JP4562381B2

JP4562381B2 - 化合物半導体太陽電池素子の製造方法

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Publication number: JP4562381B2
Application number: JP2003403109A
Authority: JP
Inventors: 修安沢; 英俊鷲尾; 一世中村; 達也高本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP2005166913A

Description

本発明は、化合物半導体太陽電池素子の製造方法に関し、さらに詳しくは、エッチングにて化合物半導体太陽電池素子を製造する製造方法に関する。

一般に、化合物半導体太陽電池素子の製造においては、発生電力を向上するためにｐｎ接合端面でのキャリアの再結合を抑制することにより、素子の並列抵抗の低下を防ぐ必要がある。

基板上に化合物半導体層によるｐｎ接合が形成された化合物半導体太陽電池素子においては、前記したキャリアの再結合を抑制する目的で、従来では、下記の工程にしたがって基板状態の素子の切り出す部分に形成されている化合物半導体層を、事前に化学処理にてメサエッチングを実施した後に、メサエッチング部分を機械的に切断することで、ｐｎ接合端面でのキャリアの再結合を抑制している（例えば、特許文献１参照。）。

また、前記基板が半導体基板であり、当該半導体基板の表面にｐｎ接合からなる化合物半導体太陽電池素子が形成された多接合型化合物半導体太陽電池素子においても、基板上での後工程で素子を切り出す部分に形成されている化合物半導体層、及び、基板の表面に形成されているｐｎ接合の一部を、事前に化学処理にてメサエッチングしている。

従来の化合物半導体太陽電池素子の製造工程の一例を図３に示す。

まず、前工程の処理により、図３（１）に示すように、基板１１０上に、化合物半導体層１２０、第１導電型の化合物半導体層１３０、及び、第２導電型の化合物半導体層１４０が順次積層されている。この図３（１）に示す積層構造のものを、以下の工程により処理することで化合物半導体太陽電池素子を製造する。

（１）基板１１０上に積層されている複数の化合物半導体層１２０〜１４０の最表層の化合物半導体層１４０の表面上にフォトレジスト１５０を塗布する工程（図３（２））。

（２）後工程で基板及び化合物半導体層を所望の形状に切り出す際の切り出し形状部分１０７に合わせて、フォトレジスト１５０のパターニングを行って開口部１０６を形成する工程（図３（３））。

（３）パターニングしたフォトレジスト１０５をマスクとして、化学処理による選択エッチングを行って、基板１１０上の複数の化合物半導体層１２０〜１４０、あるいは複数の化合物半導体層１２０〜１４０と基板１１０の一部とを除去する工程（図３（４））。

（４）前記した選択エッチングにて基板が露出した部分１１１の一部１０８を機械的に切断する工程（図３（５））。

以上の工程（１）〜（４）の各処理を順次実施することにより、図３（６）に示すように、基板１０１上に、化合物半導体からなるバッファー層１０２、第１導電型の化合物半導体からなるベース層１０３、及び、第２導電型の化合物半導体からなるエミッター層１０４が順次積層された化合物半導体太陽電池素子を得ることができる。
特開平８−２７４３５８号公報

しかしながら、図３に示すような従来の製造方法では、上記した工程（２）のフォトレジストのパターニングを行う際に、後工程で切断する所望の切り出し形状部分１０７に合わせてパターニングの位置あわせを行う必要があり、製造工程が複雑となり歩留まりが低下するといった問題がある。

また、基板上に形成された化合物半導体層が３層以上である化合物半導体太陽電池素子の選択エッチングにおいては、それぞれの化合物半導体層を溶解させるエッチャント（エッチング液）の種類が異なる場合があり、同一のエッチャントへ複数回浸漬することが必要となる場合がある。

