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FR3081081A1 - Procede d'amorphisation pour creer industriellement un metamateriau a photoconversion geante dans un convertisseur lumiere-electricite tout en silicium - Google Patents

Procede d'amorphisation pour creer industriellement un metamateriau a photoconversion geante dans un convertisseur lumiere-electricite tout en silicium Download PDF

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FR3081081A1
FR3081081A1 FR1800467A FR1800467A FR3081081A1 FR 3081081 A1 FR3081081 A1 FR 3081081A1 FR 1800467 A FR1800467 A FR 1800467A FR 1800467 A FR1800467 A FR 1800467A FR 3081081 A1 FR3081081 A1 FR 3081081A1
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crystal lattice
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Segton Advanced Tech
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Abstract

L'invention propose une solution pour l'amorphisation d'ions par un faisceau large, et à spot étendu, laquelle provoque des agitations du réseau cristallin unidirectionnelles en minimalisant les vibrations latérales et multidirectionnelles à l'origine des défauts durs. Le réseau cristallin n'est pas déformé durant le choc de l'implantation au-delà de la limite techniquement acceptable dans le cas de dispositifs à grande surface active. L'endommagement du cristal et la dépense énergétique du traitement thermique post implantation sont nettement réduits pour des applications industrielles. Cette invention se situe dans le domaine de la fabrication industrielle des capteurs solaires photovoltaïques.

Description

TITRE : PROCEDE D’AMORPHISATION POUR CREER INDUSTRIELLEMENT UN METAMATERIAU A PHOTOCONVERSION GEANTE DANS UN CONVERTISSEUR LUMIERE-ELECTRICITE TOUT EN SILICIUM.
1. OBJET DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte à l’amélioration de la méthode de production du métamatériau photovoltaïque précédemment breveté pour la rendre plus adaptée aux conditions de production de masse des convertisseurs tout en silicium de nouvelle génération.
L’invention permet une fabrication industrielle du métamatériau photovoltaïque précédemment breveté en conciliant les exigences technologiques et les propriétés électroniques appropriées de convertisseur.
Les moyens utilisés dans le cadre de la présente invention ne se trouvent pas-dans l’art antérieur.
Cette amélioration se concentre sur l’étape principale de la fabrication de ce métamatériau qui est la modulation du matériau cristallin par une opération intermédiaire appropriée du cycle de fabrication, à savoir l’amorphisation enterrée. D’un côté on se libère des inconvénients d’amorphisation réalisée avec un faisceau d'ions focalisé balayant la plaquette et de l’autre on adapte le régime de températures et le budget thermique de modulation du matériau silicium cristallin aux conditions de la fabrication de masse sur une standardisée, stabilisée et ligne industrielle.
L’amorphisation contrôlée, homogène, selon l'invention, permettant la transformation locale accélérée du silicium cristallin répond aux exigences imposées par les conditions de cristallinité « propre » de la masse de silicium entourant le métamatériau souhaitables pour l’industrialisation. Grâce à sa dynamique, elle assure en même temps les propriétés électroniques appropriées. Comme elles sont les plus sensibles, ces propriétés déterminent le rendement de la GPC (Giant PhotoConversion) de la nouvelle génération des convertisseurs lumière-électricité tout en silicium.
Ainsi, l’invention permet de lever l’un des plus importants obstacle d’industrialisation de la GPC.
2. DEFINITIONS
SEGTON est une unité à l'échelle nanométrique de la génération d'électrons secondaires, c'est-à-dire une cellule élémentaire conditionnée de matière caractérisée par son ensemble spécifique et très utile de niveaux d'énergie électronique adapté pour une conversion efficace de la lumière en électricité. SEGTON permet une photogénération ainsi qu’un cycle de multiplication des porteurs libres supplémentaires basse énergie.
SEG-MATTER est un métamatériau basé sur des SEGTONs, c'est-àdire un matériau cristallin spécifique pour une conversion efficace lumière-électricité constitué de SEGTONs distribués de manière homogène qui forment un super-réseau ordonné et sont immergés dans un environnement physique spécifique bordé de nanomembranes. Une nouvelle cristallinité, apportant les fonctionnalités désirées, devient possible grâce aux forces physiques adéquates disponibles à l'échelle nanométrique.
L’amorphisation ’’droite” on ’’plate” ©st l’amorphisation résultant d’une implantation ionique avec un large et homogène faisceau d’ions, ce qui permet d’éviter ou au moins de réduire la génération de défauts structuraux persistants qui apparaissent habituellement après l’implantation ionique. L’insertion résultant d’une nouvelle phase cristalline artificielle se fait quelque part dans le réseau cristallin naturel avec la destruction très limitée du réseau et sans aucun dommage incurable qui résulte habituellement de I implantation ionique.
