Bouaké Soutenue le 12 Juillet 1983 devant la Commission d'Examen

ACADËMIE DE MONTPELLIER
UNIVERSITE: DES SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC
THESE
présentée à l'Université des Sciences et Techniques du Languedoc
pour obtenir le grade de Docteur de 3ème Cycle
PHYSIQUE DES SOLIDES
ELABORATION ET ETUDE D'HOMOJONCTIONS n+p AU Ge ET A L'ALLIAGE Get_xSix
EN VUE DE LEUR INCORPORATION DANS UNE PHOTOPILE SOLAIRE MULTISPECTRALE
par
FOFANA Bouaké
Soutenue le 12 Juillet 1983 devant la Commission d'Examen
JURY G. BOUGNOT Président
J.P. NOUGIER
C. VERIE
P. CARRARA
A. GOUSKOV
D. ETIENNE
ATELIER DUPLICATION
- U.S.T.L. -

Â. mon très cher père,
A fa mémoire de ma mère,
A tous mes proches, parents et amis

Ce travail a été effectué au Centre d'Electronique de Montpelfier
de l'Université des Sciences et Techniques du Languedoc, sous la direction
de Monsieur le Professeur G. Bougnot. Qu'il trouve ici j'expression de ma
profonde gratitude pour l'accueil qu'il m'a réservé dans son laboratoire
pour l'aide matérielle qu'il m'a sans cesse apportée au cours de ce travail
et pour avoir accepté de présider mon jury d'examen.
Je remercie vivement Monsieur C. Vérié, Maître de Recherche au
C. N.R.S. Meudon, Sophia Antipolis et chef du projet "Photopiles arc-en
ciel" pour m'avoir fait l'honneur de sa présence à monlury.
Je remercie vivement Monsieur P, Carrara, Professeur de Physique
à l'Université Nationale de Côted'Ivoire, pour m'avoir proposé et aidé
à poursuivre mes études hors de mon pays, et pour m'avoir fait l'honneur
de parti c i per à mon jury.
de mon jury.
Je remercie Monsieur J. P. Nougier qUI a accepté de faire partie
MonsieurD. Et i en ne m 1 a pr 0 d igué 1es pr e mie rs consei 1s au cours
de l'année de D. E.A. et a bien voulu co lIcbore r avec moi durant mon
séjour au laboratoire, Qu'il en soit vivement remercié.
Tous les problèmes techniques soulevés par le présent travail ont
été résolus avec la participation active de Monsieur A. Gouskov. Qu'il
veuille bien recevoir ici l'expression de toute ma reconnaissance et mon
amiti é.
Je tiens à remercier tout particulièrement Madame J. Bougnot
pour sa collaboration étroite à le mise ou point du chapitre III, à
Messieurs B. Rezig et A. Dhouib pour leur participation à mes recherches,

Je voudrais remercier tous les .chercheurs et techniciens du
Io boro toi re qUI ont pu dans diverses occasions m'apporter leur coJ­
lc boro ti on , Je pense notamment à Madame Coronato, Messieurs P.
Cc nce l , J. Lyonnet, et à mes coJlègues N. Achargui et B. Abidri.
Je dois la dactylographie de ce texte et la présentation des
fi gures à Mademoise Jle F. Guen ter et à Madame Coron ato res pecti vem en t .
Qu'eJles en soient chaleureusement remerciées.

lV.2 - Résultats expérimentaux 66
IV.2.'l - Réponse spectraTe 66
IV.2.2 - Courant tension sous é c lo ir ernent et
rendement énergétique 68
IV.3 - Etude expérimentale et théorique de T'infTuence
de ra profondeur de jonction 72
90
CONCLUSION

l
INTRODUCTION
Le coût de l'énergie électrique obtenue par conversion photo­
vo l to I'qu e de l'énergie solaire s'exprime par la relation générale (1)
C
=
où K est le
IJ 5 t
K/X + K' + IJ 5 t
A p IJ
2 de la photopi le
prl x au m
X, le facteur de co n c e n trati on de l'énergie solaire
K' , le pri x au
2
m des sys tè rnes annexes
1) ,
le rendement énergétique de la photopile
le prix au m 2 du stockage
A PIJ, l'énergie électrique fournie par m 2 de photopile.
Actuellement avec les photopiles o u i s i l i c i um monocristallin C atteint
des valeurs de l'ordre 1,5 F/kWh soit 10 fois plus que les sources clas­
siques d'énergie électrique.
Le prix du stockage et des systèmes annexes étant peu compres­
sibles, les travaux en vue d'abaisser le prix de l'électricité photovol­
tc î qu e se poursuivent dans deux directions
- La filière couches minces où on cherche à réduire K.
- La filière à concentrations où X est augmenté.
Mais dans les deux cas, le rendement T} doit être aussi élevé que
possible. Dans la filière couches minces les meilleurs rendements obtenus
avec les photopiles Cu 2S/CdS sont inférieurs à 10%
7,5% pour les cellules fabriquées par pulvérisation chimique réactive
(ou spray) (C. E.M. Montpellier, Photon Power)

