JP2003258287A - 半導体装置及び光起電力装置並びにその製造方法 - Google Patents
半導体装置及び光起電力装置並びにその製造方法Info
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Abstract
シリコン系半導体との界面特性を向上させ、接合特性を
改善させることを目的とするものである。 【解決手段】 n型単結晶シリコン基板11とp型非晶
質シリコン薄膜13をi型非晶質シリコン薄膜12を介
在させて積層するとともに、単結晶シリコン基板11の
裏面側にi型非晶質シリコン薄膜14介在させてn型非
晶質シリコン薄膜15を設ける光起電力装置の製造方法
において、単結晶シリコン基板11の表裏面に水素ガス
と炭酸ガスを含むガスとの混合ガスを用いてプラズマ放
電させて単結晶シリコン基板11の表裏面にプラズマ処
理を施した後、i型非晶質シリコン薄膜12、14をそ
れぞれ形成し、単結晶シリコン基板11とi型非晶質シ
リコン薄膜12、14との界面に酸素原子を介在させ
る。
Description
に光起電力装置及びその製造方法に関する。
変換する部分の半導体の種類により、単結晶系、多結晶
系、非晶質系に分類される。ところで、非晶質系半導体
薄膜と結晶系半導体の特長を生かし、両者を積層構造
としたハイブリッド型光起電力装置が研究されている。
例えば、特開平4−130671号公報に、この種の光
起電力装置が示されている。この光起電力装置は、互い
に逆の導電型を有する結晶系シリコン半導体と非晶質シ
リコン系半導体とを組み合わせて半導体接合を形成する
際に、接合界面に実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜
を介在させることにより、これらの界面特性を向上さ
せ、光電変換特性の向上を図るものである。
化し、その結晶系半導体と非晶質半導体との接合界面に
荷電子制御を行わない実質的に真性(i型)の非晶質半
導体層を介在させた構造の光起電力装置を示す斜視図で
ある。図に示すように、n型の単結晶シリコン(Si)
基板101の表面はアルカリエッチング等の方法により
表面が凹凸化されている。凹凸化された単結晶シリコン
基板101の受光面側には、i型の非晶質シリコン(a
−Si)半導体層102、p型の非晶質シリコン(a−
Si)半導体層103、例えば、酸化インジウム錫(I
TO(Indium Tin Oxide))などの透
光性導電膜からなる透明電極104がその順で積層形成
されている。更に、透明電極104上には、例えば、銀
(Ag)からなる櫛形状の集電極105が形成されてい
る。
には、i型の非晶質シリコン(a−Si)半導体層10
6、n型の非晶質シリコン(a−Si)半導体層10
7、例えば、ITOなどの透光性導電膜からなる透明電
極108がその順で積層形成し、BSF効果を得る構造
が形成される。更に、透明電極108上には、例えば、
Agからなる櫛形状の集電極109が形成されている。
反射を抑制し、効率良く光を装置内に取り込んでいる。
る単結晶シリコン基板と非晶質シリコン薄膜とを形成し
てpn接合を形成する際に、上記単結晶シリコン基板と
非晶質シリコン薄膜との間に荷電子制御を行わないか、
ボロンを微量にドーピングして実質的に真性な非晶質シ
リコン系薄膜を介在させて、これらの界面特性を向上さ
せている。この構造のpn接合は、200℃以下の低温
で形成できるので、基板の純度が低く、高温プロセスで
は不純物や酸素誘起欠陥の影響が懸念されるような場合
においても良好な接合特性が得られている。
200℃以下の低温で形成できるため、良好な接合特性
が得られる。しかしながら、低温プロセスであるがため
に、基板表面に付着した水分や有機物の完全な除去は困
難であり、基板表面には、酸素、窒素、炭素といった不
純物が存在していた。この不純物による界面特性の低下
が懸念されている。
なされたものにして、結晶系半導体と非結晶系半導体薄
膜との界面特性を向上させ、接合特性を改善させること
を目的とするものである。
は、一導電型に荷電子制御された結晶系半導体と、同導
電型又は他導電型に荷電子制御された非晶質系半導体薄
膜との間に実質的に真性な非晶質系半導体薄膜を介在さ
せた半導体装置において、前記結晶系半導体と実質的に
真性な非晶質系半導体薄膜とが形成する界面に、前記実
質的に真性な非晶質系半導体薄膜中よりも高濃度の酸素
原子を存在させたことを特徴とする。
非晶質半導体のみならず、微小な結晶粒を有する非晶質
半導体薄膜も含む。
型に荷電子制御された結晶系シリコン半導体と他導電型
