FR3067169A1 - Procede ameliore de fabrication d'un metamateriau a l'interieur d'un convertisseur lumiere-electricite en silinium - Google Patents

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Abstract

L'invention propose une solution à travers l'amorphisation d'ions, à faisceau large, et à spot étendu, laquelle provoque des agitations du réseau cristallin presque unidirectionnelles en minimalisant des vibrations latérales et multidirectionnelles à l'origine des défauts durs. Le réseau cristallin n'est pas déformé durant le choc de l'implantation au-delà de la limite techniquement acceptable dans le cas de dispositifs à grande surface active. L'endommagement du cristal et la dépense énergétique du traitement thermique post implantation sont nettement réduits en ouvrant la voie aux applications industrielles pratiques. Cette invention se situe de manière préférentielle dans le domaine de la fabrication des capteurs solaires photovoltaïques.

Description

TITRE : PROCEDE AMELIORE DE FABRICATION D'UN METAMATERIAU A L'INTERIEUR D'UN CONVERTISSEUR LUMIERE-ELECTRICITE EN SILICIUM
L’état de la technique et ses inconvénients
L’inventeur est arrivé à la conclusion que l’amélioration significative du rendement de la conversion de la lumière en électricité à l’aide d’un dispositif en silicium cristallin à simple jonction collectrice n’est possible que grâce à une astucieuse insertion dans l’émetteur du convertisseur d’un métamatériau aux propriétés hautement spécifiques.
Pour la lecture du développement ci-après on se reportera à la partie « définitions ».
Le métamatériau en question appelé ci-après SEG-MATTER en référence à une matière, est rempli voire saturé, d’unités élémentaires cristallines appelées ciaprès SEGTON lesquelles sont en mesure de libérer des électrons dits secondaires grâce à un mécanisme de faible énergie.
L’insertion de SEG-MATTER passe par une étape préliminaire, à savoir l’amorphisation locale du réseau cristallin de silicium à l’aide d’un faisceau d’ions.
Malheureusement, l’amorphisation classique à l’aide d’un faisceau d’ions focalisés balayant la plaquette de silicium abouti inévitablement à des structures présentant de nombreux défauts structuraux. Telle quelle, cette opération n’est pas utilisable pour la fabrication industrielle des convertisseurs à génération secondaire.
Les aspects la disqualifiant peuvent être résumés ainsi : le mauvais contrôle de la modulation du matériau durant l’impact du faisceau d’ions et, par conséquent, de son recuit post implantation ; les exigences exagérées concernant l’épaisseur de l’amorphisation initiale pour garder une marge de manoeuvre suffisante à la recristallisation guérissante ; les sévères limitations concernant la conception et l’architecture du convertisseur provenant de l’emplacement de sous structures enterrées dans le réseau cristallin ; les obstructions du transport électronique autour des nanostructures enterrées dans un matériau endommagé ; les complications concernant la collecte des porteurs de charges aussi bien secondaires que primaires.
Il est connu de l’homme du métier que le traitement thermique post implantation guéri quelques types de défauts structuraux. Pour des raisons imposées par les conditions de la fabrication et du conditionnement de la SEG-MATTER, ce traitement doit se faire dans un intervalle bien limité de températures adaptées et avec un bilan thermique raisonnable du point de vue de la fabrication.
Malheureusement, l’amorphisation à balayage, respectant ces limitations, produit entre autres des défauts résiduels persistants qui restent insensibles au traitement thermique post implantation dans les conditions permises. En réalité, ils ne sont guérissables qu’avec des recuits à températures beaucoup plus élevées, c’est-à-dire inaccessibles et contre indiquées pour la technologie de la SEGMATTER.
Les défauts structuraux résiduels persistants sont hautement nuisibles pour le transport électronique autour de la SEG-MATTER car ils détruisent totalement les effets bénéfiques de la génération secondaire. Ainsi, une très prometteuse amélioration potentielle est contrecarrée par les insuffisances de sa mise en œuvre technologique. En principe, le procédé d’amorphisation par un faisceau focalisé est trop aléatoire et inefficace du point de vue thermodynamique. Les dispositifs ainsi obtenus ne peuvent pas remplir le cahier de charge des convertisseurs performants capables d’exploiter techniquement la génération secondaire.
L’application technologique de la SEG-MATTER exige pour valoriser tous ses effets potentiels, une solution radicale mettant en œuvre un procédé d’amorphisation aboutissant à une bonne, voire excellente, qualité du matériau cristallin autour des structures enterrées.
Définitions
Segton : est une unité de la génération secondaire d’électrons accordée à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire conditionnée en tant qu’unités cristallines élémentaires avec son système spécifique de niveau d’énergie d’électrons ajusté pour une conversion efficace lumière-électricité multiniveaux permettant une photogénération d’électrons de faible énergie et une multiplication de porteurs libres supplémentaires. Il s’agit aussi d’un procédé de production précisant la façon de produire l’ensemble des niveaux d’énergie d’électrons qui servent à optimiser la conversion en électricité du spectre solaire. Le procédé de base de la création des segtons est protégé parallèlement.
