JP2004327578A - 結晶薄膜半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率１０％を超える高変換効率の太陽電池等を構成し得る結晶薄膜半導体装置を提供する。
【解決手段】基板上に積層された複数の半導体層のうち基板０１に接する側の第一の半導体層を、初めは非晶質層０４として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し冷却することによって結晶化し、この結晶化した半導体層０４ａを下地層として用い、その上部に結晶半導体層０５、０６をエピタキシャル成長する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池やＴＦＴ等に代表される半導体素子基板、半導体素子等の薄膜半導体装置およびその製造方法に関する。
【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（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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℃〜４００℃、望ましくは３００℃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。この方法によって多くの研究機関が研究を行なっている。
【０００７】
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ることは周知の事実である。また、発電機能の根幹を担うｉ層は、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％を大きく上回る効率を達成することは困難であった。
【０００８】
一方、レーザー光の走査によって結晶化する試みも特開平１０−４０６１号公報に開示されている。これは、異種基板上に中間層を形成し、その上部に非晶質シリコン層を形成する方法である。この方法は異種基板上に中間層を形成することによって異種基板上に直接非晶質シリコンを形成する場合に比べて、不純物の混入を防ぎ、結晶品質を向上させることを可能としている。
【０００９】
しかしながら、この方法では裏面からの不純物を完全に防ぐことはできない。そのため、酸素等の不純物が拡散することが容易に考えることができる。例え僅かではあっても不純物の混入は、変換効率１０％を大幅に越える結晶シリコン薄膜太陽電池には致命的である。変換効率１５％を超える超高効率結晶シリコン薄膜太陽電池を形成するには、さらなる技術的な障壁があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【００１１】
本発明は、変換効率１０％を超える高変換効率の太陽電池等を構成し得る結晶薄膜半導体装置およびその製造方法を提供するものである。
【００１２】
【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。
【００１３】
請求項１の発明に係る結晶薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数の半導体層が積層された結晶薄膜半導体装置の製造方法において、上記複数の半導体層のうち基板に接する側の第一の半導体層を、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化した半導体層として形成し、この結晶化した半導体層を下地層として用い、その上部に結晶半導体層をエピタキシャル成長することを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明に係る結晶薄膜半導体装置の製造方法は、基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数のシリコン層が積層された結晶薄膜半導体装置の製造方法において、上記複数のシリコン層のうち基板に接する側の第一のシリコン層を、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化したシリコン層として形成し、この結晶化したシリコン層を下地層として用い、その上部に結晶シリコン層をエピタキシャル成長することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の製造方法において、上記連続的な光線に波長９００ｎｍ以下の光線を用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法において、上記連続的な光線の光源として固体レーザ、例えばＹＡＧレーザを用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項５の発明に係る結晶薄膜半導体装置は、基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数の半導体層が積層された結晶薄膜半導体装置において、上記複数の半導体層のうち基板に接する側の第一の半導体層が、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化した半導体層から成り、その上に形成された半導体層が、上記結晶化した半導体層を下地層としてその上部にエピタキシャル成長された結晶半導体層から成ることを特徴とする。