Brevet FR3005789A1 — publié le 20141121

SYSTEME D'UNITES NANOSTRUCTUREES GROUPEES FORMANT UN METAMATERIAU A L'INTERIEUR DU SILICIUM ET LE PROCEDE DE FABRICATION PERMETTANT DE LES FORMER ET DE LES DISTRIBUER A L'INTERIEUR DE CELUI-CI Cette invention se rapporte à un système à nanoéchelle constitué d'unités nanostructurées groupées et conditionnées selon un arrangement spécifique à l'intérieur d'un matériau silicium, ainsi que le procédé de fabrication pour le réaliser à l'intérieur du matériau silicium pour application dans des convertisseurs lumière- électricité tout silicium. Ce procédé induit des modifications du champ cristallin c'est-à-dire des unités cristallines élémentaires avec le champ de contrainte, le champ électrique, le dopage lourd d'impuretés. La modulation du matériau permet une extraction efficace des électrons libres, le transport électronique spécifique, l'écrantage utile des défauts et les facteurs géométriques adaptés. Plus particulièrement, le processus consiste en une formation à nano échelle d'un super réseau d'unités nanostructurées groupées dans un arrangement optimal pour former un nano système de façon à améliorer le rendement de la conversion lumière-20 électricité au moyen d'électrons chauds et pour permette une collecte efficace de tous les électrons primaires et secondaires, générés à l'intérieur du convertisseur. 1. CHAMP DE L'INVENTION 25 L'ajustement d'un convertisseur lumière-électricité au spectre solaire est compliqué parce que d'une part l'opération en mécanique quantique, pour être efficace et optimale, doit se situer sur une plage très étroite du spectre et d'autre part parce que le spectre solaire est trop large pour une opération efficace en utilisant un dispositif à 30 jonction unitaire. Deux approches sont possibles: - conserver le même simple mécanisme unitaire de l'interaction photon/électron exploités dans des cellules tandem les plus efficaces exploitant les résultats des recherches sur les matériaux, comme par exemple GaAs et une seule interaction lumière matériaux menant à une collecte compliquée de courant ; - introduire des mécanismes additionnels multiples tels que par exemple la génération secondaire à faible énergie avec plusieurs mécanismes couplés permettant la séparation fonctionnelle spécifique tels que les transformations du matériau, le transport électronique et la collecte spécifique de porteurs. Cette invention concerne une méthode pour améliorer la génération secondaire et la multiplication de faible énergie de porteurs additionnels collectables dans un convertisseur de la lumière de la radiation solaire en électricité en général et, particulièrement, dans le convertisseur tout silicium grâce aux sous-régions, sous- systèmes ou sous structures comme par exemple un système multi couche en nano échelle contenant du métamatériau silicium, appelé segmatter présenté dans la description ci-après. La génération d'électrons de faible énergie connue sous le nom LEEG (génération par des électrons de faible énergie) est un processus où des électrons multiples sont produits à partir de l'absorption d'un seul photon dans des nano objets semiconducteurs. Le LEEG est le premier mécanisme aussi prometteur à l'intérieur de semiconducteurs à gap indirect comme cela a été prouvé pour le silicium en permettant une adaptation optimisée des convertisseurs semi-conducteurs au spectre solaire. L'invention est d'une importance particulière car le silicium domine largement l'industrie photovoltaïque et ne présente pas de problème d'abondance et d'accessibilité dans la croûte terrestre et ne pose pas de problèmes significatifs environnementaux relatifs à la toxicité et à son recyclage. Le dernier développement des dispositifs à silicium cristallin représente, en quelque sorte, un retour à la première génération photovoltaïque, il représente d'excellentes bases pour de telles améliorations couvertes par l'invention. 2) DEFINITIONS LEEG - GEBE. La génération d'électrons de faible énergie est un processus où de multiples électrons sont produits après l'absorption d'un seul photon par un nanoobjet semi-conducteur. L'effet représente un potentiel prometteur pour accroitre les efficacités de la conversion lumière/ électricité dans les dispositifs à jonction unique. Segton - est une unité de la génération secondaire d'électrons adaptée à nanoéchelle, c'est à dire une unité cellulaire élémentaire de matériau caractérisée par son étendue extrêmement utile de niveaux d'énergie électronique qui est adaptée à une conversion lumière-électricité multi-étages ; le système permet une photogénération électronique de faible énergie de porteurs libres et un cycle de multiplication de porteurs. Plus généralement, c'est une méthode pour produire un ensemble très utile de niveaux d'énergie d'électrons qui est capable de compléter les niveaux d'énergie électronique des matériaux semi-conducteurs naturels, préférablement du silicium utilisable pour des convertisseurs lumière-électricité à très haute efficacité. Segmatter est un métamatériau basé sur le segton, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un métamatériau spécifique pour une conversion lumière-électricité efficace et qui est constitué de segtons à distribution homogène qui forment un super réseau structuré et sont plongés dans un environnement physique spécifique limité par des nanomembranes comme cela est protégé au moyen de brevets parallèles. Plus généralement, cette expression signifie aussi la méthode pour produire le matériau qui sera capable d'exploiter la distribuion des niveaux d'énergie segton. Le métamatériau segmatter est constitué d'une couche ou plus. Et au-delà, le segmatter est le matériau semi-conducteur artificiel formant un métamatériau qui permet le conditionnement du segton et assume une fonctionnalité multiple qui est principalement disponible à nanoéchelle. MTM - métamatériau basé sur du silicium. a-Si: phase amorphisée du silicium. : phase amorphisée du silicium sous contrainte. Bilacune: défaut ponctuel structurel qui forme une unité structurale spécifique dans un semiconducteur où différentes liaisons atomiques (comme des liaisons du type moléculaires) apparaissent dans un matériau covalent. BSF : champ électrique de la face arrière. interface BSF: jonction semiconducteur de type LH résultant d'un changement abrupt ou progressif de la densité des impuretés dopantes. 3) ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Actuellement l'effet photovoltaïque est obtenu et basé sur des dispositifs planaires à semi-conducteurs à simples jonctions et multi jonctions. Cette architecture simple exploite des matériaux naturels qui peuvent être optionnellement légèrement modifiés. L'interaction du photon avec le matériau repose sur deux principes: tout ou rien, et un photon égale une paire électron-trou. Cette vision des choses peut-être enrichie par des sous régions, sous-systèmes sous structures dédiés, du convertisseur c'est-à-dire des composants à nano échelle qui 10 pourraient être capables de compléter la conversion conventionnelle par de nouveaux mécanismes. Des nano objets nanoscopiques appelés « Segtons » sont nécessaires mais largement insuffisants pour réaliser le processus de photo conversion complet qui nécessite une chaîne de plusieurs interactions séquentielles se suivant les unes les 15 autres et, ce qui est particulièrement important, pratiquement l'ensemble d'entre elles se déroulant dans un temps très court. Ceci peut être obtenu par un matériau artificiellement modulé dénommé ici "segmatter" formé, entre autre, d'éléments de construction bien définis, d'une densité bien déterminée, qui est situé dans le volume bien déterminé du convertisseur. Pour 20 assurer la fonctionnalité complète du segmatter, il est nécessaire d'avoir réuni un certain nombre de conditions strictes. Le seg-matter doit être capable d'interagir efficacement avec son voisinage de sous-systèmes de silicium à travers ses membranes le limitant. Les segtons individuels sont formés autour de sites vides d'atomes connus 25 comme défauts ponctuels qui sont à l'origine de nouvelles liaisons atomiques prolongées résultant de liaisons transformées menant à un défaut ponctuel appelé « bilacune ». Mais la bilacune