Seg-matter : il s’agit d’un métamatériau basé sur les segtons, c’est-à-dire d’un matériau convertissant la lumière en électricité, qui est constitué de segtons en distribution homogène, qui forment des super réseaux ordonnés, en étant plongés dans un environnement physique spécifique délimité par des nanomembranes, comme protégé par des brevets parallèles. Plus généralement, cette expression désigne également le procédé de production pour fabriquer la matière capable d’exploiter un ensemble de niveaux d’énergie des segtons. La SEG-MATTER est le métamatériau nanostructuré c’est la matière à génération secondaire des électrons ayant une application industrielle grâce à la méthode élaborée de sa fabrication. Le procédé de base de création de la seg-matter fait l’objet d’une protection parallèle.
L’amorphisation dite « droite » : est l’amorphisation résultant d’une implantation d’ions avec un faisceau et un spot larges, qui permet d’éviter ou au moins de réduire la génération de défauts structuraux résiduels persistants. La nouvelle cristallinité, apportant des fonctionnalités recherchées, devient possible en raison de forces physiques adéquates disponibles en nanoéchelle sous la condition d’éviter des endommagements non guérissables dus à cette opération. L'insertion d'une nouvelle phase cristalline artificielle se fait quelque part dans le réseau cristallin naturel sans sa destruction.
Remarque: sans ce passage avec des imperfections du désordre ponctuel (dans ce cas d’amorphisation), les matériaux auraient peu de ductilité et ne pourraient donc pas être formés en des formes utiles avec des énergies abordables à large échelle industrielle.
Transformation astucieuse du réseau cristallin de silicium : création du réseau cristallin souhaité avec une dépense énérgétique réduite dans l’intervalle des températures permises.
Le bilan thermique : c’est la totalité d’énergie thermique nécessaire pour réaliser le procédé spécifique dans tout le processus de fabrication et plus particulièrement l’énergie thermique pour le traitement de post implantation.
Le faisceau d’ions focalisé pour l’amorphisation par balayage : le faisceau focalisé avec un spot du diamètre usuel de 2 à 3 mm, qui balaye la surface de la plaquette afin d’uniformiser son action.
Les défauts structuraux « durs », résiduels et persistants : les défauts structuraux exigeant des régimes de températures élevées de 800 à 1000°C et plus pour être guéris ou neutralisés. Ils « polluent » la cristallinité du métamatériau et sont ainsi « nuisibles » parce qu’ils ne peuvent pas être guéris durant le traitement thermique dans les conditions du procédé de fabrication (le régime de températures admis ne dépasse pas 500-550°C). Ces défauts résultent des transformations de groupes de plusieurs atomes à la fois. Ils représentent des contraintes et distorsions multiples se caractérisant par une multitude de niveaux d’électrons extrinsèques repartis dans le gap. Ceci se traduit par une recombinaison accélérée des porteurs secondaires neutralisant l’effet de la génération secondaire. Mal guéris, ces défauts provoquent aussi la recombinaison des porteurs primaires.
Les défauts structuraux « mous » : les défauts structuraux exigeant des régimes de température modérées de 500-550°C au maximum pour être guéris ou neutralisés.
Les défauts structuraux nuisibles ou nocifs ou durs : ce sont les défauts « polluants » la cristallinité du métamatériau qui n’ont pas pu être guéris durant le traitement thermique dans les conditions particulières au procédé de base et concerne plusieurs atomes du réseau.
Métamatériau : désigne un matériau artificiel, en particulier de silicium, présentant des propriétés physiques qui vont au-delà des propriétés connues dites naturelles. Le métamatériau garde sa composition chimique originale. Plus spécifiquement, il prend la forme d’au moins une couche continue ou discontinue, mais aussi un champ de perles ou de grains ou de formes quelconques telles que des agglomérés ou des agrégats et qui présentent en particulier une absorption optique très élevée, une génération/conversion d’électrons secondaires de faible énergie, une multiplication des électrons de faible énergie, un transport électronique spécifique, une sensibilité augmentée à l’intensité d’excitation et une forte non linéarité optique.
Nanocouches seg-matter : est l’espace semi-conducteur délimité, occupé par le matériau silicium qui a été uniformément transformé en métamatériau inséré dans le milieu cristallin.
Nanomembrane : il s’agit de l’hétérointerface ou de la surface limite jouant un rôle d’interface, (verticale, horizontale, parallèle à la surface, plus ou moins sphérique ou non) où se fera le changement, de modèle de bande, de mode de conduction et ainsi de suite. Il s’agit par exemple, de l’interface entre seg-matter et le matériau silicium environnant, qui sera caractérisée par la modification du mode de transport des électrons.
Zone de transition a/c, masse amorphisée / masse cristalline ; côté cristallin (dite <c-Si>) résulte de la recristallisation de la matière amorphisée couche par couche durant l’épitaxie en phase solide, ainsi l’amorphisation recristallisée laisse dans certaines conditions de très nombreuses bilacunes (1O20 cm'3) d’utilité technique, qui sont confinées dans une nanocouche autour de l’amorphisation. L’opération se passe comme si les bilacunes étaient injectées dans la couche <c-Si> à travers l’interface a/c. Se trouvant dans un environnement les conditionnant physiquement très fortement, elles se transforment en SEGTONs.
a-Si : région de silicium amorphisé < a-Si > : phase amorphisée du silicium c-Si : masse de silicium cristallin < c-Si > : phase cristalline du silicium
Lacune : défaut structurel ponctuel formant une unité structurelle spécifique.