Remarque: sans ce passage d’amorphisation « droit » ou « plat » apportant un désordre structurel dû à des défauts ponctuels denses conduisant à une amorphisation locale, le métamatériau ne pourrait pas se former selon un arrangement utile avec un bilan énergétique disponible et économiquement acceptable à Γ échelle industrielle. Transformation astucieuse du réseau cristallin: création de la variante de réseau cristallin souhaitée avec une dépense d’énergie réduite et peu coûteuse dans la plage des températures admissibles.
Le budget thermique est la totalité de l’énergie thermique nécessaire pour réaliser le processus spécifique tout au long du cycle de fabrication et plus particulièrement l'énergie thermique pour le traitement post-implantation complet.
Le faisceau d’ions focalisé pour l'amorphisation scannée est le faisceau d'ions ayant un point focalisé du diamètre habituel de 2 à 3 mm, qui balaie de façon répétée, multidirectionnelle et suffisamment dense la surface de la plaquette afin de normaliser l’amorphisation enterrée dans l'espace.
Défauts structuraux « durs », résiduels et persistants : les défauts structuraux concernent plusieurs atomes du réseau cristallin exigeant des régimes de températures élevées de 800 à 1000°C et plus pour être guéris ou neutralisés. Ils polluent la cristallinité du métamatériau et sont donc nocifs car les budgets thermiques de guérison et les régimes de températures disponibles lors du traitement thermique (précédemment 500~550°C ou actuellement 500-700°C) du procédé de fabrication sont insuffisants. Ces défauts résultent des transformations de groupes de plusieurs atomes à la fois. Ils représentent des contraintes et distorsions multiples se caractérisant par une multitude de niveaux d’électrons extrinsèques repartis dans le gap. Ceci se traduit par une recombinaison accélérée des porteurs secondaires neutralisant l’effet de la génération secondaire. Mal guéris, ces défauts provoquent aussi te recombinaison des porteurs primaires.
Les défauts structuraux « mous » : les défauts structuraux exigeant des régimes de température modérées (précédemment 500550°C et actuellement 500~700°C) au maximum pour être guéris ou neutralisés.
Métamatériau : désigne un matériau artificiel de silicium, présentant des propriétés physiques qui vont au-delà des propriétés connues dites naturelles. Le métamatériau garde sa composition chimique originale. Plus spécifiquement, il prend la forme d’au moins une couche continue ou discontinue, mais aussi un champ de perles ou de grains ou de formes quelconques telles que des agglomérés ou des agrégats et qui présentent en particulier une absorption optique très élevée, une génération/conversion d’électrons secondaires de faible énergie, une multiplication des électrons de faible énergie, un transport électronique spécifique, une sensibilité augmentée à l’intensité d’excitation et une forte non linéarité optique.
Nanocouches SEG-MATTER : est l’espace semi-conducteur délimité, occupé par le matériau silicium qui a été uniformément transformé en métamatériau inséré dans le milieu cristallin.
Nanomembrane : il s’agit de l’hétérointerface ou de la surface limite jouant un rôle d’interface, (verticale, horizontale, parallèle à la surface, plus ou moins sphérique ou non) où se fera le changement, de modèle de bande, de mode de conduction et ainsi de suite. Il s’agit par exemple, de l’interface entre seg-matter et le matériau silicium environnant, qui sera caractérisée par la modification du mode de transport des électrons.
Zone de transition a/c, masse amorphisée / masse cristalline , côté cristallin (dite <c-SI>) résulte de la recristallisation de la matière amorphisée couche par couche durant l'épitaxie en phase solide, ainsi, l’amorphisation recristallisée laisse dans certaines conditions de très nombreuses bilacunes (1020 cm-3) d’utilité technique, qui sont confinées dans une nanocouche autour de l’amorphisation. L’opération se passe comme si les bilacunes étaient injectées dans la couche <c-Si> à travers l’interface a/c. Se trouvant dans un environnement les conditionnant physiquement très fortement, elles se transforment en SEGTONs.
a-~Sï : région de silicium amorphisé < a-Si > : phase amorphisée du silicium c-Si : masse de silicium cristallin < c-Si > : phase cristalline du silicium
Lacune : défaut structurel ponctuel formant une unité structurelle spécifique.
Bilacune : défaut structurel ponctuel formé par deux lacunes interconnectées, formant une unité structurelle spécifique.
Nanoagrégats amorphisés : agrégats amorphisés ou nanogroupes de la matière cristalline localement transformée, préférentiellement de silicium, qui aura été incluse par n’importe quel procédé de production approprié dans le milieu cristallin.
Nanostructures insérées : nanoagrégats amorphisés, recouverts par une nanocouche de seg-matter, c’est-à-dire du métamatérlau capable de fournir de nombreux électrons secondaires résultant de collisions d’électrons chauds provenant d’une distribution optimale à l’intérieur du convertisseur, de préférence l’émetteur.