individuelle en tant que telle représente un défaut nuisible apparaissant après une irradiation du matériau semi-conducteur par des rayons cosmiques, des rayons y , des rayons X, des faisceaux d'électrons ou d'ions etc. Le seg- 30 malter nécessite une densité minimale de segtons et ne peut résulter uniquement que d'un processus spécifique de fabrication capable de produire massivement des segtons dans le sous espace bien défini du convertisseur. La densité suffisante de population de bilacunes qui sont groupées dans un espace bien déterminé et limité peut être produite seulement par des techniques spécifiques permettant une nécessaire distribution ou répartition et focalisation de l'énergie à l'échelle atomique pour vider simultanément un grand nombre de sites cristallins. Un exemple d'un tel processus de fabrication est décrit en détail sur la base d'implantation d'ions et d'un traitement thermique associé. La monocouche de méta-matériau est mise en forme et persiste à des températures de traitement usuellement élevées de 450°C à 550°C et 250°C à 450°C à cause de contraintes locales. Les bilacunes sont connues pour se recombiner à des températures inférieures à 250°C. Pour assumer ses fonctions la nanocouche de métamatériau est plongée dans un matériau de type n fortement dopé, préférentiellement du silicium cristallin, c-Si et il est délimité par deux membranes - interfaces. D'un côté dans le matériau dérivé du silicium il y a une transition c-Si/ qui est déterminée par un champ interne mécanique de l'interface / due à un effet de dilatation. De l'autre côté il y a une transition i/c-Si résultant de l'amorphisation et d'un cycle thermodynamique adapté. Ces limites jouent un rôle de nano membranes qui sont capables de contrôler les mécanismes de transport d'électrons. À cause des segtons, la nano couche de métamatériau procure des niveaux d'énergie extrinsèques qui sont adaptés à la génération et multiplication d'électrons de faible énergie. À cause de la distribution des niveaux d'énergie et du champ électrique interne, la conduction d'électrons à travers la nanocouche de métamatériau est de nature unipolaire, concernant uniquement les électrons qui forment un courant électronique. L'épaisseur de la monocouche de métamatériau (nanocouche ) est déterminée par la contrainte interne et le champ mécanique local induits par la dilatation entre a-Si et c-Si ou résultant du cycle de recristallisation par épitaxie en phase solide. Des expérimentations par rayon X et LEED montrent que, du côté cristallin, bien visualisées par des techniques disponibles, cette épaisseur est de l'ordre de 5-10 nm. Comme résultats, les apports principaux de matériau seg-matter concernent: - une profonde transformation locale du semi-conducteur préférentiellement c-Si, possible à nanoéchelle, conduisant à un métamatériau, préférentiellement métamatériau Si appelé seg-matter - une composition uniforme et stabilisée de nanocouche(s) de seg-matter - une quantité totale suffisante de seg-matter correspondant à l'intensité du flux incident de photons - position spatiale adaptée du système seg-matter qui doit être proche de l'endroit où l'absorption des photons énergétiques se fait pour permettre une optimisation locale : proximité et/ou unité des endroits de l'absorption et de la génération secondaire surface d'exposition maximale ou optimisée en forme et en surface totale d'exposition et en disposition pour des interactions collisionnelles rapides avec des électrons chauds - temps d'interaction minimal ou optimisé avec les électrons chauds, qui sont des électrons avec une grande énergie cinétique résultant de l'absorption de photons énergétiques, pour éviter leur thermalisation totale ou partielle par l'interaction la plus rapide possible - éviter un effet de vieillissement par recombinaison ou disparition des segtons, qui est assurée par les contraintes internes stabilisatrices et la température optimisée basse du point de fonctionnement du convertisseur - régénération électrique rapide par le chargement et déchargement due aux mécanismes dynamiques multi niveaux de conduction autour et à l'intérieur du métamatériau - mécanisme de conduction spécifique permettant le rechargement suffisamment rapide de segtons et leur régénération par des électrons arrivant des parties basses des convertisseurs conduction unipolaire dans la nanocouche de métamatériau assurrée exclusivement par des électrons - extraction rapide d'électrons par la bande de conduction et leurs remplacement par l'injection d'électrons à travers la bande d'impuretés - conduction unidirectionnelle locale des électrons expulsés et extraits et des électrons injectés qui rechargent et régénèrent les segtons ; cette uni- directionnalité exclut la recapture des électrons à l'équilibre expulsés et permet l'extraction d'électrons secondaires. Le cycle de multiplication désiré ne peut être réalisé que grâce à cette approche complète réalisée à l'aide des nano objets appelés segtons, c'est-à-dire l'unité de génération secondaire d'électrons ajustés à nanoéchelle. La potentialité du nouveau système des énergies d'électrons avec les nouveaux mécanismes de génération avec les énergies de génération particulièrement faible peut être exploité grâce au segmatter lequel est en mesure de réaliser les conditionnements nécessaires. La dynamique utile d'électrons: extraction d'électrons et rechargement de segtons peut être uniquement assurée à travers les nanomembranes qui délimitent le seg-matter. Le cycle de multiplication des électrons par électrons chauds nécessite une densité bien ajustée ou une section efficace des segtons. Une telle section efficace peut être dimensionnée à l'intérieur de la nanocouche de métamatériau. Le meilleur convertisseur lumière-électricité que l'on peut imaginer doit être construit à partir du silicium qui est abondant, le mieux maitrisé technologiquement, et qui est compatible avec les contraintes écologiques et peut être convenablement transformé à nanoéchelle. Il est particulièrement important que le silicium puisse être fourni avec une distribution adaptée de niveaux d'énergie obtenus par les sous structures contenant des segtons. Ceci reste l'analogie avec les nanocristaux de silicium qui peuvent fournir au convertisseur une distribution de niveaux d'énergie adaptée. De cette façon, la génération d'électrons-trou unitaire due à l'absorption de photons énergétiques peut être transformée en une génération multiple de multi excitions : l'effet peut, au-delà, mener à une multiplication de porteurs libres. Deux types de modifications du silicium vont apparaître durant la mise en forme des nanocristaux de silicium : i) mécanique quantique reliée à la taille des nanocristaux et ii) niveaux d'énergie spécifiques localisés à l'interface du nanocristal. Le système peut être très bien ajusté optiquement. Le problème critique de conversion avec les nanocristaux de silicium concerne les porteurs libres : multiplication, extraction et collecte. La distribution spécifique des niveaux d'énergie du c-Si, concernant le système de bandes silicium du segton, c'est-à-dire les niveaux d'énergie extrinsèque dans la bande interdite permet une conversion optimale du spectre solaire. La libération collisionnelle des électrons faiblement liés par les électrons chauds est bien ajustée pour une conversion optimisée du spectre solaire. De plus, la charge électrique des segtons est un paramètre contrôlable qui rend la structure électrique ajustable, ce qui rend possible une nouvelle façon de régler les propriétés de transports d'électrons pour devenir utile dans des applications pratiques. 