JP3841790B2 - 光電変換素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、光電変換素子及びその製造方法に関し、より詳細には、シリコン太陽電池等において、受光面の拡散層の厚さを変化させることにより光電変換効率を向上させる光電変換素子及びその製造方法に関する。
背景技術
従来の光電変換素子は、図８に示すように、例えば、基板としてのＰ型半導体基板４２の一表面に形成されたＮ型半導体層４３と、その上に形成された集電極４４と、Ｐ型半導体基板４２の裏面に形成された裏面電極４５とから構成されている。
太陽光がＮ型半導体層４３の表面に照射されることにより発生した電流は、Ｎ型半導体層４３内を流れ、集電極４４から取り出される。
一般に、Ｎ型半導体層４３は、厚みが薄いほど光の短波長感度が良好となって発生電流が大きくなるが、その反面、シート抵抗が増加する。そのため、Ｎ型半導体層４３が薄くなると集電極４４から取り出せる電力は低下する。
このことから、光電変換効率を高めるために、Ｎ型半導体層の厚みと集電極の配置の最適化が行われ、例えば、Ｎ型半導体層をできるだけ薄くするとともに、集電極の相互の間隔を適当に狭める工夫がなされている。
しかし、Ｎ型半導体層を薄くし過ぎるとシート抵抗が増加してしまうし、集電極の相互の間隔を狭めるとＮ型半導体層の有効受光面積が減少し、光発生電流が低下するという問題がある。
そこで、Ｎ型半導体層のうち集電極形成部分を厚くし、他の部分を薄くした光電変換素子が提案されている（例えば、特許文献１）。
また、別の例として、図９に示すように、Ｎ型半導体層５１を、集電極５２の相互間の中央部分において薄くし、集電極５２に向かって徐々に厚くした光電変換素子が提案されている（例えば、特許文献２）。この光電変換素子によれば、Ｎ型半導体層５１が薄い部分において短波長感度を向上できるとともに、そこで生成されたキャリアは、徐々に厚くなるＮ型半導体層５１を通って集電極５２に向かうため、直列抵抗損失を小さくすることができる。
しかし、Ｎ型半導体層のうち集電極形成部分を厚くし、他の部分を薄くした光電変換素子では、マスクパターンを形成し、２回の不純物拡散を行うことによりＮ型半導体層を形成する必要がある。
また、図９の光電変換素子では、複数のマスクパターンを形成し、熱拡散を用いて多重拡散又はイオンインプランテーションを行うか、レーザーを用いて多重拡散を行う等によりＮ型半導体層を形成する必要がある。
従って、いずれの光電変換素子も製造工程が複雑となり、コスト高となるという問題がある。
特許文献１：特開昭６２−１２３７７８号公報
特許文献２：特開平４−３５６９７２号公報
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、簡便な製造工程により、光電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明によれば、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板を用いた光電変換素子において、少なくとも該第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層と接続された表面電極と、前記第１導電型半導体基板裏面に形成された裏面電極とを有し、前記第２導電型半導体層が、一部の領域で表面電極と接触し、その接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有してなる光電変換素子が提供される。
また、本発明によれば、（ａ）表面に凹凸を有する半導体基板上に、不純物拡散の障壁となる膜を、凸部頂点から凹部に向かって厚くなるように形成する工程と、
（ｂ）前記膜を通して第２導電型不純物を導入して前記半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する工程と、
（ｃ）半導体基板表面の一部としての凸部に接触する表面電極を形成する工程を含む光電変換素子の製造方法が提供される。
さらに、本発明によれば、（ａ’）表面に凹凸を有する半導体基板上に、第２導電型不純物を含んだ膜を、凸部頂点から凹部に向かって厚くなるように形成する工程と、
（ｂ’）前記膜から第２導電型不純物を導入して前記半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する工程と、
（ｃ’）半導体基板表面の一部としての凹部に接触する表面電極を形成する工程を含む光電変換素子の製造方法が提供される。
発明を実施するための最良の形態
本発明の光電変換素子は、主として、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板を用いており、第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型半導体層と、第２導電型半導体層と接続された表面電極と、第１導電型半導体基板裏面に形成された裏面電極とから構成される。
半導体基板としては、通常、光電変換素子に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等のＩＶ族元素半導体基板、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体基板等が挙げられる。なかでも、シリコンが好ましい。なお、半導体基板は、アモルファス、単結晶、多結晶、いわゆるマイクロクリスタル又はこれらが混在するもののいずれであってもよい。
半導体基板は、導電型をもたせるために第１導電型（例えば、Ｎ型又はＰ型）の不純物がドーピングされている。
不純物の種類は、用いる半導体材料によって適宜選択することができ、例えば、Ｎ型の不純物としては、例えばリン、砒素、アンチモン等が挙げられ、Ｐ型の不純物としては、例えばボロン、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、チタン等が挙げられる。不純物濃度は特に限定されないが、例えば、０．１〜１０Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有するように調整することが適当である。
また、半導体基板の厚みは、特に限定されないが、適当な強度を確保し、高い光電変換効率を得ることができるように設定することが好ましく、例えば、平均の厚みとして、０．２〜０．４ｍｍ程度が挙げられる。
半導体基板は、表面に凹凸を有している。凹凸のパターンは特に限定されず、例えば、同一又は異なる大きさの凸部が等間隔又はランダムに配置されたものや、凹部として溝が形成されたもの等が挙げられる。なかでも、後述する第２導電型半導体層において発生するキャリアを表面電極から効率よく取り出すために、凸部が等間隔に配置されたものや、溝が所定のピッチで連続して形成されたものが好ましい。凹凸のピッチは、特に限定されるものではないが、後述の表面電極の幅等を考慮して、例えば、１３ｍｍ程度である。凹凸の高低差は、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５ ０．１ｍｍ程度が挙げられる。
表面に凹凸を有する半導体基板は、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。また、特開平１１−３３９０１６号公報に記載されているように、凹凸を形成した基体上に半導体基板を成長させることにより形成することができる。なお、基体の凹凸のパターンを変えることにより、半導体基板の凹凸パターンを所望の形状に形成することができる。
第２導電型半導体層は、半導体基板の一表面、つまり、第１導電型半導体基板の表面に形成されており、第２導電型（Ｐ型又はＮ型）の不純物がドーピングされている。不純物濃度は特に限定されないが、例えば、表面濃度が１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３程度であり、４０〜１５０Ω／□程度の平均シート抵抗を有するように調整することが適当である。第２導電型半導体層の膜厚は、例えば、最も厚いところで０．３〜０．６μｍ程度、最も薄いところで０．１〜０．２μｍ程度であることが適当である。