GPC : [de l’anglais, giant photoconversion] photoconversion géante permettant l’exploitation optimale de l’énergie lumineuse, par la conversion en électricité de la lumière de tout le spectre solaire par une génération secondaire et la multiplication des électrons de faible énergie.
.PROBLÈME POSÉ
La qualité requise de la cristaliinité pour le métamatériau appelé SEG-MATTER résulte d’un traitement thermique réalisé sur une plage de températures strictement limitée (500-550°C). Comme ces températures sont relativement basses, le traitement en question, doit durer suffisamment longtemps. Cette durée est imposée par la qualité initiale de l’amorphisation.
Il n’existe pas de marges de manoeuvre permettant de réduire la durée du traitement thermique pour arriver à la cadence d une ligne industrielle et à la maîtrise des coûts de fabrication.
Le présent perfectionnement est concentré autour des problèmes posés par le premier stade de la fabrication du métamatériau SEG-MATTER, à savoir I enterrement de l’amorphisation dans une plaquette cristalline de silicium. Cette opération est du type tout ou rien en représentant le fondement de l’ensemble d’un procédé industriel de fabrication.
4. ÉTAT DE L’ART ANTÉRIEUR ET SES INCONVÉNIENTS
Aujourd’hui il est clair que l’amélioration significative du rendement de la conversion de la lumière en électricité au moyen d'un dispositif en silicium cristallin avec une seule jonction collectrice n’est possible que grâce à une insertion intelligente d’une sous structure aux propriétés hautement spécifiques (sous forme d un métamatériau cristallin) dans l’émetteur d’un convertisseur.
Le métamatériau en question, qui est nommé ci-après SEGMATTER, est rempli ou même saturé d'unités élémentaires cristallines spécifiques, désignées ci-après par SEGTONs. Ces dernières sont capables de libérer des électrons secondaires au moyen d'un mécanisme collisionnel à faible énergie. Ainsi, il semble que la production rentable des convertisseurs tout en silicium aux propriétés fortement améliorées devient possible et abordable.
Malheureusement, sont apparus des complications de nature technique et de facrication pouvant affecter le bénéfice de la découverte de la génération d’électrons secondaires à faible énergie.
D’abord, l’amorphisation conventionnelle utilisant un faisceau d’ions focalisé balayant une plaquette de silicium conduit inévitablement à des structures présentant de nombreux défauts structuraux, souvent impossibles à guérir dans une limite des températures admissibles (500-§50°C). L'insertion de la SEGMATTER ou sa création au sein de la matière est alors entachée par un contrôle insuffisant de l'étape initiale.
Le traitement thermique post implantation est incapable non seulement de guérir les défauts, mais prend trop de temps pour permettre te mise en œuvre d’un procédé industriel économique du point de vue de 1a cadence sur une ligne de production de masse.
Les aspects disqualifiant peuvent être résumés comme suit:
- l’impossibilité de procéder à un recuit post-implantation adéquat de guérison des défauts structuraux résiduels;
les exigences exagérées pour la couche initiale d’amorphisation enterrée afin de garder une marge de manœuvre par rapport à la surface ainsi que pour la recristallisation curative ;
- les limitations sévères du régime de températures de recuit ;
- la durée exagérée du traitement thermique dans te régime de températures de recuit menant à des budgets thermiques exorbitants, donc inacceptables sur une ligne de fabrication de masse ;
- le réseau cristallin « impropre » pour le transport d'électrons local autour de nanostructures enterrées
- une trop rapide recombinaison non-radioactive des photo porteurs ;
- de mauvaises propriétés électroniques, apparaissant principalement à travers la collecte des porteurs de charges secondaires et primaires.
Il est évident que la méthode actuelle d’insertion de l’amorphisation dans la plaquette cristalline et son traitement post implantation devraient être complètement révisés. Ceci parce que ses caractéristiques thermodynamiques sont trop aléatoires et conduisent à des transformations structurelles inefficaces ou sollicitant des durées de recuit trop longues.
Les défauts structurels résiduels et persistants sont fortement préjudiciables au transport électronique autour de la SEG-MATTER et par conséquent à la collecte des photoporteurs.. Ils détruisent les effets bénéfiques de la génération d’électrons secondaires en détruisant des solutions potentiellement très prometteuses.
L'application technologique dë la SEG-MATTER à la conversion de l'énergie solaire fondée sur l'exploitation technique de la génération d'électrons secondaires à faible énergie nécessite la valorisation de tous les effets découverts à cette occasion.
RESUME DE L’INVENTION
L’invention se rapporte à un procédé de création d’un métamatériau photovoltaïque efficace dans un convertisseur lumièreélectricité tout en silicium qui répond aux exigences d’une fabrication industrielle.
La première et la plus Importante phase de ce procédé concerne la formation d'une région amorphisée enterrée à une profondeur prédéterminée. Ceci est réalisé au moyen d’une implantation ionique en utilisant un implanteur d’ions à spot large.