4. BREVE DESCRIPTION Le super réseau appelé seg-matter est un arrangement optimal de segtons sous la forme d'une ou deux, ou plusieurs couches superposées. Les segtons sont couplés avantageusement à leur environnement physique c'est-à-dire strictement conditionnés physiquement et ils sont avantageusement disposés ou distribués à l'intérieur du convertisseur du point de vue de la lumière incidente et de son absorption. Le nouveau matériau selon cette invention est organisé à partir d'éléments de construction ordonnancés dans un super réseau. De cette façon, la densité, les distributions, positions et comportements de nano objets basés sur des bilacunes peuvent mener à des applications techniquement utiles en remplissant des fonctionnalités souhaitées normalement inatteignables. Deux des spécificités les plus notables dans l'utilisation des segtons concerne leurs états de charges quasi permanents, c'est-à-dire la régénération rapide de l'état de charge. L'état de charge doit assurer le mécanisme nouveau et unique de la conversion, c'est-à-dire la génération incessante en fonctionnement complet. Selon les connaissances des inventeurs, la façon de transformer les bien connus nanodéfauts nuisibles (à l'échelle de plusieurs atomes) en super-réseau de matériau utile n'était jamais divulgué auparavant. Les segtons sont arrangés pour former un système semblable à celui des super réseaux qui constitue un réseau régulier des éléments unitaires d'un métamatériau, comme mentionné précédemment, qui doit être mis en forme de nano-couches préférentiellement à l'intérieur du silicium cristallin. Cette nanocouche doit être conditionnée et homogénéisée durant les étapes du traitement menant au dispositif inventé et est protégé par le dépôt des brevets parallèles. Cela veut dire qu'elle doit être préservée dans toutes les conditions thermiques rencontrées, c'est-à-dire des températures de traitement qui peuvent atteindre 550°C car, normalement, les défauts se recombinent à une température inférieure à 250°C. Il en résulte que, pour être utile dans la conversion efficace de la lumière en électricité, la dynamique des électrons dans le seg-matter est extrêmement rapide. Des constantes de temps extrêmement courtes pour charger et décharger les segtons, elles sont de l'ordre de la picoseconde. Une telle opération nécessite un environnement semiconducteur de type n, à cause du dopage P et du transport spécifique des électrons. Par exemple, un tel transport peut résulter de saut de la conduction unipolaire, c'est-à-dire la bande des impuretés du dopage P intervenant dans la moitié supérieure de la bande indirecte du silicium. L'interaction photon-électron, électron-électron, et la dynamique du transport électronique des segtons nécessite un nano espace spécifique ou un volume du convertisseur dédié au seg-matter. Ce nano espace doit être bien délimité par des nano membranes permettant une bonne coopération avec les zones voisines, c'est-à-dire de combiner la distribution spécifique des niveaux d'énergie des électrons avec un excellent rapport conduction/transport. La capacité d'extraction et de collecte d'électrons avec le seg-matter prédestine ses applications techniques. L'inclusion de segtons à l'intérieur d'une couche de silicium monocristallin sous forme de wafer ou couches minces, induit un accroissement du rendement photovoltaïque en transformant la lumière multi spectrale en électricité. Cet effet est opérationnel par un arrangement spécifique de la couche de segtons à l'intérieur du silicium. Une nano structure est produite et organisée par une méthode dédiée en utilisant et en groupant les segtons comme des éléments de construction à deux ou trois dimensions opérant conjointement à deux niveaux: au niveau de l'interaction et de l'organisation atomique et au niveau nanoscopique. L'organisation géométrique résultante constitue un métamatériau silicium nommé seg-matter qui est enterré dans le silicium cristallin. Des segtons et de la seg-matter peuvent être produits à bas coût en utilisant des équipements de production commercialement disponibles et dédiés initialement à la micro-électronique mais utilisés d'une façon spécifique. La transformation du silicium en segtons en silicium et seg-matter en silicium n'induit pas plus d'empreinte écologique pour la fabrication et le recyclage que le matériau silicium. Les risques pour la santé existant par exemple pour les nanotubes de carbone pour la fabrication de dispositifs en nano composants sont sans objet pour les segtons en silicium et le seg-matter en silicium car les segtons sont physiquement collés les uns aux autres dans la seg-matter. S'ils sont fondus ils retourneront à l'état de matériau silicium sans aucun risque de dispersion de nano particules. Cette invention concerne la génération similaire à celle de la génération multi exciton à cause de l'absorption de photons énergétiques par des segtons ce qui conduit à la multiplication de porteurs libres. La charge électrique d'un segton peut être contrôlée grâce à la possibilité d'ajustement des propriétés de transport électronique. 5. FONCTIONNALITES REQUISES A un premier niveau le seg-matter doit être conditionné durant un processus spécifique adapté en présentant, entre autre, une densité et une distribution optimisée de segtons. Un nouveau matériau peut ainsi être arrangé à partir d'éléments de construction, les segtons, aménagés en super réseau. Un composant artificiel de ce nouveau matériau combine avantageusement des effets utiles et un traitement pour remplir des fonctionnalités souhaitées, normalement non atteignables. Deux des aspects les plus spécifiques desdits segtons qui doivent être impérativement assurés au sein du seg-matter, sont l'état de charge électrique du segton et son taux de régénération rapide. L'état de charge doit permettre un mécanisme nouveau et unique de conversion, c'est-à-dire que la génération sans fin à faible énergie doit fonctionner pleinement. A un second niveau et toujours selon l'invention, le seg-matter doit être mis en forme par exemple dans une nanocouche préférentiellement dans le silicium cristallin. Cette nanocouche doit être conditionnée et homogénéisée durant les étapes du processus de traitement menant au dispositif inventé. Ceci veut dire qu'il doit être préservé dans toutes les conditions thermiques rencontrées, c'est-à-dire des températures de traitement atteignant 550°C tandis que les bilacunes du silicium se recombinent à une température plus basse que 250°C. Comme résultat un réseau de segtons est ensuite étendu de façon uniforme à l'intérieur d'au moins une nanocouche de seg-matter enterrée dans le convertisseur permettant la fonctionnalité requise, comme la probabilité optimale de génération collisionnelle d'électrons, de convertir la part maximale de l'énergie cinétique additionnelle des électrons chauds en une population d'électrons proche de l'équilibre. Ces nouveaux mécanismes de conversion de l'énergie en population ont un grand intérêt pratique technologique et économique et doivent être exploités dans des dispositifs dédiés. Considérée au troisième niveau l'invention décrite et revendiquée enseigne à la personne experte dans l'art ce qui est nécessaire pour être efficace dans la conversion de la lumière en électricité. La nanocouche de segtons doit avoir une forme utile déterminée et doit être localisée dans une région utile pour assurer une interaction optimale avec les électrons chauds résultant d'une génération primaire. Pour éviter la thermalisation dommageable des électrons chauds, c'est-à-dire le chauffage du réseau silicium, l'interaction doit être contrôlée au niveau temporel et géométrique. 6. FABRICATION Le processus de fabrication doit rendre possible la localisation des segtons dans un espace bien déterminé du convertisseur en apparaissant suffisamment proche de la zone d'absorption, spécialement proche de la zone d'absorption des photons énergétiques. En raison de la distribution spectrale de la lumière incidente, l'espace d'absorption dépend de l'énergie des photons : plus cette énergie est élevée et moins est importante la profondeur de pénétration du photon. Le procédé de fabrication doit rendre possible le réglage, la position, la profondeur, la dimension et l'épaisseur occupés par les segtons dans l'espace d'absorption. La méthode pour créer et fabriquer l'unité nanoscopique selon cette invention va maintenant être décrite brièvement avec des termes généraux et des expressions courantes dans la partie suivante. La fabrication et le conditionnement des segtons doivent permettre simultanément les fonctionnalités requises : i) la création de nano objets spécifiques en type, charge électrique, densité, localisation, position géométrique dans l'espace, etc, résultant d'une redistribution 30 d'atomes dans le réseau cristallin des phases amorphes et amorphisées, ii) l'insertion d'un système adapté de niveaux d'énergie électronique qui va permettre la génération à faible énergie d'électrons secondaires, iii) en réalité, des fonctionnalités spécifiques résultant de la synergie de plusieurs interactions physiques qui sont impliquées dans une photoconversion améliorée, peuvent être activées quelques fois exclusivement à nanoéchelle, iv) les lieux de génération et de recombinaisons des électrons secondaires sont adaptés, séparés ou écrantés l'un de l'autre et la recombinaison-extraction des électrons libres prend place plutôt pratiquement et complètement au niveau de l'électrode de la face avant. En général, les fonctionnalités requises résultent de deux types d'effets : ceux qui sont reliés de façon interne à la structure du matériau des nano-objets et segtons eux-10 mêmes et ceux qui sont reliés aux champs physiques induits à nano échelle, imposés par exemple, par le voisinage d'interface semi-conductrice avec ses zones de transition. 