に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜との間
に実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜を介在させた光
起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体と実質
的に真性な非晶質シリコン系薄膜とが形成する界面に、
前記実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜中よりも高濃
度の酸素原子を存在させたことを特徴とする。
シリコン半導体がn型であり、他導電型に荷電子制御さ
れた非晶質シリコン系半導体薄膜がp型であることを特
徴とする。
系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半
導体よりも高く2×1022cm-3以下であり、且つ界面
酸素原子面密度が5×1013cm-2以上1×1016cm
-2以下にするとよい。
原子の共有結合が形成するネットワーク中に2配位の酸
素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が
増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑
制されると考えられる。この結果、開放電圧(Voc)
とフィルファクタ(F.F.)を向上させることができ
る。
れた結晶系シリコン半導体と他導電型に荷電子制御され
た非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な
非晶質シリコン系薄膜を介在させるとともに、前記結晶
系シリコン半導体の裏面側に実質的に真性な非晶質シリ
コン系薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体と同
じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系薄膜を設
けた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半導体
と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜とが形
成する界面に、裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン
系薄膜中よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特
徴とする。
シリコン半導体がn型であり、他導電型に荷電子制御さ
れた非晶質シリコン系半導体薄膜がp型であることを特
徴とする。
ン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン
半導体よりも高く2×1022cm-3以下であり、且つ界
面酸素原子面密度が5×1013cm-2以上5×1016c
m-2以下にするとよい。
の実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜とが形成する界
面に、表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜中
よりも高濃度の酸素原子を存在させるように構成すると
よい。
子の共有結合が形成するネットワーク中に2配位の酸素
が混入することによってネットワークの構造柔軟性が増
し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑制
されると考えられる。
れた結晶系シリコン半導体と他導電型に荷電子制御され
た非晶質シリコン系半導体薄膜との間に実質的に真性な
非晶質シリコン系薄膜を介在させるとともに、前記結晶
系シリコン半導体の裏面側に実質的に真性な非晶質シリ
コン系薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体と同
じ導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系薄膜を設
けた光起電力装置の製造方法において、前記結晶系シリ
コン半導体の面に水素ガスと炭酸ガスとの混合ガスを用
いてプラズマ放電させて結晶系シリコン半導体の面にプ
ラズマ処理を施した後、荷電子制御を行わない実質的に
真性な非晶質シリコン系薄膜を形成することを特徴とす
る。
半導体と実質的に真性な非晶質シリコン系薄膜とが形成
する界面に酸素原子を存在させることができる。
図面を参照して説明する。図1は、この発明の実施形態
