ES2333284T3 - Metodo para fabricar un dispositivo optoelectrico de pelicula delgada. - Google Patents
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Abstract
Método para fabricar un dispositivo optoelectrónico de película delgada sobre un sustrato contenedor de silicio, conductor, que comprende las etapas de desarrollar una secuencia de capas, que incluyen por lo menos las etapas siguientes: a) formar una capa porosa (2) de silicio sobre dicho sustrato (1) de tal manera que dicha capa porosa de silicio actúe como difusor de luz y como reflector de luz; presentando dicha capa porosa una porosidad en el intervalo comprendido entre 20% y 70% y un grosor en el intervalo comprendido entre 0,1 micra y 1 micra; b) desarrollar, a una temperatura inferior de 750ºC, una capa semiconductora no porosa (3) sobre dicha capa porosa de silicio, comprendiendo dicha capa no porosa por lo menos una primera región y por lo menos una segunda región que se forman en dicha capa no porosa, dicha primera región de un primer tipo de conductividad, dicha segunda región de un segundo tipo de conductividad, diferente de dicho primer tipo de conductividad, y siendo tal dicha secuencia de capas que, en dicho dispositivo, se logra un confinamiento óptico.
Description
Método para fabricar un dispositivo
optoelectrónico de película delgada.
La presente invención se refiere a un
dispositivo optoelectrónico eficaz de película delgada sobre un
sustrato de bajo coste que contiene Si. Resultan particularmente
interesantes los dispositivos optoelectrónicos tales como células
solares y LED's.
Cuando se analiza el progreso de la tecnología
sobre células solares, que son uno de los dispositivos
optoelectrónicos bajo consideración, se puede observar que se ha
aplicado un esfuerzo de investigación importante en el desarrollo
de células solares en capas delgadas basadas en Si cristalino
depositadas sobre sustratos que contienen Si. Existe una sensación
común de que este campo técnico seguirá siendo importante en el
futuro y acarreará una importancia económica de larga duración. No
obstante, las estructuras de células solares de película delgada
sobre un sustrato contenedor de Si padecen una carencia intrínseca
de confinamiento de la luz. Para garantizar una eficacia
suficientemente elevada, se ha de conseguir incrementar el
confinamiento de luz en la película delgada y, al mismo tiempo,
evitar pérdidas por absorción en el sustrato. La solución de este
problema proporciona una oportunidad importante de avances en la
eficacia de células solares basadas en Si cristalino.
Particularmente, captando y confinando la luz incidente en un
volumen de material pequeño, se relajan los requisitos de la
longitud de difusión para una captación eficaz de cargas y se puede
reducir drásticamente el grosor de la capa activa en la célula
solar de silicio.
Se han propuesto varias soluciones para
introducir o mejorar el confinamiento de luz. No obstante, todas
estas diferentes soluciones tienen en común que se reduce la
calidad del material de la película delgada y/o se incrementa la
complejidad del proceso de fabricación. Algunas de estas soluciones
son:
- a)
- ranurar o texturizar el sustrato antes de la deposición de la película delgada (por ejemplo, como en el documento US nº 4.571.448). Esto presenta resultados beneficiosos solamente limitados. Se incrementa la primera pasada de la luz entrante pero no existe retrorreflexión. Por otra parte, esta solución tiene una influencia negativa sobre la complejidad del proceso de fabricación.
- b)
- deposición de la película delgada sobre un sustrato que tiene una capa de óxido intermedia que actúa como reflector trasero. No obstante, el uso de dicho óxido implica una calidad menor del material depositado y es tecnológicamente complicado.
- c)
- se puede realizar un rebaje del sustrato por ataque químico (etch-back) para reducir el grosor del sustrato con el fin de poder usar la cara trasera del sustrato como reflector. Un proceso de rebaje por ataque químico de este tipo conduce a una reducción importante de la estabilidad mecánica, lo cual tampoco es desea- ble.
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Independientemente, en otro campo técnico, se
llevan a cabo investigaciones sobre crecimiento epitaxial sobre Si
poroso. Una observación interesante es que es posible obtener
películas delgadas de alta calidad cuando se deposita Si sobre una
superficie de Si poroso. Esto ha dado como resultado principalmente
el uso de esta técnica para aplicaciones de silicio sobre aislante
(SOI). Para estas aplicaciones, la capa porosa es una capa
desechable ya que dicha capa porosa se retira después, tal como, por
ejemplo, en la patente de Estados Unidos
US-5536361.
Recientemente se ha aplicado el crecimiento
epitaxial sobre Si poroso también en el campo de las células solares
tal como en "A novel process for ultra-thin
monocrystalline silicon solar cells on glass", de R. Brendel,
14th European PV-Conference, Barcelona 1997,
págs. 1354 a 1357. En este caso, se desarrolla una película de Si
sobre Si poroso y la misma se transfiere después sobre otro
sustrato, es decir, un sustrato de vidrio. Tal como en la
aplicación de SOI, la capa de Si poroso desarrollada es una capa
desechable.
Los documentos DE-4319413,
US-A-5696629 y
WO-A-94/29757 dan a conocer un
componente óptico que incluye una pila multicapa de capas de
silicio poroso desarrolladas sobre un sustrato de silicio. La pila
multicapa se hace servir como detector, filtro interferencial o
reflector.
