Dispositivos electrónicos flexibles, de gran área, basados en semiconductores, sobre sustratos orientados de {110}.

Un dispositivo electrónico policristalino, que comprende;

a. un sustrato flexible, de metal o de aleación, recocido, con una textura de recristalización primaria o secundaria correspondiente a {110} , con un mosaico o nitidez de textura de menos de 10 grados, que tiene un tamaño medio de grano más grande que 1 mm;

b. al menos una capa epitaxial de un material semiconductor policristalino en la parte superior de una capa tampón, seleccionado de un grupo que comprende semiconductores de banda prohibida indirecta, tales como Si, Ge, GaP;

semiconductores de banda prohibida directa tales como CdTe, CuInGaSe2

(CIGS), GaAs, AlGaAs, GaInP y AlInP;

semiconductores de multibanda tales como materiales de II-O-VI como Zn1-yMnyOxTe1-x y semiconductores de multibanda de III-N-V, tales como GaNxAs1-x-yPy, y combinaciones de los mismos, incluyendo opcionalmente agentes de dopado menores de otros materiales en las capas semiconductoras para la obtención de las propiedades requeridas de semiconducción de n-tipo o de tipo p ;

teniendo dicha capa semiconductora policristalina una sola textura {110} o una textura {110} girada con un ángulo de rotación de menos de 90º.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2008/010512.

Solicitante: GOYAL, AMIT.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1701 Waterview Trail Knoxville, TN 37922 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: GOYAL, AMIT.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos semiconductores adaptados a la rectificación,... > H01L29/04 (caracterizados por su estructura cristalina, p. ej. policristalina, cúbica o con orientación especial en planos cristalinos (caracterizados por defectos físicos H01L 29/30))

PDF original: ES-2529339_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivos electrónicos flexibles, de gran área, basados en semiconductores, sobre sustratos orientados de {11}<1>

Campo de la invención

La invención se refiere a la fabricación de dispositivos electrónicos de alto rendimiento que comprenden diversos tipos de semiconductores y artículos hechos de los mismos.

Antecedentes de la invención

Los dispositivos electrónicos basados en semiconductores tales como diodos, transistores y circuitos integrados se pueden encontrar en todas partes. Para muchas de estas aplicaciones, si el coste del dispositivo se reduce significativamente, muchas más aplicaciones se pueden prever. Esto es especialmente cierto para la aplicación fotovoltaica o de la energía solar, para toda una gama de sensores, así como para otras áreas de aplicación, tales como los dispositivos ferroeléctricos, diodos emisores de luz para aplicaciones de iluminación de estado sólido, las aplicaciones de almacenamiento tales como unidades de disco duro de ordenador, dispositivos basados en magnetorresistencia, dispositivos basados en fotoluminiscencia, aplicaciones de memoria no volátil, dispositivos dieléctricos, dispositivos termoeléctricos.

El uso de fuentes de energía renovable es esencial para el futuro del mundo en que vivimos. Hay un potencial ilimitado para que la energía solar satisfaga todas las necesidades energéticas del mundo. Sin embargo, durante las últimas dos décadas, la promesa de la energía solar se ha mantenido sin cumplir. Esto es principalmente debido a la desfavorable métrica de precio / rendimiento de las células solares que se fabrican hoy en día. Otras innovaciones tecnológicas tienen el potencial de hacer que el avance económico y comercial necesario para bajar los precios para hacer la energía solar más barata que, o de coste igual a, los combustibles fósiles.

Las fotovoltaica de película delgada (PV) tienen una ventaja significativa sobre las células tradicionales basadas en obleas de silicio cristalino. La ventaja primaria de películas delgadas es materiales más baratos y menores costes de fabricación y rendimientos de fabricación más altos en comparación con las tecnologías de un solo cristal. Las películas delgadas utilizan 1/2 a 1/1 del material necesario para PV de Si cristalino y parecen ser susceptibles de producción más automatizada, menos costosa. Actualmente, tres tecnologías de película están recibiendo un gran interés entre la industria de PV a gran escala: Si amorfo, CulnSe2 y CdTe. En la mayoría de los casos, las eficiencias del módulo están estrechamente relacionadas a las eficiencias de las células, con pérdidas menores (~ 1%) debido a cierta pérdida de área activa y algunas pérdidas de resistencia eléctrica. Con el fin de aumentar aún más la eficiencia y poder fabricar de forma reproducible células de alta eficiencia a base de película delgada, es necesario controlar características microestructurales que limitan el rendimiento. Aunque una comprensión completa de las características microestructurales que limitan el rendimiento aún no están claras, está razonablemente bien establecido que la recombinación en los límites de grano, defectos en el grano e impurezas es crítica. En un esfuerzo por minimizar el efecto de los límites de grano, las películas con grandes granos o sólo GB de baja energía son un objetivo.

