JP4974183B2 - Photoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換装置に関し、特に、固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device, and more particularly to a photoelectric conversion device having excellent characteristics in a photoelectric conversion device having a configuration using an inversion layer induced by a fixed charge.
たとえば特許文献1には、半導体表面に直接接する酸化シリコンからなる第一層と、その第一層上に形成された第一層とは異なる絶縁材料からなる第二層とを有し、第二層内に固定電荷が含まれている構成の太陽電池が記載されている。
For example,
特許文献1に記載の太陽電池においては、第一層と第二層との界面に固定電荷が設置さることによって、半導体表面に反転層が誘起される。このような反転層を誘起することによって、不純物をドープした通常のpn接合よりも高い紫外感度を有することが予想される。
In the solar cell described in
また、特許文献1には、第二層に窒化シリコンを用いること、さらには第二層中にアルカリイオンなどの異種イオンを加える場合には、固定電荷密度をさらに高くできることが記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の太陽電池においては、窒化シリコンからなる第二層中にアルカリイオンなどの異種イオンを加えた場合でも、半導体表面の反転層におけるキャリア密度が高くならないことから、優れた特性の太陽電池を得ることができないという問題があった。
However, the solar cell described in
そこで、本発明の目的は、固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device having excellent characteristics in a photoelectric conversion device having a configuration using an inversion layer induced by a fixed charge.
本発明は、半導体層と、半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、正の固定電荷となる不純物を有し、半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなり、不純物は、セシウムである光電変換装置である。 The present invention includes a semiconductor layer, and the installed dielectric film in contact with the surface of the semiconductor layer, a dielectric film, in the vicinity of the interface with the semiconductor layer, and organic impurities as a positive fixed charge, The semiconductor layer is a photoelectric conversion device made of crystalline silicon, amorphous silicon, or microcrystalline silicon, and the impurity is cesium .
ここで、本発明の光電変換装置においては、不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と誘電体膜との界面から界面に対して垂直な方向に半導体層側に5nm進向した領域と、誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。 Here, in the photoelectric conversion device of the present invention, the portion where the impurity is most present is a region that is advanced by 5 nm from the interface between the semiconductor layer and the dielectric film toward the semiconductor layer in a direction perpendicular to the interface; preferred you to located in the region between 5nm SusumuMukai regions in the dielectric layer side.
また、本発明の光電変換装置においては、誘電体膜が接する半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、反転層または蓄積層を有することが好ましい。 Further, in the photoelectric conversion device of the present invention, at least a partial area of the surface of the semiconductor layer dielectric film is in contact, preferably Rukoto to have a inversion layer or accumulation layer.
また、本発明の光電変換装置は、反転層または蓄積層に接する電子収集領域を備えていることが好ましい。 In addition, the photoelectric conversion device of the present invention preferably includes an electron collection region in contact with the inversion layer or the accumulation layer.
また、本発明の光電変換装置においては、電子収集領域はn型領域であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the electron collection region is preferably an n-type region.
また、本発明の光電変換装置において、n型領域上の少なくとも一部の領域に金属、金属シリサイドおよび透明導電膜からなる群から選択された少なくとも1種が設けられていることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, it is preferable that at least one selected from the group consisting of metal, metal silicide, and a transparent conductive film is provided in at least a part of the n-type region.
また、本発明の光電変換装置においては、電子収集領域は、金属、金属シリサイドおよび透明導電膜からなる群から選択された少なくとも1種であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention , the electron collection region is preferably at least one selected from the group consisting of metals, metal silicides, and transparent conductive films.
また、本発明の光電変換装置は、誘電体膜が接する側と反対側の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に、正孔収集領域を備えていることが好ましい。 In addition, the photoelectric conversion device of the present invention preferably includes a hole collection region in at least a part of the region of the surface of the semiconductor layer opposite to the side in contact with the dielectric film.
また、本発明の光電変換装置は、誘電体膜が接する側と反対側の半導体層の表面に接するように設置された第2誘電体膜を含み、第2誘電体膜は、半導体層との界面近傍に、負の固定電荷となる不純物を有することが好ましい。 In addition, the photoelectric conversion device of the present invention includes a second dielectric film disposed so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer opposite to the side in contact with the dielectric film, and the second dielectric film is connected to the semiconductor layer. It is preferable to have an impurity that becomes a negative fixed charge in the vicinity of the interface.
