ES2232887T3 - Dispositivo semiconductor con zonas difusas selectivamente. - Google Patents
Dispositivo semiconductor con zonas difusas selectivamente.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION DESCRIBE UN PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE UN DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR QUE COMPRENDE UN SUBSTRATO SEMICONDUCTOR (2) EN FORMA DE UNA REBANADA, PROCEDIMIENTO QUE COMPRENDE LAS SIGUIENTES OPERACIONES: 1) APLICAR SELECTIVAMENTE UNA CONFIGURACION DE FUENTE ADULTERANTE A BASE DE SOLIDOS A UNA PRIMERA SUPERFICIE PRINCIPAL DEL SUBSTRATO SEMICONDUCTOR (2); 2) DIFUNDIR LOS ATOMOS DE ADULTERANTE DE DICHA FUENTE DE ADULTERANTE A BASE DE SOLIDOS EN EL SUBSTRATO (2) MEDIANTE UNA FASE DE TRATAMIENTO TERMICO CONTROLADO EN UN AMBIENTE GASEOSO QUE RODEA AL SUBSTRATO SEMICONDUCTOR (2), EL ADULTERANTE OBTENIDO DE LA FUENTE DE ADULTERANTE A BASE DE SOLIDO SE DIFUNDE DIRECTAMENTE EN EL INTERIOR DEL SUBSTRATO (2) PARA FORMAR UNA PRIMERA ZONA DE DIFUSION (12) Y, AL MISMO TIEMPO DIFUNDIR EL ADULTERANTE OBTENIDO DE LA FUENTE DE ADULTERANTE A BASE DE SOLIDOS INDIRECTAMENTE MEDIANTE EL ENTORNO GASEOSO PARA FORMAR UNA SEGUNDA ZONA DE DIFUSION (15) EN AL MENOS ALGUNAS ZONAS DEL SUBSTRATO (2) NO CUBIERTAS POR DICHA CONFIGURACION; Y 3) FORMAR UNA CONFIGURACION DE CONTACTO METALICO (20) BASICAMENTE EN ALINEACION CON LA PRIMERA ZONA DE DIFUSION (12) SIN HABER ATACADO CON ACIDO SUSTANCIALMENTE LA SEGUNDA ZONA DE DIFUSION (15).
Description
Dispositivo semiconductor con zonas difusas
selectivamente.
La presente invención se refiere a un
dispositivo semiconductor y a un método para la fabricación del
mismo, en particular a una célula fotovoltaica que tiene dos o más
zonas difusas selectivamente formadas en un mismo paso de
difusión.
Muchos dispositivos semiconductores hacen uso de
zonas dopadas diferentemente del mismo tipo de conductividad (p o
n) para obtener un mejor rendimiento del dispositivo. La formación
de esas zonas dopadas diferentemente implica a menudo pasos del
proceso adicionales que aumentan el coste de la producción. En la
figura 1 se muestra una vista en planta de un dispositivo
semiconductor típico 1, que puede ser una célula fotovoltaica,
llamada a veces una célula solar. Un substrato semiconductor 2 de
un primer tipo de dopado tiene unas zonas superficiales 5 dopadas,
normalmente de un segundo tipo de dopado, y una configuración 3 de
metalización en por lo menos una superficie principal. La
configuración de metalización 3 comprende normalmente unos
electrodos metálicos 4 alargados entre y debajo de los cuales hay
unas zonas dopadas 5, por ejemplo, zonas de emisor, colector y
puerta. Los electrodos 4 pueden formar contactos óhmicos con zonas
6 fuertemente dopadas (representadas mejor en las figuras 3 y 4)
del substrato subyacente 2. Los electrodos 4 recogen o entregan
corrientes eléctricas de las zonas 5, las cuales pueden comprender
dispositivos semiconductores. Para una célula solar, la zona 5
normalmente es la zona del emisor.
Las células solares presentan generalmente
pérdidas en la zona 5 del emisor. Para un rendimiento óptimo, el
nivel de dopado en la zona 5 del emisor debe ser bajo para una
captación y conversión óptimas de fotones, mientras que las zonas 6
deben estar fuertemente y profundamente dopadas para dar lugar a
un buen contacto óhmico con la figura de metalización 4 sin puntear
la unión interior 8 (ver figuras 2 y 3). Escogiendo la mejor
combinación de bajo coste de fabricación y pérdidas en el
dispositivo se puede optimizar el coste total del conjunto.
En la figura 2 se representa esquemáticamente en
sección transversal un diseño homogéneo
emisor-colector para una célula solar que tiene unos
contactos metálicos 4 delanteros, contactos metálicos 9 traseros,
una zona de difusión 7 y una unión 8. La misma zona de difusión 7
en toda la cara delantera, combinada con una técnica de
metalización de bajo coste, tal como un serigrafiado, de contactos
metálicos delanteros 4 conduce a pérdidas de rendimiento
considerables. Esto es porque el perfil de la difusión de la zona
de difusión 7 (concentración superficial dopante y profundidad
emisor-colector desde la superficie a la unión 8)
necesaria para formar unos buenos contactos óhmicos con esta
técnica de metalización no es ideal para la conversión de la luz en
energía eléctrica en las zonas intermedias
emisor-colector 5.
Una secuencia típica de proceso homogéneo
emisor-colector incorpora normalmente una
estructuración y una preparación química de las superficies de la
oblea, un paso de difusión (difusión de un dopante entrante desde la
superficie), un paso opcional de pasivación con óxido, un paso
opcional de recubrimiento antirreflexivo (por ejemplo, TiO2 o
Si3N4) que puede proporcionar una pasivación adicional y una
secuencia de metalización (preferentemente por serigrafía).
En la figura 3 se muestra un perfeccionamiento
en el que las zonas 5 se realizan a una profundidad tal que se
forman las zonas emisor-colector selectivas. La
profundidad de la capa dopada entre los dedos
emisor-colector 4 se reduce y, por lo tanto, el
nivel de dopado disminuye. Dichos dispositivos se describen en el
artículo "Proceso de serigrafía integral sencilla para células
solares de silicio policristalino de emisor selectivo", por
Szlufcik et al., Appl. Phys. Lett., vol. 59, núm. 13, pp
1383-1384, 1991, y en DE 4.401.782, en que las zonas
de difusión entre los emisores se han realizado parcialmente después
de que los contactos metálicos hayan sido protegidos mediante una
capa de protección. La aplicación de la capa protectora,
normalmente una pasta de polímero, requiere un paso adicional de
colocación de una máscara. Esta última técnica presenta los
inconvenientes de un enmascaramiento adicional y un difícil paso de
grabado que aumenta la complejidad y el coste de la
fabricación.
