Método de fabricación de dispositivos semiconductores sobre un sustrato del grupo IV con propiedades de superficie de contacto y colas de difusión controladas.

Dispositivo semiconductor que comprende:

una capa de germanio de tipo p (20);



una capa de nucleación (22) sobre la capa de germanio de tipo p (20), incluyendo la capa de nucleación un compuesto binario de los grupos III-V seleccionado del grupo que consiste en AlAs, AlSb, AlN, BAs, BSb, GaN, GaSb, InN, y InAs; y una primera capa de compuesto de los grupos III-V (24) sobre la capa de nucleación, incluyendo la primera capa de compuesto de los grupos III-V (24) al menos uno de GaInP, AlInP, y AlGaInP;

en el que la capa de germanio de tipo p (20) incluye átomos de fósforo que han sido difundidos desde la primera capa de compuesto de los grupos III-V (24), siendo la concentración de los átomos de fósforo en la capa de germanio de tipo p (20) una función del grosor de la capa de nucleación (22);

y en el que la primera capa de compuesto de los grupos III-V incluye átomos de germanio que han sido difundidos desde la capa de germanio de tipo p (20), siendo también la concentración de los átomos de germanio en la primera capa de compuesto de los grupos III-V una función del grosor de la capa de nucleación (22);

y en el que el grosor de la capa de nucleación (22) oscila entre 1 y 20 monocapas.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/CA2007/001278.

Solicitante: Cyrium Technologies Incorporated.

Nacionalidad solicitante: Canadá.

Dirección: 50 Hines Road Suite 200 Ottawa, Ontario K2K 2M5 CANADA.

Inventor/es: PUETZ,Norbert, FAFARD,Simon, RIEL,Joseph René Bruno.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L21/20 ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 21/00 Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dispositivos semiconductores o de dispositivos de estado sólido, o bien de sus partes constitutivas. › Depósito de materiales semiconductores sobre un sustrato, p. ej. crecimiento epitaxial.
  • H01L21/3205 H01L 21/00 […] › Depósito de capas no aislantes, p. ej. conductoras o resistivas, sobre capas aislantes; Postratamiento de esas capas (fabricación de electrodos H01L 21/28).
  • H01L29/12 H01L […] › H01L 29/00 Dispositivos semiconductores adaptados a la rectificación, amplificación, generación de oscilaciones o a la conmutación que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie; Condensadores o resistencias, que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie, p. ej. unión PN, región de empobrecimiento, o región de concentración de portadores de carga; Detalles de cuerpos semiconductores o de sus electrodos (H01L 31/00 - H01L 47/00, H01L 51/05 tienen prioridad; otros detalles de los cuerpos semiconductores o de sus electrodos H01L 23/00; consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00). › caracterizados por los materiales de los que están constituidos.
  • H01L31/0256 H01L […] › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › caracterizados por los materiales.
  • H01L33/00 H01L […] › Dispositivos semiconductores que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie especialmente adaptados para la emisión de luz; Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Detalles (H01L 51/50  tiene prioridad; dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores formados en o sobre un sustrato común y que incluyen componentes semiconductores con al menos una barrera de potencial o de superficie, especialmente adaptados para la emisión de luz H01L 27/15; láseres de semiconductor H01S 5/00).

PDF original: ES-2383872_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Método de fabricación de dispositivos semiconductores sobre un sustrato del grupo IV con propiedades de superficie de contacto y colas de difusión controladas.

Campo de la invención La presente invención se refiere de manera general a la deposición epitaxial de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Más particularmente, la presente invención se refiere a la deposición de estructuras de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de los grupos III/V sobre sustratos del grupo IV.

Antecedentes de la invención

Se conoce la deposición de secuencias de capas para dispositivos opto/electrónicos de los grupos III/V, tales como células solares multiunión y diodos emisores de luz (LED) , sobre sustratos del grupo IV. Las propiedades electrónicas y ópticas de tales dispositivos están estudiándose extensamente y la correlación entre estas propiedades y las características de la superficie de contacto sustrato-capa epitaxial está recibiendo una gran atención. El motivo de la atención prestada a la superficie de contacto sustrato-capa epitaxial es que, en su mayor parte, el rendimiento de estos dispositivos está determinado por la calidad de esta superficie de contacto.

Cuando se deposita un material de los grupos III/V, por ejemplo GaAs, de manera epitaxial sobre un sustrato del grupo IV, por ejemplo Ge, no se establece fácilmente la formación de la secuencia de capas atómicas apropiada de las capas del grupo III y el grupo V. Los sitios del grupo IV (átomos de Ge) pueden unirse a átomos de o bien el grupo III o bien el grupo V. En la práctica, algunas zonas del sustrato del grupo IV se unirán a átomos del grupo III y algunas otras zonas se unirán a átomos del grupo V. Las regiones límite entre estas zonas de crecimiento diferentes dan lugar a defectos estructurales considerables, tales como dominios de antifase, que afectan adversamente al rendimiento del dispositivo.

