Evaluation préliminaire de la passivation sur structure p + /n/p +

II.1.1 Structures étudiées

La littérature mentionne le fait qu’un oxyde tunnel permet de minimiser les recombinaisons de charges à l’interface entre le substrat et la couche dopée cristallisée tout en garantissant un bon passage des charges [Feldmann13]. Feldmann et al montrent notamment que l’ajout d’un oxyde tunnel permet d’obtenir des cellules dont la Vco passe de 638 à

690mV. Malgré la dégradation des propriétés structurales (95% de petits grains dans les couches cristallisées) mise en évidence sur nos couches µc-Si:B en présence d’un oxyde d’interface (cf. §I.3.2), des structures intégrant un tel oxyde (SiOx par voie chimique) ont

donc été envisagées.

Dans un but de comparaison des couches µc-Si:B, des structures symétriques ont été élaborées avec ou sans oxyde de silicium d’interface, sur substrat texturé de type n CZ de taille 125psq (orientation (100)). Les substrats ont tout d’abord subi un nettoyage (RCA), puis une oxydation chimique de leurs surfaces par ozonation. Une partie des substrats a ensuite été 99

désoxydée chimiquement (solution à base de HF) afin de se placer dans les conditions les plus favorables du point de vue de la cristallisation. Pour finir, une couche a-Si:BH d’épaisseur variable a été déposée sur les deux faces de l’ensemble des substrats, puis recuite à 800°C pendant 30min, conduisant aux structures de la Figure IV-29.

Figure IV-29 : Représentations des structures symétriques p+/n/p+ avec ou sans SiOx d’interface

utilisées pour la détermination des iVco et J0e.

Une mesure par QSSPC permet alors d’extraire les courbes de durée de vie effective ainsi que les valeurs d’iVco et de J0e de chaque structure.

Partant de ce protocole, diverses études ont été menées, dont les résultats sont analysés dans les paragraphes suivants. Les courbes de durée de vie effective simulées sur PC1D y sont également présentées puis confrontées aux courbes mesurées afin d’évaluer les activités recombinantes dans les différentes régions de la structure p+/n/p+.

II.1.2 Impact de la présence d’un SiOx d’interface

La Figure IV-30 présente les valeurs d’iVco, de J0e et de Rcarré de ces deux structures

pour deux épaisseurs (45 et 130nm) de couche µc-Si:B100.

Conformément à ce qui est reporté dans la littérature [Feldmann13], la présence d’un SiOx d’interface permet d’atteindre une iVco supérieure : de 587mV à 644mV dans le meilleur

des cas (celui d’une couche µc-Si:B fine (45nm). La J0e est aussi grandement impactée par

l’ajout du SiOx et chute à moins de 300 fA/cm² alors qu’elle est supérieure à 1500 fA/cm²

dans le cas contraire. Ces résultats attestent du fait que la couche µc-Si:B en contact direct avec le substrat ne passive pas la surface du substrat c-Si.

100

Figure IV-30 : iVco, J0e et Rcarré des hétéro-émetteurs µc-Si:B de 45nm et 130nm avec ou sans

SiOx d’interface.

D’autre part, l’épaisseur de la couche impacte au premier ordre la valeur de la Rcarré et

la présence d’une couche d’interface (responsable de la dégradation des propriétés structurales, et donc électriques) conduit à son augmentation. On notera néanmoins que dans le cas d’une épaisseur de µc-Si:B plus élevée (ici, 130nm), l’écart de Rcarré entre substrats

désoxydé ou non est faible.

Dans les structures symétriques étudiées, la passivation globale peut être limitée par les régions surfaciques (surface du µc-Si:B et interface µc-Si:B/c-Si) et les régions volumiques (substrat c-Si et émetteur p+). Pour rappel, il a été vu lors des simulations PC1D préliminaires (cf. Chapitre II) que pour des valeurs de dopage p+ supérieures à 1,9e20cm-3 la SRVinterface(n,p) ne semble pas avoir d’impact sur la durée de vie effective. De même, la

SRVsurface(n,p) n’a qu’un très faible impact par rapport aux autres paramètres volumiques. Si

les mesures effet Hall effectuées en conditions idéales (4p poli miroir (100) sans oxyde) sur nos couches (concentration >2e20cm-3) nous placent dans ces conditions, on a désormais conscience que ces conditions idéales (du point de vue de la cristallisation) ne sont pas offertes sur nos structures symétriques de passivation (substrat texturé donc (111) et présence d’un oxyde) : les couches µc-Si:B sont bien moins cristallisées et le dopage actif est moindre, cf. paragraphe I.3). La faible influence des SRVinterface annoncée par PC1D n’est donc pas

