Numerical simulation and characterization of III-N compound semiconductors for ultraviolet detectors and solar cells

Simulation numérique et caractérisation de matériaux semi-conducteurs III-N pour détecteurs ultraviolet et cellules solaires

Sidi Ould Saad Hamady (1)

1 LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes

The electrical/structural characterization and simulation of III-N materials for detectors and solar cells are presented, first in a synthetic way then in detail for two specific aspects. For boron gallium nitride (BGaN), the studies revealed the possibility of significantly reducing non-intentional doping in III-N materials, one of the main issues for applications. The second aspect detailed in the memoir concerns the simulation of indium gallium nitride (InGaN) solar cells using, for the first time in this domain, rigorous mathematical optimization methods. This methodology allowed to propose new structures not requiring P-doping, another issue in III-N materials, and to study multijunction structures taking into account technological constraints. The prospects opened up by this work concern the development of high-efficiency/low-cost solar cells with two major parts. Firstly, the design of optical structures to reduce the thickness of the InGaN active layers while optimizing the efficiency. The second part concerns the development of solar cells containing earth-abundant materials, as alternative to InGaN.

La caractérisation structurale/électrique et la simulation numérique de matériaux III-N pour détecteurs et cellules solaires sont présentées, d'abord de manière synthétique puis en détaillant deux aspects spécifiques. Pour le nitrure de gallium et de bore (BGaN), la caractérisation électrique et structurale a mis en évidence la possibilité de réduire considérablement le dopage résiduel des matériaux III-N, l'un des verrous pour les applications. Le deuxième aspect détaillé dans le mémoire concerne la simulation numérique de cellules solaires à base de nitrure de gallium et d'indium (InGaN) en utilisant, pour la première fois dans ce domaine, des méthodes d'optimisation mathématique rigoureuses. Cette méthodologie a permis de proposer des structures ne nécessitant pas de dopage P, un autre verrou des matériaux III-N, et d'étudier des structures à multijonction tenant compte des contraintes technologiques. Les perspectives ouvertes par ce travail concernent le développement de cellules solaires à haut rendement et bas coût avec deux volets majeurs. Le premier volet concerne la conception de dispositifs optiques pour réduire l'épaisseur nécessaire des couches actives d'InGaN tout en optimisant le rendement. Le second volet concerne le développement de cellules solaires à base de matériaux abondants, comme alternative à celles utilisant l'InGaN.

Mots clés: Numerical simulation; Characterization; III-N; Nitrides; Detectors; Solar cells

Mots clés: Simulation numérique; Caractérisation électrique; Raman; Matériaux III-N; Nitrures; BGaN; InGaN; Détecteurs; Cellules solaires

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Sidi Ould Saad Hamady. Simulation numérique et caractérisation de matériaux semi-conducteurs III-N pour détecteurs ultraviolet et cellules solaires. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université de lorraine, 2017. ⟨tel-01665771⟩