なお、第２導電型半導体層上には窒化シリコン膜等の反射防止膜や、例えばチタンガラスを形成することのできるＴＧ液（テトラ−ｉ−プロポキシチタンとアルコール等とを混合した液）や、シリコンガラスを形成することのできるＳＧ液（珪酸エチルとアルコール等とを混合した液）等を塗布した塗布膜または保護膜等が形成されていてもよい。反射防止膜の膜厚は、例えば、６０〜１１０ｎｍ程度、塗布膜等の膜厚は、例えば、２００ｎｍ〜１μｍ程度が挙げられる。
表面電極を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、例えばアルミニウム、銀、銅、アルミニウム・リチウム合金、マグネシウム・銀合金、インジウム等が挙げられる。
裏面電極は、半導体基板裏面に形成されており、例えば、裏面全面にわたって形成されていることが好ましい。裏面電極の膜厚及び材料は、表面電極と同様に適宜調整及び選択することができる。
本発明の光電変換素子において、特に、凸部で厚く凹部で薄い第２導電型半導体層を有する光電変換素子の場合には、第２導電型半導体層は、後述する表面電極との接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有している。言い換えると、半導体基板の凸部から凹部に向かって薄くなる膜厚を有することが好ましい。さらに好ましい形態として、溝が連続して形成される半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、溝と溝との間に位置する縞状の凸部頂点において最も厚くなり、その頂点から溝底部にかけて一様に薄くなるか、あるいは、等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、凸部頂点においてのみ最も厚くなり、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって薄くなることが好ましい。凹凸のピッチは、特に限定されるものではないが、後述の表面電極の幅等を考慮して、例えば、１〜３ｍｍ程度である。凹凸の高低差は、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５〜０．１ｍｍ程度が挙げられる。
この場合、表面電極は、第２導電型半導体層と一部の領域において接続されている。表面電極と第２導電型半導体層とが接触する領域は、特に限定されるものではないが、例えば、第２導電型半導体層の最も厚い領域において接触していることが適当である。例えば、半導体基板に溝が連続して形成されている場合には、溝と溝との間に位置する縞状の凸部頂点における線状の領域で接触していてもよいし、凸部頂点に等間隔で配置される接触領域において接触していてもよい。あるいは等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板の場合には、凸部頂点においてのみ点状に接触していてもよい。表面電極と第２導電型半導体層との接触領域の形状はどのようなものであってもよいが、コンタクト抵抗、表面再結合等を考慮して、全体で基板表面に対して０．１％程度以上、３％程度以下の接触面積を有することが好ましい。
表面電極の形状は、特に限定されないが、等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板を用いる場合には、１つの表面電極が複数の凸部頂点を通るように、複数本形成されるのが好ましい。表面電極の膜厚は、例えば、５〜２０μｍ程度が挙げられ、幅は、例えば５０〜１５０μｍ程度が適当であり、表面電極間のピッチは均一であることが好ましい。このピッチは、半導体基板の凸部の配置によって適宜調整され、例えば１〜３ｍｍ程度が適当である。
本発明の第１の光電変換素子の製造方法においては、まず、工程（ａ）において、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板上に、不純物拡散の障壁となる膜を、凸部から凹部に向かって厚くなるように形成する。
また、第２導電型半導体層を形成する方法は、半導体基板表面に第２導電型の不純物を気相拡散、固相拡散、イオン注入等によってドーピングする方法、第２導電型半導体層を、第２導電型不純物をドーピングしながら成長させる方法等のいずれの方法であってもよい。
半導体基板上に不純物拡散の障壁となる膜を形成する方法は、適当な膜形成用の塗布液を、回転塗布、ディップ法、スプレー法等により半導体基板上に塗布し、乾燥する方法が挙げられる。なかでも、凹凸を有する基板表面に対し、塗布液を回転塗布等の方法で塗布する場合には、凹部に液が溜まり易いため、容易に、塗布膜を、半導体基板の凸部から凹部に向かって連続的又は段階的に厚くなるように形成することができる。
塗布液としては、例えば、チタンガラスを形成することのできるＴＧ液や、シリコンガラスを形成することのできるＳＧ液等が挙げられる。塗布膜の膜厚は、塗布膜自体の材料、後述する第２導電型の不純物の拡散方法及び不純物の種類等によって適宜調整することができ、例えば、膜厚が最も厚い部分では５０〜３００ｎｍ程度、最も薄いところでは０〜５０ｎｍ程度が適当である。
工程（ｂ）において、先に形成された膜を通して、得られた半導体基板に第２導電型不純物を導入して半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する。
第２導電型不純物の導入は、先に半導体基板上に形成された不純物拡散の障壁となる膜を通して行うため、この膜の膜厚が厚いほど、不純物は導入されにくくなり、その結果、第２導電型半導体層は薄く形成される。つまり、第２導電型半導体層は、半導体基板表面の凸部から凹部に向かって薄くなるような膜厚勾配を有して形成される。ここでの不純物の導入は、不純物拡散の障壁となる膜を通して行うことができる方法であれば特に限定されるものではなく、気相拡散（熱拡散）、固相拡散、イオン注入等の種々の方法が挙げられる。なかでも、工程の簡便さから、気相拡散を利用することが好ましい。この場合の条件は、当該分野で公知の条件を組み合わせて設定することができる。
上記障壁膜をエッチング除去した後、プラズマＣＶＤ法、大気圧ＣＶＤ法、回転塗布法などを用いて受光面側の第２導電型半導体層の表面に窒化シリコン、酸化チタンなどの反射防止膜を形成してもよい。
次に、半導体基板の裏面に形成された第２導電型半導体層をエッチング除去する。さらに、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、裏面電界層及び裏面電極を形成することが好ましい。
本発明においては、さらに、工程（ｃ）において、得られた半導体基板表面の凸部において第２導電型半導体層と接触する表面電極を形成することが好ましい。表面電極の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば、蒸着、ＣＶＤ法、ＥＢ法、印刷・焼成法等の種々の方法が挙げられる。なかでも、半導体基板の凸部頂点を通るように、導電性ペーストを用いて表面電極を印刷・焼成することにより、簡便かつ確実に、塗布膜の膜厚の薄い凸部頂点付近で反射防止膜を突き抜けて第２導電型半導体層と表面電極とを接触させることができるため、印刷焼成法が好ましい。この場合の条件は、当該分野で公知の材料及び条件等を組み合わせて適宜設定することができる。
溝状の凸部に垂直に表面電極を形成する場合や格子状の凹凸を有する半導体基板の凸部を通るように表面電極を形成する場合、上記表面電極を形成する前に、上記反射防止膜の表面にＳＧ液等を回転塗付法などを用いて塗付・乾燥・焼成することで、凸部から凹部に向かって連続的に厚くなるような塗付膜を形成することが望ましい（図２）。この場合、表面電極の焼成において、塗付膜の膜厚の薄い凸部では塗付膜および反射防止膜を突き抜けて第２導電型半導体層と表面電極とが接触するが、塗付膜の膜厚の厚い凹部では表面電極が貫通できない。その結果、表面電極は凸部頂点付近で第２導電型半導体層と点状に接触する。この接触領域を狭くできる結果、少数キャリアの再結合速度を小さく抑制し、光電変換素子の特性を向上することができる。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
