FR3040822A1 - Procede de fabrication d'un dispositif a jonction electronique et dispositif associe - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif à jonction électronique, le dispositif à jonction électronique (3) comprenant une structure de passivation de surface (10, 20) en couche mince sur une surface (1, 2) d'un substrat (4) de silicium cristallin, la structure de passivation de surface (10, 20) ayant une épaisseur déterminée et comprenant au moins une couche mince (11, 12, 21, 22) d'un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin. Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : a) Irradiation ionique de la structure de passivation de surface (10, 20) par un faisceau d'ions (30), en évitant lors de cette irradiation de générer des défauts dans le substrat cristallin ; et b) suite à l'étape a) d'irradiation ionique, recuit thermique du substrat (4) et de la structure de passivation de surface (10, 20), à une température comprise dans une gamme s'étendant de 175°C à 530°C. Un dispositif à jonction électronique obtenu suivant ce procédé est également décrit.

Description

Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention concerne de manière générale le domaine de la fabrication de dispositifs à jonction électronique sur substrat cristallin, utilisés notamment dans les cellules photovoltaïques ou dans des dispositifs microélectroniques.
Elle concerne plus particulièrement la fabrication de dispositifs microélectroniques ou de cellules solaires à hétérojonction sur substrat de silicium cristallin, ci-après désigné aussi par la formule c-Si.
Elle concerne en particulier la passivation de surface du silicium cristallin, et l’amélioration de la tenue en température d’un dispositif électronique à base de silicium cristallin comprenant une structure de passivation de surface.
Arriere-plan technologique
Le silicium cristallin, en particulier le silicium mono- ou poly-cristallin, est le matériau le plus utilisé pour la fabrication de circuits intégrés en microélectronique, de dispositifs opto-électroniques ou de cellules solaires à haut rendement.
La passivation de surface du silicium cristallin a pour objet de réduire la densité des défauts de surface.
On connaît notamment du document A.G. Aberle « Surface passivation of crystalline Silicon solar cells: A review», Prog. Photovolt. : Res. Appl., 2000, 8, pages 473-487, différentes méthodes de passivation de surface appliquées pour la fabrication de cellules solaires à base de silicium cristallin.
Une première méthode de passivation consiste à former une couche d’oxyde thermique en surface du c-Si. L’oxyde thermique permet une excellente passivation de surface mais requiert une température élevée d’environ 1000°C. D’autres méthodes de passivation à basse température (<500°C) ont été développées. En particulier, une méthode efficace de passivation de surface consiste à déposer par plasma (PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition) à une température d’environ 200 °C un empilement de deux couches de silicium amorphe hydrogéné (ou a-Si :H) formé d’une première couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque (a-Si :H (i)) et d’une seconde couche de silicium amorphe hydrogéné dopé de type n ou de type p. Cette méthode permet d’obtenir une hétérojonction à couche mince intrinsèque atteignant une efficacité de conversion de plus de 20%, comme décrit dans le document de brevet US 6,380,479.
Les paramètres de dépôt du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) par la technique PECVD ont été optimisés pour obtenir une bonne passivation. Il a été tout d'abord montré qu'il fallait éviter une relation d'épitaxie entre la couche déposée et le substrat cristallin (H. Fujiwara and M. Kondo, « Impact of épitaxial growth at the heterointerface of a-Si:H/c-Si solar cells », Appl. Phys. Lett. 90, 013503, 2007 ; U.K. Das étal., « Surface passivation and heterojunction cells on Si (100) and (111) wafers using DC and RF plasma deposited Si:H thin films », Appl. Phys. Lett. 92, 63504, 2008).
Une autre étude a ensuite montré qu'une épitaxie de la couche amorphe intrinsèque ne nuisait pas toujours à la passivation si la jonction était abrupte. Il faut toutefois éviter de déposer une phase mixte cristal/amorphe avec une interface aléatoire (J. Damon-Lacoste and P. Roca i Cabarrocas, « Toward a better physical understanding of a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells », J. Appl. Phys. 105, 63712, 2009). Des conditions de dépôt de l'amorphe proches de celles pour un dépôt micro-cristallin permettent d'obtenir une passivation optimale (A. Descoeudres étal., « The silane déplétion fraction as an indicator for the amorphous/crystalline Silicon interface passivation quality », Appl. Phys. Lett. 97, 183505, 2010).
On peut aussi introduire de l'oxygène dans la couche de silicium amorphe hydrogéné pour éviter l'épitaxie (H. Fujiwara et al., «Application of hydrogenated amorphous Silicon oxide layers to c-Si heterojunction solar cells », Appl. Phys. Lett. 91, 133508, 2007). Un traitement par plasma d'hydrogène des couches de silicium amorphe pendant le dépôt du film ou a posteriori peut aussi permettre une amélioration de la passivation. D’autre part, la réalisation des électrodes de contact est effectuée après la passivation de surface du silicium cristallin. La réalisation d’une telle électrode de contact repose sur un dépôt d’une couche métallique, par exemple par sérigraphie, précédé éventuellement d’un dépôt d’une couche transparente conductrice, par exemple une couche d’un oxyde d’indium et d’étain (ITO, pour Indium Tin Oxide) ou une couche d’oxyde de zinc (ZnO). Cette étape est généralement effectuée à une température d’au moins 200 à 400 °C, ou suivie d’une étape de recuit à des températures comparables, pour réduire la résistivité du métal et/ou de la couche transparente conductrice déposé(s) et pour réduire les résistances de contact correspondantes.
Cependant, la passivation de surface est détériorée quand le dispositif de jonction électronique est soumis à une température supérieure à 200 °C, ce qui représente une limitation actuelle. Cette détérioration est particulièrement marquée lorsque cette passivation est obtenue au moyen d’une structure en couches minces comprenant une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé déposée sur une couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque recouvrant le substrat de silicium cristallin.
Ainsi la publication J.W.A. Schüttauf étal., « Improving the performance of amorphous and crystalline Silicon heterojunction solar cells by monitoring surface passivation», J. Non-Cryst. Solids 358, pp. 2245-2248, 2012, montre qu’un post-traitement thermique entraîne une dégradation de la passivation d’un substrat de silicium cristallin passivé par une structure de passivation en couche mince à silicium amorphe intrinsèque. Cette dégradation de la passivation apparaît à partir de températures de recuit comprises entre 255°C et 300°C pour une structure de passivation constituée d’une seule couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque (i) ou d’un empilement constitué d’une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé (n) déposée sur une couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque (i) sur un substrat de silicium cristallin dopé (n). La dégradation de la passivation apparaît dès une température de recuit de 150°C dans le cas d'une hétérojonction comprenant une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé (p) déposée sur une couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque (i) sur substrat de silicium cristallin dopé (n). Les auteurs de cette publication attribuent cette dégradation à la rupture de liaisons silicium-hydrogène dans la couche de silicium amorphe intrinsèque et à la diffusion d’hydrogène de la couche intrinsèque vers la couche dopée, la diffusion d’hydrogène étant connue pour être plus importante dans une couche de silicium amorphe dopé p que dans une couche de silicium amorphe dopé n.
