Augmentation de la hauteur de barrière de diodes de Schottky au silicium : Application aux cellules solaires

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Augmentation de la hauteur de barrière de diodes de

Schottky au silicium : Application aux cellules solaires

J.P. Ponpon, P. Siffert

To cite this version:

L-149

AUGMENTATION

DE LA HAUTEUR DE

BARRIÈRE

DE

DIODES

DE

SCHOTTKY

AU

SILICIUM :

APPLICATION AUX CELLULES SOLAIRES

J. P. PONPON et P. SIFFERT

Centre de Recherches Nucléaires Laboratoire de

_Physique

des

_Rayonnements

et

_{d’Electronique}

_Nucléaire,

67037

_Strasbourg

Cedex,

France

Résumé. - Le rendement des cellules solaires _au silicium réalisées

par diode Schottky dépend

essentiellement de la hauteur de la barrière de _potentiel au contact métal-semiconducteur. On propose ici deux _{procédés permettant} de _porter cette barrière aux environs de 1 eV, soit par évaporation de hafnium sur du silicium P, soit par une

_implantation

d’ions avant la formation d’une diode _Schottky à l’or sur du silicium N.

Abstract. - The

efficiency of _Schottky silicon solar cells _{depends strongly} on the barrier _height of the metal-semiconductor contact. We show that it is _possible to increase this barrier

height

up to

about 1 eV either _by the use of hafnium contacts on P _{type silicon,} or _{by making} an ion _implantation before the realisation of a

_gold

_Schottky diode on N _type silicon.

Introduction. - Les cellules solaires

au

silicium,

largement

utilisees dans les

_{experiences spatiales}

pour la conversion en electricite de

Fenergie

solaire,

sont

_preparees

_par diffusion d’une

_impurete

donatrice dans un substrat de _type P. Leur rendement de

conver-sion atteint actuellement 15

_%

dans les meilleurs des cas

(a

savoir _pour une

_profondeur

de

_jonction

de Fordre de

_{0,2 ~}

et des conditions de realisation

optimales

pour ce

qui

concerne la

_grille

collectrice

et la couche antireflechissante

_[1,

_2])

alors _que la limite calculee est d’environ 23

_{%. L’application}

terrestre a

_grande

echelle de ces cellules necessite une reduction

_importante

des couts de

production,

d’un facteur 100 au moins. Les diodes

Schottky

representent

une alternative interessante _pour la

realisation de tels

_dispositifs

du fait de leur

_plus

faible

_prix

de revient et de leur mince fenetre

d’entree,

qui

permettrait

une amelioration de la

reponse

de

cote des courtes

_longueurs

d’onde.

Toutefois,

peu de

travaux ont ete effectues dans ce domaine

[3,

4,

5]

et les rendements

_atteignent

a

_peine

8

_%.

Comme on

le verra

ci-apres,

ceux-ci sont limites _{par la} faible hauteur de barriere

_45Bn

au contact metal-semi-conducteur. Nous montrons ici

_qu’il

est

_possible

de _porter les valeurs de

_Psn

a 1 eV et, par

consequent,

d’augmenter

considerablement 1’efficacite de

conver-sion.

1. Rendement de conversion des diodes

_Schottky

au silicium. - Loferski

[6]

a montre _que l’efficacité

de

_{conversion 11}

d’une cellule

solaire,

egale

au _rapport

de la

_puissance

delivree _par la cellule a la

_puissance

photonique

d’entrée P _par unite de surface est donnee

par la relation :

pour une diode de

_Schottky

A ** etant la constante effective de Richardson et

_{V m}

represente

la tension aux bornes de la cellule a la

puissance

maximale,

calculee

_d’apres

_{1’expression :}

ou

_Ip

est le

_photocourant

_genere

sous illumination.

Les autres

_symboles

ont leur

_{signification}

habituelle.

Nous avons calcule 1’efficacite

_{maximale q}

_pour un eclairement dans

_1’espace

_(AMO)

en

_negligeant

les _{pertes par} reflexions et recombinaisons et en

supposant le rendement

_quantique

_egal

a

L-150

l’unité. Dans ces conditions

_{P = 0,135}

W/cm2 ;

Ip

= 60

mA/cm2 ; A

** = 96

A/cm2

K2.

Les résultats de ces calculs sont

_reportes

sur la

figure

1 en fonction de la hauteur de barriere

_{0* Bn}

pour differentes

temperatures

de fonctionnement. A

_temperature

ambiante,

on montre _{que :}

T -,- -,- -.-

0 B. (IV)

FIG. 1. - Evolution du rendement de conversion des cellules

solaires du type diode _Schottky en fonction de la hauteur de la barriere de _potentiel, a différentes _{temperatures.}

Generalement les valeurs ’de

_CPBn

sont de l’ordre de

0,8

eV

_quelle

_que soit la resistivite du materiau de base

_[7],

dans une

grande

_plage

de

_temperature,

ce

qui

limite les rendements a 10

_%

environ. _Une augmen-tation de

_~Bn

a 1 eV conduirait _presque a doubler ce

chiffre. _{Nous proposons} deux methodes _pour atteindre

ce but.

