Guides d'onde submicrométriques en GaAs/A1GaAs à fort rapport d'aspect et faibles pertes de propagation pour la conversion de longueur d'onde

L'infrarouge est un domaine spectral particulièrement attrayant pour de nombreux champs d'applications, tels que les télécommunications, la détection, etc. Cependant, les sources infrarouges compactes disponibles à l'heure actuelle pour le domaine spectral R-moyen sont particulièrement couteuses à fabriquer ou à mettre en oeuvre. Ce projet de recherche propose une nouvelle famille de sources infrarouges compactes utilisant les propriétés non-linéaires de l'AlGaAs. Afin de réaliser la preuve de concept pour ces nouvelles sources infrarouges, un convertisseur de longueur d'onde, basé sur un guide d'onde submicrométrique, fonctionnant par génération de seconde harmonique a été conçu. Dans le but de permettre l'interaction non-linéaire et de maximiser son rendement de conversion, différents critères doivent être respectés : des dimensions très précises ainsi que des flancs non rugueux, homogènes et verticaux. Le défi de ce projet de doctorat était donc de développer un procédé de fabrication de guides d'onde créneaux submicrométriques en GaAs/AlGaAs à fort rapport d'aspect et rugosité latérale minimale. Nous avons ainsi optimisé l'étape cruciale de gravure plasma ICP des matériaux. La recette développée est reproductible. La chimie Cl[indice inférieur 2]/BCl[indice inférieur 3]/Ar/N[indice inférieur 2] utilisée permet de graver non sélectivement des structures nanométriques en GaAs/Al[indice inférieur x]Ga[indice inférieur 1-x]As quelque soit la valeur de la composition x en aluminium. Les flancs et les fonds de gravure sont exempts de rugosités et le dépôt de couche inhibitrice permet d'atteindre de forts rapports d'aspect. Ce procédé nous a permis de fabriquer des guides d'onde submicrométriques avec des verticalités quasi idéales et des rapports d'aspect extrêmes encore jamais publiés : 80 nm de large et 2,6 [micro]m de haut, soit un rapport d'aspect supérieur à 32. Une fois ces guides d'onde fabriqués, l'étape suivante a consisté à mesurer les pertes de propagation afin d'évaluer leurs performances, qui se sont révélées excellentes. Ainsi, un guide de 550 nm de large présente des pertes de propagation d'environ 40 dB/cm inférieures à celle d'un guide strictement identique présenté dans la littérature. Ces résultats ont permis à nos collaborateurs de réaliser la conversion de longueur d'onde dans ces structures : une onde infrarouge à 1582 nm génère une onde à 791 nm. De plus, le composant final est accordable en température ([delta][lambda] [tilde] 2 nm pour +3[degrés Celsius]) comme en largeur de guide ([delta][lambda] [tilde] 53 nm pour +50 nm). Cette réalisation est le premier pas vers de nouvelles sources infrarouges non linéaires, cohérentes, compactes, peu couteuses et compatibles avec l'optique intégrée. Dans le but d'améliorer davantage ces performances, nous avons également étudié le traitement de passivation de surface. L'intérêt de cette passivation est d'améliorer l'homogénéité des surfaces, en réduisant les densités de défauts responsables des pertes par recombinaisons non radiatives. Les traitements de passivation réalisés sur GaAs les plus efficaces ont permis de réduire la densité d'états de surface, originellement supérieure à 10[indice supérieur 13] cm[indice supérieur -2] eV[indice supérieur -1], à 5-7.10[indice supérieur 11] cm[indice supérieur -2]eV[indice supérieur -1]. Un tel traitement est donc prometteur pour les composants semi-conducteurs à fort rapport"surface/volume". Par conséquent, ce travail de doctorat a permis de mettre en place un procédé reproductible pour la fabrication de dispositifs complexes à base de structures GaAs/AlGaAs dont la qualité à permis la démonstration de la conversion non-linéaire des signaux optiques

