Cette thèse a pour but d'étudier le dopage par implantation ionique pour la réalisation des différentes zones dopées des cellules solaires en silicium cristallin (émetteur, champ arrière...). L'avantage de l'implantation ionique, par rapport à la diffusion gazeuse, est de pouvoir contrôler le profil des dopants implantés ainsi que de simplifier les procédés de fabrication des cellules. Deux techniques d'implantation ionique ont été utilisées dans ces travaux, l'implantation classique par faisceau d'ions et l'implantation par immersion plasma. Des dopages au phosphore, au bore et à l'arsenic ont été réalisés par cette technique d'implantation avec une activation par recuit thermique. L'importance de la température de recuit, des doses d'implantation et des couches de passivation sur la qualité électrique des jonctions formées a été mise en évidence. Des jonctions à faible courant de saturation ont pu être obtenues pour les différentes sources dopantes. Ces dopages par implantation ont ensuite été appliqués à la réalisation de cellules solaires en silicium sur substrat de type p (avec un émetteur dopé au phosphore) et sur substrat de type n (avec un émetteur dopé au bore et un champ arrière dopé au phosphore). L'utilisation de l'implantation ionique a permis d'atteindre un rendement de 19,1 % sur les cellules de type p soit un gain de 0,6 %abs par rapport au dopage par diffusion gazeuse, ainsi qu'un rendement de 20,2 % sur les cellules de type n. / This study aims at investigating the use of ion implantation doping for the realization of emitters and back surface fields of silicon solar cells. The benefits of using ion implantation instead of high temperature gaseous diffusion are the possibility to precisely control the dopant concentration profiles as well as to simplify the solar cells fabrication process. Beam line ion implantation and plasma immersion ion implantation techniques have been used and compared during this work. Phosphorus, boron and arsenic have been implanted and activated by thermal annealing to form the various doping layers. The influences of the annealing temperature, of the implantation doses and of the passivation layers on the junction electrical quality have been studied. Low emitter saturation current densities were reached for each dopant. The implanted doped regions were then integrated in p-type silicon solar cell structure (including a phosphorus doped emitter) and in n-type PERT bifacial solar cell structure (including a boron doped emitter and a phosphorus doped back surface field). With the use of ion implantation, efficiency of 19,1 % was reached for the p-type solar cells corresponding to an overall gain of 0,6 %abs as compared to the gaseous diffusion doping, while 20,2 % of efficiency were measured on the n-type bifacial silicon solar cells.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:38:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 05587.pdf: 8846967 bytes, checksum: 17b7ac7f1b286010165a6ac50ebcf25f (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP / FAPESP:93/04231-1

O Nitreto de Gálio (GaN) é um semicondutor de gap direto, motivo de numerosas pesquisas científicas, principalmente devido a sua importância na fabricação de dispositivos de alta potência e optoeletrônicas. Ligas de GaN como InGaN e AlGaN, por exemplo, possibilitam a fabricação de LEDs e LASERs azuis. Neste nosso estudo selecionamos o Arseneto de Gálio (GaAs) como um substrato viável para síntese de GaN mediante a permuta de Arsênio (As) por Nitrogênio (N) fundamentada em três passos: a) incorporação de N por implantação iônica em GaAs (à 350, 450 ou 550 ºC) em elevadas fluências (1, 2, 3 ou 4 × 1017 N/cm2); b) maior estabilidade das ligações Ga-N frente às de Ga-As; e c) expurgo de As da região contendo N implantado mediante recozimentos (à 550, 650, 750, 850 ou 1000 ºC) sob fluxo de N2. Uma capa de ~ 125 nm de Nitreto de Silício (Si3N4) foi depositada por sputtering sobre o GaAs previamente a implantação à quente: camada de sacrifício que pode ser removida após a síntese. Análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Espectroscopia de Raios- X por Dispersão em Energia (EDS) demonstraram que, no estado como-implantado da fluência de 3 × 1017 N/cm2, formam-se bolhas de N para ambos os lados da interface Si3N4/GaAs e a região implantada do GaAs amorfiza. Após um recozimento à 850 ºC/5 min, observou-se uma elevada degradação da camada de