III-V epitaxy by RP-CVD : from thin film growth to solar cell devices

Épitaxie de III-V par RP-CVD : de la croissance de couches minces aux dispositifs de cellules solaires Les cellules solaires composées de semi-conducteurs III-V ont atteint le rendement le plus élevé parmi toutes les technologies actuellement disponibles, affichant une efficacité dépassant les 47% sous concentration. Cependant, leur coût de production est environ cent fois supérieur à celui des cellules solaires en silicium, la technologie qui domine le marché (95% en 2023) mais qui plafonne aujourd’hui à un rendement photovoltaïque d’environ 26.8%. Réduire le coût des semi-conducteurs III-V représenterait une avancée majeure vers l’accroissement de la part du solaire dans le mix énergétique. En particulier, combiner les III-V avec le silicium bas coût, en configuration « tandem », permettrait de convertir un maximum d’énergie du spectre solaire. Le prix élevé de cette technologie s’explique notamment par le coût afférent au process de fabrication des cellules solaires III-V, au substrat III-V et à l’épitaxie de III-V. Les travaux de cette thèse s’attaquent spécifiquement à troisième ce défi. À cette fin, nous avons développé une nouvelle approche pour la croissance épitaxiale de matériaux III-V en utilisant un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur par plasma déporté (RP-CVD). L'ajout d'un plasma dans le réacteur s'avère très avantageux, car il permet (i) une croissance à basse pression (~1 mbar contre ~500 mbar pour la CVD4) qui contribue à une réduction de la consommation de gaz souvent toxiques et coûteux, (ii) une dissociation efficace des précurseurs conduisant à une réduction de la température de croissance, et (iii) des traitements de surface in situ efficaces, réduisant le nombre et la complexité des étapes de procédés. Nous avons développé et optimisé ce réacteur, entièrement construit dans le laboratoire (LPICM, Ecole polytechnique), pour la croissance de matériaux III-V, à savoir le nitrure de gallium (GaN) puis l’arséniure de gallium (GaAs). Pour le GaN, nous avons réalisé une croissance épitaxiale sur saphir et une croissance fortement orientée selon (0002) sur le c-Si à une basse température de 500°C. Nous avons proposé une solution innovante pour la croissance directe de GaN sur c-Si et relevé les défis associés à l'utilisation de techniques standard pour analyser la composition de matériaux produits par des procédés non conventionnels. Pour le GaAs, nous avons obtenu une croissance homoépitaxiale de haute qualité à 400°C et 3 µm/h, optimisé le dopage et développé des cellules solaires de démonstration. Nos travaux abordent également la question du coût des substrats grâce à la réalisation d’une croissance hétéroépitaxiale sur des substrats virtuels, le tout à basse pression, proposant un ensemble de solutions viables pour produire des cellules solaires à haut rendement et à faible coût.