Etude de la réponse spectrale d’une cellule solaire à points quantiques réalisée à partir du système InAs/GaAs

Formation de points quantiques InAs dans du GaAs (Formation du système InAs/GaAs)

La formation des points quantiques est d’une importance particulière pour les applications optoélectroniques surtout pour les nano-structures. C’est pourquoi un certain nombre de méthodes de formations de points quantiques ont été étudiées[3].
Dans le cas du système InAs/GaAs, il a été mis en évidence que la formation de la cellule solaire par la méthode de Stranski et Krastanow (SK) fournit de bons résultats en ce sens qu’elle permet de réaliser une formation nette et sans défaut des structures de points quantiques directement sur la couche d’épitaxie[3]. En fait, ce mode de croissance commence dans un premier temps par un dépôt bidimensionnel (2D) d’une couche épitaxiée sur le substrat (GaAs). Par la suite, la couche épitaxiée à 2D passe à une structure tridimensionnelle après qu’une épaisseur critique de dépôt ait été atteinte. Les avantages de cette technique sont assez importants. En effet, lors de la croissance bidimensionnelle d’une couche cristalline fortement désaccordée en paramètre de maille avec son substrat (comme dans notre cas : 7% de disparité de paramètre de maille de InAs par rapport au GaAs[3]), la contrainte d’élasticité emmagasinée dans la couche doit, au delà d’une certaine épaisseur critique, être partiellement relaxée. Ainsi la méthode de SK nous permet de passer de la structure à 2D à celle 3D par la création de surfaces libres aboutissant à la formation spontanée (auto-assemblage) d’îlots de dimensions nano-métriques (aboutissant, après encapsulation, aux boîtes quantiques). Les îlots ont la forme de lentilles très aplaties (voir Figure I-2): rayon à la base R ˜10 nm et hauteur h ˜2 – 3 nm [4].
Une illustration de la formation spontanée (auto-assemblage) d’îlots de InAs sur du GaAs est donnée au niveau de la figure I-2 [4], z étant l’axe de croissance.
(a) La croissance est initialement bidimensionnelle. La monocouche épitaxiée est en compression dans le plan (x, y).
(b) La contrainte est relaxée par la formation spontanée d’îlots, la croissance devient tridimensionnelle.
(c) Les îlots de InAs sont recouverts d’une couche de GaAs et la croissance de InAs est reprise. La formation d’un deuxième plan d’îlots apparaît. Sur ce schéma, la couche de GaAs est assez épaisse, les îlots sont alors disposés de façon aléatoire d’un plan à l’autre.
(d) Image réalisée par AFM (Microscope à Force Atomique) sur un plan d’îlots de InAs (échelle verticale agrandie de 100 fois par rapport à celle latérale).
De nombreux paramètres peuvent être contrôlés lors de la croissance des points quantiques. En effet, la taille et les propriétés optiques des points quantiques de InAs dépendent très fortement de la vitesse de déposition en InAs, de la durée d’une éventuelle interruption de croissance avant couverture par le GaAs et de la température de croissance [5]. Cette palette de paramètres permet de fixer la taille et la densité des points quantiques dans une plage très large. En particulier, sur un même substrat, les variations du flux d’InAs amènent à des densités de points quantiques différentes voire même à l’absence de points quantiques.
Un échantillon de boites InAs/GaAs réalisé par croissance auto-organisée contient donc du GaAs sous forme 3D, un puits mince 2D d’InAs (la couche de mouillage) et les points quantiques 0D d’InAs. Les états de conduction de ce système sont donc constitués d’un continuum d’énergie correspondant à la bande de conduction du GaAs massif. Puis pour des énergies plus faibles se trouve le continuum de la couche 2D d’InAs (couche de mouillage), et enfin pour des énergies encore plus basses, les états de conduction se réduisent aux états discrets des boites. La Figure I-3 schématise les densités d’états de valence et de conduction du système InAs/GaAs. Sur cette figure, on a représenté deux niveaux d’énergie dans la boite notés 1Se(h) et 1Pe(h) pour les électrons (respectivement pour les trous)[5].
En noir : continuum 3D du GaAs. En gris : continuum 2D de la couche de mouillage en InAs. Traits pleins : deux niveaux discrets d’électrons (1Se et 1Pe) et de trous (1Sh et 1Ph) d’une boite d’InAs.

Les flèches en pointillé symbolisent les transitions optiques permises dans les boites

Dans ce chapitre nous avons tenté de donner une définition de la cellule à points quantiques. Quelques propriétés de la photopile à points quantiques y sont exposées.
Par rapport aux caractéristiques des matériaux (GaAs et InAs) qui composent la cellule faisant l’objet de notre étude, précisément en se basant sur les valeurs des gaps (voir figure I-1), nous pouvons supposer à priori que des photons d’énergies inférieures au gap du GaAs pourraient bien être convertis par cette cellule.
Afin d’argumenter la supposition ci-dessus, nous détermineront, d’abord, les photocourants des zones qui composent la cellule à points quantiques. Par la suite nous feront un représentation graphique de la réponse spectrale de notre cellule.

DETERMINATION DES PHOTOCOURANTS AU NIVEAU DES ZONES n+, i et p+

Comme nous l’avons indiqué un peu plus haut, dans ce chapitre, nous détermineront de manière analytique les photocourants des différentes zones qui composent la cellule à points quantiques. Pour la détermination du photocourant au niveau des zones zone p+ et zone n+, nous allons supposer que l’équation de génération des porteurs minoritaires est de la forme :
d2Δx(z) Δx(z) + G(λ, z) = 0 (II-1)
dz2 Lx2 Dx
Dans l’équation (II-1), G(λ, z) représente le taux de génération de paires électron-trou et Dx, Lx, et Δx(z) respectivement le coefficient de diffusion, la longueur de diffusion et l’excès des porteurs minoritaires. A noter que x est équivalent à la densité volumique des électrons (n) dans le cas où les électrons constituent les porteurs minoritaires. Dans le cas où les porteurs minoritaire s’identifient aux trous alors x sera la densité volumique des trous (p).