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CHAPITRE IV : Cartographie de la durée de vie et du dopage par imagerie de photoluminescence
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Chapitre IV
Cartographie de la durée de vie et du
dopage par imagerie de photoluminescence

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CHAPITRE IV : Cartographie de la durée de vie et du dopage par imagerie de photoluminescence
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I. INTRODUCTION
La durée de vie des porteurs est un paramètre électronique très important, d’une part
pour évaluer la qualité cristalline des semiconducteurs et d’autre part pour déterminer le
comportement des composants électroniques, notamment dans le cas de composants
bipolaires. Dans le carbure de silicium cette durée de vie est courte (de l’ordre de la µs pour
les meilleurs échantillons) on comparaison de celle dans le silicium (de l’ordre de la ms).
Ceci est du à une concentration importante impuretés et en défauts intrinsèques qui agissent
comme des pièges pour les porteurs ou comme des centres recombinants. La cartographie de
ce paramètre sur plaque entière présente donc un double intérêt : premièrement l’analyse de
l’homogénéité du paramètre qui peut être mise en corrélation avec les résultats électriques sur
les composants, deuxièmement l’analyse de la répartition spatiale des défauts tueurs de durée
de vie qui peut être corrélée aux conditions de croissance.
Le dopage du semi-conducteur peut aussi être déterminé quantitativement par
l’analyse du signale de photoluminescence. L’homogénéité de ce paramètre reste à l’heure
actuelle difficile à maîtriser lors de la croissance cristalline ainsi qu’en CVD, en particulier
pour les réacteurs horizontaux.
Dans ce chapitre, nous présentons le principe de la détermination cartographique de la
durée de vie effective des porteurs et du dopage. Le principe de cette technique est fondé sur
les mesures de l’intensité de photoluminescence à différents niveaux d’excitation.
La résolution de l’équation de diffusion ambipolaire va nous permettre de déterminer la
distribution des porteurs excédentaires dans le volume et d’établir, par la suite, la relation
entre l’intensité de photoluminescence et l’intensité d’excitation dans le cas d’un substrat et
d’une couche épitaxiale. Dans chaque cas, cette relation contient un terme linéaire, qui
dépend à la fois de la durée de vie et du dopage, et un terme quadratique, contrôlé
essentiellement par la durée de vie. Ainsi, par comparaison de ces deux termes avec les
variations mesurées de l’intensité de PL en fonction de l’intensité d’excitation, nous obtenons
les valeurs de la durée de vie effective des porteurs et du dopage en chaque point de la surface
de l’échantillon.

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II. CALCUL DE L’INTENSITE DE PHOTOLUMINESCENCE
II.1. Signal de photoluminescence
Sous une excitation locale avec des photons ayant une énergie supérieure à l’énergie
du gap du matériau, l’intensité du flux photonique décroît exponentiellement avec la distance
parcourue (~ e
-z
) où  est le coefficient d’absorption et z est la distance par rapport à la
surface éclairée (loi de Lambert-Beer). L’absorption de ces photons induit des transitions
électroniques entre la bande de valence et la bande de conduction ce qui conduit à la
génération des électrons et des trous excédentaires. Le taux de génération optique des
porteurs, par unité de volume et de temps, s’écrit sous la forme :
()
z
0
eIr1
1
(z)G
−
⋅⋅⋅−⋅= (IV. 1)
où :
G(z) est le taux de génération des paires électron-trou à une profondeur z de la surface
(s
-1
cm
-3
) ;
z est la profondeur par rapport à la surface (cm) ;
r est le coefficient de réflexion pour la longueur d’onde d’excitation ;
I
o
est la flux de photons d’excitation à la surface (photons .s
-1
) ;
 est la surface d’excitation (cm
2
).
Les porteurs excédentaires ainsi générés peuvent se recombiner à la fois d’une
manière radiative et non-radiative. La recombinaison radiative constitue le signal de
photoluminescence.
A température ambiante, le signal de photoluminescence est généralement dû à la
recombinaison radiative bande à bande des électrons et des trous[1]. Le nombre de photons
ainsi générés est donc proportionnel, en régime stationnaire, au produit des nombres de
porteurs présents dans les bandes de conduction et de valence. L’expression de l’intensité du
signal de PL détectée, dans le cas de l’approximation d’une diffusion unidimensionnelle des
porteurs, est donnée par :

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[][]
dzp(z)Pn(z)NBCI
1
2
z
z
rPL
++⋅⋅⋅= ∫ (IV. 2.a)
où :
I
PL
est l’intensité de PL détectée (photons.s
-1
) ;
C est le coefficient de collection calculé pour l’appareil de mesure (chapitre II) ;
B
r
est le coefficient de recombinaison radiative (cm
-3
.s
-1
). Ce coefficient est spécifique
pour chaque semi-conducteur et exprime la probabilité d’une recombinaison
radiative ;
z est la profondeur (cm) ;
z
1
et z
2
sont les limites respectivement inférieure et supérieure de la profondeur de la
couche dont provient la photoluminescence (cm).
N et P sont, respectivement, les concentrations de dopage type n et type p et donc les
densités des électrons et des trous en équilibre thermodynamique à température
ambiante (cm
-3
) ;
n(z) et p(z) sont, respectivement, les concentrations des électrons et des trous
excédentaires (cm
-3
) ;
 est la surface excitée (cm
2
).
En tenant compte de la relation d’électro-neutralité (n = p) et en négligeant le terme N.P,
qui est égale à n
i2
, devant les autres termes, la relation (IV.2.a) devient dans le cas d’un
matériau type n :
[]
dzn(z)Nn(z)BCI
1
2
z
z
rPL
∫+⋅⋅⋅= (IV.2.b)
II.2. Différents mécanismes de recombinaison
II.2.1. Recombinaison radiative