UTILIZACIÓN DE UN SUSTRATO BASADO EN NITRURO DE SILICIO PARA LA PRODUCCIÓN DE COMPONENTES SEMICONDUCTORES.

Utilización de un sustrato basado en nitruro de silicio para la producción de componentes semiconductores o pilas solares de capa fina,

donde el sustrato está constituido por una fase cristalina, que contiene nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y oxinitruro de silicio (Si2N2O) y aditivos sinterizados en una concentración total de < 20% en peso, donde los aditivos sinterizados durante la producción forman una fase líquida y se encuentran en el sustrato como fase secundaria amorfa o como subfases cristalinas más complejas, y donde el contenido de silicio cristalino es ≤ 5%, referido a la totalidad de las fases cristalinas presentes, siendo la contracción durante la producción < 5% y la porosidad abierta < 15%

La invención se refiere a la utilización de un sustrato basado en nitruro de silicio para componentes semiconductores, y a componentes semiconductores que contienen el sustrato.

Bajo sustrato se entiende una pieza plana, lisa o estructurada con un espesor preferiblemente inferior a 3 mm.

La industria fotovoltaica está dominada actualmente por la tecnología del silicio cristalino. Grandes bloques de silicio policristalino con pesos superiores a 200 kg se dividen en este contexto en discos individuales que tienen, para un espesor de aprox. 300 μm, superficies de 10 x 10 cm2 hasta 15 x 15 cm2. A partir de estos discos se pueden fabricar pilas solares. Por una cristalización bien controlada y procesos adaptados para la producción de pilas solares, se alcanzan hoy en día rendimientos de hasta 15% para pilas solares, que se producen en gran escala industrial.

Un inconveniente de este tipo de pilas solares es, sin embargo, que durante la división de los bloques de silicio policristalino se producen grandes pérdidas de silicio cristalino caro. Adicionalmente, por motivos de estabilidad, los discos de silicio deben tener un espesor comparativamente grande, lo que condiciona de nuevo un alto consumo de silicio cristalino. En el empeño de proporcionar alternativas económicas para este tipo de pilas solares, se han desarrollado técnicas de capa fina, en las cuales se emplean en la mayoría de los casos capas de semiconductores de sólo unos cuantos micrómetros de espesor. La tecnología de capa fina ofrece adicionalmente la ventaja de que ya pueden separarse pilas solares conectadas monolíticamente y con ello resulta innecesaria una soldadura ulterior de las pilas individuales.

Los inconvenientes de las tecnologías de capa fina se encuentran prioritariamente en la actualidad en el campo de los rendimientos alcanzables para grandes superficies relevantes para módulos fotovoltaicos, en el campo del m2.

En cuanto a los sistemas de materiales empleados para las pilas solares de capa fina se trata particularmente de diseleniuro de cobre e indio (CuInSe2, CIS), telururo de cadmio (CdTe), silicio amorfo (a-Si), arseniuro de galio (GaAs) y silicio cristalino en capa fina.

La utilización de GaAs hace posible la producción de pilas solares de rendimiento máximo (>30%) pero, debido a la tecnología y los materiales empleados, es muy intensiva en costes, por lo que este tipo de pila solar está limitado a aplicaciones especiales (p.ej. el espacio interplanetario). Para los sistemas de materiales CdTe y CIS se han demostrado asimismo altos rendimientos (hasta 18%) en superficies pequeñas, tropezando hasta ahora con dificultades la consecución de estos rendimientos para grandes superficies de 0,1-1 m2. Debido a las heterogeneidades de capa, el rendimiento disminuye en este caso para rendimientos reducidos correspondientes a 10-12%. Inconvenientes del sistema CdTe y CIS pueden considerarse adicionalmente la disponibilidad esencialmente reducida de los materiales en comparación con el silicio y la no aclarada contaminación ambiental en el caso del empleo masivo de estos tipos de pila solar.

