Componente semiconductor (8) compuesto por

• un sustrato (1) seleccionado de Si,

Ge, GaAs, InP, GaSb,

• al menos una estructura de capas (3) de un semiconductor III-V y/o SixGe1-x, que forma una unión pn o np, así como

• al menos una capa de tampón (2) de un semiconductor III-V para la unión de la al menos una estructura de capas (3) con el sustrato (1, 7),

• adicionalmente al menos una capa de bloqueo (4) de semiconductores compuestos III-V con una dureza cristalina superior a la de la al menos una estructura de capas (3), que impide o reduce la formación y/o la continuación de defectos de cristal, caracterizado porque los semiconductores compuestos III-V de la capa de bloqueo (4) presentan una concentración de nitrógeno del 0, 5% al 5%, o porque los semiconductores III-V de la al menos una capa de bloqueo (4) contienen C, Si y/o B.

Componente semiconductor y su uso.

La presente invención se refiere a un componente semiconductor compuesto por un sustrato, una estructura de capas de un semiconductor III-V y una capa de tampón para unir la estructura de capas con el sustrato, insertándose en la estructura de componente una "capa de bloqueo" adicional que impide de forma dirigida la formación o la continuación de defectos de cristal en capas siguientes. La invención se refiere además al uso de los componentes semiconductores como célula solar o como diodo de luminiscencia.

Se conoce en el estado de la técnica la construcción de componentes semiconductores compuestos por estructuras de capas semiconductoras III-V seleccionadas específicamente así como un sustrato y una capa de tampón que une el sustrato y la estructura de capas. Los semiconductores compuestos III-V de la estructura de capas de tres o más elementos permiten a este respecto mediante la variación de la composición la adaptación de forma dirigida de la separación energética y/o de la constante de red, la denominada "ingeniería de la banda prohibida" (véase para ello la figura 1) .

Por consiguiente, los semiconductores de unión desempeñan un importante papel en la fabricación de componentes ópticos, tales como células solares III-V altamente eficaces o diodos de láser. Según esto se adapta la separación energética de los semiconductores compuestos, tales como por ejemplo GaInAs o GaInP, de manera que puede absorberse luz solar dentro de la célula solar de la manera más eficaz posible o puede emitirse luz láser a una longitud de onda determinada. Los semiconductores compuestos ternarios tienen únicamente un grado de libertad, es decir la separación energética y la constante de red no pueden variarse independientemente entre sí. La mayor parte de los semiconductores compuestos ternarios con una separación energética óptima pueden separarse por tanto sólo de manera mal adaptada a la red en sustratos singulares o binarios, tales como Ge o GaAs. En caso del crecimiento de capa mal adaptado a la red se generan tensiones de red que se relajan por encima de un espesor de capa crítico mediante la incorporación de dislocaciones mal adaptadas a la red. Según esto se generan adicionalmente dislocaciones de hilos que pueden extenderse hasta en las capas activas donde reducen las propiedades electrónicas de los componentes.

En el estado de la técnica se describen distintas posibilidades para reducir la densidad de dislocaciones en las capas activas. Además de la variante más usual, adaptar la constante de red de sustrato gradualmente o linealmente dentro de una estructura de tampón a la constante de red de la capa epitaxial, existen otros procedimientos relevantes. Por ejemplo se obtuvieron, mediante el uso de superredes tensadas, densidades de dislocaciones en GaAs sobre Si de ~106 (M.Yamaguchi, T. Nishioka, M. Sugo, Appl. Phys. Lett. 54 (1) , 1989, 24-26) . Según esto se pliegan dislocaciones mediante el crecimiento alterno de capas delgadas (algunos nm) tensadas y de ese modo se alejan de las capas activas. Otro procedimiento para reducir dislocaciones es el uso dirigido de distintos procedimientos de regeneración.

