Brevet FR3129733A1 — publié le 20230602

Dispositif et procédé de caractérisation d’un matériau semiconducteur La présente description concerne un système (200) de caractérisation d’un semiconducteur par mesure de photo-tension de surface comprenant : - une sonde de Kelvin (210) comprenant à une première extrémité une plaque conductrice adaptée à être en regard d’une surface d’un échantillon (10) de semiconducteur ; - un circuit électrique (202) relié à une autre extrémité de la sonde et adapté à relier la sonde à l’échantillon ; - un générateur (230) de signal d’excitation (P) adapté à exciter le semiconducteur ; - un générateur de vibration (240) adapté à appliquer à la plaque un mouvement d’oscillation orthogonalement à la surface de l’échantillon ; - une unité de commande (224) du générateur de vibration adaptée à générer un signal de commande (V OSC ) de vibration ; - un générateur (230) de signal de modulation (S) adapté à moduler le signal de commande et former un signal de commande modulé (V MOD ) destiné au générateur de vibration ; le signal de modulation étant déphasé par rapport au signal d’excitation ; et - un moyen de détermination d’une valeur (V KP ) de tension de polarisation entre la sonde et l’échantillon, ladite valeur étant déterminée sur la base d’un courant (I KP ) généré dans le circuit électrique par l’oscillation de la plaque, et permettant de déterminer une valeur de photo-tension de surface. Figure pour l'abrégé : Fig. 2B Dispositif et procédé de caractérisation d’un matériau semiconducteur La présente description concerne de façon générale la caractérisation des défauts dans un matériau semiconducteur, et en particulier, la caractérisation par photo-tension de surface. La présence de défauts dans un matériau semiconducteur d’un composant peut provoquer une diminution des performances du composant, par exemple des performances électriques. Cela peut concerner par exemple une cellule solaire, un photodétecteur, un transistor, une diode électroluminescente (light-emitting diode, LED). Il est donc généralement recherché la détection et/ou la caractérisation de ces défauts. La détection et/ou caractérisation des défauts dans un matériau semiconducteur peut s’effectuer suivant différentes techniques. On s’intéresse dans la présente description à la technique dite de mesure de photo-tension de surface, également connue sous le terme "surface photovoltage" en anglais (SPV). La méthode SPV consiste à déterminer la variation du potentiel de surface d’un matériau semiconducteur dans une configuration sous illumination par rapport à une configuration dans l’obscurité, et inversement. Cette variation de potentiel de surface, que l’on peut désigner par "paramètre SPV", dépend notamment des défauts de surface du matériau semiconducteur. Ainsi, la détermination du paramètre SPV peut renseigner sur les défauts du matériau semiconducteur mesuré. Il est en particulier recherché la détermination de la dynamique de variation du paramètre SPV, ou dynamique de photo-tension de surface, que l’on peut désigner par "dynamique de SPV" ou "dynamique SPV", notamment la dynamique de photo-tension de surface entre la configuration sous illumination et la configuration dans l’obscurité, et inversement, pour mieux détecter et caractériser des défauts dans un matériau semiconducteur. Il existe un besoin d’une technique de caractérisation adapté à déterminer une dynamique de photo-tension de surface. Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des techniques de caractérisation par mesure de photo-tension de surface connues. Un mode de réalisation prévoit un système de caractérisation d’un semiconducteur par mesure de photo-tension de surface, le système comprenant : - une sonde de Kelvin comprenant à une première extrémité une plaque électriquement conductrice adaptée à être disposée en regard d’une première surface d’un échantillon de semiconducteur ; - un circuit électrique relié à une autre extrémité de la sonde et adapté à relier électriquement ladite sonde à l’échantillon ; - un générateur de signal d’excitation adapté à exciter le semiconducteur ; - un générateur de vibration adapté à appliquer à la plaque un mouvement d’oscillation selon une direction sensiblement orthogonale à la première surface de l’échantillon ; - une unité de commande du générateur de vibration adaptée à générer un signal de commande de vibration ; - un générateur de signal de modulation adapté à moduler le signal de commande de vibration de manière à former un signal de commande modulé destiné à être envoyé