Etude, Simulation et Caractérisation des SchottkySC, IBSC et du SSD à base de GaAsN et de GaN pour le Photovoltaïque et l’Electronique THz

Abstract

الملخص (بالعربية) :

يتضمن هذا العمل دراسة ومحاكاة مركبات من نوع Schottky و IBSC من مادة GaAsN من اجل استخدامهم في مجال الطاقة الشمسية الفولطا ضوئية، كما قمنا بمحاكاة و توصيف جهاز من نوع SSD مصنوع من مادة GaN من اجل مجال الالكترونيك و التيراهرتز. بالنسبة لمجال الطاقة الشمسية الفولطا ضوئية، جذبت أشباه الموصلات النتريدية المميهة، مثل مركب GaAs1-xNx ، اهتمامًا كبيرًا نظرًا لخصائصها الفيزيائية الفريدة والمجموعة الواسعة من تطبيقاتها الممكنة في الإلكترونيات الضوئية. في هذا السياق، قمنا باستخدام محاكاة رقمية كاملة في ظل ظروف AM1.5G للإضاءة الشمسية مع برنامج SCAPS، لتحديد المعلمات الهندسية والفيزيائية المثلى التي توفر أفضل كفاءة لخلية شمسية من نوع Schottky تعتمد على n-GaAsN. وفقًا لنتائجنا، فإن حسن اختيار المعدن يجعل من الممكن الحصول على حاجز الجهد عالٍ أثناء التحكم في تركيز وسمك الطبقة النشطة ل GaAsN ،و يتيح كذلك تطوير SchottkySC المصنوعة من مادة GaAs1-xNx بجودة عالية. من المتوقع أن تكون الكفاءة أكبر من 27٪ مع تركيز النيتروجين x = 0.004 لهذا التصميم الجديد للخلية الشمسية n-GaAsN Schottky. يوفر مفهوم نوع الخلايا الشمسية ذات الحزمة الوسطية (IBSC) وسيلة للحصول على مردود تحويل الطاقة الضوئية أعلى من حد كفاءة Shockley-Queissar (SQ) لخلية شمسية أحادية الوصلات من خلال توفير تيار ضوئي أعلى مع الحفاظ على ارتفاع التوتر الناتج. تعتبر IBSCs جذابة بسبب بساطتها في الصنع مقارنة بالمركبات متعددة الوصلات. من بين المواد التي تحتوي بشكل طبيعي على حزمة وسطية، هناك أيضًا ، ثلاثي النتريد المخفف ."GaAsN" لقد درسنا تأثير معلمات الحزمة الوسطية (IB) للمادة الممتصةGaAsN ( , )وسمك الطبقة الماصة على معلمات الإخراج للخلية الشمسية ذات الحزمة الوسطية IBSC. يعتبر تصميم الخلية التي تم دراستها واعداً، اختيار الموضع الطاقوي، والتركيز للحزمة الوسطية يعني اختيار نسبة تركيز النيتروجين (x، N٪) ل GaAsN .حصلنا على مردود تحويل أقصى قدره 21.90٪ في هذه الدراسة الأولية لـ IBSC مصنوعة من مادة GaAsN. بالنسبة لإلكترونيات التيراهرتز، تم إجراء محاكاة وتوصيف جهاز نوع SSD من مادة GaN. ال SSDsعلى اساس GaN/AlGaN مستوحاة من مركب HEMTs ولكن ليس لديها ﺒﻮاﺑﺔ (Gate) ، فقط ﻤﻨﺒـﻊ و ﻤﺼﺮف. هذه القنوات النانوية غير المتماثلة تشكلت عن طريق الحفر (etching) أو العزل (isolation) في 2DEG حيث يتم توفير النقل الإلكتروني بواسطة الإلكترونات. لديهم بنية مستوية بالكامل ،مما يجعلهم متكاملين وكلفة تصنيعهم منخفضة. تعتبر هذه الاجهزة واعدة لتصنيع مذبذبات Gunn THz في درجة حرارة الغرفة. باستخدام محاكي ATLAS-SILVACO في 2D و3D ، تم إجراء تحليل لمنحنيات I-V في الحالة الاستاتيكية وتطور التيار في المجال الزمني لمركبات SSDs مع استخدام عرض قناة 80nm و 150nm. وقد تم ذلك عن طريق إيلاء اهتمام خاص لمعلماتها الهندسية وكثافة الشحن على السطح والتي تعتبر ضرورية لنقل الإلكترونات. يتطلب ظهور تذبذبات Gunn توتر استقطاب كبير. تكون نتائج المحاكاة ثلاثية الأبعاد لخصائص I-V أقرب إلى النتائج التجريبية مقارنة بنتائج المحاكاة التي حصلنا عليها باستخدام ATLAS في محاكاة ثنائية الأبعاد(2D) ومونت كارلو.مكننا هذا من التحقق من صحة نموذج ATLAS ثلاثي الأبعاد (3D) الذي يتم تهيئته ويفتح الطريق أمام البحث المكثف لإيجاد حلول للحصول على تذبذبات Gunn من اجل توترات استقطابية منخفضة. الكلمات المفتاحية : الطاقة الشمسية , التيراهرتز, Schottky , IBSC, SSD, محاكاة , توصيف.

