JP2004273887A - 結晶薄膜半導体装置及び太陽電池素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】１０％を超える光電変換効率を達成できる大面積の結晶薄膜半導体装置及び太陽電池素子を得ること。
【解決手段】基板０１上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層２０が形成され、その上部に第一のシリコン層０４ａ、該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層０５ａが形成されている半導体装置において、上記第一のシリコン層０４ａ及び第二のシリコン層０５ａがレーザー光０６によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層０４ａが、第二のシリコン層０５ａよりも上記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、上記レーザー光０６によるアニールを施されることによって成る、構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】基板０１上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層２０が形成され、その上部に第一のシリコン層０４ａ、該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層０５ａが形成されている半導体装置において、上記第一のシリコン層０４ａ及び第二のシリコン層０５ａがレーザー光０６によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層０４ａが、第二のシリコン層０５ａよりも上記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、上記レーザー光０６によるアニールを施されることによって成る、構成とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子基板、半導体素子等の結晶薄膜半導体装置及び太陽電池素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非導電性の異種基板上、例えばガラス基板上等にシリコン結晶薄膜を形成する研究が盛んに行なわれている。このガラス基板上に形成したシリコン結晶薄膜の用途は広く、液晶デバイス用ＴＦＴ、薄膜光電変換素子などに用いることができる。
【０００３】
薄膜太陽光発電素子は、安価な基板上に低温プロセスで良好な結晶性をもつ結晶シリコン薄膜を形成し、これを光電変換装置に用いて、低コスト化と高性能化を図るものである。この結晶シリコン薄膜を光電変換素子に用いることによって、非晶質シリコン光電変換素子で問題となっている光劣化が観測されず、さらに非晶質光電変換素子では感度のない、長波長光をも電気的エネルギーに変換することができる。この技術は光電変換素子のみではなく、光センサ等の光電変換装置への応用も可能であると期待されている。
【０００４】
このシリコン結晶光電変換素子は、一般的にプラズマＣＶＤによって直接結晶シリコン薄膜を堆積させる手法が用いられている。この手法によって、基板上に低温で結晶シリコンが形成され得ることが知られており、低コスト化に有効であるとされている。
【０００５】
この手法においては、プラズマＣＶＤ形成条件としては、水素でシラン系原料ガスを１５倍程度以上に希釈し、プラズマ反応室内圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、基板温度を１５０℃〜５５０℃、望ましくは４００℃以下の範囲内に制御して成膜する。これによって結晶性のシリコン薄膜が基板上に形成される。しかし、この方法では結晶粒径の大きなポリシリコンを形成することは困難であった。また、発電機能の根幹を担うｉ層は、素子構造最適化のためにドーピングを行なうと品質が急激に低下する。これらのことから、低コスト化に有利なシングルセルで１０％を大きく上回る光電変換効率を達成することは困難であった。
【０００６】
一方、レーザーの走査によって結晶化する試みも種々検討されており、連続波を用いる方法も既に公報に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は異種基板上に非晶質シリコンを形成し、帯状の連続光源を走査することで多結晶シリコン層に熔融・結晶化するもので、走査方向に長い結晶粒を成長させることを可能としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２００１−３５１８６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高効率な太陽電池を形成しようとした場合、上記した連続波レーザーの走査によって結晶化する方法には、次のような課題がある。
【０００９】
すなわち、上記特許文献１の方法は、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を目的に考案されているものである。つまり、横方向デバイスであり、結晶シリコン膜の上下に電極を形成する必要がない。一方、太陽電池等の縦方向デバイスは上下に電極を形成する必要がある。
【００１０】
しかるに、非晶質シリコンを電極上に直接形成し、その後結晶化を行なうと、Ａｌ等の電極材は瞬時にシリコン中に拡散し、デバイスの特性を著しく低下させる。また、高融点材料を用いた場合においても、その融解熱による拡散は逃れられず、特性に悪影響を及ぼす。これは１０％を超える太陽電池を作製するにあたり、致命的であった。
【００１１】
上記の理由より、高効率な太陽電池を形成するにはこれまでの技術では不充分であった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、１０％を超える光電変換効率を達成できる太陽電池等の大面積の結晶薄膜半導体装置の作製手段を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１４】
請求項１の発明に係る結晶薄膜半導体装置は、基板上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層が形成され、その上部に第一のシリコン層、該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層が形成されている半導体装置において、前記第一のシリコン層及び第二のシリコン層はレーザー光によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層は、第二のシリコン層よりも前記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、前記レーザーによるアニールを施されることによって成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第一のシリコン層は、結晶成分を含む、もしくはすべてが結晶成分であるシリコン層として形成されレーザーアニールを施されることにより成り、また前記第二のシリコン層は、非晶質シリコンとして形成されレーザーアニールを施されることにより成ることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の結晶薄膜半導体装置において、前記電極層が、基板側から金属電極、その上部に透明導電膜の順に設けた複数の電極層によって構成されており