JP2006216841A - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光閉じ込め効果を有効に発揮できる構造の光電変換素子を得て、その発電出力を向上する。
【解決手段】 受光面である表面と裏面とが平坦な単結晶半導体基板と、単結晶半導体基板の裏面を被覆する絶縁膜と、この絶縁膜に形成した開口を介して単結晶半導体基板裏面に接触するように形成された正および負の電極とを備える光電変換素子において、絶縁膜と正および負の電極との界面の少なくとも一部を、テクスチャー構造とする。
【選択図】 図2
【解決手段】 受光面である表面と裏面とが平坦な単結晶半導体基板と、単結晶半導体基板の裏面を被覆する絶縁膜と、この絶縁膜に形成した開口を介して単結晶半導体基板裏面に接触するように形成された正および負の電極とを備える光電変換素子において、絶縁膜と正および負の電極との界面の少なくとも一部を、テクスチャー構造とする。
【選択図】 図2
Description
本発明は、単結晶半導体基板を用いて形成した光電変換素子に関し、特にその発電効率の改善に関する。
半導体基板を受光層とする光電変換素子において、基板表面を凹凸形状(テクスチャー構造)として入射した光を基板内に閉じ込める、いわゆる光閉じ込め効果が知られている。この効果によって半導体基板における光の吸収率が向上し、素子の発電出力が増加する(例えば、特許文献1乃至4参照)。
一方、単結晶半導体基板を用いた光電変換素子では、基板の最表面は元素の結合が分断された状態であるため、いわゆるダングリングボンド(未結合手)が形成され、これによってキャリアを捕獲する欠陥が形成されやすい。正負のキャリアがこのような欠陥に捕獲されると再結合し消滅してしまうため、素子の発電出力が低下する。したがって、単結晶半導体基板表面をSiO2等からなるパッシベーション層で被覆し、このような欠陥の発生を抑えることが行われている。例えば、上述の特許文献3では、その図1に示すように、表面が凹凸のp型単結晶シリコン基板上にパッシベーション層を形成し、シリコン基板表面近傍での結晶欠陥の発生を抑制している。
受光面をなるべく大きくするために、半導体基板の裏面に正負の電極を配置した裏面電極型の光電変換素子が知られている。このような素子において、半導体基板裏面にテクスチャー構造を形成することにより裏面電極を凹凸形状とし、基板を透過した光を基板側に乱反射させる構造が考えられる。
図1に、半導体基板の表面および裏面にテクスチャー構造を形成した、裏面電極型の光電変換素子を示す。図において、100はp型またはn型の単結晶半導体基板であって、その表面および裏面がテクスチャー構造とされている。102は、基板100の裏面からn型不純物を基板中に拡散することによって形成したn+層であって、電子収集層を形成する。103は同様にp型不純物を拡散することによって形成したp+層であって、正孔収集層を形成する。
104はn+層102上に形成された負電極、105はp+層103上に形成された正電極、106aは基板100の表面に形成された絶縁膜(表面保護膜)、さらに106bは基板100の裏面において形成された絶縁膜を示す。これらの絶縁膜は上述のパッシベーション層として作用する。裏面側の絶縁膜106bには開口が設けられ、その中に各電極層が形成される。107は、基板100の表面において絶縁膜106a上に形成された反射防止膜である。
図1に示す構造の光電変換素子では、裏面に形成される電極層は、基板裏面のテクスチャー構造によって同様にテクスチャー構造を有するようになる。そのため、半導体基板表面に垂直に入射し、この基板を透過した光はテクスチャー構造の電極層表面によって乱反射され、再び基板方向に向かう。光が乱反射されることによって、半導体基板の光学的距離が長くなり、光の吸収率が向上する。これによって、さらに大きな光閉じ込め効果が期待される。
ところが、半導体基板表裏面にテクスチャー構造を形成することによって、基板表裏面の面積が増加し、その分、欠陥の発生量が増加する。発生した欠陥は、上述したように表面保護膜の形成や水素パッシベーション処理等によってその量を低減することは可能であるが、完全に無くすことは困難である。そのため、半導体基板表裏面が平面であった場合よりも、テクスチャー構造の方が、欠陥量が大きくなる。その結果、光閉じ込め効果による素子の出力向上分を最大限に利用できない、という問題が発生する。
