JP2011249780A - 半導体基板の作製方法及び光電変換装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温での固相エピタキシャル成長法を用いて、結晶性の高いシリコン層を厚く形成した半導体基板を提供することを課題の一とする。その際、従来の気相エピタキシャル成長法と比べ、結晶成長速度を大きくすることを課題の一とする。
【解決手段】絶縁層を介してベース基板に設けられた単結晶シリコン層上に、堆積初期の一部で、単結晶シリコン層と結晶面の配列の揃った針状シリコン層が気相エピタキシャル成長するようにシリコン層を形成し、針状シリコン層を種結晶として、シリコン層の他部を固相エピタキシャル成長させて、単結晶及び前記結晶シリコン層の厚さが厚い半導体基板を作製する。
【選択図】図２

Description

絶縁表面に単結晶シリコン層が設けられた半導体基板の作製方法及び光電変換装置の作製方法に関する。

単結晶シリコンのインゴットを薄くスライスして作製される単結晶シリコン基板とともに、絶縁表面に薄い単結晶シリコン層を設けたシリコン・オン・インシュレータ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、以下、「ＳＯＩ」ともいう。）と呼ばれる半導体基板を使った集積回路が開発されている。ＳＯＩ基板を使った集積回路は、トランジスタのドレインと基板間における寄生容量を低減し、半導体集積回路の性能を向上させるものとして注目を集めている。

ＳＯＩ基板を作製する方法としては、水素イオン注入剥離法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。水素イオン添加剥離法は、単結晶シリコン基板に水素イオンを添加することによって表面から所定の深さに微小気泡層を形成し、該微小気泡層を劈開面とし、ベース基板に薄い単結晶シリコン層を接合するＳＯＩ基板の作製方法である。

上述のような方法で形成される単結晶シリコン層は、通常、５０ｎｍ乃至３００ｎｍ程度であって、非常に薄い。このため、上述のような方法で形成される単結晶シリコン層は、高集積、高速駆動、低消費電力が要求されるトランジスタの用途には極めて適している。一方で、パワーデバイスや光電変換装置などの用途を考える場合、耐圧の向上、光電変換効率の向上などの観点から、単結晶シリコン層に対して一定の厚さが要求される。

水素イオン注入剥離法を用いて形成される単結晶シリコン層の厚さは、主として、イオン注入の際の加速電圧に依存する。加速電圧を小さくすればイオン注入層は浅い領域に形成されるため、単結晶シリコン層は薄くなる。反対に、加速電圧を大きくすれば、単結晶シリコン層は厚くなる。

このことから、単結晶シリコン層を厚くするためには、単純に加速電圧を大きくすればよいことが分かる。しかしながら、現実には、加速電圧を大きくして厚い単結晶シリコン層を形成することは容易ではない。これは、量産に適したイオンの注入装置（大電流が実現可能な装置）を用いる場合、装置上の制限から、加速電圧を一定以上に大きくすることができないためである。電流が小さいイオン注入装置を用いる場合には加速電圧を高めることが可能だが、所定の注入量を得るためには時間を要することになり、生産性の面で好ましくない。また、１００ｋＶを超える高電圧でイオンを加速させる場合には、有害な放射線が発生することもあり、安全性の面で問題がある。

上述のような問題を解消するため、イオン注入の際の加速電圧によってではなく、エピタキシャル成長によって単結晶シリコン層を厚膜化する方法が検討されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特許文献１では、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法の気相成長（気相エピタキシャル成長）によって、シラン系ガスを水素還元させ、１１００〜１２００℃で単結晶シリコン層上にエピタキシャル成長させる。あるいは、分子線エピタキシー法により、６００〜９００℃でエピタキシャル成長させている。

特許文献２では、プラズマ励起ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法などで単結晶半導体層の表面にアモルファスシリコン層を設ける。その後、１１００℃以上、６０分の熱処理により、単結晶半導体層を核としてアモルファスシリコン層を固相成長（固相エピタキシャル成長）させている。

特許文献３では、単結晶シリコン層上に結晶性の高いシリコン層を形成している。結晶性の高いシリコン層上に結晶性の低いシリコン層を形成し、熱処理をすることで単結晶を固相エピタキシャル成長させている。結晶性の高いシリコン層の形成は、シラン系ガスに対する水素ガスの流量比を５０倍以上とするＰＥＣＶＤ法により行う。このため、成長速度が小さい傾向にある。この方法で、単結晶シリコン層上に新たに５００ｎｍの結晶層が形成でき、ラマンスペクトルのピーク値５１９．１ｃｍ^−１、半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）５．３３ｃｍ^−１が得られている。

特開２０００−３０９９５号公報 特開平１１−７４２０９号公報 特開２００９−２８３９２３号公報

水素イオン注入剥離法では、低温で均一な単結晶シリコン薄膜を形成できる。また、単結晶シリコン薄膜を分離した後の単結晶シリコン基板を再利用することが可能であり、資源の有効活用を図ることができる。

水素イオン注入剥離法を用いる場合、イオンの加速電圧により単結晶シリコン基板に対するイオンの侵入深さが決まり、得られる単結晶シリコン層の厚さが決定されることになる。単結晶シリコン層は、光電変換装置の光電変換効率を高める厚さとすることが望ましい。

一方で、イオン注入装置の加速電圧には装置上の制限があり、また、加速電圧を高めることで安全上問題となる放射線の発生が懸念される。このため、加速電圧を高めて単結晶シリコン基板中の所望の深さまでイオンを侵入させることは容易ではない。また、従来の装置では、加速電圧を高めつつ大量のイオンを照射することは困難であり、所定の注入量を得るためには長時間を要するためタクトタイムが悪化するという懸念もある。

また、従来の作製方法では、エピタキシャル成長による成長速度を一定以上に高めることが難しいという問題がある。また、成長速度を高めるためには、高温で熱処理を行わなければならず、耐熱性の低い基板に応用することが不可能である。

上述のような課題を鑑み、厚膜化した結晶性の高いシリコン層を有する半導体基板を生産性高く提供することを課題の一とする。

また、限りある資源を有効活用しつつ、優れた光電変換特性を有する光電変換装置を提供することを課題の一とする。

本発明の一様態は、絶縁層を介してベース基板上に設けられた単結晶シリコン層を用意し、基板温度２８０℃超過ベース基板の歪み点未満で、かつシリコンを含む堆積性ガスを希釈しないで用いるＰＥＣＶＤ法により、単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理で前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることである。ここでシリコンを含む堆積性ガスとは、ＳｉＨ_４やＳｉ_２Ｈ_６などのシラン系ガスに加えＳｉＦ_４なども含まれる。

また、本発明の一様態は、絶縁層を介してベース基板上に設けられた単結晶シリコン層を用意し、レーザービーム照射で単結晶シリコン層の一部、または全部を溶融し、再結晶化し、平坦化と欠陥の回復を行い、基板温度２８０℃超過ベース基板の歪み点未満で、電力密度は６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満、好ましくは１０２ｍＷ／ｃｍ^２以上２５５ｍＷ／ｃｍ^２以下、かつシラン系ガスを希釈しないで用いるＰＥＣＶＤ法により、単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理で前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることである。

また、本発明の一様態は、単結晶シリコン基板に水素イオンを照射することによって表面から所定の深さに脆化領域を形成し、該脆化領域を劈開面とし、単結晶シリコン基板を劈開することで、ベース基板に薄い単結晶シリコン層を接合するものである。次に、半導体基板を構成する薄膜の単結晶シリコン層上に、単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理で前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることである。当該シリコン層の形成方法は、シラン系ガスを希釈せずに用い、基板温度２８０℃超過ベース基板の歪み点未満とし、かつ電力密度が６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満のＰＥＣＶＤ法により形成することができる。基板温度を２８０℃超過とすることで、基板表面での成膜種のマイグレーションが起こりやすくなり、下地である単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を形成することができる。一方、電力密度が６１２ｍＷ／ｃｍ^２以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。また、シリコン層中の平均水素濃度を２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすることができ、シリコン層の歪みが小さくなり、シリコン層の剥離を抑制することができる。なお、単位がａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である濃度は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって測定可能である。

なお、本明細書において、水素イオン照射工程は、イオン注入法、もしくはイオンドーピング法を用いることができる。また、シリコンを含む堆積性ガスを希釈せずに用いるとは、シリコンを含む堆積性ガスが希釈されるような意図的な他のガス等の混合を除くという意味である。例えば水素等をシラン系ガスと共にＣＶＤ装置のチャンバーに加えるような、他のガス等の混合を除くものである。換言すれば、本明細書でのシリコンを含む堆積性ガスを希釈せずに用いるとは、チャンバー内の雰囲気をシリコンを含む堆積性ガスのみとすることを指すものである。しかし、シリコンを含む堆積性ガスに対して制御不能な他成分の含有をも排除するものではない。

なお、本明細書において、単結晶とは、結晶構造が一定の規則性を持って形成されており、どの部分においても結晶軸が一定の方向を向いているものをいう。もっとも、本明細書においては、欠陥や格子歪みなどの規則性の乱れを除外するものではない。また、同じ結晶方位である、とは、結晶の面方位がプラスマイナス１０度の範囲の角度揺らぎを持つものを含む。

本発明の一様態では、単結晶シリコン層上に針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、その後の熱処理を行うことによって、結晶性の高い結晶シリコン層を有する半導体基板を生産性高く作製できる。また、本発明の一様態により、単結晶シリコン層上に形成されるシリコン層は剥離しにくいため、半導体基板の歩留まりを向上することができる。また、上記半導体基板を用いることで、資源を有効活用し、生産性よく、かつ歩留まりよく、優れた光電変換特性を有する光電変換装置を提供することができる。

半導体基板の作製方法の一例を示す断面図。 半導体基板の作製方法の一例を示す断面図。 半導体基板の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の一例を示す平面図及び断面図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置のユニットセルの断面図と対応するエネルギーバンド図。 実施例における観察結果を示す図。 実施例における観察結果を示す図。 実施例における観察結果を示す図。 実施例における観察結果を示す図。 比較例における観察結果を示す図。 比較例における観察結果を示す図。 比較例における観察結果を示す図。 比較例における観察結果を示す図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の作製方法の一例を示す断面図。 光電変換装置の一例を示す断面図。 タンデム型の光電変換装置の一例を示す断面図。 タンデム型の光電変換装置の一例を示す断面図。 タンデム型の光電変換装置のユニットセルの断面図と対応するエネルギーバンド図。 スタック型の光電変換装置の一例を示す断面図。 スタック型の光電変換装置のユニットセルの断面図と対応するエネルギーバンド図。 太陽光発電モジュールの構成を説明する概念図である。 太陽光発電システムの例を説明する概念図である。

本発明の一態様に係る実施の形態及び実施例について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更しうることは当業者であれば容易に理解される。従って、実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の一態様において、同じ物を指し示す符号は異なる図面間において共通とする。

また、以下に説明する実施の形態において、特に断りがない限り、本明細書に記載されている他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。

（実施の形態１）
図１を用いて、半導体層が設けられた基板の作製方法の一例について説明する。具体的には、絶縁層を介して単結晶シリコン層が設けられた基板の作製方法（半導体基板の作製方法）について説明する。

はじめに、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法について説明する。

まず、単結晶シリコン基板１００を準備する（図１（Ａ）参照。）。

市販の単結晶シリコン基板としては、直径５インチ（１２５ｍｍ）、直径６インチ（１５０ｍｍ）、直径８インチ（２００ｍｍ）、直径１２インチ（３００ｍｍ）、直径１６インチ（４００ｍｍ）サイズの円形のものが代表的であり、いずれのサイズの単結晶シリコン基板も用いることができる。なお、単結晶シリコン基板１００の形状は円形に限られず、矩形状等に加工して用いることも可能である。

次に、単結晶シリコン基板１００の表面に絶縁層１０１を形成する（図１（Ｂ）参照。）

絶縁層１０１は単層構造でも２層以上の積層構造でもよいが、その表面は一定の平坦性を有していることが好ましい。一定の平坦性を有することにより、強固な貼り合わせが実現されるためである。例えば、平均面粗さ（Ｒａ）が、０．５ｎｍ以下となるように絶縁層１０１を形成する。より好ましくは０．３ｎｍ以下である。なお、本明細書における平均面粗さ（Ｒａ）とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを、面に対して適用できるよう拡張したものである。また、最表面は、親水性を有していることが望ましい。上記絶縁層１０１としては、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層などを形成することができる。絶縁層１０１の形成方法としては、ＰＥＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法などのＣＶＤ法を挙げることができる。特に、ＰＥＣＶＤ法を適用することで、平均面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下（好ましくは０．３ｎｍ以下）の平坦な絶縁層１０１を形成することができる。

なお、上記絶縁層１０１としては、特に、有機シランを用いてＣＶＤ法により作製される酸化シリコン層を用いるとよい。有機シランとしては、珪酸エチル（ＴＥＯＳ：Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）、トリメチルシラン（ＴＭＳ：（ＣＨ_３）_３ＳｉＨ）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＳｉＨ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３）、トリスジメチルアミノシラン（ＳｉＨ（Ｎ（ＣＨ_３）_２）_３）等を用いることができる。もちろん、モノシラン、ジシラン、またはトリシラン等の無機シランを用いて、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコンなどを形成してもよい。

ここで、酸化窒化シリコンとは、その組成において、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコンとは、その組成において、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示し、例えば、酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、珪素が２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上２５原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、上記範囲は、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）や、水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合のものである。また、構成元素の含有比率は、その合計が１００原子％を超えない値をとる。

本実施の形態では、熱酸化法を用いて絶縁層１０１（ここでは、ＳｉＯ_Ｘ）を形成する方法を示す。この場合には、主成分のガスを酸素（Ｏ_２）として、ハロゲンを含む酸化性雰囲気中で熱酸化することが好ましい。例えば、塩素（Ｃｌ）を含む酸化性雰囲気中で単結晶シリコン基板１００に熱酸化処理を行うことにより、塩素酸化された絶縁層１０１を形成する。この場合、絶縁層１０１は、塩素原子を含有する絶縁層となる。絶縁層１０１中に含有された塩素原子は、歪みを形成する。その結果、絶縁層１０１の水分吸収割合が向上し、拡散速度が増大する。つまり、絶縁層１０１表面に水分が存在する場合に、当該表面に存在する水分を絶縁層１０１中が素早く吸収し、拡散させることができる。

