TWI514595B - 光電轉換裝置及其製造方法 - Google Patents

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Yoshikazu Hiura
Akihisa Shimomura
Takashi Ohtsuki
Satoshi Toriumi
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Description

光電轉換裝置及其製造方法
本發明的實施例係相關於利用半導體的光電效果之光電轉換裝置的結構及其製造方法。
已知將使用單晶半導體所形成的光電轉換單元和使用非晶半導體所形成的光電轉換單元組合之光電轉換裝置。例如，揭示彙接光電轉換裝置，其形成如下：將與p型單晶矽基板分開的p型單晶矽層接合至基板；及以此方式將n型單晶矽層、p型非晶矽層、和n型非晶矽層形成在p型單晶矽層上(見專利文件1)。
另一方面，揭示單一型光電轉換裝置，其形成如下：將對長波長有靈敏性之微晶矽層和對短波長具有靈敏性之非晶矽層堆疊，以形成i型半導體層，及將i型半導體層***在p型半導體層和n型半導體層之間(見專利文件2)。
上面例示的兩種光電轉換裝置具有不同的結構；然而，兩結構的目的都是藉由利用非晶矽的特性和單晶矽的特性來提高轉換效率，非晶矽的特性係為：吸光係數在可見光範圍中高，而單晶矽的特性係為：吸光係數在具有長波長的光範圍中較非晶矽為高，並且其少數載子的壽命較非晶矽為長。
[參考文件] [專利文件]
[專利文件1]日本已出版專利申請案號碼H10-335683
[專利文件2]日本已出版專利申請案號碼H10-242493
然而，在組合單晶半導體和非晶半導體之習知的彙接光電轉換裝置中，有著必須獨立製造頂部光電轉換單元和底部光電轉換單元，因此步驟加倍之問題。另一方面，在堆疊微晶矽層和非晶矽層之i型層中，大量缺陷存在於微晶矽層；因此，無法獲得等同少量缺陷存在之單晶矽的轉換效率之轉換效率。
鑑於上述問題，目的係為了在不增加製造步驟之下來增加光電轉換裝置的轉換效率。
本發明的實施例是光電轉換裝置，其中將包括單晶區和非晶區的第二半導體層設置在具有一導電型的第一半導體層和具有與一導電型相反的導電型之第三半導體層之間，其特徵為第二導體層的結構。也就是說，形成第二半導體層中的單晶區和非晶區，使得單晶區主要分佈和佔據在第一半導體層側上，而非晶區主要分佈和佔據在第三半導體層側上。此外，單晶區和非晶區二者存在於第二半導體層的中央部分或附近。
根據本發明的實施例，說明光電轉換裝置，其包括第一半導體層，具有一導電型，其為形成在支撐基板上的單晶；緩衝層，包括單晶區和非晶區；第二半導體層，其設置在緩衝層上，包括單晶區和非晶區；以及第三半導體層，具有與一導電型相反之導電型，設置在第二半導體層上。
在第二半導體層中，在第一半導體層側上，單晶區的比例高於非晶區的比例；而在第三半導體層側上，非晶區的比例高於單晶區的比例。另一選擇是，第二半導體層包括單晶區，其從緩衝層生長，及包括各個具有針狀形狀的生長端；以及非晶區，朝第三半導體層側生長，以具有端部是在緩衝層側上之圓錐形狀，及嵌入單晶區。
單晶區和非晶區二者都存在於第二半導體層中，如此產生協同效果。換言之，即使當半導體層不像單晶晶圓一般厚時，第二半導體層仍能夠起作用，使得由於非晶區的存在而產生光載子以吸收光。當單晶區與非晶區接觸時，光載子流經單晶區，因此，提高第二半導體層的載子運送特性。
根據本發明的實施例，說明製造光電轉換裝置之方法，其中將第一半導體層形成在支撐基板上，第一半導體層具有一導電型，為單晶半導體膜；將緩衝層形成在第一半導體層上，緩衝層包括單晶區和非晶區；將第二半導體層形成在緩衝層上，第二半導體層包括從緩衝層的單晶區所生長之單晶區，和從緩衝層的非晶區所生長之非晶區；及將第三半導體層形成在第二半導體層上，第三半導體層具有與一導電型相反之導電型。
第二半導體層包括從緩衝層生長之單晶區和非晶區，及被形成，量較非晶區為大的單晶區包括在第一半導體層側上，而量較單晶區為大的非晶區包括在第三半導體側上。另一選擇是，第二半導體層被形成，包括從緩衝層生長之單晶區，及從緩衝層生長之非晶區，以具有圓錐形狀，及嵌入單晶區。
當使用單晶半導體形成第一半導體層時，能夠形成單晶區和非晶區二者都存在之緩衝層。單晶區和非晶區二者都存在之緩衝層起作用，使得單晶區和非晶區包括在第二半導體層中。緩衝層起作用，使得當形成第二半導體層時，晶體區不均勻地分佈在緩衝層側上。緩衝層起作用，使得第二半導體層中的晶體區之生長端的每一個都具有針狀形狀。
在此說明書中，“單晶”意指其晶體面或晶體軸彼此對準，及其原子和分子在空間上有順序之晶體。無須說，雖然單晶以有順序對準的原子來構成，但是單晶可包括其部分對準失序之晶格缺陷，或可包括有意或無意的晶格失真。
需注意的是，本說明書中之“破壞區”一詞意指在分離步驟中，將單晶半導體基板分成單晶半導體層和分離基板(單晶半導體基板)之區域，及意指其附近。“破壞區”的狀態視形成“破壞區”的方法而有不同。例如，“破壞區”是晶體結構部分失序及其晶體被破壞之區域。需注意的是，根據例子，稍微會破壞從單晶半導體基板的表面側到“破壞區”之區域。然而，本說明書中的“破壞區”意指稍後執行分離之區域，及意指其附近。