なお、本発明の光電変換素子の製造方法においては、さらに、裏面電界層の形成、裏面電極の形成、反射防止膜の形成、保護膜等の形成を当該分野で公知の方法によって行うことができ、これにより、光電変換素子を完成させることができる。なお、裏面電界層は、裏面に到達した少数キャリアが裏面電極で再結合するのを防止して、高効率化に寄与するものであり、これを実現するものであれば、当該分野で通常使用される材料、方法により形成することができる。
また、本発明の光電変換素子において、特に、凸部で薄く凹部で厚い第２導電型半導体層を有する光電変換素子の場合には、上述のように、半導体基板は、表面に凹凸を有しているが、なかでも、後述のように、表面電極との接触領域となる凹部の底部付近以外の第２導電型半導体層を薄くでき、等価的に第２導電型半導体層をより薄膜化できることから、凸部が縞状に等間隔で配置されたものがより好ましい。凹凸のピッチは、特に限定されるものではないが、後述の表面電極の幅等を考慮して、例えば、１〜３ｍｍ程度である。凹凸の高低差は、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５〜０．１ｍｍ程度が挙げられる。
この場合の第２導電型半導体層は、後述する表面電極との接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有している。言い換えると、半導体基板の凹部から凸部に向かって薄くなる膜厚を有することが好ましい。さらに好ましい形態として、溝が連続して形成される半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、溝と溝との間に位置する縞状の凸部頂点において最も薄くなり、その頂点から溝底部にかけて一様に厚くなるか、あるいは、等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、凸部において最も薄くなり、凸部から凹部に向かって厚くなることが好ましい。
本発明の第２の光電変換素子の製造方法においては、まず、工程（ａ’）において、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板上に、第２導電型不純物を含んだ膜を、凸部から凹部に向かって厚くなるように形成する。当該膜を形成する方法は、適当な膜形成用の塗布液を、回転塗布、ディップ法、スプレー法等により半導体基板上に塗布し、乾燥する方法が挙げられる。なかでも、凹凸を有する基板表面に対し、塗布液を回転塗布等の方法で塗布する場合には、凹部に液が溜まり易いため、容易に、塗布膜を、半導体基板の凸部から凹部に向かって連続的又は段階的に厚くなるように形成することができる。
塗布液としては、例えば、ＰＳＧ液（ＳＧ液に五酸化ニリン等のリン源となるものを混合した液）等が挙げられる。塗布膜の膜厚は、塗布膜自体の材料、不純物の種類等によって適宜調整することができ、例えば、膜厚が最も厚い部分では５０〜３００ｎｍ程度、最も薄いところでは０〜５０ｎｍ程度が適当である。
工程（ｂ’）において、加熱することにより先に形成された膜から半導体基板表面に第２導電型不純物を導入して半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する。
第２導電型不純物の導入は、先に半導体基板上に形成された不純物を含む膜からの拡散を用いて行うため、この膜の膜厚が薄いほど、不純物は導入されにくくなり、その結果、第２導電型半導体層は薄く形成される。つまり、第２導電型半導体層は、半導体基板表面の凹部から凸部に向かって薄くなるような膜厚勾配を有して形成される。
次に、上記膜をエッチング除去した後、プラズマＣＶＤ法などを用いて受光面側の第２導電型半導体層の表面に反射防止膜を形成する。さらに、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、裏面電界層及び裏面電極を形成する。
本発明においては、さらに、工程（ｃ’）において、得られた半導体基板表面の凹部において第２導電型半導体層と線状で接触する表面電極を形成することが好ましい。表面電極の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば、蒸着、ＣＶＤ法、ＥＢ法、印刷・焼成法等の種々の方法が挙げられる。なかでも、半導体基板の凹部底部を通るように、導電性ペーストを用いて表面電極を印刷・焼成することにより、簡便かつ確実に、第２導電型半導体層の膜厚の厚い凹部底部で反射防止膜を突き抜けて表面電極と第２導電型半導体層とを接触させることができるため、印刷焼成法が好ましい。この場合の条件は、当該分野で公知の材料及び条件等を組み合わせて適宜設定することができる。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
以下、本発明の光電変換素子及びその製造方法について、図面に基づいて詳細に説明する。
実施例１
光電変換素子１はＰ型半導体基板を用いたものであり、図１及び図２に示したように、第１導電型であるＰ型半導体基板４と、Ｐ型半導体基板４の表面に形成された第２導電型であるＮ型半導体層５と、その上に形成された反射防止膜６及び塗布膜７と、Ｐ型半導体基板４の裏面に形成された裏面電界層３とを有し、さらに、受光面であるＰ型半導体基板４の表面に、一方向に延設された線状の複数の表面電極８と、Ｐ型半導体基板４の裏面に形成された裏面電極２とを備えて構成される。
Ｐ型半導体基板の表面は格子状の凹凸を有しており、Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も厚く、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に薄く形成されている。一方、塗布膜７は、Ｐ型半導体基板表面の凹部では厚く、凸部では薄く形成されている。表面電極８は、Ｐ型半導体基板の凸部上の接触部９において、Ｎ型半導体層５と部分的に接触している。
この光電変換素子１は、図３のプロセスフローに従って形成することができる。
まず、均一な大きさの凸部が格子状に等間隔（ピッチ：２ｍｍ）に配置されたＰ型半導体基板（最も厚い部分の厚さが３００μｍ程度、最も薄い部分の厚さが２００μｍ程度）上に、ＳＧ液を回転塗布法により塗布し、不純物の拡散に対して障壁となる塗布膜を形成する。これにより、塗布膜は、凸部頂点において、最も薄く形成され、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に厚く形成される。塗布膜の膜厚は、最も厚い部分で２５０ｎｍ程度、最も薄い部分で２０ｎｍ程度に形成される。
次に、塗布膜が形成された状態で、Ｐ型半導体基板にＮ型不純物を熱拡散してＮ型半導体層を形成する。Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も厚く形成され、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に薄く形成される。ここでは、リンを８５０℃で拡散した。この場合、シリコン中、塗布膜中のリンの拡散係数は、それぞれ約５×１０−１５ｃｍ２／秒、約３×１０−１５ｃｍ２／秒となるので、１０分の拡散で最も薄い部分では約０．１μｍ、最も厚い部分では約０．４μｍに形成される。
続いて、エッチングにより塗布膜を除去した後、プラズマＣＶＤ法によりＮ型半導体層表面に膜厚７００ｎｍ程度の略均一な膜厚の窒化シリコン膜を堆積して反射防止膜を形成する。
さらに、裏面エッチングを行って裏面側に形成されたＮ型半導体層を除去した後、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、膜厚５μｍ程度の裏面電界層及び膜厚５０μｍ程度の裏面電極を形成する。
次に、基板表面にＳＧ液を、回転塗布により塗布し、塗布膜を形成する。このとき、塗布膜の膜厚は、凸部頂点で最も薄く、凸部から略放射状に凹部に向かって連続的に厚くなる。塗布膜の膜厚は、最も厚い部分で１００ｎｍ程度、最も薄い部分で５ｎｍ程度に形成される。
