Les matériaux SiNOC:H en couches minces, de par leur flexibilité stœchiométrique, présentent une vaste gamme de propriétés et sont aujourd'hui utilisés industriellement dans de nombreuses applications : microélectronique, photovoltaïque, mécanique, etc. Nous avons ici choisi de nous intéresser plus particulièrement au carbonitrure de silicium hydrogéné SiCN:H déposé par PECVD micro-onde à partir du précurseur organosilicié liquide Tétraméthylsilane (TMS). Le but est de proposer une alternative à l'utilisation du gaz silane utilisé pour déposer ce matériau dans les procédés PECVD BF industriels tout en accroissant les vitesses de dépôt. Décomposition du TMS en phase plasma dans un mélange gazeux Ar/NH 3 /TMS et propriétés des couches minces déposées sont étudiées puis corrélées. Une attention particulière est portée aux premières étapes de croissance et à l'étude de l'interface film/substrat. / SiNOC:H Thin-films, due to their stoichiometric flexibility, present a wide range of properties and are now used industrially in numerous applications: microelectronics, photovoltaics, mechanics, etc. We have here chosen to focus more particularly onhydrogenated silicon carbonitride SiNC:H deposited by microwave PECVD from the liquid organosilicon precursor Tetramethylsilane (TMS). The aim is to propose analternative to the use of silane pyrophoric gas currently used to deposit such materials in industrial PECVD Low Frequency/low deposition rates plasma processes. Decomposition of Ar/TMS/NH3 in the plasma phase, and resulting properties of deposited thin films are studied and correlated. Particular attention is paid to the early stages of films growth and to the study of film/substrate interface.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den wesentlichen Aspekten der Hochrateabscheidung von amorphen (a-Si:H) und mikrokristallinen (μc-Si:H) Silizium-Schichten und Solarzellen. Die neuartige plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung unter Anwendung von den sehr hohen Anregungsfrequenzen bis 140 MHz (VHF-PECVD) wurde demonstriert. Die durchgeführten Untersuchungen befassten sich hauptsächlich mit der Anpassung der Anlagentechnik für den VHF Bereich und der Entwicklung des hochproduktiven Herstellungsverfahrens ohne Einbußen bei den Schichteigenschaften und dem Solarzellenwirkungsgrad. Durch Frequenzerhöhung bis 140 MHz wurde eine Steigerung der i-Schicht-Abscheiderate von 70 % sowohl für a-Si:H als auch für μc-Si:H realisiert. Die Weiteroptimierung des Solarzellenaufbaus zeigt die hervorragende Eignung des Herstellungsprozesses für die Abscheidung von hocheffizienten Solarzellen (ca. 10,7 % für a-Si:H- und 9,5 % für μc-Si:H-Zellen). Der neuartige VHF-PECVD-Prozess wurde außerdem für die Abscheidung von den Passivierungsschichten für die Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen (HIT) getestet. Die Arbeit im VHF-Bereich ermöglicht einen Einsatz von hohen Depositionsraten bis 1 nm/s ohne Einbußen bei den Passivierungseigenschaften (2 ms Lebensdauer) im Vergleich zum 13,56-MHz-Prozess (0,5 ms Lebensdauer). Zuletzt wurde eine Analyse der Zusammenhänge zwischen Anregungsfrequenz, Plasmaleistung, Ionenenergie, Ioneneindringtiefe und Defektbildung in den intrinsischen Dünnschichtsiliziumschichten durchgeführt.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133 / The following thesis deals with the main aspects of the high-rate deposition of amorphous (a-Si:H) and microcrystalline (μc-Si:H) silicon layers and solar cells. The very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition technique with excitation frequencies up to 140 MHz (VHF-PECVD) has been introduced. These study deals mainly with the adaptation of the deposition system for the VHF-range and the development of the highly productive manufacturing process without deterioration of the layer properties and the solar cell efficiency. An increase of the excitation frequency up to 140 MHz ensured a 70 % enhancement of the a-Si:H and μc-Si:H deposition rate. A further optimization of the solar cells shows the excellent suitability of these manufacturing process for the deposition of the highly efficient solar cells (about 10.7% for a-Si:H and 9.5% for μc-Si:H cells). The novel VHF-PECVD process has also been analyzed for the deposition of the passivation layers for the silicon heterojunction solar cells (HIT). Working in the VHF-range allows the use of very high deposition rates up to 1 nm/s, without deterioration of the passivation properties (2 ms lifetime) compared to the 13.56 MHz process (0.5 ms lifetime). Finally, an analysis of the correlations between excitation frequency, plasma power, ion energy, ion penetration depth and defect formation in the intrinsic thin film silicon layers was performed.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133