La figura 4 muestra esquemáticamente en sección
transversal la solución más efectiva de un emisor-
colector selectivo que tiene zonas profundas de perfil 6 de dopado emisor-colector con una alta concentración de superficie dopante debajo de los contactos metálicos delanteros 3 y un perfil de dopado de poca profundidad que se optimiza para la recogida de portadores en las zonas adyacentes 5. Sin embargo, la estructura selectiva emisor-colector requiere un proceso de fabricación más complicado, tal como se describe, por ejemplo, en DE 42 17 428, en que se difunde una capa de emisor de poca profundidad en toda la superficie frontal del substrato, seguida de la formación de capas de pasivación-óxido. Después se forman aberturas en las capas de óxido utilizando un rayo láser y las capas de óxido se usan como máscara para un paso de difusión profunda de las zonas de contacto de emisor. Entonces se forman los contactos metálicos 3 y 4 en las brechas abiertas por el láser.
colector selectivo que tiene zonas profundas de perfil 6 de dopado emisor-colector con una alta concentración de superficie dopante debajo de los contactos metálicos delanteros 3 y un perfil de dopado de poca profundidad que se optimiza para la recogida de portadores en las zonas adyacentes 5. Sin embargo, la estructura selectiva emisor-colector requiere un proceso de fabricación más complicado, tal como se describe, por ejemplo, en DE 42 17 428, en que se difunde una capa de emisor de poca profundidad en toda la superficie frontal del substrato, seguida de la formación de capas de pasivación-óxido. Después se forman aberturas en las capas de óxido utilizando un rayo láser y las capas de óxido se usan como máscara para un paso de difusión profunda de las zonas de contacto de emisor. Entonces se forman los contactos metálicos 3 y 4 en las brechas abiertas por el láser.
Por
EP-A-0.680.099 se conoce una célula
solar que comprende una primera capa de tipo n formada sobre la
superficie superior completa de un substrato de silicio tipo p, una
capa del tipo p formada sobre la superficie trasera del substrato y
tiene una concentración de impurezas superior a la del substrato,
y una segunda capa de tipo n formada por lo menos sobre la cara
lateral del substrato, de modo que una la primera capa del tipo n
con la capa del tipo p. La segunda capa tipo n tiene una
concentración de impurezas inferior a la de la primera capa tipo n
y puede formarse por difusión saliente de una fuente de dopante
líquido aplicada a la superficie superior del substrato de
silicio.
US 4.152.824 describe un método para producir
una célula solar que tiene una construcción de dispositivo de unión
compuesta poco profunda y profunda. Esa célula solar posee unos
contactos a modo de rejilla en su cara delantera receptora de
energía, con cada parte de cada contacto en coincidencia, esto es,
alineado con las zonas de unión profunda mientras que las zonas de
unión poco profundas se exponen a la radiación incidente. La unión
compuesta y los contactos se forman por un método que emplea
técnicas convencionales, especialmente el uso de películas de óxido
dopadas como fuentes de difusión que están configuradas, y se
realiza una difusión gaseosa sobre el substrato expuesto para
formar las zonas altamente dopadas.
GB 1.470.241 describe una fotocélula que
comprende una primera zona n+, formada debajo del electrodo rejilla
de colector, y una segunda zona n- que está dopada menos fuertemente
y es más fina que la zona n+ y está formada en los espacios entre
las mallas de las zonas n+. Esas zonas n+ y n- se forman por
procesos conocidos de doble difusión enmascaramiento y fotografiado
selectivos.
Los métodos de fabricación conocidos de un
emisor-colector selectivo que emplean técnicas de
metalización como la serigrafía requieren un segundo paso de
difusión y/o pasos de grabado por corrosión que se traducen en la
necesidad de alineación de la configuración de metalización 3 con
las zonas 6 más fuertemente dopadas en la cara delantera del
dispositivo semiconductor 1.
En la obra "Física, tecnología y uso de los
dispositivos fotovoltaicos", de R.J. Overstraeten y R.P.
Mertens, Adam Higler Ltd., 1986.
El método para la fabricación según la presente
invención se define en las reivindicaciones 1 a 10. El dispositivo
semiconductor de acuerdo con la presente invención se define en las
reivindicaciones 11 a 19.
La presente invención se aplica principalmente a
la formación de dos diferentes zonas difusas selectivamente sobre
substratos semiconductores de distintos niveles de dopado. El
diseño ventajoso de una estructura selectiva de emisor o colector
se realiza sin necesidad de ningún paso de proceso adicional o
complicación del proceso en comparación con estructuras homogéneas
emisor-colector. La secuencia del proceso más
favorable hace uso de la serigrafía una pasta dopante en base a
sólidos para formar las zonas de difusión por un primer paso de
tratamiento térmico a alta temperatura y la serigrafía de una pasta
de metal para proporcionar la metalización por un segundo paso de
tratamiento térmico a alta temperatura.
El proceso selectivo de emisor o colector según
la presente invención, por ejemplo, para un dispositivo
fotovoltaico, puede tener el mismo número de pasos de proceso en un
proceso homogéneo emisor-colector y menos pasos que
para un proceso emisor-colector selectivo
convencional. El método de la presente invención proporciona un
método de fabricación sencillo y económico para producir
dispositivos fotovoltaicos que dan lugar a resultados ventajosos
respecto a las estructuras homogéneas
emisor-colector conocidas. Así se requiere menos
material de la fuente de dopado en comparación con los procesos
homogéneos emisor-colector, reduciendo así el coste
de la producción a la vez que mejorando el rendimiento de la célula
final.
La presente invención es una simplificación de
las secuencias del proceso de formación selectivas de emisor o
colector conocidas. La estructura selectiva de emisor o colector
según la presente invención se forma mediante un solo paso de
difusión. No se necesitan pasos de proceso de enmascaramiento y/o
grabado adicionales para formar el emisor o colector selectivo.
