| Titre : | Design of a photodiode based on NiO/ZnO heterojunction |
| Auteurs : | Hadjer Hakkoum, Auteur ; Toufik Tibermacine, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | Biskra [Algérie] : Faculté des Sciences Exactes et des Sciences de la Nature et de la Vie, Université Mohamed Khider, 2022 |
| Format : | 1 vol. (122 p.) / couv. ill. en coul / 30 cm |
| Langues: | Anglais |
| Résumé : |
The recent interest in applications of ultraviolet photodiodes based on Nickel Oxide/ Zinc Oxide (NiO/ZnO) heterojunction heightens the need for more developments. One of the greatest challenges was to indicate which factors control the performance of these devices. Therefore, this research is based on three studies. In the first study, we managed to get the effect of the source solution quantity on structural and optical characteristics of ZnO and NiO thin films grown by spray pyrolysis for the design of NiO/ ZnO photodiodes. We assumed that increasing the film thickness reduces the defects and results in less recombination through higher crystallinity which enhances the photodetection. In the second study, we fabricated a NiO/ZnO junction by spray pyrolysis with optimum conditions. We performed a simulation to clarify the effects of heterojunction behavior and interface trap on the performance of NiO/ZnO photodiodes. The origin of current has been attributed to the tunneling, thermionic emission in the interface and due interface traps SRH generation and recombination controlling the carrier transport at the heterojunction. As a third study, the radio frequency sputtering technique was used to deposit NiO and ZnO thin films to form NiO/ZnO heterojunction in oxygen flow absence conditions. We found that the NiO/ZnO heterojunction has a semi-transparency in the visible range which makes this heterojunction suitable for broadband photodetection applications. This study demonstrates that NiO/ZnO heterojunction could play an important role in many applications such as broadband photodetection (ultraviolet and visible ranges), partial transparent optoelectronic devices and solar cells. These studies imply that using the crystal structure as desired has always been the key to designing and targeting high-quality heterojunctions. These results have allowed us to identify key parameters useful for the optimization of NiO/ZnO photodiodes, as well as to give realistic estimates of the performances of such UV devices |
| Sommaire : |
CONTENTS Acknowledgement ii Dedication iii Abstract iv Résumé v Pl› vi List of Figures xi List of Tables xv INTRODUCTION 1 1 An overview of Nickel oxide and Zinc oxide 5 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Presentation of TCOs studied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Nickel oxide thin film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.1 NiO properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.1.1 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.1.2 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.2 Doping of NiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Zinc oxide thin film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4.1 ZnO properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4.1.1 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4.1.2 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4.2 Doping of ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 vii2 Fundamentals of photodiode 15 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 History of photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Photodiode operation principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Types of photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.1 PN junction photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.2 PIN junction photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.3 Schottky photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.4 Avalanche photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 Characteristics of photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.1 Current versus Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.2 Quantum efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5.3 Responsivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5.4 Spectral Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.5 Response Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6 Application of photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3 NiO/ZnO Heterojunction Photodiode 26 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Heterojunction types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 NiO/ZnO band diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4 Application of NiO/ZnO heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 Review of NiO/ZnO heterojunction photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4 Experimental Details 39 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Deposition Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.1 Spray pyrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2.2 Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3 Characterization techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.1 Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.2 X-ray diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.3.3 Scanning Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.4 UV-VIS spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 viii5 Simulation details 50 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.2 ATLAS commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3.1 Basic carrier transport equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3.2 Carrier recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3.3 Thermionic emission and tunneling transport models . . . . . . . . . . . . . 56 5.4 Carrier generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.5 Design process of NiO/ZnO heterojunction photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6 Results and discussion 58 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Effect of the source solution quantity on ZnO and NiO thin films . . . . . . . . . . 59 6.2.1 Structural properties of NiO and ZnO thin films . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.2.2 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.2.1 Transmittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.2.2 Reflectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.2.3 Absorption coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.2.2.4 Extraction of optical bandgap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.2.2.5 Refractive Index and Extinction coefficient . . . . . . . . . . . . 65 6.3 Effect of material properties on design of a NiO/ZnO heterojunction photodiode . . . 67 6.3.1 Device structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.3.2 Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.3.3 Optical response characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.3.4 Simulation of the effects of ZnO and NiO defects on the performance of NiO/ ZnO photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.3.4.1 Defects in NiO bulk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.3.4.2 Defects in ZnO bulk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.4 NiO/ZnO heterojunction fabrication and characterization . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.4.1 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.4.2 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Morphology properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Study of NiO/ZnO heterojunction interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 NiO/ZnO heterojunction behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 ix6.5.2 Modeling J-V characteristics of the photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.5.2.1 Photocurrent modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.5.3 Modeling of the interface traps parameters effect . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.5.3.1 Trap density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.5.3.2 Electron cross-section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.5.3.3 Acceptor trap density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.5.3.4 Donor trap density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.6 Semi-transparent NiO/ZnO heterojunction growth and characterization . . . . . . . . 93 6.6.1 Structural properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.6.2 Morphology properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.6.3 Optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.6.4 Influence of oxygen flow on optical properties of NiO thin film . . . . . . . 97 6.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Conclusion 106 Bibliography 110 A Publications and Conferences 122 |
| En ligne : | http://thesis.univ-biskra.dz/5679/1/Hadjer%20Hakkoum%20Thesis.pdf |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut |
|---|---|---|---|
| TPHY/117 | Théses de doctorat | bibliothèque sciences exactes | Consultable |