需注意的是，在本說明書中，為了方便區別元件而用於預定詞語之諸如“第一”、“第二”、及“第三”等序數並不限制數目，也不限制步驟的安排和順序。
將包括單晶區和非晶區之第二半導體層設置在具有一導電型之第一半導體層和具有與一導電型相反之導電型的第三半導體層之間，藉以提高光集中效率和能夠增加轉換效率。
將包括單晶區和非晶區的半導體層形成在包括單晶區和非晶區的緩衝層上，使得在不增加製造步驟之下，能夠製造可最佳利用單晶半導體和非晶半導體的協同效果之光電轉換裝置。
下面參考圖式說明所揭示之本發明的實施例和例子。然而，本發明並不侷限於下面說明，及精於本技藝之人士應明白，在不違背本發明的目的及範疇之下，可以各種方式改變模式和細節。因此，本發明並不應被闡釋作侷限於下面的實施例之說明。
另外，在下面所說明的實施例中，在所有圖式中，以相同參考號碼表示相同部分。需注意的是，為了清楚說明實施例，在一些例子中誇大圖式所圖解的組件，即、層的厚度或寬度等，相對位置等。
[實施例1]
參考圖1說明當作本發明的例子之實施例。根據本實施例的光電轉換裝置包括具有光電轉換作用之半導體層、支撐半導體層之基板、和裝附其上之組件。
在圖1中，將第一半導體層101設置在基板100上。當作基板100，可使用玻璃板、石英板、諸如礬土板等陶瓷板、或金屬板。使用單晶半導體形成第一半導體層101較佳，及添加給予半導體n型或p型的一導電型之雜質。這是因為第一導電層101被形成為光電轉換元件的一桿。
為了使用單晶半導體形成第一半導體層101，可應用下面方法：藉由化學汽相沈積法(CVD)將單晶半導體層直接形成在基板100上之方法；或將單晶半導體基板切片及固定至基板100之方法。在後一方法的例子中，可利用氫植入分離法，在此方法中，將氫植入到單晶半導體基板內以形成破壞區，然後將單晶半導體基板的表面部位分離。當作單晶半導體基板，典型上使用單晶矽晶圓。
需注意的是，化學汽相沈積法是薄膜形成法的一種，因為在膜形成處理中利用化學反應所以以此名稱相稱。化學汽相沈積法包括藉由提高溫度來沈積膜之熱CVD法；執行以光照射，以促進熱反應和熱分解之光CVD法；激勵氣體以變成在電漿狀態之電漿CVD法等。
將氫植入分離法所切片之第一半導體層101直接接合至基板100。直接接合是在原子位準使兩物體彼此接觸，然後藉由原子或分子之間的接合力接合在一起之技術。在圖1中，第一半導體層101和基板100直接接合在一起；另一選擇是，可將例如諸如氧化矽等絕緣層的另一組件***在第一半導體層101和基板100之間。當基板100和第一半導體層101直接接合在一起時，不需要包括產生半導體污染之有機材料的黏著劑，及即使當以100℃或更高的高溫執行加熱時，仍可避免半導體層101與基板100分離。
當作切片單晶半導體基板之方法，除了氫植入分離法之外，還可利用研磨及/或拋光單晶半導體基板之切片法。在此例中，以直接接合將第一半導體層101固定至基板100較佳。
設置在第一半導體層101上之第二半導體層102包括單晶區104和非晶區105。需注意的是，包括單晶區和非晶區之緩衝層103存在於第一半導體層101和第二半導體層102之間。
緩衝層103與第一半導體層101接觸。以諸如化學汽相沈積法等薄膜形成法，從第一半導體層101生長緩衝層103的晶體，使得緩衝層103包括單晶。緩衝層103包括非晶區。可藉由控制形成緩衝層103時之溫度來控制非晶區的密度。例如，藉由降低形成緩衝層103時之溫度來增加非晶區的密度。包括單晶區和非晶區之緩衝層103中的非晶區之比例約低於10%較佳。這是為了朝第一半導體層101側增加第二半導體層102中的非晶區之比例，以當形成第二半導體層102時，高於單晶區的比例。
另一選擇是，當作緩衝層103，可使用以在第一半導體層101的表面上執行特定處理以使單晶的部分變成非晶之此種方法所獲得的堆疊，來取代藉由上述薄膜形成法而在第一半導體層101上所形成之堆疊。例如，有藉由電漿處理使第一半導體層101的表面之部分變成非晶的方法。在此電漿處理中使用將不沈積之氣體，諸如氫、稀有氣體、或氫和稀有氣體的混合氣體等。
當作用以依據基座之第一半導體層101的晶性來生長晶體之機制，使用輝光放電電漿之化學汽相沈積法(電漿CVD法)較佳。被形成當作緩衝層103的薄膜具有單晶結構，在此單晶結構中，由於晶體生長步驟中的離子照射之影響而混合非晶區。例如，若在以電漿CVD法形成膜之步驟中將緩衝層103的生長表面暴露至電漿，則晶性部分被破壞，藉以非晶區能夠存在於單晶結構中。
將包括單晶區104和非晶區105之層形成在緩衝層103上。從緩衝層103的單晶區生長單晶區104。從緩衝層103的非晶區生長非晶區105。能夠藉由化學汽相沈積法生長包括單晶區104和非晶區105之薄膜。在化學汽相沈積法中，藉由氣相中的先質(基)之氣相反應和生長表面的先質(基)之表面反應來生長薄膜。此時，藉由控制表面反應，可依據生長薄膜的基座之晶性來生長薄膜的晶體。不用說，為了藉由控制表面反應來生長包括單晶區和非晶區之薄膜，可利用另一薄膜生長法，諸如蒸發法或濺鍍法等。