7. BENEFICES ET AVANTAGES DE L'INVENTION 15 Le seg-matter permet de nouveaux mécanismes de conversion préférentiellement dans des dispositifs silicium. Le système spécifique de niveaux d'énergies extrinsèques, permet au matériau silicium hôte de jouer un rôle fondamental ou une fonction pour un important accroissement du rendement de la photoconversion principalement causé par la génération secondaire à faible énergie et au cycle des multiplications. De cette façon, 20 des électrons additionnels peuvent être générés par des photons énergétiques dans le cycle de multiplication d'électrons. Des convertisseurs lumière-électricité tout silicium deviennent possibles avec un très haut rendement à cause de la superposition ajustée de matériaux dérivés du silicium. Le convertisseur silicium contient ainsi des niveaux d'énergie et des bandes d'énergie arrangées pour une conversion optimale du spectre 25 solaire. Le traitement inventé est basé sur la technologie silicium la plus mature et ne requiert que des modifications et compléments de systèmes de production existant. Les bandes originales d'énergie du silicium qui sont le moins adaptées à la conversion du spectre peuvent être avantageusement ajustées par un ensemble de niveaux d'énergie provenant des segtons qui est spécialement optimisé pour la 30 conversion de photons visibles et UV. Le convertisseur doté de seg-matter opère avec deux types de génération de porteurs : la génération primaire, unitaire et conventionnelle, d'électrons-trou, et la nouvelle génération secondaire d'électrons. En d'autres termes la simple génération primaire de paires électron-trou résultant de l'absorption de photons est transformée dans un cycle de conversion multi étapes. La génération secondaire permet d'éviter le thermalisation nuisible des électrons chauds c'est-à-dire le réchauffement du réseau silicium. A cause de l'architecture ajustée du convertisseur, l'interaction des électrons chauds peut être contrôlée temporellement et géométriquement. La fabrication du dispositif avec toutes les nano transformations, le fonctionnement du convertisseur et sa destruction finale sont totalement exempts d'étapes de traitement avec des nano particules libres qui peuvent être dangereuses pour l'environnement et l'être humain. La fabrication peut être assurée par des opérateurs industriels expérimentés tels que des ingénieurs et techniciens. Un des plus importants procédés de fabrication nouvelle concerne l'implantation d'ions et les traitements thermiques associés. 8. LES BUTS DE L'INVENTION Il s'agit de la conversion de l'énergie additionnelle des électrons résultant de l'absorption de photons énergétiques, aujourd'hui perdus par thermalisation, dans une population additionnelle d'électrons que l'on peut collecter dans un circuit extérieur. L'amélioration est possible à cause des unités pour génération d'électrons secondaires organisées à nanoéchelle et appelées segtons. Pour être techniquement utile, les segtons doivent remplir plusieurs conditions, comme être suffisamment nombreux et bien distribués, placés dans un nano espace bien défini, et conserver de façon permanente leur état de charge. Les électrons faiblement liés des segtons peuvent être libérés suite à une collision des électrons ayant une énergie cinétique suffisamment importante que ce soit des électrons chauds ou tièdes avec des segtons. Les électrons chauds ou tièdes peuvent résulter d'irradiation lumineuse, d'accélération dans un champ électrique ou d'autres effets comme l'injection de porteurs. Tout ceci mène à des améliorations mentionnées de la façon suivante non exhaustive : - nouveau convertisseur lumière-électricité avec une limite thermodynamique de 63%, - nouveaux dispositifs fabriqués à partir d'un matériau abondant, écologique, traité avec une technologie mature disponible, nouveau système d'énergie électronique permettant l'ajustement du convertisseur au spectre solaire, - nouveau processus de fabrication menant à de nouveaux matériaux de conversion et des structures complétant le matériau et l'architecture du dispositif de 5 base, 9. DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS - la figure 1 est un graphique qui montre la comparaison du profil phosphore (31P) 10 diffusé à 850° C et mesuré par SIMS ; - la figure 2 est un graphe qui montre la comparaison du profil phosphore (31P) doublement implantés, énergies d'implantation ; - la figure 3 est une vue schématique d'une coupe TEM d'une sous structure planaire multi interface ; 15 - la figure 4 est une image 3D BSE (Microscopie électronique à fond noir) de la sous structure enterrée montrant trois différentes phases du silicium : cristalline, amorphisée et métamatériau ; - la figure 5 est une vue générale schématique d'une monocouche de super réseau, d'un exemple d'un super-réseau ordonné de segtons, dans leur environnement le plus 20 proche ; - la figure 6 représente des vues schématiques d'exemples d'amorphisation discontinue ; la figure 7 est une représentation qui montre une comparaison d'images au microscope optique d'une implantation à travers un masque avec une vue FIB (faisceau 25 d'ions focalisés), vue microscopique d'un dispositif test montrant directement une sous structure discontinue enterrée ; - la figure 8 est une image X-TEM d'un exemple de nanostructure amorphisée, enterrée, avec un traitement thermique relativement long ; - les figures 9 et 10 sont deux images X-TEM de deux géométries différentes de 30 nanostructures amorphisées enterrées dans le Si cristallin. La figure 9 est une image avec des amorphisations discontinues et la figure 10 est une image d'une couche amorphisée avec des systèmes de vallées circulaires locales ; - la figure 11 est une représentation schématique d'un exemple de système de nanomembranes, dessin non à l'échelle ; - la figure 12 est une vue en coupe d'emplacements possibles d'insertion de nanocouche seg-matter - la figure 13 est une image multi graphique pour la comparaison des ordres théoriques en escalier de multiplication des électrons ; - la figure 14 est une image multi graphique pour la comparaison de l'impact photovoltaïque du seg-matter ; - la figure 15 est une courbe qui illustre le courant additionnel provenant de l'énergie des photons : - la figure 16 est un organigramme des différentes étapes du processus pour créer des nanocouches seg-matter. 