2
9,2% pour les cellules fabriquées par évaporation (I.E.R. Delaware,
Université de Stuttgart)
10% pour les cellules sérigraphiées (Matsush..ita - Japon)
Dans la filière à concentration, un rendement de 1'ordre de
25% a été obtenu sur une cellule GaAs pour x = 180 (Varian).
Cependant sous concentration, des rendements plus élevés peuvent
être espérés avec des photopiles dites multicolores (2, 3, 4). Rappelons
qu lun e photopile multicolore (ou multispectrale) est constituée de
l'association en série de plusieurs cellules - soit en un empilement
monolithique, soit séparées - utilisant chacune d'une manière optimale
une partie différente du spectre solaire.
Un rendement de 28,5% a été réalisé par Varian avec l'as­
sociation Si/GaAIAs avec miroir dé c hr o Tqu e . Dans cette optique,
plusieurs laboratoires français (LAAS-Toulouse; LPM-INSA Lyon; GPS
CNRS Valbonne, CEM-Montpellier) ont rassemblé leurs efforts en vue
d'étudier la faisabilité de la photopile à 3 éléments GaAIAs/GaAs/Ge
avec le support de l'A.F.M.E. et du P.I.R.S.E.M .. Avec cet ensemble,
un rendement effectif de 33% peut être atteint (5). par ailleurs un
calcul (6) montre que pour le système utilisant pour matériau à grand
"gap" GaAs, un rendement théorique de 33% pouvait être atteint avec
un matériau ayant une bande interdite de 0,85 eV; ce matériau pouvait
être le germanium ou mieux l'alliage Gel Si. En effet pour x = 0,02,
-x x
Gel Si a une maille cristalline accordée à celle de GaAs (7) et

3
Références Introduction
(1) M. Rodot, M. Barbé et J. Dixmier, Revue de Physique Appliquée
tome 12, p. 1223 (1977)
(2) Glenn W. Masden, Charles E. Backus, I.E.E.E. Photovoltaic
Specialists Conference, p. 853 (1978)
(3) A. Bennett and L.C. Olsen, I.E.E.E. Photovoltaic Spe c i o l is ts
Conference, p. 868 (1978)
(4) J.A. Cape, J.s. Haris, Jr And R. Schc i , I.E.E.E. Photovoltaic
Spe c i o Iis ts Conference, p. 881 (1978)
(5) C. Vérié, Rapport projet photopile "arc-en-ciel" (1979)
(6) A. Laugier, J.J>. Roger "Les photopiles solaires", Edité par
Techniques et Documentations, Paris (1981)
(7) Papageorgiou, thèse de 3ème cycle, Paris VI (1981
(8) R. Braunstein, A.R. Moore and F. Herman, Phys. Rev.109 (1958)

4
Chapitre
FA.BRICA TI 0 N de LI N GOTS tvI 0 N OCRIS TALLI NS
de GERMANIUM et d'ALL\AGE Gel_xSi x
1. l - CON SI D ERA TI 0 N 5 GE NERA LES
Le germanium est un matériau à structure diamant comme le
o
silicium. Sa maille cristalline est de 5,6575 A.
La solution solide Gel Si existe en toutes proportions
-x x
conformément au diagramme de phase représenté sur la figure 1. l réf.
(1 ); e Il e prés e n te é gal e men t une s tru cture dia man t a ve c u n pa ra mè tre
cristallin qui varie presque linéairement avec la composition x (Fig.
o
1.1 réf. (2)). GaAs ayant un paramètre cristallin de 5,6534 A on
doit s'attendre à un accord de maille avec Gel Si pour x = 0,018.
-x x
Une mesure effectuée par Papageorgiou (réf.3) sur des couches de
Gel Si
-x x
é p i to x i é es sur GaAs par diffraction de rayons X, a fixé à
x = 0,017 cette valeur. Par ailleurs le désaccord de maille de Ge
par rapport à GaAs est 6.a =
a
7. 10-4.
1.2 - tvlONOCRISTA.LLISATION
Le but recherché est le contrôle de la concentration et de
l'homogénéité \t.n silicium.
De nombreuses techni qo es de monocristal1isation ont été mises
en oeuvre pour élaborer des monocristaux de Gel_xSi x (réf.4,5, 6,7,8).