另一方面，在緩衝層103中，當晶體未生長在存在非晶之部分時，生長非晶薄膜。如圖1概要圖示一般，相對於單晶區104的比例之非晶區105比例通常隨著緩衝層103變長的距離而增加。這是因為非晶區105的生長率高於單晶區104的生長率。
在非晶區105生長成具有圓錐形形狀的同時，單晶區104的比例隨著緩衝層103變長之距離而減少。然後，增加第二半導體層102的厚度，使得單晶區104嵌入於非晶區105內。因此，單晶區104的生長端各個都具有針狀形狀。
以此方式，單晶區和非晶區二者都存在之緩衝層103設置在具有單晶相的第一半導體層101上，然後在其上生長薄膜，藉以能夠形成包括單晶區104和非晶區105之第二半導體層102。需注意的是，在多晶取代包括在緩衝層103中之單晶區的單晶之例子中，形成包括多晶區和非晶區之第二半導體層。當使用此種半導體時，亦可達成本發明的目的，而且也獲得相同效果。
第三半導體層106被設置成與第二半導體層102接觸。第三半導體層106是具有導電型與第一半導體層101相反之半導體層。需注意的是，第二半導體層102是有意未添加給予導電型的雜質之半導體層。即使當第二半導體層102包括有意或不經意給予導電型的雜質時，以低於第一半導體層101和第三半導體層106的濃度之濃度將雜質包括在第二半導體層102。
將第一半導體層101、第二半導體層102、及第三半導體層106堆疊，以形成二極體。可適當設置與第一半導體層101接觸之第一電極107和與第三半導體層106接觸之第二電極108，它們在此實施例的光電轉換裝置中是附屬元件。
在第二半導體層102中，以較第一半導體層101側上之非晶區105的比例為高之比例包括單晶區104；以較第三半導體層106側上之單晶區104的比例為高之比例包括非晶區105。換言之，第二半導體層102包括單晶區104，其從緩衝層103生長，並且具有各個具有針狀形狀的生長端；和非晶區105，其朝第三半導體層106生長成具有其端部在緩衝層103側上的圓錐形狀，並且嵌入單晶區104。
非晶區105具有較單晶區104為高的吸光係數；因此，即使當第二半導體層102的厚度不增厚至幾十μm，仍能夠吸收光電轉換所需的光。在非晶區105附近存在單晶區104時，非晶區105所產生的光載子流經單晶區104。如此，降低由載子陷阱所捕獲之光載子的數目，而增加光收集效率；因此，能夠增加轉換效率。光收集效率是每單位時間能夠從光電轉換裝置所擷取之載子的最大數目(電流的最大量)相對於每單位時間和每單位面積進入光電轉換裝置之光子的總數目之比率。
緩衝層103具有下面效果：在開始形成第二半導體層102時，增加單晶區104的比例(在第一半導體層101側上)；及在形成第二半導體層102的後半段時，增加非晶區105的比例(在第三半導體層106側上)。
圖2A及2B概要圖解從緩衝層103生長單晶區104和非晶區105之處理。緩衝層103包括單晶區，而非晶區不連續地包括在單晶區。
圖2A圖解形成第二半導體層102的前半段之第二半導體層102的狀態。依據緩衝層103的單晶區之晶性，從緩衝層103的單晶區生長單晶區104。另一方面，從緩衝層103的非晶區生長非晶區105。
非晶區105的生長開始於非常微小的區域，及其生長區隨著第二半導體層102的厚度增加而擴展。可藉由單晶區104的生長率和非晶區105的生長率之間的差異來解釋。換言之，因為非晶區105的生長率高於單晶區104的生長率，所以非晶區105的生長區隨著第二半導體層102的厚度增加而擴展。結果，如圖2B所示，當第二半導體層102的厚度增加時，單晶區104嵌入於非晶區105。
緩衝層103可具有使是基座之第一半導體層101的部分或整個表面不均勻，使得非晶區包括在單晶區之結構，如圖3A及3B所示。因為緩衝層103的基座不是平的，所以部分阻隔來自第一半導體層101的晶體生長，及單晶區和非晶區被形成在緩衝層103中。
即使在使用形成於基座不平之第一半導體層101上的緩衝層103之例子中，仍可以類似於圖2A及2B之方式來生長單晶區104和非晶區105。第一半導體層101的表面中之凹面和凸面的高度小於第二半導體層102的厚度；因此，將不均勻嵌入在第二半導體層102。
需注意的是，在圖2A及2B和圖3A及3B的例子中，因為非晶區105的生長率高，所以第二半導體層102的表面不需要是平的，這是由於單晶區104和非晶區105的同時生長。
將包括單晶區104和非晶區105之第二半導體層102設置在具有一導電型的第一半導體層101和具有與一導電型相反之導電型的第三半導體層106之間，使得光收集效率提高，因此能夠增加轉換效率。單晶區和非晶區包括在緩衝層103，及以化學氣相沈積法在其上生長第二半導體層102，藉以能夠將單晶區104和非晶區105包括在第二半導體層102。因此，能夠在不增加製造步驟之下，獲得可最佳使用單晶半導體和非晶半導體的協同作用之光電轉換裝置。
[實施例2]
參考圖4A至4C、圖5A至5C、和圖6A及6B來說明當作製造光電轉換裝置之方法的例子之實施例。