また、本発明の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも1種を含むことが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the impurity that becomes a negative fixed charge is selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, indium, platinum, fullerene fluoride, fullerene oxide, fluorine, chlorine, bromine, and iodine. It is preferable to include at least one kind.
また、本発明の光電変換装置においては、誘電体膜側から光が入射され、半導体層の導電型はp型であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, light is preferably incident from the dielectric film side, and the conductivity type of the semiconductor layer is preferably p-type.
また、本発明の光電変換装置においては、誘電体膜と反対側から光が入射され、半導体層の導電型はn型であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention , light is preferably incident from the side opposite to the dielectric film, and the conductivity type of the semiconductor layer is preferably n-type.
また、本発明の光電変換装置において、誘電体膜のバンドギャップは4.2eV以上であることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the band gap of the dielectric film is preferably 4.2 eV or more.
また、本発明の光電変換装置において、誘電体膜は、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも1種からなることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the dielectric film is preferably made of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride.
また、本発明の光電変換装置において、半導体層の表面には凹凸が形成されていることが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, it is preferable that irregularities are formed on the surface of the semiconductor layer.
また、本発明は、第1の光電変換層と、第2の光電変換層とを含み、第1の光電変換層は、第1の半導体層と、第1の半導体層の表面に接するように設置されて第1の半導体層との界面近傍に正の固定電荷となる不純物であるセシウムを有する表面誘電体膜と、表面誘電体膜が接する第1の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に設置されたn型の表面反転層と、第1の半導体層の表面とは反対側の裏面にp型不純物を有するp型不純物含有層とを備えており、第2の光電変換層は、第2の半導体層と、第2の半導体層の表面にn型不純物を有するn型不純物含有層と、第2の半導体層の表面とは反対側の裏面にp型不純物を有するp型不純物含有層とを備えており、第1の光電変換層のp型不純物含有層と、第2の光電変換層のn型不純物含有層とが接合されて第1の光電変換層と第2の光電変換層とが積層されてなる積層構造を有し、第1の半導体層および第2の半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなる、光電変換装置である。 Further, the present invention includes a first photoelectric conversion layer and a second photoelectric conversion layer, and the first photoelectric conversion layer is in contact with the first semiconductor layer and the surface of the first semiconductor layer. A surface dielectric film having cesium, which is an impurity that is installed and becomes a positive fixed charge in the vicinity of the interface with the first semiconductor layer, and at least a part of the surface region of the first semiconductor layer in contact with the surface dielectric film And a p-type impurity-containing layer having a p-type impurity on the back surface opposite to the surface of the first semiconductor layer, and the second photoelectric conversion layer includes: A second semiconductor layer, an n-type impurity-containing layer having an n-type impurity on the surface of the second semiconductor layer, and a p-type impurity having a p-type impurity on the back surface opposite to the surface of the second semiconductor layer A p-type impurity-containing layer of the first photoelectric conversion layer, and an n-type impurity of the second photoelectric conversion layer. The first semiconductor layer and the second semiconductor layer include crystalline silicon, amorphous silicon, and a stacked structure in which the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer are stacked by bonding the containing layer. Alternatively, the photoelectric conversion device is made of microcrystalline silicon.
また、本発明は、第1の半導体層と、第1の半導体層の表面に接合された第1の誘電体膜と、第1の半導体層の裏面に接合された第2の誘電体膜と、第2の誘電体膜の裏面に接合された第2の半導体層とを含み、第1の誘電体膜は、第1の半導体層との界面近傍において、正の固定電荷となる不純物であるセシウムを有し、第2の誘電体膜は、第1の半導体層との界面近傍および第2の半導体層との界面近傍において、負の固定電荷となる不純物を有しており、第1の半導体層および第2の半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなる、光電変換装置である。 The present invention also provides a first semiconductor layer, a first dielectric film bonded to the surface of the first semiconductor layer, a second dielectric film bonded to the back surface of the first semiconductor layer, And the second semiconductor layer bonded to the back surface of the second dielectric film, and the first dielectric film is an impurity that becomes a positive fixed charge in the vicinity of the interface with the first semiconductor layer. The second dielectric film includes cesium and has an impurity that becomes a negative fixed charge in the vicinity of the interface with the first semiconductor layer and in the vicinity of the interface with the second semiconductor layer. The semiconductor layer and the second semiconductor layer are photoelectric conversion devices made of crystalline silicon, amorphous silicon, or microcrystalline silicon.
