Conception et réalisation de nanostructures pour le piégeage optique dans des cellules photovoltaïques ultra-minces

Diminuer l'épaisseur de la couche d'absorbeur est une solution attractive pour produire des cellules photovoltaïques à coût réduit. Cela permet également de réduire la quantité de matériau actif utilisé ainsi que d'améliorer la collection du courant dans la cellule. Cette thèse s'est focalisée sur la conception de nanostructures pour exalter l'absorption de la lumière dans des couches de semiconducteur d'épaisseur réduite et ainsi proposer des cellules ultraminces efficaces.Dans un premier temps, nous avons proposé une approche originale pour piéger la lumière dans une cellule ultra-fine (<= 100 nm) en silicium amorphe. Un réseau métallique est placé en face avant de la cellule déposée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption multi-résonante large bande pour les deux polarisations de la lumière. Nous proposons aussi d'utiliser le réseau métallique comme une électrode transparente alternative afin de réduire les pertes optiques dans le contact avant de la cellule. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs.Dans un deuxième temps, nous avons appliqué ce concept de contact avant multi-résonant à des couches ultra-fines en arsenure de gallium (GaAs). Nous avons montré numériquement et expérimentalement le potentiel d'une nanogrille métallique bi-dimensionnelle pour le confinement efficace de la lumière dans 25 nm de GaAs.Enfin, nous avons étudié la possibilité de réduire l'épaisseur de cellules en silicium cristallin d'un facteur 10 à 100 par rapport à l'état de l'art. Nous avons développé un procédé pour transférer des couches de silicium cristallin de quelques microns d'épaisseur épitaxiées par PECVD sur un substrat hôte bas coût. Nous avons également travaillé à la structuration contrôlée de nanopyramides en vue d'un piégeage optique efficace dans ces couches minces.Reducing the absorber thickness is an attractive solution to decrease the production cost of solar cells. Furthermore, it allows to reduce the amount of material needed and improve the current collection in the cell. This thesis has been focused on the design of nanostructures to enhance light absorption in very small semiconductor volumes in order to achieve efficient ultra-thin solar cells. First, we have proposed an original light-trapping concept for ultra-thin amorphous silicon (a-Si:H) solar cells. A one-dimensional metallic grating is patterned on the front surface of the cell deposited on a metallic mirror. Broadband multi-resonant absorption has been demonstrated for both light polarizations. The metallic grating is also used as an alternative transparent electrode in order to reduce optical losses in the front contact. A detailed analysis of the multi-resonant absorption mechanism has been carried out through numerical calculations. The fabrication and optical characterization of ultra-thin a-Si:H solar cells with metallic gratings have validated the multi-resonant approach.Second, we have proposed a design with a two-dimensional metallic grid as a resonant front contact for very thin (25 nm) gallium arsenide (GaAs) layers. We have shown through the design and fabrication of a proof-of-concept structure the potential of metallic nanogrids to confine efficiently light absorption with an ultra-thin GaAs layer.Finally, advanced light-trapping structures could also allow a thickness reduction of crystalline silicon wafers of a factor 20 to 100 with respect to state-of-the-art cells. We have developed a process to transfer micron-thick epitaxial crystalline silicon (c-Si) layers onto a low-cost host substrate. Inverted nanopyramids have also been fabricated in crystalline silicon in order to achieve a broadband anti-reflection effect. It opens promising perspectives towards the realization of double-sided nanopatterned ultra-thin c-Si cells.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Critical coupling and extreme confinement in nanogap antennas

International audienceNanogap antennas are compelling structures for squeezing light into ultrasmall volumes. However, when gaps are shrunk to the nanometer scale, the mode losses dramatically increase. In this Letter, we report the conditions of critical coupling between the arrays of nanogap resonant metal-insulator-metal (MIM) antennas and free space. Adapting the antenna density, critical coupling is achievable for any thickness of insulator, from 100 down to 0.1 nm. The fundamental optical mode can be described as continuous transitions through three types of modes: a perfect MIM mode, coupling between the MIM mode and surface plasmon polariton, and a gap plasmon mode. We found that the space between adjacent antennas is an essential parameter to perform critical coupling for thinner gaps. These results pave the way towards understanding extreme confinement in nanogap antenna structures such as MIM or nanoparticle arrays