Cette thèse s’intéresse à la croissance épitaxiale à basse température (~200°C) des couches minces de silicium par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), pour des applications aux cellules solaires. L’objectif de départ était de mieux comprendre cette croissance épitaxiale, en utilisant la microscopie électronique en transmission (MET) comme principal outil expérimental. D’abord, nous avons étudié les premiers stades de cette croissance épitaxiale en chimie SiF4/H2/Ar, en menant une série de dépôts courts – quelques dizaines jusqu’à quelques centaines de secondes – sur différents types de substrats. Nous avons établi une corrélation entre les images MET de coupes et de vues planes et les mesures d’ellipsométrie in-situ. Nous avons discuté les mécanismes de croissance en nous basant sur l’hypothèse de la croissance traditionnelle à base d’atomes, radicaux et ions et l’hypothèse (relativement nouvelle) reposant sur la fonte des nanoparticules générées par le plasma au moment de l’impact avec le substrat. De plus, pour comprendre comment l’épitaxie par PECVD à basse température se maintient, nous avons étudié comment elle se brise ou se perd. Pour cela, des expériences de perte d’épitaxie ont été visées en augmentant soit la puissance de la source RF, soit le flux d’hydrogène, toujours pour une chimie SiF4/H2/Ar. Dans les deux cas, le mécanisme de brisure d’épitaxie fait intervenir des macles et des fautes d’empilement qui interrompent la configuration épitaxiale ; ceci est accompagné par une rugosification de surface. Grâce à cette nouvelle compréhension de la brisure d’épitaxie, nous proposons quelques moyens pour maintenir l’épitaxie pour de plus grandes épaisseurs. En outre, nous avons observé une fascinante quasi-symétrie cinq dans les diagrammes de diffraction pour ces couches et aussi pour d’autres élaborées par un plasma de chimie SiH4/H2/HMDSO/B2H6/Ar. Nous avons attribué une telle symétrie à une brisure d’épitaxie par l’intermédiaire d’un maclage multiple. Nous avons développé une méthode d’analyse quantitative qui permet de discriminer les positions de maclage de celles du microcristal aléatoire dans les diagrammes de diffraction et d’estimer le nombre des opérations de maclage. Nous avons aussi discuté quelques raisons probables pour l’incidence du maclage et du maclage multiple sous forme de symétrie cinq. Finalement, une importante réalisation pour le monde de la MET, durant ce travail doctoral, a été l’optimisation de la préparation traditionnelle d’échantillon (polissage par tripode). Nous l’avons transformée d’une méthode longue et ennuyeuse en une méthode rapide qui devient compétitive par rapport à la technique du FIB relativement chère. / This thesis focuses on low temperature (LT, ~200°C) epitaxial growth of silicon thin films by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) for solar cell applications. Our starting goal was to acquire a better understanding of epitaxial growth, by using transmission electron microscopy (TEM) as the main experimental tool. First, we investigated the initial stages of epitaxial growth using SiF4/H2/Ar chemistry by performing a series of short depositions – from few tens to few hundred of seconds – on different types of substrates. We made a correlation between cross-sectional and plan-view TEM images and in-situ ellipsometry measurements. We discussed the growth mechanisms under the hypotheses of the traditional growth mediated by atoms, radicals and ions and the relatively new approach based on the melting of plasma generated nanoparticles upon impact with the substrate. Additionally, in order to understand how epitaxy by LT-PECVD is sustained, we studied how it is lost or how it breaks down. For that, experiments of intentional breakdown of epitaxy were performed by either increasing the RF power or the hydrogen flow rate using the same SiF4/H2/Ar chemistry. In both cases, the breakdown mechanism was based on the development of twins and stacking faults thus disrupting epitaxial configuration; this was accommodated with surface roughening. Thanks to this new understanding of epitaxy breakdown, we can propose some ways to sustain epitaxy for higher thicknesses. Moreover, we fascinatingly observed a quasi-fivefold symmetry in the diffraction patterns for these layers and for layers deposited using SiH4/H2/HMDSO/B2H6/Ar plasma chemistry as well. We attributed such symmetry to the breakdown of epitaxy through multiple twinning. We developed a quantitative analysis method to discriminate twin positions from random microcrystalline ones in the diffraction patterns and to estimate the number of twin operations. We also discussed some probable reasons for the occurrence of twinning and multiple twinning in a fivefold symmetry fashion. Finally, one important achievement to the TEM world is the optimization, during this doctoral work, of the traditional TEM sample preparation (tripod polishing), transforming it from a long and boring method to a fast method that is competitive with the relatively expensive focus ion beam (FIB) technique.

