Contexte de l’étude

Cette étude est réalisée dans le cadre d’une collaboration entre le CEA-INES, l’IPVF et le GeePs sur des échantillons développés dans la thèse d'Audrey Morisset. Cette thèse avait pour but d’optimiser le processus de fabrication de contacts passivants par la technique de Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) avec pour finalité leur intégration sur le contact arrière d’une cellule de silicium monocristallin comme montré dans la Figure 49 [2]. Le but de ces structures à contact passivant est de supprimer les zones de surdopage ou de contact direct entre les contacts métalliques et l'absorbeur en silicium monocristallin. L’oxyde passive sa surface et diminue fortement les pertes par recombinaison au niveau des contacts métalliques.

Figure 49 : Schéma de cellule solaire avec substrat de c-Si dopé p possédant en face arrière la structure de contact passivant étudié dans ce chapitre [1].

108 Comme il a été souligné en introduction de ce chapitre, l’objectif de cette étude est d’obtenir une meilleure compréhension de la structure et des propriétés de conduction des empilements poly-Si/SiOx/c-Si. En effet, il a été montré par plusieurs études sur des structures poly-Si/SiOX [3–6] que la conduction à travers cette couche de passivation pouvait être liée à :

- un effet tunnel des charges à travers la couche d’oxyde de passivation de faible épaisseur (< 2 nm) [7].

- un transport des charges par des zones de contact direct correspondant à des ouvertures nanométriques dans la couche de SiOx, dites « pinholes », qui apparaissent durant le recuit de cristallisation du poly-Si [8,9].

Feldmann et al. ont montré par le biais de mesures de résistance en fonction de la température [4] que le mécanisme de conduction électrique majoritaire présent dans les structures (n)poly-Si/SiOx/(n)c-Si pouvait changer en fonction de la température du recuit de cristallisation subi par l’échantillon. Par l'analyse de la dépendance du courant en fonction de la température, il a conclu que le mécanisme de transport est une conduction de type tunnel pour des structures ayant subi un recuit à des températures inférieures à 800 °C. Pour des températures de recuit supérieures à 800°C, il a conclu à une conduction par contact direct, indiquant qu’à ces hautes températures une altération de l’intégrité de la couche d’oxyde de passivation semble se produire menant à l’apparition d'ouvertures dans celle-ci. Une autre étude visant à analyser par TEM la section poly-Si/SiOx/c-Si [9] a permis d’observer après recuit à haute température (≥ 900°C) que la couche d’oxyde pouvait posséder des zones présentant des variations locales de l’épaisseur. Ces zones de dimension estimée à 5 nm ont montré une épaisseur plus faible voire même une absence d’oxyde causant un contact direct entre les couches de poly-Si et de c-Si.

Enfin une étude s’appuyant sur de la gravure sélective par voie humide [10] a permis d’observer optiquement pour la première fois la présence des pinholes et d’estimer leur densité dans l’oxyde. La densité de ces zones semble dépendre à la fois de la température de recuit et de l’épaisseur de la couche d’oxyde de passivation. Une température de recuit élevée augmente la densité de pinholes et une épaisseur d’oxyde trop importante réduit leur nombre. A titre d’information, dans cette étude le poly-Si était synthétisé par LPCVD, la température de recuit était de 1050°C et les densités de pinholes variaient dans la gamme de 4,5 x 106 cm-2 à 1,6 x 108 cm-2.

La présence de ces pinholes ajoute des nouvelles conditions et exigences à prendre en compte et notamment au niveau de l’optimisation de l’oxyde de passivation. Bien que la cristallisation de la couche de silicium amorphe hydrogéné soit possible à partir de 700°C, cette température ne permet pas d’atteindre l’optimum de la passivation. Cet optimum a été observé à des températures de l’ordre de 850°C [2,11,12] alors que pour des températures supérieures, on observe une altération de la couche d’oxyde et de son effet de passivation [13].

La recherche de ce compromis impose le développement de méthodes et de protocoles de caractérisations permettant d’étudier les propriétés et la densité de ces pinholes. Les techniques de gravure sélective par voie chimique utilisées par Wietler et al. [10] et Kale et

109 al. [14], bien que permettant de mesurer la densité de pinholes, utilisent un protocole destructif qui grave préférentiellement le poly-Si et le c-Si.

