L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier une alternative à la cellule photovoltaïque à hétérojonction classique de silicium amorphe/cristallin avec un matériau (GaP) qui permettrait une amélioration de rendement grâce à ses propriétés optiques et électriques. L’étude du potentiel des hétérojonctions GaP/Si pour des applications PV nous a amené à étudier chacun des aspects critiques inhérents à leur réalisation. La préparation chimique de la surface des substrats et les mécanismes qui contrôlent la structuration de la surface de Si(100) ont été étudiés afin d’obtenir une surface de silicium mono-domaine (à marches diatomiques) et faiblement rugueuse par homoépitaxie (dépôts par UHV-CVD). Cette étude a été complétée par l’étude de l’influence de la préparation de surface (préparation chimique et homoépitaxie) du substrat sur la qualité cristalline du GaP déposé en deux étapes par MEE et MBE. La croissance de GaP par MEE a par la suite été effectuée sur des substrats de Si(100) ayant uniquement subi une préparation chimique de surface. Les paramètres de la séquence de croissances MEE ont été étudiés et ajustés afin d’optimiser la phase de nucléation du GaP. La qualité structurale des dépôts a été évaluée par des caractérisations par AFM et DRX. Les couches minces de faibles épaisseurs (20nm) présentent une faible rugosité de surface équivalente à une homoépitaxie et une fraction volumique de MTs inférieure à la limite de détection. La croissance MEE permet d’assurer une nucléation 2D. Cependant les caractérisations par TEM et STM révèlent la présence de parois d’antiphase. En parallèle, la simulation de structures HET GaP/Si (effectuée grâce au programme AFORS-HET) et la réalisation de diodes et de démonstrateurs cellules GaP/Si ont permis de démontrer les optimisations apportées par l’utilisation d’un émetteur de GaP. Ces composants ont été étudiés par caractérisations optiques et électriques. Nous avons constaté une limitation des performances due à la présence de pièges à l’interface et dans le volume. Ces différentes études ont donc permis d’identifier les verrous technologiques à lever pour exploiter pleinement les cellules à hétérojonctions GaP sur silicium afin d’obtenir des hauts rendements photovoltaïques. / The main objective of this thesis is to study an alternative to conventional amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell using gallium phosphide (GaP) as an emitter layer. This would allow a performance improvement because of its optical and electrical properties. The potential of GaP/Si heterojunction solar cells have been evaluated by studying each of the critical issues inherent to their fabrication process. The chemical preparation of the substrates surface and the mechanisms controling the structure of the Si (100) surface have been studied in order to obtain a single domain silicon surface (with diatomic steps) and slightly roughened by homoepitaxy (UHV-CVD). This work was completed by the study of the impact of surface preparation (chemical preparation and homoepitaxy) of the substrate on the crystalline quality of GaP deposited in two steps by MBE and MEE. The growth of GaP by MEE was subsequently carried out on Si(100) substrates having only undergone a chemical surface preparation. MEE growth sequence parameters were studied and adjusted to optimize GaP nucleation. The structural quality of the thin films was evaluated by AFM and XRD characterizations. Thin films of 20 nm have lower surface roughness equivalent to an homoepitaxy and a volume fraction of MTs below the detection limit. The MEE growth ensures a 2D nucleation. However, TEM and STM characterizations reveal the presence of antiphase boundaries. In parallel, simulations of the structure HET GaP/Si (with AFORS-HET) have been performed to evaluate the potential of the structure. First, diodes and demonstrator cells with GaP/Si junction have been fabricated and optically/electrically characterized. Limitations in performance due to the presence of traps at the interface and silicon volume degradation have been observed. All this work has allowed us to identify the technological issues to overcome in order to fully exploit the GaP/Si heterojunction cells to improve solar cell performance.

