Tesi sul tema "Epitaxy. Thin films. Silicon crystals"

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour les développements futurs de l’industrie photovoltaïque, au travers des réductions de coûts attendues et des applications dans les modules souples. Pour devenir compétitive, la filière des couches minces de silicium monocristallin doit se différencier des filières classiques. Elle est donc généralement basée sur l’épitaxie de couches de haute qualité puis sur le transfert de ces couches vers un support mécanique pour terminer la fabrication de la cellule et réutiliser le premier substrat de croissance. Le but de cette thèse est de trouver les associations technologiques qui permettent de réaliser des cellules photovoltaïques en couches minces et ultra-minces de silicium monocristallin à haut-rendement. Les travaux présentés s’articulent selon deux axes principaux : le développement et la maîtrise de procédés technologiques pour la fabrication de cellules solaires en couches minces et l’optimisation des architectures de cellules minces haut-rendement.Dans ce cadre de travail, les développements des techniques de fabrication ont d’abord concerné la mise au point de procédés de transfert de couches minces : une technologie basse température de soudage laser et un soudage par recuit rapide haute température. Afin d’augmenter le rendement de conversion, nous avons développé des structurations de surface utilisant les concepts de la nano-photonique pour améliorer le pouvoir absorbant des couches minces. Avec une lithographie interférentielle à 266 nm et des gravures sèches par RIE et humides par TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), nous pouvons réaliser des cristaux photoniques performants sur des couches épitaxiées de silicium. Finalement, nous avons pu concevoir des architectures optimisées de cellules solaires minces à homo-jonction de silicium et à hétéro-jonction silicium amorphe / silicium cristallin plus performantes électriquement, grâce aux outils de simulation électro-optique. Notre approche théorique nous a aussi conduits à expliciter les phénomènes électriques propres aux couches minces, et à démontrer tout le potentiel des cellules photovoltaïques minces en silicium monocristallin
Thin-film crystalline silicon solar cells are promising candidates for future developments in the photovoltaic industry, through expected costs reductions and applications in flexible modules. To be competitive, thin-film monocrystalline silicon solar cell technology must differentiate itself from conventional ones. It is generally based on the epitaxy of high-quality layers and then on the transfer of these layers onto a mechanical support to complete the manufacture of the cell and reuse the growth substrate. The aim of this thesis is to find the technological associations that make it possible to realize high-efficiency photovoltaic cells from thin and ultra-thin layers of monocrystalline silicon. The work presented focuses on two main axes: the development and control of technological processes for the fabrication of thin-film solar cells and the optimization of high-performance thin-cell architectures.In this framework, the development of manufacturing techniques began with the development of thin-film transfer processes: low temperature laser welding technology and high temperature fast annealing welding technology. In order to increase conversion efficiency, we have developed surface patterns using the nano-photonics concepts to improve the absorbency of thin films. With an interferential lithography at 266 nm and dry etching by RIE and wet etching by TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), we can produce high-performance photonic crystals on epitaxial layers of silicon. Finally, we were able to design optimized architectures of thin solar cells with homo-junction of silicon and hetero-junction amorphous silicon / crystalline silicon more efficient electrically, thanks to electro-optical simulation tools. Our theoretical approach has also led us to explain the electrical phenomena specific to thin films, and to demonstrate the full potential of thin photovoltaic cells made of monocrystalline silicon

In der vorliegenden Arbeit wurden Röntgentechniken benutzt um die Struktur von dünnen (etwa 40 nm) CrSi2-Schichten, die unter UHV-Bedingungen mittels reaktive Koabscheidung und template-Verfahren auf Si(001) hergestellt wurden, zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mit TEM-, SEM- und RBS-Untersuchungen korreliert und ergänzt. Die XRD-Analysen zeigen, dass die beiden Abscheideverfahren immer zur Bildung der CrSi2-Phase führen, wobei die Kristallite mit einer bevorzugten Orientierungsbeziehung CrSi2(001)[100] || Si(001)[110] wachsen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Cr-Si-Koabscheidung benutzt um die Prozessparameter zu bestimmen, die zum Wachstum epitaktischer Schichten führen können. Die Strukturuntersuchungen zeigen, dass nur bei einer Substrattemperatur von 700°C nahezu geschlossene Schichten mit Kristalliten, welche lateral eine Größe bis zu 300 nm haben und neben der bevorzugten noch andere Orientierungen zum Substrat aufweisen, entstehen. Als zweite Herstellungsmethode wurde das template-Verfahren verwendet, wo die Cr-Si-Koabscheidung auf ein vorher in-situ präpariertes ultradünnes CrSi2-template erfolgt. Die Morphologie und die Stärke der bevorzugten Orientierung der CrSi2-Schichten sind stark von der template-Dicke abhängig. Die Abscheidung auf CrSi2-templates, welche aus einer Cr-Schicht mit nominaler Dicker von 0,35 nm bis 0,52 nm entstehen, führt zum Wachstum weitgehend geschlossener, homogener und epitaktischer CrSi2-Schichten. Ein Modell, das den Einfluss der template-Dicke auf die Qualität der CrSi2-Schichten erklären kann, wird vorgeschlagen.

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 2001.
Title from document title page. Document formatted into pages; contains xvi, 217, 2 p. : ill. (some col.). Vita. Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 198-207).

