Luminescence

Banc de macro-photoluminescence (PL) et de photoluminescence modulée (MPL) Luminescence

Nous avons développé un dispositif expérimental permettant de mesurer la photoluminescence (PL) en régime continu ainsi qu'en régime modulé (MPL). Dans ce dernier régime, l'excitation lumineuse est modulée autour d'un point de fonctionnement par un petit signal alternatif dont on fait varier la fréquence. L’échantillon à analyser se situe à la distance focale d’un miroir concave (figure 1).

Figure 1 : détail du banc optique de mesure de PL/MPL

Figure 1 : détail du banc optique de mesure de PL/MPL

Le flux réfléchi est collimaté, puis focalisé sur la fente d’entrée d'un monochromateur par le biais d’une lentille. Seuls les photons issus de la luminescence sont analysés, la réflexion du laser étant stoppée à l’aide d’un filtre optique passe haut. En sortie du monochromateur, le flux est intégré sur une photodiode InGaAs. Le signal est alors amplifié puis analysé par un voltmètre pour la partie continue, et par un amplificateur à détection synchrone pour la partie alternative.

Le banc a été conçu pour étudier les propriétés de recombinaison des porteurs libres dans des cellules ou précurseurs de cellules en silicium. Nous nous intéressons ainsi à la luminescence bande à bande, dont l'intensité est d'autant plus grande que la concentration de défauts recombinants est faible. Il est possible d'accéder à la durée de vie des porteurs, mais cela nécessite une calibration rigoureuse de toute la chaîne de mesure, en particulier de la partie optique. Nous avons montré que l'intérêt de la technique MPL réside dans le fait qu'elle permet d'accéder beaucoup plus facilement à la durée de vie des porteurs en analysant le déphasage entre le signal de MPL et l'excitation alternative. Celui-ci est en outre insensible au trajet optique et ne nécessite donc pas de calibration optique.

Le banc que nous avons mis au point permet de réaliser à température ambiante des cartographies de PL et de durée de vie des porteurs sur des surfaces de l'ordre de 140 cm x 140 mm avec une résolution latérale de 1mm. La plage spectrale de détection s’étend de 800 à 1750nm avec une résolution de 1nm. L’énergie de la source laser d’excitation est de 1,58eV (785nm). La taille du spot laser est de 8mm. Notre banc permet en outre de réaliser des mesures ponctuelles sur des échantillons de plus petite taille (< 2 cm x 2cm) en ambiance cryostatée, dans une plage de température allant de 300 K jusqu'à 20 K.

A titre d’exemple, la figure 2 présente la cartographie d’intensité de PL (figure 2.a) et la cartographie de durée de vie (figure 2.b) d’une hétérojonction de silicium cristallin pour cellules solaires.

Figure 2: Cartographie d’intensité de PL (figure 2.a) et cartographie de durée de vie (MPL à 500Hz) d’une hétérojonction de silicium (figure 2.b)
Figure 2: Cartographie d’intensité de PL (figure 2.a) et cartographie de durée de vie (MPL à 500Hz) d’une hétérojonction de silicium (figure 2.b)

Sur la figure (2.a), on remarque des rayures en bas à gauche de la cartographie de PL en intensité. Ces rayures sont invisibles à l'œil nu. Elles résultent d’une dégradation de la passivation de surface ou de défauts en volume dans le silicium cristallin. Par ailleurs, une zone de forte intensité de PL est délimitée par le carré rouge. Cette zone ne correspond pas à une zone de meilleure qualité du matériau, mais résulte d'un meilleur couplage optique. En effet, elle coïncide parfaitement avec les dimensions du support d’échantillon (aluminium poli), qui joue ici un rôle de réflecteur qui permet de récupérer davantage de photons issus de la luminescence et sortant de la surface de l'échantillon. Sur la figure (2.b), on remarque que le support d’échantillon n’a pas d’influence sur la cartographie de durée de vie obtenue à partir de l'analyse du déphasage de MPL, celui-ci est insensible au couplage optique entre l'échantillon et le système de mesure.

Les stries horizontales observées sur les deux images sont liées à des défauts résiduels résultant de la découpe des plaquettes de silicium, et qui n'ont pas pu être passivés de manière homogène malgré les traitements physico-chimiques de la surface.

Caractéristiques techniques du montage:

  • - Laser d’excitation : diode laser 785nm, puissance jusqu’à 60mW sur un spot de 8mm de diamètre
  • - Mesure en température : 20-300K
  • - Résolution spectrale : environ 1nm
  • - Plage de mesure : 800-1750nm
  • - Dimensions maximale de l’échantillon pour la cartographie : 140x140mm
  • - Résolution latérale de la cartographie : 1mm
  • - Gamme de mesure de durée de vie : 10µs à quelques ms