La figura 1 muestra una vista esquemática
superior de un dispositivo semiconductor conocido.
La figura 2 muestra una sección transversal
esquemática de una célula solar conocida con una estructura
homogénea emisor-colector.
La figura 3 muestra una sección transversal
esquemática de una célula solar conocida con una estructura
selectiva emisor-colector.
La figura 4 muestra una sección transversal
esquemática de otra célula solar conocida con una estructura
selectiva emisor-colector.
Las figuras 5 a 10 muestran los pasos
esquemáticos de una fabricación de un dispositivo semiconductor de
acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 11 muestra esquemáticamente el proceso
de difusión directo e indirecto según la presente invención.
La figura 12 es un gráfico de la resistencia a
la dispersión lateral de un dispositivo semiconductor según la
presente invención.
Las figuras 13 a 16 muestran pasos esquemáticos
en la fabricación de un dispositivo semiconductor según otra
realización de la presente invención.
En lo que sigue se describirá la invención con
referencia a ciertas realizaciones concretas y a los dibujos, pero
la invención no se limita a las mismas, sino sólo por las
reivindicaciones. En los dibujos, algunas de las dimensiones, por
ejemplo, el espesor de las capas, pueden haberse exagerado en aras
de la claridad. En particular, la invención se expondrá con
referencia a un dispositivo fotovoltaico, a veces llamado una
célula solar, pero la invención no se limita a aquél, sino que
puede encontrar aplicación en dispositivos semiconductores en
general. Además, la invención se describirá principalmente con
referencia a la formación de zonas tipos n++ y n+ en un substrato
tipo p. La invención no se limita a éstos. Los métodos de la
presente invención pueden aplicarse a la formación de zonas tipo p
diferenciadas en un substrato tipo n o la formación de zonas n++ y
n+ en un substrato no dopado o tipo n, o zonas tipos p++ y p+ en un
substrato no dopado o tipo p. Además, la invención se describirá
principalmente con referencia a una célula solar monofacial, pero
la invención puede aplicarse igualmente bien a una célula solar
bifacial.
El uso del sencillo proceso según la presente
invención para formar, por ejemplo, un emisor o un colector con
zonas dopadas diferentemente con sólo un paso de alta temperatura y
sin emplear técnicas de grabado o enmascaramiento no se limita a
las células solares. La técnica citada puede usarse en otros
procesos de producción siempre que existan tolerancias similares en
la cara lateral de las zonas dopadas y los contactos metálicos y
los perfiles de difusión. Los fotodetectores y sensores
microdiseñados de todas clases, los dispositivos semiconductores de
conversión térmica, así como los dispositivos semiconductores de
todo tipo, como los tiristores, son otros tantos dispositivos en
que puede conseguirse una reducción del coste de producción
utilizando el método según la presente invención.
Las figuras 5 a 10 muestran esquemáticamente un
proceso de fabricación selectiva de un emisor o colector según la
presente invención, aplicado a una célula solar 1. En un proceso de
producción de bajo coste según la presente invención, el
tratamiento puede comenzar con un substrato semiconductor 2 visto
cortado. El substrato 2 puede ser de silicio monocristalino,
policristalino o amorfo. La calidad del substrato puede ser
inferior a la exigida para los dispositivos de transistores, por
ejemplo, el silicio de calidad solar como el descrito en "Células
solares", 1992, de Martín Green, Universidad de Nueva Gales del
Sur. No se esperan límites respecto al tamaño del substrato 2, y
ese tamaño dependerá de los materiales disponibles comercialmente.
En el momento actual se emplean substratos de silicio de 10 cm x 10
cm, con un espesor de 200 a 400 micras, pero la invención no se
limita a ellos. El substrato 2 según la presente invención es
preferentemente de silicio, pero la invención no se limita a éste.
El substrato 2 puede ser el GaAs u otro similar substrato
semiconductor 2 que requiera zonas dopadas difundidas adyacentes
con una diferencia selectiva en los niveles de dopado.
Inicialmente el substrato semiconductor 2 se
limpia químicamente y después se graba para eliminar de la
superficie los efectos de la sierra, por ejemplo, con una
disolución de agua desionizada (agua DI) con el 40% en peso de NaOH
a 80ºC durante 2-4 minutos. Después puede lavarse
el substrato con agua DI hasta 8 Mohmcm. Opcionalmente pueden
disponerse mecánicamente o químicamente una textura, por ejemplo,
de estructuras piramidales, sobre una o ambas superficies
principales del substrato 2, tal como se describe en el artículo
"Métodos de texturización para células solares
multicristalinas", de Willwke y Fath, Textos de la 13ª Confª y
Expos. Europeas de Energía Solar Fotovoltaica, Francia,
23-27 oct. 1995. Por ejemplo, un proceso de grabado
adecuado a este fin comprende una disolución de NaOH al 1,3% en
peso y 5% en volumen de alcohol isopropílico en agua DI a 90ª
durante 10 minutos. Tras el grabado, el substrato 2 es lavado
químicamente y enjuagado en agua DI como antes. En los dibujos se
ha omitido la texturización por razones de claridad.
Según la presente invención, se han de formar
zonas 12 fuertemente dopadas y con difusión profunda debajo de las
zonas 20 de contacto metálico de la superficie delantera (figuras 8
y 9) y una zona 15 de emisor o colector de poca profundidad y
débilmente dopada en otra parte (figura 6). Como se indica
esquemáticamente en la figura 5, se aplica selectivamente una
fuente de dopante 11 a base de sólidos que contiene un dopante
adecuado en forma de una pasta o similar a por lo menos una
superficie considerable del substrato 2 en una figura definida que
puede adoptar la forma de líneas y/o zonas. La pasta 11 se aplica
selectivamente a aquellas zonas de la superficie del substrato en
las que se han de formar zonas 12 de difusión profunda en un paso
posterior. Para aplicar la parta dopante 11 selectivamente al
substrato 2 se pueden emplear diversas técnicas. La aplicación de
la pasta dopante 11 se efectúa preferentemente de una manera muy
definida y reproducible. Las técnicas preferidas tienen una buena
repetibilidad, como la serigrafía, el offset, el grabado, la
inyección de tinta o la escritura con pasta. La pasta 11 se imprime
preferentemente sobre el substrato con técnicas de película gruesa,
tales como la serigrafía, a fin de dar buena repetibilidad en un
proceso de producción a gran escala. Como que la configuración 20
de metalización de la superficie frontal (figuras 8 y 9) tiene que
aplicarse más tarde al substrato 2 en alineación con las zonas
profundas 12 donde la pasta dopante 11 se aplicó anteriormente,
resulta muy ventajoso usar la misma técnica para aplicar la pasta
dopante 11 y la pasta metálica 18 a la cara frontal. La buena
repetibilidad de la serigrafía permite la aplicación siguiente de
una pasta metálica 18 para formar una configuración 20 de
metalización en la superficie frontal (figura 8) usando la misma
técnica y empleando el mismo tipo de pantallas que se usó para
aplicar la pasta 11 (figura 5). Para aplicar la pasta 11 se puede
utilizar una máquina de serigrafía DEK modelo 1760RS.
