JP2706113B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光電変換素子に関し、特にその光電変換効率
を総体的に向上するための改良に関する。
を総体的に向上するための改良に関する。
［従来の技術］ 光電変換素子の効率向上の試みは様々な観点から成さ
れているが、ある意味では一種機械的ないし物理的な構
造上の工夫により、総体的に変換効率を改善するため、
特に結晶シリコン系太陽電池で採られている手法に、pn
接合構造等、基本的にその内部で光電変換を営む層状の
半導体光電変換部の表面それ自体を粗面にするというも
のがある。結晶のエッチング異方性を利用し、当該表面
に直接にピラミッド状とか波状の突起群を形成するので
ある。
れているが、ある意味では一種機械的ないし物理的な構
造上の工夫により、総体的に変換効率を改善するため、
特に結晶シリコン系太陽電池で採られている手法に、pn
接合構造等、基本的にその内部で光電変換を営む層状の
半導体光電変換部の表面それ自体を粗面にするというも
のがある。結晶のエッチング異方性を利用し、当該表面
に直接にピラミッド状とか波状の突起群を形成するので
ある。
このようにすると、凹凸がない場合には、例えば光電
変換部に垂直に入射してくる入射光はそのまま、層状光
電変換部中をその厚味方向に真直ぐ、最短距離で抜け切
ってしまうのに対し、光の進行方向が斜めになり、実質
的に層状光電変換部中を通過する光路長が長くなるの
で、入射光（もしくは入射面とは対向する面側で一旦反
射された反射光）のより多くの部分を光電変換に利用し
得るようになる。
変換部に垂直に入射してくる入射光はそのまま、層状光
電変換部中をその厚味方向に真直ぐ、最短距離で抜け切
ってしまうのに対し、光の進行方向が斜めになり、実質
的に層状光電変換部中を通過する光路長が長くなるの
で、入射光（もしくは入射面とは対向する面側で一旦反
射された反射光）のより多くの部分を光電変換に利用し
得るようになる。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、層状光電変換部の表面そのものを上記のよう
に直接にエッチング加工し、凹凸を形成するという手法
は、当然のことながら、そうした異方性エッチング特性
を有する結晶系にのみ、しかも（100）面にのみ、有効
な手段であって、結晶面指数が定まらない多結晶材料
や、結晶系であっても（111）面のように、そのような
異方性エッチング特性を呈さない面には適用できないと
いう本質的な欠点がある。
に直接にエッチング加工し、凹凸を形成するという手法
は、当然のことながら、そうした異方性エッチング特性
を有する結晶系にのみ、しかも（100）面にのみ、有効
な手段であって、結晶面指数が定まらない多結晶材料
や、結晶系であっても（111）面のように、そのような
異方性エッチング特性を呈さない面には適用できないと
いう本質的な欠点がある。
さらに、異方性エッチングによって形成されたピラミ
ッド状とか波状の突起の側面は、電気的に見るとキャリ
アの再結合速度が大きく、そのため、光学的には光電変
換効率が改善されるはずなのに電気的には却って損失を
増し、総体的に見ると変換効率改善効果が十分とは認め
られない場合も多かった。
ッド状とか波状の突起の側面は、電気的に見るとキャリ
アの再結合速度が大きく、そのため、光学的には光電変
換効率が改善されるはずなのに電気的には却って損失を
増し、総体的に見ると変換効率改善効果が十分とは認め
られない場合も多かった。
このような欠点は、例えば特開昭61−93672号公報に
開示されているように、層状光電変換部の表面そのもの
を凹凸に形成するのではなく、まず透明導電膜の一表面
上に凹凸面を形成し、この凹凸面上に直接に、あるいは
介在膜を介して層状光電変換部を積層形成することによ
り、結果として当該光電変換部の表面を凹凸化するとい
う手法でも除くことはできない。
開示されているように、層状光電変換部の表面そのもの
を凹凸に形成するのではなく、まず透明導電膜の一表面
上に凹凸面を形成し、この凹凸面上に直接に、あるいは
介在膜を介して層状光電変換部を積層形成することによ
り、結果として当該光電変換部の表面を凹凸化するとい
う手法でも除くことはできない。
そればかりか、当該公報中にも記載されているよう
に、透明導電膜の方に凹凸面を形成し、その上に光電変
換部を構成する半導体層を積層形成すると、当該透明導
電膜の鋭い凸部が深く光電変換部内に食い込み、例えば
光電変換部がpin構造となっている場合に凸部がｐ層を
越えてｉ層にまで達する等して電気的な短絡を生じた
り、透明導電膜を構成するSn,O等が光電変換部内に侵入
して特性の劣化を招き易い。同じく同公報中に開示され
ているように、透明導電膜と光電変換部の間に介在膜を
挟み込むことにより、透明導電膜の凸部の尖端の鋭さを
例え鈍らせたにしても、当該介在膜の膜厚は極めて不均
一になり易く、上記の欠点は程度において改善されるこ
とはあるにしろ、根本的に解決されることはない。
に、透明導電膜の方に凹凸面を形成し、その上に光電変
換部を構成する半導体層を積層形成すると、当該透明導
電膜の鋭い凸部が深く光電変換部内に食い込み、例えば
光電変換部がpin構造となっている場合に凸部がｐ層を
越えてｉ層にまで達する等して電気的な短絡を生じた
り、透明導電膜を構成するSn,O等が光電変換部内に侵入
して特性の劣化を招き易い。同じく同公報中に開示され
ているように、透明導電膜と光電変換部の間に介在膜を
挟み込むことにより、透明導電膜の凸部の尖端の鋭さを
例え鈍らせたにしても、当該介在膜の膜厚は極めて不均
一になり易く、上記の欠点は程度において改善されるこ
とはあるにしろ、根本的に解決されることはない。
本発明はこのような実情に鑑み、基本的に光電変換を
司どるpn接合やヘテロ接合等々、種々の層状光電変換部
の種類や材質、内部構造、変換メカニズムのいかんによ
らず、当該層状光電変換部中を通過する入射光または反
射光の光路長を実質的に長くすることがてき、しかも、
電気的にも特性の劣化を招かないか、その程度を極力抑
え得る、新規なる構造の光電変換素子構造を提供せんと
するものである。
司どるpn接合やヘテロ接合等々、種々の層状光電変換部
の種類や材質、内部構造、変換メカニズムのいかんによ
