Croissance épitaxiale de silicium par PECVD à partir de SiF4/H2/Ar pour applications photovoltaïques

Epitaxial growth of silicon by PECVD from SiF4/H2/Ar gas mixtures for photovoltaics

• Auteur / Autrice : Ronan Leal
• Direction : Pere Roca i Cabarrocas, Gilles Poulain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/07/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lecoeur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pere Roca i Cabarrocas, Gilles Poulain, Mustapha Lemiti, Abdelilah Slaoui, Stefaan De Wolf, María Recaman-Payo, Lars Overbeck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Lemiti, Abdelilah Slaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Silicium

Photopiles

Mots clés libres

Épitaxie basse température

Émetteur épitaxié

SiF4

Silicium cristallin

Cellule solaire

Low-temperature epitaxy

PECVD

Epitaxial emitter

SiF4

Crystalline silicon,

Solar cell

Résumé

Cette thèse de doctorat évalue le potentiel de la croissance épitaxiale à basse température (200-300°C) par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir de SiF4/H2/Ar pour la formation de l’émetteur dans des cellules solaires de type nPERT. La première partie concerne l’identification et l’optimisation des conditions de dépôt pour réaliser des couches épitaxiées faiblement contraintes avec une interface epi/wafer de bonne qualité. La perte d’épitaxie a également été étudiée et nous avons mis en évidence que la formation de macles au cours de la croissance était responsable de la dégradation de la cristallinité. Ensuite, l’étude des mécanismes de croissance a été menée et l’analyse des phases initiales de croissance a permis d’identifier un mode de croissance de type Volmer-Weber.Les conditions de dépôt ont ensuite été transférées à un réacteur PECVD semi-industriel de 6 pouces. Les problèmes d’homogénéité et de vitesse de croissance ont été abordés par le design d’une nouvelle « shower head » grâce aux simulations d’écoulement du gaz. Des couches épitaxiées dopées bore avec un dopage de type p de 4.1019 cm-3 et une efficacité de dopage jusqu’à 70% ont ainsi été fabriquées à seulement 300°C. La vitesse de croissance dans ces conditions atteint 1.1 Å/s, i.e. 15 fois plus rapide que les premiers résultats obtenus. Enfin, la passivation des couches épitaxiées a été étudiée et un temps de vie de 160 μs a été obtenu sur des couches intrinsèques de 200 nm d’épaisseur passivées avec 10 nm d’oxyde d’aluminium.

This doctoral work aimed to assess the potential of low-temperature (200-300°C) epitaxy by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using SiF4/H2/Ar gas mixtures for the emitter formation in nPERT solar cells. The first part of this PhD thesis concerned the identification and the optimization of the process conditions to perform lowly strained intrinsic epi-layers with a smooth epi/wafer interface. We also investigated the causes of epitaxy breakdown and found out that a twinning-induced mechanism was responsible. Subsequently we focused on the growth mechanisms by studying the initial stages of growth and a Volmer-Weber growth mode has been highlighted. Finally, the process conditions for intrinsic epitaxy were transferred from a researchPECVD reactor to a 6 inch semi-industrial one. Inhomogeneity and growth rate issues have been tackled by fluid dynamics simulations resulting in the design of a new shower head. Boron-doped epi-layers grown at 300°C with an as-deposited hole concentration of 4.1019 cm-3 and a doping efficiency up to 70 % have been achieved keeping a low mosaicity and a low variation of the lattice parameter. The growth rate in these conditions reached 1.1 Å/s, i.e 15 times higher than what obtained at the beginning of this PhD for boron-doped epi-layers. Finally, the passivation of epitaxial layers has been investigated and lifetimes up to 160 μs for a 200 nm thick intrinsic layer passivated with