ES2443240A2 - Método para el dopado selectivo de un semiconductor mediante transferencia inducida por láser - Google Patents

Abstract

Método para el dopado selectivo de un semiconductor mediante transferencia inducida por láser, que comprende un sistema precursor (200) compuesto de al menos una capa absorbente (202) a la radiación láser, con una solución dopante (203) y un soporte transparente (201) , el cual se coloca enfrentado y en contacto directo con el sistema receptor (300) donde se integra el substrato (301) semiconductor y se irradia con uno o más pulsos de un haz láser (100) focalizados en la interfaz entre la fuente y el substrato, provocando la transferencia de material proveniente de la fuente hacia el substrato y la introducción de átomos dopantes provenientes de la fuente dentro del substrato semiconductor. El sustrato (301) es, preferentemente, una oblea de silicio con una cara frontal (302) y una cara posterior (303) con capas pasivante antirreflejo dieléctricas.

Description

MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La

invención¡ tal como expresa el enunciado

de

la presente memoria descriptiva¡ se refiere a un

método

para el dopado selectivo de un semiconductor

mediante transferencia inducida por láser¡ el cual aporta varias ventajas y características de novedad que se describirán en detalle más adelante y que suponen una mejorada alternativa frente a lo ya conocido en el estado actual de la técnica.

Más en particular¡ el objeto de la invención se centra en el desarrollo de un método para el dopado selectivo tipo p+ de un semiconductor mediante transferencia inducida por láser¡ el cual¡ siendo particularmente aplicable a células solares pero sin que se descarte su aplicación para cualquier otro dispositivo electrónico¡ consiste en crear difusiones locales p+ -n poco profundas y con altos niveles de dopado mediante láseres pulsados de longitudes (IR-VIS y UV) usando la técnica de transferencia inducida por láser (ó LIFT acrónimo inglés de Laser Induced Forward Transfer) adaptada de forma totalmente original a este proceso en particular. En concreto¡ se parte de una fuente dopante colocada sobre un soporte transparente y consistente de una capa absorbente metálica y una solución de boro solidificada depositada por "spin coating" (o técnica de rotación) Las uniones p+-n se consiguen poniendo en contacto la fuente de átomos dopantes tipo p con el substrato semiconductor tipo n¡ los pulsos láser transfieren los átomos dopantes al substrato receptor y lo afectan térmicamente favoreciendo así la difusión de los átomos transferidos. El hecho de aprovechar la dinámica característica del material fundido por el proceso de irradiación láser permite además reducir extraordinariamente el tiempo de proceso frente a otras técnicas de dopado.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector de la industria dedicada a la fabricación de dispositivos electrónicos¡ centrándose particularmente en el ámbito de los procesos de dopado de los semiconductores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el ámbito de la fabricación de dispositivos electrónicos¡ la implantación iónica es uno de los procesos más comunes para conseguir la introducción de impurezas dopantes dentro de substratos semiconductores. Para ello¡ se emplea un plasma generado en un reactor a presión y atmósfera controlada¡ el cual está constituido¡ entre otros¡ por iones del material dopante. Tales iones son acelerados hacia la superficie del semiconductor a energías del orden de kilovoltios y¡ finalmente¡ difundidos hacia el interior del mismo. Este último proceso requiere un

posterior recocido a temperaturas tan altas como 800°C¡ tanto para activar las impurezas como para recuperar el daño creado en el cristal semiconductor por los iones implantados. Dicho paso de recocido dificulta la creación de uniones poco profundas y altamente dopadas en superficie debido a que las altas temperaturas favorecen la difusión de las especies dopantes hacia zonas más profundas del semiconductor. En este sentido¡ la implantación iónica resulta inviable cuando se fabrican estructuras electrónicas sobre vidrio o substratos poliméricos que ¡ debido a las altas temperaturas requeridas¡ pueden verse seriamente perjudicados en su integridad estructural. Finalmente¡ cabe destacar que el mayor inconveniente de la implantación iónica es la necesidad de equipos significativamente costosos (un millón de Euros o más) . Por tanto¡ otras alternativas de obtención del dopado han tenido que surgir para salvar los inconvenientes causados por el daño estructural generado por los iones implantados¡ las altas temperaturas de proceso requeridas y el alto coste de los equipos requeridos.

Una alternativa más barata y que permite evitar los problemas de daño estructural es la difusión térmica de impurezas dopantes en un horno a alta temperatura. En este caso las muestras se introducen en un horno¡ generalmente de cuarzo¡ a alta temperatura en un ambiente rico en impurezas dopantes provenientes de fuentes líquidas o sólidas. Esta técnica sigue teniendo

el inconveniente de las altas temperaturas involucradas y ¡ además ¡ suele ser un proceso relativamente largo donde ambas caras del semiconductor resultan dopadas. Este hecho¡ unido a que durante la difusión en horno se genera un residuo superficial de vidrio-silicato proveniente del dopante¡ hace que sean necesarias etapas posteriores de ataques químicos para la

eliminación

tanto de tales residuos así como también

del

volumen de semicondu ctor que ha sido dopado

innecesariamente.