Si3N4, fragilizada pela formação das bolhas de N. Formou-se uma camada contínua de GaN (GaN-layer) de ~ 70 nm na sua fase hexagonal, sustentada por “pilares” no substrato GaAs, entre os quais existem extensos vazios. Medidas TEM em alta resolução (HRTEM) e por Difração de Elétrons de Área Selecionada (SAED) revelaram que a GaN-layer apresenta forte tendência à epitaxia com o substrato GaAs (relações de epitaxia são aqui apresentadas), e regiões estruturalmente espelhadas (i.e., twins). SAED sobre os pilares evidenciaram uma fase transicional cúbica, com um parâmetro de rede substancialmente menor (0,42 ± 0,01) nm que o reportado na literatura (0,45 nm). Estudos por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford e Canalização (RBS/C) mostraram que a GaN-layer é rica em N (Ga1,00N1,90, para 3 × 1017 N/cm2) e apresenta canalização (para implantações de 2 e 3 × 1017 N/cm2), confirmando o caráter monocristalino identificado por TEM. Medidas de Fotoluminescência (PL) confirmam emissão na região do gap de banda do α-GaN (~ 3,4 eV), bem como bandas associadas a defeitos estruturais do material. Também foi investigado o efeito de campos de tensão provenientes de bolhas de Hélio (He) mediante a realização da síntese a partir de substrato GaAs pré-implantado com He. Neste caso, as bolhas, que se formam no GaAs durante a implantação de N à quente e extinguem-se após recozimentos, limitam a difusão de N para o interior do substrato, conduzindo a formação de uma GaN-layer mais espessa (~ 120 nm) e com bem mais N (Ga1,00N2,80). Como consequência, a GaNlayer apresentou um caráter mais policristalino. / The Gallium Nitride (GaN) is a direct gap semiconductor, is issue of numerous scientific research, mainly due to its importance in the manufacture of high power devices and optoelectronic devices. GaN alloys, as InGaN and AlGaN, for example, enable the production of LEDs and blue LASERs. In this study, we have selected Gallium Arsenide (GaAs) as a suitable substrate for GaN synthesis through Arsenic (As) replacement by Nitrogen (N), based on three steps: a) incorporation of N by ion implantation into GaAs (at 350, 450 or 550 ºC) at high fluences (1, 2, 3 or 4 × 1017 N/cm2); b) higher stability of the Ga-N bonds compared to the Ga-As ones; and c) purge of As from the region containing implanted N by annealing (at 550, 650, 750, 850 or 1000 ºC) under N2 flow. A 125-nm cap-layer of Silicon Nitride (Si3N4) was deposited by sputtering on GaAs prior to the hot implantation: it is a sacrifice layer which can be removed after the synthesis. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analyzes demonstrated that, on the as-implanted state of the fluence of 3 × 1017 N/cm2, N bubbles are formed on both sides of the Si3N4/GaAs interface and the implanted region of GaAs amorphizes. After annealing at 850 °C/5min, a high degradation of the Si3N4 layer was observed, weakened by the formation of N bubbles. A continuous layer of GaN (GaN-layer) of ~ 70 nm was formed in its hexagonal phase, supported by “pillars” on the GaAs substrate, with extensive voids in between them. High-Resolution TEM (HRTEM) and Selected Area Electron Diffraction (SAED) measurements revealed that the GaN-layer exhibits a strong tendency to epitaxy with the GaAs substrate (epitaxial relationships are here presented), and structurally mirrored regions (i.e., twins). SAED on the pillars showed a transitional cubic phase, with a lattice parameter substantially smaller (0.42 ± 0.01) nm than the one reported in the literature (0.45 nm). Rutherford Backscattering Spectrometry studies and Channeling (RBS/C) showed that the GaN-layer is rich in N (Ga1.00N1.90, for 3 × 1017 N/cm2) and presents channeling (for implantations of 2 and 3 × 1017 N/cm2), corroborating the monocrystalline nature identified by TEM. Photoluminescence (PL) measurements confirm emission in the band gap region of a- GaN (~ 3.4 eV), as well as bands associated to structural defects in the material. It was also investigated the effect of strain fields from Helium (He) bubbles through synthesis starting up from He pre-implanted GaAs substrate. In this case, the bubbles, which are formed in the GaAs during the hot N-implantation and are annihilated after annealing, limit the N diffusion into the substrate, leading to the formation of a thicker GaN-layer (~ 120 nm) and with much more N (Ga1.00N2.80). As a result, the GaN-layer presented an aspect more polycrystalline.

