1

Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface

• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)

• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats

• Autres applications (détecteurs, réprographie)

• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si

2

Le spectre solaireLe spectre solaire

Effet de l’altitude :•AM0 : spectre solaire hors l’atmosphère (voisin du corps noir 5800 °K) : applications spatiales

•AM1 : soleil au zenith(absorptions dans l’UV et dans l’IR)

•AM2 : inclinaison de 60° par rapport au zenith

Bonne approximation : AM 1.5 (844 W/m2) inclinaison 45°

Nécessité de grandes surfaces de conversion

3

Le solaire photovoltaïque : un gisementpotentiellement sans limite

Le solaire photovoltaïque : un gisementpotentiellement sans limite

Quelques chiffes…

• Le rayonnement solaire récupérable sur le territoire français représente

200 fois la consommation totale d’énergie du pays

• Le seul équipement de la moitié des toits permettrait de couvrir 100 % des

besoins en électricité

4

Effet photovoltaïque : principe généralEffet photovoltaïque : principe général

•Création d’une paire électron-trou par un photon d’énergie supérieure à Eg.

•Séparation des porteurs si diffusion jusqu’à la zone de charge d’espace

Circuit électrique équivalent : diode (jonction p-n) en parallèle avec une source de courant IL (excitation des porteurs par le rayonnement solaire). Caractéristique I(V) :

La caractéristique I(V) traverse le troisième quadrant : possibilité d’extraction d’énergie.Voc : tension de circuit ouvert (I=0)Isc : courant de court-circuit

5

Photopiles solaires : rendement idéalPhotopiles solaires : rendement idéal

Analogie avec jonction p-n, le courant peut être exprimé(densités d’états, temps de vie et coefficient de diffusion des porteurs) :

S : surface de la photopile. Voc correspond à I = 0 :(dépendance logarithmique en fonction de l’illumination)

La puissance maximum Pm = ImVm correspond à dP/dV = 0 :

Pm = ImVm ~ IL (Em/q)

avec (β= q/kT) : Em = q[Voc – 1/β ln(1+βVm) – 1/β]

Le courant de court-circuit peut être obtenue à partir de la densité de photons du spectre solaire dnph/dhν :

6

Photopiles solaires : rendement idéalPhotopiles solaires : rendement idéal

Rendement idéal : η = Pm / Pinc = 31% pour Eg = 1.35 eV

• Forte dépendance de l’absorption en fonction de l (photons UV-bleu convertis à la surface du composant)• C : concentration (C=1 correspond à AM 1.5)

7

Augmentation du rendement des photopiles : cellules tandemAugmentation du rendement des photopiles : cellules tandem

Eg1 = 1.56 eV Eg2 = 0.94 eV : η = 50 % (C=1000)

Eg1 = 1.75 eV Eg2 = 1.18 eV Eg3 = 0.75 eV : η = 56 % (C = 1000)Faible gain au-delà de trois matériaux

Réalisation difficile avec c-SiSemiconducteurs amorphes bien adaptés

8

Exemple de photopile solaire : c-SiExemple de photopile solaire : c-Si

Nécessité d’une couche anti-reflet (réflectivité des semiconducteurs de l’ordre de 25 % dans le visible)

Zone n généralement obtenue par implantation

Rendements typiques :>10 % sur plaquettes microélectronique (200-300 mm)~ 10 % rubans polycristallins gros grains (moyennes surfaces)

9

Photopiles solaires a-Si:HPhotopiles solaires a-Si:H

Comparaison Silicium cristallin / amorphe :

Une cellule photovoltaïque a-Si:H ne peut être basée dur une jonction p-n !

La largeur de la charge d’espace peut être obtenue à partir de l’équation de Poisson. Avec la longueur de diffusion : L = (Dτ)1/2 et la mobilité : µ = eD/kT (D : coefficient de diffusion).

Effets de diffusion négligeables dans a-Si:H (faible mobilité). La collecte des charges s’effectue dans la zone de charge d’espace : nécessité d’étendre cette zone.

10

Photopiles solaires a-Si:HPhotopiles solaires a-Si:H

Jonction p-i-n :Largeur de zone de déplétion :

a-Si:H i W ≤ 1µm

a-Si:H p,n W ~10-20 nm

Les zones p et n servent à établir le champ électrique interne mais ne contribuent pratiquement pas à la collecte.

Problèmes technologiques :

• Absorption des photons bleus (profondeur de pénétration : 12-20 nm)

•Absorption dans le rouge (épaisseur limitée par la largeur de charge d’espace : 0.5 - 1 µm)Diagramme de bande d’une photopile p-i-n

11

Photopiles solaires : comparaison c-Si / a-Si:HPhotopiles solaires : comparaison c-Si / a-Si:H

Malgré la diminution du rendement de conversion, l’utilisation du a-Si:H permet une diminution du coût de l’énergie produite.

