Les propriétés optoélectroniques des OTC

1.2.3.1 Les propriétés électriques

La physique des semi-conducteurs à large gap décrit les propriétés électriques des

OTC. La conductivitéσ, s’exprimant en S.cm

⁻¹

, est le produit de la densité des

por-teurs de charge N (cm

⁻³

), de la mobilité des porteurs de charge µ (cm

²

.V

⁻¹

.s

⁻¹

), et

de la charge électrique élémentaire de l’électron q (C) (équation 1.1)

σ= ¹

ρ ^{=nqµ (1.1)}

La résistivitéρ, définie comme étant l’inverse de la conductivité, s’exprime en Ω.cm.

Une propriété de surface importante dans le domaine des OTC est la résistance par

carré R

s’exprime en (Ω) définie comme le rapport entre la résistivité et l’épaisseur

de la couche suivant la relation1.2 :

R

= ^ρ

La conductivité des OTC, de type n ou p, est due soit à la présence de défauts de

structure induisant une non-stoechiométrie de l’oxyde, soit à un dopage approprié. Le

dopage permet d’augmenter la densité des porteurs libres de façon à placer le niveau

de Fermi très proche de la bande de conduction, voire à l’intérieur de celle-ci pour

les OTC fortement dopés. Ceci implique que la bande de conduction soit remplie en

partie d’électrons à température ambiante, rendant ainsi les OTC conducteurs.

Une autre façon d’augmenter la conductivité est d’accroître la mobilité des porteurs.

Toutefois, la mobilité est intrinsèquement dépendante des mécanismes de diffusion et

ne peut être, par conséquent, contrôlée directement. En général, ces mécanismes

li-mitent la mobilité quand la concentration des porteurs augmente. La mobilité est

donc un paramètre important influençant la conductivité.

1.2.3.2 Les mécanismes de conductivité dans les OTC

Les causes phénoménologique de la conductivité dans les OTC et les paramètres

dont ils dépendent à la fois aux procédés à haute température et à basse température

seront discutés dans cette section. Cette discussion explique les raisons de la

conduc-tivité significativement réduite des OTCs lorsqu’ils sont déposés à des températures

basses. Un modèle très simplifié, qualitatif du processus de dopage dans les OTCs à

été rapporté dans la litérature [73]. Ce modèle qualitatif et la connaissance des

méca-nismes de conductivité peuvent être utilisés pour concevoir et contrôler le processus

de dépôt pour obtenir les propriétés électriques et optiques (E/O) souhaitées dans les

films minces OTC.

Un semi-conducteur dégénéré de type n se comporte électroniquement comme un

métal, alors les OTC ont la même expression de la conductivité σ comme les métaux:

σ = N eµ, où N est la densité de porteurs, le nombre d’électrons de conduction par

unité de volume (généralement indiqué en cm

⁻³

),µest la mobilité d’électrons et e est

la valeur de sa charge électronique. Par conséquent, la conductivité σ(ou la résistivité

ρ) est déterminé par deux variables N et µ.

Dans un conducteur, le mouvement des électrons de conduction est limité par des

collisions très fréquentes, surtout avec les phonons et parfois avec les défauts de

ré-seau. Même dans un champ électrique appliqué, le mouvement des électrons est encore

dominé par des collisions liées à des effets d’énergie thermique et des défauts. La

mo-bilité des électrons µ est liée au temps de la diffusion par µ = eτ m

^∗−1

, où m

^∗

est la

masse effective de l’électron. Par conséquent, un temps plus long entre deux collisions,

c’est-à-dire, un τ plus grand, signifie une plus grande mobilité µ, et par conséquent

une conductivité plus élevée. Considérons maintenant la densité de porteurs N, plus

un OTC est dopé (effectif) plus le nombre d’électrons de conduction par unité de

volume augmente, plus la conductivité augmente. Cependant, l’impureté de dopage

au niveau des sites substitutionnels dans l’OTC crée également des défauts de charge

dans le réseau OTC entraînant la diffusion des électrons par les impuretés ionisées, ce

qui réduit la mobilité. Finalement, l’excès de dopage en impuretés métalliques (et

in-terstitiels) conduit à une plus grande perte de mobilité (la diffusion des électrons) que

de gagner une augmentation du nombre d’électrons, ce qui entraîne une perte nette

de la conductivité.

