Ce projet de recherche vise à caractériser l'influence de divers traitements de passivation de surface de l'arséniure de gallium (GaAs) sur les propriétés électriques et optiques de ce matériau. Les procédés de passivation étudiés sont les traitements au soufre (NH[indice inférieur 4])[indice inférieur 2]S et les dépôts de nitrure de silicium SiN[indice inférieur x] et trois types de substrat ont été utilisés à titre comparatif, un type N (10[indice supérieur 16]), un type N+ (10[indice supérieur 18]) et un non dopé. Dans ce dernier cas, un système de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD) a été utilisé et l'influence de la fréquence de la source d'alimentation AC du plasma a été étudiée. Des techniques de caractérisation électrique, optique et électro-optique ont été utilisées pour l'étude. Des structures métal-isolant-semiconducteur (MIS) ont été réalisées pour les mesures AC et DC de capacité à plusieurs fréquences. L'analyse des mesures électriques a permis de démontrer un plus grand détachement du niveau de Fermi pour les échantillons passivés avec un dépôt de nitrure de silicium SiN[indice inférieur x] à basse fréquence plutôt qu'à haute fréquence. Des mesures optiques en continu et résolue en temps ont été effectuées sur une série d'échantillons de GaAs présentant différents niveaux de dopage et différents traitements de surface. Les mesures de photoluminescence en continu et les mesures résolues en temps montrent que les propriétés optiques des dispositifs dépendent grandement du type de substrat utilisé. Plus d'information sur le champ surfacique des dispositifs est nécessaire pour conclure sur l'efficacité de la passivation. Pour obtenir cette information, des mesures de photoluminescence, continues et résolues en temps, ont aussi été effectuées sur les structures MIS en présence d'un champ électrique. Ces mesures n'ont pas permis de mettre en évidence l'influence de la modification du champ de surface sur l'intensité du signal de luminescence, et ce peu importe le procédé de traitement de surface utilisé. Finalement, des antennes THz ont été fabriquées sur un substrat de SI-GaAs passivé par le traitement PECVD à basse fréquence. Ces antennes émettent un champ THz plus intense et avec un plus grand contenu fréquentiel que celle fabriquée sans traitement de passivation.

La viabilité de la filière silicium pour la conversion photovoltaïque n’est plus à démontrée, notamment au regard du nombre croissant d’industries de cellules solaires qui s’implantent dans les pays développés. Le développement de nouvelles structures ou dispositifs optiques afin d’améliorer le piégeage de la lumière au sein des cellules solaires est un véritable défi. Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle génération de capteurs solaires performants en s’appuyant sur l’association d’une nanostructuration de la surface, d’un réseau de nano-objets métalliques et de terres rares au sein d’une matrice vitreuse. Dans un premier temps, nous avons optimisé deux formes de textures à la surface du silicium qui ont augmenté l’absorption de 15 % pour les formes à nanopiliers et de 28 % pour les nanocônes. La gravure du silicium engendre l’apparition de défauts sur la surface. Nous avons travaillé sur trois approches de passivation pour limiter les phénomènes de recombinaison avec les matériaux Al2O3 et SiNx. La deuxième étape de ces travaux a porté sur l’étude des plasmoniques d’un réseau de nano-objets d’argent fabriqués à travers des microsphères de silice auto-assemblées déposées par la technique Langmuir-Blodgett. Leur intégration dans la matrice vitreuse a augmenté significativement le rendement de nos cellules solaires. Dans la dernière partie, nous avons étudié l’association de ces nano-objets métalliques avec une couche down-conversion constituée d’une matrice SiNx avec les terres rares Tb3+ et Yb3+.Cette association a montré une augmentation de l’intensité de photoluminescence d’un facteur 2,3. L’application de la couche DC seule sur nos cellules a augmenté l’efficacité d’un facteur 1,68. / The viability of the silicon sector for the photovoltaic conversion is not any more in demonstrated, in particular with regard to the increasing number of industries of solar cells which become established in the developed countries. To obtain a large absorption of the light, the development of new structures or optical devices to improve the light trapping within solar cells is a real challenge. The works of this thesis concern a new generation of solar cells on the association of a network of metallic nano-objects and rare earth within a SiNx matrix. At first, we optimized two forms of textures on the surface of the silicon which increased the absorption in 15 % for the forms with nanopillars and 28 % for nanocones. The etching process of the silicon engenders the appearance of defects on the surface. We worked on three approaches of the surface passivation using thin layers of Al2O3 and SiNx materials to limit the phenomena of recombination. The second step of these works concerned the study of the plasmonics of a silver nanoparticles arrays fabricated through auto-assembled silica microspheres deposited by the Langmuir-Blodgett technique. The incorporation of silver nanoparticles in the matrix increased significantly our solar cells efficiency. In the last part, we studied the association of these metallic nano-objects with a layer down-conversion established of a matrix SiNx with rare earth Tb3+ and Yb3+. This association showed an increase of the intensity of photoluminescence of a factor 2,3. The application of the DC layer alone on our cells increased the efficiency of a factor 1,68.

