FR2964252A1 - Procede de realisation d'une structure a emetteur selectif - Google Patents

Procede de realisation d'une structure a emetteur selectif Download PDF

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Abstract

Une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) comporte un substrat en silicium (10), une couche semi-conductrice dopée (12) formée sur le substrat (10), et une région semi-conductrice dopée (20) formée au travers de la couche semi-conductrice (12) et dans le substrat (10), la région semi-conductrice (20) étant du même type de conductivité que la couche semi-conductrice (12) et ayant une concentration en dopants supérieure à celle de la couche semi-conductrice (12). Le procédé selon l'invention consiste : ▪ à réaliser une diffusion de phosphore sur une face libre du substrat, de manière à créer une couche semi-conductrice temporaire dopée (30) de concentration en dopants inférieure à celle de la couche semi-conductrice (12) et recouverte d'une couche d'oxyde de phosphore (31); ▪ à retirer la couche d'oxyde de phosphore en dehors d'une zone résiduelle (32) sous laquelle la région semi-conductrice (20) est destinée à être formée ; et ▪ appliquer une énergie thermique sur la face du substrat (34) comportant la couche semi-conductrice temporaire (30) et la zone résiduelle (32) de manière à former simultanément la couche (12) et la région (20) semi-conductrices.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UNE STRUCTURE A EMETTEUR SELECTIF DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la réalisation d'une structure à émetteur sélectif et s'applique particulièrement à la fabrication d'une cellule photovoltaïque présentant une telle structure.
ETAT DE LA TECHNIQUE Schématiquement, une cellule photovoltaïque comporte un substrat en silicium dopé P recouvert d'une couche dopée N en silicium, formant ainsi une jonction PN pour la collecte des photoporteurs générés par l'illumination de la cellule. La couche N est par ailleurs recouverte d'une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, et des contacts électriques sont prévus dans celle-ci pour la collecte du courant généré.
Ainsi donc, la couche N doit, d'une part, présenter un bon contact ohmique avec les contacts électriques, et d'autre part avoir une faible concentration en dopants pour faciliter la passivation au moyen de la couche antireflet et pour réduire les recombinaisons Auger qui sont liées à un fort taux de dopage.
Aussi, il n'est pas possible d'obtenir ces caractéristiques avec une unique concentration en dopant pour la couche N. Il est donc usuellement prévu une couche N de faible dopage dans laquelle sont formées des régions de fort dopage. Les zones de faible dopage permettent ainsi une passivation facilitée par la couche antireflet et une réduction des recombinaisons Auger, et les régions de fort dopage sont connectées aux contacts électriques avec lesquels elles présentent un bon contact ohmique. Une telle structure est communément nommée « émetteur sélectif ».
Les figures lA et lB sont des vues en coupe illustrant un premier procédé de fabrication d'un émetteur sélectif de cellule photovoltaïque selon l'état antérieur de la technique.
Le procédé comporte la formation, sur une face d'un substrat en silicium 10 dopé P, d'une couche de silicium dopée N 12. Cette couche N 12 est classiquement réalisée par la technique dite de « diffusion POC13 », qui consiste à chauffer le substrat sous une atmosphère comprenant du phosphore, par exemple de l'oxytrichlorure de phosphore POC13, de manière à faire diffuser le phosphore dans le substrat et créer ainsi la couche dopée N 12 et simultanément créer à la surface une couche d'oxyde de phosphore 14 nommée «PSG » (pour l'expression anglo-saxonne « Phospho Silicate Glass »).
La diffusion POCL3 est bien connue de l'état de la technique, et on pourra par exemple se référer pour plus de détails sur celle-ci au document de Stephan Peters, «Industrial diffusion of phosphorous n-type emitters for standard wafer-based silicon solar cells », Photovoltaïcs International journal, troisième édition.
La couche de PSG est alors retirée par traitement chimique. Une couche formant barrière 10 de diffusion 14 est alors déposée sur la couche N 12, et une ouverture 16 est réalisée par gravure ou ablation laser jusqu'à la couche 12 (figure lA).
Une deuxième diffusion POCL3 est alors réalisée sur la face 18 de l'ensemble ainsi réalisé avec une concentration en phosphore plus élevée que lors de la première diffusion 15 POCL3. Une région 20 fortement dopée N est ainsi formée au travers de la couche 12 et dans le substrat de silicium 10, la concentration en dopant n2 de la région 20 étant supérieure à la concentration en dopant nl de la couche N 12.
La couche de PSG obtenue lors de cette deuxième diffusion POCL3, ainsi que la couche 20 formant barrière de diffusion 14, sont ensuite retirées (figure lB).