L’objectif des caractérisations dans ce chapitre sera donc d’utiliser les techniques de c-AFM et/ou KPFM afin de mettre en évidence les pinholes, d’estimer leur densité et autres

propriétés par le biais d’un protocole de mesure qui sera plus simple à mettre en place que ceux précédemment cités.

5.2. Structure à contact passivant de type

poly-Si/SiOx/c-Si

Rappelons que les échantillons étudiés dans ce chapitre sont des contacts passivants développés au CEA-Ines par Audrey Morisset [2]. Ces échantillons ont une structure planaire (p+)poly-Si/SiOx/(n)c-Si telle que présentée dans la Figure 50.

Figure 50 : Schéma de structure des échantillons mesurés

Le silicium monocristallin (c-Si) utilisé comme substrat absorbeur est un wafer Czochralski (Cz) de 275 µm d’épaisseur, d’orientation (100) et possédant un dopage de type n (ρ = 2-3 Ω.cm).

Pour la majorité des échantillons, la couche de passivation est un oxyde de silicium (SiOX) fabriqué sur le substrat, après un nettoyage chimique RCA, par un rinçage ozoné et d’eau distillée permettant la formation d’une couche d’oxyde d’épaisseur 1,3 nm. Pour des raisons de comparaison, sur certains échantillons l’oxyde a été obtenu par procédé thermique menant à une couche d’oxyde de 4 nm d’épaisseur, et sur d’autres échantillons le nettoyage RCA a été effectué mais pas le dépôt de l’oxyde.

La couche de silicium poly cristallin (poly-Si) est préparée par un processus de dépôt PECVD suivi d’un recuit à haute température. D’abord une couche de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) est déposée par PECVD à la surface du c-Si (ou du SiOX) à une température entre 200°C et 300°C en utilisant comme précurseur gazeux : du silane (SiH4), de l’hydrogène (H2) et du diborane (B2H6) dilué dans le H2 pour son dopage. L’échantillon est ensuite soumis à un recuit à haute température (≥ 600°C) pendant 30 minutes afin de cristalliser le silicium amorphe en silicium poly-cristallin. Au cours de ce recuit, il est attendu, selon les résultats de la littérature, que la couche d’oxyde interfaciale s’altère et que son épaisseur devienne inhomogène, voire que des pinholes se forment comme il a été schématisé dans la Figure 51 [9]. Afin de vérifier l’influence de la température sur la formation de ces pinholes et leur impact sur la conductivité électrique de l’échantillon, plusieurs

110 températures de recuit entre 700°C et 900°C ont été utilisées pour la fabrication des échantillons tests.

Figure 51 : Schéma montrant l’effet de l’étape de recuit de l’échantillon sur sa structure.

Au cours de cette étude, plusieurs séries d’échantillons ont été caractérisées. Elles sont décrites dans le Tableau 8. Elles correspondent à des développements réalisés par Audrey Morisset [15]. Le temps de recuits de 30 minutes a été utilisé pour tous les échantillons. Série Epaisseur du poly-Si (nm) Dopage du poly-Si Epaisseur de l’oxyde (nm) Type d’oxyde T° recuit (°C) 3359 15 nm [B]= 1020 cm-3 1,4 nm Chimique (…) 700, 800, 900, 700+800, 700+900 30 nm [B]= 1020 cm-3 1,4 nm Chimique ,, 15 nm [B]= 1020 cm-3 - Aucun ,, 30 nm [B]= 1020 cm-3 - Aucun ,, 3413 20 nm [B]= 1020 cm-3 1,4 nm Chimique ,, 20 nm [B]= 1020 cm-3 4 nm Thermique ,, GeePs 52 15 nm [B]= 1020 cm-3 1,4 nm Chimique 700, 800, 900 15 nm [B]= 1020 cm-3 - Aucun ,, 3624 10 nm intrinsèque 1,4 nm Chimique 800

Tableau 8 : Tableau résumant les caractéristiques des différentes séries d’échantillons de contact passivant analysés au cours de la thèse.