JP4945916B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
本発明は、単結晶半導体基板を用いて構成した光電変換素子に関し、特にその発電効率の改善に関する。
ｎ型またはｐ型の伝導型を有する単結晶半導体基板を用いて構成した光電変換素子（光電池、太陽電池等を含む）に関しては、例えば下記特許文献１〜３等に開示がある。図１に、特許文献３において従来例として示されている光電変換素子１００の構造を示す。図において、１０１は伝導型がpあるいはｎである単結晶半導体基板を示し、この基板１０１は基本的に受光層（光吸収層）を構成する。１０２は基板１０１の裏面（受光面とは反対側の面）側に形成されたｎ＋型の不純物拡散層であって、基板１０１のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有し、受光することによって基板１０１内に生成された正負キャリアのうち電子を収集する。１０３は基板１０１の裏面に形成されたｐ＋型の不純物拡散層であり、正孔を収集する。
基板１０１の裏面には、ｎ＋層１０２に接して負電極１０４が、ｐ＋層１０３に接して正電極１０５が形成されている。１０６は、基板１０１の受光面側に形成された伝導型がｐ＋またはｎ＋の拡散層であり、基板１０１内に生成された正負キャリアの再結合を防止するためのポテンシャル障壁を、基板１０１との間で形成する。１０８は、半導体基板１０１の両面に形成される表面保護膜（絶縁膜、パッシベーション膜）、１０９は基板１０１の受光面側に形成される反射防止膜である。
表面保護膜１０８は、半導体基板１０１の表面近傍に存在する未結合手（ダングリングボンド）を表面保護膜１０８の構成元素や膜中に含まれる水素あるいはハロゲン元素によって不活性化し、それによって表面近傍の結晶欠陥の濃度を低減させるためのものである。表面保護膜１０８が無い場合、半導体基板１０１の表面に存在する未結合手によって結晶欠陥が高い濃度で形成され、このような欠陥によって基板１０１において形成されたキャリアが捕獲されて再結合し、その結果、光電変換素子１００の発電効率が低下する。従って、表面保護膜を形成して基板表面近傍の結晶欠陥濃度を低下させることにより、光電変換素子１００の出力を増加させることができる。
上記従来の光電変換素子では、半導体基板の表裏面に表面保護膜を形成してその近傍の結晶欠陥濃度を低減し、これによって出力を向上させている。しかしながら、上記光電変換素子では、半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する不純物拡散層上に表面保護膜を形成する必要があり、このような不純物拡散層を形成するために多くの不純物を基板中に拡散させると、それに伴って結晶欠陥が高濃度で発生する。これは、注入された不純物が基板の半導体結晶にとってはあくまでも異物であるためである。従って、不純物拡散層上に表面保護膜を形成しても、基板表裏面近傍の結晶欠陥数を充分に低減することができなかった。
本発明は、従来の光電変換素子のかかる点に関してなされたものであり、半導体基板表裏面の結晶欠陥数を充分に低減して素子の発電効率を向上することが可能な、新規な構造の光電変換素子を提供することをその課題とする。
本発明の第１の光電変換素子では、上記課題を解決するために、受光層を形成する単結晶半導体基板と、この基板の受光面と対向する裏面側に形成され、半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する不純物拡散層と、この不純物拡散層上から半導体基板の裏面を被覆する表面保護膜と、この表面保護膜に形成した開口を介して不純物拡散層に接続する負および正の電極層とを備える光電変換素子において、不純物拡散層と表面保護膜間に単結晶半導体基板と同じ材料の真性半導体結晶層を形成している。
真性半導体結晶層は、不純物を添加しない純度の高い層であり、そのため結晶欠陥濃度も非常に低い。従って、不純物拡散層と表面保護膜間に真性半導体結晶層を介在させることにより、表面保護膜は半導体基板の結晶欠陥濃度の低い部分に接して形成されることとなるので、表面保護膜によって結晶欠陥数が充分に低減される。その結果、キャリアを捕獲し再結合させる結晶欠陥の数が、キャリアを電力として取り出すための基板裏面付近で大きく減少し、素子出力が向上する。