El documento JP-02031204 da a
conocer un método para realizar una batería solar de semiconductores
del grupo III-V sobre un sustrato de silicio. Para
lograr una mayor eficacia de conversión fotoeléctrica de esta
batería solar, se hace que la superficie o el sustrato de silicio
sea poroso antes del crecimiento del semiconductor del grupo
III-V. Se logra la mayor eficacia de conversión
fotoeléctrica haciendo que en el semiconductor del grupo
III-V haya una transposición y una tensión residual
menores y menos defectos reticulares.
\vskip1.000000\baselineskip
Un objetivo de la invención consiste en lograr
un confinamiento de la luz en un dispositivo optoelectrónico de
película delgada cristalina que se forma sobre un sustrato
contenedor de Si con el fin de incrementar la eficacia de este
dispositivo. Son materiales típicos de la película delgada el Si, el
Ge, el SiGe y otros materiales de compuestos
III-V.
Otro objetivo de la invención consiste en lograr
este confinamiento de la luz sin un deterioro sustancial de la
calidad del material de la película delgada y sin incrementar
sustancialmente la complejidad del proceso.
La presente invención se refiere a un método
para fabricar un dispositivo optoelectrónico de película delgada
según la reivindicación 1.
En un aspecto de la invención, se da a conocer
un dispositivo optoelectrónico de película delgada sobre un
sustrato contenedor de Si. Particularmente, esta película delgada es
una capa de semiconductor cristalino. La película delgada puede
ser, por ejemplo, monocristalina o policristalina. Para incrementar
la eficacia de este dispositivo, se aplica una capa porosa entre la
película delgada y el sustrato. Esta capa porosa, preferentemente
silicio, presenta propiedades tanto de reflexión de la luz como de
difusión de la luz, dando origen de este modo a un confinamiento de
la luz en la película delgada. Además de las ventajas ópticas, la
capa porosa también puede actuar como capa barrera, lo cual evita la
difusión de impurezas desde un sustrato hacia la capa de
semiconductor depositada. Esto resulta ventajoso especialmente en el
caso de sustratos de bajo coste y, por lo tanto, impuros. Esta
actividad de capa barrera es debida a la extracción
(gettering) de impurezas en la gran superficie porosa
interna, aunque puede ser un resultado también de otros
fenómenos.
Particularmente, se da a conocer un dispositivo
optoelectrónico de película delgada sobre un sustrato contenedor de
silicio, conductor, que comprende:
- -
- una capa porosa de silicio sobre dicho sustrato, presentando dicha capa porosa de silicio propiedades tanto de difusión de la luz como de reflexión de la luz;
- -
- una capa no porosa sobre dicha capa porosa de silicio; y
- -
- por lo menos una primera región y por lo menos una segunda región en dicha capa no porosa, actuando preferentemente dicha primera región de un primer tipo de conductividad como absorbente de luz, presentando dicha segunda región una conductividad de un segundo tipo, diferente a dicho primer tipo de conductividad, para el contacto con dicho dispositivo optoelectrónico de película delgada.
\vskip1.000000\baselineskip
Preferentemente, dicha capa no porosa es una
capa de semiconductor no poroso.
Según una forma de realización preferida, dicho
semiconductor no poroso puede ser una capa cristalina.
De acuerdo con una segunda forma de realización,
dicha capa de semiconductor no poroso puede ser una capa
elemental.
Según una tercera forma de realización, dicha
capa de semiconductor no poroso se puede realizar con un elemento
del grupo IV.
Preferentemente, dicho dispositivo comprende por
lo menos tres regiones:
- -
- una primera región de un primer tipo de conductividad y que tiene un nivel de dopaje,
- -
- una segunda región de un segundo tipo de conductividad dentro de dicha región, y
- -
- una tercera región de dicho primer tipo de conductividad y que es de un nivel de dopaje mayor que el nivel de dopaje de dicha primera región, no estando en apoyo dicha tercera región con dicha segunda región.
\vskip1.000000\baselineskip
Preferentemente, dicha capa porosa tiene una
porosidad que varía gradualmente desde un lugar, preferentemente la
parte inferior de la capa, a otro lugar, preferentemente la parte
superior de la capa. Dicha capa porosa puede contener también una
pluralidad de capas porosas con una porosidad diferente.
Según un ejemplo no reivindicado, dicho
dispositivo puede tener además una segunda capa de un medio poroso
en/o sobre dicha capa no porosa.
Dicha segunda capa puede ser una capa porosa de
silicio o una capa dieléctrica porosa.
Dicha capa dieléctrica porosa puede ser una capa
de nitruro de silicio.
La presente invención se refiere también al uso
de una secuencia de capas según se ha descrito anteriormente en la
presente memoria para realizar un dispositivo optoelectrónico de
película delgada sobre un sustrato contenedor de silicio,
conductor, en el que se logra un confinamiento óptico.
La capa porosa de Si tiene un grosor en el
intervalo comprendido entre 0,1 \mum y 1 \mum. La
porosidad tiene un valor típicamente de entre 20% y 70%. Esta
porosidad se puede precisar dependiendo de si el rendimiento
deseado es la eficacia global del dispositivo. Un incremento de
porosidad produce un mejor confinamiento de luz que es beneficioso
para la eficacia aunque una reducción de la calidad del material de
la capa de semiconductor lo cual es perjudicial para la eficacia.