また、本発明の光電変換装置において、負の固定電荷となる不純物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも1種を含むことが好ましい。 In the photoelectric conversion device of the present invention, the impurity that becomes a negative fixed charge is selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, indium, platinum, fullerene fluoride, fullerene oxide, fluorine, chlorine, bromine, and iodine. It is preferable to include at least one kind.
本発明によれば、固定電荷により誘起した反転層を利用した構成の光電変換装置において優れた特性を有する光電変換装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion apparatus which has the outstanding characteristic in the photoelectric conversion apparatus of the structure using the inversion layer induced by the fixed charge can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
また、本発明において、反転層とは、誘電体膜中の固定電荷となる不純物によって誘起される、p型半導体表面の電子キャリア層、n型半導体層表面の正孔キャリア層、または、i型(真性型)半導体表面の電子キャリア層または正孔キャリア層の場合も含む。 In the present invention, the inversion layer is an electron carrier layer on the surface of the p-type semiconductor, a hole carrier layer on the surface of the n-type semiconductor layer, or i-type induced by an impurity that becomes a fixed charge in the dielectric film. (Intrinsic type) Including the case of an electron carrier layer or a hole carrier layer on a semiconductor surface.
また、本発明の実施の形態においては、n型層およびp型層を、半導体層と同じ半導体材料に不純物をドープすることによって形成したが、半導体層とは異なる半導体材料を用いてもよい。たとえば、半導体層としてアモルファスシリコンを用いる場合、n型またはp型不純物をドープしたアモルファスシリコンゲルマニウム、または、アモルファス炭化シリコンなどをn型層またはp型層として用いることもできる。 In the embodiment of the present invention, the n-type layer and the p-type layer are formed by doping impurities into the same semiconductor material as the semiconductor layer, but a semiconductor material different from the semiconductor layer may be used. For example, when amorphous silicon is used as the semiconductor layer, amorphous silicon germanium doped with n-type or p-type impurities, amorphous silicon carbide, or the like can be used as the n-type layer or p-type layer.
また、本発明の実施の形態においては、半導体層として主にシリコンを用いる場合を中心に説明するが、半導体層としてはシリコンのほかに、窒化ガリウム、炭化シリコン、カドミウムテルル、ガリウム砒素、インジウムリン、Cu(In,Ga)Se2、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等を用いることもできる。 In the embodiment of the present invention, the case where silicon is mainly used as the semiconductor layer will be mainly described. However, as the semiconductor layer, in addition to silicon, gallium nitride, silicon carbide, cadmium tellurium, gallium arsenide, indium phosphide Cu (In, Ga) Se 2 , silicon germanium, germanium, or the like can also be used.