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項５記載の結晶薄膜半導体装置において、上記複数の半導体層がシリコンを主成分とする層からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項５又は６記載の結晶薄膜半導体装置において、上記基板は非導電性であり、この基板と上記第一の半導体層との間には、導電性を有し、且つ一部もしくは全部が可視領域において透明性を有する材料からなる中間層が形成されており、該中間層が２層以上からなり、その基板側の層は導電率の高い材料からなり、また第一の半導体層側の層は可視領域において透明性を有する材料からなることを特徴とする。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項５〜７のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、上記第一の半導体層は、結晶粒界の８０％以上が光線を走査させた方向に平行もしくは平行方向に対して４５度以内の方向をなしていることを特徴とする。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項５〜８のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、上記第一の半導体層は、基板の平坦面に対して表面の凹凸が１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項５〜９のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、上記第一の半導体層は平均粒径が１μｍ以上であることを特徴とする。
【００２３】
請求項１１の発明は、請求項５〜１０のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、上記複数の半導体層における第一の半導体層の基板と対向する面に接して形成される第二の半導体層の結晶粒界が、第一の半導体層の結晶粒界と基板平面上で同じ位置にあることを特徴とする。
【００２４】
請求項１２の発明は、請求項１１記載の結晶薄膜半導体装置において、上記第二の半導体層中に含まれる酸素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１３の発明は、請求項５〜１２のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、上記複数の半導体層中に、各半導体層の導電型の組み合わせがｐｎ接合もしくはｐｉｎ接合となる組み合わせが少なくとも１つ以上あることを特徴とする。
【００２６】
請求項１４の発明は、請求項５〜１３のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、上記複数の半導体層がｎ層あり、基板側から第一の半導体層、第二の半導体層、・・・第ｎの半導体層と呼ぶこととした場合、第ｎ層の基板に対向する面の少なくとも一部には、導電性を有する電極層が形成され、電極層は少なくともその一部に可視領域において透明性を有することを特徴とする。
【００２７】
請求項１５の発明は、請求項１４記載の結晶薄膜半導体装置において、上記第ｎの半導体層上の一部に、光が結晶シリコン表面で反射することを防ぐことを目的とした反射防止膜が形成されていることを特徴とする。
【００２８】
なお、本発明の結晶薄膜半導体装置においては、上記複数の半導体層が３層以上からなることを特徴とする半導体装置の形態、上記複数の半導体層において各半導体層の結晶粒界は第一の半導体層の結晶粒界と基板平面上で同じ位置にあることを特徴とする半導体装置の形態、複数の半導体層において各半導体層中に含まれる酸素濃度は１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることを特徴とする半導体装置の形態、上記構造の半導体装置を一部に備えることを特徴とする半導体装置の形態とすることもできる。
【００２９】
＜発明の要点＞
本発明では、基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数の半導体層（例えばシリコン層）が積層された結晶薄膜半導体装置において、上記複数の半導体層のうち基板に接する側の第一の半導体層（第一のシリコン層）を、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化した半導体層（結晶化したシリコン層）として形成し、この結晶化した半導体層を下地層として用い、その上部に結晶半導体層（結晶シリコン層）をエピタキシャル成長する。
【００３０】