、前記透明導電膜が酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のいずれかから成ることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第一のシリコン層及び第二のシリコン層は半導体に導電性を付与する働きを持つ不純物を有しており、その第一のシリコン層の不純物濃度は第二のシリコン層の不純物濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第二のシリコン層の上部の一部もしくは全面に、非単結晶の第三のシリコン層が形成されており、該第三のシリコン層は第一のシリコン層とは逆の導電型を付与する働きを持つ不純物を有していることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項５に記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第三のシリコン層上の一部もしくは全面に、導電性を有する透明導電膜として酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯのいずれかから成る反射防止膜を有しており、この透明導電膜上の一部に取り出し用金属電極が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、前記レーザーは波長９００ｎｍ以下の光を連続的に発振することを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明に係る太陽電池素子は、請求項１〜７のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置の一部もしくは全部を用いて構成したことを特徴とする。
【００２２】
＜発明の要点＞
本発明の結晶薄膜半導体装置は、まず、電極層（裏面電極層）が形成された基板上に、微結晶シリコン層もしくはポリシリコン層等から成る結晶性のシリコン層（レーザーアニールする前の第一のシリコン層）を形成する。その上部に非晶質シリコン層（レーザーアニールにより結晶化する前の第二のシリコン層）を形成し、レーザー光によってエネルギーを与え、非晶質シリコンを融解し冷却されることによって結晶化させ、結晶シリコン層（第一のシリコン層及び第二のシリコン層）とする。本発明においては、この結晶化の際、結晶性のシリコン層の吸収係数よりも非晶質シリコン層の吸収係数の方が大きいため、非晶質シリコン層によりレーザー光の殆どが吸収され、非晶質シリコン層は融解するが結晶性のシリコン層は融解しない。
【００２３】
このことから、融解した非晶質シリコン層が冷却され第二のシリコン層となった際、基板上の金属層を構成する元素が第二の結晶シリコン層中に多量に拡散された状態になることを防ぐことができる。従って、第二の結晶シリコン層の品質を低下させることなく裏面側に電極を形成することが可能となる。この技術によってレーザー光によってエネルギーを与え、結晶化した膜を縦型デバイス、特に太陽電池に適用させ、高品質なデバイスを作製することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明による結晶薄膜半導体装置は、以下の基本的な構成（図１（ａ）〜図２（ｄ）に製造工程として示す）からなる。なお、レーザー光によって結晶化（アニール）される前の第一のシリコン層及び第二のシリコン層を、ＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層と記す。
【００２５】
まず、電極層（裏面電極層）２０が形成された基板０１上に、微結晶シリコン層もしくはポリシリコン層等から成る、結晶性のＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を形成する。
【００２６】
その上部にＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）として非晶質シリコン層を形成し、図１（ｂ）の如くレーザー光０６によってエネルギーを与え、非晶質シリコンを融解し冷却されることによって結晶化させ、結晶シリコン層（第一のシリコン層０４ａ）及び結晶シリコン層（第二のシリコン層０５ａ）とする。
【００２７】
この結晶化の際、ＳｉＸ−１層（結晶性のシリコン層）の吸収係数よりもＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）の吸収係数の方が大きい場合、ＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）によりレーザー光の殆どが吸収され、ＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）は融解するがＳｉＸ−１層（結晶性のシリコン層）は融解しない。
【００２８】
このことから、融解したＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）が冷却され第二のシリコン層０５ａとなった際、基板上の金属層を構成する元素が第二の結晶シリコン層中に多量に拡散された状態になることを防ぐことができる。従って、第二の結晶シリコン層の品質を低下させることなく裏面側に電極を形成することが可能となる。この技術によってレーザー光によってエネルギーを与え、結晶化した膜を縦型デバイス、特に太陽電池に適用させ、高品質なデバイスを作製することが可能となった。
【００２９】
まず初めに、導電性もしくは、非導電性の基板０１を用意する。この基板上に裏面電極層２０を形成する。一例として、電極材にはＡｌ、Ａｇ等の金属電極材料を主成分とした電極が適しているが、この他にも導電性を有する金属電極やＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ等の酸化物透明導電膜、その他導電性を有する電極層であればなんでもよい。また、下地にＡｇ等の金属電極、その上部にＺｎＯ等の透明導電膜を構成した多層電極層としても良い。
【００３０】
この裏面電極層２０上に結晶性のＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を形成する。このＳｉＸ−１層の形成方法としては、一例としてプラズマＣＶＤ法における結晶条件で形成する方法が挙げられる。その他、熱ＣＶＤやＣＶＤ、ＭＢＥ等、結晶性のシリコン層が形成できる方法であればなんでもよい。
【００３１】
そのＳｉＸ−１層の上部に、ＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）を形成する。このＳｉＸ−２層は非単結晶層として形成され、連続的な光線によって融解、結晶化を行なって形成する。
【００３２】
この非単結晶層の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法の他、スパッタリング、ｃａｔ−ＣＶＤ（触媒気相化学堆積法）、熱ＣＶＤ、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）等、非単結晶層が形成できる方法であればなんでもよい。この非単結晶層はＳｉＸ−１層とは光学的に特性が異なっている必要がある。代表的にはＳｉＸ−２層を非晶質シリコン層、ＳｉＸ−１層を結晶性のシリコン層として形成する。これにレーザー光０６を照射することで、融解し結晶化させ、第一のシリコン層４ａ及び第二のシリコン層５ａを形成する。
【００３３】