12

Photopiles solaires : alliages amorphesPhotopiles solaires : alliages amorphes

Possibilté de faire varier le gap entre 1.0 et 2.2 eV, à partir d’un mélange gazeux (dépôt plasma).

•Utilisation dans la fenêtre d’entrée pour diminuer l’absorption dans les couches dopées (a-SiC :H).

•Problème : augmentation des défauts dans les alliages (différence d’affinitéchimique de H pour C, Si, et Ge)

13

Photopiles solaires a-Si:HPhotopiles solaires a-Si:H

Dépôt préalable d’une couche transparente conductrice sur le substrat de verre : SnO2, ITO, ZnO… (électrode)

Utilisation d’une « fenêtre »SiC (zone dopèe p)Rendement typique :

8 % (a-Si;H)> 10% (tandem)Schéma d’une photopile a-Si:H et cellule tandem

14

Photovoltaïque : une activité en très forte croissance

Forte croissance du PV

Forte croissance en 2005 avec de nouveauxacteurs tels que Sharp, MHI, et Fuji, et une augmentation de la capacité

de Kaneka et UniSolar

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 20040

400

800

1200

MW

05

101520253035404550

1999 2000 2001 2002 2003 2004

a-SiCIS/CdTe

et des couches minces !

Source: Strategies Unlimited

• Une croissance moyenne de 39% sur les huit dernières années et un marché de 7 Md$ en 2004

• Une croissance prévue de 32% par an et un marché de 30 Md$ à l’horizon 2010

15

Objectif : réduction du €/WattObjectif : réduction du €/Watt

Couches mincesAugmenter la vitesse de dépôt

Augmenter le rendementComment ?

16

Photovoltaïque : une activité dominée par deux pays

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Japo

n

Etats-U

nisAustra

lieAlle

magne

Espag

ne

France

Italie

Suisse

Pays-B

as

Norvège

Il y a un rapport de 1 à 15 entre la filière française (750 emplois) et la filière allemande (11 000 emplois)

Effectifs des filières photovoltaïques de différents pays(recherche, industrie et autres, 2003)

17

Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface

• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)

• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats

• Autres applications (détecteurs, réprographie)

• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si

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Les transistors en couche mince (TFTs) à base de a-Si:HLes transistors en couche mince (TFTs) à base de a-Si:H

Comparaison avec c-Si

• Faible mobilité des trous (10-2 / électrons) : composants à canal n seuls

possibles

• Forte densité de défauts dans les couches dopées

• Transistors bipolaires (npn…) inconcevables en amorphe

• Transistors à effet de champ bien adaptés (structure planaire)

• Procédés d’élaboration incompatibles avec l’oxydation haute température

(Ts < 300°C)

• Structures MIS (isolant : nitrure de silicium)

19

Structure d’un TFT à base de a-Si:HStructure d’un TFT à base de a-Si:H

Coupe et vue de dessus•d (a-Si:H ) ~ 3-50 nm (canal ~ 10 nm)•d (a-SiNx) ~ 2-300 nm•L ~ 5 µm• W ≥ 10 µm

Structure de bande :•Interfaces a-Si:H/a-SiNx comportements différents•Meilleurs résultats : grille « en dessous »(« Bottom gate »)

20

Caractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:HCaractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:H

Comportement analogue au transistor MOS à base de c-Si

Très grande dynamique

Tension de seuil : VT ~ 1 V

L (resp. W) : Longueur (resp. largeur) du canal

Expression générale du courant source-drain :CG : capacité grilleµFE : mobilité effective des électrons

21

Caractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:HCaractéristique typique d’un TFT à base de a-Si:H

Région linéaire (VD faible), conductance du canal :

Application numérique : d(SiNx) = 300 nm, ε =7 =>CG = 2 10-8 Fcm-2;avec W/L = 10 et µFE = 1 cm2V-1cm-1 : gD = 10-6Ω-1

pour VG = 5 V (environ 1000 fois plus faible que pour c-Si)

Régime de saturation (dJD / dVD = 0) :

22

Principe de fonctionnement des cristaux liquidesPrincipe de fonctionnement des cristaux liquides

Twisted nematic :

Principe: rotation de la polarisation pilotée en tension (∆θ~ 90°C)

Epaisseur typique ~ 5 µm

Composant « basse tension » :tension de basculement : 5-10 V, excursion ∆V ~ 2 V

Possibilité de niveaux de gris

23

Application : écran à matrice active (AMLCD)Application : écran à matrice active (AMLCD)

Architecture électrique d’une matrice active commandée par des TFTs

Vue en perspective d’un écran AMLCD

Défi technologique ~ 107 cellules (< 10 défauts) : coût 150 € !