例えばＹＡＧレーザー等の連続的な光線によって結晶化した結晶シリコン薄膜は、他の方法で形成される結晶シリコン薄膜と比較しても格段に大きな結晶粒である。また、表面荒さは小さく結晶粒界付近における凹凸が非常に小さい。これらは、その上部に結晶シリコンをエピタキシャル成長させるには非常に有利な特性である。発明者等は、この点に着目し鋭意研究努力した結果、このレーザー光によって形成した結晶シリコン薄膜を下地層として用い、その上部にエピタキシャル成長させた結晶シリコン層を形成すると、エピタキシャル成長させた結晶シリコン層は不純物をほとんど含まない上に、粒径が非常に大きい高品質な結晶シリコン層となることを見出し、本発明に至ったものである。
【００３１】
より具体的に説明すると、本発明は、以下の基本的な構成からなる。まず、基板上に電極層を形成する。その上部に非晶質シリコン層を形成し、連続的な光線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することによって結晶化させる。この結晶化されたシリコン層を下地層として用いて、その上部に結晶シリコン層を形成することによって、半導体装置を形成することを特徴とする。
【００３２】
半導体装置を太陽電池として用いる場合、電極層は基板側に高導電率の層を形成し、結晶シリコン側に透明性の高い層を形成することが望ましい。具体的には、基板側にはＡｇ、Ａｌ等の金属電極層を形成し、結晶シリコン側にはＡｌもしくはＧａ等を含んだＺｎＯ、Ｓｂ等を含んだＳｎＯ_２等の透明導電膜を形成することが望ましい。このドーピングされたＺｎＯやＳｎＯ_２等は、シリコンに比べて融点が高い。その為、シリコン層に対して大きな汚染を引き起こさない。また、この半導体装置を太陽電池素子として用いた場合、裏面電極での光の反射を９０％以上にすることができる。これによって、太陽電池内を通過する光の量を大幅に増大させることができ、太陽電池の高効率化に有利な構造とすることができる。そのため、縦型デバイスである太陽電池等への使用に非常に優れている。縦型デバイスでない半導体装置への応用、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を持つ半導体装置への応用では、裏面側に電極層は必要でない。その場合はドーパントを混入させなくてもよい。また、導電性を持たない酸化シリコンを用いることも有効な手段となり得る。
【００３３】
上記の電極構造を構成した上部に非晶質シリコン層を形成する。この非晶質シリコンに連続的な光の走査によって、シリコンの融解、冷却による結晶化を行なう。この光線は、さまざまな方法で形成することができるが、シリコンを融解させるためには、非晶質シリコンが十分に光を吸収することができる波長、すなわち９００ｎｍ以下の波長である必要がある。この波長の光としては、ＹＡＧレーザーの第二高調波（５３３ｎｍ）がある。ＹＡＧレーザーは固体レーザーであるために、気体レーザーと比べると扱いやすい。また、ＹＡＧレーザーはパルス発振のみならず連続発振が可能であるために、冷却工程を制御しやすく、結晶粒を拡大することが容易である。ＹＡＧレーザーを光源に用いて適切な速度で走査することによって走査方向に数百μｍ以上の粒径の結晶シリコンを得ることができる。この方法で形成した結晶シリコン薄膜は、表面荒さが小さく、結晶粒と結晶粒との粒界が非常に少ないという、太陽電池としてより好適な性質を持っている。また、以上の効果はＹＡＧレーザーに限定されることはなく、このような連続的、且つ９００ｎｍ以下の波長を有するレーザー光であればＹＡＧレーザーと同等の効果がある。
【００３４】
この方法によって、結晶シリコン太陽電池における発電機能の大部分を受け持つ層を形成することもできる。すなわち、この上部に例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、上記のレーザーで結晶化した層の導電型に対して逆導電型の層の微結晶シリコン層を５０ｎｍ程度形成して、レーザー結晶化した半導体層の表面に電場を形成する。さらに上部にＩＴＯ、Ａｌの表面電極を形成することで太陽電池を形成することはできる。この方法で形成した太陽電池は、従来の結晶シリコン薄膜太陽電池と比べても優れた特性を有するものができる。しかしながら、これ以上の高効率化には更なる検討が必要であった。
【００３５】
つまり、結晶シリコン太陽電池において、結晶シリコンの品質が高くなると裏面付近での再結合成分が大きく特性に影響を及ぼすこととなる。さらに、結晶シリコンを融解した際、電極層中に存在する不純物はシリコン中に非常に混入しやすい状態となっている。従ってより高品質な太陽電池を形成するには、不純物の混入がより少ない層を発電層として用いる必要がある。
【００３６】
ＹＡＧレーザーによって結晶化した結晶シリコン薄膜は、他の方法で形成される結晶シリコン薄膜と比較しても格段に大きな結晶粒である。また、表面荒さは小さく結晶粒界付近における凹凸が非常に小さい。これらのことから、その上部に結晶シリコンをエピタキシャル成長させるには非常に有利な特性を持っていることに我々発明者は着目した。この着眼点に基づき実験を行なった結果、このレーザーによって形成した結晶シリコン薄膜を下地層として用い、その上部にエピタキシャル成長させた結晶シリコン層を形成することで、エピタキシャル成長させた結晶シリコン層は不純物をほとんど含まない上に、粒径が非常に大きい高品質な結晶シリコン層となることを見出した。