熱酸化処理の一例としては、酸素に対し塩化水素（ＨＣｌ）を０．５〜１０体積％（代表的には３体積％）の割合で含む酸化性雰囲気中で、９００℃〜１１５０℃の温度（代表的には１０００℃）で行うことができる。処理時間は０．１〜６時間、好ましくは０．５〜１時間とすればよい。熱酸化処理により形成される酸化膜の厚さは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ（好ましくは５０ｎｍ〜３００ｎｍ）、例えば１００ｎｍとすればよい。

次に、絶縁層１０１を介して運動エネルギーを有する水素イオン１０３を単結晶シリコン基板１００全面に照射する（図１（Ｃ）参照。）。この結果、単結晶シリコン基板１００の表面から所定の深さに結晶構造が損傷された脆化領域１０５を形成することができる（図１（Ｄ）参照。）。

水素イオン照射工程は、イオンドーピング装置によるイオンドーピング法、またはイオン注入装置によるイオン注入法で行うことができる。

本実施の形態においては、イオンドーピング装置を用いることで、質量分離されていないイオンを単結晶シリコン基板１００に照射する例を示す。イオンドーピング装置としては、プロセスガスをプラズマ励起して生成された全てのイオン種をチャンバー内に配置された被処理体に照射する非質量分離型の装置である。本明細書においては、イオンドーピング装置を用いて、ソースガス（原料ガス）から生成されるイオンを質量分離せず対象物に照射する方法を「イオンドーピング法」と呼ぶ。

イオンドーピング装置の主要な構成は、被処理物を配置するチャンバーと、所望のイオンを発生させるイオン源と、イオンを加速し、照射するための加速機構である。イオン源は、所望のイオン種を生成するためのソースガスを供給するガス供給装置、ソースガスを励起して、プラズマを生成させるための電極等で構成される。プラズマを形成するための電極としては、フィラメント型の電極や容量結合高周波放電用の電極等が用いられる。加速機構は、引出電極、加速電極、減速電極、接地電極等の電極、及びこれらの電極に電力を供給するための電源等で構成される。加速機構を構成する電極には複数の開口やスリットが設けられており、イオン源で生成されたイオンは電極に設けられた開口やスリットを通過して加速される。なお、イオンドーピング装置の構成は上述したものに限定されず、必要に応じた機構が設けられる。

なお、イオンを照射する装置としては、イオンドーピング装置の他にイオン注入装置がある。イオン注入装置は、プラズマ中のイオン種を質量分離し、ある特定の質量のイオン種を被処理体に照射する装置（質量分離型の装置）であり、この点でイオンドーピング装置とは大きく異なるものである。

続いて、ベース基板１３０を準備する（図１（Ｅ）参照。）。ベース基板１３０を用いるに際し、ベース基板１３０の表面を予め洗浄しておくことが好ましい。具体的には、ベース基板１３０の表面を、塩酸過水（ＨＰＭ）、硫酸過水（ＳＰＭ）、アンモニア過水（ＡＰＭ）、希フッ化水素酸（ＤＨＦ）等を用いて超音波洗浄を行う。このような洗浄処理を行うことによって、ベース基板１３０表面の平坦化の実現や残存する研磨粒子を除去することができる。

ベース基板１３０としては、絶縁基板を用いることが好ましい。絶縁基板の具体例としては、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種のガラス基板や、石英基板、セラミック基板、サファイア基板、プラスチック基板がある。また、ベース基板１３０として単結晶半導体基板（例えば、単結晶シリコン基板）や多結晶半導体基板（例えば、多結晶シリコン基板）を用いることも可能であるが、量産性やコストの面を考慮すると、大面積化が可能で安価な絶縁基板を用いることが好ましい。本実施の形態では、ベース基板１３０として絶縁基板の一つであるガラス基板を用いる。

なお、ベース基板１３０上に窒化シリコン層や窒化酸化シリコン層などの窒素を含有するシリコン絶縁層を形成し、これを絶縁層１０１と密着させる構成としてもよい。この場合、ベース基板１３０からのアルカリ金属やアルカリ土類金属などによる半導体の汚染を防止できる。

次に、絶縁層１０１を介して単結晶シリコン基板１００とベース基板１３０とを貼り合わせる（図１（Ｆ）参照。）。

なお、上記貼り合わせを行う前に、ベース基板１３０の表面を酸素プラズマ処理またはオゾン処理して、その表面を親水性にしてもよい。この処理によって、ベース基板１３０の表面に水酸基が付加するため、貼り合わせに係る界面に水素結合を形成することができる。

次に、熱処理を行い、脆化領域１０５において単結晶シリコン基板１００を分離することにより、ベース基板１３０上に単結晶シリコン層１３１を設ける（図１（Ｇ）参照。）。熱処理を行うことにより、脆化領域１０５に微小な孔が形成され、この微小な孔の中にイオンの照射により添加された元素が析出し、微小な孔の内部の圧力が上昇する。当該圧力の上昇によって脆化領域１０５の微小な孔に体積変化が起こり、脆化領域１０５に亀裂が生じるため、脆化領域１０５に沿って単結晶シリコン基板１００が分離する。この結果、単結晶シリコン基板１００から分離された単結晶シリコン層１３１が、絶縁層１０１を介してベース基板１３０上に形成される。分離後に形成される単結晶シリコン層１３１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよく、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。なお、熱処理を行うための加熱手段としては、抵抗加熱炉等の加熱炉、ＲＴＡ（瞬間熱アニール、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、マイクロ波加熱装置等を用いることができる。例えば、ＲＴＡ装置を用いる場合、加熱温度５５０℃以上７３０℃以下、処理時間０．５分以上６０分以内で加熱すればよい。

なお、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法として、上記方法の代わりに以下の方法を用いることができる。単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成する。次に、当該多孔質シリコン層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。次に、単結晶シリコン層上に酸化シリコン層を形成する。次に、ベース基板及び酸化シリコン層を貼り合わせた後、ウォータージェットなどで単結晶基板から単結晶シリコン層を分離する方法を用いて、ベース基板上に単結晶シリコン層１３１を形成してもよい。

上述のようにして得られた半導体基板上に、結晶シリコン層をエピタキシャル成長する方法を図２を用いて説明する。

図１（Ｇ）で作製した半導体基板を用意する（図２（Ａ）参照。）。

次に、単結晶シリコン層１３１上にＰＥＣＶＤ法によりシリコン層１３６を形成する（図２（Ｂ）参照。）。シリコン層１３６は堆積初期の針状結晶領域１３２及び、非晶質シリコン層１３３で構成される。針状結晶領域１３２は、シリコン層１３６を形成する際に、下地である単結晶シリコン層１３１と同じ結晶方位である結晶シリコンが気相エピタキシャル成長することで形成される。つまり、シリコン層１３６を構成する針状結晶領域１３２と非晶質シリコン層１３３は一度に形成される。なお、ここで発生させるプラズマは、例えばＲＦ（３〜３０ＭＨｚ、代表的には１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ）プラズマ、ＶＨＦプラズマ（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ、代表的には６０ＭＨｚ）、マイクロ波（１Ｇｈｚ以上、代表的には２．４５ＧＨｚ）プラズマを用いることができる。また、プラズマはパルス発振により発生させることが好ましい。

シリコン層１３６は、原料ガスとして、シリコンを含む堆積性ガス、例えばＳｉＨ_４のみを用いて形成する。ここでシリコンを含む堆積性ガスは、Ｓｉ_２Ｈ_６やＳｉＦ_４なども含まれる。このとき、電力密度は６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満とする。好ましくは１０２ｍＷ／ｃｍ^２以上２５５ｍＷ／ｃｍ^２以下とする。例えば、６０ＭＨｚの高周波電源を用いることができる。このとき、基板温度を２８０℃超過ベース基板の歪み点未満、好ましくは４００℃以上ベース基板の歪み点未満とすることで、ベース基板１３０表面で成膜種のマイグレーションが起きやすくなり、下地である単結晶シリコン層１３１と同じ結晶方位である針状結晶領域１３２を形成することができる。一方、電力密度が６１２ｍＷ／ｃｍ^２以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。そのため、電力密度は基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間に対し、十分堆積速度が遅くなるようにする。ただし、電力密度が小さすぎると、厚さを十分厚くするための時間が長くなるため、電力密度を制御することが望ましい。

なお、シリコン層中に含有させた水素の存在により、固相エピタキシャル成長時のシリコンの再配列を円滑に進行させることができる。シリコンを含む堆積性ガスを水素希釈すると、シリコンに結合された水素原子が脱離しやすくなり、シリコン層中の水素量が少なくなってしまう。したがって、水素希釈またはその他のガスでシリコンを含む堆積性ガスを希釈しないことで、形成した非晶質シリコン層中に水素を含有させるとよい。シリコンを含む堆積性ガスとしては、上記のＳｉＨ_４を用いることに限定されず、Ｓｉ_２Ｈ_６やＳｉＦ_４を用いてもよい。

このとき、非晶質シリコン層１３３中の平均水素濃度を２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすると、固相エピタキシャル成長が進行しやすくなり、かつ非晶質シリコン層１３３の歪みを低減し、剥離を抑制することができて好ましい。

ＰＥＣＶＤ法を用いて、シリコン層１３６を形成する際のその他の条件は、チャンバー内圧力が１５０Ｐａ、電極間隔が１０ｍｍ、ＳｉＨ_４ガス流量が８００ｓｃｃｍである。なお、上記の形成条件は一例に過ぎず、本実施の形態はこれに限定して解釈されるものではない。

なお、シリコン層１３６の形成を行う前に、単結晶シリコン層１３１の表面に形成されている自然酸化層などの酸化層は除去しておくことが好ましい。これは、単結晶シリコン層１３１の表面に酸化層が存在する場合には、単結晶シリコン層１３１の直上からエピタキシャル成長を進行させることができず、結晶性が低下してしまうためである。ここで、上記の酸化層の除去は、フッ化水素酸系の溶液または水素プラズマなどの暴露により行うことができる。

その後、窒素などの不活性雰囲気中で５００℃超過ベース基板歪み点未満で熱処理を行う。熱処理は抵抗加熱炉、ＲＴＡ装置やマイクロ波加熱装置を用いることができる。なお、最大温度に上昇させる前に、シリコン層形成時の基板温度以上シリコン層の固相エピタキシャル成長が起こる温度未満で１時間から２時間程度保持しておくと好ましい。こうすることで、シリコン層中で緩やかな脱水素化が起こり、急熱した場合と比べシリコン層の剥離を抑制することができる。また、脱水素化により欠陥が生じるため、固相エピタキシャル成長に係るシリコン原子の再配列が助長されることで、より結晶性の高いシリコン層をエピタキシャル成長させることができる。本実施の形態では抵抗加熱炉を用いて６００℃の温度で１時間の熱処理を行う。これにより、非晶質シリコン層１３３が固相エピタキシャル成長する。本実施の形態により、厚さの厚い結晶シリコン層１３４を形成することができる（図２（Ｃ）参照。）。この際、針状結晶領域１３２は種結晶として機能し、上層の非晶質シリコン層１３３をエピタキシャル成長させることができる。

当該エピタキシャル成長させるための熱処理により、同時に単結晶シリコン層１３１において、水素イオン照射時に生じた欠陥などの回復が起こり、より結晶性の高い単結晶シリコン層１３５とすることができる。

以上により、厚膜化された結晶シリコン層を有する半導体基板を得ることができる。本実施の形態では、従来の固相エピタキシャル成長を用いた手法と比較すると、非常に低温で固相エピタキシャル成長させることができる。これは、固相エピタキシャル成長させるシリコン層の形成方法によるものである。シリコン層中に水素を多く含有させ、固相エピタキシャル成長時に、層中の水素を放出することでシリコン結合の再配列が助長されることに加え、種結晶として針状結晶領域が存在することにより、低温の熱処理でも良好に固相エピタキシャル成長を行うことができる。

また、本実施の形態では、エピタキシャル成長するシリコン層の成長速度を大きくすることができるため、半導体基板作製におけるスループットを向上することができる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１と比較して、さらに、結晶性の高い結晶シリコン層を有する半導体基板の作製方法について、図１及び図３を用いて説明する。本実施の形態では、実施の形態１において、単結晶シリコン層１３１をベース基板１３０へ転載した後、レーザービーム照射により、単結晶シリコン層１３１を再結晶化し、同時に平坦化、欠陥の回復を行う形態を示す。従って、実施の形態１と同一部分または同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。

実施の形態１と同様に、図１（Ａ）乃至図１（Ｇ）の工程を経て、単結晶シリコン層１３１をベース基板１３０に転載する。なお、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法として、上記方法の代わりに以下の方法を用いることができる。単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成する。次に、当該多孔質シリコン層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。次に、単結晶シリコン層上に酸化シリコン層を形成する。次に、ベース基板及び酸化シリコン層を貼り合わせた後、ウォータージェットなどで単結晶基板から単結晶シリコン層を分離する方法を用いて、ベース基板上に単結晶シリコン層１３１を形成してもよい。

次に、単結晶シリコン層１３１に対し、レーザービーム１４０を照射する（図３（Ａ）参照。）。レーザービーム１４０を単結晶シリコン層１３１に照射して、単結晶シリコン層１３１の一部または全部を溶融し、再結晶化させることで、単結晶シリコン層１３１の結晶欠陥を回復することができる。レーザービームの照射による単結晶シリコン層の溶融は、部分溶融とすることが好ましい。単結晶シリコン層を完全溶融させた場合は、液相となった後の単結晶シリコンが無秩序な核発生により微結晶化し、結晶性が低下するおそれがあるからである。これに対し、単結晶シリコン層を部分溶融させた場合は、溶融されていない固相部分から結晶成長が進行するため、結晶性を低下させることなく、結晶欠陥を回復することができる。なお、本明細書において、完全溶融とは、単結晶シリコン層が下部界面付近まで溶融されて、液相状態になることをいう。部分溶融とは、単結晶シリコン層の一部（例えば上層部）は溶融されて液相となるが、その他（例えば下層部）は溶融せずに固相のままであることをいう。