6
. Pour notre part, et compte tenu du fait que nous nous limitons aux
solides riches en germanium (x IV 0,02) nous avons essentiellement
retenu la méthode Czochralski décrite par Ouertani (9) qui utilise un
appareil LPA à en.c e i n te transparente de quartz sous gaz hydrogène à
la pression atmosphérique, Son application au Gel Si pose néan-
-x x
moins des problèmes: Je premier, dû à la ségrégation élevée du sili-
cium entre la phase liquide et \a phase solide conformément au dia­
gramme de phase figure 1.1, est l'existence d'un gradient de compo-
sition dans
importante
le lingot obtenu; le second, dû à
entre le Ge et le Si (6. a = 0,04),
a
la différence de maille
es t 1a d iHi cul té de
monocristalliser avec un germe de germanium. C'est pourquoi nous
avons réalisé une modification importante du creuset de ]lappareil de
tirage afin de se placer dans des conditions proches d'une croissance
par fusion de zone. R. Ouertani (9) donne en détails les ccro c té r is>
tiques du tirage. Notons simplement que la croissance s'opère en
atmosphère d'hydrogène à 99,995% débarrassé de l'oxygène et de l'eau
résiduels par une cartouche "oxysorb". Les matériaux germanium et
silicium ont une pureté 6N initiale que l'on essaie de préserver au
mieux au cours des pesées et par un dégazage sous vide des creusets
avant manipulation.
l , 2, l - Cre uS e t
Le creuset est fabriqué en graphite de haute pureté, Il est
constitué de trois pièces cylindriques coaxiales Cl' C 2, C 3 pouvant
se translater l'une par rapport à l'autre,(Fig,I.3), Cl est la partie
supérieure constituant un réservoir R
l
de diamètre 30 mm et de
hauteur 3mm fixé par trois tiges en acier inoxydable, C
2
la partie
inférieure constitue le réservoir R 2 où se place la charge de germanium
et de silicium dans les proportions désirées, Elle est fixée Cl la broche
de la tête basse de "appareil de tirage. C 3 est la partie intermédiaire
retenue par Cl et C 2 et constitue le réservoir R 3. C 3 comporte dans
son axe une tige percée d'un trou de O,6mm de diamètre' mettant R l
en communication avec R 2, R 3 est le réservoir de charge de germanium
pur. R l et R 3 communiquent par un orifice de diamètre 3mm.

R 1
filat ion
de Cl
translations
de C2 C 2
(
L,..Le; "D" é
" \
l é me nr s Cl' C, N C 3 do c reu se t
-----*Schéma du creuset utilisé pour la monocristallisation
de Ge Si par tirage Czochra Isk i,
1- x x

8
Lorsque les charges sont fondues, la translation de C de bas
2
en haut par action de le broche de la tête basse fait d'abord remonter
le contenu de R 3 (germanium pur) vers R l, puis lorsque R 3 est vidé de
son contenu, la solution de germanium-silicium du réservoir R 2 remonte
à son tour vers R l. Cet ordre d'apparition des contenus de R 3 et R 2
dans R l est imposé par la différence des diamètres des orifices de
communication de ces réservoirs avec R l: Le réservoir R 2 ne peut se
vider dans R l que sous l'effet d'une poussée importante du fait des
tensions superficielles de la masse fondue. Le retour de R l
vers R 2
est impossible par rupture de la colonne liquide, tandis que R l et R 3
communiquent librement dans les deux sens.
La précision des débits des liquides de R
2
et R
3
vers R
l
tient
à la précision de la translation de la tige basse de l'appareil de tirage
stabilisée àl/lOOmm par heure.
1.2.2 - Mode opératoire
Nous avons vu que le creuset de tirage est un réservoir R l
contenant un volume V l de germanium pur à partir duquel commence
la monocristallisation. Au fur et à mesure de la croissance, le réservoir
R l s'alimente en germanium fondu à partir du réservoir R 3 de telle
sorte que \0 masse solidifiée soit compensée.
Le cristal grossit à partir du germe sous forme d'un cône.
Lorsque le rayon du cristal atteint la valeur souhaitée, on arrête
le grossissement pour continuer à tirer un cristal cyl indrique de rayon
constant. Après épuisement du réservoir R
3,
le troisième réservoir, R
2,
fournit la charge fondue et homogène de formule Gel Si
-x x
1.3 - COMPARAISON AVEC LA THEORIE
Dans la théorie de la fusion de zone, on montre que si f est
la vitesse linéaire de solidification conduisant à une vitesse volumique
f = TT r 2 f, la variation de la concentration en silicium dans le
V
réservoir R l par unité de temps est donnée par la relation:
(1 )

Fig. 1-5 Lingots monocristallins de Ge 1_x Six avec o( x(O,03 obtenus
par tirage Czochralski à partir du creuset décrit au 1-2-1
a- cristal CZ2
b- cri stal CZ3
a

12
La détermination de la composition réelle en silicium le long
des lingots est faite aux rayons X en admettant la loi de linéarité de
la maille cristalline en fonction de la fraction de silicium.

