PROCEDIMIENTO PARA LA RECRISTALIZACIÓN Y EL DOPAJE SIMULTÁNEOS DE CAPAS SEMICONDUCTORAS Y SISTEMAS DE CAPAS SEMICONDUCTORAS FABRICADOS SEGÚN ESTE PROCEDIMIENTO.

Procedimiento para la fabricación de un sistema de capas semiconductoras dopadas para la electrónica o la fotovoltaica en el que en una primera etapa se fabrica una capa de base de sustrato (1),

en una segunda etapa, sobre esta capa de base de sustrato (1) se deposita un sistema de capas intermedias (2) constituido por al menos una capa parcial, en el que al menos una de las capas parciales del sistema de capas intermedias (2) se enriquece con un primer dopante en la primera concentración, en una tercera etapa, una capa absorbente (3) sin dopar o dopada con un segundo dopante en una segunda concentración se deposita sobre el sistema de capas intermedias (2), y la capa absorbente (3) se calienta en una etapa de recristalización y se funde, así como a continuación se enfría hasta solidificar, caracterizado porque la capa absorbente (3) se dopa controlando la etapa de recristalización de forma que o calentando, enfriando y acondicionando térmicamente de forma que el primer dopante se incorpore por difusión desde el sistema de capas intermedias (2) en la capa absorbente (3) mientras que ésta está fundida y/o mientras que ésta solidifica de nuevo y/o mientras que ésta está solidificada

La presente invención se refiere a un procedimiento para la recristalización y el dopaje simultáneos de capas semiconductoras, especialmente para la fabricación de celdas solares de capas delgadas de silicio cristalino y sistemas de capas semiconductoras fabricados según este procedimiento, especialmente a celdas solares de capas delgadas de silicio cristalino.

Por el estado de la técnica (documento US 5.192.991 A) se conocen celdas solares policristalinas y procedimientos de fabricación de las mismas. A este respecto, especialmente sobre un sustrato se deposita una película de electrodos y sobre ésta una capa semiconductora de silicio amorfo dopada n, una capa semiconductora intrínseca de silicio amorfo y una capa de silicio amorfo dopada p. La deposición se produce a este respecto con CVD de plasma. A continuación, las capas se recristalizan térmicamente y se deposita una película de electrodos superior.

El estado de la técnica conoce además (Arimoto S. y col. “High efficient operation of large-area tin film polycrystalline silicon solar cell based on SOI structure”, Solar Energy Materials and Solar Cells, ELSEVIER Science Publishers, Ámsterdam, tomo 34, nº 1-4, 1 de septiembre de 1994, páginas 257-262) la fabricación de celdas solares a base de silicio basada en etapas de recristalización por fusión por zonas ZMR. A este respecto, sobre un sustrato de silicio se deposita inicialmente una capa de aislamiento de SiO2, luego se realiza la deposición de una capa de silicio policristalino. Por último, luego se recristaliza por ZMR. A continuación se deposita una capa activa (dopada p) sobre la capa recristalizada.

Finalmente, el estado de la técnica (Ishihara T. y col. “Zone-melting recrystallization of silicon tin films for solar cell application”, Progress in Photovoltaics, Research and Applications, John Wiley & Sons, tomo 3, nº 2, 1 de marzo de 1995, páginas 105-113) conoce un procedimiento similar al que se describió en el párrafo anterior en el que sin embargo también se realiza la deposición de una capa de cubierta.

La fabricación de capas semiconductoras dopadas delgadas o sistemas de capas para la electrónica y la fotovoltaica se realiza actualmente de formas de lo más variadas. En general, el objetivo es realizar estructuras de capas de tipo sándwich de capas parciales dopadas de distinta forma. A este respecto, normalmente se utilizan varias etapas de proceso con las que se construye secuencialmente una estructura de capas tal. La construcción se produce o mediante el crecimiento de capas parciales (deposición, epitaxia) o mediante la introducción de un dopante (por ejemplo, mediante difusión o implantación). Los procedimientos se caracterizan normalmente porque para la fabricación de varias capas dopadas de distinta forma se necesitan varios procesos de introducción o procesos de deposición. Son una excepción los llamados procesos de codifusión en los que capas dopadas de distinta forma se fabrican simultáneamente a partir de diferentes fuentes de dopante.