La synthèse d'une membrane composite formée d'une couche fine de surface de structure très réticulée et permsélective aux gaz déposée sur un substrat poreux a été étudiée comme solution pour accroître la perméabilité aux gaz tout en conservant une sélectivité importante. Une couche mince de polymère-plasma SiOCH a été retenue comme membrane de séparation gazeuse car elle possède une structure dont l'ultramicroporisté peut être contrôlée en ajustant les paramètres du procédé plasma comme la puissance, le flux de monomère et la pression de travail. Néanmoins, dans la membrane SiOCH, la taille moyenne des pores et leur distribution sont difficiles à appréhender par des techniques de caractérisation classiques, notamment proche de la surface car elle est très fine. Ce mémoire de thèse concerne le contrôle de la structure poreuse dans une couche mince de polymère-plasma SiOCH déposée sur un substrat polymère en utilisant un précurseur organosilicié. La spectroscopie d'annihilation de positron couplée à un faisceau de positron lent a été utilisée pour identifier la microstructure de couches minces SiOCH avec la profondeur. Ceci a nécessité tout d'abord l'acquisition d'une bonne connaissance de la caractérisation de l'annihilation de positron de matériaux polymères et céramiques. Des couches minces de SiOCH conformes ou superhydrophobes (SHP) ont été obtenues à deux fréquences différentes, respectivement à 13,56 MHz ou 40 kHz. Pour une couche conforme, le type de substrat, la structure chimique du précurseur et la puissance RF sont les paramètres majeurs qui influencent la structure des pores. Quand les films de SiOCH sont composées de deux couches (couche uniforme de surface et couche de transition) déposées sur un substrat poreux, l'analyse PAS met en évidence une couche de transition large et l'ensemble possède une perméabilité aux gaz élevée grâce à la porosité de surface du support. Lors de la préparation des couches minces SHP, quand la pression totale dépasse 0,6 mbar, la nucléation en phase gaz apparaît ce qui augmente la rugosité de la surface. Ceci induit des angles de contact à l'eau supérieurs à 160° et une hystérésis d'angles de contact avancée-reculée de seulement 2°. La préservation des chaînes carbonées et la microstructure sont les facteurs déterminant pour accroître l'hydrophobicité des couches minces de SiOCH. / In gas separation, the fabrication of composite membranes consisting of a permselective thin top layer with high cross-linking structures and a porous substrate has been regarded as a solution for improving gas permeability and simultaneously retaining high selectivity. A plasma-polymerized SiOCH film has been known as an appropriate gas separation membrane because it possesses a dense structure, the crosslinking degree of which could be controlled by adjusting plasma parameters such as plasma power, monomer flow rate, and system pressure. However, the pore size and distribution in SiOCH films, especially in the region of depth profile, are difficult to measure by conventional techniques because of they are very thin.This thesis is concerned with the control of pore structure in a plasma-polymerized SiOCH film on a polymeric substrate by using an organosilicon source. The positron annihilation spectroscopy (PAS) coupled to the slow positron beam technique was used to identify the microstructure of SiOCH films as a function of depth. This step required to have a good understanding of the positron annihilation characteristics of different materials such as organic, inorganic, and hybrid materials. Depending on plasma frequency adjustments, SiOCH films with a flat and a superhydrophobic (SHP) surface were fabricated at 13.56 MHz and 40 kHz, respectively. For a flat SiOCH film, substrate type, chemical structure of precursor, and RF power were the major variables that influenced the pore structure. When SiOCH films composed of two layers (bulk and transitions layers) were deposited on porous substrates, they displayed a long transition layer based on the PAS analysis and possessed a high gas permeability due to the surface porosity of the substrate. When the precursor used possessed a cyclic ring structure, an opportunity of a break-up of the cyclic ring would increase with increasing RF power and then induce formation of new big pores. For the preparation of SHP films, when the total pressure was higher than 0.6 mbar, the gas nucleation reaction was enhanced to induce roughness on SiOCH films, and it would show a high WCA of over 160o and a low WCAH of only 2 degrees. Both the hydrocarbon preservation and microstructure were the main factors in improving the surface superhydrophobicity of SiOCH films.