Ultrathin mono-resonant nano photovoltaic device for broadband solar conversion

International audienceNano-resonators can be used in photovoltaics to drastically improve the ability of the device to absorb light and generate photo-carriers, therefore enabling a reduction of the absorber volume. Conventionally, the harvest of the spectrally broad solar spectrum is achieved via the tedious engineering of multiple optical resonances. In this paper, we propose a breakthrough approach, which consists in reducing the solar spectral range with a spectral conversion layer to match only one resonance that can then be easily designed. We use a Maxwell solver and a ray-tracing code to optimize the nano-resonator and its spectral converter. We show that 66.2% optical efficiency can be theoretically achieved in less than 40 nm mean thick absorber while leading to device design enabling collection of photo-generated carriers

Nanotechnologies pour la bolométrie infrarouge

Les travaux de cette thèse ont porté sur les micro-bolomètres (détecteurs infrarouges non refroidis) qui fonctionnent selon le principe suivant : le rayonnement infrarouge incident provoque l échauffement d une membrane suspendue dont la résistivité électrique dépend de la température. Deux voies ont été explorées pour les améliorer, grâce aux nanotechnologies. D une part, les propriétés optiques et électroniques (transport et bruit) des films de nanotube de carbone ont été étudiées afin d évaluer le potentiel de ce nouveau matériau comme thermistor. Pour ce faire des procédés technologiques en salle blanche, des caractérisations et des modèles théoriques ont été mis au point. Après avoir obtenu les figures de mérite adaptées, cette étude a conclu au manque de potentiel de ce matériau pour une application aux micro-bolomètres. D autre part, nous avons étudié des résonateurs sub-longueur d onde basés sur des cavités métal-isolant-métal permettant d obtenir des absorbants totaux, et omnidirectionnels. Un modèle analytique permettant de les décrire et de les concevoir rapidement a été mis au point. La combinaison de ces résonateurs à l échelle sub-longueur d onde a permis de mettre en évidence un phénomène de tri de photon et la possibilité de concevoir des absorbants large bande. Nous avons ainsi proposé (et breveté) l utilisation de ces antennes comme absorbants pour les micro-bolomètres. En effet leur capacité à focaliser le champ dans des volumes sub-longueur d onde permet d introduire une rupture conceptuelle pour la conception de bolomètres à hautes performances.This work was focused on bolometers (uncooled infrared sensors), which are based on the following principle: the incoming infrared radiation is absorbed by a self-standing membrane whose resistivity depends on temperature. In order to improve their design and performances, we explored two solutions based on nanotechnologies. On the one hand, optical and electronic (transport and noise) properties of carbon nanotube films have been investigated in order to evaluate the potential of this new material as a thermistor. Clean room processes, characterization benches and theoretical models have been developed. The obtained figures of merit allow to concluding on the lack of potential for applications in uncooled infrared sensors. On the second hand, subwavelength resonators based on metal-insulator-metal cavities, have been investigated and exhibit perfect, tunable and omni-directional absorption. An analytical model allowing a fast study and design of these resonators has been developed. Photon sorting and wideband absorption have been demonstrated thanks to the combination of these resonators at the sub-wavelength scale. We have thus proposed (and patented) the use of such antennas as micro-bolometer s absorber. Indeed their capacity to focalize the incoming radiation at a subwavelength scale paves the way to the conception of high performance micro-bolometers.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Réalisation et caractérisation de HEMTs AlGaN/GaN sur silicium pour applications à haute tension

