Étude du photo-potentiel de surface pour la caractérisation des interfaces enterrées par microscopie à sonde de Kelvin

Surface photo-potential study for the characterization of buried interfaces by Kelvin probe force microscopy

• Auteur / Autrice : Valentin Aubriet
• Direction : Łukasz Borowik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 30/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Grevin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Irina Stefana Ionica
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yvan Bonnassieux, Brice Gautier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoélectricité

Passivité (chimie)

MOS complémentaires

Microscopie à force atomique

Mots clés libres

Microscopie à sonde de Kelvin

Pompe sonde KPFM

Photopotentiel de surface

Défauts

Passivation

Kelvin probe force microscopy

Pump probe KPFM

Surface Photovoltage

Defects

Passivation

Résumé

La caractérisation des interfaces est cruciale pour plusieurs types de dispositifs comme les diodes électroluminescentes, les cellules solaires, les photo-détecteurs ou les transistors. Dans le cas particulier des photodétecteurs, les défauts situés aux interfaces sont considérés comme une source de courant d'obscurité, phénomène qu'il est nécessaire de réduire pour améliorer les performances du capteur. Pour surmonter tous les problèmes liés aux défauts, la passivation des interfaces est nécessaire. Nous pouvons citer deux approches de passivation telles que la passivation chimique (c.a.d. diminution de la densité de défaut) et la passivation par effet de champ (c.a.d. diminution de l'activité électrique des défauts).Ce travail de thèse s'inscrit dans le développement de méthodologies de caractérisation des empilements de passivation via l'étude du photo-potentiel de surface. Cette thèse propose, décrit et utilise un ensemble de méthodologies basées sur la microscopie à sonde de Kelvin sous illumination continue et sous illumination pulsée. L’originalité de ces travaux de thèse repose sur des développements méthodologiques ayant conduit à l’implémentation d’une approche de mesure du potentiel de surface résolue en temps permettant la caractérisation directe des dynamiques du photo-potentiel qui, à leur tour, permettent de caractériser les défauts situés aux interfaces. L'objectif de ces travaux est de proposer une nouvelle approche de caractérisation des défauts afin d’en améliorer leurs compréhensions. Une attention particulière sera accordée à l’étude de plusieurs empilements de passivation comme l'Al2O3, l’HfO2, le Ta2O5 et le SiN. Enfin, les limites de cette nouvelle approche concernant son application en industrie seront discutées et une solution alternative sera proposée.

Interface characterization is crucial for several types of devices such as light emitting diodes, solar cells, photodetectors or transistors. In the particular case of photodetectors, defects located at the interfaces are considered as a source of dark current phenomenon that needs to be reduced to improve the sensor performance. To overcome all of the problems related to defects, the passivation of interfaces is mandatory. We can mention two passivation approaches such as chemical passivation (i.e. decrease the defect density) and field effect passivation (i.e. decrease the electrical activity of defects). This thesis is part of the development of methodologies for the characterization of passivation stacks via the study of surface photo-potential. We propose, describe and use a set of methodologies based on Kelvin probe microscopy under continuous and pulsed illumination.The originality of this work lies in the methodological developments that led to the implementation of a time-resolved surface potential measurement approach allowing the direct characterization of the dynamics of the photo-potential which, in turn, allow the characterization of defects located at the interfaces. In particular, we will show with this approach that it is possible to identify and separate the contributions by subcomponents of the surface photo-potential not visible by non-time-resolved approaches.The objectives of this work are to propose a new approach to characterize defects in order to improve their understanding. Particular attention will be paid to the study of several passivation stacks such as Al2O3, HfO2, Ta2O5 and SiN. Finally, the limitations of this new approach regarding its application in industry will be discussed and an alternative solution will be proposed.