Cette thèse s’intéresse à l'intégration sur Si de cellules solaires III-V à simple et double jonction par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques (MOVPE). Les dispositifs photovoltaïques ont été réalisés avec des matériaux accordés sur InP. L'objectif était d'abord d'obtenir des dispositifs performants sur des substrats InP, puis de les intégrer sur une structure avec un paramètre de maille différent, en évaluant les effets sur les performances photovoltaïques. Ceci a nécessité la réalisation et l'optimisation de plusieurs étapes de fabrication.Tout d'abord, nous avons réalisé une cellule InP à simple jonction, qui peut correspondre à la cellule top dans notre structure tandem. Cela était également nécessaire pour mettre en place un processus de fabrication pour toutes les cellules suivantes. Les conditions de croissance ont été optimisées en profitant des techniques de caractérisation des matériaux telles que la XRD, l’analyse C-V et le SIMS. En optimisant les épaisseurs et les niveaux de dopage des différentes couches du dispositif, ainsi que le procédé en salle blanche, nous avons obtenu une efficacité de conversion de 12.9%, avec un FF de 84.3%. Nous avons démontré que l'utilisation d'une couche fenêtre en AlInAs au lieu de l’InP peut augmenter l'efficacité à 13.5%, malgré une légère réduction du FF (81.4%). La même procédure a ensuite été étendue à la réalisation d'une cellule solaire InGaAs comme cellule bottom du dispositif tandem. Nous avons obtenu un rendement de 11.4% et un FF de 74.5%.En parallèle, des jonctions tunnels capables de relier électriquement les deux sous-cellules dans un dispositif tandem ont été étudiées. En particulier, nous avons concentré notre attention sur les conditions de croissance de l'anode de la jonction, qui a été fabriquée en AlInAs et dopée avec le précurseur CBr4. Les réactions chimiques d’un tel précurseur avec le précurseur de l’Al et l’In nécessitaient une importante réduction de la température de croissance à 540 °C. En déterminant les effets des flux sur la composition et les niveaux de dopage du composé, nous avons obtenu un dopage élevé de +4x1019 cm-3. En obtenant un niveau équivalent pour la cathode InP:S, nous avons réalisé un dispositif présentant un Jp de 1570 A/cm2, capable de fonctionner dans des conditions de concentration solaire élevée. En combinant finalement les trois dispositifs présentés dans une cellule tandem, nous avons pu obtenir un rendement global de conversion de 18.3%, avec un FF de 83.9%.Un template approprié pour l'intégration III-V/Si a été déterminé en testant plusieurs possibilités fournies par différents partenaires. Les caractérisations XRD et AFM ont démontré qu'un template InP/GaP/Si fourni par la société NAsP était la meilleure option. Ceci a été confirmé par la croissance d'une cellule InP à simple jonction sur le template. La techno sur un substrat Si a été rendu possible en déplaçant le contact arrière de la cellule sur la face avant du dispositif, ce qui a nécessité la mise au point d'un ensemble approprié de masques photolithographiques. La réussite de l’intégration des cellules solaires III-V sur Si a été confirmée par le photocourant produit. Celui-ci correspond à environ 60% de la valeur obtenue sur les substrats InP. De plus, les caractéristiques J-V mesurées donnent une tendance de type diode, démontrant la validité de l'approche proposée. / This thesis focuses on III-V/Si integration of single- and dual-junction solar cells by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). The photovoltaic devices were made with materials lattice matched to InP. The goal was to firstly obtain efficient devices on InP substrates and then to integrate them on a structure with a different lattice parameter, by evaluating the effects on the photovoltaic performances. This required the realization and the optimization of several manufacturing steps.Firstly, we realized an InP single junction device, which may correspond to the top cell of our tandem structure. This was also necessary to set up a manufacturing process for all the next cells. The growth conditions were optimized by taking advantage of material characterization techniques such as XRD, C-V profiling and SIMS. By optimizing thicknesses and doping levels of the various layers of the device, as well as the clean room process, we obtained a conversion efficiency of 12.9%, with a FF of 84.3%. We demonstrated that the use of an AlInAs window layer