JP2009509353A - ｐ−ｎ接合半導体素子の埋込み接触電極の形成方法及びこれを用いた光電子半導体素子 - Google Patents
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Abstract
本発明は、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの少なくとも一方の面を深さ方向にエッチング処理して、一定の配列を有する連続的、非連続的またはこれらの混合状の電極パターン溝を複数形成するステップと、（ｂ）前記形成された溝に導電性透明粒子入りの導電性インキをインクジェットを介して充填した後、熱処理して埋立て型透明電極を形成するステップと、を含むｐ−ｎ接合ダイオード付き光電子半導体素子の製造方法及び前記光電子半導体素子、前記光電子半導体素子を製造するための製造装置を提供する。
本発明においては、埋込み透明電極により遮蔽損失が有意的に低減して光電変換高効率を実現することができるだけではなく、エッチング工程と電極形成工程の単一化により製造工程の容易性及び生産性の向上を両立することができる。
本発明においては、埋込み透明電極により遮蔽損失が有意的に低減して光電変換高効率を実現することができるだけではなく、エッチング工程と電極形成工程の単一化により製造工程の容易性及び生産性の向上を両立することができる。
Description
本発明は、ｐ−ｎ半導体素子の電極の形成方法に係り、より詳しくは、太陽電池、発光ダイオード素子（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）などの光電子半導体素子の埋立て型電極の形成方法、該方法により製造された埋込み透明電極を備える光電子半導体素子及び該光電子半導体素子を製造するための製造装置に関する。
太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子であって、１８３９年Ｅ．Ｂｅｃｑｕｅｒｅｌが最初に光電効果を発見して以来、１８７０年Ｈ．ＨｅｒｔｚのＳｅの光電効果の研究を通じて効率１〜２％のセレニウム電池を写真機の露出器に用いたのが始まりであると知られている。この後、開発初期の１９５０年代後半には衛星の動力源として用いられるなど軍事目的で使われたが、１９７０年代オイルショックの影響により各国で代替エネルギーとして用いるために膨大な研究費を注ぎながら商業化が急速に進むようになった。
太陽電池は、半導体の光起電効果を用いたものであり、ｐ型半導体とｎ型半導体を組み合わせてなる。ｐ型半導体とｎ型半導体とが接する個所（ｐ−ｎ接合部）に光が入ると、光エネルギーにより半導体の内部においてマイナスの電荷（電子）とプラスの電荷（正孔）が発生し、このような電子と正孔はエネルギー障壁を介して分離されてそれぞれｎ型半導体層とｐ型半導体層に移動して両方の電極部に集まる。これらの２枚の電極を導線により接続すると、電流が流れるので、外部において電力として用いることが可能になる。
図１は、通常の太陽電池の構造を示す図である。太陽電池は、ダイオード、ＬＥＤなどから容易に見られるｐ−型１４とｎ−型１３の半導体を接合するｐ−ｎ接合構造と、上下部の電極１１、１５及び光の反射損失を低減するための反射防止膜（Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＲ層）１２と、からなる。半導体の特性上、光電効果により半導体が光（光子）を吸収すると、自由電子と正孔が生じ、通常の半導体においては、このような自由電子と正孔が再結合しながら吸収したフォトンエネルギーを熱などのフォノンエネルギーに変換するが、太陽電池においては、ｐ−ｎ接合の周りにある自由電子とホールがｐ−ｎ接合の周りの電場により互いに位置が変わってしまい、電気的なポテンシャルが形成されるため、太陽電池の外部に素子を接続すると、結果として、電流が流れることになるのである。
しかしながら、このような太陽電池は、現在効率が低いだけではなく、高価な素子であるという問題点を有しているが、実際に、太陽電池の商業化のために先決さるべき問題は、太陽電池の効率を高めることである。太陽電池が有する低効率の一因は、太陽電池の上部電極１１による遮蔽損失である。ｐ−ｎ接合構造を有する太陽電池は、前記接合の両方の面の上に電極を形成するための金属接合を行う必要があるが、通常、金属が不透明なものであるため、前記接合部は光が透過できず、結局のところ、その分の面積を使用できず、効率が低くなってしまう。もし、面積を増やすために一部にのみ金属接合を行うならば、実際にｐ−ｎ接合ダイオード用の基板として用いられるシリコンそれ自体の抵抗が大であるために抵抗が増大し、このような抵抗の増大は、エネルギー損失の増大につながる。このため、埋込み接合により上述した問題点を改善することができる。