Un traitement thermique ultérieur permettant la recristallisation partielle bien contrôlée de l’amorphisation est ensuite appliqué pour former une ou des nanocouche(s) de métamatériau photovoltaïque nommé SEG-MATTER. Ce métamatériau est rempli d’unités cristallines élémentaires nommées SEGTONs, arrangées pour la génération à faible énergie d’électrons secondaires.
En raison de l'excellente qualité de la transformation initiale de la cristallinité, le traitement thermique post implantation permet de réduire ou d’éliminer majoritairement les défauts structurels restant après l'amorphisation dans un intervalle de températures relativement élargi (500~700°C). Ainsi, la durée de ce traitement thermique peut être fortement réduite pour permettre une fabrication industrielle sur des lignes de production de masse.
AVANTAGES DE L'INVENTION
Le métamatériau obtenu par l’amorphisation dite droite ou plate, étant bien structuré depuis le début, nécessite très peu de traitement thermique post-implantation contrairement au traitement technologique préalable qui est compliqué et trop coûteux.
La thermodynamique d'une telle implantation ionique permet d’éviter ou de réduire les défauts structurels résiduels et persistants indésirables. Ceci est conforme aux spécifications de fabrication des convertisseurs à génération d'électrons secondaires. En particulier, le faisceau d’ions adéquat en énergie, dose et forme, bien stabilisé et bien contrôlé lors de l'implantation fournit:
- une solution adéquate pour des applications industrielles de la SEGMATTER dans la fabrication de masses de convertisseurs exploitant la génération à faible énergie d’électrons secondaires ;
- un budget thermique de fabrication de la SEG-MATTER extrêmement réduit, d’à peu près un ordre de grandeur ;
- la séparation la plus nette possible des deux phases structurales de silicium, l'une amorphisée et l’autre cristalline même juste après l’amorphisation, c’est-à-dire avant le traitement thermique postimplantation ;
- une très faible quantité d'insertions mutuelles des phases structurales amorphisées et cristallines sous forme de nanoparticules ;
- une bonne homogénéité, consistance et planéité de la couche amorphisée enterrée ;
- une zone de transition amorphisé/cristallin très mince comprise entre les phases amorphisées ;
- l’absence totale ou un très petit nombre de défauts structurels durs indésirables ;
- te très faible besoin de budget thermique pour le traitement postimplantation même à des températures plus élevées de l’ordre de 500-700°C ;
- la liberté élargie dans la conception et l'architecture des nouveaux convertisseurs, résultant de la réduction de l'épaisseur initiale des couches enterrées.
L’invention vise principalement à améliorer te procédé d’enterrement de l'amorphisation ainsi que l’adaptation du traitement thermique et, par conséquent, la création d’une SEG-MATTER adaptée à la production de masse des convertisseurs lumièreélectricité tout en silicium de nouvelle génération.
La méthode est à l’origine du métamatériau industriel de la photoconversion géante. Elle ne peut résulter que d'une transformation spécifique du réseau cristallin de silicium à travers une amorphisation locale.
L’étape d’amorphisation utilisant un faisceau d’ions s’avère unique et inévitable. Elle doit impérativement respecter certaines exigences particulières pour éviter des complications et limites actuelles de l'implantation habituelle d'ions la rendant inutile. Cela inclut tes indications suivantes:
- l'utilisation du faisceau large approprié d'ions (énergie, dose, stabilité, reproductibilité) qui doit être bien maîtrisé tout au long du cycle d'implantation;
- réalisation de la séparation la plus nette possible et plate des deux phases de silicium, l'une amorphisée et l'autre cristalline déjà avant le traitement thermique post-implantation ;
- réduction de la quantité voire de l'absence totale d'insertions mutuelles de la phase amorphisée et de la phase cristalline sous forme de nanoparticules ;
- une bonne homogénéité et planélté de la couche amorphisée initiale avec la zone de transition la plus fine possible, voire inexistante, entre les phases amorphisées et cristallines ;
- une forte limitation ou élimination totale des défauts structurels durs;
- une diminution déterminante du budget thermique nécessaire pour une modulation du matériau à une température comprise entre 500 et 700°C en raison de la qualité considérablement accrue des structures juste transformées après implantation et avant traitement thermique post-implantation.
La première étape de la modulation du matériau réalisée avec un spot focalisé conduit à une couche amorphisée plus profonde et plus épaisse qui nécessite un traitement thermique de longue durée en température adaptée. En revanche, le spot large d’ions permet d’enterrer l’amorphisation sur une zone plus mince et moins profondément.
D’abord on évite des défauts structuraux « durs », qui sont des défauts structuraux « polluant » la cristallinité du métamatériau. Leur présence est si nuisible que même le métamatériau SEG-MATTER présentant une bonne activité optique n’est pas performant à cause de sa médiocre activité électronique. Il n’y a pas de solution à cette situation sauf l’implantation d’ions à spot très large, parfaitement contrôlé, stabilisé, et homogène. II s’agit de l’opération initiale menant à une amorphisation dite « droite ».
