This thesis deals with the analysis of nano-structured layers deposited by high-frequency magnetron sputtering on the monocrystalline silicon surface. The content of the work focuses on the magnetron sputtering application as an alternative method for passivation and antireflection layers deposition of silicon solar cells. The procedure of pre-deposite silicon surface cleaning by plasma etching in the Ar/H2 gas mixture atmosphere is suggested. In the next step the silicon nitride and aluminum nitride layers with hydrogen content in Ar/N2/H2 gas mixture by magnetron sputtering are deposited. One part of the thesis describes an experimental pseudo-carbide films deposition from a silicon target in the atmosphere of acetylene (C2H2). An emphasis is placed on the research of sputtered layers properties and on the conditions on the silicon-layer interface with the help of the standard as well as special measurement methods. Sputtered layers structure is analyzed by modern X-ray spectroscopy (XPS) and by Fourier infrared spectroscopy (FTIR). Optical ellipsometry and spectrophotometry is used for the diagnostic of the layers optical properties depending upon the wavelength of incident light. A special method of determining the surface lay-out of the charge´s carrier life in the volume and on the surface of silicon is employed to investigate the passivating effects of the sputtered layers.

O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo \"mesa\". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau \"para análise\", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. / The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, \"mesa\" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.

O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo \"mesa\". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau \"para análise\", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. / The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, \"mesa\" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.

La conception des futures générations de capteurs d'images CMOS, nécessite l'intégration de structures 3D telles que les tranchées profondes d'isolation, ou encore l'adoption de nouvelles architectures telles que les capteurs d'images à illumination face arrière. Cependant, l'intégration de telles architectures engendre l'apparition de nouvelles interfaces Si/SiO2, pouvant être la source d'un fort courant d'obscurité Idark, dégradant considérablement les performances électro-optiques du capteur. Ainsi, dans le but d'éliminer le Idark et d'augmenter l'efficacité de collecte et de confinement des photoporteurs au sein de la photodiode, la passivation de ces interfaces par l'introduction d'une jonction fortement dopée a été étudiée. D'une part, la passivation de la face arrière a été réalisée par implantation ionique activée par recuit laser pulsé. Grâce à un traitement très court et localisé, le recuit laser a démontré sa capacité à réaliser des jonctions minces et très abruptes. Une très bonne qualité cristalline ainsi que des taux d'activation avoisinant les 100% ont pu être atteint dans le mode fusion. Le mode sous-fusion quant à lui permet d'obtenir des résultats prometteurs en multipliant le nombre de tir laser. Les résultats électriques ont permis de distinguer les conditions optimales d'implantation et de recuit pour l'achèvement d'un faible niveau de Idark comparable à la référence en vigueur ainsi qu'une bonne sensibilité. Le deuxième axe d'étude s'est intéressé à la passivation des flancs des DTI par épitaxie sélective dopée in-situ. Des dépôts très uniformes de la cavité accompagnés d'une très bonne conformité de dopage le long des tranchées ont pu être réalisés. Les résultats sur lot électrique ont montré un très faible niveau de Idark supplantant la référence en vigueur / In order to maintain or enhance the electro-optical performances while decreasing the pixel size, advanced CMOS Image Sensors (CIS) requires the implementation of new architectures. For this purpose, deep trenches for pixel isolation (DTI) and backside illumination (BSI) have been introduced as ones of the most promising candidates. The major challenge of these architectures is the high dark current level (Idark) due to the generation/recombination centers present at both, DTI sidewalls and backside surfaces. Therefore, the creation of very shallow doped junctions at these surfaces reducing Idark and further crosstalk by drifting the photo-generated carriers to the photodiode region appears as key process step for introducing these architectures. For the backside surface passivation, a very shallow doped layer can be achieved by low-energy implantation followed by very short and localized heating provided by pulsed laser annealing (PLA). In the melt regime, box-shaped profiles with activation rates close to 100% and excellent crystalline quality have been achieved. The non-melt regime shows some potential, especially for multiple pulse conditions. In the optimal process conditions, very low level of Idark comparable to the standard reference has been achieved. In the other side, the passivation of DTI sidewalls has been performed by in-situ doped Epitaxy. Deposited layers with good uniformity and doping conformity all along the DTI cavity have been achieved. The electrical results show Idark values lower than the standard reference