none

For improving the energy conversion efficiency of solar cells, it is essential to reduce the surface recombination velocity of CuInSe2 absorber layer. The use of quaternary alloys with an increasing band gap gradient was also demonstrated to be effectively increased the open-circuit voltage of the cells. The experiments using different concentration ammonium sulfur solutions to proceed surface passivation and sulfurization of CuInSe2 and CuInSe2¡GSb films have been conducted to evaluate their influences on the band gap and other related properties. The band gaps of Cu-rich and In-rich CuInSe2 films did not change after ammonium sulfur treatment. For CuInSe2¡GSb films after immersing (NH4)2Sx solution, the PL spectra gave an evidence of the formation of the quaternary CuInSxSe2-x alloys. The metal contacts to CuInSe2 films with the structures of Mo/P-type CuInSe2/Al and Mo/N-type CuInSe2/Au had been fabricated. Their I-V characteristics indicate that the Schottky Contacts had been successfully formed.

Dielectric thin films have a long history in silicon photovoltaics. Due to the specific physical properties, they can function as passivation layer in solar cells. Also, they can be used as antireflection coating layers on top of the devices. They can improve the back surface reflectance if proper dielectric layers combination is used. What??s more, they can protect areas by masking during chemical etching, diffusion, metallization among the whole fabrication process. Crystalline silicon solar cell can be passivated by two ways: one is to deposit dielectric thin films to saturate the dangling bonds; the other is to introduce surface electrical field and repel back the minority carriers. This thesis explores thermally grown SiO2 and sputtered Si3N4(:H) to passivate n-type and thermal evaporation AlF3 to passivate p-type Float Zone silicon wafers, respectively. Sputtering is a cheap passivation method to replace PECVD in industry usage, but all sputtered samples are more likely to have encountered surface damage from neutral Ar and secondary electrons, both coming from the sputtered target. AlF3/SiO2 multi-layer stack is a negative charge combination; p inversion layer will form on the wafer surface. Light trapping is an important part in solar cell research work. In order to enhance the reflectance and improve the absorption possibility of near infrared photons, especially for high efficiency PERL cell application, the back surface structure is optimized in this work. Results show SiO2/Ag is a very good choice to replace SiO2/Al back reflectors. The maximum back surface reflectance is 97.82%. At the same time, SiO2/Ag has excellent internal angle dependence of reflectance, which is beneficial for surface textured cells. A ZnS/MgF2/SiO2/Al(Ag) superlattice can improve the back reflectance, but it is sensitive to incident angle inside the silicon wafer. If planar wafers are used to investigate all kinds of back reflectors, and an 8 degrees incident angle is fixed for typical spectrometry measurement, the results are easy to predict by Wvase software simulation. If a textured surface is considered, the light path inside the silicon wafer is very complicated and hard to calculate and simulate. The best way to evaluate the result is through experiment.