El dopado asistido por láser es otra de las metodologías empleadas para conseguir la implantación de especies dopantes en un semiconductor. En este caso¡ un haz láser focalizado funde el material semiconductor y difunde las impurezas liberadas por un gas presente en el entorno. El substrato semiconductor se coloca en una cámara de reacción en la que hay dopantes en forma gaseosa tales como Trifloruro de Boro (BF3) y Pentafloruro de Fósforo (PF5). Para la irradiación del substrato se emplea típicamente un láser pulsado de excímero¡ cuya energía rompe las moléculas del gas y funde una capa delgada del material semiconductor. Así¡ las moléculas del gas con suficiente energía cinética son implantadas en el substrato fundido. La eficiencia de dopado en este caso depende de la cantidad de material absorbido por el semiconductor fundido. Empleando esta estrategia la mayor parte del volumen del substrato permanece a baja temperatura¡ ya que cada pulso láser tiene una duración del orden de nanosegundos¡ lo suficientemente corta para fundir sólo unas pocas mono-capas del semiconductor. Asimismo¡ la

zona de afectación térmica vendrá definida¡ inicialmente¡ por el poder de focalización del láser y¡ a posteriori ¡ por las propiedades ópticas y térmicas del semiconductor. Esta tecnología es especialmente adecuada para la generación de uniones poco profundas perol debido a que el proceso está limitado por el ritmo de absorción superficial de impurezas ¡ en equilibrio y a una determinada temperatura¡ se hace bastante difícil la obtención de altos niveles de dopado. Otro inconveniente de esta estrategia es el uso habitual de láseres de excímero¡ los cuales son difíciles de emplear a nivel industrial debido al alto coste de mantenimiento y poca fiabilidad en rendimiento óptico. Otro factor limitante es la capacidad de controlar adecuadamente la cantidad y distribución de impurezas dopantes que alcanzan el substrato semiconductor. Parte de este problema es causado por una falta de uniformidad tanto en la radiación láser como en el flujo de gas y su densidad de dopantes.

Una

variante de esta aplicación es la

presentada

en el documento US 7799666 Bl¡ donde la

fuente

dopante se deposita directamente sobre la

superficie del substrato semiconductor. Para conseguir la difusión de las impurezas dopantes se emplean pulsos láser de longitud de onda visible focalizados en la superficie del substrato. La interacción de la radiación con el material semiconductor y la fuente dopante previamente depositada da lugar a la implantación de las especies provenientes de dicha fuente. Tales dopantes pueden ser depositadas mediante técnicas de vacío como el Depósito Químico en Fase

Vapor Asistido por Plasma (PECVD) ¡ o procesos en ambiente como el recubrimiento por "Spin CoatingH para formar una matriz orgánica líquida o bien un vidriosilicato (fósforo-silicato o boro-silicato) Las longitudes de ondas visibles son absorbidas de manera más eficiente por parte de materiales como el silicio¡ por lo que se reduce la acumulación de calor en la superficie y se favorece la transferencia de calor hacia el interior del material. Sin embargo¡ esta técnica presenta el inconveniente asociado al material restante que no es irradiado¡ el cual para multitud de aplicaciones debe ser retirado para continuar la fabricación del dispositivo. Son necesarios entonces pasos adicionales de limpieza¡ los cuales son casi siempre muy complicados ¡ y según la fuente que se emplee¡ podría no ser posible retirar estos restos sin modificar las propiedades eléctricas de la superficie de los dispositivos.

Una propuesta tecnológica que intenta resolver esta problemática se basa en el uso de un haz láser no focalizado para conseguir la implantación de los dopantes (PCT/US2010/058355). Las áreas a procesar son previamente definidas por máscaras de una resina fotosensible a una longitud de onda de 266 nm. Una vez definida la máscara¡ se deposita una capa de solución dopante (Spin On Dopant-SOD) que constituirá la fuente de impurezas a implantar en el substrato semiconductor. Este último¡ puede ser colocado en una atmósfera con el gas del dopante correspondiente¡ lo cual favorece el proceso de dopado con las especies presentes tanto en el gas como en la capa de solución dopante. El procesado láser se realiza empleando una longitud de onda de 355 nm, dejando intacta de esta manera la máscara de resina que define las zonas donde se quiere dopar. Finalmente, la resina fotosensible se retira mediante su exposición a una radiación de 266 nm. El procesado láser se realiza en una cámara de reacción cerrada con un flujo de oxígeno controlado, a una presión menor que la atmosférica. Aunque así pueden conseguirse resoluciones laterales muy buenas y difusiones poco profundas, las etapas fotolitográficas, además de aumentar los costes de fabricación extraordinariamente, ralentizan el proceso de producción de los dispositivos de forma significativa y son de difícil escalabilidad para dispositivos de gran tamaño.