その後、塗布膜上に銀ペーストを印刷、焼成することにより、直線状の表面電極を凸部頂点を通るように複数形成する。表面電極の幅は１００μｍで、表面電極間のピッチは２ｍｍに形成される。また、表面電極は、塗布膜が最も薄い凸部頂点で、反射防止膜をファイアスルーして、つまり、電極の印刷焼成工程で、反射防止膜、塗布膜を貫通するような現象が起こり、Ｎ型半導体層と接触する。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
上記の光電変換素子の特性を評価した。その結果を表１に示す。なお、本発明の光電変換素子に対する比較として、図９に示すような、半導体基板の厚みが均一で、Ｎ型半導体層の厚みが表面電極間で最も薄く（０．１μｍ）、表面電極直下全体にわたって最も厚い（０．４μｍ）以外は、上記光電変換素子と実質的に同様の光電変換素子を作製し、その特性を評価した。
表１から、比較例よりも実施例１の光電変換素子の方が、短絡電流が高くなり、光電変換効率が向上していることが分かる。つまり、比較例のＮ型半導体層は、直線状の表面電極が形成された全ての領域直下において膜厚が厚く形成されるのに対し、実施例１のＮ型半導体層は、凸部頂点付近（表面電極と第２導電型半導体層との接触部分）において膜厚が厚く形成される。従って、実施例１の光電変換素子は、比較例のものよりも、等価的に（光電変換素子の全面における厚みを平均化すると）第２導電型半導体層の薄型化がなされている。これにより、短波長感度をより改善できると共に、光生成されたキャリアの抵抗損失を小さくすることができる。また、接触部が点状であるため、表面電極と第２導電型半導体層との接触面積が少なく、接触によるキャリアの再結合を減らすことができる。
なお、Ｎ型半導体層の平均のシート抵抗は、実施例では１２０Ω／□、比較例では９０Ω／□であった。
実施例２
図４に示したように、ピッチが２ｍｍの連続した溝が形成された半導体基板を用い、溝に垂直に表面電極７８を形成した以外は、実施例１と同様の光電変換素子７１を、同様に製造した。なお、図４中、７２〜７９は、図１の２〜９に対応する。
得られた光電変換素子の第２導電型であるＮ型半導体層７５は、基板凸部頂点において最も厚く、凸部頂点から溝底部に向かって連続して薄くなる。最も薄いところでは０．１μｍ、最も厚いところでは０．４μｍとした。また、表面電極は溝と直交して形成され、凸部頂部でＮ型半導体層７５と点で接触している。
上記の光電変換素子の特性を評価した。その結果を表２に示す。なお、本発明の光電変換素子に対する比較例として、図９に示すような、半導体基板の厚みが略均一で、表面電極がＮ型半導体層の最も厚い部分と直線状に接触している以外は、上記光電変換素子と実質的に同様の光電変換素子を作製し、その特性を評価した。
表２から、比較例よりも実施例２の光電変換素子の方が、短絡電流、開放電圧が高くなり、光電変換効率が向上していることが分かる。つまり、比較例では表面電極の接触部分が線状であるのに対し、実施例では接触部が点状であるため、表面電極と第２導電型半導体層との接触面積が少なく、接触によるキャリアの再結合を減らすことができる。
実施例３
図５に示したように、表面電極６８形成の際に塗布膜を形成せず、また、表面電極６８を半導体基板の凸部頂点に沿って溝と平行に形成されている以外は、実施例２と同様の光電変換素子６１を、同様に製造した。なお、図５中、６２〜６６及び６９は、７２〜７６及び７９に対応する。
得られた光電変換素子６１の第２導電型であるＮ型半導体層６５は、基板凸部頂点において最も厚く、凸部頂点から溝底部に向かって連続して薄くなる。最も薄いところでは０．１μｍ、最も厚いところでは０．４μｍとした。また、表面電極６８は凸部頂点に沿って直線状に形成され、凸部頂部でＮ型半導体層６５と線状に接触しており、基板表面に凹凸を有する以外は図９に示す従来例と同一である。
以上に述べたようにレーザーやフォトリソグラフィ工程、多重拡散などの高価な工程を用いることなく、厚みが表面電極間で最も薄く、表面電極直下全体にわたって最も厚いＮ型半導体層を有する光電変換素子が作製された。
実施例４
光電変換素子８１はＰ型半導体基板を用いたものであり、図６に示したように、第１導電型であるＰ型半導体基板８４と、Ｐ型半導体基板８４の表面に形成された第２導電型であるＮ型半導体層８５と、その上に形成された反射防止膜８６と、Ｐ型半導体基板８４の裏面に形成された裏面電界層８３とを有し、さらに、受光面であるＰ型半導体基板８４の表面に、一方向に延設された線状の複数の表面電極８８と、Ｐ型半導体基板８４の裏面に形成された裏面電極８２とを備えて構成される。
Ｐ型半導体基板の表面は溝が連続した凹凸を有しており、Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も薄く、凸部頂点から凹部に向かって連続的に厚く形成されている。表面電極８８は、Ｐ型半導体基板の溝底部の接触部８９において、Ｎ型半導体層５と接触している。
この光電変換素子１は、図７のプロセスフローに従って形成することができる。
まず、略均一な大きさの凸部が連続した縞状に等間隔（ピッチ：２ｍｍ）に配置されたＰ型半導体基板（最も厚い部分の厚さが２５０μｍ程度、最も薄い部分の厚さが２００μｍ程度）上に、ＰＳＧ液等のＮ型不純物を含んだ塗布液を回転塗布法により塗布し、不純物源となる塗布膜を形成する。これにより、塗布膜は、凸部頂点において最も薄く形成され、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に厚く形成される。塗布膜の膜厚は、最も厚い部分で１００ｎｍ程度、最も薄い部分で５ｎｍ程度に形成される。
次に、塗布膜を乾燥し、加熱することにより、Ｐ型半導体基板に塗布膜からＮ型不純物を熱拡散してＮ型半導体層を形成する。Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も薄く形成され、凸部頂点から凹部に向かって連続的に厚く形成される。最も薄い部分では０．１μｍ、最も厚い部分では０．４μｍに形成される。
続いて、エッチングにより塗布膜を除去した後、プラズマＣＶＤ法によりＮ型半導体層表面に膜厚７００ｎｍ程度の略均一な膜厚の窒化シリコン膜を堆積して反射防止膜を形成する。
さらに、裏面エッチングを行って裏面側に形成されたＮ型半導体層を除去した後、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、膜厚５μｍ程度の裏面電界層及び膜厚５０μｍ程度の裏面電極を形成する。
その後、反射防止膜上に銀ペーストを印刷、焼成することにより、直線状の表面電極を溝底部に沿うように複数形成する。表面電極の幅は１００μｍで、表面電極間のピッチは２ｍｍに形成される。表面電極は、反射防止膜をファイアスルーして、つまり、電極の印刷焼成工程で、反射防止膜を貫通するような現象が起こり、Ｎ型半導体層と接触する。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
以上のようにレーザーやフォトリソグラフィ工程、多重拡散などの高価な工程を用いることなく、厚みが表面電極間で最も薄く、表面電極直下全体にわたって最も厚いＮ型半導体層を有する光電変換素子が作製された。
本発明の光電変換素子の製造方法によれば、高価で煩雑なレーザーやフォトリソグラフィ及び多重拡散工程を用いることなく、塗布膜の形成、不純物の導入等の簡便な方法により、所望の膜厚勾配を有する第２導電型半導体層を確実に製造することができるため、製造コストの低減を図ることができるとともに、歩留まりを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の光電変換素子の概略斜視図である。
図２は、図１の光電変換素子の概略断面図である。
図１は、本発明の光電変換素子の概略斜視図である。
図２は、図１の光電変換素子の概略断面図である。
図３は、図１の光電変換素子の製造工程を示すプロセスフロー図である。
図４は、本発明の別の光電変換素子の概略斜視図である。
図５は、本発明のさらに別の光電変換素子の概略斜視図である。
図６は、本発明のさらに別の光電変換素子の概略斜視図である。
図７は、図６の光電変換素子の製造工程を示すプロセスフロー図である。
図８は、従来の光電変換素子の概略断面図である。
図９は、従来の別の光電変換素子の概略斜視図である。