Parmi les technologies photovoltaïques à base de silicium, les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si (HJ) ont montré une attention croissante en ce qui concerne leur fort potentiel d’amélioration du rendement et de la réduction de coûts. Dans cette thèse, des investigations sur les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si de type (n) développées à l'Institut National de l'Énergie Solaire sont présentées. Les aspects technologiques et physiques du dispositif à HJ ont été revus, en mettant l'accent sur la compréhension du rôle joué par la face arrière. À travers le développement et la mise en œuvre des films de a-Si:H intrinsèques et dopés (n) de haute qualité des cellules solaires à HJ, les conditions requises en face arrière des dispositifs ont été établies. Une comparaison entre plusieurs types de champ surface arrière, avec et sans l’introduction d’une couche buffer, est présentée et les caractéristiques des cellules solaires résultants sont discutées. Une discussion autour du contact arrière de cellules solaires à HJ est aussi présentée. Une nouvelle approche d’oxyde transparent conducteur en face arrière basé sur les couches d’oxyde de zinc dopé au bore (ZnO:B) est étudié. Dans le but de développer des couches de ZnO:B de haute qualité bien adaptées à leur utilisation dans des dispositifs à HJ, différents paramètres de dépôt ainsi que des traitements après dépôt comme le post plasma d’hydrogène ou le recuit laser sont étudiés et leur influence sur des cellules solaires est évaluée. Au cours de ce travail il est montré que la face arrière des cellules solaires à HJ joue un rôle important sur l’accomplissement de hauts rendements. Cependant, l'augmentation de la performance globale du dispositif dû à l’optimisation de la face arrière de la cellule est toujours dépendante des phénomènes ayant lieu en face avant des dispositifs. L'utilisation des films optimisés pour la face arrière des HJs développées dans cette thèse, associée à des couches améliorées pour la face avant et une nouvelle approche de métallisation nous a permis d’atteindre un rendement de conversion record de plus de 22%, démontrant ainsi le grand potentiel de cette technologie à HJ de a-Si:H/c-Si. / Amongst available silicon-based photovoltaic technologies, a-Si:H/c-Si heterojunctions (HJ) have raised growing attention because of their potential for further efficiency improvement and cost reduction. In this thesis, research on n-type a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells developed at the Institute National de l’Énergie Solaire is presented. Technological and physical aspects of HJ devices are reviewed, with the focus on the comprehension of the back side role. Then, an extensive work to optimise amorphous layers used at the rear side of our devices as well as back contact films is addressed. Through the development and implementation of high-quality intrinsic and n-doped a-Si:H films on HJ solar cells, the needed requirements at the back side of devices are established. A comparison between different back surface fields (BSF) with and without the inclusion of a buffer layer is presented and resulting solar cell output characteristics are discussed. A discussion on the back contact of HJ solar cells is also presented. A new back TCO approach based on boron-doped zinc oxide (ZnO:B) layers is studied. With the aim of developing high-quality ZnO:B layers well-adapted to their use in HJ devices, different deposition parameters as well as post-deposition treatments such as post-hydrogen plasma or excimer laser annealing are studied, and their influence on solar cells is assessed. Throughout this work it is evidenced that the back side of HJ solar cells plays an important role on the achievement of high efficiencies. However, the enhancement of the overall device performance due to the back side optimisation is always dependent on phenomena taking place at the front side of devices. The use of the optimised back side layers developed in this thesis, together with improved front side layers and a novel metallisation approach have permitted a record conversion efficiency over 22%, thus demonstrating the great potential of this technology.

