TECHNIQUE DE PHOTO-DECOMPOSITION DU SILANE POUR L ELABORATION DE COUCHES MINCES DU SILICIUM AMORPHE HYDROGENE

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1 TECHNIQUE DE PHOTO-DECOMPOSITION DU SILANE POUR L ELABORATION DE COUCHES MINCES DU SILICIUM AMORPHE HYDROGENE H. EL HARTITI 1,2, A. BARHDADI 1, N. M GAFAD 1, S. KARBAL 1, M. CHAFIK EL IDRISSI 2 1 Laboratoire de Physique des Semi-conducteurs et de l'energie Solaire (P.S.E.S.) et UFR de Physique de la Matière Condensée et Modélisation Statistique des Systèmes. Ecole Normale Supérieure, BP. 5118, Takaddoum, Rabat-10000, Maroc Tél : +212 (0) / , Fax : +212 (0) abdelbar@fsr.ac.ma 2 Laboratoire de Physique des Surfaces et Interfaces (L.P.S.I.) Faculté des Sciences, Université Ibn-Toufaïl, PB. 133, Kénitra

2 RESUME Dans ce travail nous présentons une nouvelle méthode d élaboration de couches minces de silicium amorphe hydrogéné de bonne qualité en utilisant pour la première fois au Maroc la technique de photo-décomposition Hg-photo-CVD. Dans ce nouveau procédé, que nous développons dans notre laboratoire, la décomposition du gaz silane ou un de ses dérivées nécessite une photo-sensibilisation par le mercure. Ce dernier, en absorbant la lumière par résonance se trouve dans l état excité où il est très instable. Il va donc transmettre son énergie par collisions à une molécule SiH 4 lui permettant ainsi de se décomposer. L incorporation d atomes d hydrogène pendant le processus de dépôt conduit à une bonne amélioration des propriétés des couches minces déposées. Celles ci serviront de matériau de base pour la réalisation de photopiles très convenables pour la conversion photovoltaïque à usage terrestre.

3 INTRODUCTION Le silicium amorphe hydrogéné (a-si-h) est un matériau semiconducteur utilisé dans de nombreuses applications électroniques telles que la conversion photovoltaïque de l énergie solaire, les transistors à effet de champs, la reprographie, les tubes lecteurs d'images, les photo-détecteurs rapides etc Il existe plusieurs techniques pour la préparation des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-si:h) parmi lesquelles nous citons la pulvérisation cathodique, la décharge luminescente, l'évaporation thermique, et la déposition chimique photo-assistée en phase vapeur (Chemical Vapor Photo- Deposition). Ces dernières utilisent l effet des photons pour induire la décomposition d'un gaz réactif sans avoir recours aux techniques classiques de plasma. Ce qui évite les dommages engendrés lors du dépôt par les espèces chargées. D'où notre choix de la technique Hg-Photo-CVD dont l'utilisation dans des conditions optimales de dépôt permet de préparer des couches de a- Si:H de très bonne qualité. Les cellules solaires à base de telles couches assureront une très bonne conversion photovoltaïque à des prix convenables.

4 OBJECTIFS Les objectifs visés à travers notre programme de recherche sont les suivants: Mise au point d'un dispositif technologique nouveau au Maroc permettant d'élaborer des couches minces de a-si:h, par la technique Hg-Photo-CVD. Etalonnage du dispositif et optimisation des conditions expérimentales de dépôt des couches. Préparation de couches minces de a-si:h de bonne qualité photovoltaïque, dans les conditions optimales de dépôt prédéfinies, afin de pouvoir améliorer le rendement des cellules solaires que l'on peut réaliser sur ces couches. Recherche d une méthode de récupération et de recyclage de l'hydrogène formé, et du silane non décomposé. Réussir un transfert technologique à faible coût.