圖4A圖解為了形成第一半導體層而以離子照射半導體基板109之步驟。典型上，單晶矽晶圓被使用當作半導體基板109。當作單晶矽晶圓，使用具有{100}面的矽晶圓較佳。為了形成第一半導體層，n型或p型並且具有電阻係數0.005Ωcm至0.02Ωcm之單晶矽晶圓被使用當作半導體基板109。這是為了獲得具有一導電型之第一半導體層，其具有來自半導體基板109的單晶相。
破壞區110係藉由以離子照射半導體基板109所形成。諸如氫離子或氦離子等輕元素的離子被使用當作照射半導體基板109的離子較佳。破壞區110的深度係由加速離子的電壓所控制。在距離半導體基板109的表面50nm至150nm之深度形成破壞區110。不用說，假設以藉由預定電壓所加速之離子的物種(例如，氫離子(H+ ))來照射半導體基板109，當作執行照射之離子的元素分佈在半導體基板109，使得分佈較靠近正常分佈。破壞區110的深度通常依據分佈的尖峰位置來決定。
圖4B圖解將半導體基板109和基板100接合在一起之步驟。在距離半導體基板109的表面之淺的區域形成破壞區110，及以離子照射的表面被配置成面向基板100且接合至基板100。直接接合技術被用於基板100和半導體基板109的接合。直接接合技術是藉由原子力或分子間力的作用將相同或不同種類的材料直接接合之技術。藉由在室溫執行接合及以溫度100℃至300℃加熱，來增加半導體基板109和基板100之間的接合強度。
除了將半導體基板109和基板100直接接合在一起之例子外，還可如圖4B所示，將第一絕緣層111***半導體基板109和基板100之間。在此接合的例子中，使第一絕緣層111的表面為親水表面，將羥基族附加至此，然後表面之間的吸引力作用在其上。此接合係藉由變成親水的基板之表面的羥基族之中的氫接合所形成。當使用氧化矽等形成第一絕緣層111時，可獲得適合的親水表面。除了氧化矽之外，當使用氧化鋁、氧化鈦等當作第一絕緣層111時，亦能夠藉以獲得適合的親水表面。
圖4C圖解在破壞區110分開半導體基板109以在基板100上形成第一絕緣層101之步驟。當將基板100和半導體基板109接合在一起時，在其上執行400℃至700℃的熱處理。利用此熱處理，將形成在破壞區110的微空隙膨脹，以產生龜裂。然後，分開半導體基板109，及將第一半導體層101留在基板100上。
同時，此熱處理對增加基板100和第一半導體層101之間的接合強度亦有效。氫接合的接合強度弱；然而，羥基族被移除，然後形成共價接合，藉以增加接合強度。
藉由以離子照射，在第一半導體層101中產生晶體缺陷，及使部分第一半導體層101變成非晶的。因此，執行修復晶體缺陷的處理。可藉由600℃至1100℃的熱處理來執行處理；另一選擇是，可利用下面的方法，在此方法中，執行雷射光束，以修復晶體缺陷，及使非晶區再結晶。
圖5A圖解設置緩衝層103之步驟。藉由在第一半導體層101上堆疊薄膜來形成緩衝層103。利用第一半導體層101的晶性，將緩衝層103形成包括單晶區和非晶區。
藉由化學汽相沈積法來製造緩衝層103較佳。當作化學汽相沈積法，典型上，使用利用輝光放電電漿之化學汽相沈積法較佳。根據使用輝光放電電漿之CVD法，可實現熱化學反應不可能之化學反應的控制(氣相基的反應之控制)，因此，即使以350℃或更低的低溫仍可將緩衝層103形成在第一半導體層101上。藉由利用輝光放電電漿從反應氣體產生基以及形成薄膜，依據基底的第一半導體層101之晶性來生長晶體。因此，可形成包括單晶區和非晶區之緩衝層103。
將緩衝層103的膜形成溫度降低，有助於在從第一半導體層101生長晶體的同時部分包括非晶區。包括單晶區和非晶區之緩衝層103中的非晶區之比例約低於10%較佳。
當作緩衝層103，使用典型上具有厚度10nm至50nm的矽薄膜，厚度20nm至30nm較佳。當作用以形成適於緩衝層103的矽薄膜之方法的例子，可利用下面方法：以氫將矽烷氣體稀釋50倍至200倍；施加HF帶(3MHz至30MHz)至VHF帶(30MHz至300MHz)的高頻電力；然後溫度是室溫至300℃。
可藉由另一方法形成緩衝層103，在此方法中，在第一半導體層101上生長單晶半導體薄膜之後，以氫或鈍氣的離子照射單晶半導體薄膜，及在單晶半導體薄膜上執行處理，以使其部分為非晶的。可執行電漿處理來取代以離子照射。另一選擇是，除了電漿CVD法之外，還可藉由濺鍍法、蒸汽法的其中之一的分子束磊晶法等來形成緩衝層103。
圖5B為在緩衝層103上形成第二半導體層102的步驟圖。藉由使用緩衝層103的單晶區和非晶區，第二半導體層102被形成包括單晶區104和非晶區105。也就是說，形成被執行成從緩衝層103的單晶區生長單晶區104，而從緩衝層103的非晶區生長非晶區105。
以化學汽相沈積法來形成單晶區104和非晶區105二者都存在之半導體膜較佳。化學汽相沈積法的方法如下：藉由供應來源氣體和利用氣相中的化學反應和沈積表面的化學反應(表面反應)來形成薄膜；藉由氣相中的來源氣體分解所產生之基到達生長表面；及經由表面反應生長薄膜。
利用表面之基反應的形成法能夠依據基座的晶性來形成薄膜。換言之，當存在包括單晶區和非晶區之緩衝層103(是基座)時，能夠在第二半導體層102同時生長單晶區104和非晶區105。