Además se conoce por A. W. Bett et al. en MRS Symp. Proc. vol. 836 (Materials for Photovoltaics) , 2005, 223-234, usar estructuras de tampón con contenido en In elevado, gradual para poder separar capas de células solares de GaInP/GaInAs mal adaptadas a la red sin defectos sobre un sustrato de Ge activado. La figura 2a muestra para ello un diagrama esquemático de una célula solar triple de GaInP/GaInAs/Ge mal adaptada a la red. La imagen de campo claro por TEM en la figura 2b muestra una red de dislocaciones en la estructura de tampón. Las dislocaciones mal adaptadas en las superficies límite proporcionan una reducción de las tensiones de capa debido a distintas constantes de red de los materiales. Las densidades de dislocaciones en capas de semiconductores III-V sobre una estructura de tampón de este tipo se encuentran en el intervalo de 106 cm-2 en caso de una mala adaptación de las constantes de red del 1, 1%. Estas densidades de dislocaciones repercuten ya negativamente en el grado de acción alcanzable de las células solares.

De manera similar que en caso de una mala adaptación de las constantes de red en las capas de semiconductores, distintos coeficientes de dilatación térmica de los materiales conducen a tensiones en caso de enfriamiento de la estructura tras el proceso de crecimiento. También según esto puede llegarse a la formación de dislocaciones y grietas en las capas de semiconductores. Particularmente, esto se encuentra actualmente en caso de capas de semiconductores III-V sobre sustratos de silicio, donde las diferencias en los coeficientes de dilatación térmica son especialmente grandes.

Por consiguiente, la mayor parte de los componentes optoelectrónicos de semiconductores compuestos III-V, tales como células fotovoltaicas o diodos de luminiscencia, se hacen crecer actualmente de manera adaptada a la red en un material de sustrato. Sin embargo, con frecuencia las combinaciones de material con otra constante de red ofrecen la posibilidad de optimizar adicionalmente tales componentes. En caso de estructuras mal adaptadas a la red se generan dislocaciones a partir de un espesor de capa crítico, que actúan como centros de recombinación para soportes de carga minoritarios en las capas activas del componente. Debido a ello se limita la calidad de los componentes. En caso de células solares son necesarias densidades de dislocaciones en el intervalo de 105 cm-2, para obtener una eficiencia muy buena y densidad de potencia. En caso de altas mal adaptaciones a la red superiores al 1% no se alcanzan, sin embargo, tales densidades de dislocación bajas hasta el momento.

Por tanto, el objetivo de la presente invención es indicar un componente semiconductor que presente una estructura de capas mediante la cual se reduzcan o se eliminen las densidades de dislocaciones en estructuras de semiconductores III-V mal adaptadas a la red. Además debe reducirse o eliminarse igualmente el problema de grietas y dislocaciones en capas de semiconductores con distintos coeficientes de dilatación térmica.

Este objetivo se soluciona mediante las características distinguidas de la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes muestran perfeccionamientos ventajosos. Por consiguiente, según la invención se propone insertar en la estructura de componente de un semiconductor compuesto por un sustrato, al menos una estructura de capas de un semiconductor compuesto III-V y/o SixGe1-x, que forma una unión pn o np, así como al menos una capa de tampón para unir la estructura de capas con el sustrato, adicionalmente al menos una capa de bloqueo en la estructura de componente. La capa de bloqueo según la invención debe presentar, a este respecto, una dureza cristalina superior a la de la al menos una estructura de capas.

Se ha mostrado ahora que mediante la inserción de estas "capas de bloqueo" en la estructura de componente se redujeron claramente las densidades de dislocaciones en estructuras de semiconductores mal adaptadas a la red. Además, las capas de bloqueo permiten un manejo flexible y un uso dirigido dentro de la estructura. Así pueden colocarse las capas de bloqueo por ejemplo alrededor de una estructura de capas para aislar dislocaciones de ambos lados. La pluralidad de las posibles combinaciones de materiales permite una alta flexibilidad en la elección de la constante de red y la separación energética de las capas de bloqueo. Se ha mostrado además que mediante las capas de bloqueo adicionalmente puede reducirse claramente el problema de grietas y dislocaciones en capas de semiconductores con distintos coeficientes de dilatación térmica.

La "capa de bloqueo" en el componente semiconductor según la invención se caracteriza especialmente porque su dureza cristalina es al menos un 10%, preferentemente un 15% superior a la dureza cristalina de la estructura de capas. La determinación de la dureza cristalina de estructuras de capas se conoce en el estado de la técnica. Para ello se remite a B. Jönsson, S. Hogmark, "Hardness Measurements of Thin Films", Thins-Solid Films, 114 (1984) , páginas 257-269.

