Cellules multispectrales III-V sur Silicium cristallin : développement d'étapes technologiques et de caractérisations en vue de la réalisation d’un démonstrateur de cellule tandem (Al)GaAs/Si

Multispectral III-V cells on crystalline silicon : development of technological and characterisation steps towards the realisation of an (Al)GaAs/Si tandem cell demonstrator

• Auteur / Autrice : Guillaume Chau
• Direction : Denis Mencaraglia
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 19/11/2018; Soutenance le 05/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)

Mots clés

Mots clés libres

(Al)GaAs sur Si

Dopage résiduel

Rapport V/III

Hétéroépitaxie

Homoépitaxie

Micro-photoluminescence

(Al)GaAs on Si

Residual Doping

Ratio V/III

Heteroepitaxy

Homoepitaxy

Micro-Photoluminescence

Résumé

L’objectif de cette thèse est de développer les différentes étapes technologiques pour la réalisation d’un démonstrateur de cellule tandem (Al)GaAs/Si, ainsi que les caractérisations associées. L’idée est de proposer un démonstrateur de cellule solaire photovoltaïque, pour des applications terrestres, présentant un haut rendement pour un coût raisonnable. L’intégration de cellules solaires (Al)GaAs sur substrat de Si est une voie prometteuse car elle permet d’allier les rendements de conversion élevés des matériaux III-V avec le faible coût du Si. Pour ce faire, je me suis intéressé à l’optimisation d’un procédé spécifique permettant l’intégration sans défauts de matériaux III-V (AlGaAs) sur substrat Si. Ce travail s’inscrit dans la continuité des études réalisées par les laboratoires GeePs et C2N (équipe SEEDs) qui ont permis de démontrer l’intégration épitaxiale de microcristaux (µ-cristaux) de GaAs parfaitement relaxés sur substrat de Si(100) et Si(111). Mon travail a consisté plus particulièrement à étudier le dopage résiduel dans les µ-cristaux de GaAs en explorant une voie pour son contrôle et à étendre ce concept d’intégration à l’AlGaAs. Ainsi, un des objectifs de cette thèse était de diminuer le dopage de type P non intentionnel présent dans les µ-cristaux de GaAs, en étudiant l’effet de la variation du rapport V/III, défini comme le rapport des débits des précurseurs gazeux de l’As (le TBAs) et du Ga (le TMGa). Ce dopage de type P est provoqué par l’incorporation non intentionnelle d’atomes de carbone liée à une décomposition incomplète du précurseur de TMGa lors de la croissance. L’augmentation du rapport V/III doit permettre de diminuer cette incorporation de C en augmentant la production d’atomes d’hydrogène facilitant ainsi la décomposition complète de cette molécule. Pour ce faire, nous avons commencé par étudier l’évolution du dopage des µ-cristaux de GaAs/Si en fonction du rapport V/III grâce à des mesures de µ-photoluminescence (µ-PL). Les premiers résultats semblaient indiquer une diminution du dopage de type P des µ-cristaux. Cependant, nous avons observé qu’un phénomène de piégeage optique, dû à la taille micrométrique des cristaux, influençait les mesures de µ-PL. Afin d’éviter cet effet de taille, nous avons réalisé l’étude sur des homoépitaxies de GaAs sur des substrats GaAs(110). Nous avons choisi cette orientation peu usitée de substrat afin de réaliser les homoépitaxies dans les conditions de croissance les plus proches possibles de celles des hétéroépitaxies des µ-cristaux. Une étude de µ-PL en fonction de la température de mesure sur ces homoépitaxies nous a permis de montrer que l’augmentation du rapport V/III dans la gamme étudiée, conduisait malgré tout à une concentration de dopants élevée (de l’ordre de 1018 cm-3). En perspective de ce travail, nous avons proposé une approche alternative pour contrôler le dopage résiduel. Nous avons aussi pu mettre au point un procédé technologique permettant de réaliser l’étude de l'ohmicité de contacts métalliques avec GaAs, préfigurant le contact supérieur de la cellule tandem. Le procédé de réalisation par lithographie laser a été validé, et les premiers tests ont été menés pour étudier le contact ITO/GaAs. À cette fin, un banc de mesure a été actualisé et amélioré pour permettre d’étudier l’évolution avec la température de la résistance d’un contact métallique avec GaAs. Un autre objectif de cette thèse était d’étendre ce concept de croissance à l’épitaxie de µ-cristaux d’AlGaAs sur Si. Les premiers résultats valident la preuve de concept pour la croissance d’AlGaAs sur Si par ce procédé d’intégration, avec des compositions d’Al proches de 18%, concentration à viser pour l’optimisation d’un tandem AlGaAs/Si. Ces résultats prometteurs permettent à cette technique d’intégration d’ouvrir la voie à des dispositifs hybrides III-V/Si exempts de restrictions de paramètre de maille, et où le silicium se comporte à la fois comme un substrat et un matériau actif.

