FR2545275A1 - Photodetecteur tandem - Google Patents
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Abstract
PHOTODETECTEUR TANDEM 10 QUI COMPREND UNE PLURALITE DE CELLULES 24, 32, CHAQUE CELLULE COMPRENANT UN DISPOSITIF P-I-N, LA COUCHE DE TYPE DE CONDUCTIVITE SENSIBLEMENT INTRINSEQUE 28, 36 ETANT PLACEE ENTRE LES COUCHES DOPEES DE TYPE P ET DE TYPE N, ET LES COUCHES DOPEES 30, 34, A L'INTERFACE 40 ENTRE DES CELLULES ADJACENTES 24, 32, ETANT DE TYPE DE CONDUCTIVITE OPPOSEE, CE PHOTODETECTEUR ETANT CARACTERISE EN CE QUE L'UNE AU MOINS DES COUCHES DOPEES 30, 34, A L'INTERFACE 40 ENTRE UNE PAIRE DE CELLULES 24, 32, PRESENTE UNE BANDE D'ENERGIE INTERDITE PLUS GRANDE QUE CELLE DES MATERIAUX CONSTITUANT LES COUCHES DE TYPE DE CONDUCTIVITE INTRINSEQUE 28, 36 DES CELLULES 24, 32 ADJACENTES A L'INTERFACE.
Description
Cette invention concerne un photodétecteur tandem qui comprend une pluralité de cellules P-I-N présentant des pertes de porteurs de charge ré- duites par diffusion inverse ou retro-diffusion
Le brevet américain n0 4 064 521 décrit un photodetecteur P-I-N comprenant un matériau sensible à la lumière constitue de silicium amorphe hydrogéné. De façon typique, le photodétecteur comprend une couche relativement épaisse (de l'ordre de 500 nanomètres) de silicium amorphe du type à conductivité intrinsèque, située entre des couches de conductivite de type P et de type N présentant chacune une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres environ, la lumière pénétrant dans le dispositif au travers, soit de la couche de type P, soit de celle de type N.
Le brevet américain n0 4 064 521 décrit un photodetecteur P-I-N comprenant un matériau sensible à la lumière constitue de silicium amorphe hydrogéné. De façon typique, le photodétecteur comprend une couche relativement épaisse (de l'ordre de 500 nanomètres) de silicium amorphe du type à conductivité intrinsèque, située entre des couches de conductivite de type P et de type N présentant chacune une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres environ, la lumière pénétrant dans le dispositif au travers, soit de la couche de type P, soit de celle de type N.
Un photodétecteur à cellule unique, tel que celui décrit dans le brevet américain cité ci dessus, possède une tension de fonctionnement, sous illumination, qui est typiquement comprise entre 0, 7 et 0, 9 volts environ. Pour augmenter la tension de fonctionnement, on a découvert qu'il était utile de réaliser un photodétecteur tandem comportant une pluralité de cellules présentant chacune une structure P-I-N, les cellules étant superposees les unes aux autres sur un substrat.Dans une telle structure, la couche de type P d'une cellule est adjacente à la couche de type N de la cellule suivante. Le courant électrique est engendre initialement dans la couche de type de conductivité intrinsèque de chaque cellule, et il circule au travers des jonctions PXN internes du photodétecteur par recombinaison de charges.
Le rendement de courant ainsi engendre dans le photodétecteur tandem dépend, parmi d'autres facteurs, de la quantité de porteurs de charge perdue par diffusion inverse de porteurs photo-engendres, avec la perte ultérieure par recombinaison des porteurs de charge à l'origine dans les couches dopées. Il serait préférable de modifier la structure d'un tel photodétecteur tandem pour réduire ce mécanisme de perte, et donc augmenter le rendement du photo detecteur.
En conséquence, cette invention concerne un photodétecteur tandem perfectionné qui comprend une pluralité de cellules, chaque cellule comprenant un dispositif P-I-N, la couche de type de conductivité sensiblement intrinsèque étant placée entre les couches dopées de type B et de type N, et les couches dopées, à l'interface entre des cellules adjacentes, étant de type de conductivite opposée, ce photodétecteur étant caractérisé en ce que l'une au moins des couches dopées (30, 34), à l'interface (40) entre une paire de cellules (24, 32) présente une bande d'énergie interdite plus grande que celle des matériaux constituant les couches de type de conductivisé intrinsèque (28, 36) des cellules (24, 32) adjacentes à l'interface.
D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé, dont la Figure unique est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un photodétecteur selon l'invention.
