Dans le contexte environnemental actuel, le photovoltaïque bénéficie de l'augmentation des efforts de recherche dans le domaine des énergies renouvelables. Pour réduire le coût de la production d'électricité par conversion directe de l'énergie lumineuse en électricité, le photovoltaïque concentré est intéressant. Le principe est de concentrer une grande quantité d'énergie lumineuse sur des petites surfaces de cellules solaires multi-jonction à haute efficacité. Lors de la fabrication d'une cellule solaire, il est essentiel d'inclure une méthode pour réduire la réflexion de la lumière à la surface du dispositif. Le design d'un revêtement antireflet (ARC) pour cellules solaires multi-jonction présente des défis à cause de la large bande d'absorption et du besoin d'égaliser le courant produit par chaque sous-cellule. Le nitrure de silicium déposé par PECVD en utilisant des conditions standards est largement utilisé dans l'industrie des cellules solaires à base de silicium. Cependant, ce diélectrique présente de l'absorption dans la plage des courtes longueurs d'onde. Nous proposons l'utilisation du nitrure de silicium déposé par PECVD basse fréquence (LFSiN) optimisé pour avoir un haut indice de réfraction et une faible absorption optique pour l'ARC pour cellules solaires triple-jonction III-V/Ge. Ce matériau peut aussi servir de couche de passivation/encapsulation. Les simulations montrent que l'ARC double couche SiO[indice inférieur 2]/LFSiN peut être très efficace pour réduire les pertes par réflexion dans la plage de longueurs d'onde de la sous-cellule limitante autant pour des cellules solaires triple-jonction limitées par la sous-cellule du haut que pour celles limitées par la sous-cellule du milieu. Nous démontrons aussi que la performance de la structure est robuste par rapport aux fluctuations des paramètres des couches PECVD (épaisseurs, indice de réfraction).

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques et thermiques intéressantes. Grâce à sa large bande interdite, son fort champ de claquage et sa forte vitesse de saturation, il est très convoité pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance et de hautes fréquences pouvant fonctionner à haute température. De plus, grâce au caractère direct de sa bande interdite et son pouvoir d’émission à faible longueur d’onde, il est aussi avantageux pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection tels que les DELs, les lasers ou les photo-détecteurs. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d’inefficacités du dopage p et les densités élevées de défauts cristallins dans les couches épitaxiées ont constitué pendant longtemps des handicaps majeurs au développement des technologies GaN. Il a fallu attendre le début des années 1990 pour voir apparaître des couches épitaxiales de meilleures qualités et surtout pour obtenir un dopage p plus efficace [I. Akasaki, 2002]. Cet événement a été l’une des étapes clés qui a révolutionnée cette technologie et a permis d’amorcer son intégration dans le milieu industriel. Malgré l’avancé rapide qu’a connu le GaN et son potentiel pour la réalisation de sources optoélectroniques de haute efficacité, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques avec une faible résistivité, ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont généralement caractérisées par la présence d’une forte densité d’états de surface (D[indice inférieur it]). Cette forte D[indice inférieur it], aussi rapportée sur GaAs et sur d’autres matériaux III-V, détériore considérablement les performances des dispositifs réalisés et peut induire l’ancrage (‘pinning’) du niveau de Fermi. Elle constitue l’un des freins majeurs au développement d’une technologie MIS-GaN fiable et performante. Le but principal de ce projet de recherche est l’élaboration et l’optimisation d’un procédé de passivation du GaN afin de neutraliser ou minimiser l’effet de ses pièges. Les conditions de préparation de la surface du GaN avant le dépôt de la couche isolante (prétraitement chimique, gravure, prétraitement plasma etc.), les paramètres de dépôt de la couche diélectrique par PECVD (pression, température, flux de gaz, etc.) et le traitement post dépôt (tel que le recuit thermique) sont des étapes clés à investiguer pour la mise au point d’un procédé de passivation de surface efficace et pour la réalisation d’une interface isolant/GaN de bonne qualité (faible densité d’états de surface, faible densité de charges fixes, bonne modulation du potentiel de surface, etc.). Ceci permettra de lever l’un des verrous majeurs au développement de la technologie MIS-GaN et d’améliorer les performances des dispositifs micro- et optoélectroniques à base de ce matériau. Le but ultime de ce projet est la réalisation de transistors MISFETs ou MIS-HEMTs de hautes performances sur GaN.

