L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm.

Les nanofils de silicium (Si) sont des nano-objets à une dimension. Ils font l'objet de beaucoup d'intérêt ces dernières années en raison de leurs bonnes propriétés et leur grand potentiel d'applications. Pour ces applications, il est important de parfaitement contrôler la croissance de ces objets ainsi que leurs dopages. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse est la modélisation de la croissance des nanofils de Si et la métrologie à l'échelle atomique de la composition des nanofils. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié le taux de croissance (longueur) ainsi que l'évolution de la morphologie des nanofils, en particulier l'effet d'effilage. Plusieurs modèles sont proposés selon la nature des nanofils synthétisés via différentes méthodes d'élaboration: Dépôt Chimique en phase Vapeur et Epitaxie par Jets Moléculaires. Les taux de croissance varient selon les méthodes de synthèse. Le modèle reproduit fidèlement les données expérimentales. L'influence des conditions expérimentales sur la morphologie des nanofils est également étudiée dans cette partie. L'objectif de la seconde partie de ce travail est la métrologie des impuretés (catalyseur et dopant) dans les nanofils de Si. Cette étude est réalisée à l'aide de la technique de Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet une analyse à l'échelle atomique, dans l'espace réel et en trois dimensions de l'objet analysé. Des nanofils synthétisés par différentes techniques telles : la gravure chimique, la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) et la méthode Solide-Liquide-Solide (SLS), en utilisant différents catalyseurs de croissance tels Au, In et Sn, sont étudiés. La présence d'atomes des catalyseurs dans les nanofils se trouve être un phénomène général. Un travail sur la métrologie des dopants a également été réalisé. La concentration des dopants et leurs distributions dans les nanofils synthétisé par gravure chimique est inchangée. En revanche, dans les nanofils de Si dopés via un mécanisme de croissance VLS, une structure cœur-coquille avec un cœur sous-dopé et une coquille sur-dopée est observée. Ceci est retrouvé quelque soit la morphologie du nanofil et la nature chimique du dopant. Un modèle basé sur la diffusion latéral (via la surface du nanofil) des dopants est proposé afin de reproduire les profils expérimentaux observés et aussi préciser une voie d'incorporation possible des dopants.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'inflžuence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanols par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5 µm.

Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuvent<br />être utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autre<br />nano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.<br />La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimension<br />nanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'or<br />de largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surface<br />de silicium.<br />La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)<br />par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, par<br />la technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pour<br />forcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surface<br />isolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau laser<br />continu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone de<br />diamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir de<br />lignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant de<br />forte densité.<br />Les mécanismes de croissance sont discutés.

L'utilisation récente d'une voie originale de croissance cristalline basée sur les mécanismes vapeur-liquide-solide (VLS) à partir d'un bain Ge-Si a permis des améliorations importantes de la qualité cristalline des couches minces hétéroépitaxiales de SiC-3C sur substrats sur substrat α-SiC(0001). Ce travail a pour but d'approfondir les connaissances sur cette technique de croissance, d'améliorer le procédé et de déterminer les propriétés du matériau élaboré. La première partie est dédiée à la compréhension et la maîtrise des différents mécanismes impliqués dans la croissance de SiC-3C par VLS. Cela a notamment permis la détermination des paramètres limitant la taille des échantillons et la démonstration des avantages à utiliser des alliages fondus contant 50 at% de Ge au lieu de 75 at%. Une étude de la croissance latérale sur substrats patternés a donné des indications intéressantes pouvant être intégrées dans le modèle d'élimination des macles. L'incorporation intentionnelle et non intentionnelle de dopants de type n et p pendant la croissance VLS a été suivie. Pour le dopage n, nous avons démontré l'existence d'un lien clair entre l'impureté N et la stabilisation du polytype SiC-3C. En outre, nous avons réussi à abaisser le dopage résiduel n des couches en dessous de 1x1017 cm-3. Pour le dopage p, le meilleur élément n'est pas le Ga mais l'Al, même s'il doit être ajouté à un alliage de type Si-Ge pour éviter l'homoépitaxie. Enfin, ces couches ont été caractérisées optiquement et électriquement par différentes techniques. Les mesures C-V et G-V ont permis d'estimer une concentration très faible (7×109 cm-2) de charges fixes dans l'oxyde SiO2 ainsi qu'une densité d'états d'interface aussi basse que 1.2×1010 cm-2eV-1 à 0.63 eV sous la bande de conduction. Ces valeurs record sont une très bonne base pour le développement d'un composant de type MOSFET en SiC-3C / Recently, the use of an original growth approach based on vapour-liquid-solid (VLS) mechanism with Ge-Si melts has led to significant improvement of the crystalline quality of the 3C-SiC thin layers heteroepitaxially grown on α-SiC(0001) substrate. This work tries to deepen the knowledge of such specific growth method, to improve the process and to determine the properties of the grown material. The first part was dedicated to the understanding and mastering of the various mechanisms involved in 3C-SiC growth by VLS mechanism. This led to the determination of the parameters limiting sample size and the demonstration of the benefits of using 50 at% Ge instead of 75 at% Ge melts. A study of lateral enlargement on patterned substrates gave some interesting hints which can be integrated in the model of twin defect elimination. The incorporation of non intentional and intentional n- and p-type dopants during VLS growth was studied. For n-type doping, a clear link between N impurity and 3C polytype stability was demonstrated. Besides, high purity layers with residual n-type doping below 1x1017 cm-3 were achieved. For p-type doping, the best element was shown to be Al and not Ga, even if it has to be alloyed with Ge-Si melts to avoid homoepitaxial growth. Finally, these layers were characterised by several optical and electrical means like Raman spectroscopy, low temperature photoluminescence, deep leveltransient spectroscopy and MOS capacitors measurements. Very low concentrationsof fixed oxide charges estimated about 7×109 cm-2 and interface states densities Dit equal to 1.2×1010 cm-2eV-1at 0.63 eV below the conduction band have been achieved. These record values are a very good base toward 3C-SiC MOSFET

