JP3229749B2 - 多結晶半導体薄膜の製造方法及び光起電力装置 - Google Patents

多結晶半導体薄膜の製造方法及び光起電力装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、多結晶シリコン薄膜な
どの多結晶半導体薄膜を製造する方法及び該多結晶半導
体薄膜を用いた光起電力装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、多結晶半導体薄膜を光活性層
として用いた光起電力装置が知られている。このような
光起電力装置においては、その出力特性と多結晶半導体
薄膜の膜特性との間に密接な関連があり、なかでも多結
晶半導体薄膜の結晶性及び結晶粒径の大きさなどは、光
起電力装置の特性に大きく影響する。このような点を考
慮して、固相成長により得られる多結晶半導体薄膜の結
晶性を改善し、結晶粒径を拡大するため、出発材料とな
る非晶質半導体薄膜層の最適化や、固相成長させる際の
基板の形状などによる膜質の改善が検討されている。
【0003】多結晶半導体薄膜を固相成長により形成す
る際の基板の表面形状を凹凸形状にすることにより、結
晶性の良い、より大きな粒径を有する多結晶半導体薄膜
が形成されることが知られている。
【0004】また、出発材料となる非晶質半導体薄膜層
に関しては、ドーパントを含むハイドープ非晶質半導体
層と、ドーパントを含まないもしくはその量が少ない第
2の非晶質半導体層とを基板上に順次積層した構造を有
する非晶質半導体薄膜層を用いる方法が提案されてい
る。このような積層構造を有する非晶質半導体薄膜層に
おいては、固相成長の際、第1のハイドープ非晶質半導
体薄膜層においてまず核発生が起こり、これを種とし
て、結晶成長が第2の非晶質半導体薄膜層に拡がり、粒
径の大きい結晶性の良い多結晶薄膜半導体が比較的短時
間で形成される。このような2層構造の多結晶半導体薄
膜においては、基板側にハイドープ層に相当する部分が
存在するので、いわゆるBSF(Back Surface Field)
効果を得ることができ、光電変換層で発生した光電流を
効率よく収集することができ、光起電力装置の特性を向
上させることができる。
【0005】また、さらに膜質を向上させる方法とし
て、核発生層としての第1のハイドープ非晶質半導体層
を基板平面内においてパターニングし、島状に局所的に
分散配置する方法が提案されている。このような方法に
よれば、核発生部分が局所化され、この核を種としてそ
の周囲のより広い部分に結晶成長を行わせることがで
き、さらにより大きい粒径を有する多結晶半導体薄膜を
得ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな固相成長による多結晶半導体薄膜を用いた光起電力
特性は、単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を用
いた光起電力装置に比べ、まだ十分な特性が得られてい
ない。理論的な試算の結果からは、多結晶シリコン半導
体薄膜を用いた光起電力装置は、10%以上の変換効率
を達成することができる。このような光電変換効率を有
する光起電力装置を得るためには、より膜質の良好な多
結晶半導体薄膜を製造することが必要となる。
【0007】本発明の目的は、より結晶粒径が大きく、
良好な膜質の多結晶半導体薄膜を製造することができる
方法及び該製造方法により得られる多結晶半導体薄膜を
用いた光起電力装置を提供することにある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の多結晶半導体
薄膜の製造方法は、金属の樹状成長に対して助成作用を
有する金属酸化物の薄膜の上に金属粒または金属薄膜を
設ける工程と、金属粒または金属薄膜を熱処理して樹状
成長させ、金属酸化物薄膜上に網状金属膜を形成する工
程と、網状金属膜上に非晶質半導体薄膜を形成する工
程と、非晶質半導体薄膜を熱処理することにより結晶化
させる工程とを備えている。
【0009】
【0010】
【0011】本発明において出発材料となる非晶質半導
体薄膜には、非晶質合金半導体薄膜も含まれる。このよ
うなものとして、SiGeなどのSiを含む合金半導体
を挙げることができる。
【0012】
【作用】本発明においては、固相成長により結晶化させ
る非晶質半導体薄膜を網状金属膜上に形成している。こ
のような網状金属膜は、J.Appl. Phys. 71. (1992) 2
238 などに示されているように、酸化スズなどの金属酸
化物薄膜の上に金属粒や金属薄膜を密着して形成し、こ
れを熱処理することにより、得ることができる。熱処理
を施すことにより、金属粒や金属薄膜から樹状凝集成長
