The current trend concerning the thinning of solar cell devices is mainly motivated by economic aspects, such as the cost of the used rare-earth elements, and by the requirements of emergent technologies. The introduction of ultra-thin absorber layers results in a reduction of used materials and thus contributes to a more cost-effective and time-efficient production process.However, the use of absorber layers with thicknesses below 500nm gives rise to multiple apprehensions, including concerns regarding light management and the absorber’s quality.Therefore, this experimental work presents a novel solar cell architecture that aims to tackle the issues of optical and electrical losses associated with ultra-thin absorber layers. To that end, a Hafnium Oxide (H f O2) rear side passivation layer was introduced in-between the copper indium gallium (di)selenide Cu(In, Ga)Se2, CIGS-based absorber layer and the Molybdenum (Mo) back contact. Then, the proposed Potassium Fluoride (KF) alkali treatment successfully established point contacts on the ALD-deposited oxide layer, resulting in a passivation effect with minimum current blockage.The established cell architecture showed significant improvements regarding both open circuit voltage (Open-Circuit Voltage (Voc)) and efficiency when compared to unpassivated reference devices. The used solar cell simulator (SCAPS) attributes the observed improvements to a reduced minority carrier recombination velocity at the rear side of the device. Moreover, the provided photoluminescence (PL) results report a higher peak intensity and lifetime for passivated devices.Furthermore, the overlay of the given external quantum efficiency (EQE) spectra with the performed simulations show that the HfO2 passivation layer improves the optical reflection from the rear contact over a wavelength interval ranging from 500 to 1100 nm, resulting in a short circuit current (Jsc) improvement. An increased quantum efficiency observed throughout almost the entire measurement range, confirms that the enhance in Jsc is also due to electronic effects.Here, a produced solar cell device including a 3nm-thick HfO2 rear passivation layer and a 500nm-thick 3-stage CIGS absorber, achieved a conversion efficiency of 9.8%.Further, the approach of combining an innovative rear surface passivation layer with a fluoride-based alkali treatment resulted in the development and successful characterisation of a 1-stage, 8.6% efficient solar cell. Such result, mainly due to a short circuit current (Jsc) enhancement, supports the introduction of more straightforward production steps, which allows a more cost-effective and time-efficient production process. The produced device consisted of a 500nm-thick CIGS absorber, rear passivated with an ultra-thin (2nm) HfO2 layer combined with a 0.6M KF treatment. / Den nuvarande trenden när det gäller solcellsanordningar huvudsakligen motiveras av ekonomiska aspekter, såsom kostnaden för att använda sällsynta jordartsmetaller, och av kraven i ny teknik. Införandet av ultratunna absorptionsskikt resulterar i en minskning av använda material och bidrar därmed till en mer kostnadseffektiv och tidseffektiv produktionsprocess.Användningen av absorptionsskikt med tjocklekar under 500 nm ger emellertid upphov till flera bekymmer, beträffande ljushantering och absorptorkvalitet.Därför presenterar detta experimentella arbete en ny solcellarkitektur som syftar till att ta itu med frågorna om optiska och elektriska förluster förknippade med ultratunna absorberlager. För detta ändamål infördes ett Hafnium Oxide (H f O2) bakre sidopassiveringsskikt mellan kopparindiumgallium (di) selenid Cu(In, Ga)Se2, CIGSbaserat absorberande skikt och Molybdenum (Mo) kontakt. Sedan upprättade den föreslagna kaliumfluorid (KF) alkali-behandlingen framgångsrikt punktkontakter på det ALD-avsatta oxidskiktet, vilket resulterade i en passiveringseffekt med minimal strömblockering.Den etablerade cellarkitektur visade signifikanta förbättringar avseende både öppna