Puis, l’invention assure aussi la transformation de l’amorphisation « droite » enterrée dans le silicium cristallin, répondant aux exigences de qualité, au rythme imposé par la cadence élevée d’une ligne de fabrication industrielle. La modification des conditions de la fabrication concerne principalement la plage de températures du traitement thermique, laquelle peut être fortement élargie de 500-550°C à 500-700°C. La durée du traitement thermique se réduit fortement ceci parce que la vitesse d’épitaxie en phase solide dépend exponentiellement de la température: plus la température est grande, plus courte est la durée du recuit.
De plus, le traitement thermique opéré à des températures plus élevées facilite grandement la réparation ou guérison des défauts résiduels du réseau cristallin.
Les propriétés optiques dont la présence et l’activation des états d'énergie électronique appropriés, et l’absorptance ainsi que les propriétés électroniques adéquates dont la dynamique, le transport et la collecte d’électrons du métamatériau appelé SEG-MATTER, sont assurées selon l’invention dans des conditions industrielles réelles et économiquement attractives grâce à l’amorphisation particulière dite « droite » et du traitement thermique court.
Afin d’augmenter la génération d’électrons secondaires à basse énergie, il est nécessaire d’abord de déterminer, puis d’éviter les difficultés pouvant être liées aux propriétés électroniques du convertisseur GPC. Ces propriétés sont le plus sensibles aux défauts structuraux et même après la création du métamatériau SEGMATTER ; confirmée par les caractéristiques optiques peuvent détruire le rendement de la photoconversion malgré le bon fonctionnement optique du métamatériau.
L’amorphisation locale avec un faisceau d’ions est une étape préalable irremplaçable pour obtenir un bon métamatériau SEGMATTER cette opération « brutalise » le réseau cristallin jusqu’au point de non-retour à l’état d’ordre cristallin initial en dehors de l’amorphisation.
L’invention apporte une solution permettant de bien aménager d’un côté le réseau cristallin en dehors de la couche amorphisée et de l’autre de la conserver dans un volume spécialement dédié. Ceci devient possible grâce à un spot adéquat large de dépôt d’énergie d’ions dans le réseau cristallin. H s’agit de l’amorphisation locale appelée ici droite ou plate du réseau cristallin de semi-conducteur.
Ceci exige un contrôle particulièrement efficace de la pénétration des ions dans le semi-conducteur. Le contrôle devrait permettre une onde la plus plane possible de choc thermique. De cette manière, les vibrations unidirectionnelles du réseau cristallin selon l’axe de propagation ne produisent pas d'effets de dislocations ou de cisaillement multidirectionnels qui se transforment en défauts structuraux « durs ». Par conséquent, l’amorphisation dite droite ou plate module te réseau cristallin de façon adéquate aux besoins de la fabrication d’un bon métamatériau SEG-MATTER ayant, avec son environnement, de bonnes propriétés électroniques.
Ainsi, en éliminant te problème de l’amorphisation inadéquate polluant la cristallinité du métamatériau et de son environnement, l'invention permet la fabrication industrielle de convertisseurs GPC capables d’exploiter la génération et la multiplication faible énergie d'électrons secondaires.
. LISTE DES FIGURES
FIGURE. 1 est une vue schématique en coupe illustrant le large faisceau d'ions utilisé pour l'amorphisation dite droite ou plate.
FIGURE. 2 est une vue schématique illustrant le mouvement de la plaquette cible sous un large faisceau d'ions lors de l'amorphisation dite droite ou plate.
FIGURE. 3 est une vue schématique d’une structure multicouche résultant de la modulation du matériau cristallin qui apparaît après une amorphisation enterrée avec un spot d’ions : (a) focalisé balayant la surface de la plaquette et (b) large selon l’invention. Cette première étape, d’importance majeure, conduit dans le cas (a) à des couches amorphisées plus profondes et plus épaisses qui nécessite un traitement thermique de longue durée en température admises. En revanche, le spot large d'ions, le cas (b) permet d’enterrer l'amorphisation moins profondément et sensiblement plus mince.
FIGURE. 4 est un graphe d’un exemple de la vitesse de recristallisation en fonction de la température de recuit d’une amorphisation enterrée dans le silicium d'orientation cristalline [100] selon la courbe d'Arrhenius.
FIGURE. 5 est la représentation d’un détail de la FIG.3 illustrant les transformations
7. DESCRIPTION DE L’INVENTION
L’invention sera bien comprise en se référant à la description cidessous.
Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en coupe illustrant un large faisceau d'ions utilisé pour l'amorphisation dite droite ou plate et le mouvement de la plaquette cible sous un large faisceau d'ions lors de l'amorphisation dite droite” ou plate.