<実施の形態1>
図1(a)に、本発明の光電変換装置の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。ここで、図1(a)に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の光入射側の表面には誘電体膜としての酸化シリコン膜6が設置されている。また、酸化シリコン膜6の下部には不純物含有層としての櫛形状のn+層3が形成されており、櫛形状のn+層3に接する表面電極として帯状の金属電極8が形成されている。
<
FIG. 1A is a schematic plan view of the surface on the light incident side of an example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, a
図1(b)に、図1(a)の1b−1bに沿った模式的な断面を示し、図1(c)に図1(a)の1c−1cに沿った模式的な断面を示す。図1(b)および図1(c)に示すように、本実施の形態の光電変換装置においては、半導体層としてのp型シリコン基板2の光入射側の表面には上記のn+層3が形成されている。また、p型シリコン基板2の光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面にはp+層1が形成されており、p+層1の裏面に接するように裏面電極7が形成されている。なお、p+層1は、p型シリコン基板2よりも高濃度でp型不純物が含有されている層である。
1B shows a schematic cross section along 1b-1b in FIG. 1A, and FIG. 1C shows a schematic cross section along 1c-1c in FIG. 1A. . As shown in FIGS. 1B and 1C, in the photoelectric conversion device of the present embodiment, the n +
さらに、上記の酸化シリコン膜6は、p型シリコン基板2の光入射側の表面を覆うようにして形成されている。そして、酸化シリコン膜6は、p型シリコン基板2の光入射側の表面との界面において、正の固定電荷となる不純物としてのセシウム5を有している。
Furthermore, the
ここで、セシウム5は、p型シリコン基板2の光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜6が接するp型シリコン基板2の光入射側の表面の少なくとも一部の領域にはn+層3と同様にn型半導体として機能する表面反転層4が誘起される。
Here, since the
なお、p型シリコン基板2の代わりに、真性タイプのシリコン基板を用いてもよい。
以下、図1に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、p型シリコン基板2の光入射側の表面に酸化シリコン膜6を形成する。ここで、p型シリコン基板2が単結晶シリコンからなる場合には、たとえば800℃〜1200℃の温度で、好ましくは900℃〜1050℃の温度で熱酸化することによりp型シリコン基板2の光入射側の表面に酸化シリコン膜6を形成することができる。なお、酸化シリコン膜6は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法やALD(Atomic Layer Deposition)法などを用いて形成してもよい。また、プラズマCVD法を用いて酸化シリコン膜6を形成することにより、たとえば400℃以下といった低温で酸化シリコン膜6を形成することができる。
Instead of the p-
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 1 will be described. First, the
次に、p型シリコン基板2の裏面にp+層1を形成する。ここで、p+層1の形成は、たとえばp型シリコン基板2の裏面にp型不純物を拡散させることなどによって行なうことができる。また、p型不純物の拡散は、たとえばBBr3などのp型不純物(ボロン)を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。なお、p型不純物としては、ボロン以外にも、たとえばアルミニウムやインジウムなどを用いることができる。また、p+層1は、たとえばイオン注入法またはイオンドーピング法などを用いてp型不純物をp型シリコン基板2の裏面に導入した後にアニールすることなどによっても形成することができる。
Next, the p +
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面にn+層3を形成する。ここで、n+層3の形成は、p型シリコン基板2の光入射側の表面にn型不純物を拡散させることによって行なうことができる。また、n型不純物の拡散は、たとえば、n+層3の形成箇所に対応する箇所の酸化シリコン膜6の一部に開口部を設け、その開口部からPOCl3などのn型不純物(リン)を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。なお、n型不純物としては、リン以外にも、たとえば砒素またはアンチモンなどを用いることができる。また、n+層3は、たとえばイオン注入法またはイオンドーピング法などを用いてn型不純物をp型シリコン基板2の表面に導入した後にアニールすることなどによっても形成することができる。
Next, the n +
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜6にセシウム5を含有させる。ここで、セシウム5は、たとえば、p型シリコン基板2の光入射側の表面上に形成された酸化シリコン膜6にセシウムイオンをイオン注入することによって、酸化シリコン膜6にセシウム5を含有させることができる。
Next,
次に、p型シリコン基板2のアニールを行なう。ここで、p型シリコン基板2のアニールは、たとえば上記のセシウムイオン注入後のp型シリコン基板2をたとえば800℃〜1000℃の温度でアニールすることにより行なうことができる。これにより、酸化シリコン膜6中のセシウム5をp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面に偏析させることができる。酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2との界面に偏析したセシウム5は電子をp型シリコン基板2に放出することによって正に帯電してイオン化するため、酸化シリコン膜6が接するp型シリコン基板2の光入射側の表面に表面反転層4が形成される。
Next, the p-
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面に金属電極8を形成する。ここで、金属電極8は、たとえば、金属電極8が形成される箇所に対応する酸化シリコン膜6の箇所に開口部を設け、マスクなどを用いて金属を所定の形状に蒸着すること等によって形成することができる。
Next, the
次に、p型シリコン基板2のp+層1の裏面に裏面電極7を形成する。ここで、裏面電極7は、たとえば、p型シリコン基板2のp+層1の裏面に金属を蒸着すること等によって形成することができる。
Next, a
最後に、上記の金属電極8および裏面電極7の形成後のp型シリコン基板2のアニールを行なうことによって、上記の構成を有する本実施の形態の光電変換装置の一例が作製される。ここで、p型シリコン基板2のアニールは、たとえば350℃〜500℃の温度の水素雰囲気にp型シリコン基板2を曝すことによって行なうことができる。
Finally, by annealing the p-
以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2の光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜6のp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面でイオン化したセシウムによって、p型シリコン基板2の光入射側の表面に表面反転層4が形成される。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration manufactured as described above, the
したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献1に記載の太陽電池と比べて表面反転層4に高密度に負電荷が誘起されやすく、n型半導体としての機能が高められ、p型シリコン基板2の光入射側の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。
Therefore, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment having the above-described configuration, it is described in
また、p型シリコン基板2の光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるn+層3の代わりに、n型半導体として機能する表面反転層4を設けることによって、短波長の光の吸収がn+層3と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