kretsspänningen (Voc) och effektivitet i jämförelse med opassiverad referensanordningar. Den använda solcellsimulatorn (SCAPS) tillskriver de observerade förbättringarna till en minskad minoritetsbärares rekombinationshastighet på enhetens baksida. Dessutom de tillhandahålls fotoluminescens (PL) resultat rapporterar en högre toppintensitet och livslängd för passive enheter.Dessutom visar överläggningen av det givna externa kvantitetseffektivitetsspektrumet (EQE) med de utförda simuleringarna att passiveringsskiktet HfO2 förbättrar den optiska reflektionen från den bakre kontakten över ett våglängdsintervall från 500 till 1100 nm, vilket resulterar i i en kortslutningsström (Jsc) förbättring. En ökad kvantverkningsgrad observerats i nästan hela mätområdet, bekräftar att öka i Jsc är också på grund av elektroniska effekter.Här, en producerad solcellsanordning innefattande en 3 nm-tjock HfO2 bakre passiveringsskikt och ett 500 nm-tjock 3-stegs CIGS absorber, uppnått en omvandlingseffektivitet på 9.8%.Vidare resulterade tillvägagångssättet att kombinera ett innovativt bakre ytpassiveringsskikt med en fluoridbaserad alkalibehandling i utvecklingen och framgångsrik karaktärisering av en 1-stegs, 8.6% effektivitet solcell. Ett sådant resultat, främst på grund av en kortslutningsström (Jsc) förbättring, stöder införandet av mer enkla produktionssteg, vilket möjliggör en mer kostnadseffektiv och tidseffektiv produktionsprocess. Den framställda anordningen bestod av ett 500 nm-tjock CIGS absorber, bakre passiverad med en ultra-tunn (2 nm) HfO2-skikt kombineras med en 0.6M KF behandling.

Superior properties of Silicon Carbide (SiC), such as wide bandgap, high breakdown field and high thermal conductivity, have made it the frontrunner to replace Silicon for applications requiring high breakdown strength, mechanical and radiation hardness. Commercial SiC devices are already available, although their expected performance has not yet been realized due to a few problems related to device fabrication technologies, such as selective doping. This work explores non-traditional techniques for SiC doping (and selective doping in particular) based on previously unknown types of defect reactions in SiC and novel epitaxial growth techniques, which offer advantages over currently available technologies. Recent developments in SiC epitaxial growth techniques at MSU have enabled the growth of high quality SiC epitaxial layers at record low temperatures of 1,300°C. Lower growth temperatures have enabled highly doped epilayers for device applications. Prototypes of SiC PiN diodes fabricated, demonstrated low values of the series resistance associated with anodes grown by the low temperature epitaxial growth technique. At room temperature, 100 ìm-diameter diodes with a forward voltage of 3.75 V and 3.23V at 1,000 A/cm2 before and after annealing were achieved. The reverse breakdown voltage was more than 680 V on average, even without surface passivation or edge termination. Reduced growth temperatures also enabled the possibility of selective epitaxial growth (SEG) of SiC with traditional masks used in the SEG in Si technology. Previously, SEG of SiC was impossible without high temperature masks. Good quality, defect free, selectively grown 4H-SiC epilayers were obtained using SiO2 mask. Nitrogen doped selectively grown epilayers were also obtained, which were almost completely ohmic, indicating doping exceeding 1x1019 cm-3. Moreover, conductivity modulation via defect reactions in SiC has been reported as a part of this work for the first time. The approach is based on a new phenomenon in SiC, named Recombination Induced Passivation (RIP), which was observed when hydrogenated SiC epilayers were subjected to above bandgap optical excitation. Additional acceptor passivation, and thereby modification of the conductivity of the epilayer, was observed. Results of investigations of the RIP process are presented, and conductivity modulation techniques based on the RIP process are proposed.