Mo-Si thin films have proven applications in semiconductor devices and x-ray optics. Since their performance in these applications is extremely sensitive to interface roughness, it is important to understand the nucleation and growth mechanisms which affect the microscopic interface structure. Investigations of the initial stages of interface formation in the Mo-Si system were carried out by depositing fractional-monolayer Mo films onto Si(100)-(2x1) and Si(111)-(7x7) surfaces using Molecular Beam Epitaxy (MBE) with feedbackcontrolled electron-beam evaporation, and by characterizing these ultra-thin Mo films using in situ Reflection High-Energy Electron Diffraction (RHEED), LowEnergy Electron Diffraction (LEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), and xray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Continuous growth of multiple Mo coverages on a single Si wafer was accomplished with a technique developed for these experiments, involving a moveable substrate shutter. The coverages were corrected for the deposition profile (due to growth chamber geometry) with ex situ Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) data and computer modelling. The growth mode was determined using Auger intensity measurements. In order to correct for the time dependence of the Auger intensities due to trace surface contamination and instrumental drift, a technique was developed which used Auger measurements on bulk Si and Mo to further normalize the intensity data for the fractional-monolayer coverages of Mo. The AES results in this dissertation show that for relatively slow Mo deposition (i.e. rates of approximately 0.05 Angstroms per second) onto either (100) or (111) Si substrates maintained at low temperatures (i.e. 100 °C), the first atomic monolayer of Mo is deposited in a non-layer-by-layer fashion, implying interdiffusion and/or agglomeration of the Mo overlayer. The LEED and RHEED results on similar samples show that the Mo layer is non-crystalline, i.e. there is no long-range periodicity. In addition, the deposition of Mo destroys the periodicity of the underlying Si atoms. For these deposition conditions, both the growth mode and the lack of crystallinity are independent of Si surface crystal structure.

Les matériaux piézoélectriques, comme le titanate-zirconate de plomb Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), l’oxyde de zinc ZnO, ainsi que la solution solide de Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), sont actuellement l’objet d’études de plus en plus nombreuses à cause de leurs applications innovantes dans les systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Afin de les intégrer sur substrat de silicium, certaines précautions doivent être prises en compte concernant par exemple des couches tampon, les électrodes inférieures. Dans cette thèse, des films piézoélectriques (PZT et PMN-PT) ont été épitaxiés avec succès sous forme de monocristaux sur silicium et SOI (silicon-on-insulator) par procédé sol-gel. En effet, des études récentes ont montré que les films piézoélectriques monocristallins semblent posséder des propriétés supérieures à celles des films polycristallins, permettant ainsi une augmentation de la performance des dispositifs MEMS. Le premier objectif de cette thèse était de réaliser l'épitaxie de film monocristallin de matériaux piézoélectriques sur silicium. L'utilisation d’une couche tampon d'oxyde de gadolinium (Gd2O3) ou de titanate de strontium (SrTiO3 ou STO) déposés par la technique d’épitaxie par jets moléculaires (EJM) a été explorée en détail pour favoriser l’épitaxie du PZT et PMN-PT sur silicium. Sur le système Gd2O3/Si(111), l’étude par diffraction des rayons X (XRD) de la croissance du film PZT montre que le film est polyphasé avec la présence de la phase parasite pyrochlore non ferroélectrique. Cependant, le film PZT déposé sur le système STO/Si(001) est parfaitement épitaxié sous forme d’un film monocristallin. Afin de mesurer ses propriétés électriques, une couche de ruthenate de strontium conducteur SrRuO3 (SRO) déposée par ablation laser pulsé (PLD) a été utilisée comme l'électrode inférieure à cause de son excellente conductibilité et de sa structure cristalline pérovskite similaire à celle du PZT. Les caractérisations électriques sur des condensateurs Ru/PZT/SRO démontrent de très bonnes propriétés ferroélectriques avec présence de cycles d'hystérésis. Par ailleurs, le matériau relaxeur PMN-PT a aussi été épitaxié sur STO/Si comme l’a confirmé la diffraction des rayons X ainsi que la microscopie électronique en transmission (TEM). Ce film monocristallin est de la phase de perovskite sans présence de pyrochlore. En outre, une étude en transmission du rayonnement infrarouge au synchrotron a prouvé une transition de phase diffuse sur une large gamme de température, comme attendue dans le cas d’un relaxeur. L'autre intérêt d'avoir des films PZT monocristallins déposés sur silicium et SOI est de pouvoir utiliser les méthodes de structuration du silicium bien standardisées maintenant pour fabriquer les dispositifs MEMS. La mise au point d’un procédé de micro-structuration en salle blanche a permis de réaliser des cantilevers et des membranes afin de caractériser mécaniquement les couches piézoélectriques. Des déplacements par l'application d'une tension électrique ont ainsi pu être détectés par interférométrie. Finalement, cette caractérisation par interférométrie a été combinée avec une modélisation basée sur la méthode des éléments finis. Dans le futur, il sera nécessaire d’optimiser le procédé de microfabrication du dispositif MEMS afin d’en améliorer les performances électromécaniques. Enfin, des caractérisations au niveau du dispositif MEMS lui-même devront être développées en vue de leur utilisation dans de futures applications
Recently, piezoelectric materials, like lead titanate zirconate Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), zinc oxide ZnO, and the solid solution Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), increasingly receive intensive studies because of their innovative applications in the microelectromechanical systems (MEMS). In order to integrate them on silicon substrate, several preliminaries must be taken into considerations, e.g. buffer layer, bottom electrode. In this thesis, piezoelectric films (PZT and PMN-PT) have been successfully epitaxially grown on silicon and SOI (silicon-on-insulator) in the form of single crystal by sol-gel process. In fact, recent studies show that single crystalline films seem to possess the superior properties than that of polycrystalline films, leading to an increase of the performance of MEMS devices. The first objective of this thesis was to realize the epitaxial growth of single crystalline film of piezoelectric materials on silicon. The use of a buffer layer of gadolinium oxide(Gd2O3) or strontium titanate (SrTiO3 or STO) deposited by molecular beam epitaxy (MBE) has been studied in detail to integrate epitaxial PZT and PMN-PT films on silicon. For Gd2O3/Si(111) system, the study of X-ray diffraction (XRD) on the growth of PZT film shows that the film is polycrystalline with coexistence of the nonferroelectric parasite phase, i.e. pyrochlore phase. On the other hand, the PZT film deposited on STO/Si(001) substrate is successfully epitaxially grown in the form of single crystalline film. In order to measure the electrical properties, a layer of strontium ruthenate (SrRuO3 or SRO) deposited by pulsed laser deposition (PLD) has been employed for bottom electrode due to its excellent conductivity and perovskite crystalline structure similar to that of PZT. The electrical characterization on Ru/PZT/SRO capacitors demonstrates good ferroelectric properties with the presence of hysteresis loop. Besides, the relaxor ferroelectric PMN-PT has been also epitaxially grown on STO/Si and confirmed by XRD and transmission electrical microscopy (TEM). This single crystalline film has the perovskite phase without the appearance of pyrochlore. Moreover, the study of infrared transmission using synchrotron radiation has proven a diffused phase transition over a large range of temperature, indicating a typical relaxor ferroelectric material. The other interesting in the single crystalline PZT films deposited on silicon and SOI is to employ them in the application of MEMS devices, where the standard silicon techniques are used. The microfabrication process performed in the cleanroom has permitted to realize cantilevers and membranes in order to mechanically characterize the piezoelectric layers. Mechanical deflection under the application of an electric voltage could be detected by interferometry. Eventually, this characterization by interferometry has been studied using the modeling based on finite element method and analytic method. In the future, it will be necessary to optimize the microfabrication process of MEMS devices based on single crystalline piezoelectric films in order to ameliorate the electromechanical performance. Finally, the characterizations at MEMS device level must be developed for their utilization in the future applications

