JP2632736B2 - 薄膜半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、導電性を有する基板の上に、シリコン系
半導体材料による薄膜を堆積させた薄膜半導体装置に関
し、特に、太陽電池等に利用される装置に関する。

［従来の技術］ 金属基板上に非晶質または微結晶のシリコン系半導体
材料による薄膜を堆積させた半導体装置は、太陽電池等
に適用される。このような太陽電池には、アモルファス
・シリコン太陽電池が含まれている。これは、加工性、
量産性および低コスト等の点で最も期待されている太陽
電池の一つである。

このような太陽電池では、従来第３図に示すように、
金属基板31上にｎ型半導体層33,i型半導体層34およびｐ
型半導体層35を順次堆積させた後に、その上に透明導電
膜36を堆積させたｐ層側光入射構造が多く採用されてい
る。

一方、金属基板上にｐ型、ｉ型およびｎ型の半導体膜
を順次積層させたｎ層側光入射構造の太陽電池も従来存
在するが、これが使用される場合は少ない。この理由
は、ｐ層側光入射構造の方が電子よりも移動度が小さく
再結合中心による捕獲断面積が大きい正孔の、走行距離
を短くでき、ｎ層側光入射構造よりも高効率、高信頼な
太陽電池を得ることができるからである。

さらに、ｐ層側光入射構造の太陽電池において、nip
接合を二層ないし三層積層させた積層型太陽電池も数多
く検討されている。第４図に、nip接合を三層積層させ
た太陽電池を示す。この太陽電池では、金属基板１の上
に、ｎ型非晶質水素化シリコン（ｎ型ａ−Si:H）層３、
ｉ型非晶質水素化シリコンゲルマニウム（ｉ型ａ−SiG
e:H）層７およびｐ型非晶質水素化シリコン（ｐ型ａ−S
i:H）層８が順次堆積され、その上にｎ型微結晶シリコ
ン（ｎ型μｃ−Si:H）層９、ｉ型非晶質水素化シリコン
（ｉ型ａ−Si:H）層10およびｐ型ａ−Si:H層11が順次堆
積され、さらにその上にｎ型μｃ−Si:H層12、ｉ型ａ−
Si:H層13およびｐ型ａ−SiC:H層14が順次堆積され、最
後に透明導電膜６が堆積されている。このような積層型
太陽電池では光の波長分布を考慮した光の有効利用およ
びｉ層膜厚の低減を図ることができることから、高効率
化および高信頼化に有力な素子構造を形成することがで
きる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、金属基板上に形成する従来のｐ層側光
入射構造太陽電池では、半導体膜が金属基板から剥離し
やすいという欠点があった。特に、金属基板としてよく
司郎されるステンレス基板で、このような剥離が発生す
るため、大きな問題となっていた。また、ｉ型層として
非晶質水素化シリコンゲルマニウム（ａ−SiGe:H）を用
いた場合には、非晶質水素化シリコン（ａ−Si:H）ある
いは、非晶質水素化シリコンカーボン（ａ−SiC:H）を
ｉ型層として用いた場合に比べ、膜中の応力の違いによ
りこのような剥離の発生頻度が高まる。ステンレス基板
などの金属基板上にnipnipあるいはnipnipnip接合を形
成する積層型太陽電池の最下部ｉ層には、長波長光感度
向上ためにａ−SiGe:Hを用いる場合があるが、上述した
ように、剥離の発生頻度が高まるので、太陽電池の安定
化の上で問題となっていた。

また、金属基板以外で、ガラスなどの絶縁性透光基
板、アルミナなどの絶縁性非透光基板あるいは絶縁性透
光板に透明導電膜を堆積した基板を用いた場合において
も、その上にｎ型あるいはｉ型の非晶質、微結晶または
多結晶のシリコン系半導体を堆積し、さらに半導体膜を
堆積した薄膜太陽電池およびその他の薄膜半導体装置で
は、基板から半導体膜の剥離が起こる場合が多く、薄膜
半導体装置の安定化に関し問題があった。

それゆえに、この発明の目的は、上述したような金属
基板または絶縁性の基板に透明導電膜を堆積した基板の
上に、非晶質、微結晶または多結晶のシリコン系半導体
を堆積して形成される薄膜半導体装置において、基板か
ら半導体膜が剥離しないような薄膜半導体装置を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、導電性を有する基板と、基板の上に堆積
されるシリコン系半導体材料による複数の層とを備える
薄膜半導体装置において、該複数の層が、基板に密着す
るｐ型シリコン系半導体材料による層と、ｐ型シリコン
系半導体材料による層上に形成され、ｐ型シリコン系半
導体材料による層とオーム性接触となるｎ型シリコン系
半導体材料による層と、ｎ型シリコン系半導体材料によ
る層上に形成されるｉ型シリコン系半導体材料による層
と、ｉ型シリコン系半導体材料による層上に形成される
ｐ型シリコン半導体材料による層とを備える薄膜半導体
装置である。

