Problèmes de cristallisation

L’étude précédente a souligné une remontée de la Rcarré sur surface texturée, attribuée

au retard à la cristallisation du µc-Si:B sur les plans (111) et à la présence d’un oxyde.

La littérature montre que le passage d’une surface texturée à une surface texturée et polie permet de diminuer la vitesse de recombinaison de surface par :

 réduction de la surface effective totale,

 diminution de la présence de plans cristallographiques (111) fortement recombinants [Jin08],

 lissage des sommets de pyramides [Bounaas14].

Ces mécanismes favorables à la passivation de surface ont d’autant plus d’intérêt dans le cadre d’une intégration de notre hétéro-émetteur µc-Si:B puisque le retour à une orientation cristalline de surface majoritairement (100) est également favorable en termes de cristallisation. Dans la suite, on introduit donc un polissage de la surface des substrats (réalisé par attaque basique, KOH concentré).

II.2.1 Polissage chimique de la surface du substrat

Des substrats c-Si texturés ont donc été polis chimiquement (KOH à 80°C) selon un temps variable (de 5 à 25 min) : durant cette attaque chimique, les pyramides sont progressivement tronquées, laissant apparaitre les plans (100) du substrat. Des structures symétriques ont ensuite été fabriquées à partir de ces substrats, oxydés chimiquement, pour deux épaisseurs de µc-Si:B (40nm et 115nm).

Les paramètres de passivation présentés sur la Figure IV-32 confirment les observations de la littérature [Bounaas14] : l’amincissement progressif des substrats (par polissage de leur surface texturée) conduit à une amélioration nette des iVco et J0e quelle que

soit l’épaisseur de l’hétéro-émetteur considérée.

Le caractère limitant du volume de la couche µc-Si:B est de nouveau mis en évidence : de meilleures propriétés de passivation sont en effet mesurées pour les couches fines (+38mV abs. en iVco et -14 fA/cm² abs. en J0e, en moyenne). Les meilleures performances de

passivation obtenues104 sont une iVco de 686mV et une J0e de 46 fA/cm².

La simulation PC1D des courbes de durée de vie effective sur structure symétrique a été confrontée aux courbes QSSPC mesurées sur ces échantillons, dans le cas d’une couche µc-Si:B fine (40nm).

104

Figure IV-32 : Variation des iVco et J0e en fonction de l’épaisseur de la couche µc-Si:B et de celle

du substrat c-Si.

La Figure IV-33 présente la confrontation de ces courbes expérimentales et simulées en fonction de l’épaisseur du substrat. Le polissage progressif de la surface des substrats est convenablement approximé par une diminution de la SRVinterface, qui encore une fois laisse

entendre que l’interface entre le µc-Si:B est le substrat limite la passivation, et que la densité de défauts de surface est nettement diminuée à mesure que le polissage se prolonge.

Epaisseur 40 nm Eg 1,7 eV AE 3,92 eV µ(h+) 28 cm²/(V.s) µ(e-) 98 cm²/(V.s) Dopage 8e19cm-3 τ(n,p) 0,1 µs SRVsurface(n,p) 100 cm/s

Figure IV-33 : Confrontation des courbes de durée de vie effective expérimentales et simulées de dispositifs symétriques de différentes épaisseurs, intégrant des couches µc-Si:B de 40nm. Les

On notera que la valeur de SRVinterface utilisée pour ajuster les échantillons sur substrat

d’épaisseur 168 µm (polissage court de 5min, courbe en bleu sur le graphe) est du même ordre (~3-4 kcm/s) que dans le cas précédent (substrat texturé) Pour le polissage le plus long (25min, soit 32µm d’épaisseur gravée) ce paramètre atteint les 100cm/s.

II.2.2 Ajout d’une étape de FGA

Les différentes structures symétriques élaborées précédemment ont été soumises à un recuit de type FGA105 (Forming Gas Anneal, en anglais), dont le but est d’incorporer de l’hydrogène dans un matériau de manière à passiver sa surface et son volume. Cette étape se révèle très bénéfique sur couche mince (40nm), moins sur couche épaisse (115nm). Dans le cas d’une couche fine sur substrat poli, le FGA permet d’élever la iVco à des valeurs

supérieures à 700mV et d’abaisser la J0e jusqu’à 21 fA/cm².

Figure IV-34 : Variation des iVco et J0e en fonction des épaisseurs du µc-Si:B et du substrat c-Si

après recuit FGA.

Les courbes de durée de vie effectives expérimentales après traitement FGA ont, elles aussi, été simulées par le modèle avancé PC1D. Le gain apporté par le FGA a été convenablement approximé au niveau de la simulation PC1D par :

 une réduction supplémentaire de la SRVsurface(n,p) (diminuée à 10cm/s), et couplé à,

 une amélioration du τ(n,p) de émetteur p+ : la durée de vie volumique de l’hétéro-

émetteur a été augmenté à 10µs (contre 0,1µs précédemment).

Cette augmentation significative des τ(n,p) permet de simuler correctement les courbes

expérimentales en faisant varier la SRVinterface(n,p) en fonction de l’épaisseur (i.e. du

polissage) du substrat c-Si (Figure IV-35).

Le traitement FGA entraine donc à la fois une amélioration de l’interface µc-Si:B/c-Si (passivation des défauts d’interface), mais également une amélioration du volume de l’émetteur p+

lui-même (passivation des joints de grains) conforté par la valeur de 20 fA/cm².

Epaisseur 40 nm Eg 1,7 eV AE 3,92 eV µ(h+) 28 cm²/(V.s) µ(e-) 98 cm²/(V.s) Dopage 8e19cm-3 τ(n,p) 10 µs SRVsurface(n,p) 10 cm/s

Figure IV-35 : Confrontation des courbes de durée de vie effective expérimentales et simulées après FGA de structures symétriques intégrant des couches µc-Si:B de 40nm. Les paramètres de

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

Comme pour chaque tentative précédente, une simulation cohérente du point de vue physique des structures impliquant des émetteurs épais (>100nm) demeure impossible après FGA. On peut alors se demander si le retard à la cristallisation cumulé (orientation substrat et présence d’un SiOx) peut expliquer à lui seul cette difficulté (simulation des couches épaisses)

ainsi que l’élévation de Rcarré observée. Le paragraphe suivant met en évidence un problème

de stabilité de ces couches épaisses, pouvant expliquer ces phénomènes.