La presente invención se refiere a estructuras de capas de semiconductores en las que el semiconductor todavía se recristaliza después de una etapa de deposición mediante la fase líquida para cambiar, por ejemplo, la estructura cristalina. Una aplicación tal se facilita, por ejemplo, en la tecnología “Silicon on Insulator” (“silicio sobre aislante”) (SOI) o en el sector de celdas solares de capas delgadas de silicio cristalino. La invención se explica a continuación a modo de ejemplo especialmente con referencia al último sistema.

Las celdas solares de capas delgadas de silicio cristalino se fabrican actualmente mediante diferentes procedimientos. Uno de estos procedimientos según el estado de la técnica está constituido por las siguientes etapas de proceso:

1. Fabricación de un sustrato.

2. Deposición de una capa intermedia conductora.

3. Deposición de una capa de nucleación que normalmente está enriquecida con dopante que provoca una conducción n o p en la capa de nucleación.

4. Aplicación de una capa de “cubierta” (“capping”) mediante deposición u oxidación térmica.

5. Calentamiento y recristalización de la capa de nucleación.

6. Eliminación de la capa de cubierta.

7. Deposición de la capa absorbente fotovoltáicamente activa.

8. Producción de la transición pn mediante introducción de un dopante en la capa absorbente activa.

9. Aplicación de la metalización.

A este respecto, la capa de nucleación sirve para el fin de tanto formar núcleos de cristalización para la deposición epitáctica del absorbente como también para la formación de un llamado “Back Surface Field” (“campo de superficie negra”) (BSF) para evitar las recombinaciones de portadores de carga. Para esto, la capa de nucleación está normalmente altamente dopada.

A partir del estado de la técnica, el objetivo de la presente invención es hacer innecesaria la deposición separada de la capa absorbente fotovoltáicamente activa sin tener que reducir la funcionalidad de la construcción fundamental, especialmente la presencia de la capa de BSF.

Este objetivo se alcanza mediante el procedimiento de fabricación según la reivindicación 1, el sistema de capas semiconductoras fabricado según éste según la reivindicación 38, así como el sistema según la reivindicación 39. En las reivindicaciones dependientes respectivas se describen variantes ventajosas del procedimiento según la invención.

En el procedimiento según la invención se modifican las siguientes etapas de proceso:

Etapa de proceso 2: en lugar de una capa intermedia sin dopar se deposita un sistema de capas constituido por al menos una capa parcial. Al menos una de las capas parciales del sistema de capas posee una proporción de dopante que puede actuar de aceptor o donante en la capa absorbente activa.

Etapa de proceso 3: el nivel de dopaje de la capa depositada en la tercera etapa de proceso se elige más bajo o igual que el dopaje que es necesario para el absorbente del sistema de capas semiconductoras finalmente fabricado o de la celda solar de capas delgadas finalmente fabricada.

A este respecto, la capa absorbente se dopa controlando la etapa de recristalización de forma que o calentando, enfriando y acondicionando térmicamente de forma que el primer dopante se incorpore por difusión desde el sistema de capas intermedias en la capa absorbente mientras que ésta está fundida y/o mientras que ésta solidifica de nuevo y/o mientras que ésta está solidificada.

Mediante estas dos modificaciones de etapas de proceso, la etapa de proceso 7 (es decir, la deposición separada de la capa absorbente) puede suprimirse ya que, debido a los desarrollos descritos a continuación, en la etapa de recristalización (etapa 5) la capa depositada en la etapa de proceso 3 puede usarse como absorbente. La esencia del procedimiento según la invención radica por último lugar en que tanto la formación de una capa de BSF como también el dopaje de la capa absorbente activa pueden realizarse durante la etapa de recristalización. La etapa de recristalización y la etapa de dopaje se realizan simultáneamente. La formación de la capa de BSF sigue inmediatamente a la recristalización y el dopaje que tienen lugar simultáneamente, de manera que la formación de la capa de BSF, la recristalización y el dopaje de la capa absorbente se producen in situ en una etapa a alta temperatura.