電漿CVD法可被利用當作化學氣相沈積法；另一選擇是，可利用降壓CVD法。藉由電漿CVD法，可以350℃或更低的基板溫度來形成第二半導體層102。藉由上述方法的任一個，可依據存在於基座中的單晶區來生長單晶區104。此外，當非晶區存在於基座時可生長非晶區105。
此處，當單晶區104的生長率與非晶區105的生長率比較時，非晶區105的生長率高於單晶區104的生長率。可以認為，因為非晶區105具有隨機結構並且具有與單晶區104比較露出許多懸盪鍵之生長表面，所以基的附著率增加，因此生長率增加。如此，如圖5B所示，非晶區105的生長表面較單晶區104的生長表面為凸。此種生長率的差異表示非晶區105的比例隨著第二半導體層102的厚度增加而增加。第二半導體層102被形成至厚度500nm到1000nm。利用此厚度，可將單晶區104嵌入非晶區105。
圖5C圖解第二半導體層102的生長之後的步驟。在此狀態中，單晶區104嵌入在非晶區105中。如上述，此狀態係由於非晶區105和單晶區104之間的生長率不同所造成。也就是說，藉由利用非晶區105和單晶區104之間的生長率不同，可將單晶區104嵌入在非晶區105。
圖6A圖解將第三半導體層106設置成與第二半導體層102接觸之步驟。第三半導體層106係藉由添加給予與第一半導體層101的導電型相反之導電型的雜質所形成。換言之，當第一半導體層101是p型時，第三半導體層106是n型；當第一半導體層101是n型時，第三半導體層106是p型。
需注意的是，第二半導體層102是未刻意添加給予導電型的雜質之半導體層。另一選擇是，即使當第二半導體層102包括刻意或不經意給予導電型的雜質時，第二半導體層102包括的雜質濃度仍低於第一半導體層101和第三半導體層106的濃度。
以此方式，將第一半導體層101、第二半導體層102、及第三半導體層106堆疊，藉以形成二極體。
如圖6B所示，可將第一電極107和第二電極108分別設置在第一半導體層101和第三半導體層106上當作附屬組件。第一電極107和第二電極108每一個係使用諸如鋁、銀、鉛、或錫合金等金屬材料所形成。
根據此實施例的光電轉換裝置，能夠在不增加製造步驟之下，獲得可最佳使用單晶半導體和非晶半導體的協同作用之光電轉換裝置。
[實施例3]
參考圖7A至7C和圖8說明根據本發明的光電轉換裝置之製造方法。在此實施例中，說明與實施例2不同的光電轉換裝置之結構。
以離子照射半導體基板109來形成破壞區110的處理與圖4A相同，所以省略其說明。
圖7A圖解將第一電極112形成在基板109上之步驟。使用諸如鈦(Ti)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、或鋁(Al)等金屬材料來形成第一電極112。第一電極112被使用當作光電轉換元件的電極。第一絕緣層111形成在第一電極112上。使用氧化矽、氧化鋁等將第一絕緣層111形成作平面化膜較佳。
將使用矽化物或金屬氮化物所形成之屏障層113***第一電極112和半導體基板109之間，可防止電極材料擴散至半導體基板109側。此外，可增加第一電極112和半導體基板109之間的黏附力。
圖7B圖解將形成第一電極112的半導體基板109之表面和基板100接合在一起之步驟。以類似於實施例2之方式，將接合技術用於把基板100和半導體基板109接合在一起。
圖7C圖解在破壞區110分開半導體基板109，以將第一電極112和第一半導體層101設置在基板100上之步驟。在將第一絕緣層111、第一電極112、及半導體基板109固定於基板100上之狀態中，以溫度400℃至700℃(包括在內)執行熱處理。利用此熱處理，將形成在破壞區110的微空隙膨脹，以產生龜裂。然後，分開半導體基板109，及將第一半導體層101留在基板100上。
此熱處理對增加基板100和第一絕緣層111之間的接合強度亦有效。氫接合的接合強度弱；然而，羥基族被移除，然後藉由此熱處理形成共價接合，藉以增加接合強度。
以離子照射第一半導體層101來形成破壞區，藉以在第一半導體層101中產生晶體缺陷，及使部分第一半導體層101變成非晶的。因此，執行修復晶體缺陷和變成非晶的部分第一半導體層之處理。可以600℃至1100℃來執行此處理；另一選擇是，可利用下面的方法：執行雷射光束照射，以修復晶體缺陷，及使已變成非晶的區域再結晶。
圖8為形成第二半導體層102和第三半導體層106之步驟。此步驟類似於實施例2的步驟。第二電極108可被形成具有梳形。另一選擇是，可將透明電極形成在第三半導體層106上。
根據上述方法，能夠以類似於實施例2的方法製造包括具有光電轉換作用、單晶區104、及非晶區105的第二半導體層102之光電轉換裝置。根據此實施例的光電轉換裝置，能夠在不增加製造步驟之下，製造單晶半導體和非晶半導體的組合產生協同效果之光電轉換裝置。
[實施例4]
在此實施例中，說明當作堆疊式光電轉換裝置的例子之實施例。堆疊式光電轉換裝置在其類型包括具有堆疊複數個光電轉換單元之結構的光電轉換裝置，例如，彙接光電轉換裝置。