Au cours de ces dernières années, les nanostructures à base de silicium et de germanium, enfouies dans une matrice diélectrique, ont été largement étudiées en raison de leurs applications potentielles dans la nanoélectronique et l’optoélectronique. Afin de fabriquer des dispositifs de haute performance avec des nanocristaux Si1-xGex, il est nécessaire de connaître et de contrôler leurs propriétés structurelles et électriques, ce qui est le but de ce travail. Pour cela, nous avons utilisé la co-implantation ionique de Si et de Ge avec différentes doses dans des matrices de SiO2 pour synthétiser les NCx de Si1-xGex. Concernant l’influence de la matrice sur les propriétés des NCx, nous avons également utilisé l’implantation ionique de Ge dans des films minces de SiOxNy riches en Si élaborés par PECVD. Enfin, l’effet de la présence des dopants sur les propriétés structurales et électriques des NCx de Si1-xGex a été étudié par la co-implantation des dopants avec le Si et le Ge dans le SiO2. Suite à l'implantation des éléments désirés (Si, Ge et éventuellement le dopant), la formation des NCx est induite par un recuit thermique à 1000 ou 1100°C. / Semiconductor nanostructures based on silicon and germanium have attracted enormous interest in the last years because of their potential applications in nanoelectronics and optoelectronics. In order to fabricate high performance devices with Si1-xGex nanocrystals, it is required to know and control their structural and electrical properties which is the aim of our study. For that, we used the ionic co-implantation of Si and Ge of different fluences in SiO2 matrices to synthesize the Si1-xGex NCx. Matrix effect on the properties of Si1-xGex NCx, have been also studied by the implantation of Ge in Si-rich SiOxNy thin films prepared by PECVD. Finally, the effect of the presence of dopants on the structural and electrical properties of Si1-xGex NCx has been studied by the co-implantation of dopants with Si and Ge in SiO2. The formation of NCx is induced by thermal annealing at 1000 or 1100 °C after the implantation of the desired elements (Si, Ge and possibly the dopant).