En una variante de configuración ventajosa también se modifica la etapa de proceso 4. En lugar de una capa de cubierta sin dopar se deposita un sistema de capas constituido por al menos una capa parcial. Al menos una de estas capas parciales del sistema de capas de cubierta depositado posee una proporción de dopante que es complementaria a la de la capa absorbente. Esta forma de configuración causa la producción de una transición pn simultáneamente a la fabricación de la capa de BSF inmediatamente después de la resolidificación en la misma etapa a alta temperatura. La metalización de la celda solar puede comenzarse inmediatamente después de eliminarse la multicapa de cubierta.

Adicionalmente, debido a una recristalización posterior de la capa emisora / absorbente sobre la superficie alejada de la base del sustrato, una capa emisora de espesor discrecional que supera el espesor del absorbente puede fabricarse con ajuste específico del espesor del silicio licuado.

En otra variante de configuración ventajosa,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la fabricación de un sistema de capas semiconductoras dopadas para la electrónica o la fotovoltaica en el que

en una primera etapa se fabrica una capa de base de sustrato (1), en una segunda etapa, sobre esta capa de base de sustrato (1) se deposita un sistema de capas intermedias (2) constituido por al menos una capa parcial, en el que al menos una de las capas parciales del sistema de capas intermedias (2) se enriquece con un primer dopante en la primera concentración,

en una tercera etapa, una capa absorbente (3) sin dopar o dopada con un segundo dopante en una segunda concentración se deposita sobre el sistema de capas intermedias (2), y la capa absorbente (3) se calienta en una etapa de recristalización y se funde, así como a continuación se enfría hasta solidificar,

caracterizado porque la capa absorbente (3) se dopa controlando la etapa de recristalización de forma que o calentando, enfriando y acondicionando térmicamente de forma que el primer dopante se incorpore por difusión desde el sistema de capas

intermedias (2) en la capa absorbente (3) mientras que ésta está fundida y/o mientras que ésta solidifica de nuevo y/o mientras que ésta está solidificada. 2. Procedimiento de fabricación según la reivindicación precedente, caracterizado porque después de la tercera etapa y antes de la etapa de recristalización se aplica una capa de cubierta (4) sin dopar

sobre la capa absorbente (3) y porque esta capa de cubierta (4) se elimina de nuevo después de la etapa de recristalización. 3. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 1,

caracterizado porque después de la tercera etapa y antes de la etapa de recristalización un sistema de capas de cubierta (4) constituido por al menos una capa parcial se aplica sobre la capa absorbente (3), en el que al menos una de las capas parciales del sistema de capas de cubierta (4) se enriquece con un tercer dopante en una tercera concentración.

4. Procedimiento de fabricación según la reivindicación precedente, caracterizado porque este sistema de capas de cubierta (4) se elimina de nuevo después de la etapa de recristalización. 5. Procedimiento de fabricación según una de las dos reivindicaciones precedentes, caracterizado porque sobre el lado del sistema de capas semiconductoras alejado del sustrato se produce una transición pn o una capa

emisora controlando la etapa de recristalización de forma que o calentando, enfriando y acondicionando térmicamente de forma que el tercer dopante se incorpore por difusión desde el sistema de capas de cubierta (4) en la capa absorbente (3) mientras que ésta está fundida y/o mientras que ésta solidifica de nuevo y/o mientras que ésta está solidificada.

