FR3005790A1 - Elements nanostructures formes a l'interieur d'un materiau silicium et procede de fabrication pour les realiser - Google Patents

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Patrick Meyrueis
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Abstract

L'invention porte sur des unités nanométriques élémentaires formées de façon nanostructurée à l'intérieur du silicium et sur le procédé de fabrication pour les réaliser. Une transformation locale nanométrique de la structure cristalline engendre une fonction inhabituelle en focalisant à son intérieur un effet physique spécial tel qu'un groupe additionnel de niveaux d'énergie électronique hautement utile et qui est optimisé pour la conversion du spectre solaire en électricité. Un groupe additionnel d'énergie réglé permet la génération d'électrons secondaires à basse énergie dans un semi-conducteur, de préférence le silicium qui est le matériau utilisé en particulier dans les convertisseurs lumière-électricité tout silicium de grande efficacité. Le procédé de fabrication pour réaliser de telles transformations dans un matériau semi-conducteur se base sur un dépôt local tel que l'implantation d'ions ou d'électrons par irradiation par faisceau (γ, X) et par un traitement thermique approprié et facilement disponible. Domaine d'application : cellules photovoltaïques de conversion lumière-électricité .

Description

ELEMENTS NANOSTRUCTURES FORMES A L'INTERIEUR D'UN MATERIAU SILICIUM ET PROCEDE DE FABRICATION POUR LES REALISER Cette invention concerne un élément unitaire à l'échelle nanoscopique pour la génération d'électrons secondaires dans du silicium pour une utilisation, en particulier dans les convertisseurs lumière-électricité et le procédé de fabrication pour les créer dans un tel matériau.
Plus particulièrement, le processus est une transformation à l'échelle nanoscopique de la matière cristalline en un élément cristallin élémentaire, pour obtenir des fonctionnalités non usuelles en focalisant en lui un effet physique spécifique comme étant un ensemble additionnel utile de niveaux d'énergie électronique qui est optimisé pour la conversion du spectre solaire en électricité. 1. PROBLEME RESOLU ET DOMAINE DE L'INVENTION A. PROBLEME L'ajustement d'un convertisseur lumière-électricité au spectre solaire est compliqué du fait que, d'une part l'opération en mécanique quantique est efficace ou optimale que dans une plage spectrale inférieure du spectre solaire qui est lui trop étendu pour une opération efficace à simple fonction.
Deux approches sont possibles : conserver le même mécanisme unique d'interaction photon/électron qui est exploité de la façon la plus efficace dans les cellules tandem ; le progrès repose sur les recherches sur de nouveaux matériaux, où la superposition adaptée de différents matériaux, comme par exemple ceux de la famille GaAs. La base de la conversion dans ce cas est la simple interaction lumière/matériau déterminée par l'absorption ; un des problèmes le plus compliqué concerne dans ce cas la collecte du courant des différents composants formant le convertisseur ; - introduire des mécanismes additionnels nouveaux qui sont possibles grâce aux transformations à nanoéchelle du matériau comme par exemple, la génération secondaire d'électrons avec ses mécanismes couplés multiples permettant la séparation fonctionnelle spécifique et la localisation en nécessitant un transport d'électrons spécifiques et une collecte d'électrons spécifiques.
B. DOMAINE D'APPLICATION L'invention a trait à une méthode pour améliorer la génération secondaire de porteurs et le cycle résultant de multiplications de porteurs additionnels collectables pour la conversion lumière/électricité en général, et particulièrement dans les convertisseurs tout silicium des radiations solaires grâce à des sous régions, des sous systèmes ou des sous structures comme par exemple une couche enterrée à nanoéchelle contenant un métamatériau silicium. 2. DEFINITIONS LEEG - GEBE. La génération d'électrons de faible énergie est un processus où de multiples électrons sont produits après l'absorption d'un seul photon par un nanoobjet semi-conducteur. L'effet représente un potentiel prometteur pour accroitre les efficacités de la conversion lumière/ électricité dans les dispositifs à jonction unique. Segton - est une unité de la génération secondaire d'électrons adaptée à nanoéchelle, c'est à dire une unité cellulaire élémentaire de matériau caractérisée par son étendue extrêmement utile de niveaux d'énergie électronique qui est adaptée à une conversion lumière-électricité multi-étage ; le système permet une photogénération électronique de faible énergie de porteurs libres et un cycle de multiplication de porteurs. Plus généralement, c'est une méthode pour produire un ensemble très utile de niveaux d'énergie d'électrons qui est capable de compléter les niveaux d'énergie électronique des matériaux semi-conducteurs naturels, préférablement du silicium utilisable pour des convertisseurs lumière-électricité à très haute efficacité. Seg-matter - est un métamatériau basé sur le segton, c'est à dire qu'il s'agit d'un métamatériau spécifique pour une conversion lumière-électricité efficace et qui est constitué de segtons à distribution homogène qui forment un super réseau structuré et sont plongés dans un environnement physique spécifique limité par des nanomembranes comme cela est protégé au moyen de brevets parallèles. Plus généralement, cette expression signifie aussi la méthode pour produire le matériau qui sera capable d'exploiter la distribuion des niveaux d'énergie segton. Le métamatériau segmatter est constitué d'une couche ou plus. Et au-delà, le segmatter est le matériau semi-conducteur artificiel formant un métamatériau qui permet le conditionnement du segton et assume une fonctionnalité multiple qui est principalement disponible à nanoéchelle.
Bilacune : défaut ponctuel structurel qui forme une unité structurale spécifique dans un semiconducteur où différentes liaisons atomiques (comme des liaisons du type moléculaires) apparaissent dans un matériau covalent. MTM : métamatériau basé sur du silicium a-Si : phase amorphisée du silicium <a-Si> : phase amorphisée du silicium sous contrainte c-Si : phase cristalline du silicium <c-Si> : phase cristalline du silicium sous contrainte BSF : champ électrique de la face arrière interface BSF: jonction semiconducteur de type LH résultant d'un changement abrupt ou progressif de la densité des impuretés dopante. 3. LE CONTEXTE DE L'INVENTION Aujourd'hui l'effet photovoltaïque est obtenu et basé sur des dispositifs planaires à simple jonction ou multijonction. Cette architecture simple exploite des matériaux naturels qui peuvent être optionnellement légèrement modifies. L'interaction d'un photon avec le matériau repose sur deux principes : tout ou rien, et un photon égale une paire électron-trou. Une amélioration effective doit passer par de nouveaux matériaux, 30 préférablement artificiels, de nouveaux mécanismes et de nouveaux processus de conversion lumière-électricité. 4. ELEMENTS NANOSCOPIQUES FORMES A L'INTERIEUR D'UN MONOCRYSTAL DE SILICIUM Un composant en matériau artificiel est un nanoobjet représentant un élément de construction d'une structure nanoscopique enterrée. Cet élément est nommé ici segton. Chaque segton représente un élément unitaire d'un cristal de silicium moins deux atomes de silicium, déplacé à l'extérieur, ce qui est, en étant strictement déterminé, un état à double charge négative et est avantageux et nécessairement couplé à leur environnement physique strictement conditionné.
