Dispositivo semiconductor y procedimiento para su fabricación.

Procedimiento para fabricar un dispositivo semiconductor (10) que absorbe luz,

que contiene las siguientes etapas:

proporcionar un sustrato (100) con una primera cara (101) y una segunda cara (102) que contiene o está compuesto por silicio dopado de tipo p,

Introducir un agente de dopaje en al menos un volumen parcial (110) del sustrato semiconductor (100) adyacente a la primera cara (101), de modo que entre el volumen parcial (110) y el sustrato semiconductor (100) se forma una primera transición pn (21) con una primera energía de banda prohibida,

Irradiar al menos una superficie parcial (240) de la segunda cara (205) del sustrato semiconductor (100) en presencia de un compuesto que contiene nitrógeno, fósforo, azufre o arsénico con una pluralidad de pulsos láser (400) de una longitud previamente establecible, adaptándose la forma de pulso de los pulsos láser (400) mediante una modulación de la amplitud y/o de la polarización a al menos una forma deseada previamente establecible de modo que al menos la superficie parcial (240) de la segunda cara (102) se dota de una modificación superficial, formándose una segunda transición pn (22) con una segunda energía de banda prohibida, siendo la segunda energía de banda prohibida más pequeña que la primera energía de banda prohibida y comprendiendo la modificación superficial una rugosidad o una estructuración y/o fundiéndose la estructura cristalina del sustrato (100) de modo que se convierte en una estructura policristalina o amorfa.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/070706.

Solicitante: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANSASTRASSE 27C 80686 MUNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: SCHADE,WOLFGANG.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L31/0236 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 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). › Texturas de superficie particulares.
  • H01L31/0288 H01L 31/00 […] › caracterizados por el material de dopado.
  • H01L31/0725 H01L 31/00 […] › Células solares a unión múltiple o tandem.
  • H01L31/18 H01L 31/00 […] › Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas.

PDF original: ES-2548875_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Dispositivo semiconductor y procedimiento para su fabricación

La invención se refiere a un procedimiento para fabricar un dispositivo semiconductor que absorbe luz en el que al menos una superficie parcial de un sustrato semiconductor se irradia con una pluralidad de pulsos láser de una longitud previamente establecible. Además, la invención se refiere a un dispositivo semiconductor para la conversión de radiación electromagnética en energía eléctrica que contiene un sustrato semiconductor cristalino con una primera cara y una segunda cara opuesta, estando introducido un agente de dopaje al menos en un volumen parcial del sustrato semiconductor adyacente a la primera cara de modo que entre el volumen parcial y el sustrato semiconductor está configurada una primera transición pn. Dispositivos semiconductores del tipo mencionado al inicio se pueden usar como células fotovoltaicas para el suministro de energía o como fotodetector para demostrar radiación electromagnética.

Por el documento WO 2006/086014 A2 es conocido un procedimiento del tipo mencionado al inicio. De acuerdo con este procedimiento conocido se debe irradiar la superficie de un sustrato semiconductor en presencia de un compuesto que contiene azufre con pulsos láser cortos con una duración de 50 fs a 500 fs. Mediante la excitación no lineal del sustrato semiconductor mediante los pulsos láser, la superficie del sustrato semiconductor se funde parcialmente y se traspasa parcialmente a un estado gaseoso. De este modo se produce una rugosidad superficial y una fase policristalina o amorfa. Además se introduce azufre como agente de dopaje en el sustrato semiconductor. Un sustrato semiconductor tratado de acuerdo con este procedimiento conocido muestra una absorción de luz aumentada con respecto a silicio no tratado para longitudes de onda por debajo de la energía de banda prohibida. El rendimiento de la conversión de energía de energía óptica en energía eléctrica asciende a este respecto aproximadamente a un 2,4 %.

El documento US 2010/052088 da a conocer un procedimiento para fabricar un dispositivo semiconductor que absorbe luz que contiene la siguiente etapa: Irradiar una superficie parcial de una cara de un sustrato semiconductor con una pluralidad de pulsos láser de modo que al menos la superficie parcial de esta cara se dota de una modificación superficial, configurándose una transición pn con una energía de banda prohibida que es más pequeña que la energía de banda prohibida del sustrato semiconductor.

Partiendo de estos procedimientos conocidos, la invención se basa en el objetivo de mejorar el rendimiento de una célula fotovoltaica del tipo mencionado al inicio. Además, la invención se basa en el objetivo de proporcionar una célula solar más eficaz o un fotodetector más sensible.

El objetivo se consigue de acuerdo con la invención mediante un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 y un dispositivo semiconductor de acuerdo con la reivindicación 8.

De acuerdo con la invención se reconoció que la forma de pulso de los pulsos láser, en la que se puede influir mediante una modulación de la amplitud y/o de la polarización, afecta a la estructura superficial, a la fase de material policristalina o amorfa que se produce, a la concentración de los agentes de dopaje y/o a su actividad eléctrica. De este modo se puede influir en amplios límites en las propiedades eléctricas, la estructura superficial y/o la composición de material mediante la elección de la forma de pulso.