au générateur de vibration ; le signal de modulation étant déphasé, d’une valeur de déphasage, par rapport au signal d’excitation ; et - un moyen de détermination d’une valeur de tension de polarisation entre la sonde de Kelvin et l’échantillon, ladite valeur étant déterminée sur la base d’un courant généré dans le circuit électrique par l’oscillation de la plaque, et ladite valeur permettant de déterminer une valeur de photo-tension de surface du semiconducteur, pour la valeur de déphasage. Selon un mode de réalisation, le système comprend un générateur de tension adapté à générer la tension de polarisation entre la sonde de Kelvin et l’échantillon. Selon un mode de réalisation, le moyen de détermination comprend une boucle de rétroaction avec en entrée le courant, et en sortie la valeur de tension de polarisation qui permet de réduire le courant, par exemple d’annuler ledit courant. Selon un mode de réalisation, le système comprend un multiplicateur de tension configuré pour multiplier le signal de commande de vibration par le signal de modulation. Selon un mode de réalisation, le système comprend un moyen de réglage du déphasage du signal de modulation par rapport au signal d’excitation, configuré pour appliquer plusieurs valeurs de déphasage entre ledit signal de modulation et ledit signal d’excitation ; le moyen de détermination étant adapté à déterminer, pour chaque valeur de déphasage, une valeur de tension de polarisation sur la base du courant généré dans le circuit électrique par l’oscillation de la plaque, chaque valeur de tension de polarisation déterminée permettant de déterminer une valeur de photo-tension de surface du semiconducteur. Selon un mode de réalisation, le moyen de réglage du déphasage du signal de modulation par rapport au signal d’excitation comprend un retardateur. Selon un mode de réalisation, la plaque s’étend selon un plan principal destiné à être disposé en regard de la première surface de l’échantillon, les dimensions de la plaque dans ledit plan principal étant supérieures ou égales à 15 micromètres. Un mode de réalisation prévoit un procédé de caractérisation d’un semiconducteur par mesure de photo-tension de surface, le procédé mettant en œuvre un système de caractérisation selon un mode de réalisation, et comprenant : - disposer la plaque électriquement conductrice en regard d’une première surface d’un échantillon de semiconducteur, et relier l’autre extrémité de la sonde à l’échantillon par le circuit électrique ; - générer un signal d’excitation à l’aide du générateur de signal d’excitation, de manière à exciter le matériau semiconducteur ; - générer un signal de commande de vibration à l’aide de l’unité de commande ; - générer un signal de modulation à l’aide du générateur de signal de modulation, et moduler le signal de commande de vibration par le signal de modulation de manière à générer un signal de commande modulé ; le signal de modulation étant déphasé d’une valeur de déphasage par rapport au signal d’excitation ; - générer, à l’aide du générateur de vibration commandé par le signal de commande modulé, un mouvement d’oscillation de la plaque selon une direction sensiblement orthogonale à la première surface de l’échantillon ; - déterminer une valeur de tension de polarisation entre la sonde de Kelvin et l’échantillon sur la base d’un courant généré dans le circuit électrique par l’oscillation de la plaque ; et - déterminer une valeur de photo-tension de surface sur la base de la valeur déterminée de tension de polarisation, pour la valeur de déphasage. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre : - générer la tension de polarisation entre la sonde de Kelvin et l’échantillon, pour la détermination de la valeur de tension de polarisation. Selon un mode de réalisation, la valeur de tension de polarisation est déterminée à l’aide d’une boucle de rétroaction avec en entrée le courant, ladite valeur de tension de polarisation étant sélectionnée pour réduire le courant, par exemple annuler ledit courant. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend : - régler plusieurs valeurs de déphasage du signal de modulation par rapport au signal d’excitation ; - déterminer, pour chaque valeur de déphasage, une valeur de tension de polarisation sur la base du courant généré dans le circuit électrique par l’oscillation de la plaque ; et - déterminer une valeur de photo-tension de surface sur la base de chaque valeur déterminée de tension de polarisation ; le nombre de valeurs de déphasages étant par exemple adapté à déterminer une dynamique de photo-tension de surface dans le temps. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre : - déposer préalablement sur la première surface de l’échantillon du semiconducteur des charges négatives ou positives ; la valeur de photo-tension de surface étant déterminée en fonction du dépôt de charges réalisé. Selon un mode de réalisation, la tension de polarisation est une tension continue. Selon un mode de réalisation, le signal de commande de vibration est une tension alternative. Selon un mode de réalisation, le signal de modulation comprend des impulsions, par exemple des impulsions de tension. Selon un mode de réalisation, le signal d’excitation est un signal Laser, un signal électrique ou un signal magnétique, par exemple sous forme d’impulsions. Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la représente schématiquement un exemple de système de caractérisation d’un matériau semiconducteur par une technique dite "KPFM" ; la représente schématiquement un exemple de système de caractérisation d’un matériau semiconducteur par une technique dite "pp-KPFM" ; la représente schématiquement un système de caractérisation d’un matériau semiconducteur selon un mode de réalisation ; la représente schématiquement sous forme de blocs le système de caractérisation de la ; la illustre un procédé de caractérisation d’un matériau semiconducteur selon un mode de réalisation ; et la illustre un procédé de caractérisation d’un matériau semiconducteur selon un autre mode de réalisation. Système (200) de caractérisation d’un semiconducteur par mesure de photo-tension de surface, le système comprenant : - une sonde de Kelvin (210) comprenant à une première extrémité une plaque (212) électriquement conductrice adaptée à être disposée en regard d’une première surface d’un échantillon (10) de semiconducteur ; - un circuit électrique (202) relié à une autre extrémité de la sonde et adapté à relier électriquement ladite sonde à l’échantillon ; - un générateur (230) de signal d’excitation (P) adapté à exciter le semiconducteur ; - un générateur de vibration (240) adapté à appliquer à la plaque un mouvement d’oscillation selon une direction sensiblement orthogonale à la première surface de l’échantillon ; - une unité de commande (224) du générateur de vibration adaptée à générer un signal de commande (V OSC ) de vibration ; - un générateur (230) de signal de modulation (S) adapté à moduler le signal de commande (V OSC ) de manière à former un signal de commande modulé (V MOD ) destiné à être envoyé au générateur de vibration (240) ; le signal de modulation étant déphasé, d’une valeur de déphasage, par rapport au signal d’excitation ; et - un moyen de détermination d’une valeur (V KP ) de tension de polarisation (V DC ) entre la sonde de Kelvin et l’échantillon, ladite valeur étant déterminée sur la base d’un courant (I KP ) généré dans le circuit électrique (202) par l’oscillation de la plaque (212), et ladite valeur permettant de déterminer une valeur de photo-tension de surface (SPV) du semiconducteur, pour la valeur de déphasage. Système (200) selon la revendication 1, comprenant un générateur de tension (226) adapté à générer la tension de polarisation (V DC ) entre la sonde de Kelvin et l’échantillon. Système (200) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen de détermination comprend une boucle de rétroaction (222) avec en entrée le courant (I KP ), et en sortie la valeur (V KP ) de tension de polarisation qui permet de réduire le courant (I KP ), par exemple d’annuler ledit courant. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un multiplicateur de tension (250) configuré pour multiplier le signal de commande (V OSC ) de vibration par le signal de modulation (S). Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant un moyen de réglage du déphasage du signal de modulation (S) par rapport au signal d’excitation (P), configuré pour appliquer plusieurs valeurs de déphasage entre ledit signal de modulation et ledit signal d’excitation ; le moyen de détermination étant adapté à déterminer, pour chaque valeur de déphasage, une valeur (V KP ) de tension de polarisation (V DC ) sur la base du courant (I KP ) généré dans le circuit électrique (202) par l’oscillation de la plaque (212), chaque valeur de tension de polarisation déterminée permettant de déterminer une valeur de photo-tension de surface (SPV) du semiconducteur. Système selon la revendication 5, dans lequel le moyen de réglage du déphasage du signal de modulation (S) par rapport au signal d’excitation (P) comprend un retardateur. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la plaque (212) s’étend selon un plan principal destiné à être disposé en regard de la première surface de l’échantillon (10), les dimensions de la plaque dans ledit plan principal étant supérieures ou égales à 15 micromètres. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la tension de polarisation (V DC ) est une tension continue. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le signal de commande (V OSC ) de vibration est une tension alternative. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le signal de modulation (S) comprend des impulsions, par exemple des impulsions de tension. Système (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le signal d’excitation (P) est un signal Laser, un signal électrique ou un signal magnétique, par exemple sous forme d’impulsions. Procédé de caractérisation d’un semiconducteur par mesure de photo-tension de surface, le procédé mettant en œuvre un système de caractérisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, et comprenant : - disposer la plaque (212) électriquement conductrice en regard d’une première surface d’un échantillon (10) de semiconducteur, et relier l’autre extrémité de la sonde à l’échantillon par le circuit électrique (202) ; - générer un signal d’excitation (P) à l’aide du générateur (230) de signal d’excitation, de manière à exciter le matériau semiconducteur ; - générer un signal de commande (V OSC ) de vibration à l’aide de l’unité de commande (224) ; - générer un signal de modulation (S) à l’aide du générateur (230) de signal de modulation, et moduler le signal de commande (V OSC ) de vibration par le signal de modulation (S) de manière à générer un signal de commande modulé (V MOD ) ; le signal de modulation étant déphasé d’une valeur de déphasage par rapport au signal d’excitation ; - générer, à l’aide du générateur de vibration (240) commandé par le signal de commande modulé (V MOD ), un mouvement d’oscillation de la plaque (212) selon une direction sensiblement orthogonale à la première surface de l’échantillon ; - déterminer une valeur (V KP ) de tension de polarisation (V DC ) entre la sonde de Kelvin et l’échantillon sur la base d’un courant (I KP ) généré dans le circuit électrique (202) par l’oscillation de la plaque (212) ; et - déterminer une valeur de photo-tension de surface (SPV) sur la base de la valeur (V KP ) déterminée de tension de polarisation, pour la valeur de déphasage. Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre : - générer la tension de polarisation (V DC ) entre la sonde de Kelvin et l’échantillon, pour la détermination de la valeur (V KP ) de tension de polarisation. Procédé selon la revendication 12 ou 13, dans lequel la valeur (V KP ) de tension de polarisation est déterminée à l’aide d’une boucle de rétroaction (222) avec en entrée le courant (I KP ), ladite valeur de tension de polarisation étant sélectionnée pour réduire le courant (I KP ), par exemple annuler ledit courant. Procédé selon l’une des revendications 12 à 14, comprenant : - régler plusieurs valeurs de déphasage du signal de modulation (S) par rapport au signal d’excitation (P) ; - déterminer, pour chaque valeur de déphasage, une valeur (V KP ) de tension de polarisation sur la base du courant (I KP ) généré dans le circuit électrique (202) par l’oscillation de la plaque (212) ; et - déterminer une valeur de photo-tension de surface (SPV) sur la base de chaque valeur (V KP ) déterminée de tension de polarisation ; le nombre de valeurs de déphasages étant par exemple adapté à déterminer une dynamique de photo-tension de surface dans le temps. Procédé selon l’une des revendications 12 à 15, comprenant en outre : - déposer préalablement sur la première surface de l’échantillon (10) du semiconducteur des charges négatives ou positives ; la valeur de photo-tension de surface (SPV) étant déterminée en fonction du dépôt de charges réalisé. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel la tension de polarisation (V DC ) est une tension continue. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, dans lequel le signal de commande (V OSC ) de vibration est une tension alternative. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 18, dans lequel le signal de modulation (S) comprend des impulsions, par exemple des impulsions de tension. Procédé selon l’une quelconque des revendications 12 à 19, dans lequel le signal d’excitation (P) est un signal Laser, un signal électrique ou un signal magnétique, par exemple sous forme d’impulsions.