Des segtons procurent au convertisseur un nouvel ensemble de niveau d'énergie, permettant un nouveau mécanisme de génération, c'est-à-dire une génération d'électrons secondaires qui est caractérisée par une énergie spécifique faible. Des segtons contiennent des électrons faiblement liés qui peuvent être relâchés durant des collisions avec des électrons chauds, amenant un cycle de multiplication d'électrons quand une dynamique d'électrons, une extraction d'électrons et un rechargement de segton deviennent possibles. De cette façon, l'énergie cinétique additionnelle des électrons chauds résultant d'une génération primaire provenant de l'absorption, est transformée en une population additionnelle d'électrons proches de l'équilibre. En général des électrons chauds ou tièdes résultant d'une irradiation ou de la lumière sont peu sensibles à accélération du champs électrique ou d'un autre effet comme l'injection de porteurs. Un tel nanoobjet structural est bâti sur la base d'un défaut qui est intensément conditionné par son environnement physique. La transformation de défauts inutiles normalement nuisibles dans des segtons utiles, devient possible en remplissant un certain nombre de conditions relatives à leur état électrique et à leur distribution dans le matériau hôte des convertisseurs. Pour un conditionnement spécifique et technique, le nanoobjet est transformé en une application technique hautement utile.
Les segtons se comportent comme une matière moléculaire fonctionnant comme des éléments de construction idéaux contenant la possibilité d'agir à deux niveaux d'échelle au niveau de l'interaction atomique, et au niveau de l'organisation nanoscopique.
Les segtons peuvent être comparés aux nanocristaux de silicium. Dans les deux un ensemble de niveau d'énergie est artificiellement réglé pour une interaction efficace avec, par exemple, le spectre solaire. De cette façon, la génération simple d'électrons-trous causée par l'absorption de photons énergétiques est transformée en génération de multi excitons, c'est l'effet qui peut amener par la suite à la multiplication de porteurs libres. Deux types de modifications du silicium apparaissent quand on le met en forme de nanocristaux de silicium : i) mécanique quantique reliée à la taille des nanocristaux ii) niveaux d'énergie spécifique située à l'interface des nanocristaux. Un segton est nécessaire mais insuffisant pour accroitre le rendement de la conversion. Il doit être inséré dans un métamatériau appelé segmatter. Contrairement aux nanocristaux ou le problème concerne l'extraction et 15 la collecte des porteurs libres. Les segtons sont plongés dans un environnement qui est parfaitement conducteur permettant une extraction et une collecte excellente. La combinaison spécifique des niveaux d'énergie des électrons dans la phase cristalline cSi c'est-à-dire le système de bande d'énergie, et du segton 20 silicium, c'est-à-dire des niveaux d'énergie extrinsèque à l'intérieur de la bande interdite, est bien ajusté énergétiquement pour le spectre solaire et permet une conversion optimisée lumière-électricité. La population d'électrons secondaires résulte d'une collision libérant les électrons faiblement liés par des électrons primaires chauds. 25 L'invention est d'une importance particulière parce que le silicium domine l'industrie photovoltaïque, il ne présente pas de difficulté étant donné son abondance et son accessibilité dans la croute terrestre, il ne pose pas de problème environnemental concernant son recyclage et sa toxicité. Les derniers développements en matière de dispositif sur silicium cristallin représentent en 30 quelque sorte un retour aux premières générations de capteurs photovoltaïques, ceci est une base excellente pour les améliorations qui sont couvertes par l'inventeur. 4. BREVE DESCRIPTION Cette invention porte sur des unités élémentaires nanoscopiques formées en nanostructures et enterrées dans un semi-conducteur hôte ou matrice, et le procédé de réalisation pour les implémenter. Pour cause de conditions optoélectroniques et structurelles imposées, une transformation locale à l'échelle nanoscopique du matériau cristallin permet une fonctionnalité inhabituelle en y focalisant un effet physique spécifique, comme un très utile ensemble de niveaux d'énergie électronique qui est optimisé pour la conversion du spectre solaire en électricité. Un système ajusté permet la génération d'électrons secondaires de faible énergie, dans un semi-conducteur, préférablement du silicium. La création ou le processus de fabrication qui produit de telles transformations dans un semi-conducteur est basée sur la déposition locale d'énergie par une irradiation, qui peut ne pas être focalisée, comme les rayons cosmiques, ou plus ou moins focalisée comme des rayons y et des rayons X, des faisceaux d'électrons ou d'ions, qui seront suivis par un traitement thermique adapté qui est facilement disponible industriellement. Les unités élémentaires nanoscopiques appelées segtons sont avantageusement couplés à leur environnement physique qui est strictement physiquement et techniquement conditionné et ils sont convenablement disposés dans le convertisseur du point de vue des radiations lumineuses incidentes et de l'absorption. Le segton permet une analogie avec un nanocristal qui est capable de s'adapter aux niveaux d'énergie qui sont disponibles pour les électrons. La dynamique ultra rapide des segtons permet un cycle continu et suffisamment rapide de conversion dans un convertisseur basé sur du silicium. Contrairement aux nanocristaux qui sont habituellement enterrés dans un diélectrique, l'environnement semi-conducteur du segton, fortement dopé, dans lequel le segton est totalement plongé, assure une excellente conductivité.
La destruction spécifique des niveaux d'énergie électronique avec une excellente conduction et un excellent transport distingue le segton d'autres transformations nanoscopiques connues à ce jour. La capacité d'extraction et de collecte d'électrons par les segtons prédestine leurs applications techniques spécialement à la très grande efficacité des photoconvertisseurs lumière électricité tout silicium. 5. DEFAUTS CONDITIONS, NECESSITES ET ACCOMPLISSEMENTS Un composant à nanoéchelle doit être capable de compléter le processus conventionnel de conversion par plusieurs mécanismes additionnels permettant une adaptation optimisée du convertisseur silicium au spectre solaire.