図２aは、埋込み接触太陽電池の断面図である。埋込み接触電極（コンタクト）は、前記太陽電池の上部２１にレーザーや機械的な方法を用いて直線の溝を掘った後、前記溝に金属電極２３ａを形成することである。このような方法を用いる場合、太陽電池の接触抵抗と遮蔽損失を同時に低減するというメリットを有するだけではなく、部分的なドープによるデッドセルの減少効果及び短波長域の光応答特性の向上などの利点がある。しかしながら、上述した埋込み接触電極の金属接合の形成は、通常、スキージー法や電気めっき法を用いて行われるが、スキージー法を用いる場合、金属配線を形成するためのペースト量の均一度に問題が起こって、溝に充填される金属物質が溝の外に突出（２３ｂ）して一定の線幅の確保が困難であるだけではなく、酷い場合、金属配線が切断されてしまうという問題点がある（図２b参照）。また、電気めっき法を用いる場合、電気めっきの前に無電解めっきによりシード(seed)金属を形成した後、さらに電気めっきを行う必要があるため、低い工程効率性を有するだけではなく、量産の場合に低い電着速度によるスループットの低下という問題点を示す結果となる。
本発明者らは上述した問題点に鑑みて、微細パターニングが実現可能なエッチング工程を通じて太陽電池の上部に一定の配列を有する１以上の連続的、非連続的またはこれらの混合状の電極パターン溝を形成した後、前記溝にインクジェットを用いて導電性の透明粒子を充填して埋立て型透明電極を形成することにより、電極パターン形成の自由度の向上及び透明電極による有意的な遮蔽損失の低減により光電子半導体素子の高効率を実現しようとする。また、従来の電極材料の均一な線幅及び厚さの具現が容易ではないスキージー法とめっきのために必須なシード電極を挿入しなければならない電気めっき法の問題点を解消するたけではなく、製造工程のスループットの向上及び効率の向上を両立しようとする。
そこで、本発明は、高効率の図れる光電子半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、エッチング工程と電極形成工程の単一化により製造工程の容易性及び生産性の向上を図ることのできる前記光電子半導体素子の製造装置を提供することを別の目的とする。
本発明は、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの少なくとも一方の面を深さ方向にエッチング処理して、一定の配列を有する連続的、非連続的またはこれらの混合状の電極パターン溝を複数形成するステップと、（ｂ）前記形成された溝に導電性透明粒子入りの導電性インキをインクジェットを介して充填した後、熱処理して埋立て型透明電極を形成するステップと、を含むｐ−ｎ接合ダイオード付き光電子半導体素子の製造方法を提供する。
また、本発明は、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードと、（ｂ）前記ｐ−ｎ接合ダイオードの光入射面の一部をエッチングしてなる一定の配列を有する複数の凹部(recess)内に位置する埋込み電極と、を備える光電子半導体素子であって、前記電極は、入射する光を投光（透光）する導電性透明酸化物から形成された透明電極であることを特徴とする光電子半導体素子、好ましくは、太陽電池を提供する。
さらに、本発明は、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に一定の配列を有する１以上の電極パターン溝を形成可能なエッチング装備と、（ｂ）前記形成された溝にインクジェットを介して導電性物質を充填して電極を形成可能なインクジェット装備と、が１つのステージの上に取り付けられることにより、単一化した製造工程により埋立て型電極を製造可能であることを特徴とする光電子半導体素子の製造装置を提供する。
本発明のｐ−ｎ接合光電子半導体素子は、電気めっきによる形成が困難であった透明電極酸化物を用いて埋立て型透明電極を形成することにより、電極遮蔽損失が有意的に低減されて高効率を実現することができ、既存のスキージー法による溝充填方法よりも均一な線幅と厚さの金属配線が得られて非連続的なパターンが実現可能である。また、電気めっきのためのシード金属の形成工程を排除することができ、レーザーによる溝彫り後に同じステージにおいてインクジェット工程を行うことができることから、製造工程のスループットが高いというメリットを有する。
以下、本発明を詳述する。