14
Références chapitre
(1) V.H. Sttshr et W. Klemm, l. Anorg. Allgem. Chem., 241,313
(1939)
(2) J. P. Dismukes, L. Ekstrom et R. J. Paff, J. of Phys. Che rn . 68,
3021 (1964)
(3) G. Papageorgiou, thèse de 3ème cycle, Université Pierre et Marie
Curie, Paris VI (1981)
(4) V. G. Fomin et O. V. Bogorodskii, Soviet Physics, Kristallografia,
6, 199 (1961)
(5) 5.1. Tairov, V.I. Tagirov, M.G. Shakhtakhtinskii et A.A. Kuliev,
Phys. Sov. Kristall. 10 (1966)
(6) L. Davis, C.A. de Mars, Bull. Pom. Phys. Soc 29, 4 (1954)
(7) N.V. lhimskaya, l.l. Kiriashkina et V.A. Maslov, Kristallografia
6, 3, 455 (1961)
(8) E.R. Johnson et S.M. Christian, Phys. Rev. 95,2,560 (1964)
(9) R. Ouertani, Thèse de 3ème cycle, Montpellier 0981)

et l'équation (5) donne
17
où a = es t la pen te de la droi te e. = f(Jt)
J
Il.1.2 - Dispositif expérimental et procédure de diffusion
Nous avons préféré effectuer la diffusion en tube scellé sous
vide pour éviter l'oxydation du germanium. C'est une technique pra-
tiquée depuis le début de la technologie planar (3) La source
d'arsenic est constituée d'arsenic élémentaire en large excès disposé
à l'une des extrémités d'une ampoule de quartz. Celle-ci est préala­
b 1e men t déca pé eau mé 1a n g e suif0 c h rom i que, r i n c é e à l' eau dés ion i sée
et dégazée sous vide primaire à 600°C. Les plaquettes de Ge ou
Gel Si de 300 um d'épaisseur après découpe en carrés de 7x7 mm 2
-x x r
et polissage (alumine l JJm) ont subi un polissage chimique avec
le mélange H 2 0 2-HF-H2 0 (1:1 :8) qUI attaque le matériau donnant
une surface brillante mais où sont révélées les figures d'attaques; la
figure Il.1 représente la cinétique d'attaque et les figures d'attaque.
J près décapage, rinçage E:t séchage les plaquettes sont intro­
duites dans l'ampoule en quartz. Celle-ci comporte un étranglement
destiné (,; localiser la source d'arsenic et mesure environ 40 cm de
-6
longueur; le tube est alors scellé sous un vide de 10 Torr. Un
thermocouple de contrôle est fixé sur le tube au niveau de la sco r c e
d'arsenic. L'ensemble est introduit dans un four à deux zones à tem-
pératures régulées; ce dernier est en réalité formé de deux fours
accolés d'axe commun (Fig; Il.2). Des expériences précédentes réalisées
avec un faible écart de température entre source et échantillon avaient
donné des plaquettes présentant des dépôts noirâtres en surface pro­
venant soit d'un dépôt d'arsenic solide, soi-t de la formation d'un
alliage avec le germanium; il en résultait une diffusion inhomogène.
Ces phénomènes ont été éliminés en portant la source d'arsenic à
des températures bien plus basses (200.- 400°C). Par contre la dif­
fusion étant thermiquement activée, les plaquettes doivent être
(8)

6
5
4
3
2
OIL- -.-- .......... --+-__+--....I t15)
o
50
100
150
Cinétique d'attaque de Ge et GeSi par la solution
H 202 - l HF - 8 H 20
Etat de la surface aprés attaque.
Fig. Il.1.

19
maintenues à température élevée (600 - 700°C). Une telle différence
de température impose alors l'existence de deux fours et d'une enceinte
de diffusion longue. Le profil de température typiquement imposé est
représenté sur la figure Il.2. La température est uniforme au niveau
des plaquettes sur une longueur de 12 cm à mieux qu'un degré et elle
est constante à 0,5°C près. En réalité l'ensemble constitué par les
deux fours est mobile sur un chariot et c'est l'ampoule qui est main­
tenue en position fixe sur une tige liée au bâti. L'enfournement est
ainsi rapide et l'équilibre des températures est atteint au bout de
10 minutes; la durée de diffusion est comptée à partir de cet instant.
Après diffusion, la surface des plaquettes doit rester brillante
si non la manipulation est inexploitable. On s'assure par ailleurs à
la pointe chaude du changement de type en surface.
Nous avons fait varier les paramètres de diffusion suivants:
- Durée de diffusion: 1, 4, 16 et 64 heures,
- Température de diffusion; 600°C et 700°C,
- Température de la source d'arsenic: 200,250,365 et 400°C,
pour des échantillons de germanium et d'alliages Gel Si à x < 0,03.
-x x
Il.1.3 - Analyse des expériences de diffusion_
L'ob je c t if essentiel de cette analyse est de déterminer l'in-
fluence des conditions expérimentales de diffusion sur la profondeur dct.lt.ljCIHticV\
N-P obtenue et sur le dopage de la couche diffusée. Ces deux para-
mètres [o o e n t en effet un rôle essentiel sur le rendement énergétique
de la photopile. La première étape consiste donc à mesurer la pro-
fondeur de la jonction.
Il.1.3.1 - Détermination de la profondeur de la jonction
Plusieurs méthodes ont été essayées pour révéler la jonction.
Ouertani (4) utilisait soit l'attaque chimique HF-HN0 3 (50:1) nor­
malement employée pour le silicium, soit la variation du courant
induit par le faisceau d'électrons d'un microscope à balayage (EBIC).
Ces méthodes se sont avérées moins efficaces et moins précises que
la révélation par dépôt électrolytique de cuivre suivie d'une mesure