Depuis sa découverte en 2004, le graphène n’a cessé de capter l’intérêt de la communauté scientifique grâce à ses innombrables propriétés et à la diversité de ses applications potentielles. Néanmoins, son implémentation à l’échelle industrielle exige encore beaucoup de contraintes et notamment concernant la stabilité de ses performances.L’objectif de cette thèse est de développer un procédé de fabrication de dispositifs intégrant une couche de graphène faiblement dopée et présentant des caractéristiques électriques stables. Le graphène, étant un matériau extrêmement sensible à l’environnement, il s’est avéré primordial de le protéger afin d’avoir un bon contrôle sur ses propriétés. Pour ce faire, plusieurs approches technologiques ont été abordées et analysées à l’aide d’une étude statistique des caractéristiques de plus de 500 transistors. Le procédé optimal intègre une couche de « protection » du graphène réalisée après son transfert et la passivation des dispositifs fabriqués avec une couche d’oxyde. Grâce à cette méthode, 75% des transistors fabriqués sont fonctionnels, présentent une faible hystérèse et sont stables dans le temps, ce qui constitue des critères indispensables pour l’intégration du graphène dans des composants discrets en particulier pour l’optoélectronique.Par la suite, le procédé technologique développé a été adapté à la fabrication de lignes coplanaires à base de graphène pour la photodétection hyperfréquence. Des valeurs de photo-courant, proches de celles de la littérature (0.15 mA/W), ont été mesurées avec un laser 1.55 µm modulé à des fréquences allant jusqu’à 40 GHz. Cette technologie est maintenant évaluée pour la fabrication de mixeurs optoélectroniques haute fréquence. / Since its discovery in 2004, graphene has attracted the attention of the scientific community due to its unique properties as well as the diversity of its potential applications. Nevertheless, its implementation at industrial scale still requires many challenges including its performance stability.The objective of my PhD is to develop a technological process for the fabrication of devices integrating low-doped graphene and exhibiting stable electrical characteristics. As graphene is extremely sensitive to the environment, it is crucial to protect its surface to accurately control its properties. To do this, several technological approaches have been analyzed using the statistical characteristics of more than 500 transistors. The optimal process integrates a “protection” layer after graphene transfer and the passivation of the fabricated devices with an oxide layer. 75% of the passivated transistors were functional, with low hysteresis and time-stable performances. These criteria are essential for the integration of graphene in discrete components, in particular for optoelectronic devices.Subsequently, the technological process developed was adapted for the fabrication of graphene based coplanar waveguides for high frequency photodetection. We report on a measured photocurrent of 0.15 mA/W with a 1.55 µm laser modulated up to 40 GHz. This technology is currently studied for the fabrication of high frequency optoelectronic mixers