本発明は、光電子半導体素子、好ましくは、埋込み接触型太陽電池（ｂｕｒｉｅｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ：ＢＣＳＣ）を提供するが、電気めっき法などの従来の電極の形成方法により形成できない導電性透明粒子を用いた透明電極を素子の構成要素として備えることを特徴とする。
特に、本発明においては、従来の埋込み接触電極の形成技術においてエッチング工程と電極形成工程との間の連関関係の重要性を認識して本発明を完成するに至り、これにより、製造工程のスループットの向上と共に電極配線線幅の信頼性及び電極パターンの自由度の向上、均一性と光電変換効率の増大された光電子半導体素子の特性を提供することができる。
すなわち、従来の埋込み接触電極の形成技術は、通常、ｐ−ｎ接合ダイオードの上に既に形成された溝をスキージー法や電気めっき法を用いて充填して金属接合、すなわち、金属電極を形成するものである。スキージー法を用いる場合、図２bに示すように、金属接合が溝に限定されず、溝の上部まで突出することになり、また、これを防止するためにスキージー量を減らす場合、金属配線が段落される問題点が発生する。また、埋込み接触技術の他のものとして、ウェット法である電気めっき法を用いる場合、溝の底部にめっきのためのシード電極を必ず挿入する必要があるだけではなく、電着による金属電極の形成に長時間かかるという欠点がある。
これに対し、本発明においては、導電性粒子が分散媒に分散された導電性インキのインクジェット法により電極を形成している。インクジェット法は、導電性粒子が分散媒に分散された導電性インキを既にエッチング処理された電極パターン溝に吹き付ける方式により充填して電極を形成する方法である。このとき、導電性インキは、従来の絞るようなスキージー方法とは異なり、液滴(droplet)状に充填するため、より狭い線幅に対するインキ充填が容易であるだけではなく、均一な厚さの金属配線が得られるというメリットがある。また、電気めっきのためのシード電極の形成が不要であるだけではなく、従来の電気めっき法による電着速度よりもインクジェットによる電極の形成速度が速いというメリットがある。特に、連続的なペーストの繰り出しが要求されるスキージー法（図４参照）に比べて、非連続的なパターンが実現可能であるため、非連続的な電極パターンを形成することができる（図５参照）。
また、本発明においては、上述したインクジェット法と共に、レーザーエッチング装置を用いて電極を形成することにより、高度の精度及び電極パターンの自由度の向上を図ることができる。
すなわち、従来のインクジェット法により均一な線幅の金属配線が得られたとしても、形成された電極パターン溝それ自体が均一ではないか、あるいは、狭い線幅を再現性よく実現できなければ、最終的に形成される電極の信頼度も低下せざるを得ないであろう。実際に、従来では、電極パターンを形成するエッチング工程についての特別な認識なし単にに電極パターン溝を充填する電極形成工程にのみ重点をおいていたため、最終的な電極パターンの自由度、均一な線幅と厚さを有する電極形成の自体を究極的に図ることはできなかった。
そこで、本発明においては、微細パターニング工程に用いて好適なレーザーエッチング装置を用いて一定の配列を有する電極パターン溝を形成した後、液滴状の導電性透明インキを充填して埋込み透明電極を形成することにより、高い再現性及び精度、電極パターンの自由度が最適に実現された電極を提供することができる。
特に、上述したエッチング工程とインクジェット工程が両方とも個別の装備を必須に要する工程であるため、従来では工程中にこれらを再配置して用いるために、やむを得ず、製造工程の速度及び生産性の面から不利であった。これに対し、本発明においては、図３に示すように、ｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に一定の配列を有する電極パターン溝を掘るエッチング装備、例えばレーザーと、形成された溝に金属物質を充填して電極を形成するインクジェット装備とが両方とも同じステージの上に配置された電極製造装置を用い、その場合、前記２つの工程を単一の製造工程により同時に行うことができて、製造工程の容易性、工程速度及び生産性の向上を図ることができるだけではなく、インクジェット装置のためのさらなるアライン(align)工程が要求されないというメリットがある。
本発明による光電子半導体素子、好ましくは、太陽電池は、電極物質として導電性透明粒子を用いて微細電極パターニング可能なエッチング工程とインクジェットを介した電極形成工程とを連続的にまたは同時に行う点を除いては、当業界に周知の方法により製造することができる。この一実施形態を挙げると、レーザーによりｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に一定の配列を有する複数の微細電極パターン溝を形成した後、前記溝に導電性透明粒子の分散された導電性インキをインクジェットを介して充填して埋立て型透明電極を形成し、この後、電極をそれぞれ外部素子に接続する方式により製造可能である。