Efeitos ópticos não-lineares foram estudados em filmes finos de silício amorfo hidrogenado através da técnica de varredura-Z, que utiliza um único feixe de luz laser de onda contínua, modulado na escala de tempo de milissegundos. Em tal técnica, amostras do material foram deslocadas ao longo da região focal de um feixe com perfil de intensidade gaussiano e comprimento de onda de 532 nm, enquanto a transmitância da luz foi medida no campo distante. Os filmes foram depositados sobre vidro pela técnica PECVD a baixas temperaturas (entre 50 °C e 200 °C) e foi utilizado fósforo como impureza dopante: variando-se a concentração do gás fosfina durante a deposição do material, obtêm-se diferentes quantidades de fósforo incorporado no Si-a:H. Durante a realização da varredura-Z, foi observado o efeito de lente térmica no sinal da transmitância e a resolução temporal do sinal medido possibilitou o ajuste dos dados experimentais ao Modelo de Lente Térmica. A partir dos parâmetros desse ajuste, foi possível determinar a difusividade térmica das amostras (D ~ 3x10-³ cm²/s) e estimar sua condutividade térmica (K ~ 5x10-³ W/Kcm) e seu coeficiente de temperatura do caminho óptico (ds/dT). Além disso, os valores dos deslocamentos de fase do feixe (´teta\') e dos tempos característicos de formação da lente térmica (tc0) foram obtidos. Efeitos ópticos de origem térmica geralmente são indesejados em dispositivos fotônicos e, para evitá-los, o estudo e o conhecimento das propriedades ópticas não-lineares dos materiais que compõem tais dispositivos são de grande importância. Ademais, aplicações em microssensores podem ser baseadas nas propriedades do Si-a:H estudadas neste trabalho, como, por exemplo, sua condutividade térmica. / Nonlinear optical effects have been studied in hydrogenated amorphous silicon films through the single beam Z-scan technique, using a modulated CW laser in the millisecond time-scale regime. In this technique, the samples were moved along the focal region of a focused gaussian laser beam with wavelength of 532 nm, while the light transmittance in the far field was measured. The films were deposited on glass by low temperature PECVD technique (from 50 °C to 200 °C) and phosphorus were used as a dopant impurity: during the material deposition, different concentrations of phosphine gas cause different amounts of incorporated phosphorus into a-Si:H. The thermal lens effect was observed in the transmittance signal, so the experimental data from the time-resolved Z-scan mode could be fitted in the Thermal Lens Model. It was possible to determine the samples thermal diffusivity (D ~ 3x10-³ cm²/s) and to estimate their thermal conductivity (K ~ 5x10-³ W/Kcm) and temperature coefficient of the optical path length change (ds/dT) through those fittings. Besides, the phase shift (\'teta\') and the thermal lens characteristic time (tc0) were achieved. Thermal optical effects are unwanted to photonics devices, therefore studying and knowing these effects is very important to avoid them. Moreover, applications to microsensor devices may use the a-Si:H properties studied in this work as, for example, its thermal conductivity.

No presente trabalho foi realizado um estudo da viabilidade de integrar dois dispositivos ópticos: micro-lâmpadas incandescentes e filtros interferenciais com o objetivo de construir um dispositivo único com características próprias. A fabricação destes dispositivos ópticos foi feita utilizando materiais dielétricos, obtidos por deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD), e usando técnicas convencionais de microeletrônica desenvolvidas neste laboratório. São apresentadas simulações numéricas, processo de fabricação e caracterização de cada um dos dois dispositivos ópticos assim como a caracterização do dispositivo óptico integrado obtido. As micro-lâmpadas incandescentes foram fabricadas a partir de um filamento de cromo, isolado do meio ambiente por duas camadas dielétricas de oxinitreto de silício, sendo alimentado eletricamente com uma tensão contínua com a finalidade de aumentar a temperatura do filamento até atingir a incandescência. Com a finalidade de reduzir a dissipação térmica nessa região, o filamento foi projetado e construído para ficar suspenso através de uma corrosão anisotrópica parcial do substrato de silício. Por outro lado, os filtros interferenciais foram fabricados sobre substratos de vidro a partir de uma série de camadas depositadas por PECVD alternadas de Si3N4 e SiO2, com espessuras de 240 e 340 nm e índices de refração de 1.91 e 1.46 respectivamente, com a finalidade de produzir picos de atenuação na transmitância da luz na região do visível do espectro eletromagnético. Foram construídos filtros com 9, 11 e 13 camadas. Os resultados deste trabalho mostraram que é possível realizar a integração eficiente destes dois dispositivos ópticos para produzir uma fonte luminosa que permite a filtragem de uma determinada faixa de comprimentos de onda. Foi demonstrado também que tanto a largura da faixa, como a região de filtragem, podem ser controladas através do índice de refração, espessuras e número de camadas constituintes do filtro interferencial. Os resultados das simulações numéricas mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos. / In the present work was realized a study of the viability of integrating two optical devices: incandescent micro-lamps and interferometric filters with the intention of obtaining a single device with specific characteristics. The fabrication of these optical devices was made using dielectric materials, obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and using conventional microelectronics techniques developed at this laboratory. Numeric