Oxydes semi-conducteurs de type p à base de cuivre : des matériaux aux dispositifs

Copper-based p-type semiconducting oxides : from materials to devices

• Auteur / Autrice : Joao Avelas Resende
• Direction : Jonathan Deseure, Carmen Jimenez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 27/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Francis Maury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carmen Jimenez, Jean-Luc Deschanvres, Ngoc Duy Nguyen, Catherine Henrist
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Barnabe, Stéphane Jobic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre -- Couches minces

Magnésium -- Alliages

Matériaux -- Propriétés électriques

Mots clés libres

Science des matériaux;

Couche mince;

Cvd;

Jonction pn;

Électronique transparente

Materials science;

Thin film;

Cvd

Pn junction;

Transparent electronics

Résumé

L'absence d'oxydes semi-conducteurs de type p de haute performance retarde le développement de d’électronique transparente et du photovoltaïque à base d’oxydes. Dans le groupe des composés semi-conducteurs, les oxydes à base de cuivre présentent des caractéristiques électriques, optiques et de fabrication prometteuses qui établissent cette famille de matériaux comme bien adaptés aux applications semi-conductrices de type p. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la croissance de films minces d’une part de Cu2O dopée par des cations et d’autre part de CuCrO2, visant à améliorer leurs propriétés optiques et électriques. De plus, nous avons mis en œuvre ces films d'oxyde dans des dispositifs de jonction pn tels que des cellules solaires et des photodétecteurs UV.Dans le travail sur Cu2O, nous avons réalisé l'incorporation de magnésium jusqu'à 17% dans des films minces par dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol, entraînant des changements de morphologie. La résistivité électrique a été réduite jusqu’à des valeurs de 6,6 ohm.cm, en raison de l'augmentation de la densité de porteur de-charges jusqu'à 10^18 cm-3. L'incorporation du magnésium a en outre eu un impact sur la stabilité de la phase Cu2O. En effet la transformation du Cu2O en CuO en conditions oxydantes est considérablement retardée par la présence de Mg dans les films, en raison de l'inhibition de la formation d’un type particulier de lacune de cuivre (split vacancy). L'intégration dans les jonctions pn a été réalisée avec succès en utilisant uniquement des voies de dépôt chimique en phase vapeur, en combinaison avec le ZnO de type n. Néanmoins, l'application de Cu2O dopé au Mg dans les cellules solaires présente un effet photovoltaïc très faible, loin des meilleures valeurs de l’état de l’art.Dans le travail sur CuCrO2, nous démontrons la première fabrication d'hétérostructures de nanofils en configuration cœur/coquille ZnO/CuCrO2 utilisant des techniques de dépôt chimique adaptées pour des grandes surface, à faible coût, facilement implémentées à des températures modérées et leur intégration dans des photodétecteurs UV auto-alimentés. Une coquille conforme de CuCrO2 avec la phase de delafossite et avec une uniformité élevée a été élaborée par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par aérosol sur un réseau de nanofils ZnO alignés verticalement, obtenu par dépôt par bain chimique. Les hétérostructures ZnO/CuCrO2 coeur-coquille présentent un comportement rectificatif significatif, avec un ratio de rectification maximal de 5500 à ± 1V, ce qui est bien meilleur que les dispositifs 2D similaires rapportés dans la littérature, ainsi qu'une absorption élevée supérieure à 85% dans la région UV. Lorsqu'ils sont appliqués en tant que photodétecteurs UV auto-alimentés, les hétérojonctions optimisées présentent une réponse maximale de 187 μA / W sous une polarisation nulle à 374 nm ainsi qu'une sélectivité élevée avec un ratio de rejet entre l’UV-et le visible (374-550 nm) de 68 sous irradiance de 100 mW/cm2.

The lack of a successful p-type semiconductor oxides delays the future implementation of transparent electronics and oxide-based photovoltaic devices. In the group semiconducting compounds, copper-based oxides present promising electrical, optical and manufacturing features that establish this family of materials suitable for p-type semiconductor applications. In this work, we focused on the growth of cation doped Cu2O and intrinsic CuCrO2 thin films, aiming for enhancements of their optical and electrical response. Furthermore, we implemented these oxide films into pn junction devices, such as solar cells and UV photodetectors.In the work on Cu2O, we achieved the incorporation of magnesium up to 17% in thin films by aerosol-assisted chemical vapor deposition, resulting in morphology changes. Electrical resistivity was reduced down to values as low as 6.6 ohm.cm, due to the increase of charge-carrier density up to 10^18 cm-3. The incorporation of magnesium had additionally an impact on the stability of the Cu2O phase. The transformation of Cu2O into CuO under oxidizing conditions is significantly postponed by the presence of Mg in the films, due to the inhibition of copper split vacancies formation. The integration into pn junctions was successfully achieved using only chemical vapor deposition routes, in combination with n-type ZnO. Nevertheless, the application of Mg-doped Cu2O in solar cells present a meager photovoltaic performance, far from the state-of-the-art reports.In the work on CuCrO2, we demonstrate the first fabrication of ZnO/CuCrO2 core-shell nanowire heterostructures using low-cost, surface scalable, easily implemented chemical deposition techniques at moderate temperatures, and their integration into self-powered UV photodetectors. A conformal CuCrO2 shell with the delafossite phase and with high uniformity is formed by aerosol-assisted chemical vapor deposition over an array of vertically aligned ZnO nanowires grown by chemical bath deposition. The ZnO/CuCrO2 core-shell nanowire heterostructures present a significant rectifying behavior, with a maximum rectification ratio of 5500 at ±1V, which is much better than similar 2D devices, as well as a high absorption above 85% in the UV region. When applied as self-powered UV photodetectors, the optimized heterojunctions exhibit a maximum responsivity of 187 µA/W under zero bias at 374 nm as well as a high selectivity with a UV-to-visible (374-550 nm) rejection ratio of 68 under an irradiance of 100 mW/cm2.