JP2010199524A - Method of manufacturing semiconductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体製造方法に関し、特にガラス上に形成された高効率薄膜シリコン(Si)系太陽電池を実現するための半導体製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor manufacturing method, and more particularly to a semiconductor manufacturing method for realizing a high-efficiency thin-film silicon (Si) solar cell formed on glass.
近時では、ガラス上の高効率Si系薄膜太陽電池が注目されている。現在のガラス上の薄膜Si系太陽電池は、非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Si系材料が主流となっている。 Recently, high-efficiency Si-based thin-film solar cells on glass have attracted attention. Current thin-film Si-based solar cells on glass are mainly thin-film Si-based materials made of amorphous or microcrystals.
しかし、非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Si系太陽電池は変換効率が低いという問題点があった。 However, a thin film Si solar cell made of amorphous or microcrystal has a problem that conversion efficiency is low.
ガラス上の薄膜Si系太陽電池、特に非晶質あるいは微結晶からなる薄膜Si系太陽電池は、バルク単結晶Si太陽電池あるいはバルク多結晶Si太陽電池に比較して変換効率が悪い。これは、非晶質Siあるいは微結晶Siの結晶品質が単結晶Siやバルク多結晶Siに比較して劣っていることに起因する。 Thin-film Si-based solar cells on glass, particularly thin-film Si-based solar cells made of amorphous or microcrystals, have a lower conversion efficiency than bulk single-crystal Si solar cells or bulk polycrystalline Si solar cells. This is because the crystal quality of amorphous Si or microcrystalline Si is inferior to that of single crystal Si or bulk polycrystalline Si.
従って、ガラス上に高品質の多結晶Siを形成することができれば、ガラス上の薄膜Si系太陽電池の変換効率に大きなブレークスルーをもたらすと期待される。 Therefore, if high-quality polycrystalline Si can be formed on glass, it is expected to bring about a great breakthrough in the conversion efficiency of thin-film Si-based solar cells on glass.
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、ガラス基板上に高効率薄膜Si系太陽電池を形成するために、薄膜Siでありながら、大粒径を有する多結晶Si薄膜を形成するための半導体製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in order to form a high-efficiency thin-film Si-based solar cell on a glass substrate, a polycrystalline Si thin film having a large particle diameter is formed while being a thin film Si. An object of the present invention is to provide a semiconductor manufacturing method.
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。 As a result of intensive studies, the present inventor has conceived the following aspects of the invention.
半導体励起(ダイオード励起)された固体連続波レーザーを利用して(110)と(111)に配向制御した大粒径多結晶Si薄膜を形成し、このSi膜を種(シード)結晶として多結晶Si層を直接成長する。最後に、本薄膜に対して、Si層が溶融しない条件でエネルギービームを再度照射して、Siの固相成長を行う。 A large-grain polycrystalline Si thin film whose orientation is controlled to (110) and (111) is formed by using a semiconductor-excited (diode-excited) solid-state continuous wave laser, and this Si film is used as a seed crystal. The Si layer is grown directly. Finally, this thin film is irradiated with an energy beam again under the condition that the Si layer does not melt, and solid phase growth of Si is performed.
本発明によれば、ガラス上に大粒径の多結晶Siを形成することが可能になり、現在実用化されている非晶質Siや微結晶Siからなる薄膜Si系太陽電池よりも高効率の薄膜Si系太陽電池をガラス上に安価に実現することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to form polycrystalline Si having a large particle size on glass, and it is more efficient than a thin-film Si-based solar cell made of amorphous Si or microcrystalline Si that is currently in practical use. This thin film Si-based solar cell can be realized on glass at low cost.
本発明により、ガラス基板上に高い変換効率を有する薄膜Si系太陽電池を安価に実現するための半導体製造方法が提案される。 The present invention proposes a semiconductor manufacturing method for realizing a thin film Si solar cell having high conversion efficiency on a glass substrate at a low cost.