Además, en la porosidad pueden influir los tratamientos térmicos
subsiguientes, por ejemplo, durante la formación de la capa de
semiconductor. Particularmente, si se aplican temperaturas por
encima de aproximadamente 750ºC, en la capa porosa de silicio se
pueden producir volatilización y engrosamiento. Son ejemplos de
capas de semiconductor, capas de silicio, Ge, SiGe u otros
materiales de compuestos III-V.
En un ejemplo no reivindicado de la invención,
la capa porosa de silicio comprende partes porosas de silicio y
partes conductoras en columnas, formando dichas partes conductoras
en columnas conexiones conductoras entre el sustrato y la capa
semiconductora. Particularmente, estas partes conductoras en
columnas forman conexiones conductoras entre el sustrato y la
primera región de la capa semiconductora; presentando dicho sustrato
el mismo tipo de conductividad que dicha primera región, que es o
bien del tipo n ó bien del tipo p, y estando provisto de un
contacto dicho sustrato. El sustrato es preferentemente un sustrato
de silicio altamente dopado. Las partes en columnas también pueden
resultar ventajosas para lograr una mejor cristalinidad de la capa
semiconductora proporcionando núcleos de crecimiento
cristalino.
En la reivindicación 1 se da a conocer un método
para fabricar un dispositivo optoelectrónico de película delgada
sobre un sustrato contenedor de silicio, conductor.
La calidad de la capa no porosa desarrollada
depende tanto de la porosidad de la capa porosa inicial como de la
temperatura de crecimiento. Particularmente, si se aplican
temperaturas por encima de aproximadamente 750ºC, en la capa porosa
de silicio se pueden producir volatilización y engrosamiento.
La porosidad de la capa porosa inicial está en
el intervalo comprendido entre 20% y 70%, mientras que la
temperatura durante la etapa subsiguiente de crecimiento está
preferentemente por debajo de aproximadamente 750ºC. La capa porosa
de silicio se puede formar exponiendo el sustrato a un tratamiento
electroquímico o un tratamiento químico o una electroerosión.
En un ejemplo no reivindicado, la capa porosa de
Si se forma mediante un tratamiento electroquímico, particularmente,
mediante anodizado electroquímico, por ejemplo, en un electrolito
basado en HF. El grosor obtenido de la capa porosa de silicio
depende del tiempo de anodizado y, típicamente, está en el intervalo
de entre 0,1 \mum y 1 \mum. El sustrato es
preferentemente un sustrato de Si altamente dopado que tiene una
conductividad o bien del tipo n o bien del tipo p. La capa porosa
de silicio formada puede comprender partes porosas de silicio y
partes conductoras en columnas, formando dichas partes conductoras
en columnas conexiones conductoras entre el sustrato y la primera
región de la capa porosa; presentando dicho sustrato y dicha primera
región el mismo tipo de conductividad.
En un ejemplo no reivindicado, antes de la
formación de la capa porosa de silicio, se forma sobre el sustrato
una capa de máscara con patrón incorporado para definir de este modo
por lo menos una primera área y por lo menos una segunda área en el
sustrato, estando descubierta dicha primera área, estando cubierta
con dicha capa de máscara dicha segunda área; a continuación, se
forma dicha capa porosa de silicio sobre dicha primera área, y
dicha capa de máscara se retira de dicha segunda área; a
continuación, se desarrolla una capa no porosa sobre dicha segunda
área y sobre dicha capa porosa de silicio, creando de este modo
dichas partes conductoras en columnas.
En un ejemplo no reivindicado, se da a conocer
un método en el que la capa no porosa es una capa de Si ó de Ge ó
SiGe ó de un compuesto III-V, que se desarrolla por
medio de una deposición química de vapor o una deposición física de
vapor o una epitaxia por haces moleculares.
En otra forma de realización de la invención, se
da a conocer un método en el que el sustrato no se usa para el
contacto con el dispositivo. Particularmente, el sustrato puede
presentar un dopaje bajo o no estar dopado y/o estar aislado con
respecto a la capa semiconductora. En cambio, según este método, se
forma por lo menos una tercera región en dicha primera región para
contactar con dicha primera región, estando aislada dicha tercera
región con respecto a dicha segunda región y presentando el mismo
tipo de conductividad que dicha primera región.
La Figura 1 representa una estructura multicapa
de Si/Si poroso/Si según una forma de realización de la invención.
La estructura comprende un sustrato (1) de Si, una capa
semiconductora (3) de Si y una capa porosa (2) de Si entre el
sustrato y la capa semiconductora. En la Fig. 1 a) la capa porosa
presenta solamente propiedades de reflexión de la luz, mientras que
en la Fig. 1 b) la capa porosa presenta propiedades tanto de
reflexión de la luz como de difusión de la luz.
La Figura 2 representa datos simulados de la
reflectancia con respecto a la longitud de onda. Estos datos de
simulación se obtienen a partir de una simulación especular en la
que la capa porosa de silicio actúa solamente como reflector y no
como difusor. Se observa un claro patrón (4) de interferencia y una
reflectancia total para la estructura multicapa (como en la Fig. 1
a)) que es mayor que la reflectancia de un sustrato puro (5) de Si
(sin capa porosa de Si), tal como se indica mediante la parte más
grande de la curva de reflectancia situada sobre la curva de
reflectancia del Si (área rayada). (6).
La Figura 3 representa, según una forma de
realización de la invención, datos medidos de la reflectancia con
respecto a la longitud de onda. Se representan los datos (7) de
mediciones de la estructura multicapa según se representa en la
fig.1 así como la curva (8) de reflectancia del Si.