Par ailleurs, l’implantation ionique est utilisée pour implanter des ions dopants, tels que par exemple des ions bore ou phosphore, sous la surface d’un substrat de silicium cristallin. Toutefois, la diffusion thermique de dopants est la technique standard de dopage utilisée dans le domaine photovoltaïque. L’implantation d’ions argon a été utilisée pour créer des défauts, soit par déplacement d’atomes, soit par création de lacunes, en faible concentration sous la surface ou à différentes interfaces dans une cellule solaire à hétérojonction dans le but d’améliorer la compréhension des mécanismes de dégradation d’une cellule solaire (A. Defresne et al., « Interface defects in a-Si: H / c-Si heterojunction solar cells », Nucl. Instr. Meth. B, 2015, http://dx.doi.Org/10.1016/i.nimb.2015.04.009). Selon cette publication, l’implantation d’ions argon ayant une énergie de 1 keV ou de 10 keV génère des défauts localisés dans la couche de silicium amorphe dopé (n ou p) et/ou s’étendant dans la couche de silicium amorphe intrinsèque.
Le profil de défauts, c’est-à-dire ici la manière dont varie la concentration en défauts en fonction de la distance à la surface irradiée, est déterminé par l’énergie d’implantation de ces ions. Pour certaines valeurs de cette énergie d’implantation, ces défauts sont générés dans les couches amorphes sans atteindre l’interface entre le silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) et le silicium cristallin (c-Si). L’implantation d’ions argon ayant une énergie de 17 keV génère des défauts qui s’étendent dans les couches de silicium amorphe dopé et intrinsèque jusqu’à l’interface a-Si:H/c-Si. Les auteurs ont observé une dégradation de l’interface de passivation non seulement pour une énergie de 17 keV et une fluence de 1010 ions/cm2, mais aussi pour une énergie de 10 keV et une fluence de 1014 ions/cm2, cette dégradation étant attribuée à la génération de défauts au voisinage de cette interface. L’implantation ionique d’ions argon est donc considérée comme très nuisible à la passivation de l’interface a-Si :H/c-Si.
Objet de l’invention
Il est souhaitable de proposer une méthode de passivation de surface à basse température permettant de fabriquer un dispositif à hétérojonction présentant à la fois de bonnes propriétés de passivation de surface du substrat de silicium cristallin et une bonne stabilité en température de cette passivation pour une température supérieure à 200°C.
Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose un procédé de fabrication d’un dispositif de jonction électronique, le dispositif de jonction électronique comprenant une structure de passivation de surface en couche mince sur une surface d’un substrat de silicium cristallin, en particulier mono- ou polycristallin, la structure de passivation de surface ayant une épaisseur déterminée et comprenant au moins une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin.
Plus particulièrement, on propose selon l’invention un procédé de fabrication tel que précité comprenant les étapes suivantes : a) irradiation ionique de la structure de passivation de surface par un faisceau d’ions ayant une énergie dans une gamme comprise entre 100 eV et 50 keV et une fluence dans une gamme comprise entre 1010 et 1020 ions/cm2, l’énergie et la fluence dudit faisceau d’ions étant adaptées en fonction de l’épaisseur de la structure de passivation de surface de manière à générer un profil de défauts ayant une concentration déterminée et limité en profondeur à ladite structure de passivation de surface et/ou à l’interface entre le substrat cristallin et ladite structure de passivation de surface, tout en évitant de générer des défauts dans le substrat cristallin; et b) suite à l’étape a) d’irradiation ionique, recuit thermique du substrat cristallin et de la structure de passivation de surface, à une température comprise dans une gamme s’étendant de 175°C à 530°C.
De manière surprenante, ce procédé permet d’augmenter la robustesse, face à des traitements thermiques ultérieurs, de la passivation de surface du silicium cristallin par une structure de passivation en couche mince comprenant une couche de silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin. Les propriétés de passivation peuvent être maintenues après une étape de recuit thermique à une température allant jusqu'à 400 °C et pour une durée de recuit thermique d’environ 30 minutes.
Le procédé peut être réalisé in situ dans le réacteur de dépôt de la structure de passivation en couche mince.
De manière encore plus surprenante, ce procédé permet en outre d’améliorer les performances de ladite structure de passivation : le dispositif à jonction électronique peut présenter une durée de vie des porteurs minoritaires après irradiation et recuit thermique plus grande que pour un dispositif à jonction électronique analogue sans irradiation ionique ni recuit thermique. D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du procédé de fabrication conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le faisceau d’ions est formé d’ions d’un gaz noble, choisi de préférence parmi l’argon, le néon, le krypton, et le xénon. Un effet combiné de création de défauts comparable à celui obtenu avec un faisceau d’ions d’un gaz rare peut également être obtenu avec un faisceau d’ions silicium ; - le faisceau d’ions est formé d’ions d’un élément chimique non-dopant pour la structure de passivation en couche mince et adapté à modifier le gap de ladite au moins une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin lorsqu’implanté dans cette couche, cet élément chimique étant choisi préférentiellement parmi le germanium, le carbone, l’azote, et l’oxygène ; - le faisceau d’ions est formé d’ions d’un élément chimique dopant pour la structure de passivation en couche mince, cet élément chimique étant choisi préférentiellement parmi le bore, le phosphore, l’arsenic, et le gallium ; - l’étape a) d’irradiation ionique comporte une implantation d’ions par un implanteur ionique à balayage de faisceau, ou une implantation d’ions par canon à ions, ou une exposition à un plasma de bombardement ionique, ou une implantation d’ions par immersion plasma ; - l’étape a) d’irradiation ionique est réalisée à une température inférieure ou égale à 400 °C ; - ladite au moins une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin comprend une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin intrinsèque, une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin dopé de type -n ou -p, une couche mince d’un nitrure de silicium hydrogéné, d’un oxyde de silicium hydrogéné, d’un alliage silicium-carbone amorphe hydrogéné, d’un alliage silicium-germanium hydrogéné, d’un silicium microcristallin hydrogéné et/ou d’un alliage de silicium microcristallin hydrogéné ou un empilement quelconque d’une pluralité de ces couches minces ; - l’étape b) de recuit thermique est effectuée en présence d’un mélange de dihydrogène gazeux et d’au moins un gaz neutre, ou dans l’air ambiant ; - la durée de l’étape b) de recuit thermique est comprise entre 5 minutes et 1 heure ; - l’étape b) de recuit thermique comporte plusieurs cycles de recuit thermique.