本発明は、かかる点に関してなされたもので、テクスチャー構造に基づく光の閉じ込め効果を最大限利用して、光電変換素子の発電効率を向上することが可能な、新規な光電変換素子を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、第1の光電変換素子は、受光面である表面と裏面とが平坦な単結晶半導体基板と、前記単結晶半導体基板の前記裏面を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜に形成した開口を介して前記単結晶半導体基板裏面に接触するように形成された正および負の電極とを備える光電変換素子において、前記絶縁膜と前記正および負の電極との界面の少なくとも一部をテクスチャー構造としている。
また、前記絶縁膜の膜厚を前記正および負の電極下で異ならせて正および負の電極間に段差を設けることにより、前記単結晶半導体基板裏面と平行な方向において前記正および負の電極が連続して配置されるようにしている。
上記課題を解決するために、第2の光電変換素子は、受光面である表面と裏面とが平坦な単結晶半導体基板と、前記単結晶半導体基板の前記裏面を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜を覆って形成されかつ前記絶縁膜に形成した開口を介して前記単結晶半導体基板裏面に接触する正または負の電極と、前記受光面に形成された負または正の電極を備える光電変換素子において、前記絶縁膜と前記正または負の電極との界面の少なくとも一部をテクスチャー構造としている。
本発明の第1の光電変換素子では、単結晶半導体基板表面および裏面にテクスチャー構造は形成されず平坦である。そのため、基板表裏面の面積はテクスチャー構造の場合に比べて小さく、その分発生する欠陥量も小さくなる。したがって、半導体基板裏面を被覆する絶縁膜による欠陥発生の抑制効果が十分に期待される。一方、絶縁膜と電極との界面は、絶縁膜表面にテクスチャー構造を形成することにより、凹凸形状とされている。そのため、半導体基板および絶縁膜を透過して絶縁膜と電極との界面に達した光は、界面の凹凸により基板方向に乱反射され、再び基板に入射して吸収される。これによって、光閉じ込め効果が最大限発揮されるようになり、高い素子出力を得ることができる。
また、半導体基板裏面を被覆する絶縁膜の層厚を、正および負の電極部分で相違させることにより、正および負の電極を段差をつけて形成することができる。これにより、正および負の電極の面積を大きくして、半導体基板裏面を電極によって事実上完全に被覆することが可能となる。その結果、さらに大きな光の閉じ込め効果を得ることができ、素子出力が向上する。
第2の発明の光電変換素子では、半導体基板の裏面に正または負のいずれか一方の電極を形成する。他方の電極は、半導体基板の受光面側に形成する。これにより、基板裏面を完全に被覆して大きな光閉じ込め効果を得ることができるので、素子の発電出力が増加する。
(実施形態1)
図2に、本発明の実施形態1にかかる光電変換素子の断面構造を示す。図において、1はp型またはn型の単結晶半導体基板、2は電子収集層であって、基板1のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するn+拡散層で形成されている。3は正孔収集層であって、基板1のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するp+拡散層で形成されている。本実施形態の光電変換素子は、半導体基板1の受光面とは反対側の裏面に電極を配置した裏面電極型の素子であるため、電子収集層2および正孔収集層3は共に基板1の裏面側に設けられている。半導体基板1の電子収集層2上には負電極4が、正孔収集層3上には正電極5が設けられ、出力はこれらの電極4、5から取り出される。
図2に、本発明の実施形態1にかかる光電変換素子の断面構造を示す。図において、1はp型またはn型の単結晶半導体基板、2は電子収集層であって、基板1のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するn+拡散層で形成されている。3は正孔収集層であって、基板1のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有するp+拡散層で形成されている。本実施形態の光電変換素子は、半導体基板1の受光面とは反対側の裏面に電極を配置した裏面電極型の素子であるため、電子収集層2および正孔収集層3は共に基板1の裏面側に設けられている。半導体基板1の電子収集層2上には負電極4が、正孔収集層3上には正電極5が設けられ、出力はこれらの電極4、5から取り出される。