Orientador: Lisandro Pavie Cardoso / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-08-06T14:37:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Orloski_RenataVillela_D.pdf: 9544671 bytes, checksum: 925b3429c72cbe20c4e9a671e779ed5c (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho, a difração Bragg-Superfície (BSD), um caso especial da difração múltipla de raios-X, foi usada como uma microssonda de superfície com resolução para a detecção de defeitos originados próximos da interface cristal-amorfo (c-a) em junções rasas de B em Si, e uma nova técnica de caracterização de semicondutores (GaAs) submetidos à implantação com íons de Si. A varredura Renninger é o registro da intensidade de raios-X difratada pelos planos, normalmente paralelos à superfície de um monocristal, em função da rotação ö em torno da normal à esses planos. Ela exibe picos como contribuições da rede da matriz, e no nosso caso, se o feixe difratado propaga-se paralelamente aos planos, os picos são chamados de difração Bragg-Superfície (BSD), e mostrou-se, pela primeira vez, que essa difração carrega informações sobre a interface c-a. Contribuições da região implantada nas junções rasas, detectadas na varredura para a rede da matriz (picos híbridos), permitiram determinar a presença de Si intersticial, responsável pela difusão do B, e estimar a profundidade da junção de B em Si pré-amorfizado com íons de F, confirmando resultado encontrado por espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS). O estudo do efeito da energia e densidade de corrente de implantação, e da energia térmica conduziu às melhores condições para a otimização do processo de recristalização da rede e difusão do dopante, visando a obtenção das junções rasas. Já o mapeamento da condição de difração dos picos BSD foi importante na observação direta da recristalização e difusão do dopante. Parâmetros de rede e perfeição cristalina foram determinados na superfície da matriz GaAs(001) com dfiração múltipla e a simulação dos picos BSD mostrou que menores doses de implantação de íons Si causam os maiores defeitos no plano da superfície do GaAs, o que não acontece com as altas doses pelo efeito da intensa amorfização próximo à interface c-a. O mapeamento dos casos BSD mostraram sensibilidade suficiente para a detecção da formação da região implantada em função da dose nas amostras de GaAs implantadas com Si / Abstract: In this work, the Bragg-Surface Diffraction (BSD), a special case of the X-ray Multiple Diffraction, was used as a surface microprobe with resolution to detect the defects created close to the crystal-amorphous (c-a) interface in shallow junctions of B in Si, as well as a novel technique for characterization of semiconductors (GaAs) under Si ions implantation. Renninger scan is the record of the X-ray intensity diffracted by the planes, normally parallel to the single crystal surface, as a function of the ö rotation around the normal to these planes. It exhibits peaks as matrix lattice contributions and, in our case, if the diffracted beam is propagated along the planes, the peaks are called Bragg-Surface Diffraction (BSD) and, one has shown, by the first time, that this diffraction carries information on the c-a interface. Contributions from the shallow junction implanted regions, detected in the matrix lattice scan (hybrid peaks), allowed to determine the presence of interstitial Si, that is responsible for the B diffusion, and to estimate the B junction depth in Si pre-amorphizied by F ions. This result confirms that found by Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS). The study of the effect of the energy and implantation current density as well as the thermal energy allowed to determine the best conditions for the optimization of the doping diffusion and lattice recrystallization process, aiming to the shallow junction preparation. On the other hand, the mapping of the BSD peak diffraction condition gave rise to the direct observation of both processes (recrystallization and diffusion). Lattice parameters and crystalline perfection were determined on the GaAs(001) matrix surface by using Multiple Diffraction and the BSD peak simulation has shown that low implantation doses of Si ions has caused strongest damages on the GaAS surface plane. To the contrary, in high doses this effect is strongly reduced by the intense amorphization close to the c-a interface. The BSD mappings have shown enough sensitivity to detect the implanted region formation as a function of the Si implantation dose in GaAs samples / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:38:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 05587.pdf: 8846967 bytes, checksum: 17b7ac7f1b286010165a6ac50ebcf25f (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP / FAPESP:93/04231-1