以下、本発明の具体的な実施形態について詳述する。本実施例では、半導体励起(ダイオード励起)された固体連続波レーザーとして、Nd:YVO4の第2高調波である波長532nmを利用して(110)と(111)に配向制御した大粒径多結晶Si薄膜を形成し、本Si膜の表面を水素終端して表面を安定化させたのち、該Si薄膜を種(シード)結晶として、プラズマCVDにて多結晶Si層を直接成長する。さらに、本多結晶Si薄膜に対して、上記と同一の半導体励起(ダイオード励起)固体連続波レーザーを利用してレーザー固相成長を実現した。Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. In this example, a large particle size whose orientation is controlled to (110) and (111) using a wavelength of 532 nm, which is the second harmonic of Nd: YVO 4 , as a solid-state continuous wave laser pumped by a semiconductor (diode pump). After forming a polycrystalline Si thin film and stabilizing the surface by terminating the surface of the Si film with hydrogen, a polycrystalline Si layer is directly grown by plasma CVD using the Si thin film as a seed crystal. Furthermore, laser solid phase growth was realized for this polycrystalline Si thin film by using the same semiconductor excitation (diode excitation) solid-state continuous wave laser as described above.
図1は、本実施形態によって形成された薄膜Si系太陽電池の概略構造図である。 FIG. 1 is a schematic structural diagram of a thin film Si-based solar cell formed according to this embodiment.
図2〜図4は、Si薄膜の製造方法を工程順に示す概略模式図である。
先ず、図2(a)に示すように、ガラス基板上1にプラズマCVDにより不純物をドーピングした非晶質Si薄膜2を200nm成長する。該非晶質Si薄膜は、シランガスとドーピングガスを混合させることにより形成される。2 to 4 are schematic schematic views showing a method for producing a Si thin film in the order of steps.
First, as shown in FIG. 2A, an amorphous Si thin film 2 doped with impurities by plasma CVD is grown on a glass substrate 1 by 200 nm. The amorphous Si thin film is formed by mixing silane gas and doping gas.
続いて、図2(b)に示すように、波長532nmを有する半導体励起固体CWレーザー(Nd:YVO4,波長532nm)を利用し、パワー4.0ワットに設定し、レーザースキャン速度40cm/sでスキャンすることにより、(110)あるいは(111)に配向制御された低抵抗の大粒径多結晶Si層3を形成する。この時の結晶粒径は3μmx20μmである。Subsequently, as shown in FIG. 2B, a semiconductor-excited solid CW laser (Nd: YVO 4 , wavelength 532 nm) having a wavelength of 532 nm is used, the power is set to 4.0 watts, and the laser scanning speed is 40 cm / s. The low resistance large grain polycrystalline Si layer 3 whose orientation is controlled to (110) or (111) is formed by scanning with (1). The crystal grain size at this time is 3 μm × 20 μm.
発明者が行った過去の研究によると、Si層の厚さが薄くなると、結晶粒は(110)や(111)方向に配向することが知られている。 According to past studies conducted by the inventors, it is known that when the thickness of the Si layer is reduced, the crystal grains are oriented in the (110) and (111) directions.
引き続いて、(110)あるいは(111)表面をウェット処理により水素終端化したSi層4(図3(a))を形成する。(110)面や(111)面は水素により綺麗に終端化が可能な面であることが知られている。これにより、次に続くシード層を利用したPECVDによるエピ成長を安定化し、再現性よく行うことができる。 Subsequently, the Si layer 4 (FIG. 3A) in which the (110) or (111) surface is hydrogen-terminated by wet processing is formed. It is known that the (110) plane and the (111) plane are surfaces that can be neatly terminated with hydrogen. Thereby, the epitaxial growth by PECVD using the following seed layer can be stabilized and performed with good reproducibility.
引き続いて、PECVDを利用して、水素希釈条件(SiH4:H2=5:95)で2μmのシリコン層5を350℃にてエピ成長させる(図3(b))。本シリコン薄膜層は不純物をドープせずにイントリック層とした。なお、水素希釈量は本実施例に限定されたものではなく、シランガスと水素ガスの混合ガスであり、水素ガス量がシランガス量よりも多ければ良い。Subsequently, by using PECVD, the 2 μm silicon layer 5 is epitaxially grown at 350 ° C. under hydrogen dilution conditions (SiH 4 : H 2 = 5: 95) (FIG. 3B). This silicon thin film layer was an intric layer without doping impurities. The hydrogen dilution amount is not limited to the present embodiment, but is a mixed gas of silane gas and hydrogen gas as long as the hydrogen gas amount is larger than the silane gas amount.
