FR3008828A1 - Systeme d'architecture et de nanomembranes associees et integrees pour un emetteur de convertisseur tout en silicium lumiere-electricite pour la photoconversion geante et son procede de fabrication - Google Patents

Systeme d'architecture et de nanomembranes associees et integrees pour un emetteur de convertisseur tout en silicium lumiere-electricite pour la photoconversion geante et son procede de fabrication Download PDF

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Patrick Meyrueis
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SEGTON ADT
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Abstract

L'invention concerne l'architecture d'un convertisseur de lumière en électricité caractérisée par un système de nanograins amorphisés, de préférence des nanograins de silicium amorphisés de toute forme, qui sont répandus de manière optimale dans le matériau hôte cristallin, de préférence le silicium cristallin, et sont enveloppés dans une nanocouche de métamatériau appelée « segmatter », et caractérisée par des centres de production secondaires, appelés « segtons », qui sont des bilacunes greffées entièrement ou en partie dans l'émetteur, ce volume étant limité à chaque extrémité par une nanomembrane assurant l'exploitation appropriée de la génération secondaire d'électrons à faible énergie induite par la photoconversion géante impliquant des électrons chauds, les « segtons » et la « segmatter ».

Description

Titre : Système d'architecture incorporant des nanomembranes pour l'émetteur d'un convertisseur lumière-électricité entièrement en silicium en vue de la photoconversion géante et sa méthode de fabrication 1) DEFINITION DE L'INVENTION L'invention se rapporte à une architecture spécifique, préférentiellement pour un convertisseur de la lumière en électricité tout silicium, qui exploite la photoconversion géante avec un arrangement de régions enterrées efficaces, de sous-systèmes, ou sous-structures contenant un système en nanocouche(s) avec un métamatériau de silicium appelé « segmatter ». Le procédé de fabrication pour le produire est également décrit. L'invention a trait à des nanomembranes enterrées, qui procurent 15 l'avantage d'un nouveau degré de liberté. Ces nanomembranes enterrées forment un sous-système actif ayant des propriétés additionnelles à l'intérieur du semiconducteur l'entourant. L'invention a aussi trait à une méthode pour exploiter la génération secondaire de porteurs additionnels collectables en général, et particulièrement 20 dans le cas présent, de convertisseurs tout silicium pour les radiations solaires. 2) DEFINITION DES TERMES ET EXPRESSIONS Les définitions et abréviations suivantes sont utilisées dans la description. 25 Métamatériau concerne un matériau artificiel, dans le cas présent un dérivé du silicium qui présente des propriétés physiques significativement différentes de celles du matériau naturel correspondant, tout en conservant sa propriété chimique originale. Plus spécifiquement, il peut s'agir de couches continues ou 30 discontinues, mais aussi d'un champ de perles ou grains de n'importe quelle forme et qui est conçu ici pour avoir une grande absorption optique, une forte non linéarité optique, une génération/conversion secondaire à faible énergie, une multiplication de porteurs libres à faible énergie, particulièrement d'électrons et une potentialité spécifique de transport d'électrons. 35 Segton est l'unité élémentaire de génération secondaire d'électrons obtenue à nanoéchelle (Secondary Electron Generation Tuned On Nanoscale), c'est-à-dire une entité conditionnée au niveau élémentaire avec son propre système de niveaux d'énergie électronique pour une conversion lumière/électricité efficace et multi niveaux. Il a l'avantage d'une photogénération à faible énergie et d'une multiplication et génération de porteurs libres additionnels, préférentiellement d'électrons, comme cela est décrit et protégé par des brevets déposés. Plus généralement, il permet également la superposition d'un ensemble extrêmement utile de niveaux d'électrons extrinsèques qui est optimisé pour la conversion du spectre solaire en électricité. Seg-matter est un métamatériau basé sur des segtons, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un matériau permettant la conversion lumière/électricité, constitué en lu principe, ae segtons, aistrinues ae raçon nomogene aans un super reseau immergé dans un environnement physique délimité par des nanomembranes comme cela est décrit, et protégé par des brevets déposés. La seg-matter permet d'exploiter l'avantage que procure l'ensemble de la distribution des niveaux d'énergie des segtons. Au-delà, le super réseau appelé seg-matter constitue un 15 arrangement optimal de segtons dans la forme d'une, de deux, ou de multiples couches superposées. Cette unité d'un super réseau à l'échelle nanoscopique d'unités élémentaires est constituée et conditionnée sur la base d'une unité cristalline élémentaire du réseau silicium incluant un défaut ponctuel appelé bilacune. Les segtons sont avantageusement couplés à leur environnement 20 physique conditionné, et sont positionnés convenablement pour l'absorption de la lumière incidente. Nanocouche de seg-matter est constituée par l'espace semi-conducteur occupé par le matériau silicium transformé de façon homogène (métamatériau) qui 25 enveloppe une inclusion amorphisée dans le réseau cristallin. Nanomembrane est l'hétérointerface entre des nanocouches (positionnée verticalement, horizontalement, parallèlement à la surface, plus ou moins sphérique ou non) sur laquelle les modifications du modèle de bande, du type de 30 dopage, du mode de conduction etc... peut intervenir. Par exemple, l'interface entre la seg-matter et le silicium cristallin est caracterisee par une moaincation du mode de transport des électrons. La photoconversion géante est la photoconversion renforcée par une 35 génération secondaire à faible énergie pour permettre une exploitation optimale de l'énergie contenue dans le spectre solaire. a-Si : silicium amorphisé <a-Si> : phase amorphisée avec une modification physique 40 c-Si : silicium cristallin <c-Si> : phase cristalline avec modification physique <c-Si>/a-Sii<c-Si> : système à trois couches enterrées à l'échelle nanoscopique Si-nc : nanocristal de Si Bilacune : défaut ponctuel dans un semi-conducteur formant une unité structurale spécifique BSF : champ arrière de surface BSF interface : interface de type LH (Low-High ; faiblement-fortement dopé) résultant d'une modification abrupte ou graduelle de la densité des impuretés dopantes.
Nano grains amorphisés : agrégats amorphisés ou nanogroupes de matière amorphisée, préférentiellement du silicium, qui sont incorporés à l'intérieur d'un matériau cristallin par une méthode appropriée.
Nanostructures intégrées : nanograins amorphisées, recouverts d'une nanocouche de seg-matter, où le métamatériau est capable de fournir de nombreux électrons secondaires provenant de collisions d'électrons chauds rendues possibles par leur distribution optimale à l'intérieur du convertisseur, préférentiellement à l'intérieur de l'émetteur.
Conversion PV : conversion photovoltaïque en électricité PL : photoluminescence PC : photo courant ARC : couche anti réflexion Architecture multicouche : concept développé autour de celui des étapes couplées de la conversion lumière/électricité ; une étape concerne la gestion complexe de la lumière, la seconde porte sur la conversion spécifique lumière/électricité, chaque étape peut concerner plusieurs couches pour effectuer ses taches spécifiques. Etapes couplées : ciblent les mêmes composants du dispositif qui opère indépendamment des taches spécifiques, mais avec une coordination entre elles.