Como los sistemas materiales con la mayor disponibilidad y compatibilidad con el medio ambiente se mantienen por tanto las capas finas de silicio amorfo y cristalino. Debido a la estructura rica en defectos del silicio amorfo, con las pilas solares de capa fina con una capa de silicio amorfo se alcanzan hasta ahora solamente rendimientos de 8% (en la producción industrial sobre superficies grandes). En el caso de las pilas solares de capa fina con una capa delgada más pobre en defectos de silicio cristalino pueden por el contrario asociarse las ventajas del sistema material de silicio con el potencial para rendimientos satisfactorios.

Así, por ejemplo, en Spektrum der Wissenschaft, febrero de 1999, 10-12, se describe una pila solar de capa fina con un rendimiento de 19,2%. La capa de silicio cristalino fotovoltaica activa se depositaba en un proceso complejo sobre un sustrato de silicio pretratado. A continuación se obtenía sobre la superficie un patrón de pirámides invertidas. En el caso de la pila solar de capa fina descrita se trata sin embargo sólo de un tipo optimizado de laboratorio. La producción en escala industrial de pilas solares de capa fina de este tipo no se ha conseguido hasta ahora. Se indica explícitamente que la construcción de una pila solar de capa fina basada en silicio cristalino plantea una serie de problemas difíciles que hasta ahora sólo han podido resolverse en parte y únicamente en condiciones de laboratorio.

El problema principal en cuanto al desarrollo de pilas solares de capa fina de silicio cristalino reside en la resolución de la cuestión del sustrato. Por lo que respecta al material sustrato se establecen en este contexto los requisitos principales siguientes:

- estabilidad térmica hasta al menos 1100ºC (temperatura de deposición), preferiblemente hasta aprox 1400ºC (punto de fusión del silicio).

- Coeficiente de dilatación térmica desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de deposición análogo al del silicio, a fin de reprimir las tensiones térmicas y asegurar con ello la adherencia de la capa fina de silicio.

- Incorporación mínima de impurezas procedentes del material sustrato en la capa de silicio, en lo que respecta particularmente a metales de transición. El rendimiento de las pilas solares basadas en silicio disminuye ya en presencia de impurezas metálicas en el campo de las ppba.

**(Ver fórmula)**

En resumen, resulta la exigencia de la susceptibilidad de deposición de capas de silicio con pocos defectos para la producción de pilas solares de alto rendimiento, que junto con el requerimiento asimismo importante de una facilidad de producción económica con alta superficie y de una facilidad de empleo directa de los sustratos sin postratamiento intensivo en costes hasta ahora sólo ha podido resolverse insuficientemente. Se han investigado hasta ahora materiales sustrato p.ej. de silicio propiamente dicho, grafito y materiales cerámicos como mullita, Al2O3, SiC, Si3N4 (Spektrum der Wissenschaft, febrero 1999, 10-12; Proc. of European Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, mayo de 2000).

En EP 831077 A1 se publica un disco de soporte para una pila solar, que contiene una capa sustrato cerámica basada en carburo de silicio unido por reacción, una capa de recubrimiento de silicio cristalino y opcionalmente una capa de barrera dispuesta entre estas capas. Esto constituye sin embargo una limitación en cuanto a materiales a la materia prima SiC con propiedades normalmente semiconductoras. Asimismo, para la producción del disco de soporte tiene que realizarse la unión por reacción y la configuración de la capa de recubrimiento de silicio en un paso individual de tratamiento térmico, lo que limita acusadamente la posibilidad de ajustar de modo controlado las propiedades del material del disco de soporte. Adicionalmente no se indican medidas de ningún tipo para el ajuste controlado del coeficiente de dilatación térmica (WAK) o de la conductividad eléctrica, y no se hace afirmación alguna acerca de la calidad de las pilas solares de capa fina, que se producen a partir de este disco de soporte.