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<p>An ammonium polysulfide (NH₄)₂S_x solution was optimized through a series of experiments to be used for surface passivation of III-V nanowires . The effectiveness of sulfur passivation was investigated by measuring the photoluminescence from p-InP nanowires before and after passivation. The optimized parameters included solvent type, molarity and passivation time. According to the experiments, passivation of nanowires in 0.5 M solution diluted in isopropyl alcohol for 5 min produced the maximum photoluminescence improvement. It was also demonstrated that the whole surface passivation of vertical nanowires in ensemble samples caused a 40 times increase in the photoluminescence intensity while top surface passivation of individual nanowires resulted in a 20 times increase of photoluminescence intensity. A model was developed to calculate the photoluminescence from single nanowires under different surface recombination and surface potential. The model showed that the 40 times increase in the photoluminescence is mainly due to the reduction of surface state density from 10¹² cm^-2before passivation to 5×10¹⁰ cm^-2after passivation.</p> <p>The effect of sulfur passivation on core-shell p-n junction GaAs nanowire solar cells has been investigated. The relative cell efficiency increased by 19% after passivation.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Cette thèse est une contribution aux développements de HEMTS AlGaN/GaN sur substrat de silicium pour des applications basses fréquences sous fortes tensions (typiquement 600V) comme les commutateurs pour la domotique ou les circuits de puissance des véhicules électriques. Elle a été menée en collaboration étroite avec Picogiga International qui a réalisé toutes les épitaxies. Elle est composée de trois parties : développement d'une technologie de fabrication, étude des courants de fuite, amélioration du pouvoir isolant de la barrière et recherche d'un comportement “normally off”. La réalisation de contacts ohmiques peu résistifs est l’étape cruciale de la fabrication des HEMTs AlGaN/GaN de puissance. Une optimisation de l'empilement des métaux utilisés, de la température et du temps de recuit ainsi que la recherche d'un compromis sur la distance métallisation – gaz d'électrons, nous a permis de réaliser des contacts ohmiques proches de l'état de l'art (0,5 Ohm.mm). L’origine des courants de fuite a été systématiquement étudiée sur cinq types d'épitaxies différentes. La distance grille – drain et les courants de fuites ont été identifiés comme étant les deux facteurs limitant la tension de claquage. Selon la structure, les courants de fuite ont lieu soit à travers la grille (~e-8 A/mm à 210V), soit en parallèle au canal (e-5 A/mm). Dans les deux cas, ces courants sont comparables aux courants de fuite au travers du tampon (i.e. courants mesurés entre deux mésas). Ces courants de fuite, ont été attribués aux couches de transition nécessaires à l'adaptation de l'épitaxie des couches de nitrure sur le substrat de silicium. La réalisation de HEMT AlGaN/GaN sur silicium pour les applications à haute tension passera donc par une amélioration de ces couches tampons.Nous avons démontré qu'il est possible d'améliorer l'isolation de la barrière en AlGaN grâce à une hydrogénation du matériau. En effet un traitement de surface des transistors par un plasma hydrogène permet, par diffusion, d'y incorporer de l'hydrogène qui passive les dislocations traversantes. Après traitement, les courants de fuite de grille sont réduits et la tension de claquage est repoussée à 400V avec des courants de fuite de l'ordre de e-6 A/mm. Dans ces conditions, le claquage a alors lieu en surface de l'échantillon, il n'est plus limité que par la distance grille-drain. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation de HEMT à forte tension de claquage (V~600V).L’effet du plasma fluoré SF6 sur les caractéristiques électriques des HEMT (AlN/GaN)/GaN (la barrière est en super-réseaux AlN/GaN) a été étudié pour la première fois dans cette thèse. Les ions fluor incorporés dans cette barrière agissent comme des donneurs qui font augmenter la densité du gaz bi-dimensionnel d'électrons et décaler la tension de pincement vers les tensions négatives. Cet effet est à l'opposé de celui observé dans les HEMT à barrière en AlGaN. Ce résultat élimine la possibilité de réaliser les HEMT (AlN/GaN)/GaN “normally off” par un dopage au fluor, une technique simple et efficace qui donne de bons résultats sur les HEMT à barrière AlGaN. D’autre part, il apporte quelques réponses expérimentales aux prévisions théoriques d'utiliser le fluor pour les dopages de type n ou p dans les nitrures d'éléments III. / This thesis is a contribution to the development of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrates for low frequency and applications under high voltages (typically 600V) as switches for home automation or power circuits of electric vehicles. It was conducted in close collaboration with Picogiga who made all epitaxy. It is composed of three parts: development of manufacturing technology, study of leakage currents, improving the insulating barrier and search