Bilacune : défaut structurel ponctuel formé par deux lacunes interconnectées, formant une unité structurelle spécifique.
Nanoagrégats amorphisés : agrégats amorphisés ou nanogroupes de la matière cristalline localement transformée, préférentiellement de silicium, qui aura été incluse par n’importe quel procédé de production approprié dans le milieu cristallin.
Nanostructures insérées : nanoagrégats amorphisés, recouverts par une nanocouche de seg-matter, c’est-à-dire du métamatériau capable de fournir de nombreux électrons secondaires résultant de collisions d’électrons chauds provenant d’une distribution optimale à l’intérieur du convertisseur, de préférence l’émetteur.
GPC : [de l’anglais, giant photoconversion] photoconversion géante permettant l’exploitation optimale de l’énergie lumineuse, par la conversion en électricité de la lumière de tout le spectre solaire par une génération secondaire et la multiplication des électrons de faible énergie.
Difficultés surmontées par l’invention
L’invention vise principalement l’amélioration du processus d’amorphisation enterrée pour le rendre d’une part plus performant dans la fabrication et l’exploitation du métamatériau et d’autre part industriellement applicable.
Le métamatériau d’application industrielle pour la photoconversion géante ne peut résulter que d’une transformation spécifique du réseau cristallin de silicium, qui passe par une incontournable étape intermédiaire d’amorphisation à l’aide d’un faisceau d’ions.
La fabrication du métamatériau applicable à l’industrie doit respecter impérativement quelques exigences particulières pour éviter les inconvénients de l’implantation habituelle d’ions. Il s’agit notamment de tenir compte des indications suivantes.
- le faisceau d’ions adéquat (énergie, dose), doit être stabilisé et bien contrôlé durant tout le cycle de d’implantation
- la nécessité de réaliser la séparation la plus claire et nette possible des phases du silicium, l’une amorphisée et l’autre cristalline déjà avant le traitement thermique post implantation,
- la réduction de la quantité voire l’inexistence, d’insertions mutuelles de la phase amorphisée et de la phase cristalline sous forme de nanoparticules,
- l’obtention d’une bonne homogénéité et planéité de la couche amorphisée,
- permettre d’obtenir la zone de transition la plus mince possible entre la phase amorphisée et cristalline contenant un milieu mixte de phases amorphisée et cristalline,
- limiter l’inexistence des défauts structuraux « durs » à un nombre très faible,
- baisser la limite de température des procédés et augmenter la qualité initiale du matériau transformé juste après l’implantation,
- arriver à un très faible bilan thermique de traitement post implantation à une température de l’ordre de 500-550°C.
But de l’invention
L’invention a pour but de permettre la fabrication de la SEG-MATTER sans multiplier des contraintes électroniques résultant de l’amorphisation usuelle à faisceau focalisé et à balayage de la plaquette. La méthode exposée dans la présente invention s’inscrit dans le cadre d’une application industrielle.
L’invention se concentre sur le développement d’une étape intermédiaire adéquate dans la fabrication de la SEG-MATTER. Avec ce perfectionnement, il devient possible de tirer le bénéfice de la génération secondaire en la libérant des travers, défauts et du mauvais transport électronique provenant des défauts structuraux « durs », qui sont des défauts structuraux « polluant » la cristallinité du métamatériau.
La transformation du silicium cristallin répondant aux exigences imposées par les conditions industrielles de la fabrication de la SEG-MATTER avec les propriétés électroniques adéquates résulte selon l’invention, d’une amorphisation particulière, notamment celle dite « droite ».
Selon l’invention il s’agit d’une implantation d’ions avec un spot très large, parfaitement contrôlé, normalisé, stabilisé, et homogène.
Solution apportée par l’invention
Pour valoriser la génération secondaire de faible énergie il y a lieu de déterminer, de résoudre et de prévenir ou d’éviter les problèmes liés aux propriétés électroniques qui apparaissent après la création réussie de la SEG-MATTER.
Pour obtenir la SEG-MATTER, il faut passer par une étape préliminaire, à savoir une amorphisation locale du réseau cristallin de silicium à l’aide d’un faisceau d’ions.
L’invention apporte une solution à ces problèmes grâce au spot étendu de dépôt d’ions et de très large émission et son contrôle efficace provoquant la pénétration des ions dans le semi-conducteur par une onde de choc thermique plane. Ainsi, les vibrations unidirectionnelles du réseau cristallin ne produisent pas d’effets de tiraillement multidirectionnel ou de cisaillement pouvant se transformer en défauts structuraux « durs ». Il s’agit de l’amorphisation dite « droite » adéquate aux besoins de la SEG-MATTER et des propriétés électroniques du réseau cristallin.
En éliminant le verrou d’une amorphisation polluant la cristallinité du métamatériau et son environnement, l’invention permet la fabrication des convertisseurs photovoltaïques présentant une génération secondaire des électrons de faible énergie.
Résumé de l'invention
L’invention concerne un procédé amélioré de création d’un métamatériau à l’intérieur d’un convertisseur lumière-électricité tout en silicium.