La Figura 4 representa, según una forma de
realización de la invención, datos de mediciones de la reflectancia
de la capa porosa de silicio para diferentes tratamientos
térmicos.
La Figura 5 representa imágenes de XTEM de una
estructura multicapa de Si-Si
poroso-Si en la que la deposición de la capa
semiconductora de Si por encima de la capa porosa de Si se realizó
usando una CVD a diversas temperaturas y a valores diferentes de la
porosidad.
En la fig. 5a) la deposición se realiza a 725ºC
con una porosidad inicial de 20%.
En la fig. 5b) la deposición se realiza a 725ºC
con una porosidad inicial de 60%.
En la fig. 5c) la deposición se realiza a 800ºC
con una porosidad inicial de 60%.
La Figura 6 presenta, según una forma de
realización de la invención, una tabla de algunas velocidades de
deposición de Si (usando DCS como fuente) sobre PS y sobre Si
La Figura 7 representa una sección transversal
de una célula solar, según una forma de realización de la
invención.
La Figura 8 representa datos medidos del IQE
tanto de la célula solar representada en la figura 7 como según una
forma de realización de la invención, es decir, la célula realizada
de silicio epitaxial sobre poroso (19) así como datos de mediciones
de una célula solar similar (20) de epitaxial sobre Si (sin capa
porosa).
La Figura 9 es una representación esquemática de
la presencia de un difusor de superficie frontal según una forma de
realización preferida de la presente invención.
La Figura 10 muestra un análisis IQE que revela
un aumento de la respuesta de un dispositivo según una forma de
realización preferida de la presente invención cuando hay presente
una capa de superficie de nitruro porosa.
A continuación se describe detalladamente la
presente invención en relación con los dibujos adjuntos. No
obstante, es evidente que un experto en la materia puede idear
otras diversas formas de realización equivalentes u otras maneras
de poner en práctica la presente invención, quedando limitados el
espíritu y el alcance de la presente invención únicamente por los
términos de las reivindicaciones adjuntas.
Según una forma de realización de la invención,
se incorpora una capa porosa de silicio en un dispositivo
optoelectrónico de película delgada, dando origen de este modo a un
confinamiento de la luz en la película delgada. Para lograr un
mayor impacto sobre la eficacia de este dispositivo optoelectrónico,
esta capa porosa de silicio ha de presentar propiedades tanto de
reflexión de la luz como de difusión de la luz. Además de las
ventajas ópticas, la capa porosa también puede actuar como capa
barrera, que evita la difusión de impurezas desde un sustrato hacia
la capa semiconductora depositada. Esto resulta ventajoso
especialmente en el caso de sustratos de bajo coste y, por lo
tanto, impuros. Esta actividad de capa barrera es debida a la
extracción de impurezas en la gran superficie porosa interna,
aunque puede ser un resultado también de otros fenómenos.
La función de extracción de esta capa porosa es
más eficaz en el caso de que la capa porosa se realice en forma de
una capa sin interrupciones. En tal caso, una forma de realización
ventajosa de la presente invención incluye un dispositivo
optoelectrónico sobre un sustrato contenedor de silicio, conductor,
incluyendo dicho dispositivo una secuencia de capas, comprendiendo
dichas capas por lo menos:
- -
-
\vtcortauna
- -
-
\vtcortauna
- -
-
\vtcortauna
\newpage
- -
-
\vtcortauna
- -
-
\vtcortauna
\vskip1.000000\baselineskip
Dicho dispositivo, en una forma de realización
ilustrativa, se puede realizar de la manera siguiente. Se realiza
una capa porosa continua sobre un sustrato de silicio según una de
las técnicas descritas posteriormente en la presente memoria. Una
capa de silicio cristalino se deposita o se desarrolla
epitaxialmente sobre la capa porosa de silicio. Este semiconductor
cristalino se puede dopar a un nivel del orden de
5X10^{16}/cm^{3} dopantes de tipo p (boro) o de tipo n
(fósforo) mediante una técnica de difusión. Este es un nivel de
dopaje medio que también se puede lograr mientras se deposita o
desarrolla la capa de silicio cristalino sobre la capa porosa de
silicio. Este nivel medio de dopaje proporciona una primera región
de un primer tipo de conductividad en la capa de silicio
cristalino. Se fabrican regiones altamente dopadas (nivel de dopaje
del orden de entre 10^{18} y 10^{19}/cm^{3} ó mayor) mediante
difusión en esta primera región.
De esta manera se realizan una segunda región
del tipo de conductividad opuesto al de la primera región y una
tercera región del mismo tipo de conductividad que la primera
región. Con la ayuda de técnicas de litografía óptica, se logra que
la segunda y la tercera regiones estén separadas entre sí. La
segunda y la tercera regiones quedan envueltas dentro de dicha
primera región.