が生じ、この際に成長した金属は微細な糸状に凝集する
ので、金属粒や金属薄膜を適当な配置あるいは形状とす
ることにより、糸状に凝集した金属膜が互いにつなが
り、網状金属膜とすることができる。金属を樹状成長さ
せる際の熱処理は、外部からの加熱による熱アニール、
もしくは酸化スズ等の金属酸化物の薄膜が形成された基
板の平面方向における対向する端辺部に電圧を印加する
ことによる熱アニールなどで行うことができる。
【0013】本発明では、このような網状金属膜の上に
非晶質半導体層を形成し、この非晶質半導体層を熱処理
することにより固相成長により結晶化させる。このよう
な固相成長の際、非晶質半導体薄膜と網状金属膜との接
触部分において、核が発生し、これが種となって結晶成
長が進行する。従って、結晶粒径の大きい膜質の良好な
結晶半導体薄膜を得ることができる。また、このように
して得られた良好な膜質の多結晶半導体薄膜を薄膜半導
体光起電力装置の光活性層として用いることにより、良
好な光起電力特性を得ることができる。
【0014】
【実施例】図1は、本発明に従う製造方法により固相成
長させて多結晶半導体薄膜を形成し、この多結晶半導体
薄膜を光活性層として用いる光起電力素子の製造工程を
示す断面図である。
【0015】図1(a)を参照して、平坦な基板1上に
CVD法等の化学的気相成長法により酸化スズ薄膜2を
形成した。基板温度は600℃とし、SnCl4 、H
F、H 2 O、O2 を原料ガスとして用い、熱CVD法に
より形成した。HFガスは、酸化スズ薄膜2のFドーピ
ング材料として用いた。このようなドーピングにより、
導電性が向上するため、酸化スズ薄膜2は電極層として
用いることができる。
【0016】図1(a)に示されるように、テクスチャ
ー化した酸化スズ薄膜2が得られた。酸化スズ薄膜2の
ヘイズ率は20%であった。基板1としては、特に限定
されるものではなく、実施するプロセス中の処理温度や
処理ガスなどにより変化を受けないものであればいずれ
でもよく、例えば耐熱性の透光性基板や金属基板などを
用いることができる。
【0017】図1(b)を参照して、次に、以下のよう
にして酸化スズ薄膜2の上に金属粒3を付着させた。酸
化スズ薄膜2が形成された基板1を、平均粒径100μ
m以下のAg粉末を有機溶剤中にコロイド状に分散させ
た分散液中に浸した後、取り出し乾燥した。これによ
り、図1(b)に模式的に示すように、Ag粒が金属粒
3として付着した。金属粒3の付着の平均の間隔は、1
00μm程度であった。本発明において網状金属膜を形
成するため金属粒を付着させる際の間隔は、特に限定さ
れるものではないが、10〜100μm程度に分散して
付着させることが好ましい。この実施例では、金属粒と
してAgを用いているが、例えば、Au、Al、及びP
tなどの金属粒を用いることができる。また本実施例で
は、金属粒のコロイド溶液中に浸漬し、金属粒を付着さ
せているが、例えば、イオンクラスタービームなどの蒸
着法により金属粒を付着形成してもよい。
【0018】次に、金属粒3が付着した状態で、基板1
をアニール炉中に投入し、400℃で加熱し、室温まで
徐冷した。このような熱アニールにより酸化スズ薄膜2
が有する触媒効果により金属粒3から金属拡散が起こ
り、樹状凝集成長が生じた。隣接する金属粒から枝状に
拡散してきた樹状金属が互いに接触し、網目状の金属膜
が形成された。図2は、このような網状金属膜を示す平
面図である。図2を参照して、網状金属膜4以外の酸化
スズ薄膜2上にはほとんど金属成分が存在しておらず、
金属が局所的に存在する形態で網状金属膜4が形成され
ている。本実施例では金属粒を用いて網状金属膜を形成
しているが、酸化スズ薄膜上に金属薄膜を形成し、この
金属薄膜から網状金属膜を形成してもよい。金属薄膜を
用いた場合には、金属の凝集過程を通して樹状成長が起
こり、網状金属膜が得られる。金属粒の大きさとして
は、10〜100μm程度が好ましく、金属薄膜の膜厚
としては、1〜10μm程度が好ましい。また熱アニー
ルの温度としては、320〜400℃程度が好ましい。
【0019】図1(c)を参照して、以上のようにして
酸化スズ薄膜2の上に網状金属膜4が形成される。この
網状金属膜4の上に、例えば、プラズマCVD法により
非晶質シリコン薄膜を形成する。図1(d)は、網状金
属膜4上にノンドープ非晶質シリコン薄膜5を形成した
状態を示している。本実施例では、SiH4 ガスを原料
ガスとして、プラズマCVD法により、基板温度300
℃で、10μmの厚みになるように形成した。
【0020】次に、真空状態において600℃で10時
間熱処理することにより、固相成長を行い、非晶質シリ
コン薄膜5を結晶化させ多結晶シリコン薄膜6とした。
図1(e)を参照して、このようにして結晶化した多結