------------------------------------------ Résumé (en Français) :

Notre travail a porté sur l’étude et simulation des dispositifs types SchottkySC et IBSC à base du matériau GaAsN pour le photovoltaïque et simulation et caractérisation du dispositif type SSD à base du matériau GaN pour l’électronique TéraHertz. Pour le photovoltaïque, les semiconducteurs au nitrure dilué, tels que les alliages GaAs1-xNx, ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés physiques uniques et de la large gamme de leurs applications possibles en optoélectronique. Dans ce contexte, une simulation numérique complète sous le spectre AM1.5G avec le logiciel SCAPS, est utilisée pour déterminer les paramètres géométriques et physiques optimaux qui donnent la meilleure efficacité d'une cellule solaire type Schottky basée sur n-GaAsN. Selon nos résultats, le choix du métal qui permet d'avoir une hauteur de barrière élevée tout en contrôlant le dopage et l'épaisseur de la couche active de GaAsN, permet le développement de SchottkySC à base de GaAs1-xNx de haute qualité. Une efficacité supérieure à 27% est attendue avec une concentration en azote de x = 0.004 pour cette nouvelle conception de la cellule solaire n-GaAsN Schottky. Le concept de type cellule solaire à bande intermédiaire (IBSC) fournit un moyen d'obtenir de rendements de conversion photovoltaïque supérieurs à la limite d'efficacité de Shockley-Queissar (SQ) pour une cellule solaire à jonction unique en fournissant un photocourant supérieur tout en maintenant une tension de sortie élevée. Les IBSC sont attrayantes en raison de leurs simplicités de réalisation comparées aux dispositifs multi-jonctions. Parmi les matériaux qui présentent naturellement une bande intermédiaire, là aussi, le ternaire de nitrure dilué « GaAsN ». Nous avons étudié l'effet des paramètres de la bande intermédiaire IB du matériau absorbeur GaAsN ( , ) et l’épaisseur de la couche absorbante sur les paramètres de sortie de la cellule solaire à bande intermédiaire IBSC. La conception de la cellule étudiée semble prometteuse, le choix de la position énergique et la concentration de la bande intermédiaire implique le choix de la fraction d’azote (x, N%) du GaAsN. Nous avons obtenu un rendement de conversion maximale de 21.90% dans cette étude préliminaire pour IBSC à base GaAsN. Pour l’électronique TéraHertz, la simulation et la caractérisation de dispositif de type SSD à base du matériau GaN a été faite. Les SSDs à base d’hétérojonction GaN/AlGaN sont inspirés de la structure des HEMTs mais n’ont pas de grille, uniquement un drain et une source. Il s’agit de nanocanaux asymétriques formé par gravure ou par isolation dans un 2DEG ou le transport électronique est assuré par les électrons. Ils ont une architecture complètement planaire, ce qui rends complètement intégrables et peu chers à fabriquer. Ce sont des dispositifs prometteurs pour la fabrication d'oscillations Gunn THz à température ambiante. En utilisant le simulateur ATLAS-SILVACO à 2D et 3D, une analyse des courbes I-V en régime statique et une évolution du courant dans le domaine temporel ont été réalisées avec des SSDs de largeurs de canal de 80 nm et 150 nm. Ceci a été fait en accordant une attention particulière à leurs paramètres géométriques et à la densité de charge en surface qui sont cruciales pour le transport d'électrons. L’apparition des oscillations Gunn nécessite une grande tension de polarisation. Les résultats de simulation à 3D des caractéristique I-V sont plus proches des résultats expérimentaux comparés aux résultats de simulation obtenus par ATLAS à 2D et la simulation Monté-Carlo. Ceci valide le modèle ATLAS à 3D configuré et ouvre la voie d’une recherche intense pour chercher des solutions à avoir des oscillations de Gunn pour des faibles tensions de polarisation. Les mots clés : photovoltaïque ,Schottky, IBSC, Thz, SSD ,simulation, caractérisation. ------------------------------------------