Selon un aspect particulier et avantageux, le procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique comprend en outre, après l’étape a), une étape supplémentaire de formation d’une électrode de contact sur la structure de passivation de surface à une température supérieure ou égale à environ 150 °C.
Cette étape supplémentaire peut être réalisée avant ou après l’étape b) de recuit thermique.
Lorsque cette étape supplémentaire est réalisée après l’étape b) de recuit thermique, la formation de cette électrode peut être réalisée à température élevée, par exemple entre 200 °C et 600 °C, et cela ans détériorer la passivation de surface du substrat de silicium cristallin, grâce aux étapes a) et b) précédentes.
De manière avantageuse, l’étape supplémentaire de formation d’une électrode de contact est réalisée avant l’étape b) de recuit thermique. La résistance de contact de cette électrode et la résistivité du matériau qui la compose sont alors réduites lors de l’étape b) de recuit thermique, et cela sans détériorer la passivation de surface du silicium cristallin. L’invention propose également un dispositif à jonction électronique obtenu suivant le procédé de la présente divulgation comprenant : a) un substrat de silicium cristallin ; b) une structure de passivation de surface en couche mince comprenant au moins une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin sur une surface du substrat de silicium cristallin; le dispositif de jonction électronique étant recuit thermiquement, dans une gamme de température comprise entre 175°C et 530 °C, après iradiation ionique de la structure de passivation de surface à une énergie dans une gamme comprise entre 100 eV et 50 keV et à une fluence dans une gamme comprise entre 1010 et 1020 ions/cm2, l’énergie et la fluence étant adaptées en fonction d’une épaisseur et d’un dopage de ladite structure de passivation de surface, le dispositif à jonction électronique présentant une durée de vie des porteurs minoritaires après irradiation et recuit thermique plus grande que pour un dispositif à jonction électronique analogue sans irradiation ionique..
Description detaillee d’un exemple de réalisation
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés : - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d’un dispositif pour jonction électronique ayant deux surfaces passivées et soumis à une irradiation de surface ; - la figure 2 représente schématiquement un exemple de réalisation d’exposition d’un échantillon à un faisceau d’irradiation émis par un implanteur ionique ; - la figure 3 représente des courbes de profils en concentration de défauts normalisé par la fluence du faisceau d’ions en fonction de la profondeur pour différentes énergies du faisceau d’ions ; - la figure 4 représente des mesures de photoconductance en fonction de la densité de porteurs injectés pour un même échantillon respectivement avant irradiation (disques), après irradiation (diamants), et après recuit thermique (triangles) ; - la figure 5 représente des mesures de durée de vie effective de porteurs minoritaires en fonction de la température de recuit thermique pour différents dispositifs à base de silicium cristallin irradiés par un faisceau d’ions argon ayant une énergie de 10 keV et une fluence de 1014 ions/cm2 ; - la figure 6 représente des mesures de durée de vie effective de porteurs minoritaires en fonction de la température de recuit thermique pour différents dispositifs à base de silicium cristallin irradiés par un faisceau d’ions argon ayant une énergie de 17 keV et une fluence de 1012 ions/cm2 ; - la figure 7 représente des mesures de durée de vie effective de porteurs minoritaires en fonction de la température de recuit thermique pour différents dispositifs à base de silicium cristallin irradiés par un faisceau d’ions argon ayant une énergie de 30 keV et une fluence de 1012 ions/cm2.
Procédé
Sur la figure 1, on a représenté une vue en coupe d’un dispositif pour jonction électronique comprenant un substrat 4 de silicium cristallin ayant une première surface 1 et une seconde surface 2. Par exemple, le substrat 4 est un substrat de silicium monocristallin dopé n, préalablement nettoyé dans un bain d'acide fluorhydrique dilué à 5%.
La première surface 1 comporte une première structure de passivation 10 en couche mince comprenant ici un empilement d’une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque 11 d’épaisseur en et d’une couche de silicium hydrogéné amorphe dopé 12 d’épaisseur e^2 ayant un dopage de type n ou p.
La seconde surface 2 comporte une seconde structure de passivation 20 en couche mince comprenant ici un empilement d’une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque 21 d’épaisseur e2i et d’une couche de silicium hydrogéné amorphe dopé 22 d’épaisseur e22 ayant un dopage de type n ou p.
Dans un exemple de réalisation, le substrat 4 a une épaisseur e de 280 micromètres, les couche de silicium amorphe intrinsèque 11, respectivement 21, une épaisseur en , respectivement β2ΐ de 20 nanomètres, la couche de silicium amorphe dopé 12 une épaisseur ei2 de 25 nanomètres et la couche de silicium amorphe dopé 22 une épaisseur e22 de 25 nanomètres.
De façon avantageuse, les couches de silicium amorphe intrinsèque 11, 21 et de silicium amorphe dopé 12, 22 sont déposées par PECVD. En option, la structure de passivation 10, respectivement 20, comporte une fine couche de silicium carboné d'une épaisseur d'environ 2 nm à l’interface entre le substrat 4 de silicium cristallin et la couche 11, respectivement 21, de silicium amorphe intrinsèque. Cette fine couche de silicium carboné permet d’éviter une croissance épitaxiale lors du dépôt de la couche de silicium amorphe intrinsèque 11, respectivement 21, sur le substrat 4 de silicium cristallin. Pendant les étapes de dépôt par PECVD, le substrat de silicium cristallin 4 est maintenu à une température d’environ 200°C.
La méthode comporte ensuite deux étapes principales. Dans la première étape, nous irradions avec un faisceau d’ions 30 la première structure de passivation 10 déposée sur le substrat de silicium cristallin 4. Les ions utilisés sont préférentiellement des ions d’un gaz noble, choisis par exemple parmi des ions d’argon, d’hélium, de krypton, ou de xénon, ou éventuellement des ions de silicium.
Les ions utilisés peuvent aussi être des ions d’un élément chimique non-dopant pour la structure de passivation en couche mince, et adapté à modifier le gap de la couche mince de silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin une fois implantés dans cette couche, par exemple des ions de germanium, de carbone, d’azote, ou d’oxygène.
En variante, le faisceau d’ions est formé d’ions d’un élément chimique dopant pour la structure de passivation en couche mince, cet élément chimique étant choisi préférentiellement parmi le bore, le phosphore, l’arsenic, et le gallium.
Dans un mode de réalisation, la première étape met en œuvre un implanteur ionique pour implanter des ions d’un ou de plusieurs des éléments chimiques susmentionnés. L’implanteur ionique permet de contrôler la gamme d’énergie et la gamme de fluence des ions implantés.
Dans un autre mode de réalisation, la première étape met en oeuvre un canon à ions, ayant un diamètre supérieur à l’échantillon, qui ne nécessite donc pas de balayage de faisceau.