Further, by providing the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面におけるセシウムの偏析量によって表面反転層4に誘起される負電荷(電子)の密度を制御することができる。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the negative polarity induced in the
特に、本実施の形態のように、酸化シリコン膜6へのセシウムイオン注入とアニールによって酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2との界面にセシウムを偏析させる場合、表面反転層4における最適な負電荷の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。
In particular, when cesium is segregated at the interface between the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面における界面準位を表面反転層4に誘起される負電荷で終端することにより、p型シリコン基板2の光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as described above, the interface state on the light incident side surface of the p-
また、上記においては、半導体層としてp型シリコン基板2を用いたが、これには限定されず、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンまたはシリコン以外の他の種類の半導体などの半導体層を用いてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。
In the above description, the p-
また、上記においては、p型シリコン基板2が単結晶シリコンからなる場合について説明したが、p型シリコン基板2に代えてたとえばアモルファスシリコンからなる半導体層を用いた場合には、セシウム5を含む酸化シリコン膜6を形成した後には、高温プロセスを行なわないようにして本実施の形態の光電変換装置を作製することが好ましい。
In the above description, the p-
また、上記においては、誘電体膜として酸化シリコン膜6を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも1種を用いてもよい。
In the above description, the
また、誘電体膜としては、バンドギャップが4.2eV以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は300nm以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが4.2eV以上である誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、300nm以上の波長を有する太陽光が誘電体膜で吸収されるのが抑制され、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。 Further, as the dielectric film, it is preferable to use a dielectric film having a band gap of 4.2 eV or more. For example, since most of sunlight is composed of light having a wavelength of 300 nm or more, when sunlight is incident using a dielectric film having a band gap of 4.2 eV or more, a wavelength of 300 nm or more is used. Since the solar light having a thickness is suppressed from being absorbed by the dielectric film and the conversion loss is reduced, the characteristics of the photoelectric conversion device tend to be further improved.
また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としてセシウム5を用いた場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも1種を含むものを用いることができる。
Moreover, in the above, although the case where
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、p型とn型の導電型が入れ替わっていてもよい。この場合には、セシウムのような正の固定電荷となる不純物の代わりに、負の固定電荷となる不純物を用いることができる。負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも1種を含むものを用いることができる。 In the photoelectric conversion device of this embodiment having the above structure, the p-type and n-type conductivity types may be interchanged. In this case, an impurity that becomes a negative fixed charge can be used instead of an impurity that becomes a positive fixed charge such as cesium. Examples of the impurity that becomes a negative fixed charge include those containing at least one selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, indium, platinum, fullerene fluoride, fullerene oxide, fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Can be used.
なお、正の固定電荷となる不純物および負の固定電荷となる不純物はそれぞれ酸化物の状態で含まれていてもよい。 Note that the impurity that becomes a positive fixed charge and the impurity that becomes a negative fixed charge may each be included in an oxide state.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層としてのp型シリコン基板2と誘電体膜としての酸化シリコン膜6との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層としてのp型シリコン基板2側に5nm進向した領域と、誘電体膜としての酸化シリコン膜6側に5nm進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the location where the most impurities are present is from the interface between the p-
すなわち、本実施の形態の光電変換装置においては、誘電体膜が、半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有していればよいが、この不純物の少なくとも一部が、半導体層と誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に5nm進向した領域と、誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に存在していればよい。 In other words, in the photoelectric conversion device of this embodiment, the dielectric film may have an impurity that becomes a positive or negative fixed charge in the vicinity of the interface with the semiconductor layer. Is present in a region between the region of the semiconductor layer and the dielectric film that is advanced by 5 nm toward the semiconductor layer in the direction perpendicular to the interface and the region that is advanced by 5 nm toward the dielectric film. If you do.