instead of InP may increase the efficiency to 13.5%, despite a slight reduction in FF (81.4%). The same procedure was then extended to the realization of an InGaAs solar cell as the bottom component of the tandem device. We obtained an efficiency of 11.4% and a FF of 74.5%.In parallel, tunnel junctions able to electrically connect the two subcells in a tandem device were studied. In particular, we focused our attention on the growth conditions of the junction anode, which was made in AlInAs and doped with CBr4 precursor. The particular chemical interactions that such a precursor has with Al precursor and In required a relevant reduction of growth temperature to 540 °C. By determining the effects of the flows on composition and doping levels of the compound, we obtained a high doping of +4x1019 cm-3. By obtaining an equivalent level for the InP:S cathode, we realized a device presenting a Jp of 1570 A/cm2, able to work under high solar concentration conditions. By finally combining the three presented devices in a tandem cell, we could obtain an overall conversion efficiency of 18.3%, with a FF of 83.9%.A proper template for III-V/Si integration was determined by testing several possibilities provided by different partners. XRD and AFM characterizations demonstrated that an InP/GaP/Si template provided by NAsP Company was the best option. This was confirmed by the growth of an InP single junction cell over the template. The processing over a Si substrate was made possible by shifting the rear contact of the cell on the front side of the device, which required the development of a proper set of photolithographic masks. The successful integration of the III-V solar cells on Si was confirmed by the relevant produced photocurrent. This corresponds to around 60% of the value obtained on InP substrates. Furthermore, the measured J-V characteristics show a diode-like trend, which demonstrates the validity of the proposed approach.

Ces dernières années, la photonique sur silicium est apparue comme une solution prometteuse pour la fabrication en grande série d'émetteurs-récepteurs optiques répondant aux besoins des centres de données en termes d'augmentation du débit et de coûts réduits. Plusieurs plateformes de photonique sur silicium ont été démontrées en utilisant la technologie Si standard. Bien que ces plateformes diffèrent à bien des égards, elles manquent toutes d'une source de lumière intégrée monolithiquement. Pour résoudre ce problème, l'approche la plus couramment proposée consiste à coller un empilement InP sur une plaque SOI afin de fabriquer un laser hybride III-V/Si. Cependant, aucune des démonstrations n'a été réalisée avec un empilement d’interconnexions métalliques BEOL (Back-End Of Line) standard, empêchant ainsi une intégration électronique-photonique appropriée. Pour résoudre le problème topographique posé par cet ajout de couches, un nouveau schéma d'intégration, appelé intégration Back-Side, a été développé et est présenté dans ce document.Tout d'abord, le contexte de cette étude, un état de l’art ainsi que la présentation du Back-Side est abordé. La nouveauté apportée par cette intégration, à savoir le collage du III-V sur la face arrière du SOI après la structuration de celui-ci, y est alors détaillé.Le bon fonctionnement d’un élément essentiel à la puce photonique, le réseau de couplage, est ensuite abordé à travers des simulations, sa fabrication et des caractérisations optiques. Nous avons prouvé que, sous certaines conditions, ce dispositif possède les mêmes performances mesurées en Back-Side qu’en Front-Side.Le principe de fonctionnement d’une cavité oscillante puis les différents modules composants le laser hybride sont détaillés. Le laser étudié est une cavité hybride DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si. Afin d'augmenter le confinement du mode dans le MQWs (Multi Quantum Wells) et donc d'assurer un gain optique élevé, le mode optique est progressivement transféré entre le guide III-V et le guide silicium du laser hybride par des épanouisseurs adiabatiques, structurés dans le SOI de part et d’autre de la zone de gain, pour être enfin réfléchi par les miroirs DBR dans le silicium.Enfin, son processus de fabrication est explicité avant que ses caractérisations opto-électroniques ne soient finalement présentées. Les lasers à pompage électrique ont été testés dans des conditions de courant continu et la lumière générée a été collectée à travers un réseau de couplage