1.2.3.3 Les propriétés optiques

L’existence d’une fenêtre optique couvrant tout le domaine du visible est une

carac-téristique importante des OTC. La transmission optique est définie comme le rapport

entre l’intensité de la lumière transmise et l’intensité de la lumière incidente. La Figure

1.5 représente schématiquement le spectre de transmission typique d’un OTC.

La fenêtre de transmission est limitée par deux domaines. Dans le domaine du

proche ultra-violet (UV) (λ < λ

_g

), l’absorption est dominée par les transitions de

bande à bande. Les photons incidents ayant une énergie égale ou supérieure à celle du

gap seront absorbés par des électrons de la bande de valence, ce qui leurs permettent

de passer à la bande de conduction.

Dans le domaine du proche infra-rouge (IR) (λ > λ

_p

, λ

_p

étant la longueur d’onde

plasma), la lumière est réfléchie. Ce phénomène peut être décrit par la théorie classique

des électrons libres de Drude.

Dans le modèle des électrons libres, les électrons peuvent être considérés comme un

plasma où la mise en mouvement est réalisée par la composante électrique du champ

électromagnétique incident. Le plasma oscille à une fréquence plasma ω

_p

,

correspon-dant à la longueur d’ondeλ

_p

selon l’équation1.3 [65] :

λ

_p

= ^2πc

ω

p

(1.3)

où c correspond à la célérité de la lumière. Les propriétés optiques des OTC sont

affectées par les propriétés électriques. La fréquence plasma n’a pas une valeur fixe,

mais peut varier en fonction de la concentration des porteurs. Elle est définie par

l’équation1.4 [66,67]:

ω

_p

=

s

N q

2

ε

₀

ε

_r

m

∗

(1.4)

avec, N : densité des porteurs de charge, q : charge électrique de l’électron, ε

₀

:

permittivité du vide, ε

_r

: permittivité relative du matériau, m

^∗

: masse effective de

l’électron dans le matériau. La longueur d’ondeλ

_p

correspondante peut être ajustée et

contrôlée la transparence du matériau dans les domaines du visible et de l’infrarouge.

1.2.3.4 Comparaison des propriétés optiques des OTCs et des métaux

Les métaux possèdent à température ambiante une importante concentration en

électrons libres (10

²²

à 10

²⁴

cm

⁻³

) qui place leur fréquence plasma dans l’UV. Par

exemples, les métaux alcalins (Li, Na, K, Rb, Cs) ont des fréquences plasma entre 150

et 350 nm. Les métaux à valence multiples (Mg, Al) ont des fréquences plasma entre

80 et 120 nm. L’argent a une fréquence plasma de 330 nm. Avec ce positionnement de

fréquence plasma, les métaux sont opaques aux rayonnements du visible et de

l’infra-rouge et présentent une forte réflectivité expliquant leur éclat métallique.

Dans les semi-conducteurs, un dopage est nécessaire pour générer une conduction

électronique satisfaisante à température ambiante. Un dopage provoquera l’apparition

de porteurs libres afin de conserver l’électroneutralité du matériau. Si la charge de

compensation est un électron, le semi-conducteur est dit de type n, si la charge de

compensation est un trou, le semi-conducteur est dit de type p. Les semi-conducteurs

dopés ont des concentrations en électrons libres inférieures à ceux des métaux (10

¹⁶

à 10

²¹

cm

⁻³

, à température ambiante) et donc une fréquence plasma beaucoup plus

haute en longueur d’onde. La couleur de corps d’un semi-conducteur est, quant à elle,

déterminée par la valeur de l’énergie de gap. Si le matériau a une énergie de gap de

l’ordre de 3 eV, comme c’est le cas pour l’oxyde de zinc, on aura une absorption dans

l’ultraviolet et une bonne transparence dans le visible. Il existe une classe

particu-lière de semi-conducteurs qui réunit les propriétés de transparence à celle de

conduc-tion électronique : les OTCs (Transparent Conductive Oxides) ou oxydes transparents

conducteurs. Présentant des concentrations en électrons libres de l’ordre de 10

¹⁹

à 10

²¹

cm

⁻³

[52,53], les TCOs ont une fréquence plasma dans l’infrarouge, voire le proche

infrarouge (NIR).

Dans le document Optimisation des dépôts sur des substrats flexibles d’oxydes transparents conducteurs nanostructurés à base de ZnO (Page 37-41)