Pour ce faire, la phase de formation d’une région amorphisée à une profondeur prédéterminée s’effectue par l’intermédiare d’une implantation d’ions par un générateur à spot étendu et à faisceau large et par un traitement thermique ultérieur de recristallisation qui se réduit à plusieurs séquences consécutives de faible durée d’exposition à la chaleur à une température de l’ordre de 500 °C.
Avantages de l'invention
Le métamatériau obtenu par l’amorphisation dite « droite », en étant bien structuré, n’exige que très peu ou pas de traitements thermiques post implantation lourds et compliqués.
La thermodynamique d’une telle implantation permet d’éviter des défauts structuraux résiduels et persistants et d’être conforme aux spécifications du cahier des charges des spécifications de la fabrication des convertisseurs à génération secondaire.
En particulier, le faisceau d’ions adéquat en énergie et en dose, qui est stabilisé et bien contrôlé durant l’implantation permet d’obtenir :
- la séparation la plus claire possible des phases de silicium, l’une amorphisée et l’autre cristalline juste après l’amorphisation, c’est-à-dire avant le traitement thermique,
- une très faible quantité d’insertions mutuelles des phases amorphisée et cristalline sous forme de nanoparticules,
- une bonne homogénéité et planéité de la couche amorphisée,
- une très mince zone de transition entre la phase amorphisée et cristalline avec son milieu mixte phases amorphisée/cristalline,
- l’absence totale ou la présence d’un très faible nombre de défauts structuraux « durs »,
- le très faible besoin en énergie thermique nécessaire au traitement post implantation à température de l’ordre de 500-550°C,
- la liberté élargie dans la conception et l’architecture du convertisseur, résultant des réductions d’épaisseurs des couches enterrées par implantation d’ions.
Liste des figures
Pour la description on se référera aux figures ci-jointes montrant schématiquement les moyens utilisés et les résultats obtenus.
FIG. 1 est une vue schématique en coupe illustrant le faisceau large d’implantation d’ions
FIG. 2 est une vue schématique illustrant le mouvement de la plaquette sous un faisceau d’ions large durant l’implantation d’ions
FIG.3 est une vue montrant des hétérointerfaces c/a, des zones de transition c/a et une nanocouche amorphisée après un traitement thermique de 30 min à 500°C (images TEM) dans lesquelles a-Si désigne la région amorphisée et c-Si désigne la masse cristalline
FIG.4 est un agrandissement à échelle de 5 nm de la figure 3 avec le détail d’une inclusion cristalline désignée par nc-Si
FIG. 5 est une visualisation de l’interface a-Si/c-Si techniquement utile avec agrandissement au niveau de l’insertion amorphisée, en images TEM et SEM.
FIG. 6 est un agrandissement HREM à l’échelle atomique de la première hétérointerface abrupte a-Si/c-Si
FIG. 7 est un agrandissement HREM à l’échelle atomique de la deuxième hétérointerface abrupte a-Si/c-Si
Descriptif de l’invention
L’invention est décrite ci-après dans le contexte général du procédé de formation des SEGTON et de la SEG-MATTER dont le procédé original de formation fait l’objet de protections antérieures.
Pour améliorer de façon remarquable le rendement photovoltaïque des convertisseurs tout silicium à simple jonction collectrice, il a été imaginé un nouveau matériau formé durant un procédé mettant en œuvre l’amorphisation d’un réseau cristallin et le traitement thermique consécutif. Toutes ces opérations sont réalisées au sein de la matière en silicium concernant principalement l’émetteur du convertisseur.
En enchaînant les transformations locales de la structure cristalline de silicium on arrive à former des centres de génération secondaire de faible énergie, appelés SEGTON, lesquels sont regroupés dans des nanocouches d’enveloppement des amorphisations enterrées. Cette nanocouche, appelée SEG-MATTER, est conditionnée à l’aide des effets physiques, qui ne sont accessibles qu’à nanoéchelle.
L’une des étapes les plus importantes et incontournables de la création des
SEGTONS et de la SEG-MATTER consiste en l’amorphisation enterrée. En effet, la vertu de cette étape détermine la faisabilité des convertisseurs GPC.
Après une phase préparatoire classique de la plaquette de silicium dont un dopage et la création de la jontion PN, on l’irradie par un faisceau d’ions à l’aide d’un implanteur convenablement réglé en dose et en énergie pour former une région amorphisée à une certaine profondeur dans la masse cristalline de l’émetteur.du converstisseur.
On forme de cette façon de chaque côté, entre la région amorphisée et la masse adjacente de silicium cristallin de l’émetteur, deux zones de transition, l’une supérieure et l’autre inférieure, constituant chacune une limite mixte entre les deux phases du silicium : la phase amorphisée d’une part et la phase cristalline d’autre part.
Comme indiqué ci-dessus, l’amorphisation engendre différents types de défauts structuraux, ceux utiles et d’autres qualifiés de nuisibles dont des défauts dits « durs » que l’on souhaite éliminer ou du moins contrôler le mieux possible durant l’amorphisation parce qu’ils persistent dans les traitements thermiques ultérieurs dans la limite des températures permises. L’amorphisation est aussi à l’origine des défauts « mous » qui peuvent être guéris totalement par les traitements thermiques ultérieurs dans la limite des températures permises ou être neutralisés.