にかかる光起電力装置を製造工程別に示した断面図であ
る。
ン基板、多結晶シリコン基板などがあるが、この実施形
態としては、厚さ300μm、抵抗率5Ωcm以下の単
結晶シリコン基板11を用いた。この単結晶シリコン基
板11の表裏面は、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリ
ウム溶液などのアルカリ溶液を用いて異方性エッチング
が施され、凹凸化されている。
空チャンバ内に入れ、200℃以下に加熱する。この実
施形態では、基板温度170℃に加熱する。次に、水素
ガス(H2)を導入し、プラズマ放電により基板表面の
クリーニングを行う。このプロセスは基板表面の炭素量
を低減させるのに効果があることが分かっている。この
実施形態では、この水素プラズマ処理時に炭酸ガス(C
O2)を導入し、分解及び表面に吸着させ、界面への酸
素導入を行った(図1(a)参照)。このときの形成条
件を表1に示す。この際、微量の炭素も同時に混入する
ことになるが、炭素はシリコン中では中性であるために
接合特性にはほとんど影響を及ぼさない。
ンガス(SiH4)及び水素ガス(H2)を導入し、基板
温度170℃に保ち、プラズマCVD法により、ノンド
ープのi型の非晶質シリコン層12を、続いて、続い
て、SiH4ガス、ジボランガス(B2H6)及び水素ガ
スを導入し、プラズマCVD法によりp型非晶質シリコ
ン層13を順次形成し、pn接合を形成する(図1
(c)参照)。このときの形成条件を表1に示す。
裏面側に同様にして、非晶質シリコン薄膜を形成する。
まず、n型単結晶シリコン基板11を真空チャンバ内に
入れ、200℃以下に加熱する。この実施形態では、基
板温度170℃に加熱する。次に、水素ガス(H2)で
プラズマ放電を行う。この水素プラズマ処理時におい
て、必要に応じ炭酸ガス(CO2)を導入する。炭酸ガ
ス(CO2)を導入した場合には、界面への酸素導入が
行われる。その後、シランガス(SiH4)及び水素ガ
ス(H2)を導入し、基板温度を170℃に保ち、プラ
ズマCVD法により、ノンドープのi型の非晶質シリコ
ン層14を、続いて、SiH4ガス、フォスフィンガス
(PH3)及びH2ガスを導入し、プラズマCVD法によ
りn型非晶質シリコン層15を順次形成し、n型単結晶
シリコン基板11の裏面側にBSF構造を形成する(図
1(c)参照)。このときの形成条件を表1に示す。
パッタ法により形成し、集電極として銀電極18をスク
リーン印刷法により形成する。また、裏面側電極として
ITO膜17をスパッタ法により形成し、集電極として
銀電極19をスクリーン印刷法により形成して光起電力
装置が完成する(図1(d)参照)。
を表1に示す。
水素ガスによるプラズマ処理において、炭酸(CO2)
ガスを導入するガス流量を0〜100sccmの範囲で
変化させて、界面酸素原子面密度を変えた時の出力特性
を測定した結果を表2に示す。界面酸素原子面濃度は、
図2に示すように、SIMS分析により、非晶質シリコ
ン層12側から深さ方向に測定し、深さ方向に積分して
酸素(O)の体積濃度を求める。そして、図2中ハッチ
ングを施した領域、すなわち、界面の前後のそれぞれ基
板もしくは非晶質シリコン層の酸素濃度のバックグラン
ドレベルに達する箇所から深さ方向(20〜30Å)の
体積濃度を求めて、界面の原子の面密度を算出して、界
面酸素原子面密度としている。図2に示すように、非晶
質シリコン層の膜中の酸素の体積濃度の方が単結晶シリ
コン基板中の酸素の体積濃度より高い。また、非晶質シ
リコン層の酸素体積濃度は2×1022cm-3以下であ
る。
基板11の表面側のプラズマ処理において、CO2ガス
を導入しない比較例に比して、CO2ガスを導入したこ
の発明の実施形態によれば、開放電圧(Voc)とフィ
ルファクタ(F.F.)が向上することが分かる。
水素プラズマ処理を行った場合の光起電力装置の出力
(セル出力)(Pmax)と、表面側の界面酸素原子面
密度との関係を測定した結果を示す。
cm-2以上1×1016cm-2以下であれば、セル出力が
1.900Wを越えて良好な結果が得られていることが
分かる。よって、界面酸素原子面密度が5×1013cm
-2以上1×1016cm-2以下になるように、単結晶シリ
コン基板11の表面側の水素プラズマ処理において、C
O2ガスを導入する流量を制御するとよい。
せることにより特性が向上するのは、4配位のシリコン
原子の共有結合が形成するネットワーク中に2配位の酸
素が混入することによってネットワークの構造柔軟性が
増し、界面の欠陥密度が低減されてキャリア再結合が抑
制されて、開放電圧(Voc)とフィルファクタ(F.