par une fibre optique externe multimode. Les pertes de couplage ont été mesurées supérieures à 10 dB. La puissance de sortie est de 1,15 mW à un courant d'injection de 200 mA. Le seuil laser est de 45 mA, ce qui correspond à une densité de courant de 1,5 kA / cm2 et la résistance série des contacts laser est d'environ 9 Ω. La tension de seuil est de 1,45 V. Les spectres lasers reflètent un fonctionnement mono-fréquence, pour différents courants d'injection, avec une longueur d'onde centrale correspondant à la longueur d’onde de Bragg des miroirs. Un SMSR (Side Mode Suppression Ratio) de plus de 35 dB a été mesuré, ce qui prouve la bonne pureté spectrale de ce laser. Un décalage de la longueur d'onde de 4 nm a été observé en injectant un courant de 20 mA dans des chaufferettes métalliques au-dessus des DBRs.L'intégration monolithique d'un laser DBR hybride en face arrière d'une plaque SOI, entièrement compatible CMOS, a été démontrée pour la première fois, la mise en place d'interconnexions électriques compatibles CMOS et de sources optiques sur une même puce a pu être réalisée. Ce dispositif ouvre la voie à un émetteur-récepteur optique entièrement intégré sur une plateforme Si. / Recently, Silicon Photonics has emerged as a solution for the mass manufacturing of optical transceivers addressing datacenter’s needs in terms of increasing data-rate and reduced cost. Several Silicon-Photonics platforms have been demonstrated using standard Si technology. While these platforms differ in many regards, they all lack a solution for a monolithically integrated light source. To solve this problem, the most commonly proposed approach consists in bonding an InP-stack onto a Si-wafer in order to fabricate a Hybrid III-V/Si laser. However, none of those demonstrations have been made with a standard CMOS-BEOL, preventing a proper electronic-photonic integration. To solve the topographical problem induced by the additional layers, a new integration scheme, called Back-Side, has been developed and is presented in this document.First, the context of this study, a state of the art as well as the presentation of the Back-Side is discussed. The innovation brought by this integration, namely the bonding of the III-V on the back side of the SOI after the structuring of the latter, is then detailed.The correct behavior of a key element to the photonic chip, the grating coupler, is then treated through simulations, fabrication and optical characterizations. We have proved that, under specific conditions, this device has the same measured performances in Back-Side and in Front-Side.The principle of an optical oscillator and then the various modules composing the hybrid laser are then detailed. The implemented laser is based on a hybrid DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si cavity. In order to increase the mode confinement in the MQWS (Multi Quantum Wells) and hence ensure a high optical gain, the optical mode is gradually transferred between the III-V waveguide and the silicon waveguide of the hybrid laser by adiabatic tapers, patterned on both sides of the gain zone, to finally be reflected by the mirrors DBR in the silicon.Finally, its manufacturing process is explained before its opto-electronic characterizations are presented. The electrically pumped lasers have been tested under continuous-wave current conditions and the generated light has been collected through the grating coupler to a multi-mode fiber. The fiber coupling losses has been measured to be higher than 10 dB. The output power is up to 1.15 mW at an injection current of 200 mA. The lasing threshold is 45 mA which corresponds to a current density of 1.5 kA/cm2 and the series resistance of the laser contacts is approximately 9 . The threshold voltage is 1.45 V.The laser spectra reflect its single-wavelength laser operation, for different injection currents, with a central wavelength corresponding to the Bragg wavelength of the mirrors. A Side Mode Suppression Ratio (SMSR) of more than 35 dB has been measured. A 4 nm wavelength shift has been observed when injecting 20 mA into both metallic heaters above DBRs.The monolithic integration of a fully CMOS compatible hybrid DBR laser on the backside of a SOI wafer being demonstrated for the first time, implementing CMOS compatible electric interconnects and optical sources on a same chip has could be achieved. This device opens the route to a fully integrated optical transceiver on a Si platform.