例えば、単結晶シリコン層１３１に対し、レーザービーム１４０を照射することで、単結晶シリコン層１３１の少なくとも表面側は溶融し、固相状態の下層部をシード層として、その後の冷却過程で再結晶化する。その過程で表面が平坦化し結晶欠陥が回復した単結晶シリコン層１４１が形成される（図３（Ｂ）参照。）。レーザービーム１４０としては、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザーやＹＡＧレーザーの第２高調波を適用することが好ましい。

単結晶シリコン層１３１の結晶欠陥を低減する方法としてレーザービーム処理を適用すると、ベース基板１３０が直接加熱されず、該ベース基板１３０の温度上昇を抑えることができるため好ましい。特に、ベース基板１３０として耐熱性の低いガラス基板を適用する場合には、レーザービーム処理による結晶欠陥回復が好適である。

また、上記レーザービーム処理のとき、少なくともレーザービーム１４０の照射領域は２５０℃乃至６００℃の温度に加熱されていることが好ましい。照射領域を加熱しておくことで、レーザービーム１４０の照射による溶融時間を長くすることができ、欠陥の回復を効果的に行うことができる。レーザービーム１４０は単結晶シリコン層１３１の表面側を溶融させるものの、ベース基板１３０はほとんど加熱しないので、ガラス基板のような耐熱性の低いベース基板を用いることが可能になる。

次に、単結晶シリコン層１４１上にＰＥＣＶＤ法によりシリコン層１４６を形成する（図３（Ｃ）参照。）。シリコン層１４６は膜成長初期の針状結晶領域１４２、及び非晶質シリコン層１４３で構成される。シリコン層１４６を構成する針状結晶領域１４２と非晶質シリコン層１４３は一度に形成される。なお、ここで発生させるプラズマは、例えばＲＦ（３〜３０ＭＨｚ、代表的には１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ）プラズマ、ＶＨＦプラズマ（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ、代表的には６０ＭＨｚ）、マイクロ波（１Ｇｈｚ以上、代表的には２．４５ＧＨｚ）プラズマを用いることができる。また、プラズマはパルス発振により発生させることが好ましい。

シリコン層１４６は、シリコンを含む堆積性ガス、例えばＳｉＨ_４のみで形成する。このとき、電力密度は６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満とする。好ましくは１０２ｍＷ／ｃｍ^２以上２５５ｍＷ／ｃｍ^２以下とする。例えば、６０ＭＨｚの高周波電源を用いることができる。このとき、基板温度を２８０℃超過ベース基板の歪み点未満、好ましくは４００℃以上ベース基板の歪み点未満とすることで、ベース基板１３０表面で成膜種のマイグレーションが起きやすくなり、単結晶シリコン層１４１と同じ結晶方位である針状結晶領域１４２を形成することができる。一方、電力密度が６１２ｍＷ／ｃｍ^２以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。そのため、電力密度は基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間に対し、十分堆積速度が遅くなるようにする。ただし、電力密度が小さすぎると、厚さを十分厚くするための時間が長くなるため、電力密度を制御することが望ましい。

このとき、非晶質シリコン層１４３中の平均水素濃度を２×１０^１８以上３．５×１０^２１未満とすると、固相エピタキシャル成長が進行しやすく、かつ非晶質シリコン層１４３の歪みを低減し、剥離を抑制することができて好ましい。

ＰＥＣＶＤ法を用いて、シリコン層１４６を形成する際のその他の条件は、チャンバー内圧力が１５０Ｐａ、電極間隔が１０ｍｍ、ＳｉＨ_４ガス流量が８００ｓｃｃｍである。なお、上記の形成条件は一例に過ぎず、本実施の形態はこれに限定して解釈されるものではない。

なお、シリコン層１４６の形成を行う前に、単結晶シリコン層１４１表面に形成されている自然酸化層などの酸化層は除去しておくことが好ましい。これは、単結晶シリコン層１４１の表面に酸化層が存在する場合には、単結晶シリコン層１４１からエピタキシャル成長を進行させることができず、結晶性が低下してしまうためである。ここで、上記の酸化層の除去は、フッ化水素酸系の溶液または水素プラズマなどを用いて行うことができる。

その後、窒素などの不活性雰囲気中で５００℃超過ベース基板歪み点未満で熱処理を行う。熱処理は抵抗加熱炉、ＲＴＡ装置やマイクロ波加熱装置を用いることができる。なお、最大温度に上昇させる前に、成膜時の基板温度以上固相エピタキシャル成長が起こる温度未満で１時間から２時間程度保持しておくと好ましい。本実施の形態では抵抗加熱炉を用いて６００℃の温度で１時間の熱処理を行う。これにより、非晶質シリコン層１４３が固相エピタキシャル成長する。本実施の形態により、厚さの厚い結晶シリコン層１４４を形成することができる（図３（Ｄ）参照。）。この際、針状結晶領域１４２は種結晶として機能し、上層の非晶質シリコン層１４３をエピタキシャル成長させることができる。

当該レーザービーム照射により、単結晶シリコン層１３１の分離時に生じた表面凹凸を低減し、さらには水素イオン照射時に生じた結晶欠陥の回復ができる。そのため、結晶シリコン層１４４は平坦で結晶欠陥を少なくすることができる。本実施の形態で作製する半導体基板の結晶性について、実施例１にて後述する。

以上により、平坦化かつ厚膜化された単結晶シリコン層を有する半導体基板を得ることができる。また、本実施の形態では、エピタキシャル成長するシリコン層の成長速度を大きくすることができる。また、表面の凹凸が少ないため、改めての表面研磨等の平坦化処理を行う必要がなく、半導体基板作製におけるスループットを向上することができる。

本実施の形態は、本明細書の他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１及び実施の形態２の方法で作製した半導体基板を用いて光電変換装置を作製する形態を示す。従って、実施の形態１、実施の形態２と同一部分または同様な機能を有する部分の繰り返しの説明は省略する。

図４（Ａ）に、本実施の形態に係る光電変換装置２００の上面の模式図（平面図）を示す。また、図４（Ｂ）に、本実施の形態に係る光電変換装置２００の断面の模式図を示す。なお、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）中のＯ−Ｐ切断線に対応する断面図の一形態である。

本実施の形態で示す光電変換装置２００は、ベース基板２０２上に、絶縁層２０４、第１の電極２０６、ユニットセル２２０が順に積層された構造を有している。ここで、ユニットセル２２０は、一導電型の第１の不純物半導体層２０８、単結晶シリコン層２５１、結晶シリコン層２５３、及び前記一導電型とは異なる導電型である第２の不純物半導体層２１４の積層構造となっている。

上記第１の電極２０６のユニットセル２２０が形成されていない領域には、補助電極２１６が形成されており、これにより、電気エネルギーの外部への取り出しを可能としている。また、ユニットセル２２０上には第２の電極２１８が形成されている。つまり、電気エネルギーを外部に取り出すための電極は、ベース基板２０２の一方の面に露出するように形成されていることになる。なお、第２の電極２１８は、格子状（櫛状、櫛形、櫛歯状）になっている。このような形状とすることにより、ユニットセル２２０の受光面積を十分に大きくすることができる。

ベース基板２０２は、実施の形態１に示すベース基板１３０に列挙する絶縁表面を有する基板または絶縁基板を用いることができる。

絶縁層２０４はベース基板２０２と第１の電極２０６とを接着する機能を有している。この意味において、絶縁層２０４を接合層と呼ぶことができる。また、第１の電極２０６はユニットセル２２０と接して形成されているため、ユニットセル２２０は絶縁層２０４によってベース基板２０２に固定されることになる。

なお、絶縁層２０４のベース基板２０２（または第１の電極２０６）との貼り合わせに係る表面は、一定の平坦性を有していることが好ましい。一定の平坦性を有することにより、強固な貼り合わせが実現されるためである。例えば、平均面粗さ（Ｒａ）が、０．５ｎｍ以下となるように絶縁層２０４を形成する。より好ましくは０．３ｎｍ以下である。

ユニットセル２２０において、第１の不純物半導体層２０８と、第２の不純物半導体層２１４は、所定の導電型を付与する不純物元素が添加されたシリコン層である。ここで、第１の不純物半導体層２０８と、第２の不純物半導体層２１４とは、異なる導電型が付与されている。つまり、第１の不純物半導体層２０８をｐ型とする場合には、第２の不純物半導体層２１４はｎ型となり、第１の不純物半導体層２０８をｎ型とする場合には、第２の不純物半導体層２１４はｐ型となる。ｐ型を付与する不純物元素としてはホウ素、アルミニウムなどの第１３族元素を用いることができ、ｎ型を付与する不純物元素としてはリン、ヒ素などの第１５族元素を用いることができる。

単結晶シリコン層２５１は、単結晶シリコン基板を分割して形成することができる。例えば、単結晶シリコン基板中に水素などのイオンを高濃度に導入することで脆化領域を形成し、単結晶基板とベース基板とを貼り合わせた後で、該脆化領域において単結晶シリコン基板を分割しベース基板に転写する。その後レーザービーム照射を行うことで単結晶シリコン層２５１を形成することができる。上記の単結晶シリコン基板としては、単結晶シリコンウエハを用いればよい。なお、ベース基板上に単結晶シリコン層を設ける方法として、上記方法の代わりに以下の方法を用いることができる。単結晶シリコン基板の表面を陽極化成して多孔質シリコン層を形成する。次に、当該多孔質シリコン層上に単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。次に、単結晶シリコン層上に酸化シリコン層を形成する。次に、ベース基板及び酸化シリコン層を貼り合わせた後、ウォータージェットなどで単結晶基板から単結晶シリコン層を分離する方法を用いて、ベース基板上に単結晶シリコン層２５１を形成してもよい。レーザービームとしては、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザーやＹＡＧレーザーの第２高調波を適用することが好ましい。

結晶シリコン層２５３は、単結晶シリコン層２５１上に形成したシリコン層を元に形成する。具体的には、該シリコン層に加熱処理を施して、単結晶シリコン層２５１を種結晶とするエピタキシャル成長を進行させて結晶シリコン層２５３を形成する。

ここで、結晶シリコン層２５３となるシリコン層は、実施の形態１で、図２（Ｃ）に示した結晶シリコン層１３４と同様の方法で形成する。

光電変換効率を考慮すると、単結晶シリコン層２５１と結晶シリコン層２５３とを合わせた厚さは８００ｎｍ以上とし、好ましくは１０μｍ以上とする。単結晶シリコン層２５１の厚さは、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすればよく、好ましくは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度とし、結晶シリコン層２５３の厚さは３００ｎｍ以上、好ましくは１０μｍ以上とする。

なお、上記単結晶シリコン層２５１と結晶シリコン層２５３の導電型は異なる場合がある。例えば、ｐ型の単結晶シリコン基板を用いて作製した単結晶シリコン層２５１はｐ型となり、ｎ型の単結晶シリコン基板を用いて作製した単結晶シリコン層２５１はｎ型となる。一方で、結晶シリコン層２５３は、形成の際の原料ガスに導電型を付与する不純物を含まない場合にはｉ型（真性半導体）となる。

次に、本実施の形態に係る光電変換装置２００の製造方法の一例について、図５乃至図７を参照して説明する。

はじめに、単結晶シリコン基板２０３を準備する。該単結晶シリコン基板２０３は、その一表面から所定の深さの領域に脆化領域２０５が形成され、一表面付近には第１の不純物半導体層２０８が形成されている。また、単結晶シリコン基板２０３の一表面上（第１の不純物半導体層２０８上）には第１の電極２０６と絶縁層２０４が順に形成されている（図５（Ｅ）参照。）。

脆化領域２０５、第１の不純物半導体層２０８、第１の電極２０６、絶縁層２０４の形成順序は特に限定されず、例えば、以下の（１）乃至（４）に示す順序を採用することができる。

（１）単結晶シリコン基板の一表面上に保護層を形成し、該保護層の表面から一導電型を付与する不純物元素を照射して単結晶シリコン基板の一表面側に第１の不純物半導体層を形成した後、保護層の表面からイオンを照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成する。保護層を除去した後、第１の不純物半導体層上に第１の電極を形成し、該第１の電極上に絶縁層を形成する。

（２）単結晶シリコン基板の一表面上に保護層を形成し、該保護層の表面にイオン照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成した後、保護層の表面から一導電型を付与する不純物元素を照射して単結晶シリコン基板の一表面側に第１の不純物半導体層を形成する。保護層を除去した後、第１の不純物半導体層上に第１の電極を形成し、該第１の電極上に絶縁層を形成する。

（３）単結晶シリコン基板の一表面上に第１の電極を形成する。該第１の電極の表面にイオンを照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成する。さらに、第１の電極の表面に一導電型を付与する不純物元素を照射して、単結晶シリコン基板の一表面側に第１の不純物半導体層を形成する。その後、第１の電極上に絶縁層を形成する。

（４）単結晶シリコン基板の一表面上に第１の電極を形成する。該第１の電極の表面に一導電型を付与する不純物元素を照射して、単結晶シリコン基板の一表面側に第１の不純物半導体層を形成する。さらに、第１の電極の表面にイオンを照射して単結晶シリコン基板の所定の深さの領域に脆化領域を形成した後、第１の電極上に絶縁層を形成する。

なお、本実施の形態では、上記（１）の場合について、図５を用いて説明する。

まず、単結晶シリコン基板２０３の一表面上に保護層２０７を形成する。そして、保護層２０７の表面に一導電型を付与する不純物元素２３０を照射する（図５（Ａ）参照。）。この結果、単結晶シリコン基板２０３に不純物元素２３０を添加して、第１の不純物半導体層２０８を形成することができる（図５（Ｂ）参照。）。

単結晶シリコン基板２０３の平面形状は特に限定されないが、後に固定するベース基板が矩形の場合には、単結晶シリコン基板２０３も矩形とすることが望ましい。また、単結晶シリコン基板２０３の表面は、鏡面研磨されていることが望ましい。