このレーザー光０６は、ＳｉＸ−２層を非晶質シリコンで形成する場合は、波長８００ｎｍ以下であることが望ましい。このようなレーザー光にはさまざまな種類のレーザーを用いることができる。その一例としてＹＡＧレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）の第二高調波（波長：５３２ｎｍ）がある。ＹＡＧレーザーは、エキシマレーザー等の気体レーザーとは異なり扱いが容易である。また、連続発振が可能であることから、グレインサイズの大きなポリシリコンを形成することができる。
【００３４】
この波長域の光線であると非晶質シリコン層（ＳｉＸ−２層）と結晶性のシリコン層（ＳｉＸ−１層）とでは、光の吸収係数が非晶質シリコン層（ＳｉＸ−２層）の方が大幅に大きい。そのため、非晶質シリコン層（ＳｉＸ−２層）が融解する光の強度であっても結晶性のシリコン層（ＳｉＸ−１層）は融解しない。そのため、その下の電極層２０を構成する物質が第二のシリコン層０５ａに不純物として拡散することを防ぐことができる。同時に第一のシリコン層０４ａと電極層２０は、連続光照射によって熱エネルギーが与えられるために、接触抵抗が大幅に低減され、裏面電極としては理想的な状態として形成できる。また、電極層２０を、Ａｌ、Ａｇなどの金属層０２と、その上に形成した、導電性を付与するドーピングを施したＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の透明導電膜０３とで構成することもでき、かかる構成とした場合、太陽電池として用いた場合、裏面内部反射率を大幅に向上させることができ、太陽電池発電効率を向上させることが可能となる。
【００３５】
この様にして形成した第二のシリコン層０５ａを太陽電池の発電層として用いる場合、ＳｉＸ−１層には導電性を付与する不純物を高濃度にドーピングし、ＳｉＸ−２層にはＳｉＸ−１層よりも低濃度にドーピングしてあることが望ましい。導電性を付与する不純物としては代表的にはｎ型の場合、燐、アンチモン、ｐ型の場合ボロン等が挙げられるが、これに限るものではなく、実質的に導電性を付与することができる物質であればなんでもよい。ドーピングを行なう方法は、プラズマＣＶＤでこれら半導体層を形成する場合、ドーピングガスを用いてドーピングを行なうが、ノンドープで形成し、ドーピング材を熱による拡散で混入させる方法等もあり、実質的にドーピングが行なえる方法であればなんでもよい。この様にドーピングが施されたＳｉＸ−１層とＳｉＸ−２層にレーザー光を照射することで、所望の導電型及びドーピング濃度の第一のシリコン層、第二のシリコン層が形成できる。なお、この方法によるドーパントの活性化率は１００％に近く、太陽電池を設計するにあたって非常に有利である。
【００３６】
この結晶薄膜半導体装置を太陽電池に用いる場合は、図２（ｄ）に示すように、第二のシリコン層０５ａの上部に第三のシリコン層０８を形成する必要がある。この第三のシリコン層は第一のシリコン層４ａの導電型の逆型である必要がある。具体的には、第一のシリコン層４ａがｎ型であった場合は第三のシリコン層はｐ型、第一のシリコン層４ａがｐ型の場合にはｎ型とする必要がある。第二のシリコン層０５ａの導電型は、前記にもあるように、第一のシリコン層４ａの導電型と同じで且つ、第一のシリコン層４ａの濃度と比べて低濃度であることが望ましい。しかしながら、第二のシリコン層０５ａはノンドープとすることでもｐｉｎ型ダイオードとなり、太陽電池として作製することは可能である。
【００３７】
この第三のシリコン層０８の上部に、反射防止膜０９を形成する。この反射防止膜０９には、ＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。この反射防止膜０９を形成することによって半導体表面の表面内部反射率を向上させることができ、さらに太陽電池の発電効率を向上させることができる。また、この反射防止膜に導電性を付与するドーパントを混入させることで、透明導電膜とし、太陽電池における直列抵抗を低減することができる。反射防止膜０９を透明導電膜とした場合は、その上部にＡｌ等の金属取り出し電極１０を形成することで、ダイオードにおけるエミッタ側の直列抵抗を下げることができ、太陽電池構造とすることができる。また、反射防止膜に導電性を付与しない場合は、反射防止膜の一部をエッチングによって除去し、その反射防止膜を除去した部分にエミッタ側金属取り出し電極１０を形成する。
【００３８】
この様にして形成した積層体において、図２（ｄ）に示すように、半導体層及び反射防止膜の一部を裏面側の電極２０が露出するまで除去し、裏面電極取り出し部１１を形成する。この裏面側電極取り出し部１１は、薄膜太陽電池としては、一般的にはライン状に形成することが多い。しかし、結晶シリコン基板を用いた太陽電池の電極構造として知られている、バスバー、フィンガータイプの形状としてもよい。この電極構造は、裏面側の直列抵抗が低くなる方法を用いることが望ましい。
【００３９】
このように本発明によれば、連続的な光線によって融解、結晶化した高品質なシリコン薄膜を、縦方向デバイスである太陽電池に適用することができ、高効率、且つ低コストな太陽電池の作製が可能となる。当然のことであるが、本発明は太陽電池のみならず、バイポーラトランジスタ等、他の縦方向デバイスにも適用可能である。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
本実施例ではプラズマＣＶＤを用いてシリコン層を形成することを試みた。図１（ａ）において、まず始めに、石英基板０１を用意し、その上部に金属電極０２としてＡｇ電極を２００ｎｍ形成した。その上部にＭｇをドーピングしたＺｎＯ透明導電膜０３を形成した。このようにして裏面電極２０を形成した基板上に、プラズマＣＶＤを用いて結晶性のＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を形成した。この形成条件は、ＳｉＨ４：２ｃｃｍ、Ｈ２：５０ｃｃｍ、ＰＨ４：４ｃｃｍの混合ガスを用い、基板温度２５０℃、プラズマ電源は１３．５６ｋＨｚのＲＦ周波数を用いた。この条件では微結晶シリコンが形成される。この第一のシリコン層０４の膜厚は１００ｎｍとした。
【００４２】
この第一のシリコン層０４の上部にＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）を形成した。ＳｉＸ−２層の形成にもプラズマＣＶＤを用いた。この形成条件はＳｉＨ４：１０ｃｃｍ、ＰＨ４：０．０１ｃｃｍの混合ガスを用い、基板温度５００℃、プラズマ電源はＲＦ周波数を用いた。この条件では、ｎ型のドーパントを含んだ非晶質シリコンが形成される。
【００４３】
この第二のシリコン層０５に、図１（ｂ）に示すように、連続的に発振するレーザー光０６を照射して、非晶質シリコンを融解、結晶化させる。この連続的な光には、ＹＡＧレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）の第二高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いた。０７は融解した半導体層を示す。このＹＡＧレーザー照射によってＳｉＸ−２層の非晶質シリコンは融解され、その後短時間で結晶化する。しかしながら、ＳｉＸ−１層を構成する微結晶シリコンは、光の吸収係数が小さいことから、融解しないことが分かった。
【００４４】
この様にしてＳｉＸ−１層（結晶性のシリコン層０４）、ＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層０５）を、図２（ｃ）に示すように、それぞれ第一のシリコン層０４ａ、第二のシリコン層０５ａに変化させる。
【００４５】