晶シリコン半導体薄膜6の上に、非晶質シリコン半導体
からなるp型半導体薄膜7(膜厚100Å)をプラズマ
CVD法により形成した。さらにこの上に、表面電極8
として、インジウムスズ酸化膜をスパッタ蒸着法により
1000Åの厚みで形成した。次に、表面電極8の上
に、Alからなる串型電極9を真空中で抵抗加熱蒸着す
ることにより形成した。
【0021】図3は、以上のようにして得られた薄膜半
導体光起電力装置を示す断面図である。このようにして
得られた薄膜半導体光起電力装置の出力特性を評価し、
表1に得られた結果を示した。なお、比較として、図4
に示すような薄膜半導体光起電力装置を作製し、出力特
性を評価し表1に示した。図4に示す比較例の光起電力
装置では、上記本実施例と同様にして基板1上に酸化ス
ズ薄膜2を形成し、酸化スズ薄膜2の上に、リンを高濃
度にドープしたn+ 型のハイドープ非晶質シリコン薄膜
16aを形成し、これを100μm間隔で、1つのパタ
ーンが75μm 2 程度の面積となるようにパターニング
した。この上にノンドープ非晶質シリコン半導体薄膜1
6bを形成し、このようにして得られた積層構造の非晶
質シリコン半導体薄膜16a及び16bを600℃で1
0時間熱処理し固相成長を行い、多結晶シリコン薄膜と
した。このようにして得られた多結晶シリコン半導体薄
膜の上に、上記本実施例と同様にして、p型非晶質半導
体薄膜7、表面電極8、及び串型電極9を形成し光起電
力装置とした。
【0022】
【表1】
【0023】表1に示されるように、本発明に従い形成
された多結晶半導体薄膜を光活性層として用いた実施例
の光起電力装置は、開放電圧、短絡電流、フィルファク
ターにおいて良好な結果を示しており、比較例の光起電
力装置に比べ高い変換効率が得られている。これは、本
発明により、良好な膜質を有する多結晶シリコン半導体
薄膜が得られたことによるものと思われる。また、本実
施例では、比較例の光起電力装置のように、ハイドープ
の半導体薄膜層をパターニングする必要がなく、より簡
易な工程で、良好な出力特性を有する光起電力装置を製
造することができる。
【0024】
【発明の効果】本発明に従う製造方法によれば、結晶粒
径が大きく、かつ良好な膜質を有する多結晶半導体薄膜
を形成することができる。また、このような良好な膜質
を有する多結晶半導体薄膜を光起電力装置の光活性層と
して用いることにより、光起電力装置の出力特性が改善
され、良好な特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う一実施例の製造工程を示す断面
図。
【図2】本発明に従う一実施例において形成される網状
金属膜を示す平面図。
【図3】本発明に従う一実施例において製造される光起
電力装置を示す断面図。
【図4】比較例の光起電力装置を示す断面図。
【符号の説明】
1…基板 2…酸化スズ薄膜 3…金属粒 4…網状金属膜 5…ノンドープ非晶質シリコン半導体薄膜 6…多結晶シリコン半導体薄膜 7…p型非晶質シリコン半導体薄膜 8…表面電極 9…串型電極

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属の樹状成長に対して助成作用を有す
    る金属酸化物の薄膜の上に金属粒または金属薄膜を設け
    る工程と、 前記金属粒または金属薄膜を熱処理して樹状成長させ、
    前記金属酸化物薄膜上に網状金属膜を形成する工程と、 前記 網状金属膜上に非晶質半導体薄膜を形成する工程
    と、 前記 非晶質半導体薄膜を熱処理することにより結晶化さ
    せる工程とを備える多結晶半導体薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記金属酸化物が酸化スズである請求項
    1に記載の多結晶半導体薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記非晶質半導体薄膜が、シリコン、ま
    たはシリコンを含む非晶質半導体または非晶質合金半導
    体である請求項1または2のいずれか1項に記載の多結
    晶半導体薄膜の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記非晶質半導体薄膜が、少なくともG
    eを含む非晶質半導体または非晶質合金半導体である請
    求項1〜3のいずれか1項に記載の多結晶半導体薄膜の
    製造方法。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の製
    造方法により得られる多結晶半導体薄膜を光活性層とす
    る光起電力装置。
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