Eur. Phys. J. AP 3, 9-19 (1998)
https://doi.org/10.1051/epjap:1998198

Étude par spectroscopie d'admittance et MEB de la dégradation électrique des couches minces de CuAlS₂ non dopé déposées sous vide

Équipe Fractals, Fractures & Fiabilité (F.F.F), Laboratoire de Photovoltaïque & Matériaux Semiconducteurs (L.P.M.S)-E.N.I.T, BP 37, 1002 Le Bélvedère, Tunis, Tunisie

Received: 16 December 1996
Revised: 31 July 1997
Revised: 26 February 1998
Accepted: 20 April 1998
Published online: 15 July 1998

Abstract

We have accelerated the ageing of CuAlS₂ by the application of a static electrical field for different degradation times. We have investigated the admittance spectroscopy and the scanning electron microscopy to follow and understand the (mass-charge) coupled transport processes produced in the volume and on the surface of these films. The electrical constraint induces, after an incubation phase, an activated decrease of the resistance, followed by a susbstantial increase correlated to the formation of an open circuit. This degradation occurs more rapidly for the films having initially a lower resistance, due to the thermal dissipation which increases considerably the temperature to about 140 °C. Admittance spectra reveal, at low frequencies, a capacitive loop related to the formation of a charge space induced by copper diffusion. Such migration develop induces the formation of copper arborescences, spreading from the cathode towards the anode. The effect of these structures on the properties of the degraded films is discussed in relation to electromigration and associated processes (whiskers, fracture, healing, bridge-building, ...). Also, we have noticed their similarity with fractal phenomena such as electrodeposition and dielectric breakdown.

Résumé

Nous avons accéléré le vieillissement des couches minces de CuAlS₂ par l'application d'un champ électrique statique pendant des durées variables. Nous avons fait appel à la spectroscopie d'admittance et la microscopie électronique à balayage, pour suivre et comprendre les processus de transport couplé (masse-charge) qui se produisent en volume et en surface de ces couches. L'effet de la contrainte électrique s'est traduit, après une phase d'incubation, par une décroissance activée de la résistance, suivie d'une phase d'emballement reliée à la formation d'un circuit ouvert. Cette fracturation se manifeste plus rapidement pour les couches ayant initialement une faible résistance, suite à l'effet de la dissipation thermique qui peut augmenter notablement leur température (140 °C). Les spectres d'admittance révèlent, vers les basses fréquences, une boucle capacitive reliée à la formation d'une charge d'espace induite par la diffusion du cuivre. Une telle migration développe, sur la surface depuis la cathode, des arborescences de cuivre orientées vers l'anode. L'effet de ces structures sur les propriétés des couches dégradées a été discuté en mettant en cause le phénomène d'électromigration et ses mécanismes associés (whiskers, fracture, "healing", pontage, ...). De même, nous avons noté leur similarité avec des phénomènes fractals tels que l'électrodéposition ou le claquage diélectrique.