らず、当該層状光電変換部中を通過する入射光または反
射光の光路長を実質的に長くすることがてき、しかも、
電気的にも特性の劣化を招かないか、その程度を極力抑
え得る、新規なる構造の光電変換素子構造を提供せんと
するものである。
［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、光の入射によりそ
の内部で光電変換機能を営む層状の半導体光電変換部を
有する光電変換素子として、下記の構成要件群（ａ）〜
（ｅ）を有する光電変換素子を提案する。
の内部で光電変換機能を営む層状の半導体光電変換部を
有する光電変換素子として、下記の構成要件群（ａ）〜
（ｅ）を有する光電変換素子を提案する。
（ａ）第一の導電型を有する半導体層． （ｂ）当該半導体層の互いに対向する一対の表面の中、
光入射側の表面上に成膜され、酸化シリコン膜または窒
化シリコン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シ
リコンの積層構造を含んで成り、一部に透孔が開けられ
た光透過性の保護層． （ｃ）この保護層の上に成膜され、当該保護層に接する
側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、保護層
に接する側の表面に対向する表面にのみ意図的に凹凸が
形成され、保護層に開けられた上記の透孔内にも侵入す
る導電性で光透過性の表面凹凸層． （ｄ）上記の半導体層の光入射側の表面にあって上記透
孔の下に位置する部分に設けられ、当該半導体層と整流
性の接合を形成し、上記透孔内に侵入した表面凹凸層に
接する不純物領域． （ｅ）半導体層と保護層との界面に形成される第二の導
電型の反転層． 本発明ではまた、上記構成要件（ａ）〜（ｅ）を有す
る光電変換素子に代えて、下記構成要件群（ｆ）〜
（ｋ）を有して成る光電変換素子も提案する。
光入射側の表面上に成膜され、酸化シリコン膜または窒
化シリコン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シ
リコンの積層構造を含んで成り、一部に透孔が開けられ
た光透過性の保護層． （ｃ）この保護層の上に成膜され、当該保護層に接する
側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、保護層
に接する側の表面に対向する表面にのみ意図的に凹凸が
形成され、保護層に開けられた上記の透孔内にも侵入す
る導電性で光透過性の表面凹凸層． （ｄ）上記の半導体層の光入射側の表面にあって上記透
孔の下に位置する部分に設けられ、当該半導体層と整流
性の接合を形成し、上記透孔内に侵入した表面凹凸層に
接する不純物領域． （ｅ）半導体層と保護層との界面に形成される第二の導
電型の反転層． 本発明ではまた、上記構成要件（ａ）〜（ｅ）を有す
る光電変換素子に代えて、下記構成要件群（ｆ）〜
（ｋ）を有して成る光電変換素子も提案する。
（ｆ）第一の導電型を有する半導体層． （ｇ）当該半導体層の互いに対向する一対の表面の中、
光入射側の表面上に成膜され、酸化シリコン膜または窒
化シリコン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シ
リコンの積層構造を含んで成り、一部に透孔が開けられ
た光透過性の保護層． （ｈ）この保護層の上に成膜され、当該保護層に接する
側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、保護層
に接する側の表面に対向する表面にのみ意図的に凹凸が
形成され、保護層に開けられた上記の透孔と整合する透
孔を有する光透過性の表面凹凸層． （ｉ）これら整合した透孔内に充填された電極形成材
料． （ｊ）上記の半導体層の光入射側の表面にあって上記整
合した透孔の下に位置する部分に設けられ、当該半導体
層と整流性の接合を形成し、上記電極形成材料に接する
不純物領域． （ｋ）半導体層と保護層との界面に形成される第二の導
電型の反転層． ［作用］ 本発明において「層状」とは、薄膜のみではなく、後
述の実施例からも明らかなようにウェファレベルでの
「層状」も含まれるが、まず上記の表面凹凸層は、例え
入射光が層状光電変換部の入射面に対し、垂直方向から
照射されても、その進行方向を様々な方向にばらつかせ
てから層状光電変換部に入射させることができ、従って
このような表面凹凸層がなく、層状光電変換部に垂直に
入射してきた入射光が当該層状光電変換部中をその厚み
方向に沿い、ただ単に最短距離で真直ぐ抜ける場合に比
し、実質的に層状光電変換部の通過に要する光路長を長
くすることができ、これをして素子としての総体的な変
換効率を高めるべく作用する。
光入射側の表面上に成膜され、酸化シリコン膜または窒
化シリコン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シ
リコンの積層構造を含んで成り、一部に透孔が開けられ
た光透過性の保護層． （ｈ）この保護層の上に成膜され、当該保護層に接する
側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、保護層
に接する側の表面に対向する表面にのみ意図的に凹凸が
形成され、保護層に開けられた上記の透孔と整合する透
孔を有する光透過性の表面凹凸層． （ｉ）これら整合した透孔内に充填された電極形成材
料． （ｊ）上記の半導体層の光入射側の表面にあって上記整
合した透孔の下に位置する部分に設けられ、当該半導体
層と整流性の接合を形成し、上記電極形成材料に接する
不純物領域． （ｋ）半導体層と保護層との界面に形成される第二の導
電型の反転層． ［作用］ 本発明において「層状」とは、薄膜のみではなく、後
述の実施例からも明らかなようにウェファレベルでの
「層状」も含まれるが、まず上記の表面凹凸層は、例え
入射光が層状光電変換部の入射面に対し、垂直方向から
照射されても、その進行方向を様々な方向にばらつかせ
てから層状光電変換部に入射させることができ、従って
このような表面凹凸層がなく、層状光電変換部に垂直に
入射してきた入射光が当該層状光電変換部中をその厚み
方向に沿い、ただ単に最短距離で真直ぐ抜ける場合に比
し、実質的に層状光電変換部の通過に要する光路長を長
