Cette thèse explore deux voies alternatives d’élaboration de l’émetteur bore des cellules à base de silicium cristallin de type n, afin de simplifier leur procédé de fabrication, d’une part, et d’améliorer leur rendement de conversion, d’autre part. La première voie, orientée transfert industriel, propose l’utilisation d’une couche diélectrique dopante (SiOx:B) déposée par PECVD-LF, recuite par diffusion thermique. Des paramètres d’émetteur similaires à ceux obtenus dans le cas d’une diffusion gazeuse BCl3 sont recherchés. La seconde approche, plus amont, envisage quant à elle l’élaboration d’un hétéro-émetteur en silicium microcristallin dopé bore (µc-Si:B), obtenu par cristallisation thermique d’une couche de silicium amorphe dopée bore, déposée par PECVD-RF. La formation d’un hétéro-émetteur bore à haute température vise l’obtention de Vco plus élevées sur cellules n-PERT. L’élaboration et le suivi des propriétés des couches SiOx:B ont permis de mettre en évidence différents phénomènes ayant lieu lors de la diffusion. La qualification du dopage et de la passivation de l’émetteur bore a montré de bonnes performances. L’utilisation du SiOx:B lors d’une étape de codiffusion a permis de réaliser des cellules de type n-PERT (239 cm²) selon deux procédés simplifiés (3 étapes de moins) avec les rendements les plus hauts atteints à notre connaissance (20%) sur la structure considérée. D’autre part, les couches µc-Si:B ont été développées puis caractérisées. Le potentiel électrique des hétéro-émetteurs associés a été évalué sur structure symétrique indiquant que des iVco supérieures à 700mV peuvent être atteintes. L’évaluation de la prise de contact sur ce nouvel émetteur a été réalisée par sérigraphie. A ce jour, un phénomène de cloquage limite néanmoins l’intégration de cet émetteur en cellule complète. / This thesis focuses on two alternative boron emitter elaboration routes for n-type crystalline silicon solar cells in order to simplify fabrication processes on one hand, and to improve conversion efficiencies on the other hand. The first route, driven by industrial integration concern, proposes the use of PECVD-LF boron-doped dielectric layers (SiOx:B), annealed by thermal diffusion. Emitter parameters similar to those made by BCl3 gaseous diffusion are obtained on n-type substrates. The second approach, which is more exploratory, considers a boron-doped microcrystalline silicon layers (µc-Si:B) made by boron-doped amorphous silicon crystallization. The elaboration of this high temperature hetero-emitter targets higher open-circuit voltages than standard n-PERT cells.SiOx:B layers elaboration and structural properties study highlighted several phenomena occurring during diffusion annealing. Doping and passivation qualification of associated boron emitters showed good performances. The use of SiOx:B layers during a dopant codiffusion step led to industrial size (239 cm²) n-PERT solar cells fabrication according to two simplified processes (3 steps suppression) with, what is to our knowledge, the highest published efficiencies (20%) on the considered structure. On the other hand, µc-Si:B layers were developed and characterized. The electrical potential of associated hetero-emitters was assessed on symmetrical devices showing that iVoc higher than 700mV can be reached. Contacting on this new emitter was evaluated by metal screen-printing. However, to date, blistering issues limit emitter integration into solar cells.

