Semi conducteur et photovoltaïque

Les semi-conducteurs jouent un rôle fondamental dans l’électronique et la photonique modernes. Ils constituent l’épine dorsale de dispositifs tels que les ordinateurs, les smartphones et les cellules solaires. Ils sont uniques car leur conductivité électrique peut être précisément définie lors de la conception, ce qui les rend adaptés à une grande variété d’applications. Alors que le silicium a historiquement dominé à la fois l’électronique et le photovoltaïque, l’attention se focalise de plus en plus vers des matériaux avancés tels que les matériaux à large bande interdite et à très large bande interdite.
La conductivité des semi-conducteurs peut être contrôlée et modifiée par un processus appelé dopage qui consiste à ajouter de petites quantités d’impuretés au matériau pur. Lorsqu’il est dopé avec des atomes fournissant des électrons supplémentaires, le semi-conducteur devient de type n, tandis que le dopage avec des atomes créant des “trous” ou porteurs de charge positive conduit à un semi-conducteur de type p. En combinant des matériaux de type n et de type p, les ingénieurs peuvent réaliser des jonctions p-n, qui constituent la base des diodes, des transistors et des circuits intégrés.
Dans le domaine des énergies renouvelables, les semi-conducteurs sont essentiels. Les dispositifs photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil en électricité. De nos jours, les cellules solaires représentent le principal moyen d’alimenter les satellites lors de leurs missions spatiales. Bien que le silicium reste le matériau le plus courant dans les cellules solaires en raison de son abondance et de son efficacité, de nouveaux matériaux promettent d’améliorer les performances des systèmes solaires et d’obtenir des technologies énergétiques de nouvelle génération.
L’irradiation des semi-conducteurs par des particules énergétiques telles que les électrons, les protons ou les neutrons peut fortement modifier leurs propriétés structurelles, électroniques et optiques. Les collisions entre les particules énergétiques et les atomes du réseau déplacent ces atomes de leurs sites d’origine, créant des défauts tels que des lacunes, des interstitiels et des complexes. Ces imperfections introduisent des niveaux d’énergie localisés dans la bande interdite du semi-conducteur et sont à l’origine de la modification des propriétés du matériau.
 

Contrôle des propriétés électriques et optiques par irradiation
Les défauts ponctuels peuvent agir comme des sites donneurs ou accepteurs ; leur génération peut donc modifier la nature n ou p du semi-conducteur et, dans certains cas, impliquer l’inversion d’un type à l’autre. Alors que la quantité de défauts est contrôlée par la fluence, le type de défaut générée peut être contrôlée par l’énergie du faisceau d’électrons utilisé pour irradier le matériau. Un tel degré de liberté est très important car différents types de défauts possèdent une nature différente (donneur ou accepteur), offrant ainsi aux chercheurs la possibilité de sélectionner les typologies qu’ils souhaitent induire dans le matériau afin de l’adapter à une application spécifique. Le β-Ga₂O₃ est un matériau intéressant à très large bande interdite, mais l’une des principales limitations à son utilisation est qu’il est toujours produit de type n. L’irradiation électronique a démontré la possibilité d’induire efficacement la conversion n-type isolant par la création de lacunes de Ga [1].  
 

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369800124010825 

Les transitions entre les niveaux énergétiques de défauts peuvent générer la présence d’activités d’absorption (et d’émission) à des énergies inférieures à celle de la bande interdite. Bien qu’une augmentation de l’absorption soit observée après irradiation, l’utilisation de l’irradiation peut également induire le blanchiment des défauts natifs absorbants (défauts générés lors de la production du matériau). Le ZnGeP₂ est considéré comme un matériau très prometteur pour l’optique non linéaire. L’une des limites à son utilisation est la présence, dans l’échantillon tel que produit, d’absorptions aux longueurs d’onde de pompage. L’irradiation s’est révélée efficace pour éliminer cette absorption indésirable [2] et, utilisée en combinaison avec d’autres traitements du matériau, elle permet d’atteindre un coefficient d’absorption très faible.

Cellule solaire dans l’espace
Les défauts ponctuels induits peuvent non seulement affecter le type et la concentration de dopage, ce qui est crucial dans les dispositifs où des profils de dopage précis sont nécessaires pour un fonctionnement optimal, mais également la durée de vie et la mobilité des porteurs libres. En effet, ils peuvent agir comme centres de diffusion ou de piégeage. En conséquence, la conductivité du semi-conducteur diminue et les performances de dispositifs tels que les diodes, les transistors et les cellules solaires peuvent se dégrader. Agissant également comme sites de recombinaison, les défauts induits par irradiation augmentent les processus non radiatifs, réduisant ainsi l’efficacité des dispositifs optoélectroniques. Dans les cellules solaires, par exemple, cela réduit le photocourant et l’efficacité globale de conversion de l’énergie. Ainsi, dans les cellules solaires, les défauts induits par irradiation diminuent généralement la tension en circuit ouvert et le photocourant en réduisant la durée de vie des porteurs minoritaires.
 

Contact : Antonino Alessi

Publications

β -rays induced displacement damage on epitaxial 4H-SiC revealed by exciton recombination
Migliore F., Alessi A., Principato F., Girard S., Cannas M., Gelardi F., Lombardo A., Vecchio D.
Brischetto A., Agnello S., Applied Physics Letters, American Institute of Physics, 2024, 124 (4). 
DOI : 10.1063/5.0179556

Thermal stability and annealing of intrinsic point defects in beta-Ga2O3
A. Alessi, J. Lin, VI. Safarov, H-j. Drouhin, L. Romero Vega, O. Cavani, R. Grasset, H. Jaffrès, M. Konczykowski, Materials Science in Semiconductor Processing 188 (2025) 109186
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2024.109186

Reduction of native singly ionized zinc vacancies content by 2.5 MeV electron irradiation of ZnGeP2 single crystals
Vernozy Charlotte, Alessi Antonino, Petit Johan, Courpron Audrey, Cavani Olivier, Véniard Valérie, Physica Status Solidi A (applications and materials science), Wiley, 2024, 221 (11), pp.2300818. 
DOI : 10.1002/pssa.202300818