Orientador: Fernando Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T05:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Basso_RodrigoLeonardodeOliveira_D.pdf: 34307948 bytes, checksum: fd2817ddc7e94a48942bf4136fdb0472 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos da incorporação de carbono e nitrogênio na formação de uma camada monofásica, compacta e homogênea, composta por carbonitretos do tipo e -Fe2-3(C,N), na superfície da liga metálica AISI H13. Também são apresentados estudos sobre os efeitos da incorporação desses elementos nas propriedades mecânicas, químicas e na microestrutura da superfície da liga metálica. A incorporação desses elementos na superfície do material foi feita utilizando-se o tratamento termoquímico de nitrocarburização por plasma pulsado em atmosferas contendo N2+ H2+ CH4 em diferentes proporções. Além da composição da atmosfera de tratamento, também foram variadas a temperatura e o tempo de tratamento. De maneira a complementar o estudo do comportamento da liga metálica frente ao tratamento termoquímico a plasma, também foram preparadas amostras com atmosferas oxidantes contendo CO2. A análise da composição química da superfície das amostras foi feita através de espectroscopia de fotoelétrons e mostra que a incorporação de nitrogênio sofre grande influência da quantidade de gás contendo carbono, presente no plasma. Porém a incorporação desses elementos não é diretamente proporcional à concentração do gás contendo esse elemento. Ao contrário do esperado, aumentando-se suficientemente a concentração desses elementos na atmosfera de tratamento, não acarreta em aumento na concentração dos mesmos no material. Por outro lado a análise através de difração de raios X revelou a formação de estruturas cristalinas consistentes com o diagrama de fases do sistema Fe-C-N. Para menores concentrações de compostos de carbono no plasma, a formação de nitretos e carbonitretos é predominante enquanto que maiores quantidades desse elemento levam ao surgimento da fase cementita e -Fe3 C, indesejável por possuir baixa resistência mecânica. As propriedades mecânicas da superfície foram estudadas através de medidas de nano e micro-dureza e seus resultados indicam que, como esperado, amostras com maior quantidade de nitrogênio incorporada possuim maior dureza da superfície. Esse comportamento é condizente com a microestrutura observada por microscopia eletrônica de varredura que mostra o entrelaçamento dos grãos da estrutura do aço e o preenchimento de seus contornos com carbonitretos de ferro que dificultam a movimentação dos planos cristalinos do cristal aumentando sua dureza. Foi verificado que as concentrações de carbono e de nitrogênio contido no material exercem grande influência sobre a reatividade da superfície das amostras frente a processos corrosivos em meios contendo íons cloreto. Esse comportamento foi verificado através de medidas de corrosão em solução aquosa de NaCl a 0,9 vol.%. Novamente os resultados apontam que maior concentração de nitrogênio é responsável por conferir a superfície maior proteção contra corrosão. Esses resultados são atribuídos a presença de uma mono-fase compacta formada pela fase e - Fe2-3 (C,N) na superfície das amostras. Resultados menos significativos foram obtidos quando a superfície continha uma mistura de fases contendo g -Fe4 N, e -Fe2-3 N, a -Fe e CrN / Abstract: This work presents a study on the effect of the incorporation of carbon and nitrogen on he formation of a singlephase homogeneous layer, composed by e -Fe2-3(C,N) carbonitrides, on the top surface of a AISI H13 tool steel. We also present studies on the effect of the incorporation of these elements (C and N) in the microstructure and in the mechanical and chemical properties of the surface of the metallic alloy. The incorporation of these elements in the surface of the material was made using the plasma nitrocarburizing termochemical treatment in atmospheres containing N2 + H2+CH4 in different ratios. Beyond the composition of the treatment atmosphere, the temperature and the time of treatment had been also varied. In way to complement the study of the behavior of the metallic alloy we had been also prepared samples with oxidating atmospheres containing CO2. The chemical composition analysis of the sample¿s surface was made through X-ray photo-electron spectroscopy and pointed that nitrogen incorporation suffers great influence from the amount of gas containing carbon, on the plasma atmosphere. However the incorporation of these elements is not directly proportional to the concentration of the gas containing this element. In con-trast, increasing enough the concentration of these elements in the treatment atmosphere, it does not cause increase in the concentration of the same element in the material¿s surface. On the other hand the X-ray diffraction analysis showed the formation of crystalline structures, consistent with the phase diagram of Fe-C-N system. For lesser carbon concentrations in the plasma, the formation of nitrides and carbides are predominant whereas bigger amounts of this element