半導体基板1の表面および裏面は、表面保護膜として作用する絶縁膜6aおよび6bで被覆されている。7は、絶縁膜6a上に形成される反射防止膜である。絶縁膜6a、6bは、基板1の平坦な面上に形成されるので、絶縁膜6a、6bと基板1との界面は平坦となる。本実施形態の光電変換素子では、絶縁膜6bの上面、すなわち基板1側とは反対側の面において、電極4、5を形成する部分の少なくとも一部をテクスチャー構造としている。したがって、絶縁膜6b上に形成される電極4および5は、絶縁膜6b側においてその表面の少なくとも一部がテクスチャー構造を有するようになる。
なお、上記 ‘テクスチャー構造’とは、絶縁膜6bと電極4、5との界面が、主に、光の入射方向に対して垂直もしくは平行以外の面となっていることを意味している。
本実施形態の光電変換素子では、図示するように、半導体基板1の表面および裏面は平坦であり、したがって基板1と絶縁膜6aおよび6b間の界面は平坦な面となる。そのため、半導体基板1と絶縁膜6a、6bとの界面にテクスチャー構造を形成した従来の光電変換素子に比べて、基板の表面積が小さくなり、その分、欠陥数が減少し再結合損失が低減する。一方、半導体基板1の裏面を被覆する絶縁膜6bの上面をテクスチャー構造としているため、絶縁膜6b上に形成される電極4または5の表面もテクスチャー構造を有するようになり、その結果、半導体基板1を透過した光はこのテクスチャー構造によって基板1側へ乱反射され、大きな光の閉じ込め効果を発揮する。
このように、本実施形態の光電変換素子では、半導体基板裏面側でのキャリアの再結合損失を低く保ちながら、光の閉じ込め効果を有効に発揮して半導体基板1での光吸収量を高くし、その結果、高い光電変換出力を得ている。
以下に、実施形態1にかかる光電変換素子の実施例を示す。なお、Cはキャリア濃度を示す。
半導体基板1(光吸収部):p型Si基板、C=1x1014cm-3、厚さ150μm
電子収集層2:n+型Si層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
正孔収集層3:p+型Si層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
負電極4:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
正電極5:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
絶縁膜6a(表面保護膜):Si02、膜厚10nm
絶縁膜6b(表面保護膜):SiO2、膜厚2μm
反射防止膜7:MgF2/ZnSの2層膜、膜厚110nm/50nm
電子収集層2:n+型Si層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
正孔収集層3:p+型Si層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
負電極4:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
正電極5:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
絶縁膜6a(表面保護膜):Si02、膜厚10nm
絶縁膜6b(表面保護膜):SiO2、膜厚2μm
反射防止膜7:MgF2/ZnSの2層膜、膜厚110nm/50nm
なお、上記実施例では、半導体基板1の材料としてSiを使用しているが、Ge、SiGe、SiCあるいはC等の材料を用いても同様の効果を得ることができる。また、半導体基板1の伝導型はn型でもよい。図1に示す実施形態では、半導体基板1の表面側の絶縁膜6aにテクスチャー構造を形成してはいないが、テクスチャー構造としてもよい。また、電極4、5と絶縁膜6bとの界面を三角形状のテクスチャーとしているが、図3の(a)および(b)に示すように、湾曲した形状のテクスチャーとしてもよい。
(実施形態2)
図4に、本発明の実施形態2にかかる光電変換素子の断面構造を示す。なお、以下の図において、図2と同じ符号は同じかまたは同様の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。
図4に、本発明の実施形態2にかかる光電変換素子の断面構造を示す。なお、以下の図において、図2と同じ符号は同じかまたは同様の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。