Thesis (Master)--İzmir Institute Of Technology, İzmir, 2005.
Keywords: Microcrystalline silicon, absorption, spectroscopy, defect, dual beam photoconductivity. Includes bibliographical references (leaves. 81-86).

Silicon is widely used in optoelectronic devices, including solar cells. In recent years new forms of silicon have become available, including amorphous, microcrystalline and nano-crystalline material. These new forms have great promise for low cost, thin film solar cells and the purpose of this work is to investigate their preparation and properties with a view to their future use in solar cells. A Hot Wire-Deposition Chemical Vapour Deposition CVD (HW-CVD) system was constructed to create a multi-chamber high vacuum system in combination with an existing Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) system; to study the amorphous to crystalline transition in silicon thin films. As the two chambers were linked by a common airlock, it was essential to construct a transfer mechanism to allow the transfer of the sample holder between the two systems. This was accomplished by the incorporation of two gate valves between the two chambers and the common airlock as well as a rail system and a magnetic drive that were designed to support the weight of, and to guide the sample holder through the system. The effect of different deposition conditions on the properties and structure of the material deposited in the combined HW-CVD:PECVD system were investigated. The conditions needed to obtain a range of materials, including amorphous, nano- and microcrystalline silicon films were determined and then successfully replicated. The structure of each material was analysed using Transmission Electron Microscopy (TEM). The presence of crystallites in the material was confirmed and the structure of the material detected by TEM was compared to the results obtained by Raman spectroscopy. The Raman spectrum of each sample was decoupled into three components representing the amorphous, intermediate and crystalline phases. The Raman analysis revealed that the amorphous silicon thin film had a dominant amorphous phase with smaller contribution from the intermediate and crystalline phase. This result supported the findings of the TEM studies which showed some medium range order. Analysis of the Raman spectrum for samples deposited at increasing filament temperatures showed that the degree of order within the samples increased, with the evolution of the crystalline phase and decline of the amorphous phase. The Selected Area Diffraction (SAD) patterns obtained from the TEM were analysed to gain qualitative information regarding the change in crystallite size. These findings have been confirmed by the TEM micrograph measurements. The deposition regime where the transition from amorphous to microcrystalline silicon took place was examined by varying the deposition parameters of filament temperature, total pressure in the chamber, gas flow rate, deposition time and substrate temperature. The IR absorption spectrum for [mu]c-Si showed the typical peaks at 2100cm-1 and 626cm-1, of the stretching and wagging modes, respectively. The increase in the crystallinity of the thin films was consistent with the evolution of the 2100cm-1 band in IR, and the decreasing hydrogen content, as well as the shift of the wagging mode to lower wavenumber. IR spectroscopy has proven to be a sensitive technique for detecting the crystalline phase in the deposited material. Several devices were also constructed by depositing the [mu]c-Si thin films as the intrinsic layer in a solar cell, to obtain information on their characteristics. The p- layer (amorphous silicon) was deposited in the PECVD chamber, and the sample was then transferred under vacuum using the transport system to the HW-CVD chamber where the i-layer (microcrystalline silicon) was deposited. The sample holder was transferred back to the PECVD chamber where the n-layer (amorphous silicon) was deposited. The research presented in this thesis represents a preliminary investigation of the properties of [mu]c-Si thin films. Once the properties and optimum deposition characteristics for thin films are established, this research can form the basis for the optimization of a solar cell consisting of the most efficient combination of amorphous, nano- and microcrystalline materials.

Thesis (Ph.D.)--Physics, Georgia Institute of Technology, 2008.
Committee Chair: de Heer, Walter; Committee Member: Chou, Mei-Yin; Committee Member: First, Phillip; Committee Member: Meindl, James; Committee Member: Orlando, Thomas