lead to the formarion of the cementite phase (q -Fe3 C , undesirable for possessing low resistance mechanics). The mechanical properties of the surface had been studied by means of nano and microhardness and its results indicate that, as expected, samples with bigger amount of incorporated nitrogen possesses bigger hardness in its surface. This behavior is in agreement with the observed microstructure observed by scanning electron microscopy that show the interlacement of the grains of the steel structure and the fulfilling of its boundaries with iron carbonitrides that make it difficult the movement of the crystalline plans of the lattice increasing its hardness. It was verified that the nitrogen and carbon concentrations in the material¿s surface, are of great influence on the reactivity of the surface regarding to corrosive processes in clorine solutions. This behavior was verified by measurements of corrosion in NaCl aqueous solution. Again the results pointed that bigger nitrogen concentration is responsible for protecting the surface against corrosion process. These results are attributed to the presence of a compact and homogeneous e -Fe2-3(C,N) surface layer on the surface of the samples. Less significant results had been gotten when the surface contained a mixture of phases containing g -F e4N, e -Fe2-3 N, a -Fe e CrN / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

A tendência mundial de se buscar a sustentabilidade econômica tem causado uma crescente demanda por novas técnicas e novos materiais que gerem: aumento da produtividade, maior velocidade de operação, aumento da vida útil de ferramentas e matrizes, e que reduzam o custo ambiental atual. Nesta busca a modificação de superfícies metálicas é um campo promissor e o bombardeamento com íons de Xe+ tem sido utilizada para texturizar a superfície do substrato, seja para o aumento da aderência de revestimentos com grande dureza ou para melhorar a difusão de N. Neste estudo são relatados os resultados obtidos de ensaios de dureza, desgaste, DRX (fases e tensão residual) e microscopias MEV, AFM e MET, efetuadas em amostras de aço 100Cr6 (globulizada) modificadas superficialmente por meio de bombardeamento com íons de Xe+ e revestimento duplex. Para esse fim, foram preparadas amostras combinando: bombardeamento com íons de Xe+ com energia de 400 e 1000 eV; implantação de N por feixe de íons e plasma pulsado; e deposição do revestimento de TiN por sputtering com diferentes temperaturas em um sistema reativo com N2-IBSD. Uma análise desses resultados permitiu constatar que o bombardeamento de íons de Xe+ gera refinamento de grãos, texturização, e aumenta a densidade de defeitos na estrutura cristalina na superfície tratada em função da energia utilizada. O bombardeamento de Xe+ com energia de 1000 eV melhorou o aprisionamento de nitrogênio e a difusão a 380°C (via feixe de íons) o que levou a formação dos nitretos γ\'-Fe4N e ε-Fe2-3N. Enquanto que com energia de 400 eV levou a formação apenas do nitreto γ\'-Fe4N. As propriedades adquiridas na combinação dos pré-tratamentos de bombardeamento de Xe+ com energia de 400 eV, nitretação a plasma pulsado (520°C) e a deposição do filme de TiN (500°C/240 min) levaram ao melhor desempenho no ensaio de desgaste. / The global trend of seeking economic sustainability has caused a growing demand for new materials that generate: increased productivity, higher operating speed, increased service life of tools and dies, and to reduce the current environmental cost. In this search, the modification of metallic surfaces is a promising field and bombardment Xe+ ions has been used to texture the surface of the substrate, is to increase the tack coatings with high hardness or to improve the N diffusion. In this study are reported the results obtained from testing the hardness, wear, XRD (phase and residual stress) and microscopy SEM, AFM and TEM, made in 100Cr6 steel samples (globulized) surface modified by bombardment with Xe+ and duplex coating. To this end, samples were prepared by combining: bombardment Xe+ ions with energy of 400 and 1000 eV; N implantation by ion beam and pulsed plasma; and deposition of the TiN coating by sputtering at different temperatures in a N2 reaction system-IBSD. An analysis of these results helped to confirm that the bombardment of Xe+ ions produces grain refinement, texturing, and increases the defect density in the crystalline structure of the surface treated according to the energy used. Bombardment of Xe+ ions with energy 1000 eV improved nitrogen trapping and diffusion to 380°C (via ion beam) which led to the formation of γ\'-Fe4N and ε-Fe2-3N nitrides. Whereas with energy 400 eV led to the formation of only γ\'-nitride Fe4N. The properties acquired in the combination of the pre-treatments of Xe+ ions bombardment at 400 eV, pulsed plasma nitriding (520°C) and the deposition of TiN coating (500°C/240 min) leads to a superior performance in wear test.