また、上記においては、p型シリコン基板2の光入射側の酸化シリコン膜6を反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜6の表面にテクスチャ構造および/またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。
In the above, the
また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、n型とp型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてn型とp型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性も入れ替わることになる。 Further, as described above, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the n-type and p-type conductivity types may be interchanged. Note that when the n-type and p-type conductivity types are interchanged in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the polarities of the positive and negative charges are also interchanged.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p+層1については形成しなくてもよい。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above configuration, the p +
<実施の形態2>
図2(a)に、本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。また、図2(b)に図2(a)の2b−2bに沿った模式的な断面を示し、図2(c)に図2(a)の2c−2cに沿った模式的な断面を示す。
<
FIG. 2A is a schematic plan view of the surface on the light incident side of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 2B shows a schematic cross section taken along 2b-2b in FIG. 2A, and FIG. 2C shows a schematic cross section taken along 2c-2c in FIG. Show.
ここで、図2(a)〜図2(c)に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面の全面にn+層3と接する電極として透明導電膜9が形成されている点に特徴がある。
Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as shown in FIGS. 2A to 2C, the electrode in contact with the n +
本実施の形態のような構成とすることによって、p型シリコン基板2の光入射側の表面の全面から光を入射させることができ、電極の低抵抗化による光電変換装置の光電変換効率などの特性の向上をさらに向上させることが可能になる。また、電極のパターンニング工程および電極のパターンニング用のマスクが必要なくなるため、製造コストの低減および製造効率の向上も可能となる。
By adopting the configuration as in the present embodiment, light can be incident from the entire surface on the light incident side of the p-
なお、透明導電膜9としては、たとえば、ITO(Indium Tin Oxide)、IO(Indium Oxide;酸化インジウム)、TO(Tin Oxide;酸化スズ)またはZO(Zinc Oxide;酸化亜鉛)からなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。
As the transparent
また、透明導電膜9は、たとえば、n+層3の少なくとも一部が露出するように酸化シリコン膜6の一部に開口部を設け、ITO、IO、TOまたはZOなどからなる透明導電膜9をその上から覆うように蒸着等することによって形成することができる。
The transparent
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態1と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted here.
<実施の形態3>
図3(a)に、本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。また、図3(b)に図3(a)の3b−3bに沿った模式的な断面を示し、図3(c)に図3(a)の3c−3cに沿った模式的な断面を示す。
<
FIG. 3A is a schematic plan view of the surface on the light incident side of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 3B shows a schematic cross section taken along 3b-3b in FIG. 3A, and FIG. 3C shows a schematic cross section taken along 3c-3c in FIG. Show.
ここで、図3(a)〜図3(c)に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面にn+層3と接する電極としての透明導電膜9が櫛形状に形成されている点に特徴がある。
Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIGS. 3A to 3C, the surface of the p-
本実施の形態のような構成とすることによって、p型シリコン基板2の光入射側の表面上に形成される透明導電膜9の表面の面積を低減することができるため、透明導電膜9による光の反射や吸収を抑制することができる。これにより、本実施の形態の光電変換装置においては、実施の形態2の構成の光電変換装置と比べて、光電変換効率などの特性の向上をさらに向上させることが可能になる。
With the configuration as in the present embodiment, the area of the surface of the transparent
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態1および実施の形態2と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that in the first and second embodiments, the description thereof is omitted here.
<実施の形態4>
図4(a)に、本発明の光電変換装置の他の一例の光入射側の表面の模式的な平面図を示す。また、図4(b)に図4(a)の4b−4bに沿った模式的な断面を示し、図4(c)に図4(a)の4c−4cに沿った模式的な断面を示す。
<
FIG. 4A is a schematic plan view of the surface on the light incident side of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. 4B shows a schematic cross section taken along 4b-4b in FIG. 4A, and FIG. 4C shows a schematic cross section taken along 4c-4c in FIG. 4A. Show.