Gestion complexe de la lumière : plusieurs opérations sur la lumière incidente pour favoriser sa transformation énergétique utile en conversion spécifique lumière/électricité, pour la récolter, la séparer en sous spectres lesquels sont contrôlés et transformés en longueur d'onde adaptées, en utilisant le guidage, pour la concentration et la focalisation. 3 00882 8 4 Traitement intelligent : une conversion lumière/électricité qui intervient quand une photoconversion simple tout ou rien résultant de l'interaction photon-électron est remplacée par une absorption de photons énergétiques suivie de plusieurs interactions électron-électron, à plus faible énergie aboutissant à la 5 multiplication de porteurs. Conversion de la lumière en électricité : transformation de l'énergie de la lumière en énergie électrique. 10 Rigidité quantique : il y a deux aspects spécifiques, d'une part la limite imposée par la transition d'électrons à travers la bande interdite du semi-conducteur qui limite l'énergie minimale d'absorption et d'autre part le principe qu'un photon absorbé égale un électron généré. 15 Génération et multiplication de porteurs libres à faible énergie : l'énergie optimale de la génération secondaire d'électrons dans le silicium est à peu près 0,3 eV ; ainsi, il y a deux modes de génération à faible énergie possibles, i) direct, quand le photon absorbé génère un électron chaud qui, à son tour génère des électrons secondaires et ii) indirect quand l'énergie de la radiation est absorbée 20 par des porteurs libres et est ensuite transmise à des électrons additionnels secondaires résultant des collisions avec des segtons. Transport d'électron modulé : les transports d'électrons accélérés par un champ électrique, à proximité des centres de génération secondaire causée par : 25 i) un champ électrique interne et ii) les arrangements géométriques à l'intérieur du semi-conducteur (déviation locale, ajustements, altérations). tonecte intelligente ae porteurs nomes : collecte ae porteurs libres exploitant la spécificité locale de mouvements d'électrons, altération du mode de transport 30 et des arrangements géométriques. Ordre de multiplication : nombre maximal d'électrons secondaires qui peuvent être générés par un photon d'énergie donné. 35 IR : radiation infra rouge qui ne peut pas être convertie par le semi-conducteur à cause de sa bande interdite. UV : radiation ultraviolette constituée de photons énergétiques générant exclusivement une paire électron-trou de porteurs chauds qui est de façon principalement ou totalement (quand la recombinaison de surface apparaît), transformée en chaleur. 3) CHAMP D'APPLICATION DE L'INVENTION Le cnamp a application oc cette invention est prereramement cenn aes convertisseurs en silicium lumière/électricité destinés à produire de l'électricité à parTir ae 1a iumiere au spectre solaire. L'innovation accroit les performances des convertisseurs développés 10 antérieurement en ajoutant des sous-systèmes spécifiques et efficaces aux convertisseurs fabriqués actuellement qui sont perçus comme des systèmes hôtes. 4) ETAT DE L'ART 15 L'état de l'art est illustré par les deux brevets antérieurs WO 2012/131496 et WO 2010/0896624. La limite de la conversion de la lumière solaire en énergie électrique dans les dispositifs à semi-conducteur est relativement faible (32%) à cause de la 20 transparence des semi-conducteurs dans l'IR et l'utilisation partielle de l'énergie photonique dans le bleu-UV. Ce rendement est calculé en prenant en compte un équilibre détaillé, un seuil d'absorption de bande interdite, et un équilibre thermique entre électrons et phonons. Quand l'énergie inutilisée des électrons est convertie en porteurs libres par génération secondaire à faible énergie (0,3eV), le 25 rendement à l'énergie solaire, augmente jusqu'à plus de 60%. Ceci implique de contourner l'affirmation usuelle qu'un photon produit une paire électron-trou. Cette affirmation ne s'applique pas quand il y a génération d'électrons aaaitionneis aans un processus Impliquant un niveau a energie extrinseque et la bande de conduction. 30 L'effet photovoltaïque dans les dispositifs actuels est basé sur une jonction unique, ou une multijonction, dans des dispositifs planaires à semi-conducteur. Cette simple architecture utilise des matériaux naturels qui sont quelques fois légèrement modifiés. Les progrès dans le rendement de la conversion PV nécessitent des percées en optoélectronique. Compléter la conversion PV en une 35 étape en ajoutant de nouveaux mécanismes à faible énergie à la conversion PV en une étape actuelle est un des importants défis des procédés modernes photovoltaïques. Pour accroitre le rendement pratique qui est actuellement en dessous de 20%, des dispositifs Si, les modifications suivantes ont été appliquées : 40 i) structures en gradiants pour des flux contrôlés d'énergie, ii) interfaces et multicouches pour le transfert unidirectionnel d'énergie, iii) transfert d'énergie dans des bi et multi couches, iv) photoconversion géante : rendement quantique >100% résultant de la très 5 haute efficacité du cycle de multiplication de porteurs libres à faible énergie (des efficacités quantiques expérimentales se situant à environ 130% pour certaines énergies de photons ont été mesurées). 5) NOUVEAUTES ET NECESSITES 10 La nouveauté du présent convertisseur lumière/électricité consiste en une architecture adaptée pour bénéficier de nouveaux effets ayant trait à la génération et la multiplication de porteurs secondaires, et consiste aussi en des systèmes à nanomembranes incorporées, et la collecte de porteurs qui leur sont 15 associés. Le résultat est la photoconversion géante. Le succès de l'invention dépend de méthodes de fabrication bien définies. L'innovation combine les performances des convertisseurs conventionnels industrialisés précédemment, avec les performances de sous-systèmes spécifiques insérés à l'intérieur du dispositif hôte. La solution est basée sur une 20 insertion appropriée dans le matériau cristallin hôte de sous-systèmes appropriés prenant la forme de grains simili amorphes qui sont enveloppés par un système multicouche à nanoéchelle contenant une nanocouche active de segmatter. Pour éliminer des effets indésirables, les sous-systèmes sont effectivement 25 séparés du matériau environnant par un système à nanomembranes qui permet, par exemple des circulations unidirectionnelles de charges électriques et une séparation effective des centres de recombinaisons. Les nanomembranes peuvent aussi délimiter des parties spécifiques en les distinguant par la densité ou le profil de leurs impuretés dopantes comme les jonctions LH 30 (faiblement/fortement dopé). Le système des grains modulaires amorphisés est bien adapté au mono cristal Si conventionnel. L'endroit préférentiel pour de telles transformations peut être, relativement facilement optimisé pour améliorer les performances du système global. De nouveaux composants de dispositifs PV (photovoltaïques) tels 35 les segtons, la seg-matter, et les grains amorphisés, travaillent en synergie avec le matériau cristallin du silicium ou à base de silicium grâce à des systèmes actifs à nanomembranes. Un tel arrangement permet par des étapes successives complémentaires, d'obtenir des effets plus ou moins imbriquées agissant sur trois niveaux distincts 40 et bien contrôlés : - Génération - segton, - Extraction/régénération - seg-matter, - Collecte - dispositif entier. Comme la pénétration de la lumière à l'intérieur du convertisseur est non linéaire, l'intensité de la génération secondaire additionnelle résultante varie dans l'émetteur avec la profondeur. Ainsi, l'espace actif correspondant du convertisseur doit être correctement structuré du point de vue des segtons et de la seg-matter en considérant simultanément le transport indispensable d'électrons.