Cette thèse est une contribution aux développements de HEMTS AlGaN/GaN sur substrat de silicium pour des applications basses fréquences sous fortes tensions (typiquement 600V) comme les commutateurs pour la domotique ou les circuits de puissance des véhicules électriques. Elle a été menée en collaboration étroite avec Picogiga International qui a réalisé toutes les épitaxies. Elle est composée de trois parties : développement d'une technologie de fabrication, étude des courants de fuite, amélioration du pouvoir isolant de la barrière et recherche d'un comportement normally off . La réalisation de contacts ohmiques peu résistifs est l étape cruciale de la fabrication des HEMTs AlGaN/GaN de puissance. Une optimisation de l'empilement des métaux utilisés, de la température et du temps de recuit ainsi que la recherche d'un compromis sur la distance métallisation gaz d'électrons, nous a permis de réaliser des contacts ohmiques proches de l'état de l'art (0,5 Ohm.mm). L origine des courants de fuite a été systématiquement étudiée sur cinq types d'épitaxies différentes. La distance grille drain et les courants de fuites ont été identifiés comme étant les deux facteurs limitant la tension de claquage. Selon la structure, les courants de fuite ont lieu soit à travers la grille (~e-8 A/mm à 210V), soit en parallèle au canal (e-5 A/mm). Dans les deux cas, ces courants sont comparables aux courants de fuite au travers du tampon (i.e. courants mesurés entre deux mésas). Ces courants de fuite, ont été attribués aux couches de transition nécessaires à l'adaptation de l'épitaxie des couches de nitrure sur le substrat de silicium. La réalisation de HEMT AlGaN/GaN sur silicium pour les applications à haute tension passera donc par une amélioration de ces couches tampons.Nous avons démontré qu'il est possible d'améliorer l'isolation de la barrière en AlGaN grâce à une hydrogénation du matériau. En effet un traitement de surface des transistors par un plasma hydrogène permet, par diffusion, d'y incorporer de l'hydrogène qui passive les dislocations traversantes. Après traitement, les courants de fuite de grille sont réduits et la tension de claquage est repoussée à 400V avec des courants de fuite de l'ordre de e-6 A/mm. Dans ces conditions, le claquage a alors lieu en surface de l'échantillon, il n'est plus limité que par la distance grille-drain. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation de HEMT à forte tension de claquage (V~600V).L effet du plasma fluoré SF6 sur les caractéristiques électriques des HEMT (AlN/GaN)/GaN (la barrière est en super-réseaux AlN/GaN) a été étudié pour la première fois dans cette thèse. Les ions fluor incorporés dans cette barrière agissent comme des donneurs qui font augmenter la densité du gaz bi-dimensionnel d'électrons et décaler la tension de pincement vers les tensions négatives. Cet effet est à l'opposé de celui observé dans les HEMT à barrière en AlGaN. Ce résultat élimine la possibilité de réaliser les HEMT (AlN/GaN)/GaN normally off par un dopage au fluor, une technique simple et efficace qui donne de bons résultats sur les HEMT à barrière AlGaN. D autre part, il apporte quelques réponses expérimentales aux prévisions théoriques d'utiliser le fluor pour les dopages de type n ou p dans les nitrures d'éléments III.This thesis is a contribution to the development of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrates for low frequency and applications under high voltages (typically 600V) as switches for home automation or power circuits of electric vehicles. It was conducted in close collaboration with Picogiga who made all epitaxy. It is composed of three parts: development of manufacturing technology, study of leakage currents, improving the insulating barrier and search behavior normally .The realization of low resistivity ohmic contacts is the crucial step in the manufacture of AlGaN / GaN HEMTs power. Optimization of the stack of metal used, the temperature and annealing time and the search for a compromise on the distance metallization - electron gas, has allowed us to achieve ohmic contacts around the state s (0.5 Ohm. mm).The origin of the leakage current has been systematically studied in five different kinds epitaxy. The distance gate - drain and leakage currents were both identified as being factors limiting the breakdown voltage. According to the structure, the leakage currents take place either through the grid (~ e-8 A/mm at 210V), or in parallel to the channel (e-5A/mm). In both cases, these currents are comparable to leakage currents through the buffer (ie current measured between two mesas). These leakage currents were attributed to transition layers required for the adaptation of the epitaxial nitride layers on the silicon substrate. Achieving AlGaN HEMT / GaN on silicon for high voltage applications pass through to an improvement in these buffer layers.We have demonstrated that it is possible to improve the insulation of the AlGaN barrier through hydrogenation of the material. In effect a surface treatment by a hydrogen plasma allows, by diffusion, to incorporate hydrogen which passivates the through dislocations. After treatment, the gate leakage current is reduced and the breakdown voltage of 400V is pushed with leakage currents of the order e-6A/mm. Under these conditions, when the breakdown occurs at the surface of the sample, is no longer limited by the gate-drain distance. This result opens the way for the realization of HEMT with high breakdown voltage (V ~ 600V).The effect of plasma fluorinated SF6 on the electrical characteristics of the HEMT (AlN/GaN)/GaN (barrier is AlN/GaN superlattices) was studied for the first time in this thesis. The fluorine ions incorporated in the barrier act as donors that increase the density of the two-dimensional gas of electrons and the shifting to the voltage clamping negative voltages. This effect is opposite to that observed in the HEMT in AlGaN barrier. This result eliminates the possibility of the HEMT (AlN/GaN)/GaN "normally off" by fluorine doping, a simple and effective technique that gives good results on AlGaN HEMT barrier. On the other hand, it brings some experimental answers to theoretical predictions using fluorine doping for n-type or p in III nitrides.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Integration of nanostructured planar diffractive lenses dedicated to near infrared detection for CMOS image sensors