このレーザー光の照射によって基板上全面を結晶化した後、この結晶化された第二のシリコン層０５ａの上部に、図２（ｄ）に示すように、第三のシリコン層０８をプラズマＣＶＤの結晶条件で形成した。形成条件はＳｉＨ４：１ｃｃｍ、Ｈ２：５０ｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６：１ｃｃｍとした。この条件ではｐ型の微結晶シリコンが形成され、第二のシリコン層０５ａと第三のシリコン層０８との間はＰＮ接合となる。この第三のシリコン層０８の上部に反射防止膜０９としてＩＴＯ透明導電膜を形成し、さらにその上部の一部にエミッタ側取り出し用電極１０としてＡｌ電極を形成し、さらに透明電極層０３に達する裏面電極取り出し部１１を形成して、太陽電池構造とした。
【００４６】
この太陽電池を２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、単結晶シリコン基板太陽電池に匹敵する０．６４５Ｖの開放電圧を示した。また、２５℃光照射なしにおけるＩ−Ｖ特性からは、直列抵抗の値が０．３Ω／ｃｍ２となり、裏面におけるコンタクト抵抗が十分に低いことが分かった。
【００４７】
なお、比較の為に、第一のシリコン層を形成しなかった太陽電池も作成したが、２５℃光照射なしのＩ−Ｖ特性では整流性を示さず、レーザーで結晶化した層がｎ型の半導体層として機能していないことが分かった。また、ＳＩＭＳ分析の結果、Ａｇが膜中に４×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度で存在することが分かった。
【００４８】
以上の結果より、ＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を結晶状態で形成することによって、裏面電極層２０を構成する元素の拡散を防ぐこと確認できた。なお、裏面の透明導電膜０３には、酸化亜鉛の他にも、酸化錫、ＩＴＯ、酸化シリコンで同様の効果があった。また、基板０１に安価なガラス基板を用いた場合にも同様の結果となった。
【００４９】
また、波長８４０ｎｍの半導体レーザーを用いて結晶化した場合についても、同様の結果となった。
【００５０】
［実施例２］
本実施例では、実施例１と同様の構造を用い、ＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層の形成方法を実施例１とは異なった方法を用いて、太陽電池の作製を試みた。
【００５１】
まず、実施例１と同様の裏面電極２０（金属層０２及び透明電極層０３）付きの石英基板０１を用意し、その上部に熱ＣＶＤを用いてＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）として高濃度にドーピングしたｎ型の多結晶シリコン層を形成した。その上部にＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）として、スパッタリングを用いて、ｎ型のドーパントが低濃度に混入された非晶質シリコンを形成した。
【００５２】
これらＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層を実施例１と同様にＹＡＧレーザーを用いて結晶化した。これによってＳｉＸ−１層とＳｉＸ−２層は、第一のシリコン層０４ａ、第二のシリコン層０５ａに変化した。その後、この第二のシリコン層の上部に、第三のシリコン層０８を実施例１と同様にプラズマＣＶＤを用いてｐ型の微結晶シリコン層として形成し、さらに反射防止膜０９、取り出し電極１０、裏面電極取り出し部１１を実施例１と同様の構造で作製し、太陽電池構造とした。
【００５３】
この様にして形成した太陽電池を２５℃１ｓｕｎの光照射下におけるＩ−Ｖ特性では、開放電圧が０．６２Ｖの電圧を示した。また、ＳｉＸ−１層の形成方法としてスパッタリングによる形成で基板温度を上げて形成した場合にも同様の効果があった。ＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層の形成方法として、この他にもｃａｔ−ＣＶＤ、ＭＢＥ等でも同様の効果があった。
【００５４】
また、第三のシリコン層０８の形成方法としては、熱ＣＶＤを用いて第二のシリコン層０５ａからエピタキシャル成長させた第二のシリコン層と逆導電型の半導体層で形成した太陽電池も作製した。この場合においても、２５℃１ｓｕｎ下でのＩ−Ｖ特性において、開放電圧０．６２２Ｖを示し、高品質な太陽電池が作製できた。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る結晶薄膜半導体装置は、基板上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層を形成し、その上部に第一のシリコン層を、また該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層を形成した半導体装置であって、上記第一のシリコン層及び第二のシリコン層がレーザー光によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層が、第二のシリコン層よりも上記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、上記レーザーによるアニールを施されることによって成る、という構成のものである。具体的には、レーザーアニールを施される前の第一のシリコン層は、結晶成分を含むもしくはすべてが結晶成分であるシリコン層として形成され、またレーザーアニールを施される前の第二のシリコン層は非晶質シリコンとして形成される。
【００５６】
本発明においては、このレーザーアニールによる結晶化の際、結晶性のシリコン層の吸収係数よりも非晶質シリコン層の吸収係数の方が大きいため、非晶質シリコン層によりレーザー光の殆どが吸収され、非晶質シリコン層は融解するが結晶性のシリコン層は融解しない。このことから、融解した非晶質シリコン層が冷却され第二のシリコン層となった際、基板上の金属層を構成する元素が第二の結晶シリコン層中に多量に拡散された状態になることを防ぐことができる。従って、第二の結晶シリコン層の品質を低下させることなく裏面側に電極を形成することが可能となる。
【００５７】
よって、この技術によってレーザー光によってエネルギーを与え、結晶化した膜を縦型デバイス、特に太陽電池に適用させ、高品質なデバイスを作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶シリコン半導体装置の作製過程の前半を示したもので、（ａ）はアニール前の第二のシリコン層までを形成した段階を示す模式図、（ｂ）はレーザーアニールを施して結晶シリコンとする段階を示す図である。
【図２】本発明の結晶シリコン半導体装置の作製過程の後半を示したもので、（ｃ）はレーザーアニールにより結晶シリコンとした段階を示す図、（ｄ）は取り出し電極を設けた段階を示す図である。
【符号の説明】
０１ 基板
０２ 金属層
０３ 透明電極層
０４ アニール前の第一のシリコン層（ＳｉＸ−１層）
０４ａ 第一のシリコン層
０５ アニール前の第二のシリコン層（ＳｉＸ−２層）
０５ａ 第二のシリコン層
０６ レーザー光
０７ 融解した半導体層
０８ 第三のシリコン層
０９ 反射防止膜
１０ エミッタ側取り出し電極
１１ 裏面電極取り出し部