Se pueden emplear pastas 11 que contienen
fuentes dopantes como P, B, As, etc. En función del tipo de
conductividad y naturaleza química del substrato 2. Cuando el
substrato 2 es de silicio y tiene una conductividad tipo p, la
pasta puede ser un fósforo que contiene pasta 11 como se describe
en EP 0.108.065 o una pasta disponible comercialmente como la P101
de la firma Soltech N.V., de Bélgica. Alternativamente, cuando el
substrato 2 es de silicio y tiene una conductividad tipo n, la
pasta 11 puede contener boro o aluminio. El proceso de fabricación
de células solares de bajo coste según la presente invención
utiliza un substrato 2 de Si cristalino de tipo p y un fósforo como
fuente de dopante para formar un emisor 12, 15 de tipo n en la cara
frontal.
La viscosidad de la pasta 11 debe escogerse de
modo que ésta pueda aplicarse con precisión con la técnica
apropiada, por ejemplo, la serigrafía, pero que no fluya o se
extienda de manera importante sobre el substrato 2. La pasta 11 es
preferentemente tixotrópica. La viscosidad de la pasta dopante 11
es de preferencia lo bastante alta para impedir un flujo lateral
importante antes o después del secado o bien durante el paso de
tratamiento térmico, lo cual conduciría a líneas o zonas de la
pasta dopante 11 aplicada sensiblemente más anchas que la anchura
de los contactos metálicos 20 de la superficie frontal aplicados
más tarde. Sin embargo, puede ser deseable un pequeño
ensanchamiento lateral de las líneas o zonas de la pasta 11 más
allá de las líneas o zonas previstas que seguidamente serán
cubiertas por los contactos metálicos 20, a fin de evitar el
puenteado de la unión 8 con los contactos metálicos 20. La
aplicación de los sucesivos contactos metálicos 20 se efectúa
dentro de una cierta tolerancia y es preferible que las líneas y
zonas 11 de pasta sean ligeramente más anchas que las siguientes
zonas y líneas 20 de contactos metálicos de manera que la
alineación de las líneas y zonas 18 de pasta metálica con las zonas
12 profundas y dopadas pueda realizarse con repetibilidad y
precisión.
Preferentemente, la pasta 11 se seca
inmediatamente tras su aplicación. El substrato 2 configurado se
carga de preferencia tan pronto como es posible e un horno de
secado, en el cual la pasta viscosa 11 se seca a temperaturas
comprendidas entre 150-350ºC, preferentemente entre
150 y 200ºC durante unos 1 a 10 minutos para fijar su posición
sobre el substrato 2. Para el secado se puede emplear un secador de
cinta transportadora Tempress, un secador de cinta de infrarrojos
DEK o similar. Tras el secado, la pasta del substrato 2 se somete
preferentemente a un paso de tratamiento térmico de dos fases. El
substrato 2 con la pasta ya seca se carga directamente en un horno
de difusión, tal como un horno de difusión de cinta transportadora
Tempress/Lindberg, por ejemplo, de la firma Gemco, de Holanda. En
una primera fase, la temperatura se eleva a unos
100-150ºC por minuto hasta unos 600ºC y los
restantes componentes orgánicos de la pasta dopante 11 se queman,
de preferencia en atmósfera de aire o de oxígeno.
En una segunda fase, el dopante se lleva a alta
temperatura desde la pasta 11 directamente al substrato 2.Esta
segunda fase del tratamiento térmico se efectúa preferentemente en
una atmósfera de gas inerte. En este paso a alta temperatura se
forma una zona 12 dopada en profundidad, como se indica
esquemáticamente en la figura 6, en la que el dopante de la pasta
11 se difunde directamente en el substrato 2 situado inmediatamente
debajo de las zonas y líneas 11 de pasta. Al mismo tiempo se forma
una zona 15 de escasa profundidad por difusión indirecta desde el
dopante 11 en la atmósfera circundante y de ésta a las zonas
expuestas del substrato 2.
Preferentemente, el substrato configurado 2 se
coloca sobre una cinta horizontal móvil en un horno continuo, por
ejemplo, un horno de difusión de cinta transportadora
Tempress/Lindberg antes mencionado, y se mantiene en una atmósfera
de gas inerte, como el nitrógeno. La temperatura se eleva a
800-1100ºC, preferentemente
900-950ºC, mientras se mantiene un gradiente de
temperaturas de unos 150ºC/minuto. El substrato 2 se mantiene de
preferencia a esa temperatura durante 10 a 60 minutos. No sólo hay
una difusión entrante del dopante de la pasta 11 al substrato 2 en
los lugares en que la pasta 11 se halla en contacto íntimo con el
substrato 2, sino que también hay una difusión saliente del dopante
en la atmósfera circundante desde la cual los átomos del dopante
pueden volver a entrar en el substrato 2 indirectamente. La
difusión indirecta forma zonas 15 de segunda difusión en sitios
próximos a las zonas en que se aplica la pasta dopante 11. Como se
indica esquemáticamente en la figura 11, los átomos de dopante
empiezan a difundirse fuera de la pasta 11 en todas direcciones.