以下、本発明の通常の製造工程だけではなく、従来の技術と最も差別化される特徴部、例えば、エッチングステップ及び電極形成ステップを詳述する。
（１）ｐ−ｎ接合ダイオードの形成ステップ
ｐ−ｎ接合ダイオードは、当業界で周知のように、第１の導電型半導体層（ｐ型）、ｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層（ｎ型）が順次に形成されたものであれば、特に制限無しに使用可能である。好ましくは、第１の導電型基板の上にｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層が形成されたものである。
ｐ−ｎ接合ダイオードは、当業界で周知のように、第１の導電型半導体層（ｐ型）、ｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層（ｎ型）が順次に形成されたものであれば、特に制限無しに使用可能である。好ましくは、第１の導電型基板の上にｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層が形成されたものである。
第１の導電型基板としては、導電性と第１の型（ｐ型）を有するものであれば、特に制限がなく、この非制限的な例としては、シリコンウェーハなどがある。前記基板は、テクスチャーリング(texturing)を行って一方の面または両面の上に凹凸構造が形成されたものであってもよく、または、表面の上に既に反射防止膜及び／またはパッシベーション層が形成されたものであってもよい。
前記ｐ−ｎ接合層及び第２の導電型層（例えば、ｎ型層１３）は、当業界に周知の方法に従って製造可能であり、例えば、第１の導電型基板１４の前面（光入射面）の全面に亘ってｎ型不純物を注入及び拡散して形成可能である。このとき、ｎ型不純物は、当業界における周知の成分、すなわち、電子の濃度を高める物質を制限なしに用いることができ、この具体例を挙げると、Ｖ及び／またはＶＩ族成分がある。好ましい例としては、Ｐ、ＰＯＣｌ３、Ｐ２Ｏ５、Ｔｅなどがある。
（２）導電性インキの製造
形成された溝を充填して埋立て型電極を形成可能な物質としては、導電性と投光性（透光性）を併せ持つ物質であれば、特に制限なしに使用可能である。例えば、導電性透明酸化物などがある。
形成された溝を充填して埋立て型電極を形成可能な物質としては、導電性と投光性（透光性）を併せ持つ物質であれば、特に制限なしに使用可能である。例えば、導電性透明酸化物などがある。
すなわち、従来電極として用いられていた金属は、入射する光の一部を反射して光電変換効率の減少を必ず来たしていたのに対し、本発明において電極成分として用いる導電性透明酸化物は、入射面に入る光の全部を投光することにより、光電変換効率を有意的に高めることができる。しかしながら、上述した導電性透明酸化物は、電気めっきが不可であって適用できなかったのに対し、本発明においては、電極の形成方法としてインクジェット法を導入することにより、上述した導電性の透明酸化物を埋立て型電極成分として適用して従来の不透明な金属電極に比べて遮蔽損失を有意的に低減して高効率を実現することができる。
使用可能な導電性透明酸化物の非制限的な例としては、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｄｏｐｅｄ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯｘ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２またはこれらの混合物などがある。その他に、導電性と透明性を併せ持って電極として適用可能な成分もまた本発明の範疇に属する。
前記導電性透明粒子径には特に制限がなく、使用しようとするインクジェット装備のノズルのサイズにより制限されるのが一般的である。現在商業化しているインクジェット用のノズルサイズが２０〜数百μｍの範囲であるため、できる限り、導電性透明粒子の粒径は５ｎｍ〜５０μｍの範囲であることが好ましい。
また、前記導電性透明粒子は分散媒に分散された形状であって、導電性インキを形成するが、このとき、分散媒は当業界に周知の水系及び／または有機溶媒が適用可能である。製造された導電性インキは特に制限がないが、導電性粒子が分散媒に均一に分散されて凝集が防止されるコロイド状が好ましい。