L’objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés thermodynamiques et clarifier les toutes premières étapes de la croissance hétérogène de GaP sur Si (désaccord de maille de 0,3 %) pour les applications en photonique et dans le domaine de l’énergie. Tout d’abord, les énergies absolues de surfaces {001}, {136}, {114}, et d'interfaces abruptes et compensées de GaP/Si sont déterminées par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité. L’étude des propriétés de mouillage de GaP/Si permet ensuite de démontrer que le mouillage total n’est jamais atteint dans ce système, quel que soit le potentiel chimique, et que cet effet est renforcé par la passivation de la surface du Si. Les calculs de variation d’énergie libre montrent l’importance des termes de surface et d'interface par rapport au terme d’énergie élastique dans la croissance 3D III-V/Si.Ces résultats sont généralisés à l’ensemble des systèmes III-V/Si. Un mécanisme pour la croissance III-V/Si est proposé pour clarifier les premières étapes de la croissance et expliquer la génération de défauts tels que les domaines d’antiphase, qui est reliée aux propriétés de mouillage partiel du système. Des études expérimentales ont été réalisées pour comprendre l'influence de la surface initiale du silicium lors de la reprise de croissance IIIV. Ensuite, une étude préliminaire de l'efficacité de marqueurs AlGaP sur l'annihilation des parois d’antiphase et une première caractérisation des leurs propriétés électriques sont présentées. Enfin, une ingénierie d’énergie de surface est utilisée pour la réalisation d’une surface de GaP texturée, intégrée sur silicium, pour des applications dans le domaine de l’énergie. / This thesis aims to investigate thermodynamic properties and epitaxial processes at the very early stages of GaP on Si heterogeneous growth for photonics and energy applications. The absolute {001}, {136}, {114} surfaces energies and abrupt and compensated interface energies of the GaP/Si material system are first determined by density functional theory (DFT) calculations. Furthermore, we studied the wetting properties of the GaP/Si through the surface and interface energies computed by DFT. We found that the partial wetting (observed experimentally) is always achieved whatever the chemical potential, and that it is even favoured by the silicon surface passivation. Through free energy change calculations, we have shown that the surface and interface energies play a crucial role in the III-V/Si 3D- growth while the impact of elastic energy contribution on surface island morphology is negligible. These conclusions are generalized to the various III-V/Si systems. A general III-V on Si growth mechanism is finally proposed to clarify the very early stages of growth and the defect generation (such as antiphase domains) that fundamentally originate from the partial wetting of III-V on Si. Experimental studies have been performed to understand the influence of the initial silicon surface on the III-V overgrowth. Furthermore, preliminary studies on AlGaP markers efficiency on antiphase domains annihilation and a first characterization of their electrical properties are also presented. Finally, surface energy engineering was used to demonstrate a textured GaP template monolithically grown on silicon that could be used for photoelectrochemical water splitting applications.

