Dispositivo semiconductor de película fina y procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor de película fina.

Un MS-FET de película fina o dispositivo semiconductor de célula fotovoltaica que comprende:



i) un substrato (10, 20) que comprende celulosa;

ii) una primera capa (12.1,12.2, 16, 22) que consiste en una capa conductora metálica en contacto con el substrato;

iii) una segunda capa semiconductora (14, 24) que comprende silicio nanocristalino coloidal y un aglutinante en contacto con la primera capa;

iv) una tercera capa que consiste en el caso de un MS-FET, en una capa conductora metálica ( 16, 12.1, 12.2) o, en el caso de una célula fotovoltaica, en un conductor tipo-p transparente (26) en contacto con la segunda capa.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IB2004/000221.

Solicitante: PST Sensors (Pty) Limited .

Nacionalidad solicitante: Sudáfrica.

Dirección: Department of Physics, RW James Building, Room 513, Upper Campus University of Cape Town, 7700 SUDAFRICA.

Inventor/es: BRITTON,David Thomas, HÄRTING,Margit.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L21/208 SECCION H — 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 eléctrica 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. › utilizando un depósito líquido.
  • H01L21/338 H01L 21/00 […] › con puerta Schottky.
  • H01L27/142 H01L […] › H01L 27/00 Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores o de otros componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común (detalles H01L 23/00, H01L 29/00 - H01L 51/00; conjuntos que consisten en una pluralidad de dispositivos de estado sólido individuales H01L 25/00). › Dispositivos de conversión de energía (módulos fotovoltaicos o conjuntos de células fotovoltaicas individuales que comprende diodos de derivación integrados o directamente asociado con las células fotovoltaicas sólo H01L 31/0443; módulos fotovoltaicos compuestas de una pluralidad de células solares de película delgada depositados en el mismo sustrato H01L 31/046).
  • H01L29/812 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). › puerta Schottky.
  • H01L31/0392 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). › comprendiendo películas delgadas depositadas sobre sustratos metálicos o aislantes.
  • H05K1/03 H […] › H05 TECNICAS ELECTRICAS NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR.H05K CIRCUITOS IMPRESOS; ENVOLTURAS O DETALLES DE REALIZACION DE APARATOS ELECTRICOS; FABRICACION DE CONJUNTOS DE COMPONENTES ELECTRICOS (detalles de instrumentos o detalles comparables de otros aparatos no previstos en otro lugar G12B; circuitos de película delgada o de película gruesa H01L 27/01, H01L 27/13; medios no impresos para realizar conexiones con o entre circuitos impresos H01R; envolturas o detalles de realización de tipos particulares de aparatos, ver las subclases apropiadas; procedimientos que sólo comprenden una técnica prevista en otro lugar, p. ej. calefacción, pulverización, ver la subclase apropiada). › H05K 1/00 Circuitos impresos (conjuntos consistentes en una pluralidad de semiconductores o de otros dispositivos de estado sólido individuales H01L 25/00; dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, p. ej. circuitos integrados, circuitos de película delgada o de película gruesa H01L 27/00). › Empleo de materiales para realizar el sustrato.
  • H05K3/10 H05K […] › H05K 3/00 Aparatos o procedimientos para la fabricación de circuitos impresos (producción por vía fotomecánica de superficies texturadas, materiales a este efecto o sus originales, aparellajes especialmente adaptados a este efecto, en general G03F; que implican la fabricación de dispositivos semiconductores H01L). › en los cuales el material conductor es aplicado al soporte aislante de manera que forme el diseño de conductor deseado.

PDF original: ES-2548627_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Dispositivo semiconductor de película fina y procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor de película fina.

CAMPO DE INVENCIÓN

Esta invención se relaciona con un dispositivo semiconductor de película fina MS-FET o célula fotovoltaica. 5

También se relaciona con un procedimiento de fabricación de un dispositivo semiconductor de película fina MS-FET o célula fotovoltaica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los dispositivos semiconductores que se están produciendo en la actualidad o que se encuentran en fase de desarrollo comercial pueden clasificarse en tres categorías: silicio cristalino individual, silicio policristalino a granel o 10 semiconductor de película fina. Las primeras dos son caras de producir y se centran en el extremo superior del mercado. La mayoría de la investigación y del desarrollo tiene por objetivo la mejora de la eficiencia y la estabilidad a largo plazo de dichos dispositivos, independientemente del coste.

Por otra parte, los semiconductores de película fina se usan por lo general en aplicaciones con un precio más reducido, en las que la eficiencia y compacidad absoluta no son un prerrequisito. La estabilidad a largo plazo sigue 15 siendo un objetivo deseable en los semiconductores de película fina debido al coste de producción relativamente alto y al alto coste material del substrato.