Le procédé se poursuit alors par les étapes classiques de formation d'une cellule photovoltaïque, notamment : le dépôt d'une couche antireflet sur la couche N 12, usuellement une couche réalisée 25 en SiNx, la métallisation de la région fortement dopée N 20, usuellement avec de l'argent, et le recuit de la métallisation pour former un contact électrique avec la région fortement dopée N 20.
30 Pour fabriquer l'émetteur sélectif, ce procédé nécessite donc de nombreuses étapes : une première diffusion POCL3, une étape de retrait de la couche PSG résultante, une étape de dépôt et de gravure de la couche 14, une seconde diffusion POCL3, 35 - une étape de retrait de la couche PSG résultante, et une étape de retrait de la couche 14, soit un total de six étapes.
Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe illustrant un second procédé de fabrication d'un émetteur sélectif de cellule photovoltaïque selon l'état de la technique.
Ce procédé diffère du précédent en ce que la couche de PSG 22 obtenue à l'issue de la première diffusion POCL3 n'est pas ôtée et qu'un faisceau laser 24 est appliqué localement sur la couche de PSG 22 à l'aplomb de la localisation souhaitée pour la région N fortement dopée 20 (figure 2A). Les propriétés du laser sont choisies pour obtenir une fusion locale de la couche de PSG 22, de la couche faiblement dopée N 12 et du substrat en silicium 10, ce qui forme la région fortement dopée N 20. La portion de couche PSG 22 non irradiée est alors ôtée par traitement chimique (figure 2B) et le procédé se poursuit comme précédemment décrit.
Ce second procédé de l'état de la technique met en oeuvre moins d'étapes que le premier procédé (une diffusion POCL3, une irradiation laser et un retrait de la couche PSG, soit trois étapes au lieu de six étapes pour le premier procédé). En revanche, le second procédé nécessite l'emploi d'une irradiation laser très localisée, ce qui demande usuellement un alignement précis du laser, et nécessite donc un équipement couteux.
EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant une procédé de réalisation d'un émetteur sélectif qui met en oeuvre un nombre limité d'étapes de fabrication, tout en évitant l'emploi de source d'énergie localisée.
25 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif comportant un substrat en silicium, une couche semi-conductrice dopée formée sur le substrat en silicium, et une région semi-conductrice dopée formée au travers de la couche semi-conductrice et dans le substrat en silicium, la région semi-conductrice étant du même type de conductivité que la couche semi-conductrice et ayant une concentration 30 en dopant supérieure à celle de la couche semi-conductrice.
Selon l'invention, le procédé consiste : ^ à réaliser une diffusion de phosphore sur une face libre du substrat, de manière à créer une couche semi-conductrice temporaire dopée de concentration en dopants 35 inférieure à celle de la couche semi-conductrice et recouverte d'une couche d'oxyde de phosphore ; ^ à retirer la couche d'oxyde de phosphore en dehors d'une zone résiduelle sous laquelle la région semi-conductrice est destinée à être formée ; et20 ^ appliquer une énergie thermique sur la face du substrat comportant la couche semi-conductrice temporaire et la zone résiduelle de manière à former simultanément la couche et la région semi-conductrices.
Par « énergie thermique », on entend ici une énergie apte à faire diffuser les éléments dopants situés en surface du substrat dans l'épaisseur de celui-ci.
En d'autres termes, la réalisation d'un émetteur sélectif selon l'invention comporte quatre étapes, dont l'application d'une énergie thermique, par exemple une irradiation laser ou un recuit dans un four, qui est réalisée sur l'ensemble de la surface du substrat sans nécessiter de localisation précise.
Ceci est rendu possible par le fait qu'il existe simultanément, lors de l'apport de l'énergie thermique, deux sources de dopants : la première étant constituée de la couche temporaire et l'autre étant constituée de la zone résiduelle de PSG. Ainsi, ces deux sources sont sollicitées simultanément, la couche et la région semi-conductrices étant donc formées simultanément.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'application d'une énergie thermique sur la face du substrat consiste en une irradiation laser sous une fluence comprise entre 1 et 5 J/cm2, et de préférence entre 1 et 1,25 J/cm2 pour un laser à 308 nm. Une telle irradiation laser permet d'assurer une différence de dopage suffisance entre le dopage de la couche dopée finale formée sur le substrat et le dopage de la région semi-conductrice, et ce quelque soit le dopage de la couche temporaire. Cette irradiation permet également de limiter la dégradation de la couche semi-conductrice en dehors de la zone résiduelle.
Dans un second mode de réalisation, l'énergie thermique appliquée sur la face du substrat consiste en un recuit thermique à une température comprise entre 830°C et 900°C. Un tel recuit permet également d'obtenir une différence de dopage approprié entre la couche et la région semi-conductrices indépendamment du dopage de la couche temporaire.
Avantageusement, la diffusion est réalisée par chauffage du substrat sous atmosphère contenant du phosphore à une température sélectionnée de manière à obtenir une couche-semi-conductrice temporaire ayant une résistance carrée comprise entre 80 et 300 ohms/carré.