F.)が向上するからだと考えられる。また、p型非晶
質シリコン層13側の界面においては、非晶質シリコン
膜を形成する際に成膜室壁や基板搬送トレー及び基板マ
スク等から混入した不純ボロン(B)を補償し、良好な
pin接合が得られる効果も伴っていると考えられる。
例えば、Applied Physics Lette
rs vol.68,1996 P1201に述べられ
ているように、ある程度の濃度のボロンを含む非晶質シ
リコン膜に対して1000倍程度の酸素を導入すること
で、不純物ボロンを補償することができる。
水素ガスによるプラズマ処理において、炭酸(CO2)
ガスを導入するガス流量を0〜100sccmの範囲で
変化させて、界面酸素原子面密度を変えた時の出力特性
を測定した結果を表3に示す。なお、この実施形態にお
いては、単結晶シリコン基板11の表面側の水素ガスに
よるプラズマ処理においては、炭酸(CO2)ガスは導
入していない。界面酸素原子面濃度は、上記した表面側
の測定方法と同じ方法で算出した。
基板11の裏面側のプラズマ処理において、CO2ガス
を導入しない比較例に比して、CO2ガスを導入したこ
の発明の実施形態によれば、開放電圧(Voc)とフィ
ルファクタ(F.F.)が向上することが分かる。この
効果は表面のp層側の場合と同様に酸素原子による構造
緩和によるものと考えられる。
水素プラズマ処理を行った場合の光起電力装置の出力
(セル出力)(Pmax)と、裏面側の界面酸素原子面
密度との関係を測定した結果を示す。
m-2以上5×1016cm-2以下であれば、セル出力が
1.900Wを越えて良好な結果が得られていることが
分かる。よって、界面酸素原子密度が5×1013cm-2
以上5×1016cm-2以下になるように、単結晶シリコ
ン基板11の表面側の水素プラズマ処理において、CO
2ガスを導入する流量を制御するとよい。
びn側界面の酸素原子面密度と出力特性の関係を表4に
示す。
において、CO2ガスを導入することによって、片側の
場合以上に開放電圧の向上が見られた。
非晶質系シリコン半導体からなるpn接合において、基
板である結晶系シリコンと非晶質シリコン系半導体薄膜
の界面付近に酸素を適当量存在させることにより、界面
でのキャリアの再結合を抑制でき、接合特性の改善がで
きた。この接合を用いた光起電力装置においては、解放
電圧の向上が図れ、本発明の有効性を確認することがで
きた。
シリコン層の形成を表面側から形成しているが、裏面側
から作成してもよい。また、上記した実施形態において
は、n型単結晶基板11の裏面側をBSF構造にしてい
るが、BSF構造を用いないものにおいても同様の効果
が得られる。
い、表面側にノンドープの非晶質シリコン層、n型非晶
質シリコン層及びITO層、銀集電極を、裏面側にノン
ドープの非晶質シリコン層、p型の非晶質シリコン層及
び裏面電極層を作成する場合も同様に形成することがで
き、同様の効果が得られる。
で、非晶質系半導体薄膜として、非晶質シリコン薄膜を
用いたが、微小な結晶粒を有するいわゆる微結晶シリコ
ン薄膜も同様に用いることができる。また、上記した実
施形態ににおいては、半導体としてシリコンを用いた場
合について説明したが、ゲルマニウムを用いた場合も同
様の効果が期待できる
と実質的に真性な非晶質系半導体薄膜とが積層形成する
界面に酸素原子を存在さることにより、界面特性が改善
され、太陽電池特性を向上させることができる。
造工程別に示した断面図である。
す特性図である。
界面酸素原子面密度との関係を示す特性図である。
界面酸素原子面密度との関係を示す特性図である。
晶系半導体と非晶質半導体との接合界面にi型の非晶質
半導体層を介在させた構造の光起電力装置を示す斜視図
である。
6)
ンガス(SiH4)及び水素ガス(H2)を導入し、基板
温度170℃に保ち、プラズマCVD法により、ノンド
ープのi型の非晶質シリコン層12を、続いて、SiH
4ガス、ジボランガス(B2H6)及び水素ガスを導入
し、プラズマCVD法によりp型非晶質シリコン層13
を順次形成し、pn接合を形成する(図1(b)参
照)。このときの形成条件を表1に示す。
m-2以上5×1016cm-2以下であれば、セル出力が
1.900Wを越えて良好な結果が得られていることが
分かる。よって、界面酸素原子密度が5×1013cm-2
以上5×1016cm-2以下になるように、単結晶シリコ
ン基板11の表面側の水素プラズマ処理において、CO
2ガスを導入する流量を制御するとよい。
で、非晶質系半導体薄膜として、非晶質シリコン薄膜を
用いたが、微小な結晶粒を有するいわゆる微結晶シリコ
ン薄膜も同様に用いることができる。また、上記した実
施形態においては、半導体としてシリコンを用いた場合
について説明したが、ゲルマニウムを用いた場合も同様
の効果が期待できる
と実質的に真性な非晶質系半導体薄膜とが積層形成する
界面に酸素原子を存在させることにより、界面特性が改