保護層２０７としては、酸化シリコンまたは窒化シリコンを用いることが好ましい。作製方法としては、例えば、ＰＥＣＶＤ法やスパッタリング法などを用いればよい。また、酸化性の薬液や酸素ラジカルにより単結晶シリコン基板２０３の表面を酸化処理することで、保護層２０７を形成することができる。または、熱酸化法により単結晶シリコン基板２０３の表面を酸化して保護層２０７を形成してもよい。保護層２０７を形成することで、単結晶シリコン基板２０３に脆化領域を形成する際、または単結晶シリコン基板２０３に一導電型を付与する不純物元素２３０を添加する際に、単結晶シリコン基板２０３の表面が損傷することを防ぐことができる。

第１の不純物半導体層２０８は、単結晶シリコン基板２０３に一導電型を付与する不純物元素２３０を添加することで形成される。なお、単結晶シリコン基板２０３上には保護層２０７が形成されているため、一導電型を付与する不純物元素２３０は保護層２０７を通過して単結晶シリコン基板２０３に添加されることになる。ここで、第１の不純物半導体層２０８の厚さは、１０ｎｍ乃至１５０ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ乃至５０ｎｍとする。

上記一導電型を付与する不純物元素２３０としては、例えば、ホウ素を用いる。これにより、ｐ型の第１の不純物半導体層２０８を形成することができる。なお、第１の不純物半導体層２０８は、熱拡散法により形成することもできる。ただし、熱拡散法では、９００℃程度またはそれ以上の高温処理が行われるため、脆化領域を形成する前に行うことが必要となる。

上記の方法で形成される第１の不純物半導体層２０８は、光入射面とは反対側の面に配置されることになる。ここで、単結晶シリコン基板２０３としてｐ型基板を用いる場合には、第１の不純物半導体層２０８は、高濃度のｐ型領域となる。これにより、光入射面とは反対側から、高濃度ｐ型領域と低濃度ｐ型領域が順に配置されることになり、裏面電界（ＢＳＦ；Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）が形成される。すなわち、高濃度ｐ型領域には電子が入り込むことができず、光励起により生じたキャリアの再結合を低減することができる。

次に、保護層２０７の表面にイオン２４０を照射する（図５（Ｃ）参照。）。この結果、単結晶シリコン基板２０３中に脆化領域２０５を形成することができる（図５（Ｄ）参照。）。ここで、イオン２４０としては、水素を含む原料ガスを用いて生成するイオン（特に、Ｈ^＋、Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋など）を用いることが好ましい。なお、脆化領域２０５が形成される深さは、イオン２４０を照射する際の加速電圧によって制御される。また、脆化領域２０５を形成する深さによって単結晶シリコン基板２０３から分離される単結晶シリコン層の厚さが決定される。

脆化領域２０５は、単結晶シリコン基板２０３の表面（正確には、第１の不純物半導体層２０８の表面）から５００ｎｍ以下の深さ、好ましくは４００ｎｍ以下の深さ、より好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の深さに形成する。脆化領域２０５を浅い領域に形成することで、分離後の単結晶シリコン基板が厚く残存するため、単結晶シリコン基板の繰り返し利用回数を増加させることができる。ただし、脆化領域２０５を浅い領域に形成する場合には、加速電圧を低くすることになるため、生産性などについての考慮が必要となる。

上記イオン２４０の照射は、イオンドーピング装置やイオン注入装置を用いて行うことができる。イオンドーピング装置は通常、質量分離を伴わないため、単結晶シリコン基板２０３が大型化しても、単結晶シリコン基板２０３の全面に均一にイオン２４０を照射することができる。

なお、第１の不純物半導体層２０８を通じて上記のイオン２４０を照射することになるため、第１の不純物半導体層２０８の水素化を兼ねることもできる。

上記脆化領域２０５の形成後、保護層２０７を除去して、第１の不純物半導体層２０８上に第１の電極２０６及び絶縁層２０４を形成する（図５（Ｅ）参照。）。

ここで、第１の電極２０６は、後の工程における熱処理に耐え得るものとする必要がある。このため、第１の電極２０６は、高融点金属材料を用いて形成することが好ましい。例えば、チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、クロム、ニッケルなどを用いることができる。また、前述の金属材料と、前述の金属材料の窒化物との積層構造としてもよい。例えば、窒化チタン層とチタン層の積層構造、窒化タンタル層とタンタル層の積層構造、窒化タングステン層とタングステン層の積層構造などを用いることができる。上記のような窒化物との積層構造とする場合には、第１の不純物半導体層２０８と接するように窒化物を形成するとよい。このように窒化物を形成することで、第１の電極２０６と第１の不純物半導体層２０８との密着性を向上させることができる。なお、第１の電極２０６は、蒸着法やスパッタリング法を用いて形成することができる。また、その厚さは３０ｎｍ以上とすることが好ましい。

絶縁層２０４は実施の形態１に示す絶縁層１０１と同様に形成することができる。

なお、第１の電極２０６の表面が一定の平坦性を有する場合、具体的には、平均面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下（好ましくは０．３ｎｍ以下）である場合には、絶縁層２０４を形成しなくとも貼り合わせ可能な場合がある。この場合には、絶縁層２０４を形成しない構成としてもよい。

次に、上記絶縁層２０４の一表面とベース基板２０２の一表面を密着させて加圧することで、単結晶シリコン基板２０３を含む積層構造と、ベース基板２０２とを貼り合わせる（図６（Ａ）参照。）。

この際、貼り合わせに係る面（ここでは、絶縁層２０４の一表面とベース基板２０２の一表面）は十分に清浄化しておく。貼り合わせに係る面に微小なゴミや有機汚染などが存在すると、貼り合わせ不良の発生確率が高まるためである。

なお、ベース基板２０２上に窒化シリコン層や窒化酸化シリコン層などの窒素を含有するシリコン絶縁層を形成し、これを絶縁層２０４と密着させる構成としてもよい。この場合にも、ベース基板２０２からのアルカリ金属やアルカリ土類金属などによる半導体の汚染を防止できる。

次に、熱処理を施して、貼り合わせ強度を高める。この際の温度は、脆化領域２０５における分離が進行しない条件とする必要がある。例えば、４００℃未満、好ましくは３００℃以下とすることができる。熱処理時間については特に限定されず、処理速度と貼り合わせ強度との関係から最適な条件を適宜設定すればよい。一例としては、２００℃、２時間の程度の熱処理条件を採用することができる。ここで、貼り合わせに係る領域のみにマイクロ波を照射して、局所的な熱処理を行うことも可能である。なお、貼り合わせ強度に問題がない場合は、上記加熱処理を省略してもよい。

次に、脆化領域２０５にて、単結晶シリコン基板２０３から単結晶シリコン層２１０を分離する（図６（Ｂ）参照。）。単結晶シリコン基板２０３の分離は、熱処理により行う。該熱処理の温度は、ベース基板２０２の耐熱温度を目安にすることができる。例えば、ベース基板２０２としてガラス基板を用いる場合には、熱処理温度は４００℃以上６５０℃以下とすることが好ましい。ただし、短時間であれば、４００℃以上７００℃以下の熱処理を行ってもよい。もちろん、ガラス基板の耐熱温度が７００℃より高い場合には、熱処理温度を７００℃より高く設定してもよい。

上述のような熱処理を行うことで、脆化領域２０５に形成された微小な空孔の体積変化が生じ、脆化領域２０５に亀裂が生ずる。その結果、脆化領域２０５に沿って単結晶シリコン基板２０３が分割される。絶縁層２０４はベース基板２０２と貼り合わせられているので、ベース基板２０２上には単結晶シリコン基板２０３から分離された単結晶シリコン層２１０が残存することになる。また、この熱処理で、ベース基板２０２と絶縁層２０４の貼り合わせに係る界面が加熱されるため、貼り合わせに係る界面に共有結合が形成され、ベース基板２０２と絶縁層２０４の結合力が一層向上する。

なお、単結晶シリコン層２１０と第１の不純物半導体層２０８を合わせた厚さは、脆化領域２０５が形成される深さにほぼ対応しており、５００ｎｍ以下、好ましくは４００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下となる。

以上の工程により、ベース基板２０２上に固定された単結晶シリコン層２１０を得ることができる。なお、分離した単結晶シリコン基板２０３は、再生処理を行った後、再利用することができる。再生処理後の単結晶シリコン基板２０３は、単結晶シリコン層を得るための基板として用いてもよいし、その他の用途に用いてもよい。単結晶シリコン層を得るための基板として用いる場合には、１枚の単結晶シリコン基板から複数の光電変換装置を製造できることになる。

次に、単結晶シリコン層２１０に対し、レーザービーム２５０を照射する（図６（Ｃ）参照。）この結果、単結晶シリコン層２１０の少なくとも表面側は溶融し、固相状態の下層部をシード層として、その後の冷却過程で再結晶化する（図６（Ｄ）参照。）。その過程で、単結晶シリコン層２１０を平坦化し結晶欠陥を回復した単結晶シリコン層２５１を形成することができる。レーザービーム２５０としては、例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザーやＹＡＧレーザーの第２高調波を適用することが好ましい。

単結晶シリコン層２１０の結晶欠陥を低減する方法としてレーザービーム処理を適用すると、ベース基板２０２が直接加熱されず、該ベース基板２０２の温度上昇を抑えることができるため好ましい。特に、ベース基板２０２として耐熱性の低いガラス基板を適用する場合には、レーザービーム処理による結晶欠陥回復が好適である。

また、上記レーザービーム処理のとき、少なくともレーザービームの照射領域は２５０℃乃至６００℃の温度に加熱されていることが好ましい。照射領域を加熱しておくことで、レーザービームの照射による溶融時間を長くすることができ、欠陥の回復を効果的に行うことができる。レーザービーム２５０は単結晶シリコン層２１０の表面側を溶融させるものの、ベース基板２０２はほとんど加熱されないので、ガラス基板のような耐熱性の低いベース基板を用いることが可能になる。

次に、単結晶シリコン層２５１上に針状結晶領域２５２及び非晶質シリコン層２１１から成るシリコン層２５６を形成する（図６（Ｅ）参照。）。シリコン層２５６を形成する際、気相エピタキシャル成長にて単結晶シリコン層２５１上に針状結晶領域２５２が形成される。針状結晶領域２５２は、成長途中で気相エピタキシャル成長が止まり、途中から非晶質シリコン層２１１が成長する。これは、ベース基板に耐熱性の低いガラス基板などを用いた場合、完全に気相成長させるほどの高温成膜ができないためである。この場合、針状結晶領域２５２は、単結晶シリコン層２５１と同じ結晶方位であるシリコン層となる。なお、ここで発生させるプラズマは、例えばＲＦ（３〜３０ＭＨｚ、代表的には１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ）プラズマ、ＶＨＦプラズマ（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ、代表的には６０ＭＨｚ）、マイクロ波（１Ｇｈｚ以上、代表的には２．４５ＧＨｚ）プラズマを用いることができる。また、プラズマはパルス発振により発生させることが好ましい。

シリコン層２５６は、シリコンを含む堆積性ガス、例えばＳｉＨ_４のみで形成する。このとき、電力密度は６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満とする。好ましくは１０２ｍＷ／ｃｍ^２以上２５５ｍＷ／ｃｍ^２以下とする。例えば、６０ＭＨｚの高周波電源を用いることができる。このとき、基板温度を２８０℃超過ベース基板の歪み点未満、好ましくは４００℃以上ベース基板の歪み点未満とすることで、ベース基板２０２表面で成膜種のマイグレーションが起きやすくなり、単結晶シリコン層２５１と同じ結晶方位である針状結晶領域２５２を形成することができる。一方、電力密度が６１２ｍＷ／ｃｍ^２以上のとき、基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間を堆積速度が上回り、針状結晶領域を形成することができなくなる。そのため、電力密度は基板表面での成膜種のマイグレーションによって結晶領域の形成されるまでの時間に対し、十分堆積速度が遅くなるようにする。ただし、電力密度が小さすぎると、厚さを十分厚くするための時間が長くなるため、電力密度を制御することが望ましい。

なお、非晶質シリコン層中に含有させた水素の存在により、固相エピタキシャル成長時のシリコンの再配列を円滑に進行させることができる。シリコンを含む堆積性ガスを水素希釈すると、シリコンに結合された水素原子が脱離しやすくなり、非晶質シリコン層中の水素量が少なくなってしまう。したがって、水素希釈またはその他のガスで希釈しないことで、形成した非晶質シリコン層中に水素を含有させるとよい。シリコンを含む堆積性ガスとしては、上記のＳｉＨ_４を用いることに限定されず、Ｓｉ_２Ｈ_６やＳｉＦ_６を用いてもよい。

このとき、非晶質シリコン層２１１中の平均水素濃度を２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満とすると、固相エピタキシャル成長が進行しやすく、かつ非晶質シリコン層２１１の歪みを低減し、剥離を抑制することができて好ましい。

ＰＥＣＶＤ法を用いて、シリコン層２５６を形成する際のその他の条件は、チャンバー内圧力が１５０Ｐａ、電極間隔が１０ｍｍ、ＳｉＨ_４ガス流量が８００ｓｃｃｍである。なお、上記の形成条件は一例に過ぎず、本実施の形態はこれに限定して解釈されるものではない。

なお、シリコン層２５６の形成を行う前に、単結晶シリコン層２５１の表面に形成されている自然酸化層などは除去しておくことが好ましい。

その後、窒素などの不活性雰囲気中で５００℃超過ベース基板歪み点未満で熱処理を行う。熱処理は抵抗加熱炉、ＲＴＡ装置やマイクロ波加熱装置を用いることができる。なお、最大温度に上昇させる前に、成膜時の基板温度以上固相エピタキシャル成長が起こる温度未満で１時間から２時間程度保持しておくと好ましい。本実施の形態では抵抗加熱炉を用いて６００℃の温度で１時間熱処理を行う。これにより、非晶質シリコン層２１１が固相エピタキシャル成長する。本実施の形態により、厚さの厚い結晶シリコン層２５３を形成することができる（図７（Ａ）参照。）。この際、針状結晶領域２５２は種結晶として機能し、上層の非晶質シリコン層２１１を固相エピタキシャル成長させることができる。