Une différentiation et une optimisation de l'architecture du convertisseur est possible en prenant en compte la composition spectrale de la lumière solaire. Des systèmes amorphisés bien conçus exposent de façon optimale leur segtons et seg-matter à l'absorption non linéaire de la lumière ayant pénétrée, permettant en même temps une collecte non perturbée de porteurs. Un bon arrangement de l'espace du convertisseur permet une interaction optimale entre les photons et la seg-matter à travers des électrons chauds. Deux types principaux de sous-structures enterrées sont possibles. Pour les UV avec faible pénétration de la lumière, alors un émetteur actif mince, le concept principal peut être basé sur une structure planaire horizontale avec une disposition en rubans. Pour la lumière visible avec une pénétration plus importante donc un émetteur actif plus épais, le concept principal peut être basé sur une structure planaire verticale avec des arrangements en rubans. Une optimisation effective adapte le convertisseur à différentes composantes spectrales de façon à améliorer son efficacité. La méthode de fabrication du système à simili grains à l'intérieur de l'émetteur du convertisseur exploite simultanément : i) une différenciation du dopage de l'émetteur quand les grains amorphisés sont répandus à l'intérieur d'une zone plus fortement dopée placée à une profondeur adaptée, ii) la forme latérale des grains enterrés est imposée par les masques d'implantation ou une focalisation adaptée des ions incidents (faisceau d'électrons) et iii), leur forme verticale est due à une énergie d'implantation variable (implantation multiénergie avec des traitements thermiques spécifiques et adaptés) avec des faisceaux d'ions amorphisants. La méthode de fabrication principale permet l'insertion non perturbante de grains amorphisés à l'intérieur du matériau cristallin du dispositif conçu de façon conventionnelle, en utilisant des technologies de fabrication bien connues. Ceci est réalisé par un faisceau d'énergie focalisée d'ions ou d'électrons transformant localement un ordre cristallin qui est finalement complété par un traitement thermique adapté. 6) LES FONDEMENTS THEORIQUES L'invention concerne simultanément des effets physiques, des matériaux, et des procédés de fabrication pour augmenter significativement le rendement de 5 la conversion lumière/électricité. Le principe un électron-un photon, ne s'applique pas quand il y a génération d'électrons additionnels dans un processus impliquant des niveaux d'énergie extrinsèques et la bande de conduction. Nous montrons ici qu'un convertisseur complémentaire va refroidir des électrons chauds générés par 10 des photons énergétiques en exploitant un métamatériau silicium avec un système de membranes enterrées dans l'émetteur à l'interface c-Si/a-Si. Du point de vue de la photoconversion il y a trois modes d'interaction de photons avec la matière : transmission, conversion en flux d'électrons (quand l'énergie du photon est proche de la bande interdite ), et conversion conjointe en 15 flux des phonons et d'électrons (quand l'énergie du photon est clairement au-dessus de la bande interdite ). Les photons énergétiques produisent deux flux : un flux d'électrons -> courant collectable, un flux de phonons -> énergie thermique perdue. Les énergies des photons se traduisent par une multiplication de porteurs, le cycle de multiplication est caractérisé par le rapport entre l'énergie 20 additionnelle des photons à l'énergie spécifique des segtons E3 (la valeur moyenne de E3 est 0,274eV). Un processus multiétapes permet la conversion de photons énergétiques dans une population d'électrons. L'énergie cinétique non utilisée des porteurs chauds photogénérés atteint une sous-structure enterrée, avec un système silicium en couche à nanoéchelle, elle est transférée à des 25 électrons en proche équilibre, collectables dans le circuit externe. Le cycle de conversion multiétapes commence avec la génération primaire (absorption de photons), puis continue, avec une génération secondaire par de multiples collisions d'électrons chauds avec des segtons (grâce au mécanisme spécifique basse énergie). Pour garantir un état permanant de charge électrique 30 des segtons, intervient un mécanisme spécifique qui est absolument nécessaire de transport d'électrons à l'intérieur de la seg-matter à travers les nanomembranes les délimitant (interface). Le remplacement des charges dépend du temps extrêmement court des constantes intervenant dans la dynamique des segtons (rechargement). 35 Le cycle de multiplication dépend de la dynamique de la population concernée de porteurs qui doit être prise en considération situant la seg-matter à l'intérieur du convertisseur, préférentiellement à l'intérieur de l'émetteur. Ainsi, un des moyens possibles est la superposition des effets désirés à l'intérieur d'un volume limité et convenablement localisé à l'intérieur de l'émetteur, sous- volumes, pour assumer des conditions optimales pour le cycle efficace et complet de la photoconversion géante. La modulation locale du matériau utilise simultanément plusieurs interactions physiques, telles que la variation de la structure du matériau, le fort 5 dopage en impuretés, les zones de transition des interfaces de semi-conducteurs, les champs locaux de contraintes, le champ électrique local, le transport local d'électrons, l'effet d'écran électrique effectif et des fonctionnalités bien définies de composants actifs convenablement arrangés. La modulation du matériau ainsi conçu, préserve le comportement classique du convertisseur dû par exemple, à 10 des taux adaptés de facteurs géométriques, effets d'écran utile pour des défauts, extraction non perturbée d'électrons libres, aussi bien que des mécanismes spécifiques de transport d'électrons. En utilisant l'analogie des puits quantiques, on peut dire que la bande interdite du silicium est contrôlée par le confinement de porteurs dans des 15 nanoobjets semi-conducteurs artificiels, c'est-à-dire des segtons, qui se comportent comme des atomes individuels ou des molécules. S'ils sont assez proches pour permettre une probabilité élevée de collision, des niveaux d'énergie semblables à ceux des électrons apparaissent dans le modèle de bande d'un matériau semi-conducteur. Ceci donne naissance à une nouvelle version d'un 20 matériau semi-conducteur avec des propriétés électriques et optiques qui sont ajustées en réglant la taille de la seg-matter, la densité de segtons et la disposition de la seg-matter à l'intérieur du convertisseur. Une membrane sépare les porteurs ayant la même charge électrique (électrons) mais des énergies cinétiques différentes, c'est-à-dire des électrons chauds se différenciant des 25 électrons dans un état de quasi équilibre. Des sous-structures actives sont enterrées dans des parties de l'émetteur qui se distinguent par leur densité de dopage plus élevée par rapport à leur voisines. Cette invention présente une réalisation pratique de la production évoquée de façon théorique concernant le brillant futur de la conversion lumière-30 électricité à haut rendement en utilisant des nanocristaux semi-conducteurs enterrés dans des matrices de semi-conducteurs. Les transformations nanostructurées de semi-conducteurs, préférablement du Si conduisent à des nano-objets appelés segtons, ressemblant à des nano-cristaux et leur métamatériau correspondant appelé seg-matter. 35 Une partie de la fonctionnalité renforcée est assurrée par des nanomembranes actives qui séparent de façon appropriée les sous grains insérés, de leur environnement. De tels nano systèmes occupent une part relativement peu importante du volume du convertisseur, étant essentiellement groupés dans l'émetteur, plus précisément dans une partie de l'émetteur. De cette façon, les 40 membranes permettent d'éviter des effets indésirables résultant de l'insertion 10 -43008828 d'un corps étranger composé de grains actifs. En d'autres termes, les sous-systèmes insérés sont pratiquement invisibles pour le système hôte, sauf pour une addition non perturbée des performances du métamatériau aux performances des composants conventionnels du convertisseur.
En raison des solutions originales qui n'ont jamais été utilisées auparavant et qui reposent sur des grains peu nombreux, le concepteur du dispositif a beaucoup de liberté dans la conception du convertisseur et son optimisation. Le système ou sous-système à nanomembranes incorporées permet la transformation d'un matériau semi-conducteur entier, en particulier et 10 préférentiellement du silicium, par addition de composants nanostructurés. Les inclusions en forme de grains apportent localement les propriétés physiques nécessaires pour moduler suffisamment profondément le matériau hôte en tenant compte du nombre, de la forme, de la position, de la taille et de la profondeur nécessaire pour les centres de génération et les transports 15 d'électrons correspondant autour d'eux. L'architecture modulaire permet un arrangement optimal des composants du convertisseur interagissant avec des électrons chauds par une distribution ajustée de la seg-matter. L'amélioration du rendement de la conversion lumière/électricité couvre aussi une excellente collecte de tous les électrons 20 (primaires et secondaires) générés à l'intérieur du convertisseur. 7) PROBLEMES RESOLUS PAR L'INVENTION Le principal objectif de l'invention est de surmonter le mauvais ajustement 25 fondamental de tous les convertisseurs au spectre solaire menant de façon inévitable à une conversion très partielle, peu efficace, de l'énergie de la lumière en électricité. Le faible rendement de conversion est le résultat de méthodes et d'instruments inappropriés. Aujourd'hui, la conversion lumière/électricité est dominée par un procédé 30 en une étape, et une étape seulement, et l'interaction tout ou rien. Un autre aspect de la conversion se situe dans la distribution spectrale de la lumière solaire et dans la rigidité de la mécanique quantique concernant les convertisseurs à semiconducteur existant. De nouveaux mécanismes de conversion modifient le phénomène d'absorption-génération d'une étape en un cycle multi étapes de 35 génération primaire et secondaire, transformant le processus en un processus d'interactions appropriées. Ceci devient possible, maintenant, grâce à des arrangements spécifiques avec plusieurs composants actifs impliqués dans différentes étapes du cycle de conversion. Une photoconversion multiétapes dans un des convertisseurs 40 lumière/électricité devient possible par interaction à trois niveaux 11 -3008828 complémentaires : segtons, seg-matter et de façon ultime le dispositif complet. Les grains modulables de l'amorphisation ayant des formes, dimensions et distribution spécifiques utiles, sont disposés selon un arrangement optimal dans le matériau cristallin de l'émetteur selon une densité de dopage modulée. 5 En dépit des contraintes, il y a une certaine liberté pour la conception du dispositif et son architecturequi peut être développée à partir de briques technologiques. Différentes variantes permettent une adaptation optimale en respectant le spectre solaire et ses spécificités ainsi que les nécessités de la fabrication. 8) LES AVANTAGES DE L'INVENTION L'invention a trait tout d'abord au silicium qui est un très bon matériau candidat (abondant, technologiquement mature, et à faible empreinte 15 environnementale). Il est transformé sans effet secondaire effectif sur l'empreinte écologique à nanoéchelle. Le convertisseur lumière/électricité qui va être décrit doit être construit sur ces bases. Il est particulièrement intéressant de noter que le « vieux » silicium ou silicium recyclé, peut être fourni ainsi avec un nouvel ensemble de niveau d'énergie rendu accessible par une sous-structure active 20 contenant des segtons. Les nouveaux dispositifs peuvent être fabriqués en utilisant des machines communes dans la fabrication de dispositifs microélectroniques et optoélectroniques. De cette façon, l'accroissement relatif du coût de fabrication de dispositifs à photoconversion géante reste raisonnable considérant 25 l'amélioration de la conversion. 9) RESUMES DE L'INVENTION ET DES FONCTIONS Cette invention a trait à une architecture spécifique pour la conversion 30 lumière/électricité et la méthode pour obtenir un dispositif pour l'exploitation pratique de la photoconversion géante qui devient possible par un système de nanomembranes insérées. Des composants comme les segtons, la seg-matter et les amorphisations, coopèrent de façon efficace avec la structure cristalline du silicium hôte, ou du semiconducteur à base de silicium. 35 La multiplication d'électrons par générations collisionnelles ou du type collisionnel en fonction de la longueur d'onde excitatrice, permet une nouvelle approche de la conversion lumière/électricité par l'association de nouveaux mécanismes multiétapes qui évitent les pertes d'énergie par thermalisation des électrons chauds.