EP 536682 A2 describe un componente semiconductor, por ejemplo una pila solar de capa fina, que contiene un soporte, contactos, así como al menos una capa semiconductora presente entre éstos y una capa de formación de núcleos de cristalización dispuesta entre la capa semiconductora y el soporte. El soporte puede estar constituido por cualquier material, preferiblemente con un coeficiente de dilatación térmica como el del silicio. Como soporte apropiado se cita a modo de ejemplo grafito. Sobre el soporte debe aplicarse primeramente una capa intermedia conductora, a continuación una capa de formación de núcleos de cristalización y finalmente la capa fotovoltaica apropiada. Un inconveniente de la utilización de un soporte convencional es que el soporte está sellado sobre la cara orientada hacia la capa de formación de núcleos de cristalización o tiene que aplicarse entre el soporte y la capa de formación de núcleos de cristalización una capa selladora intermedia. Por otra parte, no se hace indicación alguna adicional del rendimiento que pueda alcanzarse con las pilas solares de capa fina construidas de acuerdo con ello.

La finalidad de la presente invención consistió en proporcionar la utilización de un sustrato para componentes semiconductores, particularmente para pilas solares de capa fina, sobre el... [Seguir leyendo]

1. Utilización de un sustrato basado en nitruro de silicio para la producción de componentes semiconductores o pilas solares de capa fina, donde el sustrato está constituido por una fase cristalina, que contiene nitruro de silicio (Si3N4), carburo de silicio (SiC) y oxinitruro de silicio (Si2N2O) y aditivos sinterizados en una concentración total de < 20% en peso, donde los aditivos sinterizados durante la producción forman una fase líquida y se encuentran en el sustrato como fase secundaria amorfa o como subfases cristalinas más complejas, y donde el contenido de silicio cristalino es ≤ 5%, referido a la totalidad de las fases cristalinas presentes, siendo la contracción durante la producción < 5% y la porosidad abierta < 15%.

2. Utilización según la reivindicación 1, en la cual en el caso de los aditivos sinterizados se trata de SiO2, óxidos alcalinotérreos, óxidos de grupo IIB y IVB del sistema periódico, con inclusión de los óxidos de tierras raras, óxido de V, Nb, Ta, Cr, Fe, Co y/o Ni solos o en combinación con B2O3, Al2O3 y/o TiO2.

3. Utilización según la reivindicación 1 ó 2, en la cual el sustrato contiene carburos, nitruros, carbonitruros, oxinitruros, siliciuros y/o boruros de los elementos Si, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ca, y/o Ni en concentraciones < 10% en peso calculadas como el compuesto respectivo, y donde la proporción total de estos ingredientes no sobrepasa 10% en peso.

4. Utilización según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, donde el sustrato contiene carburos, nitruros, carbonitruros, siliciuros y/o boruros de los elementos Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn y/o Fe en concentraciones ≥ 30% en peso, y exhibe una conductividad eléctrica de ≥ 0,1 S/cm.

5. Utilización según la reivindicación 3 ó 4, en la cual los materiales mencionados se aplican como fibras inorgánicas, cristales filiformes, laminillas o partículas y/o se encuentran en el sustrato en esta forma.

6. Utilización según una o más de las reivindicaciones 1 a 5, en la cual el sustrato contiene fibras de carbono, que se encuentran en el sustrato como tales o han reaccionado total o parcialmente para formar compuestos más complejos.

7. Componente semiconductor o pila solar de capa fina que contiene un sustrato según una o más de las reivindicaciones 1 a 6.

8. Componente semiconductor o pila solar de capa fina según la reivindicación 7, en el que están depositadas sobre el sustrato una o más capas de silicio cristalinas.

9. Componente semiconductor o pila solar de capa fina según la reivindicación 8, en el que entre el sustrato y las capas de silicio están aplicadas una o más capas adicionales.

10. Componente semiconductor o pila solar de capa fina según la reivindicación 9, en el que en el caso de las capas adicionales se trata de capas de nitruro de silicio, óxido de silicio o carburo de silicio.