本発明は、光電変換素子及びその製造方法に関し、より詳細には、シリコン太陽電池等において、受光面の拡散層の厚さを変化させることにより光電変換効率を向上させる光電変換素子及びその製造方法に関する。
背景技術
従来の光電変換素子は、図８に示すように、例えば、基板としてのＰ型半導体基板４２の一表面に形成されたＮ型半導体層４３と、その上に形成された集電極４４と、Ｐ型半導体基板４２の裏面に形成された裏面電極４５とから構成されている。
太陽光がＮ型半導体層４３の表面に照射されることにより発生した電流は、Ｎ型半導体層４３内を流れ、集電極４４から取り出される。
一般に、Ｎ型半導体層４３は、厚みが薄いほど光の短波長感度が良好となって発生電流が大きくなるが、その反面、シート抵抗が増加する。そのため、Ｎ型半導体層４３が薄くなると集電極４４から取り出せる電力は低下する。
このことから、光電変換効率を高めるために、Ｎ型半導体層の厚みと集電極の配置の最適化が行われ、例えば、Ｎ型半導体層をできるだけ薄くするとともに、集電極の相互の間隔を適当に狭める工夫がなされている。
しかし、Ｎ型半導体層を薄くし過ぎるとシート抵抗が増加してしまうし、集電極の相互の間隔を狭めるとＮ型半導体層の有効受光面積が減少し、光発生電流が低下するという問題がある。
そこで、Ｎ型半導体層のうち集電極形成部分を厚くし、他の部分を薄くした光電変換素子が提案されている（例えば、特許文献１）。
また、別の例として、図９に示すように、Ｎ型半導体層５１を、集電極５２の相互間の中央部分において薄くし、集電極５２に向かって徐々に厚くした光電変換素子が提案されている（例えば、特許文献２）。この光電変換素子によれば、Ｎ型半導体層５１が薄い部分において短波長感度を向上できるとともに、そこで生成されたキャリアは、徐々に厚くなるＮ型半導体層５１を通って集電極５２に向かうため、直列抵抗損失を小さくすることができる。
しかし、Ｎ型半導体層のうち集電極形成部分を厚くし、他の部分を薄くした光電変換素子では、マスクパターンを形成し、２回の不純物拡散を行うことによりＮ型半導体層を形成する必要がある。
また、図９の光電変換素子では、複数のマスクパターンを形成し、熱拡散を用いて多重拡散又はイオンインプランテーションを行うか、レーザーを用いて多重拡散を行う等によりＮ型半導体層を形成する必要がある。
従って、いずれの光電変換素子も製造工程が複雑となり、コスト高となるという問題がある。
特許文献１：特開昭６２−１２３７７８号公報
特許文献２：特開平４−３５６９７２号公報
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、簡便な製造工程により、光電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明によれば、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板を用いた光電変換素子において、少なくとも該第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層と接続された表面電極と、前記第１導電型半導体基板裏面に形成された裏面電極とを有し、前記第２導電型半導体層が、一部の領域で表面電極と接触し、その接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有してなる光電変換素子が提供される。
また、本発明によれば、（ａ）表面に凹凸を有する半導体基板上に、不純物拡散の障壁となる膜を、凸部頂点から凹部に向かって厚くなるように形成する工程と、
（ｂ）前記膜を通して第２導電型不純物を導入して前記半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する工程と、
（ｃ）半導体基板表面の一部としての凸部に接触する表面電極を形成する工程を含む光電変換素子の製造方法が提供される。
さらに、本発明によれば、（ａ’）表面に凹凸を有する半導体基板上に、第２導電型不純物を含んだ膜を、凸部頂点から凹部に向かって厚くなるように形成する工程と、
（ｂ’）前記膜から第２導電型不純物を導入して前記半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する工程と、
（ｃ’）半導体基板表面の一部としての凹部に接触する表面電極を形成する工程を含む光電変換素子の製造方法が提供される。
発明を実施するための最良の形態
本発明の光電変換素子は、主として、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板を用いており、第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型半導体層と、第２導電型半導体層と接続された表面電極と、第１導電型半導体基板裏面に形成された裏面電極とから構成される。
半導体基板としては、通常、光電変換素子に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等のＩＶ族元素半導体基板、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体基板等が挙げられる。なかでも、シリコンが好ましい。なお、半導体基板は、アモルファス、単結晶、多結晶、いわゆるマイクロクリスタル又はこれらが混在するもののいずれであってもよい。
半導体基板は、導電型をもたせるために第１導電型（例えば、Ｎ型又はＰ型）の不純物がドーピングされている。
不純物の種類は、用いる半導体材料によって適宜選択することができ、例えば、Ｎ型の不純物としては、例えばリン、砒素、アンチモン等が挙げられ、Ｐ型の不純物としては、例えばボロン、アルミニウム、ゲルマニウム、インジウム、チタン等が挙げられる。不純物濃度は特に限定されないが、例えば、０．１〜１０Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有するように調整することが適当である。
また、半導体基板の厚みは、特に限定されないが、適当な強度を確保し、高い光電変換効率を得ることができるように設定することが好ましく、例えば、平均の厚みとして、０．２〜０．４ｍｍ程度が挙げられる。
半導体基板は、表面に凹凸を有している。凹凸のパターンは特に限定されず、例えば、同一又は異なる大きさの凸部が等間隔又はランダムに配置されたものや、凹部として溝が形成されたもの等が挙げられる。なかでも、後述する第２導電型半導体層において発生するキャリアを表面電極から効率よく取り出すために、凸部が等間隔に配置されたものや、溝が所定のピッチで連続して形成されたものが好ましい。凹凸のピッチは、特に限定されるものではないが、後述の表面電極の幅等を考慮して、例えば、１３ｍｍ程度である。凹凸の高低差は、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５ ０．１ｍｍ程度が挙げられる。
表面に凹凸を有する半導体基板は、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。また、特開平１１−３３９０１６号公報に記載されているように、凹凸を形成した基体上に半導体基板を成長させることにより形成することができる。なお、基体の凹凸のパターンを変えることにより、半導体基板の凹凸パターンを所望の形状に形成することができる。
第２導電型半導体層は、半導体基板の一表面、つまり、第１導電型半導体基板の表面に形成されており、第２導電型（Ｐ型又はＮ型）の不純物がドーピングされている。不純物濃度は特に限定されないが、例えば、表面濃度が１×１０１９〜１×１０２１ｃｍ−３程度であり、４０〜１５０Ω／□程度の平均シート抵抗を有するように調整することが適当である。第２導電型半導体層の膜厚は、例えば、最も厚いところで０．３〜０．６μｍ程度、最も薄いところで０．１〜０．２μｍ程度であることが適当である。
なお、第２導電型半導体層上には窒化シリコン膜等の反射防止膜や、例えばチタンガラスを形成することのできるＴＧ液（テトラ−ｉ−プロポキシチタンとアルコール等とを混合した液）や、シリコンガラスを形成することのできるＳＧ液（珪酸エチルとアルコール等とを混合した液）等を塗布した塗布膜または保護膜等が形成されていてもよい。反射防止膜の膜厚は、例えば、６０〜１１０ｎｍ程度、塗布膜等の膜厚は、例えば、２００ｎｍ〜１μｍ程度が挙げられる。