引き続いて、上記成長したSi薄膜上に真空を破らずに、好ましくはイントリンシックSi層を形成したチャンバーと異なるチャンバーを利用して、不純物がドーピングされたSi層6を200nm成長する(図4)。本工程でドーピングする不純物は、種(シード)結晶層にドーピングされた不純物と異なるタイプの不純物をドーピングする。ここで、異なるタイプの不純物とは、種(シード)結晶がn型でれば本薄膜層はp型、逆に、種(シード)結晶層がp型であれば本薄膜層はn型とする。 Subsequently, without breaking the vacuum on the grown Si thin film, an Si layer 6 doped with impurities is grown to 200 nm preferably using a chamber different from the chamber in which the intrinsic Si layer is formed (FIG. 4). . The impurity doped in this step is doped with a different type of impurity from the impurity doped in the seed (seed) crystal layer. Here, different types of impurities mean that if the seed crystal is n-type, the thin film layer is p-type. Conversely, if the seed crystal layer is p-type, the thin film layer is n-type. To do.
引き続いて、上記成長が終了した薄膜Si層に対して、Si層が溶融しないように設定した低いパワーでレーザー照射を行いSi薄膜(図5)を完成させる。本実施例では、2.0Wのレーザーパワーを利用し、レーザースキャン速度40cm/sでスキャンすることによりSi固相成長を実現した。ここで形成されたSi層55、66層は、レーザー照射による固相成長が行われるため、レーザー照射前のSi層5,6より、良質の結晶が形成される。 Subsequently, the thin film Si layer after the growth is irradiated with laser at a low power set so that the Si layer is not melted to complete the Si thin film (FIG. 5). In this example, Si solid phase growth was realized by using a laser power of 2.0 W and scanning at a laser scanning speed of 40 cm / s. Since the Si layers 55 and 66 formed here are subjected to solid phase growth by laser irradiation, higher quality crystals are formed than the Si layers 5 and 6 before laser irradiation.
最終的な形態を図1に示す。ガラス上に太陽電池用の大粒径の多結晶Siを形成することができる。 The final form is shown in FIG. Polycrystalline Si having a large particle size for solar cells can be formed on glass.
本実施例では、レーザーを利用した固相成長の前に、水素だしの熱処理を450℃60分を行っている。 In this embodiment, hydrogen treatment is performed at 450 ° C. for 60 minutes before solid phase growth using a laser.
また、レーザーを利用した固相成長後に、水素化処理400℃60分を行っている。 Further, after solid phase growth using a laser, hydrogenation treatment is performed at 400 ° C. for 60 minutes.
1 ガラス基板
2 不純物をドープされた非晶質Si薄膜
3 レーザー結晶化による(110)あるいは(111)配向の大粒径シリコン多結晶薄膜
4 水素終端化された多結晶Si薄膜
5 シリコン薄膜(イントリンシック層)
6 不純物をドープされた多結晶Si層
55 レーザー照射により固相成長されたイントリンシックSi層
66 レーザー照射により固相成長された不純物をドープされたSi層DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Impurity-doped amorphous Si thin film 3 (110) or (111) oriented large grain silicon polycrystalline thin film 4 by laser crystallization 4 Hydrogen-terminated polycrystalline Si thin film 5 Silicon thin film (in Trinsic layer)
6 Polycrystalline Si layer 55 doped with impurities Intrinsic Si layer 66 solid-phase grown by laser irradiation 66 Si layer doped with impurities solid-phase grown by laser irradiation
Claims (7)
その後、本薄膜に対してSi層が溶融しない条件でエネルギービームを照射してSiの固相成長を行うことを特徴とした太陽電池用半導体製造方法。Using a semiconductor-excited (diode-excited) solid-state continuous wave laser, a large grain polycrystalline silicon (Si) thin film whose orientation is controlled to (110) and (111) is formed on glass, and this Si film is used as a seed ( A polycrystalline Si layer is directly grown as a seed crystal.
Thereafter, Si thin-phase growth is performed by irradiating the thin film with an energy beam under a condition that the Si layer does not melt.
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