La microélectronique est au pied du mur. Pour continuer son développement, l'une des voies à l'étude est l'approche "bottom-up", dont la philosophie peut être résumée comme suit : "faire croître où l'on veut le dispositif tel qu'on le souhaite". C'est dans cette problématique que s'inscrivent les structures unidimensionnnelles, et plus précisément les nanofils semiconducteurs. Dans la présente thèse, nous étudions la croissance des nanofils de silicium par dépôt chimique en phase vapeur, assisté de particules métalliques, appelées catalyseurs. Dans un premier temps, nous étudions la croissance des nanofils de Si, obtenus avec l'or comme catalyseur et le silane comme gaz réactif, via le mécanisme de croissance vapeur-liquide-solide (VLS). Nous nous intéressons plus particuli`erement `a l'impact des paramètres de croissance (pressions partielles des réactifs, température, durée, taille du catalyseur) sur la morphologie des nanofils et la cinétique de croissance de ces derniers. L'ajout de HCl au mélange réactif est étudié. Dans un second temps nous portons notre attention à la croissance de structures branchées. D'abord, une étude expérimentale, couplée à une approche thermodynamique, nous a permis de déterminer une condition nécessaire à la croissance de nanobranches (et de nanofils) de faible diamètre (i.e. < 10 nm), par croissance VLS. Ensuite, nous présentons la croissance de structures branchées obtenues à des températures allant jusqu'à 100 °C sous l'eutectique macroscopique du système Au-Si. L'or étant un matériau indésirable pour de nombreuses applications microélectroniques du fait qu'il provoque au sein du silicium des pièges de niveau profond, nous nous sommes attaché à réaliser la croissance de nanofils de silicium en utilisant des catalyseurs compatibles CMOS. En occurrence, il s'agit de siliciures métalliques (siliciures de platine, de nickel, de palladium). Les nanofils croissent par le mécanisme de croissance vapeur-solide-solide. Enfin, nous illustrons notre travail par des études davantage orientées vers l'intégration technologique, avec des réalisations de champs de fils localisés et de dispositifs, de type MOSFET, à base de nanofils, caractérisés électriquement.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm. / The objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. The influence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion efficiency of 5% is measured on a solar cell with 1.5µm high silicon nanowires.