En se référant au dessin, on voit que le photodétecteur tandem selon l'invention, désigné dans son ensemble par la référence PQ, comprend un substrat 12, présentant des première et seconde surfaces principales 14 et 16. Un rev8tene nt anti-réflexion 18 recouvre la surface principale 14, la surface 20 de ce revetement 18 étant la surface au travers de laquelle la lumière pénètre dans le photodétecteur tandem PO, Une couche électriquement conductrice et transmettant la lumière 22 recouvre la seconde surface principale 16 du substrat 12.Une première cellule sensible à la lumière 24 recourFre la couche élec triquement conductrice 22, et elle comprend une première couche 26 d'un premier type de conductivité, une seconde couche 28, possédant un type de condue- tivité sensiblement intrinsèque, et une troisième couche 30, présentant un type de conductivité opposé à celui de la première couche 26 et recouvrant la couche intrinsèque 28. Une seconde cellule 32, comportant une première couche 34 d'un premier type de conductivité, une seconds couche 36, d'un type de conductivité sensiblement intrinsèque, et une troisième couche 38, d'un type de conductivité opposée, recouvre la première cellule 24 en formant une interface 40 entre les cellules 24 et 32. Une couche de contact électrique 42, qui présente une surface externe 44, recouvre la cellule 32, de manière à constituer un contact électrique pour cette dernière.
De façon typique, le substrat 12 est constitué d'un matériau qui possède une résistance mécanique et une épaisseur suffisantes pour supporter le reste du photodétecteur 10. Le substrat 12 peut être constitué d'un matériau tel que le verre, qui est essentiellement transparent pour un domaine donné de longueurs d'ondes, ou bien il peut être réalisé à partir d'un matériau opaque, tel que de l'acier. La transparence du substrat 12 détermine typiquement si le photodétecteur 10 est disposé de manière que la lumière pénètre dans le photodétecteur 10 au travers de la surface 14 du substrat 12, ou au travers de la surface 44 de la couche de contact électrique 42. Si le substrat 12 est lui-même transparent, la lumière pénètre,de façon typique, dans le photodétecteur 10 au travers de la surface du substrat 14.
La couche électriquement conductrice 22 est typiquement constituée d'un matériau transmettant la lumière, tel que SnO2, déposé par des techniques de dépôt de vapeurs chimiques ou par évaporation sous vide. Si le substrat 12 est lui-même composé d'un matériau électri quement conducteur, on peut supprimer la couche électriquement conductrice 22. De façon typique, le contact électrique 42 est un métal, tel que l'aluminium, déposé en mettant en oeuvre des techniques d'évaporation sous vide. Cependant, si la lumière pénètre dans le photodétecteur 10 au travers du contact 42, le contact est alors formé par un matériau électroconducteur transmettant la lumière, tel que SnO2.
Les cellules 24 et 32 sont des dispositifs P-I-N. Les couches de premier type de conductivité, 26 et 34, respectivement, sont typiquement de type P.
Les couches de conductivité opposée, 30 et 38, respectivement, sont typiquement de type N. On comprend que les types de conductivité de ces couches peuvent être inversés, tant que les relations entre les types de conductivité de ces couches, dans les différentes cellules, sont maintenues. Les couches dopées, dans chaque cellule, ont une épaisseur comprise typiquement entre 5 et 50 nanomètres ; l'épaisseur des couches de type de conductivité intrinsèque est typiquement comprise entre.100 et 1000 nanomètres. Un matériau de type de conductivité intrinsèque comprend un matériau conducteu#r de type P ou légèrement de type N, compensé et non dopé. On comprend que les matériaux constituant les couches de type de conductivité intrinsèque peuvent être différents.
Les couches individuelles dopées et non dopées sont constituées de silicium amorphe ou d'alliages contenant du silicium amorphe et d'autres éléments, tels que du germanium, de l'étain, du carbone et de l'azote. On comprend que ces couches contiennent également de l'hydrogène en une concentration comprise typiquement entre 5 et 20 NO atomique, et de préférence d'environ 10 % atomique. En variante, le silicium amorphe peut contenir un halogène, de préférence en présence d'hydrogène.
A l'interface 40 entre des cellules adjacentes 24 et 32, les couches adjacentes sont d'un type de conductivité opposée, formant une jonction P-N, au travers de laquelle le courant circule par recombinaison de porteurs de charge. Par exemple, si les cellules possèdent des premières couches de type P et des troisièmes couches de type N, des électrons photo-engendrés par la cellule 24 se recombinent,au voisinage de l'interface 40, avec des trous photo-engendrés à partir de la cellule 32. Le transport maximal de courant pouvant être obtenu par ces moyens est alors limité à sensiblement le plus petit des courants engendrés dans les cellules individuelles.