例えば、図３に示す化合物半導体層１２０と第２導電型の化合物半導体層１４０とが同一のエッチャントＡで溶解される材料であり、第１導電型の化合物半導体層１３０がそれとは異なるエッチャントＢで溶解される材料である場合、これら３層の化合物半導体層を溶解するためには、エッチャントＡへの浸漬により最表層の第２導電型の化合物半導体層１４０をエッチングして、その下層の第１導電型の化合物半導体層１３０を開口した後、エッチャントＢへの浸漬により第１導電型の化合物半導体層１３０をエッチングして化合物半導体層１２０を開口する。その後、再度エッチャントＡへの浸漬を行って化合物半導体層１２０をエッチングするという作業が必要となり、合計３回の浸漬を実施する必要があり、エッチャントへの浸漬回数が多くなるという問題がある。しかも、エッチャントＡに２度浸漬することになるので、化合物半導体層１４０の横方向のエッチング量が増し、太陽電池素子の特性が低下するという問題もある。

本発明はそのような問題点に鑑みてなされたものであり、基板上に複数の化合物半導体層が形成されてなる化合物半導体太陽電池素子を製造するにあたり、パターニング作業を削減し、エッチャントへの浸漬回数を低減することが可能な化合物半導体太陽電池素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の製造方法は、基板と、前記基板の上に積層された第１化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層の上に積層された第２化合物半導体層と、前記第２化合物半導体層の上に積層された第３化合物半導体層とを備え、前記第１化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は第１エッチング液でエッチングされ易く前記第１エッチング液とは異なる第２エッチング液でエッチングされ難い材料で形成され、前記第２化合物半導体層は前記第２エッチング液でエッチングされ易く前記第１エッチング液でエッチングされ難い材料で形成された化合物半導体太陽電池素子の製造方法であって、前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層を前記基板上に順次積層する工程と、前記第１エッチング液および前記第２エッチング液から保護するための保護膜を前記第３化合物半導体層の上に形成する保護膜形成工程と、前記基板、前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層を機械的に切断して切断部分を有する前記化合物半導体太陽電池素子を切り出す切り出し工程と、切り出した前記化合物半導体太陽電池素子を前記第１エッチング液に浸漬して前記第１化合物半導体層および前記第３化合物半導体層の前記切断部分に対して前記第１エッチング液によるエッチングを施す工程と、切り出した前記化合物半導体太陽電池素子を前記第２エッチング液に浸漬して前記第２化合物半導体層の前記切断部分に対して前記第２エッチング液によるエッチングを施す工程とを備えることを特徴としている。

本発明の製造方法によれば、基板上に形成された化合物半導体層の最表面上に保護膜を形成する工程及び素子の切り出しを行う工程の後に、化合物半導体層の切断部分に対してエッチングする工程を実施しているので、同一エッチャントにより溶解可能な化合物半導体層を一括してエッチングすることが可能となり、エッチャントへの浸漬回数を低減することが可能になる。また、化合物半導体層の最表面上に形成する保護膜を所定の形状にパターニングする作業を削減することも可能になる。

本発明の製造方法において、前記化合物半導体層の最表面層をエッチング液から保護するための保護膜をフォトレジストとし、化合物半導体太陽電池素子を最終形状に切り出す形状に合わせてフォトレジストをパターニングして開口部を形成するようにしてもよい。このようにフォトレジストをパターニングしておくと、化合物半導体層のエッチングする部分のエッチング進行状況を容易に確認することが可能となり、エッチング工程の信頼性が向上する。

本発明の製造方法によれば、基板上に形成された化合物半導体層の最表面上に保護膜を形成する工程及び素子の切り出しを行う工程の後に、化合物半導体層の切断部分に対してエッチングする工程を実施しているので、エッチャントへの浸漬回数を低減することが可能になり、より高い信頼性を有するエッチングを行うことができる。その結果、化合物半導体太陽電池素子を、特性低下を招くことなく簡単に製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

＜実施形態１＞
図１は基板上に組成の異なる複数（３層）の化合物半導体層が積層されてなる化合物半導体太陽電池素子の製造に本発明を適用した例を模式的に示す断面図である。なお、図１には、化合物半導体太陽電池素子の製造工程の一部のみを示しており、製造工程の全てを示すものではない。

この実施形態では、前工程の処理により、図１（１）に示すように、基板１０上に、化合物半導体層２０（第１化合物半導体層２０）、第１導電型の化合物半導体層３０（第２化合物半導体層３０）、及び、第２導電型の化合物半導体層４０（第３化合物半導体層４０）が順次積層されているものを、以下の工程により処理することで化合物半導体太陽電池素子を製造する。