The objective of the research in this thesis is to develop manufacturable high-efficiency silicon solar cells at low-cost through advanced cell design and technological innovations using industrially feasible processes and equipment on commercial grade Czochralski (Cz) large-area (239 cm2) silicon wafers. This is accomplished by reducing both the electrical and optical losses in solar cells through fundamental understanding, applied research and demonstrating the success by fabricating large-area commercial ready cells with much higher efficiency than the traditional Si cells. By developing and integrating multiple efficiency enhancement features, namely low-cost high sheet resistance homogeneous emitter, optimized surface passivation, optimized rear reflector, back line contacts, and improved screen-printing with narrow grid lines, 20.8% efficient screen-printed PERC (passivated emitter and rear cell) solar cells were achieved on commercial grade 239 cm2 p-type Cz silicon wafers.

<p>The fabrication of zone plate lenses that are used for focusing X-rays relies on nanofabrication techniques such as e-beam lithography, reactive ion etching, and electroplating. The circular grating-like zone plate pattern can have a smallest half-period, a so-called zone width, of down to 20 nm while it also needs to have a height that is 5 to 10 times the zone width to have good diffraction efficiency. This high aspect ratio structuring is a very challenging field of nanofabrication.</p><p>This diploma project has focused on improving the process step of fabricating the electroplating mold by cryo-cooling the polymer during the reactive ion etching with O₂. The low temperature causes passivation of the sidewalls of the mold during etching which results in a more ideal rectangular profile of the high aspect ratio plating mold.</p><p>By etching at -100 °C, structures with highly vertical sidewalls and no undercut were realized. The experiments showed that there is a tradeoff between the anisotropy of the zone profile and the formation rate of polymer residue, so-called RIE grass. Through a proper choice of process parameters the grass could be completely removed without introducing any undercut.</p> / QC 20100414

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.

Limiter le vieillissement des accumulateurs lithium-ion est un challenge pour optimiser leur utilisation notamment dans le domaine spatial. La qualité de la couche de passivation (SEI), formée à la surface de l’électrode négative de graphite lors des premiers cycles de vie de la batterie, est déterminante pour ses performances futures. Celle-ci est composée de polymères et de divers sels de lithium dont la dissolution, la précipitation et la migration affectent les performances. Cette étude vise à comprendre l’impact de ces composés sur la cyclabilité et de proposer des solutions à l’effet néfaste de ces sels sur le bon fonctionnement et le vieillissement de l’accumulateur Li-ion. La première partie de ce travail aborde l’impact de divers sels de lithium de la SEI (LiF, Li2CO3, LiOH, LiOCH3, LiOC2H5) sur le comportement en cyclage des accumulateurs. Par la suite, nous avons proposé des solutions pour améliorer le comportement qu’engendre la présence de ces sels sur les performances à travers deux approches. La première concerne l’utilisation de co-solvants complexants de la famille des glymes. La seconde approche consiste à modifier les propriétés interfaciales électrodes/électrolyte par l’ajout d’additifs tensioactifs à l’électrolyte. Les résultats montrent dans les deux cas des améliorations notables de la cyclabilité des dispositifs en demi-pile et en cellule complète. / Limiting the lithium-ion batteries ageing is a challenge to overcome in the field of spatial applications. The quality of the solid electrolyte interfaces (SEI), created at the electrode surface during the first cycles of the battery, is decisive for its future performances. The SEI is composed of polymers and several lithium salts which are able to dissolve, precipitate and migrate in the electrolyte and hence modify the battery performances. This study aims to understand the impact of the dissolution of these compounds on the cell cycling ability and to propose solutions to avoid the harmful effects of these salts on the battery ageing. The first part of this study is devoted to the study of the effect of dissolved SEI lithium salts (LiF, LiOH, Li2O, Li2CO3 , LiOCH3, LiOC2H5) on the cycling ability of half and full cells.In order to improve the battery performances in spite of the presence of these SEI salts in the electrolyte, two solutions have been examined. The first one is to add a co-solvent belonging to the glyme family which is able to form complexes with lithium ions and the second to use a surfactant additive which will modify the interfacial electrode/electrolyte properties. Results show that in both cases an improvement in half-cell or full-cell cycling ability was achieved.