Les verres de phosphates à faible Tg et forte stabilité thermique sont étudié dans le système (66-x)ZnO- xNa2O-33.4 P2O5. Les mesures DSC ont montré un écart Tx-Tg de 197 °C et une Tg de 339 °C pour x= 20. La RMN 31P 1D/2D révèle la diminution du désordre due à la substitution progressive de Zn par Na. Les formulations x=20 et x=33 ont été dopé par de l’Al2O3, B2O3 et SiO2 (1-4 % mol.) et ses effets sur les propriétés physiques comme la température de transition vitreuse, la stabilité thermique et la durabilité chimique ont été investiguées. La DRX et la RMN 31P ont été réalisés pour suivre le processus de cristallisation en isotherme à 130°C (au-delà de la Tg). La plus forte stabilité thermique a été identifiée pour les verres dopés au bore. Le Raman et la RMN 31P ont mis en évidence l’existence de connections P-O-X (X=27Al ou 11B). La RMN a entre autre montré la coordinence majoritaire VI, IV et IV respectivement pour l’aluminium, le bore et la silice. L’utilisation de D-INEPT, REDOR et DQ-SQ permet d’approfondir nos connaissances sur la structure particulièrement sur les connectivités P-O-X mais également la diversité des connections possibles. / Pyrophosphate glass with low Tg and high stability is investigated within the (66-x) ZnO- xNa2O-33.4 P2O5 system. DSC measurement indicated Tx-Tg=197 °C with Tg = 339 °C at x= 20. 1D/2D 31P NMR revealed the decrease in extent of disorder with the progressive substitution of Zn by Na. The x=20 and x=33 formulations were doped with (1-4 mol.%) of Al2O3, B2O3 and SiO2 and its effect on the physical properties such as the glass transition temperature, thermal stability and chemical durability is investigated. XRD and 1D 31P solid state NMR were used to monitor the isothermal crystallization process occurring at 130 °C above Tg and the highest thermal stability is presented by the B-doped glasses. Raman and 31P NMR suggested the existence of P-O-X (X=27Al or 11B) bonds. The MAS NMR distinguished the dominant coordination states of doping elements AlVI , BIV and SiIV respectively. The use of D-INEPT, REDOR and DQ-SQ helped in producing deeper insights onto the glass structure about the P-O-X connectivity, the wide range of phosphate speciation.

L’objectif de cette thèse porte sur la synthèse du diamant monocristallin dopé au bore par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Ces couches épitaxiées jouent le rôle de couches actives dans des composants pour l’électronique de puissance. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet Européen H2020 Greendiamond. Durant cette thèse, un traitement de gravure des défauts surfaciques des substrats de diamant HPHT par plasma Ar/O₂ a été mis au point. L’efficacité de ce traitement a été validée par diffraction des rayons X à haute résolution, spectroscopie Raman et cathodoluminescence. Cette étape s’est révélée essentielle pour l’amélioration des propriétés de transport de couches de diamant dopées au bore pour les applications en électronique.L’optimisation des conditions de croissance de couches de diamant faiblement dopées au bore (<10¹⁶ at.cm⁻¹) a permis la synthèse de films homoépitaxiés allant jusqu’à 5 µm d’épaisseur présentant une haute qualité cristalline. Les propriétés structurales et de transport de ces couches ont été corrélés en combinant différentes méthodes comme la spectroscopie Raman, la cathodoluminescence, la topographie X, l’imagerie MEB des défauts, les mesures par temps de vol et des mesures de Hall.Ces films de diamant dopés au bore ont été intégrés avec succès dans des composants électroniques comme des MESFET ou des diodes Schottky. / This PhD aims to synthetize boron doped single-crystal diamond epilayers by Micro-Wave Plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD) as active layers for power electronic devices. This work was performed in relation with the European H2020 Greendiamond project. A powerful Ar/O₂ plasma etching was optimized which allows the efficient elimination of defects in the subsurface of HPHT diamond substrates as confirmed by High Resolution X-ray Diffraction, Raman spectroscopy and Cathodoluminescence. This step proved to be crucial for the improvement of low boron doped-diamond layers carrier properties for electronic purposes.The optimization of growth conditions performed on low boron-doped diamond layers (<10¹⁶ at.cm⁻³) enabled the synthesis of high quality doped layers, 5 µm thick. The structural and transport properties of these layers were correlated by different techniques: Raman spectroscopy, Cathodoluminescence, X-Ray Topography, SEM imaging of defects, Transient Current Technique, Hall measurements.Finally, low boron doped epilayers were integrated with success in electronic devices such as MESFET or Schottky diodes.