この発明に従う導電性を有する基板として、たとえ
ば、金属基板、絶縁性透光基板に透明導電膜を堆積した
もの、絶縁性非透光基板に透明導電膜を堆積したものお
よび絶縁性透光板に透明導電膜を堆積した基板等を用い
ることができる。

また、この発明に従うシリコン系半導体として非晶
質、微結晶または多結晶のものを用いることにより、発
明の目的をより効果的に達成することができる。

［作用］ この発明では、導電性を有する基板の上に、まずｐ型
シリコン系半導体材料による第１の層が堆積され、その
上にシリコン系半導体材料による層がさらに堆積されて
いる。ｐ型シリコン系半導体材料により第１の層と導電
性を有する基板との密着性は高く、基板と半導体材料と
の間の剥離は抑止される。このように密着性が高まる原
因は、必ずしも明確になっていないが、ｐ型膜が硼素原
子を添加されていること、膜中の水素含有量が少ないこ
とおよびエッチングされにくい性質を有することなどが
関係していると考えられる。

またこの発明は、ｐ型シリコン系半導体材料による第
１の層の上に、ｎ型シリコン系半導体材料による第２の
層が堆積され、かつ、第１と層と第２の層とはオーム性
接触となっている。このようにオーム性接触となること
で、第１の層と第２の層との間の整流性はなくなり、導
電性を有する基板と半導体材料による層の関係は、導電
性を有する基板の上に直接ｎ型シリコン系半導体材料を
堆積させた場合と実質的に変わらなくなる。その上で、
上述したように密着性が高まり、剥離が防止される。

また、オーム性接触とすることで、たとえば、太陽電
池の場合、導電性を有する基板の上にｐ型をまず堆積し
ても、その上にｎ型、ｉ型およびｐ型を順次堆積してい
き、ｐ層側光入射構造とすることができ、高効率、高信
頼なものにすることができる。

［実施例］ （実施例１） 第１図に、この発明に従う実施例１の薄膜半導体装置
を示す。第１図に示されるように、この薄膜半導体装置
は、ステンレスなどの金属基板１上に、約100Åのｐ型
ａ−Si:H層２、約1000Åのｎ型ａ−Si:H層３、約3000Å
のｉ型ａ−SiGe:H層４および約100Åのｐ型ａ−SiC:H層
５が順次堆積され、さらにその上に透明導電膜６が堆積
されている。

上記薄膜半導体装置において、半導体膜はアモルファ
ス太陽電池等の製造に用いられる一般的な装置によって
形成された。形成の際のモノシランガス（SiH₄）および
不純物ガス等の流量、チャンバー内の圧力、高周波の条
件ならびに基板温度は第１表に示すとおりであった。

このようにして形成された、第１図に示される薄膜半
導体装置において、ｐ型ａ−Si:H層２と、ｎ型ａ−Si:H
3層との間はオーム性接触となっていた。第１表に示す
ように、ｐ型ａ−Si:H層２については、ドーピングガス
B₂H₆のSiH₄に対する濃度は６％とされており、ｎ型ａ−
Si:H層３については、ドーピングガスPH₃のSiH₄に対す
る濃度は0.3％とされている。このようにドーピングガ
スの濃度が高いと、ｐ型ａ−Si:Hにおける正孔とｎ型ａ
−Si:Hにおける電子とが積層界面において容易に再結合
し導電性が付与され、ｐ型ａ−Si:H層とｎ型ａ−Si:H層
との間にオーム性接触が実現される。また、第１図に示
される薄膜半導体装置では、形成直後および形成後数か
月を経ても上述したような剥離は認められなかった。

一方、照射として同じステンレスなどの金属基板上
に、ｎ型ａ−Si:H、ｉ型ａ−SiGe:Hおよびｐ型ａ−Si:H
層を第１表と同じ条件で順次堆積した後、透明導電膜を
その上に堆積させた薄膜半導体装置を形成した。この薄
膜半導体装置では、形成直後に基板全面に渡る剥離が発
生するものや、形成後徐々に剥離が発生し、数日後ほと
んど剥離するものが認められた。