behavior “normally”.The realization of low resistivity ohmic contacts is the crucial step in the manufacture of AlGaN / GaN HEMTs power. Optimization of the stack of metal used, the temperature and annealing time and the search for a compromise on the distance metallization - electron gas, has allowed us to achieve ohmic contacts around the state s (0.5 Ohm. mm).The origin of the leakage current has been systematically studied in five different kinds epitaxy. The distance gate - drain and leakage currents were both identified as being factors limiting the breakdown voltage. According to the structure, the leakage currents take place either through the grid (~ e-8 A/mm at 210V), or in parallel to the channel (e-5A/mm). In both cases, these currents are comparable to leakage currents through the buffer (ie current measured between two mesas). These leakage currents were attributed to transition layers required for the adaptation of the epitaxial nitride layers on the silicon substrate. Achieving AlGaN HEMT / GaN on silicon for high voltage applications pass through to an improvement in these buffer layers.We have demonstrated that it is possible to improve the insulation of the AlGaN barrier through hydrogenation of the material. In effect a surface treatment by a hydrogen plasma allows, by diffusion, to incorporate hydrogen which passivates the through dislocations. After treatment, the gate leakage current is reduced and the breakdown voltage of 400V is pushed with leakage currents of the order e-6A/mm. Under these conditions, when the breakdown occurs at the surface of the sample, is no longer limited by the gate-drain distance. This result opens the way for the realization of HEMT with high breakdown voltage (V ~ 600V).The effect of plasma fluorinated SF6 on the electrical characteristics of the HEMT (AlN/GaN)/GaN (barrier is AlN/GaN superlattices) was studied for the first time in this thesis. The fluorine ions incorporated in the barrier act as donors that increase the density of the two-dimensional gas of electrons and the shifting to the voltage clamping negative voltages. This effect is opposite to that observed in the HEMT in AlGaN barrier. This result eliminates the possibility of the HEMT (AlN/GaN)/GaN "normally off" by fluorine doping, a simple and effective technique that gives good results on AlGaN HEMT barrier. On the other hand, it brings some experimental answers to theoretical predictions using fluorine doping for n-type or p in III nitrides.

La passivation de la surface des semi-conducteurs III-V est une technique adaptée pour éliminer les effets indésirables qui perturbent le bon fonctionnement des dispositifs optoélectroniques. L’objectif de ce travail est de passiver la surface du GaAs par nitruration par plasma N2 généré par deux sources de nitruration différentes : la GDS (Glow Discharge Source) et l’ECR (Electron Cyclotron résonance). Une première étude basée sur des mesures AR-XPS, des simulations DFT et un modèle cinétique raffiné a permis d’identifier les trois étapes principales du processus de nitruration en mettant en évidence plusieurs phénomènes physiques. Une deuxième étude des effets de la passivation du GaAs par la couche mince de GaN créée en surface permet d’optimiser les paramètres expérimentaux du processus de nitruration pour tendre vers une passivation optimale. Ainsi, la structure des couches de GaN élaborés est déterminée par diffraction d’électrons lents (LEED) après une cristallisation par un recuit à 620°C et par des images MEB. De plus, la passivation chimique de la surface des couches de GaAs nitrurées après exposition à l’air est étudiée par des mesures AR-XPS et l’amélioration de la photoluminescence du GaAs après nitruration est mise en évidence par des mesures µPL. Finalement, le processus de nitruration a révélé un intérêt pour optimiser les paramètres électriques des diodes Schottky à base de GaAs. / The surface passivation of III-V semiconductors is a suitable process to eliminate the side effects which disrupt the smooth operation of the optoelectronic devices. The aim of this thesis is to investigate passivation of the GaAs surface by nitridation using N2 plasma generated by two different sources: the GDS (Glow discharge source) and ECR (Electron Cyclotron Resonance). Our first study based on AR-XPS measurements, DFT simulations and a refined kinetic model permits identification of the three main steps of the nitriding process exhibiting several physical phenomena. Our second study of the GaAs passivation effects by growing a GaN thin layer on the surface makes it possible to optimize the experimental parameters of the nitriding process in order to tend towards optimal passivation. Firstly, the elaborated GaN layer structure is obtained by LEED patterns after their crystallization by an annealing at 620°C as well as the surface morphology obtained by SEM images. Then, chemical passivation of the nitrided GaAs layers is studied by AR-XPS measurements and the photoluminescence improvement of the GaAs substrate after nitridation is highlighted by µPL measurements. Finally, the nitridation process benefits electrical parameters of the Schottky diodes based on GaAs, optimizing them.