Alors que la demande en électronique haute puissance et haute fréquence ne fait qu'augmenter, les semi-conducteurs classiques montrent leurs limites. Des approches basées soit sur des nouvelles architectures ou sur des matériaux à large bande interdite devraient permettre de les dépasser. Le diamant, avec ses propriétés exceptionnelles, semble être le semi-conducteur ultime pour répondre à ces attentes. Néanmoins, il souffre aussi de certaines limitations, en particulier d'une forte énergie d'ionisation du dopant de type p (bore) qui se traduit par une faible concentration de porteurs libres à la température ambiante. Des solutions innovantes s'appuyant sur un gaz 2D et /ou l'effet de champ ont été imaginées pour résoudre ce problème. Ce travail est axé sur deux de ces solutions : i) le diamant delta dopé au bore qui consiste en une couche fortement dopée entre deux couches intrinsèques, afin d'obtenir une conduction combinant une grande mobilité avec une grande concentration de porteurs et ii) le transistor à effet de champ métal oxide semiconducteur( MOSFET ), où l'état " on " et l'état " off " du canal sont obtenus grâce au contrôle électrostatique de la courbure de bandes à l' interface de diamant/oxyde. Pour ces deux structures, beaucoup de défis technologiques doivent être surmontés avant de pouvoir fabriquer un transistor. La dépendance en température de la densité surfacique de trous et de la mobilité de plusieurs couche de diamant delta dopées au bore a été étudiée expérimentalement et théoriquement sur une large gamme de température (6 K

Dans ce projet de thèse, qui s'appuie sur l'optimisation d'un réacteur de croissance du diamant et la construction d'un prototype, nous avons démontré l'épitaxie par étapes de couches de diamant, orientées (100), lourdement dopées au bore sur des couches de dopage plus faible dans le même processus, sans arrêter le plasma. Plus original, nous avons démontré la situation inverse. Nous présentons aussi des croissances assez lentes pour l'épitaxie de films d'épaisseur nanométriques avec de grands sauts de dopage, appelé delta-dopage. L'accent a été porté sur le gain en raideur des interfaces. Nous démontrons la présence d'interfaces fortement abruptes, issues de gravures in-situ optimisées, par une analyse conjointe en spectrométrie de masse à ionisation secondaire et en microscopie électronique en transmission à balayage en champ sombre annulaire aux grands angles. Des super-réseaux de dopages abrupts montrent des pics satellites de diffraction X typiques de la super-période. / The aim of this PhD thesis was to better understand the boron delta-doping of diamond over building a new Microwave Plasma Chemical Vapour Deposition reactor prototype. We succeed to grow step by step heavy on low, and more original, low on heavy boron-doped layers of (100)-oriented diamond in the same process and without stopping the plasma. We also settled growth parameters for a growth rate slow enough to get nanometre-thick homoepitaxial films with boron doping jumps over several orders of magnitude, called delta-doping. We demonstrated the presence of super-sharp interfaces, after optimized in situ etching, by joint Secondary Ion Mass Spectrometry and Scanning Tunneling Electron Microscopy at High-Angle Annular Dark Field analysis. Finally superlattices with abrupt boron doping levels have been grown; they show satellite peaks of X-ray diffraction representative of a super-period.

Dans ce projet de thèse, deux voies visant l'élaboration de transistors à effet de champ en diamant ont été explorées : le delta-doping et la structure métal oxyde semi-conducteur (MOS). Plusieurs couches nanométriques delta-dopées au bore ont été épitaxiées et caractérisées par effet Hall. Un mécanisme de conduction par saut a été détecté dans les couches isolantes. Une mobilité de 3±1 cm2/Vs a été mesurée dans toutes les couches delta-dopées présentant une conduction métallique, quelque soit leur épaisseur (de 2 nm à 40 nm). Des structures MOS ont été fabriquées en utilisant de l'oxyde d'aluminium déposé par ALD (Atomic Layer Deposition) sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures capacité tension ont montré que les régimes d'accumulation, de déplétion et de déplétion profonde pouvaient être contrôlés par la tension de grille, ouvrant ainsi la voie pour la fabrication de MOSFET en diamant.

