III.2.1 Les différentes techniques
Depuis sa naissance en 1955 [75,76], la méthode OCVD a vu l’émergence de plusieurs
dérivées. D’abord la technique a été employée en mode tout électrique c’est-à-dire avec une excitation électrique par le biais d’un générateur de créneaux de courant ou de tension
III.2. ÉTAT DE L’ART 59 suffisamment abrupts. Les premiers organes de commutation purs qui ont permis d’opérer en condition de circuit ouvert étaient les relais au mercure dès 1966 [99]. En 1979, Mahan et al. ont produit les premières caractérisations OCVD à partir d’une excitation optique [87]. Elles étaient destinées aux cellules PV simple jonction p-n en silicium et aux multijonctions (MJ). Les échantillons ont été caractérisés par excitation optique et électrique. Les résultats obtenus ont montré des signaux OCVD différents entre les deux types d’excitation et des parties linéaires plus difficilement identifiables pour l’excitation électrique. Néanmoins, les durées de vie extraites ne présentaient pas une différence supérieure à un ordre de grandeur. Les résultats ont montré que l’excitation électrique avait tendance à sous-estimer la durée de vie mesurée par rapport à l’excitation optique. De plus, ils ont également testé différents interrupteurs (relais au mercure, relais mécanique, électro-mécanique, AOP et triac) sans observer d’importantes différences pour des durées de vie supérieures à 1 µs. En 1981, Jain [100] a exposé la théorie de l’OCVD pour une excitation optique et a montré les mêmes tendances que le précédent travail de Mahan et al. [87]. Il a conclu, en s’appuyant sur d’autres méthodes indépendantes, que la précision de la méthode optique était meilleure. Ils ont expliqué cela par la différence de profil d’injection entre les deux méthodes. En effet, lorsque le gradient de concentration des PCM aux abords de la ZCE est moins important, l’hypothèse que les PCM se recombinent plutôt qu’ils ne diffusent est d’autant plus vraie, ce qui signifie que l’équation III.4 issue de l’équation II.43 se tient. Comme le profil d’injection est facilement modulable par la longueur d’onde de la source de lumière, la méthode optique se veut plus adaptée pour la mesure de la durée de vie.
L’année suivante, un nouveau mode opératoire a vu le jour [101]. Il consiste à garder sous
illumination constante un échantillon et de le soumettre dans ces conditions à une excitation pulsée (électrique ou optique). L’intérêt de maintenir l’échantillon sous illumination pendant une caractérisation OCVD permet de réduire considérablement les effets liés à la ZCE en plus
de les retarder. En 1983, Green [102] a proposé d’améliorer la méthode, afin d’obtenir une
région linéaire franche et plus longue, à partir d’un traitement passif du signal (cf. figure III.7). Il introduit entre la diode à caractériser Dac et l’oscilloscope (appareil de mesure du signal
OCVD), une résistance (Rc) et un condensateur (Cc) variables, en parallèle de la diode où
l’indice “c” signifie “compensateur”. Ils ont pour fonction de compenser les effets de la ZCE : si le signal brut de l’OCVD est influencé par la capacité de la ZCE (diminue la décroissance), alors la résistance parallèle est connectée et ajustée en conséquence pour augmenter la décroissance ; Dans le cas contraire, si l’influence dominante provient des courants de fuites dans la ZCE (augmentation de la décroissance), alors le condensateur en parallèle est connecté et ajusté en conséquence pour diminuer la décroissance. Cette amélioration est intéressante puisqu’elle permet d’accroître la précision mais nécessite plusieurs mesures afin de trouver les bonnes valeurs de résistance ou de capacitance de compensation. En outre, afin d’observer directement l’allure de la pente du signal OCVD, il a également intégré au circuit, un dérivateur de tension
RdCd (filtre passe-haut) où l’indice “d” vaut pour “dérivateur”. En 1992, la théorie de l’OCVD Va Dac • Rc • Cc Cd Rd • • dV1/dt Organes
compensateurs dérivateursOrganes
Figure III.7 – Représentation du circuit OCVD développé par Green [102] pour compenser
les effets de la région (iii).