5 PROCEDURE DE LA PHOTO-DEPOSITION La première étape du déroulement de la technique Hg-Photo-CVD est d'effectuer dans le réacteur un vide poussé afin d'éviter la formation d'oxyde de silicium. Ensuite le monosilane SiH 4 (couramment appelé silane) non dilué est introduit dans le réacteur contenant du mercure. Le silane n'absorbe que les radiations de longueur d'onde inférieure à µm, donc il ne peut être excité par une lumière incohérente émise à µm. Néanmoins, son activation, et par conséquent sa décomposition à cette longueur d'onde, peut avoir lieu en présence d'un sensibilisateur tel que le mercure. Le mélange gazeux résultant de la photolyse de SiH 4 est constitué principalement d'hydrogène, du disilane et du silane non décomposé, avec quelquefois une infime quantité de dérivés supérieures du silane (Si 3 H 8, Si 4 H 10, ). La différence des points de liquéfaction des constituants du mélange gazeux est mise à profit pour la mesure de leurs pressions partielles. Un gaz tel que l'azote (N 2 ) est utile pour purger l'enceinte au moment de l'évacuation des gaz. La pression est mesurée par un manomètre placé au-dessus du réacteur. Les substrats de verres utilisés doivent être dégraissés et bien nettoyés avant leur introduction dans le réacteur de dépôt. Ceux de silicium monocristallin, de qualité poli-optique, doivent être traités dans une solution d'acide fluorhydrique afin d'éliminer la couche d'oxyde native à la surface du silicium.

6 PROCESSUS DE PHOTODECOMPOSITION Les réactions chimiques expliquant les différentes étapes de photo-décomposition du silane jusqu'à la formation de a- Si:H sont réparties en deux processus: Processus primaire A l'état initial le mercure est à l'état fondamental ( 1 S 0 ). En absorbant la lumière par résonance, il se trouve dans un état excité ( 3 P 1 ) où il est très instable. Il transmettra donc son énergie (E Hg * - E Hg ) par collisions à une molécule SiH 4, lui permettant ainsi de se décomposer comme suit : Hg ( 1 S 0 ) + hν (0.254 µm) > Hg * ( 3 P 1 ) Hg * ( 3 P 1 ) + SiH > SiH3 + H + Hg ( 1 S 0 ) Processus secondaire Ce processus est expliqué par les réactions suivantes : H + SiH > SiH 3 + H 2 SiH 3 + SiH > SiH 4 + SiH 2 SiH 4 + SiH > Si 2 H 6 H + Si 2 H > SiH 4 + SiH 3 H 2 + SiH > SiH 4 SiH 2 + paroi > a-si:h SiH 3 + paroi > a-si:h n(sih 2 ) + paroi > n(sih x ) + n(1-2 x )H 2

7 2 1) SiH 4 N 2 H (1) Reflecteur (2) Lampes à vapeur de mercure à faible pression (3) Réacteur à quartz (4) Vanne d étranglement (5) Thermocouple (6) Substrat (7) Support (8) Thermocoax (9) Thermomètre (10) Mercure liquide (11) Bain marie (12) Vanne (13) Groupe de pompage (14) Pompe primaire (15) Pompe Secondaire Schéma du montage du dispositif expérimental de la technique Hg-photo-CVD

8 DESCRIPTION DU SYSTEME Le système Hg-Photo-CVD est composé de plusieurs parties: Réacteur Le réacteur est un tube en quartz de forme cylindrique, d'environ 5 cm de diamètre et 50 cm de longueur. Réservoir Le réservoir contient le mercure (Hg) qui peut être chauffé indépendamment du reste du système. Le Hg joue le rôle de photosensibilisation de la réaction à l'intérieur du réacteur. Porte substrat Le porte substrat, peut être en acier inoxydable ou en carbone graphite. Sa température est variable. Système de pompage Le système de pompage est composé de deux pompes: Une à palette utilisée à la fois pour obtenir un vide primaire et pour purger le contenu gazeux du réacteur. L'autre est à diffusion; elle permet d'obtenir un vide secondaire très poussé. lampes à vapeur de mercure

9 Coefficient d absorption du a-si:h. Comparaison avec d autres matériaux semiconducteurs utilisés pour la conversion photovoltaïque

10 CONCLUSION Dans ce travail nous avons décrit une technique de dépôt des couches minces de a-si:h. Elle fait partie de la famille des méthodes de déposition photo-assistée. Ces dernières consistent en une décomposition d'un gaz réactif par des photons sans avoir recours aux techniques de plasma ; ce qui élimine les dommages engendrés lors du dépôt par les espèces chargées. Les lampes à vapeur de mercure ont été utilisées comme source d'excitation en raison de leur prix moins chère. Le processus de photo-décomposition du silane ainsi que les différentes réactions qui peuvent avoir lieu lors de sa photo-décomposition ont été présentées. Celles-ci montrent que le gaz n'est pas totalement consommé, mais plutôt reformé au cours du processus chimique. L'optimisation des paramètres de dépôt par la technique Hg-Photo-CVD permet l'élaboration de couches minces de a-si:h de très bonne qualité photovoltaïque. C'est une des raisons principales pour lesquelles nous avons ciblé notre choix sur la mise au point de cette méthode de déposition dans notre programme recherche.