Así, el substrato semiconductor 2 subyacente experimenta una
difusión entrante relativamente intensa de átomos de dopante en las
zonas 12 en que la pasta 11 se halla en contacto directo con él en
comparación con otras zonas de la superficie del substrato. El
dopante se difunde desde la atmósfera ambiente hacia el substrato 2
en aquellos lugares en que no se aplicó selectivamente pasta
dopante 11. El dopado indirecto puede producir una segunda capa de
difusión 15 en el substrato 2 con una concentración más baja que la
de las primeras zonas de difusión 12 del substrato 2 situadas
inmediatamente por debajo de los sitios en que se ha aplicado la
pasta 11. La baja concentración de átomos de dopante en la
atmósfera que rodea el substrato 2 durante el paso de alta
temperatura puede conducir a unas segundas zonas 15 de segunda
difusión menos profunda en comparación con las primeras zonas 12 de
difusión. La concentración de átomos de dopante en la atmósfera de
gas circundante puede ser mucho más baja que en la pasta 11 en sí y
por consiguiente el grado de difusión es muy inferior. Esto se
traduce en una zona 12 relativamente dopada en profundidad, en la
que la fuente de dopante 11 está en contacto con el substrato 2 y
en zonas dopadas 15 más débiles y poco profundas en la interfaz
substrato-gas. Las diferencias en las dos zonas de
difusión pueden controlarse selectivamente variando la composición
de la pasta, la atmósfera, el tiempo de difusión o la temperatura
de difusión. Las condiciones pueden optimizarse para producir una
segunda zona 15 de difusión poco profunda, mientras que la primera
zona de difusión 12 debe ser lo bastante profunda para permitir la
formación de buenos contactos óhmicos metálicos 20 en la superficie
frontal sin puentear la unión 8. También es posible realizar la
secuencia de difusión usando una atmósfera dopante gaseosa como,
por ejemplo, POCl3, BBr3, etc. en un horno de tubo cerrado.
Regulando la proporción relativa de la difusión directa desde el
gas dopante gaseoso y la difusión indirecta desde la pasta dopante
11 hacia la segunda zona de difusión 15 resulta posible manipular
los perfiles de la difusión de la primera y la segunda zonas de
difusión 12, 15 selectiva e independientemente. Además, puede
usarse más de una pasta 11 para formar selectivamente, por
tratamiento térmico, diferentes zonas del substrato 2. Las
diferentes pastas 11 pueden tener distintas concentraciones de
átomos de dopante o bien contener diferentes tipos de dopante.
Además, una parte de la pasta 11 puede no contener átomos de
dopante y puede usarse meramente como una máscara para impedir el
dopado indirecto de la capa subyacente del substrato 2.
Cuando el dispositivo semiconductor 1 es una
célula fotovoltaica, las variaciones en la profundidad o la
concentración de dopante de las primeras zonas de difusión
profundas que forman parte de las zonas de emisor o colector pueden
no influir sensiblemente en el rendimiento de la célula, mientras
que las variaciones en las segundas zonas de difusión 15 de poca
profundidad pueden tener un impacto mucho mayor en las
características de la célula. La segunda zona de difusión 15 tiene
normalmente una concentración de dopante superficial mucho más baja
y menos profunda que las zonas profundas 12. Las condiciones de
dopado para la segunda zona de difusión 15 se optimizan
preferentemente para la recogida de portadores. La recogida de
portadores es sensible a la concentración y la profundidad del
dopante. Por otra parte, la difusión en la primera zona de difusión
12, en aquellos lugares en que se ha aplicado la pasta de difusión
y en que se imprimirá más adelante la figura de metalización 18 en
la secuencia del proceso, tiene que ser sólo bastante profunda y
tener una concentración de dopante superficial bastante alta para
que se puedan formar buenos contactos óhmicos 20 con la zona 12 de
emisor o colector sin puentear la unión 8.
De acuerdo con el método de la presente
invención se pueden producir zonas profundas y zonas superficiales
12, 15 diferenciadas en un solo paso de dopado. Las concentraciones
de dopante superficiales pueden estar normalmente, por ejemplo, en
la zona de 10^{20} átomos/cm^{3} de fósforo para las zonas 12
dopadas más profundamente y en la zona de 5 x 10^{18} a
10^{20}, normalmente 1 x 10^{19} a 5 x 10^{19}
átomos/cm^{3} para las regiones 15 dopadas menos profundamente.
Las profundidades de la unión para las zonas 12 dopadas más
profundamente son preferentemente como mínimo de 0,3 micras, más
preferentemente de cómo mínimo 0,5 micras y típicamente de 0,6
micras y para las zonas 15 dopadas a menor profundidad es de hasta
0,3 micras, típicamente 0,2 micras. La figura 12 muestra un
gráfico de la resistencia a la dispersión lateral de una estructura
selectiva de emisor o colector producida para una célula solar de
acuerdo con la presente invención, realizado según el artículo
"Mediciones de resistencia a la dispersión. Una aproximación",
de J.R. Ehrstein, D.C. Gupta y P.H. Lan-ger,
"Tecnología de semiconductores emergentes", ASTM STP 960, Am.
Soc. for Test. and Mat. 1986. Las líneas 11 de pasta de una anchura
de 100 micras estaban espaciadas una distancia de unos 3 mm una de
otra. La estructura selectiva de emisor o colector tiene una baja
resistencia, zonas 12 profundamente y fuertemente difusas donde la
metalización 20 tiene que aplicarse, y zonas 15 poco profundas y de
débil difusión en las que debe aplicarse la metalización 20, y
zonas 15 poco profundas y de escasa difusión en la zona de emisor o
colector en que los fotones son absorbidos y crean portadores. Como
puede observarse en la figura 12, la pasta se ha traducido en zonas
12 de baja resistencia a una distancia corta del tamaño de su
propia anchura. La resistencia disminuye monotónicamente hacia las
zonas 15 de baja profundidad en una distancia de 1 mm
aproximadamente. La relación de resistencias entre las zonas 12 y
15 profundas y poco profundas es superior a 5, y para una célula
solar es de unos 10 o más. Esto se produce por una variación
similar en la concentración de átomos de dopante en aquellas zonas.
En un dispositivo completo, las zonas 12 profundamente difusas y
las zonas 15 poco profundamente difusas se alternarían
periódicamente, mostrando un gradiente de impregnación en las zonas
de transición donde hay más o menos un orden de diferencia de
magnitud en la concentración superficial de átomos de dopante.