This paper deals with the integration of metallic and dielectric nanostructured planar lenses into a pixel from a silicon based CMOS image sensor, for a monochromatic application at 1.064 μm. The first is a Plasmonic Lens, based on the phase delay through nanoslits, which has been found to be hardly compatible with current CMOS technology and exhibits a notable metallic absorption. The second is a dielectric Phase-Fresnel Lens integrated at the top of a pixel, it exhibits an Optical Efficiency (OE) improved by a few percent and an angle of view of 50°. The third one is a metallic diffractive lens integrated inside a pixel, which shows a better OE and an angle of view of 24°. The last two lenses exhibit a compatibility with a spectral band close to 1.064 μm

Plasmon dispersion diagram and localization effects in a three-cavity commensurate grating

International audienceCommensurate gratings of deep-metallic grooves have highly localized cavity resonances which do not exist for purely periodic gratings. In this paper we present the experimental dispersion diagram of the reso- nances of a commensurate grating with three sub-wavelength cavities per period. We observe selective light localization within the cavities, transition from a localized to a delocalized mode and modifications of the coupling of modes with the external plane-wave that may lead to the generation of black modes. This unexpected complexity is analyzed via a theoretical study in full agreement with the experiments. These results open a way to the control of wavelength-dependent hot spot predicted in more complex commensurate grating

Multi-resonant absorption in ultra-thin silicon solar cells with metallic nanowires

International audienceWe propose a design to confine light absorption in flat and ultra-thin amorphous silicon solar cells with a one-dimensional silver grating embedded in the front window of the cell.We show numerically that multi-resonant light trapping is achieved in both TE and TM polarizations. Each resonance is analyzed in detail and modeled by Fabry-Perot resonances or guided modes via grating coupling. This approach is generalized to a complete amorphous silicon solar cell, with the additional degrees of freedom provided by the buffer layers. These results could guide the design of resonant structures for optimized ultra-thin solar cells

Optical extinction in a single layer of nanorods

We demonstrate that almost 100 % of incident photons can interact with a monolayer of scatterers in a symmetrical environment. Nearly-perfect optical extinction through free-standing transparent nanorod arrays has been measured. The sharp spectral opacity window, in the form of a characteristic Fano resonance, arises from the coherent multiple scattering in the array. In addition, we show that nanorods made of absorbing material exhibit a 25-fold absorption enhancement per unit volume compared to unstructured thin film. These results open new perspectives for light management in high-Q, low volume dielectric nanostructures, with potential applications in optical systems, spectroscopy, and optomechanics