This dissertation describes our study on different physical properties of passivated and chemically modified hybrid metal halide perovskite materials and development of highly efficient charge transport layers for perovskite solar cells. We first developed an efficient electron transport layer via modification of titanium dioxide nanostructure followed by a unique chemical treatment in order to have clean interface with fast electron injection form the absorber layer in the perovskite solar cells. We then explored monovalent cation doping of lead halide perovskites using sodium, copper and silver with similar ionic radii to lead to enhance structural and optoelectronic properties leading to higher photovoltaic performance of the resulting perovskite solar cells. We also performed thorough experimental characterizations together with modeling to further understand the chemical distribution and local structure of perovskite films upon monovalent cation doping. Then, we demonstrate a novel passivation approach in alloyed perovskite films to inhibit the ion segregation and parasitic non-radiative losses, which are key barriers against the continuous bandgap tunability and potential for high-performance of metal halide perovskites in device applications, by decorating the surfaces and grain boundaries with potassium halides. This leads to luminescence quantum yields approaching unity while maintaining high charge mobilities along with the inhibition of transient photo-induced ion migration processes even in mixed halide perovskites that otherwise show bandgap instabilities. We demonstrate a wide range of bandgaps stabilized against photo-induced ion migration, leading to solar cell power conversion efficiencies of 21.6% for a 1.56 eV absorber and 18.3% for a 1.78 eV absorber ideally suited for tandem solar cells. We then systematically compare the optoelectronic properties and moisture stability of the two developed passivation routes for alloyed perovskites with rubidium and potassium where the latter passivation route showed higher stability and loading capacity leading to achieve substantially higher photoluminescence quantum yield. Finally, we explored the possibility of singlet exciton fission between low bandgap perovskites and tetracene as the triplet sensitizer finding no significant energy transfer between the two. We then used tetracene as an efficient dopant-free hole transport layer providing clean interfaces with perovskite layer leading to high photoluminescence yield (e.g. ~18%). To enhance the poor ohmic contact between tetracene and the metal electrode, we added capping layer of a second hole transport layer which is extrinsically doped leading to 21.5% power conversion efficiency for the subsequent solar cells and stabilised power output over 550 hours continuous illumination.

L'objectif du travail de thèse est d'étudier les effets de température et du dopage sur les caractéristiques de gravure du Si et des polymères : produits de réaction, cinétiques, énergie d'activation, anisotropie, et sélectivité. La gravure anisotrope des polymères est ensuite étudiée en fonction de la température en utilisant des mélanges de gaz permettant d'utiliser un procédé par passivation latérale. Les résultats expérimentaux obtenus sont discutés en tenant compte de l'étude thermodynamique des systèmes chimiques concernés. Le travail s'achève par l'étude de faisabilité de filtres pour microfiltration par perçage de pores à travers des films polymère.

Ce travail de thèse vise la compréhension des mécanismes de gravure impliqués dans les procédés de gravure plasma de grilles en poly-silicium pour l'élaboration de transistors MOS de dimension inférieure à 20 nm. La réalisation d'une grille de transistor comprend une étape de lithographie suivie d'étapes de gravure. Actuellement, les techniques lithographiques constituent un frein à la réduction en dimension des grilles, car elles permettent au mieux d'atteindre des résolutions de 80 nm. La stratégie adoptée pour s'affranchir de ces limites lithographiques est l'introduction d'une nouvelle étape de gravure, l'étape de réduction de cote résine (ou resist trimming). Cette étape consiste à éroder latéralement par gravure plasma les motifs de résine préalablement définis par la lithographie. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc été la compréhension des mécanismes de gravure mis en jeu lors d'un procédé de réduction de cote résine. Deux chimies de plasma HBr/O2 et Cl2/O2 ont été étudiées et comparées. Pour ces deux chimies, une corrélation a été établie entre les vitesses de gravure latérale (observations MEB), les modifications physico-chimiques des flancs des motifs de résine après exposition à un plasma (obtenues par XPS), et la nature chimique des produits issus de la gravure de la résine (déterminée par spectrométrie de masse). Les autres facteurs freinant le développement des grilles de dimensions inférieures à 20 nm sont les procédés de gravure grille actuels qui sont au mieux contrôlés à 5-10 nm, alors que la réduction d'échelle impose un contrôle des procédés de gravure inférieur à 2-3 nm. Le deuxième volet de ce travail a donc consisté à étudier les facteurs responsables de la perte de contrôle dimensionnel lors des différentes étapes du procédé de gravure grille. Les aspects étudiés sont les modifications physico-chimiques du masque résine pendant la gravure, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés, et l'état de surface des parois du réacteur, et ce grâce à la mise au point de deux protocoles expérimentaux utilisant des analyses XPS.

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