Potentiel photovoltaïque de surface
Le potentiel photovoltaïque de surface ou la tension photovoltaïque de surface (SPV, pour l'anglais surface photovoltage) est une différence de potentiel électrique à la surface d’un semi-conducteur induite par l'illumination, résultant de la génération de paires électron-trou et de leur transport dans la région proche de la surface. Ce phénomène, étroitement lié à la courbure des bandes d'énergie dans les zones de charge d'espace, est utilisé comme technique de caractérisation des propriétés électroniques des semi-conducteurs, en particulier pour l'étude de la diffusion des charges, de la recombinaison et de la distance de diffusion des porteurs minoritaires[1].
Théorie
À la surface non éclairée d’un semi-conducteur, il se forme souvent une zone de charge d’espace (space charge region) due à des défauts de surface ou à la passivation, générant un champ électrique local et provoquant le fléchissement des bandes d’énergie par rapport au niveau de Fermi[2].
Sous illumination, les photons génèrent des paires électron-trou ; les porteurs minoritaires peuvent atteindre la surface et compenser la charge de surface, entraînant ainsi la variation du potentiel de surface – c’est le potentiel photovoltaïque de surface[3].
La variation du SPV dépend de l’absorption de la lumière dans le matériau, de la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, du niveau de dopage, de la présence de centres de recombinaison de surface et des propriétés de la barrière de surface.
Méthodes expérimentales
La mesure du SPV est utilisée pour l’étude des surfaces et la caractérisation des porteurs minoritaires. On distingue les méthodes avec contact et sans contact[1].
Sonde Kelvin et KPFM
La principale technique sans contact est la sonde Kelvin (Kelvin probe) et microscopie à sonde de Kelvin (Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM). La sonde mesure la différence de potentiel entre l’échantillon et l’électrode dans l’obscurité et sous illumination ; cette différence correspond au SPV. Le KPFM permet de cartographier le SPV avec une résolution nanométrique, ce qui est utile pour étudier les hétérostructures[2], les matériaux 2D[2] et les irrégularités locales de surface[4].
Spectroscopie SPV
La mesure du SPV en fonction de la longueur d’onde permet de contrôler la profondeur de génération des porteurs[5] et de déterminer la longueur de diffusion des porteurs minoritaires et les propriétés de la barrière de surface[6].
Structures MIS et autres configurations
Les structures métal‑isolant‑semi-conducteur (MIS) permettent d’étudier sélectivement les interfaces et de contrôler la profondeur de génération des charges. Les facteurs expérimentaux incluent la température de l’échantillon, la longueur d’onde de la lumière et la présence de centres de recombinaison de surface[2].
Importance
Le SPV est largement utilisé en physique des semi-conducteurs pour étudier les porteurs minoritaires, leur diffusion et leur recombinaison. Il permet d’évaluer la qualité du matériau en déterminant la densité de centres de recombinaison et la durée de vie des porteurs. Cette technique est utilisée dans l’étude des jonctions p‑n[7], des diodes photovoltaïques[8], des diodes électroluminescentes[9], des détecteurs photoconducteurs et des transistors bipolaires[1],[10].
Grâce aux méthodes sans contact (par ex. la sonde Kelvin), le SPV est particulièrement utile pour les matériaux où il est difficile de réaliser des contacts ohmiques stables[6].
Notes et références
- 1 2 3 Schroder Dieter K., Semiconductor Material and Device Characterization, , 471 p. (ISBN 978-0-471-73906-7).
- 1 2 3 4 Dieter K. Schroder, « Surface voltage and surface photovoltage: history, theory and applications », Measurement Science and Technology, vol. 12, no 3, , R16–R31 (DOI 10.1088/0957-0233/12/3/202)
- ↑ L. Kronik et Y. Shapira, « Surface photovoltage phenomena: theory, experiment, and applications », Surface Science Reports, vol. 37, no 1, , p. 1–206 (DOI 10.1016/S0167-5729(99)00002-3, lire en ligne)
- ↑ Palmerina González‑Izquierdo; Névine Rochat; Matthew Charles, « Kelvin Probe Force Microscopy under variable illumination: a novel technique to unveil charge carrier dynamics in GaN », The Journal of Physical Chemistry C, vol. 127, no 26, , p. 12727–12734 (DOI 10.1021/acs.jpcc.3c01887, lire en ligne)
- ↑ Aubriet Valentin, Courouble Kristell Gros‑Jean Mickaël, « Correlative analysis of embedded silicon interface passivation by Kelvin probe force microscopy and corona oxide characterization of semiconductor », Review of Scientific Instruments, vol. 92, no 08, , p. 083905 (DOI 10.1063/5.0052885, lire en ligne)
- 1 2 Y. Kronik, « Surface photovoltage phenomena: theory, experiment, and applications », Surface Science Reports, vol. 37, no 1, , p. 1–206 (DOI 10.1016/S0167-5729(99)00002-3, lire en ligne)
- ↑ Narchi Paul; Roca i Cabarrocas Pere; Grévin Benjamin, « Comments on “Nanoscale Investigation of Carrier Lifetime on the Cross Section of Epitaxial Silicon Solar Cells Using Kelvin Probe Force Microscopy” », IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 8, no 3, , p. 661-663 (DOI 10.1109/JPHOTOV.2018.2793760, lire en ligne)
- ↑ Borowik L., « Numerical analysis of single-point spectroscopy curves used in photo-carrier dynamics measurements by Kelvin probe force microscopy under frequency-modulated excitation », Beilstein Journal of Nanotechnology, vol. 9, no 175, (DOI 10.3762/bjnano.9.175, lire en ligne)
- ↑ Palmerina Gonzalez-Izquierdo ; Rochat Névine ; Sakowski Konrad ; Zoccarato Davide, « GaN/InGaN LED Sidewall Defects Analysis by Cathodoluminescence and Photosensitive Kelvin Probe Force Microscopy », ACS Photonics, vol. 11, , p. 2097−2104 (DOI 10.1021/acsphotonics.4c00384, lire en ligne)
- ↑ Schroder Dieter K., « Surface voltage and surface photovoltage: history, theory and applications », Measurement Science and Technology, vol. 12, no 3, , R16–R31 (DOI 10.1088/0957-0233/12/3/202)
Articles connexes
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