La photoconversion géante résulte de phases successives d'effets complémentaires plus ou moins imbriqués qui peuvent être classées en trois niveaux bien contrôlés : segton, seg-matter, et dispositif final. L'addition d'un métamatériau silicium à l'intérieur de l'émetteur conduit à une cellule simili tandem multipliant où un convertisseur complémentaire est inclus dans un dispositif conventionnel. Les membranes internes séparent : i) des porteurs de différents signes (électrons-trous), ii) des porteurs de différentes densités et iii) les mêmes porteurs (électrons) de différentes énergies. Elles complètent le système basé sur les électrons chauds par des centres de faible énergie (extrinsèque) du métamatériau en rendant maximale la section efficace de diffusion. Les grains amorphisés sont mis en forme et convenablement distribués à l'intérieur de l'émetteur par : i) le masquage ou la focalisation des faisceaux d'ions d'implantation (mise en forme horizontale) et ii)le processus d'implantation multi énergie (mise en forme verticale). Une optimisation de l'arrangement des sous-structures cristallines actives à l'intérieur du matériau cristallin de l'émetteur devient ainsi possible. Le traitement thermique adéquat mène à un enveloppement des grains enveloppés par une nanocouche de seg-matter. Le coeur de l'invention repose sur une interaction optimale entre les photons et la seg-matter à l'aide des électrons chauds. D'une part l'ingénierie du matériau cristallin utilisant des défauts structurels et l'interaction des porteurs libres avec la matrice produit d'importantes transformations physiques de c-Si usuels menant à des métamatériaux Si. D'autre part, la superposition de mécanismes de conversion plus ou moins bien connus place l'absorption d'un seul photon en haut d'un cycle de conversion, c'est-à-dire que l'on obtient ainsi le procédé multiétapes. De façon analogue, on peut citer le cycle de pompage des lasers à semi-conducteur suivi par une émission de lumière, nécessitant plusieurs niveaux d'énergie. 10) BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures incluses sont destinées à une meilleure compréhension de la présente invention.
Figure 1 représentation schématique d'exemples de formes de grains amorphisés insérés dans un matériau cristallin : 1) avec une nano plaquette horizontale, 2) avec une nanoplaquette verticale, 3) nanosphère, 4) forme trapézoïdale avec une grande face avant, 5) forme trapézoïdale avec une face avant étroite. D'autres formes sont possibles telles que ovoïdes, avec des profils en T, D ou C. Les nanograins amorphisés (avec une taille de quelques dizaines de nanomètres) mentionnés comme a-Si sont entourés par un revêtement de segmatter, c'est-à-dire un métamatériau, comme décrit dans des brevets déposés par les mêmes inventeurs. La taille des grains amorphisés est de l'ordre de dizaines de nanomètres. Les dessins ne sont pas à l'échelle.
Figure 2 est une vue de la section de la région de l'émetteur et de la partie supérieure de la base qui montre des exemples de nanosystèmes enterrés contenant des nanostructures de nanograins revêtus, disposés selon différents arrangements (a, b, c, d, e, f). Ces figures représentent quelques-uns des nombreux arrangements de nanostructures enterrées possibles avec la présente invention. Ces nanostructures résultent de la méthode ci-dessus mentionnée. Des grains amorphisés sont formés préférentiellement dans la région de l'émetteur avec un faisceau d'électrons amorphiseur et ensuite traités par une succession de cycles thermiques. Les dessins ne sont pas à l'échelle.
Figure 3 est une coupe d'une petite partie du matériau avec un système à nanomembranes enveloppant les grains amorphisés. Les nanomembranes sont représentées par des lignes noires continues verticales : a) deux types de nanomembranes apparaissent : une entre <c-Si> et c-Si, b) zone de transition entre deux limites d'une nanomembrane planaire, c) zone de transition entre deux limites d'une nanomembrane courbe. L'interface entre la seg-matter et le silicium cristallin (<c-Si>/c-Si) est caractérisée par une modification du mode de transport des électrons.
Figure 4 est une représentation schématique d'un système à nanomembranes résultant d'un changement de champ physique à l'intérieur d'un semiconducteur. Deux transitions principales existent en passant d'un constituant à un autre précisément localisé, i) la transition abrupte (NMabrupt) et ii) la transition graduelle où la limite de transition est déterminée de manière arbitraire (NMgradual)- Figure 5 est une représentation schématique qui illustre la relation entre les barrières de potentiels effectives pour des électrons et des trous pour pénétrer dans le matériau amorphisé en avant et en arrière des nanomembranes NMphase et MNfield- Symboles utilisés : - NMphase est la nanomembrane résultant des hétérointerfaces a-Si/c-Si (<c-Si>) apparaissant entre les différentes phases du même matériau semiconducteur préférentiellement du silicium, NMfield est la nanomembrane à l'hétérointerface c-Si/<c-Si> à la limite du champ de défaut où le système de niveaux d'énergie des segtons existent d'un coté, et n'existent pas de l'autre coté - Ebe est la barrière de potentiel effective pour les électrons pénétrant dans le matériau amorphisé - Ebb est la barrière de potentiel effective pour les trous pénétrant dans le matériau amorphisé - Egc est le gap du côté cristallin - Ega est le gap du côté amorphisé - EF est le niveau de Fermi d'un matériau silicium dopé de type n - CB et VB sont respectivement les bandes de valence et de conduction. Figure 6 est un graphique schématique qui illustre un exemple de deux nanomembranes aux limites de la jonction PN graduelle avec des limites de 15 transition graduelle déterminées de façon arbitraire. - NMdoping-p est la nanomembrane résultant de transition graduelle PN du côté de type p ; des interfaces c-Si(p)/c-Si(n) apparaissent entre différents niveaux de densité de dopage dans le même matériau semi-conducteur, par exemple le silicium, 20 - NMdoping___n est la nanomembrane résultant de la transition graduelle PN du côté de type n ; des interfaces c-Si(n)/c-Si(p) apparaissent entre différents niveaux de densité de dopage dans le même matériau semi-conducteur, par exemple le silicium, - Ec, Ev and EF sont respectivement le fond de la bande de conduction, le 25 haut de la bande de valence, respectivement du côté p (indice additionnel p) et du côté n (indice additionnel n) et les niveaux de Fermi. Figure 7 est une image de la section efficace verticale à travers l'émetteur d'un échantillon obtenu par un microscope électronique par transmission, avant le 30 cycle de traitement thermique. La figure montre deux parties distinctes ; la partie gauche représente une zone de transition supérieure et la partie droite représente une zone de transition inférieure entre deux phases Si, cristalline et amorphisée, apparaissant aux deux extrémités de la même couche amorphisée enterrée juste après son amorphisation par faisceau d'ions. Les inclusions 35 cristallines bien visibles à l'intérieur du Si amorphisé confirment, qu'à ce niveau, le système est fortement désordonné et que, à ce stade du traitement, le système de nanomembranes n'existe pas. Figure 8 est une image de la section efficace verticale à travers l'émetteur d'un 40 échantillon obtenu par microscope électronique à transmission après la ;. 3008828 formation de nanomembranes. Cet exemple illustre la transformation des zones de transition entre deux phases différentes de même matériau (cristallin et amorphisé) vu sur la figure 7, après un cycle de traitement thermique spécifique, dans un système de nanomembranes bien déterminé (voir Figure 3). La figure 5 montre deux parties différentes, la partie gauche représente la zone de transmission supérieure et la partie droite représente la zone de transition inférieure entre deux phases Si, cristalline et amorphisée, apparaissant aux extrémités de la même couche amorphisée enterrée. Les nanomembranes entre a-Si et <c-Si> sont abruptes (elles sont indiquées par des flèches orientées vers le 10 bas). Les nanomembranes entre <c-Si> et c-Si sont graduelles (elles sont arbitrairement indiquées par des flèches orientées vers le haut. L'interface entre la seg-matter et le silicium cristallin (<c-Si>/c-Si) se caractérise principalement par la modification du mode de transport des électrons. 15 11) DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Pour accroitre le rendement de la conversion lumière/électricité dans le silicium, celui-ci doit faire l'objet d'une transformation qui mène à la création d'unités élémentaires dénommées segton à partir de défauts structuraux,-lesquels sont normalement non souhaités, distribués au hasard et de façon éparse. Après leur conditionnement, ces unités élémentaires sont distribuées comme un super réseau formant un métamatériau appelé seg-matter. Les variables les plus importantes sont : nature, densité, nombre et concentration locale de défauts ponctuels (bilacunes) occupant la position appropriée dans l'espace du convertisseur. La photoconversion géante peut être exploitée dans des sous-structures à un ou plusieurs niveaux d'un simple arrangement uniforme ou multiforme comprenant des objets de différentes formes et dimensions (sphérique, horizontale, blocs verticaux, plaques, piliers) qui peuvent être ajustés à un domaine spectral donné (par la profondeur, la forme, la superposition, voir Figure 1). Une telle structure complexe devient faisable à partir de modulations locales du matériau à nanoéchelle qui sont rendues possibles par un dépôt précis et/ou la focalisation du faisceau d'énergie incidente intervenant lors de la fabrication du dispositif.