L'optomécanique est la science des interactions entre la lumière et les mouvements mécaniques. Ce rapport de thèse décrit des expériences réalisées avec des microdisques fabriqué dans différents résonateurs semi-conducteurs III-V: l'Arséniure de Gallium (GaAs), l'Arséniure d'Aluminium Gallium (AlGaAs) et l'Arséniure d'Indium Phosphide (InGaP). Ces matériaux sont compatibles avec les fonctionnalités de l’optoélectronique et procurent un couplage optomécanique géant. Pour améliorer les performances des résonateurs en GaAs, nous avons développé des méthodes de traitement de surface permettant de réduire la dissipation optique par un facteur dix et ainsi d'atteindre un facteur de qualité de six millions. En plus de ces études sur le GaAs, nous avons réalisés une étude comparative des interactions optomecaniques dans des microdisques d'InGaP et d'AlGaAs, et nous avons mis en évidences leurs résonances optomécaniques. Finalement, nous avons réalisé des mesures de force avec des résonateurs en GaAs, démontrant un nouveau principe de détection basé sur notre étude de leur la trajectoire dans l'espace de phase et leur bruit de phase / Optomechanics studies the interaction between light and mechanical motion. This PhD thesis reports on optomechanical experiments carried with miniature disk resonators fabricated out of distinct III-V semiconductors: Gallium Arsenide (GaAs), Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs) and Indium Gallium Phosphide (InGaP). These materials are compliant with optoelectronics functionalities and provide giant optomechanical coupling. In order to boost performances of GaAs resonators, we implemented surface control techniques and obtained a ten-fold reduction of optical dissipation, attaining a Q of six million. On top of GaAs, we performed a comparative investigation of optomechanical interactions in InGaP and AlGaAs disk resonators, and demonstrated their operation as optomechanical oscillators. Finally, we carried out optomechanical force sensing experiments with GaAs resonators, analyzing a new sensing principle in light of the phase space trajectory and phase noise of the corresponding oscillators

Le coût de fabrication des modules photovoltaïques est un point critique pour implanter l’énergie solaire dans le mix énergétique. L’un des moyens d’abaisser ce coût est la réduction de l’épaisseur de silicium utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Il est techniquement possible de produire des cellules photovoltaïques en silicium cristallin d’une épaisseur de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur seulement, bien que cela représente un défi à la fois pour le procédé de fabrication de telles cellules et pour leur optimisation. Celle-ci est différente des cellules d’épaisseur conventionnelle notamment par le besoin d’un piégeage optique et d’une passivation de surface de haut niveau. Cet aspect sera étudié au travers de deux structures : un réflecteur en face arrière de la cellule, et un procédé de texturisation innovant pour limiter la gravure du silicium de la cellule, déjà mince. Enfin, l’implantation du réflecteur dans des cellules photovoltaïques sera traitée. L’optimisation du réflecteur considéré pour des cellules minces en silicium cristallin a montré de très bonnes propriétés réfléchissantes et de passivation de surface, ainsi qu’une compatibilité avec l’ensemble des étapes du procédé de fabrication. Ensuite, la texturisation avancée développée dans ce travail a montré un gain potentiel important en photogénération pour des cellules de faible épaisseur. La caractérisation de ces structures a montré des performances optiques et électriques comparables à l’état-de-l’art. Enfin, la fabrication de cellules photovoltaïques d’épaisseur standard utilisant le procédé développé pour les cellules minces a montré le gain du réflecteur développé pour la face arrière par rapport à une structure classique de cellule. De plus, la réalisation de ces cellules avec le procédé destiné aux cellules minces a permis d’établir que les étapes non-standard du procédé sont compatibles avec l’obtention de cellules photovoltaïques performantes. / The cost of fabrication of photovoltaic modules is a critical figure for settling solar power into the energy mix. One way to lower this cost is to decrease silicon use in photovoltaic cells. It is technically possible to produce crystalline silicon solar cells only a few dozens of microns thick, although this represents a challenge both for their fabrication process and their