Dans un autre mode de réalisation, la première étape met en oeuvre un traitement par plasma de l’un ou de plusieurs des éléments chimiques susmentionnés, dans des gammes d’énergie et de fluence d’ions argon équivalentes à celles utilisées dans un implanteur ionique. Le plasma peut être choisi parmi un plasma micro-onde pulsé ou un plasma radio-fréquence. Le traitement par plasma peut présenter une excellente uniformité sur une surface pouvant être très étendue, jusqu’à 5 m2.
Dans un autre mode de réalisation, la première étape met en oeuvre un système de faisceau d’ion (IBS) par immersion plasma. Un tel système IBS est généralement utilisé pour le dopage par implantation, mais peut ici être utilisé pour l’implantation d’ions non dopants.
La première étape est généralement effectuée à température ambiante, et en tous cas en dessous de 400°C.
Dans la deuxième étape, suite à l’étape d’irradiation par des ions argon ou autre, on effectue un recuit thermique du substrat et des structures de passivation en couche mince, à une température T comprise entre environ 175 °C et 530 °C (soit environ entre 450 à 800 Kelvin), etde préférence entre 250 et 350 °C. La deuxième étape est effectuée nettement en dessous de la température de recristallisation de la structure de passivation en couche mince amorphe. Dans le cas du silicium amorphe, la température de recristallisation est d’environ 600 °C.
Le recuit thermique est réalisé par exemple sous atmosphère d’un mélange gazeux de diazote (N2) dilué à 10% dans du dihydrogène (H2). Ce recuit thermique peut aussi être réalisé dans l’air ambiant, ou sous vide. La durée du recuit thermique est comprise généralement entre 30 et 360 minutes. Le recuit thermique peut être appliqué en plusieurs cycles.
Un effet surprenant de cette combinaison d’une irradiation par des ions et d’un recuit thermique est d'améliorer ou de récupérer une passivation au moins aussi bonne que le point de départ (avant irradiation par les ions argon) pour une température de recuit de l'ordre de 300°C.
Ce procédé permet de maintenir une bonne passivation de surface du silicium cristallin pour des températures allant jusqu'à 400°C pour des temps de recuit de 30 minutes.
On obtient ainsi un précurseur de cellule solaire dont le substrat en silicium cristallin présente une passivation de surface robuste vis-à-vis de traitement thermiques ultérieurs.
Après la deuxième étape de recuit thermique, on fabrique un précurseur de cellule solaire par exemple de type HiT, en déposant, sur chacune des deux structures de passivation en couche mince 10, 20 de ce précurseur de cellule solaire, une couche d’un oxyde transparent conducteur. L’oxyde transparent conducteur est de préférence choisi parmi un oxyde de zinc ou un oxyde d’indium et d’étain (ITO). Par exemple, on dépose par pulvérisation cathodique une couche d’ITO ayant une épaisseur de 80 nanomètres sur chaque structures de passivation en couche mince 10, 20. Puis, on métallisé la face arrière du dispositif, en déposant une couche uniforme d’argent d’environ 1 micromètre d’épaisseur sur une des couches d’ITO. On dépose une grille de contacts sur la face avant du dispositif, en déposant des bandes de contact sur l’autre couche d’ITO. Les contacts électriques sont ainsi formés à une température de 200 à 600 °C pour un temps compris entre 5 minutes et 1 heure. On obtient ainsi une cellule solaire opérationnelle.
Aux fins d’évaluation de la méthode proposée sur les performances du dispositif, on fabrique différents précurseurs de cellules solaires: un précurseur de cellule solaire basée sur un substrat de silicium cristallin passivé avec structure de passivation en couche mince, sans traitement par irradiation ni recuit thermique ; un autre précurseur de cellule solaire basé sur un substrat de silicium cristallin passivé de manière analogue, avec traitement par irradiation et sans recuit thermique ; encore un autre précurseur de cellule solaire basé sur un substrat de silicium cristallin passivé de manière analogue, avec traitement par irradiation et avec recuit thermique.
Dispositif
Sur la figure 2, on a représenté un premier mode de réalisation de l’étape d’irradiation basé sur la mise en œuvre d’un implanteur ionique 5. Pour les différentes expériences illustrées sur les figures 4-6, on a utilisé un implanteur IRMA disponible au CSNSM (J. Chaumont, F. Lalu, M. Salomé, A. M. Lamoise, and H. Bernas, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. 189, 193 (1981)). L’implanteur ionique 5 comporte une source d’ions 15, une électrode d’extraction 16, un aimant de tri 17, un triplet de focalisation 18 des ions et des plaques de déflexion 19 pour balayer le faisceau d’ions 30 sur une surface de l’échantillon 3 suivant deux directions transverses. L'implantation ionique permet un contrôle précis d’une part de l’énergie E des ions et d’autre part de la fluence d'irradiation F.
Les ions sont accélérés à une énergie E adaptée à l'épaisseur de la structure de passivation 10 en couche(s) mince(s) de silicium amorphe. Le diamètre du faisceau d’ions est de l’ordre de quelques millimètres. La surface du substrat est par exemple d’environ 5x5 cm2. On effectue un balayage du faisceau d’ions 30 sur toute la surface externe de la structure de passivation en couche mince 10 pour produire une irradiation latéralement uniforme de la structure de passivation.
Dans les exemples détaillés ci-après, l'énergie E des ions argon est comprise entre 1 keV et 30 keV de façon à obtenir un profil de défauts localisé principalement dans la structure de passivation 10 en couche mince. Comme détaillé dans la présente divulgation, la gamme utile d’énergie E dépend de l’épaisseur de la structure de passivation en couche mince 10.
Le logiciel SRIM permet de simuler le profil de concentration des défauts lacunaires induits par irradiation en fonction de l’énergie et de la fluence des ions.
La figure 3 représente des simulations de profil de défauts lacunaires normalisés par la fluence en fonction de la profondeur P mesurée à partir de la surface de la couche 12 exposée au faisceau d’ions 30. On a représenté en traits verticaux la limite de la couche 12 d’épaisseur ei2, correspondant à une profondeur P comprise entre 0 et environ 20 nm, et la limite de la couche 11 d’épaisseur en, correspondant à une profondeur P comprise entre environ 20 nm et 45 nm, et l’interface entre la structure de passivation en couche mince et le substrat de silicium cristallin 4 correspondant à une profondeur P supérieure à environ 45 nm. Plus précisément, la figure 3 illustre différents profils de défauts lacunaires simulés pour une énergie E respectivement de 1 keV (courbe en trait tirets), 5 keV (courbe en trait tirets espacé par deux points), 10 keV (courbe pointillée),17 keV (courbe en trait tirets espacé par un point) et à 30 keV (courbe en trait continu). La fluence F utilisée est respectivement de 7x1013 ions /cm2 à 1 keV, 1015 ions/cm2 à 5 keV, 1014 ions/cm2 à 10 keV, 1012 ions/cm2 à 17 keV et 30 keV. L’implantation ionique génère un profil de défauts lacunaires localisé principalement dans la structure de passivation 10 en couche mince avec un maximum situé, selon l’énergie E, dans la couche de silicium amorphe hydrogéné dopé 12 ou dans la couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque 11. Le profil de défauts lacunaires s’étend jusque dans le substrat de silicium cristallin 4 dans le cas des irradiations à une énergie de 10 à 30 keV, de manière croissante en fonction de l’énergie E des ions. A titre d’exemple illustratif, l'irradiation à une énergie E de 10 keV et à une fluence F de 1014 ions/cm2 entraîne un profil de défauts ayant un maximum à une profondeur P de 17 nm de la surface externe de la couche de silicium amorphe hydrogéné dopé 12. Cette irradiation produit le déplacement d'un atome sur cinq et l'implantation d'atomes d'argon en proportion atomique de l'ordre de 1/1000, c’est-à-dire que de l’ordre de 1 atome d’argon est implanté pour 1000 atomes de silicium.