以上により、単結晶シリコン層２５１と結晶シリコン層２５３の積層構造が形成される。ここで、光電変換効率を考慮すると、光電変換装置には８００ｎｍ以上の厚さの結晶性の高いシリコン層が要求される。このため、例えば、単結晶シリコン層２５１の厚さを３００ｎｍとする場合には、結晶シリコン層２５３を少なくとも５００ｎｍ以上とすることが好ましい。ここで、５００ｎｍ以上の厚さの結晶シリコン層２５３を形成するために、気相エピタキシャル成長法のみを用いることは、形成速度の点から好ましくない。一方で、固相エピタキシャル成長法のみを用いて結晶シリコン層２５３を形成する場合には、固相成長の際の熱処理などに起因して半導体層の剥離の問題が生じることになる。これは、形成直後のシリコン層（例えば、非晶質シリコン層）が多量の水素を含有することに起因する。

本実施の形態では、シリコン層２５６を形成する際に、気相エピタキシャル成長により針状結晶領域２５２が形成される。その後、固相エピタキシャル成長を行うことで、非晶質シリコン層２１１を結晶シリコン層２５３としている。このとき、シリコン層２５６の形成時基板温度を２８０℃超過とすることで、膜中の平均水素濃度を２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満としている。これにより、形成速度を確保しつつ、シリコン層の剥離の問題を解消することができる。つまり、生産性よく、かつ、歩留まりよく、結晶シリコン層を形成することができる。

次に、結晶シリコン層２５３の一表面側（単結晶シリコン層２５１と接しない面側）に第１の不純物半導体層２０８とは異なる導電型を付与する不純物元素２６０を添加する（図７（Ｂ）参照。）。この結果、第２の不純物半導体層２１４を形成することができる（図７（Ｃ）参照。）。例えば、不純物元素２６０としてリンまたはヒ素を添加し、ｎ型の第２の不純物半導体層２１４を形成する。ベース基板２０２としてガラス基板を適用する場合、熱拡散法のプロセス温度には耐えられないため、イオン注入やイオンドーピングにより不純物元素を添加することになる。

また、第２の不純物半導体層２１４を、結晶シリコン層２５３上に非晶質シリコンにより形成してもよい。主に光電変換層として機能する領域は単結晶シリコン層で形成されているため、第２の不純物半導体層２１４を非晶質半導体で形成しても大きな問題とはならない。

なお、第２の不純物半導体層２１４の厚さは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とすることが好ましい。第２の不純物半導体層２１４を薄く形成することにより、第２の不純物半導体層２１４でのキャリアの再結合を防止できる。

以上により、一導電型の第１の不純物半導体層２０８、単結晶シリコン層２５１、結晶シリコン層２５３、前記一導電型とは異なる導電型である第２の不純物半導体層２１４が順に積層されたユニットセル２２０を得ることができる。

その後、第１の電極２０６上に設けられた第１の不純物半導体層２０８、単結晶シリコン層２５１、結晶シリコン層２５３及び第２の不純物半導体層２１４をエッチングして、第１の電極２０６の一部（好ましくは第１の電極２０６の端部）を露出させる（図７（Ｄ）参照。）。

ここで、第１の電極２０６の一部を露出させるのは、後に補助電極（または補助配線）を形成するためである。光電変換装置として機能させるためには、正極と負極に対応する電極から電気エネルギーを取り出せることが必要となるが、第１の電極２０６の上部は単結晶シリコン層などに覆われており、第１の電極の下方にはベース基板２０２が設けられているため、そのままでは電気エネルギーを取り出しにくい。そこで、第１の電極２０６の上方に形成されている層の一部をエッチングし、第１の電極２０６の一部を露出させ、引き回すことができる補助電極（または補助配線）を形成できるようにする。

具体的には、第２の不純物半導体層２１４上にレジストや窒化シリコン層などの絶縁層を用いてマスクを形成し、該マスクを用いてエッチングを行えばよい。エッチングは、例えば、ＮＦ_３、ＳＦ_６などのフッ素系ガスを用いたドライエッチングとすることができ、少なくとも第１の電極２０６と、第１の電極２０６の上方に形成されている層（第１の不純物半導体層２０８、単結晶シリコン層２５１、結晶シリコン層２５３、第２の不純物半導体層２１４）との選択比が充分に確保できる条件で行えばよい。なお、エッチング後、不要となったマスクは除去する。また、マスクを用いてエッチングする代わりに、レーザースクライブ法を用いてもよい。

本実施の形態では第２の不純物半導体層２１４を形成した後に第１の電極２０６を露出させる例を示したが、第１の電極２０６を露出させた後に第２の不純物半導体層２１４を形成してもよい。

次に、露出させた第１の電極２０６に接する補助電極２１６、及び、第２の不純物半導体層２１４上の第２の電極２１８を形成する（図７（Ｅ）参照。）。

補助電極２１６は、光電変換された電気エネルギーを取り出しやすくするために設けられている。すなわち、補助電極２１６は取り出し電極（集電極ともいう。）として機能する。

第２の電極２１８は、図４（Ａ）に示すように上方から見て格子状（または櫛状、櫛形、櫛歯状）となるように形成する。このような形状とすることで、ユニットセル２２０に十分な光を入射することができ、ユニットセル２２０の光吸収効率を向上させることができる。第２の電極２１８の形状は特に限定されるものではないが、ユニットセル２２０（第２の不純物半導体層２１４）上における第２の電極２１８の面積が小さいほど、光吸収効率が向上することは言うまでもない。なお、第２の電極２１８は補助電極２１６と同じ工程で形成することができる。

補助電極２１６と第２の電極２１８は、アルミニウム、銀、鉛スズ（半田）などを用いて、印刷法などの方法で形成すればよい。例えば、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で形成することができる。

以上により、光電変換装置２００を製造することができる。

なお、ユニットセル２２０の露出部及び第１の電極２０６の露出部には、反射防止機能を有するパッシベーション層２１９を形成することが好ましい（図８参照。）。

パッシベーション層２１９には、屈折率がユニットセル２２０の入射面（本実施の形態においては、第２の不純物半導体層２１４）と空気の中間である材料を用いる。また、ユニットセル２２０への光の入射を妨げないように、所定の波長の光に対する透過性を有する材料を用いる。このような材料を用いることで、ユニットセル２２０の入射面における反射を防ぐことができる。なお、このような材料としては、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、フッ化マグネシウムなどを挙げることができる。また、パッシベーション層２１９があることにより、結晶シリコン表面におけるキャリアの再結合を低減することができ、光電変換効率を高めることができる。

パッシベーション層２１９は、ユニットセル２２０の露出部及び第１の電極２０６の露出部を覆うように設ける。例えば、ユニットセル２２０上及び第１の電極２０６上にパッシベーション層２１９を形成した後、第２の不純物半導体層２１４と第１の電極２０６の一部が露出するようにパッシベーション層２１９をエッチングする。そして、第１の電極２０６と接する補助電極２１６と、第２の不純物半導体層２１４と接する第２の電極２１８を形成する。なお、補助電極２１６及び第２の電極２１８を形成した後、パッシベーション層２１９を形成し、補助電極２１６及び第２の電極２１８の一部をエッチングにより露出させてもよい。

図９（Ａ）には、光電変換装置のユニットセル２２０の断面模式図の一例を示す。ここでは、高濃度にｐ型不純物元素が添加された第１の不純物半導体層２０８（ｐ^＋層）と、ｐ型の単結晶シリコン層２５１（ｐ層）と、ｉ型の結晶シリコン層２５３（ｉ層）と、ｎ型不純物元素が添加された第２の不純物半導体層２１４（ｎ^＋層、またはｎ層）が順に配置された構成を示しているが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。なお、単結晶シリコン層の場合には、そのバンドギャップエネルギーは約１．１２ｅＶである。また、光（エネルギー：ｈν）は第２の不純物半導体層２１４側から入射する。

図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すユニットセル２２０のエネルギーバンド図である。ここで、Ｅｃは伝導帯の底を、Ｅｖは価電子帯の頂上を示している。また、Ｅｆはフェルミ準位のエネルギーを示す。また、Ｅｇｃ_１は単結晶シリコン層２５１及び結晶シリコン層２５３におけるバンドギャップエネルギーである。

図９（Ｂ）に示されるバンド構造に起因して、光励起により生成された電子はｎ^＋層（またはｎ層）の方向に流れ、光励起により生成された正孔はｐ^＋層の方向に流れる。これが、光電変換の基本的な原理である。ここで、光電変換の効率を高めるためには、光励起により生じるキャリアの数を増大させることが重要である。光励起キャリアを増大させるためには、光吸収層（本実施の形態においては単結晶シリコン層）にある程度の厚みを持たせてやればよい。光吸収層として結晶シリコン層を用いる場合には、結晶シリコン層の光吸収係数や、太陽光のスペクトルから、その厚さを８００ｎｍ以上とすればよい。

この点、本実施の形態では、エピタキシャル成長技術を利用して結晶シリコン層の厚膜化を図っており、単結晶シリコン層２５１と結晶シリコン層２５３を合わせて８００ｎｍ以上の厚さとしている。このため、単結晶シリコン層において十分なキャリアを発生させることが可能であり、光電変換効率を向上させることができる。

以上、本実施の形態に示すエピタキシャル成長技術を用いることにより、光電変換層として機能する８００ｎｍ以上の結晶性の高いシリコン層を得ることができる。これにより、バルクの単結晶シリコン基板を用いる場合と比較して、単結晶シリコンの消費量を抑えることができる。なお、従来では、光電変換装置を支持する構造体も単結晶シリコンで形成していたが、単結晶シリコン基板を薄片化した単結晶シリコン層を用いることで、単結晶シリコンの消費量を大幅に低減することができる。また、単結晶シリコン層を分離した後の単結晶シリコン基板は繰り返し利用することができるため、資源を有効に活用することができる。

さらに、本実施の形態では、平均水素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満となるシリコン層を用いる。これにより、単結晶シリコン層を厚く形成する場合であっても、単結晶シリコン層の剥離を防止することができる。つまり、必要な厚さを有する光電変換層を、歩留まりよく、必要最小限の材料のみを用いて形成することができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態では、先の実施の形態と異なる光電変換装置の製造方法の例について説明する。具体的には、先の実施の形態では、脆化領域２０５、第１の不純物半導体層２０８、第１の電極２０６、絶縁層２０４の形成順序について、（１）を例に説明したが、本実施の形態では、（２）、（３）、（４）の例について説明する。なお、脆化領域２０５、第１の不純物半導体層２０８、第１の電極２０６、絶縁層２０４の形成順序以外については先の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。

以下、（２）の例について、図１８を用いて説明する。

まず、単結晶シリコン基板２０３の一表面上に保護層２０７を形成する。そして、保護層２０７の表面にイオン２４０を照射する（図１８（Ａ）参照。）。この結果、単結晶シリコン基板２０３中に脆化領域２０５が形成される（図１８（Ｂ）参照。）。

次に、保護層２０７の表面に一導電型を付与する不純物元素２３０を照射する（図１８（Ｃ）参照。）。この結果、不純物元素２３０の添加された単結晶シリコン基板２０３の領域を、第１不純物半導体層２０８とすることができる（図１８（Ｄ）参照。）。なお、ここでは既に脆化領域２０５が形成されているため、イオン注入法またはイオンドーピング法を用いて不純物元素２３０を添加することが好ましい。これは、熱拡散法のような高温処理を必要とする方法を用いる場合、単結晶シリコン基板２０３が脆化領域２０５において分離してしまう可能性が高いためである。

その後、保護層２０７を除去し、第１の電極２０６を形成する。その後、第１の電極２０６上に絶縁層２０４を形成する（図１８（Ｅ）参照。）。この後の工程は、先の実施の形態と同様である。

このように（２）においては、不純物元素２３０が添加されていない単結晶シリコン基板にイオン２４０を照射して脆化領域を形成することになる。

以下、（３）の例について、図１９を用いて説明する。

まず、単結晶シリコン基板２０３の一表面上に第１の電極２０６を形成し、第１の電極２０６の表面にイオン２４０を照射する（図１９（Ａ）参照。）。この結果、単結晶シリコン基板２０３中に脆化領域２０５を形成する（図１９（Ｂ）参照。）。

その後、第１の電極２０６の表面に一導電型を付与する不純物元素２３０を照射する（図１９（Ｃ）参照。）。この結果、不純物元素２３０の添加された単結晶シリコン基板２０３の領域を、第１の不純物半導体層２０８とすることができる（図１９（Ｄ）参照。）。

そして、第１の電極２０６上に絶縁層２０４を形成する（図１９（Ｅ）参照。）。この後の工程は、先の実施の形態と同様である。

このように（３）においては、第１の電極２０６が保護層として機能するため、保護層を別途設ける必要がなく、工程の短縮につながる。

以下、（４）の例について、図２０を用いて説明する。

まず、単結晶シリコン基板２０３の一表面上に第１の電極２０６を形成し、次に、第１の電極２０６の表面に一導電型を付与する不純物元素２３０を照射する（図２０（Ａ）参照。）。この結果、不純物元素２３０の添加された単結晶シリコン基板２０３の領域を、第１の不純物半導体層２０８とすることができる（図２０（Ｂ）参照。）。

その後、第１の電極２０６の表面にイオン２４０を照射する（図２０（Ｃ）参照。）。この結果、単結晶シリコン基板２０３中に脆化領域２０５を形成する（図２０（Ｄ）参照。）。

そして、第１の電極２０６上に絶縁層２０４を形成する（図２０（Ｅ）参照。）。この後の工程は、先の実施の形態と同様である。

このように（４）においては、第１の電極２０６が保護層として機能するため、保護層を別途設ける必要がなく、工程の短縮につながる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、光電変換装置の作製方法の別の形態について説明する。

図２１に、第１の電極２０６とベース基板２０２とを直接貼り合わせて形成した光電変換装置の形態を示す。第１の電極２０６の表面が平坦である場合、例えば、第１の電極２０６の表面の平均面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下である場合には、絶縁層２０４（図５等参照）を形成しなくとも、第１の電極２０６とベース基板２０２とを貼り合わせることができる。