實施例1或2所說明的第二半導體層是晶體區和非晶區二者都存在之層。第二半導體層的能量間隙較單晶半導體的能量間隙寬，因為較單晶半導體的能量間隙寬，因為除了單晶區之外還包括非晶區。此特徵使實施例1或2所說明之光電轉換單元能夠被使用當作位在堆疊式光電轉換裝置的光入射側上之頂單元。
圖9圖解使用單晶半導體當作底單元，以及使用第一半導體層101、第二半導體層102、及第三半導體層106被堆疊之實施例1所說明的光電轉換單元當作頂單元之光電轉換裝置的例子。
在形成底單元之半導體基板114的後表面側上，設置一導電型雜質區117、鈍化層115、及與一導電型雜質區117接觸的第一電極116。除了在與形成一導電型雜質區117之表面相反的表面上之外，設置具有與一導電型相反的導電型之雜質區118。以此方式，將一導電型雜質區117設置在半導體基板114的一表面上，及將具有與一導電型相反的導電型之雜質區118設置在另一表面上，藉以形成光電轉換單元。
當作第一半導體層101，將包括給予一導電型的雜質之單晶半導體的晶體生長在半導體基板114上。形成在其上之第二半導體層102具有與實施例1相同之結構，及以類似於實施例2的方法來製造。
根據此實施例的光電轉換裝置，當包括單晶區104和非晶區105的第二半導體層102設置在頂單元時，能夠將產生光載子之區域和運送光載子之區域分開；因此，能夠防止由於光退化所導致之頂單元的光電流降低以及由於頂單元和底單元之間的失衡所導致之轉換效率降低。
[例子1]
在此例中，說明包括單晶區和非晶區之半導體層的製造方法之例子。為了製造樣本，使用已經過鏡面拋光之具有電阻係數3Ωcm至7Ωcm的n型單晶矽晶圓。當作單晶半導體晶圓，使用具有(100)、(110)、(111)的面方向之三種單晶矽晶圓。
藉由電漿CVD法，在表格1所說明的條件下，將第二半導體層形成在單晶矽晶圓的每一個之表面上。在表格1中，條件(1)是用以形成緩衝層之條件，而條件(2)是用以形成緩衝層上所形成之半導體層的條件。條件(1)和條件(2)主要不同在於氫氣對矽烷氣體的稀釋比例，及產生電漿之功率頻率。也就是說，在條件(1)中，氫氣對矽烷氣體的稀釋比例為100:1的高比例，及功率頻率是VHF帶中的60MHz；在條件(2)中，氫氣對矽烷氣體的稀釋比例為6:1，及功率頻率是HF帶中的27MHz。條件(1)表示容易將單晶區形成在單晶矽晶圓上之條件；條件(2)表示能夠形成單晶區和非晶區二者之條件。
圖10為在表格1的條件下，使用具有面方向(100)面之單晶矽晶圓所製造的樣本之橫剖面圖的結構之電子顯微照相圖。在圖10中，在具有(100)面的單晶矽晶圓上形成厚度約20nm的緩衝層，及觀察到在緩衝層上所形成之半導體層中出現具有楔形(在三維中具有圓錐形)的橫剖面之區域。為了闡明緩衝層上所形成之半導體層的結構，將以電子繞射測量圖10所示之測量點1至5每一個的晶性，及將其結果圖示於圖11。
在圖11中，圖示電子繞射影像(A)、(B)、(C)、(D)、及(E)，它們分別對應於測量點1(單晶矽晶圓)、測量點2(緩衝層附近)、測量點3(半導體層)、測量點4(半導體層中出現具有楔形的區域)、及測量點5(半導體層中出現具有楔形的區域)。結果，在測量點1至3的每一個中可清楚觀察到繞射圖案，其顯示這些區域包括單晶。另一方面，在測量點4及5的每一個觀察到暈圈圖案，其顯示出現具有楔形的區域具有非晶結構。從圖10的電子顯微照相圖應明白，單晶區和非晶區清楚地分開。
圖12A為在表格1的條件下，使用具有面方向(110)面之單晶矽晶圓所製造的樣本之橫剖面圖的結構之電子顯微照相圖，而圖12B為在表格1的條件下，使用具有面方向(111)面之單晶矽晶圓所製造的樣本之橫剖面圖的結構之電子顯微照相圖。在這些電子顯微照相圖中，未觀察到在圖10的半導體層中所觀察到之具有楔形的區域。然後，被形成厚度約500nm的半導體層具有非晶結構。結果顯示出，具有緩衝層***其間之單晶矽晶圓上所形成的半導體層之結構隨著單晶矽晶圓的面方向而改變。
以此方式，此例的結果顯示出，能夠將包括單晶區和非晶區之半導體層形成在單晶矽上所形成的緩衝層上。保證將非晶區生長成具有圓錐形，及其在半導體層中之比例隨著半導體層的厚度增加而增加。此外，在此例中，顯示出，使用具有(100)面(等同{100}面)之單晶矽晶圓，藉以能夠形成包括單晶區和非晶區之半導體層。
[例子2]
在此例中，說明將單晶矽層形成在玻璃基板上，及將包括單晶區和非晶區之半導體層形成在其上的例子。
使用n型單晶矽晶圓，其具有(100)面和3Ωcm至7Ωcm的電阻係數，並且已經過鏡面拋光。藉由在包括3% HCl的氧大氣中以950℃加熱來熱氧化單晶矽晶圓，及在其上形成具有厚度500nm之氧化膜。
以氫離子照射形成氧化膜的單晶矽晶圓，以在單晶矽晶圓中形成破壞層。以25kV的加速電壓和1.8×1016 ions/cm2 的劑量來執行氫離子照射。
之後，在形成氧化膜的單晶矽晶圓上，藉由電漿CVD法將氧氮化矽膜形成具有厚度50nm。在下列條件下形成氧氮化矽膜：以預定流率將SiH4 、N2 O、NH3 、及H2 供應到電漿CVD設備的反應室；壓力是160Pa及基板溫度是300℃。