【００３７】
このような構成の太陽電池は、エピタキシャル成長させた結晶シリコン層の導電型は下地の層よりも低濃度のドーピング濃度であることが望ましい。この構成とすることで、下地層と、エピタキシャル層の間に電場が形成される。この電場は、エピタキシャル層中の少数キャリアが、下地層中に拡散することを妨げる役割を果たす。つまり、下地層中の欠陥が事実上太陽電池の特性に影響を及ぼさない構造とすることができる。この構造は一般的にはＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）と呼ばれるものであり、上記の構造とすることで、高品質であるエピタキシャル層の品質を反映した、高品質な太陽電池を形成することができる。
【００３８】
上記のエピタキシャル層を第一エピ層（第一のエピタキシャル層）とすると、この第一エピ層の上部にさらに第二エピ層（第二のエピタキシャル層）を形成する。この第二エピ層には第一エピ層の逆導電型となるドーパントを混入する。これによって第一エピ層と第二エピ層との間にｐｎ接合が形成されることとなる。
【００３９】
この上部に透明電極層と取り出し電極となる電極層を形成することで、太陽電池とする。この透明電極層は透明性と導電性を有するものであればなんでもよく、例えばＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２等を用いることができる。取り出し電極層にはＡｌ等の金属を用いると良い。また、場合によっては、直接取り出し電極を第二エピ層上に形成し、取り出し電極部以外のエピタキシャル層表面にはＳｉＯ等の酸化シリコン膜やＳｉ_ｘＮ_ｙ等の窒化シリコン膜の反射防止膜を形成することも効果的である。
【００４０】
太陽電池活性層の導電型には上記にはｐｎ型を記したが、場合によってはｐｉｎ型としてもよい。これは、形成するシリコン薄膜の質等によるもので、形成方法によって適宜決定することが望ましい。
【００４１】
エピタキシャル成長させた結晶シリコン薄膜層の形成方法は、エピタキシャル成長させることができる方法であればなんでもよい。一例として、熱ＣＶＤ法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、プラズマＣＶＤ法、Ｃａｔ−ＣＶＤ法、ＳＰＥ（Ｓｏｌｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等を用いることができる。
【００４２】
この様にして形成した結晶シリコン薄膜は、太陽電池素子として用いるに適していることはもちろんのことであるが、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）用基板やＭＥＭＳ、ＳＯＩ基板の形成等、結晶シリコン薄膜を用いた半導体装置全般で用いることができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００４４】
図１は本発明の第一の実施形態に係る結晶薄膜半導体装置の製造方法を示したものである。得ようとする結晶薄膜半導体装置の基本的な構造は図１（ｃ）に示す通り、基板０１上に、導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数の半導体層（高濃度ｎ型のシリコン薄膜０４ａ、ｎ型の結晶シリコン薄膜０５、ｐ型の結晶シリコン薄膜０６）が積層された結晶薄膜半導体装置である。
【００４５】
製造方法としては、まず、図１（ａ）に示すように、基板０１上に、上記複数の半導体層との間の中間層として、銀薄膜０２及びＺｎＯ膜０３の２層から成る電極層を形成する。ここで基板側の銀薄膜０２は導電率の高い材料のものとして選択されており、また反対側のＺｎＯ膜０３は可視領域において透明性を有する材料のものとして選択されている。
【００４６】
次いで、この電極層の上部に、ｎ型のドーパントを高濃度に含んだ非晶質シリコン層０４を形成し、連続的な光線によってエネルギーを与え、非晶質シリコン層０４を融解し冷却することによって結晶化させ、図１（ｂ）に示すように、結晶化されたシリコン薄膜０４ａとする。
【００４７】
次に、図１（ｃ）に示すように、この結晶化された高濃度ｎ型のシリコン薄膜０４ａを下地層として用いて、その上部に、上記複数の半導体層として、ｎ型の結晶シリコン薄膜０５、ｐ型の結晶シリコン薄膜０６を形成する。そして、この上部に透明導電膜たるＩＴＯ膜０７を形成し、その上部の一部に取り出し電極たるＡｌ薄膜０８を形成することによって、半導体装置（太陽電池）を構成する。
【００４８】
図２は、第二の実施形態として、上記ｐ型の結晶シリコン薄膜０６上に酸化シリコン膜０９を形成し、太陽電池の変換効率を向上させる構成とした例を示す。
【００４９】
図３（ａ）及び（ｂ）は、第三の実施形態として、上記結晶化したシリコン薄膜０４ａ上に、ＳＰＥによってエピタキシャル層を形成する例を示す。
【００５０】
【実施例】
次に、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。
【００５１】