Cuanto mayor sea la concentración de dopante, menor será la
resistencia eléctrica. El aumento monotónico en la concentración de
dopante y la disminución asociada en la resistencia eléctrica desde
las zonas 15 débilmente dopadas hacia las zonas 12 profundamente
difusas en las que deben colocarse los contactos metálicos 20 en
una célula solar terminada proporciona unas excelentes propiedades
de recogida de portadores. El creciente gradiente en la
concentración superficial de átomos de dopante hacia las zonas en
que los contactos metálicos serán colocados en la célula solar
terminada facilita el transporte de portadores hacia aquellos
contactos de recogida. Según la presente invención, puede obtenerse
un aumento monotónico de la concentración de átomos de dopante en
la región superficial del substrato 2 entre las zonas 15 poco
profundas y las zonas 12 profundas con por lo menos cinco veces, y
normalmente con un orden de magnitud de más, de diferencia entre la
densidad de dopante en las zonas 15 poco profundas y la densidad de
dopante en las zonas profundas 12. Es posible producir células
solares con la secuencia de tratamiento de esta invención con hasta
>1% se rendimientos absolutos más elevados en comparación con
las células solares producidas por un proceso homogéneo de emisor o
colector sin añadir ningún paso de proceso y a la vez reduciendo
el coste (la fuente de dopante) de la secuencia de difusión.
Tras el paso de difusión, el cristal de difusión
restante sobre la superficie del substrato de silicio puede
eliminarse en una disolución de grabado químico de un 25%-50%
aproximadamente de HF en agua DI, y después se limpia y enjuaga el
substrato 2. La presente invención incluye que el cristal de
difusión sea opcionalmente no eliminado y que el proceso continúe
hasta un paso de oxidación-pasivación. Esto puede
evitar un paso de limpieza con ácido HF, lo cual es una ventaja
desde el punto de vista medioambiental.
Como se indica esquemáticamente en la figura 7,
la secuencia de difusión puede ir seguida de un paso de oxidación
opcional en el que se forma una capa 16a y 16b de SiO2 sobre las
superficies del substrato, exponiendo los substratos a una
atmósfera de O2, normalmente en un tazón de cuarzo, durante 1 a 20
minutos y a temperaturas que van de 800 a 950 grados C. La capa 16a,
16b de SiO2 sirve para pasivar defectos en la zona 15 de
emisor-colector superficial del substrato 2 que
podría reducir el rendimiento de la célula solar. La pasivación,
utilizando una capa de óxido, disminuye la velocidad de
recombinación superficial que reduce la pérdida de portadores,
mejorando con ello el rendimiento. Opcionalmente puede aplicarse no
sólo una capa pasivadora 16a, 16b, tal como un óxido, sino también
una capa 17 de recubrimiento antirreflexión (ARC). La capa ARC 17
puede aplicarse por deposición química al vapor (CVD, por ejemplo,
una capa de TiO2) o por CVD resaltado por plasma (PECVD, por
ejemplo, una capa de nitruro de silicio) o por técnicas similares.
La aplicación de la capa de ARC puede traducirse en una excelente
pasivación de la superficie y de la masa del substrato
semiconductor.
Finalmente, la secuencia de metalización
comprende normalmente dos o tres pasos de impresión por contacto:
contacto frontal 20 y uno o dos figuras traseras 21 de contacto en
función de cuántos metales diferentes se utilicen. Como se indica
esquemáticamente en la figura 8, la pasta de metal 18 se aplica
selectivamente a la cara delantera del substrato 2 en alineación con
las zonas 12 que se han dopado fuertemente. Otra pasta de metal 19
se aplica selectivamente o no selectivamente a la cara posterior
del substrato 2. La manera más preferida de aplicar estos contactos
es la serigrafía y su sucesivo secado; sin embargo, pueden
aplicarse otras técnicas de película gruesa mencionadas
anteriormente o bien, en lugar de éstas, la evaporación o
recubrimiento metálico a partir de una disolución acuosa. Cada paso
de impresión va seguido de un paso de secado a temperaturas
moderadas de alrededor de 250°C, por ejemplo, con calefactores por
rayos infrarrojos. Como se indica en la figura 9, las pastas
metálicas 18, 19 se sinterizan entonces a altas temperaturas que
van de 650 a 900ºC durante normalmente 30 a 200 segundos, para
formar unos buenos contactos óhmicos 20 en la cara frontal del
substrato 2, así como buenos contactos óhmicos 21 en la cara
trasera del substrato 2. Los contactos 20 y 21 se forman mediante
alguna capa 16b, 17 de ARC o de óxido. La temperatura de pico y el
perfil de temperatura (temperatura en función del tiempo) son muy
importantes y deben adaptarse a cada pasta y secuencia de proceso
de metalización separadamente. Normalmente, los contactos de la
cara delantera y de la cara trasera serigrafiados con pastas
metálicas 18, 19 se sinterizan conjuntamente en un paso a alta
temperatura tras haber sido secados por separado. Opcionalmente, se
forma una capa 22 de campo superficial trasero (BSF) al mismo
tiempo en la cara posterior del substrato 2, como se indica
esquemáticamente en la figura 9. Si se emplean una alta temperatura
y una pasta de aluminio para realizar los contactos metálicos 21 de
la superficie trasera, se prefiere formar un BSF 22.
Opcionalmente, como se indica esquemáticamente
en la figura 10, puede aplicarse una capa 23 de revestimiento
antireflexión (ARC) después de la metalización más bien que la capa
17 ARC aplicada antes de la metalización y descrita con referencia
a la figura8. Las capas ARC típicas pueden comprender TiO2, Si3N4,
Ta2O5 o materiales similares y pueden aplicarse por diversas
técnicas. Para la formación de los contactos se pueden emplear
temperaturas de sinterización de contactos metálicos tan elevadas
como 800ºC sin puentear la unión 8. Cuando se emplea el aluminio
para los contactos metálicos, la sinterización a tan elevadas
temperaturas presenta ventajas adicionales, tales como, por
ejemplo, la evaporación de Al y la formación de BSF.
