Intégration de matériaux III-V sur silicium nanostructuré pour application photovoltaïque

par Timothée Molière

Thèse de doctorat en Physique Appliquée

Sous la direction de Denis Mencaraglia et de Charles Renard.

Le président du jury était Alain Kreisler.

Le jury était composé de Arnaud Etcheberry.

Les rapporteurs étaient Charles Cornet, Jean Decobert.


  • Résumé

    Depuis plus de 30ans, les chercheurs essaient de combiner le silicium et le GaAs. Le potentiel de l'intégration du GaAs sur Si est en effet considérable pour le remplacement des substrats coûteux de GaAs ou de Ge dans la fabrication de cellules PV, de photodétecteurs, de LED, de lasers…. Il en est de même pour le développement de nouveaux dispositifs opto- et électroniques par l'intégration monolithique de GaAs sur circuit silicium. Des défis majeurs persistant jusqu'à aujourd'hui doivent toutefois être surmontés.Dans le but de surmonter ces difficultés, nous proposons un concept intéressant qui permet l'hétéroépitaxie de III-V sur Si. Ce concept est basé sur la technique d’épitaxie latérale (ELO) par CBE depuis des ouvertures nanométriques réalisées dans un masque de silice ultra-mince. Cette technique nous a permis d’obtenir des microcristaux de GaAs sans défaut et parfaitement intégrés sur Si grâce à une nucléation depuis des ouvertures de très petits diamètres qui évitent la génération de dislocations dues au désaccord de maille. Le concept étant validé, nous avons poursuivi l’étude en utilisant une 2ème approche de nanostructuration technologique du masque et permettant la localisation des cristaux. L’obtention in fine d’une pseudo-couche de GaAs sur Si sans défaut ni contrainte serait particulièrement utile pour les diverses applications mentionnées. Seront donc présentés le concept d’intégration, puis les résultats de croissance par ces techniques, et des analyses matériaux complémentaire. Pour finir, sera détaillée la structure d’une cellule PV de GaAs/Si devant permettre d’atteindre un rendement de conversion de 29,2%, ainsi que les premiers résultats obtenus.

  • Titre traduit

    Integration of III-V materials on nanostructured silicon for photovoltaic application


  • Résumé

    For over thirty years researchers have attempted to combine Si and GaAs. Alternative GaAs-on-Si substrates have a considerable market potential for replacing the costly GaAs or Ge substrate in producing traditional GaAs devices such as solar cells, photodetectors, LEDS, lasers, and microwave devices, and as a new technology for monolithic integration of GaAs elements and silicon integrated circuits. However, major challenges remaining until now must be overcome.In that way, we propose an interesting concept that allows III-V heteroepitaxy on silicon. This concept is based on the Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) by CBE from nanoscale holes through an ultra-thin silica layer. This technique allows us to obtain GaAs microcrystals without any defect and perfectly integrated on Si thanks to nanoscaled nucleation seeds which prevent dislocation generation due to lattice mismatch. The concept being validated, the study has continued using a 2nd approach of nanostructuration to allow crystal localization. The achievement of getting a GaAs pseudo-layer on silicon substrate without any defect or stain would be of great interest for the formerly mentioned applications.So the integration concept of III-V materials on silicon will be introduced, then growth resultants by these techniques, and material characterizations in order to qualify the integrated GaAs on silicon regarding to the opto- and electronic applications. Finally, the structure of a GaAs/Si tandem solar cell will be discussed. After proving this solar cell could reach a 29.2% conversion efficiency, first achievements will be revealed.

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