くすることができ、これをして素子としての総体的な変
換効率を高めるべく作用する。
しかも、従来のように光電変換部の表面そのものを凹
凸化するか、既掲の従来公報中に開示のように、透明導
電膜に形成された凹凸面上に光電変換部を積層形成する
ことで光電変換部表面を凹凸化する場合に起こり得るよ
うな、特性劣化や電気的短絡の恐れは根本的に解決され
る。本発明における表面凹凸層の当該凹凸面は、保護層
側の面に形成されているのではなく、その対向面側にの
み意図的に形成されているので、光電変換部を構成する
半導体積層構造中に尖鋭な凸部が食い込んだり、保護層
の厚みにむらを生じたりすることがそもそもないからで
ある。
凸化するか、既掲の従来公報中に開示のように、透明導
電膜に形成された凹凸面上に光電変換部を積層形成する
ことで光電変換部表面を凹凸化する場合に起こり得るよ
うな、特性劣化や電気的短絡の恐れは根本的に解決され
る。本発明における表面凹凸層の当該凹凸面は、保護層
側の面に形成されているのではなく、その対向面側にの
み意図的に形成されているので、光電変換部を構成する
半導体積層構造中に尖鋭な凸部が食い込んだり、保護層
の厚みにむらを生じたりすることがそもそもないからで
ある。
さらに、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜である
か、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造を
含んで成る保護層は、それが成膜されている下地となっ
ている層状光電変換部に対してパッシベイション効果を
呈し、当該光電変換部の電気的特性を安定化したり、表
面再結合速度を小さくする作用を有し、また、層状光電
変換部と表面凹凸層を直接に接触させた場合には起こる
かも知れない光発生キャリアの流出、すなわち層状光電
変換部から表面凹凸層側へのキャリアの流出を防ぐこと
もできる。表面凹凸層を形成するときに、あらかじめ形
成されている層状光電変換部の表面が汚染されるのを防
ぐ働きもある。実際、このような無機材質の保護層を用
いることの効果は大きく、保護層と表面凹凸層とをセッ
トで用いず、保護層を省略し、表面凹凸層のみを用いた
だけでは、当該表面凹凸層を設けたことの効果が低減な
いし相殺されてしまう。
か、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造を
含んで成る保護層は、それが成膜されている下地となっ
ている層状光電変換部に対してパッシベイション効果を
呈し、当該光電変換部の電気的特性を安定化したり、表
面再結合速度を小さくする作用を有し、また、層状光電
変換部と表面凹凸層を直接に接触させた場合には起こる
かも知れない光発生キャリアの流出、すなわち層状光電
変換部から表面凹凸層側へのキャリアの流出を防ぐこと
もできる。表面凹凸層を形成するときに、あらかじめ形
成されている層状光電変換部の表面が汚染されるのを防
ぐ働きもある。実際、このような無機材質の保護層を用
いることの効果は大きく、保護層と表面凹凸層とをセッ
トで用いず、保護層を省略し、表面凹凸層のみを用いた
だけでは、当該表面凹凸層を設けたことの効果が低減な
いし相殺されてしまう。
なお、本発明の構造的限定要因の一つとなっている反
転層は、上述のように酸化シリコン膜または窒化シリコ
ン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの
積層構造を含んで成る保護層を介して層状光電変換部の
光入射面側の上に表面凹凸層を設ける結果、この保護層
内に蓄積される電荷とか、表面凹凸層内または当該表面
凹凸層と保護層の界面に蓄積される電荷、あるいはまた
表面凹凸層と層状光電変換部を構成する半導体層との仕
事関数の差等により誘起され、これにより、半導体層と
あいまって光電変換機能が営まれる。
転層は、上述のように酸化シリコン膜または窒化シリコ
ン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの
積層構造を含んで成る保護層を介して層状光電変換部の
光入射面側の上に表面凹凸層を設ける結果、この保護層
内に蓄積される電荷とか、表面凹凸層内または当該表面
凹凸層と保護層の界面に蓄積される電荷、あるいはまた
表面凹凸層と層状光電変換部を構成する半導体層との仕
事関数の差等により誘起され、これにより、半導体層と
あいまって光電変換機能が営まれる。
［実施例］ 第１図には本発明に従って構成された光電変換素子の
一実施例が断面構造で示されている。図示の場合、基本
的に光の入射により光電変換機能を営む層状光電変換部
10は、第一の導電型の第一半導体層11と、その表面領域
に電気的に誘起される第二の導電型の反転層14とを有
し、これらによって光電変換機能が営まれる。
一実施例が断面構造で示されている。図示の場合、基本
的に光の入射により光電変換機能を営む層状光電変換部
10は、第一の導電型の第一半導体層11と、その表面領域
に電気的に誘起される第二の導電型の反転層14とを有
し、これらによって光電変換機能が営まれる。
このような反転層14は、本発明に従い、層状光電変換
部10の光入射面側の上に、酸化シリコン膜または窒化シ
リコン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコ
ンの積層構造を含んで成る保護層30を介して表面凹凸層
40を設けることで、当該保護層30内に蓄積される電荷と
か、表面凹凸層40内または当該表面凹凸層40と保護層30
の界面に蓄積される電荷、あるいはまた表面凹凸層40と
層状光電変換部を構成する半導体層11との仕事関数の差
等により誘起される。なお、以下において単に「保護
層」と呼んだ場合にも、それは本発明により限定され
る、「酸化シリコン膜または窒化シリコン膜であるか、
あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造を含ん
で成る保護層」である。
部10の光入射面側の上に、酸化シリコン膜または窒化シ
リコン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコ
ンの積層構造を含んで成る保護層30を介して表面凹凸層
40を設けることで、当該保護層30内に蓄積される電荷と