図4に示すように、本実施形態の光電変換素子は、半導体基板1の表面側および裏面側にそれぞれ電極を形成した構造を有し、特に裏面側の正電極51を基板裏面全体に対して設けることにより、光の閉じ込め効果をより大きくしている。この実施形態では、半導体基板1はp型半導体により形成され、n+型の電子収集層21は半導体基板1の受光面側に形成され、さらに負電極41は受光面側で層21に接触して設けられている。
半導体基板1の裏面を被覆する絶縁膜6bの基板側とは反対側の表面は、実施形態1にかかる光電変換素子の場合と同様にテクスチャー構造とされ、その結果、絶縁膜6b上に形成される正電極51の基板側表面はテクスチャー構造となる。これにより、半導体基板1を透過した光は正電極51の表面で半導体基板1側へ乱反射され、光閉じ込め効果が有効に発揮されるようになる。なお、本実施形態の光電変換素子における基本的な構成および作用効果は、図1に示す実施形態1の光電変換素子と同じである。
以下に、実施形態2にかかる光電変換素子の実施例を示す。
半導体基板1(光吸収部):p型Si基板、C=1x1016cm-3、厚さ300μm
電子収集層21:n+型Si層、C=1×1018cm-3、拡散深さ0.2μm
正孔収集層3:p+型Si層、C=1×1019cm-3、拡散深さ2μm
負電極41:Al、膜厚2μm
正電極51:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
絶縁膜6a(表面保護膜):Si02、膜厚10nm
絶縁膜6b(表面保護膜):SiO2、膜厚2μm
反射防止膜7:MgF2/ZnSの2層膜、膜厚110nm/50nm
電子収集層21:n+型Si層、C=1×1018cm-3、拡散深さ0.2μm
正孔収集層3:p+型Si層、C=1×1019cm-3、拡散深さ2μm
負電極41:Al、膜厚2μm
正電極51:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
絶縁膜6a(表面保護膜):Si02、膜厚10nm
絶縁膜6b(表面保護膜):SiO2、膜厚2μm
反射防止膜7:MgF2/ZnSの2層膜、膜厚110nm/50nm
なお、上記実施例では、半導体基板1の材料としてSiを使用しているが、Ge、SiGe、SiC、C、GaAs、InP等の材料を用いても同様の効果を得ることができる。また、半導体基板1の伝導型をp型としているが、n型の半導体基板1を用いる場合は、受光面側にp+層の正孔収集層を形成し、裏面側にn+層の電子収集層を設け、かつ正負の電極を入れ替えることによって、実施形態2と同様の光電変換素子が形成される。
図示する実施形態2の光電変換素子では、半導体基板1の表面側絶縁層6aにテクスチャー構造を形成してはいないが、これをテクスチャー構造としてもよいことは勿論である。電極51と絶縁膜6bとの界面は三角形状のテクスチャーとしているが、実施形態1の場合と同様に、図3の(a)および(b)に示すような湾曲した形状のテクスチャーとしてもよい。
(実施形態3)
図5に、本発明の実施形態3にかかる光電変換素子の断面構造を示す。本実施形態の光電変換素子は、半導体基板の構造において、図1に示す光電変換素子と基本的に同じ構造を有しているが、負電極42と正電極52が半導体基板1の裏面より異なった距離で形成されている点で異なっている。すなわち、負電極42を形成する位置の絶縁膜61bの膜厚と、正電極52を形成する位置の絶縁膜62bの膜厚とを相違させている。これによって、正負の電極52、42間に段差が形成され、半導体基板1の表面に平行な方向において正および負の電極52、42を隙間なく形成しても、両者が短絡することはない。そのため、正および負の電極52、42によって半導体基板1の裏面全体を覆うことができ、半導体基板1を通過した光の閉じ込め効果をさらに効果的とすることができる。その結果、本光電変換素子の発電出力が向上する。
図5に、本発明の実施形態3にかかる光電変換素子の断面構造を示す。本実施形態の光電変換素子は、半導体基板の構造において、図1に示す光電変換素子と基本的に同じ構造を有しているが、負電極42と正電極52が半導体基板1の裏面より異なった距離で形成されている点で異なっている。すなわち、負電極42を形成する位置の絶縁膜61bの膜厚と、正電極52を形成する位置の絶縁膜62bの膜厚とを相違させている。これによって、正負の電極52、42間に段差が形成され、半導体基板1の表面に平行な方向において正および負の電極52、42を隙間なく形成しても、両者が短絡することはない。そのため、正および負の電極52、42によって半導体基板1の裏面全体を覆うことができ、半導体基板1を通過した光の閉じ込め効果をさらに効果的とすることができる。その結果、本光電変換素子の発電出力が向上する。