10. L'INVENTION ET SON PROCEDE DE FABRICATION La description de la protection parallèle, reposant sur les unités élémentaires appelées segtons est incorporée ici pour des explications ultérieures utiles si nécessaire et par le biais de références. Pour être utile dans la conversion lumière-électricité, le silicium doit subir une transformation complexe des défauts structurels nuisibles, distribués aléatoirement et clairsemés en unités élémentaires appelés segtons du super réseau ordonné qui forme un métamatériau appelé seg-matter. L'aspect le plus important concerne la nature, la densité et le nombre de défauts ponctuels qui sont bien positionnés dans l'espace de conversion. La méthode préférée de fabrication du seg-matter est basée sur des réservoirs de défauts ponctuels qui sont des insertions amorphisées à l'intérieur de l'émetteur. Ces réservoirs relâchent des défauts ponctuels dans une nanocouche enveloppant chaque amorphisation durant un traitement adapté. La nanocouche remplie de défauts ponctuels et immergée dans différents champs physiques présents à l'hétérointerface a- Si/c-Si est transformée en un matériau appelé le seg-matter pour la génération secondaires d'électrons. La seg-matter résulte d'un conditionnement local d'un cristal de semi-conducteur par des champs physiques intenses opérant conjointement, tels que des champs de contrainte, des champs électriques, des dopages forts d'impuretés, des défauts structurels ordonnés qui sont capables de former une nano couche de métamatériau. Cette transformation à nanoéchelle peut être réalisée à proximité ou autour d'une hétérointerface cristalline ou amorphe, préférentiellement a-Si/c-Si grâce à un 5 traitement thermodynamique adapté. Par analogie, l'arrangement de métamatériau dans le matériau hôte c-Si peut être comparé à la localisation de nanocristaux de silicium dans le matériau diélectrique. Dans les deux cas, une distribution de niveaux d'énergie est réglée artificiellement pour une interaction efficace avec le spectre solaire. 10 Le seg-matter doit être placé préférentiellement dans l'émetteur à proximité de la face avant du convertisseur en relation directe avec les longueurs d'onde lumineuses converties. Une méthode de transformation à nano échelle, capable de satisfaire plusieurs conditions requises, est basée sur une amorphisation locale d'un semiconducteur auparavant cristallin, en utilisant un faisceau d'ions et un traitement 15 thermodynamique. Ce traitement permet une bonne auto organisation dans le super réseau ordonné à cause de la contrainte interne qui est induite par des forces de dilatation à l'interface c-Si/a-Si. Il y a au moins deux méthodes d'implémentation : - traitement en deux étapes : dopage préalable de type n (phosphore) qui 20 est ensuite suivi par une implantation jusqu'à l'amorphisation locale ou enterrée (P, Si) - implantation ionique singulière jusqu'à l'amorphisation locale ou enterrée en utilisant exclusivement des ions dopants P. Les deux méthodes mentionnées mènent à des matériaux fortement dopés et 25 permettent, en conséquence, une conduction unipolaire impliquant simultanément les bandes de conduction et d'impuretés. Le choix dépend de la finesse de l'ajustement au spectre converti. Dans une première étape, l'amorphisation produit des insertions avec des hétéro interfaces a-Si/c-Si rugueuses ou accidentées et de petites inclusions a-Si dans c-Si et c- 30 Si inclusions dans a-Si. Le cycle de traitement thermique de recuit intervenant préférentiellement à 500-550°C prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mène à une séparation propre des deux phases de silicium : cristalline et amorphisée, aussi bien que des hétéro interfaces précises a-Si/c-Si. Le même cycle de recuit conduit à la création de nanocouches plus ou moins planaires et parallèles qui s'enroulent autour de chaque insertion amorphisée. Les dites nanocouches de 3 - 5 - 10 nanomètres d'épaisseur sont uniformes sans aucune malformations et sans inégalités et contiennent un grand nombre de segtons ordonnés qui forment ensemble le seg-matter qui est un MTM basé sur le silicium. Une des meilleures techniques capable de remplir de nombreuses exigences concernant la mise en forme des segtons est la transition de phase du silicium autour d'une hétéro interface entre le matériau amorphisé et le matériau cristallin. La phase amorphisée contient des atomes déplacés avec une « mémoire » de leur précédente position dans le réseau cristallin. Par une recristallisation adaptée dans laquelle l'énergie nécessaire à la transformation est relativement faible, une partie des atomes déplacés restent à leur nouvelle place tandis que la phase devient cristalline avec de nombreux défauts ponctuels. Le matériau recristallisé a un comportement cristallin dominant mais retient de nombreux atomes déplacés qui sont distribués plutôt uniformément. La recristallisation doit respecter diverses conditions concernant le taux de recristallisation par épitaxie à l'état solide, la température, le délai pour conserver de nombreux atomes déplacés dans leur nouvelle position et d'éviter les dommages structurels résultant par exemple de mouvements trop violents d'atomes. Ceci est le seul traitement qui est capable de satisfaire simultanément toutes les fonctions nécessaires exprimées ci-dessus, c'est-à-dire l'implantation d'ions suivi ou accompagnée d'un traitement thermique bien contrôlé. Ce traitement permet une bonne localisation du matériau transformé du point de vue de l'absorption. L'hétéro interface a-Si/c-Si rassemble de nombreux défauts selon une densité de 1020cm3, qui sont piégés à l'intérieur de la dilatation à cause des champs de contraintes extensibles. Ce champ de contraintes extensibles joue au moins quatre rôles : i) réduit la recombinaison de bilacunes ii) réduit la mobilité des bilacunes permettant leur piégeage dans un volume d'espace bien défini iii) permet de conserver les bilacunes à des températures inhabituellement hautes de 500-550°C durant le processus de fabrication et iv) ordonne la distribution des bilacunes dans un réseau auto ordonné. La même hétéro interface a-Si/c-Si permet d'obtenir la nanocouche de seg-matter dans un champ électrique de type LH bien dirigé, résultant de la transition entre la zone faiblement dopée et la zone fortement dopée qui extrait les électrons secondaires juste libérés en dehors de la nanocouche de seg-matter. L'implantation d'ions et le traitement suivant permettant l'accomplissement d'autres exigences comme l'état de charge doublement négatif, la distribution spatiale, le transport électronique, etc. toutes ces transformations mènent à un métamatériau fait de segtons. La double charge négative du segton permet une transition d'électrons à faible énergie et/ou la relaxation entre le niveau d'énergie des bilacunes où du segton dans la moitié supérieure du gap indirect Si et la bande de conduction. La concentration locale d'impuretés dopante de semi-conducteur de type n doit être suffisamment grande pour charger et recharger toutes les nombreux bilacunes. L'état techniquement utile de état de charge doublement négative doit être instantanément renouvelable juste après une émission ou extraction d'électrons. Toutes les exigences mentionnées ci-dessus transforment la bilacune, qui est un objet physique unitaire, en un segton, qui est une bilacune avec son environnement adapté, c'est-à-dire un objet technique qui fournit des niveaux d'énergie adaptée occupés par des électrons faiblement liés. En général, la fabrication, le conditionnement de segtons et de seg-matter permettent de respecter simultanément ce qui suit. L'implantation ionique permet une réorganisation des atomes dans le réseau cristallin et/ou dans la phase amorphe ou amorphisée ; la transformation structurelle menant à une nouvelle phase du matériau résulte d'une accumulation de défauts ponctuels, concentrés ou contenus dans une nano espace spécifique ou nanocouche, par exemple, la densité et l'énergie interne de la nouvelle phase est plus basse que celle de son équivalent cristallin, placée quelque part entre la phase cristalline et amorphisée. Des profils de dopage, de type n, suffisamment denses peuvent être obtenus par exemple de deux façons, par la diffusion d'ions de dopage ou par une implantation adaptée par ions de dopage. La haute densité spécifique du profil de dopage concerne principalement la sous structure enterrée et son voisinage proche. Modulation du matériau et transformation structurelle mène à une nouvelle phase du « vieux » matériau bien connu, qui sera utile dans les interactions douce lumière/matériau. On peut partir par exemple de la phase cristalline par ses profondes transformations locales menant à une « modulation » des positions des atomes dans le réseau cristallin. Un tel traitement à l'échelle atomique, entrainera par exemple le déplacement de certaines populations atomiques de leur site dans l'unité cristalline, dans des sites métastables qui sont habituellement non occupés. La nouvelle distribution d'atomes métastables doit conserver une