Étude et caractérisations par cathodoluminescence de couches minces d'InGaN pour le photovoltaïque

Cathodoluminescence study and characterization of InGaN thin films for photovoltaic

• Auteur / Autrice : Youssef El Gmili
• Direction : Abdallah Ougazzaden, Jean-Paul Salvestrini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/10/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Sidi Mohamed ben Abdellah (Fès, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Lerondel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Ahaitouf, Anouar Jorio, Joël Leymarie, Gaëlle Orsal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Molinari, Eva Monroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Semiconducteurs à large bande interdite

Nitrure de gallium

Cathodoluminescence

Mots clés libres

Cathodoluminescence

InGaN

Photovoltaïque

Résumé

GaN et ses alliages ternaires et quaternaires du système Ga(B,In,Al) sont devenus au cours des dernières années des semiconducteurs phare de l'optoélectronique. Plus spécifiquement l'alliage InGaN qui présente une énergie de bande interdite (0, 77eV, pour l'InN à 3, 4eV, pour le GaN) permettant l'absorption quasi totale du spectre visible se positionne comme un excellent candidat pour la réalisation de cellules solaire multi-jonctions à très haut rendement. La croissance de couches épitaxiales d'InGaN avec une forte teneur en indium et une bonne qualité structurale et morphologique reste néanmoins un challenge. Notre groupe a été parmi les premiers à relever ce challenge en proposant une technique de croissance originale consistant à insérer périodiquement de fines couches de GaN dans la couche épaisse d'InGaN. Ce travail s'inscrit dans ce contexte et porte sur les caractérisations morphologiques, structurales et optiques des différentes structures élaborées et qui ont permit l'optimisation du procédé de croissance et l'obtention de couches d'InGaN avec une teneur en indium de 15%, une épaisseur de 120nm et des qualités structurales et optiques de premier ordre. La partie centrale du travail a consisté en la mise en oeuvre et l'utilisation de la technique de cathodoluminescence pour l'étude des matériaux InGaN élaborés au laboratoire par MOVPE. Les principales avancées de ce travail, outre la contribution au succès de l'obtention de couches d'InGaN de grande qualité, concernent la confirmation du mode de croissance des couches d'InGaN (transition 2D-3D, type et rôle des inclusions de surface), la détermination de l'épaisseur critique des couches en fonction du taux d'indium, et la modélisation du phénomène de cathodoluminescence par méthode Monte-Carlo

GaN and its ternary and quaternary alloys Ga(B, In, Al)N have become in recent years one of the most important semiconductor materials for applications in optoelectronics. More specifically, the InGaN alloy, that has a band gap energy (0.77eV for InN, 3.4eV for GaN) allowing almost full absorption of the visible spectrum can be an excellent candidate for the realization of highly efficient multi-junctions solar cells. However, the growth of InGaN epitaxial layers with high indium content and good structural and morphological quality remains a challenge. Our group was among the first to meet this challenge by proposing an original growth technique consisting in the periodical insertion of thin GaN layers in the thick InGaN layer. The present work falls in this context and focuses on the morphological, structural and optical characterization of different InGaN structures that have been developed, allowing the optimization of the growth process and the obtention of InGaN layers with an indium content of 15%, a thickness of 120nm and a high structural and optical quality. The main aspect of the present work consist in the implementation and use of the cathodoluminescence technique to study the InGaN materials grown by our group using MOVPE. The main achievements of this work, in addition to the contribution to the success of getting high quality InGaN layers, relate to the confirmation of the growth mode of InGaN layers (2D - 3D transition, type and role of surface inclusions), the determination of the critical layer thickness according to the indium content, and the modeling of the cathodoluminescence phenomenon using Monte Carlo method