本発明の第２の光電変換素子では、第１の光電変換素子において、半導体基板の受光面側に形成した第２の不純物拡散層と、この第２の不純物拡散層上に単結晶半導体基板と同じ材料で形成した第２の真性半導体結晶層と、第２の真性半導体結晶層上に形成した第２の表面保護膜をさらに設けている。
半導体基板の裏面に電極を形成した裏面電極型の光電変換素子では、基板の受光面側にポテンシャル障壁層を形成して、基板内で生成されたキャリアが受光面近傍に達して再結合するのを防止している。このポテンシャル障壁層は不純物拡散層で形成されるため、この層の上に表面保護膜を形成してもその効果は小さい。しかしながら、本光電変換素子では、不純物拡散層上に真性半導体結晶層を形成し、その上から表面保護膜を形成している。そのため、第１の光電変換素子に対して説明したのと同様の理由により、表面保護膜の欠陥低減効果が顕著となり、素子出力が向上する。
本発明の第３の光電変換素子では、受光層を形成する単結晶半導体基板と、この半導体基板の受光面側に形成され、半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第１の不純物拡散層と、半導体基板の受光面と対向する裏面側に形成され、半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第２の不純物拡散層と、第１および第２の不純物拡散層上から半導体基板の受光面および裏面を被覆する第１および第２の表面保護膜と、第１または第２の表面保護膜に設けた開口を介して第１または第２の不純物拡散層に接続する正または負の電極層を備える光電変換素子において、第１の不純物拡散層と第１の表面保護膜間に第１の真性半導体結晶層を、第２の不純物拡散層と第２の表面保護膜間に第２の真性半導体結晶層を設け、前記第１および第２の真性半導体結晶層を前記単結晶基板と同じ材料で形成している。
この第３の光電変換素子でも、不純物拡散層と表面保護膜間に真性半導体結晶層が形成されているので、上記第１の光電変換素子に対してしたのと同じ理由によって、表面保護膜の欠陥低減効果が顕著となり、素子出力が向上する。
以上に説明したように、本願の発明にかかる光電変換素子では、半導体基板に形成した不純物拡散層と表面保護膜間に、純度が高く結晶欠陥の少ない真性半導体層を設けることによって、基板の裏面近傍あるいは、表面と裏面近傍の結晶欠陥数を減少させることができる。その結果、基板で生成されたキャリアの再結合が低減され、素子出力が向上するので、高い発電効率を有する光電変換素子を得ることができる。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子１０の断面構造を示す。図において、１はｐ型あるいはｎ型の単結晶半導体基板であり、受光層（光吸収層）を形成する。２はｎ型不純物を高濃度に拡散したｎ＋層、３はｐ型不純物を高濃度で拡散したｐ＋層である。ｎ＋層２およびｐ＋層３は、それぞれ基板１のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有し、基板１で生成された正負のキャリアに対して電子収集層および正孔収集層として作用する。７ａは、ｎ＋層２およびｐ＋層３の表面上に形成された真性半導体層（ｉ層）であり、本実施形態では、図示するように、真性半導体層７ａ上に表面保護膜８ａが形成される。４は、表面保護膜８ａおよび真性半導体層７ａに形成した開口を介してｎ＋層２に接続される負電極、５は同様にしてｐ＋層に接続される正電極である。
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる光電変換素子１０の断面構造を示す。図において、１はｐ型あるいはｎ型の単結晶半導体基板であり、受光層（光吸収層）を形成する。２はｎ型不純物を高濃度に拡散したｎ＋層、３はｐ型不純物を高濃度で拡散したｐ＋層である。ｎ＋層２およびｐ＋層３は、それぞれ基板１のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有し、基板１で生成された正負のキャリアに対して電子収集層および正孔収集層として作用する。７ａは、ｎ＋層２およびｐ＋層３の表面上に形成された真性半導体層（ｉ層）であり、本実施形態では、図示するように、真性半導体層７ａ上に表面保護膜８ａが形成される。４は、表面保護膜８ａおよび真性半導体層７ａに形成した開口を介してｎ＋層２に接続される負電極、５は同様にしてｐ＋層に接続される正電極である。