est élargie pour prendre en considération les effets liés au BGN et à la statistique de Fermi, pour des niveaux de dopage et d’injection élevés [103]. Cependant, ce développement théorique n’a par la suite, à notre connaissance, pas été employé expérimentalement. Plus récemment,
Sinton et Cuevas ont développé en 2000 [104] la méthode « Suns-Voc» sur la base du mode
QSS de la PCD (cf. sous-section II.5.1) mais appliquée à l’OCVD. En effet, la méthode permet d’enregistrer au cours du temps la décroissance de la tension en régime quasi-stationnaire à la suite d’une excitation optique lente (constante de temps de l’excitation plus importante que celle de la photodiode). Cette méthode fonctionne en régime quasi-stationnaire et permet donc de s’affranchir des effets « néfastes » de la capacité de la ZCE pour extraire la durée de vie. De plus, elle permet également d’obtenir une courbe I-V sans les effets de la résistance série [104]. Cependant, cette méthode nécessite de connaître le niveau de dopage du bulk de la photodiode ainsi que le courant photogénéré (à travers une photodiode de référence). Et enfin
n : Couche épitaxiée n+: Substrat n+ p+ n+ V V R OCVD
Figure III.8 – Représentation du design permettant de s’affranchir du saut de tension lié à la résistance série, développé par Bellone et al. [105,106].
III.2. ÉTAT DE L’ART 61 en 2004, Bellone et al. ont développé un design spécifique qui permet de s’affranchir des effets liés à la résistance série [105,106]. La structure est une jonction p-n de surface et nécessite un troisième contact électrique qui a pour fonction de déterminer la résistance latérale de surface comme le montre la figure III.8. La différence de potentiel liée à cette résistance latérale
(VR) est ensuite déduite de la mesure OCVD traditionnelle (VOCVD). Grâce à ce design, le
saut de tension abrupt lié à la résistance série est supprimé et, par conséquent, le niveau réel d’injection identifié. Cette technique est séduisante dans l’absolu mais requiert un design trop spécifique pour être utilisée.
III.2.2 Applications et résultats
La méthode OCVD fut pour la première fois utilisée en 1969, pour observer l’effet de la
température sur une jonction p-n de silicium dans la gamme 298 - 393 K [92]. La dégradation
dans le temps des cellules PV en silicium amorphe a été mise en évidence [86] par OCVD en
1988. Elle a été largement utilisée avant les années 90 pour des applications PV, avant que la PCD et son mode QSSPC ne soient développés. Sa précision et sa simplicité d’opération ont rapidement écarté l’OCVD. Cependant, l’OCVD reste l’une des seules méthodes capable de caractériser un composant fini, c’est pourquoi elle ne sera probablement jamais totalement abandonnée. Les dégradations induites sur une jonction p-n, par irradiation aux rayons γ [82], de rayons X [109], de protons (H+)[109] et d’ions He+ [110,109] ont également été étudiées par OCVD. Plus récemment, en 2013, elle fut utilisée sur une LED AlGaAs pour étudier l’effet
de la température sur la gamme 136 - 345 K [107] (cf. figure III.9.[a]). L’OCVD permet en
théorie de caractériser tout type de semiconducteurs bien qu’elle présente des limites pour les faibles durées de vie comme expliqué dans la sous-section III.1.2. La technique a d’abord
AlGaAs Si
[a] [b]
Tableau III.1 – Résumé non-exhaustif de mesures de durées de vie par OCVD réalisées dans plusieurs matériaux semiconducteurs.
τeff Excitation Design Année
Ge 2,5 - 19 µs CE jonction Schottky 1955 [75] Ge 0,5 - 39,8 µs CE jonction Schottky 1955 [76] Si 19 µs CE jonction Schottky 1963 [77] Si 5 - 25 µs O PV 1979 [87] Si 4,1 - 32 µs EC PV 1984 [93] GaAs 6 ns CE homojonction p-n 1990 [111] InP 1,6 - 34 ns CE homojonction p-n 1990 [111] InGaAs/InP 3 - 5 µs CE HJ p-n 1995 [112] TiO2 >10 ms O DSSC 2003 [113] Si 45 - 215 µs CE homojonction p-n 2004 [108] Si 245 - 257 µs O CMOS 2013 [114] AlGaAs 109,6 ns CE LED 2013 [107] Polymère >1 µs O OSC 2018 [115] Perovskite >1 µs O PSC 2018 [115] Si >20 µs O photodiode 2018 [115] Polymère 1,7 - 67 ms O OSC 2018 [116]
O : optique DSSC : cellule PV à colorant CE : créneau électrique OSC : cellule PV organique EC : électrique et compensée [102] PSC : cellule PV pérovskite
InGaAs/InP InP
[a] [b]
Figure III.10 – Mesure OCVD [a] dans une hétérojonction InGaAS/InP [112] et [b] dans une
III.3. LES DIFFÉRENTS CIRCUITS ÉLECTRIQUES ÉTUDIÉS 63