Lors de deux dernières décennies, la nano-structuration a permis une augmentation conséquente des performances thermoélectriques. Bien qu’à l’ origine le silicium (Si) ait une faible efficacité thermoélectrique, son efficacité sous forme de nanostructure, et notamment de nanofils, a provoqué un regain d’intérêt envers la conduction thermique au sein de ces nanostructures de Si. Bien que la conductivité thermique y ait été réduite de deux ordres de grandeur, les mécanismes de conduction thermique y demeurent flous. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettrait non seulement d’augmenter l’efficacité thermoélectrique mais aussi d’ouvrir la voie à un contrôle des phonons thermiques, de manière similaire à ce qui se fait pour les photons. L’objectif de ce travail de thèse était donc de développer une plateforme de caractérisation, d’étudier le transport thermique au sein de différentes nanostructures de Si et enfin de mettre en exergue la contribution du transport cohérent de phonons à la conduction thermique. Dans un premier temps, nous avons développé un système de mesure allant de pair avec une procédure de fabrication en salle blanche. La fabrication se déroule sur le site de l’institut de Sciences Industrielles et combine des manipulations chimiques, de la lithographie électronique, de la gravure plasma et du dépôt métallique. Le système de mesure est base sur la thermoreflectance : un changement de réflectivité d’un métal a une longueur d’onde particulière traduit un changement de température proportionnel. Nous avons dans un premier temps étudié le transport thermique au sein de simples membranes suspendues, suivi par des nanofils, le tout étant en accord avec les valeurs obtenues dans la littérature. Le transport thermique au sein des nanofils est bien diffus, à l’exception de fils de moins de 4 μm de long a la température de 4 K ou un régime partiellement balistique apparait. Une étude similaire au sein de structures périodiques 1D a démontré l’impact de la géométrie et l’aspect partiellement spéculaire des réflexions de phonons a basse température. Une étude sur des cristaux phononiques (PnCs) 2D a ensuite montré que même si la conduction est dominée par le rapport surface sur vole (S/V), la distance inter-trous devient cruciale lorsqu’elle est suffisamment petite. Enfin, il nous a été possible d’observer dans des PnCs 2D un ajustement de la conductivité thermique base entièrement sur la nature ondulatoire des phonons, réalisant par-là l’objectif de ce travail
In the last two decades, nano-structuration has allowed thermoelectric efficiency to rise dramatically. Silicon (Si), originally a poor thermoelectric material, when scaled down, to form nanowires for example, has seen its efficiency improve enough to be accompanied by a renewed interest towards thermal transport in Si nanostructures. Although it is already possible to reduce thermal conductivity in Si nanostructures by nearly two orders of magnitude, thermal transport mechanisms remain unclear. A better understanding of these mechanisms could not only help to improve thermoelectric efficiency but also open up the path towards high-frequency thermal phonon control in similar ways that have been achieved with photons. The objective of this work was thus to develop a characterization platform, study thermal transport in various Si nanostructures, and ultimately highlight the contribution of the coherent phonon transport to thermal conductivity. First, we developed an optical characterization system alongside the fabrication process. Fabrication of the structures is realized on-site in clean rooms, using a combination of wet processes, electron-beam lithography, plasma etching and metal deposition. The characterization system is based on the thermoreflectance principle: the change in reflectivity of a metal at a certain wavelength is linked to its change in temperature. Based on this, we built a system specifically designed to measure suspended nanostructures. Then we studied the thermal properties of various kinds of nanostructures. Suspended unpatterned thin films served as a reference and were shown to be in good agreement with the literature as well as Si nanowires, in which thermal transport has been confirmed to be diffusive. Only at very low temperature and for short nanowires does a partially ballistic transport regime appear. While studying 1D periodic fishbone nanostructures, it was found that thermal conductivity could be adjusted by varying the shape which in turn impacts surface scattering. Furthermore, low temperature measurements confirmed once more the specularity of phonon scattering at the surfaces. Shifting the study towards 2D phononic crystals (PnCs), it was found that although thermal conductivity is mostly dominated by the surface-to-volume (S/V) ratio for most structures, when the limiting dimension, i.e. the inter-hole spacing, becomes small enough, thermal conductivity depends solely on this parameter, being independent of the S/V ratio. Lastly, we were able to observe, at low temperature in 2D PnCs, i.e. arrays of holes, thermal conduction tuning based on the wave nature of phonons, thus achieving the objective of this work

Dans les cellules solaires en couches minces de silicium, il est important de maximiser l'efficacité d'absorption, notamment afin d'atteindre une densité de courant de court-circuit (Jsc) suffisante. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé des stratégies de piégeage de la lumière à base de cristaux photoniques (CP) simplement périodiques et des structures plus complexes, pseudo-désordonnées. Ce travail vise à intégrer de telles structures dans des cellules solaires en couches minces de silicium cristallin (c-Si). Tout d'abord, un CP à maille carrée de trous cylindriques ou de nano-pyramides inversées ont été intégrés dans cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si en couches minces. L'absorption dans la seule couche absorbante (c-Si) est optimisée grâce à des simulations numériques utilisant la méthode de différences finies dans le domaine temporel. Le Jsc est augmenté de 56,4% (trous cylindriques) et 104,8% (nanopyramides inversées) par rapport au cas sans motif. Nous avons également examiné des structures plus élaborées, où plus un CP de trous cylindriques est introduit en face arrière. Deuxièmement, nous avons considéré des nanostructures complexes mais réalistes pseudo-désordonné, sur la base de supercellules périodiquement reproduites où les trous sont placés au hasard. Dans de telles structures l'absorption peut être augmentée par rapport à un réseau carré de trous optimisé, par augmentation de la densité spectrale de modes optiques. La simulation basée sur l'analyse rigoureuse couplée et la fabrication par lithographie par faisceau électronique et les technologies de gravure ionique réactive ont été effectués, conduisant à une augmentation de l'absorption nette d'environ 2,1% en théorie, et de 2,7% expérimentalement. Enfin, nous avons mis en place des structures pseudo-désordonnées avec supercellules de tailles différentes, dans les couches c-Si de plusieurs épaisseurs dans la gamme 1-8μm. Les mécanismes d'absorption dans ces structures ont été analysés, à la fois dans les espaces réel et réciproque, en vue de déterminer des critères de conception. En outre, la réponse angulaire de la structure pseudo-désordonnée optimisée est plus stable que celle du réseau carré optimisé, en particulier dans les grandes longueurs d'onde
In thin film silicon solar cells, it is important to take control of the absorption efficiency, in order to reach a high enough short-circuit current density (Jsc). To reach this goal, we have developed light trapping strategies based on simply periodic photonic crystals (PC) and more complex pattern structures. This work aims at integrating such structures into thin film crystalline silicon (c-Si) solar cells. Firstly, a simply periodic square lattice PC structure of cylindrical holes or inverted nano-pyramids have been considered in a-Si:H/c-Si heterojunction thin film solar cells. The absorption in the sole absorbing layer (c-Si) is considered and optimized in numerical simulations based on the Finite Difference Time Domain method. The Jsc are increased by 56.4% (cylindrical holes) and 104.8% (inverted nano-pyramids) compared to the unpatterned case. We also considered more advanced structures where an additional cylindrical holes structure is introduced in the bottom. Secondly, we have considered complex but realistic “pseudo-disordered” nanostructures, based on periodically reproduced supercells where the holes are randomly shifted. In such structures the absorption could be increased compared with fully optimized square lattice of holes, by increasing the spectral density of optical modes. Simulation based on Rigorous Coupled Wave Analysis and fabrication by electronic beam lithography and reactive ion etching technologies have been performed, leading to a net absorption increase of about 2.1% theoretically, and 2.7% experimentally. Lastly, we have introduced pseudo-disordered structures with supercells of different size, in c-Si layers of several thicknesses in the 1-8μm range. The absorption mechanisms in such structures were analyzed, both in the real and reciprocal spaces, with a view to determine design guidelines. Moreover, the angular response of the optimized pseudo-disordered structure appears to be more stable than in the optimized square lattice of holes periodic case, especially in the long wavelength range