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Silicon based solar cells have been used as photovoltaic devices for decades due to reasonable cost and environment- friendly nature of silicon. But the conversion efficiency of silicon solar cell is limited; for instance, the maximum conversion efficiency of a crystalline silicon solar cell available in the market developed by Kaneka Corporation is 26 % [1]. In comparison, III-V compound semiconductor multi-junction solar cells are the most efficient solar cells with efficiency of 47.1% [2]. However, due to high-cost substrate materials, III-V solar cells are not the best option for large scale production in real life. Therefore, integration of III-V compound semiconductors on silicon substrate has been studied to obtain III-V/Si multi junction solar cells with high conversion efficiency with reasonable price. To this end, we studied epitaxial growth of on GaAs deposited on Si.This thesis presents the characterization results of the above epitaxial layer and fabrication of a single junction solar cell on GaAs coated Si substrate and its performance.In the first part of the project, epitaxial layer grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) on different kinds of substrates at different growth conditions are characterized to identify the optimized growth conditions and a suitable substrate. Samples are characterized by High Resolution X-ray Diffraction (HRXRD) and photoluminescence (PL) to determine the composition of and its crystalline quality and by optical microscope to assess the surface morphology. Scanning Electron Microscope (SEM) is used to study the depth of the dry etched structures.The second part of the project deals with the fabrication process consisting of 21 steps to obtain a single junction solar cell structure on GaAs/Si. This process flow will be explained in some detail along with a brief description of several tools in cleanroom that have been used for this purpose.Finally, in the third part, devices are characterized to investigate their performance. Transmission Line Method (TLM) is used to obtain important parameters such as specific contact resistance. Current- voltage (I-V) relation of solar cell is investigated to acquire its efficiency. The lowest specific contact resistance measured in this project is for p-contact (for 4041DV- cell 8) and the highest efficiency measured is 1.64% (for 4041DV- cell 6).In conclusion, although the results obtained are far from the state-of-the art results, this work has laid the foundation for future work that can lead to a breakthrough in fabricating multi-junction tandem solar cell on silicon. / Kiselbaserade solceller har använts i årtionden på grund av dess rimliga kostnad och miljövänliga natur. Omvandlingseffektiviteten för kiselsolcell är begränsad; till exempel är den maximala omvandlingseffektiviteten för solceller av kristallin kisel utvecklad av Kaneka Corporation 26 % [1]. Som jämförelse är III-V sammansatta halvledare multi-junction solceller de mest effektiva solcellerna med en effektivitet på 47,1 % [2]. På grund av de höga substratmaterialen är III-V-solceller i realiteter inte det bästa alternativet för storskalig produktion. Därför har integration av III-V sammansatta halvledare på kiselsubstrat studerats för att erhålla III-V/Si multi junction solceller med hög omvandlingseffektivitet till rimligt pris. För detta ändamål studerade vi epitaxiell tillväxt av på GaAs avsatt på Si.Denna avhandling presenterar karaktäriseringsresultaten av ovanstående epitaxiella skikt och tillverkning av en enkel förbindelse solcell på GaAs-belagt Si-substrat och dess prestanda.I den första delen av projektet karaktäriseras epitaxiallager odlat med Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) på olika typer av substrat vid olika tillväxtförhållanden för att identifiera de optimerade tillväxtförhållandena och ett lämpligt substrat. Prover kännetecknas av högupplöst röntgendiffraktion (HRXRD) och fotoluminescens (PL) för att bestämma sammansättningen av och dess kristallina kvalitet och med optiskt mikroskop för att bedöma morfologin. Scanning Electron Microscope (SEM) används för att studera djupet av de torretsade strukturerna.Den andra delen av projektet behandlar tillverkningsprocessen som består av 21 steg för att erhålla en enda förbindelse solcellsstruktur på GaAs/Si. Detta processflöde kommer att förklaras i detalj tillsammans med en kort beskrivning av flera verktyg i renrum som har använts för detta ändamål.Slutligen, i den tredje delen, karaktäriseras enheter för att frilägga dess prestanda. Transmission Line Method (TLM) används för att erhålla viktiga parametrar som specifikt kontaktmotstånd. Förhållandet mellan ström och spänning (I-V) hos solcellen undersöks för att uppnå optimal effektivitet. Den lägsta specifikt kontaktmotstånd som uppmätts i detta projekt är för p-kontakt (för 4041DV-cell 8) och den högsta uppmätta effektiviteten är 1,64% (för 4041DV-cell 6).Sammanfattningsvis, även om de erhållna resultaten är långt ifrån de senaste resultaten inom forskning, lägger detta arbete grunden för framtida arbete som kan leda till ett genombrott i tillverkningen av multi-junction tandemsolcell på kisel.