＜実施例１＞
図１に示した実施形態を第一の実施例とした。本実施例では、ＹＡＧレーザー光で結晶化した結晶シリコン薄膜上に熱ＣＶＤを用いてエピタキシャル層を形成し、太陽電池を形成する試みを行なった。
【００５２】
まず、石英からなる基板０１上に銀薄膜０２、透明導電膜としてＺｎＯ膜０３を形成し、裏面電極構造を形成する。
【００５３】
この上部にプラズマＣＶＤ法によって非晶質シリコン層０４（ｎ型のドーパントを高濃度に含んだ非晶質シリコン層）を１００ｎｍ形成した。この非晶質シリコン層０４には、シリコン中ではｎ型のドーパントとなる燐を高濃度にドープしておく。本実施例ではドーパントの混入にはプラズマＣＶＤ形成中にドーピングガスであるフォスフィン（ＰＨ_３）を用いた。この非晶質シリコンの形成はプラズマＣＶＤ法のみならず、非晶質シリコンが形成できる方法であればどのような方法を用いても良い。例えば、Ｃａｔ−ＣＶＤ、熱ＣＶＤ、ＭＢＥ、スパッタリングデポジション等の方法が挙げられる。また、ドーピングの方法としては、ドーピングを施さない状態で形成し、その後、イオン打ち込みによってドーピングを行なっても良い。また、この後の結晶化後にドーピングをイオン打ち込みによって行なうことも有効である。
【００５４】
この試料に対して、ＹＡＧレーザー（Ｎｄ：ＹＡＧ）を用いて結晶化を行なった。レーザー光の走査は１５ｃｍ／ｓで行なうことで、結晶粒が少ない結晶シリコン薄膜０４ａ（高濃度ｎ型の結晶シリコン薄膜）が形成できた。この結晶シリコン薄膜０４ａは、結晶粒界の８割以上がレーザー光の走査方向に対して４５度以内の向きに形成され、結晶粒の大きさの平均は少なくとも１μｍ以上であった。また、表面の凹凸は最大で１０ｎｍ以下であり、結晶粒界における凹凸が非常に小さいことがわかる。これは、結晶粒界のごく近辺まで、結晶配列が維持されていることを示しており、この上部にエピタキシャル成長させるには非常に良好な特性である。
【００５５】
このことから、この上部に熱ＣＶＤによって結晶シリコン薄膜０５を３μｍ形成することとした。その際、エピタキシャル形成するようにする為に、ＹＡＧレーザー光で結晶化した半導体層上には、フッ酸による自然酸化膜除去に加え、真空雰囲気中の熱処理によって酸化膜除去を行なった。また、この熱ＣＶＤによって形成したシリコン薄膜中には燐を低濃度にドープしてｎ型化させた。
【００５６】
さらにこの上部にボロンをドープしｐ型化させた結晶シリコン薄膜０６を１００ｎｍ形成した。該シリコン薄膜についても熱ＣＶＤを用いた。
【００５７】
この上部に透明導電膜としてＩＴＯ膜０７、その上部の一部に取り出し電極としてＡｌ薄膜０８を形成して太陽電池とした。
【００５８】
なお、ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定によって、レーザー光によって結晶化した結晶シリコン薄膜０４ａと、形成した太陽電池の配向成分はその成分比率において全く同じであることが確認された。このことから、レーザー光によって結晶化した結晶シリコン薄膜０４ａ上に形成した結晶シリコン薄膜０５及び０６はエピタキシャル成長していることが確認できた。また、ＳＩＭＳ分析の結果、結晶シリコン薄膜０４ａには２×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）酸素の混入が認められたが、結晶シリコン薄膜０５及び０６には測定限界である１×１０^１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下の酸素濃度であった。
【００５９】
上記の方法によって形成した太陽電池の開放電圧は６５３ｍＶであった。開放電圧は、結晶シリコン薄膜の結晶品質とｐｎ接合品質を示している。
【００６０】
本実験より、単結晶バルク太陽電池に匹敵する結晶シリコン薄膜太陽電池が、本発明より形成できることが見出された。
【００６１】
なお、今回レーザー光により結晶化させた結晶シリコン薄膜を下地として形成した結晶シリコン薄膜は、熱ＣＶＤにより形成したが、その他の方法でも良質な結晶シリコン薄膜太陽電池が形成できた。一例として、プラズマＣＶＤ、Ｃａｔ−ＣＶＤ、ＭＢＥなどの方法を用いてもよい。
【００６２】
＜実施例２＞
図２に示した実施形態を第二の実施例とした。本実施例では、実施例１のｐ型結晶シリコン層上にＳｉＯ_２を形成し、太陽電池の変換効率を向上させる試みを行なった。
【００６３】
実施例１にて、ｐ型の結晶シリコン薄膜０６を形成した後、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）を用いたプラズマＣＶＤによって酸化シリコン膜０９を形成した。その後、フォトリソグラフィによって取り出し電極のパターンニングを行なって酸化シリコン膜０９を部分的に除去し、酸化シリコン膜０９が除去された部分に取り出し電極としてＡｌ電極１０を形成し、太陽電池とした。
【００６４】
この構造にすることによって実施例１で形成した太陽電池と比較して、短絡電流値が１．１５倍に上昇した。
【００６５】
＜実施例３＞
図３に示した実施形態を第三の実施例とした。本実施例では、実施例１の構造においてレーザー光によって結晶化した結晶シリコン薄膜０４ａ上に形成するエピタキシャル層を、ＳＰＥによって形成することを試みた。