De acuerdo con la invención, la estructuración superficial y/o la formación de determinadas fases previamente establecidas en la superficie se realizan con pulsos láser con una duración de algunos femtosegundos. En la irradiación de la superficie del sustrato semiconductor se excitan electrones del cuerpo sólido, produciéndose debido a las potencias pico de pulso elevadas un gas de electrones sobresaturado. A este respecto, el sustrato semiconductor se ioniza localmente. Finalmente se emite la energía del gas de electrones a la red cristalina, lo que conduce a la ablación o evaporación de una parte del material. La masa evaporada forma un flujo de partículas que se extiende con velocidades de hasta 103 nn-s"1. Dentro del flujo de partículas se produce una onda de retroceso debido al cambio de densidad dentro de la fase gaseosa. Esta onda de choque se propaga también en una dirección alejada de la superficie del sustrato semiconductor, aunque con una velocidad mayor que el flujo de partículas. Por tanto, la onda de choque se refleja en la superficie límite del flujo de partículas hacia la atmósfera circundante. Al incidir la onda de choque de nuevo sobre la superficie del sustrato semiconductor, ésta se acopla en la capa superficial líquida. De este modo se producen cambios de densidad en la capa superficial que en el caso del enfriamiento de la capa líquida conducen a la formación de material policristalino y/o amorfo en la superficie.

Se ha reconocido que la superficie ya se endurece tras aproximadamente 500 ps, de modo que este proceso vuelve a empezar de nuevo con cada pulso láser entrante. De acuerdo con la invención se propone ahora adaptar la forma de pulso de los pulsos láser a una forma deseada previamente establecible de modo que dentro de un pulso láser tienen lugar varias aportaciones de energía de forma directamente sucesiva antes de que la superficie vuelva a estar completamente endurecida. De este modo es posible generar varias ondas de choque internas con una dinámica temporal fijamente definida, de modo que la formación de la capa superficial policristalina se puede manipular de manera controlada o se puede evitar. De este modo se producen en el procedimiento de acuerdo con la invención cristalitas más grandes con proporciones de superficie/volumen menores, de modo que se reduce el número de los centros de recombinación. De este modo se aumenta la corriente fotoeléctrica generada y, finalmente, el rendimiento

de una célula solar o la sensibilidad de un fotodetector.

Un dispositivo semiconductor que absorbe luz en el sentido de la presente invención está diseñado para absorber fotones y provocar una separación de carga en el material semiconductor. Los portadores de carga de desequilibrio generados de este modo se pueden proporcionar en algunas formas de realización de la invención como corriente eléctrica o tensión eléctrica en elementos de conexión del elemento constructivo.

En algunas formas de realización de la invención puede estar previsto que el sustrato semiconductor se exponga a un compuesto que contiene azufre, mientras que al menos un pulso láser incide sobre la superficie del sustrato. En este caso, el compuesto que contiene azufre se puede disociar mediante la radiación láser incidente, de modo que átomos de azufre se integran en una capa próxima a la superficie del sustrato semiconductor. En algunas formas de realización de la invención se puede generar de este modo un dopaje n, de modo que en la superficie irradiada de un sustrato semiconductor dopado de tipo p se puede formar una transición pn. En algunas formas de realización de la invención, el dopaje puede formar una pluralidad de estados electrónicos dentro de la banda prohibida, de modo que se forma una banda intermedia de estados electrónicos dentro de la banda prohibida del material semiconductor. De este modo se puede posibilitar o al menos mejorar la absorción de fotones con una energía que es más pequeña que la energía de banda prohibida del sustrato semiconductor.

En algunas formas de realización de la invención, la longitud previamente establecióle de un pulso láser puede ascender a aproximadamente de 10 fs a aproximadamente 1 ns. En el sentido de la presente descripción, la longitud de los pulsos láser designa a este respecto la longitud total de un pulso, pudiendo tener pulsos individuales un intervalo temporal de 10 ps a 100 ns. De ello cabe diferenciar la subestructura de la amplitud y/o de la fase dentro de un pulso, que puede variar en una escala temporal considerablemente más corta, por ejemplo, dentro de 0,1 fs - 1,0 fs o dentro de 1 fs -10 fs.