本発明の導電性インキは伝導性の向上のために当業界に周知の金属成分をさらに含んでいてもよく、この非制限的な例としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔまたはこれらの混合物などがある。
従来の埋立て型電極の形成技術は、通常、ｐ−ｎ接合ダイオード、好ましくは、前記ｐ−ｎ接合ダイオードの第１型の半導体層（例えば、ｐ型）または第２型の半導体層の上に溝を彫った後、金属粒子を充填して金属電極を充填することであり、このとき、ｎ型不純物を重ドープしてｎ＋＋層を形成することが必須に求められていた。しかしながら、本発明においては、電極を形成するための導電性透明粒子入りの導電性インキに当業界に周知のｎ型不純物をさらに含むことができることから、ｎ＋＋形成ステップと埋込み電極形成ステップを単一の工程により行うことができ、これにより、製造工程の単純性の確保及び量産を実現できるという利点がある。
（３）エッチングステップ
次に、ｐ−ｎ接合ダイオードの少なくとも一方の面、好ましくは、光入射面の一部または全部を部分的にエッチングして１以上の任意の電極パターン溝を形成する。
次に、ｐ−ｎ接合ダイオードの少なくとも一方の面、好ましくは、光入射面の一部または全部を部分的にエッチングして１以上の任意の電極パターン溝を形成する。
電極パターンの形成されるｐ−ｎ接合ダイオード面は、第１の導電型半導体層（ｐ型）、ｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層（ｎ型）が順次に形成されたｐ−ｎ接合ダイオードの第１の導電型半導体層または第２の導電型半導体層の面であることができるし、好ましくは、第１の導電型基板の上に第２の導電型半導体層（ｎ型層１３）が形成された光入射面である。また、エッチングにより形成された電極パターン溝は、一定の配列を有する連続的、非連続的またはこれらの混合状であってもよいが、これに制限されるものではない。
このとき、前記溝を形成するためのエッチング工程は、パターン形成の自由度を高めるためにレーザーによるエッチングであることが好ましいが、その他に当業界に周知のエッチング方法、例えば、機械的なエッチング方法も適用可能である。
前記レーザーは、エキシマー(excimer)、Ｎｄ：Ｙａｇなどの単位時間当たりのエネルギーの高いパルスレーザー装置が使用可能であり、レーザー光の波長は、紫外線（ＵＶ）領域波長であることが好ましい。また、レーザーのパワーと焦点距離の調節によるパターンの幅及び深さの調節が容易であるというメリットがある。
前記ｐ−ｎ接合ダイオードの少なくとも一方の面の上に走査されたレーザービームは、ｐ−ｎ接合ダイオードに吸収されながら所定のエネルギーを加えることになり、このように吸収されたエネルギーは、ｐ−ｎ接合ダイオード内の分子間結合を絶つことによりｐ−ｎ接合ダイオードの表面の一部がエッチング除去されるのである。このようにレーザービームが繰り返し走査される場合、ｐ−ｎ接合ダイオードの表面に溝が形成されながら電極配線がパターニングされる。このように一定の領域に対するエッチング工程が完了すると、ｘ、ｙ軸に微細移動し、このような移動が完了すると、上述したように、ｐ−ｎ接合ダイオードに対する電極パターニングが行われる。
形成された電極パターン溝の深さには特に制限がなく、深さ方向への電極形成を通じて光電子半導体素子の遮蔽損失を低減するために、できる限り、溝の幅よりも大であることが好ましい。例えば、１μｍ〜数十μｍの範囲であってもよい。
（４）埋込み電極の形成
既に製造された導電性インキをインクジェット装備に投入した後、インクジェット装備のノズルを介して吐き出してｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に形成された１以上の電極パターン溝を充填する。
既に製造された導電性インキをインクジェット装備に投入した後、インクジェット装備のノズルを介して吐き出してｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に形成された１以上の電極パターン溝を充填する。
前記インクジェット装備は噴射ノズルを介して噴射液、例えば、導電性インキを噴射する装置を言うものであり、このような役割が行えるならば、この形態、構成要素などに特に制限はない。できる限り、ピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドが取り付けられ、インクジェットノズルの直径ができる限り２０〜５０μｍの範囲であることが好ましい。必要に応じて、前記電極パターン溝の内部に導電性インキを充填する前に、ｎ型不純物を重ドープすることもでき、または、ｎ型不純物を含む導電性インキを用いてｎ＋＋層形成と同時に埋立て型電極を形成することもできる。