なお、この発明に従って形成された第１図に示す薄膜
半導体装置および対照として形成された薄膜半導体装置
は、太陽電池として機能し、それらの能力は同等であっ
た。

さらにこの発明に従うｐ型シリコン系半導体材料とし
て、微結晶シリコン（μｃ−Si:H）あるいは微結晶シリ
コンカーボンを用いることができる。

（実施例２） 第２図に、この発明に従う実施例２の薄膜半導体装置
を示す。第２図に示されるように、この薄膜半導体装置
は、ステンレスなどの金属基板１の上に約100Åのｐ型
ａ−Si:H層２が堆積され、その上にnip接合が３個堆積
されている。すなわち、ｐ型ａ−Si:H層２の上に、約10
00Åのｎ型ａ−Si:H層３、約2500Åのｉ型ａ−SiGe:H層
７および約50Åのｐ型ａ−Si:H層８が堆積され、さらに
その上に約50Åのｎ型μｃ−Si:H層９、約3000Åのｉ型
ａ−Si:H層10および約50Åのｐ型ａ−Si:H層11が堆積さ
れ、さらに約50Åのｎ型μｃ−Si:H層12、約400Åのｉ
型ａ−Si:H層13および、約100Åのｐ型ａ−Si:H層14が
堆積され、最後に透明導電膜６が堆積されている。

このような薄膜半導体装置において、半導体膜は、実
施例１と同じ装置を用いて形成され、その形成条件は、
ｐ型ａ−Si:H層２、８および11、ｎ型ａ−Si:H層３、ｉ
型ａ−SiGe:H層７ならびにｐ型ａ−SiC:H層14について
実施例１と同じであり、ｉ型ａ−Si:H層10および13なら
びにｎ型μｃ−Si:H層９および12については、第２表に
示すとおりであった。

このようにして形成された薄膜半導体装置は、実施例
１と同様剥離が発生しなかった。一方、対照としてｐ型
層を最初に堆積することなく、基板の上にそのままnip
接合を上記と同じ条件で３個堆積させ、その上に透明導
電膜を積んだものを形成したが、これには剥離が発生し
た。

実施例において、基板上に堆積される半導体層の厚み
およびその形成条件を具体的に示したが、これらは目的
に応じて当然変えることができる。なお、その際に基板
の上に形成されるｐ型半導体層とその上に形成されるｎ
型半導体層とがオーム性接触となるよう留意しなければ
ならない。

また、実施例において、この発明に従う導電性を有す
る基板として、ステンレスなどの金属基板を用いたが、
その代わりにガラスなどの絶縁性透光基板に透明導電膜
を堆積させたもの、アルミナなどの絶縁性非透光基板に
透明導電膜を堆積したものおよびその他の絶縁性透光板
に透明導電膜を堆積した基板などを用いても同様の効果
を奏することができる。

また、実施例において得られた薄膜半導体装置は特に
太陽電池として有用なものである。しかし、この発明に
従って得られるっ薄膜半導体装置は、特に太陽電池に限
定されるものではなく、たとえば、イメージセンサなど
においても剥離が防止されたものとして十分効果を発揮
するものである。

［従来の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、導電性を有
する基板上にｐ型シリコン系半導体材料による層を形成
し、その上に複数の半導体材料による層を堆積していく
ことで、基板からの半導体層の剥離が防止される。した
がって、この発明に従って得られる薄膜半導体装置を太
陽電池やイメージセンサなどに使用すれば、長期に渡っ
て安定した特性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に従う実施例１の薄膜半導体装置を
示す断面図である。 第２図は、この発明に従う実施例２の薄膜半導体装置を
示す断面図である。 第３図は、従来の薄膜半導体装置の一例を示す断面図で
ある。 第４図は、従来の薄膜半導体装置のもうひとつの例を示
す断面図である。 の例を示す断面図である。 図において、１および31は金属基板、２はｐ型ａ−Si:H
層、３はｎ型ａ−Si:H層、４はｉ型ａ−SiGe:H層、５は
ｐ型ａ−SiC:H層、６および36は透明導電膜、７はｉ型
ａ−SiGe:H層、８はｐ型ａ−Si:H層、９はｎ型μｃ−S
i:H層、10はｉ型ａ−Si:H層、11はｐ型ａ−Si:H層、12
はｎ型μｃ−Si:H層、13はｉ型ａ−Si:H層、14はｐ型ａ
−SiC:H層、33はｎ型半導体層、34はｉ型半導体層、35
はｐ型半導体層を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性を有する基板と、前記基板の上に堆
   積されるシリコン系半導体材料による複数の層とを備え
   る薄膜半導体装置において、 前記複数の層が、 前記基板に密着する、ｐ型シリコン系半導体材料による
   層と、 前記ｐ型シリコン系半導体材料による層上に形成され、
   前記ｐ型シリコン系半導体材料による層とオーム性接触
   となるｎ型シリコン系半導体材料による層と、 前記ｎ型シリコン系半導体材料による層上に形成され
   る、ｉ型シリコン系半導体材料による層と、 前記ｉ型シリコン系半導体材料による層上に形成され
   る、ｐ型シリコン半導体材料による層とを備える、薄膜
   半導体装置。