Para evaluar las propiedades ópticas de la capa
porosa de silicio, como ejemplo, se realiza una comparación entre
características de reflectancia simuladas y medidas de una
estructura multicapa típica (fig. 1) que comprende un sustrato (1)
de Si, una capa semiconductora (3) de Si y una capa porosa (2) de Si
entre el sustrato y la capa semiconductora. Si la capa porosa
dispersa la luz reflejada (fig. 1b)), es decir, actúa al mismo
tiempo como reflector de luz y como difusor de luz, una gran parte
de la luz vuelve a la superficie de la capa semiconductora fuera
del cono de escape y, por lo tanto, permanece dentro de la capa
semiconductora de Si, dando origen a una menor reflectancia total
en comparación con una simulación especular (fig. 1a)) en la que la
capa porosa de silicio actúa solamente como reflector de luz y da
origen principalmente a un acoplamiento hacia fuera de la luz
reflejada en la superficie frontal. En la fig. 2 se muestran datos
de simulaciones, usando el grosor de la capa según se obtiene a
partir de una XTEM. Estos datos de simulaciones se obtienen a
partir de una simulación especular en la que la capa porosa de
silicio solamente actúa como reflector y no como difusor. Se
observa un claro patrón (4) de interferencia y una reflectancia
total para la estructura multicapa que es mayor que la reflectancia
de un sustrato puro (5) de Si (sin capa porosa de Si), tal como se
indica mediante la parte más grande de la curva de reflectancia
situada sobre la curva de reflectancia del Si (área rayada)
(6).
Estos datos simulados se deben comparar con
curvas medidas según se representa en la fig. 3. En el caso medido,
se observa también una interferencia, lo cual indica que la capa
porosa sigue presente (fig. 3) y afecta a la característica de la
reflectancia. No obstante, la situación real (7) difiere con
respecto a la simulada en relación con la reflectancia total que es
menor en comparación con el caso simulado ya que el área de la
reflectancia total por encima y por debajo de la curva de
reflectancia del Si es comparable. En otras palabras, la luz queda
confinada en la capa semiconductora y, por lo tanto, es evidente que
la capa porosa de Si también actúa como difusor de luz. La
reflectancia total ("promedio") medida se aproxima a la
reflectancia (8) del Si que es el límite inferior correspondiente a
la situación en la que se mide únicamente la luz de la primera
reflexión aire-Si.
A continuación en la presente memoria se explica
la metodología usada para las simulaciones especulares que explican
el confinamiento óptico de la invención.
La Fig. 2 representa la reflectancia simulada de
forma especular de una superficie de Si y de una estructura de Si
epitaxial sobre poroso, considerando una porosidad remanente de 60%.
Tal como se ha mencionado anteriormente en la presente memoria, en
la Fig. 3 se muestra la reflectancia medida de la estructura de Si
epitaxial sobre poroso. La reflectancia especular de las
estructuras de las diferentes capas se calcula a partir de las
ecuaciones generales de Fresnel que son bien conocidas por los
expertos en la materia (E.D. Palik, "Handbook of optical
constants of solids", libro publicado por la Academic
Press, págs. 18 a 34 (1985)). Los cálculos de la reflectancia
especular se realizan usando el software "Multilayer_Pro"
desarrollado por IMEC, que se basa en estas ecuaciones de Fresnel.
Los cálculos no tienen en cuenta la absorción o la dispersión del
índice de refracción con respecto a la longitud de onda en relación
con la capa porosa de silicio.
La reflectancia promedio de 400 a 1.200 nm para
la estructura de silicio epitaxial sobre poroso es mayor que la
reflectancia del Si (32,0%) en los casos tanto simulado (40,7%) como
medido (32,6%). Esto se explica por la reflexión de la luz en la
capa porosa enterrada, que da como resultado un componente de
reflectancia adicional. La reflectancia promedio es la más alta
cuando se simula una capa porosa intermedia del 60% de porosidad
(40,7% de reflectancia), ya que la capacidad de reflexión aumenta
cuando el medio intermedio difiere ópticamente con respecto al Si
más fuertemente.
La reflectancia medida (Fig. 3) presenta una
amplitud fuertemente reducida de las oscilaciones de interferencia
en comparación con el comportamiento de la reflectancia simulado. En
la región de las longitudes de onda cortas, la amplitud se podría
reducir parcialmente debido a la absorción de la luz que se produce
dentro de la capa porosa enterrada, que no se tiene en cuenta en
las simulaciones, aunque la reducción de la amplitud está presente
durante toda la banda de longitudes de onda. La amplitud reducida y
el hecho de que la reflectancia promedio sea menor en comparación
con la simulación especular se pueden interpretar como originados a
partir de una reflectancia difusa de la luz en la capa porosa
intermedia, lo cual daría como resultado un atrapamiento de la luz.
No obstante, la amplitud reducida de las oscilaciones en la
reflectancia medida podría sugerir también que, durante el
crecimiento epitaxial, la porosidad disminuye, lo cual hace que se
reduzca la diferencia óptica entre el Si y la capa porosa
enterrada. Se puede realizar una aproximación más fiel de la
reflectancia medida en el caso de una capa epitaxial sobre una capa
porosa con una porosidad inicial del 60% cuando se simula la
estructura con una porosidad remanente del 20% solamente. Por lo
tanto, la reducción de la amplitud de las oscilaciones de
interferencia puede estar en correlación con el efecto de llenado de
poros para el cual existe también una evidencia independiente a
partir del análisis de Retrodispersión Rutherford. En el caso de
una porosidad reducida de solamente el 20% después del crecimiento
epitaxial, a partir del modelo de los medios aleatorios se calcula
una reflectancia difusa de aproximadamente 10% en la cara porosa del
silicio (a una longitud de onda de 800 nm). Un modelo de medios
aleatorios para la propagación de la luz en Si poroso se basa en la
teoría de la propagación de ondas en medios aleatorios y se aplica
para describir los componentes independientes de reflectancia
especular y difusa de estructuras que constan de una película
delgada de Si por encima de Si poroso.