Un expert dans l'art comprendra que l'invention présentée et revendiquée ici dans la présente application doit être considérée à 3 différents niveaux en particulier quand on considère le segton revendiqué et sa méthode de production. Un segton est une unité élémentaire basée sur un défaut. Un tel défaut été perçu, jusqu'à la présente invention, comme étant totalement inutile pour des applications en électronique et en optoélectronique. Un tel défaut était même considéré jusqu'à la date du dépôt, comme une structure nuisible qui doit être obligatoirement réparée, traitée ou éliminée comme objet physique, les défauts ponctuels sont distribués au hasard de façon dispersée après une irradiation telle qu'une simple irradiation d'électrons ou par un faisceau d'électrons, ou de rayons g ou de rayons X. Selon l'invention, au contraire, pour devenir un objet technique utile, cette unité élémentaire doit être conditionnée selon un procédé technologique adapté, qui contrôlera de cette façon une distribution et une densité de nanoobjets optimisés. Ceci veut dire qu'il doit être préservé de toutes les opérations thermiques rencontrées, c'est-à-dire des températures de traitement atteignant 550°C, tandis que normalement ces défauts se recombinent à des températures inférieures à 250°C. Le nouveau matériau pourra être organisé à partir d'éléments de construction ordonnés en un super-réseau. De cette façon, la densité distribution-position et le 30 comportement des nano objets basés sur des défauts peut mener à des applications techniquement utiles. Un comportement artificiel du nouveau matériau combine avantageusement des effets utiles et un traitement pour accomplir la fonctionnalité désirée, qui était normalement hors d'atteinte. Deux des particularités les plus spécifiques dudit segton concernent son quasi permanent état de charge électrique, c'est-à-dire la régénération ultra rapide de l'état de charge. Cet état de charge doit permettre un nouveau et unique mécanisme de conversion, c'est-à-dire la génération de faible énergie sans fin pour assumer pleinement le fonctionnement. En général, la dynamique de la génération secondaire basée sur des segtons concerne : - L'état électrique utile des segtons et leur exposition à des collisions avec des électrons chauds ou très chauds pour optimiser la conversion de l'énergie cinétique dans une population additionnelle d'électrons ; - La compétition à l'échelle temporelle entre les électrons chauds générant des collisions et leur thermalisation nuisible ; - L'extraction d'électron secondaire en dehors de la nanocouche segmatter après sa générations collisionnelle et en conséquence son injection dans 15 l'émetteur entourrant, et en maintenant son impossibilité à retourner à son point de départ (par un écrantage électrique) ; - L'excellente conduction des électrons secondaires à l'énergie de quasi-équilibre à travers l'émetteur (effet conventional) entre le segmatter et l'électrode de la face avant ; 20 - La collecte des électrons secondaires par l'électrode à la face avant (semblable à un effet de recombinaison) ; - La conduction locale des électrons de remplacement à travers le segmatter permettant une régénération extrêmement rapide et adaptée de l'état de charge des segtons causé par d'«autres» électrons arrivant de couches plus 25 profondes des convertisseurs (injectés par l'électrode arrière provenant d'une circulation à travers le circuit extérieur) ; - La conduction unipolaire spécifique dans la segmatter permettant la régénération des segtons (au moyen d'une conduction rapide à travers la bande d'impuretés) ; 30 Il est présumé que la façon de transformer et d'utiliser les nanodopants bien connus dans un matériau élémentaire utile n'a jamais été dévoilé auparavant dans l'état de l'art.
FABRICATION La méthode pour créer et fabriquer l'unité à nanoéchelle, selon l'invention sera maintenant brièvement décrite avec des termes et expressions généraux dans la section suivante. La fabrication ou l'élaboration et le conditionnement de segtons doit permettre simultanément les fonctionnalités requises : i) la création de nanoobjets spécifiques avec le type, l'état de charge électrique, la densité, la localisation ou la position dans l'espace qui résulte d'une réorganisation des atomes dans le réseau cristallin, une telle réorganisation peut aussi apparaître dans une phase amorphe, ou amorphisée ; ii) l'insertion utile d'un ensemble conforme de niveaux d'énergie électronique qui rend possible la génération de faible énergie d'électrons secondaires ; iii) assumer les fonctionnalités spécifiques résultant de la synergie de plusieurs interactions physiques qui peuvent être activées et parfois atteintes exclusivement à nanoéchelle ; iv) assumer une circulation d'électrons quand les endroits de génération et de recombinaison d'électrons secondaires sont adaptés, séparés, ou identifiés, cela concerne par exemple une recombinaison non utile intervenant principalement sur la face avant du convertisseur. En général la fonctionnalité requise résulte de deux types d'effet combinés : ceux qui sont intimement reliés aux nanoobjets comme des structures matérielles, c'est-à-dire des segtons eux-mêmes, et ceux qui sont reliés à des champs physiques induits par le voisinage comme par exemple des interfaces de semi-conducteurs avec leur zone de transition. 6. BUTS DE L'INVENTION L'invention est dédiée à une amélioration de la conversion de la lumière en électricité. Ceci est réalisable à cause de la transformation utile de l'énergie cinétique additionnelle de l'électron résultant de l'absorption de photons énergétique jusqu'à présent complètement perdue à cause de la thermalisation, dans une population additionnelle d'électrons qui peut être collectée par le circuit extérieur. Une telle conversion devient possible à cause des unités nanoscopiques 5 pour la génération d'électrons secondaires appelée segtons. Techniquement les segtons utiles remplissent plusieurs conditions telles que celle d'être suffisamment nombreux et bien distribués, positionnés dans un espace nanoscopique bien défini, et celle de conserver de façon permanente leur état de charge électrique. Tout ceci mène aux améliorations et avantages suivants : 10 - nouveaux convertisseurs lumière-électricité à haute efficacité avec une limite thermodynamique d'environ 63% ; - de nouveaux dispositifs fabriqués à partir d'un matériau abondant écologiquement satisfaisant, traité avec une technologie mature comme l'est le silicium ; 15 - de nouveaux mécanismes de conversion complétant les modes opératoires conventionnels à cause de leur comportement de faible énergie ; - nouvel ensemble de niveau d'énergie électronique permettant l'ajustement du photoconvertisseur au spectre solaire ; - nouveau processus de fabrication menant à un nouveau matériau pour la 20 conversion et des structures complétant le matériau classique et l'architecture du dispositif ; - des convertisseurs lumière-électricité tout silicium avec une très haute efficacité sont alors possibles à cause de la superposition de matériaux ajustés dérivant du silicium qui reste assimilé aux cellules tandems ; 25 - le processus inventé est basé sur les technologies silicium les plus matures et ne nécessite que des modifications limitées à des compléments aux chaines de production existantes. 7. DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS 30 - Figure 1 est l'une des représentations connues de la cellule élémentaire de silicium avec des flèches indiquant les atomes exclus pour former un segton ; - figure 2 est un modèle de défaut déduit des études EPR (électron, paramagnetic, résonnance) ; - figure 3 est une représentation schématique d'un segton dans la configuration d'un ordonnancement de super réseau c'est-à-dire la distribution 5 de segtons dans la nanocouche de métamatériau ; - figure 4 est un exemple de schéma d'un réseau ordonné de segtons avec leur environnement le plus proche, c'est-à-dire leur distribution à l'intérieur d'une nanocouche du métamatériau ; - figure 5 est une vue sectionnelle schématique de la partie supérieure de 10 l'émetteur où le métamatériau est inséré ; - figure 6 est une vue générale sectionnelle d'un convertisseur dans lequel sont représentés tous les différents composants de l'architecture plus ou moins compliqués ; - figure 7 et 8 sont des représentations schématiques en blocs d'une 15 structure multicouche d'un dispositif respectivement sans et avec accumulation de porteurs libres ; - figure 9 est une image TEM, coupe d'une structure planaire multi interface réalisée après une recristallisation contrôlée de la phase amorphisée enterrée par implantation d'ions et traitement post implantation à l'intérieur du 20 silicium cristallin, des détails sont expliqués dans le graphique de droite illustrant la substructure 2D à nanoéchelle ; - figure 10 est une illustration schématique de la transformation de la bande d'énergie électronique dans un tableau schématique en trois diagrammes: 25 a) gap indirect de matériau intrinsèque comme le silicium b) le même modèle de bande avec un ensemble additionnel de niveau d'énergie d'électrons causé par un fort dopage de type n et c) le même modèle de band gap avec un ensemble de niveau d'énergie électronique causé par un fort dopage de type n et une insertion de segtons ; 30 - figure 11 est une illustration schématique du système des énergies électroniques et du mécanisme de la conversion lumière-électricité additionnelle possible à cause de ce système. L'ionisation de segton par impact de faible énergie avec des photons hv > 1,1 + n x 0,274 eV, où n est un nombre entier qui représente l'ordre de multiplication : a) de photon le plus énergétique permettant l'ordre trois de multiplication (n=3) tandis que b) de photon le moins énergétique permettant l'ordre de multiplications deux (n=2); - figure 12 est une table de comparaison en escalier des ordres théoriques de multiplications des électrons déterminés sur la base de 3 mécanismes : i) l'ionisation du réseau silicium par impact ii) multiplication d'excitons avec l'énergie spécifique correspondant à la band interdite indirecte du silicium et iii) l'ionisation par impact des segtons de faible énergie; - figure 13 est un organigramme des différentes étapes d'un processus pour créer des segtons groupés en une ou plusieurs nanocouches formant la segmatter selon une invention parallèle. 8. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE L'unité à nanoéchelle selon la présente invention est une unité élémentaire qui est constituée et conditionnée autour de l'unité élémentaire du réseau de silicium cristallin contenant un défaut ponctuel structurel. Pour devenir utiles en conversion lumière électricités les bilacunes 20 doivent subir une modification complexe laquelle permet de transformer les défauts structurels nuisibles, distribués de manière aléatoire et clairsemée en unité appelées du réseau ordonné formant un métatmatériau appelé segmatter. L'aspect le plus important concerne la nature, la densité et le nombre de défauts ponctuels (bilacunes) placés de façon utile à l'intérieur du 25 convertisseur. Ces unités appelées segtons sont avantageusement et nécessairement couplées à leur environnement physique qui est strictement conditionné physiquement et est du point de vue de la lumière incidente et de l'absorption. Le segton est constitué sur la base de défaut(s) étant de façon quasi 30 permanente dans un état de double charge négative et est conditionné par son voisinage physique. A cause des conditions structurelle et optoélectronique strictement imposées, le défaut usuellement néfaste peut être avantageusement transformé en un nano objet utile qui a une distribution de niveau d'énergie électronique ajusté à la génération secondaire et multiplication faible énergie dans un convertisseur silicium. Aussi, le segton est capable de fournir à son matériau hôte, un ensemble des niveaux d'énergie électronique qui, par leur distribution et dynamique, permettent un cycle de conversion continu et suffisamment ultra rapide. Un segton résulte du déplacement de deux atomes en dehorsde la structure élémentaire cristalline, préférablement, du silicium, ce qui introduit des liaisons électroniques prolongées, allant à travers les sites vides de défauts, qui sont capables de capturer et localiser des électrons libres occupant des niveaux d'énergie extrinsèques des électrons faiblement liés. Ce déplacement peut être réalisé par un faisceau d'énergie focalisée et déposée dans le matériau où le réseau où la matrice semi-conducteur cristallin tel qu'un faisceau d'électrons, un faisceau ionique, et autre irradiation adaptée.
Un segton contient des liaisons électroniques longues et courtes, comme des liaisons instables de type moléculaire qui doivent être en permanence occupées par des électrons capturés dans un convertisseur en fonctionnement. Ceci correspond à un état de double charge électrique négative qui doit être assumé par l'environnement immédiat des segtons organisés à l'echelle nanoscopique. Pour être utile dans une conversion efficace lumière-électricité, la dynamique du segton est extrêmement rapide, qui est caractérisé par des constantes de temps extrêmement courtes. Ceci signifie d'abord une dynamique extrêmement rapide du chargement et déchargement des segtons.
En étant enterré dans un matériau hôte, tel un semi-conducteur et préférentiellement du silicium, le segton autorise l'analogie avec un nanocristal qui est capable d'adapter le système des niveaux d'énergie des électrons. Le semi-conducteur fortement dopé de type n autour du segton dans lequel le segton est totalement plongé assume une conductivité excellente. La possibilité d'extraction et de collecte des électrons à partir de segton prédestine leur application technique. En général l'unique caractéristique du segton, c'est-à-dire de combiner un ensemble spécifique de niveau d'énergie électronique avec une excellente conduction ou transport distingue le segton d'autre transformations à nanoéchelle connue jusqu'à présent. La méthode préférée de la fabrication de segtons est basée sur l'amorphisation de nanovolumes qui sont enveloppés dans une nanocouche qui 5 a été remplie de défauts durant le processus. L'état de charge électrique avec son comportement ultra rapide de régénération doit rendre possible un nouveau et unique mécanise de conversion c'est-à-dire la génération sans fin de faible énergie. En général la dynamique de la génération secondaire basée sur des segtons concerne : 10 - l'exposition utile de segtons à des collisions avec des électrons chauds pour optimiser la conversion de l'énergie cinétique en une population électronique additionnelle telle une substructure de type membrane ; - compétition à l'échelle temporelle entre les collisions génératrices et la thermalisation des électrons chauds ; 15 - extraction de l'électron secondaire en dehors du voisinage des segtons après sa génération collisionnelle et par conséquence son injection dans l'émetteur environnant en maintenant son incapacité à retourner au point de départ ; - la conduction locale d'électrons de remplacement à cause d'un 20 mécanisme spécifique de conduction permettant une régénération adaptée ultra rapide des charges électriques des segtons causés par d'autres électrons arrivant de strates plus profondes du convertisseur, injectés par l'électrode arrière en raison de la circulation à travers le circuit externe ; - conduction unipolaire spécifique dans l'environnement du segton 25 permise par la conduction spécifique rapide à travers la bande d'impuretés ; Une méthode de transformation à nanoéchelle étant capable de remplir plusieurs conditions requises est basée sur une amorphisation locale d'un précédent semi-conducteur cristallin, préférablement du silicium, en utilisant 30 par exemple un faisceau d'ions. Ce traitement permet une bonne localisation des défauts ponctuels dans l'espace du dispositif et peut mener à une auto organisation dans un super cristal ordonné à cause du champ de contrainte interne induit par les forces de dilatation à l'interface c-Si/a-Si. Le champ de contraintes gouverne la distribution de segtons durant le traitement thermique. Il y a, au moins, deux méthodes d'implantation possibles : i) traitement en deux étapes qui