Tanto los inconvenientes que comportan trabaj ar en atmósferas controladas con gases de altos niveles de toxicidad, como las desventajas asociadas al

uso

de etapas fotolitográficas en los procesos de

implantación

iónica asistida por láser, pueden

resolverse

parcialmente mediante la técnica de Dopado

Láser por Proximidad para Materiales Electrónicos (US 00587182 A). Con esta técnica, variante de LIFT (Sugioka et al.), se consigue el dopado del semiconductor a partir de la transferencia de un material fuente pre-depositado en un soporte transparente a la radiación láser empleada para generar la transferencia. El material fuente de las impurezas dopantes consiste en una capa de Nitruro de Silicio (SiN) dopado con átomos de fósforo, la cual se deposita mediante PECVD sobre el soporte transparente. La capa

de SiN depositada sobre el soporte¡ es colocada enfrentada y a una distancia muy próxima del substrato receptor¡ en este caso un material semiconductor. El láser que incide a través del soporte transparente genera la ablación del material dopante¡ transfiriendo el mismo al substrato receptor que resulta también afectado térmicamente. En el documento citado¡ donde describe por primera vez esta tecnología¡ se hace referencia a que el procesado láser de una solución dopante (Spin On Dopant-SOD) depositada directamente sobre el material semiconductor¡ como se proponía en PCT/US2010/058355¡ no da lugar a dopados eficientes. Según este documento¡ el bajo nivel de absorción de la radiación por parte de la solución dopante solidificada o vidrio-silicato¡ hace que el substrato sea el único medio absorbente del calor. Cuando el material semiconductor alcanza una temperatura suficientemente alta¡ las especies provenientes del vidrio dopante difunden dentro del semiconductor. Para un amplio rango de longitudes de onda el vidrio-silicato dopante tiene una absorción óptica baja¡ siendo incluso transparente al infrarroj o y visible¡ lo cual hace que no llegue a fundirse totalmente. Este hecho implica una limitación en el proceso de difusión debido al límite de solubilidad sólida de los dopantes en el semiconductor¡ lo cual suele resultar en niveles de dopado insuficientes. Pese a este inconveniente¡ adecuadamente descrito en la patente US 00587182 A en beneficio de la invención reportada¡ se hace evidente que el uso de fuentes dopantes sólidas depositadas mediante PECVD ralentiza el proceso de producción e incrementa los costes de fabricación de los dispositivos. Por el

contrario¡ una solución tecnológica que permitiera fundir el vidrio dopante y que además no requiriera depositarlo directamente sobre el semiconductor sería una alternativa más limpia¡ barata y¡ como mínimo¡ igual de eficiente.

Todas las tecnologías descritas en los párrafos anteriores se emplean para conseguir el dopado en una gran variedad de dispositivos electrónicos. Las ventajas e inconvenientes mencionados pueden ser factores limitantes en cualquier ámbito de aplicación donde se deseen emplear estás técnicas. Sin embargo¡ cuando se profundiza en un tipo de dispositivo en concreto¡ se encuentran una serie de limitaciones a tener en cuenta a la hora de escoger la tecnología más adecuada para implantar y difundir las especies dopantes en un semiconductor. La presente invención se enfoca hacia un campo de aplicación específico¡ que es la tecnología fotovol taica. Sin embargo¡ es necesario incidir en que el alcance de esta propuesta abarca también todos los campos de la electrónica donde se requiera implantar y difundir especies dopantes.

En el caso concreto de la tecnología fotovoltaica basada en silicio cristalino¡ el proceso de fabricación de células solares incluye varios aspectos tecnológicos a considerar a la hora de seleccionar las técnicas de generación del dopado. En este sentido¡ para conseguir la mayor eficiencia de conversión energética posible se hace imprescindible que la zona dopada tenga unas características muy específicas en cuanto a la cantidad de dopante y

profundidad de la difusión. Además¡ estas características pueden variar entre diferentes zonas

del dispositivo¡ por lo que se hace de especial interés una metodología que permita crear de forma selectiva difusiones con propiedades diferentes en áreas bien definidas dejando inalteradas las regiones circundantes.

Otro aspecto relevante a considerar es el alto coste del componente principal de la célula solar¡ la propia oblea de silicio. Por tanto¡ disminuir el espesor de la oblea permite una reducción significativa en los costes de producción de las células solares. Por otro lado¡ la fabricación del emisor frontal de las células solares de silicio cristalino requiere de un proceso de difusión de las especies dopantes. Los emisores habituales difundidos térmicamente para obtener resistencias típicas en un rango de 50 a 150 Q/cuadro¡ que suponen someter a todo el dispositivo a

temperaturas tan elevadas como 800°C durante una media hora. Además¡ para conseguir aumentar la eficiencia de las células se requieren capas adicionales llamadas de pasivación¡ las cuales disminuyen la recombinación de los portadores foto-generados en las superficies frontal y posterior de la célula solar. Las pérdidas ópticas ocasionadas por la reflexión de la luz en la superficie frontal se disminuyen mediante la texturización de la oblea y el depósito de una capa antirreflejo. En este sentido¡ un material usado comúnmente a nivel de laboratorio para la obtención de células solares de alta eficiencia es el óxido de silicio (Si02) crecido térmicamente que actúa a la vez

como capa pasivante y antirreflejo. Durante el proceso

de oxidación el silicio es sometido a altas temperaturas¡ alrededor de los 1000°C en una atmósfera de oxígeno¡ consiguiéndose unos ritmos de crecimiento de la capa de óxido del orden de 0.2 A/s . A nivel industrial¡ aunque todavía pueden encontrase dispositivos que incorporan capas de óxido térmico¡ es mucho más habitual emplear técnicas de depósito asistido por plasma para conseguir capas con funciones pasivantes y antirreflejo como el nitruro de silicio.