表面電極を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、例えばアルミニウム、銀、銅、アルミニウム・リチウム合金、マグネシウム・銀合金、インジウム等が挙げられる。
裏面電極は、半導体基板裏面に形成されており、例えば、裏面全面にわたって形成されていることが好ましい。裏面電極の膜厚及び材料は、表面電極と同様に適宜調整及び選択することができる。
本発明の光電変換素子において、特に、凸部で厚く凹部で薄い第２導電型半導体層を有する光電変換素子の場合には、第２導電型半導体層は、後述する表面電極との接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有している。言い換えると、半導体基板の凸部から凹部に向かって薄くなる膜厚を有することが好ましい。さらに好ましい形態として、溝が連続して形成される半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、溝と溝との間に位置する縞状の凸部頂点において最も厚くなり、その頂点から溝底部にかけて一様に薄くなるか、あるいは、等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、凸部頂点においてのみ最も厚くなり、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって薄くなることが好ましい。凹凸のピッチは、特に限定されるものではないが、後述の表面電極の幅等を考慮して、例えば、１〜３ｍｍ程度である。凹凸の高低差は、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５〜０．１ｍｍ程度が挙げられる。
この場合、表面電極は、第２導電型半導体層と一部の領域において接続されている。表面電極と第２導電型半導体層とが接触する領域は、特に限定されるものではないが、例えば、第２導電型半導体層の最も厚い領域において接触していることが適当である。例えば、半導体基板に溝が連続して形成されている場合には、溝と溝との間に位置する縞状の凸部頂点における線状の領域で接触していてもよいし、凸部頂点に等間隔で配置される接触領域において接触していてもよい。あるいは等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板の場合には、凸部頂点においてのみ点状に接触していてもよい。表面電極と第２導電型半導体層との接触領域の形状はどのようなものであってもよいが、コンタクト抵抗、表面再結合等を考慮して、全体で基板表面に対して０．１％程度以上、３％程度以下の接触面積を有することが好ましい。
表面電極の形状は、特に限定されないが、等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板を用いる場合には、１つの表面電極が複数の凸部頂点を通るように、複数本形成されるのが好ましい。表面電極の膜厚は、例えば、５〜２０μｍ程度が挙げられ、幅は、例えば５０〜１５０μｍ程度が適当であり、表面電極間のピッチは均一であることが好ましい。このピッチは、半導体基板の凸部の配置によって適宜調整され、例えば１〜３ｍｍ程度が適当である。
本発明の第１の光電変換素子の製造方法においては、まず、工程（ａ）において、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板上に、不純物拡散の障壁となる膜を、凸部から凹部に向かって厚くなるように形成する。
また、第２導電型半導体層を形成する方法は、半導体基板表面に第２導電型の不純物を気相拡散、固相拡散、イオン注入等によってドーピングする方法、第２導電型半導体層を、第２導電型不純物をドーピングしながら成長させる方法等のいずれの方法であってもよい。
半導体基板上に不純物拡散の障壁となる膜を形成する方法は、適当な膜形成用の塗布液を、回転塗布、ディップ法、スプレー法等により半導体基板上に塗布し、乾燥する方法が挙げられる。なかでも、凹凸を有する基板表面に対し、塗布液を回転塗布等の方法で塗布する場合には、凹部に液が溜まり易いため、容易に、塗布膜を、半導体基板の凸部から凹部に向かって連続的又は段階的に厚くなるように形成することができる。
塗布液としては、例えば、チタンガラスを形成することのできるＴＧ液や、シリコンガラスを形成することのできるＳＧ液等が挙げられる。塗布膜の膜厚は、塗布膜自体の材料、後述する第２導電型の不純物の拡散方法及び不純物の種類等によって適宜調整することができ、例えば、膜厚が最も厚い部分では５０〜３００ｎｍ程度、最も薄いところでは０〜５０ｎｍ程度が適当である。
工程（ｂ）において、先に形成された膜を通して、得られた半導体基板に第２導電型不純物を導入して半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する。
第２導電型不純物の導入は、先に半導体基板上に形成された不純物拡散の障壁となる膜を通して行うため、この膜の膜厚が厚いほど、不純物は導入されにくくなり、その結果、第２導電型半導体層は薄く形成される。つまり、第２導電型半導体層は、半導体基板表面の凸部から凹部に向かって薄くなるような膜厚勾配を有して形成される。ここでの不純物の導入は、不純物拡散の障壁となる膜を通して行うことができる方法であれば特に限定されるものではなく、気相拡散（熱拡散）、固相拡散、イオン注入等の種々の方法が挙げられる。なかでも、工程の簡便さから、気相拡散を利用することが好ましい。この場合の条件は、当該分野で公知の条件を組み合わせて設定することができる。
上記障壁膜をエッチング除去した後、プラズマＣＶＤ法、大気圧ＣＶＤ法、回転塗布法などを用いて受光面側の第２導電型半導体層の表面に窒化シリコン、酸化チタンなどの反射防止膜を形成してもよい。
次に、半導体基板の裏面に形成された第２導電型半導体層をエッチング除去する。さらに、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、裏面電界層及び裏面電極を形成することが好ましい。
本発明においては、さらに、工程（ｃ）において、得られた半導体基板表面の凸部において第２導電型半導体層と接触する表面電極を形成することが好ましい。表面電極の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば、蒸着、ＣＶＤ法、ＥＢ法、印刷・焼成法等の種々の方法が挙げられる。なかでも、半導体基板の凸部頂点を通るように、導電性ペーストを用いて表面電極を印刷・焼成することにより、簡便かつ確実に、塗布膜の膜厚の薄い凸部頂点付近で反射防止膜を突き抜けて第２導電型半導体層と表面電極とを接触させることができるため、印刷焼成法が好ましい。この場合の条件は、当該分野で公知の材料及び条件等を組み合わせて適宜設定することができる。
溝状の凸部に垂直に表面電極を形成する場合や格子状の凹凸を有する半導体基板の凸部を通るように表面電極を形成する場合、上記表面電極を形成する前に、上記反射防止膜の表面にＳＧ液等を回転塗付法などを用いて塗付・乾燥・焼成することで、凸部から凹部に向かって連続的に厚くなるような塗付膜を形成することが望ましい（図２）。この場合、表面電極の焼成において、塗付膜の膜厚の薄い凸部では塗付膜および反射防止膜を突き抜けて第２導電型半導体層と表面電極とが接触するが、塗付膜の膜厚の厚い凹部では表面電極が貫通できない。その結果、表面電極は凸部頂点付近で第２導電型半導体層と点状に接触する。この接触領域を狭くできる結果、少数キャリアの再結合速度を小さく抑制し、光電変換素子の特性を向上することができる。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
なお、本発明の光電変換素子の製造方法においては、さらに、裏面電界層の形成、裏面電極の形成、反射防止膜の形成、保護膜等の形成を当該分野で公知の方法によって行うことができ、これにより、光電変換素子を完成させることができる。なお、裏面電界層は、裏面に到達した少数キャリアが裏面電極で再結合するのを防止して、高効率化に寄与するものであり、これを実現するものであれば、当該分野で通常使用される材料、方法により形成することができる。