か、表面凹凸層40内または当該表面凹凸層40と保護層30
の界面に蓄積される電荷、あるいはまた表面凹凸層40と
層状光電変換部を構成する半導体層11との仕事関数の差
等により誘起される。なお、以下において単に「保護
層」と呼んだ場合にも、それは本発明により限定され
る、「酸化シリコン膜または窒化シリコン膜であるか、
あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造を含ん
で成る保護層」である。
図示構造の場合、保護層30は、層状光電変換部10の上
下両表面の中、反転層14の露出表面側である光の入射面
上に成膜され、さらにその上に、当該保護層30に接する
側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、保護層
30に接する側の表面に対向する表面にのみ、意図的にピ
ラミッド状とか波状その他、適当な粗面ないし凹凸が形
成される表面凹凸層40が成膜されている。
下両表面の中、反転層14の露出表面側である光の入射面
上に成膜され、さらにその上に、当該保護層30に接する
側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、保護層
30に接する側の表面に対向する表面にのみ、意図的にピ
ラミッド状とか波状その他、適当な粗面ないし凹凸が形
成される表面凹凸層40が成膜されている。
これら保護層30と表面凹凸層40は、それぞれ光透過性
を有する材料で形成され、さらに図示実施例では表面凹
凸層40は導電性を有している（後述にようにそうでなく
て良いこともある）が、まず保護層30は、第二半導体層
12の表面の電気的な特性を安定化させ、あるいはまた当
該表面におけるキャリア再結合速度を小さく抑えて光電
変換効率の低下を防ぐために設けられる。
を有する材料で形成され、さらに図示実施例では表面凹
凸層40は導電性を有している（後述にようにそうでなく
て良いこともある）が、まず保護層30は、第二半導体層
12の表面の電気的な特性を安定化させ、あるいはまた当
該表面におけるキャリア再結合速度を小さく抑えて光電
変換効率の低下を防ぐために設けられる。
場合によりこの保護層30には、もしこれがなくて、反
転層14と表面凹凸層40とが直接に接触していた場合、層
状光電変換部10内にて光発生ないし光励起されたキャリ
アが表面凹凸層40側に流出するのを抑える働きも見込ま
れ、また、当該表面凹凸層40を形成する際に層状光電変
換部10の表面を汚染から守る働きも期待できる。表面凹
凸層40を金属ないし金属酸化物で形成するような場合に
は、この保護層30がないと、当該金属が光電変換部10中
に侵入することも考えられるし、そうでなくとも、酸素
によって表面電子状態が変わる等の不都合も考えられ
る。実際上、層状光電変換部10と表面凹凸層40との間に
上述のようなパッシベイション効果を呈する保護層30を
挟み込むことの効果は大きく、これを用いない場合に
は、本発明に従って表面凹凸層40を形成しても、その効
果が低減ないし相殺されることが多かった。
転層14と表面凹凸層40とが直接に接触していた場合、層
状光電変換部10内にて光発生ないし光励起されたキャリ
アが表面凹凸層40側に流出するのを抑える働きも見込ま
れ、また、当該表面凹凸層40を形成する際に層状光電変
換部10の表面を汚染から守る働きも期待できる。表面凹
凸層40を金属ないし金属酸化物で形成するような場合に
は、この保護層30がないと、当該金属が光電変換部10中
に侵入することも考えられるし、そうでなくとも、酸素
によって表面電子状態が変わる等の不都合も考えられ
る。実際上、層状光電変換部10と表面凹凸層40との間に
上述のようなパッシベイション効果を呈する保護層30を
挟み込むことの効果は大きく、これを用いない場合に
は、本発明に従って表面凹凸層40を形成しても、その効
果が低減ないし相殺されることが多かった。
もちろん、この保護層30は、既に述べた通り、酸化シ
リコン膜または窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン
と窒化シリコンの積層構造とするが、中でも窒化シリコ
ン膜とか、窒化シリコンと酸化シリコンの積層構造は、
光の透過性を保ちながらも汚染防止効果が高く、特にこ
れらをプラズマCVD、光CVD等の低温成長技術で成膜した
場合には多量の水素を含み、その下の半導体層のパッシ
ベイションには極めて有効に働く。さらに、層状光電変
換部10の表面がシリコンの場合、保護層30を上記のよう
に二層構造とし、当該表面に接する面側を酸化シリコ
ン、外側を窒化シリコンとして構成すると、表面電子状
態を特に良好に保つことができるし、外側の窒化シリコ
ン膜の上に数十Åから数百Å程度の厚さの酸化シリコン
膜を設けて三層構造とすると、その後に形成される表面
凹凸層40の材質の如何によっては、それとの接着性を向
上させることもできる。いずれの場合にも、層状光電変
換部10の材質がシリコンの場合には、その表面に接する
酸化シリコン膜は当該表面におけるキャリア再結合速度
を小さくする効果がある。対して層状光電変換部10の材
質がInP,GaAs等の化合物半導体の場合には、その表面に
直接に窒化シリコン膜を接着する等により、適当なる保
護層30を構成することができる。
リコン膜または窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン
と窒化シリコンの積層構造とするが、中でも窒化シリコ
ン膜とか、窒化シリコンと酸化シリコンの積層構造は、
光の透過性を保ちながらも汚染防止効果が高く、特にこ
れらをプラズマCVD、光CVD等の低温成長技術で成膜した
場合には多量の水素を含み、その下の半導体層のパッシ
ベイションには極めて有効に働く。さらに、層状光電変
換部10の表面がシリコンの場合、保護層30を上記のよう
に二層構造とし、当該表面に接する面側を酸化シリコ
ン、外側を窒化シリコンとして構成すると、表面電子状
態を特に良好に保つことができるし、外側の窒化シリコ
ン膜の上に数十Åから数百Å程度の厚さの酸化シリコン
膜を設けて三層構造とすると、その後に形成される表面
凹凸層40の材質の如何によっては、それとの接着性を向