Respecto a la superficie posterior de las células solares¡ la solución más habitual para aumentar la eficiencia consiste en la formación de un contacto de aluminio difundido a alta temperatura para formar un Campo Posterior en Superficie (ó BSF¡ del inglés Back Surface Field). Además de pasivación¡ esta estructura permite una aceptable reflexión posterior entre el 60 y 70%. Tanto el contacto eléctrico como el BSF se realizan de forma estándar en la industria mediante un proceso de serigrafiado de pasta de aluminio seguido del curado de la misma a temperaturas tan altas como

800°C. Una oblea de silicio de espesor menor que 200 ~m posiblemente se arquee al ser sometida a estas temperaturas de proceso¡ debido a la deformación plástica de la matriz Aluminio/Silicio. Como una tendencia muy efectiva para reducir costes es emplear cada vez menos cantidad de silicio¡ la búsqueda de alternativas al tradicional BSF de aluminio está aún

abierta a nuevas contribuciones. Por esta razón¡ han surgido algunos métodos que evitan someter toda la oblea a temperaturas elevadas. Es así como el Contactado Local por Láser (Laser Firing Contact -LFC) puede sustituir el proceso estándar de serigrafiado y recocido de pastas de aluminio en el contacto posterior. En este método primero se deposita una capa pasivante mediante PECVD o Atomic Layer Deposition ALD para después depositar una capa de aluminio por evaporación térmica o pulverización catódica. Finalmente¡ un haz láser pulsado es empleado para romper el material pasivante y difundir átomos del metal en el silicio¡ logrando así no sólo la creación de contactos puntuales¡ sino también la formación local del campo posterior en superficie (P. Ortega et al. and

l. Matín et al.).

Respecto a la superficie frontal¡ la mayor dificultad está en lograr un compromiso eficiente entre la profundidad de difusión requerida bajo los contactos metálicos respecto a la región entre ellos. Industrialmente los contactos metálicos frontales suelen obtenerse mediante una serigrafía de pasta de plata seguida de un recocido a alta temperatura. Interesa que entre las líneas de contacto la difusión sea poco profunda¡ transparente a la luz y con una resistencia cuadro relativamente alta de 200 ohm/cuadro. En cambio¡ bajo las líneas de contacto se requiere una menor resistencia cuadro para mej orar el contacto y una difusión más profunda para reducir la posibilidad de que el contacto de plata pudiese llegar hasta la base del dispositivo. Además ¡ la cantidad de dopantes en superficie debe ser tal que permita una correcta pasivación superficial. Así¡ una solución para afrontar este compromiso en la cara frontal de los dispositivos ha sido propuesta por T. C. Roder et al.¡ donde se aprovechan los residuos de vidrio-silicato de fósforo resultantes de la etapa previa de difusión en horno. Estos residuos no son retirados sino que se procesan mediante láser en aquellas regiones donde se encontrarán posteriormente los contactos metálicos. De esta manera¡ se logra la formación de un perfil de dopado más profundo en aquellas zonas tratadas con láser. Los restos de vidrio-silicato dopante deben ser igualmente retirados estén o no tratados con láser¡ por lo que a nivel de producción no se introducen pasos adicionales de limpieza. Pese a las ventajas indiscutibles en cuanto a la creación de emisores selectivos profundos¡ esta metodología no permite eliminar ningún paso térmico¡ nl la difusión inicial de fósforo nl el recocido de la pasta de plata para atravesar las capas pasivantes y antirreflej o en la cara frontal.

Finalmente¡ otra alternativa basada en el dopado asistido por láser a partir de una fuente sólida ha sido aplicada con éxito en el ámbito de las células solares para evitar pasos térmicos indeseados (A. Orpella et al.). Además de proponer nuevas capas pasivantes y antirreflejo basadas en carburo de silicio amorfo (a-SiCx) y nuevas fuentes dopantes sólidas como el silicio amorfo dopado con fósforo a-Si (n) ¡ todas depositadas mediante PECVD¡ este método propone tratar mediante un láser pulsado de nanosegundos y longitud de onda visible o infrarroja la estructura de capas depositadas. El tratamiento láser hecho a temperatura y presión ambiente da como resultado la introducción de átomos de fósforo provenientes de las capas dopadas depositadas de forma selectiva sólo en aquellas regiones tratadas con el láser. Además¡ la zona tratada queda ya preparada para obtener un buen contacto con el metal sin necesidad de pasos de recocido adicionales. Así pues¡ se consigue la creación de regiones dopadas selectivamente en un proceso completo sin pasar por

pasos

térmicos superiores a 400 oC. No obstante¡ a

nivel

industrial el depósito mediante PECVD de las

capas

dopadas que actúan como fuentes de dopante

implicaría incorporar reactores y líneas de gases que elevarían los costes de producción de las células solares. Aunque bien es cierto que muchas plantas de producción ya tienen equipos de PECVD para el depósito de nitruro de silicio como capa pasivante y antirreflejo frontal que podrían adaptarse para depositar las capas dopadas de carburo de silicio amorfo. En cualquier caso¡ una alternativa menos complicada y más fácilmente adaptable a líneas de producción ya en funcionamiento es la propuesta de la presente invención¡ donde se consiguen dopados selectivos tipo p+ en obleas de silicio cristalino mediante la técnica de transferencia inducida por láser. En esta técnica la fuente dopante no se deposita sobre la oblea de silicio y¡ además¡ no son necesarias cámaras de vacío nl líneas de gases adicionales. El proceso puede integrarse en línea¡ permitiría ritmos de producción muy elevados y tampoco se requieren pasos térmicos superiores a 400°C.