Dans cette thèse, nous avons fabriqué des cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium avec du silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H) comme absorbeur, par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à basse température (PECVD). Pour contrôler la densité de nanofils sur les substrats, nous avons utilisé des nanoparticules (NP) de dioxyde d'étain (SnO₂) d'un diamètre moyen de 55 nm, disponibles dans le commerce, comme précurseur du catalyseur Sn pour la croissance des nanofils de silicium. La distribution des nanoparticules de SnO₂ sur le substrat a été contrôlée par centrifugation et dilution du colloïde de SnO₂, en combinaison avec la fonctionnalisation du substrat. Par la suite, le SnO₂ est réduit en Sn métallique après le traitement par plasma de H₂, suivi de la croissance, par la technique vapeur-liquide-solide (VLS) assistée par plasma, de nanofils de Si sur lesquels sont déposées les couches P, I et N constituant les cellules solaires à jonction radiale. Nous avons atteint un taux de croissance élevé des nanofils de Si, jusqu'à 70%, avec une très large gamme de densité, de 10⁶ à 10⁹ /cm². Comme approche supplémentaire de contrôle de la densité des nanofils, nous avons utilisé du Sn évaporé comme précurseur du catalyseur Sn. Nous avons étudié l'effet de l'épaisseur de Sn évaporé, l'effet de la durée du traitement au plasma de H₂ et l'effet du débit de gaz H₂ dans le dans le mélange de précurseurs, sur la densité des nanofils. L'ellipsométrie spectroscopique in-situ (SE) a été utilisée pour contrôler la croissance des nanofils et le dépôt des couches de µc-Si:H sur les SiNWs. En combinant les résultats de in-situ SE et de microscopie électronique à balayage, une relation entre l'intensité du signal de SE pendant la croissance et la longueur et la densité des nanofils a été démontrée, ce qui permet d'estimer ces paramètres en cours de croissance. Nous avons réalisé une étude systématique des matériaux (couches intrinsèques et dopées de type n ou p de µc-Si:H, couches dopées d'oxyde de silicium microcristallin hydrogéné, µcSiOx:H) et des cellules solaires obtenues dans deux réacteurs à plasma appelés "PLASFIL" et "ARCAM". Les épaisseurs de revêtement sur substrat lisse et sur les nanofils ont été déterminées et nous avons obtenu une relation linéaire entre les deux, ce qui permet de concevoir un revêtement conforme sur les nanofils pour chaque couche avec une épaisseur optimale. Les paramètres des nanofils et des matériaux, affectant la performance des cellules solaires à jonction radiale, ont été systématiquement étudiés, les principaux étant la longueur et la densité des nanofils, l'épaisseur de la couche intrinsèque de µc-Si:H, l'utilisation de µc-SiOx:H et le réflecteur arrière en Ag. Enfin, avec les cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium optimisées utilisant le µc-Si:H comme absorbeur, nous avons atteint un rendement de conversion de l'énergie de 4,13 % avec Voc = 0,41 V, Jsc = 14,4 mA/cm² et FF = 69,7%. Cette performance est supérieure de plus de 40 % à l'efficacité record de 2,9 % publiée précédemment. / In this thesis, we have fabricated silicon nanowire (SiNW) radial junction solar cells with hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) as the absorber via low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). To control the density of NW on the substrates, we have used commercially available tin dioxide (SnO₂) nanoparticles (NPs) with an average diameter of 55 nm as the precursor of Sn catalyst for the growth of SiNWs. The distribution of SnO₂ NPs on the substrate has been controlled by centrifugation and the dilution of the SnO₂ colloid, combined with the functionalization of the substrate. Subsequently, SnO₂ is reduced to metallic Sn after the H₂ plasma treatment, followed by the plasma-assisted vapor-liquid-solid (VLS) growth of SiNWs upon which the P, I and N layers constituting the radial junction solar cells are deposited. We have achieved a high yield growth of SiNWs up to 70% with a very wide range of NW density, from 10⁶ to 10⁹ /cm². As an additional approach of controlling the density of SiNWs we have used evaporated Sn as the precursor of Sn catalyst. We have studied the effect of the thickness of evaporated Sn, the effect of duration of H₂ plasma treatment and the effect of H₂ gas flow rate in the plasma, on the density of SiNWs.In-situ spectroscopic ellipsometry (SE) was used for monitoring the growth of SiNWs and the deposition of the layers of μc-Si:H on SiNWs. Combining in-situ SE and SEM results, a relationship between the intensity of SE signal and the length and the density of SiNWs during the growth was demonstrated, which allows to estimate the density and the length of SiNWs during the growth. We have carried out a systematic study of materials (intrinsic, p-type,n-type µc-Si:H and µcSiOx:H doped layers) and solar cells obtained in two plasma reactors named “PLASFIL” and “ARCAM”. The thicknesses of coating on the flat substrate and on the SiNWs have been determined with a linear relation which helps to design a conformal coating on SiNWs for each layer with an optimal thickness. The parameters of the SiNWs and the materials, affecting the performance of radial junction solar cells, have been systematically studied, the main ones being the length and the density of SiNWs, the thickness of intrinsic layer of μc-Si:H on SiNWs, the use of the hydrogenated microcrystalline silicon oxide (μc-SiOx:H) and the back reflector Ag. Finally, with the optimized silicon nanowire radial junction solar cells using the μc-Si:H as the absorber we have achieved an energy conversion efficiency of 4.13 % with Voc = 0.41 V, Jsc = 14.4 mA/cm² and FF = 69.7%. This performance is more than 40 % better than the previous published record efficiency of 2.9 %.