インクジェットノズルを介して導電性透明粒子を充填された電極パターン溝に熱処理を行うことにより、埋立て型電極が完成される。このとき、熱処理温度及び時間に特に制限はなく、当業界における周知の範囲、例えば、ゾル溶液溶媒が蒸発により除去される温度の範囲において行うことが好ましい。例えば、ＩＴＯなどの透明電極の場合には、ゾル溶液をインキとして用いて熱処理することにより固相化することができる。または、ナノ粒子は２００℃未満の温度において熱処理しても十分に比抵抗特性を示すことができる。
このようにして製造された埋立て型電極（上部電極）が第２の導電型半導体層（ｎ型層）面の一部または全部と接触する場合、第２の電極となり、第１の導電型半導体層（ｐ型層）の一部または全部と接触する場合、第１の電極となる。
上述した導電性インキ製造ステップ（２）とエッチングステップ（３）は、必要に応じて適宜に手順を変えて行うこともできる。また、エッチングステップ（３）及び埋込み電極形成ステップ（４）は、両ステップの製造工程により構成でき、または、上述したエッチング装備とインクジェット装備が単一のステージの上に取り付けられた製造装置を用いる場合、単一化した製造工程を通じて電極が形成可能であるというメリットがある。
上述したように埋立て型電極が形成された光電子半導体素子は、その後、当業界における通常の方法に従い製造することができる。例えば、前記ｐ−ｎ接合ダイオードの光入射面とは反対面、すなわち、背面(後面)に位置する導電型半導体層の一部または全部と接触する背面電極（例えば、第１の電極または第２の電極）を形成するステップを含んでいてもよい。
このとき、背面電極は、太陽光が入射しないため電極パターン幅を特に狭くする必要がないため、従来の電極形成技術を用いても構わない。このため、当業界に周知の方法に従い行うことができ、例えば、太陽電池の背面に位置する第１の電極（または、第２の電極）は、スクリーンプリント、無電解めっき法及び／または電気めっき法に従い導電性金属、例えば、銀または銅などを用いて製造することができる。
本発明においては、前記ｐ−ｎ接合ダイオードの光入射面の上に入射する光量増大を図るために、反射防止膜、パッシベーション層(passivation layer)、テクスチャーリング(texturing)及び導電性透明酸化物層よりなる群から選ばれた１種以上の構成要素を形成するステップをさらに含んでいてもよい。
このように外部より基板の内部に入射する光の量を増やすための構成要素、例えば、反射防止膜（ＡＲ）は、当業界に周知の方法に従い製造可能であり、例えば、熱抵抗や電子ビーム、真空蒸着ビーム、スパッタリング法、化学気相蒸着法などを用いてＴｉＯ２、ＭｇＦ２、ＺｎＳ、ＳｉＮｘなどを形成することができる。また、前記導電性透明酸化物層を構成する成分は、導電性と透明性を有して遮蔽損失を低減可能である限り、その材質、形態またはサイズなどは特に制限がない。上述した（２）ステップに記載の導電性透明酸化物粒子と同様であってもよいが、これに限定されるものではない。
上述したように構成される本発明の光電子半導体素子は、光電子半導体素子の内部、すなわち、ｐ−ｎ接合部に光が入ると、吸収された光子は１対の電子と正孔を発生し、生成された電子と正孔はライフタイム中に安定して存在するが、この間にそれぞれｐ−ｎ接合ダイオードの内部に存在する電場により電子と正孔がそれぞれｎ型半導体層とｐ型半導体層に移動する。これらの両層間に発生する電位差（光起電力）をそれぞれの電極端子を介して導線により接続すれば、電流が流れ、これを外部電力として使用することが可能になる。
また、本発明は、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードと、（ｂ）前記ｐ−ｎ接合ダイオードの光入射面の一部をエッチングしてなる一定の配列を有する複数の凹部内に位置する埋込み電極を備える光電子半導体素子であって、前記電極は入射する光を投光する導電性透明酸化物から形成された透明電極であることを特徴とする光電子半導体素子を提供する。
前記透明電極は、上述したように、入射する光を投光して電極遮蔽損失の低減による光電変換効率の増大を図ることができる。このとき、前記電極の形態には特に制限がなく、例えば、連続的、非連続的またはこれらの混合形態を有することができる。また、前記透明電極はＶ族及びＶＩ族よりなる群から選ばれた１種以上のｎ型成分をさらに含んでもよい。