將形成氧氮化矽之表面配置成與玻璃基板接觸並且接合至此。然後，以200℃ 2小時和600℃ 2小時來執行熱處理。然後將單晶矽晶圓去除，將具有厚度50nm的單晶矽層留在玻璃基板上。
在將單晶矽層設置於玻璃基板上的例子中，以表格1所示的條件形成緩衝層和半導體層。半導體層被形成厚度約980nm。
圖13為以此方式所製造的樣本之橫剖面結構的電子顯微照相圖。在以放大倍數15000倍所觀察的電子顯微照相圖中，能夠觀察到，包括單晶區和非晶區的半導體層形成在具有單晶矽層和緩衝層***其間之玻璃基板上。圖14為以放大倍數60000倍所觀察的電子顯微照相圖，以詳細研究此半導體層的結構。在玻璃基板和單晶矽層之間清楚觀察到氧化矽膜和氧氮化矽膜。
圖15A至15C為藉由以電子繞射測量圖14中的測量點1至3每一個之晶性所獲得的結果，以闡明半導體層的結構。
在圖15A至15C中，圖示電子繞射影像(A)至(C)，其分別對應於測量點1(單晶矽晶圓)、測量點2(半導體層中的底單元側上之區域)、及測量點3(半導體層中的頂單元側上之區域)。結果，在測量點1及2每一個中可清楚觀察到繞射圖案，其顯示出這些區域包括單晶。另一方面，在測量點3中觀察到暈圈圖案，其顯示出在半導體層中的頂單元上之區域具有非晶結構。
在圖14的電子顯微照相圖中，能夠觀察到，半導體層中的單晶區包括各個具有針狀形狀的生長端，及生長到達距緩衝層側約546nm的區域。在距緩衝層大於546nm的區域中，幾乎所有半導體層的部位都被非晶區佔據。可藉由如圖2A和2B所說明一般的單晶區和非晶區之間的生長率差異來解釋此種結構。也就是說，能夠認為，因為非晶區的生長率高於單晶區的生長率，所以雖然在形成半導體層一開始時半導體層主要由單晶區佔據，但是相對於單晶區的比例之非晶區的比例通常隨著半導體層的厚度增加而增加。然後，顯示出，當半導體層的厚度約550nm或更多時，單晶區嵌入在非晶區中。
以此方式，此例的結果顯示出，亦可藉由將單晶矽層接合至玻璃基板，並且在其上形成緩衝層來形成包括單晶區和非晶區之半導體層。此外，此例的結果顯示出，隨著半導體層的厚度增加，單晶區嵌入在非晶區中。
本申請案係依據日本專利局於2008、9、24所發表之日本專利申請案序號2008-243695，藉以倂入其全文作為參考。
100．．．基板
101．．．第一半導體層
102．．．第二半導體層
103．．．緩衝層
104．．．單晶區
105．．．非晶區
106．．．第三半導體層
107．．．第一電極
108．．．第二電極
109．．．半導體基板
110．．．破壞區
111．．．第一絕緣層
112．．．第一電極
113．．．屏障層
114．．．半導體基板
115．．．鈍化層
116．．．第一電極
117．．．一導電型雜質區
118．．．雜質區
圖1A為根據實施例1之光電轉換裝置的結構之橫剖面圖。
圖2A及2B為從緩衝層生長單晶區和非晶區之處理的概要圖。
圖3A及3B為從緩衝層生長單晶區和非晶區之處理的概要圖。
圖4A至4C為實施例2中之光電轉換裝置的製造處理之橫剖面圖。
圖5A至5C為實施例2中之光電轉換裝置的製造處理之橫剖面圖。
圖6A及6B為實施例2中之光電轉換裝置的製造處理之橫剖面圖。
圖7A至7C為實施例3中之光電轉換裝置的製造處理之橫剖面圖。
圖8為實施例3中之光電轉換裝置的製造處理之橫剖面圖。
圖9為半導體基板被使用當作實施例4之底部單元的彙接光電轉換裝置之結構的橫剖面圖。
圖10為將包括單晶區和非晶區的半導體層形成在具有(100)之面方向的單晶矽晶圓上之樣本的橫剖面結構之電子顯微照相圖。
圖11A至11E為圖10所觀察之晶體結構的電子繞射影像圖。
圖12A為將半導體層形成在與圖10之樣本的條件相同之具有(110)的面方向之單晶矽晶圓上的樣本之橫剖面結構的電子顯微照相圖，而圖12B為將半導體層形成在與圖10之樣本的條件相同之具有(111)的面方向之單晶矽晶圓上的樣本之橫剖面結構的電子顯微照相圖。
圖13為藉由在玻璃基板上設置單晶矽層和在其上形成包括單晶區和非晶區之半導體層所獲得的樣本之橫剖面結構的15000倍放大之電子顯微照相圖。
圖14為60000倍放大之圖13的樣本之電子顯微照相圖。
圖15A至15C各個為圖14所觀察之樣本的晶體結構之電子繞射影像圖。
100．．．基板
101．．．第一半導體層
102．．．第二半導體層
103．．．緩衝層
104．．．單晶區
105．．．非晶區
106．．．第三半導體層
107．．．第一電極
108．．．第二電極

Claims (13)

  1. 一種光電轉換裝置，包含：一第一半導體層，位在一基板上，具有一導電型；一緩衝層，位在該第一半導體層上，包括一單晶區和一非晶區；一第二半導體層，位在該緩衝層上，包括一單晶區和一非晶區；及一第三半導體層，位在該第二半導體層上，具有與該一導電型相反的一導電型，其中在該緩衝層側上，該第二半導體層中之該單晶區的比例高於該第二半導體層中之該非晶區的比例，及其中在該第三半導體層側上，該第二半導體層中之該非晶區的該比例高於該第二半導體層中之該單晶區的該比例。