Abstract (en Anglais) :

Our work focused on the study and simulation of SchottkySC and IBSC type devices based on the GaAsN material for the potovoltaic, and simulation and characterization of the SSD type device based on the GaN material for the TéraHertz electronics. For photovoltaics, dilute nitride semiconductors, such as GaAs1-xNx alloys, have attracted considerable attention due to their unique physical properties and the wide range of their possible applications in optoelectronics. In this context, a full digital simulation under the AM1.5G spectrum with SCAPS software is used to determine the optimal geometric and physical parameters which give the best conversion efficiency of a Schottky type solar cell based on n-GaAsN. According to our results, the choice of metal which makes it possible to have a high barrier height while controlling the doping and the thickness of the active layer of GaAsN, allows the development of SJSC based on high quality GaAs1-xNx. An efficiency greater than 27% is expected with a nitrogen concentration of x = 0.004 for this new design of the n-GaAsN Schottky solar cell. The Intermediate Band Solar Cell (IBSC) concept provides a means of obtaining photovoltaic conversion yields greater than the Shockley-Queissar (SQ) efficiency limit for a single junction solar cell by providing a higher photocurrent while maintaining a high output voltage. IBSCs are attractive because of their simplicity of construction compared to multi-junction devices. Among the materials which naturally have an intermediate band, there too, the diluted nitride ternary ‹‹ GaAsN ››. We studied the effect of the parameters of the intermediate band IB of the absorbing material GaAs (Ei (eV) , Ni (cm-3)) and the thickness of the layer absorbing on the output parameters of the IBSC intermediate band solar cell. The design of the cell studied seems promising, the choice of the energetic position and the concentration of the intermediate band implies the choice of the nitrogen fraction (x, N%) of GaAsN. We obtained a maximum conversion efficiency of 21.90% in this preliminary study for IBSC based on GaAsN. For TéraHertz electronics, the simulation and characterization of an SSD type device based on the GaN material was carried out. GaN/AlGaN heterojunction SSDs are inspired by the structure of HEMTs but do not have a grid, only a drain and a source. These are asymmetric nanochannels formed by etching or by isolation in a 2DEG where electronic transport is provided by electrons. They have a completely planar architecture, which make it completely integrable and inexpensive to manufacture. These are promising devices for manufacturing Gunn THz oscillations at room temperature. Using the ATLAS-SILVACO simulator in 2D and 3D, an analysis of the I-V curves in static regime and an evolution of the current in the time domain were carried out with SSDs with channel widths of 80 nm and 150 nm. This was done by paying particular attention to their geometric parameters and the charge density at the surface which are crucial for the transport of electrons. The appearance of Gunn oscillations require a large bias voltage. The 3D simulation results of the I-V characteristics are closer to the experimental results compared to the results of simulation obtained by ATLAS in 2D and the Monté-Carlo simulation. This validates the ATLAS model to 3D configured and opens the way for intense research to find solutions to have Gunn oscillations for low bias voltages. Keywords : photovoltaic, Schottky, IBSC, TéraHertz, SSD, simulation, characterization.