Otra característica esencial de la capa de bloqueo en caso del componente semiconductor según la invención es el espesor. Se ha mostrado que se prefiere cuando el espesor de la capa de bloqueo se selecciona de manera que se encuentra por debajo del espesor de capa crítico para la relajación del semiconductor. Como espesores para las capas de semiconductores... [Seguir leyendo]

1. Componente semiconductor (8) compuesto por

• un sustrato (1) seleccionado de Si, Ge, GaAs, InP, GaSb,

• al menos una estructura de capas (3) de un semiconductor III-V y/o SixGe1-x, que forma una unión pn o np, así como

• al menos una capa de tampón (2) de un semiconductor III-V para la unión de la al menos una estructura de capas (3) con el sustrato (1, 7) ,

• adicionalmente al menos una capa de bloqueo (4) de semiconductores compuestos III-V con una dureza cristalina superior a la de la al menos una estructura de capas (3) , que impide o reduce la formación y/o la continuación de defectos de cristal,

caracterizado porque

los semiconductores compuestos III-V de la capa de bloqueo (4) presentan una concentración de nitrógeno del 0, 5% al 5%, o porque los semiconductores III-V de la al menos una capa de bloqueo (4) contienen C, Si y/o B.

2. Componente semiconductor según la reivindicación 1, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo (4) presenta una dureza cristalina que es al menos un 10%, preferentemente un 15% superior a la dureza cristalina de la al menos una estructura de capas (3) .

3. Componente semiconductor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo

(4) tiene un espesor por debajo del espesor de capa crítico para la relajación del semiconductor.

4. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo (4) presenta un espesor de 10 nm a 500 nm, preferentemente de 10 nm a 200 nm.

5. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo (4) está dispuesta en la al menos una capa de tampón (2) .

6. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo (4) está dispuesta por debajo y/o por encima de la al menos una capa de tampón (2) .

7. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se prevén de dos a seis estructuras de capas (3) que forman una unión pn o np.

8. Componente semiconductor según la reivindicación 7, caracterizado porque entre al menos dos estructuras de capas (3) que forman una unión pn o np está prevista al menos una capa de bloqueo (4) .

9. Componente semiconductor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los semiconductores compuestos III-V se seleccionan del grupo constituido por GaAsN, GaPN, GaInN, AlInN, GaInAsN, GaAsNP o GaInAsNP.

10. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo (4) ha crecido de manera coherente y sin dislocaciones.

11. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la al menos una capa de bloqueo (4) impide o reduce defectos de cristal y/o grietas debido a la distinta dilatación térmica de la al menos una estructura de capas o del sustrato (1, 7) .

12. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los semiconductores III-V de la al menos una estructura de capas (3) se seleccionan de GaAs, InP, GaP, AlAs, AlP, GaSb, GaN, AlN, InN así como compuestos de estos semiconductores binarios.

13. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la densidad de dislocación en la al menos una estructura de capas (3) es < 106 cm-2.

14. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato (1) es un sustrato activado (7) que presenta una unión pn o np.

15. Componente semiconductor según la reivindicación anterior, caracterizado porque el sustrato activado (7) presenta adicionalmente una capa de bloqueo (4') dispuesta entre la capa de tampón (2') y el sustrato (1') .

16. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los semiconductores III-V de la al menos una capa de tampón (2) se seleccionan de Ga1-xInxAs o GaAsxP1-x o GaAsxSb1-x.

17. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la

constante de red dentro de la al menos una capa de tampón (2) está modificada de manera continua y/o en etapas.

18. Componente semiconductor según la reivindicación anterior, caracterizado porque la modificación de la constante de red dentro de la capa de tampón (2) es > 0, 5%, preferentemente > 1%.

19. Componente semiconductor según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es una 5 célula solar múltiple.

20. Componente semiconductor según una de las reivindicaciones 1-18, caracterizado porque es un diodo de luminiscencia.

21. Uso del componente semiconductor según una de las reivindicaciones anteriores como célula solar o diodo de luminiscencia.