Las técnicas de película gruesa para aplicar
pastas metálicas y/o dopantes, como la serigrafía, presentan una
excelente repetibilidad. Los substratos 2 pueden cargarse cada vez
con la máquina serigrafiadora en la misma posición debajo de la
pantalla por medio de sistema de posicionado controlado por una
cámara CCD. La corrección de la metalización y de las diferentes
figuras se puede controlar si se han aplicado capas 16a, 16b, 17 y
23 de óxido y/o ARC utilizando el diferente color de las primeras
zonas de difusión 12 ligeramente más anchas bajo el microscopia.
Con la deposición de una capa 17, 23 ARC, el substrato 2 muestra un
color diferente en sitios distintos cuando el substrato tiene
mayores concentraciones superficiales de dopante. Ello se debe a
que la capa de óxido 16b subyacente crece más gruesa en los sitios
con mayor concentración superficial de dopante en comparación con
la capa 16aa sobre las zonas 15 de menor nivel de dopado. Mientras
se aplica las capas 17 o 23 de recubrimiento antirreflexivo (ARC),
la figura subyacente será visible. La razón de ello es una mayor
oxidación en sitios de mayor concentración superficial de dopante,
que se traduce en una capa de óxido 16 más gruesa. Tras aplicar una
capa 17 o 23 ARC, esa diferencia en el espesor del óxido se hace
visible como una diferencia en espesor óptico y, por ello, de color
de las capas 16b + 17 o 23 en comparación con 16a + 17 o 23.
Es posible formar con la sencilla secuencia de
proceso según la presente invención células solares
emisor-colector selectivas con un funcionamiento
mejorado (rendimiento de recogida) sin complicar el proceso o
aumentar el coste de producción. El resultado es una producción más
económica de células solares. Cuando ya se utilizaba la difusión
por serigrafía no se precisa un equipo de tratamiento adicional o
complicado. Al mismo tiempo, la tolerancia del proceso puede
aumentarse usando un emisor selectivo. La variación en los
diferentes parámetros del proceso, como, por ejemplo, en el paso
de sinterización de la metalización, es menos crítico que con un
proceso de emisor o colector homogéneo. Esto se traduce en un mayor
rendimiento de producción del proceso, que hace que el proceso sea
más económico.
Las figuras 13 a 16 muestran esquemáticamente
los pasos de fabricación de un dispositivo semiconductor 30 según
otra realización de la presente invención. Como ya se ha descrito
con algún detalle una realización de la presente invención con
referencia a las figuras 5 a 10, la descripción de esta nueva
realización no se efectuará con detalle. La formación de las capas
de pasivación, pasos de limpieza y otros detalles del proceso
diferentes de los pasos de dopado no se describirán. El proceso de
esta nueva realización es adecuado para formar un dispositivo
fotovoltaico.
Como se ve en la figura 13, se aplica
selectivamente una primera figura 31 de pasta dopada a un substrato
semiconductor 2, que puede ser un substrato de silicio y estar no
dopado o bien ser de conductividad tipo p o tipo n. La pasta 31
puede aplicarse por cualquiera de las técnicas de película gruesa
descritas anteriormente. La figura de pasta 31 se deja secar a
continuación. La primera pasta dopante 31 puede tener la primera o
la segunda conductividad. La primera figura de pasta 31 se protege
opcionalmente aplicando una capa de otro material, por ejemplo, otra
pasta 32. La pasta 32 puede tener una diferente concentración o
tipo comparada con la pasta 31 o bien puede estar sin dopar. La
pasta 32 puede aplicarse sobre una superficie principal del
substrato 2. Después, la capa de pasta 32 se deja secar.
Como se ve en la figura 14, opcionalmente se
aplica selectivamente una tercera figura de pasta 33 a una nueva
superficie principal del substrato 2. Después se seca la figura de
pasta. La pasta 33 puede tener la primera o la segunda
conductividad. La figura de pasta 33 y otras partes escogidas de la
superficie del substrato 2 pueden protegerse con la aplicación
selectiva de un material no dopado 34, que puede ser una pasta. La
pasta 34 puede aplicarse por alguna de las técnicas de película
gruesa mencionadas más arriba. Después se seca la pasta 34.
Como se muestra en la figura 15, se puede
aplicar selectivamente otra figura 35 de pasta dopada a una
superficie principal del substrato 2. La pasta 35 puede comprender
un dopante de cualquier tipo de conductividad. La pasta 35 se puede
aplicar mediante cualquiera de las técnicas de película gruesa
mencionadas más arriba. Después se seca la figura de pasta
35.
35.
El substrato 2 configurado se coloca después en
un horno y los dopantes de aquellas pastas que contienen átomos de
dopante, por ejemplo, 31, 33, 35 se introducen en el substrato 2
para formar capas dopadas 37, 39 y 41, respectivamente. Al mismo
tiempo, los átomos de dopante de las pastas no protegidas se
difunden indirectamente en las zonas 42 del substrato que no están
protegidas para formar zonas 42 de poca profundidad y débilmente
dopadas. Finalmente se aplican las pastas metálicas en alineación
en correspondencia con las zonas 37, 39 y opcionalmente 41 y se
sinterizan a alta temperatura para formar los contactos metálicos
36, 38 y opcionalmente 40, respectivamente.
En el proceso de esa nueva realización, el
substrato 2 puede ser el silicio tipo p, las pastas 31, 35 y
opcionalmente 32 pueden ser fósforos que contienen pastas, la pasta
33 puede ser una pasta que contenga boro o aluminio, y la pasta 34
puede estar no dopada. Cuando la capa 32 incluye un dopante, el
paso de introducción a alta temperatura lleva a regiones dopadas 43
entre las zonas fuertemente dopadas 37 sobre la primera superficie
principal del substrato semi-conductor (señalado
con una línea de puntos en la figura 16). Alternativamente, la
pasta protectora 32 de las figuras 13 y 14 puede omitirse,
conduciendo a zonas 43 indirectamente difusas y débilmente dopadas
entre las zonas 37 fuertemente dopadas (indicadas con una línea de
puntos en la figura 16). Como nueva modificación, las capas 32 y
31 pueden omitirse en la figura 14, resultando una capa 43 difusa
indirectamente por toda la primera superficie principal del
substrato semi-conductor (señalado en la figura 16
con una línea de puntos) lo cual conduce a una unión flotante
después del paso de introducción.