Cette thèse se focalise sur les propriétés passivantes octroyées par des couches minces d’Al2O3 déposées par Atomic Layer Deposition (ALD) à partir de TMA et H2O pour les cellules photovoltaïques en silicium ayant des températures de fabrication inférieures à 400 °C. La première partie de ce travail de doctorat vise à identifier les mécanismes de formation des charges électrostatiques négatives présentes dans l’oxyde d’aluminium. Pour ce faire, les effets de l’illumination post-dépôt (à savoir le flux et l’énergie des photons), ainsi que la température du substrat ont été étudiés. Il a été constaté qu’au moins 70 % de ce qu’on appelle généralement les « charges fixes » sont en fait des charges piégées résultant de l’injection d’électrons du substrat de silicium dans l’oxyde d’aluminium. Par la suite, nous avons étudié l’influence des paramètres de dépôt de l’Al2O3 ainsi que l’impact des traitements post-dépôt sur le piégeage des charges et donc sur les performances passivantes qui en résulte au sein d’un empilement Al2O3/a-SiNX:H déposé sur du silicium cristallin de type p. Les liens entre l’épaisseur de l’Al2O3, la qualité et la durabilité de la passivation ont pu être établis. Le meilleur compromis s’est avéré être aux alentours 60 cycles ALD (~ 6 nm), permettant une durée de vie des porteurs de charges minoritaires allant jusqu’à 4500 μs. La deuxième partie de ce travail doctoral porte sur les mécanismes de dégradation de la passivation. La formation de cloques à l’interface c-Si/Al2O3 est le premier mécanisme de dégradation étudié. Grâce à la microscopie acoustique colorée, la dégradation de l’interface Al2O3/c-Si lors de l’épaississement de l’Al2O3 a été confirmée, mais également lors la réduction de sa température de dépôt, c’est-à-dire en augmentant sa teneur en hydrogène. Une dérive thermique pendant l’ALD (TD-ALD) a été utilisée pour résoudre ce problème de cloquage. L’augmentation continue de la température du substrat pendant le dépôt favorise la libération de l’hydrogène à partir de l’interface c-Si/Al2O3. Pour 60 cycles ALD, le TD-ALD a permis d’augmenter la durée de vie des porteurs de charges jusqu’à 5500 μs. Enfin, l’affaiblissement de la passivation par effet de champ résultant des charges positives dans la couche de protection a-SiNX:H a été mis en évidence par simulation numérique. Les propriétés du a-SiNX:H ont été expérimentalement optimisée grâce à une approche par plan d’expérience. Une nouvelle couche mince d’a-SiNX: H contenant 50 % de charges fixes positives en moins a permis d’obtenir une durée de vie des porteurs de charges de 8800 μs pour 60 cycles de TD-ALD, c’est-à-dire une vitesse de recombinaison de surface exceptionnelle basse de 0,8 cm.s-1. / This thesis focuses on the passivation properties provided by thin Al2O3 films grown by atomic layer deposition (ALD) from TMA and H2O for silicon solar cells having process temperatures lower than 400 °C. The first part of this doctoral work aims at identifying the formation mechanisms of negative electrostatic charges in aluminium oxide. Thus, the effects of post-deposition illumination (namely photon flux and photon energy), as well as substrate temperature were investigated. It was found that at least 70 % of what are generally named “fixed charges” are in fact trapped charges resulting from the injection of carriers from the silicon substrate into the aluminium oxide. From this result, we studied the influence of Al2O3 deposition parameters and post-deposition treatments on charge trapping and resulting passivation performances within an Al2O3/a-SiNX:H stack on p-type c-Si. The dependence of passivation performance (and stability) on Al2O3 thickness has been highlighted. Best compromise has been found to be around 60 ALD cycles (~6 nm), providing a lifetime up to 4500 µs. The second part of this PhD deals with the degradation mechanisms of passivation. Blistering at the c-Si/Al2O3 interface is the first studied degradation mechanism. Thanks to coloured picosecond acoustic microscopy, the Al2O3/c-Si adhesion has been confirmed to be reduced by Al2O3 thickening but also by the reduction of its deposition temperature, i.e. an increase of hydrogen content. A thermal drift during ALD (TD-ALD) has been used to solve this blistering issue. Gradual increase of the substrate temperature during the growth favours the release of hydrogen from the wafer/Al2O3 interface. For 60 ALD cycles, TD-ALD increased the lifetime up 5500 µs. Finally, the weakening of the electrostatic passivation arising from the positive charges in a-SiNX:H capping layer has been underlined by finite element simulations. The a-SiNX:H properties have been experimentally tuned thanks to a design of experiment approach. New a-SiNX:H capping containing 50 % less positive fixed charges resulted in a lifetime of 8800 µs for 60 TD-ALD cycles, i.e. an outstanding surface recombination velocity of 0.8 cm.s-1.