また、本発明の光電変換素子において、特に、凸部で薄く凹部で厚い第２導電型半導体層を有する光電変換素子の場合には、上述のように、半導体基板は、表面に凹凸を有しているが、なかでも、後述のように、表面電極との接触領域となる凹部の底部付近以外の第２導電型半導体層を薄くでき、等価的に第２導電型半導体層をより薄膜化できることから、凸部が縞状に等間隔で配置されたものがより好ましい。凹凸のピッチは、特に限定されるものではないが、後述の表面電極の幅等を考慮して、例えば、１〜３ｍｍ程度である。凹凸の高低差は、特に限定されるものではないが、例えば、０．０５〜０．１ｍｍ程度が挙げられる。
この場合の第２導電型半導体層は、後述する表面電極との接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有している。言い換えると、半導体基板の凹部から凸部に向かって薄くなる膜厚を有することが好ましい。さらに好ましい形態として、溝が連続して形成される半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、溝と溝との間に位置する縞状の凸部頂点において最も薄くなり、その頂点から溝底部にかけて一様に厚くなるか、あるいは、等間隔又は格子状の凸部を有する半導体基板では、第２導電型半導体層の膜厚は、凸部において最も薄くなり、凸部から凹部に向かって厚くなることが好ましい。
本発明の第２の光電変換素子の製造方法においては、まず、工程（ａ’）において、表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板上に、第２導電型不純物を含んだ膜を、凸部から凹部に向かって厚くなるように形成する。当該膜を形成する方法は、適当な膜形成用の塗布液を、回転塗布、ディップ法、スプレー法等により半導体基板上に塗布し、乾燥する方法が挙げられる。なかでも、凹凸を有する基板表面に対し、塗布液を回転塗布等の方法で塗布する場合には、凹部に液が溜まり易いため、容易に、塗布膜を、半導体基板の凸部から凹部に向かって連続的又は段階的に厚くなるように形成することができる。
塗布液としては、例えば、ＰＳＧ液（ＳＧ液に五酸化ニリン等のリン源となるものを混合した液）等が挙げられる。塗布膜の膜厚は、塗布膜自体の材料、不純物の種類等によって適宜調整することができ、例えば、膜厚が最も厚い部分では５０〜３００ｎｍ程度、最も薄いところでは０〜５０ｎｍ程度が適当である。
工程（ｂ’）において、加熱することにより先に形成された膜から半導体基板表面に第２導電型不純物を導入して半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する。
第２導電型不純物の導入は、先に半導体基板上に形成された不純物を含む膜からの拡散を用いて行うため、この膜の膜厚が薄いほど、不純物は導入されにくくなり、その結果、第２導電型半導体層は薄く形成される。つまり、第２導電型半導体層は、半導体基板表面の凹部から凸部に向かって薄くなるような膜厚勾配を有して形成される。
次に、上記膜をエッチング除去した後、プラズマＣＶＤ法などを用いて受光面側の第２導電型半導体層の表面に反射防止膜を形成する。さらに、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、裏面電界層及び裏面電極を形成する。
本発明においては、さらに、工程（ｃ’）において、得られた半導体基板表面の凹部において第２導電型半導体層と線状で接触する表面電極を形成することが好ましい。表面電極の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば、蒸着、ＣＶＤ法、ＥＢ法、印刷・焼成法等の種々の方法が挙げられる。なかでも、半導体基板の凹部底部を通るように、導電性ペーストを用いて表面電極を印刷・焼成することにより、簡便かつ確実に、第２導電型半導体層の膜厚の厚い凹部底部で反射防止膜を突き抜けて表面電極と第２導電型半導体層とを接触させることができるため、印刷焼成法が好ましい。この場合の条件は、当該分野で公知の材料及び条件等を組み合わせて適宜設定することができる。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
以下、本発明の光電変換素子及びその製造方法について、図面に基づいて詳細に説明する。
実施例１
光電変換素子１はＰ型半導体基板を用いたものであり、図１及び図２に示したように、第１導電型であるＰ型半導体基板４と、Ｐ型半導体基板４の表面に形成された第２導電型であるＮ型半導体層５と、その上に形成された反射防止膜６及び塗布膜７と、Ｐ型半導体基板４の裏面に形成された裏面電界層３とを有し、さらに、受光面であるＰ型半導体基板４の表面に、一方向に延設された線状の複数の表面電極８と、Ｐ型半導体基板４の裏面に形成された裏面電極２とを備えて構成される。
Ｐ型半導体基板の表面は格子状の凹凸を有しており、Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も厚く、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に薄く形成されている。一方、塗布膜７は、Ｐ型半導体基板表面の凹部では厚く、凸部では薄く形成されている。表面電極８は、Ｐ型半導体基板の凸部上の接触部９において、Ｎ型半導体層５と部分的に接触している。
この光電変換素子１は、図３のプロセスフローに従って形成することができる。
まず、均一な大きさの凸部が格子状に等間隔（ピッチ：２ｍｍ）に配置されたＰ型半導体基板（最も厚い部分の厚さが３００μｍ程度、最も薄い部分の厚さが２００μｍ程度）上に、ＳＧ液を回転塗布法により塗布し、不純物の拡散に対して障壁となる塗布膜を形成する。これにより、塗布膜は、凸部頂点において、最も薄く形成され、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に厚く形成される。塗布膜の膜厚は、最も厚い部分で２５０ｎｍ程度、最も薄い部分で２０ｎｍ程度に形成される。
次に、塗布膜が形成された状態で、Ｐ型半導体基板にＮ型不純物を熱拡散してＮ型半導体層を形成する。Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も厚く形成され、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に薄く形成される。ここでは、リンを８５０℃で拡散した。この場合、シリコン中、塗布膜中のリンの拡散係数は、それぞれ約５×１０−１５ｃｍ２／秒、約３×１０−１５ｃｍ２／秒となるので、１０分の拡散で最も薄い部分では約０．１μｍ、最も厚い部分では約０．４μｍに形成される。
続いて、エッチングにより塗布膜を除去した後、プラズマＣＶＤ法によりＮ型半導体層表面に膜厚７００ｎｍ程度の略均一な膜厚の窒化シリコン膜を堆積して反射防止膜を形成する。
さらに、裏面エッチングを行って裏面側に形成されたＮ型半導体層を除去した後、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、膜厚５μｍ程度の裏面電界層及び膜厚５０μｍ程度の裏面電極を形成する。
次に、基板表面にＳＧ液を、回転塗布により塗布し、塗布膜を形成する。このとき、塗布膜の膜厚は、凸部頂点で最も薄く、凸部から略放射状に凹部に向かって連続的に厚くなる。塗布膜の膜厚は、最も厚い部分で１００ｎｍ程度、最も薄い部分で５ｎｍ程度に形成される。
その後、塗布膜上に銀ペーストを印刷、焼成することにより、直線状の表面電極を凸部頂点を通るように複数形成する。表面電極の幅は１００μｍで、表面電極間のピッチは２ｍｍに形成される。また、表面電極は、塗布膜が最も薄い凸部頂点で、反射防止膜をファイアスルーして、つまり、電極の印刷焼成工程で、反射防止膜、塗布膜を貫通するような現象が起こり、Ｎ型半導体層と接触する。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