La mayoría de los dispositivos semiconductores de película fina se basan en silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) el cual puede contener fases nanocristalina o microcristalina depositadas mediante varios procesos de deposición química de vapor (CVD) . Las dos técnicas principales se mejoran con plasma CV CVD (PECVD) , también conocido 20 como descarga resplandeciente CVD y catalítico CVD (cat-CVD) también conocido como alambre caliente CVD (HWCVD) . En el caso de dispositivos semiconductores fotovoltaicos, todos los semiconductores de película fina y a-Si:H, en particular, depositados a través del proceso CVD, sufren de degradación provocada por la luz (también llamada "El efecto Staebler-Wronksi") , el cual es muy significativo durante los primeros años de operación. Consecuentemente, todos los dispositivos comerciales del tipo semiconductor fotovoltaico están diseñados para que 25 se degraden de acuerdo a la reivindicación, y cuentan con reguladores para mantener la tensión de salida constante. En las células solares comerciales del tipo semiconductor, el substrato es normalmente de vidrio, lo que limita el tamaño del dispositivo semiconductor debido a su estabilidad mecánica y a su peso. El vidrio cuenta con la desventaja añadida de su rigidez y su fragilidad.

Todos los transistores comerciales de película fina (TFT) se basan en semiconductores de película fina depositados 30 mediante procesos CVD, y usan fotolitografía, máscaras y grabado químico. En conjuntos de transistores de alta densidad, se usa una secuencia de encadenamiento vertical de diferentes capas semiconductoras. Las técnicas de deposición para el depósito de varias capas semiconductoras, incluyendo electrodos de puerta, son los mismos para las células solares semiconductoras y el substrato normal es de vidrio.

Un factor importante que limita la producción de dispositivos semiconductores económicos es el uso de procesos de 35 deposición en vacío en la producción. Dichos procesos de deposición en vacío son relativamente caros y por ello, impactan de forma significativa en el coste de producción de dispositivos semiconductores. Además, las capas semiconductoras depositadas mediante el uso de procesos CVD son relativamente rígidas y por ello, no se combinan bien con substratos flexibles.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN 40

Según un primer aspecto de las invención, se ha proporcionado una película fina MS-FET o dispositivo de célula fotovoltaica semiconductora que incluye i) un substrato que comprende celulosa;

ii) una primera capa que consiste en una capa de metal conductor en contacto con el substrato;

iii) una segunda capa semiconductora que comprende silicio nanocristalino coloidal y un aglutinante en 45 contacto con la primera capa;

iv) una tercera capa que consiste, en el caso de una capa MS-FET, en un

metal conductor, o en el caso de una célula fotovoltaica, en un conductor transparente tipo p en

contacto con la segunda capa.

El substrato puede ser de un material de hoja de papel. 50

Para un dispositivo MS-FET, el espesor de la segunda capa puede ser apropiadamente de entre 1 y 2 micrómetros. Además, el espesor de la tercera capa puede ser apropiadamente de entre 300 y 400 micrómetros.

El dispositivo puede ser un dispositivo MS-FET de puerta superior en el que la primera capa consiste en conductores metálicos espaciados que forman la fuente y el drenaje del dispositivo, y la tercera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta del dispositivo. 5

El dispositivo puede ser un dispositivo MS-FET de puerta inferior en el que la primera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta del dispositivo, y la tercera capa consiste en conductores metálicos que forman la fuente y el drenaje del dispositivo.

Un dispositivo de célula fotovoltaica podría comprender, además una capa protectora transparente adicional de material dieléctrico. 10

Pueden usarse tres o más células fotovoltaicas para formar una batería fotovoltaica de acuerdo con la presente invención.

Preferiblemente, la primera capa de un dispositivo semiconductor de la invención consiste en plata coloidal.

De forma práctica, el aglutinante que se usa en un dispositivo semiconductor de la invención se ha seleccionado a partir de poliestireno o acetobutirato de celulosa. 15

Opcionalmente, cuando el substrato es papel, un dispositivo semiconductor de la invención comprende, además, un sello impermeable.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención se proporciona un procedimiento para la producción de un dispositivo semiconductor una película fina MS-FET o célula fotovoltaica, de acuerdo con el primer aspecto de la invención, que incluye las etapas de: 20

i) impresión de una primera capa metálica conductora sobre un substrato de papel;

ii) impresión de una segunda capa que comprende silicio nanocristalino coloidal y un soporte

disolvente-aglutinante sobre la primera capa metálica conductora;

iii) impresión de una tercera capa metálica conductora en el caso de MS-FET, o conductora de tipo-

p en el caso de célula fotovoltaica sobre la segunda capa. 25

De forma práctica, el aglutinante es un biopolímero. De manera opcional, el aglutinante biopolímero es acetobutirato de celulosa.

Opcionalmente, el aglutinante es poliestireno y el disolvente es cloroformo.

Opcionalmente, se puede usar un proceso de impresión por transferencia seleccionado a partir de un grupo consistente en impresión litográfica offset, xilográfica, tipográfica y serigráfica con tintas coloidales. 30

Preferiblemente, las etapas de impresión i) , ii) y iii) son los pasos de impresión litográfica offset y los pasos de impresión xilográfica.