Une solution pour réduire la consommation de Si de haute pureté dans les cellules solaires à base de Si cristallin est de faire croître une couche active mince de haute qualité sur un substrat à faible coût. L'Epitaxie en Phase Liquide (EPL) est l'une des techniques les plus appropriées, car la croissance est réalisée dans des conditions proches de l'équilibre. On s'intéresse plus particulièrement au développement et l'optimisation d'une technique de croissance stationnaire et isotherme basée sur l'évaporation du solvant : l'Epitaxie en Phase Liquide par Evaporation d'un Solvant métallique (EPLES). Les principaux critères concernant le choix du solvant, de l'atmosphère de croissance et du creuset sont d'abord présentés et permettent de concevoir une première configuration d'étude. Un modèle analytique est ensuite développé pour comprendre les mécanismes mis en œuvre et étudier la cinétique d'évaporation du solvant et de croissance. Les différentes étapes du procédé de croissance dans le cas de l'EPLES de Si sont examinées et mettent en évidence un certain nombre de difficultés technologiques liées à cette technique : contrôle de la convection dans le bain, réactivité du bain Si-M avec le creuset, transport par différence de température et dépôt pendant la phase de refroidissement. Des solutions techniques sont proposées et mise en place pour contourner les difficultés rencontrées. Des couches épitaxiées de Si uniformes comprises entre 20 et 40 µm sont alors obtenues par EPLES avec des bains Sn-Si et In-Si sur substrat Si monocristallin entre 900 et 1200°C sous vide secondaire. Les vitesses de croissance expérimentales atteintes sont comprises entre 10 et 20 µm/h et sont conformes aux prédictions du modèle cinétique. La qualité structurale obtenue est comparable à celle des couches obtenues par EPL. Des couches de type P, avec un bain dopé In et In(Ga) sont obtenues avec une concentration en dopants proches de 1017 at.cm3 compatible avec une application PV. Enfin le potentiel de l'application de cette technique est évalué en basant la discussion sur la réalisation d'une couche de Si obtenue par EPLES sur substrat multicristallin avec un bain In-Si
Crystalline Si thin films on low-cost substrates are expected to be alternatives to bulk Si materials for PV applications. Liquid Phase Epitaxy (LPE) is one of the most suitable techniques for the growth of high quality Si layers since LPE is performed under almost equilibrium conditions. We investigated a growth technology which allows growing Si epitaxial thin films in steady temperature conditions through the control of solvent evaporation from a metallic melt saturated with silicon: Liquid Phase Epitaxy by Solvent Evaporation (LPESE). We studied the main requirements regarding selection of solvent, crucible and growth ambient, and a first experimental set up is designed. An analytical model is described and discussed, aiming to predict solvent evaporation and Si crystallization rate. Growth experiments are implemented with a vertical dipping system. Growth procedure is presented and the influence, on Si growth, of melt convection, temperature gradient in the melt and Si-M reactivity with the material crucible are discussed. Solutions are proposed to improve and optimise the growth conditions. Experimentally, Si thin films were grown from Sn-Si and In-Si solution at temperatures between 900 and 1200°C under high vacuum. We are able to achieve epitaxial layers of several micrometers thickness (20-40µm). The predicted solvent evaporation rate and Si growth rate are in agreement with the experimental measurements. Regarding the structural quality, it is comparable to the crystal quality of layers grown by LPE. With In and In(Ga) melts, we can obtain P-type epitaxial layers with doping level in the range 1017 at.cm3, which is of great interest for the fabrication of solar cells. Finally, the growth of Si thin films on multicrystalline Si substrates by LPESE is discussed to assess the potential application of this technique

Le siliciure ysi 1,7 en phase hexagonale s'epitaxie sur un support si(iii) avec un accord de maille quasi parfait. La couche resultante (100-200 a) contient des grains de 50 a 100 a. Une forte anisotropie de structure de bandes est revelee par photoemission. Les lacunes si s'ordonnent en trois dimensions. Mesures electriques: comportement de type semi-metallique et faible hauteur de barriere de schottky pour le contact ysi 1,7/si dope n. Si peut se reepitaxier sur une couche de siliciure d'y elle-meme epitaxiee sur un support si(iii). Un echantillon est obtenu, avec toutefois des defauts d'empilement dans la couche si. La fabrication de couches multiples de cette nature est envisageable