consiste en un dopage type n précédent (P préférentiellement) par une diffusion ou implantation qui est ensuite suivie par une implantation d'ions jusqu'à une amorphisation (P, Si) locale enterrée ; ii) l'implantation d'ions unitaires jusqu'a l'amorphisation locale enterrée en utilisant exclusivement des ions de dopage (préférentiellement P). Les deux méthodes mentionnées conduisent à un métamatériau 10 fortement dopé (préférablement Si:P) et permet en conséquence une conduction unipolaire impliquant simultanément les impuretés et la bande de conduction. Le choix dépend de l'ajustement fin au spectre à convertir. Dans une première étape, l'amorphisation produit des hétéro-interfaces crépis a-Si/c-Si et de petites inclusions a-Si dans le c-Si, et des inclusions c-Si 15 dans l'a-Si. Le cycle suivant de recuit, préférablement à une température de 500-550°C prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mène à une séparation claire à l'échelle atomique conjointement des phases silicium (cristalline et amorphisée) comme des hétéro-interfaces planaires a-Si/c-Si. Le même cycle de recuit 20 conduit à la création plus ou moins planaire de nanocouches qui enveloppent de manière uniforme chaque grain amorphisé. Les dites nanocouches de 3-5-10nm d'épaisseur sont égales, sans aucune faille et inégalités et contiennent de nombreux segtons ordonnés formant ensemble un segmatter qui est un métamatériau basé sur le silicium MTM. 25 Le déplacement limité des atomes de Si à l'intérieur des unités élémentaires requiert une relative très faible énergie par atome déplacé (à peu près 2,5eV par atome.) Un tel déplacement de deux atomes entraine des prolongements des liaisons électroniques qui peuvent capturer et localiser des électrons. Pour devenir techniquement utiles, les défauts doivent contenir de 30 façon permanente 4 électrons capturés où un d'entre eux est faiblement lié. Ceci est possible, par exemple dans un matériau fortement dopé de type n, c'est-à-dire avec un haut niveau de dopage au phosphore (Si:P) Transformations structurelles et conditionnement des segtons : - Transformation de phase par implantation d'ions: cristalline KI amorphisé gl cristalline avec une concentration locale de défauts ponctuels qui seront transformés ultérieurement en segtons durant un cycle de traitement 5 thermique. - interface c-Si/a-Si résultant de l'implantation d'ions: création El lissage gl conditionnement de la segmatter - homogénéisation locale: des phases amorphisées et cristallines à cause d'un cycle de recuit: dissolution des inclusions d'une phase matérielle dans une 10 autre phase. - nanomembranes délimitant la seg-matter: a-Si/c-Si û <a-Si>/<c-Si> - barrière de potentiel (un saut élevé dans la bande de valence) et <c-Si>/<a-Si> changement dans le mode de transport des électrons - processus de conditionnement des segtons par un cycle de recuit: 15 activation de fort dopage. EXPLICATIONS SUPPLEMENTAIRES i) le quasi permanent de l'état de charge électrique doublement négative, c'est-à-dire la disponibilité permanente d'un électron faiblement 20 lié. Pour répondre à ce réquisit, les segtons doivent être plongés dans un environnement fortement dopé de type n d'un semiconducteur c'est-à-dire Si-dopé-P avec la densité de dopage variant entre 1018 et 1021 atomes par centimètre cube. Un tel dopage peut être réalisé de plusieurs façons bien connues, le choix de la méthode dépendant de la conception du 25 convertisseur et du meilleur choix de traitement technologique global. Par exemple 1) par la diffusion par une source surfacique P203 à une température de 850-1000°C pendant 20 à 40 minutes. 2) Par une implantation d'ions dopants P menant à un niveau d'impureté locale maximum près des limites d'implantation. L'énergie d'implantation 30 s'étend entre 10 et 200keV, 3) par un traitement thermique rapide (RTT) à partir d'une surface source P205 à une température de 1000-1250°C durant quelques dixième de seconde. 4) par une recristallisation laser locale de surface d'ions semiconducteurs ayant été antérieurement implantés à faible énergie. Les énergies d'implantation se situant entre 10 et 50keV ; ii) deux différents systèmes de niveaux d'énergie des électrons de base et complémentaire, occupant des espaces géométriques interpénétrés à cause de l'insertion des matériaux à nanoéchelle ; iii) deux différents mécanismes de transport d'électrons à l'entrée et à la sortie des segtons. La sortie est par la bande de conduction et l'entrée est par la bande d'impureté ; cet effet est facilement contrôlé par le dopage de type n et par un champ électrique interne de l'hétéro-interface du type LH de la transition a-Si/c-Si ; iv) le segton permet double action comme un clapet à cause de son niveau d'énergie et de sa position géométrique locale ; le premier aspect (énergétique) permet un mouvement unidirectionnel des électrons dans l'espace énergétique et le deuxième aspect (spatial) dans l'espace géométrique en séparant les uns des autres les électrons sortant ou rentrant. Tableau des bases de la photoconversion améliorée. Objet Opération Convertisseur But principal de la nanostructuration : incorporation de nouveaux mécanismes de conversion dans des convertisseurs Si conventionnels - une introduction efficace de génération secondaire de faible énergie dans l'émetteur du dispositif par une transformation profonde et fine de structure. Conception de sousstructures pour la génération secondaire à faible énergie - cartographie, architecture, superposition. Amorphisation par l'implantation Distribution appropriée de nanoobjets d'ions amorphisés avec des tailles initiales appropriées : insertion des sous structures fournissant au convertisseur in fine des réservoirs de segtons et seg-matter. Traitement approprié - un ou plusieurs faisceau(x), doses d'énergie, angles d'incidence, espèces, l'ordre, recherche d'interactions, conditions, par exemple, température de la cible, mise en forme avec le respect des traitements suivants par une éventuelle superposition de traitements successifs équilibrés du traitement global, traitement antérieur et futur, conditions spécifiques Structure Le(s) cycle(s) de traitement thermique a/ont fait : - en premier lieu de prendre en compte les deux zones voisines sur les deux faces du c-Si/a-Si hétérointerface de façon que leur extrême ne se recouvre pas juste après l'amorphisation - dissoudre ou restructurer des inclusions dans des phases opposées qui sont a-Si dans c-Si et c-Si - relâcher la phase cristalline <c-Si> remplie de nombreux défauts ponctuels et d'uniformiser la phase cristalline du <c-Si> qui entoure d'une façon homogène les objets amorphisés - homogénéiser la distribution de segtons à l'intérieur de la phase cristalline <c-Si> qui peut être plus dense à proximité de l'interface <aSi>/<c-Si> et plus rare à proximité de l'interface <c-Si>/c-Si - bien former, lisser et stabiliser les interfaces c-Si/a-Si - devenir uniforme, alignée et stabilisée à cause des contraintes de dilatation spécialement sur le côté c-Si Dopage de type n En avance ou simultanément à l'amorphisation - activation du fort dopage de type n par un meilleur taux d'ionisation à cause de l'implantation d'ions. Etat de charge électrique Etat de charge doublement négative sous illumination lumineuse. Dynamique extrêmement rapide de rechargement de segton après une génération secondaire. Transport d'électron Transport vertical libre à travers l'émetteur permettant une collecte optimale de porteurs. Équilibre avantageux entre les mécanismes de conduction à travers la bande de conduction et la bande d'impuretés. Caractérisation Optique : caractérisation intermédiaire, par exemple réflectivité, en utilisant des échantillons tests pour des références ou zone dédiée des wafers en procédant sans masque d'implantation ou avec des cheminements dédiés et scannés. Courbes électroniques I(V) 9. L'INVENTION ET SON PROCESSUS DE FABRICATION Pour être techniquement utiles, les segtons doivent être suffisamment nombreux et bien distribués, positionnés dans un nanospace bien défini, 5 conserver leur état de charge utile, permettre le traitement thermique durant la fabrication