上記の貼り合わせは、十分に清浄化された第１の電極２０６の表面と、ベース基板２０２の表面を密着させることで行われる。貼り合わせの前に、第１の電極２０６の表面やベース基板２０２の表面を活性化させておいてもよい。また、貼り合わせ後には、熱処理や加圧処理を行ってもよい。本実施の形態のように表面が平坦な第１の電極２０６を形成することで、絶縁層２０４を設ける必要がなくなり、工程が短縮されることになる。なお、上記の記載は、絶縁層２０４の形成を除外するものではない。例えば、ブロッキング層として機能する絶縁層などを形成することは、信頼性向上の点からも好ましいと言える。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、ユニットセルを複数積層した、いわゆるタンデム型の光電変換装置の例について説明する。なお、本実施の形態では、ユニットセルを２層積層する場合について説明する。

図２２に、本実施の形態に係るタンデム型の光電変換装置３００の断面の模式図を示す。光電変換装置３００は、ベース基板２０２上にユニットセル２２０（第１のユニットセルと呼んでもよい）と、ユニットセル３３０（第２のユニットセルと呼んでもよい）が積層された構造を有する。ベース基板２０２とユニットセル２２０の間には第１の電極２０６が設けられ、第１の電極２０６とベース基板２０２との間には絶縁層２０４が設けられている。本実施の形態において、ベース基板２０２、絶縁層２０４、第１の電極２０６、ユニットセル２２０の構成及び作製方法は実施の形態３と同様であるから、重複する部分の説明は省略する。

光電変換装置３００は、図中の上方（ユニットセル３３０の表面側）から光が入射する構成となっている。また、ユニットセル３３０を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーはユニットセル２２０を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーより大きい。例えば、ユニットセル３３０には非単結晶半導体層を用い、ユニットセル２２０には単結晶半導体層を用いることができる。バンドギャップの異なる光電変換層を積層することで、効率よく吸収できる波長帯域が広がり、光電変換効率を向上させることができる。特に、太陽光は、その波長帯域が短波長側から長波長側まで広範囲に渡っており、本実施の形態のような構成を採用することは、極めて有効である。また、光の入射側にバンドギャップの大きい光電変換層を配置することで、効率よく光を吸収することができるようになる。

ユニットセル３３０は、ユニットセル２２０上に、一導電型が付与された第３の不純物半導体層３２２と、非単結晶半導体層３２４と、第３の不純物半導体層３２２とは異なる導電型が付与された第４の不純物半導体層３２６とが、順に積層された構造を有する。ここで、第３の不純物半導体層３２２には、ユニットセル２２０の第２の不純物半導体層２１４とは逆の導電型が付与される。

ユニットセル３３０の非単結晶半導体層３２４には、非晶質シリコン、微結晶シリコンなどを用いることができる。第３の不純物半導体層３２２と第４の不純物半導体層３２６は、所定の導電型の不純物元素を含む非晶質半導体層または微結晶半導体層である。その他、非晶質シリコンカーバイドなどを用いてもよい。第３の不純物半導体層３２２をｐ型とする場合、第４の不純物半導体層３２６はｎ型となるが、第３の不純物半導体層３２２をｎ型として、第４の不純物半導体層３２６をｐ型としてもよい。

非単結晶半導体層３２４は、ＰＥＣＶＤ法により形成することができる。例えば、シリコンを含む堆積性ガスを用いて非晶質シリコン層を形成すればよい。なお、非単結晶半導体層３２４はスパッタリング法を用いて形成することもできる。非単結晶半導体層３２４は、厚さを５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。非晶質シリコンのバンドギャップは約１．７５ｅＶであるから、このような厚さにすることで、６００ｎｍよりも短い波長帯域の光を十分に吸収させることができる。

また、非単結晶半導体層３２４には、微結晶半導体（代表的には微結晶シリコン）を用いてもよい。この場合には、ユニットセル２２０上に数ｎｍ程度のごく薄い非晶質半導体層を形成した後に微結晶半導体を形成するとよい。このようにすることで、単結晶半導体層からエピタキシャル成長が進行して単結晶半導体層が形成されてしまうことを防止できる。なお、第３の不純物半導体層３２２は単結晶半導体層で形成しても構わないため、この場合には、数ｎｍ程度の薄い非晶質半導体層は第２の不純物半導体層２１４上または第３の不純物半導体層３２２上に形成すればよい。

ユニットセル２２０のベース基板２０２側には第１の電極２０６が設けられ、ユニットセル３３０の表面側には第２の電極３３２が設けられている。また、第１の電極２０６に接続する補助電極３１７、及び第２の電極３３２に接続する補助電極３１９が設けられている。補助電極３１７と補助電極３１９は、光電変換層にて変換された電気エネルギーを取り出す取り出し電極（集電極ともいう。）として機能する。

ユニットセル３３０を非単結晶半導体で形成する場合にはキャリアのライフタイムが短くなる傾向にあり、これに起因して光電変換効率が低下するおそれがある。これを防ぐために、本実施の形態では第２の電極３３２を基板全面に形成している。ここで、ユニットセル３３０及びユニットセル２２０に十分な光を入射させるため、第２の電極３３２は太陽光の透過率が高い材料を用いて形成する。また、第２の電極３３２に接する補助電極３１９は格子状（または櫛状、櫛形、櫛歯状）としている。

次に、本実施の形態に係る光電変換装置３００の作製方法の一例について、図２３を参照して説明する。なお、第２の不純物半導体層２１４の作製方法までは、実施の形態３と同様であるため、ここでは説明を省略する。

第２の不純物半導体層２１４を形成した後、該第２の不純物半導体層２１４上に、第３の不純物半導体層３２２、非単結晶半導体層３２４、第４の不純物半導体層３２６を順に形成する（図２３（Ａ）参照。）。

ここで、第３の不純物半導体層３２２は、第２の不純物半導体層２１４とは異なる導電型の非晶質半導体層または微結晶半導体層とする。例えば、第２の不純物半導体層２１４がｎ型である場合には、第３の不純物半導体層３２２をｐ型の非晶質半導体層（例えば、ｐ型の非晶質シリコン層）またはｐ型の微結晶半導体層（例えば、ｐ型の微結晶シリコン層）とする。第３の不純物半導体層３２２の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とすればよい。

また、非単結晶半導体層３２４は、導電型を付与する不純物元素を含まない真性半導体層（例えば、ｉ型の非晶質シリコン層またはｉ型の微結晶シリコン層）とすることが好ましい。厚さは、５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。

また、第４の不純物半導体層３２６は、第３の不純物半導体層３２２とは異なる導電型の非晶質半導体層または微結晶半導体層とする。例えば、第３の不純物半導体層３２２がｐ型である場合には、第４の不純物半導体層３２６をｎ型の非晶質半導体層（例えば、ｎ型の非晶質シリコン層）またはｎ型の微結晶半導体層（例えば、ｎ型の微結晶シリコン層）とする。第４の不純物半導体層３２６の厚さは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度とすればよい。

第３の不純物半導体層３２２、非単結晶半導体層３２４、第４の不純物半導体層３２６は、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて形成することができる。なお、ＰＥＣＶＤ法などの気相成長法を用いて非単結晶シリコン層を形成する場合には、原料ガスにジボランなどを添加することでｐ型を付与することができる。一方、ｎ型を付与したい場合には、原料ガスにホスフィンなどを添加すればよい。

以上により、一導電型が付与された第３の不純物半導体層３２２、非単結晶半導体層３２４、第３の不純物半導体層３２２とは異なる導電型が付与された第４の不純物半導体層３２６が順に積層されたユニットセル３３０を得ることができる。

次に、第４の不純物半導体層３２６上に第２の電極３３２を形成する（図２３（Ｂ）参照。）。第２の電極３３２はスパッタリング法や真空蒸着法を用いて形成することができる。また、第２の電極３３２は太陽光を十分に透過する材料を用いて形成することが好ましい。上記材料としてはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物、酸化亜鉛、酸化スズ、などの導電性を有する金属酸化物を用いればよい。第２の電極３３２は、その厚さが４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度（好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度）、シート抵抗が２００Ω／ｓｑ．以下程度となるように形成すればよい。

本実施の形態では、第２の電極３３２は、ユニットセル３３０上に選択的に形成する。例えば、シャドーマスクを用いて第２の電極３３２を形成する。第２の電極３３２を選択的に形成することで、後に第１の電極２０６の一部（好ましくは端部）を露出させる際のエッチング用マスクとして用いることができる。

なお、第２の電極３３２は、導電性高分子材料（導電性ポリマーともいう。）を用いて形成してもよい。導電性高分子材料としては、π電子共役系導電性高分子を用いることができる。例えば、ポリアニリンやポリピロール、ポリチオフェンもしくはその誘導体、またはアニリン、ピロールおよびチオフェンの２種以上からなる共重合体もしくはその誘導体などを用いればよい。

次に、第２の電極３３２をマスクとして、第４の不純物半導体層３２６、非単結晶半導体層３２４、第３の不純物半導体層３２２、第２の不純物半導体層２１４、結晶シリコン層２５３、単結晶シリコン層２５１及び第１の不純物半導体層２０８をエッチングして、第１の電極２０６の一部を露出させる（図２３（Ｃ）参照。）。

上記のエッチングは、ＮＦ_３、ＳＦ_６などのフッ素系ガスを用いたドライエッチングとすればよく、第１の電極２０６と、第１の電極２０６の上方に形成されている積層（ユニットセル２２０及びユニットセル３３０を構成する各層）との選択比が充分に確保できる条件で行えばよい。ここでは第２の電極３３２をマスクとして用いることができるため、エッチング用のマスクを新たに設ける必要がない。もちろん、レジストや絶縁層を用いてマスクを形成してもよい。また、マスクを用いてエッチングする代わりに、レーザースクライブ法を用いてもよい。

その後、第１の電極２０６に接続する補助電極３１７と、第２の電極３３２に接続する補助電極３１９を形成する（図２３（Ｄ）参照。）。

補助電極３１９は、図４に示す第２の電極２１８ように、上方から見て格子状（または櫛状、櫛形、櫛歯状）となるように形成する。このような形状とすることで、ユニットセル３３０及びユニットセル２２０に十分な光を入射させることができ、光吸収効率を向上させることができる。また、補助電極３１７は、先のエッチングにより露出させた第１の電極２０６と接して形成する。

補助電極３１７、補助電極３１９は、アルミニウム、銀、鉛スズ（半田）などを用いて、印刷法などの方法で形成すればよい。例えば、銀ペーストを用いてスクリーン印刷法で形成することができる。

以上により、いわゆるタンデム型の光電変換装置３００を作製することができる。

なお、本実施の形態においては図示していないが、上記タンデム型の光電変換装置３００に関しても、反射防止機能を有する図８に示すパッシベーション層２１９と同様のパッシベーション層を形成することが好ましい。

図２４（Ａ）には、光電変換装置のユニットセル２２０とユニットセル３３０の断面模式図の一例を示す。ここでは、高濃度にｐ型不純物元素が添加された第１の不純物半導体層２０８（ｐ^＋層）と、ｐ型の単結晶シリコン層２５１（ｐ層）と、ｉ型の結晶シリコン層２５３（ｉ層）と、ｎ型不純物元素が添加された第２の不純物半導体層２１４（ｎ^＋層、またはｎ層）が順に積層されたユニットセル２２０及び、ｐ型の第３の不純物半導体層３２２（ｐ^＋層、またはｐ層）と、ｉ型の非単結晶半導体層３２４（ｉ層）と、ｎ型の第４の不純物半導体層３２６（ｎ^＋層、またはｎ層）が順に配置されたユニットセル３３０について示しているが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。なお、ユニットセル２２０中の単結晶半導体層を単結晶シリコンとする場合には、そのバンドギャップエネルギーは約１．１２ｅＶであり、ユニットセル３３０中の非単結晶半導体層を非晶質シリコンとする場合には、そのバンドギャップエネルギーは約１．７５ｅＶである。また、光（エネルギー：ｈν）は第４の不純物半導体層３２６側から入射する。

図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）に示すユニットセル２２０とユニットセル３３０のエネルギーバンド図である。ここで、Ｅｃは伝導帯の底を、Ｅｖは価電子帯の頂上を示している。また、Ｅｆはフェルミ準位のエネルギーを示す。また、Ｅｇｃ_１はユニットセル２２０におけるバンドギャップエネルギー（約１．１２ｅＶ）であり、Ｅｇｃ_２はユニットセル３３０におけるバンドギャップエネルギー（約１．７５ｅＶ）である。

図２４（Ｂ）に示されるバンド構造に起因して、各ユニットセルで光励起により生成された電子は、各ユニットセルのｎ^＋層（またはｎ層）の方向に流れ、また、正孔は、各ユニットセルのｐ^＋層（またはｐ層）の方向に流れることになる。これが、光電変換の基本的な原理である。ユニットセル２２０とユニットセル３３０の接続部分では再結合電流が流れるため、外部に電流を取り出すことができる。

単結晶半導体層を有するユニットセル２２０をボトムセルとして用いることで、８００ｎｍ以上の波長の光を吸収して光電変換することが可能となる。また、非単結晶半導体層を有するユニットセル３３０をトップセルとして用いることで、単結晶半導体層に比べて効率的にエネルギーが吸収されない８００ｎｍ未満の波長の光を吸収して光電変換することが可能となる。このようなバンドギャップの異なるユニットセルを積層した構造（いわゆるタンデム型の構造）とすることで、光電変換効率を大きく向上させることができる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態７）
本実施の形態では、ユニットセルを複数積層した光電変換装置の一例について説明する。具体的には、ユニットセルを３層積層した、いわゆるスタック型の光電変換装置４００について説明する。

図２５に、本実施の形態に係るスタック型の光電変換装置４００の断面の模式図を示す。光電変換装置４００は、ベース基板２０２上にユニットセル２２０（第１のユニットセルと呼んでも良い。）と、ユニットセル３３０（第２のユニットセルと呼んでも良い。）と、ユニットセル４４０（第３のユニットセルと呼んでも良い。）が積層された構造を有する。ベース基板２０２とユニットセル２２０の間には第１の電極２０６が設けられ、第１の電極２０６とベース基板２０２との間には絶縁層２０４が設けられている。本実施の形態において、ベース基板２０２、絶縁層２０４、第１の電極２０６、ユニットセル２２０の構成及び作製方法は実施の形態３と同様であるから、重複する部分の説明は省略する。また、ユニットセル３３０の構成及び作製方法は実施の形態６と同様であるから、重複する部分の説明は省略する。

