Caractérisation électrique de nanofils de semi-conducteurs III-V pour des applications photovoltaïques

Electrical characterization of III-V semiconductor nanowires for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Omar Saket
• Direction : Maria Tchernycheva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 08/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Grandidier, José Penuelas, François Julien, Blandine Alloing
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Grandidier, José Penuelas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

EBIC

Conversion photovoltaïque

Semiconducteurs

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils

Semiconducteurs III/V

Cellule solaire

EBIC

Nanotechnologies

Nanowires

III/V semiconductors

Solar cell

EBIC

Nanotechnologies

Résumé

Malgré le potentiel des nanofils (NFs) semi-conducteurs pour des applications photovoltaïques, la performance des cellules solaires à NFs reste toujours en deçà de celle des dispositifs à base de couches bidimensionnelles. Pour augmenter l’efficacité de conversion, l’analyse de leurs propriétés jusqu’à l’échelle nanométrique est nécessaire afin de comprendre l’origine des pertes de conversion et trouver des solutions adéquates pour les éliminer. Aujourd’hui avec l’arrivée massive des nanotechnologies il est devenu possible de caractériser des nanofils uniques avec une résolution nanométrique. Dans ce travail de thèse nous analysons des nanofils de semiconducteur III/V avec la microscopie EBIC dans la perspective d’extraire puis d’optimiser leurs paramètres électriques et ainsi améliorer le rendement photovoltaïque. Tout d’abord, des NFs de GaAsP élaborés par épitaxie par jets moléculaires (EJM) ont été caractérisés par des mesures EBIC. Sur des nanofils individuels, mais aussi sur des ensembles de NFs. Les études EBIC nous ont permis tout d’abord de déterminer le type de dopage dans les NFs ainsi que de quantifier la concentration des électrons et des trous. En second lieu, la diffusion des atomes de Be et l’existence d’une coquille parasite autour du coeur des NFs ont été mis en évidence. La seconde partie du travail a été consacré à l’étude de NFs de nitrures crus par EJM assisté par plasma. Les NFs de GaN et d’InGaN ont été étudiés par EBIC, photo- et cathodo-luminescence. La corrélation entre les résultats de ces trois mesures a permis d’extraire la concentration du dopage Mg et Si dans les NFs. L’analyse des NFs de GaN/InGaN a montré que ces nanostructures sont prometteuses pour des applications photovoltaïques.

Despite the potential of semiconductor nanowires (NWs) for photovoltaic applications, the performance of NW solar cells remains far behind the present record efficiency for planar devices. To enhance their photovoltaic conversion efficiency, in-depth analyses of their properties down to the nanoscale are needed to understand the origin of losses and solve the issues. Today with the nanotechnology revolution it became possible to perform characterizations on single NWs with nanoscale resolution. In this PhD work we focus on the analysis of III/V semiconductor nanowires using EBIC microscopy. Two types of materials have been characterized in this thesis. First, GaAsP NWs were developed and characterized by EBIC. The EBIC studies first allowed to determine the doping type in the NWs as well as to quantify the carrier concentration. Secondly, the diffusion of Be atoms and the existence of an unintentional shell around the NW core was demonstrated. The second part of the work was dedicated to the study of nitride NWs. GaN and InGaN NWs were studied by EBIC, photo- and cathode-luminescence. The correlation of the results obtained by these three measurements made it possible to extract the Mg and Si doping concentrations in the NWs. The analysis of InGaN/GaN NWs showed that this type of nanostructures is promising for solar cells.