REFERENCIAS

Patent number US 7799666B1: Method of spatially selective laser-assisted doping of a semiconductor.

-

Patent number WO 2011/066548 Al: Laser Doping

-

Patent number US 005871826A: Proximity laser doping technique for electronic materials.

Laser Precision Microfabrication¡ Capítulo 11. Series: Springer Series in Materials Science¡ Vol. 135¡ Sugioka¡ Koji¡ Meunier¡ Michel¡ Piqué¡ Alberto (Eds.) 2010¡ ISBN 978-3-642-10522-7

P. Ortega¡ A. Orpella¡ l. Martín¡ M. Colina¡ G. López ¡ C. Voz ¡ M. l. Sánchez ¡ C. Molpeceres and R. Alcubilla. Laser-fired contact optimization ln c-Si solar Cells. Prog. Photovolt: Res. Appl. 20 (2011) 173

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T. C. R6der¡ S. J. Eisele¡ P. Grabitz¡ C. Wagner¡ G. Kulushich¡ J. R. K6hler and J. H. Werner. Addlaser tailored selective emitter solar cells. Prog. Photovolt: Res. Appl. 18 (2011) 505-510

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l. Martín¡ P. Ortega¡ M. Colina¡ A. Orpella¡ G. López and R. Alcubilla. Laser processing of A1203 / a-SiCx: H stacks: a feasible solution for the rear surface of high-efficiency p-type c-Si solar cells. Prog. Photovolt: Res. Appl. (2012) DOI: 10.1002/pip.2207.

-

F. Colville. "Laser assisted selective emitters & the

role of laser doping," Photovoltaics lnternational, 5, 2009

A. Orpella, l. Martín, S. Blanque, C. Voz, l. Sánchez, M. Colina, C. Molpeceres and R. Alcubilla. Optimization of laser processes in n+ emitter formation for c-Silicon solar cells. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Así pues, tras constatar que los diferentes métodos de dopado descritos en el apartado anterior presentan inconvenientes, tales como: daños ocasionados en el cristal semiconductor a causa de la implantación iónica; necesidad de someter al dispositivos a altas temperaturas (>800°C); generación de difusiones muy profundas y dopadas en superficie; necesidad de equipos de implantación y de depósito muy costosos; generación

de

residuos superficiales difíciles de limpiar;

generación

de difusiones en las dos superficies de

semiconductor;

utilización de láseres de difícil

mantenimiento;

y, finalmente, utilización de fuentes

dopantes de difícil obtención haciendo necesario el uso de equipos de alto vacío, el obj etivo de la presente invención es proporcionar una alternativa más barata, fácil y como mínimo igual de eficiente.

En concreto, se propone un método que

consiste en crear difusiones locales p+-n poco profundas y con altos niveles de dopado mediante láseres pulsados de longitudes (IR-VIS y UV) usando la técnica de transferencia inducida por láser adaptada de forma innovadora.

Para ello¡ y ya de forma concreta¡ el método que la invención propone¡ contempla la fabricación de un sistema precursor o fuente compuesto de varias capas de materiales dopantes tipo p¡ donde¡ al menos una de ellas¡ es absorbente a la radiación láser.

Dicho sistema precursor se coloca enfrentado y en contacto directo con el substrato semiconductor para ser irradiado con uno o más pulsos láser focalizados en la interfaz entre la fuente y el substrato¡ lo que producirá la transferencia de material proveniente de la fuente hacia el substrato¡ y la introducción de átomos dopantes provenientes de la fuente dentro del substrato semiconductor¡ el cual resulta también alterado térmicamente por los pulsos empleados para transferir el material¡ consiguiéndose así regiones locales dopadas que alteran las características eléctricas del semiconductor.

Es importante destacar que el sistema precursor contempla también de un soporte transparente a la radicación láser sobre el que se depositan el resto de capas que lo conforman¡ es decir la capa de material absorbente y la capa de solución dopante.

Por su parte¡ el sustrato semiconductor¡ si

se trata de un dispositivo electrónico para una aplicación fotovol taica mediante células solares ¡ consistirá en una oblea de silicio tipo n¡ y se configura como un sistema receptor donde dicha oblea se recubre por su cara frontal y posterior con capas pasivantes y antirreflejo.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando de la invención¡ y para ayudar a una mejor comprensión de las características que la distinguen¡ se acompaña la presente memoria descriptiva¡ como parte integrante de la misma¡ de un juego de planos¡ en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1.-Muestra una representación esquemática de los principales elementos que intervienen en el método obj eto de la invención¡ es decir¡ el haz láser el precursor o fuente y el sustrato o receptor¡ apreciándose en ella la disposición de orden de los mismos.

La figura número 2.-Muestra un esquema similar al anterior¡ mostrando en este caso la

estructura de capas que conforman el precursor y el orden requerido de disposición las mismas.

La figura número 3.-Muestra en otro esquema similar a los de las figuras precedentes la estructura

de capas que conforman el sustrato.