De plus, une irradiation à une énergie E comprise entre 10 keV et 30 keV entraîne aussi l'introduction de défauts en proportion très faible (1/10000 à 17 keV et 1012 ions/cm2 par exemple) à l'interface entre le substrat de silicium cristallin et la structure de passivation en couche mince amorphe.
Dans cette gamme d'énergie, les défauts lacunaires induits par irradiation du substrat de silicium cristallin conduisent en premier lieu à une dégradation des durées de vie des porteurs minoritaires du fait de la formation de centres de recombinaison pour les porteurs de charge.
Au contraire, pour une énergie E inférieure ou égale à 5 keV, on observe que la structure de passivation en couche mince de silicium amorphe hydrogéné est affectée sans impacter le substrat de silicium cristallin 4. L’irradiation à 1 keV ou 5 keV n'entraîne donc aucune baisse significative de la durée de vie des porteurs minoritaires.
Pour une énergie de 1 keV, on a mesuré la photoconductance d’un précurseur de cellule photovoltaïque en fonction de la fluence, pour une fluence F respectivement de 1010 ions/cm2, 1011 ions/cm2, 1012 ions/cm2, 1013 ions/cm2 et 7.1013 ions/cm2. Le profil des défauts lacunaire reste limité à la couche de silicium amorphe dopé 12 avec un maximum de défauts à une profondeur P d’environ 10 nm, sans dégrader l’interface entre le substrat de silicium cristallin 4 et la structure de passivation en couche mince amorphe 10. Après irradiation d’un dispositif à jonction électronique par des ions argon ayant une énergie E de 1 keV, on observe une diminution moyenne d’environ 15% de la photoconductance d’un précurseur de cellule solaire formée à partir de ce dispositif à jonction électronique irradié. Toutefois, une mesure de photoluminescence montre que l’effet de l’irradiation à 1 keV est négligeable comparé au vieillissement naturel du précurseur de cellule solaire.
On a mesuré la photoluminescence spectrale d’un précurseur de cellule solaire formé à partir d’un substrat et de structures de passivation de surface telles que décrites en lien avec la figure 1. Le précurseur de cellule solaire a une structure p-i-n-i-n, le substrat étant dopé n, passivé sur ses deux faces opposées par une couche mince intrinsèque (i) sur laquelle on a déposé sur une face une couche dopée p- et sur l’autre face une couche dopée n-. Plus précisément, on mesure la photoluminescence spectrale d’un précurseur de cellule solaire formé respectivement à partir d’un substrat passivé sans irradiation ni recuit, d’un substrat passivé avec irradiation, ici sur ses deux faces, sans recuit thermique et enfin d’un substrat passivé avec irradiation, là encore sur ses deux faces, et recuit thermiquement à 300 °C sous atmosphère de dihydrogàie (H2). L’énergie du faisceau d’ions est de 5 keV et la fluence de 1015 ions/cm2. Le recuit thermique est effectué à 300°C pendant 30 minutes en mélange gazejx diazote-dihydrogène. La photoluminescence spectrale d’une cellule solaire avec irradiation sans recuit thermique est inférieure d’environ 30 % par comparaison avec la photoluminescence spectrale d’une cellule solaire sans irradiation ni recuit thermique. Néanmoins, la photoluminescence spectrale d’un précurseur de cellule solaire avec irradiation et avec recuit thermique est supérieure à la photoluminescence spectrale de la cellule solaire avec irradiation sans recuit thermique. La photoluminescence spectrale du précurseur de cellule solaire avec irradiation et sans recuit thermique n’est inférieure que d’environ 10% à celle de la cellule solaire sans irradiation ni recuit thermique. Avec une énergie des ions de 5 keV et une fluence de 1015 ions/cm2, les ions sont implantés dans la structure de passivation amorphe et pas dans le substrat cristallin. Cette implantation rend la structure de passivation amorphe plus robuste face au recuit thermique.
La figure 4 représente des mesures de photoconductance d’une cellule solaire formée respectivement à partir d’un substrat passivé sans irradiation ni recuit (courbe ECLO), d’un substrat passivé avec irradiation sans recuit thermique (courbe ECL1) et enfin d’un substrat passivé avec irradiation et recuit thermique (courbe ECL2). L’énergie du faisceau d’ions est de 5 keV et la fluence de 1015 ions/cm2. Le recuit thermique est effectué à 300 °C. Plus précisément, la figure 4 représente des mesures de durée de vie effective des porteurs en excès (ECL pour Effective Carrier Lifetime) en fonction de la densité des porteurs de charge en excès. En comparant les courbes ECLO et ECL1, on observe une baisse de la photoconductance après irradiation. Par contre, en comparant les courbes ECL2 et ECLO, on observe une photoconductance supérieure après irradiation puis recuit thermique (ECL2) à celle de la cellule non irradié et sans recuit thermique (ECLO). Cette augmentation de la durée de vie des porteurs de charge est probablement due à une diminution des recombinaisons de surface. On obtient donc une meilleure qualité de la passivation et de meilleurs contacts électriques de la cellule à hétérojonction. D’autre part, on mesure la durée de vie des porteurs minoritaires d’un échantillon après une irradiation avec des ions argon de 5 keV et une fluence de 1015 cm'2 et un recuit de 30 min à 300 °C. Pour un échantillon ayant une durée de vie initiale avant irradiation de 2.64 ms, on mesure une durée de vie de 2.38 ms après irradiation. De manière surprenante, après un recuit de 30 min à 300°C, ce même échantillon montre une durée de vie augmentée à une valeur de 3.15 ms. Ce résultat indique que le procédé d'irradiation à basse énergie avec des ions argon suivi d'un recuit de la couche mince de silicium amorphe permet d'améliorer à la fois la passivation du silicium cristallin ainsi que sa tenue en température dans une gamme de températures d'intérêt technologique. On note dans ce cas que l’amélioration de la durée de vie est obtenue dans des conditions (5 keV et une fluence de 1015 cm'2) où les ions implantés n'atteignent pas l'interface amorphe-cristal.