La mayoría de las células solares de película delgada se basan en capas policristalinas de dispositivos, ya que el costo de los sustratos de cristal único es prohibitivamente caro. Debido a que son policristalinos, no tienen una orientación cristalográfica bien definida (tanto fuera de plano como en el plano). La orientación cristalográfica puede tener dos efectos importantes. El primero es el efecto de la orientación de la superficie de crecimiento en la incorporación de dopantes, defectos intrínsecos, y otras impurezas. Estudios previos sobre una amplia variedad de dopantes han demostrado que pueden ocurrir variaciones de 1 a 2 órdenes de magnitud por motivos de orientación cristalográfica. Un efecto extremo de dopaje anisotrópico es el dopaje con Si en las películas de GaAs. El dopaje con Si en películas de GaAs causa conducción de tipo n (111) en GaAs de tipo B, pero de tipo p en (111) GaAs de tipo A. El segundo efecto de la orientación cristalográfica es una variación en la tasa de crecimiento de la película que se deposita. Tanto los experimentos, como las simulaciones han mostrado que bajo ciertas condiciones las tasas de crecimiento pueden variar en 1 a 2 órdenes de magnitud en función de la orientación cristalográfica. La orientación cristalográfica no controlada en los materiales fotovoltaicos con grandes tamaños de grano, por tanto, puede dar lugar a problemas de reproducibilidad y de los rendimientos, por lo tanto más bajos rendimientos durante la producción de alto volumen. Por supuesto, los límites de grano en la intersección de los granos en la película policristalina actúan como centros de recombinación perjudiciales.

La mayor parte de las características microestructurales que actualmente se cree que están limitando el rendimiento de la célula solar policristalina de película delgada pueden ser evitadas por el crecimiento o desarrollo de películas epitaxiales sobre sustratos monocristalinos de celosía o red emparejada o coincidente. Sin embargo, los altos costos de los sustratos de cristal único, prohíben su uso para aplicaciones reales. El efecto de los límites de grano se puede evitar en películas delgadas policristalinas fotovoltaicas si los tamaños de grano son lo suficientemente grandes (el tamaño de grano en el que los efectos sobre las propiedades son mínimos depende, entre otras cosas, del nivel de dopaje). Sin embargo, en películas delgadas, el crecimiento del grano está típicamente limitado a sólo dos veces el espesor de la película. Por lo tanto, los límites de grano en las películas policristalinas tienen un efecto dominante

sobre la eficiencia. Un gran número de estudios han reportado los efectos de los límites de grano en las propiedades fotovoltaicas.

Aunque gran parte de la explicación anterior se ha centrado en la aplicación de células solares, hay numerosas aplicaciones donde se requiere un bajo costo, método prácticamente escalable de fabricar películas de semiconductores similares a cristales individuales en que el tamaño efectivo del cristal único requerido sea de aproximadamente 1 pm o unos pocos cientos de mieras de diámetro. Además, para ciertas aplicaciones, las superficies / películas / obleas semiconductoras tienen que ser flexibles, permitiendo así aplicaciones en las que un semiconductor curvado puede ser deseable. Por ejemplo, para una aplicación de células solares puede ser deseable adaptar el módulo fotovoltaico al contorno de un techo en donde se coloca. Transistores de película delgada se utilizan para la fabricación de pantallas. En esta aplicación también se puede apreciar fácilmente el uso de pantallas flexibles y de gran superficie.

Para los dispositivos electrónicos, una serie ordenada de tres nanopuntos dimensionales y nanobarras promete extender la física de dispositivos para confinamiento total de dos o tres dimensiones (alambres y puntos cuánticos). El confinamiento multidimensional en estas estructuras de baja dimensionalidad durante mucho tiempo se ha pronosticado que altera significativamente el transporte y las propiedades ópticas, en comparación con heteroestructuras en masa o planas. Más recientemente, el efecto de cuantificación de carga en el transporte en pequeños puntos cuánticos semiconductores ha estimulado mucho la investigación en dispositivos de un solo electrón, en los que la transferencia de un solo electrón es suficiente para controlar el dispositivo. El factor... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un dispositivo electrónico policristalino, que comprende;

a. un sustrato flexible, de metal o de aleación, recocido, con una textura de recristalización primaria o secundaria correspondiente a {11} <1>, con un mosaico o nitidez de textura de menos de 1 grados, que tiene un tamaño medio de grano más grande que 1 mm;

b. al menos una capa epitaxial de un material semiconductor policristalino en la parte superior de una capa tampón, seleccionado de un grupo que comprende semiconductores de banda prohibida indirecta, tales como Si, Ge, GaP; semiconductores de banda prohibida directa tales como CdTe, CulnGaSe2 (CIGS), GaAs, AlGaAs, GalnP y AlInP; semiconductores de multibanda tales como materiales de ll-O-VI como Zni.yMnyOxTei.x y semiconductores de multibanda de lll-N-V, tales como GaNxAsi-x-yPy, y combinaciones de los mismos, incluyendo opcionalmente agentes de dopado menores de otros materiales en las capas semiconductoras para la obtención de las propiedades requeridas de semiconducción de n-tipo o de tipo p ;