本実施形態では、さらに、受光面側拡散層６上に真性半導体層７ｂを形成し、その上に表面保護膜８ｂを形成する。９は、反射防止膜である。真性半導体層７ａおよび７ｂは、基本的に半導体基板１と同じ半導体を材料とするが、不純物を添加しない純度の高い層であり、従ってその結晶欠陥の濃度は小さい。真性半導体層７ａおよび７ｂは、例えばエピタキシャル法などにより、半導体基板１の結晶構造に関する情報を保存する形で生成されることが好ましいが、ＣＶＤ法等によって多結晶膜として形成しても本発明の効果を得ることができる。
このように、本実施形態の光電変換素子では、不純物を高濃度で拡散した領域（２、３および６）上に、結晶欠陥濃度の低い真性半導体層（８ａ、８ｂ）を形成し、その後、表面保護膜（８ａ、８ｂ）を形成しているので、表面保護膜による結晶欠陥の低減効果が大きくなる。そのため、基板表面付近でのキャリアの再結合を従来の素子よりも抑制することができ、高い発電効率を有する光電変換素子を得ることができる。
なお、不純物拡散層上に真性半導体層を形成することによって、両層の界面にストレスが生じ結晶欠陥が生じるとも考えられるが、真性半導体層をエピタキシャル法等、半導体基板の結晶構造に関する情報を保存する形で形成することにより、結晶欠陥の発生を極力抑えることが可能である。あるいは、真性半導体層をＣＶＤ法等によって形成した場合であっても、図１に示した従来の光電変換素子に比べて全体的として結晶欠陥の発生を低減することができ、その分光電変換素子の出力が向上する。
以下に、図２に示す光電変換素子の具体例を示す。なお、Ｃはキャリア濃度を示す。
半導体基板１：ｐ型Ｓｉ基板、Ｃ＝１×１０１４ｃｍ−３、厚さ１５０μｍ
ｎ＋層２：ｎ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
ｐ＋層３：ｐ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
負電極４：Ａｌ層、膜厚２μｍ
正電極５：Ａｌ層、膜厚２μｍ
受光面側拡散層６：ｐ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．３μｍ
真性半導体層７ａ、７ｂ：ｉ型Ｓｉ層、Ｃ＝１．５×１０１０ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ
表面保護膜８ａ：ＳｉＯ２、膜厚０．３μｍ
表面保護膜８ｂ：ＳｉＯ２、膜厚１０ｎｍ
反射防止膜９：ＭｇＦ２／ＺｎＳの２層膜、膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ
なお、上記の例では、半導体基板の材料としてＳｉを挙げているが、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等のＩＶ族半導体材料を用いても同様な効果を得ることができる。また、受光面側拡散層６をｐ＋型としているが、ｎ＋型であっても同様の効果を得ることができる。
ｎ＋層２：ｎ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
ｐ＋層３：ｐ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
負電極４：Ａｌ層、膜厚２μｍ
正電極５：Ａｌ層、膜厚２μｍ
受光面側拡散層６：ｐ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．３μｍ
真性半導体層７ａ、７ｂ：ｉ型Ｓｉ層、Ｃ＝１．５×１０１０ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ
表面保護膜８ａ：ＳｉＯ２、膜厚０．３μｍ
表面保護膜８ｂ：ＳｉＯ２、膜厚１０ｎｍ
反射防止膜９：ＭｇＦ２／ＺｎＳの２層膜、膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ
なお、上記の例では、半導体基板の材料としてＳｉを挙げているが、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等のＩＶ族半導体材料を用いても同様な効果を得ることができる。また、受光面側拡散層６をｐ＋型としているが、ｎ＋型であっても同様の効果を得ることができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる光電変換素子の構造を示す断面図である。本実施形態の光電変換素子２０は、基板の表裏面に電極を設けた構造を有する。図において、２１は光吸収部を形成するためのｐ型またはｎ型半導体基板、２２は基板２１の受光面にｎ型不純物を基板よりも高濃度に拡散することによって形成したｎ＋層、２３は基板２１の裏面（受光面とは反対側の層）にｐ型不純物を基板よりも高濃度に拡散することによって形成したｐ＋層である。なお、ｎ＋層２２は、受光によって基板２１に生成された正負キャリアのうち、電子を収集するための電子収集層として、ｐ＋層２３は、正孔を収集するための正孔収集層として動作する。
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる光電変換素子の構造を示す断面図である。本実施形態の光電変換素子２０は、基板の表裏面に電極を設けた構造を有する。図において、２１は光吸収部を形成するためのｐ型またはｎ型半導体基板、２２は基板２１の受光面にｎ型不純物を基板よりも高濃度に拡散することによって形成したｎ＋層、２３は基板２１の裏面（受光面とは反対側の層）にｐ型不純物を基板よりも高濃度に拡散することによって形成したｐ＋層である。なお、ｎ＋層２２は、受光によって基板２１に生成された正負キャリアのうち、電子を収集するための電子収集層として、ｐ＋層２３は、正孔を収集するための正孔収集層として動作する。
２４は、ｎ＋層２２に接続する負電極であり、２５は、ｐ＋層２３に接続する正電極であって、これらの電極２４、２５を介して基板１において生成された光起電力を取り出すことができる。２７ａは、ｎ＋層２２上に形成された真性半導体層（ｉ層）、２７ｂはｐ＋層２３上に形成された真性半導体層である。これらの真性半導体層は、基本的には基板１と同じ材料で形成されるが、不純物を添加しない高純度の半導体層である。本実施形態では、基板２１の受光面を保護する表面保護膜２８ａは真性半導体層２７ａ上に形成され、基板２１の裏面を保護する表面保護膜２８ｂは同様に真性半導体層２７ｂ上に形成される。２９は反射防止膜である。
なお、負電極２４は、基板２１上にｎ＋層２２、真性半導体層２７ａ、表面保護膜２８ａをこの順で形成し、パターンエッチングを行ってこれらの層の一部を除去し開口を形成した後、この開口中に形成される。正電極２５も同様に、ｐ＋層２３、真性半導体層２７ｂ、表面保護膜２８ｂをこの順で基板２１上に形成し、これにパターンエッチングを行って開口を形成した後、この開口中に形成される。
本実施形態においても、第１の実施形態の説明の項で述べたように、半導体基板２１の表面保護膜２８ａ、２８ｂは、純度が高く結晶欠陥の少ない真性半導体層２７ａ、２７ｂ上に形成されるので、表面保護膜の形成による結晶欠陥の低減効果が大きく、この部分でのキャリアの再結合確率が低下する。その結果、光電変換素子の発電効率が向上する。
以下に、図３に示す光電変換素子２０の具体例を示す。なお、Ｃはキャリア濃度を示す。
半導体基板２１：ｐ型Ｓｉ基板、Ｃ＝１×１０１６ｃｍ−３、厚さ３５０μｍ
ｎ＋層２２：ｎ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．２μｍ
ｐ＋層２３：ｐ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
負電極２４：Ａｌ層、膜厚２μｍ
正電極２５：Ａｌ層、膜厚２μｍ
真性半導体層２７ａ、２７ｂ：ｉ型Ｓｉ層、Ｃ＝１．５×１０１０ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ
表面保護膜２８ａ：ＳｉＯ２、膜厚１０ｎｍ
表面保護膜２８ｂ：ＳｉＯ２、膜厚０．３μｍ
反射防止膜２９：ＭｇＦ２／ＺｎＳの２層膜、膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ
なお、上記の例では、半導体基板の材料としてＳｉを挙げているが、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等のＩＶ族半導体材料や、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いても同様な効果を得ることができる。また、半導体基板２１をｐ型基板とし、受光面側にｎ＋層を、裏面側にｐ＋層を配置しているが、この構造に限定されるものではない。すなわち、半導体基板２１をｎ型基板で形成し、受光面側にｐ＋層を、裏面側にｎ＋層を形成しても、同様の効果を得ることができる。
ｎ＋層２２：ｎ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１８ｃｍ−３、拡散深さ０．２μｍ
ｐ＋層２３：ｐ＋型Ｓｉ層、Ｃ＝１×１０１９ｃｍ−３、拡散深さ１μｍ
負電極２４：Ａｌ層、膜厚２μｍ
正電極２５：Ａｌ層、膜厚２μｍ
真性半導体層２７ａ、２７ｂ：ｉ型Ｓｉ層、Ｃ＝１．５×１０１０ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ
表面保護膜２８ａ：ＳｉＯ２、膜厚１０ｎｍ
表面保護膜２８ｂ：ＳｉＯ２、膜厚０．３μｍ
反射防止膜２９：ＭｇＦ２／ＺｎＳの２層膜、膜厚１１０ｎｍ／５０ｎｍ
なお、上記の例では、半導体基板の材料としてＳｉを挙げているが、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、Ｃ等のＩＶ族半導体材料や、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いても同様な効果を得ることができる。また、半導体基板２１をｐ型基板とし、受光面側にｎ＋層を、裏面側にｐ＋層を配置しているが、この構造に限定されるものではない。すなわち、半導体基板２１をｎ型基板で形成し、受光面側にｐ＋層を、裏面側にｎ＋層を形成しても、同様の効果を得ることができる。
１ 半導体基板
２ ｎ＋層
３ ｐ＋層
４ 負電極
５ 正電極
６ 受光面側拡散層
７ａ、７ｂ 真性半導体層
８ａ、８ｂ 表面保護膜
９ 反射防止膜
１０ 光電変換素子
２ ｎ＋層
３ ｐ＋層
４ 負電極
５ 正電極
６ 受光面側拡散層
７ａ、７ｂ 真性半導体層
８ａ、８ｂ 表面保護膜
９ 反射防止膜
１０ 光電変換素子
Claims (3)
- 受光層を形成する単結晶半導体基板と、前記半導体基板の受光面と対向する裏面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する不純物拡散層と、前記不純物拡散層上から半導体基板の裏面を被覆する表面保護膜と、前記表面保護膜に形成した開口を介して前記不純物拡散層に接続する負および正の電極層とを備える光電変換素子において、
前記不純物拡散層と前記表面保護膜間に、前記単結晶半導体基板と同じ材料の真性半導体結晶層を形成したことを特徴とする、光電変換素子。 - 請求項１に記載の光電変換素子において、前記半導体基板の受光面側に形成した第２の不純物拡散層と、該第２の不純物拡散層上に前記単結晶半導体基板と同じ材料で形成した第２の真性半導体結晶層と、該第２の真性半導体結晶層上に形成した第２の表面保護膜を備えることを特徴とする、光電変換素子。
- 受光層を形成する単結晶半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第１の不純物拡散層と、前記半導体基板の受光面と対向する裏面側に形成され、前記半導体基板のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第２の不純物拡散層と、前記第１および第２の不純物拡散層上から前記半導体基板の受光面および裏面を被覆する第１および第２の表面保護膜と、前記第１または第２の表面保護膜に設けた開口を介して前記第１または第２の不純物拡散層に接続する正または負の電極層を備える光電変換素子において、
前記第１の不純物拡散層と前記第１の表面保護膜間に第１の真性半導体結晶層を、前記第２の不純物拡散層と前記第２の表面保護膜間に第２の真性半導体結晶層を設け、前記第１および第２の真性半導体結晶層は前記単結晶基板と同じ材料で形成したことを特徴とする、光電変換素子。
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