simulations, fabrication process and characterization of each one of the two optical devices as well as the characterization of the obtained integrated optical device are presented. The incandescent microlamps were fabricated from a chromium filament, isolated from the environment by two dielectric silicon oxynitride layers, which is powered electrically with a continuous voltage with the purpose of increasing the temperature of the filament to reach the incandescence. With the purpose of reducing the thermal dissipation in that area, the filament was designed and fabricated to be suspended through a partial anisotropic etch of the silicon substrate. On the other hand, the interferometric filters were fabricated on glass substrates starting from a series of alternate Si3N4 and SiO2 layers deposited by PECVD, with thickness of 240 and 340 nm and refraction indexes of 1.91 and 1.46 respectively, with the purpose of producing light transmittance attenuation peaks in the visible region of the electromagnetic spectrum. Filters were fabricated with 9, 11 and 13 layers. The results of this work showed that it is possible to develop the efficient integration of these two optical devices to produce a luminous source that it allows the filtering of a certain range of wavelengths. It was also demonstrated that, the bandwidth as well as the filtering area, can be controlled through the refraction index, thickness and number of constituent layers of the interferometric filter. The results of the numeric simulations showed to be quite coherent with the obtained experimental results.

No presente trabalho foi realizado um estudo da viabilidade de integrar dois dispositivos ópticos: micro-lâmpadas incandescentes e filtros interferenciais com o objetivo de construir um dispositivo único com características próprias. A fabricação destes dispositivos ópticos foi feita utilizando materiais dielétricos, obtidos por deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD), e usando técnicas convencionais de microeletrônica desenvolvidas neste laboratório. São apresentadas simulações numéricas, processo de fabricação e caracterização de cada um dos dois dispositivos ópticos assim como a caracterização do dispositivo óptico integrado obtido. As micro-lâmpadas incandescentes foram fabricadas a partir de um filamento de cromo, isolado do meio ambiente por duas camadas dielétricas de oxinitreto de silício, sendo alimentado eletricamente com uma tensão contínua com a finalidade de aumentar a temperatura do filamento até atingir a incandescência. Com a finalidade de reduzir a dissipação térmica nessa região, o filamento foi projetado e construído para ficar suspenso através de uma corrosão anisotrópica parcial do substrato de silício. Por outro lado, os filtros interferenciais foram fabricados sobre substratos de vidro a partir de uma série de camadas depositadas por PECVD alternadas de Si3N4 e SiO2, com espessuras de 240 e 340 nm e índices de refração de 1.91 e 1.46 respectivamente, com a finalidade de produzir picos de atenuação na transmitância da luz na região do visível do espectro eletromagnético. Foram construídos filtros com 9, 11 e 13 camadas. Os resultados deste trabalho mostraram que é possível realizar a integração eficiente destes dois dispositivos ópticos para produzir uma fonte luminosa que permite a filtragem de uma determinada faixa de comprimentos de onda. Foi demonstrado também que tanto a largura da faixa, como a região de filtragem, podem ser controladas através do índice de refração, espessuras e número de camadas constituintes do filtro interferencial. Os resultados das simulações numéricas mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos. / In the present work was realized a study of the viability of integrating two optical devices: incandescent micro-lamps and interferometric filters with the intention of obtaining a single device with specific characteristics. The fabrication of these optical devices was made using dielectric materials, obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and using conventional microelectronics techniques developed at this laboratory. Numeric simulations, fabrication process and characterization of each one of the two optical devices as well as the characterization of the obtained integrated optical device are presented. The incandescent microlamps were fabricated from a chromium filament, isolated from the environment by two dielectric silicon oxynitride layers, which is powered electrically with a continuous voltage with the purpose of increasing the temperature of the filament to reach the incandescence. With the purpose of reducing the thermal dissipation in that area, the filament was designed and fabricated to be suspended through a partial anisotropic etch of the silicon substrate. On the other hand, the interferometric filters were fabricated on glass substrates starting from a series of alternate Si3N4 and SiO2 layers deposited by PECVD, with thickness of 240 and 340 nm and refraction indexes of 1.91 and 1.46 respectively, with the purpose of producing light transmittance attenuation peaks in the visible region of the electromagnetic spectrum. Filters were fabricated with 9, 11 and 13 layers. The results of this work showed that it is possible to develop the efficient integration of these two optical devices to produce a luminous source that it allows the filtering of a certain range of wavelengths. It was also demonstrated that, the bandwidth as well as the filtering area, can be controlled through the refraction index, thickness and number of constituent layers of the interferometric filter. The results of the numeric simulations showed to be quite coherent with the obtained experimental results.