Au contraire, si les dommages induits par irradiation affectent le silicium cristallin sur une épaisseur trop importante au-delà de l'interface amorphe-cristal, comme c'est le cas après une irradiation à 30 keV, pour une structure de passivation de surface ayant une épaisseur d’environ 45 nanomètres, le recuit thermique à une températures modérée (entre environ 200 et 400 °C) ne permet pas de récupérer une durée de vie comparable à la durée de vie avant irradiation, probablement à cause des défauts générés par cette irradiation dans le silicium cristallin.
Pour une structure de jonction électronique sur substrat de silicium cristallin ayant une structure de passivation de surface en couche mince hydrogénée amorphe ou microcristalline ayant une épaisseur 45 nm, on en déduit une gamme d’énergie des ions comprise entre environ 5 keV et 17 keV et une gamme de fluence des ions comprise entre 1012 ions.cm'2 à haute énergie (17 keV) et 1015 cm'2 à basse énergie (5 keV). Ces conditions d’irradiation permettent d’obtenir une durée de vie optimale pour un recuit thermique à une température d’environ 300°C. De plus, ces conditions d’irradiafon permettent de conserver une durée de vie élevée jusqu'à une température de recuit d’environ 380°C.
Plus généralement, la gamme en énergie des ions doit être adaptée de manière à localiser le profil de défauts d'irradiation dans la structure de passivation en couche mince hydrogénée amorphe ou microcristalline. La gamme d’énergie des ions s’étend alors entre 100 eV et 50 keV et de préférence entre quelques 100 eV et environ 20 keV, en fonction de l'épaisseur de la structure de passivation en couche mince hydrogénée. La gamme de fluence à utiliser pour avoir un effet significatif est comprise entre 1010 et 1020 ions/cm2 et de préférence entre 1010 ions/cm2 et 1017 ions/cm2.
Les figures 5 à 7 représentent des courbes de mesure de durée de vie en fonction de la température de recuit pour différentes conditions opérationnelles d’énergie et de fluence. Chaque figure 5 à 7 représente des courbes de mesure de durée de vie en fonction de la température de recuit pour différents empilements de structures de passivation de surface dans des conditions opérationnelles identiques d’irradiation et de recuit, par comparaison avec un échantillon n’ayant pas subi d’irradiation. L’irradiation est effectuée à 25°C avant recuit.
Sur les figures 5 à 7, les courbes repérées par un triangle correspondent à une architecture de cellule de type ni/c-Si/in, c’est-à-dire un substrat de silicium cristallin comprenant des structures de passivation de surface identiques sur ses deux faces comprenant une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé n de 25 nm et une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque de 20 nm à l’interface entre le substrat et la couche dopée n, les deux structures de passivation de surface étant irradiées.
Les courbes repérées par un carré correspondent à une architecture de cellule de type i/c-Si/in, c’est-à-dire un substrat de silicium cristallin comprenant une première structure de passivation de surface constituée d’une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque de 45 nm et, sur l’autre face, une deuxième structure de passivation de surface comprenant une couche de silicium hydrogéné amorphe dopé n de 25 nm et une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque de 20 nm à l’interface entre le substrat et la couche dopée n, les deux structures de passivation de surface étant irradiées.
Les courbes repérées par un disque correspondent à une architecture de cellule de type pi/c-Si/in, c’est-à-dire un substrat de silicium cristallin comprenant une première structure de passivation de surface composée d’une couche de silicium hydrogéné amorphe dopé p de 25 nm et une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque de 20 nm à l’interface entre le substrat et la couche dopée p et, sur l’autre face, une deuxième structure de passivation de surface comprenant une couche de silicium hydrogéné amorphe dopé n de 25 nm et une couche de silicium hydrogéné amorphe intrinsèque de 20 nm à l’interface entre le substrat et la couche dopée n, les deux structures de passivation de surface étant irradiées.
Enfin, les courbes repérées par un losange correspondent à une architecture de cellule de type pi/c-Si/in, n’ayant pas été exposée à un faisceau d’ions.
Sur la figure 5, les conditions d’irradiation sont les suivantes : implantation d’ions argon à une énergie de 10 keV et une fluence de 1014 ions/cm2. Les ions argon sont implantés majoritairement dans la structure de passivation de surface en couche mince amorphe et minoritairement au niveau de l’interface entre la couche intrinsèque et le substrat cristallin et dans le silicium cristallin (voie figure 3). Le recuit de chaque échantillon est effectué pendant 30 min en présence d’un mélange gazeux contrôlé de diazote dilué à 10% dans du dihydrogène. Pour les mesures de durée de vie ECL, la densité de porteurs minoritaires injectés est de 1015 cm'3.
Sur les figures 5 à 7, on observe que l’échantillon non-irradié (losanges) présente une diminution de la durée de vie ECL qui passe d'environ 1.2 ms avant recuit à 0.7 ms après recuit à 350°C. On note que à publication J.W.A. Schüttauf et al., mentionnée plus haut, montre des chutes de durée de vie encore plus drastiques de 1 milliseconde à 50 microsecondes après une série de recuits jusqu'à 300°C sous une atmosphère d'azote.
Sur les figures 5 à 7, l’irradiation à 25°C, avant recuit, produit une diminution de durée de vie pour tous les échantillons irradiés. Sur ces figures, les échantillons non irradiés sont représentés pas des symboles pleins (disque, carré, triangle, losange) et respectivement, les échantillons après irradiation sont représentés pas des symboles vides (disque, carré, triangle). La durée de vie ECL passe par exemple d'environ 3.6 ms à environ 0.4 ms pour l’échantillon ni/c-Si/in sur la figure 5. Après irradiation à une énergie supérieure ou égale à environ 10 keV, des mesures complémentaires de photoconductance indiquent une baisse significative de la durée de vie de porteurs minoritaires dans le silicium cristallin.
Toutefois, on observe sur les figures 5 et 6 que le recuit post-irradiation permet, dans certaines conditions de recuit, de faire augmenter la durée de vie des porteurs minoritaires et ainsi de recouvrer une excellente passivation pour laquelle la durée de vie des porteurs minoritaires est supérieure à 3 millisecondes.
Sur la figure 5, on observe, pour un type d’échantillon irradié donné et dans des conditions d’irradiation déterminées, une augmentation progressive de la durée de vie des porteurs minoritaires (ECL) à partir d'une température de recuit d’environ 200°C jusqu’à une température d’environ 300°C puis décroît progressivement entre 300°C et 400°C. Par comparaisn, la durée de vie d'un échantillon non-irradié diminue continûment à partir d’une température de recuit supérieure à 200°C.