En otra forma de realización de la invención,
como ejemplo, se considera un dispositivo optoelectrónico en
particular, es decir, una célula solar (fig. 7), y el flujo
detallado del proceso para detallar ese dispositivo optoelectrónico
según el método de la presente invención. El material de partida es
un sustrato (13) que contiene Si. Según este ejemplo, se selecciona
una oblea de silicio de seis pulgadas de conductividad tipo p
altamente dopada, con una capa de Si epitaxial de 10 \mum por
encima. Esta capa epitaxial tiene también una conductividad de tipo
p en un nivel 8x10^{18}/cm^{3}.
Además, según el ejemplo, antes de la formación
de una capa porosa de silicio, se forma una capa de máscara con un
patrón incorporado en el sustrato, es decir, en la capa epitaxial,
para definir de este modo por lo menos una primera área y por lo
menos una segunda área en el sustrato. Esta primera área está
descubierta, mientras que la segunda área está cubierta con la capa
de máscara. Particularmente, como capa de máscara se usa una capa
de nitruro. De hecho, en primer lugar las obleas de seis pulgadas se
cortaron en dados ya que, para este experimento en particular, el
área máxima estaba limitada debido a los requisitos de tamaño para
la formación del Si poroso. Particularmente, se crean cuadrados con
un área de 5 cm por 5 cm. Se realiza el procesado adicional sobre
estos cuadrados. Se deposita una capa de nitruro que tiene un grosor
de 500 nm. Para dotar de un patrón a esta capa de nitruro, en
primer lugar sobre la capa de nitruro se deposita una capa
protectora. Esta capa protectora está dotada de un patrón por una
secuencia de por lo menos una etapa litográfica y de revelado. A
continuación las áreas descubiertas de la capa de nitruro se
eliminan por medio de una etapa de HF tamponado durante 11 minutos.
Después de esto, se elimina el resto de la capa protectora usando
una etapa de enjuague basada en acetona/IPA.
En la siguiente etapa del ejemplo, sobre las
áreas descubiertas se forma una capa porosa (14) de Si. Una pequeña
parte del sustrato, es decir, las áreas cubiertas que son
aproximadamente el 4%, del sustrato no se convierte en Si poroso
para proporcionar conexiones conductoras que permiten el uso de una
estructura de célula con un contacto posterior. Esto se puede
realizar, por ejemplo, mediante un tratamiento electroquímico o un
tratamiento químico o electroerosión. Particularmente, la capa
porosa se forma mediante anodizado electroquímico en un electrolito
basado en HF. El tiempo de anodizado se ajusta para obtener un
grosor de capa de aproximadamente 350 nm. De hecho, se aplica un
anodizado de 15 segundos en un electrolito que comprende HF (50%),
H_{2}O y etanol en una relación de 1:1:2. Finalmente, el nitruro
se elimina de las segundas áreas.
Si se usa un anodizado electroquímico y/o si se
desea realizar el contacto con el dispositivo optoelectrónico a
través del sustrato, se usan preferentemente sustratos de Si
altamente dopados, como aparecen, ilustrativamente, en el ejemplo.
En primer lugar, si se usa un sustrato altamente dopado, entonces no
se requiere ningún contacto metálico trasero para el anodizado. La
presencia de metal puede ser incompatible con el proceso
subsiguiente de crecimiento de la capa semiconductora,
especialmente en el caso de que este crecimiento se realice usando
una técnica de deposición química de vapor (CVD). En segundo lugar,
la formación de una capa porosa Si sobre un material altamente
dopado da como resultado Si mesoporoso, que es el tipo preferido de
material poroso para el crecimiento por CVD subsiguiente a la vista
de la calidad epitaxial de la capa semiconductora desarrollada.
Además, según el ejemplo, se desarrolla una capa
semiconductora (15) sobre dicha segunda área y sobre dicha capa
porosa de silicio, creando de este modo partes conductoras (16) en
columnas en la capa porosa de Si entre la capa semiconductora
desarrollada y el sustrato. Particularmente, en primer lugar la
superficie de la capa porosa de Si se trata previamente mediante
una exposición a una solución basada en HF al 2% durante 15 segundos
seguida por un breve enjuague en agua diluida. A continuación,
sobre la capa porosa de Si se desarrolla una capa semiconductora
cristalina, es decir, una capa de Si, en una herramienta
Epsilon-One, que es un reactor epitaxial disponible
comercialmente de deposición química de vapor (CVD) de una sola
oblea, fabricado por ASM Epitaxy. El mismo consta de una cámara de
cuarzo calentada por lámpara, horizontal, con un susceptor de
grafito recubierto con SiC. Unas esclusas de carga y gases muy
limpios permiten desarrollar material monocristalino y
policristalino epitaxial de alta calidad en una amplia gama de
temperaturas. El reactor se hace funcionar a una presión reducida
(RP), típicamente 40 torr. Como gas fuente de Si se usa
SiH_{2}Cl_{2} (DCS), que se diluye en un flujo de H_{2} como
gas portador.
La temperatura según el ejemplo es 800ºC. El
tiempo entre la formación del Si poroso y la carga en el sistema de
CVD se mantiene lo más breve posible para evitar el envejecimiento.
El proceso de crecimiento es un proceso de una sola etapa. En la
primera fase del proceso de crecimiento, se forma la primera región.