fa ce n
'.
8 g,outtelette
d'électrolyte
e i N couche diffusée
p
dépôt de cuivre
Fig. Il.3. Coupe en biseau et dépot de c u r v r e pour la révélation
d'une jonction p-n ou germanium.

22
interfér ométrique proposée par Glang (5).
La révé lotion de la jonction sur un biseau est rêal isé dans la
p l c q u e t te par polissage afin de bénéficier d'un effet d'amplification
des dimensions. Pour un angle e de biseau (Fig. Il.3), la longueur
dans le plan d'observation est reliée à la profondeur de jonction
e. par
1
e.::: 1. tg e .
J
Le biseau est réalisé sur une arête de chaque plaquette par un rodoir
cylindrique en bronze construit au laboratoire (Fig. Il.4).
On utilise comme électrolyte un mélange de sulfate de cuivre
(Cu S04' 5H 2 0 ), d'eau et d'acide fluorhydrique dans les proportions
20 g - 80 cm 3 - 1 cm 3. HF a pour effet de rendre conductrice la
solution et de dissoudre les oxydes superficiels. Une goutte d'élec­
trolyte est déposée sur le biseau (voir Fig. Il.3) et on applique une
polarisation inverse continue de 10 volts entre deux pointes mises en
contact avec deux parties différemment dopées} le cuivre se dépose
ù la cathode délimitant ainsi la trace de la jonction sous la goutte.
La limite du dépôt de cuivre est observée au microscope
métallographique équipé d'un objectif interférenciel éclairé en lumière
sensiblement monochromatique de longueur d'onde :\ ::: 0,581 }lm. Le
biseau constituant un coin d'air, la mesure e. s'effectue à ['instar
J
des épaisseurs de lame d'air. On utilise la relation:
e. =
J
--L
2
P
où P est le nombre de franges que coupe une ligne perpendiculaire
à la trace de la jonction (photo 2).
Nous avons regroupé sur le tableau l, les profondeurs de
jonction mesurées en fonction des conditions expérimentales de dif­
fusion.

Nature n" Composition
Ge
!
(%)
24
TABLEAU 1
CARACTERISTIQ UES DE DIFFUSION
p
o
(
-·3
cm )
Tdiffusion
(OC)
i
T sou rce
(OC)
13 0 5510 16
,
700 350
25 0 - 700 350
Ge ,
2.10 16
! 46 0 600 400
45 - - _. _.
48
_.
- - -
47 !' _. _. -. -
, 0 5,5.10 16
600 250
, - - -. -
i
-
_. _. -.
t
(heure)
e. J
( J.Lm)
2 4,00
16 16,00

et

31
Il.2 - ELABORATION D'HOMOJONCTION PAR IMPLANTATION D'ARSENIC
Il.2.1 - Rappels théoriques
Lorsqu'un ion incident d'énergie cinétique E pénètre dans
un matériau, il perd progressivement son énergie par "choc" avec
les noyaux ou les électrons périphériques des atomes de la matrice.
Il finit donc par s'arrêter après un certain parcours dans la matière.
Compte tenu du fait que le nombre de collisions par unité de longueur
de trajet- et l'énergie perdue par collision sont des grandeurs aléatoires,
les parcours des Ions d'un faisceau incident se répartissent autour d'une
va leur moyenne,
la surface.
R , appelée parcours projeté ou perpendiculaire à
p
La distribution des parcours projetés peut être calculée pour
des cibles amorphes par diverses méthodes (équation de transport de
Boltzmann ou techniques de Monte CorTo), mais la méthode la plus
couramment utilisée est celle développée par Lindhard, Scharff et
Schitt (8), et couramment appelée LSS. Cette méthode permet de
calculer le parcours moyen R et l'écGrt quadratique moyen .1R
p P
en fonction de l'énergie du faisceau et de la· nature du couple ion
implanté-matériau cible; la distribution de la densité d'ions implantés
est une gaussienne donnée par
où D
o
est le nombre d'ions arrivant par unité de surface de cible
ou dose implantée.
Il.2.2 - Conditions d'implantation
Les implantations d'arsenic dans des plaquettes de Ge ont été
effectuées à l'aide de ]'implanteur de la C. G. E. à Marcoussis en
utilisant l'expérience acquise pour J'élaboration de photodétecteurs au
germanium. L'axe [lllJ des échantillons fait un angle de r par
rapport a la direction d'indidence des faisceaux d'ions. L'énergie du
o
faisceau est de 80 keV, ce qui fixe les valeurs de
o
et de.1R à 325,A (9).
P
(10)
R à 700 A
p