24

Schéma de fonctionnement dynamique d’un écran AMLCDSchéma de fonctionnement dynamique d’un écran AMLCD

Exemple : Téléviseur (500x500)•Chargement rapide de la capacité (cristal liquide) : Ron (source-drain) faible•Maintien de l’information : Roff grand•Valeur typique : Roff/Ron ~ 104 – 105

Application numérique :Capacité cristal liquide 10 pF (par pixel)Fréquence trame (rafraîchissement) : 30 HzPériode adressage ligne (30 ms/500) : 60 µsChargement pixel (>10 V) => ion ~ 1.5 µAMaintien de l’image : RC(TFT) > 30 ms

ioff < 10-10 A Ecrans AMLCD possibles avec a-Si:H (> 1000x1000)

25

Display market revenues by type(data from DisplaySearch)

Display market revenues by type(data from DisplaySearch)

Total year 2000:52 G$

26

Active matrix liquid crystal displays (AMLCDs): panel structureActive matrix liquid crystal displays (AMLCDs): panel structure

Pixel cross-section Exploded view

27

Back channel etch (BCE) TFT is the most popular Back channel etch (BCE) TFT is the most popular

µn ~ 1cm2/Vsµp ~ 10-3cm2/Vs

28

TFT plate process: 5 masks, semiconductor-type processTFT plate process: 5 masks, semiconductor-type process

29

AMLCD panel with backlight and drive electronicsAMLCD panel with backlight and drive electronics

30

Substrate area: Glass for AMLCDs vs SiliconSubstrate area: Glass for AMLCDs vs Silicon

AMLCD glass:x 2 every 3.6 years

Silicon substrates:x 2 every 7.5 years

31

Production machines follow the trend: AKT, Unaxis,Ulvac...Production machines follow the trend: AKT, Unaxis,Ulvac...

32

Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface

• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)

• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats

• Autres applications (détecteurs, réprographie)

• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si

33

Détecteurs matriciels en grande surfaceDétecteurs matriciels en grande surface

• Détecteur de rayons X : a) architecture électrique de la matrice; b) Schéma de principe du détecteur

Principe d’un photodétecteur matriciel •TFT off : accumulation des charges

• TFT on : transmission des données

• Autre exemple : barrette de Fax ( 2-3000 pixel) : détecteur linéaire (A4). Spécifications similaires aux écrans AMLCD : ion ~ 1 µA

34

Application à la xérographieApplication à la xérographie

Principe : chargement de la surface par une décharge « couronne » (~ 400 V); puis exposition à l’image : décharge sélective par photoconductivité; enfin, impression de la photocopie à laide du toner.

Nécessité de fortes épaisseurs (10-20 µm) pour éviter les claquages;

Temps de développement (0.5 s) compatible avec faible mobilité (< a-Si:H)

Problème : éviter la décharge de la surface en l’absence d’illumination :• compensation du a-Si:H (diminue la génération thermique de porteurs)• suppression de l’injection arrière (contact bloquant)• suppression de la conduction de surface (a-SiNx)

35

Les applications électroniques en grande surfaceLes applications électroniques en grande surface

• Les photopiles solaires (amorphes et cristallines)

• Les transistors en couches minces (a-Si:H) pour écrans plats

• Autres applications (détecteurs, réprographie)

• Les technologies à base de nc-Si ou p-Si

36

Example of threshold voltage drift of an a-Si:H TFT under low gate voltage

Example of threshold voltage drift of an a-Si:H TFT under low gate voltage

Solar cells : Decrease of energy conversion efficiency upon light exposure (Staebler Wronsky effect)

37

BOTTOM GATE TFTs

µc-Si BG TFTs : 300 nm thick layer deposited by PECVD (SiF4/ H2/ Ar) = (1/12/25) with excellent characteristics and stability

-20 -10 0 10 201E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

µlin=2.8 cm2/V.s

µsat=1.6 cm2/V.s

W/L = 35µm / 7 µm

Vds=0.1V Vds=10V

I ds (A

)

Vgs (V)

source

Gate insulator

µ c-Si

gate

drain

-20 -10 0 10 20

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

before stress stressed, 1000 s

I ds1/

2

Vgs

38

TFTs microcristallins (µc-Si )

• Caractéristiques électriques stables

• Augmentation de la mobilité (facteur 2-5)

• Possibilité d’intégration (partielle) d’intégration des circuits de

commandes dans la même technologie

• Matériau compatible avec la technologie a-Si:H actuelle (BG) :

niveaux de masquage...

