Growth of doped epitaxial silicon at low temperature by PECVD for photovoltaic applications
Croissance de silicium dopé par épitaxie à basse température par RF-PECVD pour applications photovoltaïques
Résumé
This PhD thesis aims at evaluating low temperature silicon epitaxy (< 200°C) by RF-PECVD as an alternative to diffusion for the formation of the emitter layer of crystalline silicon (c-Si) solar cells. The epitaxial growth of intrinsic, n-type and p-type films grown on (100) c-Si substrates has been confirmed by ellipsometry. Surprisingly, the as-grown doped epitaxial silicon (epi-Si) films present a larger out-of-plane lattice parameter than the substrate, and are fully strained. Boron and phosphorus concentration of 3 and 3.5x1019 at/cm3, respectively, were achieved as deduced from SIMS measurements. However, in the as-grown state B-H complexes are formed and annealing is required to activate boron atoms. After annealing, we reached a doping efficiency of approximately 60%. As expected, the activation of boron leads to a drop of the mobility to ~20 cm2/Vs. Moreover, we put forward a correlation between the evolution upon annealing of the structure, electrical properties and the hydrogen content. Finally, XRD measurements have shown that by providing energy, annealing at 350°C induces the relaxation of the epi-Si structure, thus the apparition of defects, confirmed by TEM and low temperature PL.
Cette thèse a pour objectif l’évaluation de l’épitaxie de silicium à basse température (< 200°C) par RF-PECVD, en tant qu’alternative à la diffusion pour la formation de l’émetteur d’une cellule solaire à base de silicium cristallin (c-Si). La croissance par épitaxie de couches intrinsèques, de type n et de type p sur des substrats de c-Si (100) a été confirmée par ellipsométrie. Étonnamment, les couches dopées de silicium epitaxié (epi-Si) présentent un paramètre de maille hors du plan supérieur à celui du substrat, et sont totalement contraintes. Des concentrations en bore et phosphore de 3 et 3,5.1019 at/cm3, respectivement, ont été obtenues d’après des mesures SIMS. Cependant, lors de la croissance des couches, des complexes B-H sont formés et un recuit est nécessaire pour activer les atomes de bore. Après recuit, une efficacité de dopage de 60% est démontrée, avec une mobilité de l’ordre de 20 cm2/Vs. Nous mettons également en avant une corrélation entre l’évolution après recuit de la structure, des propriétés électriques et de la concentration en hydrogène. Finalement, des mesures DRX ont montré que l’énergie fournie par un recuit à 350°C induit une relaxation de la structure des couches epi-Si, et donc l’apparition de défauts, confirmée par TEM et mesures PL à basse température.
Domaines
Matériaux
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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