（Ｓ１）基板１０上に形成された化合物半導体層２０〜４０の最表面を化学処理から保護するために、化合物半導体層２０〜４０の最表面上（化合物半導体層４０の表面上）に保護膜５０を形成する工程（図１（２））。

（Ｓ２）基板１０及びこの基板１０上に形成された化合物半導体層２０〜４０の所定部分７を機械的に切断することにより化合物半導体太陽電池素子を所定の形状に切り出す工程（図１（３））。

（Ｓ３）前記切り出した基板１１をエッチャントに浸漬し、保護膜５をマスクとして前記機械的な切断により形成された化合物半導体層１２，１３，１４（第１化合物半導体層１２、第２化合物半導体層１３、第３化合物半導体層１４）の各層の切断部分に生成された化合物半導体結晶の結晶欠陥を多く含む部分と、基板１１の切断部分とを化学処理によりエッチング（横方向エッチング）する工程（図１（４））。

（Ｓ４）マスクとして用いた保護膜５を剥離する工程。

以上の工程（Ｓ１）〜（Ｓ４）の各処理を順次実施することにより、図１（５）に示すように、基板１上に、化合物半導体からなるバッファー層２（第１化合物半導体層１２）、第１導電型の化合物半導体からなるベース層３（第２化合物半導体層１３）、及び、第２導電型の化合物半導体からなるエミッター層４（第３化合物半導体層１４）が順次積層された化合物半導体太陽電池素子を得ることができる。

なお、この実施形態に用いる基板１０としては、ＧｅやＧａＡｓなどが挙げられる。また、化合物半導体層としては、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰなどが挙げられ、これらのエッチャントとしては、ＨＣｌ系エッチャント、アンモニア／過酸化水素エッチャント、硫酸系エッチャント等が挙げられる。

ここで、図１に示す実施形態では、基板１の上に形成された化合物半導体層を便宜上、３層示しているが、これらバッファー層２、ベース層３、エミッター層４の他に、ＢＳＦ（ＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＦｉｅｌｄ：裏面電界）層、窓層、及び多接合型太陽電池のトンネル接合層や、多接合型太陽電池の他のベース層、エミッター層等の化合物半導体層が含まれた、異なる組成からなる３層以上の複数層であっても構わない。

また、前記した工程（Ｓ１）で使用する保護膜５は、化合物半導体層をエッチングするエッチャントに対する耐性を有するものであればよいが、フォトレジストであることが好ましい。

前記した保護膜を形成する工程（Ｓ１）と、所定の形状に切り出す工程（Ｓ２）の実施の順序はどちらが先であってもよいが、工程（Ｓ１）→工程（Ｓ２）の順序で実施することが好ましい。

前記した工程（Ｓ２）において、化合物半導体層を切り出す方法としては、スクライブラインを引いた後にへき開を行う方法や、ダイシングにより直接切り出す方法がある。

また、前記した工程（３）の化学処理によるエッチングの前に、基板１０の裏面（化合物半導体層の形成面の反対側の面）をエッチャントから保護するために保護膜を形成してもよく、さらには、保護膜形成工程（Ｓ１）の前に基板１０の裏面（化合物半導体層の形成面の反対側の面）をエッチングしてもよい。

この実施形態によれば、図３に示した従来技術のように保護膜１５０を所定の形状にパターニングする必要が無く、基板上に形成された化合物半導体層の層数を問わず工程簡略化による効果が得られる。

また、基板上に形成された化合物半導体層の層数が異なる組成からなる３層以上であって、それぞれの化合物半導体層を溶解させるエッチャントの種類が異なる場合でも、同一のエッチャントにより溶解する化合物半導体層は切断面部分から同時にエッチングが進行するので、それら化合物半導体層を一度にエッチングすることが可能であり、図３に示した従来技術のように同一エッチャントへ複数回浸漬する必要がない。