善され、太陽電池特性を向上させることができる。
Claims (9)
- 【請求項1】 一導電型に荷電子制御された結晶系半導
体と、同導電型又は他導電型に荷電子制御された非晶質
系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質系半導体薄
膜を介在させた半導体装置において、前記結晶系半導体
と実質的に真性な非晶質系半導体薄膜とが形成する界面
に、前記実質的に真性な非晶質系半導体薄膜中よりも高
濃度の酸素原子を存在させたことを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項2】 一導電型に荷電子制御された結晶系シリ
コン半導体と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコ
ン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン
系半導体薄膜を介在させた光起電力装置において、前記
結晶系シリコン半導体と実質的に真性な非晶質シリコン
系半導体薄膜とが形成する界面に、前記実質的に真性な
非晶質シリコン系半導体薄膜中よりも高濃度の酸素原子
を存在させたことを特徴とする光起電力装置。 - 【請求項3】 一導電型に荷電子制御された結晶系シリ
コン半導体がn型であり、他導電型に荷電子制御された
非晶質シリコン系半導体薄膜がp型であることを特徴と
する請求項2に記載の光起電力装置。 - 【請求項4】 前記実質的に真性な非晶質シリコン系半
導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコン半導体
よりも高く2×1022cm-3以下であり、且つ界面酸素
原子面密度が5×1013cm-2以上1×1016cm-2以
下であることを特徴とする請求項2又は3に記載の光起
電力装置。 - 【請求項5】 一導電型に荷電子制御された結晶系シリ
コン半導体と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコ
ン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン
系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコ
ン半導体の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半
導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体と同じ
導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜
を設けた光起電力装置において、前記結晶系シリコン半
導体と裏面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導体
薄膜とが形成する界面に、裏面側の実質的に真性な非晶
質シリコン系半導体薄膜中よりも高濃度の酸素原子を存
在させたことを特徴とする光起電力装置。 - 【請求項6】 一導電型に荷電子制御された結晶系シリ
コン半導体がn型であり、他導電型に荷電子制御された
非晶質シリコン系半導体薄膜がp型であることを特徴と
する請求項5に記載の光起電力装置。 - 【請求項7】 前記裏面側の実質的に真性な非晶質シリ
コン系半導体薄膜中の酸素体積濃度が前記結晶系シリコ
ン半導体よりも高く2×1022cm-3以下であり、且つ
界面酸素原子面密度が5×1013cm-2以上5×1016
cm-2以下であることを特徴とする請求項5又は6に記
載の光起電力装置。 - 【請求項8】 前記結晶系シリコン半導体と表面側の実
質的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜とが形成する
界面に、表面側の実質的に真性な非晶質シリコン系半導
体薄膜中よりも高濃度の酸素原子を存在させたことを特
徴とする5ないし7のいずれかに記載の光起電力装置。 - 【請求項9】 一導電型に荷電子制御された結晶系シリ
コン半導体と他導電型に荷電子制御された非晶質シリコ
ン系半導体薄膜との間に実質的に真性な非晶質シリコン
系半導体薄膜を介在させるとともに、前記結晶系シリコ
ン半導体の裏面側に実質的に真性な非晶質シリコン系半
導体薄膜を介在させて前記結晶系シリコン半導体と同じ
導電型に荷電子制御された非晶質シリコン系半導体薄膜
を設けた光起電力装置の製造方法において、前記結晶系
シリコン半導体の面に水素ガスと炭酸ガスとの混合ガス
を用いてプラズマ放電させて結晶系シリコン半導体の面
にプラズマ処理を施した後、荷電子制御を行わない実質
的に真性な非晶質シリコン系半導体薄膜を形成すること
を特徴とする光起電力装置の製造方法。
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