La durée de vie effective des porteurs dans les deux structures symétriques p+/n/p+ étudiées précédemment et intégrant une couche µc-Si:B fine (45nm101) a été simulée via le modèle avancé PC1D dans le but de déterminer les leviers d’amélioration possibles. Ici, une texturation de surface est ajoutée sur les deux faces du modèle pour correspondre au cas réel. La concentration de dopants a été déterminée à partir des valeurs de Rcarré dans chaque cas :

elle est de 1,9e20cm-3 pour la couche cristallisée sans SiOx d’interface contre 1,4e20 cm-3

dans le cas contraire. Les courbes de durée de vie effectives expérimentales et simulées de ces deux échantillons sont présentées sur la Figure IV-31. La couche de SiOx est modélisée par

une réduction significative de la SRVinterface, (53kcm/s  3kcm/s) qui, contrairement à ce qui

avait été préalablement simulé (cf. Chapitre II, §II.2.3), a bien un impact.

Epaisseur 45 nm Eg 1,7 eV AE 3,92 eV µ(h+) 15 cm²/(V.s)102 µ(e-) 52 cm²/(V.s) Dopage 1,4-1,9e19cm-3 τ(n,p) 0,1 µs SRVsurface(n,p) 100 cm/s

Figure IV-31 : Courbes de durée de vie effective expérimentales et simulées par le modèle avancé pour une couche µc-Si:B de 45nm sur substrat texturé avec ou sans SiOx d’interface. Les

paramètres de l’émetteur dans le modèle sont présentés dans le tableau.

Si l’on revient sur les résultats expérimentaux présentés en Figure IV-30, deux épaisseurs de µc-Si:B ont volontairement été déposées pour mettre en lumière les tendances permettant de déterminer les paramètres limitants de la structure réelle. La tendance s’avère différente en présence ou non de l’oxyde d’interface.

 Sans SiOx : les paramètres de passivation sont meilleurs dans le cas d’une couche

épaisse, ce qui semble indiquer que la passivation par réduction de la densité de défauts d’interface est faible et que seul l’effet de champ introduit par le bore dans la couche p+

induit une passivation (par effet de champ). L’amincissement de la couche, qui réduit cet effet,

101

La simulation des courbes de durée de vie effective des dispositifs symétriques intégrant les couches µc-Si:B épaisses (130nm) n’a pas été possible.

dégrade les iVco et J0e : la durée de vie effective des porteurs dans la structure p+/n/p+ est alors

limitée par l’activité recombinante « de surface ». Par ce terme générique on englobe ici :

 l’interface externe µc-Si:B/air,

 l’interface interne c-Si/µc-Si:B.

 Avec SiOx : l’amincissement de la couche conduit à une amélioration des paramètres

de passivation. Dans ce cas, on suppose alors que la densité de défauts d’interface est significativement réduite par le SiOx puisque des J0e inférieures à 300 fA/cm² sont mesurées.

Ceci traduit le caractère limitant de la SRVinterface(n,p) et rend indispensable la présence du

SiOx à l’interface.

Tableau IV-4 : Bilan de l’impact de l’épaisseur du µc-Si:B et de la présence d’un oxyde à l’interface c-Si/µc-Si:B sur les paramètres iVco et J0e.

Paramètre Sans oxyde Avec Oxyde

iVco Faible effet de l’épaisseur (~600mV)

Forte amélioration en amincissant la couche (passe à 650mV)

J0e

Amélioration avec un émetteur plus épais (de 2000 à 1400 fA/cm²) signifiant que le τ(n,p) dans l’émetteur

p+ n’est pas limitant pour la passivation globale de la structure. La limite se situe donc à une des interfaces (SRV).

Amélioration avec un émetteur plus mince (< 200fA/cm²).

L’activité recombinante de l’émetteur p+

devient limitante par rapport à l’interface µc- Si:B/c-Si dont l’activité recombinante a été réduite par la présence de l’oxyde (saturation des défauts d’interface vraisemblablement). La limite est ici le τ(n,p) de l’émetteur p

+

.

La tendance expérimentale observée en présence d’un oxyde d’interface contredit les prédictions de simulation (qui donnaient la SRVinterface(n,p) non limitante). Cette contradiction

peut être expliquée en partie par le niveau de cristallisation moindre lié au cumul d’une orientation (111) et de la présence d’un SiOx d’interface.

A ce stade, le niveau de passivation le plus élevé sur surface texturée est obtenu à partir d’une couche µc-Si:B fine (45nm) cristallisée sur une couche d’interface en SiOx

chimique : une iVco de 644mV et une J0e de 205 fA/cm² sont obtenues. Le critère de réussite

fixé (au niveau de la référence BCl3103) n’est donc pas atteint. Pour gagner en passivation, on

envisage d’autres topographies de surface et des traitements d’hydrogène après recuit.