This thesis is concerned with the growth, electronic properties and modification of hydrogenated amorphous carbon films of a thickess range of 50-300 nm, which have been deposited using rf plasma-enhanced chemical vapour deposition. These films may be subdivided into two types according to the electrode on which they are grown and the resulting film properties. These are polymer-like amorphous carbon or PAC, and diamond-like amorphous carbon or DAC. PAC possesses a wide optical band gap (2.7 eV), high resistivity (1014 - 10 15 Ocm) and low density of paramagnetic defects (~ 10 17 spins cm-3). The dominant current transport mechanism at room temperature has been observed to be hopping conduction at low electric fields and space-charge-limited current at high electric fields. The addition of nitrogen gas to the plasma to incorporate nitrogen within the film has been shown to move the Fermi level by 1 eV, towards midgap. A mechanism of doping due to the introduction of aromatic nitrogen-containing sites has been postulated. The boron, carbon and nitrogen ion implantation of PAC has resulted in the controllable increase in conductivity from 1015 to 106 O cm as a function of ion dose, from 2 x 1012 to 2 X 1016 ions cm-2. At low ion doses (up to 6 x 1014 ions cm-2) this occurs without any change in band gap; however, at higher doses the band gap collapses as a result of graphitisation. The dependence on the implant ion shows that it is possible to move the Fermi level towards the valence band with the implantation of boron, and towards midgap with the implantation of nitrogen. A hysteresis effect is observed at intermediate ion doses, which is attributed to the trapping of holes resulting in an increase in electron current. Implanting part of the thickness of the film at this ion dose has resulted in rectification, which has not previously been reported for this type of structure in amorphous carbon. DAC has been shown to possess a smaller band gap (0.7 eV), higher density of defects (~ 1020 spins cm-3) and lower resistivity (~ 1013 O cm) than PAC. The room-temperature current transport is governed by band-tail conduction at fields below 105 V cm-1, and the Poole-Frenkel effect at higher fields. The addition of nitrogen of up to 8 at. % has been observed to increase the band gap from 0.7 to 1.0 eV and therefore decrease the magnitude of the Poole-Frenkel conductivity. The Fermi level remains pinned at midgap, however. Therefore, it appears that PAC shows advantages over DAC in terms of future device applications.