Par analogie, l'arrangement des grains amorphisés (ressemblant à des objets de type nanocristal) à l'intérieur du matériau cristallin hôte (c-Si), peut être comparée à la localisation de nanocristaux à l'intérieur d'un diélectrique. Dans les deux cas, un ensemble de niveaux d'énergie électronique est réglé de façon à obtenir une interaction efficace avec le spectre solaire (voir Figure 2).
Le système de grains amorphisés doit contribuer : - à une section efficace optimale de capture de segtons déchargés par rapport à leur distribution de niveaux d'énergie et au spectre solaire - à la distribution optimisée de niveaux d'énergie au niveau des nanomembranes en respectant la bande d'impuretés, la bande des segtons et la bande de conduction - aux champs électriques internes dirigés de manière utile permettant une conduction unipolaire/unidirectionnelle à partir des grains amorphisés vers leur environnement - au transport électronique unipolaire résultant de l'injection et de l'extraction locale à travers des nanomembranes - mode local de transport électronique à l'intérieur et à l'extérieur de la nanocouche de seg-matter - à l'injection extrêmement rapide d'électrons dans la seg-matter due à la nature ondulatoire des interactions d'électrons entre les niveaux d'impuretés et les sites de segtons - à la coexistence de plusieurs sous populations d'électrons différenciées par la distribution de leur énergie moyenne (occupation des niveaux d'énergie) et la distribution spatiale à l'intérieur du convertisseur - à la distribution adaptée des niveaux d'énergie d'impuretés dopantes et de niveau d'énergie des segtons permettant des transitions tunnel à partir des niveaux des impuretés vers les niveaux des segtons - à l'attraction ou à la répulsion sélective (du point de vue de l'injection d'électrons et de l'extraction des électrons) des électrons aux limites des nanocouches de seg-matter - aux mécanismes sélectifs : ° même position spatiale - énergies différentes ° même énergie - différentes positions spatiales - à la distribution adaptée des niveaux d'énergie dans la bande d'impuretés (effet d'écran et de filtrage sur les électrons) - niveau libre des segtons à Ec - 0,41 eV et le niveau d'impuretés à Ec - 0,07eV - avec étalement descendant des niveaux d'impuretés dans la bande d'énergie - à la coexistence de différentes sous populations d'électrons à l'intérieur et à l'extérieur de la seg-matter - au confinement de sous populations d'électrons dans la seg-matter : i) chaud/tiède - nature corpusculaire - multiplication - effets de rapidité intermédiaire, ii) équilibre - nature corpusculaire - effets à rapidité faible - extraction, iii) impureté/segtons - nature ondulatoire - effets à forte rapidité - régénération de segtons - à la domination des évènements de capture de photons en dehors de la segmatter (les évènements électroniques sont négligeables) et à la domination des évènements électroniques à l'intérieur de la seg-matter (les évènements liés aux photons sont négligeables). Dans la première étape de fabrication, l'amorphisation produit des inclusions irrégulières, prenant la forme de grains de différentes formes tels que les nanoplaquettes, les nanopiliers, les nanobilles, enterrés à l'intérieur du matériau cristallin. Les nanograins sont irréguliers et en lambeaux avec des hétérointerfaces a-Si/c-Si grossières et des zones de transition a-Si/c-Si relativement épaisses avec de petites inclusions a-Si dans c-Si et de petites inclusions c-Si dans a-Si (voir Figure 7).
Le cycle de recuit suivant, préférentiellement à une température de 500- 550°C, prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mène à une séparation claire des phases silicium cristallines et amorphisées aussi bien qu'à l'établissement d'hétérointerfaces a-Si/c-Si abruptes, planaires, sphériques, ou plus ou moins courbées (voir les images de la Figure 8 et schéma de la Figure 3).
A ce niveau le dispositif comprend des sous systèmes bien disposés et ordonnés lesquels sont répandus dans le matériau hôte de l'émetteur. Il est très important que le même cycle de recuit conditionne les nanocouches de seg-matter et les matrices ordonnées de segtons. Les nano couches ayant 3-10 nm d'épaisseur de seg-matter, un matériau à base de silicium, sont uniformes et enveloppent, de manière régulière, sans défauts et inégalités, les grains amorphisés à l'intérieur du silicium fortement dopé de type n (dopage phosphoreux, Si : P). Les nombreuses interfaces entre semi-conducteurs crées durant le processus de fabrication peuvent être associées avec des nanomembranes qui 25 sont des sous systèmes spécifiques assurant différentes fonctionnalités. Ceci peut mener par exemple à un changement de concentration en dopant ou au changement du principal mécanisme de transport d'électrons, en les croisant d'un côté à l'autre. Le mode local de transport d'électrons peut être altéré en passant d'une nature bipolaire à une nature unipolaire. La conduction à l'intérieur d'une 30 nanocouche semi-conductrice, délimitée par des nanomembranes, peut être assurée exclusivement par des électrons. Dans cette situation sont impliqués uniquement les niveaux d'énergie et les bandes d'énergie combinant les mécanismes reliés aux électrons tandis que les trous sont totalement exclus. La nanomembrane permet des transitions d'électrons d'un ensemble à l'autre ayant 35 des niveaux d'énergie différents et qui sont séparés spatialement. Une nanomembrane à semi-conducteur peut résulter : i) de la superposition de deux phases du même matériau, ii) de la différence de dopage par des impuretés (type, densité), iii) de la superposition de deux matériaux différents (hétéro structure) et iv) de l'insertion d'une nanocouche spécifique. Un 40 autre type de nanomembrane semi-conductrice résulte de la distribution locale d'effets physiques. Par exemple, à une interface de semi-conducteur (hétérointerface) des champs physiques internes (mécanique, électrique), sont usuellement présents. La modification du mode de conduction à la nanomembrane affecte 5 également la recombinaison locale de porteurs minoritaires. Une nanomembrane bien conditionnée assure un effet d'écran électrique pour les centres de recombinaison reliés aux zones de l'amorphisation où des défauts ont été insérés. Par analogie avec la conduction d'une jonction PN, la continuité du courant est assurée au niveau de la nanomembrane, par la recombinaison locale de 10 porteurs arrivant de différentes régions et non pas par la transition sur le même niveau d'énergie dans la même bande d'énergie. De cette façon la permutation entre les transports unipolaire et bipolaire d'électrons apparaît. L'épaisseur de la nanocouche de métamatériau (nanocouche <c-Si>) est déterminée par la contrainte locale interne résultant de la dilatation induite par 15 la recristallisation durant la phase d'épitaxie solide. Les résultats expérimentaux (rayons X, LEED, microscope électronique) montrent que du côté cristallin (bien visualisé par les techniques disponibles) l'épaisseur de la nanocouche de métamatériau est de l'ordre de 3-10 nm. Un exemple de système à nanomembranes est représentré sur la Figure 3. Les points principaux sont : 20 la nanomembrane c-Si/<c-Si> qui sépare la phase cristalline Si, contenant et ne contenant pas de segtons ; chaque côté contient un ensemble différent de niveau d'énergie des électrons et un mode de conduction différent qui est bipolaire dans c-Si (bandes de conduction et de valence) et 25 unipolaire dans <c-Si> (bandes d'impureté et de conduction) la nanomembrane c-Si/<c-Si> est plongée dans le champ électrique interne induit par l'interface <c-Si>/a-Si (résultat de la marche de bande de valence ; accumulation/déplétion de trous, jonction de type LH) la nanomembrane <c-Si>/a-Si sépare le matériau cristallin <c-Si> du 30 matériau amorphisé (a-Si) ; chaque côté contient un ensemble différent de niveaux d'énergie électronique et un mode différent de conduction qui est bipolaire dans a-Si (bandes de conduction et de valence avec leur queues) et unipolaire dans <c-Si> (bandes de conduction et d'impuretés). 35 12) PROCESSUS DE FABRICATION La fabrication utilise la superposition de couches épitaxiées et autres processus technologiques tels que les traitements par laser, par faisceaux d'électrons, par faisceaux d'ions, recuit thermique, processus reliés à l'épitaxie.