前記光電子半導体素子は、最終的な光入射面の一部または全部の内部に入射する光の量や量子効率を高めるための構成要素、例えば、反射防止膜、パッシベーション層、テクスチャーリング及び導電性透明酸化物層よりなる群から選ばれた１種以上の構成要素を含んでいてもよい。前記反射防止膜は、表面反射により太陽光の損失を極力抑えて光電効率を高める役割を果たし、パッシベーション層は、漏れ電流及び素子の損傷を防ぐ働きをする。テクスチャーリングは、表面に凹凸を設けて乱反射を形成して半導体素子の内部に入射する光の量を増やす役割を果たす。これらのうち、光電変換効率を向上可能な導電性透明酸化物層が好ましい。これは、導電性透明酸化物層が、厚さ調節により従来入射する光量の増大を図る反射防止膜（ＡＲ）の役割と共に、電極の補助的な役割をも同時に行うことができるためである。前記導電性透明酸化物層の好適な厚さ範囲は、入射する光の波長（λ）よりも１／４程度の厚さ（λ／４）の範囲であるが、これに制限されるものではなく、光電変換の効率を高められる範囲内において適宜に調節可能である。
前記光電子半導体素子のうち、ｐ−ｎ接合ダイオード（ａ）は、凹部の形成前に、既に光入射面の上に反射防止膜（ＡＲ）が形成されたものであってもよい。特に、反射防止膜（ＡＲ）が既に形成されたｐ−ｎ接合ダイオードの光入射面の一部を深さ方向にエッチングしてなる埋立て型透明電極の全面の上に導電性透明酸化物層が存在する場合、光電変換効率を格段に高めることができる。これは、光入射面の上に存在する導電性透明酸化物層と反射防止膜（ＡＲ）の併用により入射する光の量が有意的に増大するだけではなく、透明電極と導電性の保有により補助的な電極の役割を果たせる導電性透明酸化物層の併用により通電される電流断面積が広くなり、抵抗性が良くなるためである。このとき、導電性透明酸化物層の屈折率は、第１型の基板、例えば、シリコンの屈折率よりも低いことが好ましい。
前記光電子半導体素子は、ｐ−ｎ接合半導体の構成にのみ限定されるものではなく、例えば、太陽電池と発光ダイオード素子（ＬＥＤ）などのように金属接合の条件により半導体素子の効率が変わりうる構造、すなわち、金属接合の構造により発光部や受光部の有効面積を増大して素子の効率が変わりうる構造にいずれも適用可能である。
さらに、本発明は、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に一定の配列を有する１以上の電極パターン溝を形成可能なエッチング装備と、（ｂ）前記形成された溝にインクジェットを介して導電性物質を充填して電極を形成可能なインクジェット装備と、が１つのステージの上に取り付けられることにより、単一化した製造工程により埋立て型電極を製造可能なことを特徴とする光電子半導体素子の製造装置を提供する。
前記エッチング装備は、上述したように、レーザーであることが好ましい。このとき、レーザーは、高いエネルギーを発生するレーザーダイオードを用いるか、あるいは、外部のレーザー装置において光ファイバなどの光導波路を用いてヘッドのサイズを低減可能になる。前記インクジェット装備にも特に制限がないが、噴射ノズルを有するインクジェットプリンターであることが好ましい。
上記に掲げた光電子半導体素子、好ましくは、太陽電池を製造する方法の実施形態は、単なる好適な製造例に過ぎず、これにより本発明が制限されることはない。
１１ 太陽電池上部電極
１２ 反射防止膜（ＡＲコート層）
１３ ｎ−型半導体
１４ ｐ−型半導体
１５ 背面接触電極
２１ ｎ−型半導体
２２ 重ドープされたｎ−型半導体
２３ａ インクジェットにより形成された上部接触電極
２３ｂ スキージー法によって形成されて突き出された上部接触電極
２４ ｐ−型半導体
２５ 背面接触電極
１２ 反射防止膜（ＡＲコート層）
１３ ｎ−型半導体
１４ ｐ−型半導体
１５ 背面接触電極
２１ ｎ−型半導体
２２ 重ドープされたｎ−型半導体
２３ａ インクジェットにより形成された上部接触電極
２３ｂ スキージー法によって形成されて突き出された上部接触電極
２４ ｐ−型半導体
２５ 背面接触電極
Claims (20)
- （ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの少なくとも一方の面を深さ方向にエッチング処理して、一定の配列を有する連続的、非連続的またはこれらの混合状の電極パターン溝を複数形成するステップと、
（ｂ）前記形成された溝に導電性透明粒子が含まれた導電性インクジェットを介して充填した後、熱処理して埋立て型透明電極を形成するステップと、
を含むp−n接合ダイオードを具備する光電子半導体素子の製造方法。 - 前記エッチング工程はレーザーによるものである請求項１に記載の製造方法。