densité d'atomes suffisamment grande. Le traitement requis doit permettre une déposition locale d'énergie, comme, par exemple, l'irradiation par un faisceau énergie plus ou moins focalisé. L'opération est capable de déplacer une nombreuse population atomique occupant un volume spécifique et assumant de cette façon une modulation du matériau nécessairement profonde. Exemple de modulation de matériau menant à la création de seg-matter par une irradiation ionique réalisée en plusieurs étapes : 1) le profil de dopage de type n, par exemple de phosphore, par la diffusion appelée à des températures basses, à T lissage ---> seg-matter, - homogénéisation locale de la phase cristalline et amorphisée, (cycle de recuit) dissolution des inclusions - nanomembranes délimitant le seg-matter : a-Si/c-Si --> a-Si/ - barrière de potentiel, un saut élevé dans la bande de valence et /a-Si - changement du mode de transport des électrons, - conditionnement et traitement de segtons (cycle de recuit) : activation de forts dopages, Tableau des bases de la photoconversion améliorée Objet Opération convertisseur - but principal de la nanostructuration incorporation de mécanismes nouveaux de conversion dans un convertisseur plutôt Si - par une génération secondaire efficace à faible énergie - introduction de moyens appropriés dans l'émetteur du dispositif (profondeur appropriée et dessin fin des structures) - design de sous structure(s) pour une génération secondaire à faible énergie cartographie, architecture, superposition,... implantation d'ions amorphisante - distribution appropriée de nano objets amorphisés avec des tailles initiales adaptées : insertion/ sous structures dotant le convertisseur « in fine » de réservoirs de segtons et seg-matter - traitement approprié - un faisceau ou plusieurs faisceaux, énergies, doses, angle(s) d'incidence, espèces, l'ordre, recherche des conditions d'interaction (par exemple température de la cible), mise en forme avec respect des traitements ultérieurs (éventuellement superpositions de traitements successifs), équilibre du processus global, - étapes du traitement antérieur et ultérieur, conditions spécifiques structure - le(s) cycle(s) de traitement thermique doit (doivent) : - tout d'abord prendre en compte les deux zones voisines des deux côtés de l'hétérointerface c-Si/a-Si pour ordonner leur adaptation extrême juste après l'amorphisation - dissoudre ou restructurer des inclusions de phases opposées (a-Si dans c-Si et c-Si dans a-Si) - relaxer la phase cristalline fourrée avec de nombreux défauts ponctuels et uniformiser la distribution de la phase cristalline qui a entouré de façon homogène les objets amorphisés - homogénéiser la distribution de segton dans la phase cristalline , (elle peut être plus fortement proche de l'interface / et plus rarement proche de l'interface /c-Si) - bien former des interfaces c-Si/a-Si lissées et stabilisées - devenir uniforme, aligné et stabilisé à cause des contraintes de dilatation spécialement sur le côté c-Si dopage de type n - avant ou simultanément avec l'amorphisation - activation du dopage de type n (meilleur taux d'ionisation à cause de l'implantation d'ions) état de charge électrique - double état de charge négative permanent mené sous illumination lumineuse - dynamique extrêmement rapide des segtons se rechargeant après une génération secondaire transport électronique - transport vertical libre à travers l'émetteur permettant une collecte optimale de porteurs - ponderation avantageuse entre les mécanismes de transport de la bande de conduction et celui de la bande d'impuretés caractérisation - optique : caractérisation intermédiaires (par exemple la réflectivité) en utilisant des échantillons de référence ou des zones dédiées du wafer (sans masque d'implantation ou avec des trajets de balayage dédié) - électronique : I(V) courbes 11. EXPLICATION AU MOYEN DE FIGURES On trouve ci-après une brève description de l'invention avec l'aide des figures jointes. - Figure 1 est un graphique qui montre la comparaison de profil phosphore (31P) diffusé à 850°C et mesuré par SIMS après amorphisation par ions et processus reliés. - Figure 2 est un graphique qui montre la comparaison de profils phosphore doublement implantés (31P) résultant d'une simulation Monte-Carlo par code SRIM pour 180 keV d'énergie d'implantation. - Figure 3 est une vue schématique en coupe par image TEM de la substructure multi interface planaire réalisée par une recristallisation contrôlée de la phase amorphisée, enterrée par implantation d'ions et traitement post implantation dans un Si cristallin ; les détails sont expliqués dans le graphe de droite illustrant des sous structures 2D à nano échelle. - Figure 4 est une image : 3D BSE (microscopie électronique à dispersion arrière), image de la substructure, montrant trois phases Si différentes : cristalline, amorphisées et métamatériau. - Figure 5 est une vue schématique générale d'un super réseau en nano couche d'un exemple de super réseau de segtons avec leur environnement le plus proche c'est-à-dire distribution adaptée de segtons résultant de défauts structuraux conditionnés par des champs physiques et formant la nanocouche seg-matter. - Figure 6 est une représentation schématique d'exemples d'amorphisation discontinues enterrées, et motifs réalisés par microscopie optique à travers un masque d'implantation. Les structures cristallines résiduelles apparaissent comme une ligne sombre constituant une bande frontière avec différentes intensités de gris, à droite les coins supérieurs représentent la couche d'encadrement Si02 utilisée à cette étape du traitement. Figure 7 est une représentation qui montre une comparaison en microscopie optique d'une implantation à travers un masque avec un FIB (Focused Ion Beam, faisceau focalisé d'ions) d'un dispositif test montrant directement une sous structure enterrée discontinue. Figure 8 est une image X-TEM d'un exemple de structure amorphisée, enterrée après un traitement thermique relativement long, l'épaisseur totale a-Si est à peu près de 5 nanomètres. La bonne cristanilité dans les zones recristallisées est bien visible. - Figure 9 et 10 sont deux images X-TEM de deux géométries différentes de nanostructures enterrées amorphisées dans le Si cristallin. La figure 9 est une image avec des amorphisations discontinues et la figure 10 est une image avec une couche amorphisée avec un système de vallées circulaires. - Figure 11 est une représentation d'un exemple de système de nanomembranes. L'épaisseur de la seg-matter en nano couche est déterminée du côté cristallin par la contrainte interne provenant d'un champ mécanique local provenant d'une dilatation induite par ou résultant du cycle de recristallisation par épitaxie en phase solide. Le dessin n'est pas à l'échelle. - Figure 12 est une vue en coupe d'emplacements d'insertion possibles des nano couches de seg-matter. - Figure 13 est une image multi graphe pour la comparaison d'ordres théoriques de multiplication d'électrons, à profil d'escalier, déterminés sur la base de trois mécanismes : i) ionisation impact du réseau silicium ii) multiplicité des excitions avec l'énergie spécifique correspondant au gap du silicium iii) ionisation par impact de faible énergie grâce aux segtons - Figure 14 est une image multigraphe pour la comparaison de l'impact photovoltaïque du seg-matter (rendement de génération expérimentale de porteurs, diamants) avec des effets correspondant sur le silicium brut et avec des valeurs quantiques pour les nanocristaux avec des interfaces lisses et rugueuses [D. Timmerman, J. Valenta, K. Dohnalova, W.D.A.M. de Boer, T. Gregorkiewicz, « Step-like enhancement of luminescence quantum yield of silicon nanocrystals, Nature Nanotechnology 6, 710-713 (2011)]. - Figure 15 est une courbe qui illustre le courant additionnel provenant de l'énergie des photons. - Figure 16 est un organigramme des différentes étapes du procédé pour créer des nanocouches de seg-matter, positionnées à l'intérieur du convertisseur lumière- électricité selon cette invention. 