Parmi les défauts, il y a ceux utiles et que l’on souhaite conserver tout en éliminant les défauts nuisibles. Il s’agit des défauts ponctuels dits bilacunes autour des lesquels sont formés les Segtons. Ce sont des unités de silicium cristallin auxquelles manquent deux atomes dans leur maille élémentaire. Pour devenir des Segtons, les bilacunes doivent être massées en très grand nombre et se trouver dans un environnement physique spécifique, confinées au sein de la SEG-MATTER. On arrive à préserver ces Segtons tout au long du traitement thermique et du procédé de fabrication ultérieur en conditionnant autour d’eux le matériau appelé Seg-matter.
Une excellente amorphisation, du point de vue de son homogénéité et du faible endommagement de la matière cristalline autour, permet d’éviter des défauts « durs », non guérissables et de plus, nécessite beaucoup moins d’énergie thermique pour guérir le matériau des défauts du traitement post implantation. En effet, pour former parfaitement les Segtons et la SEG-MATTER, il faut guérir ou neutraliser tous les défauts structuraux nuisibles, tout en préservant les Segtons.
La présente invention a un double but, d’une part créer le moins possible de défauts nuisibles et d’autre part réduire la dépense totale d’énergie occasionnée par le traitement thermique post implantation et en diminuer la durée. Pour ce faire, on utilise une amorphisation particulière n’induisant dans les zones de transition que peu de défauts structurels nuisibles et notamment de défauts « durs » qui sont hors de portée des traitements thermiques permis.
A. Dépôt local de l'énergie d'ions menant à l’amorphisation
L’amorphisation est un phénomène provoqué par le dépôt local d’énergie dans un réseau cristallin qui résulte, dans notre cas, d’une implantation d'ions. En bombardant la surface et en pénétrant dans le volume de la plaquette de silicium, le faisceau d’ions provoque plusieurs types de transformations du réseau cristallin appelées défauts.
Les défauts «congelés» c’est-à-dire ceux qui persistent résultent d’un équilibre création/disparition des transformations structurales. Certains types de défauts apparaissent uniquement lorsque le faisceau d’ions incident est insuffisamment contrôlé. Dans les cas extrêmes, les défauts structuraux accumulés peuvent entraîner des fissures ou même un morcellement, voire un éclatement de la plaquette.
B. Transformation de la structure cristalline par l’amorphisation
L’amorphisation du silicium par l'implantation d’ions est le résultat d'un équilibre critique entre la génération de dégâts et son anéantissement. Les cascades d'implantation génèrent différents types de dégâts allant des défauts ponctuels isolés et des clusters de défauts ponctuels dans du silicium, essentiellement cristallin, jusqu’aux poches amorphes et aux couches amorphes continues.
La compréhension de la formation du silicium amorphisé et de sa recristallisation, des capacités prédictives des modèles d'amorphisation et des dommages résiduels après le recuit post implantation, met en évidence le fait que le terme amorphisation ne peut décrire toutes les structures désordonnées résultant de l’implantation d’ions, en général. La diversification des désordres des amorphisations est liée à l'identification des défauts du réseau cristallin impliqués dans le processus d'amorphisation et la caractérisation de leur comportement durant le recuit dans le régime de températures bien déterminé. Une clarification est nécessaire pour pouvoir utiliser ce processus dans la technologie des dispositifs semi-conducteurs.
La création des nombreuses bilacunes qui sont des défauts ponctuels dominant le processus de l’amorphisation est bien compris grâce aux modèles phénoménologiques et théoriques de cette transformation à l’échelle atomique, c’està-dire les mouvements d’atomes individuels dans des unités élémentaires du cristal.
Le problème est moins étudié dans le cas des défauts structuraux plus étendus accompagnant l’amorphisation avec des énergies et doses importantes. Il s’agit des mouvements des groupes d’atomes formant un réseau cristallin. Sous l’effet de l’onde de choc des ions incidents et pénétrant dans le cristal, les vibrations du réseau cristallin peuvent atteindre des amplitudes trop importantes pour le retour à l’équilibre. La thermodynamique de l’amorphisation et de la recristallisation sous le faisceau d’ions dépend beaucoup des conditions d’évacuation de l’énergie déposée localement. Si la chaleur est évacuée rapidement, le processus d’amorphisation peut être à l’origine d’une « congélation » des déplacements de groupes d’atomes se traduisant par des défauts structuraux.
Tous ces effets pervers peuvent être évités ou atténués grâce à une amorphisation notamment celle dite droite,. Celle-ci est capable de conserver les défauts structuraux « utiles », qui sont massés et confinés dans la zone de transition a/c, et, en même temps, de guérir en grand nombre les défauts structuraux « nuisibles » tout en limitant leur création. En général, la majorité des défauts structuraux dits « mous » ne sont pas nuisibles parce que guérissables dans des conditions de recuit admises. Il s’agit des régimes de température dites modérées de 500-550°C au maximum.
L’exigence fondamentale concernant la technologie du métamatériau peut être exprimée ainsi ; il faut réussir une amorphisation selon laquelle les défauts structuraux étendus « durs » sont absents ou du moins en nombre très limité.
