En mi caso particular, siempre he trabajado con lingotes de semiconductores por lo fácil de manipular a la hora de colocar los contactos eléctricos de indio para realizar las caracterizaciones eléctricas o puedo disminuir el espesor de la muestra a la medida adecuada para el estudio de transmisión óptica, siendo las herramientas de fabricación bastantes accesibles en el laboratorio.

Partiendo de la premisa "Tecnología es tiempo de respuesta para resolver cualquier necesidad", junto a nuestro equipo de trabajo nos propusimos a buscar soluciones a la creación de dispositivos que abarataran los costos de producción en un tiempo relativamente corto y tomamos como punto de partida el caso de las celdas solares fabricadas con Silicio que normalmente utilizan capas delgadas de ∼300 μm, pero que no son tan delgadas en comparación con 1 a 5 μm de nuevos materiales semiconductores que pueden usarse como material absorbente en los prototipos de celdas solares. Y nos podemos preguntar ¿por qué no disminuir el espesor del Si en este tipo de dispositivo optoelectrónico?, pues resulta que este elemento químico es un semiconductor básico natural cuya brecha de energía presenta transiciones indirectas entre las bandas de valencia y conducción que requieren un espesor mayor que 200 μm para absorber suficiente energía y provocar los mecanismos de conducción entre las bandas.

¿Capas delgadas de semiconductores?

Si se puede disminuir el espesor de una celda solar significa un ahorro del material absorbente y reducción de costos!. La dimensión principal del problema a resolver se centra en el espesor del material a utilizar y normalmente se trabajan con capas o películas delgadas de materiales semiconductores en un rango entre nanómetros hasta 10 micrómetros, a partir de aquí estaríamos hablando de películas gruesas. Estos rangos solamente son referenciales, ya que en la literatura se reportan diferentes valores para considerar una película delgada y tiende a confundirse con la línea de investigación relacionada a la nanotecnología, que es otro nivel de estudio.

En esta publicación estaré mencionando los inicios de mi investigación en películas delgadas, las etapas de desarrollo y las diferentes técnicas de preparación de capas delgadas de semiconductores, por lo que desde ya solamente me referiré a "capas de" para hacer mención a la disposición de un átomo sobre otro hasta un grosor específico.

Primeros ensayos

Como les comenté antes, venía trabajando con lingotes semiconductores y no teníamos a disposición los equipos necesarios para realizar la deposición de capas de semiconductores sobre láminas de vidrio, solamente las ganas de trabajar con este tipo de tecnología. Para una de las tesis que asesoraba se requería del proceso de selenización, incorporación de Selenio en el semiconductor CuInSe₂ y sobre una película de Molibdeno y se diseñó un sistema de vacío y evaporación de Se usando materiales disponibles en el laboratorio.

Una campana de vidrio de un desecador, una resistencia eléctrica, un tubo de cuarzo, trozos de Se, un reóstato y un sistema de vacío sirvieron para iniciar el camino hacia el equipamiento de nuestro laboratorio para obtener capas de semiconductores!

Fuente de la imagen: @iamphysical

Realizamos algunos ensayos para controlar la temperatura de evaporación del Se entre 400 y 600 ºC controlando la corriente eléctrica hacia la resistencia, la cantidad de Se dentro de la cápsula de cuarzo para obtener un espesor menor a 10 μm. La campana se cubría con una capa de Se bastante uniforme que debíamos eliminar cada vez que variamos las condiciones de evaporación. Los primeros sustratos de vidrio no salían cubiertos completamente con Se y la capa no tenía buena adherencia debido a los cambios bruscos de la temperatura.

	Se nos ocurrió colocar una lámina de Zinc sobre el sustrato de vidrio para que se fuera enfriando lentamente haciendo que la adherencia y homogeneidad del Se aumentaran.

Aquí se observa una lámina de vidrio cubierta con una capa de Se depositada a 450 ºC, la temperatura óptima para a selenización. Fuente de esta imagen: @iamphysical.

Inmediatamente las ideas de mi compañero de trabajo comenzaron a fluir sobre la creación de una línea de investigación relacionada con la deposición de películas delgadas de materiales semiconductores con la cual yo no contaba con experiencia, pero me atraía la idea de dar un paso adelante y no quedarme en la síntesis, crecimiento y caracterización de nuevos materiales semiconductores sino en el diseño y fabricación de dispositivos optoelectrónicos, estos eran nuevos conocimientos y un avance significativo en mi profesión de Físico Experimental.

Procesos físicos de deposición de capas semiconductoras

En la literatura podemos encontrar artículos relacionados con una gran variedad de técnicas de deposición de películas delgadas y gruesas de semiconductores mediante procesos físicos y químicos, los cuales se diferencian a partir del hecho si el material a depositar ya está formado (Proceso Físico) o se obtiene a partir de soluciones de reactivos (Proceso Químico). Como ya tenía algunos materiales semiconductores en mi almacén del laboratorio, pues nos concentramos en primera instancia a trabajar con ellos.

Proceso físico de deposición de materiales en fase de vapor.

Ya habíamos adquirido experiencia durante los primeros ensayos, descritos anteriormente en esta publicación, con una de las técnicas más simples de deposición de capas mediante un proceso físico llamado Deposición Física en Fase de Vapor o conocida por sus siglas en inglés como "PVD" Physical Vapour Deposition, que es una técnica para evaporar un material sólido, llevarlo a la fase gaseosa y por diferencias de temperaturas se deposita sobre un sustrato.

Realmente en un proceso sencillo y se puede manipular, el detalle es el costo del sistema por el mantenimiento de sus partes. En la siguiente composición fotográfica se observa i) la incandescencia durante una evaporación térmica de ZnO y ii) el sustrato de vidrio en la parte superior del sistema de evaporación.

Fuente de la imagen: @iamphysical

Debo estructurar la presentación de las próximas publicaciones relacionadas con las técnicas de deposición de películas delgadas, recuerden que esto es sólo un recuento histórico sobre el salto cuántico de mis investigaciones sobre lingotes semiconductores hacia semiconductores en forma de películas delgadas. Así que próximamente les comentaré sobre la sigiuente temática:
Evaporación Térmica Convencional.
Evaporación Catódica.
Evaporación con Cañón de Electrones.

---

:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

---

Referencias y lecturas recomendadas:

[R1] José María Albella Martín. Láminas delgadas y recubrimientos: preparación, propiedades y aplicaciones. Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid (2003).

○ Técnicas de deposición
○ AJA International, Inc. Evaporación Térmica
○ Tesis: Técnicas de depósito
○ Kurt J. Lesker Company. Técnicas de deposición de películas delgadas