Ingénierie de défauts liés à l’hétéroépitaxie de Ge sur Si: Substrats virtuels à base de germanium poreux pour le photovoltaïque

Abstract

L'électricité d'origine photovoltaïque constituera une composante majeure des apports énergétiques domestiques dans les prochaines décennies. Aujourd'hui et malgré des rendements records, le coût des cellules solaires à base de matériau III-V sur germanium (Ge) est toujours trop dispendieux pour démocratiser cette technologie au niveau grand public. Le prix du substrat de Ge s’élève à plus de 50 % du prix de la cellule au complet alors que moins de 1% du substrat de Ge constitue la zone active du composant où le courant est généré. Une alternative serait donc d’intégrer une couche épitaxiale de Ge sur un support mécanique ou un substrat semi-conducteur à faible coût comme le silicium. Cependant, l’épitaxie de Ge sur substrat de Si présente des barrières physiques et technologiques. Le fort désaccord en paramètre de maille (4,2%) engendre des dislocations et contribuent majoritairement à dégrader le rendement des cellules. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé de nouvelles architectures de substrat virtuels de germanium-sur-silicium à base de porosification électrochimique. Les dislocations sont éliminées de la couche épitaxiale par un procédé de nano structuration thermo-électrochimique, permettant de créer une barrière de nano-cavités qui piège les dislocations. Le procédé de fabrication de ces substrats virtuels répond aux critères industriels : Monocristallins en surface, exempts de défauts, epi-ready et réalisés sur des substrats de grande taille par un procédé faible coût. La densité de dislocations moyenne est réduite de plus de trois ordres de grandeur, de ~ 107 cm-2 à ~ 104 cm-2 pour des couches de Ge de 1,5 μm d'épaisseur, ce qui est considéré comme très faible pour une couche épitaxiale aussi mince. L'utilisation de ces procédés simples, par anodisation électrochimique et recuit thermique adéquat, s’est révélée très efficace et innovante permettant de réduire significativement le coût des cellules photovoltaïques à base de matériau III-V sur substrat silicium, ainsi que leurs intégrations probables dans le marché grand public.