Cette thèse a été motivée par l’étude d’un procédé innovant de production de substrats ultra-minces (d’épaisseur variant de 15 μm à 70 μm), basé sur l’implantation d’hydrogène à haute énergie, dans notre cas comprise entre 1MeV et 2.5MeV. Une telle implantation suivie d’un traitement thermique approprié, conduit au détachement d’un film mince autoporté, appelé « substrat ultra-mince ». L’intérêt de ce procédé de détachement est purement économique, car il ne génère presque aucune perte de matière première. Nous l’avons particulièrement utilisé pour produire des substrats ultra-minces de silicium (100), pour la production des cellules PV bas-coûts. Dans le but d’élargir les champs d’applications du procédé, le détachement de substrats ultra-minces de deux autres matériaux (le Ge et le SiC) très utilisés en électronique a aussi été étudié. Ainsi, dans cette étude, les paramètres optimaux d’implantation (énergie et fluence) et de recuits conduisant au détachement de grandes surfaces de Si(100) ont tout d’abord été investigués. Ensuite, l’application technologique du procédé proposé a été validée par la réalisation des cellules solaires au moyen des substrats ultrafins de Si détachés (50 μm et 70 μm d’épaisseur). Les performances PV obtenues ont été assez proches de celles obtenues avec une cellule référence réalisée sur un substrat standard. Par la suite, une étude détaillée faite par TEM et par FTIR sur les défauts étendus à différents stades de recuits a permis de mettre en lumière la nature et la distribution spatiale des défauts précurseurs de la fracture dans le Si après implantation à haute énergie. Enfin, des essais de détachements réalisés avec le Ge et le SiC, lesquels ont été comparés au cas du Si, ont permis d’en savoir plus sur les critères de détachement. En effet, plus le matériau sera rigide, i.e. plus il aura un module d’Young élevé, plus la fluence et la température de recuit nécessaires pour le détachement seront élevées. / The motivation of this thesis was the study of an innovative process for the production of ultra-thin substrates (with thicknesses between 15 μm and 70 μm), based on the high energy hydrogen implantation, in our case in the range of 1 MeV to 2.5 MeV. Such an implantation followed by an appropriate thermal annealing, lead to the delamination of a freestanding thin layer, that we call “ultra-thin substrate”. The benefit of this delamination process is purely economic, since almost no raw material is lost. We have particularly used this process to produce ultra-thin (100) Si substrates, for the production of low-cost PV solar cells. In order to extend the process application fields, the delamination of ultra-thin substrates of two other materials (Ge and SiC) widely used in electronics has been also studied. In our work, the optimal implantation parameters (energy and fluence) and thermal annealing, leading to the delamination of large areas of Si (100) were first investigated. Subsequently, in order to validate the technological application of our process, solar cells have been performed with ultra-thin silicon substrates delaminated, with thicknesses of 50 μm and 70 μm. Results of PV performances obtained were quite close to those obtained with a reference solar cell achieved on a standard substrate. After that, in order to highlight the nature and the spatial distribution of fracture precursor defects after high energy hydrogen implantation in silicon, which had not yet done so far the subject of specific studies, characterizations have been carried out at different annealing stages, by means of TEM and FTIR. Finally, delamination results obtained with Ge and SiC, which were compared to the case of Si, helped us to learn more about delamination criteria. Indeed, we observed that, as the material rigidity increase, i.e. as the Young modulus is higher, the fluence and temperature require for the delamination will be also high.

O Nitreto de Gálio (GaN) é um semicondutor de gap direto, motivo de numerosas pesquisas científicas, principalmente devido a sua importância na fabricação de dispositivos de alta potência e optoeletrônicas. Ligas de GaN como InGaN e AlGaN, por exemplo, possibilitam a fabricação de LEDs e LASERs azuis. Neste nosso estudo selecionamos o Arseneto de Gálio (GaAs) como um substrato viável para síntese de GaN mediante a permuta de Arsênio (As) por Nitrogênio (N) fundamentada em três passos: a) incorporação de N por implantação iônica em GaAs (à 350, 450 ou 550 ºC) em elevadas fluências (1, 2, 3 ou 4 × 1017 N/cm2); b) maior estabilidade das ligações Ga-N frente às de Ga-As; e c) expurgo de As da região contendo N implantado mediante recozimentos (à 550, 650, 750, 850 ou 1000 ºC) sob fluxo de N2. Uma capa de ~ 125 nm de Nitreto de Silício (Si3N4) foi depositada por sputtering sobre o GaAs previamente a implantação à quente: camada de sacrifício