Enfin, le procédé trouve particulièrement application dans la fabrication de cellule photovoltaïque à émetteur sélectif.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : ^ les figures lA et lB sont des vues schématiques en coupe illustrant un premier procédé de fabrication d'un émetteur sélectif de cellule photovoltaïque selon l'état antérieur de la technique, comme décrit dans le préambule ; ^ les figures 2A et 2B sont des vues schématiques en coupe illustrant un second procédé de fabrication d'un émetteur sélectif de cellule photovoltaïque selon l'état antérieur de la technique, comme décrit dans le préambule ; ^ les figures 3A, 3B et 3C sont des vues schématiques en coupe illustrant un procédé de fabrication d'un émetteur sélectif de cellule photovoltaïque selon un premier mode de réalisation de l'invention ; ^ les figures 4A et 4B sont des vues schématique en coupe illustrant un procédé de fabrication d'un émetteur sélectif de cellule photovoltaïque selon un second mode de réalisation de l'invention ; et ^ la figure 5 est un tracé illustrant la résistance carrée de la couche semi-conductrice faiblement dopée et de la région fortement dopée, constitutives de l'émetteur sélectif, en fonction de la fluence délivrée par un laser irradiant celles-ci.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En se référant aux figures 3A, 3B et 3C, le procédé consiste dans un premier temps à réaliser à la surface d'un substrat une couche présentant une première concentration en dopant et localement une zone présentant une concentration en dopant supérieure à celle de couche.
Pour ce faire, le procédé débute par une diffusion POCL3 réalisée sur le substrat en silicium 10, par exemple dopé P dans le cas d'une cellule photovoltaïque, à une température 835°C, de manière à obtenir une couche dopée N 30 de concentration en dopant nO plus faible que celle n1 souhaitée pour la couche finale 12 (nO<nl), et simultanément une couche de PSG 31 recouvrant la couche 30 (figure 3A). 535 Par exemple, les concentrations n0 et n1 correspondent respectivement à des résistances carré de 100 S2/carré et 80 S2/carré. On notera ainsi que la température de recuit utilisée est plus faible que celle usuellement utilisée dans l'état de la technique pour obtenir la couche dopée N 12.
Le procédé se poursuit alors par le retrait de la couche PSG obtenue à la suite de la diffusion POCL3, hormis une zone résiduelle 32 située à l'emplacement désiré pour la région fortement dopée N 20 et ayant approximativement la même superficie que la zone 20 (figure 3A). La zone résiduelle 32 a par exemple une résistance carré égale à 40 S2/carré.
Une source d'énergie est ensuite appliquée de manière homogène sur l'ensemble de la face 34 sur laquelle sont formées la couche 30 et la zone 32, de manière à transformer la couche dopée N 30 en la couche semi-conductrice finale 12, et de manière à transformer la zone résiduelle 32 de PSG et la portion 36 de couche 30 située sous cette zone 32 en la région semi-conductrice 20 (figure 3B).
Le cas échéant, s'il reste à l'issue de l'application de l'énergie, une zone de PSG, cette zone restante est retirée, par exemple par traitement chimique.
Dans une première variante, l'énergie thermique est apportée par un recuit de l'ensemble dans un four à une température appropriée, par exemple dans un four à infrarouge, à 1000°C pendant 30 secondes pour obtenir les valeurs de résistances carré données ci-dessus.
Dans une seconde variante, l'énergie thermique est apportée par une irradiation de toute la face 34 par un laser, notamment par un laser pulsé qui est déplacé afin que le faisceau laser irradie toute la face 34 si cela s'avère nécessaire, par exemple dans le cas où la taille du substrat est supérieure à la taille du faisceau. 30 Ainsi, l'invention utilise les propriétés de la couche dopée N 30 obtenue par la diffusion POCL3. En effet, cette couche 30 comporte une région de forte concentration en agrégats de phosphore non actif électriquement, communément appelée « zone morte ». En apportant de l'énergie thermique à ces agrégats, ces derniers sont rendus électriquement 35 actifs, ce qui participe à la hausse du taux de dopage dans cette région. Par ailleurs, le PSG représente également une source supplémentaire de dopants. Ainsi donc, l'application d'une énergie thermique à la couche 30 seule a pour effet de générer la couche 12 plus fortement dopée, mais présentant malgré tout un dopage faible de 25 concentration en dopants nl, alors que l'application d'un énergie thermique à la combinaison de la zone résiduelle 32 et de la portion de couche 30 située sous elle, qui présente une forte concentration en agrégats de phosphore inactifs, a pour effet de générer une région 20 fortement dopée de concentration en dopants n2.