36
Références Chapitre Il
(.1) Y. Adda, La diffusion dans les solides, Tome Il, Presses Univer-
s i ta ires de France, 1966
(2) W.C. Dunlap, Phys . Rev. Vol. 94, n06, 1531 (1954)
(3) C.S. Fuller et J.A. Ditzenberger, J. App l , Phys. 25, 1439
(1954)
(4) R. Ouertani, Thèse de 3ème cycle, Montpellier (1981)
(5) R. Glang, J. of Eleetrochem. Soc • , Vol. 107, n04, 356 (1960)
(6) G,F, Foxhall et L.E. Miller, J. Electrochem. Soc., 698 (1966)
(7) S.M. Sze, Physics of Semiconduetor Deviees, 2ème édition,
J. W. Willey and Sons (1981)
(8) S. Lindhard, M. Scharff, H. Schitt, K. Dan. Vidensk. Selsk.
Mat. Fys. Me d d ., 33, l, (1963 )
(9) B. Smith, Ion implantation range data for Si and Ge devices
technologies, Oxford (1977)
(10) J. W. Mayer, L. Eriksson et J.A. Davies, Ion implantation in
Semiconductors (Si and Ge) - Academie Press, New York (1970)
J. W. Mayer, L. Eriksson, S. T. Picraux et J.A. Davies, Cano J.
of Phys., 46, 663 (1968)
(11) S.M. Sze, Physics of Semiconductor Deviees, Second Edition,
p. 33 (1981)

41
III. 1.3 - Mesure et étude du courant d'obscurité
111.1.3.1 - Réalisation des contacts
Les contacts ont été entièrement réalisés dans les laboratoires
de la C. G. E. ù Marcouss is sur nos plaquettes de Ge et de Gel Si.
-x x
Les dépôts métaTliques sont effectués par pulvérisation cathodique
(sputtering) après décapage ionique des faces dopés n (back sputtering)
en vue d'cméTiorer T'adhérence. L'opération a lieu sous atmosphère
d'argon et l'énergie d'ionisation est fournie par un générateur HF. Sur
Ta face crrière l'or a été systématiquement déposé, puis recuit à 365°(
(température de l'eutectique Au-Ge) pendant deux minutes. Sur la
face avant deux métaux ont été déposés sans recuit ultérieur: l'or (4)
et l'aluminium (5). Seuls les contacts è. l'or se sont avérés ohmiques
dans les domaines de tensions explorés. (es contacts avant ont la
forme représentée sur la figure 111.1 a. Une procédure classique de
photogravure a été mise en oeuvre à la C. G. E. Le masque correspon­
dant a été m is au point et fourni par le L.A.A.S. (Fig. 111.1b).
Au laboratoire, chaque cellule élémentaire de 7x7
2
mm est
découpée soit à la scie à fil (échantillons diffusés), soit au scr i be r
(échantillons implantés). La face arrière est collée à la laque d'argent
sur une plaque de circuit imprimé. Le contact avant est assuré par
un fil de cuivre étamé et collé à la laque d'argent également.
Après cette procédure les caractéristiques courant-tension de
ces cellules présentaient des formes très dégradées avec notamment
des courants inverses très importants (Fig. 111.2). (es caractéristiques
ont été très nettement améliorées en formant une MESt autour du
contact face avant. Pour cela, deux techniques ont été utilisées:
* Soit Ta photolithographie avec Le masque représenté (Fig.
III. le) obtenu par réduction photographique d'un dessin. Les données
techniques sont les suivantes:
- Résine positive shippley t.Z 1350 J (3000 tr/mn/ZIYs)
- Recuit à 90 0 ( (20 mn)
- Exposition 60 s.