Le mécanisme de transport de charges, dans une cellule individuelle, comporte à la fois une composante de glissement et une composante de diffusion. La diffusion, dans une cellule individuelle, dans la direction opposée au glissement de la charge, se traduit par une perte de porteurs de charges, photo-engendrés, de façon typique, par recombinaison dans une couche dopée, ce qui a pour effet de diminuer le rendement total du dispositif.
Pour réduire l'amplitude de la perte de porteurs de charge par rétrodiffusion, l'une au moins, et de préférence les deux couches dopées 30 et 34, adjacentes à l'interface 40 entre des cellules voisines 24 et 32, contiennent un matériau comportant un agent dopant approprié pour modifier la conductivité, et une bande interdite plus grande que celle du matériau qui constitue la couche de type de conductivité intrinsèque des cellules adjacentes. La présence d'un matériau à bande d'énergie interdite plus grande crée une barrière a la diffusion de charges dans la région d'interface, ce qui diminue l'amplitude des pertes de porteurs de charges.Par exemple, dans le photodétecteur 10, soit la troisième couche 30 de la première cellule 24, soit la première couche 34 de la seconde cellule 32, ou ces deux couches, est constituée d'un matériau à bande d'énergie interdite plus grande. Si la couche de type de conductivité intrinsèque est constituée de silicium amorphe, alors, la couche à bande interdite plus large peut être composée d'un alliage silicium-azote ou silicium amorphe -carbone. L'utilisation de couches à bande d'énergie interdite plus large permet également de réduire l'absorption de lumière dans ces couches et les pertes ultérieures de porteurs photo-engendrés, dues à la recombinaison.
Les couches de silicium amorphe hydrogéné, incluant les couches dopées, peuvent etre déposées séquentiellement en utilisant les procédés de décharge luminescente décrits dans le brevet américain n0 4 064 521. Des alliages carbone-silicium et -silicium-azote peuvent être déposés en utilisant le procédé décrit dans le brevet américain n0 4 109 271.
Il demeure bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ou représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. C'est ainsi que, notamment, le photodétecteur selon l'invention peut comprendre un nombre de cellules supérieur à deux. De même, les va leur s des épaisseurs des cellules individuelles sont, de préférence, ajustées pour créer sensiblement le même courant dans chaque cellule. Si le nombre des cellules est supérieur à deux, il est également préférable que l'une au moins, ou les deux couches dopées, adjacentes à chaque interface séparant les cellules, soit constituée d'un matériau dont la bande d'énergie interdite est plus grande que celle des matériaux constituant les couches de type de conductivité intrinsèque des cellules adjacentes.
Claims (5)
1 - Photodétecteur tandem (10) qui comprend une pluralité de cellules
(24, 32), chaque cellule comprenant un dispositif P-I-N, la couche de type de conductivité sensiblement intrinsèque (28 36) étant placée entre les couches dopées de type P et de type N, et les couches dopées (30, 34), 'a l'interface (40) entre des cellules adjacentes (24, 32) étant de type de conductivité opposée,
ce photodétecteur étant caractérisé en ce que l'une au moins des couches dopées
(30, 34), à l'interface (40) entre une paire de cellules (24, 32;; présente une bande d'énergie interdite plus grande que celle des matériau constituant les couches de type de conductivité intrinsèque (28, 36) des cellules (24, 32) adjacentes à l'interface.
2 - Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une au moins des couches dopées (30, 34), à l'interface (40) entre chaque paire de
cellules (24, 32) , possède une énergie de bande interdite plus grande que celle des matériaux constituant les couches de type de conductivité intrinsèque (28, 36) des cellules (24, 32) adjacentes à l'interface (40).
3 - Photodétecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches dopées (30, 34), à l'interface (40) entre une paire de cellules (24, 32), présentent une bande d'énergie interdite plus grande que celle des matériaux c onstituant les couches de type de conductivité intrinsèque (28, 36) des cellules (24, 32) adjacentes à l'interface (40).
4 - Photodétecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de type de conductivité intrinsèque (28, 36) comprend un alliage de silicium amorphe hydrogéné.
5 - Photodétecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les couches dopées (30, 34), présentant une énergie de bande interdite plus grande, comprennent un matériau qui est sélectionné dans le groupe qui comprend les alliages carbone-silicium hydrogéné et azote-silicium hydrogéné.
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