Pour les échantillons irradiés de la figure 5, on conserve néanmoins une bonne durée de vie jusqu'à 400°C, ce qui indique qie l'irradiation permet de retarder les mécanismes de dégradation de l'interface entre le substrat cristallin et la structure de passivation en couche mince amorphe. Le traitement préalable par l'irradiation ionique assure aux précurseurs de cellules une meilleure tenue en température. On remarque aussi que dans certains cas (échantillons pi/ c-Si /in et i/c-SI/in de la figure 5), le recuit post-irradiation permet d'obtenir des durées de vie supérieures au point de départ d'environ 1 ms, ce qui correspond à une amélioration surprenante de la passivation d’un dispositif à jonction électronique. En particulier, on note une amélioration inattendue de la durée de vie pour l’échantillon pi/ c-Si /in comprenant une couche de silicium amorphe dopé p, alors qu’il est connu qu’une telle couche dopée p est plus sensible au recuit qu’une couche de silicium amorphe dopé n ou intrinsèque.
Une interprétation des phénomènes physiques mis en œuvre est que l’irradiation d’une couche hydrogénée amorphe ou microcristalline modifie la structure microscopique de cette couche tout en formant des défauts qui piègent l’hydrogène. Ainsi, le recuit à une température modérée permet de réactiver la passivation sans exodiffusion de l’hydrogène, formant une couche de passivation stable vis-à-vis de la température.
Sur la figure 6, les conditions d’irradiation sont les suivantes : implantation d’ions argon à une énergie de 17 keV et une fluence de 1012 ions/cm2. Les ions argon sont implantés majoritairement dans la structure de passivation de surface en couche mince amorphe hydrogéné tout en s’étendant de manière non négligeable au niveau de l’interface entre le substrat cristallin et la structure de passivation de surface en couche mince amorphe hydrogéné (voir figure 3). Ces conditions produisent donc quelques défauts dans le substrat cristallin. Le recuit thermique de chaque échantillon est effectué pendant 30 min en présence d’un mélange gazeux contrôlé de diazote dilué à 10% dans du dihydrogène. Pour les mesures de durée de vie ECL, la densité de porteurs minoritaires injectés est de 1015 cm'3.
On observe sur la figure 6 une baisse de durée de vie importante passant de 4-5 ms à moins de 0.2 ms lors d’une irradiation par des ions argon à une énergie de 17 keV et une fluence de 1012 cm'2. Cette irradiation correspond à l'introduction dans le substrat de silicium cristallin d'une concentration de défauts lacunaires analogue à la concentration de défauts induits dans les conditions de la figure 5.
Sur la figure 6, on observe, pour les trois types d’échantillons irradiés, une augmentation progressive de la durée de vie des porteurs minoritaires (ECL) à partir d'une température de recuit d’environ 200°C jusqu’à une température d’environ 300°C à 350 °C puis une diminution progresse entre 350°C et 400°C.
Pour les échantillons irradiés de la figure 6, on conserve également une bonne durée de vie jusqu'à 400°C, ce qui indique qie l'irradiation permet de retarder les mécanismes de dégradation de l'interface entre le substrat cristallin et la structure de passivation en couche mince amorphe. Le traitement préalable par irradiation ionique assure aux précurseurs de cellules une meilleure tenue en température. On remarque aussi que pour l’échantillon de ni/ c-Si /in de la figure 6, le recuit post-irradiation à une température comprise entre 275°C et 350°C permet d'obtenir une durée de vie supérieure au point de départ d'environ 4.5 ms, ce qui correspond à une amélioration surprenante de la passivation du dispositif à jonction électronique. Pour l’échantillons de i/ c-Si /in de la figure 6, le recuit postirradiation à une température comprise entre 300°Cet 350°C permet d'obtenir une durée de vie d’environ 3 ms qui est du même ordre de grandeur que la durée de vie avant irradiation d'environ 4 ms. Par contre, dans le cas de l’échantillon pi/ c-Si /in, le recouvrement de la durée de vie est moins important sur la figure 6 pour une énergie d’irradiation ionique de 17 keV et une fluence de 1012 ions/cm2 que sur la figure 5, pour une énergie d’irradiation ionique de 10 keV et une fluence de 1014 ions/cm2.
Sur la figure 7, les conditions d’irradiation sont les suivantes : implantation d’ions argon à une énergie de 30 keV et une fluence de 1012 ions/cm2. Les ions argon sont implantés à haute énergie non seulement dans la structure de passivation de surface en couche mince amorphe hydrogéné mais s’étendent jusqu’à une profondeur P de 80 à 100 nm dans le substrat cristallin (voir figure 3). Ces conditions d’irradiation produisent une concentration de défauts importante dans le substrat cristallin des échantillons considérés. Le recuit thermique et les mesures de durée de vie ECL sont effectués de manière analogue que pour les figures 5 et 6.
On observe sur la figure 7 une baisse drastique de la durée de vie des porteurs minoritaires qui passe de 1-5,5 ms à moins de 0,05 ms lors d’une irradiation par des ions argon à une énergie de 30 keV et une fluence de 1012 cm'2.
Sur la figure 7, on observe, pour les trois types d’échantillons irradiés, une augmentation limitée de la durée de vie des porteurs minoritaires (ECL) à partir d'une température de recuit de 300°C à 350 C. Toutefois, la durée de vie après recuit reste inférieure à la durée de vie de l’échantillon n’ayant pas été irradié même après recuit pour un échantillon de ni/c-Si/in. La durée de vie des échantillons i/c-Si/in et pi/c-Si/in recuits à une température de 320-350°C n’est que légèrement supérieure à la durée de vie de l’échantillon non irradié recuit à la même température. Sur la figure 7, contrairement à la figure 5 ou 6, on n’observe pas d’amélioration de la durée de vie jusqu’à une température de recuit de 250°C.
Pour une structure de passivation de surface ayant une épaisseur de 45 nanomètres, une irradiation à 30 keV semble produire des dommages qui affectent le silicium cristallin sur une épaisseur trop importante au-delà de l'interface amorphe-cristal, si bien que le recuit à une température modérée (de 300 à 400 °C) ne permet pas de recouvrer une durée de vie comparable à la durée de vie avant irradiation, contrairement à une irradiation à 10keV ou 17keV. Avec une irradiation à 30 keV et 1012 ions/cm2, la dégradation de la passivation est généralement due à un endommagement du silicium cristallin ne pouvant pas être rectifié par un recuit à 400 °C.
On déduit de ces mesures qu’il existe un domaine opérationnel permettant non seulement une augmentation de la durée de vie des porteurs minoritaires, par comparaison avec un même échantillon avant irradiation, mais une stabilisation de la passivation à une température de recuit relativement élevée, d’environ 200 à 400°C. En fonction de l’épàsseur et du dopage de la structure de passivation en couche mince hydrogéné, il apparaît que des conditions déterminées d’irradiation ionique et de recuit thermique permettent d’augmenter la durée de vie des porteurs minoritaires.