【００６６】
実施例１でレーザー光によって結晶化した結晶シリコン薄膜上に、プラズマＣＶＤ法によって、ｎ型のドーパントを含んだ非晶質シリコン層１１を形成する。その後、図３（ａ）の如く、窒素雰囲気中において６００℃、１２時間の熱処理を行ない、非晶質シリコン層を、前記の結晶シリコン薄膜０４ａを種結晶として結晶シリコン層１１ａに変換させた。
【００６７】
この際、ＸＲＤ測定を行なったところＳＰＥによって結晶化した半導体層は下地と同じ配向を有しており、結晶粒界は結晶シリコン層０４ａと同じ位置に形成されることが分かった。
【００６８】
このＳＰＥによって結晶化した結晶シリコン薄膜１１ａの上部には、図３（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法の結晶化条件でｐ型の微結晶シリコン層１２を４５ｎｍ形成し、ｐｎ接合を形成した。なお、このｐ型微結晶シリコン層はジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を用いてボロンをドーピングした。この上部に透明電極ＩＴＯ膜１３を形成し、その上部の一部に取り出し用のＡｌ電極１４を形成し、太陽電池を形成した。
【００６９】
この方法によって形成した太陽電池は、開放電圧が６６０ｍＶを示し、高品質な太陽電池を形成することができた。
【００７０】
また、ｐ型微結晶シリコン層ではなく、ｐ型非晶質ＳｉＣを形成した太陽電池も作製した。この太陽電池はｐ型微結晶シリコン層を形成した太陽電池に比べて短絡電流が１．１倍程度増加した。
【００７１】
＜実施例４＞
次に、第四の実施例について示す。実施例１で作成した太陽電池において、結晶シリコン薄膜０４ａをエキシマレーザーアニールとＹＡＧレーザーアニールによって表面荒さを変化させて作製した。図４は、この試作例に係る結晶シリコン半導体装置の表面荒さに対する規格化変換効率を示したグラフである。
【００７２】
この結果、同一粒径の場合、表面荒さが１０ｎｍを下回ると急激に効率が向上することが見出された。この場合の表面荒さは粒界付近の凹凸を示しており、凹凸が小さいことは粒界付近の結晶配列が整っていることを示している。
【００７３】
このことから、結晶シリコン薄膜０４ａの表面荒さを小さく形成することによって、発電層の結晶粒界付近における欠陥部を大幅に低減させることができることが見出された。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、基板上に積層された複数の半導体層のうち基板に接する側の第一の半導体層を、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し冷却することによって結晶化し、この結晶化した半導体層を下地層として用い、その上部に結晶半導体層をエピタキシャル成長するようにしたので、不純物をほとんど含まず、しかも粒径が非常に大きい高品質な結晶半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
【００７５】
従って、太陽電池、ＴＦＴ等の結晶薄膜半導体装置において、高品質な結晶シリコン層を低コストに製造することができることから、例えば、これまでの技術では不充分であった高効率な太陽電池、例えば変換効率１０％を超える変換効率を達成できる太陽電池を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例に係る結晶薄膜半導体装置の製造方法を示した模式図である。
【図２】本発明の第二の実施例に係る結晶シリコン半導体装置の完成模式図である。
【図３】本発明の第三の実施例に係る結晶シリコン半導体装置の製造方法を示した模式図である。
【図４】本発明の第四の実施例に係る表面荒さに対する規格化変換効率を示したグラフである。
【符号の説明】
０１ 基板
０２ 銀薄膜
０３ ＺｎＯ膜（透明導電膜）
０４ ｎ型のドーパントを高濃度に含んだ非晶質シリコン層
０４ａ 高濃度ｎ型の結晶シリコン薄膜
０５ ｎ型の結晶シリコン薄膜
０６ ｐ型の結晶シリコン薄膜
０７ ＩＴＯ膜（透明導電膜）
０８ Ａｌ薄膜（取り出し電極）
０９ 酸化シリコン膜
１０ Ａｌ電極（取り出し電極）
１１ ｎ型のドーパントを含んだ非晶質シリコン
１１ａ ｎ型の結晶シリコン層
１２ ｐ型の微結晶シリコン層
１３ ＩＴＯ膜
１４ Ａｌ電極

Claims (15)

1. 基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数の半導体層が積層された結晶薄膜半導体装置の製造方法において、
   上記複数の半導体層のうち基板に接する側の第一の半導体層を、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化した半導体層として形成し、
   この結晶化した半導体層を下地層として用い、その上部に結晶半導体層をエピタキシャル成長することを特徴とする結晶薄膜半導体装置の製造方法。
2. 基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数のシリコン層が積層された結晶薄膜半導体装置の製造方法において、