La figure 3 schématise l’amélioration des transformations « ordonnées » du réseau cristallin semi-conducteur dues à la thermodynamique d’amorphisation « droite » ou « plate. En comparant les résultats obtenus : a) est le cas d’enterrement d’amorphisation selon la méthode antérieure, b) est l’enterrement d’amorphisation selon l’invention. L’image TEM visualise des modifications locales de cristallinité après l’implantation et le traitement thermique post implantation. Les zones de concentration des défauts structuraux étendus sont nommée c-Si-d. Dans des structures fortement abîmées elles s’étalent largement en profondeur. La masse cristalline Si supérieure et inférieure relaxée mécaniquement après le traitement thermique est nommée c-Si. La thermodynamique « ordonnée » des transformations dans le réseau cristallin semi-conducteur mène à l’amorphisation entrée « droite » ou « plate » se distinguant par des améliorations selon l’invention concernant plusieurs aspects : 1) l’affinement de la couche superficielle c-Si, 2) l’affinement de la couche supérieure transformée après l’amorphisation c-Si-d, 3) raffinement de la couche inferieure transformée après l’amorphisation c-Si-d. Le c-Si en dehors et autour de la couche amorphisée enterrée dans la masse cristalline est pratiquement libre de défauts résiduels, étendus et persistants.
Les schémas ne sont à l’échelle.
La figure 4 illustre la variation de la vitesse de recristallisation en fonction de la température de recuit post implantation d’une amorphisation enterrée dans le Si d'orientation cristalline [100] (courbe d'Arrhenius). Le traitement thermique ultérieur permettant la recristaliisation partielle bien contrôlée de l’amorphisation est appliqué pour former une ou des nanocouche(s) de métamatériau photovoltaïque. Ce métamatériau est rempli d’unités cristallines élémentaires de génération secondaire conditionnés pour la génération faible énergie d’électrons secondaires. La zone de transition a/c se déplace vers le centre de la couche d’amorphisation au fur et à mesure du recuit, en avale la matière amorphisée couche par couche et s’ordonne côté cristallin (dit <c~Si>) grâce à l’épitaxie en phase solide. Simultanément, sont guéris des défauts structuraux étendus ce qui est d’autant plus facile qu’une amorphisation de bonne qualité permet d’éviter l’apparition des défauts les plus difficiles à guérir.
La température permise du recuit peut être plus élevée dans le cas d’une amorphisation améliorée. Elle permet donc de mieux guérir la structure dans le temps relativement bien plus court. Ceci est d’une grande importance en vue d’industrialisation.
La figure 5 présente schématiquement un exemple des mouvements relatifs des interfaces enterrées dans le cas de l’amorphisation sous un large faisceau d'ions dite droite ou plate par rapport à l’amorphisation antérieure résultant d’un balayage de la surface de plaquette par un faisceau focalisé.
L’étape intermédiaire d'amorphisation précédemment disponible, aboutissait non seulement en une couche plus épaisse et irrégulière mais devait être enterrée plus profondément. Le budget thermique du traitement de guérison post implantation, laquelle doit se faire dans une zone de températures ne dépassant pas une limite maximale permise qui est relativement élevée et sa durée de traitement très longue.
La limite de la température permise de guérison varie en fonction de la qualité d’amorphisation ; plus élevée la qualité, plus élevée la température permise.
La qualité d’amorphisation détermine les types des défauts structuraux étendus;
plus élevée la qualité, moins des défauts structuraux étendus ou l’absence totale des défauts étendus le plus « durs ».
La méthode actuelle de l’insertion de l’amorphisation dans la plaquette cristalline de semi-conducteur et son traitement post implantation est complètement révisée. Ceci est devenu possible grâce aux caractéristiques thermodynamiques des transformations structurelles résultant d’une onde de choc plane.
Le traitement post implantation sollicite maintenant des durées de recuit très courtes.
Les défauts structurels résiduels et persistants sont fortement réduits et n’abîment pas le transport électronique autour du métamatériau PV. Par conséquent l'exploitation technique de la génération d'électrons secondaires faible énergie et tous les effets découverts à cette occasion sont bien valorisés. Les propriétés électroniques, comme le transport électronique local et la collecte des photoporteurs deviennent efficaces.
Après une phase classique de préparation de la plaquette de silicium, appelée ci-après plaquette cible, on procède à l’amorphisation au moyen d’un implanteur d’ions à spot large tel que représenté sur la figure 1.
La figure 2 présente le mouvement dont est animé la plaquette devant un spot large fixe. On évite ainsi la formation des défauts structuraux « durs », qui sont des défauts structuraux « polluant » la cristallinité du métamatériau. Leur présence est si nuisible que même le métamatériau appelé SEG-MATTER présentant de bonnes qualités optiques n’est pas performant en tant que capteur photovoltaïque à cause de sa médiocre activité électronique. La solution à ces inconvénients est une implantation d’ions à faisceau très large stabilisé et homogène.