２０ 裏面電極層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子基板、半導体素子等の結晶薄膜半導体装置及び太陽電池素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非導電性の異種基板上、例えばガラス基板上等にシリコン結晶薄膜を形成する研究が盛んに行なわれている。このガラス基板上に形成したシリコン結晶薄膜の用途は広く、液晶デバイス用ＴＦＴ、薄膜光電変換素子などに用いることができる。
【０００３】
薄膜太陽光発電素子は、安価な基板上に低温プロセスで良好な結晶性をもつ結晶シリコン薄膜を形成し、これを光電変換装置に用いて、低コスト化と高性能化を図るものである。この結晶シリコン薄膜を光電変換素子に用いることによって、非晶質シリコン光電変換素子で問題となっている光劣化が観測されず、さらに非晶質光電変換素子では感度のない、長波長光をも電気的エネルギーに変換することができる。この技術は光電変換素子のみではなく、光センサ等の光電変換装置への応用も可能であると期待されている。
【０００４】
このシリコン結晶光電変換素子は、一般的にプラズマＣＶＤによって直接結晶シリコン薄膜を堆積させる手法が用いられている。この手法によって、基板上に低温で結晶シリコンが形成され得ることが知られており、低コスト化に有効であるとされている。
【０００５】
この手法においては、プラズマＣＶＤ形成条件としては、水素でシラン系原料ガスを１５倍程度以上に希釈し、プラズマ反応室内圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ、基板温度を１５０℃〜５５０℃、望ましくは４００℃以下の範囲内に制御して成膜する。これによって結晶性のシリコン薄膜が基板上に形成される。しかし、この方法では結晶粒径の大きなポリシリコンを形成することは困難であった。また、発電機能の根幹を担うｉ層は、素子構造最適化のためにドーピングを行なうと品質が急激に低下する。これらのことから、低コスト化に有利なシングルセルで１０％を大きく上回る光電変換効率を達成することは困難であった。
【０００６】
一方、レーザーの走査によって結晶化する試みも種々検討されており、連続波を用いる方法も既に公報に開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は異種基板上に非晶質シリコンを形成し、帯状の連続光源を走査することで多結晶シリコン層に熔融・結晶化するもので、走査方向に長い結晶粒を成長させることを可能としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２００１−３５１８６３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高効率な太陽電池を形成しようとした場合、上記した連続波レーザーの走査によって結晶化する方法には、次のような課題がある。
【０００９】
すなわち、上記特許文献１の方法は、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を目的に考案されているものである。つまり、横方向デバイスであり、結晶シリコン膜の上下に電極を形成する必要がない。一方、太陽電池等の縦方向デバイスは上下に電極を形成する必要がある。
【００１０】
しかるに、非晶質シリコンを電極上に直接形成し、その後結晶化を行なうと、Ａｌ等の電極材は瞬時にシリコン中に拡散し、デバイスの特性を著しく低下させる。また、高融点材料を用いた場合においても、その融解熱による拡散は逃れられず、特性に悪影響を及ぼす。これは１０％を超える太陽電池を作製するにあたり、致命的であった。
【００１１】
上記の理由より、高効率な太陽電池を形成するにはこれまでの技術では不充分であった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、１０％を超える光電変換効率を達成できる太陽電池等の大面積の結晶薄膜半導体装置の作製手段を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１４】
請求項１の発明に係る結晶薄膜半導体装置は、基板上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層が形成され、その上部に第一のシリコン層、該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層が形成されている半導体装置において、前記第一のシリコン層及び第二のシリコン層はレーザー光によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層は、第二のシリコン層よりも前記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、前記レーザーによるアニールを施されることによって成ることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第一のシリコン層は、結晶成分を含む、もしくはすべてが結晶成分であるシリコン層として形成されレーザーアニールを施されることにより成り、また前記第二のシリコン層は、非晶質シリコンとして形成されレーザーアニールを施されることにより成ることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の結晶薄膜半導体装置において、前記電極層が、基板側から金属電極、その上部に透明導電膜の順に設けた複数の電極層によって構成されており、前記透明導電膜が酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のいずれかから成ることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第一のシリコン層及び第二のシリコン層は半導体に導電性を付与する働きを持つ不純物を有しており、その第一のシリコン層の不純物濃度は第二のシリコン層の不純物濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第二のシリコン層の上部の一部もしくは全面に、非単結晶の第三のシリコン層が形成されており、該第三のシリコン層は第一のシリコン層とは逆の導電型を付与する働きを持つ不純物を有していることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項５に記載の結晶薄膜半導体装置において、前記第三のシリコン層上の一部もしくは全面に、導電性を有する透明導電膜として酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯのいずれかから成る反射防止膜を有しており、この透明導電膜上の一部に取り出し用金属電極が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、前記レーザーは波長９００ｎｍ以下の光を連続的に発振することを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明に係る太陽電池素子は、請求項１〜７のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置の一部もしくは全部を用いて構成したことを特徴とする。
【００２２】
＜発明の要点＞
本発明の結晶薄膜半導体装置は、まず、電極層（裏面電極層）が形成された基板上に、微結晶シリコン層もしくはポリシリコン層等から成る結晶性のシリコン層（レーザーアニールする前の第一のシリコン層）を形成する。その上部に非晶質シリコン層（レーザーアニールにより結晶化する前の第二のシリコン層）を形成し、レーザー光によってエネルギーを与え、非晶質シリコンを融解し冷却されることによって結晶化させ、結晶シリコン層（第一のシリコン層及び第二のシリコン層）とする。本発明においては、この結晶化の際、結晶性のシリコン層の吸収係数よりも非晶質シリコン層の吸収係数の方が大きいため、非晶質シリコン層によりレーザー光の殆どが吸収され、非晶質シリコン層は融解するが結晶性のシリコン層は融解しない。