que pode ser removida após a síntese. Análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Espectroscopia de Raios- X por Dispersão em Energia (EDS) demonstraram que, no estado como-implantado da fluência de 3 × 1017 N/cm2, formam-se bolhas de N para ambos os lados da interface Si3N4/GaAs e a região implantada do GaAs amorfiza. Após um recozimento à 850 ºC/5 min, observou-se uma elevada degradação da camada de Si3N4, fragilizada pela formação das bolhas de N. Formou-se uma camada contínua de GaN (GaN-layer) de ~ 70 nm na sua fase hexagonal, sustentada por “pilares” no substrato GaAs, entre os quais existem extensos vazios. Medidas TEM em alta resolução (HRTEM) e por Difração de Elétrons de Área Selecionada (SAED) revelaram que a GaN-layer apresenta forte tendência à epitaxia com o substrato GaAs (relações de epitaxia são aqui apresentadas), e regiões estruturalmente espelhadas (i.e., twins). SAED sobre os pilares evidenciaram uma fase transicional cúbica, com um parâmetro de rede substancialmente menor (0,42 ± 0,01) nm que o reportado na literatura (0,45 nm). Estudos por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford e Canalização (RBS/C) mostraram que a GaN-layer é rica em N (Ga1,00N1,90, para 3 × 1017 N/cm2) e apresenta canalização (para implantações de 2 e 3 × 1017 N/cm2), confirmando o caráter monocristalino identificado por TEM. Medidas de Fotoluminescência (PL) confirmam emissão na região do gap de banda do α-GaN (~ 3,4 eV), bem como bandas associadas a defeitos estruturais do material. Também foi investigado o efeito de campos de tensão provenientes de bolhas de Hélio (He) mediante a realização da síntese a partir de substrato GaAs pré-implantado com He. Neste caso, as bolhas, que se formam no GaAs durante a implantação de N à quente e extinguem-se após recozimentos, limitam a difusão de N para o interior do substrato, conduzindo a formação de uma GaN-layer mais espessa (~ 120 nm) e com bem mais N (Ga1,00N2,80). Como consequência, a GaNlayer apresentou um caráter mais policristalino. / The Gallium Nitride (GaN) is a direct gap semiconductor, is issue of numerous scientific research, mainly due to its importance in the manufacture of high power devices and optoelectronic devices. GaN alloys, as InGaN and AlGaN, for example, enable the production of LEDs and blue LASERs. In this study, we have selected Gallium Arsenide (GaAs) as a suitable substrate for GaN synthesis through Arsenic (As) replacement by Nitrogen (N), based on three steps: a) incorporation of N by ion implantation into GaAs (at 350, 450 or 550 ºC) at high fluences (1, 2, 3 or 4 × 1017 N/cm2); b) higher stability of the Ga-N bonds compared to the Ga-As ones; and c) purge of As from the region containing implanted N by annealing (at 550, 650, 750, 850 or 1000 ºC) under N2 flow. A 125-nm cap-layer of Silicon Nitride (Si3N4) was deposited by sputtering on GaAs prior to the hot implantation: it is a sacrifice layer which can be removed after the synthesis. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analyzes demonstrated that, on the as-implanted state of the fluence of 3 × 1017 N/cm2, N bubbles are formed on both sides of the Si3N4/GaAs interface and the implanted region of GaAs amorphizes. After annealing at 850 °C/5min, a high degradation of the Si3N4 layer was observed, weakened by the formation of N bubbles. A continuous layer of GaN (GaN-layer) of ~ 70 nm was formed in its hexagonal phase, supported by “pillars” on the GaAs substrate, with extensive voids in between them. High-Resolution TEM (HRTEM) and Selected Area Electron Diffraction (SAED) measurements revealed that the GaN-layer exhibits a strong tendency to epitaxy with the GaAs substrate (epitaxial relationships are here presented), and structurally mirrored regions (i.e., twins). SAED on the pillars showed a transitional cubic phase, with a lattice parameter substantially smaller (0.42 ± 0.01) nm than the one reported in the literature (0.45 nm). Rutherford Backscattering Spectrometry studies and Channeling (RBS/C) showed that the GaN-layer is rich in N (Ga1.00N1.90, for 3 × 1017 N/cm2) and presents channeling (for implantations of 2 and 3 × 1017 N/cm2), corroborating the monocrystalline nature identified by TEM. Photoluminescence (PL) measurements confirm emission in the band gap region of a- GaN (~ 3.4 eV), as well as bands associated to structural defects in the material. It was also investigated the effect of strain fields from Helium (He) bubbles through synthesis starting up from He pre-implanted GaAs substrate. In this case, the bubbles, which are formed in the GaAs during the hot N-implantation and are annihilated after annealing, limit the N diffusion into the substrate, leading to the formation of a thicker GaN-layer (~ 120 nm) and with much more N (Ga1.00N2.80). As a result, the GaN-layer presented an aspect more polycrystalline.