El dispositivo producido con un solo paso de
difusión según la nueva realización de la presente invención puede
ser una célula solar que tenga un emisor selectivo en la cara
superior y una unión flotante en la cara posterior. Dicho
dispositivo fotovoltaico puede presentar un mejor rendimiento de
la célula que una célula monofacial con una metalización en la cara
posterior sobre toda la superficie posterior. El dispositivo
producido por el método de la última realización puede usarse
además como célula solar bifacial.
El proceso según la última realización presenta
la ventaja de que pueden construirse células solares que tengan
valores de rendimiento y corrientes de cortocircuito mejorados,
resultando una más ideal estructura emisor-colector
y un más ideal contacto posterior. El contacto posterior según la
última realización no tiene metalización en toda la principal
superficie posterior del substrato 2, resultando una mejor
reflexión de la superficie posterior o en su uso en los diseños de
células bifaciales.
Aunque en lo que antecede se han descrito con
detalle las realizaciones preferidas de esta invención, debe
entenderse que pueden introducirse por parte de los expertos en la
materia muchos cambios y modificaciones sin apartarse del marco de
esta invención tal como se define en las reivindicaciones.
Claims (19)
1. Método para la fabricación de un dispositivo
semiconductor, que comprende un substrato semiconductor (2) en forma
de una oblea, comprendiendo el método los pasos de:
paso 1) aplicar selectivamente una configuración
de una fuente (11) de dopante en base a un sólido a una primera
superficie principal del substrato semiconductor (2);
paso 2) difundir los átomos de dopante de dicha
fuente (11) de dopante en base a un sólido sobre el substrato (2)
por un paso de tratamiento térmico controlado en un ambiente
gaseoso que rodea el substrato semiconductor, difundiéndose
directamente el dopante de la fuente de dopante en el substrato
para formar una primera zona de difusión (12) en el substrato,
inmediatamente debajo de la figura de la fuente (11) de dopante en
base a un sólido y, al mismo tiempo, difundir indirectamente el
dopante de la fuente de dopante en base a un sólido, por medio del
ambiente gaseoso, en el substrato para formar una segunda zona de
difusión (15) en por lo menos algunas zonas del substrato no
cubiertas por dicha configuración, y
paso 3) formar una configuración (20) de
contacto metálico sensiblemente en alineación con y cubriendo la
primera zona de difusión (12) sin haber grabado prácticamente la
segunda zona de difusión.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
el paso 1) de aplicación selectiva comprende depositar
selectivamente una fuente de dopante basada en un sólido.
3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el
que el substrato es del primer tipo de conductividad y el dopante
de la fuente de dopante en base a un sólido es de un segundo tipo
de conductividad.
4. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, que comprende además el paso de aplicar una capa
pasivadora después del paso 2) de difusión y antes del paso 3) de
formación de los contactos metálicos.
5. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, que comprende además el paso de texturizar el
substrato semiconductor antes del paso 1) de aplicación de la
fuente de dopante selectiva.
6. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, que comprende además el paso de aplicar un
recubrimiento antirreflexión.
7. Método según las reivindicaciones 4 ó 6, en
el que el paso 3) de formar una configuración de contacto metálico
comprende formar contactos óhmicos entre la configuración de
contacto metálico y las primeras zonas de difusión sinterizando
mediante el recubrimiento de pasivación y/o de antirreflexión.
8. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, en el que el paso 1) de aplicación de la fuente de
dopante selectiva comprende aplicar uno o más materiales en base a
un sólido a una o más superficies principales del substrato, siendo
cada uno de dichos materiales en base a un sólido una fuente de
dopante adicional del mismo tipo de conductividad que la fuente de
dopante en base a un sólido, o que es una nueva fuente de dopante de
otro tipo de conductividad o es no dopado.
9. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, en el que la segunda zona de difusión es prácticamente
más ancha que la primera zona de difusión.
10. Método según una de las reivindicaciones
precedentes, en el que la relación entre los niveles de dopado en
la primera zona y en la parte central de la segunda zona es por lo
menos 5 y preferentemente 10 o más.
11. Dispositivo semiconductor que comprende:
- -
- un substrato semiconductor (2) en forma de una oblea;
- -
- una primera región dopada (12) y una segunda región opada (15) del mismo tipo de conductividad en una superficie principal del substrato semiconductor, teniendo la primera zona dopada (12) una concentración de dopante superficial superior a la segunda zona dopada (15); y
- -
- una configuración (20) de contacto metálico prácticamente en alineación con y cubriendo la primera zona dopada (12), en la que la concentración de dopante superficial de la segunda zona dopada (15) aumenta monotónicamente con la distancia en una zona de transición dentro de la segunda zona dopada hacia la primera zona dopada (12), facilitando el creciente gradiente en la concentración superficial del dopante el transporte de portadores hacia la configuración (20) de contacto metálico.
12. Dispositivo semiconductor según la
reivindicación 11, en el que el aumento de la concentración de
dopante superficial es sobre una distancia de 1 mm
aproximadamente.
13. Dispositivo semiconductor según las
reivindicaciones 11 ó 12, en el que el substrato es del primer tipo
de conductividad y el dopante de la primera zona dopada es de un
segundo tipo de conductividad.
14. Dispositivo semiconductor según una de las
reivindicaciones 11 a 13, que comprende además un recubrimiento
antirreflexión y/o una capa pasivadora sobre las zonas de dopado
primera y segunda.
15. Dispositivo semiconductor según una de las
reivindicaciones 11 a 14, en el que la superficie del substrato
semiconductor está texturizado.
16. Dispositivo semiconductor según una de las
reivindicaciones 11 a 15, en el que la segunda zona dopada forma
una zona de emisor o colector en el substrato semiconductor.
17. Dispositivo semiconductor según una de las
reivindicaciones 11 a 16, en el que la relación de las
concentraciones de dopante superficial entre la primera zona dopada
y la parte central de la segunda zona dopada es por lo menos cinco
y preferentemente de diez o más.
18. Método según una de las reivindicaciones 11
a 17, en el que la segunda zona dopada tiene una zona central de
concentración de dopante superficial sensiblemente uniforme.
19. Dispositivo semiconductor según una de las
reivindicaciones 11 a 18, en el que la configuración de contacto
metálico forma un contacto óhmico con la primera zona dopada.
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