C. Amorphisation comme moyen pour obtenir la source du métamatériau
Dans le cas de cette invention, l’amorphisation est une étape préliminaire inévitable dans la création des SEGTONs et de la SEG-MATTER, composants essentiels pour la génération secondaire comme décrits dans des brevets antérieurs. Le matériau cristallin est d’abord plastifié de manière contrôlée afin qu'il puisse, dans un deuxième temps, être transformé localement en une nouvelle phase cristalline artificielle du matériau. Les atomes qui formaient précédemment un réseau cristallin presque parfait sont repartis dans un certain désordre. C’est un désordre amorphe spécifique, apparent à long rayon action. Il est équivalent à un « magma de création » qui peut être ensuite réorganisé de manière utile dans un ordre cristallin spécifique. Des atomes quittent leurs sites d’origine, se déplacent et se fixent dans de nouveaux sites dans le volume amorphisé.
La phase amorphisée se gonfle par rapport à la phase cristalline; une force de dilatation apparaît. Pour rendre l’opération de la transformation du matériau utile techniquement. Un traitement thermique post implantation a plusieurs fonctions : la guérison des défauts nuisibles, l’homogénéisation, la planéification des zones de transitions a/c, la planéification de l’heterointerface a/c et, surtout, la recristallisation partielle de la phase amorphisée afin d’induire des nanocouches planaires remplies massivement des bilacunes se transformant dans les conditions physiques locales en SEGTONS.
C’est ainsi qu’un système enterré de nanocouches est formé dans un matériau cristallin, de telle manière qu’il puisse apporter les propriétés recherchées pour le rendement de conversion lumière-électricité fortement amélioré dans des convertisseurs en silicium à simple jonction collectrice.
D. Zone de transition a-Si/c-Si ; Heterointerface a-Si/c-Si
A l’échelle nanométrique apparaît la zone de transition a-Si/c-Si avec sa composante cristalline dite <c-Si>. Il s’agit de la zone regroupant des centaines ou même des milliers d’atomes. L’incertitude concernant la qualité de la zone de transition a-Si/c-Si se limite à quelques nanomètres dans la profondeur du matériau en partant de l'interface a/c.
La quantité exacte du dommage et la composition fine de la zone de transition sont d'une grande pertinence à des fins technologiques liées à la SEG-MATTER, car cela affecte de manière significative son activité et surtout le transport électronique. Par conséquent, il est essentiel de développer des amorphisations induites par des ions, qui sont compatibles avec les processus de fabrication et les activités de la SEG-MATTER. En particulier, il s’agit de la transition c-a et de sa dépendance aux paramètres de l'implant et des conditions du processus.
Le résultat recherché est obtenu par une implantation caractérisée par des ondes de chaleur planaires durant une amorphisation dite « droite ». Cette solution permet d'éviter la génération des défauts structuraux les plus étendus qui nécessitent des températures élevées pour leur guérison (800 - 1000°C).
Heterointerface a-Si/c-Si. Les ions implantés dans un semi-conducteur à température ambiante à dose suffisante forment une couche amorphisée plutôt plane avec des interfaces c/a distinctes et plus ou moins graduelles. Pour des applications techniques, ces interfaces doivent avoir des propriétés bien définies ; elles doivent être planes et abruptes à l’échelle atomique, libres de défauts structuraux et de dislocations, en séparant deux matériaux homogènes aux propriétés bien stabilisées.
Parce que le degré d’irrégularité et l’aspérité des interfaces dépend de la qualité du faisceau d’ions incident à l’origine de l’amorphisation, il doit être bien contrôlé, instable ou stabilisé dans un intervalle restreint. Autrement, les interfaces sont irrégulières avec des aspérités les disqualifiant pour une application technique même après un bon traitement thermique.
En général, le traitement thermique post implantation ne peut planéifier que des interfaces aux irrégularités limitées et de faible volume. L'irrégularité de l'interface de n'importe quelle zone de taille nanométrique et la variation de l'agencement atomique local à l'interface sont responsables d'une large gamme d'énergies et de températures pour la recristallisation. La recristallisation implique un événement déclencheur, suivi d'un réarrangement rapide des atomes autour de l’interface. Dans une certaine mesure, la thermodynamique de la recristallisation aide à la planéification si les volumes à ordonner ne sont pas trop importants parce que la croissance des zones a/c planaires est plus lente que celle des zones à l’aspérité prononcée.
La planéification de l’interface a/c se poursuit simultanément avec la guérison des couches adjacentes représentant les zones de transition a/c côté cristallin ; les deux processus sont liés et doivent être synchronisés. Cette opération est d’autant plus facile que la couche amorphisée est « ordonnée », ainsi l’épitaxie en phase solide produit les interfaces et zones de transition requises avec des dépenses énérgétiques très réduites.
L’invention de l’amorphisation dite droite permet des applications techniques grâce :
• au minimum des défauts structuraux du début de l’implantation d’ions, • à la guérison de la structure cristalline endommagée par un traitement thermique économique.
E. Amorphisation à faisceau focalisé et balayage
La transformation c-a induite par un faisceau d'ions dépend fortement des paramètres d'irradiation. La cinétique de l'accumulation des défauts utiles et nuisibles est contrôlée par une concurrence entre l'accumulation de dommages et le recuit dynamique. On a observé que les dommages causés par le faisceau d’ions augmentent à mesure que la dose déposée augmente. La dose d'implants à laquelle une couche entièrement amorphe apparaît d'abord est appelée fluence seuil (dose).