optimization. This last one is different from cells of standard thickness, especially by the need of high level light trapping and surface passivation. Two structures will be studied in order to fulfill these aspects : a reflector on the rear side of the cell, and an innovative texturing process used to limit the etching of the already thin silicon absorber. Eventually, the implementation of the rear side reflector into photovoltaic cells will be discussed. The rear side reflector optimized for thin-film crystalline silicon solar cells has shown very good passivating and reflecting properties, as well as compatibility with the overall fabrication process. Moreover, the advanced texturation process developped in this work has shown a large potential gain in photogeneration for thin solar cells. These structures have been characterized and have shown a reflectivity and a passivation level coherent with the state-of-the-art. Finally, solar cells of standard thickness have been fabricated with the thin solar cells process, and have shown an improvement from the rear side reflector in comparison with a standard cell structure. Moreover, making these cells with the thin cells process has shown that the non-standard steps of this process are compatible with high-performance solar cells fabrication.

En microélectronique, les techniques actuelles de fabrication des supercondensateurs requièrent le développement de motifs nanostructurés de surface spécifique élevée. Nous nous intéressons à une alternative émergeante aux techniques classiques ‘top-down’ de fabrication des masques de gravure : les mélanges d’homopolymères. En effet, deux polymères avec des chimies différentes sous forme de films minces peuvent conduire à une séparation de phase avec des domaines cylindriques de taille sub-micrométrique. Une gravure cryogénique au travers de ces masques produit une nanostructuration avec une importante surface spécifique. Les travaux de cette thèse ont porté sur la réalisation des films minces et sur la compréhension des mécanismes d’obtention de la morphologie finale. Une étude a été menée sur les solvants de dépôt et d’exposition pour déterminer leur influence sur les morphologies. Les paramètres influençant la taille des motifs sont ensuite étudiés. Des domaines de moins de 100 nm ont été obtenus. Finalement, l’étude d’une méthode alternative de dépôt par dip-coating a permis l’obtention d’une grande variété de morphologies en une seule étape et pour une même solution. Ces travaux se sont ensuite orientés sur la réalisation des motifs en gravant par plasma le silicium au travers de ces masques. Deux procédés ont été retenus, adaptés et optimisés afin de réaliser des gravures profondes sans défaut. Le procédé STiGer aniso permet de les obtenir et ce, avec la meilleure répétabilité. Un autre axe, portant sur l’optimisation de la sélectivité en modifiant la nature du masque, a été développé. Une sélectivité de 70 : 1 est obtenue pour un masque de poly(styrène) marqué au Ru. / In microelectronics, current techniques for supercapacitors manufacturing requires the development of nanostructured patterns with high specific surface. We are interested in an emerging alternative approach to conventional 'top-down' fabrication techniques based on blends of homopolymers. Indeed, two polymers with different chemistries in thin films can lead to phase separation with cylindrical domains of sub-micrometer size. A cryogenic plasma through these masks can produce nanostructuration with a high specific surface. The work of this thesis focused on the realization of thin films and on the understanding of the mechanisms to obtain the final morphology. A study on solvent deposition and exposure was led to determine their influence on the morphologies. The parameters influencing the size of the domains are then studied. Domains of less than 100 nm were obtained. Finally, the study of an alternative method of deposition by dip-coating enabled to obtain a variety of morphologies in one step and for the same solution. This work was then directed towards the realization of structured surfaces by plasma etching of the silicon through this masks. Two methods were used, adapted and optimized to achieve deep etched without default. The process StiGer aniso allows to obtain this and with better repeatability. Another axis is developed. It is focused on the optimization of the selectivity by modifying the nature of the mask. We succeed in obtaining a selectivity of 70: 1 with a mask of poly(styrene) stained by Ru.