6. Procedimiento de fabricación según la reivindicación precedente, caracterizado porque la cantidad del tercer dopante incorporado por difusión se controla con ayuda de capas parciales sin dopar o

débilmente dopadas del sistema de capas de cubierta (4) que se encuentran sobre el lado orientado hacia la capa absorbente (3). 7. Procedimiento de fabricación según una de las dos reivindicaciones precedentes o según la reivindicación 1, caracterizado porque la cantidad del tercer y/o la cantidad del primer dopante que se incorpora por difusión en la capa absorbente (3)

mientras que ésta solidifica y/o está solidificada se ajusta mediante procesos de segregación. 8. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque sobre el lado alejado del sustrato u orientado hacia el sustrato del sistema de capas semiconductoras o de la capa

absorbente (3) se genera una transición pn o una capa emisora en la que se incorpora un tercer dopante complementario al primer y segundo dopante en la capa absorbente (3). 9. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque el segundo dopante es complementario al primer dopante o porque el segundo dopante no es complementario al primer dopante.

10. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el primer y el segundo dopante son idénticos. 11. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 3, caracterizado porque el tercer dopante es complementario al segundo dopante o porque el tercer dopante no es complementario al

segundo dopante. 12. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 3, caracterizado porque el segundo y el tercer dopante son idénticos. 13. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 3, caracterizado porque el segundo dopante es complementario al primer y tercer dopante o porque el primer dopante es complementario al

segundo y tercer dopante o porque el tercer dopante es complementario al primer y segundo dopante. 14. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la capa absorbente (3) se dopa de manera complementaria al sistema de capas intermedias (2) de forma que el

dopaje complementario se dopa en exceso en la etapa de recristalización. 15. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el espesor de capa de al menos una capa parcial del sistema de capas intermedias (2) asciende a más de 10 nm

y/o a menos de 10000 nm, especialmente a más de 100 nm y/o a menos de 1000 nm y/o porque el sistema de capas intermedias contiene compuestos de Si, O, C, N, B, P, Al, Ga, Sb, As e/o In, especialmente SiO2, SiNx, SiC, BC y/o BN o está constituido por éstos, y/o porque el sistema de capas intermedias (2) es conductor.

16. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 3, caracterizado porque el espesor de capa de al menos una capa parcial del sistema de capas de cubierta (4) asciende a más de 10 nm y/o

a menos de 10000 nm, especialmente a más de 100 nm y/o a menos de 1000 nm y/o porque el sistema de capas de cubierta contiene compuestos de Si, O, C, N, B, P, Al, Ga, Sb, As e/o In, especialmente SiO2, SiNx, SiC, BC y/o BN, o está constituido por éstos.

17. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en la etapa de recristalización se acondiciona térmicamente. 18. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se controla mediante la potencia de calefacción y/o la distribución de la potencia de calefacción y/o la velocidad de

alimentación y/o al menos una rampa de calentamiento y/o al menos una rampa de enfriamiento y/o la temperatura de una meseta de acondicionamiento térmico y/o mediante un tiempo de acondicionamiento térmico. 19. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 6,

caracterizado porque se controla mediante la temperatura y/o un tiempo de acondicionamiento térmico o mediante el perfil de temperatura con el tiempo.

20. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 7, caracterizado porque el ajuste se realiza mediante un gradiente de temperatura en la capa absorbente (3) y/o en el sistema de capas de

cubierta (4) y/o entre la capa absorbente (3) y el sistema de capas de cubierta (4). 21. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 8, caracterizado porque la transición pn o la capa emisora se produce aplicando una capa fuente enriquecida con el tercer dopante sobre la

capa absorbente (3), imprimiendo, pulverizando o depositando sobre la capa absorbente (3) e incorporando a continuación o simultáneamente el tercer dopante en la capa absorbente (3) mediante acondicionamiento térmico. 22. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la segunda concentración se elige de forma que sea igual o menor que la concentración de dopante que va a alcanzarse en la capa absorbente (3) después de terminarse el procedimiento de fabricación.

23. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dopaje de la capa absorbente (3) se controla mediante la velocidad y/o temperatura de recristalización. 24. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dopaje de la capa absorbente (3) se controla mediante el número, el espesor y/o el contenido de dopante de las

capas individuales del sistema de capas de cubierta (4) y/o del sistema de capas intermedias (2). 25. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en una parte orientada hacia el sustrato de base (1) de la capa absorbente (3) se forma una capa con una mayor

concentración de dopante que en el resto de la capa absorbente (3), especialmente una capa de BSF (BackSurface-Field, “campo de superficie negra”), controlándose la etapa de recristalización de forma que o calentando, enfriando y acondicionando térmicamente de forma que el primer dopante se incorpore por difusión desde el sistema de capas intermedias (2) en la capa absorbente (3) mientras que ésta está fundida y/o mientras que ésta solidifica de nuevo y/o mientras que ésta está solidificada.

26. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque debido a una etapa de recristalización adicional la capa absorbente (3) se funde en su lado alejado del sustrato en

un intervalo de espesor definido. 27. Procedimiento de fabricación según la reivindicación precedente, caracterizado porque el intervalo de espesor fundido es inferior al espesor de la capa absorbente (3) y/o porque se fabrica una capa

emisora, especialmente con un espesor superior a 0,1 µm e/o inferior a 10 µm.

28. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según una de las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque la concentración del tercer dopante en la capa absorbente (3) antes de la etapa de recristalización o la fusión

asciende a más de 0 átomos/cm3 y/o a menos de 1018 átomos/cm3 y/o porque esta concentración después de la etapa de recristalización o la fusión asciende a más de 1016 átomos/cm3 y/o a menos de 1023 átomos/cm3, especialmente a más de 3•1018 y/o a menos de 2•1021 átomos/cm3.

29. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

la concentración del primer dopante en el sistema de capas intermedias (2) antes de la etapa de recristalización o la fusión asciende a más de 0 átomos/cm3 y/o a menos de 1023 átomos/cm3 y/o porque esta concentración después de la etapa de recristalización o la fusión asciende a más de 1016 átomos/cm3.

30. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

la concentración del segundo dopante en la capa absorbente (3) antes de la etapa de recristalización o la fusión asciende a más de 0 átomos/cm3 y/o a menos de 1017 átomos/cm3 y/o porque esta concentración después de la etapa de recristalización o la fusión asciende a más de 1014 átomos/cm3 y/o a menos de 1019 átomos/cm3, especialmente a más 1016 átomos/cm3 y/o a menos de 5•1017 átomos/cm3.

31. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el primer y el segundo dopante provocan una conducción n (sistema n+np) y porque el tercer dopante provoca una

conducción p o porque inversamente el primer y el segundo dopante provocan una conducción p y porque el tercer dopante provoca una conducción n (sistema p+pn) o porque el primer y el tercer dopante provocan una conducción n y porque el segundo dopante provoca una conducción p (sistema npn) o inversamente (sistema pnp) o porque el segundo y el tercer dopante provocan una conducción n y porque el primer dopante provoca una conducción p (sistema pnn+) o inversamente (sistema npp+).

32. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque sobre la capa de base de sustrato (1) y/o sobre la capa absorbente (3) se aplica una capa de contacto metálica o

una metalización. 33. Procedimiento de fabricación según la reivindicación precedente y según una de las reivindicaciones 5 u 8, caracterizado porque sobre la capa emisora se aplica un contacto emisor. 34. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque

la capa de base de sustrato (1) y/o la capa absorbente (3) contienen silicio (Si) y/o son conductoras.

35. Procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes y según la reivindicación 2 ó 3,

caracterizado porque la capa de cubierta (4) o el sistema de capas de cubierta (4) se fabrican mediante deposición o mediante oxidación térmica.

36. Uso de un procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones precedentes en el sector de la fabricación de componentes electrónicos, especialmente en la tecnología de Silicon-on-Insulator (“silicio sobre aislante”), o para la fabricación de o en el sector de celdas solares de capas delgadas, especialmente de celdas

10 solares de capas delgadas de silicio cristalino.

37. Sistema de capas semiconductoras, especialmente celda solar de capas delgadas o celda solar de capas cristalinas delgadas a base de silicio, fabricado mediante un procedimiento de fabricación según una de las reivindicaciones 1 a 35.