,'-
Fig. Ill. J o. Série de contacts avant sur la plaquette 7 .
Fig. III.J b. Dimensions du masque
(en mm)
Fig. III.le. Masque pour gravure Mesa.
02

-QA -02 -o.
-04 -0.3
Ge 31
-0.2
43
1
/
/-5
/
/
/ -1
/
-0.1
{mA) 1 111111
/
/
/
/
/
/
1
1
/
5 / GeSi 32
1
/
10
5
-5
/
/
/
/
/
/
l(mA) /
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
,//
V(vo/tS)
0.3 0,4 V (volis)
Fig. 111.2. Amélioration de la réponse 1 (V) par formation de structure Mesa
avant attaque Mesa
aprés attaque Mesa

10- 2
-·3
10
1 (A)
o 0, l 0,2 0,3
V(vol ts)
Fig: 111.4. Courbes 1 (V) des homoionetions diffusées"grandes surFaces"
Ge
'---GeSi
0,4

48
On constate que généralement n est compris entre l et 2
ce qui prouve une participation non négligeable du courant de
génération-recombinaison. Les résistances séries sont assez faibles mais
aussi les résistances shunt malheureusement et il n'y a pas de
conclusion évidente avec [es paramètres de la jonction. Le dernier
échantillon (Ge Si 30-6) présente par contre une caractéristique I(V)
satisfaisante.
Afin de tenter de réduire davantage le courant de fuite, nous
avons également étudié des cellules dites à "petite surface". Elles
s'obtiennent soit par découpe au scr i b er des cellules "grandes surfaces",
le contact avant étant pris sur l'une des bronches du peigne, soit
par découpe d'un des quatre points ayant servi aux mesures de résis­
tivi té.
La figure 111.5 donne les caractéristiques I(V) alors obtenues et
le tableau Il les valeurs déduites.
TABLEAU Il
CARACTERISTIQUE DES CELLULES "PETITES SURFACES"
Echantillon x Su rface e (,/.Lm) j (A/cm 2) n R (st ) R sh( st )
A (10-3
t c m 2 J 00 s
)
-5
4
Ge 47 0 42 9,4 2,2.10 1 ,0 0,9 1,1.10
Ge St 40 -a 0,013 28 2,3
-4
2,9.10 1 ,0 2,1
4
2,5.1 0
Ge Si 47-·11 0,015 41 6,1
-·5
2,1.10 1 ,0 o,9
4
1,12.10
Ge Si 43 0,018 50 0,7
Ge Si 41 0,028 1 39 1 ,0
ùe Si 47-·e 0,008 45 5,8
-,4
3
1 ,4.10 1 ,1 4,6 1 ,23.1 0
-,4
4
1 ,0.1 0 . 1 ,1 5,9 3,75.10
-·5
3
1 ,4.10 1 ,1 0,8 3,75.10

10-6
1(A)
Ge
GeSi 40-----­
GeSi 41---
-- Ge
49
- - - - - - - G e Si 43
---------G eS i 47-e
-----------GeSi 47-g
----- GeSi
V(vo/ t s)
o 0, 1 0,2 0,3 0,4
Fig. III.S. Courbes (V) des homojonetions diffusées petites surfaces.

Q
c
53
Fig. 111.6
Mesure des grandes capacités
a) - Schéma de l'impédance d'une c e l lu Ie
b) - Schéma équivaTent utiTisé pour Ta mesure

,
56
30
22
18
\
26
14
\
\
\
10
6
2

57
On constate que l'accord entre V d expérimental et V d
calculé est tout à fait convenable pour les cellules au Germanium.
Par contre pour Ge Si la valeur calculée est nettement inférieure.
Ce résultat n'a rien d'étonnant compte tenu de l'accroissement de la
bande interdite avec la présence de silicium et confirme l'intérêt de
l'alliage Ge Si pour accroître fe rendement énergétique de la photo­
pi 1e ,
Dans le tableau III, nous avons porté les valeurs de NA mesurées
par effet Hall sur des échantillons tirés de cristaux massifs avant dif-
fusion. La comparaison avec les densités d'accepteurs N déduits
a
des mesures C-V montre que l'accord est c on v e no b le pour les cel­
lules "grandes surfaces".

60
Chapitre IV
PROPRIETES PHOTOVOLTAIQUES DES CELLULES ELABOREES
IV.l - PREVISIONS THEORIQUES
IV.l.l - Photocourant et réponse spectrale
Dans une jonction p-n, les porteu rs 1ibres créés par écTaire-
ment dans les régions situées de part et d'autre de la jonction et dans
la zone de déplétion sont séparés par le champ interne et collectés,
constituant ainsi le photocourant.
Le taux de génération de porteurs libres à une distance x de
la face éclairée est donné par:
G(À ,x) =Œ(À)F\t-R\À]exP(-Œ(À)X) (1)
Œ ( À) es t 1e coe ff ici en t d'a bs 0 r ption du ma té ria u à 1a Ion gue u r
d'onde À,
F( À )
R( ft. )
est le flux de photons incident de longueur d'onde ft. 1
est le coefficient de réflexion à ft.
La résolution des équations de continuité pour les trous et les
électrons tenant compte de la génération des photoporteurs et de la
recombinaison superficielle aux deux faces de la cellule permet de
calculer le photocourant produit pour une longueur d'onde incidente
donnée.