Alors que la demande en électronique haute puissance et haute fréquence ne fait qu’augmenter, les semi-conducteurs classiques montrent leurs limites. Des approches basées soit sur des nouvelles architectures ou sur des matériaux à large bande interdite devraient permettre de les dépasser. Le diamant, avec ses propriétés exceptionnelles, semble être le semi-conducteur ultime pour répondre à ces attentes. Néanmoins, il souffre aussi de certaines limitations, en particulier d’une forte énergie d’ionisation du dopant de type p (bore) qui se traduit par une faible concentration de porteurs libres à la température ambiante. Des solutions innovantes s'appuyant sur un gaz 2D et /ou l’effet de champ ont été imaginées pour résoudre ce problème. Ce travail est axé sur deux de ces solutions : i) le diamant delta dopé au bore qui consiste en une couche fortement dopée entre deux couches intrinsèques, afin d’obtenir une conduction combinant une grande mobilité avec une grande concentration de porteurs et ii) le transistor à effet de champ métal oxide semiconducteur( MOSFET ), où l’état « on » et l’état « off » du canal sont obtenus grâce au contrôle électrostatique de la courbure de bandes à l' interface de diamant/oxyde. Pour ces deux structures, beaucoup de défis technologiques doivent être surmontés avant de pouvoir fabriquer un transistor. La dépendance en température de la densité surfacique de trous et de la mobilité de plusieurs couche de diamant delta dopées au bore a été étudiée expérimentalement et théoriquement sur une large gamme de température (6 K <T < 500 K). Deux types de conduction ont été détectés: métallique et non métallique. Une mobilité constante comprise entre 2 et 4 cm2/Vs a été mesurée pour toutes les couches delta métalliques quelle que soient leurs épaisseurs ou le substrat utilisé pour la croissance. Cette valeur particulière est discutée en comparaison à d'autres valeurs expérimentales reportées dans la littérature et aussi de calculs théoriques. Une conduction parallèle à travers les régions faiblement dopées qui encapsule la couche delta, a également été mise en évidence dans certains échantillons. Une très faible mobilité a été mesurée pour les couches delta non métalliques et a été attribuée à un mécanisme de conduction par saut. Des structures métal oxyde semi-conducteur utilisant de l'oxyde d'aluminium comme isolant et du diamant monocristallin (100) de type p en tant que semi-conducteur ont été fabriquées et étudiées par des mesures capacité tension C(V) et courant tension I(V). L'oxyde d'aluminium a été déposé en utilisant un dépôt par couche atomique (Atomic Layer Deposition : ALD) à basse température sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures C(V) démontrent que les régimes d'accumulation , de déplétion et de déplétion profonde peuvent être contrôlés grâce à la tension de polarisation appliquée sur la grille. Un diagramme de bande est proposée et discutée pour expliquer le courant de fuite étonnamment élevé circulant en régime d’accumulation. Aucune amélioration significative de la mobilité n’a été observée dans les structures delta, même pour les plus fines d’entre elles (2 nm). Cependant, la démonstration du contrôle de l’état du canal de la structure MOS ouvre la voie pour la fabrication d’un MOSFET en diamant, même si un certain nombre de verrous technologiques subsistent. / As the demand in high power and high frequency electronics is still growing, standard semiconductors show their limits. Approaches based either on new archi- tectures or wide band gap materials should allow to overcome these limits. Diamond, with its outstanding properties, seems to be the ultimate semiconductor. Neverthe- less, it also suffers from limitations, especially the high ionization energy of the boron p-type dopant that results in a low carrier concentration at room temperature. In- novative solutions relying on 2D gas or/and field effect ionization has been imagined to overcome this problem. This work is focused on two of these solutions: i) boron delta-doping consisting in highly doped layer between two intrinsic layers, resulting in a conduction combining a high mobility with a large carrier concentration and ii) metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) where the conducting or insulating behavior of the channel is based on the electrostatic control of the band curvature at the oxide/semiconducting diamond interface. For both structures, a lot of technological challenges need to be surmounted before fabricating the related transistor. On one hand, the temperature dependence of the hole sheet density and mobility of several nano-metric scaled delta boron doped has been investigated experimentally and theoretically over a large temperature range (6 K <T< 500 K). Two types of conduction behaviors were detected : metallic and non metallic. A constant mobility between 2 and 4 cm2/V.s was found for all the metallic degenerated delta layers whatever its thickness or the substrate used for the growth. This particular value is discussed in comparison of other experimental values reported in literature and theoretical calculations. A parallel conduction through the low doped regions, in which the delta is embedded, has also been brought to light in certain cases. A very low mobility was measured for non metallic conduction delta layers and has been attributed to an hopping conduction mechanism which is discussed. On the other hand, metal-oxide-semiconductor structures with aluminum oxide as insulator and p−type (100) mono-crystalline diamond as semiconductor have been fabricated and investigated by capacitance versus voltage C(V) and current versus voltage I(V) measurements. The aluminum oxide dielectric was deposited using low temperature atomic layer deposition on an oxygenated diamond surface. The C(V) measurements demonstrate that accumulation, depletion and deep depletion regimes can be controlled by the bias voltage. A band diagram is proposed and discussed to explain the surprisingly high leakage current flowing in accumulation regimes. To sum up, no significant improvement of mobility has been observed in delta structures even for the thinnest one (2 nm). However, the MOS channel control demonstration opens the route for diamond MOSFET even if technological chal- lenges remain.