Ce travail s’intéresse à la synthèse de films minces composites Zn-Si-O et Ti-Si-O à l’aide d’un procédé hybride combinant le dépôt de silice par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) à partir du précurseur organométallique hexaméthyldisiloxane (HMDSO-Si2C6H180), et la pulvérisation réactive de zinc ou de titane. L’élaboration de revêtements dont la composition s’échelonne d’un oxyde métallique ZnOx ou TiOx à la silice est rendue possible en agissant sur le débit du précurseur. L’ajout de silicium dans le revêtement fait évoluer sa morphologie de colonnaire à dense. De plus un phénomène de compétition entre les composantes PECVD et pulvérisation du procédé est mis en évidence. Ainsi la mesure des vitesses de dépôt en fonction du débit d’HMDSO permet de déterminer les valeurs de débits critiques de précurseurs à partir desquelles le dépôt de silice par PECVD est initié, et pour lesquelles le recouvrement de la cible par le dépôt de silice se produit. Les caractérisations des revêtements montrent que ceux-ci sont constitués, dans une zone proche de l’interface avec l’acier d’un mélange d’oxydes non stoechiométriques qui diffère de manière importante d’un mélange ZnO+SiO2 ou TiO2+SiO2. Pour les revêtements de type Ti-Si-O le titane est en excès dans la zone proche de l’interface tandis que dans les revêtements de type Zn-Si-O le silicium est en excès. On observe alors une décroissance progressive de la concentration atomique respectivement de titane et de silicium lorsqu’on approche de la surface du revêtement. Ces évolutions peuvent être reliées à un effet de l’augmentation de la température dans la première phase de l’élaboration, qui agit sur la cinétique de dépôt par PECVD et conditionne l’état de contamination de la cible / The present work deals with the synthesis of Zn-Si-O and Ti-Si-O composite thin films by a hybrid process. The coatings are prepared by combining PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) of silicon oxide from hexamethyldisiloxane (HMDSO-Si2C6H180) and reactive sputtering of a zinc or a titanium target. Any composition of the deposited layer can be obtained from zinc oxide or titanium oxide to silicon oxide, by controlling the HMDSO flow rate in the reactor. The morphologies evolve from columnar to dense by adding silicon in the coating. Moreover, a competitive deposition process takes place between PECVD and sputtering. The critical flow rates above which the PECVD silicon oxide deposition takes place on the substrate and on the target can be described from measurements of the thin film deposition rates as a function of the HMDSO flow rate. The coating caracterisations show that they are, near the coating-substrate interface, made of a mixture of non-stoechiometric oxides whose composition is different from a ZnO+SiO2 or a TiO2+SiO2 mixing. Titanium and silicon are in excess near the coating-substrate interface, respectively in the Ti-Si-O and Zn-Si-O thin films. Then the atomic concentrations of titanium and silicon progressively decrease when reaching the surface of the thin film. These behaviours are correlated with an increase of the temperature during the first phase of deposition that increases the PECVD deposition kinetics and determines the contamination state of the target