【００２３】
このことから、融解した非晶質シリコン層が冷却され第二のシリコン層となった際、基板上の金属層を構成する元素が第二の結晶シリコン層中に多量に拡散された状態になることを防ぐことができる。従って、第二の結晶シリコン層の品質を低下させることなく裏面側に電極を形成することが可能となる。この技術によってレーザー光によってエネルギーを与え、結晶化した膜を縦型デバイス、特に太陽電池に適用させ、高品質なデバイスを作製することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明による結晶薄膜半導体装置は、以下の基本的な構成（図１（ａ）〜図２（ｄ）に製造工程として示す）からなる。なお、レーザー光によって結晶化（アニール）される前の第一のシリコン層及び第二のシリコン層を、ＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層と記す。
【００２５】
まず、電極層（裏面電極層）２０が形成された基板０１上に、微結晶シリコン層もしくはポリシリコン層等から成る、結晶性のＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を形成する。
【００２６】
その上部にＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）として非晶質シリコン層を形成し、図１（ｂ）の如くレーザー光０６によってエネルギーを与え、非晶質シリコンを融解し冷却されることによって結晶化させ、結晶シリコン層（第一のシリコン層０４ａ）及び結晶シリコン層（第二のシリコン層０５ａ）とする。
【００２７】
この結晶化の際、ＳｉＸ−１層（結晶性のシリコン層）の吸収係数よりもＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）の吸収係数の方が大きい場合、ＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）によりレーザー光の殆どが吸収され、ＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）は融解するがＳｉＸ−１層（結晶性のシリコン層）は融解しない。
【００２８】
このことから、融解したＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層）が冷却され第二のシリコン層０５ａとなった際、基板上の金属層を構成する元素が第二の結晶シリコン層中に多量に拡散された状態になることを防ぐことができる。従って、第二の結晶シリコン層の品質を低下させることなく裏面側に電極を形成することが可能となる。この技術によってレーザー光によってエネルギーを与え、結晶化した膜を縦型デバイス、特に太陽電池に適用させ、高品質なデバイスを作製することが可能となった。
【００２９】
まず初めに、導電性もしくは、非導電性の基板０１を用意する。この基板上に裏面電極層２０を形成する。一例として、電極材にはＡｌ、Ａｇ等の金属電極材料を主成分とした電極が適しているが、この他にも導電性を有する金属電極やＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ等の酸化物透明導電膜、その他導電性を有する電極層であればなんでもよい。また、下地にＡｇ等の金属電極、その上部にＺｎＯ等の透明導電膜を構成した多層電極層としても良い。
【００３０】
この裏面電極層２０上に結晶性のＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を形成する。このＳｉＸ−１層の形成方法としては、一例としてプラズマＣＶＤ法における結晶条件で形成する方法が挙げられる。その他、熱ＣＶＤやＣＶＤ、ＭＢＥ等、結晶性のシリコン層が形成できる方法であればなんでもよい。
【００３１】
そのＳｉＸ−１層の上部に、ＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）を形成する。このＳｉＸ−２層は非単結晶層として形成され、連続的な光線によって融解、結晶化を行なって形成する。
【００３２】
この非単結晶層の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法の他、スパッタリング、ｃａｔ−ＣＶＤ（触媒気相化学堆積法）、熱ＣＶＤ、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）等、非単結晶層が形成できる方法であればなんでもよい。この非単結晶層はＳｉＸ−１層とは光学的に特性が異なっている必要がある。代表的にはＳｉＸ−２層を非晶質シリコン層、ＳｉＸ−１層を結晶性のシリコン層として形成する。これにレーザー光０６を照射することで、融解し結晶化させ、第一のシリコン層４ａ及び第二のシリコン層５ａを形成する。
【００３３】
このレーザー光０６は、ＳｉＸ−２層を非晶質シリコンで形成する場合は、波長８００ｎｍ以下であることが望ましい。このようなレーザー光にはさまざまな種類のレーザーを用いることができる。その一例としてＹＡＧレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）の第二高調波（波長：５３２ｎｍ）がある。ＹＡＧレーザーは、エキシマレーザー等の気体レーザーとは異なり扱いが容易である。また、連続発振が可能であることから、グレインサイズの大きなポリシリコンを形成することができる。
【００３４】
この波長域の光線であると非晶質シリコン層（ＳｉＸ−２層）と結晶性のシリコン層（ＳｉＸ−１層）とでは、光の吸収係数が非晶質シリコン層（ＳｉＸ−２層）の方が大幅に大きい。そのため、非晶質シリコン層（ＳｉＸ−２層）が融解する光の強度であっても結晶性のシリコン層（ＳｉＸ−１層）は融解しない。そのため、その下の電極層２０を構成する物質が第二のシリコン層０５ａに不純物として拡散することを防ぐことができる。同時に第一のシリコン層０４ａと電極層２０は、連続光照射によって熱エネルギーが与えられるために、接触抵抗が大幅に低減され、裏面電極としては理想的な状態として形成できる。また、電極層２０を、Ａｌ、Ａｇなどの金属層０２と、その上に形成した、導電性を付与するドーピングを施したＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の透明導電膜０３とで構成することもでき、かかる構成とした場合、太陽電池として用いた場合、裏面内部反射率を大幅に向上させることができ、太陽電池発電効率を向上させることが可能となる。
【００３５】
この様にして形成した第二のシリコン層０５ａを太陽電池の発電層として用いる場合、ＳｉＸ−１層には導電性を付与する不純物を高濃度にドーピングし、ＳｉＸ−２層にはＳｉＸ−１層よりも低濃度にドーピングしてあることが望ましい。導電性を付与する不純物としては代表的にはｎ型の場合、燐、アンチモン、ｐ型の場合ボロン等が挙げられるが、これに限るものではなく、実質的に導電性を付与することができる物質であればなんでもよい。ドーピングを行なう方法は、プラズマＣＶＤでこれら半導体層を形成する場合、ドーピングガスを用いてドーピングを行なうが、ノンドープで形成し、ドーピング材を熱による拡散で混入させる方法等もあり、実質的にドーピングが行なえる方法であればなんでもよい。この様にドーピングが施されたＳｉＸ−１層とＳｉＸ−２層にレーザー光を照射することで、所望の導電型及びドーピング濃度の第一のシリコン層、第二のシリコン層が形成できる。なお、この方法によるドーパントの活性化率は１００％に近く、太陽電池を設計するにあたって非常に有利である。