Pour déterminer la gamme de flux d’ions en fonction de l’énergie, on mesure par exemple le taux de perte de photoconductance induit par irradiation à une énergie donnée, en fonction du flux d’ions.
Pour une énergie de 10 keV, on mesure un taux de perte de photoconductance induit par irradiation d’environ 90% pour un flux d’ions de 1014 ions/cm2, d’environ 25% pour un flux d’ions de 1012 ions/cm2 et d’environ 0% pour un flux d’ions de 1010 ions/cm2.
Pour une énergie de 17 keV, on mesure un taux de perte de photoconductance induit par irradiation d’environ 98% pour un flux d’ions de 1012 à 1013 ions/cm2, d’environ 90% pour un flux d’ions de 1011 ions/cm2 et d’environ 50% pour un flux d’ions de 101° ions/cm2.
Le procédé de la présente divulgation s’applique à une structure de passivation de surface comprenant une couche ou un empilement de couches d’un silicium amorphe hydrogéné, dopé ou non dopé. Ce procédé s’applique aussi à une structure de passivation de surface comprenant une couche d’un nitrure de silicium hydrogéné, d’un alliage silicium-carbone amorphe hydrogéné, d’un oxyde de silicium hydrogéné, d’un alliage silicium-germanium hydrogéné, ou encore une couche d’un silicium microcristallin hydrogéné. La structure de passivation de surface comprend une couche ou un empilement de l’une ou plusieurs de ces couches d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin, dopé ou non dopé.
La stabilisation de la passivation à une température plus élevée que la température de dépôt de la structure de passivation en couche mince hydrogénée amorphe ou microcristalline est avantageusement compatible avec des étapes de métallisation, par exemple par dépôt d’oxyde de zinc, à plus haute température (environ 400°C) en vue de former des zones de contact électriques de meilleure qualité. Le procédé de la présente divulgation permet en outre, comme décrit ci-dessus, d’améliorer les performances de cette structure de passivation. En effet, le dispositif à jonction électronique peut présenter une durée de vie des porteurs minoritaires après irradiation et recuit thermique plus grande que pour un dispositif à jonction électronique analogue sans irradiation ionique ni recuit thermique.
Le procédé permet ainsi d’augmenter l’efficacité et la stabilité thermique d’un dispositif à jonction électronique et en particulier d’une cellule solaire formée à partir d’un substrat de silicium cristallin passivé par une structure de passivation en couche mince hydrogénée amorphe ou microcristalline, notamment une cellule de type HiT.
Le procédé s’applique également à la fabrication de dispositifs à jonction électronique trouvant des applications en microélectronique ou en optoélectronique, tels que des détecteurs.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique, le dispositif à jonction électronique (3) comprenant une structure de passivation de surface (10, 20) en couche mince sur une surface (1, 2) d’un substrat (4) de silicium cristallin, la structure de passivation de surface (10, 20) ayant une épaisseur déterminée et comprenant au moins une couche mince (11, 12,21,22) d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin, caractérisé en ce que le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : a) irradiation ionique de la structure de passivation de surface (10, 20) par un faisceau d’ions (30) ayant une énergie dans une gamme comprise entre 100 eV et 50 keV et une fluence dans une gamme comprise entre 1010 et 1020 ions/cm2, l’énergie et la fluence dudit faisceau d’ions (30) étant adaptées en fonction de l’épaisseur de la structure de passivation de surface (10, 20) pour générer un profil de défauts ayant une concentration déterminée et limité en profondeur à ladite structure de passivation de surface (10, 20) et/ou à l’interface entre ledit substrat (4) et ladite structure de passivation de surface (10, 20) et tout en évitant de générer des défauts dans le substrat cristallin (4) ; et b) suite à l’étape a) d’irradiation ionique, recuit thermique du substrat (4) et de la structure de passivation de surface (10, 20), à une température comprise dans une gamme s’étendant de 175°C à 530°C
  2. 2. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d’ions (30) est formé d’ions d’un gaz noble.
  3. 3. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d’ions (30) est formé d’ions d’un élément chimique non-dopant pour la structure de passivation de surface (10, 20) en couche mince et adapté à modifier le gap de ladite au moins une couche mince (11, 12, 21,22) d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin lorsqu’implanté dans cette couche.
  4. 4. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d’ions (30) est formé d’ions d’un élément chimique dopant pour la structure de passivation de surface (10, 20) en couche mince.
  5. 5. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape a) d’irradiation ionique comporte une implantation d’ions par un implanteur ionique (5) à balayage de faisceau, ou une implantation d’ions par canon à ions, ou une exposition à un plasma de bombardement ionique, ou une implantation d’ions par immersion plasma.
  6. 6. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape a) d’irradiation ionique est réalisée à une température inférieure ou égale à 400 °C.
  7. 7. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite au moins une couche mince (11, 12, 21, 22) d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin comprend une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin intrinsèque, une couche mince d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin dopé de type n ou p, une couche mince d’un nitrure de silicium hydrogéné, d’un oxyde de silicium hydrogéné, d’un alliage silicium-carbone amorphe hydrogéné, d’un alliage silicium-germanium hydrogéné, d’un silicium microcristallin hydrogéné et/ou d’un alliage de silicium microcristallin hydrogéné ou un empilement quelconque d’une pluralité de ces couches minces.
  8. 8. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape b) de recuit thermique est effectuée en présence d’un mélange de dihydrogène gazeux et d’au moins un gaz neutre.
  9. 9. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la durée de l’étape b) de recuit thermique est comprise entre 5 minutes et 1 heure.
  10. 10. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’étape b) de recuit thermique comporte plusieurs cycles de recuit thermique.
  11. 11. Procédé de fabrication d’un dispositif à jonction électronique selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant en outre, après l’étape a), une étape supplémentaire de formation d’une électrode de contact sur la structure de passivation de surface (10, 20) à une température supérieure ou égale à environ 150°C.
  12. 12. Dispositif à jonction électronique (3) comprenant : a) un substrat (4) de silicium cristallin ; b) une structure de passivation de surface (10, 20) en couche mince comprenant au moins une couche mince (11, 12, 21, 22) d’un silicium hydrogéné amorphe ou microcristallin sur une surface du substrat de silicium cristallin; le dispositif de jonction électronique (3) étant recuit thermiquement, dans une gamme de température comprise entre 175°C et 530°C,après irradiation ionique de la structure de passivation de surface (10, 20) à une énergie dans une gamme comprise entre 100 eV et 50 keV et à une fluence dans une gamme comprise entre 1010 et 1020 ions/cm2, l’énergie et la fluence étant adaptées en fonction d’une épaisseur et d’un dopage de ladite structure de passivation de surface (10, 20), le dispositif à jonction électronique (3) présentant une durée de vie des porteurs minoritaires après irradiation et recuit thermique plus grande que pour un dispositif à jonction électronique analogue sans irradiation ionique.
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