Les oxydes sont des matériaux complexes possédant une physique riche et toujours au centre de nombreuses recherches. Parmi ces oxydes, les manganites ont retenu notre attention car ils présentent une transition métal-isolant abrupte en température, générant un très fort coefficient en température en conditions d’environnement standards. L’objectif de ce travail est de démontrer que ce fort coefficient peut être exploité pour l’amélioration des performances des jauges de pression de type Pirani qui subissent un certain essoufflement dans leur développement. La voie menant à l’aboutissement d’une telle jauge à base d’oxydes pose en revanche un certain nombre de limites technologiques à lever et auxquelles nous avons répondu. La première de ces limites concerne l’intégration des oxydes monocristallins sur silicium, que nous avons reproduite et étendue au cas des substrats de type SOI et GaAs. Nos procédés proposent de passer par deux techniques, l’épitaxie par jets moléculaire et l’ablation laser, pour assurer une croissance optimale de nos films sur ces substrats et d’assurer la reproductibilité de leur réponse en température, notamment la position de leur température de transition en accord avec l’état de l’art. L’épitaxie de ces oxydes génère un niveau de contrainte non négligeable qui n’a jamais été mesuré. En concevant divers dispositifs autosupportés, et en s’appuyant sur les considérations théoriques et des modélisations par éléments finis, nous avons pu quantifier la relaxation de cette contrainte importante et assurer près de 100% de reproductibilité des systèmes suspendus. Ces mêmes systèmes nous permettent de caractériser pour la première fois le facteur de jauge des manganites monocristallines par l’application d’une contrainte contrôlée par nanoindentation. Il est également démontré qu’ils constituent des jauges de pression Pirani à la sensibilité accrue de deux ordres de grandeur pour une consommation en puissance réduite. Des solutions permettant d’améliorer l’ensemble des aspects de ces jauges sont étudiées
Functional perovskite oxides are of great interest for fundamental and applied research thanks to the numerous physical properties and inherent mechanisms they display. With the maturation of thin film deposition techniques, research teams are able to reproduce oxide films and nanostructures of great crystalline quality with some of the most remarkable properties found in physics, a state leading now to upper-level thoughts like their ability to fulfill industrial needs. This thesis work is an answer to some of the problematics that arise when considering the oxide transition from the research to the industrial world, by focusing on their integration for micromechanical devices (MEMS) such as sensors. In order to ease the access to MEMS manufacturing, it is of importance to allow the deposition of thin oxide films on semiconductor substrates. A first study show that these access bridges can be crossed when using appropriate buffer layers such as SrTiO3 deposited on Silicon or gallium arsenide – produced in close collaboration with INL by Molecular Beam Epitaxy - and yttria-stabilized zirconia directly grown on silicon by pulsed laser deposition, which adapts the surface properties of the substrate to perovksite-based materials. Formation of thin epitaxial and monocristalline films of functional oxides is thus allowed on such buffer layers. As an example, characterization of two mixed-valence manganites La0.80Ba0.20MnO3 and La0.67Sr0.33MnO3 demonstrates that both materials are of excellent crystalline quality on these semiconducting substrates and that their physical characteristics match the one found on classical oxide substrates like SrTiO3. Stress evolution in thin films, which has a major effect in epitaxial materials, is then addressed to quantify its impact on oxide microstructure viability. This work gives an identification of the most significant factors favoring stress generation in the case of the films we produced. Then, based on the deformation measurement of free-standing cantilevers made of manganites on pseudo-substrates, and with the support of appropriate analytical models, a new state of equilibrium is established, giving new information about the evolution of static stress from deposition to MEMS device manufacturing. Solutions to manage their reproducibility is then studied. From another perspective, free-standing microstructures made of monocristaline manganites were used to display the effect of dynamical strain on their electrical resistivity (piezoresistivity) and their inherent structures.Finally, a specific example of the capabilities of reproducible free-standing microbridges made of manganites is presented through the conception of a pressure gauge based on Pirani effect. Indeed, it is shown that the abrupt resistivity change this material exhibits near their metal-to-insulating transition creates high temperature coefficients in standard application environments that can be taken as an advantage to improve the sensibility and power consumption of such gauges whose development had significantly slowed down over the past years. A set of improvements on their sensitivity range and their signal acquisition is also presented. Combined to a specific and innovative package, it is also demonstrated that Pirani gauge capabilities can be enhanced and that the complete devices fulfill embedded application requirements

La premiere partie de ce travail a ete consacree a l'etude, par diffraction des rayons x, des deformations engendrees par des effets de surface. Nous avons notamment mis en evidence, grace a des mesures in situ sous ultra vide, que la dilatation qui existe pour un echantillon fraichement prepare est due aux liaisons si-h#x presentes a la surface des cristallites de silicium. Nous avons d'autre part etudie la passivation du silicium poreux par oxydation des cristallites de silicium qui se traduit par une dilatation supplementaire a la dilatation originelle du parametre de maille cristallin. Le remplissage des pores par un depot de germanium a enfin ete etudie, montrant une epitaxie du germanium jusqu'au fond des pores. La deuxieme partie de ce travail de these presente les mesures de diffusion diffuse aux pieds des pics de bragg, et les informations structurales qui en resultent, pour des echantillons fraichement prepares. Pourles couches de type p#-, les cristallites sont isotropes avec un diametre de l'ordre de 3 nm. Les couches de type p#+ se presentent de maniere differente avec des cristallites anisotropes de 10 nm diametre. Une contribution isotrope peu intense analogue au p#- est aussi presente, ce qui suggere la presence de petits objets egalement dans le p#+. La derniere partie de ce travail regroupe l'etude des couches minces et des super-reseaux de silicium poreux, par diffraction et reflectivite des rayons x. Une analyse quantitative des donnees a ete realisee systematiquement par simulation numerique. Les couches minces sont de bonne qualite bien cristallines et la rugosite des interfaces reste faible. Un resultat important est l'existence d'une couche de transition de 10-20 nm a l'interface poreux/massif, ainsi que la presence d'un film de surface de faible porosite dans le cas du materiau de type p#+. L'analyse des super-reseaux demontre leur bonne qualite, qui se manifeste par la presence de pics satellites tres fins associe a la super-structure. Le changement de porosite entre les couches s'etale ici encore sur une zone de transition de l'ordre de 14 nm.