Esta primera región, que es la región absorbente, tiene una
conductividad de tipo p y comprende una primera y una segunda
subcapas. La primera subcapa tiene un grosor de 0,5 \mum y un
nivel de disparidad de 3x10^{19}/cm^{3} y se introduce
meramente para actuar como campo superficial anterior eléctrico. La
absorción tiene lugar principalmente en la segunda subcapa que
tiene un grosor de 2 \mum y un nivel de impurezas de 1 x
10^{16}/cm^{3}. En la segunda fase del proceso de crecimiento,
se introduce la segunda región con una conductividad de tipo n para
el contacto con la célula solar. Esta segunda región tiene un grosor
de 0,3 \mum y un nivel de impurezas de 3x10^{19}/cm^{3}.
Se ejecuta una serie de ciclos de calentamiento
(fig. 4) para evaluar los efectos del tratamiento térmico, durante
el crecimiento de la capa semiconductora, sobre las propiedades de
la capa porosa Si formada. La reflectancia del Si poroso (9), que
depende fuertemente de las características estructurales de la capa
porosa Si, permanece prácticamente inalterada después de un
recocido térmico en un entorno de H_{2} hasta 725ºC
(10). No obstante, a temperaturas superiores, se produce un
engrosamiento de la capa porosa y la capa porosa se volatiliza en
el ambiente fuertemente reductor. Como consecuencia, el patrón de
interferencia típico en la reflectancia desaparece y la
reflectancia (11) se reduce uniformemente en comparación con la
reflectancia del Si (12) debido a la superficie dotada de
rugosidad. El engrosamiento y la volatilización de la capa porosa
durante un tratamiento térmico son dos fenómenos distintos. En este
caso, una cuestión importante es si la capa porosa está en contacto
directo con el ambiente de H_{2}. Un experimento en el que una
capa porosa se somete a un tratamiento térmico, una deposición, o
una deposición y un tratamiento térmico combinados, revela que el
engrosamiento está presente en todos los casos pero que la
volatilización únicamente se produce durante el calentamiento ya
que en los otros dos casos la capa porosa está cubierta por una
etapa protectora de Si. Además, pruebas de calentamiento sobre
capas porosas en un ambiente de argón no revelan ningún cambio de
la reflectancia hasta 1.000ºC, lo cual apunta también al papel
perjudicial del H_{2} sobre la porosidad durante el recocido
especialmente a temperaturas elevadas. Por lo tanto, se evita
preferentemente el uso de H_{2} como gas portador o, en el caso
de que el H_{2} esté en el ambiente, se recomiendan temperaturas
por debajo de 750ºC.
Se obtiene silicio cristalino cuando se aplica
CVD térmica sobre una capa de superficie porosa. No obstante, la
calidad epitaxial depende tanto de la porosidad de la capa porosa de
Si inicial como de la temperatura de deposición (fig. 5). Cuando se
realiza la deposición a 725ºC, un incremento de la porosidad inicial
desde el 20% (Fig. 5a)) hasta el 60% (Fig. 5b)) hace que aumente el
número de defectos cristalográficos. La densidad de los defectos
aumenta adicionalmente cuando aumenta la temperatura de deposición.
Un incremento de la temperatura de deposición hasta 800ºC, por
ejemplo, para la capa con una porosidad inicial del 60%, da como
resultado Si con un nivel elevado de defectos (fig. 5c)). Un
análisis adicional (fig. 6) del grosor depositado de la capa Si
(usando XTEM) revela que las velocidades de deposición por CVD sobre
Si poroso (PS) son comparables a los valores obtenidos sobre Si. Se
esperaba que esto fuera así ya que la reflectancia de una estructura
de Si sobre Si poroso evoluciona rápidamente hacia la reflectancia
del Si. Por lo tanto, no se produce ninguna absorción adicional de
luz (lo cual podría incrementar la temperatura del material).
Además, los valores para la conductividad térmica del Si poroso de
los que se ha informado en la bibliografía, por ejemplo, en "Heat
transfer in porous silicon", de V. Lysenko et al., 1st
Porous Semiconductors-Science & Technology
Conference, Mallorca, págs. 105 a 106 (Meeting
Abstracts) (1998), para Si mesoporoso, es decir, \sim
80-100 W/mK, son próximos al valor del que se ha
informado para el Si 148 W/mK. Por lo tanto, cualquier
diferencia de temperatura dentro del dispositivo optoelectrónico
será equilibrada rápidamente. Según el ejemplo, una temperatura de
800ºC se combina con un ambiente que comprende H_{2},
la capa porosa sigue quedando intacta aunque la capa semiconductora
de Si desarrollada presenta un nivel fuerte de defectos lo cual
influye negativamente en el rendimiento de la célula.
Además, según el ejemplo (fig. 7), después del
crecimiento de la capa semiconductora de Si que comprende múltiples
subcapas, se forma un contacto metálico de Al (17) en la cara
posterior del sustrato mediante evaporación. Se aplica un esquema
de pasivación en volumen y superficial de baja temperatura que
consiste en una hidrogenación por plasma para la pasivación en
volumen y una deposición de nitruro por plasma remoto para la
pasivación superficial. Se prosigue con una etapa de sinterización
y la formación de un patrón metálico multicapa (18), es decir, 80
nm de Ti, 50 nm de Pd - y 5 \mum de Ag, sobre la cara frontal del
sustrato.