Cette thèse s’intéresse aux effets de la compensation des dopants sur les propriétés électriques du silicium cristallin. Nous montrons que le contrôle du dopage net, qui est indispensable à la réalisation de cellules solaires à haut rendement, s’avère difficile dans les lingots cristallisés à partir de silicium contenant à la fois du bore et du phosphore. Cette difficulté s’explique par la forte ségrégation du phosphore durant la cristallisation, qui donne lieu à d’importantes variations de dopage net le long des lingots de silicium solidifés de façon directionelle. Pour résoudre ce problème, nous proposons le co-dopage au gallium pendant la cristallisation et prouvons l’efficacité de cette technique pour contrôler le dopage net le long de lingots de type p ou n fabriqués à partir d’une charge de silicium contenant du bore et du phosphore. Nous identifions les spécificités du matériau fortement compensé ainsi obtenu comme étant: une forte sensibilité de la densité de porteurs majoritaires à l’ionisation incomplète des dopants, une réduction importante de la mobilité comparée aux modèles théoriques et une durée de vie des porteurs qui est déterminée par la densité de porteurs majoritaires et dominée après éclairement prolongé par les centres de recombinaison liés aux complexes de bore et d’oxygène. Pour permettre la modélisation de cellules solaires à base de silicium purifié par voie métallurgique, nous proposons une paramétrisation des propriétés fondamentales du silicium compensé mentionnées ci dessus. Nous étudions également la dégradation de la durée de vie des porteurs sous éclairement dans des échantillons de silicium de type p et n présentant une large gamme de niveaux de dopage et de compensation. Nous montrons que le défaut bore-oxygène est issu d’un complexe formé à partir de bore substitutionnel pendant la fabrication des lingots et activé sous injection de porteurs par une reconfiguration du défaut assistée par des charges positives. Finalement, nous appliquons le co-dopage au gallium pour la cristallisation de silicium UMG et démontrons que cette technique permet d’augmenter sensiblement la tolérance au phosphore sans compromettre le rendement matière de l’étape de cristallisation ou la performance des cellules solaires avant dégradation sous éclairement. / This thesis focuses on the effects of dopant compensation on the electrical properties of crystalline silicon relevant to the operation of solar cells. We show that the control of the net dopant density, which is essential to the fabrication of high-efficiency solar cells, is very challenging in ingots crystallized with silicon feedstock containing both boron and phosphorus such as upgraded metallurgical-grade silicon. This is because of the strong segregation of phosphorus which induces large net dopant density variations along directionally solidified silicon crystals. To overcome this issue, we propose to use gallium co-doping during crystallization, and demonstrate its potential to control the net dopant density along p-type and n-type silicon ingots grown with silicon containing boron and phosphorus. The characteristics of the resulting highly-compensated material are identified to be: a strong impact of incomplete ionization of dopants on the majority carrier density, an important reduction of the mobility compared to theoretical models and a recombination lifetime which is determined by the net dopant density and dominated after long-term illumination by the boron-oxygen recombination centre. To allow accurate modelling of upgraded-metallurgical silicon solar cells, we propose a parameterization of these fundamental properties of compensated silicon. We study the light-induced lifetime degradation in p-type and n-type Si with a wide range of dopant concentrations and compensation levels and show that the boron-oxygen defect is a grown-in complex involving substitutional boron and is rendered electrically active upon injection of carriers through a charge-driven reconfiguration of the defect. Finally, we apply gallium co-doping to the crystallization of upgraded-metallurgical silicon and demonstrate that it allows to significantly increase the tolerance to phosphorus without compromising neither the ingot yield nor the solar cells performance before light-induced degradation.