2. Barriere hafnium-silicimn P. - Nous avons

montre recemment que la hafnium

_depose

sur le

silicium de _type

P,

donne une hauteur de barriere

OB.

egale

a

_0,95

eV a

_temperature

ambiante,

sans

formation de siliciure. Ces

resultats,

ayant fait

l’objet

d’une

_publication

recente

_[8],

ne seront _pas

developpes

ici.

3. Barriere or-silicimn N

_prebombarde.

- La

pre-sence d’une zone

_{superficielle}

de tres faible

_epaisseur

et de _type de conduction

_oppose

a celui du substrat peut provoquer, dans certaines

conditions,

une

aug-mentation notable de la hauteur de la barriere de

potentiel

d’une diode

_Schottky,

du fait de la modifica-tion de la courbure des bandes. Une telle zone _peut

etre

_produite

par

implantation ionique,

processus

qui

permet un controle aise de la densite

d’impuretes

introduites et de leur

_profondeur

de

_penetration.

Dans du silicium de _type

_N,

I’introduction d’ions accepteurs cree une zone de

_{charge d’espace negative}

qui

augmente

le

_potentiel

a la surface pour les

elec-trons, a condition _que la dose

_implantee

soit

supe-rieure a une valeur minimale

_Do

telle _{que :}

ou

_{(ND -}

_{N J represente}

la densite

_{d’impuretes}

ionisees du substrat N et

_Vo

la courbure des bandes de la barriere de

_Schottky

conventionnelle. La hauteur de barriere

_4>Bn

_augmente avec la dose tant _que la

zone

_implantee

demeure totalement desertee en

l’absence de toute

_polarisation

exterieure. Au-dela

il y a formation d’une

_jonction

P-N.

L’utilisation de ce

_procédé

a

_permis

a Shannon

_[9]

de _porter la hauteur de barriere de diodes nickel-silicium P de

_0,49

a

0,75

eV en

_implantant

des ions

antimoine de 5 keV. Nous avons etudie des diodes

or-silicium

N,

pour

lesquelles

la hauteur de barriere

etait initialement

_0,8

eV et avons utilise des ions

gallium

de 30 keV dans du silicium contenant en

moyenne

5,5

x

1014/cm3

_impurctes

ionisees. La

cour-bure des

_{bandes Vo}

etant

_egale

a

0,5

V la valeur de

_Do

est de l’ordre de 6 x

1011/cm2 ;

nous avons _par

consequent

introduit des doses

_comprises

entre

1012

et 2,5

x

1013/cm2 et

procédé

a un recuit des

echantil-lons a 400 °C afin de rendre une

_partie

des ions

implantes electriquement

actifs. Les hauteurs de barriere ont ete determinees _par une mesure de la

capacite

C des diodes en fonction de la tension de

polarisation

inverse.

_{L’extrapolation}

des droites

S2/C2

(ou

S est la surface des

_diodes)

donne la valeur

_Vs

de la courbure des

bandes;

4>Bn

se calcule alors _par la relation :

ou

_Nc

est le nombre d’etats dans la bande de conduc-tion. Pour des doses

_implantees

de

_1012,

5 x

1012

et

1013

ions

_Ga+/cm2

les valeurs de

_ØBn

trouvees sont

respectivement

égales

a

_{0,91, 0,96}

et

_0,99

_±

_0,02

eV. Une dose de

2,5

x

1013/cm2 provoque

la formation d’une

_jonction

P-N.

On _peut noter _que la

_capacite

des diodes varie

avec la

_frequence

du

_signal

de mesure delivre _par le

capacimetre,

ce

qui

indique

la

_presence

de niveaux

d’energie profonds

situes dans la bande interdite

et

_produits

lors du bombardement. Une etude

_plus

FIG. 2. - Determination,

par mesure de la _capacite inverse, de la

courbure des bandes Vs de diodes Schottky a l’or prebombardees

L-151

detaillee des conditions du recuit devrait _permettre d’éliminer ces derniers. On _peut

également envisager

l’implantation

d’ions

_{plus légers}

_{(bore) qui}

créent moins de

_{dommages. Toutefois,}

afin de conserver

une zone de tres faible

_{épaisseur (environ}

100

_A),

il est necessaire de reduire

_l’énergie

de ces derniers à

quelques

keV.

4. Conclusion. - Nous

avons _{montre que}

_plusieurs

procedes

conduisant à une barriere de

_potentiel

de

1’ordre de 1 eV _peuvent etre utilises sur le

_silicium,

ce

qui

devrait _permettre

_{d’augmenter}

de

façon

notable

1’efficacite de ces

_dispositifs.

De nombreux

_points

restent

_cependant

à

_étudier,

en

_particulier

_{I’ épaisseur}

des contacts

_metalliques,

leur mode de realisation

(evaporation

ou

_{pulvérisation cathodique),}

les

condi-tions

_optimales

_{d’implantation}

et de recuit des échantillons

_apres

le bombardement

_ionique.

Bibliographie

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