du dispositif sans le risque de leur effacement ou transformation. Contrairement aux défauts qui sont normalement distribués à faible densité et au hasard dans le semi-conducteur, préférentiellement du matériau silicium, les segtons représentent des objets techniques sont concentrés dans un nano 10 espace dans une nanocouche bien délimitée. Une des meilleures techniques capable de satisfaire les nombreux exigences concernant la mise en forme de segtons est la transition de la phase silicium autour d'une interface amorphisée cristalline c'est-à-dire un contrôle de la recristallisation du silicium préalablement amorphisé. Une transition ordre- 15 désordre à l'échelle atomique mène à des contraintes de dilatation qui permettent le conditionnement d'une hétéro-interface quasi planaire induite par une épitaxie en phase solide adaptée. Le matériau recristallisé a un comportement à dominante cristalline, mais il contient de nombreux atomes déplacés qui sont distribués d'une façon 20 assez uniforme. La recristallisation contrôlée doit respecter plusieurs conditions concernant la recristallisation ou le taux d'épitaxie à l'état solide, température, délais pour conserver de nombreux atomes déplacés dans leur nouvelle position et éviter des dommages structurels résultants, par exemple de mouvement trop violents d'atomes. 25 C'est le seul traitement qui est capable de satisfaire simultanément tous les exigences mentionnées ci-dessus, c'est-à-dire l'implantation d'ions et un traitement thermique bien contrôlé à posteriori ou en temps réel. Ce processus permet une bonne localisation des matériaux transformés du point de vue de l'absorption. 30 La transition hétérointerface a-Si/c-Si rassemble de nombreux segtons jusqu'à une densité de 1020cm3 qui sont piégés à l'intérieur du champ de dilatation ou de contrainte. Ce champ de contrainte joue, au moins, quatre rôles : i) réduit les défauts de recombinaison des bilacunes durant le traitement thermique ii) réduit la mobilité des défauts permettant leur piégeage dans un volume d'espace bien défini et limité iii) permet la conservation des défauts à des températures élevées de 500- 550°C durant la fabrication du dispositif, et iv) ordonne les segtons dans une auto organisation de type super réseau. L'implantation d'ions et les processus suivants permettent l'accomplissement d'autres exigences telles que la double charge négative permanente, la disposition spatiale, le transport d'électrons, etc. Toutes ces transformations mènent à un métamatériau rempli des segtons. L'état de double charge négative d'un segton permet une transition électronique/relaxation entre les défauts/segtons en ce qui concerne les niveaux d'énergie dans la moitié supérieure du band gap du Si et la bande de conduction. La concentration 15 des impuretés de dopage pour un semi-conducteur de type n doit être aussi élevé que 1018 à 1021 atomes par cm3 pour charger et recharger tous les nombreux défauts. La double charge négative techniquement utile doit être renouvelable instantanément juste après une émission et une extraction d'électrons secondaires. 20 En général la fabrication et le conditionnement des segtons doit permettre simultanément : L'implantation d'ions : avec une énergie d'implantation de 10 à 200keV et des doses d'ions par cm2 mène à la création de nanoobjets type, état de charge électrique, densité location dans l'espace géométrique, résultant d'une 25 réorganisation d'atomes dans le réseau cristallin et/ou dans la phase amorphe/amorphisée ; la transformation structurelle menant à une nouvelle phase du matériau résulte d'une accumulation de défauts ponctuels concentrés ou contenus dans un espace spécifique sous la forme d'une nanocouche, par exemple la densité et l'énergie interne de la nouvelle phase situé dans la zone de 30 transition entre les phases cristallines et amorphes est plus faible que celles de son équivalent cristallin. Profil de dopage du type n et suffisamment dense : de 1018 à 1020 atomes par centimètre cube peut être obtenu, par exemple, de deux façons, par la diffusion d'ions de dopage ou par l'implantation adaptée d'ions de dopage. La haute densité spécifique du profil de dopage concerne principalement les substructures enterrées et leur proche voisinage. Modulation du matériau et transformation structurelle : pour obtenir une nouvelle phase au sein du « vieux » matériau bien connu, étant utile dans l'interaction soft lumière matière, on peut par exemple, partir de sa phase cristalline en passant par une transformation locale profonde menant à une modulation spécifique de la position des atomes dans le réseau cristallin. Un tel traitement à l'échelle atomique entraine par exemple, le déplacement de populations d'atomes de leur site d'équilibre dans la cellule cristalline en des sites métastables qui sont habituellement inoccupés. La nouvelle distribution d'atomes doit concerner un nombre d'atomes suffisant. Le processus requis doit permettre une disposition d'énergie locale, comme, par exemple, l'irradiation par un faisceau d'énergie plus ou moins localisé. L'opération est capable de déplacer une population atomique nombreuse occupant un volume spécifique et d'assurer de cette façon une profonde et nécessaire modulation du matériau. Exemple de modulation du matériau par un faisceau d'ion amenant la création de segtons : une irradiation par des ions permettant la modulation requise du matériau est réalisée en plusieurs étapes : - le profil n de dopage par des phosphores, par diffusion thermique à basse température T<1000°C ou une autre méthode tel que l'implantation dopante dans un wafer légèrement ou modérément dopé p c'est-à-dire pré dopé par du bore, - pré conditionnement de la surface du wafer après le processus de diffusion pour permettre un bon contrôle du volume implanté - 50 - 200KeV irradiation par un faisceau d'ions menant à une amorphisation enterrée, possible, par exemple de deux façons, par une auto implantation Si ou par implantation P, - constitution d'excellentes hétérointerfaces c-Si/a-Si par un cycle de recuit thermique par exemple à 500°C, - activation de segtons , - finissions du dispositif, c'est à dire couche AR, passivation électronique, métallisation. 10. EXPLICATIONS AUX MOYENS DE FIGURES On trouvera ci-dessous une brève description de l'invention avec l'aide des figures jointes. Les figures 1 et 2 concernent le modèle spécifique du segton basé sur des défauts conditionnés par des champs physiques symbolisés par des triples 10 flèches (figure 3), qui sont au moins : des impuretés de dopage, un champ électrique interne et un champ de contraintes internes : a) avec tous les atomes en « équilibre » deux d'entre eux seront enlevés ce qui est symbolisé par deux lignes noires incurvées (figure 1), b) sans deux atomes, c'est-à-dire avec un défaut menant à la prolongation 15 de liaisons atomiques traversant les sites des défauts (c, c') qui remplace les liaisons covalentes usuelles a-d, a'-d' et b-b'. Ceci est un état métastable bien conservé à : i) T..250°C quand le matériau est relaxé et ii) '1.550°C - 600°C quand le matériau est sous une contrainte 20 mécanique locale. Une liaison faible est indiquée par une ligne continue noire apparaissant entre les atomes b-b' (figure 2). Ces lignes traversent les défauts c-c'. Il y a trois liaisons faibles équivalentes entre les défauts d-d'. Dans le métamatériau une distorsion de type Jahn-Teller apparaît : symboles dans les figures : 25 coordonnées cartésiennes (x, y, z), [1, 0, 0] orientation des axes cristallins et vecteur P et angle 0. Quatre autres segtons (figure 3) symbolisent le contexte du super réseau ordonné de segton, c'est-à-dire leur distribution à l'intérieur du métamatériau MTM en nanocouche. Les segtons résultent de conditionnement complexe et 30 adaptés de défauts. Le schéma d'un défaut conditionné par un champ physique est symbolisé par la triple flèche : i) un champ électrique interne ii) un champ de contrainte interne et iii) un champ provenant des défauts voisins ; quatre autres segtons symbolisent le super réseau de segton ordonné, c'est-à-dire leur distribution à l'intérieur de la nanocouche MTM.