Les figures 4A et 4B illustrent un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation une couche 40 source de dopants, comme par exemple une couche d'oxyde de phosphore, tel que le P509 commercialisé par la société Filmtronics Inc. de concentration égales à 10,5% massique, est déposée, par exemple à la tournette, sur le substrat 10 (figure 4A). La couche 40 est ensuite gravée en dehors d'une zone résiduelle 42 sous laquelle la région 20 est destinée à être formée, en laissant une épaisseur de couche résiduelle source de dopant 44 (figure 4B). Le procédé se poursuit alors par l'apport d'énergie thermique sur la face de l'ensemble tel que précédemment décrit pour former la couche 12 et la région 20.
On notera que le procédé selon l'invention est applicable pour la fabrication de n'importe quel type de structures à émetteur sélectif, dès lors qu'il est souhaité une région fortement dopée dans un substrat en silicium et entourée d'une région plus faiblement dopée.
Toutefois, comme expliqué précédemment, une cellule photovoltaïque à émetteur sélectif nécessite que la couche 12 soit recouverte par une couche antireflet et que la région 20 soit électriquement connectée à un contact électrique, ce qui implique des concentrations en dopants différentes, mais également des résistances carrée différentes.
Afin d'obtenir l'ensemble des propriétés requises pour une cellule photovoltaïque, la diffusion POCL3 mise en oeuvre pour obtenir la couche dopée N 30 présente une température de 830°C conduisant à une concentration en dopant n0 correspondant à une résistance carrée comprise entre 80 ohms/carré et 300 ohms/carré, et préférentiellement comprise entre 80 ohms/carré et 200 ohms/carré.
L'énergie thermique est quant à elle apportée de manière homogène sur la face 34 par un laser, par exemple du type nanoseconde excimer de longueur d'onde égale à 308 nm, à une fluence comprise entre 1 et 2 J/cm2, et de préférence une fluence comprise entre 1,25 et 2 J/cm2. En variante, l'énergie est apportée par un laser nanoseconde 10 ns de longueur d'onde de 532 nm ou 355nm avec une fluence comprise entre 1 et 5 J/cm2, ou bien l'énergie est apportée par un laser excimer 20 ns du type KrF à 248 nm, ou du type ArF à 193 nm, avec une fluence comprise entre 1 et 5 J/cm2.
Plus particulièrement, comme cela est illustré à la figure 4, en choisissant pour la couche 30 une résistance carrée de 150 ohms/carré et une fluence comprise entre 1,25 et 2 J/cm2, il en résulte une concentration en dopants n1 de la couche finale 12 associée à une résistance carrée de celle-ci comprise entre 80 ohms/carré et 150 ohms/carré, ainsi qu'une concentration en dopants n2 de la région 20 associée à une résistance carrée de celle-ci comprise entre 25 ohms/carré et 60 ohms/carré.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) comportant un substrat en silicium (10), une couche semi-conductrice dopée (12) formée sur le substrat en silicium (10), et une région semi-conductrice dopée (20) formée au travers de la couche semi-conductrice (12) et dans le substrat en silicium (10), la région semi-conductrice (20) étant du même type de conductivité que la couche semi-conductrice (12) et ayant une concentration en dopants supérieure à celle de la couche semi-conductrice (12), caractérisé en ce qu'il consiste : ^ à réaliser une diffusion de phosphore sur une face libre du substrat, de manière à créer une couche semi-conductrice temporaire dopée (30) de concentration en dopants inférieure à celle de la couche semi-conductrice (12) et recouverte d'une couche d'oxyde de phosphore (31); ^ à retirer la couche d'oxyde de phosphore en dehors d'une zone résiduelle (32) sous laquelle la région semi-conductrice (20) est destinée à être formée ; et ^ appliquer une énergie thermique sur la face du substrat (34) comportant la couche semi-conductrice temporaire (30) et la zone résiduelle (32) de manière à former simultanément la couche (12) et la région (20) semi-conductrices.
  2. 2. Procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie thermique appliquée sur la face (34) du substrat (10) consiste en une irradiation laser sous une fluence comprise entre let 5 J/cm2.
  3. 3. Procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'irradiation laser est sensiblement égale à 308 nm, et en ce que le laser est un laser 308nm de fluence fluence est comprise entre 1,25 et 2 J/cm2.
  4. 4. Procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie thermique appliquée sur la face (34) du substrat (10) consiste en un recuit thermique à une température comprise entre 830°C et 900°C.
  5. 5. Procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diffusion est réalisée par chauffage du substrat sous atmosphère contenant du phosphore à une température sélectionnée de manière à obtenir une couche-semi-conductrice temporaire (30) ayant une résistance carrée comprise entre 80 et 300 ohms/carré.
  6. 6. Procédé de réalisation d'une structure à émetteur sélectif (10, 12, 20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure à émetteur sélectif est une cellule photovoltaïque.
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