Deep germanium etching using time multiplexed plasma etching

Abstract : There is a growing need for patterning germanium for photonic and photovoltaics applications. In this paper, the authors use a time multiplexed plasma etch process (Bosch process) to deep etch a germanium substrate. They show that germanium etching presents a strong aspect ratio dependent etching and that patterns present scallops mostly on the upper part (aspect ratio below 0.8). Passivation layers are formed during the passivation step by neutrals’ deposition and are reinforced during the etching step by the redeposition of sputtered fluorocarbon species from the etch front. When the sidewalls are passivated, reactive neutrals diffuse through Knudsen-like diffusion down to the bottom of the pattern to etch the germanium. The Knudsen-like diffusion is responsible for the aspect ratio dependent etching and makes difficult the etching of holes with aspect ratios above 10 while trenches with aspect ratio of 17 are still etched faster than 2 lm/min

Wafer-scale detachable monocrystalline Germanium nanomembranes for the growth of III-V materials and substrate reuse

Germanium (Ge) is increasingly used as a substrate for high-performance optoelectronic, photovoltaic, and electronic devices. These devices are usually grown on thick and rigid Ge substrates manufactured by classical wafering techniques. Nanomembranes (NMs) provide an alternative to this approach while offering wafer-scale lateral dimensions, weight reduction, limitation of waste, and cost effectiveness. Herein, we introduce the Porous germanium Efficient Epitaxial LayEr Release (PEELER) process, which consists of the fabrication of wafer-scale detachable monocrystalline Ge NMs on porous Ge (PGe) and substrate reuse. We demonstrate monocrystalline Ge NMs with surface roughness below 1 nm on top of nanoengineered void layer enabling layer detachment. Furthermore, these Ge NMs exhibit compatibility with the growth of III-V materials. High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) characterization shows Ge NMs crystallinity and high-resolution X-ray diffraction (HRXRD) reciprocal space mapping endorses high-quality GaAs layers. Finally, we demonstrate the chemical reconditioning process of the Ge substrate, allowing its reuse, to produce multiple free-standing NMs from a single parent wafer. The PEELER process significantly reduces the consumption of Ge during the fabrication process which paves the way for a new generation of low-cost flexible optoelectronics devices.Comment: 17 pages and 6 figures along with 3 figures in supporting informatio

Guides d'onde submicrométriques en GaAs/A1GaAs à fort rapport d'aspect et faibles pertes de propagation pour la conversion de longueur d'onde

