better understanding of native defect properties and the knowledge of doping and alloying strategies.The two main topics addressed in this thesis are related to CdTe photovoltaics and possible quantum application. The first one deals with the design strategy involving the alloying of polycrystalline CdTe solar cells with Se that has pushed the efficiency of thin film CdTe devices above 22 % In terms of defect physics, experimental studies have elucidated that the Se atom diffuses into CdTe bulk and passivates the intrinsic carrier traps present therein. Finding the Se dopant diffusion mechanism holds significant importance for understanding the depth profile of the dopant and native defect passivation mechanism. We have used the first principle based DFT calculations to identify a unique two-step mechanism to define the Se diffusion in the CdTe bulk. The diffusion process involves the interaction of Se with the Te self interstitial and the promotion of Te interstitial diffusion in the CdTe bulk. The barrier associated with the Se diffusion was calculated to be lower than 0.42 eV, reflecting the fast diffusion of the Se dopant in CdTe. In the next stage, we used the Se diffusion trajectory to understand the interaction of the dopant with the carrier trap native defects, Cd vacancy, and Te antisite, and their passivation on interaction forming bound defect complexes with Se.Point defects, along with their strong implication for opto-electronic properties of semiconductors, have also proven their suitability for quantum applications such as computing and sensing in recent years. Transition metal doped into semiconductor nanostructures with characteristic localized spin have emerged to be a suitable candidate for these applications, giving rise to an emerging field of solotronics.In the second part of the thesis, we studied the electronic structure of transition metal Cr and Mn solitary dopant defects in CdTe. We identified the effect of electron-lattice coupling on the local symmetry of the dopants in the lattice and established its correspondence with localized defect electronic wavefunction. Using the DFT calculations of the thermodynamic binding energy associated with dopant and native defects interaction, we then establish that achieving Cr isolated dopant configuration in CdTe nanostructures is challenging as it binds strongly with native defects. In contrast, Mn in suitable growth conditions can be readily obtained in an isolated configuration. We also proposed a phenomenological model to define the interaction of transition metal dopants with native defects. Finally, we explained the experimentally observed change in the spin state of Cr from that of the isolated dopant ground state configuration using the interaction of Cr with a native defect in CdTe.Together these two studies demonstrate that understanding the underlying mechanism at the atomic scale can be used to define experimentally characterized phenomena at the macroscopic scale and devise growth strategies.
Les défauts ponctuels jouent un rôle essentiel dans les applications technologiques des semi-conducteurs, en fournissant des conditions de dopage appropriées. Dans le même temps, les défauts présentant des caractéristiques de piégeage des porteurs peuvent s'avérer préjudiciables aux performances et aux rendements des dispositifs à l'état solide. En raison de leurs implications sur les semi-conducteurs, en particulier sur les propriétés électroniques et optiques, les défauts ont fait l'objet de recherches approfondies au cours des dernières décennies.Dans cette thèse, les impuretés ajoutées intentionnellement dans le tellurure de cadmium (CdTe) et leur interaction avec les défauts natifs ont été étudiées en utilisant des méthodes basées sur le premier principe. Le CdTe a plusieurs applications technologiques, telles que les cellules solaires, les détecteurs de radiation nucléaire, et la spectroscopie astronomique. Les propriétés du CdTe sont étudiées depuis plusieurs décennies. Cependant, le processus de croissance lié à la composition des défauts, pour le photovoltaïque et d'autres applications, évolue encore avec une meilleure compréhension des propriétés des défauts natifs et la connaissance des stratégies de dopage et d'alliage.La première partie de la thèse concerne la stratégie de conception de cellules solaires en CdTe polycristallin impliquant l’utilisation de selenium (Se), qui a permis d'augmenter l'efficacité des dispositifs en CdTe à couche mince à plus de 22 %. En termes de physique des défauts, les études expérimentales ont permis d'élucider le fait que l'atome de Se diffuse dans le CdTe massif et passive les pièges à porteurs intrinsèques qui y sont présents. La découverte du mécanisme de diffusion du dopant Se est très importante pour comprendre le profil de profondeur du dopant et le mécanisme de passivation des défauts natifs. Nous avons utilisé les calculs DFT basés sur le premier principe pour identifier un mécanisme unique en deux étapes expliquant la diffusion du Se dans le CdTe massif. Le processus de diffusion implique l'interaction du Se avec un Te interstitiel et l’amélioration de la diffusion du Te interstitiel dans le CdTe massif. La barrière associée à la diffusion du Se a été calculée comme étant inférieure à 0,42 eV, reflétant la diffusion rapide du dopant Se dans le CdTe. Dans l'étape suivante, nous avons utilisé la trajectoire de diffusion du Se pour comprendre l'interaction du dopant avec les défauts natifs qui agissent comme pièges à porteurs, la lacune de Cd, et l'antisite de Te, ainsi que leur passivation, et la formation de complexes entre le Se et les défauts.Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la structure électronique de défauts isolés de métaux de transition Cr et Mn dans le CdTe. Nous avons identifié l'effet du couplage électron-réseau sur la symétrie locale des dopants dans le réseau et établi sa correspondance avec la fonction d'onde électronique des défauts localisés. En utilisant l'énergie de liaison thermodynamique associée à l'interaction entre le dopant et les défauts natifs, calculée DFT , nous établissons ensuite qu'il est difficile d'obtenir une configuration isolée du dopant Cr dans les nanostructures de CdTe, car il se lie fortement aux défauts natifs. En revanche, le Mn, dans des conditions de croissance appropriées, peut être facilement obtenu dans une configuration isolée. Nous avons également proposé un modèle phénoménologique pour définir l'interaction des dopants de métaux de transition avec les défauts natifs. Enfin, nous avons expliqué le changement observé expérimentalement dans l'état de spin du Cr par rapport à la configuration de l'état fondamental du dopant isolé en utilisant l'interaction du Cr avec un défaut natif dans le CdTe.Ensemble, ces deux études démontrent que la compréhension du mécanisme sous-jacent à l'échelle atomique peut être utilisée pour définir les phénomènes caractérisés expérimentalement à l'échelle macroscopique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)