上させることもできる。いずれの場合にも、層状光電変
換部10の材質がシリコンの場合には、その表面に接する
酸化シリコン膜は当該表面におけるキャリア再結合速度
を小さくする効果がある。対して層状光電変換部10の材
質がInP,GaAs等の化合物半導体の場合には、その表面に
直接に窒化シリコン膜を接着する等により、適当なる保
護層30を構成することができる。
一方、表面凹凸層40は、既述のように、図示構造の場
合、光透過性を有するだけではなく、電気的な導電性を
も有する材料で構成され、従ってこれが、入射面側電極
の一部となっている。
合、光透過性を有するだけではなく、電気的な導電性を
も有する材料で構成され、従ってこれが、入射面側電極
の一部となっている。
明らかなように、層状光電変換部10の光入射面の上に
形成される保護層30には、所々に適当個数、適当パター
ンの開口が開けられ、その後に当該保護層30の上に光透
過性と導電性の双方を有する適当なる材料で表面凹凸層
40を形成するに際し、当該表面凹凸層40の形成材料がこ
の開口内に侵入して、光電変換部10とオーミック接触
し、結局は第一半導体層11と保護層30との界面にあって
第一半導体層11の表面に電気的に誘起される反転層14に
導通が採られるようになっている。そのため、この接触
特性を良好にするべく、当該第一半導体層11の表面にあ
って表面凹凸層40の形成材料が接触する面積領域には、
第一半導体層11と整流性接合を形成する不純物領域54が
形成されている。
形成される保護層30には、所々に適当個数、適当パター
ンの開口が開けられ、その後に当該保護層30の上に光透
過性と導電性の双方を有する適当なる材料で表面凹凸層
40を形成するに際し、当該表面凹凸層40の形成材料がこ
の開口内に侵入して、光電変換部10とオーミック接触
し、結局は第一半導体層11と保護層30との界面にあって
第一半導体層11の表面に電気的に誘起される反転層14に
導通が採られるようになっている。そのため、この接触
特性を良好にするべく、当該第一半導体層11の表面にあ
って表面凹凸層40の形成材料が接触する面積領域には、
第一半導体層11と整流性接合を形成する不純物領域54が
形成されている。
このような構造の場合、表面凹凸層形成の際等に、保
護層30に開けられた開口を介し、不純物が光電変換部10
の表面領域に侵入し、その電気的特性に悪影響を及ぼす
おそれも考えられないではないが、開口の大きさをこの
中に充填される導電材料を介して形成される電極の性能
上、特に直列抵抗設計上、許される範囲内において極力
小さくするように設定すれば、このおそれも十分に回避
可能である。むしろ、このような構造は、表面凹凸層と
は別途な電極形成材料を用いて電極を形成すると、この
電極材料が光電変換部10の表面領域と反応を起こすよう
な場合にその代替構造として有意であり、さらに、実効
入射面積の低減を起こさない点でも有利である。なお、
外部回路へ本素子を接続するために設けられる、導電性
表面凹凸層40に導通する金属電極部分53等は、当然、当
該表面凹凸層40の周辺部位の適当個所に設ければ良い。
護層30に開けられた開口を介し、不純物が光電変換部10
の表面領域に侵入し、その電気的特性に悪影響を及ぼす
おそれも考えられないではないが、開口の大きさをこの
中に充填される導電材料を介して形成される電極の性能
上、特に直列抵抗設計上、許される範囲内において極力
小さくするように設定すれば、このおそれも十分に回避
可能である。むしろ、このような構造は、表面凹凸層と
は別途な電極形成材料を用いて電極を形成すると、この
電極材料が光電変換部10の表面領域と反応を起こすよう
な場合にその代替構造として有意であり、さらに、実効
入射面積の低減を起こさない点でも有利である。なお、
外部回路へ本素子を接続するために設けられる、導電性
表面凹凸層40に導通する金属電極部分53等は、当然、当
該表面凹凸層40の周辺部位の適当個所に設ければ良い。
一方、裏面側の電極52は、一般に層状光電変換部10の
裏面全体に一様に面状に付して良く、それに際してはま
た、例えば第一半導体層11の当該裏面にA1を５μｍ程度
拡散した層13を施すこと等で、当該裏面電極52とのオー
ミック接触を良好にするべく図って良い。このようなA1
等の不純物拡散層13はまた、第一半導体層11内の少数キ
ャリアを追い返すための組込み電界形成層としても機能
し、これも光電変換効率の向上効果に寄与する。
裏面全体に一様に面状に付して良く、それに際してはま
た、例えば第一半導体層11の当該裏面にA1を５μｍ程度
拡散した層13を施すこと等で、当該裏面電極52とのオー
ミック接触を良好にするべく図って良い。このようなA1
等の不純物拡散層13はまた、第一半導体層11内の少数キ
ャリアを追い返すための組込み電界形成層としても機能
し、これも光電変換効率の向上効果に寄与する。
ただし、参考までに述べれば、少数キャリア追い返し
のためには、組込み電界形成層として、第一半導体層11
の裏面側表面領域に高不純物濃度領域を設けたり、第一
半導体層11よりもさらにワイド・ギャップな半導体層を
設けることによっても満足し得る。
のためには、組込み電界形成層として、第一半導体層11
の裏面側表面領域に高不純物濃度領域を設けたり、第一
半導体層11よりもさらにワイド・ギャップな半導体層を
設けることによっても満足し得る。
表面凹凸層40は、光透過性は有するが導電性を有さな
い材料で構成することもできる。この場合には、この表
面凹凸層40とその下の保護層30に整合する一連の透孔な
いし開口を開け、これに別途に金属等の電極形成材料を
充填し、取り出し電極を形成する。その場合にも、上述
した不純物領域54は有効に用いることができる。
い材料で構成することもできる。この場合には、この表
面凹凸層40とその下の保護層30に整合する一連の透孔な
いし開口を開け、これに別途に金属等の電極形成材料を
充填し、取り出し電極を形成する。その場合にも、上述
した不純物領域54は有効に用いることができる。
このような光透過性は有するが導電性を有さない表面
凹凸層40はTa,Ti等の酸化膜で構成することができ、一
方、先の光透過性も導電性も共に有する表面凹凸層40
は、Sn,In等の酸化膜で構成することができる。いずれ
も成膜後の機械的、物理的、化学的な加工処理により、
