Traitements chimiques du Ge en vue de sa passivation, de son reconditionnement et de la réutilisation de substrats pour la fabrication de nanomembranes de Ge - Thèses de l'INSA Lyon Access content directly
Theses Year : 2024

Chemical treatment of Ge surfaces for passivation, reconditioning and substrate reuse

Traitements chimiques du Ge en vue de sa passivation, de son reconditionnement et de la réutilisation de substrats pour la fabrication de nanomembranes de Ge

Abstract

Photovoltaic (PV) energy is playing an increasingly significant role in the energy mix. However, challenges such as production intermittency restrict its widespread use. Space-Based Solar Power (SBSP) emerges as a potential complementary alternative to terrestrial PV, harnessing solar energy through satellites equipped with solar cells. Among solar technologies, multijunction cells (MJSCs) based on germanium (Ge) substrates and III-V materials stand out for their efficiency. However, the use of Ge limits their exploitation due to its scarcity and high cost. This thesis focuses on the "Porous germanium Efficient Epitaxial LayEr Release" (PEELER) technology to create germanium nanomembranes (NMs) by porosifying the Ge substrate and epitaxial growth, enabling the reduction of Ge usage and production costs for these cells. Two main issues are addressed in this thesis: surface preparation for Ge membrane passivation and the reuse of the parent substrate after the initial manufacturing cycle. The thesis explores the influence of HF and HCl-based acid cleans on the chemical composition and band structure of the Ge surface. Results show that these cleans induce significant modifications in the band curvature of the Ge surface, resulting in positive band curvatures post-treatment and the removal of surface oxides. Additionally, this work contributes to a better understanding of surface oxidation phenomena related to Ge surface exposure to ambient air and their impact on passivation quality. These findings are crucial for understanding surface passivation phenomena and improving the lifetime of minority carriers in Ge. Furthermore, the thesis aims to develop a chemical reconditioning approach for substrates after membrane detachment within the PEELER framework. An etching solution based on HF, H2O2, and water proves effective in removing broken pillar residues left by mechanical membrane detachment and reducing the surface roughness of the substrate, enabling its reuse for a new manufacturing cycle. Moreover, the thesis demonstrates the multiple reuse of these substrates after reconditioning, enabling a cycling of the PEELER approach while allowing the sequential production of Ge membranes for MJSC development. This approach offers an industrializable and cost-effective alternative to chemical-mechanical polishing (CMP), leading to cost reduction and a decrease in the amount of Ge used in solar cell manufacturing.
L’énergie photovoltaïque (PV) occupe une place croissante dans le mix énergétique. Cependant ses défis, tels que l’inconstance de la production, restreignent son utilisation à grande échelle. Le solaire spatial (Space Based Solar Power, SBSP) se présente comme une potentielle alternative complémentaire au PV terrestre, exploitant l’énergie solaire via des satellites équipés de cellules solaires. Parmi les technologies solaires, les cellules multi-jonctions (MJSCs) à base de substrats de germanium (Ge) et de matériaux III-V se distinguent de part leur efficacité. Ce- pendant, l’utilisation de Ge limite leur exploitation en raison de sa rareté et de son coût élevé. La présente thèse se concentre sur la technologie Porous germanium Efficient Epitaxial LayEr Release (PEELER) pour créer des nanomembranes (NMs) de Ge par porosification du substrat de Ge et croissance épitaxiale permettant la réduction de la quantité de Ge utilisée ainsi que les coûts de production de ces cellules. Deux problématiques principales sont abordées dans ces travaux de thèse : la préparation de surface en vue de la passivation de la membrane de Ge et la réutilisation du substrat parent après le premier cycle de fabrication. Ces travaux de thèse explorent l’influence des nettoyages acides à base de HF et HCl sur la composition chimique de la surface du Ge ainsi que sur sa structure de bandes. Les résultats montrent que ces nettoyages induisent des modifications significatives de la courbure de bande de la surface du Ge, induisant des courbures de bandes positives après traitement ainsi qu’une élimination des oxydes en surface. De plus, ces travaux ont contribué à une meilleure compré- hension des phénomènes d’oxydation de surface liés à l’exposition à l’air ambiant des surfaces de Ge et leur impact sur la qualité de passivation. Ces résultats sont d’une haute importance pour la compréhension des phénomènes de passivation de surface et l’amélioration de la durée de vie de porteurs minoritaires dans le Ge. Par ailleurs, ces travaux de thèses visent au développement d’une approche de reconditionnement chimique des substrats après le détachement de la membrane dans le cadre de l’approche PEELER. Une solution de gravure à base de HF, H2O2, et d’eau s’est révélée efficace pour éliminer les résidus de piliers cassés laissés par le détachement mécanique de la membrane et réduire la rugosité de surface de ce substrat, permettant sa réuti- lisation pour un nouveau cycle de fabrication. De plus, il est démontré la réutilisation multiple de ces substrats après le reconditionnement permettant un cyclage de l’approche PEELER tout en permettant la production séquentielle de membranes de Ge pouvant être utilisées pour le dé- veloppement de MJSCs. Cette approche offre une alternative industrialisable et économique au polissage mécanique-chimique (CMP) tout en permettant une réduction des coûts ainsi qu’une réduction de la quantité de Ge utilisée pour la fabrication de ces cellules solaires.
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tel-04556943 , version 1 (23-04-2024)

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  • HAL Id : tel-04556943 , version 1

Cite

Alexandre Chapotot. Traitements chimiques du Ge en vue de sa passivation, de son reconditionnement et de la réutilisation de substrats pour la fabrication de nanomembranes de Ge. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Sherbrooke (Québec, Canada), 2024. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04556943v1⟩
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