L'exploitation nécessite des conditions spécifiques et une optimisation. Le concept basique du convertisseur et de ses composants peut être optimisé pour des parties de spectres solaires, principalement du point de vue du rendement de conversion, des coûts de fabrication, des faisceaux de lumière directe ou diffusés, des zones actives petites ou grandes. L'architecture préférentielle est basée sur des réservoirs de bilacunes qui consistent en des grains amorphisés insérés dans l'émetteur du convertisseur lumière/électricité. Ces bilacunes occupent une nanocouche qui enveloppe chaque grain amorphisé après un traitement approprié. La nanocouche seg- malter comprenant des segtons est immergée dans divers champs physiques présents à l'hétéro interface a-Si/c-Si. Les grains amorphisés peuvent prendre différentes formes telles que des nanoplaquettes, des nanopiliers, des nanosphères ou autres formes. Les réservoirs peuvent former des sous-structures à un ou plusieurs niveaux, ayant 15 une géométrie simple ou multiforme incluant des objets de différentes formes et dimensions : sphériques, blocs horizontaux ou verticaux, plaques, piliers qui peuvent être ajustés pour une étendue du spectre solaire donnée (par la profondeur, la forme, la superposition,...). Par analogie, l'arrangement de grains amorphisés (objet ayant des similitudes avec de grands nanocristaux) à 20 l'intérieur du matériau hôte (c-Si) peut aussi être comparé à la localisation de nanocristaux de silicium à l'intérieur d'un diélectrique. Dans les deux cas un ensemble de niveaux d'énergie d'électrons est adapté à une interaction efficace avec le spectre solaire. La seg-matter doit être placée dans l'émetteur, préférentiellement près de 25 la face avant du convertisseur, en relation étroite avec la longueur d'onde de la lumière convertie. Une méthode de transformation à nanoéchelle capable de remplir plusieurs des conditions requises est basée sur l'amorphisation locale d'un semi-conducteur antérieurement cristallin en utilisant un faisceau d'ions. Ce traitement permet une bonne localisation du réservoir pour les défauts ponctuels 30 (phase amorphisée) dans l'espace du dispositif, et peut mener à une auto organisation dans un super réseau ordonné obtenu par les contraintes mécaniques internes provoquées par des forces de dilatation induites à l'interface c-Si/a-Si. Il y a au moins deux méthodes possibles de réalisation : 35 - traitement en deux étapes : dopage de type n (P) antérieurs suivi par une implantation d'ions jusqu'à l'amorphisation locale enterrée (P, Si), - une implantation simple par ions jusqu'à l'amorphisation locale enterrée en utilisant exclusivement des ions dopant (P). Les deux méthodes mènent à un matériau fortement dopé, et permettent 40 comme conséquence, une conduction unipolaire impliquant simultanément les bandes d'impuretés et de conduction. Le choix dépend d'un ajustement fin au spectre solaire converti. L'amorphisation peut être réalisée avec des masques d'implantation utilisant une variation plus ou moins continue de l'énergie et des doses d'implantation. Un bon contrôle des conditions d'implantation, densité de courant et température des cibles correspondantes ce qui permet une modulation très utile du matériau. Le procédé doit être complété par un cycle convenable de traitement thermique. La première étape d'amorphisation produit des grains amorphisés enterrés et internes (nanoplaquettes, nanopiliers, nanosphères) avec des hétérointerfaces a-Si/c-Si grossières et en lambeaux et de petites inclusions a-Si dans le c-Si et des inclusions c-Si dans la a-Si. Le traitement thermique suivant, préférentiellement à 500-550°C prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mène à une séparation nette des deux phases silicium (cristalline et amorphisée) aussi bien qu'à une hétérointerface planaire a-Si/c-Si abrupte. Le même cycle de recuit thermique mène à la création de nanocouches plus ou moins planaires qui enveloppent étroitement chaque grain amorphisé. Ces nanocouches d'une épaisseur de 3-10 nm sont uniformes sans défauts ou inégalités. Elles contiennent des segtons en grand nombre convenablement ordonnés formant la seg-matter qui est un métamatériau à base de silicium. Pour devenir techniquement utiles, les bilacunes doivent contenir de façon permanente quatre électrons capturés (un d'entre eux étant faiblement lié). Ceci est possible dans un matériau de type n fortement dopé c'est-à-dire qui a subi un fort dopage au phosphore (Si:P). Une des meilleures techniques capables de remplir les nécessités de la mise en forme des segtons intervient durant la transition entre des phases silicium amorphisée-cristalline autour d'une hétérointerface. C'est-à-dire une recristallisation d'un matériau cristallin préalablement amorphisé. La phase cristalline contient des atomes déplacés avec une « mémoire » de leur position antérieure dans le réseau cristallin.
Par une recristallisation dans laquelle l'énergie nécessaire pour la transformation est relativement basse, une partie des atomes déplacés reste dans leur nouveau site tandis que la phase devient cristalline avec de nombreux défauts ponctuels. Le matériau recristallisé à un comportement à dominante cristalline mais contient de nombreux atomes déplacés distribués, plutôt uniformément. La recristallisation doit respecter plusieurs conditions concernant la recristallisation (épitaxie en phase solide) : vitesse, température, délais après amorphisation pour conserver un grand nombre d'atomes déplacés dans leur nouvelle position et pour éviter des dommages additionnels non souhaités résultant par exemple de mouvements atomiques trop violents.