La figura número 4.-Muestra de nuevo un esquema con la estructura del substrato una vez creadas las regiones p+-n por transferencia inducida por láser y las regiones n-n+ mediante dopado láser y una vez colocados los electrodos en la cara frontal y posterior del mismo.

La figura número 5. -Muestra un diagrama de las curvas J/V extraídas de varios dispositivos.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las mencionadas figuras¡ y de acuerdo con la numeración adoptada¡ se puede apreciar como para conseguir un dopado local de tipo p+ se emplea un haz laser (100) pulsado y focalizado en la interfaz de dos sistemas¡ uno de ellos denominado precursor (200) donde se encuentra la fuente dopante y el otro receptor (300) donde se encuentra el sustrato.

El sistema precursor¡ como se observa en la figura 2¡ consta de un soporte transparente (201) a la radiación láser¡ una capa fina de material absorbente

(202) a la radiación y una capa de solución dopante

(203) de Boro solidificada. Mientras que el sistema receptor (300) ¡ como muestra la figura 3¡ consta de una oblea de silicio que constituye el sustrato (301) recubierta por ambas caras frontal (302) Y posterior

(303) con una capa de material pasivante y antirreflejo.

Ambos sistemas se colocan enfrentados y en contacto. La radiación láser es parcialmente absorbida por la primera capa absorbente (202) que encuentra en su trayectoria¡ produciéndose una transferencia de energía en forma de calor hacia la solución dopante

(203) solidificada que es la segunda capa que encuentra el haz láser (100) en su trayectoria. Los átomos dopantes provenientes del precursor alcanzan el sistema receptor (300)¡ el cual también es fundido a causa del calor transferido y se produce la difusión efectiva de los átomos dopantes en el material a dopar en tiempos

característicos de

la duración de la fase fundida en el

substrato

aceptor (normalmente del orden de

microsegundos).

La capa de material absorbente (202) cumple dos funciones fundamentales¡ la primera es absorber y transmitir la energía del haz incidente y la segunda es donar parte de sus átomos constituyentes¡ los cuales deberán ser compatibles con las especies dopantes a transferir. Por ello¡ dicha capa de material absorbente

(202) es preferentemente de aluminio¡ ya que el aluminio es un metal que cumple ambas funciones¡ es un buen absorbente de la radiación láser y es una fuente típica de átomos dopantes tipo p. Así ¡ no sólo los átomos provenientes de la solución dopante sino también los de aluminio alcanzan el substrato receptor que resulta también afectado térmicamente. La capa de aluminio se puede depositar sobre el soporte transparente mediante técnicas como la evaporación térmica¡ la evaporación por haz de electrones o la

pulverización catódica.

Como fuente o solución dopante (203 ) principal se emplea¡ preferentemente¡ una solución de Boro¡ denominada Boron Spin On Doping (Boron SOD) constituida por átomos de Boro y solventes orgánicos ¡ básicamente alcohol y cetonas. Esta solución es vertida sobre el soporte transparente (201) recubierto de aluminio como capa absorbente (202) y se extiende uniformemente sobre la superficie de aluminio mediante la técnica de spin coating a 3000 rpm. Posteriormente¡ todo el sistema precursor (200) se coloca sobre una placa calefactora a una temperatura de 150°C durante 2

minutos

para evaporar el solvente orgánico y

solidificar

el dopante. Con este último paso se

consigue

la formación de un boro silicato sobre la

superficie de

aluminio.

Por su parte¡ la estructura y composición del sistema receptor (300) depende de la aplicación o el dispositivo que se desee construir en cada caso. El dopado selectivo de tipo p+ para aplicaciones en células solares ¡ se puede realizar bien en obleas de silicio tipo n¡ en cuyo caso se generaran emisores locales o bien en obleas tipo p para inducir un BSF

(campo posterior de superficie) local. En cualquier caso las dos superficies de la oblea deberían estar pasivadas. Para demostrar la viabilidad de esta propuesta se emplea una oblea de silicio cristalino tipo n como sustrato (301). Así ¡ en la cara frontal

(302) del dispositivo se utiliza una combinación de capas con propiedades pasivantes y antirreflejo

dieléctrica. Por otra parte¡ en la cara posterior (303) también se depositan combinaciones de capas con funciones de pasivación y reflector posterior¡ que en este caso deben contener dopantes tipo n. La evaluación eléctrica del dispositivo creado¡ o directamente su uso en carga¡ requerirá del depósito de los correspondientes electrodos metálicos. Las capas tipo n en la cara posterior (303) servirán de fuente para la creación de regiones locales n+ mediante dopado láser¡ lo que favorecerá la formación de un contacto óhmico al depositar posteriormente el metal.

El sistema precursor (200) se coloca enfrentado al sistema receptor (300) con la capa de solución dopante (203) de Boro solidificada en contacto con la capa antirreflejo de la cara frontal (302) perteneciente al substrato sin dejar ninguna distancia de separación entre ellas. Debido a la rugosidad de las superficies en contacto¡ el área real contactada depende en gran medida de la fuerza normal¡ la cual es directamente proporcional al elemento más pesado del sistema precursor¡ el soporte transparente (201) que preferentemente es vidrio. Se pueden colocar algunas piezas más pesadas que no interfieran en el camino de haz láser¡ para intentar aumentar el área de contacto.