ここで、図4(a)〜図4(c)に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面にn+層3と接する電極として櫛形状の金属シリサイド10が形成されている点に特徴がある。
Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIGS. 4A to 4C, a comb is formed as an electrode in contact with the n +
本実施の形態のような構成とすることによって、従来から公知の自己整合シリサイド化(SALICIDE)プロセスを用いることによって櫛形状のn+層3の表面上に櫛形状の金属シリサイド10を形成することができ、電極のパターンニング工程および電極のパターンニング用のマスクが必要なくなるため、製造コストの低減および製造効率の向上が可能となる。
By adopting the configuration of the present embodiment, the comb-shaped
なお、金属シリサイド10としては、少なくとも1種の任意の金属とシリコンとの化合物からなるものであれば特には限定されず用いることができ、たとえば、チタンシリサイド(TiSix(x≒0.5〜2))、エルビウムシリサイド(ErSix(x≒0.5〜2))、イッテルビウムシリサイド(YbSix(x≒0.5〜2))、白金シリサイド(PtSix(x≒0.5〜1))、ニッケルシリサイド(NixSi(x≒0.5〜2))またはコバルトシリサイド(CoxSi(x≒0.5〜2))などを用いることができる。また、p型シリコン基板2の代わりに、アモルファスシリコンなどを用いる場合のように低温プロセスが必要である場合であっても、NixSi(x≒1〜2)、CoxSi(x≒1〜2)を用いることにより、たとえば400℃以下の低温で金属シリサイド10を形成することが可能である。
The
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態1〜実施の形態3と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that in the first to third embodiments, the description thereof is omitted here.
<実施の形態5>
図5に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。図5に示す構成の本実施の形態の光電変換装置は、第1の光電変換層51と、第2の光電変換層52と、第3の光電変換層53とが光入射側からこの順序で積層された積層構造を有している。
<
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. In the photoelectric conversion device of this embodiment having the configuration shown in FIG. 5, the first
ここで、第1の光電変換層51は、第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2aと、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面に接するように設置されている誘電体膜である表面誘電体膜としての酸化シリコン膜6とを有している。
Here, the first
また、酸化シリコン膜6は、第1のアモルファスシリコン層2aとの界面近傍に、正の固定電荷となる不純物としてのセシウム5を有している。ここで、セシウム5は、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜6が接する第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面の少なくとも一部の領域にはn型半導体として機能する表面反転層4が誘起される。
The
また、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面には、上記の表面反転層4とは逆の導電型の第1の不純物(本実施の形態においてはp型不純物)を有する第1の不純物含有層としてのp+層1が形成されている。
The first
また、第2の光電変換層52は、第2の半導体層としての第2のアモルファスシリコン層2bを有している。
The second
ここで、第2のアモルファスシリコン層2bの光入射側の表面に上記の第1の不純物とは逆の導電型の第2の不純物(本実施の形態においてはn型不純物)を有する第2の不純物含有層としてのn+層3が形成されている。
Here, the second
また、第2のアモルファスシリコン層2bの光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面には、上記の第2の不純物とは逆の導電型の第3の不純物(本実施の形態においてはp型不純物)を有する第3の不純物含有層としてのp+層1が形成されている。
Further, on the back surface of the second
また、第3の光電変換層53は、第3の半導体層としての第3のアモルファスシリコン層2cを有している。
The third
ここで、第3のアモルファスシリコン層2cの光入射側の表面には、上記の第3の不純物とは逆の導電型の第4の不純物(本実施の形態においてはn型不純物)を有する第4の不純物含有層としてのn+層3が形成されている。
Here, the surface on the light incident side of the third
また、第3のアモルファスシリコン層2cの光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面には、上記の第4の不純物とは逆の導電型の第5の不純物(本実施の形態においてはp型不純物)を有する第5の不純物含有層としてのp+層1が形成されている。
Further, on the back surface, which is the surface opposite to the light incident surface of the third
そして、上記の第1の光電変換層51の光入射側の表面とは反対側の裏面に形成されたp+層1と、上記の第2の光電変換層52の光入射側の表面に形成されたn+層3とが接合されている。また、上記の第2の光電変換層52の光入射側の表面とは反対側の裏面に形成されたp+層1と、上記の第3の光電変換層53の光入射側の表面に形成されたn+層3とが接合されている。これらの接合によって、第1の光電変換層51、第2の光電変換層52および第3の光電変換層53が光入射側からこの順序で積層された積層構造を構成している。