Cualquier referencia en este documento a "imprimir" una capa sobre una superficie, debe interpretarse de forma suficientemente amplia para que incluya procedimientos de recubrimiento tales como pulverización, cepillado o recubrimiento giratorio de una capa sobre una superficie, es decir, procedimientos en los que no se produce cambio 35 de fase química o física del material de revestimiento durante la deposición.

Otras características de la invención se describen a continuación a modo de ejemplo no limitativo de la invención, con referencia a y como se ilustra en los dibujos esquemáticos adjuntos. En los dibujos:

La Figura 1 muestra una vista en sección transversal y en planta superior que muestra la configuración de las diferentes capas de un transistor de efecto campo semiconductor de metal de puerta superior (MS-FET) de acuerdo 40 con un primer ejemplo de la invención;

La Figura 2 muestra vistas en sección transversal y en planta superior que muestran la configuración de las diferentes capas de un MS-FET de puerta inferior de acuerdo con el segundo ejemplo de la invención;

La Figura 3 muestra una vista en sección transversal y en planta superior que muestra la configuración de las diferentes capas de una célula fotovoltaica de acuerdo con un tercer ejemplo de la invención; y 45

La Figura 4 muestra una vista en sección transversal y en planta superior que muestra la configuración de una batería fotovoltaica de acuerdo con un cuarto ejemplo de la invención;... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un MS-FET de película fina o dispositivo semiconductor de célula fotovoltaica que comprende:

i) un substrato (10, 20) que comprende celulosa;

ii) una primera capa (12.1, 12.2, 16, 22) que consiste en una capa conductora metálica en contacto con el substrato; 5

iii) una segunda capa semiconductora (14, 24) que comprende silicio nanocristalino coloidal y un aglutinante en contacto con la primera capa;

iv) una tercera capa que consiste en el caso de un MS-FET, en una capa conductora metálica ( 16, 12.1, 12.2) o, en el caso de una célula fotovoltaica, en un conductor tipo-p transparente (26) en contacto con la segunda capa.

2. Un dispositivo MS-FET, de acuerdo con la reivindicación 1, el cual es un dispositivo MS-FET de puerta 10 superior, en el que la primera capa consiste en conductores metálicos espaciados que forman la fuente (12.1) y el drenaje (12.2) del dispositivo, y la tercera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta (16) del dispositivo.

3. Un dispositivo MS-FET, de acuerdo con la reivindicación 1, el cual es un dispositivo MS-FET de puerta inferior, en el que la primera capa consiste en un conductor metálico que forma un electrodo de puerta (16) del 15 dispositivo y la tercera capa consiste en conductores metálicos espaciados que forman la fuente (12.1) y el drenaje (12.2) del dispositivo.

4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el substrato (10, 20) es de material de hoja de papel.

5. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que la primera capa consiste en plata 20 coloidal.

6. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior en el que se selecciona el aglutinante a partir de poliestireno o acetobutirato de celulosa.

7. Un dispositivo MS-FET de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la segunda capa semiconductora tiene un espesor de entre 1 y 2 micrómetros. 25

8. Un dispositivo MS-FET de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la tercera capa tiene un espesor de entre 300 y 4000 micrómetros.

9. Un dispositivo de célula fotovoltaica de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende una capa transparente adicional de protección (28) de material dieléctrico.

10. Un dispositivo de acuerdo con cualquier reivindicación anterior que incluye además un sello impermeable y 30 en el que el substrato es papel.

11. Una batería fotovoltaica que comprende tres células fotovoltaicas como se reivindica en la reivindicación 1.

12. Un proceso para la producción de una película fina MS-FET o dispositivo semiconductor de célula fotovoltaica como se reivindica en la reivindicación 1 que comprende las siguientes etapas: 35

i) imprimir una primera capa conductora metálica (12.1, 12.2, 16, 22) sobre un substrato de papel (10, 20) ;

ii) imprimir una segunda capa (14, 24) que comprende silicio nanocristalino coloidal y un soporte aglutinante-disolvente sobre la primera capa conductora metálica;

iii) imprimir una tercera capa (16, 12.1, 12.2) de conductor metálico en el caso de MS-FET o conductor de tipo-p (16) en el caso de una célula fotovoltaica sobre la segunda capa. 40

13. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que el aglutinante es un biopolímero.

14. Un proceso, según la reivindicación 13, en el que el biopolímero es acetobutirato de celulosa.

15. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que el soporte aglutinante-disolvente es una mezcla de aglutinante de poliestireno y cloroformo.

16. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que las etapas de impresión i) , ii) y iii) son etapas de 45 impresión de litografía en offset.

17. Un proceso, según la reivindicación 12, en el que las etapas de impresión i) , ii) y iii) son etapas de impresión xilográfica.


 

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