Se presentan algunas de las características de
la célula solar formada en el ejemplo. Con fines comparativos, se
forma también una célula solar similar sobre un sustrato de Si
monocristalino (sin capa porosa de Si). No obstante, no es posible
ninguna comparación fundamental en el nivel del rendimiento de la
célula debido a que las condiciones de la CVD aplicada en el
ejemplo producen Si con un nivel fuerte de defectos en el caso del
silicio poroso. (La temperatura era demasiado elevada o se tuvo que
prescindir del hidrógeno). La Figura 8 muestra el IQE de las
células solares obtenidas de silicio epitaxial sobre poroso (19) y
epitaxial sobre Si (20). La baja respuesta de conjunto para la
célula epitaxial sobre PS (19) es debida a una baja longitud de
difusión en volumen que es una consecuencia de la elevada densidad
de defectos tal como se indica claramente mediante un análisis de
corriente de oscuridad. Además, simulaciones de la célula epitaxial
sobre Si coinciden con las mediciones, mientras que existe un
desajuste de aproximadamente 22% en la corriente de cortocircuito
entre las mediciones y las simulaciones de la célula epitaxial sobre
Si poroso. Este desajuste se atribuye a un aumento de la absorción
óptica debido al confinamiento de la luz dentro de la película
delgada de Si por encima de la capa porosa. Esto es una indicación
clara de que la capa porosa de Si actúa, al mismo tiempo, como
reflector y como difusor. La mejora de la calidad del Si
desarrollado epitaxialmente conducirá definitivamente a una
estructura de célula con un mejor rendimiento. Se pueden usar
también temperaturas de deposición menores y mayores. Las
temperaturas pueden estar comprendidas entre 400ºC y
1.200ºC. A temperaturas menores (400/450 a 800ºC) se hace uso de
métodos de deposición asistida por plasma con un intervalo óptimo
de temperaturas de entre 600 y 800ºC, y preferentemente entre 700 y
750ºC. A las temperaturas superiores (entre 800 y 1.200ºC) se hace
uso de métodos de deposición por CVD térmica dentro de un intervalo
óptimo de temperaturas de entre 1.000 y 1.100ºC.
También se pueden materializar otras formas de
realización de la invención. En algún lugar de la capa no porosa
(3) o por encima de la capa no porosa (3) sobre dicha capa porosa
(2) de silicio, se puede aplicar una capa (102) del mismo medio
poroso o de otro, preferentemente, un medio dieléctrico. Esta última
capa aleatoriza o difunde la luz entrante. Como consecuencia, la
luz entra en la capa semiconductora activa (3) de una manera
difusa. Esto es beneficioso desde el punto de vista de una longitud
potenciada del camino óptico durante la primera pasada a través de
la capa semiconductora (3). Adicionalmente, la reflectancia en la
capa porosa sobre el sustrato aumenta cuando la luz llega de una
manera oblicua.
Esta capa superior de medio poroso puede constar
de una capa de nitruro que se obtenga mediante deposición
potenciada por plasma a baja temperatura (por ejemplo, entre 150 y
350ºC). También puede ser el resultado de un ataque químico poroso
de la superficie superior de la capa semiconductora activa. La capa
de medio poroso también puede estar presente en la capa
semiconductora.
Según otra forma de realización, se puede
fabricar una capa porosa (2) que tenga una porosidad superior e
inferior diferente, al mismo tiempo que cambiando continuamente las
condiciones del ataque químico durante la formación. Una estructura
de capa porosa de silicio gradual de este tipo es favorable ya que
la porosidad superior más baja permite depositar una capa
semiconductora epitaxial (3) de alta calidad, mientras que la
porosidad de masa más alta garantiza que la capa porosa presente un
comportamiento suficientemente fuerte de difusión de la luz y
reflexión de la luz.
Claims (6)
1. Método para fabricar un dispositivo
optoelectrónico de película delgada sobre un sustrato contenedor de
silicio, conductor, que comprende las etapas de desarrollar una
secuencia de capas, que incluyen por lo menos las etapas
siguientes:
- a)
- formar una capa porosa (2) de silicio sobre dicho sustrato (1) de tal manera que dicha capa porosa de silicio actúe como difusor de luz y como reflector de luz; presentando dicha capa porosa una porosidad en el intervalo comprendido entre 20% y 70% y un grosor en el intervalo comprendido entre 0,1 micra y 1 micra;
- b)
- desarrollar, a una temperatura inferior de 750ºC, una capa semiconductora no porosa (3) sobre dicha capa porosa de silicio, comprendiendo dicha capa no porosa por lo menos una primera región y por lo menos una segunda región que se forman en dicha capa no porosa, dicha primera región de un primer tipo de conductividad, dicha segunda región de un segundo tipo de conductividad, diferente de dicho primer tipo de conductividad,
y siendo tal dicha secuencia de capas que, en
dicho dispositivo, se logra un confinamiento óptico.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha primera región de un primer tipo de conductividad está
actuando como absorbente de luz.
3. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha capa semiconductora no porosa se realiza con silicio,
germanio, SiGe.
4. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha capa semiconductora no porosa se desarrolla por medio de
deposición química de vapor.
5. Método según la reivindicación 1, en el que
dicha capa porosa de silicio se forma exponiendo el sustrato a un
tratamiento electroquímico o un tratamiento químico o
electroerosión.
6. Método según la reivindicación 1, en el que,
en dicha primera región, se forma por lo menos una tercera región
para el contacto con dicha primera región, estando aislada dicha
tercera región con respecto a dicha segunda región y presentando el
mismo tipo de conductividad que dicha primera región.
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