Une telle modulation du matériau doit satisfaire les conditions optimisées finales de l'architecture du convertisseur, c'est-à-dire la forme de tous les sous-systèmes enterrés d'un point de vue de l'absorption et de la conduction. Ce traitement assure une bonne localisation des matériaux transformés à l'intérieur du convertisseur. Ceci est le seul traitement capable de satisfaire simultanément toutes les obligations mentionnées ci-dessus, c'est-à-dire l'implantation suivie d'un traitement thermique bien contrôlé. L'hétérointerface a-Si/c-Si rassemble de nombreuses bilacunes (avec une densité pouvant atteindre 1020 par cm-3), qui sont piégés à l'intérieur du champ de contrainte résultant de la dilatation (tension). Cette contrainte localisée a quatre rôles : i) elle réduit la recombinaison des bilacunes, ii) elle réduit la mobilité des bilacunes en permettant de les piéger dans un volume bien défini, iii) elle permet une conservation des bilacunes à des températures exceptionnellement élevées (500-550°C) durant le processus de fabrication du dispositif et iv) elle positionne la distribution de bilacunes dans un super réseau auto ordonné. La même hétérointerface a-Si/c-Si installe la nanocouche de seg-matter dans le champ électrique bien dirigé (type LH - résultat de la transition à partir 20 de la zone faiblement vers la zone fortement dopée), qui extrait les électrons secondaires juste libérés à l'extérieur de la nanocouche de seg-matter. L'implantation d'ions et le traitement qui le suit permet l'accomplissement d'autres obligations pour les segtons, comme l'état permanent de double charge négative, la disposition spatiale, le transport d'électrons, etc. toutes ces 25 transformations mènent à un métamatériau réalisé à partir de segtons. La double charge négative des segtons permet une transition à basse énergie des électrons entre le niveau d'énergie des bilacunes/segtons se trouvant dans la moitié supérieure de la bande indirecte Si et la bande de conduction. La concentration d'impuretés dopantes (semi-conducteur de type n) doit être suffisamment 30 importante pour charger et recharger les nombreuses bilacunes. L'état de double charge négative qui est techniquement utile doit être instantanément renouvelable, juste après une émission/extraction d'un électron. Toutes les obligations mentionnées ci-dessus transforment la bilacune (objet physique singulier) dans le segton (objet technique obtenu sur la base de bilacunes avec 35 son environnement et conditionnement approprié) qui fournit les niveaux d'énergie appropriés occupés par des électrons faiblement liés. En général, la fabrication/conditionnement d'un convertisseur lumière/électricité doit permettre simultanément : . Une implantation d'ions pour permettre la création de nanoobjets spécifiques (type, état de charge électrique, densité, localisation, position dans l'espace géométrique,...) qui résulte de la réorganisation d'atomes du réseau cristallin (et/ou de la phase amorphe/amorphisée). La transformation structurelle menant à une nouvelle phase de matériau résulte d'une accumulation de défauts ponctuels compris dans un espace spécifique (nanocouche) ; par exemple, la densité et l'énergie interne de la nouvelle phase est inférieure à celle de sa contrepartie cristalline, ce qui pourrait permettre de la classer quelque part entre les phases cristallines et amorphisées. De plus, ce procédé doit produire une localisation correcte du matériau transformé, du point de vue de l'architecture du convertisseur. . Un profil de dopage suffisamment dense de type n et qui peut être obtenu de deux façons, par la diffusion d'ions de dopage ou par un dopage adapté par implantation d'ions. La haute densité du profil de dopage réfère spécifiquement à la sous-structure enterrée et son proche voisinage. Il y a d'autres techniques qui permettent un bon contrôle du profil et de niveau de dopage dans l'émetteur telles que différents dépôts épitaxiaux avec différentes configurations des couches déposées. . Modulation du matériau et transformations structurelles : Pour obtenir une nouvelle phase à partir de « vieux » matériau classique bien connu, utile pour des interactions sophistiquées lumière/matière, on peut partir de la phase cristalline par une transformation locale en profondeur menant à une « modulation » spécifique des sites atomiques dans le réseau cristallin. Un tel processus à l'échelle atomique aura, par exemple, comme résultat, de déplacer quelques atomes de leur site d'équilibre dans la maille cristalline élémentaire, vers des sites métastables habituellement non occupés. La nouvelle distribution atomique métastable doit permettre la création d'un système par un faisceau d'ions plus ou moins focalisé. L'opération est capable de déplacer une grande population atomique dans un volume spécifique et assure de cette façon la modulation profonde du matériau. . Modulation du matériau entrainant les créations de segtons : Ll'irradiation par faisceaux d'ions permettant la modulation requise du matériau peut être réalisée en plusieurs étapes : 1) un profil de dopage initial de type n (phosphore) par « diffusion thermique à 35 basse température » avec T<1000°C dans une plaquette (homogène et légèrement ou modérément dopé p) (par exemple pré dopé par du bore), 2) pré conditionnement de la surface de la plaquette après le processus de diffusion pour permettre un bon contrôle du volume implanté, (t 3008828 23 3) irradiation par un faisceau d'ions à 50-200KeV menant à une amorphisation, enterrée possible de deux façons par une auto implantation du Si ou par implantation P, 4) constitution d'une excellente hétérointerface c-Si/a-Si par un cycle thermique 5 de recuit à 500°C, 5) constitution de nanocouches avec un métamatériau par un cycle thermique de recuit à 350-450°C, 6) activation des segtons, 7) traitement final du dispositif (dépôt de couche A-R, passivation électronique 10 métallisation). Transformations : - transformation de phases (implantation d'ions) : cristalline -> amorphisée -f cristalline avec des défauts ponctuels concentrés conditionnés 15 ultérieurement en segtons - interface c-Si/a-Si (implantation d'ions) : création lissage ii seg-matter - homogénéisation locale de phases cristallines et amorphisées (cycle de recuit) par dissolution des inclusions - conditionnement des nanomembranes délimitant la seg-matter : a-Si/c-Si 20 -> a-Si/<c-Si> - marche/barrière d'énergie (fort décalage dans la bande de valence) et <c-Si>/a-Si - changement du mode de transport des électrons - conditionnement/traitement des segtons (cycle de recuit) : activation de fort dopage.
25 Les bases de la photoconversion améliorée. Résumé. Objet Opération convertisseur - principaux buts de la nanostructuration; insertion de nouveaux mécanismes efficaces au sein des convertisseurs Si plutôt conventionnels - une efficace génération secondaire de faible énergie - insertion de structures appropriées dans l'émetteur du dispositif (profondeur et structure fine adaptées) - concept de sous structures pour la génération secondaire de faible énergie - cartographie, architecture, superposition Ifil implantation d'ions amorphisante - répartition de nano objets amorphisés appropriés de dimensions initiales adéquates : grains/inclusions/sous structures dotant le convertisseur de réservoirs de segtons et de seg-matter - procédé approprié - un ou plusieurs faisceaux, énergies, doses, angle(s) d'incidence, espèces, ordre, interactions, conditions (par exemple, température de la cible), formation en fonction de procédés successifs (éventuelle superposition des traitements successifs - les étapes de procédés antérieurs et postérieurs, conditions spécifiques structure - les cycle(s) de traitement thermique doivent: - former les zones des deux côtés de l'hétérointerface c-Si/a-Si pour ordonner leur extrême désordre apparaissant juste après l'amorphisation - diluer ou restructurer les inclusions de phases opposées (a-Si dans c-Si et c-Si dans a-Si) - secréter la phase cristalline <c-Si> riche de nombreux défauts ponctuels et lisser la répartition de la phase cristalline <c-Si> uniformément autour des objets amorphisés - uniformiser la répartition des segtons à l'intérieur de la phase cristalline <c-Si> (celle-ci peut être plus dense à proximité de l'interface a-Sikc-Si> et moins dense à côté de l'interface <c-Si>/cSi) - lisser et stabiliser les interfaces c-Si/a-Si - aligner et stabiliser la contrainte de dilatation (particulièrement côté c-Si) dopage de type-n - avant ou simultanément à l'amorphisation - activation du dopage fort de type-n (meilleur taux d'amorphisation avec l'implantation d'ions) état de charge - état de charge permanent doublement négatif sous illumination - la dynamique extrêmement rapide du rechargement des segtons après la génération secondaire transport - transport électronique vertical libre à travers l'émetteur permettant une collecte optimale électronique - pondération avantageuse entre les mécanismes de transport de la bande de conduction et de la bande d'impuretés - optique: caractérisation intermédiaire (par exemple la réflectivité) à l'aide d'échantillons calibrés de référence ou d'une zone dédiée de surface de la plaquette (sans masques d'implantation ou des pistes de caractérisation balayage) - électronique : courbes I(V) Exemple du processus général étape par étape # Opération Description 1 plaquette de silicium cristallin c-Si 2a dopage de type-p homogène - faible ou modéré c-Si (type -I)) 2b dopage arrière de type-p créant le BSF (champ de la face arrière) C-Si (type -p ) 3 fort dopage non linéaire de type-n réalisé par diffusion d'une source superficielle ; création de la membrane interne telle que la jonction PN C-Si (type-n ) C-S1 (type -P) 4 préparation de la surface avant la séquence d'implantation - 26 c-Si ) ( type ) a*-Si n-type) implantation amorphisante avec un faisceau d'ions à travers un masque créant une sous structure enterrée (a*- Si) 1-.-- _: a** Si 1 (n-type) c-Si (type -I) ) Ï épitaxie en phase solide résultant du cycle de recuit (a**-Si) <c-Si> nana Iayers conditionnement de segtons au sein de la seg-matter c-Si type - passivation électronique; métallisation; piégeage de la lumière c-Si (type -p La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ici, mais englobe toutes les variantes, alternatives, et changements 5 qui peuvent être opérés sans sortir ni de la portée ni du cadre de l'invention.