その表面を凹凸面としても良いが、それらを成膜すると
きの成膜条件に工夫すれば、特に後加工を要さず、成膜
の完了と共に表面を初期の粗面ないし凹凸面とすること
ができる。例えば蒸着法を採用する場合、成膜温度をお
およそ400℃前後に上げ、蒸着速度を比較的小さく抑え
ることで、成膜された膜表面を所望の凹凸にすることが
できる。
凹凸層40はTa,Ti等の酸化膜で構成することができ、一
方、先の光透過性も導電性も共に有する表面凹凸層40
は、Sn,In等の酸化膜で構成することができる。いずれ
も成膜後の機械的、物理的、化学的な加工処理により、
その表面を凹凸面としても良いが、それらを成膜すると
きの成膜条件に工夫すれば、特に後加工を要さず、成膜
の完了と共に表面を初期の粗面ないし凹凸面とすること
ができる。例えば蒸着法を採用する場合、成膜温度をお
およそ400℃前後に上げ、蒸着速度を比較的小さく抑え
ることで、成膜された膜表面を所望の凹凸にすることが
できる。
CVD法を援用し、かつ、SnO2膜により表面凹凸層40を
形成しようとする場合には、450℃前後でSnCl4と水蒸
気、及び少量のエチルアルコールを添加することによ
り、表面に所望の凹凸を有するSnO2膜40を形成すること
ができる。
形成しようとする場合には、450℃前後でSnCl4と水蒸
気、及び少量のエチルアルコールを添加することによ
り、表面に所望の凹凸を有するSnO2膜40を形成すること
ができる。
さらに、SnO2膜で表面凹凸層40を形成するのにもスプ
レー法を用いる場合には、470℃前後で上記CVD法と同様
の原料を用いれば良く、同じスプレー法でも、InCl3膜
で表面凹凸層40を形成する場合には、500℃程度の温度
下でIn2O3をエチルアルコールに添加し、空気中でスプ
レーすることにより、成膜されたIn2O3膜の表面に所期
の凹凸を形成することができる。
レー法を用いる場合には、470℃前後で上記CVD法と同様
の原料を用いれば良く、同じスプレー法でも、InCl3膜
で表面凹凸層40を形成する場合には、500℃程度の温度
下でIn2O3をエチルアルコールに添加し、空気中でスプ
レーすることにより、成膜されたIn2O3膜の表面に所期
の凹凸を形成することができる。
例えば本出願人の実験において、水蒸気とSnCl4，SbC
l5を原料とし、450℃ないし500℃の基板温度でCVDによ
り5000Åの厚味に成膜したSnO2膜40では、シート抵抗が
30〜50Ω／□で、その表面には粒径平均が0.2μｍから
0.3μｍ程度を中心に分布したビラミッド状ないしナイ
フ・エッヂ状断面の突起群が得られた。
l5を原料とし、450℃ないし500℃の基板温度でCVDによ
り5000Åの厚味に成膜したSnO2膜40では、シート抵抗が
30〜50Ω／□で、その表面には粒径平均が0.2μｍから
0.3μｍ程度を中心に分布したビラミッド状ないしナイ
フ・エッヂ状断面の突起群が得られた。
このような表面凹凸層40を有する素子は、有さないも
のに比し、入射光に対する表面反射率が低下し、特に90
0nm以下の相対的に短波長領域で著しい改善効果が認め
られ、当然のことながら、これに応じて光電変換効率が
改善された。特に、既述の従来例のように、結晶表面そ
のものを異方性エッチングにより粗面にした光電変換素
子に比しても十分に光電変換効率の改善効果があり、開
放起電圧Vocも高まった。
のに比し、入射光に対する表面反射率が低下し、特に90
0nm以下の相対的に短波長領域で著しい改善効果が認め
られ、当然のことながら、これに応じて光電変換効率が
改善された。特に、既述の従来例のように、結晶表面そ
のものを異方性エッチングにより粗面にした光電変換素
子に比しても十分に光電変換効率の改善効果があり、開
放起電圧Vocも高まった。
一般的に言うと、既述した種々の凹凸形成法のどれに
よっても、表面凹凸層40の当該表面に形成される凹凸の
断面形状はおおむね三角形に近いか台形に近いものにな
るが、それらを上から見た場合の投影平面寸法におい
て、例えば対角線の長さが0.15μｍ程度以上になると、
表面反射は短波長側から少なくなり始め、当該寸法の増
大と共に長波長側にその効果が拡大されて行く。
よっても、表面凹凸層40の当該表面に形成される凹凸の
断面形状はおおむね三角形に近いか台形に近いものにな
るが、それらを上から見た場合の投影平面寸法におい
て、例えば対角線の長さが0.15μｍ程度以上になると、
表面反射は短波長側から少なくなり始め、当該寸法の増
大と共に長波長側にその効果が拡大されて行く。
なお、本出願人においては、試みに保護層30を省略し
た素子も作製してみたが、層状光電変換部10の表面の電
気的な特性を良好に保つことができず、短波長感度が大
きく低下してしまった。これは逆に、本発明により保護
層30と表面凹凸層40とをいずれも省略不能なセットとし
て設けることの有意性を示している。
た素子も作製してみたが、層状光電変換部10の表面の電
気的な特性を良好に保つことができず、短波長感度が大
きく低下してしまった。これは逆に、本発明により保護
層30と表面凹凸層40とをいずれも省略不能なセットとし
て設けることの有意性を示している。
さて、これまでは保護層30と表面凹凸層40のセットを
層状光電変換部10の光入射面側に設けた実施例につき述
べたが、一般にはこのように、光入射面側に表面凹凸層
40を形成した場合には、どちらかと言えば入射光の相対
的に短波長領域側の感度をより大きく向上させることが
できる。これに対し、層状光電変換部10の光入射面とは
反対側の面にも保護層30と表面凹凸層40のセットを設け
た場合には、相対的に長波長側の感度をも大きく向上さ
せることができる。
層状光電変換部10の光入射面側に設けた実施例につき述
べたが、一般にはこのように、光入射面側に表面凹凸層
40を形成した場合には、どちらかと言えば入射光の相対
的に短波長領域側の感度をより大きく向上させることが
できる。これに対し、層状光電変換部10の光入射面とは
反対側の面にも保護層30と表面凹凸層40のセットを設け
た場合には、相対的に長波長側の感度をも大きく向上さ
せることができる。
ただし、凹凸面ないしはそうした粗面を形成する突起
群の裾野の平面的な寸法の如何と光電変換効率の改善さ
れる波長帯域との相対的な関係における傾向自体は既に