Les premières amorphisations ont été réalisées avec un faisceau au spot focalisé et balayage. La préoccupation majeure concerne le phénomène de transformation des phases avec des énergies relativement faibles. La qualité et la composition du matériau transformé, la planéité des interfaces, la qualité et la composition des zones de transition côté cristallin n’étaient pas particulièrement soignées à cause de l’équipement disponible et le manque d’intérêt industriel.
Comme on peut le constater, ce type d’amorphisation est à l’origine d’interfaces a/c avec des aspérités trop prononcées. Leur valeur technique est donc bien limitée. Il est pratiquement impossible d’établir un cahier de charges adapté aux exigences aussi bien du dispositif que du processus de sa fabrication. Un recuit à
500°C est relativement long ou très long. Il dépend de la qualité initiale de l’amorphisation.
Les paramètres limitatifs de l’amorphisation initiale dans ce cas sont définis comme suit :
- l’épaisseur initiale de l”amorphisation doit être suffisamment large pour conserver une marge nécessaire pour l’épitaxie en phase solide, mais simultanément pas trop large pour rester confinée utilement dans le volume du dispositif et pour ne pas exiger des durées de recuit trop longues,
- la durée du traitement thermique post implantation doit être relativement longue pour permettre une épitaxie en phase solide adéquate, mais simultanément pas trop longue pour respecter le temps alloué à la technologie aux proportions raisonnables des coûts et des cadences de fabrication,
- la dépense thermique du traitement de recuit doit être raisonnable du point de vue des transformations et de la fabrication,
- la nécessité d’un cycle du traitement thermique post implantation doit permettre l’exploitation de la thermodynamique de recristallisation et de l’épitaxie en phase solide.
La figure 3 montre un exemple des hétérointerfaces c/a, des zones de transition c/a et de la nanocouche amorphisée après un traitement thermique après 30 min à 500°C (images TEM) dans lesquelles a-Si désigne la région amorphisée et c-Si désigne la masse cristalline. Ce résultat confirme que les interfaces a/c initiales non planaires exigent des perfectionnements, lesquels ne sont souvent pas abordables avec ce type d’amorphisation comprenant un faisceau d’ions focalisé et un balayage de la plaquette..
F. Amorphisation dite « droite », à faisceau large et très large.
Avec le développement des applications industrielles de l’amorphisation par implantation d’ions sont apparues des machines capables de fournir des faisceaux d’ions plus larges, qui sont bien adaptées à l’amorphisatiQn contrôlée.
Les implanteurs industriels des dernières générations se caractérisent par une qualité éprouvée de processus avec l’élimination parfaite de la contamination énergétique (FEM) et rétroaction de l'angle de faisceau à la fois en direction horizontale et verticale. Le filtre à énergie angulaire élimine toutes les formes de contaminants énergétiques du spot large heurtant la surface de la plaquette.
Dans ce cas, l’onde de choc thermique se propageant dans le réseau cristallin du semi-conducteur est d’une autre nature. Les agitations thermiques sont plutôt homogènes et apparaissent exclusivement selon un axe, l’axe longitudinal de propagation. La probabilité des vibrations latérales est minime.
C’est une rupture technologique dans le domaine de modulation des matériaux semi-conducteurs avec le faisceau d’ions. Effectivement, les interfaces a/c d’amorphisation avec un spot large sont presque planaires déjà juste après l’implantation contrairement à l’amorphisation avec un spot focalisé. Cette amélioration, libère la technologie d’amorphisation des semi-conducteurs d’une bonne partie des soucis liés aux défauts structuraux dits « durs ». Ces types de défauts sont tout simplement absents et le traitement thermique est fortement simplifié.
L’invention concerne la technologie libérée des défauts dits « durs ». Cette fois, il est bien plus facile d’observer les paramètres limitatifs de l’amorphisation initiale qui sont définis comme suit :
- épaisseur initiale de T’amorphisation qui se trouve être bien plus mince en garantissant une meilleure marge pour l’épitaxie en phase solide ; ainsi il est bien plus facile à placer/confiner utilement cette amorphisation dans le volume du dispositif ; les durées de recuit sont fortement raccourcies et peuvent plus facilement respecter en même temps les exigences de la technologie et du dispositif),
- la dépense énergétique est relativement faible, ce qui veut dire que la durée du traitement thermique post implantation est courte tout en garantissant en même temps une épitaxie en phase solide adéquate,
- l’épitaxie en phase solide est en mesure de respecter autant que possible le temps alloué à la technologie avec des cadences de fabrication aux proportions raisonnables en réduisant considérablement les coûts relatifs,
- le cycle du traitement thermique post implantation est simplifié et moins dépendant des spécificités de la thermodynamique de recristallisation et de l’épitaxie en phase solide.
Description des figures
La figure 1 montre un exemple d’une vue schématique en coupe illustrant le faisceau large d’implantation d’ions. L’aire de spot de ce faisceau heurtant la surface de la plaquette représente quelques dizaines de cm2.