Ce travail porte sur la caractérisation optique du silicium poreux et son application à la réalication de structures à modulation d'indice (superréseaux). Une première étude de la diffusion optique a montré l'homogénéité de ce matériau à l'échelle de la lumière, justifiant une description par un indice de réfraction moyen. Si la formation électrochimique du silicium poreux permet l'obtention de couches minces d'épaisseurs parfaitement définies, en revanche des fluctuations du front de dissolution entrainent une diffusion à l'interface silicium poreux/silicium cristallin. Cet effet a nécéssité de développer une analyse des mesures optiques dans le cas d'interfaces rugueuses. La détermination des constantes optiques a été réalisée par une mesure à basse température de la transmission par photoconduction dans le silicium cristallin et par ajustement des spectres de réflectivité des couches minces. D'une manière générale, alors que la dispersion de l'indice est assez faible, l'absorption du siliicum poreux se caractérise par une dépendance exponentielle sur une grande plage en énergie. Cette étude a permis la réliasation de structures à modulation d'indice telles que des réflecteurs de Bragg, des filtres Fabry-Perot ou des microcavités luminescentes. La mise en évidence de différences entre la formation des couches simples et enterrées a compliqué la caractérisation de ces structures. La très bonne qualité optique et le fort rendement quantique intrinsèque au silicium poreux de type P ont permis d'obtenir des microcavités luminescentes très efficaces. Enfin, en combinant l'holographie et la photochimie, un nouveau type de gravure en profondeur a été développé permettant d'obtenir des structures à modulation d'indice latérale de périodicité submicronique. La photodissolution localisée du matériau a été mise en évidence après et pendant la formation de la couche poreuse et ce pour tout type de silicium poreux y compris le macroporeux

Chong Yuen Tung = 硅化鐵薄膜的相和微觀結構 / 莊宛曈.
Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2006.
Includes bibliographical references (leaves 63-65).
Text in English; abstracts in English and Chinese.
Chong Yuen Tung = Gui hua tie bo mo de xiang he wei guan jie gou / Zhuang Wantong.
Abstract --- p.i
摘要 --- p.ii
Acknowledgment --- p.iii
Table of contents --- p.iv
List of Figures --- p.viii
List of Tables --- p.x
Chapter CHAPTER 1: --- Introduction --- p.1
Chapter CHAPTER 2: --- Background --- p.4
Chapter 2.1 --- Phases of crystalline FeSi2 --- p.4
Chapter 2.2 --- Electronic structure of β-FeSi2 --- p.7
Chapter 2.3 --- Orientation relationship between β-FeSi2 and Si --- p.8
Chapter CHAPTER 3: --- Instrumentation --- p.10
Chapter 3.1 --- Metal vapor vacuum arc ion source implantation --- p.10
Chapter 3.2 --- Rutherford backscattering --- p.12
Chapter 3.3 --- Transmission Electron Microscopy (TEM) --- p.13
Chapter 3.3.1 --- Principles of TEM --- p.13
Chapter 3.3.2 --- Electron specimen interaction and contrast --- p.14
Chapter 3.3.3 --- Electron Diffraction --- p.15
Chapter 3.3.4 --- Sample Preparation --- p.17
Chapter 3.3.4.1 --- Plan-view sample --- p.17
Chapter 3.3.4.2 --- Cross-section sample --- p.17
Chapter CHAPTER 4: --- FeSi2 films fabricated by ion implantation --- p.18
Chapter 4.1 --- Introduction --- p.18
Chapter 4.2 --- Experimental details --- p.18
Chapter 4.3 --- Ion energy series --- p.19
Chapter 4.3.1 --- As-implanted sample --- p.19
Chapter 4.3.1.1 --- Results --- p.20
Chapter 4.3.1.2 --- Discussions --- p.20
Chapter 4.3.2 --- Annealed samples --- p.24
Chapter 4.3.2.1 --- Morphology of the annealed samples and the damage on Si substrate --- p.24
Chapter 4.3.2.2 --- Identification of the FeSi2 phase and their orientation relationship with the Si matrix --- p.24
Chapter 4.3.2.3 --- Photoluminescence of the samples --- p.26
Chapter 4.3.2.4 --- Discussions --- p.26
Chapter 4.4 --- Ion dosage series --- p.31
Chapter 4.4.1 --- Results --- p.31
Chapter 4.4.2 --- Discussions --- p.32
Chapter 4.5 --- Summary --- p.36
Chapter CHAPTER 5: --- Effect of post annealing on the phase and microstructure of FeSi2 --- p.37
Chapter 5.1 --- Introduction --- p.37
Chapter 5.2 --- Experimental details --- p.37
Chapter 5.3 --- The correlation between microstructure of FeSi2 synthesized under different annealing conditions and their PL --- p.38
Chapter 5.3.1 --- RTA series --- p.38
Chapter 5.3.1.1 --- Results --- p.38
Chapter 5.3.1.2 --- Discussions --- p.39
Chapter 5.3.2 --- FA series --- p.42
Chapter 5.3.2.1 --- Results --- p.42
Chapter 5.3.2.2 --- Discussions --- p.44
Chapter 5.3.3 --- RTAFA series --- p.45
Chapter 5.3.3.1 --- Results --- p.45
Chapter 5.3.3.2 --- Discussions --- p.45
Chapter 5.4 --- The existence of alpha phase and its special shape --- p.51
Chapter 5.4.1 --- Results --- p.51
Chapter 5.4.2 --- Discussions --- p.52
Chapter 5.5 --- The existence of gamma phase in 1050°C furnace annealed sample
Chapter 5.5.1 --- Results --- p.56
Chapter 5.5.2 --- Discussions --- p.57
Chapter 5.6 --- Summary --- p.59
Chapter CHAPTER 6: --- Conclusions --- p.61
References --- p.63