述べた通りである。突起群の粒径が大きくなる程、長波
長側に光電変換効率の改善効果が及んで行く。
群の裾野の平面的な寸法の如何と光電変換効率の改善さ
れる波長帯域との相対的な関係における傾向自体は既に
述べた通りである。突起群の粒径が大きくなる程、長波
長側に光電変換効率の改善効果が及んで行く。
第２図はこのように、層状光電変換部10にあって光の
入射面とは反対側の面（裏面）にも保護層30と表面凹凸
層40を形成した改変実施例を示している。入射面側の構
造は第１図に即して説明した通りであって良いため、図
示していない。図示されている層状光電変換部10（第一
半導体層11）の光入射面とは反対側の面には、保護層30
を介した後、表面凹凸層40が形成され、さらにその上に
もう一方の取り出し電極（裏面電極）52を形成する電極
面が形成されている。この場合、当該裏面電極52は裏面
反射膜を兼ね、層状光電変換部10中を通過してきた光を
再度、光電変換部10中に戻す働きし、表面凹凸層40は、
これに際して反射光を散乱し、その光路長を実効的に長
くするべく機能する。
入射面とは反対側の面（裏面）にも保護層30と表面凹凸
層40を形成した改変実施例を示している。入射面側の構
造は第１図に即して説明した通りであって良いため、図
示していない。図示されている層状光電変換部10（第一
半導体層11）の光入射面とは反対側の面には、保護層30
を介した後、表面凹凸層40が形成され、さらにその上に
もう一方の取り出し電極（裏面電極）52を形成する電極
面が形成されている。この場合、当該裏面電極52は裏面
反射膜を兼ね、層状光電変換部10中を通過してきた光を
再度、光電変換部10中に戻す働きし、表面凹凸層40は、
これに際して反射光を散乱し、その光路長を実効的に長
くするべく機能する。
もちろん、この面状の裏面電極52は、保護層30と表面
凹凸層40に一連に、かつ要所に開けられた開口を介し、
光電変換部10にオーミック接触している。この裏面電極
52とのオーミック接触を良好にするため、第１図示のよ
うに、適当なる材料製のオーミック接触領域13を形成し
ても良い。
凹凸層40に一連に、かつ要所に開けられた開口を介し、
光電変換部10にオーミック接触している。この裏面電極
52とのオーミック接触を良好にするため、第１図示のよ
うに、適当なる材料製のオーミック接触領域13を形成し
ても良い。
さらに、先にも述べたように、保護層30の設けられる
第一半導体層11の裏面に近い領域には、当該第一半導体
層11内の少数キャリアを追い返すための組込み電界形成
層15として、第一半導体層11と同一導電型であるが、よ
り高濃度な不純物領域とか、第一半導体層11よりもワイ
ド・ギャップな半導体層を形成すると望ましく、あるい
はまた、多数キャリアの蓄積層が形成されるような条件
に作成すると良い。後者の蓄積層に関しては、保護層30
を介して表面凹凸層40が設けられる場合、当該保護層30
内に蓄積される電荷とか、表面凹凸層40内または当該表
面凹凸層40と保護層30の界面に蓄積される電荷、あるい
はまた表面凹凸層40と層状光電変換部を構成する半導体
層11との仕事関数の差等により誘起されるものであって
良い。
第一半導体層11の裏面に近い領域には、当該第一半導体
層11内の少数キャリアを追い返すための組込み電界形成
層15として、第一半導体層11と同一導電型であるが、よ
り高濃度な不純物領域とか、第一半導体層11よりもワイ
ド・ギャップな半導体層を形成すると望ましく、あるい
はまた、多数キャリアの蓄積層が形成されるような条件
に作成すると良い。後者の蓄積層に関しては、保護層30
を介して表面凹凸層40が設けられる場合、当該保護層30
内に蓄積される電荷とか、表面凹凸層40内または当該表
面凹凸層40と保護層30の界面に蓄積される電荷、あるい
はまた表面凹凸層40と層状光電変換部を構成する半導体
層11との仕事関数の差等により誘起されるものであって
良い。
［効果］ 本発明によれば、凹凸面ないし突起群の存在による散
乱効果で、実際に光電変換機能を営む層状光電変換部中
を進行して行く光の光路長を実質的に長くしようとする
試みにおいて、従来のように材料上の制約を生むことが
全くなく、また、電気的な特性を犠牲にすることなく、
その目的を果たすことができ、光電変換素子としての変
換効率を総体的かつ合理的に向上することができる。
乱効果で、実際に光電変換機能を営む層状光電変換部中
を進行して行く光の光路長を実質的に長くしようとする
試みにおいて、従来のように材料上の制約を生むことが
全くなく、また、電気的な特性を犠牲にすることなく、
その目的を果たすことができ、光電変換素子としての変
換効率を総体的かつ合理的に向上することができる。
第１図は本発明光電変換素子の一実施例の概略構成図、 第２図は第１図示実施例素子に適用し得る裏面構造改変
例の概略構成図，である。 図中、10は半導体の層状光電変換部、11は第一半導体
層、13はオーミック接触領域、14は反転層、15は組込み
電界形成層、30は保護層、40は表面凹凸層、52は裏面電
極、54は不純物領域、である。
例の概略構成図，である。 図中、10は半導体の層状光電変換部、11は第一半導体
層、13はオーミック接触領域、14は反転層、15は組込み
電界形成層、30は保護層、40は表面凹凸層、52は裏面電
極、54は不純物領域、である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−283078（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−18972（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−78474（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−113291（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−123286（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−34980（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】光の入射によりその内部で光電変換機能を