Para reducir algunos de estos acontecimientos no deseados, los sustratos del grupo IV son habitualmente sustratos vecinales con un ángulo de desorientación que oscila entre 0-15º. Estos sustratos vecinales ofrecen terrazas y bordes escalonados en los que pueden unirse los átomos con diferentes configuraciones de enlace, proporcionando así un mayor orden en el proceso de crecimiento.

En dispositivos tales como, por ejemplo, células solares que tienen compuestos de los grupos III/V depositados de manera epitaxial sobre un sustrato del grupo IV, a menudo es deseable crear parte del propio dispositivo en el sustrato del grupo IV mediante difusión, por ejemplo, de una especie del grupo V en el sustrato del grupo IV. Como ejemplo, para células solares, si se hace difundir un elemento del grupo V en un sustrato de Ge de tipo p, se forma una región de tipo n, dando lugar a una unión p-n. Esta unión p-n se vuelve fotoactiva y puede ser parte de una célula solar de una sola unión o multiunión. Sin embargo, cuando se deposita el compuesto de los grupos III/V a temperaturas de procedimiento típicas (500-750ºC) sobre el sustrato de Ge, el elemento del grupo V del compuesto tiende a difundir, con poco control, en el sustrato haciendo de ese modo que la formación de una unión p-n predecible sea difícil. En casos que implican sustratos de Ge con una unión p-n preexistente, como podría ser el caso en la heterointegración de componentes opto/electrónicos de los grupos III/V sobre circuitos electrónicos de Ge, SiGe y SiC, la deposición de un compuesto de los grupos III/V de recubrimiento puede modificar el perfil de dopado de la unión p-n preexistente, dando como resultado un rendimiento insatisfactorio de la unión p-n y el dispositivo. Por consiguiente, las características eléctricas no pueden controlarse fácilmente. En tales situaciones, se vuelve bastante difícil, si no imposible, lograr y mantener el perfil de dopado y las características eléctricas deseados de la unión p-n del sustrato, incluyendo tales características eléctricas, en el caso de células solares, la tensión en circuito abierto (Voc) . Además, difundirán átomos del grupo IV desde el sustrato a las capas de los grupos III/V depositadas de manera epitaxial. Así, las capas dentro de los 0, 5 - 1 !m iniciales de la secuencia de capas de los grupos III/V pueden doparse altamente con el elemento del grupo IV cuando no se reduce la excesiva difusión de átomos del grupo IV a través del uso de materiales y condiciones de nucleación adecuados. Los átomos del grupo IV como Si y Ge son, a concentraciones moderadas, dopantes normalmente de tipo n en un material semiconductor de los grupos III/V. Sin embargo, debido a su naturaleza anfótera, estos átomos pueden producir un alto grado de compensación (incorporación combinada de impurezas de tipo n y p) cuando se incorporan a concentraciones mucho mayores que 2x1018 cm-3, lo que conduce a menudo a un fuerte deterioro de las propiedades eléctricas y ópticas de la capa semiconductora huésped.

La patente estadounidense n.º 6.380.601 B1 concedida a Ermer et al., denominada a continuación en el presente documento Ermer, enseña la deposición de GaInP sobre una capa de superficie de contacto con dopado n sobre un sustrato de Ge de tipo p y la posterior deposición de un compuesto binario GaAs sobre la capa de GaInP. El fósforo de la capa de GaInP tiende a no difundir en el sustrato de Ge tan profundamente como lo haría el arsénico de una capa de GaAs. Por tanto, el dopado con fósforo y la posterior deposición de la capa de GaInP permite un mejor control del perfil de dopado de la capa de tipo n del sustrato de Ge y por consiguiente, conduce a un mejor control de las características eléctricas de la unión p-n formada en el sustrato de Ge. Sin embargo, el problema de tener una capa de superficie de contacto de GaInP en la superficie de contacto del sustrato de Ge es que la morfología de los dispositivos preparados en condiciones de procedimiento epitaxial típicas para estos materiales no es la ideal: a menudo abundan los defectos. Parecería que se requieren condiciones de nucleación extremas (temperatura, velocidad de deposición, sobrepresión del grupo V) de la capa de superficie de contacto de GaInP con el fin de obtener dispositivos con una morfología adecuada.