例えば、図１に示す化合物半導体層１２及び第２導電型の化合物半導体層１４が同一のエッチャントＡ（第１エッチング液）で溶解される材料であり、第１導電型の化合物半導体層１３がそれとは異なるエッチャントＢ（第２エッチング液）で溶解される材料であった場合でも、基板１１をエッチャントＡ及びエッチャントＢに２回（つまり、各エッチャントにそれぞれ１回）浸漬するだけで、化合物半導体層１２〜１４の切断部分をエッチングすることが可能である。

＜実施形態２＞
図２は基板上に組成の異なる複数（３層）の化合物半導体層が積層されてなる化合物半導体太陽電池素子の製造に本発明を適用した他の例を模式的に示す断面図である。なお、図２には、化合物半導体太陽電池素子の製造工程の一部のみを示しており、製造工程の全てを示すものではない。

この実施形態では、前工程の処理により、図２（１）に示すように、基板１０上に、化合物半導体層２０（第１化合物半導体層２０）、第１導電型の化合物半導体層３０（第２化合物半導体層３０）、及び、第２導電型の化合物半導体層４０（第３化合物半導体層４０）が順次積層されているものを、以下の工程により処理することで化合物半導体太陽電池素子を製造する。

（Ｓ１１）基板１０上に形成された化合物半導体層２０〜４０の最表面を化学処理から保護するために、化合物半導体層２０〜４０の最表面上（化合物半導体層４０の表面上）にフォトレジスト５２を形成する工程（図２（２））。

（Ｓ１２）後工程で基板及び化合物半導体層を所望の形状に切り出す際の切り出し形状部分１０７に合わせて、フォトレジスト５２のパターニングを行って開口部６を形成する工程（図２（３））。

（Ｓ１３）基板１０及びこの基板１０上に形成された化合物半導体層２０〜４０の所定部分８（開口部６内の一部）を機械的に切断することにより化合物半導体太陽電池素子を所定の形状に切り出す工程（図２（４））。

（Ｓ１４）前記切り出した基板２１をエッチャントに浸漬し、フォトレジスト５１をマスクとして前記機械的な切断により形成された化合物半導体層２２，２３，２４（第１化合物半導体層２２、第２化合物半導体層２３、第３化合物半導体層２４）の切断部分に生成された化合物半導体結晶の結晶欠陥を多く含む部分と、基板２１の切断部分を化学処理によりエッチングする工程（図２（５））。

（Ｓ１５）マスクとして用いたフォトレジスト５１を剥離する工程。

以上の工程（Ｓ１１）〜（Ｓ１５）の各処理を順次実施することにより、図２（６）に示すように、基板１上に、化合物半導体からなるバッファー層２（第１化合物半導体層２２）、第１導電型の化合物半導体からなるベース層３（第２化合物半導体層２３）、及び、第２導電型の化合物半導体からなるエミッター層４（第３化合物半導体層２４）が順次積層された化合物半導体太陽電池素子を得ることができる。

なお、この実施形態に用いる基板１０としては、ＧｅやＧａＡｓなどが挙げられる。また、化合物半導体層としては、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰなどが挙げられ、これらのエッチャントとしては、ＨＣｌ系エッチャント、アンモニア／過酸化水素エッチャント、硫酸系エッチャント、ブロム系エッチャント等が挙げられる。

ここで、図２に示す実施形態では、基板１の上に形成された化合物半導体層を便宜上、３層示しているが、これらバッファー層２、ベース層３、エミッター層４の他に、ＢＳＦ（ＢａｃｋＳｕｒｆａｃｅＦｉｅｌｄ：裏面電界）層、窓層、及び多接合型太陽電池のトンネル接合層や、多接合型太陽電池の他のベース層、エミッター層等の化合物半導体層が含まれた、異なる組成からなる３層以上の複数層であっても構わない。

前記した工程（Ｓ１３）において、化合物半導体層を切り出す方法としては、スクライブラインを引いた後にへき開を行う方法や、ダイシングにより直接切り出す方法がある。

また、前記した工程（Ｓ１４）の化学処理によるエッチングの前に、基板１０の裏面（化合物半導体層の形成面の反対側の面）をエッチャントから保護するために保護膜を形成してもよく、さらには、フォトレジスト形成工程（Ｓ１１）の前に基板１０の裏面（化合物半導体層の形成面の反対側の面）をエッチングしてもよい。