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS1. Système comprenant une architecture et des membranes associées incorporées pour l'émetteur d'un convertisseur tout silicium caractérisé par des nano sous systèmes insérés basés sur des nanograins amorphisés ou des nanoagrégats de différentes formes enveloppés dans une nanocouche de métamatériau appelée seg-matter en interaction forte avec un environnement physique proche qui est basé sur plusieurs nanomembranes délimitant des sous volumes actifs qui sont groupés et conditionnés pour former un arrangement de nanostructures actives et enterrées à l'intérieur du silicium cristallin, entièrement ou seulement partiellement à l'intérieur du volume modulé de l'émetteur qui permet une exploitation appropriée de la génération secondaire d'électrons à faible énergie induite par la photoconversion géante, et est caractérisé par le volume de l'émetteur où les nanostructures sont groupées et qui est délimité à une extrémité par la surface du semi-conducteur et à l'autre extrémité par la jonction PN, où est divisée entre ces deux extrémités dans une structure épitaxiée multicouche ou d'autres composants différents dopés de façon adaptée pour permettre la meilleure formation et le meilleur conditionnement de sous-systèmes fonctionnels à l'intérieur d'une partie du volume de l'émetteur.
  2. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les nano sous systèmes sont constitués de nanograins amorphisés, ou de nanograins amorphisés de silicium amorphisé qui sont formés de façon optimale et répandus à l'intérieur du silicium cristallin matériau hôte, et par le fait qu'ils sont enveloppés d'une nanocouche de métamatériau, et par le fait qu'ils sont caractérisés par des centres de génération secondaires appelés segtons, qui sont des bilacunes greffées entièrement ou uniquement partiellement à l'intérieur du volume de l'émetteur.
  3. 3. Système selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que les nanograins amorphisés, préférentiellement de silicium, sont insérés, répandus, distribués, ou déposés à l'intérieur de l'émetteur et qu'ils sont capables de secréter localement dans le semi-conducteur cristallin les nanocouches de seg-matter, qui sont dotés d'une population de segtons suffisamment dense, et enveloppés par une nanocouche de seg-matter secrétée et caractérisée par le fait que les formes des nanograins amorphisés sont des nanoplaques horizontales ou verticales ou des nanosphères ou des nanotrapèzes, ou des nanoT ou des nanooeufs ou d'autres formes géométriques, ce système d'architecture comprenant unarrangement de grains amorphisés qui sont de grands objets ressemblant à des nanocristaux, des grains amorphes enterrés, des nanoplaques, des nanopiliers, des nanobilles avec des hétérointerfaces a-Si/c-Si grossières et en lambeaux et de petites inclusions a-Si dans c-Si et des inclusions c-Si dans a-Si dans le matériau hôte c-Si qui peut être comparé à la localisation de nanocristaux de silicium dans le diélectrique. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les nanograins amorphisés sont insérés, disposés ou répandus dans un arrangement selon une disposition qui respecte une interaction optimale entre des photons et la nanocouche <c-Si> à travers des électrons chauds. Système selon la revendication précédente caractérisé par le fait que les nanograins amorphisés sont disposés selon une disposition d'au moins une simple couche dans laquelle les nanograins amorphisés sont approximativement à égale distance les uns des autres. Système selon la revendication précédente caractérisé par le fait que les couches de métamatériau sont multiples et que la disposition de chaque couche est décalée à partir de la disposition de la couche proche. Système selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 caractérisé par le fait que la densité des nanograins amorphisés et enveloppés est à peu près uniforme sur tout le volume désiré ou est décroissante à partir de la face avant. Système selon les revendications précédentes 1 ou 2 caractérisé par le fait que les groupes enveloppés de nanograins sont présents entre deux nanomembranes séparant deux régions de différentes concentrations en impuretés dopantes qui permet la meilleure fonctionnalité des segtons et le transport local d'électrons. Système selon les revendications précédentes 1 ou 2 où le volume amorphisé est utilisé comme une source capable de sécréter de la segmattér qui enveloppe les nanograins précédemment amorphisés formant une sous-structure interne dans le convertisseur. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes pour créer à l'intérieur d'un convertisseur lumière/électricité un système d'architecture et de nanomembrane de nanograins amorphisés recouvert par une nanocouche d'un métamatériau dans un espace à l'intérieur de l'émetteur cet espace étant divisé par des nanomembranes séparant différentes sous-régions dopées selon n'importe laquelle des revendications précédentes et caractérisée par l'utilisation d'une technique à énergie focalisée pour l'implantation d'ions qui est pratiquée avec un grand nombre de foyers dans le volume souhaité de l'émetteur en nombre À4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 40 11. 10 12. 13. 15 20 14. 25 15. 30 16. 35 17. 18. 40 aussi élevé que le nombre de nanograins amorphisés devant être crées, cette étape étant suivie par un procédé de recuit qui forme une nanocouche d'un métamatériau autour de chaque nanograin amorphisé. Méthode pour créer un système d'architecture et de nanomembranes d'un convertisseur lumière/électricité qui comprend les étapes de former ou de construire dans la région de l'émetteur des nanograins amorphisés dont la surface extérieure est transformée formant ainsi une nanocouche de métamatériau et une interface entre la nanocouche de métamatériau et le matériau de base en silicium cristallin de l'émetteur. Méthode pour fabriquer des nanograins amorphisés horizontaux et verticaux formant des sous structures enterrées, distribuées avantageusement dans, préférentiellement, du matériau silicium cristallin pour son utilisation dans des convertisseurs lumière/électricité. Méthode pour fabriquer un convertisseur lumière/électricité comme revendiqué ci-dessus avec l'architecture spécifique améliorée selon l'une quelconque des revendications précédentes adaptée à une seg-matter insérée et déployée de façon optimale dans un dispositif tout silicium, spécialement des cellules photovoltaïques, comprenant des transformations à nanoéchelle permettant la génération d'électrons secondaires à faible énergie, adaptés au spectre solaire et de répartir la seg-matter à l'intérieur du convertisseur à partir d'insertions locales d'une phase amorphisée du matériau hôte. Méthode selon la revendication 10 caractérisée par la création de réservoirs sécrétant de la seg-matter à l'intérieur du convertisseur lumière/électricité selon n'importe laquelle des revendications précédentes. Méthode selon la revendication 10 caractérisée par l'optimisation de la génération secondaire par arrangement/localisation de sous-structures à un niveau ou à de multi niveaux enterré(s) avec des sources de seg-matter déployées et orientées. Méthode selon la revendication 10 caractérisée par la production de sous structures actives utilisant des flux d'énergie orientée et focalisée qui permettent le dépôt de doses d'énergie dans des espaces localisés et bien déterminés du dispositif. Méthode selon la revendication 10 caractérisée en ce que sont répandus horizontalement ou verticalement des nanograins amorphisés de formes préférentielles à des profondeurs optimales de façon à pouvoir secréter localement de la seg-matter comportant une densité suffisante de Segtons. Système d'architecture avec membranes intégrées associées selon la revendication 1 caractérisé par différentes interfaces semiconductrices
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11437532B2 (en) * 2017-06-01 2022-09-06 Segton Advanced Technology Method for the production of a light-to-electricity converter made entirely from silicon for a giant photoconversion

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3005790A1 (fr) * 2013-05-14 2014-11-21 Segton Advanced Technology Elements nanostructures formes a l'interieur d'un materiau silicium et procede de fabrication pour les realiser

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2722612B1 (fr) * 1994-07-13 1997-01-03 Centre Nat Rech Scient Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obteu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif
ES2880800T3 (es) * 2009-02-06 2021-11-25 Segton Advanced Tech Métodos para producir material fotovoltaico capaz de sacar provecho de fotones de alta energía
ES2737977T3 (es) 2011-03-25 2020-01-17 Segton Advanced Tech Convertidor fotovoltaico con estructura de emisor mejorada basada en componentes de silicio y un método para la producción del convertidor fotovoltaico
JP5745958B2 (ja) * 2011-07-07 2015-07-08 トヨタ自動車株式会社 光電変換素子
WO2014130868A1 (fr) * 2013-02-21 2014-08-28 The Governing Council Of The University Of Toronto Dispositifs photovoltaïques comportant des nanoparticules plasmoniques
FR3005790A1 (fr) * 2013-05-14 2014-11-21 Segton Advanced Technology Elements nanostructures formes a l'interieur d'un materiau silicium et procede de fabrication pour les realiser

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11437532B2 (en) * 2017-06-01 2022-09-06 Segton Advanced Technology Method for the production of a light-to-electricity converter made entirely from silicon for a giant photoconversion

Also Published As

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