Durée de vie du transporteur minoritaire
La durée de vie des porteurs minoritaires est l'un des paramètres les plus importants et les plus significatifs d'un matériau. Elle est extrêmement sensible aux plus infimes quantités d'impuretés ou de défauts intrinsèques, ce qui en fait un paramètre idéal pour la caractérisation en ligne de la qualité des matériaux et le contrôle des processus. Elle revêt une importance capitale pour les performances de nombreux dispositifs à semi-conducteurs. La durée de vie des porteurs minoritaires est définie comme le temps moyen nécessaire à un porteur minoritaire excédentaire pour se recombiner. Elle dépend fortement de l'ampleur et du type des processus de recombinaison dans le semi-conducteur.
Les principaux types de recombinaison sont les suivants :
Recombinaison SRH ⇒ via des défauts
Recombinaison Auger ⇒ via un processus à trois particules
recombinaison intrinsèque ou radiative ⇒ via bande à bande
\(\cfrac{1}{\tau_{bulk}} =\cfrac{1}{\tau_{SRH}} + \cfrac{1}{\tau_{Auger}} + \cfrac{1}{\tau_{rad}}\)
Dans le silicium, la SRH est souvent le mécanisme de recombinaison dominant. La durée de vie des porteurs minoritaires dans le volume dépend donc du nombre de défauts présents et de leurs propriétés de recombinaison. Dans le silicium, la durée de vie peut atteindre 1 ms, alors que dans un semi-conducteur direct tel que le GaAs, où la recombinaison intrinsèque est dominante, la durée de vie n'est que de l'ordre de ns...µs. Outre les propriétés des défauts, la durée de vie des porteurs minoritaires dépend du niveau d'injection (concentration en porteurs excédentaires) et de la concentration de dopage. Les figures 1 et 2 illustrent ces dépendances pour toutes les durées de vie.
Fig. 2: injection dependence of all important recombination rates
Fig. 3: doping dependence of all important recombination rates
La durée de vie effective mesurée se compose de la durée de vie en volume et de la durée de vie en surface, qui dépend des propriétés de surface d'un échantillon. Il est donc nécessaire de passiver la surface si l'on souhaite mesurer les propriétés en volume de l'échantillon. Si l'on souhaite évaluer la qualité de la passivation de surface, il est recommandé d'utiliser une plaquette de silicium FZ, car la recombinaison en volume peut alors être négligée.
\(\cfrac{1}{\tau_{eff}} = \cfrac{1}{\tau_{bulk}} + \cfrac{1}{\tau_{surface}}\)
Par ailleurs, la durée de vie effective mesurée dépend de la méthode de mesure utilisée. Pour plus de détails, voir :
[1] S. Rein, Lifetime Spectroscopy - A Method of Defect Characterization in Silicon for Photovoltaic Applications, Vol. 85 (Springer, Berlin Heidelberg, 2005)
[2] D. K. Schroder, Caractérisation des matériaux et des dispositifs semi-conducteurs, 2e éd. (John Wiley & Sons, New York, 1998)