La figure 2 montre une vue schématique illustrant le mouvement de la plaquette-cible durant l’implantation d’ions sous un faisceau large stabilisé et fixe.
Les figures 3 et 4 montrent un exemple en images TEM, de l’amorphisation enterrée avec un faisceau d’ions focalisé et à balayage de la plaquette. On observe qu’aussi bien les hétérointerfaces c/a, que les zones de transition c/a ne sont pas correctement planéifiés après un traitement thermique de 30 min à 500°C. L’agrandissement de la zone de transition c/a de la figure 4 montre une inclusion cristalline désignée par nc-Si. La nanocouche amorphisée contient plusieurs inserts cristallins de la taille de 5 nm. Ce type d’amorphisation est techniquement inutile en raison de la mauvaise qualité structurelle..
La figure 5 montre en image TEM, les interfaces a-Si/c-Si planéifiées pour devenir techniquement utiles. Un agrandissement en imange SEM, au niveau de la nanocouche amorphisée permet de distinguer trois composantes de la sousstructure enterrée : la partie cristalline (c-Si), la partie amorphisée (a-Si) et deux zones de transition qui forment des nanocouches <c-Si> de la SEG-MATTER.
Les figures 6 et 7 montrent des exemples de l’amorphisation dite « droite ». Dans ce cas, les interfaces a/c initiales sont suffisamment régulières pour devenir planaires durant le traitement thermique appliqué à 500°C.
Le procédé selon l’invention utilise un faisceau d’ions bombardant la plaquette-cible de silicium qui présente un front d’onde sensiblement plan grâce auquel, malgré la faible dépense énergétique, la thermodynamique des transformations du matériau cristallin conduit à la structure libre des défauts structuraux étendus résiduels et persistants en permettant la séparation la plus claire et nette possible des phases de silicium amorphisée et cristalline, très mince zone de transition entre la phase amorphisée et cristalline avec son milieu mixte amorphisé/cristallin, la bonne homogénéité et planéité de la couche amorphisée, ainsi qu’une quasi absence des insertions des nanoparticules amorphisées dans le cristallin et cristallines dans l’amorphisé, déjà avant le traitement thermique post implantation.
En outre, l’implantation d’ions est réalisée avec des ions silicium ou des ions phosphore et dans la masse cristalline de l’émetteur au voisinage de la face avant de 5 la plaquette.
La durée réduite de chaque exposition thermique à la température autour de 500°C est de quelques minutes et de préférence inférieure à 30 minutes.
Par ailleurs, la surface du spot projeté sur la plaquette est d’au moins quelques dizaines de cm2.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de création d’une nanocouche de métamatériau avec des centres de génération secondaire à l’intérieur d’une cellule photovoltaïque, bénéficiant d’un nouveau mécanisme de génération des porteurs libres, d’une plaquette tout en silicium préalablement dopée et dans laquelle a été formée une jonction collectrice définissant classiquement entre la face arrière et la face avant une base et un émetteur caractérisé en ce que l’on procède à la création d’une région amorphisée par une amorphisation provenant d’une implantation d’ions à une profondeur prédéterminée et d’épaisseur prédéterminée dans la masse cristalline de silicium de l’émetteur à l’aide d’un implanteur d’ions à faisceau large et à spot large, stabilisé et contrôlé durant tout le cycle d’implantation, et induisant des ondes de chaleur planaires se déplaçant dans la masse cristalline cible selon la direction de propagation des ions incidents, évitant des effets de tiraillement multidirectionnel ou de cisaillement, suivie d’un traitement thermique post implantation de durée réduite, à une température voisine de 500°C, réalisé selon un cycle de séquences successives d’exposition thermique de durée réduite.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le faisceau d’ions bombardant la plaquette-cible de silicium présente un front d’onde sensiblement plan grâce auquel, malgré la faible dépense énergétique, la thermodynamique des transformations du matériau cristallin conduit à la structure libre des défauts structuraux étendus résiduels et persistants en permettant la séparation la plus claire et nette possible des phases de Si, amorphisée et cristalline, très mince zone de transition entre la phase amorphisée et cristalline avec son milieu mixte amorphisé/cristallin, la bonne homogénéité et planéité de la couche amorphisée, ainsi qu’une quasi absence des insertions des nanoparticules amorphisées dans le cristallin et cristallines dans l’amorphisé, déjà avant le traitement thermique post implantation.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’implantation d’ions est réalisée avec des ions silicium ou des ions phosphore.
  4. 4. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par la création dans l’émetteur d’une nano structure enterrée, contenant au moins une nano couche active dite SEG-MATTER greffée avec des très nombreux centres de génération secondaire dits SEGTON.
  5. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’implantation d’ions est réalisée dans la masse cristalline de l’émetteur au voisinage de la face avant de la plaquette.
  6. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la durée réduite de chaque exposition thermique à la température autour de 500°C est de quelques minutes.
  7. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le la durée totale de ou des expositions thermiques est inférieure à 30 minutes.
  8. 8. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface du spot projeté sur la plaquette est d’au moins quelques dizaines de cm2.
  9. 9. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le faisceau d’ions est fixe et la plaquette se translate en étant balayée par le spot des ions sur sa face avant.
  10. 10. Convertisseur photovoltaïque tel que résultant de l’a mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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