  2. 一種光電轉換裝置，包含：一第一半導體層，位在一基板上，具有一導電型；一緩衝層，位在該第一半導體層上，包括一單晶區和一非晶區；一第二半導體層，位在該緩衝層上，包括一單晶區和一非晶區；及一第三半導體層，位在該第二半導體層上，具有與該一導電型相反的一導電型，其中在該第三半導體層側上，該第二半導體層中之該單晶區與該緩衝層接觸，並且具有尖點式生長端。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之光電轉換裝置，其中該第一半導體層包含單晶矽。
  4. 根據申請專利範圍第3項之光電轉換裝置，其中該單晶矽的一平面方向是{100}。
  5. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：將具有一導電型的一第一半導體層形成在一基板上；將包括一單晶區和一非晶區之一緩衝層形成在該第一半導體層上；將包括一單晶區和一非晶區之一第二半導體層形成在該緩衝層上，其中在該緩衝層側上，該第二半導體層中之該單晶區的比例高於該第二半導體層中之該非晶區的比例；及將具有與該一導電型相反的一導電型之一第三半導體層形成在該第二半導體層上。
  6. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：將具有一導電型的一第一半導體層形成在一基板上；將包括一單晶區和一非晶區之一緩衝層形成在該第一半導體層上；將包括一單晶區和一非晶區之一第二半導體層形成在該緩衝層上，其中該第二半導體層中的該單晶區具有一尖點式生長端；及將具有與該一導電型相反的一導電型之一第三半導體層形成在該第二半導體層上。
  7. 根據申請專利範圍第5或6項之光電轉換裝置的 製造方法，其中該第二半導體層係藉由使用一電漿之一化學汽相沈積法所形成。
  8. 根據申請專利範圍第5或6項之光電轉換裝置的製造方法，其中該緩衝層和該第二半導體層係藉由使用電漿之一化學汽相沈積法所形成，使得該緩衝層的形成步驟和該第二半導體層的形成步驟之氫氣對矽烷的稀釋比例不同。
  9. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：將具有一導電型的一第一半導體層形成在一基板上；在氫氣對矽烷之第一稀釋比例的條件之下，藉由使用電漿的一化學汽相沈積法，將包括一單晶區和一非晶區之一緩衝區形成在該第一半導體層上；在氫氣對矽烷之第二稀釋比例的條件之下，藉由使用電漿的一化學汽相沈積法，將包括一單晶區和一非晶區之一第二半導體層形成在該緩衝層上，其中，該第二稀釋比例高於該第一稀釋比例；及將具有與該一導電型相反的一導電型之一第三半導體層形成在該第二半導體層上。
  10. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：形成一破壞區於一半導體基板內；接合該半導體基板至一基板；自其餘的該半導體基板分離該半導體基板的一部分，以形成具有一導電型的一第一半導體層在該基板上；形成包括一單晶區和一非晶區之一緩衝層在該第一半 導體層上；形成包括一單晶區和一非晶區之一第二半導體層在該緩衝層上，其中在該第二半導體層中之該單晶區的比例高於在該緩衝層側上，該第二半導體層中之該非晶區的比例；及形成具有與該一導電型相反的一導電型的一第三半導體層在該第二半導體層上。
  11. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：形成一破壞區於一半導體基板內；接合該半導體基板至一基板；自其餘的該半導體基板分離該半導體基板的一部分，以形成具有一導電型的一第一半導體層在該基板上；形成包括一單晶區和一非晶區之一緩衝層在該第一半導體層上；形成包括一單晶區和一非晶區之一第二半導體層在該緩衝層上，其中在該第二半導體層的該單晶區具有一尖點式生長端；及形成具有與該一導電型相反的一導電型的一第三半導體層在該第二半導體層上。
  12. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：形成一破壞區於一半導體基板內；接合該半導體基板至一基板；自其餘的該半導體基板分離該半導體基板的一部分，以形成具有一導電型的一第一半導體層在該基板上； 在氫氣對矽烷之第一稀釋比例的條件之下，藉由使用電漿的一化學汽相沈積法，將包括一單晶區和一非晶區之一緩衝層形成在該第一半導體層上；在氫氣對矽烷之第二稀釋比例的條件之下，藉由使用電漿的一化學汽相沈積法，將包括一單晶區和一非晶區之一第二半導體層形成在該緩衝層上，其中，該第二稀釋比例高於該第一稀釋比例；及形成具有與該一導電型相反的一導電型的一第三半導體層在該第二半導體層上。
  13. 一種光電轉換裝置的製造方法，包含以下步驟：形成具有一導電型的一第一半導體層在一基板上；形成包括一單晶區和一非晶區的一緩衝層在該第一半導體層上；形成包括一單晶區和一非晶區的第二半導體層在該緩衝層上；及形成具有與該一導電型相反的一導電型的一第三半導體層在該第二半導體層上。
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