   上記複数のシリコン層のうち基板に接する側の第一のシリコン層を、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化したシリコン層として形成し、
   この結晶化したシリコン層を下地層として用い、その上部に結晶シリコン層をエピタキシャル成長することを特徴とする結晶薄膜半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法において、
   上記連続的な光線に波長９００ｎｍ以下の光線を用いることを特徴とする結晶薄膜半導体装置の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法において、
   上記連続的な光線の光源として固体レーザを用いることを特徴とする結晶薄膜半導体装置の製造方法。
5. 基板上に導電型もしくはドーパントの濃度もしくは形成方法が異なる複数の半導体層が積層された結晶薄膜半導体装置において、
   上記複数の半導体層のうち基板に接する側の第一の半導体層が、初めは非晶質層として形成し、これに連続的な光線を与えて融解し、これを冷却することによって結晶化した半導体層から成り、
   その上に形成された半導体層が、上記結晶化した半導体層を下地層としてその上部にエピタキシャル成長された結晶半導体層から成ることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
6. 請求項５記載の結晶薄膜半導体装置において、
   上記複数の半導体層がシリコンを主成分とする層からなることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
7. 請求項５又は６記載の結晶薄膜半導体装置において、
   上記基板は非導電性であり、
   この基板と上記第一の半導体層との間には、導電性を有し、且つ一部もしくは全部が可視領域において透明性を有する材料からなる中間層が形成されており、
   該中間層が２層以上からなり、その基板側の層は導電率の高い材料からなり、また第一の半導体層側の層は可視領域において透明性を有する材料からなることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
   上記第一の半導体層は、結晶粒界の８０％以上が光線を走査させた方向に平行もしくは平行方向に対して４５度以内の方向をなしていることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
   上記第一の半導体層は、基板の平坦面に対して表面の凹凸が１０ｎｍ以下であることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
    上記第一の半導体層は平均粒径が１μｍ以上であることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
11. 請求項５〜１０のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
    上記複数の半導体層における第一の半導体層の基板と対向する面に接して形成される第二の半導体層の結晶粒界が、第一の半導体層の結晶粒界と基板平面上で同じ位置にあることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
12. 請求項１１記載の結晶薄膜半導体装置において、
    上記第二の半導体層中に含まれる酸素濃度が１×１０^１７（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下であることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
13. 請求項５〜１２のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
    上記複数の半導体層中に、各半導体層の導電型の組み合わせがｐｎ接合もしくはｐｉｎ接合となる組み合わせが少なくとも１つ以上あることを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
14. 請求項５〜１３のいずれかに記載の結晶薄膜半導体装置において、
    上記複数の半導体層がｎ層あり、基板側から第一の半導体層、第二の半導体層、・・・第ｎの半導体層と呼ぶこととした場合、第ｎ層の基板に対向する面の少なくとも一部には、導電性を有する電極層が形成され、電極層は少なくともその一部に可視領域において透明性を有することを特徴とする結晶薄膜半導体装置。
15. 請求項１４記載の結晶薄膜半導体装置において、
    上記第ｎの半導体層上の一部に、光が結晶シリコン表面で反射することを防ぐことを目的とした反射防止膜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。

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