39

Interest of polysilicon technology: AMLCDsInterest of polysilicon technology: AMLCDs

Matrix

Line Drivers

Matrix

Column drivers

Integration of the driving electronics at marginal cost

40

Crystallisation of a-Si: pulsed laser system with line beam opticsCrystallisation of a-Si: pulsed laser system with line beam optics

XeClXeCl, 308 nm, 50Hz, 308 nm, 50Hz

y

x

El

TopTop--hat energy profilehat energy profile

Largest line beam (Microlas):350 mm X 250 µm

L = (Dτ)1/2

D = κ/ρCp

L ~100 nm in SiO2, for τ ~25 ns

41

Polysilicon TFTs: top gate structurePolysilicon TFTs: top gate structure

Passivation de grille

Substrat + passivation (SiOx)

Couche activepoly-Si

Oxyde de grilleMo

AlMo

Mo

Drain Source

W = 3µmL = 10µm

42

Grain size: process window at SLG regimeGrain size: process window at SLG regime

λλ(( µµ

m)

m)

Laser energy density (a.u.)Laser energy density (a.u.)

∆E=2%

43

High performance Poly-Si TFTs (SLG Energy)High performance Poly-Si TFTs (SLG Energy)

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

0.001

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

I ds [A

]

Vgs

[V]

Vds

(V)

631

0.30.1

Type S (V/dec) Vt (V) µ (cm²/Vs)N 0.2 1.2 350P 0.3 -2.4 150

44

“Safe process”: compromise on grain size“Safe process”: compromise on grain size

λλ(( µµ

m)

m)

Laser energy density (a.u.)Laser energy density (a.u.)

“Safe process range”

45

Typical Al-gate TFT characteristics Typical Al-gate TFT characteristics

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

0.000001

0.00001

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Vgs (V)

Ids

(A)

µn ~ 200 cm2/Vsµp ~ 70 cm2/Vs

46

Les applications électroniques en grande surface -techniques d’affichage

Les applications électroniques en grande surface -techniques d’affichage

Importance des applications des TFTs à base de a-Si:H dans les

écrans plats AMLCD

Avantage : faible coût de procédés

Limitations : Faible mobilité du a-Si:H (0.5 – 1 cm2/Vs) et phénomènes d’instabilité

Substitution du a-Si:H par nc-Si (plasma) ou p-Si (laser)

Augmentation de la mobilité : 2-5 (nc-Si) à 100-300 cm2/Vs (p-Si)

Suppression des phénomènes d’instabilité

p-Si : augmentation du coût des procédés

Nouvelles technologies d’écrans : OLED

47

Cellules PIN et tandem PIN/PINCellules PIN et tandem PIN/PIN

400 600 800 1000

Spec

tral

res

pons

e [a

.u.]

Wavelength [nm]

a-Si:H

µc-Si:H

Micromorph

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

1 cm2 Hybrid cell

AM 1.5, 25 oC

(KANEKA double-light

source simulator)

Jsc: 14.4 mA/cm2

Voc: 1.41 V

F.F. : 0.719

Eff: 14.5%

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

1 cm2 Hybrid cell

AM 1.5, 25 oC

(KANEKA double-light

source simulator)

Jsc: 14.4 mA/cm2

Voc: 1.41 V

F.F. : 0.719

Eff: 14.5%

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

1 cm2 Hybrid cell

AM 1.5, 25 oC

(KANEKA double-light

source simulator)

Jsc: 14.4 mA/cm2

Voc: 1.41 V

F.F. : 0.719

Eff: 14.5%

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

0

5

10

15

0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

1 cm2 Hybrid cell

AM 1.5, 25 oC

(KANEKA double-light

source simulator)

Jsc: 14.4 mA/cm2

Voc: 1.41 V

F.F. : 0.719

Eff: 14.5%

0

5

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0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

0

5

10

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0 0.5 1 1.5

Cur

rent

(mA

)Voltage (V)

1 cm2 Hybrid cell

AM 1.5, 25 oC

(KANEKA double-light

source simulator)

Jsc: 14.4 mA/cm2

Voc: 1.41 V

F.F. : 0.719

Eff: 14.5%

light

GlassTCO

µc-Si:H

(Bottom cell)

a-Si:H(Top cell)

Back contacts

Tandem PIN/PIN

Structure PIN

10 nm P(a-SiC:H)

Intrinsic a-Si:H ~0.3 µm

N(a-Si:H)Al contact

SnO2

Glass substrate