The purpose of this thesis is to develop the different technological steps for the realisation of a tandem (Al)GaAs/Si cell demonstrator, and the associated characterisations. The aim is to propose a demonstrator of photovoltaic solar cells with high efficiency at a reasonable cost, for terrestrial applications. The integration of (Al)GaAs solar cells on Si substrate is a promising way to combine the high conversion efficiencies of III-V materials with the low cost of Si. In order to do this, we investigated the optimisation of a specific process allowing defect-free integration of III-V materials (AlGaAs) on Si substrate. This work is in line with the studies carried out by the GeePs and C2N laboratories (SEEDs team), which have demonstrated the epitaxial integration of perfectly relaxed GaAs microcrystals (µ-crystals) on Si(100) and Si(111) substrates. My work consisted more particularly in studying the residual doping in GaAs µ-crystals by exploring a way to control it and to extend this integration concept to AlGaAs. Thus, one of the objectives of this thesis was to decrease the unintentional P-type doping present in GaAs µ-crystals, by studying the effect of the variation of the V/III ratio, defined as the ratio of the gaseous precursors of As (TBAs) and Ga (TMGa). This P-type doping is caused by the unintentional incorporation of carbon atoms due to incomplete decomposition of the TMGa precursor during growth. The increase of the V/III ratio should reduce this incorporation of C by increasing the production of hydrogen atoms, thus facilitating the complete decomposition of this molecule. To that end, we began by studying the evolution of the doping of GaAs/Si µ-crystals as a function of the V/III ratio using µ-photoluminescence (µ-PL) measurements. The first results seemed to indicate a decrease in the P-type doping of the µ-crystals. However, we observed that an optical trapping phenomenon, due to the micrometric size of the crystals, influenced the µ-PL measurements. In order to avoid this size effect, we carried out the study on GaAs homoepitaxy on GaAs(110) substrates. We chose this unusual substrate orientation in order to perform the homoepitaxy under growth conditions as close as possible to those of µ-crystal GaAs heteroepitaxy on Si. A study of µ-PL as a function of the measurement temperature on these homoepitaxies showed that increasing the V/III ratio (in the range studied), still led to a high dopant concentration (in the order of 1018 cm-3). In view of this work, we proposed an alternative approach to control the residual doping. I were also able to develop a technological process for studying the ohmicity of metal contacts with GaAs, prefiguring the top contact of the tandem cell. The laser lithography process was validated, and the first tests were carried out to study the ITO/GaAs contact. To this end, a measurement bench was updated and improved to study the evolution of the metallic contact with the resistance of GaAs with temperature. Another goal of this thesis was to extend this growth concept to the epitaxy of µ-crystals of AlGaAs on Si. The first results validate the proof of concept for the growth of AlGaAs on Si by this integration process, with Al compositions close to 18%, a concentration to be aimed at for the optimisation of an AlGaAs/Si tandem. These promising results allow this integration technique to pave the way for III-V/Si hybrid devices free of lattice parameter restrictions, and where silicon behaves as both a substrate and an active material.