La figure 4 est une simple représentation générale et schématique du modèle d'un exemple de métamatériau MTM en nanocouche avec variation progressive de la densité de segtons ; la densité la plus haute est la plus proche de la phase amorphe réalisée décroissant vers la phase cristalline. Les figures 5 à 8 montrent le schéma à l'échelle nanoscopique d'une couche Si constituant un système contenant un métamatériau (<c-Si>) de silicium nanostructure qui a été obtenu par dopage, implantation d'ions et traitement thermique adapté (ce dessin n'est pas à l'échelle). Deux couches supérieures (c-Si et <c-Si>), au-dessus de la limite de collecte, représentent un réservoir de surface rempli de porteurs libres résultant du dopage et de la génération première et secondaire par de la lumière. La figure 6 montre un exemple de dispositif avec une architecture planaire contenant une des combinaisons possibles exploitant le système Si en couche nanoscopique avec un métamatériau Si. L'organisation de trois sous structures spécifiques à l'intérieur : de l'émetteur, de la face de base et arrière 20 qui permet une meilleure conversion de composant du spectre solaire spécifique prenant en compte la pénétration moyenne des photons. Le dispositif présenté est doté d'un champ de surface arrière. Les figures 7 et 8 schématisent le sommet d'un wafer cristallin contenant une sous structure enterrée qui est capable de combiner des spécificités 25 optoélectroniques (pas à l'échelle). Les transformations nanoscopiques les plus simples conduisent à la superposition de plusieurs couches spécifiques et particulièrement un métamatériau silicium ; trois nanocouches dénommées <c-Si>, une à l'interface Si02/Si et deux à a-Si/c-Si interface qui sont identifiées dans la figure comme nanostructure active supérieure et inférieure. Un des 30 effets spécifiques, c'est-à-dire le réservoir de porteurs libres de surface, résulte de l'existence de la limite de collecte des porteurs (CCL) qui apparaît à l'interface a-Si/c-Si. Sur le graphe supérieur on a omis l'accumulation de porteurs libres causés par le confinement tandis que le graphe inférieur prend ceci en compte en indiquant de façon plus réaliste les régions de forte absorption de la lumière. Un autre effet spécifique concerne les propriétés de collecte des porteurs libres photogénérés, signalés par collecte de porteurs et des flèches de conduction de courant.
La figure 9 est une coupe, par image TEM, présentant un exemple de sous structure multi-interfaces planaires réalisée par recristallisation contrôlée de la phase amorphisée qui est enterrée par implantation ionique et traitement post implantation dans un Si cristallin. Des détails sont expliqués sur le graphe de droite illustrant le système nanoscopique en 2D en couche de silicium.
La figure 10 est une illustration schématique des bandes d'énergies électroniques et des niveaux d'énergie électronique : a) le silicium intrinsèque b) les nanocouches contraintes cristallines fortement dopés de type n dénommée <c-Si> qui sont deux, une à hétéro interface a-Si/c-Si et une à l'interface superficielle Si02/Si qui contient du Si métamatériau. c) le silicium type n fortement dopé avec une bande spécifique segton. La figure 11 est une illustration schématique de la distribution d'énergie électronique avec un mécanisme additionnel de conversion de la lumière en électricité qui est possible grâce à cette distribution d'énergie électronique : la faible énergie (0,274eV) de l'ionisation par impacte de segton avec l'énergie photonique >1,1 + n x 0,274 eV, où n est un nombre entier qui représente l'ordre de multiplication avec une énergie spécifique de 0,274eV. La multiplication électronique concerne : a) les photons les plus énergétiques permettant trois ordres de multiplication (n=3) tandis que b) les photons les moins énergétiques permettant deux (n=2) ordres de multiplication. La figure 12 illustre la comparaison entre les ordres théoriques de multiplication électronique déterminé sur les bases de i) l'ionisation du réseau silicium par impact ii) multiplication d'excitons avec l'énergie spécifique correspondant à la band interdite indirecte du silicium iii) l'ionisation par impact des segtons de faible énergie.
La figure 13 présente étape par étape le processus complet pour créer des segtons et le groupement des segtons pour former une ou plusieurs nanocouches de segtons. 11. EXEMPLE DETAILLE Un exemple détaillé est présenté ci-dessous avec référence à la figure 13 selon les étapes suivantes. - pré traitement d'un wafer Si avec une orientation cristalline préférentielle 10 (100) et un dopage de type p modéré (bore), - premières opérations sur la face arrière du convertisseur - dopage additionnel de type P formant un BSF, - premières opérations sur la face avant du convertisseur, - dopage de type n par diffusion d'une source surfacique dopante pour créer un 15 émetteur et une membrane interne du photogénérateur telle qu'une jonction PN, - conditionnement de la face avant, avant la séquence d'implantation, gravure, masquage, - amorphisation enterrée à travers des masques d'implantation avec des ions P 20 en utilisant des énergies et doses d'implantation pré déterminées, par exemple entre 50 et 100 KeV et autour de 5x1014 ions par cm2, - mise en forme de l'amorphisation enterrée avec son enrobage de nanocouches <c-Si> remplies de segtons pour obtenir un métamatériau appelé segmatter durant un cycle de l'épitaxie en phase solide, 25 - conditionnement de segton à l'intérieur de la segmatter permettant une bonne distribution des états de charge électrique et de l'exposition aux photons incidents, - opération finale : passivation électronique, métallisation et piégeage de la lumière. 30

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé pour former des unités élémentaires nanométriques appelées segtons à l'intérieur d'un convertisseur lumière-électricité tout en silicium, en particulier une cellule photovoltaïque caractérisé par la succession des étapes suivantes en vue de les former et de les conditionner : a. extraire deux atomes de Si à l'extérieur de la structure cristalline élémentaire en formant un système à deux lacunes appelées bilacunes en focalisant des faisceaux d'énergie : un faisceau d'électrons, un faisceau d'ions ou autres irradiations appropriées, b. placer des segtons en nombre suffisant et bien distribués dans un nano espace bien défini, c. placer les segtons dans la région supérieure de la plaquette de silicium, d. placer de nombreux segtons dans la phase cristalline <c-Si>, e. former une unité d'énergie d'électrons spécifique et utile qui compléter l'énergie fondamentale de bandes du Si pour une photoconversion efficace, f. doper fortement la zone occupée par des défauts et l'espace entourant cette zone pour adopter localement un comportement de type n, g. conserver la population de segtons pendant la durée correspondant à l'élévation de température durant le traitement technologique du convertisseur, h. conditionner la population dense de segtons par des effets physiques superposés par deux champs : électrique et mécanique, un dopage et une exposition adaptée aux photons incidents, i. permettre l'état quasi permanent de double charge négative des segtons, j. assumer deux mécanismes différents de transport d'électrons : sortie par la bande de conduction et entrée par la bande d'impuretés, k. assumer un fonctionnement unidirectionnel des segtons comme un clapet d'énergie, et comme un clapet à géométrie spaciale,.I. assumer un rechargement ultra rapide des segtons provenant d'une conduction des électrons à travers la bande d'impuretés, m. conditionner un centre de génération secondaire d'électrons avec des électrons faiblement liés.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les unités élémentaires nanoscopiques sont placées à proximité de la face supérieure du convertisseur en relation étroite avec les longueurs d'ondes lumineuses converties.