La plage de températures du traitement thermique, est fortement élargie en passant de S00-550°C à 500-700oC. Ainsi, la durée du traitement thermique se réduit fortement ceci parce que la vitesse d’épitaxie en phase solide dépend exponentiellement de la température: plus grande est la température, plus courte est la durée du recuit.
De plus, le traitement thermique opéré à des températures plus élevées facilite grandement la réparation ou la guérison des défauts résiduels du réseau cristallin.
Les propriétés optiques dont la présence et l’activation des états d'énergie électronique appropriés, et l’absorptance ainsi que les propriétés électroniques adéquates dont la dynamique, le transport et la collecte d'électrons du métamatériau appelé SEG-MATTER, sont assurées selon l'invention dans des conditions industrielles réelles et économiquement attractives grâce à l'amorphisation enterrée particulière dite « droite » et du traitement thermique court.
Afin d’augmenter la génération d'électrons secondaires à basse énergie, il est nécessaire d’abord de déterminer, puis d’éviter les difficultés pouvant être liées aux propriétés électroniques du convertisseur GPC. Ces propriétés sont les plus sensibles aux défauts structuraux et même après la création du métamatériau SEG
MATTER; confirmée par tes caractéristiques optiques peuvent détruire l’efficacité de la photoconversion.
L’amorphisation locale avec un faisceau d’ions est une étape préalable irremplaçable pour obtenir un bon métamatériau mais cette opération « brutalise » le réseau cristallin jusqu’au point de nonretour à l’état d’ordre cristallin initial en dehors de l’amorphisation.
L'invention apporte une solution permettant de bien ménager d’un côté te réseau cristallin en dehors de la couche amorphisée et de l’autre de la conserver dans un volume spécialement dédié. Ceci devient possible grâce à un spot large de dépôt d'énergie d’ions dans te réseau cristallin. Il s’agit de l’amorphisation locale appelée ici droite ou plate du réseau cristallin de semi-conducteur.
Ceci exige un contrôle particulièrement efficace de la pénétration des ions dans te semi-conducteur. Le contrôle procure une onde la plus plane possible de choc thermique. De cette manière, tes vibrations unidirectionnelles du réseau cristallin selon l’axe de propagation ne produisent pas d'effets de dislocation ou de cisaillement multidirectionnel qui se transforment en défauts structuraux « durs ». Par conséquent, l'amorphisation dite droite ou plate module le réseau cristallin de façon adéquate aux besoins de la fabrication d’un bon métamatériau ayant, avec son environnement, de bonnes propriétés électroniques.
A titre descriptif complémentaire, l’invention peut se définir de la manière suivante.
Il s’agit en particulier d’un procédé pour fabriquer un convertisseur de lumière en électricité tout en silicium doté d’un système Si en nanocouches contenant une ou des nanocouche(s) d’un métamatériau photovoltaïque comportant des centres de génération et de multiplication d’électrons secondaires bénéficiant d’un nouveau mécanisme de faible énergie pour générer des porteurs libres additionnels à l'intérieur de la plaquette de silicium dans laquelle on a formé classiquement ou spécifiquement par l’implantation d’ions une jonction PN collectrice entre la face arrière de la base et la face avant de l’émetteur du convertisseur, selon lequel on procède à la création d’une région amorphisée par une implantation d’ions sur une plaquette cible de silicium à spot large ou faisceau étendu à une profondeur prédéterminée et ayant une épaisseur prédéterminée dans la masse cristalline Si de l’émetteur se distinguant par des excellents facteurs géométriques et structuraux aidant à préserver le convertisseur des défauts structuraux post-implantation étendus de décalage d’atomes et des groupes d’atomes et de cisaillement multidirectionnel des plans du réseau cristallin, et selon lequel on procède ensuite à un traitement thermique sur une plage de températures s’étendant de 500 à 700°C, réalisé selon un cycle d’exposition thermique de plusieurs séquences successives.
Ensuite, selon l’invention, on induit des ondes homogènes de choc thermique en bombardant la plaquette cible semi-conductrice de silicium par un faisceau large d’ions, ces ondes de choc thermique se propageant le long de l’axe de propagation de l’implantation dans le réseau cristallin semi-conducteur avec une probabilité minimale de vibrations latérales ainsi que d’agitations thermiques multidirectionnelles et en ce que l’on forme un front d’onde sensiblement plan en bombardant la plaquette cible semi-conductrice de silicium par le faisceau d’ions à spot large assurant ainsi la thermodynamique ordonnée des transformations dans le réseau cristallin semi-conducteur libre de défauts résiduels, étendus et persistants en dehors et autour de la couche amorphisée enterrée dans la masse cristalline.