12. EXEMPLE DETAILLE Un exemple détaillé est décrit ci-dessous en référence à la figure 12 selon les étapes suivantes : - Pré-traitement d'un wafer Si avec l'orientation cristalline préférentielle (100) et dopage modéré type p (bore) - Première opération à la face arrière du convertisseur - dopage additionnel de type p formant une BSF - Opérations à la face avant du convertisseur : . conditionnement avant la séquence d'implantation: gravure et masquage . dopage de type n par diffusion à partir d'une source surfacique de dopage, pour créer un émetteur et une membrane interne de photo génération telle qu'une jonction PN, densité de dopage d'impureté entre 1018 et 1021 atomes au cm-3. - Formation de segtons : . amorphisation enterrée à partir de masque d'implantation avec des ions P en utilisant une énergie d'implantation et des doses prédéterminées, par exemple pour l'étendue entre 50 et 100 keV et à peu près 5 x 1014 ions par cm2, . cycle de traitement pour mise en forme de segtons uniformes pour les placer et les ordonner dans les mêmes conditions à l'intérieur de la nano couche sous contraintes. - Mise en forme des segtons et leur regroupement dans une nano couche appelée segatter : mise en forme de l'amorphisation enterrée et enveloppée dans des nanocouches , fourrée de segtons pour obtenir une nouvelle phase silicium qui représente un métamatériau appelé seg-matter durant un cycle de recuit par épitaxie en phase solide à des températures variant entre la température ambiante de la pièce et 500°C - Le conditionnement des segtons et du seg-matter par traitement thermique spécifique de type recuit à 400-500°C durant 5 à 30 minutes menant à une bonne distribution des segtons, l'activation totale des segtons, double état permanent de charge négative, exposition avantageuse du seg-matter aux photons incidents. - Operations finales sur le convertisseur : passivation électronique, métallisation, pièges à lumière. REVENDICATIONS1. Système nanométrique constitué d'unités élémentaires nanostructurées groupées et conditionnées selon un arrangement, sous la forme d'un système de couches nanométriques enterrées dans le matériau silicium d'un convertisseur lumière-électricité tout silicium, formant une nouvelle phase par une modulation du matériau conventionnel silicium provenant de transformations nanométriques , caractérisé par les étapes suivantes : A. on créé, on forme et on conditionne à l'intérieur du silicium une matière artificielle nanostructurée constituant un métamatériau conditionné fonctionnellement en unités élémentaires de la façon suivante : a. insertion dans le réseau du cristal semi-conducteur de champs physiques intenses d'activité conjointe, tels que champs de tension mécanique, champ électrique, fort dopage en impuretés, des défauts structurels ordonnés qui conduisent à des transformations locales profondes de la matière initiale en nano couches de métamatériau, b. déplacement de deux atomes de silicium à l'extérieur de structures cristallines élémentaires pour former un système de deux lacunes interactives appelées bilacunes par des faisceaux d'énergie focalisée : faisceau d'électrons, faisceau d'ions et d'autres irradiations appropriées, c. placer des segtons en nombre suffisant et bien distribués dans un nano espace bien défini, d. placer les segtons à l'intérieur de la région frontale de la plaquette, e. placer de nombreux segtons dans la phase cristalline , f. mettre en forme une distribution d'énergie utile et spécifique qui complète les bandes d'énergie fondamentales Si pour une photoconversion efficace, g. doper fortement la zone occupée par des bilacunes et l'espace entourant cette zone pour réaliser localement un comportement de type nh. conserver la population de segtons pour la durée de la période où la température va s'élever durant le traitement technologique du convertisseur, i. conditionner la population dense de segtons par des effets physiques superposés, deux champs : électrique et mécanique, dopage, exposition adaptée aux photons incidents, j. permettre de façon quasi permanente l'état de double charge négative des segtons, k. assumer deux mécanismes différents de transport d'électrons pour l'entrée et la sortie des segtons ; pour la sortie par la bande de conduction et pour l'entrée par la bande d'impuretés, 1. assumer un fonctionnement unidirectionnel des segtons opérant comme une vanne d'énergie et une vanne à géométrie variable, m. assumer une recharge ultra rapide des segtons grâce à une conduction des électrons à travers la bande d'impuretés, n. conditionner des centres de génération secondaire d'électrons avec des électrons faiblement liés, et en ce que : le seg-matter est avantageusement placé à proximité de la face frontale du convertisseur en liaison étroite avec les longueurs d'onde lumineuses converties, et en ce que : l'on créé des réservoirs appropriés de bilacunes qui sont des amorphisations insérées dans l'émetteur, et en ce que : dans ces réservoirs la densité et le nombre de points de défauts ou de bilacunes sont contrôlés et en ce que : dans les réservoirs de bilacunes, insérés dans l'émetteur, sont enveloppés par une nano 30 couche,en ce que : sur cette nano couche on greffe des bilacunes et on plonge dans divers champs physiques présents à l'hétéro-interface a-Si/c-Si afin d'être transformés en un métamatériau appelé seg-matter, B. on forme et on conditionne une nano couche selon les étapes suivantes : modulation de la matière cristalline conventionnelle résultant de transformations nanométriques dans l'émetteur conduisant à l'insertion d'un système nanométrique d'unités nanostructurées qui sont groupées et conditionnées selon un arrangement à l'intérieur du matériau de silicium résultant de l'application conjointe et avantageuse d'un champ de tension mécanique, d'un champ électrique, et d'un fort dopage en impuretés provenant résultant du dépôt de l'énergie focalisée nécessaire, constitution d'un arrangement de segtons sous la forme d'au moins une nano couche de métamatériau localisée dans un nano espace à l'intérieur de l'émetteur, et suffisamment proche de ou à l'intérieur de l'espace d'absorption de la lumière, délimitation du système nanométrique dans un nano volume par des nanomembranes qui sont des hétérointerfaces semi-conductrices orientées utilement et, au niveau desquelles les caractéristiques semi- conductrices changent de façon que le mécanisme principal du transport d'électrons varie de plutôt bipolaire à plutôt unipolaire et inversement au niveau de la membrane à travers laquelle les électrons passent d'un degré d'énergie à un autre du système nanométrique caractérisé en ce que de telles membranes délimitant le volume des seg-matters résultent de la superposition des différents matériaux cristallins et phase amorphisées provenant de volumes bourrés de bilacunes ou exemptes de défauts et provenant de l'action de champs physiques locaux tels que champs électrique ou de tension mécanique afin de former un super réseau ordonné par une modulation de matière, - conditionnement des interfaces semi-conductrices qui sont les interfaces c-Si/ entre d'une part du silicium relaxé et d'autre part un matériaucristallin dérivé déterminé par un champ mécanique intégré et qui est l'interface /a-Si entre le matériau cristallin dérivé et le matériau amorphisé, les deux étant sous un champ mécanique intégré résultant d'un effet de dilatation dû à l'amorphisation et à un cycle thermodynamique approprié. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le métamatériau est organisé à partir des éléments de construction ordonnés en un super réseau formé de segtons sous la forme d'une ou de deux nano-couche(s), superposée(s) à l'intérieur ou à proximité de l'émetteur c'est-à-dire à proximité de la zone d'absorption des photons énergétiques. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'hétéro interface délimitant la nano couche de méta matériau rassemble beaucoup de bilacunes avec une densité d'à peu près 1020cm3. 4. Procédé selon les revendications 1 ou 2 ou 3 caractérisé en ce que l'injection localisée d'électrons et leur extraction à travers les nanomembranes de limitation intervient pour la conduction spécifique d'électrons à travers le système à nano échelle. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par l'extraction rapide et efficace, unidirectionnelle d'électrons secondaires après leur génération collisionnelle en dehors de la nanocouche de seg-matter, par l'injection dans l'émetteur environnant, éviterant la re-capture d'électrons à l'équilibre éjectés en maintenant leur incapacité à retourner à leur point de départ par un écran électrique 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par la formation d'unité nanoscopiques ou segtons à l'intérieur d'un convertisseur lumière électricité tout silicium, en particulier une cellule photovoltaïque et caractérisée en ce qu'il comprend des transformations à nano échelle permettant l'insertion d'une distribution optimale de niveaux d'énergie électronique qui est utile pour la génération secondaire d'électrons à basse énergie adaptée au spectre solaire. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par la limitation des modifications de l'émetteur d'un convertisseur conventionnel provenant d'un système de sous structures enterrées pour la génération basse énergie et la multiplication au moyen de système Si à couches nanoscopiques avec des nanocouches de métamatériaux saturées avec des unités élémentaires à nano échelle ou segtons. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'hétéro interface a-Si/c-Si rassemble de nombreuses bilacunes qui sont piégées dans le champ de contrainte de dilatation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par les étapes suivantes : - la phase cristalline est bourrée de nombreux défauts ponctuels, est relaxée, - la distribution de cristallin entoure de façon à peu près homogène l'amorphisation. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par les étapes suivantes : - le profil de dopage de type n c'est-à-dire phosphoreux par diffusion thermique à température dite basse T 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dopage antérieur de type n (P) est ensuite suivi par une implantation d'ions jusqu'à une amorphisation localisée, enterrée (P, Si), pour l'implantation d'ions, menant à un matériau fortement dopé et permet en conséquence une conduction unipolaire impliquant simultanément les impuretés et les bandes de conduction dans lesquelles l'amorphisation produit des nano volumes amorphes enterrés avec une hétéro interface a-Si/c-Si rugueuse, et de petites inclusions a-Si, et des inclusions c-Si dans a-Si, un cycle de recuit suivant intervient alors, préférablement à 500-550°C qui prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mène à une séparation claire des deux phases silicium (cristalline et amorphisée) ainsi qu'à une hétéro interface Si/c-Si nette, et le même cycle de recuit mène à la création de nanocouches plus ou moins planaires qui enveloppent étroitement chaque grain amorphisé pour que les nano couches soient uniformes sans défauts ni inégalités et aient une épaisseur de 3 à 10 nm, et qu'elles contiennent de nombreuses unités ordonnées formant ensemble un seg-matter qui est un MTM basé sur du silicium positionné dans un matériau semi-conducteur fortement dopé, c'est-à-dire ayant été dopé par (Si : P) et que la cellule élémentaire du silicium cristallin soit transformée à nano échelle en un segton silicium par le déplacement limité d'atomes de Si en dehors de cette cellule unitaire élémentaire en utilisant des énergies relativement basses par atome déplacé (environ 2,5eV/atome) ; un tel déplacement de deux atomes mène à un défaut nommé bilacune introduisant des liaisons électroniques prolongées qui peuvent capturer et localiser des électrons, cette bilacune devient techniquement utile parce que elle contient de façon permanente quatre électrons capturés, où l'un d'entre eux est faiblement lié dans un matériau fortement dopé de type n, c'est-à-dire obtenu avec un dopage phosphoreux (Si : P). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'une seule implantation d'ions jusqu'à une amorphisation localisée ou enterrée, en utilisant uniquement des ions dopant (P) pour aboutir à un matériau fortement dopé, permettant en conséquence une conduction unipolaire impliquant simultanément la bande d'impuretés et les bandes de conduction dans lesquelles l'amorphisation produit des nano volumes amorphisés avec des hétéro interfaces grossières a-Si/c-Si et des petites inclusions a-Si dans c-Si et desinclusions c-Si dans un cycle de recuit, de déroulant de façon préférentielle à 500550°C qui prend la forme d'une épitaxie à l'état solide et mène à une séparation claire des deux phases du silicium (cristalline et amorphisée) ainsi qu'à des hétéro interfaces brutales et le même cycle de recuit conduit à la création de nanocouches plus ou moins planaires qui enveloppent étroitement chaque grain amorphisé des nanocouches et sont d'une épaisseur de 3 à 10 nm, uniforme, sans aucun défaut ni inégalité, et contiennent un grand nombre d'unités ordonnées formant ensemble un seg-matter qui est basé sur du MTM silicium placé à l'intérieur d'un semi-conducteur fortement dopé de type n, c'est-à-dire dopé avec (Si : P) et en ce que l'unité élémentaire du silicium cristallin est transformée à nano échelle en un segton silicium par le déplacement limité d'atome(s) de Si en dehors de cette cellule élémentaire par utilisation d'énergie relativement basse par atome déplacé (environ 2,5 eV/atome et un tel déplacement de deux atomes mène à une divacancie qui devient techniquement utile avec le prolongement de liaison électronique qui peuvent capturer et localiser des électrons et cette bilacune contient de façon permanente quatre électrons capturés où un d'entre eux est faiblement lié dans un matériau dopé fortement de type n, c'est-à-dire ayant subi un fort dopage phosphoreux (Si : P). 13. Procédé selon les revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'une amorphisation d'un semi-conducteur cristallin, est réalisée par un faisceau d'ions. 14. Procédé selon les revendications 1 ou 10 ou 11 caractérisé en ce que des transformations structurelles et le conditionnement d'unités élémentaires à nano échelle sont traités de la façon suivante : transformation de phase par implantation d'ions dans lequel des concentrations locales de défauts ponctuels sont créées dans la phase cristalline - interface c-Si/a-Si résultant de l'implantation d'ions création 8 lissage seg-matter - homogénéisation locale de la phase amorphisée et cristalline (cycle recuit), dissolution des inclusions d'une phase du matériau dans une autre - création de nano membranes délimitant le seg-matter : a-Si/c-Si 8 / - barrière d'énergie (une grande différence dans la bande de valence) et c-Si/ - changement dans le mode de transport des électrons.- traitement de conditionnent des segtons par un cycle de recuit qui mène à une activation de dopage fort. 15. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la modulation matérielle menant à la création d'unités élémentaires à l'échelle nanoscopique par une radiation ionique permettant la modulation du matériau requise, est réalisée par les étapes multiples suivantes : a. Initiation du profil de type n (c'est-à-dire phosphoreux) par une diffusion thermique à une température appelée température basse T 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par la formation de nano inclusions à l'intérieur d'un convertisseur lumière-électricité tout en silicium, en particulier un convertisseur photovoltaïque, provenant de transformations à nano échelle pour l'insertion d'un ensemble optimal de niveaux d'énergie électronique qui est utile dans la génération à basse énergie d'électrons secondaires adaptés au spectre solaire. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les hétéro interfaces a-Si/c-Si regroupent de nombreux bilacunes ou segtons qui sont piégés dans le champ de contraintes de dilatation. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par un écran efficace pour bilacunes (écran électrique de la phase amorphisée) parune membrane de type LH (interface de type LH) séparant le seg-matter et l'amorphisation. 19. Dispositif en tant que cellule photovoltaïque, présentant des unités élémentaires formées selon les revendications précédentes, pour une efficacité améliorée dans la conversion lumière-électricité grâce à un cycle de conversion multi niveaux, basé sur les unités nanoscopiques élémentaires, qui implique des générations secondaires et primaires.10