光電変換装置４００は、図中の上方（ユニットセル４４０の表面側）から光が入射する構成となっている。また、ユニットセル４４０、ユニットセル３３０、ユニットセル２２０を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーは、光の入射側ほど大きくなっている。つまり、バンドギャップエネルギーは、大きい順にユニットセル４４０、ユニットセル３３０、ユニットセル２２０である。このように、各ユニットセルのバンドギャップエネルギーを異ならせ、バンドギャップエネルギーが大きい順に入射側から配置することで、効率よく光を吸収できるようになる。

例えば、ユニットセル２２０を構成する半導体層として、単結晶シリコンを用いる場合には、そのバンドギャップエネルギーは約１．１２ｅＶであるから、ユニットセル３３０及びユニットセル４４０には、バンドギャップエネルギーがより大きい材料を用いる。具体的には、例えば、ユニットセル３３０の半導体層としてバンドギャップエネルギーが１．４５ｅＶ以上１．６５ｅＶ以下程度の材料（非晶質シリコンゲルマニウムなど）を用い、また、ユニットセル４４０の半導体層としてバンドギャップエネルギーが１．７ｅＶ以上２．０ｅＶ以下程度の材料（非晶質シリコン、非晶質シリコンカーバイドなど）を用いればよい。

ユニットセル４４０は、ユニットセル３３０上に、一導電型が付与された第５の不純物半導体層４４２と、非単結晶半導体層４４４と、第５の不純物半導体層４４２とは異なる導電型が付与された第６の不純物半導体層４４６とが順に積層された構造を有する。ここで、第５の不純物半導体層４４２には、ユニットセル３３０の第４の不純物半導体層３２６とは逆の導電型が付与される。

ユニットセル２２０のベース基板２０２側には第１の電極２０６が設けられ、ユニットセル４４０の表面側には第２の電極４５２が設けられている。また、第１の電極２０６に接続する補助電極４５３、及び第２の電極４５２に接続する補助電極４５４が設けられている。補助電極４５３と補助電極４５４は、光電変換層にて変換された電気エネルギーを取り出す取り出し電極（集電極ともいう。）として機能する。

図２６（Ａ）に、光電変換装置のユニットセル２２０とユニットセル３３０とユニットセル４４０の断面模式図の一例を示す。ここでは、高濃度にｐ型不純物元素が添加された第１の不純物半導体層２０８（ｐ^＋層）と、ｐ型の単結晶シリコン層２５１（ｐ層）と、ｉ型の結晶シリコン層２５３（ｉ層）と、ｎ型不純物元素が添加された第２の不純物半導体層２１４（ｎ^＋層、またはｎ層）が順に積層されたユニットセル２２０、ｐ型の第３の不純物半導体層３２２（ｐ^＋層、またはｐ層）と、ｉ型の非単結晶半導体層３２４（ｉ層）と、ｎ型の第４の不純物半導体層３２６（ｎ^＋層、またはｎ層）が順に配置されたユニットセル３３０、及びｐ型の第５の不純物半導体層４４２（ｐ^＋層、またはｐ層）と、ｉ型の非単結晶半導体層４４４（ｉ層）と、ｎ型の第６の不純物半導体層４４６（ｎ^＋層、またはｎ層）が順に配置されたユニットセル４４０について示しているが、開示する発明の一態様はこれに限定して解釈されない。

図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）に示すユニットセル２２０、ユニットセル３３０、ユニットセル４４０のエネルギーバンド図である。ここで、Ｅｃは伝導帯の底を、Ｅｖは価電子帯の頂上を示している。また、Ｅｆはフェルミ準位のエネルギーを示す。また、Ｅｇｃ_１はユニットセル２２０のバンドギャップエネルギーであり、Ｅｇｃ_２はユニットセル３３０のバンドギャップエネルギーであり、Ｅｇｃ_３はユニットセル４４０のバンドギャップエネルギーである。

図２６（Ｂ）に示されるバンド構造に起因して、各ユニットセルで光励起により生成された電子は、各ユニットセルのｎ^＋層（またはｎ層）の方向に流れ、また、正孔は、各ユニットセルのｐ^＋層（またはｐ層）の方向に流れることになる。これが、光電変換の基本的な原理である。ユニットセル２２０とユニットセル３３０の接続部分、ユニットセル３３０とユニットセル４４０の接続部分では再結合電流が流れるため、外部に電流を取り出すことができる。

以上のように、いわゆるスタック型の構造とすることで、効率のよい吸収波長帯域を広く採ることができるため、光電変換効率を大きく向上させることができる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。

（実施の形態８）
実施の形態３乃至７などにより得られる光電変換装置を用いて、太陽光発電モジュールを製造することができる。本実施の形態では、実施の形態３に示す光電変換装置を用いた太陽光発電モジュールの例を図２７（Ａ）に示す。太陽光発電モジュール１０２８は、ベース基板２０２上に設けられたユニットセル２２０により構成されている。ベース基板２０２とユニットセル２２０の間には、ベース基板２０２側から絶縁層２０４、第１の電極２０６が設けられている。また、第１の電極２０６は補助電極２１６と接続している。

補助電極２１６及び第２の電極２１８はベース基板２０２の一表面側（ユニットセル２２０が形成されている側）に形成され、ベース基板２０２の端部で外部端子コネクタ用の裏面電極１０２６及び裏面電極１０２７とそれぞれ接続する。図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ）のＣ−Ｄに対応する断面図であり、ベース基板２０２の貫通口を通じて、補助電極２１６が裏面電極１０２６と接続し、第２の電極２１８が裏面電極１０２７と接続する様子を示している。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態９）
図２８に、実施の形態７で示した太陽光発電モジュール１０２８を用いた太陽光発電システムの例を示す。充電制御回路１０２９は、一または複数の太陽光発電モジュール１０２８から供給される電力を用いて、蓄電池１０３０を充電する。また、蓄電池１０３０が十分に充電されている場合には、太陽光発電モジュール１０２８から供給される電力を負荷１０３１に直接出力する。

蓄電池１０３０として電気二重層キャパシタを用いると、充電に化学反応を必要としないため、急速な充電が可能である。また、化学反応を利用する鉛蓄電池などに比べ、寿命を８倍程度、充放電効率を１．５倍程度に高めることができる。本実施の形態において示す太陽光発電システムは、照明、電子機器など、電力を使用する様々な負荷１０３１に対して用いることができる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

本実施例では、開示する発明の一様態を用いてガラス基板上に形成された単結晶シリコン層について説明する。

まず、実施の形態２において説明した方法を用いて、ガラス基板上に単結晶シリコン層を形成する。本実施例では、厚さ０．７ｍｍのガラス基板上に、厚さ１００ｎｍの酸化シリコン層と、厚さ１５０ｎｍの単結晶シリコン層からなる積層構造を形成した。そして、上記単結晶シリコン層上に、針状結晶領域、非晶質シリコン層を一度の工程で形成した。

針状結晶領域及び非晶質シリコン層の形成条件は以下の通りである。
・成膜法：ＰＥＣＶＤ
・原料ガス：ＳｉＨ_４（８００ｓｃｃｍ）
・電力密度（周波数）：１０２ｍＷ／ｃｍ^２（６０ＭＨｚ）
・圧力：１５０Ｐａ
・電極間隔：１０ｍｍ
・基板温度：４００℃
・厚さ：１μｍ

上記針状結晶領域及び非晶質シリコン層を形成した段階で、シリコン層の特性を調査した。具体的にはラマンスペクトル評価、断面ＳＴＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＳＩＭＳ分析を行った。なお、ラマンスペクトル評価には、ホリバ・ジョバンイボン社製ダブルラマン分光装置 Ｕ１０００を用いた。ＳＴＥＭの評価には株式会社日立ハイテクノロジーズ製ＨＤ−２３００形 超薄膜評価装置を用いた。ＳＩＭＳ分析には、アルバック・ファイ株式会社製四重極型二次イオン質量分析装置 ＰＨＩ ＡＤＥＰＴ１０１０を用いた。ＳＩＭＳ分析の際は、加速電圧１．０ｋＶのＣｓ^＋を一次イオンとして照射した。

その後、固相エピタキシャル成長により、非晶質シリコン層を結晶化した。具体的には、抵抗加熱炉を用いて、窒素雰囲気中にて、６００℃の温度で１時間の熱処理を行った。また、この段階で上記針状結晶領域及び非晶質シリコン層の剥離は発生しなかった。上記の熱処理後、ラマンスペクトル評価、断面ＳＴＥＭ像観察、ＳＩＭＳ分析を行った。

図１０（Ａ）に、熱処理前の試料の断面ＳＴＥＭ像を示す。試料は、ガラス基板１３００、酸化シリコン層１３０１、単結晶シリコン層１３０２、針状結晶領域１３０３及び非晶質シリコン層１３０４で構成される。このときコーティング１３０５及びコーティング１３０６は断面ＳＴＥＭ観察しやすさのために設けられる。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）よりも拡大された試料の断面ＳＴＥＭ像である。ここで、ＤＩＦＦ１、ＤＩＦＦ２、ＤＩＦＦ３で示す箇所の電子線回折像を評価した。図１０（Ａ）の倍率は、５０，０００倍であり、図１０（Ｂ）の倍率は２００，０００倍である。また、図１０（Ｂ）のＤＩＦＦ１、ＤＩＦＦ２、及びＤＩＦＦ３における電子線回折像をそれぞれ、図１０（Ｃ）、図１０（Ｄ）、及び図１０（Ｅ）に示す。図１０（Ｃ）より、ＤＩＦＦ１は電子線回折が観測されず、非晶質であることがわかる。図１０（Ｄ）及び図１０（Ｅ）はほとんど同一の電子線回折像を示しており、ＤＩＦＦ２の針状結晶領域がＤＩＦＦ３の単結晶シリコン層と同じ結晶方位であることがわかる。針状結晶領域が単結晶シリコン層と同じ結晶方位であることは、本発明において重要な特徴の一つである。

図１１に上記試料のラマンスペクトル評価及び断面ＳＴＥＭ像を示す。熱処理前の試料のラマンスペクトルを図１１（Ａ）に示し、熱処理前の試料の断面ＳＴＥＭ像を図１１（Ｃ）に示す。また、熱処理後の試料のラマンスペクトルを図１１（Ｂ）に示し、熱処理後の試料の断面ＳＴＥＭ像を図１１（Ｄ）に示す。熱処理を行うことにより、針状結晶領域１３０３及び非晶質シリコン層１３０４が結晶シリコン層１３１０となる。これらの比較から、熱処理の前後において、シリコン層の特性が大きく変化していることがわかる。例えば、熱処理後の試料のラマンスペクトルのピーク波数は５１９．８５ｃｍ^−１であり、また、ＦＷＨＭは３．２０ｃｍ^−１である。単結晶シリコンのラマンスペクトル評価におけるピーク波数が５２０ｃｍ^−１であることから、エピタキシャル成長したシリコン層は、単結晶に極めて近い結晶性であることがわかる。

図１２に熱処理前の試料のＳＩＭＳ分析結果を示す。また、図１３に熱処理後の試料のＳＩＭＳ分析結果を示す。図１２と図１３を比較することにより、熱処理前の非晶質シリコン層と比べ、熱処理後の結晶シリコン層中の平均水素濃度が低減していることがわかる。固相エピタキシャル成長の熱処理により、Ｓｉ−Ｈ結合が切れて非晶質シリコン層中の水素が脱離し、Ｓｉ−Ｓｉ結合の再配列が助長されたためと推測される。

このような結晶性の良好なシリコン層を用いることで、優れた特性の光電変換装置を作製することができる。

（比較例１）
比較のため、単結晶シリコン層上に、基板温度を２１０℃、２８０℃、４００℃、電力密度を１０２ｍＷ／ｃｍ^２、６１２ｍＷ／ｃｍ^２、１６３３ｍＷ／ｃｍ^２としてシリコン層を形成した例を示す。

なお、その他のシリコン層の形成条件は以下の通りである。
・成膜法：ＰＥＣＶＤ
・原料ガス：ＳｉＨ_４（８００ｓｃｃｍ）
・電源周波数：６０ＭＨｚ
・圧力：１５０Ｐａ
・電極間隔：１０ｍｍ
・厚さ：１μｍ

図１４に単結晶シリコン層上に異なる基板温度、電力密度でシリコン層を形成した試料の断面ＳＴＥＭを示す。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は基板温度が２１０℃である。図１４（Ｄ）〜（Ｆ）は基板温度が２８０℃である。図１４（Ｇ）〜（Ｉ）は基板温度が４００℃である。また、図１４（Ａ）、図１４（Ｄ）、図１４（Ｇ）は電力密度が１０２ｍＷ／ｃｍ^２である。図１４（Ｂ）、図１４（Ｅ）、図１４（Ｈ）は電力密度が６１２ｍＷ／ｃｍ^２である。図１４（Ｃ）、図１４（Ｆ）、図１４（Ｉ）は電力密度が１６３３ｍＷ／ｃｍ^２である。このとき、図１４（Ｇ）のみ、針状結晶領域１３０３が観測された。また、抵抗加熱炉にて窒素雰囲気中で６００℃、１時間の熱処理を行ったところ、図１４（Ｇ）を除いて基板の一部もしくは全面で非晶質シリコン層１３０４の剥離が見られた。非晶質シリコン層１３０４の剥離は、基板温度が高いほど、ついで電力密度が小さいほど、程度が軽くなった。

