Mesure de photoluminescence (continue ou modulée)
La spectroscopie de photoluminescence (PL) est une technique puissante de caractérisation optoélectronique de matériaux semiconducteurs. Elle s’appuie sur un processus d’absorption de la lumière qui va générer des paires électron-trous qui vont se recombiner en émettant des photons d’énergie inférieure ou égale à la bande interdite du semiconducteur. C’est une technique couramment utilisé pour caractériser les matériaux et dispositifs photovotaïques (PVs), et plus concrètement permet d’étudier la qualité de la passivation des surfaces et interfaces, de mettre en évidence la présence de défauts électroniques et d’accéder à la durée de vie des porteurs. Plusieurs approches expérimentales existent pour la PL, et notamment en ce qui concerne l’excitation lumineuse où plusieurs régimes de fonctionnement peuvent être utilisés (éclairement continue, pulsé ou modulé).
Dans le cadre des études que nous menons dans le thème PV deux plateformes de PL sont fréquemment employées. La première s’appuie sur une plateforme de microscopie confocale qui permet la réalisation de cartographies de PL avec une résolution spatiale submicronique. Plusieurs longueurs d’onde sont disponibles (excitation en mode continu, dit CW « continous wave » : 405, 532, 640 et 785 nm) de même qu’il est possible de réaliser des mesures en fonction de la température (70-300 K).
La figure 1 illustre un exemple de cartographies PL où les structures imagées représentent des contacts localisés (point contacts) obtenus par un procédé de surdopage laser. Ces cartographies sont reconstruites en analysant pour chaque pixel le centre de gravité du spectre d’énergie PL du silicium [1].
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| Figure 1 : Cartographies de PL de contacts localisés obtenus pour des puissances laser infrarouge de (a) 0.98 W et (b) 1.43 W [1]. |
La seconde plateforme est appelée MPL pour « Modulated Photoluminescence » où l’analyse de la photoluminescence se fait en régime modulé. L’excitation laser mise en œuvre se fait dans un régime de petits signaux avec une fréquence de modulation pouvant varier de 10 Hz à 40 kHz. Le montage expérimental de la MPL est optimisé pour l’étude du silicium, et en particulier pour extraire la durée de vie des porteurs minoritaires qui peut se réaliser aussi en fonction de la température (20 - 300 K). La figure 2 montre deux exemples d’extraction de la durée de vie obtenus dans le cadre d’un substrat de silicium passivé [2].
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| Figure 2 : Exemple de l’extraction de la durée de vie en MPL sur un wafer de silicium passivé. L’extraction pouvant se faire à partir de l’amplitude du signal (a) ou du déphase (b) [2]. |
Références
[1] Roigé et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 5, 545 (2015); https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2015.2392945.
[2] M. Xu, Techniques de Photoluminescence pour l’étude des Interfaces Photovoltaïques [dissertation] (2016) Paris-Saclay University.