L’invention permet de s'appuyer sur des implanteurs industriels assurant la qualité de processus d’implantation d’ions éprouvée avec l'élimination parfaite de la contamination d'énergie et la rétroaction de l'angle de faisceau horizontalement et verticalement par l'application du filtre d'énergie angulaire supprimant toutes les formes de contaminants énergétiques du spot frappant la surface de la plaquette permettant ainsi de répondre aux exigences de la qualité de réseau cristallin de semiconducteur requise et, par conséquent, assurant la performance électronique du dispositif optoélectronique semi-conducteur résultant.
On précise que l'implantation d’ions est réalisée avec des ions de silicium ou des ions de phosphore.
On précise que le faisceau d'ions est de préférence fixe et dans ce cas, la plaquette est translatée en étant balayée par le spot d'ions sur sa face avant.
On précise aussi que la surface de la tache projetée sur la plaquette cible est d'au moins quelques dizaines de cm2.
On remarque à titre de conséquence et de résultats, la grande rapidité et faible budget thermique de création dans l'émetteur du système à couches nanométriques contenant au moins une nano couche active appelée SEG-MATTER, remplie de nombreux centres de génération secondaire basse énergie appelés SEGTON.
On rappelle que l'amorphisation par l’implantation d'ions est réalisée dans la masse cristalline au voisinage de la face avant de de l’émetteur.

Claims (10)

1. Procédé pour fabriquer un convertisseur de lumière en électricité tout en silicium doté d’un système Si en nanocouches contenant une ou des nanocouche(s) d’un métamatériau photovoltaïque comportant des centres de génération et de multiplication d’électrons secondaires bénéficiant d’un nouveau mécanisme de faible énergie pour générer des porteurs libres additionnels à l'intérieur de la plaquette de silicium dans laquelle on a formé classiquement ou spécifiquement par l’implantation d’ions une jonction PN collectrice entre la face arrière de la base et la face avant de l’émetteur du convertisseur, caractérisé en ce que l’on procède à la création d’une région amorphisée par une implantation d’ions sur une plaquette cible de silicium à spot large ou faisceau étendu à une profondeur prédéterminée et ayant une épaisseur prédéterminée dans la masse cristalline Si de l’émetteur se distinguant par des excellents facteurs géométriques et structuraux aidant à préserver le convertisseur des défauts structuraux postimplantation étendus de décalage d’atomes et des groupes d’atomes et de cisaillement multidirectionnel des plans du réseau cristallin, et que l’on procède ensuite à un traitement thermique sur une plage de températures s’étendant de 500 à 700°C, réalisé selon te cycle d'exposition thermique de plusieurs séquences successives.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’on induit des ondes homogènes de choc thermique en bombardant la plaquette cible semi-conductrice de silicium par un faisceau large d'ions, ces ondes de choc thermique se propageant te long de l’axe de propagation de l’implantation dans te réseau cristallin semiconducteur avec une probabilité minimale de vibrations latérales ainsi que d’agitations thermiques multidirectionnelles et en ce que l’on forme un front d’onde sensiblement plan en bombardant la plaquette cible semi-conductrice de silicium par le faisceau d’ions à spot large assurant ainsi la thermodynamique ordonnée des transformations dans te réseau cristallin semi-conducteur libre de défauts résiduels, étendus et persistants en dehors et autour de la couche amorphisée enterrée dans la masse cristalline.
3. Procédé selon la revendication 1 s’appuyant sur des implanteurs industriels assurant la qualité de processus d’implantation d’ions éprouvée avec l'élimination parfaite de la contamination d’énergie et la rétroaction de l'angle de faisceau horizontalement et verticalement par l'application du filtre d’énergie angulaire supprimant toutes tes formes de contaminants énergétiques du spot frappant la surface de la plaquette permettant ainsi de répondre aux exigences de la qualité de réseau cristallin de semi-conducteur requise et, par conséquent, assurant la performance électronique du dispositif optoélectronique semi-conducteur résultant.
4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’implantation d’ions est réalisée avec des ions de silicium ou des ions de phosphore.
5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le faisceau d'ions est fixe et la plaquette est translatée en étant balayée par le spot d'ions sur sa face avant.
6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface de la tache projetée sur la plaquette cible est d'au moins quelques dizaines de cm2.
7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement 5 thermique est réalisé à l’intérieur d’un intervalle de températures s’étendant de 500 °C à 700°C.
8. Procédé selon les revendications précédentes caractérisé par la grande rapidité et faible budget thermique de création dans rémetteur d'un système à couches nanométriques contenant au moins une io nano couche active appelée SEG-MATTER, remplie de nombreux centres de génération secondaire basse énergie appelés SEGTON.
9. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'amorphisation par l’implantation d’ions est réalisée dans la masse cristalline au voisinage de la face avant de de l'émetteur.
is
10. Convertisseur photovoltaïque tel que résultant de la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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