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
(57)【要約】
【課題】 この発明は、結晶系シリコン半導体と非結晶
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。
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
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置、特
に光起電力装置及びその製造方法に関する。
に光起電力装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光起電力装置は、光を吸収し電流に主に
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。
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。
【０００３】図５は、単結晶シリコン基板の表面を凹凸
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。
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。
【０００４】また、単結晶シリコン基板１０１の裏面側
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。
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。
【０００５】上記の構造により、凹凸化された表面で光
反射を抑制し、効率良く光を装置内に取り込んでいる。
反射を抑制し、効率良く光を装置内に取り込んでいる。
【０００６】上記したように、互いに逆の導電型を有す
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。
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。
【発明が解決しようとする課題】上記したｐｎ接合は、
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。
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。
【０００７】この発明は、上記した従来の問題点に鑑み
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。
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置
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。
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。
【０００９】ここで、非晶質系半導体薄膜とは、完全な
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。
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。
【００１０】また、この発明の光起電力装置は、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。
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。
【００１１】また、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。
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。
【００１２】また、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以下にするとよい。
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。
【００１３】上記した構成によると、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。
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。
【００１４】又、この発明は、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。
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。
【００１５】また、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。
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。
【００１６】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５×１０16ｃ
ｍ-2以下にするとよい。
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。
【００１７】更に、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。
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。
【００１８】上記の構成によると、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
されると考えられる。
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。
【００１９】また、この発明は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。
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。
【００２０】上記の構成によれば、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
する界面に酸素原子を存在させることができる。
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。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につき
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。
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。
【００２２】結晶系半導体基板としては、単結晶シリコ
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。
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。
【００２３】この単結晶シリコン基板１１を洗浄し、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）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。
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。
【００２４】その後、非晶質系半導体薄膜として、シラ
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。
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。
【００２５】次に、上記ｎ型単結晶シリコン基板１１の
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。
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。
【００２６】更に、表面側電極としてＩＴＯ膜１６をス
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）。
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）。
【００２７】上記した光起電力装置の具体的な形成条件
を表１に示す。
を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】次に、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、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。
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。
【００３０】
【表２】
【００３１】表２から明らかなように、単結晶シリコン
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。
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。
【００３２】図３にＣＯ2ガスを導入して基板表面側に
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。
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。
【００３３】図３から界面酸素原子面密度が５×１０13
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。
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。
【００３４】上記したように、界面に酸素原子を存在さ
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。
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。
【００３５】次に、単結晶シリコン基板１１の裏面側の
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。
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。
【００３６】
【表３】
【００３７】表３から明らかなように、単結晶シリコン
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。
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。
【００３８】図４にＣＯ2ガスを導入して基板裏面側に
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。
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。
【００３９】図４から界面リン原子密度が５×１０13ｃ
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。
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。
【００４０】次に、基板の表裏面、すなわち、ｐ側およ
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。
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。
【００４１】
【表４】
【００４２】表４からｐ／ｎ両側への水素プラズマ処理
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。
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。
【００４３】上記したように、結晶系シリコン半導体と
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。
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。
【００４４】尚、上記した実施形態においては、非晶質
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。
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。
【００４５】又、単結晶基板としてｐ型単結晶基板を用
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。
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。
【００４６】尚、上記した実施形態においては、ここ
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
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
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、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。
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。
【図１】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。
造工程別に示した断面図である。
【図２】ＳＩＭＳ分析により測定した酸素体積濃度を示
す特性図である。
す特性図である。
【図３】光起電力装置の出力（Ｐｍａｘ）と、表面側の
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。
【図４】光起電力装置の出力（Ｐｍａｘ）と、裏面側の
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。
【図５】単結晶シリコン基板の表面を凹凸化し、その結
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。
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。
１１ 単結晶シリコン基板
１２ ｉ型非晶質シリコン層
１３ ｐ型非晶質シリコン層
１４ ｉ型非晶質シリコン層
１５ ｎ型非晶質シリコン層
１６、１７ ＩＴＯ膜
１８、１９ 集電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１５年２月２６日（２００３．２．２
６）
６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２４】その後、非晶質系半導体薄膜として、シラ
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。
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３９】図４から界面酸素原子密度が５×１０13ｃ
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。
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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４６】尚、上記した実施形態においては、ここ
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
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
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、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。
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。
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5F045 AA08 AB03 AC01 AF03 CA13
HA01 HA04
5F051 AA02 AA04 AA05 AA16 CA03
CA05 CA15 CA32 CA35 CA36
CA37 CA40 DA04 GA04 GA15
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。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002059393A JP4070483B2 (ja) | 2002-03-05 | 2002-03-05 | 光起電力装置並びにその製造方法 |
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|---|---|
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| JP4070483B2 JP4070483B2 (ja) | 2008-04-02 |
Family
ID=27784743
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002059393A Expired - Lifetime JP4070483B2 (ja) | 2002-03-05 | 2002-03-05 | 光起電力装置並びにその製造方法 |
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