図１４において、非晶質シリコン層１３０４の剥離が起きた試料の一部及び剥離の起きなかった試料で非晶質シリコン層１３０４のＳＩＭＳ分析を行った。このときの水素濃度を図１５に示す。実線１４０１は図１４（Ｇ）に示す試料の水素濃度を示し、実線１４０２は図１４（Ｈ）に示す試料の水素濃度を示し、実線１４０３は図１４（Ｄ）に示す試料の水素濃度を示し、実線１４０４は図１４（Ａ）に示す試料の水素濃度を示す。また、破線１４０５は水素濃度３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を示す。剥離の起きた条件は、いずれも膜中の平均水素濃度が３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上と高く、非晶質シリコン層に歪みが生じていた可能性がある。

本比較例において、単結晶シリコン層上に結晶シリコン層をエピタキシャル成長させるためには、シリコン層の形成条件が重要であることがわかった。また、単結晶シリコン層上のシリコン層は膜中の水素濃度によっては剥離しやすいことがわかった。本比較例によって、開示する発明の一様態が歩留まり向上に有効であることが確認できる。

（比較例２）
比較のため、ＳｉＨ_４をＨ_２で希釈した原料ガスを用いて、単結晶シリコン層上での結晶シリコン層のエピタキシャル成長を試みた例を示す（試料１）。

なお、試料１におけるシリコン層の形成条件は以下の通りである。
・成膜法：ＰＥＣＶＤ
・原料ガス：ＳｉＨ_４（２９０ｓｃｃｍ）＋Ｈ_２（１７４０ｓｃｃｍ）
・電力密度（周波数）：６０ｍＷ／ｃｍ^２（６０ＭＨｚ）
・基板温度：２８０℃
・圧力：１４０Ｐａ
・電極間隔：１５ｍｍ
・厚さ：５００ｎｍ

開示する発明の一様態におけるシリコン層の形成条件を以下に示す。
・成膜法：ＰＥＣＶＤ
・原料ガス：ＳｉＨ_４（８００ｓｃｃｍ）
・電力密度（周波数）：１０２ｍＷ／ｃｍ^２（６０ＭＨｚ）
・基板温度：４００℃
・圧力：１５０Ｐａ
・電極間隔：１０ｍｍ
・厚さ：１μｍ

図１６に熱処理前の試料の断面ＳＴＥＭを比較して示す。開示する発明の一様態の試料の断面ＳＴＥＭ像を図１６（Ａ）に示す。また、試料１の断面ＳＴＥＭ像を図１６（Ｂ）に示す。図１６（Ａ）が針状結晶領域１３０３及び非晶質シリコン層１３０４で構成されるのに対し、図１６（Ｂ）は結晶シリコン層１３０７及び非晶質シリコン層１３０８から構成されることがわかる。図１７に熱処理後の試料のラマンスペクトル及び断面ＳＴＥＭ像を示す。ここで熱処理とは、抵抗加熱炉を用いて窒素雰囲気中で６００℃、１時間の熱処理のことである。このとき、図１７（Ａ）は開示する発明の一様態の試料のラマンスペクトルを示し、図１７（Ｃ）は開示する発明の一様態の試料の断面ＳＴＥＭ像を示す。また、図１７（Ｂ）は試料１のラマンスペクトルを示し、図１７（Ｄ）は試料１の断面ＳＴＥＭ像を示す。試料１は、形成後の熱処理で均一な固相エピタキシャル成長が進まず、多結晶シリコン領域１３１１が形成される。このシリコン層のラマンスペクトル評価の結果、ピーク波数が５１８．９０ｃｍ^−１、ＦＷＨＭが５．１８ｃｍ^−１であった。また、開示する発明の一様態を用いた場合、ピーク波数は５１９．８５ｃｍ^−１であり、また、ＦＷＨＭは３．２０ｃｍ^−１であった。開示する発明の一様態は、単結晶シリコンのピーク波数５２０ｃｍ^−１に近く、ＦＷＨＭも小さいことから結晶性が良好であることがわかる。

比較例に対して、開示する発明の一様態ではシリコン層の結晶性が優れることがわかった。結晶性の優れるシリコン層を用いることで、良好な特性の光電変換装置を作製することができる。

１００ 単結晶シリコン基板
１０１ 絶縁層
１０３ 水素イオン
１０５ 脆化領域
１３０ ベース基板
１３１ 単結晶シリコン層
１３２ 針状結晶領域
１３３ 非晶質シリコン層
１３４ 結晶シリコン層
１３５ 単結晶シリコン層
１３６ シリコン層
１４０ レーザービーム
１４１ 単結晶シリコン層
１４２ 針状結晶領域
１４３ 非晶質シリコン層
１４４ 結晶シリコン層
１４６ シリコン層
２００ 光電変換装置
２０２ ベース基板
２０３ 単結晶シリコン基板
２０４ 絶縁層
２０５ 脆化領域
２０６ 第１の電極
２０７ 保護層
２０８ 第１の不純物半導体層
２１０ 単結晶シリコン層
２１１ 非晶質シリコン層
２１２ 結晶シリコン層
２１４ 第２の不純物半導体層
２１６ 補助電極
２１８ 第２の電極
２１９ パッシベーション層
２２０ ユニットセル
２３０ 不純物元素
２４０ イオン
２５０ レーザービーム
２５１ 単結晶シリコン層
２５２ 針状結晶領域
２５３ 結晶シリコン層
２５６ シリコン層
２６０ 不純物元素
２８０ 基板温度
３００ 光電変換装置
３１７ 補助電極
３１９ 補助電極
３２２ 第３の不純物半導体層
３２４ 非単結晶半導体層
３２６ 第４の不純物半導体層
３３０ ユニットセル
３３２ 第２の電極
４００ 光電変換装置
４４０ ユニットセル
４４２ 第５の不純物半導体層
４４４ 非単結晶半導体層
４４６ 第６の不純物半導体層
４５２ 第２の電極
４５３ 補助電極
４５４ 補助電極
５５０ 加熱温度
１０２６ 裏面電極
１０２７ 裏面電極
１０２８ 太陽光発電モジュール
１０２９ 充電制御回路
１０３０ 蓄電池
１０３１ 負荷
１３００ ガラス基板
１３０１ 酸化シリコン層
１３０２ 単結晶シリコン層
１３０３ 針状結晶領域
１３０４ 非晶質シリコン層
１３０５ コーティング
１３０６ コーティング
１３０７ 結晶シリコン層
１３０８ 非晶質シリコン層
１３１０ 結晶シリコン層
１４０１ 実線
１４０２ 実線
１４０３ 実線
１４０４ 実線
１４０５ 破線

Claims (28)

1. ベース基板上に単結晶シリコン層を設け、
   前記単結晶シリコン層上に、該単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、
   前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とすることを特徴とする半導体基板の作製方法。
2. 請求項１において、
   前記単結晶シリコン層に、レーザービーム照射することで、前記単結晶シリコン層の欠陥を回復させると共に、平坦化した後、
   前記レーザービーム照射された単結晶シリコン層上に前記シリコン層を形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
3. 請求項１または２において、
   前記単結晶シリコン層及び前記結晶シリコン層の厚さの合計が８００ｎｍ以上となるように前記単結晶シリコン層及び前記結晶シリコン層を形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一において、
   前記シリコン層は、シリコンを含む堆積性ガスを希釈せずに用いるプラズマ励起ＣＶＤ法により形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
5. 請求項４において、
   前記シリコンを含む堆積性ガスは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６に代表されるシラン系ガスまたはＳｉＦ_４であることを特徴とする半導体基板の作製方法。
6. 請求項４または５において、
   前記プラズマ励起ＣＶＤ法は、６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満の高周波電源からの電力を供給し、基板温度を２８０℃超過前記ベース基板の歪み点未満で行うことを特徴とする半導体基板の作製方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一において、
   前記針状結晶領域は、前記単結晶シリコン層を種結晶として、気相成長により形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか一において、
   前記シリコン層中の水素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする半導体基板の作製方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか一において、
   ５００℃超過前記ベース基板の歪み点未満の熱処理により前記結晶シリコン層を形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか一において、
    前記固相成長を行う前に、前記シリコン層形成時の基板温度以上前記シリコン層の固相成長が起こる温度未満で保持した後、５００℃以上ベース基板の歪み点未満で前記固相成長を行うことを特徴とする半導体基板の作製方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一において、
    単結晶シリコン基板の一表面上に絶縁層を形成し、
    前記単結晶シリコン基板にイオンを照射して、前記単結晶シリコン基板中に脆化領域を形成し、
    前記絶縁層とベース基板を密着させて前記単結晶シリコン基板と前記ベース基板を貼り合わせ、
    前記脆化領域において前記単結晶シリコン基板を分離させることにより、前記ベース基板上に単結晶シリコン層を設けることを特徴とする半導体基板の作製方法。
12. 請求項１１において、
    前記イオンとして、水素を含む原料ガスにより生成されるイオンを用いることを特徴とする半導体基板の作製方法。
13. ベース基板上に第１の電極、第１の不純物半導体層、単結晶シリコン層を設け、
    前記単結晶シリコン層上に、該単結晶シリコン層と同じ結晶方位である針状結晶領域を一部に含むシリコン層を形成し、
    前記針状結晶領域を種結晶として、前記シリコン層の他部を固相成長させて、前記シリコン層を結晶シリコン層とし、
    前記結晶シリコン層上に、前記第１の不純物半導体層とは逆の導電型の第２の不純物半導体層を形成し、
    前記第２の不純物半導体層上に第２の電極を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
14. 請求項１３において、
    前記単結晶シリコン層に、レーザービーム照射することで、前記単結晶シリコン層の欠陥を回復させると共に、平坦化した後、
    前記レーザービーム照射した単結晶シリコン層上に前記シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
15. 請求項１３または１４において、
    前記単結晶シリコン層及び前記結晶シリコン層の厚さの合計が８００ｎｍ以上となるように前記単結晶シリコン層及び前記結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
16. 請求項１３乃至１５のいずれか一において、
    前記シリコン層は、シリコンを含む堆積性ガスを希釈せずに用いるプラズマ励起ＣＶＤ法により形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
17. 請求項１６において、
    前記シリコンを含む堆積性ガスは、ＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６に代表されるシラン系ガスまたはＳｉＦ_４であることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
18. 請求項１６または１７において、
    前記プラズマ励起ＣＶＤ法は、６１２ｍＷ／ｃｍ^２未満の高周波電源からの電力を供給し、基板温度２８０℃超過前記ベース基板の歪み点未満で行うことを特徴とする光電変換装置の作製方法。
19. 請求項１３乃至１８のいずれか一において、
    前記針状結晶領域は、前記単結晶シリコン層を種結晶として、気相成長により形成することを特徴とする半導体基板の作製方法。
20. 請求項１３乃至１９のいずれか一において、
    前記シリコン層中の水素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上３．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
21. 請求項１３乃至２０のいずれか一において、
    ５００℃超過前記ベース基板の歪み点未満の熱処理により前記結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
22. 請求項１３乃至２１のいずれか一において、
    前記固相成長を行う前に、前記シリコン層形成温度超過前記シリコン層の固相成長が起こる温度未満で保持した後、５００℃超過ベース基板の歪み点未満で前記固相成長を行うことを特徴とする光電変換装置の作製方法。
23. 請求項１３乃至２２のいずれか一において、
    単結晶シリコン基板に保護層を形成し、
    前記単結晶シリコン基板の一表面上に第１の不純物半導体層を形成し、
    前記単結晶シリコン基板にイオンを照射して、前記単結晶シリコン基板中に脆化領域を形成し、
    前記保護層を除去し、
    前記第１の不純物半導体層上に第１の電極を形成し、
    前記第１の電極とベース基板を密着させて前記単結晶シリコン基板と前記ベース基板を貼り合わせ、
    前記脆化領域において前記単結晶シリコン基板を分離させることにより、前記ベース基板上に前記第１の電極、前記第１の不純物半導体層及び単結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
24. 請求項１３乃至２２のいずれか一において、
    単結晶シリコン基板に保護層を形成し、
    前記単結晶シリコン基板上にイオンを照射して、前記単結晶シリコン基板中に脆化領域を形成し、
    前記単結晶シリコン基板の一表面上に第１の不純物半導体層を形成し、
    前記保護層を除去し、
    前記第１の不純物半導体層上に第１の電極を形成し、
    前記第１の電極とベース基板を密着させて前記単結晶シリコン基板と前記ベース基板を貼り合わせ、
    前記脆化領域において前記単結晶シリコン基板を分離させることにより、前記ベース基板上に前記第１の電極、前記第１の不純物半導体層及び単結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
25. 請求項１３乃至２２のいずれか一において、
    単結晶シリコン基板上に第１の電極を形成し、
    前記単結晶シリコン基板の一表面上に第１の不純物半導体層を形成し、
    前記単結晶シリコン基板上にイオンを照射して、前記単結晶シリコン基板中に脆化領域を形成し、
    前記第１の電極とベース基板を密着させて前記単結晶シリコン基板と前記ベース基板を貼り合わせ、
    前記脆化領域において前記単結晶シリコン基板を分離させることにより、前記ベース基板上に前記第１の電極、前記第１の不純物半導体層及び単結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
26. 請求項１３乃至２２のいずれか一において、
    単結晶シリコン基板上に第１の電極を形成し、
    前記単結晶シリコン基板上にイオンを照射して、前記単結晶シリコン基板中に脆化領域を形成し、
    前記単結晶シリコン基板の一表面上に第１の不純物半導体層を形成し、
    前記第１の電極とベース基板を密着させて前記単結晶シリコン基板と前記ベース基板を貼り合わせ、
    前記脆化領域において前記単結晶シリコン基板を分離させることにより、前記ベース基板上に前記第１の電極、前記第１の不純物半導体層及び単結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
27. 請求項２２乃至２６のいずれか一において、
    前記単結晶シリコン基板上の前記ベース基板との貼り合わせ面に絶縁層を形成し、
    前記絶縁層とベース基板を密着させて前記単結晶シリコン基板と前記ベース基板を貼り合わせ、
    前記脆化領域において前記単結晶シリコン基板を分離させることにより、前記ベース基板上に前記絶縁層、前記第１の電極、前記第１の不純物半導体層及び単結晶シリコン層を形成することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
28. 請求項２２乃至２７のいずれか一において、
    前記イオンとして、水素を含む原料ガスにより生成されるイオンを用いることを特徴とする光電変換装置の作製方法。