上記の光電変換素子の特性を評価した。その結果を表１に示す。なお、本発明の光電変換素子に対する比較として、図９に示すような、半導体基板の厚みが均一で、Ｎ型半導体層の厚みが表面電極間で最も薄く（０．１μｍ）、表面電極直下全体にわたって最も厚い（０．４μｍ）以外は、上記光電変換素子と実質的に同様の光電変換素子を作製し、その特性を評価した。
なお、Ｎ型半導体層の平均のシート抵抗は、実施例では１２０Ω／□、比較例では９０Ω／□であった。
実施例２
図４に示したように、ピッチが２ｍｍの連続した溝が形成された半導体基板を用い、溝に垂直に表面電極７８を形成した以外は、実施例１と同様の光電変換素子７１を、同様に製造した。なお、図４中、７２〜７９は、図１の２〜９に対応する。
得られた光電変換素子の第２導電型であるＮ型半導体層７５は、基板凸部頂点において最も厚く、凸部頂点から溝底部に向かって連続して薄くなる。最も薄いところでは０．１μｍ、最も厚いところでは０．４μｍとした。また、表面電極は溝と直交して形成され、凸部頂部でＮ型半導体層７５と点で接触している。
上記の光電変換素子の特性を評価した。その結果を表２に示す。なお、本発明の光電変換素子に対する比較例として、図９に示すような、半導体基板の厚みが略均一で、表面電極がＮ型半導体層の最も厚い部分と直線状に接触している以外は、上記光電変換素子と実質的に同様の光電変換素子を作製し、その特性を評価した。
実施例３
図５に示したように、表面電極６８形成の際に塗布膜を形成せず、また、表面電極６８を半導体基板の凸部頂点に沿って溝と平行に形成されている以外は、実施例２と同様の光電変換素子６１を、同様に製造した。なお、図５中、６２〜６６及び６９は、７２〜７６及び７９に対応する。
得られた光電変換素子６１の第２導電型であるＮ型半導体層６５は、基板凸部頂点において最も厚く、凸部頂点から溝底部に向かって連続して薄くなる。最も薄いところでは０．１μｍ、最も厚いところでは０．４μｍとした。また、表面電極６８は凸部頂点に沿って直線状に形成され、凸部頂部でＮ型半導体層６５と線状に接触しており、基板表面に凹凸を有する以外は図９に示す従来例と同一である。
以上に述べたようにレーザーやフォトリソグラフィ工程、多重拡散などの高価な工程を用いることなく、厚みが表面電極間で最も薄く、表面電極直下全体にわたって最も厚いＮ型半導体層を有する光電変換素子が作製された。
実施例４
光電変換素子８１はＰ型半導体基板を用いたものであり、図６に示したように、第１導電型であるＰ型半導体基板８４と、Ｐ型半導体基板８４の表面に形成された第２導電型であるＮ型半導体層８５と、その上に形成された反射防止膜８６と、Ｐ型半導体基板８４の裏面に形成された裏面電界層８３とを有し、さらに、受光面であるＰ型半導体基板８４の表面に、一方向に延設された線状の複数の表面電極８８と、Ｐ型半導体基板８４の裏面に形成された裏面電極８２とを備えて構成される。
Ｐ型半導体基板の表面は溝が連続した凹凸を有しており、Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も薄く、凸部頂点から凹部に向かって連続的に厚く形成されている。表面電極８８は、Ｐ型半導体基板の溝底部の接触部８９において、Ｎ型半導体層５と接触している。
この光電変換素子１は、図７のプロセスフローに従って形成することができる。
まず、略均一な大きさの凸部が連続した縞状に等間隔（ピッチ：２ｍｍ）に配置されたＰ型半導体基板（最も厚い部分の厚さが２５０μｍ程度、最も薄い部分の厚さが２００μｍ程度）上に、ＰＳＧ液等のＮ型不純物を含んだ塗布液を回転塗布法により塗布し、不純物源となる塗布膜を形成する。これにより、塗布膜は、凸部頂点において最も薄く形成され、凸部頂点から略放射状に凹部に向かって連続的に厚く形成される。塗布膜の膜厚は、最も厚い部分で１００ｎｍ程度、最も薄い部分で５ｎｍ程度に形成される。
次に、塗布膜を乾燥し、加熱することにより、Ｐ型半導体基板に塗布膜からＮ型不純物を熱拡散してＮ型半導体層を形成する。Ｎ型半導体層の厚さは、凸部頂点で最も薄く形成され、凸部頂点から凹部に向かって連続的に厚く形成される。最も薄い部分では０．１μｍ、最も厚い部分では０．４μｍに形成される。
続いて、エッチングにより塗布膜を除去した後、プラズマＣＶＤ法によりＮ型半導体層表面に膜厚７００ｎｍ程度の略均一な膜厚の窒化シリコン膜を堆積して反射防止膜を形成する。
さらに、裏面エッチングを行って裏面側に形成されたＮ型半導体層を除去した後、裏面にアルミペーストを印刷、焼成して、膜厚５μｍ程度の裏面電界層及び膜厚５０μｍ程度の裏面電極を形成する。
その後、反射防止膜上に銀ペーストを印刷、焼成することにより、直線状の表面電極を溝底部に沿うように複数形成する。表面電極の幅は１００μｍで、表面電極間のピッチは２ｍｍに形成される。表面電極は、反射防止膜をファイアスルーして、つまり、電極の印刷焼成工程で、反射防止膜を貫通するような現象が起こり、Ｎ型半導体層と接触する。
最後に、表面電極に半田コートして光電変換素子が完成する。
以上のようにレーザーやフォトリソグラフィ工程、多重拡散などの高価な工程を用いることなく、厚みが表面電極間で最も薄く、表面電極直下全体にわたって最も厚いＮ型半導体層を有する光電変換素子が作製された。
本発明の光電変換素子の製造方法によれば、高価で煩雑なレーザーやフォトリソグラフィ及び多重拡散工程を用いることなく、塗布膜の形成、不純物の導入等の簡便な方法により、所望の膜厚勾配を有する第２導電型半導体層を確実に製造することができるため、製造コストの低減を図ることができるとともに、歩留まりを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の光電変換素子の概略斜視図である。
図２は、図１の光電変換素子の概略断面図である。
図１は、本発明の光電変換素子の概略斜視図である。
図２は、図１の光電変換素子の概略断面図である。
図３は、図１の光電変換素子の製造工程を示すプロセスフロー図である。
図４は、本発明の別の光電変換素子の概略斜視図である。
図５は、本発明のさらに別の光電変換素子の概略斜視図である。
図６は、本発明のさらに別の光電変換素子の概略斜視図である。
図７は、図６の光電変換素子の製造工程を示すプロセスフロー図である。
図８は、従来の光電変換素子の概略断面図である。
図９は、従来の別の光電変換素子の概略斜視図である。
Claims (7)
- 表面に凹凸を有する第１導電型半導体基板を用いた光電変換素子において、少なくとも該第１導電型半導体基板表面に形成された第２導電型半導体層と、該第２導電型半導体層と接続された表面電極と、前記第１導電型半導体基板裏面に形成された裏面電極とを有し、
前記第２導電型半導体層が、一部の領域で表面電極と接触し、その接触領域から離れるにしたがって薄くなる構造を有してなることを特徴とする光電変換素子。 - 半導体基板が、所定の間隔に並んだ凸部を有し、第２導電型半導体層が、凸部から凹部に向かって薄くなる構造を有する請求項１に記載の光電変換素子。
- 凸部に表面電極を有する請求項２に記載の光電変換素子。
- 半導体基板が、所定の間隔に並んだ凸部を有し、第２導電型半導体層が、凸部頂点から凹部に向かって厚くなる構造を有する請求項１に記載の光電変換素子。
- 凹部に表面電極を有する請求項４に記載の光電変換素子。
- （ａ）表面に凹凸を有する半導体基板上に、不純物拡散の障壁となる膜を、凸部から凹部に向かって厚くなるように形成する工程と、
（ｂ）前記膜を通して第２導電型不純物を導入して前記半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する工程と、
（ｃ）半導体基板表面の一部としての凸部に接触する表面電極を形成する工程を含む光電変換素子の製造方法。 - （ａ’）表面に凹凸を有する半導体基板上に、第２導電型不純物を含んだ膜を、凸部から凹部に向かって厚くなるように形成する工程と、
（ｂ’）前記膜から第２導電型不純物を導入して前記半導体基板表面に第２導電型半導体層を形成する工程と、
（ｃ’）半導体基板表面の一部としての凹部に接触する表面電極を形成する工程を含む光電変換素子の製造方法。
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