ETUDE THEORIQUE DES MATERIAUX ZnO et Si

Présentation du ZnO

L’oxyde de zinc est un matériau possédant des propriétés très diverses utilisées depuis des siècles à de multiples fins, de la peinture aux toitures, des capteurs piézoélectriques aux cosmétiques. Le ZnO est un semi-conducteur à large bande interdite qui émet de la lumière dans l’ultrav iolet (UV) autour de 374 nm à température ambiante. Le regain d’intérêt que la communauté des semi-conducteurs porte à ZnO ces dernières années peut être expliqué par son faible coût, sa toxicité modérée et l’importance de l’énergie de liaison de son exciton qui en fait un bon candidat pour de nombreuses applications optoélectronique dans l’UV (diodes UV, lasers …). I-1Propriétés éclectiques du ZnO L’oxyde de zinc est un semi-conducteur qui présente une bande interdite d’environ 3,3 eV, ce qui permet de le classer parmi les semi-conducteurs à large bande interdite. Cette valeur de bande interdite peut varier suivant le mode de préparation et le taux de dopage, entre 3,30 eV et 3,39 eV. Il est possible de modifier largement les propriétés d’oxyde de zinc par dopage :  soit en s’écartant de la stœchiométrie ZnO, principalement par l’introduction d’atomes de zinc en excès en position interstitielle ou par la création de lacunes d’oxygène (les centres créés se comportent alors comme des donneurs d’électrons).  soit en substituant des atomes de zinc ou d’oxygène du réseau par des atomes étrangers de valence différente (élément du groupe III,  F ,  Cl ). En pratique, on obtient uniquement par dopage une semi conductivité de type n. Les taux de dopage obtenus peuvent être très élevés (de l’ordre de 1020 atomes/cm3 ), permettant d’atteindre des résistivités très faibles (de l’ordre de 10-4 Ω.cm). 

Propriétés optiques

L’oxyde de zinc est un matériau transparent dont l’indice de réfraction sous la forme massive Chapitre I : Etude Théorique des Matériaux ZnO et Si 5 est égal à 2. Par ailleurs sous forme de couche mince, son indice de réfraction et son coefficient d’absorption varient en fonction des conditions d’élaboration. L’indice de réfraction a une valeur qui varie entre 1,90 et 2,20 suivant les auteurs. L’amélioration de la stœchiométrie de ZnO conduit à une diminution du coefficient d’absorption et à une augmentation de l’énergie de la bande interdite. L’oxyde de zinc dopé entre dans la classe des oxydes transparents conducteurs dits TCO. Très peu dopé, il peut être utilisé en luminescence. [7] II- Présentation du silicium L’intérêt pour ce matériau provient de ses propriétés optiques et électroniques et de son potentiel d’application en nanotechnologie et de son abondance naturelle sur la croute terrestre. En effet, l’intense photoluminescence dans le visible observée sur les nanocriststaux de silicium ouvre des perspectives d’application en optoélectroniques mais également en nano-électrique ou leur capacité à stocker et restituer des charges est très prometteuse. On trouve plusieurs types de siliciums, tels que le silicium monocristallin, le silicium poly cristallin et le silicium amorphe.

Structure des bandes du silicium

Le silicium a un gap indirect (Eg=1.12eV à 300K). La structure des bandes dans l’espace réciproque des k est déterminée à partir de la résolution de l’équation de Schrödinger:         ErV m p )( 2 2 avec ⃗⃗⃗⃗ la quantité de mouvement, m la masse de l’électron, V(r) le potentiel cristallin de période égale à celle du cristal et ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ la fonction de Bloch solution de l’équation. La structure cubique du silicium en fait un semi-conducteur multivallée à 6 vallées comme le montre la représentation de sa structure des bandes dans l’espace des k sur la figure suivante. On remarque immédiatement que le gap du silicium est indirect: le maximum de la bande de valence la plus haute n’est pas aligné avec le minimum de la bande de conduction la plus basse, et il existe une dégénérescence d’ordre 2 du plus haut niveau de la bande de valence. Sur cette figure sont aussi représentés plusieurs types de transitions électroniques pouvant avoir lieu: le chemin(1) pour les transitions bande à bande directes, le chemin (2) pour les transitions indirectes, le chemin (3) lors de la thermalisation des électrons. Les transitions directes sont plus rares que les transitions indirectes, et pour ces dernières, la conservation du moment implique la présence d’une autre particule: le phonon. Chapitre I : Etude Théorique des Matériaux ZnO et Si 6 cela implique que les recombinaisons radiatives sont moins nombreuses dans le silicium que dans les semi-conducteurs à gap direct, se traduisant par un coefficient de recombinaison radiative faible : B=1,8×10-15 cm3 .s -1 d’après calcul, encore évalué à B=9,5×10-15 cm3 .s -1 à partir de mesures expérimentales .Pour les matériaux à gap direct, on trouve des valeurs pour B de l’ordre de 10-10 cm3 .s -1 . Figure I-1 : Structure des bandes du silicium

Propriétés optiques du silicium

Les photons arrivant à la surface d’un matériau sont réfléchis ou transmis. Une fois qu’ils ont pénétré dans celui-ci, des phénomènes de diffusion peuvent avoir lieu avec plus ou moins d’efficacité selon leur énergie. Dans le cas d’un matériau semiconducteur, il est transparent pour les photons d’énergie inférieure à Eg tandis que ceux d’énergie supérieure peuvent être absorbés et engendrer une paire électron-trou. Les coefficients d’absorption α et de réflexion R sont calculés en fonction de la longueur d’onde λ à partir de l’indice de réfraction complexe ñ(λ) = n(λ) – ik(λ) sous incidence normale : √ √ √ √ avec n l’indice de réfraction réel du milieu et k le coefficient d’atténuation (ou d’extinction), grandeurs sans unité, i le nombre complexe tel que i2 = -1 et = (n – ik)2 le coefficient diélectrique complexe du milieu. Prenons le cas du passage de la lumière du milieu air ) au silicium . Le coefficient d’atténuation du silicium cristallin devient négligeable devant n pour λ > 400 nm et l’on peut réécrire l’équation : Chapitre I : Etude Théorique des Matériaux ZnO et Si On pourra noter que la valeur typique du coefficient de réflexion à 300 K du silicium est proche de R= 0, 3 sur une grande partie du spectre visible ce qui signifie que près de 30 % de la lumière incidente est réfléchie avant même de pénétrer dans le matériau. Pour améliorer les performances de conversion des cellules, une couche antireflet et/ou une texturation de la surface sont généralement appliquées en face avant de la structure (pouvant abaisser la réflexion moyenne sur le spectre utile à R < 0, 1).

CONCLUSION

Nous avons vu ci-dessus que 30% de la lumière incidente est réfléchi avant même de pénétrer dans le matériau si la face éclairée est le silicium. D’où la nécessité de mettre un matériau dont le coefficient de réflexion est moindre. L’oxyde de zinc de zinc se comporte en même temps comme une couche antireflet. Ces deux matériaux mis en contact vont constituer l’hétérojonction ZnO/Si dont l’étude sera détaillé dans le chapitre suivant.