L'infrarouge est un domaine spectral particulièrement attrayant pour de nombreux champs d'applications, tels que les télécommunications, la détection, etc. Cependant, les sources infrarouges compactes disponibles à l'heure actuelle pour le domaine spectral R-moyen sont particulièrement couteuses à fabriquer ou à mettre en oeuvre. Ce projet de recherche propose une nouvelle famille de sources infrarouges compactes utilisant les propriétés non-linéaires de l'AlGaAs. Afin de réaliser la preuve de concept pour ces nouvelles sources infrarouges, un convertisseur de longueur d'onde, basé sur un guide d'onde submicrométrique, fonctionnant par génération de seconde harmonique a été conçu. Dans le but de permettre l'interaction non-linéaire et de maximiser son rendement de conversion, différents critères doivent être respectés : des dimensions très précises ainsi que des flancs non rugueux, homogènes et verticaux. Le défi de ce projet de doctorat était donc de développer un procédé de fabrication de guides d'onde créneaux submicrométriques en GaAs/AlGaAs à fort rapport d'aspect et rugosité latérale minimale. Nous avons ainsi optimisé l'étape cruciale de gravure plasma ICP des matériaux. La recette développée est reproductible. La chimie Cl[indice inférieur 2]/BCl[indice inférieur 3]/Ar/N[indice inférieur 2] utilisée permet de graver non sélectivement des structures nanométriques en GaAs/Al[indice inférieur x]Ga[indice inférieur 1-x]As quelque soit la valeur de la composition x en aluminium. Les flancs et les fonds de gravure sont exempts de rugosités et le dépôt de couche inhibitrice permet d'atteindre de forts rapports d'aspect. Ce procédé nous a permis de fabriquer des guides d'onde submicrométriques avec des verticalités quasi idéales et des rapports d'aspect extrêmes encore jamais publiés : 80 nm de large et 2,6 [micro]m de haut, soit un rapport d'aspect supérieur à 32. Une fois ces guides d'onde fabriqués, l'étape suivante a consisté à mesurer les pertes de propagation afin d'évaluer leurs performances, qui se sont révélées excellentes. Ainsi, un guide de 550 nm de large présente des pertes de propagation d'environ 40 dB/cm inférieures à celle d'un guide strictement identique présenté dans la littérature. Ces résultats ont permis à nos collaborateurs de réaliser la conversion de longueur d'onde dans ces structures : une onde infrarouge à 1582 nm génère une onde à 791 nm. De plus, le composant final est accordable en température ([delta][lambda] [tilde] 2 nm pour +3[degrés Celsius]) comme en largeur de guide ([delta][lambda] [tilde] 53 nm pour +50 nm). Cette réalisation est le premier pas vers de nouvelles sources infrarouges non linéaires, cohérentes, compactes, peu couteuses et compatibles avec l'optique intégrée. Dans le but d'améliorer davantage ces performances, nous avons également étudié le traitement de passivation de surface. L'intérêt de cette passivation est d'améliorer l'homogénéité des surfaces, en réduisant les densités de défauts responsables des pertes par recombinaisons non radiatives. Les traitements de passivation réalisés sur GaAs les plus efficaces ont permis de réduire la densité d'états de surface, originellement supérieure à 10[indice supérieur 13] cm[indice supérieur -2] eV[indice supérieur -1], à 5-7.10[indice supérieur 11] cm[indice supérieur -2]eV[indice supérieur -1]. Un tel traitement est donc prometteur pour les composants semi-conducteurs à fort rapport"surface/volume". Par conséquent, ce travail de doctorat a permis de mettre en place un procédé reproductible pour la fabrication de dispositifs complexes à base de structures GaAs/AlGaAs dont la qualité à permis la démonstration de la conversion non-linéaire des signaux optiques

Optimal Sizing and Assessment of Standalone Photovoltaic Systems for Community Health Centers in Mali

International audienceDespite abundant solar resources, Mali has remained one of the least electrified countries in the world. Besides daily life activities and the economy, the shortage of electricity has severely affected the quality of healthcare services in the country. In the absence of electrical grids, standalone photovoltaic (PV) systems could be an alternative option in Mali for the electrification of isolated community health centers. However, because standalone PV systems are highly weather-dependent, they must be properly sized according to the local weather conditions. This paper presents the optimal sizing of standalone PV systems for the electrification of community health centers in Mali. The optimization for PV systems was performed for five different locations through simulation and modeling using PVsyst, considering the autonomy of 1 to 3 days and the probability of loss of load for 1 to 5%. Furthermore, for the economic analysis, the levelized cost of electricity (LCOE), payback period and return on investment for the standalone PV systems were calculated. Through the optimization, it was found that the standalone PV systems with PV array sizes ranging from 1650 to 2400 watts, along with 606 Ah battery storage, would be suitable to supply the daily energy demand for community health centers anywhere in the country. Moreover, by only replacing the 606 Ah battery storage with 1212 Ah and 1818 Ah sizes, the PV systems would be able to help and keep the energy reserves for 2 and 3 autonomous days, respectively. Furthermore, the results show that in comparison to a LCOE of 0.94–0.98 USD/kWh for a diesel generator, the LCOE for the standalone PV system would range from 0.23 to 0.46 USD/kWh without discounted rates and from 0.33 to 0.60 USD/kWh if discounted at 6%. In addition to a lower LCOE, the saving of 46–76 tons of CO2 during the project’s lifespan, the short payback periods and high return of investment (ROI) values make standalone PV systems a suitable electrification option for Mali. Considering the total expenses, LCOE, payback period, and ROI, standalone PV systems for community health centers were found to be economically viable in all cases for Mali