  3. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la concentration locale en impuretés (semi-conducteur de type n) est suffisamment grande pour charger et recharger toutes les nombreuses bilacunes.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par la création de réservoirs de bilacunes qui des amorphisations enterrées à l'intérieur de la région émettrice.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'hétéro interface a-Si/c-Si incorpore de nombreuses bilacunes qui sont piégés à l'intérieur du champ de contrainte provenant de la dilatation.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les amorphisations enterrées sont enveloppées par une nano couche incorporant des bilacunes pendant le processus de dépôt d'énergie.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par les étapes suivantes du processus : - la phase cristalline <c-Si> fourrée de nombreuses bilacunes est relaxée - la distribution de la phase cristalline <c-Si> qui entoure l'amorphisation est quasi homogène
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un conditionnement thermodynamique clair et local de la phase métamatériau.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - le profil de dopage de type n (c'est à dire phosphoreux), par diffusion thermique appelée basse température T<1000°C ou une autre méthode telle que l'implantation par dopage dans la région de la plaquette légèrement ou modérément dopée P c'est-à-dire pré dopée par du bore, - pré conditionnement de la surface de la plaquette après le processus de diffusion pour permettre un bon contrôle du volume implanté, - irradiation par un faisceau d'ion de
  10. 10 - 200 KeV menant à une amorphisation enterrée par une auto implantation de Si ou par une implantation phosphoreuse P, - constitution d'excellentes hétéro-interfaces c-Si/a-Si par un cycle de recuit thermique par exemple à 500°C, - constitution de nano couches de matériau de type métamatériau stabilisées par le cycle de recuit thermique, par exemple à 350 - 450°C, - activation des unités élémentaires, - traitement final du dispositif : couche AR, passivation électronique métallisation. 10. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le précédent dopage de type n (P) est ensuite suivi par une implantation ionique, jusqu'à l'amorphisation locale ou enterrée (P, Si)
  11. 11. Procédé selon la revendication 9 caractérisé par l'utilisation d'une simple implantation ionique jusqu'à une amorphisation enterrée et localisée en utilisant uniquement des ions de dopage P pour aboutir à un matériau fortement dopé et permettre, en conséquence une conduction unipolaire impliquant simultanément la bande d'impureté et la bande de conduction, dans laquelle l'amorphisation produit des hétéro interfaces enterrées a-Si/c- Si et de petites inclusions a-Si dans c-Si et des inclusions c-Si dans a-Si, un cycle de recuit thermique est ensuite mis en oeuvre préférentiellement à environ 500 - 550°C qui prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mèneà une séparation claire des deux phases du silicium cristalline et amorphisée, aussi bien pour des hétérointerfaces planaires précises a-Si/c-Si et le même cycle thermique mène à la création de nanocouches plus ou moins planaires qui enveloppent de façon douce chaque amorphisation de façon à ce que les nanocouches aient 3 à 10nm d'épaisseur et soient uniformes, sans aucun défaut et inégalités et contiennent des unités nombreuses et ordonnées formant ensemble un seg-matter qui est un MTM (métamatériau) basé sur du silicium placé à l'intérieur d'un matériau semi-conducteur fortement dopé de type n c'est-à-dire ayant subi un dopage (Si : P) et qui dans la cellule élémentaire de silicium cristallin est transformé à nanoéchelle en un segton silicium par le déplacement limité d'atomes de Si en dehors de cette cellule élémentaire en utilisant des énergies relativement basses par atome déplacé d'environ 2,5 KeV/atome un tel déplacement de deux atomes mène à des bilacunes ponctuelles introduisant des liaisons électroniques prolongées qui peuvent capturer et localiser les électrons, et cette bilacune devient techniquement utile en ce qu'elle contient de façon permanente quatre électrons capturés avec l'un d'entre eux faiblement lié dans un matériau fortement dopé de type n, qui a subi, par exemple, un fort dopage phosphoreux (Si :P).
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'amorphisation localisée d'un semi-conducteur cristallin précédent est effectuée en utilisant un faisceau d'électrons.
  13. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la transformation structurelle et les unités élémentaires à nanoéchelle ou segtons sont traitées de la façon suivante : - transformation de phase par implantation d'ions dans laquelle une phase cristalline avec une concentration locale de bilacunes est créée, - interface c-Si/a-Si qui résulte de l'implantation d'ions : création Êi lissage conditionnement du seg-matter, - homogénéisation locale de phases amorphisées et cristallines (cycle de recuit) : où il se produit une dissolution des inclusions d'une phase du matériau dans une autre phase,- création de nano membranes délimitant le seg-matter : a-Si/c-Si <aSi>/<c-Si> - barrière d'énergie (grande différence dans la bande de valence) et <c-Si>/<a-Si> - changement du mode de transport des électrons, - processus de conditionnement des segtons par cycle thermique qui mène à l'activation de dopage fort.
  14. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendication précédentes caractérisé en ce que la modulation du matériau menant à la création d'unités élémentaires à nanoéchelle ou segtons par une irradiation ionique permettant la modulation requise du matériau, est realisée en plusieurs étapes : - le profil de dopage initial de type n (par exemple phosphoreux) est obtenu par diffusion thermique dite à basse température T<1000°C dans la plaquette dopée de type P de façon légère ou modérée, par exemple pré dopé par du bore, - pré conditionnement de la surface de la plaquette après le processus de diffusion pour permettre un bon contrôle du volume implanté, - irradiation par un faisceau ionique de 10 - 200 KeV menant à une amorphisation enterrée possible de deux façons : par une auto implantation de Si ou par une implantation de P, - constitution d'une hétéro interface excellente c-Si/a-Si par un cycle de recuit thermique par exemple à 350°C - 450°C - activation des segtons - traitements finals du dispositif : couche AR, passivation électronique métallisation.
  15. 15. Unité élémentaire à nanoéchelle en tant que la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes de procédé, qui représente une unité de cristal de silicium moins deux atomes dans un état de charge électrique négative double couplée à un environnement physique strictement conditionné.
  16. 16. Unité élémentaire à nanoéchelle selon la revendication précédente caractérisée en ce que pour la création de chaque unité élémentaire ou segton, il est procédé à un déplacement limité de deux atomes de Si vers l'extérieur de l'unité élémentaire d'un cristal. 32 3005790
  17. 17. Unités élémentaires selon les revendications 15 à 16 qui sont réalisées à partir d'amorphisations insérées dans un nanoespace localisé à l'intérie l'émetteur près de la face avant du convertisseur. ur de
  18. 18. Unités élémentaires à nano échelle selon l'une quelconque des 5 revendications 15 à 17 caractérisées par le fait qu'elles sont réalisée à de grand nano-objets amorphisés, dans le matériau hôte c-Si. s partir
  19. 19. Unités élémentaires à nanoéchelle selon l'une quelconque des revendications 15 à 18 caractérisées par le fait qu'elles conservent un état de charge électrique quasi permanent à cause de la vitesse ultra rapide de 10 régénération de l'état de charge.
  20. 20. Dispositif de cellule photovoltaïque avec des éléments unitaires selon les revendications précédentes permettant une conversion d'efficacité améliorée provenant du cycle de conversion multi niveaux basé sur l'unité élémentaire à nano échelle qui implique les générations primaires et secondaires. 15
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