Applied Physics Letter, volumen 61, n.º 10, 7 de septiembre de 1992, páginas 1216-1218, XP002540613 se refiere a una investigación de la interdifusión de los átomos de composición en una superficie de contacto heterogénea entre una capa epitaxial de GaAs y un sustrato de Ge (111) mediante espectroscopía de masas de ionización secundaria. Cuando se aplica inicialmente una capa delgada de AlAs, se suprimió eficazmente la difusión de Ge en la capa epitaxial de GaAs. Se realizó satisfactoriamente una superficie de contacto heterogénea abrupta en crecimiento a temperatura relativamente alta. Se aclaró el proceso de interdifusión en la superficie de contacto heterogénea AlAs-Ge en el crecimiento a alta temperatura, que estaba dominado por la segregación de átomos de Ge asistida por la temperatura durante el crecimiento de AlAs en vez de por difusión térmica. También se observó la difusión de composición de átomos de Al a la capa epitaxial de GaAs, lo que se potenció por la segregación de Ge en la estructura de GaAs/AlAs/sustrato de Ge que se hizo crecer a mayor temperatura.

La publicación de solicitud de patente estadounidense n.º 2002/040727 da a conocer un aparato y método para optimizar la eficiencia de las uniones de germanio en células solares multiunión. En una realización preferida, se dispone una capa de nucleación de fosfuro de indio y galio (InGaP) entre el sustrato de germanio (Ge) y las capas epitaxiales de doble unión de recubrimiento para controlar la profundidad de difusión del dopado n en la unión de germanio.

Específicamente, actuando como barrera de difusión frente al arsénico (As) contenido en las capas epitaxiales de recubrimiento y como fuente de dopante de tipo n para formar la unión de germanio, la capa de nucleación permite que se minimicen el tiempo y la temperatura de crecimiento en el procedimiento del dispositivo de capas epitaxiales sin comprometer la integridad de la estructura de capas epitaxiales de doble unión. Esto permite, a su vez, que se controle de forma óptima la difusión de arsénico al sustrato de germanio variando el grosor de la capa de nucleación. Una unión de germanio activa formada según la presente invención tiene una profundidad de unión que ha difundido típica que es sólo de una quinta parte a la mitad de lo que puede lograrse en dispositivos de la técnica anterior. Además, las células solares de triple unión que incorporan una... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo semiconductor que comprende:

una capa de germanio de tipo p (20) ;

una capa de nucleación (22) sobre la capa de germanio de tipo p (20) , incluyendo la capa de nucleación un compuesto binario de los grupos III-V seleccionado del grupo que consiste en AlAs, AlSb, AlN, BAs, BSb, GaN, GaSb, InN, y InAs; y una primera capa de compuesto de los grupos III-V (24) sobre la capa de nucleación, incluyendo la primera capa de compuesto de los grupos III-V (24) al menos uno de GaInP, AlInP, y AlGaInP;

en el que la capa de germanio de tipo p (20) incluye átomos de fósforo que han sido difundidos desde la primera capa de compuesto de los grupos III-V (24) , siendo la concentración de los átomos de fósforo en la capa de germanio de tipo p (20) una función del grosor de la capa de nucleación (22) ;

y en el que la primera capa de compuesto de los grupos III-V incluye átomos de germanio que han sido difundidos desde la capa de germanio de tipo p (20) , siendo también la concentración de los átomos de germanio en la primera capa de compuesto de los grupos III-V una función del grosor de la capa de nucleación (22) ;

y en el que el grosor de la capa de nucleación (22) oscila entre 1 y 20 monocapas.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que la concentración de átomos de germanio en la primera capa de compuesto de los grupos III-V es menor que 1 x1018 cm-3 a una distancia de 150 nm desde la capa de nucleación.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que la concentración de átomos de fósforo en la capa de germanio de tipo p (20) es menor que, o igual a, 1x1018 cm-3 a una distancia de 300 nm desde la capa de nucleación.

4. Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende además una segunda capa de compuesto de los grupos III-V (26) formada sobre la primera capa de compuesto de los grupos III/V (24) .

5. Dispositivo según la reivindicación 4, en el que la segunda capa de compuesto de los grupos III-V (26) incluye GaAs.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que la capa de germanio de tipo p (20) incluye una unión p-n.

7. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el dispositivo es un dispositivo electrónico.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el dispositivo electrónico es una célula solar o un diodo emisor de luz.

9. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que la capa de germanio de tipo p (20) es un sustrato de germanio de tipo p.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que el sustrato de germanio de tipo p (20) es un sustrato vecinal.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, en el que el sustrato vecinal tiene un ángulo comprendido entre 0º y 20º.

 

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