En algunas formas de realización de la invención, la tasa de repetición puede estar situada entre 1 kHz y 10 MHz. La tasa de repetición describe a este respecto el intervalo temporal de dos pulsos láser. En cambio, la subestructura de un pulso individual puede variar con una frecuencia de algunos THz (1012 Hz). Por un lado, los valores elegidos aseguran que la superficie del sustrato semiconductor se relaja completamente tras la incidencia de un pulso láser individual, es decir, vuelve en un estado termodinámicamente estable. En cambio, máximos de amplitud individuales de la subestructura de un pulso láser se... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para fabricar un dispositivo semiconductor (10) que absorbe luz, que contiene las siguientes etapas:

proporcionar un sustrato (100) con una primera cara (101) y una segunda cara (102) que contiene o está compuesto por silicio dopado de tipo p,

Introducir un agente de dopaje en al menos un volumen parcial (110) del sustrato semiconductor (100) adyacente a la primera cara (101), de modo que entre el volumen pardal (110) y el sustrato semiconductor (100) se forma una primera transición pn (21) con una primera energía de banda prohibida,

Irradiar al menos una superficie parcial (240) de la segunda cara (205) del sustrato semiconductor (100) en presencia de un compuesto que contiene nitrógeno, fósforo, azufre o arsénico con una pluralidad de pulsos láser (400) de una longitud previamente establecióle, adaptándose la forma de pulso de los pulsos láser (400) mediante una modulación de la amplitud y/o de la polarización a al menos una forma deseada previamente establecióle de modo que al menos la superficie parcial (240) de la segunda cara (102) se dota de una modificación superficial, formándose una segunda transición pn (22) con una segunda energía de banda prohibida, siendo la segunda energía de banda prohibida más pequeña que la primera energía de banda prohibida y comprendiendo la modificación superficial una rugosidad o una estructuración y/o fundiéndose la estructura cristalina del sustrato (100) de modo que se convierte en una estructura policristalina o amorfa.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato semiconductor (100) se expone a un compuesto que contiene azufre, mientras que al menos un pulso láser (400) incide sobre la superficie (240) del sustrato (100).

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la longitud previamente establecióle de los pulsos láser (400) asciende a de aproximadamente 10 fs a aproximadamente 1 ns.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la amplitud de un pulso láser (400) Individual se modula de modo que éste presenta tres máximos, teniendo al menos un máximo una primera amplitud y presentando al menos un máximo una segunda amplitud.

5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en una siguiente etapa de procedimiento al menos una superficie parcial del sustrato semiconductor (100) se dota de una capa de contacto

(210, 220, 230).

6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el sustrato semiconductor (100) se recoce tras la irradiación con una pluralidad de pulsos láser (400).

7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la amplitud de un pulso láser (400) individual se modula de modo que éste tiene al menos dos máximos, disminuyendo la amplitud entre los máximos hasta un valor inferior a un 15 % del valor máximo más grande durante un intervalo de tiempo inferior a 5 fs.

8. Dispositivo semiconductor (10) para la conversión de radiación electromagnética en energía eléctrica, que contiene un sustrato semiconductor (100) cristalino con una primera cara (101) y una segunda cara (102) opuesta que contiene o está compuesto por silicio dopado de tipo p, estando introducido un agente de dopaje al menos en un volumen parcial (110) adyacente a la primera cara del sustrato semiconductor (100) de modo que entre el volumen parcial (110) y el sustrato semiconductor (100) está formada una primera transición pn (21), caracterizado porque al menos una primera superficie parcial (240) de la segunda cara (102) está dotada de un agente de dopaje y una modificación superficial de modo que está formada una segunda transición pn (22), estando el agente de dopaje seleccionado a partir de N y/o P y/o As y/o S y comprendiendo la modificación superficial una rugosidad o estructuración y/o habiéndose fundido la estructura cristalina del sustrato (100) de modo que se convirtió en una estructura policristalina o amorfa, de modo que la primera transición pn (21) está diseñada para absorber luz con una energía de fotones por encima de la energía de banda prohibida del sustrato semiconductor (100) y la segunda transición pn (21) está diseñada para absorber luz con una energía de fotones por debajo de la energía de banda prohibida del sustrato semiconductor (100).

9. Dispositivo semiconductor de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la modificación superficial de la primera superficie parcial presenta una pluralidad de elevaciones en forma de columna que tienen un diámetro de aproximadamente 0,3 pm a aproximadamente 1 pm y una extensión longitudinal de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 5 pm.

10. Dispositivo semiconductor de acuerdo con las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado porque la primera superficie parcial (240) contiene silicio policristalino con un tamaño granular de 1 pm a 100 pm.

11. Dispositivo semiconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque la primera cara (101) está dotada de al menos una capa de contacto (210) que está realizada como revestimiento parcial de la primera cara (101) y porque la segunda cara (102) está dotada de al menos dos capas de contacto (220, 230).

12. Dispositivo semiconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque una capa de contacto (220) de la segunda cara establece un contacto eléctrico con el sustrato semiconductor (100) y la otra capa de contacto (230) establece un contacto eléctrico con la primera superficie parcial (240) de la segunda cara (102).

5 13. Dispositivo semiconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque la capa de

contacto (210) sobre la primera cara (101) forma con la capa de contacto (220) sobre la segunda cara (102) una primera célula fotovoltaica y la capa de contacto (210) de la primera cara forma con la capa de contacto (230) de la segunda cara (102) una segunda célula fotovoltaica que están Integradas de forma monolítica en un sustrato semiconductor (100).

10 14. Dispositivo semiconductor de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque la primera y la segunda

células fotovoltaicas están conectadas en paralelo entre sí.


 

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