以下に、実施形態3にかかる光電変換素子の実施例を示す。
半導体基板1(光吸収部):p型Ge基板、C=1x1015cm-3、厚さ150μm
電子収集層2:n+型Ge層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
正孔収集層3:p+型Ge層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
負電極42:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
正電極52:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
絶縁膜6a(表面保護膜):SiNx、膜厚10nm
絶縁膜61b(表面保護膜):SiNx、膜厚10μm
絶縁膜62b(表面保護膜):SiNx、膜厚2μm
反射防止膜7:SiO2/TiO2の2層膜、膜厚100nm/60nm
電子収集層2:n+型Ge層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
正孔収集層3:p+型Ge層、C=1×1019cm-3、拡散深さ1μm
負電極42:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
正電極52:Al、膜厚3μm(うち凹凸の高さ1μm)
絶縁膜6a(表面保護膜):SiNx、膜厚10nm
絶縁膜61b(表面保護膜):SiNx、膜厚10μm
絶縁膜62b(表面保護膜):SiNx、膜厚2μm
反射防止膜7:SiO2/TiO2の2層膜、膜厚100nm/60nm
なお、上記実施例では、半導体基板1の材料としてGeを使用しているが、Si、SiGe、SiC、C等の材料を用いても同様の効果を得ることができる。また、半導体基板1の伝導型をp型としているが、n型の半導体基板を用いてもよい。半導体基板1の表面側絶縁層にテクスチャー構造を設けても良い。さらに、図5の例では、負電極42側の絶縁膜61bを厚く正電極52側の絶縁膜62bを薄く形成しているが、これを反対としても良い。
図6(a)および(b)に、実施形態3にかかる光電変換素子のさらに別の実施例を示す。これらの実施例は、正負の電極の配置方法に特徴を有する。すなわち、図(a)の実施例では、負電極42’と正電極52’とが半導体基板1の表面に垂直方向において重なる部分を有するように形成される。このとき、負電極42’と正電極52’はいずれも露出部を有している。図(b)に示す実施例の場合は、正電極52’を絶縁膜63によって埋め込んだ構成としている。図(a)および(b)に示す実施例は、形成する光電変換素子の電極取り出し構造に応じて適宜選択される。
1 単結晶半導体基板
2 電子収集層
3 正孔収集層
4 負電極
5 正電極
6a、6b 絶縁膜
7 反射防止膜
2 電子収集層
3 正孔収集層
4 負電極
5 正電極
6a、6b 絶縁膜
7 反射防止膜
Claims (3)
- 受光面である表面と裏面とが平坦な単結晶半導体基板と、前記単結晶半導体基板の前記裏面を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜に形成した開口を介して前記単結晶半導体基板裏面に接触するように形成された正および負の電極とを備える光電変換素子において、
前記絶縁膜と前記正および負の電極との界面の少なくとも一部をテクスチャー構造としたことを特徴とする、光電変換素子。 - 請求項1に記載の光電変換素子において、前記絶縁膜の膜厚を前記正および負の電極下で異ならせて前記正および負の電極間に段差を設けることにより、前記単結晶半導体基板裏面と平行な方向において前記正および負の電極が連続して配置されるようにしたことを特徴とする、光電変換素子。
- 受光面である表面と裏面とが平坦な単結晶半導体基板と、前記単結晶半導体基板の前記裏面を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜を覆って形成されかつ前記絶縁膜に形成した開口を介して前記単結晶半導体基板裏面に接触する正または負の電極と、前記受光面に形成された負または正の電極を備える光電変換素子において、
前記絶縁膜と前記正または負の電極との界面の少なくとも一部をテクスチャー構造としたことを特徴とする、光電変換素子。
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