In der vorliegenden Arbeit wurden Röntgentechniken benutzt um die Struktur von dünnen (etwa 40 nm) CrSi2-Schichten, die unter UHV-Bedingungen mittels reaktive Koabscheidung und template-Verfahren auf Si(001) hergestellt wurden, zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mit TEM-, SEM- und RBS-Untersuchungen korreliert und ergänzt. Die XRD-Analysen zeigen, dass die beiden Abscheideverfahren immer zur Bildung der CrSi2-Phase führen, wobei die Kristallite mit einer bevorzugten Orientierungsbeziehung CrSi2(001)[100] || Si(001)[110] wachsen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Cr-Si-Koabscheidung benutzt um die Prozessparameter zu bestimmen, die zum Wachstum epitaktischer Schichten führen können. Die Strukturuntersuchungen zeigen, dass nur bei einer Substrattemperatur von 700°C nahezu geschlossene Schichten mit Kristalliten, welche lateral eine Größe bis zu 300 nm haben und neben der bevorzugten noch andere Orientierungen zum Substrat aufweisen, entstehen. Als zweite Herstellungsmethode wurde das template-Verfahren verwendet, wo die Cr-Si-Koabscheidung auf ein vorher in-situ präpariertes ultradünnes CrSi2-template erfolgt. Die Morphologie und die Stärke der bevorzugten Orientierung der CrSi2-Schichten sind stark von der template-Dicke abhängig. Die Abscheidung auf CrSi2-templates, welche aus einer Cr-Schicht mit nominaler Dicker von 0,35 nm bis 0,52 nm entstehen, führt zum Wachstum weitgehend geschlossener, homogener und epitaktischer CrSi2-Schichten. Ein Modell, das den Einfluss der template-Dicke auf die Qualität der CrSi2-Schichten erklären kann, wird vorgeschlagen.

Metal/semiconductor interfaces, particularly those involving Si, are of great technological and scientific interest. In atomically abrupt interfaces, many properties are determined by interatomic interactions over a few layers, i.e., over ~1 nanometer. The initial stages of growth of an atomic layer related to structural and electronic properties are thus important to thin film behavior. Surface science studies on metal-semiconductor systems often lead to contradictory conclusions regarding bonding sites and even whether the first layer is metallic or not. A key piece of information that must be consistent with any study is the number of atoms per unit area in the first layer, which is difficult to assess directly. Alkali-metal-semiconductor systems have been studied as model abrupt interfaces for several years. Novel effects, such as electron localization, were observed. Still, determinations of absolute coverage have been lacking. This dissertation describes results of absolute coverage measurements for Cs on Si(100)(2X1), Si(111)(7X7), and Si (111)(v3 X v3)R30°-B reconstructed surfaces using Rutherford Backscattering Spectrometry in ultrahigh vacuum. The results bracket possible structural models for these systems. For the Cs/Si(111)(v3 X v3)R30°-B interface, this work confirms conclusions regarding electron localization effects and introduces considerations of ion-beam-induced desorption for the weakly-bound Cs

Group III-A nitrides (GaN, AlN, InN and alloys) are materials of considerable contemporary interest and currently enable a wide variety of optoelectronic and high-power, high-frequency electronic applications. All of these applications utilize device structures that employ a single or multiple hetero-junctions, with material compositions varying across the interface. For example, the workhorse of GaN based electronic devices is the high electron mobility transistor (HEMT) which is usually composed of an AlGaN/GaN hetero-junction, where a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed due to differences in polarization between the two layers. In addition to such hetero-junctions in the same material family, formation of hetero-interfaces in nitrides begins right from the epitaxy of the very first layer due to the lack of native substrates for their growth. The consequences of such "dissimilar" hetero-junctions typically manifest as large defect densities at this interface which in turn gives rise to defective films. Additionally, if the substrate is also a semiconductor, the electrical properties at such dissimilar semiconductor-nitride hetero-junctions are particularly important in terms of their influence on the performance of nitride devices. Nevertheless, the large defect densities at such dissimilar 3D-3D semiconductor interfaces, which translate into more trap states, also prevents them from being used as active device layers to say nothing of reliability considerations arising because of these defects. Recently, the advent of 2D materials such as graphene and MoS2 has opened up avenues for Van der Waal’s epitaxy of these layered films with practically any other material. Such defect-free integration enables dissimilar semiconductor hetero-junctions to be used as active device layers with carrier transport across the 2D-3D hetero-interface. This thesis deals with hetero-epitaxial growth platforms for reducing defect densities, and the material and electrical properties of dissimilar hetero-junctions with the group III-A nitride material system.

In this thesis, it was shown that thin films of hexagonal praseodymium sesquioxide on Si(111) can be transformed to B-oriented twin free films of cubic praseodymium dioxide with oxygen vacancies by post deposition annealing in 1 atm. oxygen at temperatures from 300°C up to 700°C for 30 minutes. Films annealed at 100°C and 200°C are still purely hexagonal praseodymium sesquioxide after the annealing process. In the transformed films, two stoichiometric phases coexist laterally. The lateral lattice constant of both species is almost identical to the one of the originally deposited hexagonal praseodymium sesquioxide. Therefore, we assume that the lateral lattice constant is pinned throughout the oxidation process.The species are hence strained and show different vertical lattice constants, depending on the amount of oxygen vacancies. In some samples, those vacancies were partly ordered vertically, leading to a unit cell twice as large as expected for stoichiometric praseodymium dioxide.During the annealing process, an amorphous interfacial layer between substrate and oxide was detected. While the existence of this layer was known before, it was possible for the first time to quantify the thickness of the praseodymium rich part of this interface for epitaxially grown films. It was shown that this layer starts to grow significantly only during post deposition annealing at 500°C or more.These and other results for thin films were connected to previously published data for bulk praseodymia. The multi column model mentioned above for laterally coexisting praseodymia species in thin films was backed up by powder data. As a matter of fact, it was shown that this coexistence of several praseodymia species can be expected to be the rule rather than the exception.Strong evidence was found that results interpreted previously as stoichiometric cubic praseodymium sesquioxide contain more oxygen than originally thought...