JP2006216841A

JP2006216841A - 光電変換素子

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Publication number: JP2006216841A
Application number: JP2005029143A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Okumura; 健一奥村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17

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

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。

特開昭６２−２０９８７２号特開平２−８１４７８号特開平５−２９９６７３号特開平１０−２２９２１０号

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。

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

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

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。

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）：ＳｉＮ_x、膜厚１０ｎｍ
絶縁膜６１ｂ（表面保護膜）：ＳｉＮ_x、膜厚１０μｍ
絶縁膜６２ｂ（表面保護膜）：ＳｉＮ_x、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。

従来の光電変換素子の構造を示す断面図。本発明の実施形態１にかかる光電変換素子の構造を示す断面図。図２に示すテクスチャー構造の他の例を示す断面図。本発明の実施形態２にかかる光電変換素子の構造を示す断面図。本発明の実施形態３にかかる光電変換素子の構造を示す断面図。図５に示す光電変換素子の変形例を示す断面図。

符号の説明

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

Claims

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。