【００３６】
この結晶薄膜半導体装置を太陽電池に用いる場合は、図２（ｄ）に示すように、第二のシリコン層０５ａの上部に第三のシリコン層０８を形成する必要がある。この第三のシリコン層は第一のシリコン層４ａの導電型の逆型である必要がある。具体的には、第一のシリコン層４ａがｎ型であった場合は第三のシリコン層はｐ型、第一のシリコン層４ａがｐ型の場合にはｎ型とする必要がある。第二のシリコン層０５ａの導電型は、前記にもあるように、第一のシリコン層４ａの導電型と同じで且つ、第一のシリコン層４ａの濃度と比べて低濃度であることが望ましい。しかしながら、第二のシリコン層０５ａはノンドープとすることでもｐｉｎ型ダイオードとなり、太陽電池として作製することは可能である。
【００３７】
この第三のシリコン層０８の上部に、反射防止膜０９を形成する。この反射防止膜０９には、ＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。この反射防止膜０９を形成することによって半導体表面の表面内部反射率を向上させることができ、さらに太陽電池の発電効率を向上させることができる。また、この反射防止膜に導電性を付与するドーパントを混入させることで、透明導電膜とし、太陽電池における直列抵抗を低減することができる。反射防止膜０９を透明導電膜とした場合は、その上部にＡｌ等の金属取り出し電極１０を形成することで、ダイオードにおけるエミッタ側の直列抵抗を下げることができ、太陽電池構造とすることができる。また、反射防止膜に導電性を付与しない場合は、反射防止膜の一部をエッチングによって除去し、その反射防止膜を除去した部分にエミッタ側金属取り出し電極１０を形成する。
【００３８】
この様にして形成した積層体において、図２（ｄ）に示すように、半導体層及び反射防止膜の一部を裏面側の電極２０が露出するまで除去し、裏面電極取り出し部１１を形成する。この裏面側電極取り出し部１１は、薄膜太陽電池としては、一般的にはライン状に形成することが多い。しかし、結晶シリコン基板を用いた太陽電池の電極構造として知られている、バスバー、フィンガータイプの形状としてもよい。この電極構造は、裏面側の直列抵抗が低くなる方法を用いることが望ましい。
【００３９】
このように本発明によれば、連続的な光線によって融解、結晶化した高品質なシリコン薄膜を、縦方向デバイスである太陽電池に適用することができ、高効率、且つ低コストな太陽電池の作製が可能となる。当然のことであるが、本発明は太陽電池のみならず、バイポーラトランジスタ等、他の縦方向デバイスにも適用可能である。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
本実施例ではプラズマＣＶＤを用いてシリコン層を形成することを試みた。図１（ａ）において、まず始めに、石英基板０１を用意し、その上部に金属電極０２としてＡｇ電極を２００ｎｍ形成した。その上部にＭｇをドーピングしたＺｎＯ透明導電膜０３を形成した。このようにして裏面電極２０を形成した基板上に、プラズマＣＶＤを用いて結晶性のＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を形成した。この形成条件は、ＳｉＨ４：２ｃｃｍ、Ｈ２：５０ｃｃｍ、ＰＨ４：４ｃｃｍの混合ガスを用い、基板温度２５０℃、プラズマ電源は１３．５６ｋＨｚのＲＦ周波数を用いた。この条件では微結晶シリコンが形成される。この第一のシリコン層０４の膜厚は１００ｎｍとした。
【００４２】
この第一のシリコン層０４の上部にＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）を形成した。ＳｉＸ−２層の形成にもプラズマＣＶＤを用いた。この形成条件はＳｉＨ４：１０ｃｃｍ、ＰＨ４：０．０１ｃｃｍの混合ガスを用い、基板温度５００℃、プラズマ電源はＲＦ周波数を用いた。この条件では、ｎ型のドーパントを含んだ非晶質シリコンが形成される。
【００４３】
この第二のシリコン層０５に、図１（ｂ）に示すように、連続的に発振するレーザー光０６を照射して、非晶質シリコンを融解、結晶化させる。この連続的な光には、ＹＡＧレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）の第二高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いた。０７は融解した半導体層を示す。このＹＡＧレーザー照射によってＳｉＸ−２層の非晶質シリコンは融解され、その後短時間で結晶化する。しかしながら、ＳｉＸ−１層を構成する微結晶シリコンは、光の吸収係数が小さいことから、融解しないことが分かった。
【００４４】
この様にしてＳｉＸ−１層（結晶性のシリコン層０４）、ＳｉＸ−２層（非晶質シリコン層０５）を、図２（ｃ）に示すように、それぞれ第一のシリコン層０４ａ、第二のシリコン層０５ａに変化させる。
【００４５】
このレーザー光の照射によって基板上全面を結晶化した後、この結晶化された第二のシリコン層０５ａの上部に、図２（ｄ）に示すように、第三のシリコン層０８をプラズマＣＶＤの結晶条件で形成した。形成条件はＳｉＨ４：１ｃｃｍ、Ｈ２：５０ｃｃｍ、Ｂ２Ｈ６：１ｃｃｍとした。この条件ではｐ型の微結晶シリコンが形成され、第二のシリコン層０５ａと第三のシリコン層０８との間はＰＮ接合となる。この第三のシリコン層０８の上部に反射防止膜０９としてＩＴＯ透明導電膜を形成し、さらにその上部の一部にエミッタ側取り出し用電極１０としてＡｌ電極を形成し、さらに透明電極層０３に達する裏面電極取り出し部１１を形成して、太陽電池構造とした。
【００４６】
この太陽電池を２５℃、１ｓｕｎの模擬太陽光下においてＩ−Ｖ測定を行った結果、単結晶シリコン基板太陽電池に匹敵する０．６４５Ｖの開放電圧を示した。また、２５℃光照射なしにおけるＩ−Ｖ特性からは、直列抵抗の値が０．３Ω／ｃｍ２となり、裏面におけるコンタクト抵抗が十分に低いことが分かった。
【００４７】
なお、比較の為に、第一のシリコン層を形成しなかった太陽電池も作成したが、２５℃光照射なしのＩ−Ｖ特性では整流性を示さず、レーザーで結晶化した層がｎ型の半導体層として機能していないことが分かった。また、ＳＩＭＳ分析の結果、Ａｇが膜中に４×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度で存在することが分かった。
【００４８】
以上の結果より、ＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）を結晶状態で形成することによって、裏面電極層２０を構成する元素の拡散を防ぐこと確認できた。なお、裏面の透明導電膜０３には、酸化亜鉛の他にも、酸化錫、ＩＴＯ、酸化シリコンで同様の効果があった。また、基板０１に安価なガラス基板を用いた場合にも同様の結果となった。
【００４９】
また、波長８４０ｎｍの半導体レーザーを用いて結晶化した場合についても、同様の結果となった。
【００５０】
［実施例２］
本実施例では、実施例１と同様の構造を用い、ＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層の形成方法を実施例１とは異なった方法を用いて、太陽電池の作製を試みた。
【００５１】