teniendo dicha capa semiconductora policristalina una sola textura {11} <1> o una textura {11} <1> girada con un ángulo de rotación de menos de 9°.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la citada capa semiconductora es un semiconductor compuesto, constituido por elementos de dos o más grupos diferentes de la Tabla Periódica, incluyendo compuestos del Grupo III (B, Al, Ga, In) y Grupo V (N, P, As, Sb, Bi), tales como AIN, AIP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, AlInGaP, AlGaAs, InGaN, y los compuestos del grupo II (Zn, Cd, Hg) y el Grupo VI (O, S, Se, Te), tales como ZnS, ZnSe, ZnTe, CdTe, HgTe, CdHgTe, opcionalmente en el que dicho semiconductor compuesto se compone de elementos de dos, tres, por ejemplo, InGaAs, o cuatro, por ejemplo, de InGaAsP, diferentes grupos de la Tabla.

3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la citada capa semiconductora corresponde a un semiconductor elemental o aleaciones de elementos dentro del mismo grupo tales, como carburo de silicio (SiC) y SiGe o un semiconductor compuesto que comprende elementos de los grupos IB, NIA y VIA de la tabla periódica, tales como aleaciones de cobre, indio, galio, aluminio, selenio y azufre.

4. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato tiene un tamaño medio de grano mayor que 1 mm.

5. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato tiene una textura {11}<1> girada, con un ángulo de rotación de menos de 45°.

6. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la textura fuera del plano de dicho sustrato se caracteriza por un mosaico o FWHM de menos de 5°.

7. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además al menos una capa tampón sobre dicho sustrato seleccionada de un grupo que comprende un metal, una aleación, un nitruro, boruro, óxido, fluoruro, carburo, siliciuro, aleación intermetálica con germanio o combinaciones de los mismos.

8. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que al menos una capa tampón epitaxial tiene una textura cristalográfica correspondiente a textura {11} <1> o una textura {11} <1> girada y con un mosaico o nitidez de textura de menos de 1 grados.

9. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que dicha capa tampón tiene una estructura cristalina seleccionada de un grupo que comprende estructuras de cristal de sal gema de fórmula AN o AO, donde A es un metal y N y O corresponden a nitrógeno y oxígeno.; estructuras de cristal de perovskita de fórmula AB3, donde A y B son los metales y O es oxígeno; estructuras cristalinas de pirocloro de la fórmula A2B2O7, donde A y B son metales y O es oxígeno, y estructuras cristalinas de Bixbita de fórmula A23, donde A es un metal y O es oxígeno.

1. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que dicha capa tampón tiene una fórmula química seleccionada de un grupo que comprende estructuras de cristal de sal gema mezcladas con la fórmula de AxBi.xO y AxBi_xN, donde A y B son diferentes metales; oxinitruros mixtos tales como AxBi-xNyO-i.y, donde A y B son diferentes metales; estructuras bixbita mixtas tales como (AxBi.x)23, donde A y B son diferentes metales; perovskitas mixtas tales como (AxA'i- x)B3, (AxAVxXByB'i.yjOs, donde A, A', B y B1 son diferentes metales, y pirocloros mixtos tales como (AxA'i.x)2B27, (AxA'i.x)2(ByBli.y)27, en la que A, A1, B y B1 son diferentes metales.

11. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que dicha capa tampón de óxido se selecciona de un grupo que comprende de Y-AI2O3 (forma cúbica de AI2O3); perovskitas tales como, pero no limitadas a, SrTi3,(Sr, Nb)Ti3, BaT¡C>3, (Ba, Ca)T¡C>3, LaMnC>3 LaAIC>3, perovskitas dopadas tales como (La, Sr)Mn3, (La, Ca)Mn3 ; perovskitas en capas como BÍ4TÍ3O12; piroclores tales como, pero no limitado a, La2Zr27, Ca2Zr27, Gd2Zr27 ; flouritas tales como Y2O3, YSZ; óxidos de sal gema tales como, pero no limitados a, MgO; espinelas tales como, pero no limitadas a, MgAhCU.

12. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que la citada capa tampón de siliciuro o de una aleación intermetálica con germanio corresponde a una capa con una fórmula química, MSI o MSi2, MS¡3, Mge o MGe2, MGe3, en la que M

es un metal tal como, pero no limitado a, Ni, Cu, Fe, Ir y Co.

13. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que dicha capa tampón de carburo corresponde a la forma cúbica de SiC.

14. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que dicha capa tampón de metal o aleación es una capa epitaxial y se selecciona de un grupo que comprende Mo, Cr, Nb, W, V, Ta, Ir y sus aleaciones.

15. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que dicha capa tampón de metal o aleación tiene una estructura cristalina correspondiente a cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

16. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que la capa tampón dicha es una capa tampón de composición graduada que comprende múltiples capas tampón con parámetros de red variables para proporcionar una buena coincidencia de celosía a una capa de dispositivo semiconductor o una capa de plantilla de semiconductora en la parte superior de dicho sustrato.

17. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que al menos una capa tampón es eléctricamente conductora.

18. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además una capa de plantilla semiconductora en la parte superior de dicho sustrato o capa tampón opcional para proporcionar una buena coincidencia de celosía a una capa de dispositivo semiconductor en la parte superior de dicho sustrato.

19. El dispositivo de la reivindicación 18, en el que la capa de plantilla semiconductora es una capa de plantilla semiconductora de composición graduada con múltiples capas de parámetros de red variables a fin de proporcionar una buena coincidencia de celosía a la capa de dispositivo semiconductor.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato se selecciona de un grupo que comprende Fe, Mo, Cr, W, Nb y aleaciones de los mismos.

21. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato comprende una aleación de hierro-silicio.

22. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato comprende aleación de Fe-3% de Si.

23. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato tiene una estructura cristalina correspondiente cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

24. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que la citada capa tampón forma una pila tampón que es seleccionada de configuraciones de capas tampón que comprenden una capa de nitruro cúbico, una multicapa de MgO/nitruro cúbico, una multicapa de Y2C>3/YSZ/n¡truro cúbico, una multicapa de Y23/YSZ/MgO/nitruro cúbico, una capa de óxido cúbico, una multicapa de MgO/óxido cúbico, una multicapa de Y23/YSZ/óxido cúbico y una multicapa de Y2C>3/YSZ/MgO/óx¡do cúbico.

25. El dispositivo de la reivindicación 24, en el que dicha capa de nitruro cúbico es TiN.

26. El dispositivo de la reivindicación 24, en el que la capa de óxido cúbico dicho es Y-AI2O3.

27. El dispositivo de la reivindicación 7, en el que la al menos una capa tampón es policristalina y cristalográficamente no alineada y es el resultado de una reacción entre dos capas adyacentes en la pila del dispositivo.

28. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de metal o de aleación es un sustrato compuesto de múltiples capas, teniendo la capa o superficie superior una textura cristalográfica correspondiente a {11} <1> con un mosaico de menos de 1°.

29. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho sustrato de metal o de aleación es un sustrato compuesto de múltiples capas, teniendo las capas superior e inferior una textura cristalográfica correspondiente a {11} <1> con un mosaico de menos de 1°.

3. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo electrónico se selecciona de un grupo que consta de dispositivos fotovoltaicos, pantallas de panel plano, dispositivos termofotovoltaicos, dispositivos ferroeléctricos, dispositivos de diodo emisor de luz, dispositivos de equipo de unidad de disco duro, dispositivos basados en magnetorresistencia, dispositivos basados en fotoluminiscencia, dispositivos de memoria no volátil, dispositivos dieléctricos, dispositivos termoeléctricos y dispositivos de láser de puntos cuánticos.

31. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo electrónico comprende al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que comprende dispositivos de dos terminales, tales como un diodo; dispositivos de tres terminales, tales como un transistor, tiristor o rectificador; y dispositivos multi-terminales, tales como un microprocesador, memoria de acceso aleatorio, memoria de sólo lectura o un dispositivo acoplado por carga.

32. El dispositivo de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo electrónico constituye un componente de una

pantalla de panel plano de cristal liquido de matriz activa (AMLCD) o una pantalla de panel plano diodo emisor de luz orgánico de matriz activa (AMOLED).

33. El dispositivo de la reivindicación 16, en el que dicha capa de dispositivo es un dispositivo fotovoltalco que comprende al menos una unión pn paralela a la superficie del sustrato.

34. El dispositivo de la reivindicación 33, en el que el dispositivo fotovoltaico comprende una célula multiunlón con al

menos dos y preferiblemente tres uniones pn paralelas a la superficie del sustrato.

35. El dispositivo de la reivindicación 33, en el que la eficiencia de conversión de dicho dispositivo es mayor que 13%.

36. El dispositivo de la reivindicación 33, en el que la eficiencia de conversión de dicho dispositivo es mayor que

15%.

37. El dispositivo de la reivindicación 16, en el que dicha capa de dispositivo consta de nanopuntos alineados de otra composición cristalina que la capa de dispositivo, estando el diámetro de nanopuntos en el intervalo de 2-1 nanometers.

38. El dispositivo de la reivindicación 37, en el que 8% de los nanopuntos están alineados dentro de 6 grados

desde la normal a la capa de dispositivo.