NA 5 10 18 cm- 3
63
FRONT BASE
= . = crr.
T n = '2 10-7 s T
p = 4. 10-7 c' .
s
N 5. 10l? -3
2cm2
jJn = 3J61 10
-1 -1
jJp 6J74. 10 2 v s = cm
2 -1
v
-1
s
Dn 9J3 crr. 2 -1 Dp 17J4
2 -1
= s = cm s
Ln l J67
-3 Lp 2J64
-3
Sn
5 -1
Sp 1010 -1
= 10 crr = 10 cm
= 10 cm. = cm s
H= 500 m e· = OJ5 m ta = oJ047 m
'J
TABLEAU t
o
Paramètres de La ceLLuLe de référence à 300 K (2)
1

70
1,---------------------'---------------.;...--,
R.5.
o o
-
---
-0
llJ 8
N
E(cY)
Figure IV -7 Réponses spectraLes des deux échantiLLons
Ge et Ge O 987 SiC 013 .
, ,

fO
/
/
/
/
/.
/
/
/
/
r>.
71
1 \.
. \
/ .
/ \.
/' \. b
\
i
-'-,
Ei.q u i-e IV -8 Spectre optique émis par:
a Soleil AM 1.
b lampe quartz-iode. (5)

72
correspondent aux courbes courant-tension optimales obtenues sur des
c e Ilu les "grandes surfaces" et "petites surfaces" au germanium et
germanium-siTicium et à la réponse I(V) d'une c e Ilu le implantée au
germanium pur.
Dans le tableau se trouvent rassemblées les valeurs de V ,
co
J c c' Vm' lm J FF et j déduites des caractéristiques I(V).
Le rendement maximum obtenu sur les "grandes surfaces" est
de 0,42% alors que pour les "petites surfaces", il atteint O,88%i il
n'est cependant pas possible de tirer des conclusions de ces détermi­
nations compte tenu des profondeurs de jonction importantes qui ré­
duisent dans de grandes proportions le photocourant. La figure IV.ll
met en évidence la qualité insuffisante des homo jonctions implantées
vraisemblablement due à u n recuit imparfait des défauts créés par
irradiation en tr o inc n t une résistance importante de Ta jonction.
1V . 3 - ETU DE EXP ER1ME l'JTA LEE T THE 0 RI QUE DEL 'iN FLUE N C EDE LA
t
PROFONDEUR DE JONCTION
Afin de tenter d'optimiser les c e I Iu les réalisées par diffusion,
nous avons étudié l'évolution de Ieurs propriétés ph o to vo lto îqu es
résultant d'une réduction progressive de la profondeur de [on c rio n e ..
1
Cette diminution est obtenue par attaque chimique au mélange (H 2 0 2-
HF - 8H 2 0 ) dont la cinétique de réaction a été étudiée au chapitre
Iii il est en effet possible avec ce mélange d'enlever une épaisseur
de 0,2 jJm par une durée d'attaque de 6 secondes sans affecter le
contact avant, On a représenté sur la figure IV.12 les caractéristiques
I-V èJ divers stades de l'attaque chimique.
Les figures 13 a et 13 b décrivent les variations de
.
J ,
cc
FF
et j en fonction de e
j
respectivement pour des celTuTes "petites
surfaces" et des c e l lu les "grandes surfaces" au Ge et GeSi , On
observe notamment un accroissement spectaculaire de J par suite
cc
de j alors que le facteur de forme passe par un maximum avant de
se s to b i Iis er , Cette amélioration est résumée dans le tableau Ill.
L'influence de la profondeur de jonction sur le rendement

-0} 3
25
20
15
10
5
-5
-10
74
1(mA)
Obscurité --JI
Figure IV -11 Réponse l (V) de la cellule implantée:
02 1
Plaque 3 cellule 1 sous éclairement.
V(yolts)

3 a(Cml )
10
2
10
81
0)4
082
J
Figure IV 15 Variation du coefficient d'aèsorption en
fonction de L'énergie E des photons.

89
Références Chapitre IV
(1) H.Jo Ho ve l , Semiconductor and Semi-metals, V.11, Solar Ce l ls ,
Academie Press (1975)
(2) Sou tr eu i I , Thèse de 3ème cycle, Lyon (1982)
(3) A. M'Baye, Données solaires pour différentes caractéristiques at-
mosphériques, CNRS Sophia Antipolis, (1980)
(4) A. Oemry, Thèse de 3ème cycle, Montpellier (1982)
(5) O. Maris, Thèse de Docteur Ingénieur, Montpellier (1980)
(6) R. Braunstein, A. R. Moore and F. Herman, Phys. Rev. 109 (1958)
(7) S.M. Sze, Physics of Semiconductor Deviees, Second Edition,
p. 33 (1981)
(8) Sze, Irvin, Sol. St. Electron., 11, p. 599/602 (1968)