まず、実施例１と同様の裏面電極２０（金属層０２及び透明電極層０３）付きの石英基板０１を用意し、その上部に熱ＣＶＤを用いてＳｉＸ−１層（アニール前の第一のシリコン層０４）として高濃度にドーピングしたｎ型の多結晶シリコン層を形成した。その上部にＳｉＸ−２層（アニール前の第二のシリコン層０５）として、スパッタリングを用いて、ｎ型のドーパントが低濃度に混入された非晶質シリコンを形成した。
【００５２】
これらＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層を実施例１と同様にＹＡＧレーザーを用いて結晶化した。これによってＳｉＸ−１層とＳｉＸ−２層は、第一のシリコン層０４ａ、第二のシリコン層０５ａに変化した。その後、この第二のシリコン層の上部に、第三のシリコン層０８を実施例１と同様にプラズマＣＶＤを用いてｐ型の微結晶シリコン層として形成し、さらに反射防止膜０９、取り出し電極１０、裏面電極取り出し部１１を実施例１と同様の構造で作製し、太陽電池構造とした。
【００５３】
この様にして形成した太陽電池を２５℃１ｓｕｎの光照射下におけるＩ−Ｖ特性では、開放電圧が０．６２Ｖの電圧を示した。また、ＳｉＸ−１層の形成方法としてスパッタリングによる形成で基板温度を上げて形成した場合にも同様の効果があった。ＳｉＸ−１層、ＳｉＸ−２層の形成方法として、この他にもｃａｔ−ＣＶＤ、ＭＢＥ等でも同様の効果があった。
【００５４】
また、第三のシリコン層０８の形成方法としては、熱ＣＶＤを用いて第二のシリコン層０５ａからエピタキシャル成長させた第二のシリコン層と逆導電型の半導体層で形成した太陽電池も作製した。この場合においても、２５℃１ｓｕｎ下でのＩ−Ｖ特性において、開放電圧０．６２２Ｖを示し、高品質な太陽電池が作製できた。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る結晶薄膜半導体装置は、基板上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層を形成し、その上部に第一のシリコン層を、また該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層を形成した半導体装置であって、上記第一のシリコン層及び第二のシリコン層がレーザー光によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層が、第二のシリコン層よりも上記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、上記レーザーによるアニールを施されることによって成る、という構成のものである。具体的には、レーザーアニールを施される前の第一のシリコン層は、結晶成分を含むもしくはすべてが結晶成分であるシリコン層として形成され、またレーザーアニールを施される前の第二のシリコン層は非晶質シリコンとして形成される。
【００５６】
本発明においては、このレーザーアニールによる結晶化の際、結晶性のシリコン層の吸収係数よりも非晶質シリコン層の吸収係数の方が大きいため、非晶質シリコン層によりレーザー光の殆どが吸収され、非晶質シリコン層は融解するが結晶性のシリコン層は融解しない。このことから、融解した非晶質シリコン層が冷却され第二のシリコン層となった際、基板上の金属層を構成する元素が第二の結晶シリコン層中に多量に拡散された状態になることを防ぐことができる。従って、第二の結晶シリコン層の品質を低下させることなく裏面側に電極を形成することが可能となる。
【００５７】
よって、この技術によってレーザー光によってエネルギーを与え、結晶化した膜を縦型デバイス、特に太陽電池に適用させ、高品質なデバイスを作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶シリコン半導体装置の作製過程の前半を示したもので、（ａ）はアニール前の第二のシリコン層までを形成した段階を示す模式図、（ｂ）はレーザーアニールを施して結晶シリコンとする段階を示す図である。
【図２】本発明の結晶シリコン半導体装置の作製過程の後半を示したもので、（ｃ）はレーザーアニールにより結晶シリコンとした段階を示す図、（ｄ）は取り出し電極を設けた段階を示す図である。
【符号の説明】
０１ 基板
０２ 金属層
０３ 透明電極層
０４ アニール前の第一のシリコン層（ＳｉＸ−１層）
０４ａ 第一のシリコン層
０５ アニール前の第二のシリコン層（ＳｉＸ−２層）
０５ａ 第二のシリコン層
０６ レーザー光
０７ 融解した半導体層
０８ 第三のシリコン層
０９ 反射防止膜
１０ エミッタ側取り出し電極
１１ 裏面電極取り出し部
２０ 裏面電極層
Claims (8)
- 基板上の一部もしくは全部に導電性をもつ電極層が形成され、その上部に第一のシリコン層、該第一のシリコン層の上部に第二のシリコン層が形成されている半導体装置において、
前記第一のシリコン層及び第二のシリコン層はレーザー光によってアニールを施されることにより成り、且つ第一のシリコン層は、第二のシリコン層よりも前記アニールを行なうレーザー光の光の波長域において吸収係数が小さい状態で形成された後、前記レーザーによるアニールを施されることによって成ることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項１に記載の結晶薄膜半導体装置において、
前記第一のシリコン層は、結晶成分を含む、もしくはすべてが結晶成分であるシリコン層として形成されレーザーアニールを施されることにより成り、また
前記第二のシリコン層は、非晶質シリコンとして形成されレーザーアニールを施されることにより成ること特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項１又は２に記載の結晶薄膜半導体装置において、
前記電極層が、基板側から金属電極、その上部に透明導電膜の順に設けた複数の電極層によって構成されており、前記透明導電膜が酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯのいずれかから成ることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
前記第一のシリコン層及び第二のシリコン層は半導体に導電性を付与する働きを持つ不純物を有しており、その第一のシリコン層の不純物濃度は第二のシリコン層の不純物濃度よりも高濃度であることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
前記第二のシリコン層の上部の一部もしくは全面に、非単結晶の第三のシリコン層が形成されており、該第三のシリコン層は第一のシリコン層とは逆の導電型を付与する働きを持つ不純物を有していることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項５に記載の結晶薄膜半導体装置において、
前記第三のシリコン層上の一部もしくは全面に、導電性を有する透明導電膜として酸化亜鉛、酸化錫、ＩＴＯのいずれかから成る反射防止膜を有しており、
この透明導電膜上の一部に取り出し用金属電極が形成されていることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
前記レーザーは波長９００ｎｍ以下の光を連続的に発振することを特徴とする結晶薄膜半導体装置。 - 請求項１〜７のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置の一部もしくは全部を用いて構成したことを特徴とする太陽電池素子。
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