この実施形態によれば、基板上の化合物半導体層を溶解させるエッチャントの種類が異なる場合でも、同一のエッチャントにより溶解する化合物半導体層については１回の浸漬によりエッチングすることが可能であり、図３に示した従来技術のように、同一エッチャントへ複数回浸漬する必要が無い。

例えば、図２に示す化合物半導体層２２及び第２導電型の化合物半導体層２４が同一のエッチャントＡ（第１エッチング液）で溶解される材料であり、第１導電型の化合物半導体層２３がそれとは異なるエッチャントＢ（第２エッチング液）で溶解される材料である場合でも、基板１０をエッチャントＡ及びエッチャントＢに２回（つまり、各エッチャントにそれぞれ１回）浸漬するだけで、化合物半導体層２２，２３，２４の切断部分をエッチングすることが可能である。

また、この実施形態によれば、前記した工程（Ｓ１２）でフォトレジストをパターニングしているので、化合物半導体層２２，２３，２４のエッチング部分のエッチングの進行状況を光学顕微鏡等により確認することが容易となり、エッチング工程の信頼性が向上する。

また、この実施形態によれば、フォトレジストと化合物半導体層の接合面を直接切断しないため、化合物半導体層とフォトレジストとの密着力が弱くても、機械的な切断により素子を切り出す際に、フォトレジストが化合物半導体層から剥がれ、太陽電池素子の受光部分がエッチングされ、素子の特性が低下するという問題が生じない。

本発明は、基板上に組成の異なる複数の化合物半導体層が積層され、それら複数の化合物半導体層によって基板上にｐｎ接合が形成されてなる化合物半導体太陽電池素子をエッチングにて製造するに際して、エッチャントへの浸漬回数を低減するのに有効に利用することができる。

本発明の化合物半導体太陽電池素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。本発明の化合物半導体太陽電池素子の製造方法の他の例を模式的に示す断面図である。従来の化合物半導体太陽電池素子の製造方法を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１基板
２バッファー層
３ベース層
４エミッター層
１０基板
２０化合物半導体層
３０第１導電型の化合物半導体層
４０第２導電型の化合物半導体層
５保護膜
５１フォトレジスト
６フォトレジストの開口部

Claims

基板と、前記基板の上に積層された第１化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層の上に積層された第２化合物半導体層と、前記第２化合物半導体層の上に積層された第３化合物半導体層とを備え、前記第１化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は第１エッチング液でエッチングされ易く前記第１エッチング液とは異なる第２エッチング液でエッチングされ難い材料で形成され、前記第２化合物半導体層は前記第２エッチング液でエッチングされ易く前記第１エッチング液でエッチングされ難い材料で形成された化合物半導体太陽電池素子の製造方法であって、
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層を前記基板上に順次積層する工程と、
前記第１エッチング液および前記第２エッチング液から保護するための保護膜を前記第３化合物半導体層の上に形成する保護膜形成工程と、
前記基板、前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層を機械的に切断して切断部分を有する前記化合物半導体太陽電池素子を切り出す切り出し工程と、
切り出した前記化合物半導体太陽電池素子を前記第１エッチング液に浸漬して前記第１化合物半導体層および前記第３化合物半導体層の前記切断部分に対して前記第１エッチング液によるエッチングを施す工程と、
切り出した前記化合物半導体太陽電池素子を前記第２エッチング液に浸漬して前記第２化合物半導体層の前記切断部分に対して前記第２エッチング液によるエッチングを施す工程とを備えること
を特徴とする化合物半導体太陽電池素子の製造方法。
請求項１に記載の化合物半導体太陽電池素子の製造方法であって、
前記保護膜形成工程は、前記切り出し工程の前に実施され、前記保護膜はフォトレジストで形成され、前記切り出し工程での切り出し形状に対応する開口部を前記保護膜に形成する工程を備えること
を特徴とする化合物半導体太陽電池素子の製造方法。