- 前記電極は、１つのステージの上に、（ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に一定の配列を有する１以上の電極パターン溝を形成可能なレーザー装備と、（ｂ）前記形成された溝に導電性透明粒子が含まれた導電性インキを充填して電極パターンを形成可能なインクジェット装備が装着された光電子半導体素子の製造装置と、を用いて単一化した製造工程により製造することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記導電性透明粒子は、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｄｏｐｅｄ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯｘ及びＴｉＯ２よりなる群から選ばれた１種以上の導電性透明酸化物である請求項１に記載の製造方法。
- 前記導電性インキは、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｂ、Ｐｄ及びＰｔよりなる群から選ばれた１種以上の金属をさらに含むものである請求項１に記載の製造方法。
- 前記導電性インキは、Ｖ族及びＶＩ族よりなる群から選ばれた１種以上のｎ型成分をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記製造方法は、ｎ型成分を含む導電性インキを用いてｎ＋＋層と埋立て型電極を同時に形成可能であることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
- 前記電極パターン溝の形成されるｐ−ｎ接合ダイオード面は、光入射面である請求項１に記載の製造方法。
- 前記電極パターン溝の幅は１μｍ以上であり、深さは溝の幅よりも大である請求項１に記載の製造方法。
- （ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードと、
（ｂ）前記ｐ−ｎ接合ダイオードの光入射面の一部をエッチングしてなる一定の配列を有する複数の凹部(recess)内に位置する埋込み電極と、
を備える光電子半導体素子であって、前記電極は、入射する光を投光する導電性透明酸化物から形成された透明電極であることを特徴とする光電子半導体素子。 - 前記透明電極は、入射する光を投光して電極遮蔽損失低減による光電変換効率の増大を図ることを特徴とする請求項１０に記載の光電子半導体素子。
- 前記ｐ−ｎ接合ダイオード（ａ）は、凹部の形成前に、光入射面の上に反射防止膜（ＡＲ）が形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の光電子半導体素子。
- 前記ｐ−ｎ接合ダイオードは、第１の導電型半導体層、ｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層が順次に形成されたものである請求項１０に記載の光電子半導体素子。
- 前記第１の導電型半導体層は、第１の導電型基板であり、第１の導電型基板の上にｐ−ｎ接合層及び第２の導電型半導体層が形成されたものである請求項１３に記載の光電子半導体素子。
- 前記電極は、連続的、非連続的またはこれらの混合形態を有するものである請求項１０に記載の光電子半導体素子。
- 前記埋込み電極の形成された最終的な光電子半導体素子の光入射面の一部または全部に、導電性透明酸化物層、反射防止膜、パッシベーション層(passivation layer)及びテクスチャーリング(texturing)よりなる群から選ばれた１種以上が形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光電子半導体素子。
- 前記透明電極は、Ｖ族及びＶＩ族よりなる群から選ばれた１種以上のｎ型成分をさらに含むものである請求項１０に記載の光電子半導体素子。
- 前記光電子半導体素子は、太陽電池または発光ダイオード素子である請求項１０に記載の素子。
- （ａ）ｐ−ｎ接合ダイオードの一方の面または両面の上に一定の配列を有する１以上の電極パターン溝を形成可能なエッチング装備と、
（ｂ）前記形成された溝にインクジェットを介して導電性物質を充填して電極を形成可能なインクジェット装備と、
が１つのステージの上に取り付けられることにより、単一化した製造工程により埋立て型電極を製造可能であることを特徴とする光電子半導体素子の製造装置。 - 前記エッチング装備はレーザーであり、インクジェット装備はインクジェットプリンターである請求項１９に記載の製造装置。
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