Analysis and Modeling of CPV Performance Loss Factors in Humid Continental Climate

Local climate and environmental conditions can impact the performance of concentrator photovoltaic (CPV) systems. There is a lack of experimental performance analysis of CPV systems, especially in the region with high snowfall and very low temperature in winters. In this paper, we present first a CPV system performance in humid continental climate and identify snow and frost as sources of losses that are not considered in conventional predictive models. We propose then a method to account for the negative effect of snow and frost on the system, by adding monthly soiling factors in the predictive model. The monthly soiling factors are modeled based on average monthly snow fall and ambient temperature. Applying this method, decrease in Root Mean Square Error (RMSE) between predicted and actual energy production from 24.51 to 5.07 % validates our model in humid continental climate for CPV systems

Three‐junction monolithic interconnected modules for concentrator photovoltaics

International audienceA core issue in concentrator photovoltaic technology (CPV) is the resistive losses in cells that usually limits the maximum photoconversion efficiency under high concentration. We propose the use of three‐junction monolithic interconnected modules (MIM) to mitigate resistive losses by providing high‐voltage low‐current power. First, we present the fabrication of InGaP/InGaAs/Ge front‐contacted microcells with various designs and dimensions. Front‐contacted cells are the key enabler for the MIM fabrication and demonstrate good electrical characteristics under one sun, similar to standard‐contacted cells. The base front contact size is minimized to limit the unutilized area on the wafer. Second, fabrication techniques for interconnecting cells in MIM are described. Finally, electrical measurements show a record conversion efficiency of 35.1% under 798 suns for the first three‐junction MIM reported (17.8% when considering the entire device area). Versatility and further optimization of the devices are discussed to enlarge their field of application

Microstructured antireflective encapsulant on concentrator solar cells

International audienceMicrostructured antireflective coatings (ARCs) can reduce reflection losses over a wide range of incidence angles when applied to the surface of a high-efficiency III-V photovoltaic cell in a concentrator photovoltaic (CPV) system. In this article, we present a microstructured ARC consisting of a monolayer of close-packed silica microbeads partially submerged within a polydimethylsiloxane (PDMS) cell encapsulant for use within a reference 500Â CPV submodule. Comparing a commercialized SiO x encapsulant to this microstructured coating with 25% submerged 1,000 nm-diameter beads, angle-dependent external quantum efficiency measurements yield a 2.6% current gain for the microstructured coating. Simulations demonstrate good agreement with measurements, predicting a 2.4% current gain for the same configuration. Extrapolating with our validated model, we estimate a maximum and achievable (within a large manufacturing tolerance) current gain of 3.4% and 2.9 ± 0.4% using 60% submerged and 10%-32% submerged 760 nm-diameter beads, respectively

Miniaturization of InGaP/InGaAs/Ge solar cells for microconcentrator photovoltaics

International audienceMicro-concentrator photovoltaic (CPV), incorporating micro-scale solar cells within concentrator photovoltaic modules, promises an inexpensive and highly efficient technology that can mitigate the drawbacks that impede standard CPV, such as resistive power losses. In this paper, we fabricate micro-scale multijunction solar cells designed for micro-CPV applications. A generic process flow, including plasma etching steps, was developed for the fabrication of complete InGaP/InGaAs/Ge microcells with rectangular, circular, and hexagonal active areas down to 0.089 mm 2 (0.068-mm 2 mesa). Large cells (>1 mm 2) demonstrate good electrical performance under one sun AM1.5D illumination, but a degradation in the open-circuit voltage (V OC) is observed on the smallest cells. This effect is attributed to perimeter recombination for which a passivation effect by the antireflective coating partially recovers the V OC. The V OC penalty for small cells is also reduced under high-intensity illumination, from 3.8% under sun to 1.0% at 974 suns. High intensity illumination yields an efficiency of 33.8% under 584 suns for a 0.25-mm 2 and microcells are expected to show higher efficiency than standard cells under very high concentration

Finite Element Modeling and Experimental Validation of Concentrator Photovoltaic Module Based on Surface Mount Technology

International audienc