El conjunto de sistemas colocados en el orden descrito se sitúan en el camino del haz láser (100) ¡ el cual debe focalizarse muy cerca de la interfaz entre ambos sistemas. Para llevar a cabo el tratamiento láser en distintos puntos del substrato (301)¡ el haz puede moverse respecto al conjunto de sistemas precursor y

receptor bien mediante motores que desplacen el cabezal láser (alojamiento mecánico de la óptica de enfoque) o bien mediante espejos galvanométricos motorizados. También se puede mover la muestra respecto al haz o combinar el movimiento del haz y la muestra para aumentar las velocidades de procesado. La elección de esta aproximación opto-mecánica para la irradiación da libertad absoluta para definir la geometría del patrón de dopado en el dispositivo.

Ejemplo de Realización

Para demostrar la viabilidad de la técnica propuesta se han fabricados uniones locales p+-n de las que se ha demostrado su funcionalidad mediante medida eléctrica. Las regiones p+ son generadas mediante transferencia inducida por un láser de 1064 nm con duración de pulso de 100 ns. Pese a que se ha escogido un láser con estas características para llevar a cabo la comprobación experimental de la propuesta¡ se hace hincapié en que otras longitudes de ondas y duraciones de pulso láser pueden ser perfectamente válidas para realizar el dopado por transferencia láser. Los dispositivos fabricados consisten en matrices de puntos circulares con un diámetro alrededor de 60 ~m que han sido tratadas mediante transferencia asistida por láser. La radiación láser transfiere los átomos de aluminio y boro desde la fuente precursora al substrato receptor¡ además funde la superficie del substrato facilitando la difusión de las impurezas dopantes. La afectación del sustrato produce la ablación de la capa antirreflejo (302) ¡ que al ser dieléctrica dificultaría

la correcta formación de un contacto óhmico para la extracción de la corriente en el dispositivo. Cada una de las áreas dopadas son producto del impacto de uno o varios impulsos láser sobre la misma localización del sistema precursor y receptor. Aunque el dispositivo escogido para demostrar la viabilidad de la presente propuesta se trate de matrices de áreas circulares dopadas¡ se pueden diseñar diferentes patrones de dopado¡ como por ejemplo líneas y áreas más extensas

que

las ejemplificadas en este documento. Además¡

dependiendo

del patrón de dopado seleccionado¡ el

sistema

precursor (200) puede ser reutilizado si se

posiciona

el haz sobre zonas del mismo que no hayan

sido incididas por el haz láser. De esta manera se aprovecha al máximo la fuente o solución dopante (203) pre-depositada sobre el soporte transparente (201)

Una vez creadas las regiones locales dopadas mediante transferencia inducida por láser¡ se procede a la retirada del sistema precursor (200) y a la limpieza del substrato (301). Debido a la focalización del haz laser y a la mejor resolución que resulta de eliminar la distancia de separación entre el sistema precursor

(200) y el receptor (300) que habitualmente se utiliza en otras técnicas de transferencia inducida por láser¡ se minimizan las salpicaduras de productos proveniente de la fuente alrededor de la zona dopada. Además ¡ el proceso de limpieza del substrato resulta bastante sencillo puesto que los pocos restos de material indeseado no se encuentran bien adheridos al substrato. En la mayoría de las ocasiones se pueden retirar mediante un flujo controlado de aire comprimido o bien

mediante un baño de acetona¡ isopropanol yagua. Después de la limpieza¡ las matrices constituidas de regiones puntuales dopadas presentan muy pocas salpicaduras alrededor.

Una vez se han creado las difusiones locales tipo p+ (304) mediante transferencia inducida por láser sobre la oblea de silicio n (representadas en la figura 4) ¡ se debe preparar la superficie posterior creando regiones n+ (305) mediante dopado asistido por láser a partir de la capa pasivante posterior (303) que actúa a la vez como fuente de dopantes tipo n. En este estado¡ la muestra ya está preparada para depositar los contactos metálicos que actuarán como electrodos frontal y posterior. Antes de depositar los contactos se realiza una limpieza con ácido fluorhídrico diluido para retirar el óxido de silicio que haya podido crecer sobre las regiones puntuales dopada de ambas superficies. A continuación se depositan los electrodos

metálicos

frontal (400) y posterior (500) por

evaporación

térmica o con haz de electrones de metales

adecuados

para contactar los diferentes tipos de

dopado.

Tras la evaporación de los contactos

metálicos¡

los dispositivos fabricados según el

procedimiento descrito pueden ser caracterizados eléctricamente.