営む層状の半導体光電変換部を有する光電変換素子であ
って； 第一の導電型を有する半導体層と； 該半導体層の互いに対向する一対の表面の中、光入射側
の表面上に成膜され、酸化シリコン膜または窒化シリコ
ン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの
積層構造を含んで成り、一部に透孔が開けられた光透過
性の保護層と； 該保護層の上に成膜され、該保護層に接する側の表面に
は意図的に凹凸が形成されておらず、該保護層に接する
側の表面に対向する表面にのみ意図的に凹凸が形成さ
れ、該保護層に開けられた上記透孔内にも侵入する導電
性で光透過性の表面凹凸層と； 上記半導体層の上記光入射側の表面にあって上記透孔の
下に位置する部分に設けられ、該半導体層と整流性の接
合を形成し、上記透孔内に侵入した上記表面凹凸層に接
する不純物領域と； 上記半導体層と上記保護層との界面に形成される第二の
導電型の反転層と； を有して成る光電変換素子。 - 【請求項２】光の入射によりその内部で光電変換機能を
営む層状の半導体光電変換部を有する光電変換素子であ
って； 第一の導電型を有する半導体層と； 該半導体層の互いに対向する一対の表面の中、光入射側
の表面上に成膜され、酸化シリコン膜または窒化シリコ
ン膜であるか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの
積層構造を含んで成り、一部に透孔が開けられた光透過
性の保護層と； 該保護層の上に成膜され、該保護層に接する側の表面に
は意図的に凹凸が形成されておらず、該保護層に接する
側の表面に対向する表面にのみ意図的に凹凸が形成さ
れ、該保護層に開けられた上記透孔と整合する透孔を有
する光透過性の表面凹凸層と； 該整合した透孔内に充填された電極形成材料と； 上記半導体層の上記光入射側の表面にあって上記整合し
た透孔の下に位置する部分に設けられ、該半導体層と整
流性の接合を形成し、上記電極形成材料に接する不純物
領域と； 上記半導体層と上記保護層との界面に形成される第二の
導電型の反転層と； を有して成る光電変換素子。 - 【請求項３】酸化シリコン膜または窒化シリコン膜であ
るか、あるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層構造
を含んで成る光透過性の保護層と、該保護層の表面に接
する側の表面には意図的に凹凸が形成されておらず、該
保護層に接する側の表面に対向する表面にのみ意図的に
凹凸が形成された光透過性の表面凹凸層とが、上記半導
体層の上記光入射側の表面に対向する表面上に順次積層
されて成ること； を特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63297871A JP2706113B2 (ja) | 1988-11-25 | 1988-11-25 | 光電変換素子 |
| US07/434,253 US4994879A (en) | 1988-11-25 | 1989-11-13 | Photoelectric transducer with light path of increased length |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63297871A JP2706113B2 (ja) | 1988-11-25 | 1988-11-25 | 光電変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02143569A JPH02143569A (ja) | 1990-06-01 |
| JP2706113B2 true JP2706113B2 (ja) | 1998-01-28 |
Family
ID=17852204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63297871A Expired - Lifetime JP2706113B2 (ja) | 1988-11-25 | 1988-11-25 | 光電変換素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2706113B2 (ja) |
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| DE19524459A1 (de) * | 1995-07-07 | 1997-01-09 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Solarzelle, insbesondere Konzentrator-Solarzelle oder Eine-Sonne-Solarzelle auf Siliziumbasis mit deponierten amorphen Silizium, Silizium-Germanium und/oder anderen Siliziumlegierungs-Schichten |
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| US6512170B1 (en) | 2000-03-02 | 2003-01-28 | Nippon Sheet Glass Co., Ltd. | Photoelectric conversion device |
| JP4719334B2 (ja) * | 2000-04-10 | 2011-07-06 | イーグル工業株式会社 | シール装置 |
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-
1988
- 1988-11-25 JP JP63297871A patent/JP2706113B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-11-13 US US07/434,253 patent/US4994879A/en not_active Expired - Lifetime
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