The field of industrial fluorine generation has not made significant progress in the past 60 years due to the difficulty and hazards surrounding the use of hydrofluoric acid (HF) and fluorine gas. This work examines various carbon materials for their use as electrodes in the electrochemical generation of elemental fluorine. An experimental apparatus was designed and constructed to melt and maintain the temperature of the KF·2HF electrolyte in a suitable range for electrochemical measurements. An electrochemical cell was designed and tested for operations in a highly corrosive atmosphere at elevated temperatures. The importance of safe operating procedures surrounding HF is outlined in this work. Various in-situ electrochemical techniques were used to study the ability of the different carbon anode materials in their ability to carry out the fluorine discharge reaction (FDR) as well as study the growth of passivating film. Ex-situ analytical techniques were used to examine the microstructure and composition of the carbon materials before and after electrochemical polarization. The results suggest that the level of non-carbon impurities had the most significant effect on the ability of the carbon material to carry out the FDR efficiently at most potentials tested. The results show that multiple analytical techniques are required to obtain a better understanding of a chemical system, and that no single method can be used to fully explain a single set of results. / UOIT

Doping control is the most important technology for any semiconductor system. In spite of significant progress in the doping of SiC, advancements are needed in the growth techniques and dopant incorporation. During processes such as Chemical Vapor Deposition (CVD), hydrogen is known to be trapped at defects or impurities and to alter the electrical properties of the material. This effect is known as ?hydrogen passivation?. In addition to the observed hydrogen passivation of shallow impurities in SiC crystals, it is important to know whether, and how, hydrogen present in the epi ? reactor can passivate doping impurities during growth of the material. Variations in hydrogen incorporation can affect the net doping density and make process control difficult. This makes it essential for technologists to understand the process of hydrogen passivation and its effects on the doping concentration in the crystal. To understand this phenomenon, a process has been developed to intentionally hydrogenate SiC crystals by striking a hydrogen plasma using the Reactive Ion Etching (RIE) System in the Emerging Materials Research Laboratory at MSU. Photoluminescence (PL) and Capacitance ? Voltage (CV) were used to determine the effect of hydrogen incorporation on dopants in the SiC crystal lattice. Crystal annealing was performed at 1000 oC using the Thermco Oxidation Furnace to drive hydrogen out of the lattice (a process referred to as ?de-hydrogenation?). PL and CV measurements were taken to look for changes in the hydrogen concentration as well as free carrier concentration, respectively. Experiments conducted during this thesis research were successful in incorporating hydrogen and then driving it out of the lattice. CV profiling did not indicate a considerable change in free carrier concentration, probably because of the shallow diffusion depth of hydrogen in the SiC lattice. More reliable characterization techniques such as Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) are required to get a clear picture of the doping densities of all chemical species present in the lattice at the end of each processing stage. However, resources did not permit this to be conducted during this preliminary work. As a result of this research, a process for hydrogenating and de-hydrogenating the SiC lattice has been developed to permit more extensive future studies.

abstract: Hydrogen sulfide (H2S) has been identified as a potential ingredient for grain boundary passivation of multicrystalline silicon. Sulfur is already established as a good surface passivation material for crystalline silicon (c-Si). Sulfur can be used both from solution and hydrogen sulfide gas. For multicrystalline silicon (mc-Si) solar cells, increasing efficiency is a major challenge because passivation of mc-Si wafers is more difficult due to its randomly orientated crystal grains and the principal source of recombination is contributed by the defects in the bulk of the wafer and surface. In this work, a new technique for grain boundary passivation for multicrystalline silicon using hydrogen sulfide has been developed which is accompanied by a compatible Aluminum oxide (Al2O3) surface passivation. Minority carrier lifetime measurement of the passivated samples has been performed and the analysis shows that success has been achieved in terms of passivation and compared to already existing hydrogen passivation, hydrogen sulfide passivation is actually better. Also the surface passivation by Al2O3 helps to increase the lifetime even more after post-annealing and this helps to attain stability for the bulk passivated samples. Minority carrier lifetime is directly related to the internal quantum efficiency of solar cells. Incorporation of this technique in making mc-Si solar cells is supposed to result in higher efficiency cells. Additional research is required in this field for the use of this technique in commercial solar cells. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2014