Para ello se aplica a cada matriz de regiones dopadas p+ un barrido de tensión y se registra la corriente eléctrica en cada dispositivo que ¡ dividida por el área de la matriz ¡ resulta en la Densidad de Corriente (J). Los valores recogidos para cada

dispositivo se representan en una curva característica

(J/V) mostrada en el diagrama de la figura 5. En dicho diagrama¡ para distinguirlas se ha representado la curva de dos pulsos por punto en una capa de aluminio de 80nm mediante triángulos a 0.7W¡ mediante cuadrados a 0.8W¡ mediante círculos a 1.0W¡ y mediante estrellas en una capa de 600 nm 12 pulsos por punto a 1. OW. Dichas curvas obtenidas exhiben un comportamiento exponencial a media inyección indicando la formación de una buena unión p+-n¡ al menos en el rango explorado de parámetros del láser. Este hecho demuestra la viabilidad del método de dopado mediante transferencia inducida por láser para la obtención de diodos según el procedimiento propuesto. Este comportamiento se repite partiendo incluso de espesores tan distintos como 80 nm y 600 nm de la capa de aluminio del sistema precursor. El voltaje en circuito abierto de una hipotética célula solar elaborada con estos diodos asumiendo una corriente fotogenerada de 30 mA/cm2 sería de alrededor de 650 mV¡ lo cual demuestra un excelente potencial de los dispositivos fabricados para ser empleados en el desarrollo de células solares de alta eficiencia.

Una célula solar de silicio tipo n basada en la propuesta tecnológica descrita en este documento tendría el emisor en la cara posterior de la célula. Para la fabricación de la célula se mantendría la misma estructura del sistema receptor previamente descrita. El emisor formado de uniones p+-n locales se situaría en la cara posterior de la célula mientras que las uniones n-n+ creadas mediante dopado asistido por láser se situarían en la cara frontal de la célula. Un

contacto de aluminio cubriría totalmente la matriz

emisor de la cara posterior mientras que en la cara frontal de la célula el contacto metálico debería optimizarse para dejar pasar la luz¡ por ejemplo podría

5 tener una forma de peine y debería situarse justo por encima de los puntos de dopado n+ para conseguir un contacto lo más eficiente posible.

Descrita suficientemente la naturaleza de la

10 presente invención¡ así como la manera de ponerla en práctica¡ no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventaj as que de ella se derivan¡ haciéndose constar que¡ dentro de su

15 esencialidad¡ podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo¡ y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere¡ cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, caracterizado porque que incluye los siguientes pasos:

   -

   fabricación de un sistema precursor (200) que contiene varias capas de materiales dopantes tipo p, donde al menos una de ellas es una capa absorbente

   (202) a la radiación láser;

   -

   colocación del sistema precursor (200) enfrentado y en contacto directo con el sistema receptor (300) donde se integra el substrato (301) semiconductor;

   irradiación con uno o más pulsos de un haz láser (100) focal izados en la interfaz entre la fuente y el substrato de todo el conjunto de ambos sistemas precursor y receptor, provocando la transferencia de material proveniente de la fuente hacia el substrato y la introducción de átomos dopantes provenientes de la fuente dentro del substrato semiconductor.
2. 2.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema precursor (200) comprende una capa de soporte transparente (201) a la radiación láser donde se depositan el resto de capas que conforman dicho sistema precursor (200).
3. 3.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR

   LÁSER, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la capa absorbente (20) es la primera capa de material que encuentra el láser en su trayectoria y es una capa de aluminio que actúa a la vez como donante de átomos tipo p.
4. 4.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque al menos una de las capas del sistema precursor (200) es una solución dopante (203) de Boro solidificada.
5. 5.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el substrato (301) semiconductor está recubierto en su cara frontal (302) y posterior

   (303) de capas pasivantes y antirreflejo dieléctrica, permitiendo la posterior consecución de un buen contacto óhmico.
6. 6.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque el sustrato (301) es una oblea de silicio n y las regiones p+ obtenidas son usadas como emisor de una célula solar.
7. 7.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según la reivindicación 6, caracterizado porque

   las regiones p+ (304) obtenidas son usadas para generar un campo posterior en superficie (BSF) de una célula solar de silicio cristalino tipo p, para lo cual se crean regiones n+ (305) mediante dopado asistido por láser a partir de la capa pasivante posterior (303) que actúa a la vez como fuente de dopantes tipo n.
8. 8.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, según la reivindicación 7, caracterizado porque antes de depositar los contactos se realiza una limpieza con ácido fluorhídrico diluido para retirar el óxido de silicio que haya podido crecer sobre las regiones puntuales dopadas de ambas superficies, y a continuación se depositan los electrodos metálicos frontal (400) y posterior (500) por evaporación térmica

   o con haz de electrones de metales adecuados para contactar los diferentes tipos de dopado.
9. 9.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque, para llevar a cabo la irradiación en distintos puntos del sustrato, el haz láser (100) se mueve respecto al conjunto de sistemas precursor (200) y receptor (300), bien mediante motores que desplazan el cabezal láser o bien mediante espejos galvanométricos motorizados.
10. 10. -MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, cualquiera de las reivindicaciones 1-8,

    caracterizado porque, para llevar a cabo la irradiación en distintos puntos del sustrato, se mueve el conjunto de sistemas precursor (200) y receptor (300) respecto al haz láser (100)
11. 11.-MÉTODO PARA EL DOPADO SELECTIVO DE UN SEMICONDUCTOR MEDIANTE TRANSFERENCIA INDUCIDA POR LÁSER, cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque, para llevar a cabo la irradiación

    10 en distintos puntos del sustrato, se combinan el movimiento del haz láser (100) y del conjunto de sistemas precursor (200) y receptor (300).

    FIG.1

    FIG.2

    FIG.3

    1---302

    4-1---301

    1---303

    FIG.4

    FIG.5