Then, the p +
また、上記の積層構造の第1の光電変換層51の第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面の一部に接するように表面電極としての透明導電膜9が形成されているとともに、上記の積層構造の第3の光電変換層53の第3のアモルファスシリコン層2cの裏面のp+層1に接するようにたとえばアルミニウムなどからなる裏面電極7が形成されている。ここで、透明導電膜9は、酸化シリコン膜6に形成された開口部を通して第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面と接している。
In addition, a transparent
なお、透明導電膜9と第1のアモルファスシリコン層2aとの大部分の接触部においてはショットキバリアにより導通を図ることが困難であり、光電変換装置で生成したキャリアを取り出すのは難しい。しかしながら、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面に接触する透明導電膜9の端部であるエッジ部11は表面反転層4と接触し、エッジ部11においてはショットキバリア変調効果によりショットキバリアが低減して接触抵抗が低くなりオーミック接続が可能となるため、光電変換装置で生成したキャリアをより容易に外部に取り出すことが可能になる。
Note that it is difficult to achieve conduction by a Schottky barrier at most contact portions between the transparent
以下、図5に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、裏面電極7の表面上に第3の光電変換層53を形成する。ここで、第3の光電変換層53は、たとえばCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって、裏面電極7の表面上に、p型不純物をドープさせたp型アモルファスシリコン膜を形成してp+層1を形成した後に、p型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第3のアモルファスシリコン層2cを形成し、さらにはn型不純物をドープさせたn型アモルファスシリコン膜を形成してn+層3を形成することによって形成することができる。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 5 will be described. First, the third
また、p型不純物のドープによるp型アモルファスシリコン膜の形成は、たとえば、p型不純物を含むドーピングガスをアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによって行なうことができる。なお、p型不純物としては、たとえば、ボロン、インジウムまたはアルミニウムなどを用いることができる。 The p-type amorphous silicon film is formed by doping the p-type impurity by, for example, forming the amorphous silicon film in a state where a doping gas containing the p-type impurity is mixed in the raw material gas of the amorphous silicon film. it can. For example, boron, indium, or aluminum can be used as the p-type impurity.
また、n型不純物のドープによるn型アモルファスシリコン膜の形成は、たとえば、n型不純物を含むドーピングガスをアモルファスシリコン膜の原料ガスに混入した状態でアモルファスシリコン膜を成膜することによって行なうことができる。なお、n型不純物としては、たとえば、リン、砒素またはアンチモンなどを用いることができる。 Further, the formation of the n-type amorphous silicon film by doping with the n-type impurity can be performed, for example, by forming the amorphous silicon film in a state where a doping gas containing the n-type impurity is mixed in the raw material gas of the amorphous silicon film. it can. For example, phosphorus, arsenic, or antimony can be used as the n-type impurity.
なお、第3の光電変換層53として、n−i−p構造のアモルファスシリコンを用いたが、表面にn+層を形成したp型の単結晶または多結晶シリコンを用いてもよい。この場合には、変換効率がさらに向上する。
Note that the third
次に、第3の光電変換層53の表面上に第2の光電変換層52を形成する。ここで、第2の光電変換層52も、第3の光電変換層53と同様に、たとえばCVD法などによって、第3の光電変換層53の表面上に、p型不純物をドープさせたp型アモルファスシリコン膜を形成してp+層1を形成した後に、p型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第2のアモルファスシリコン層2bを形成し、さらにはn型不純物をドープさせたn型アモルファスシリコン膜を形成してn+層3を形成することによって形成することができる。
Next, the second
次に、第2の光電変換層52の表面上に第1の光電変換層51を形成する。ここで、第1の光電変換層51は、たとえば以下のようにして形成することができる。まず、CVD法などによって、第2の光電変換層52の表面上に、p型不純物をドープさせたp型アモルファスシリコン膜を形成してp+層1を形成した後に、p型不純物のドープを停止してノンドープのアモルファスシリコン膜を形成して第1のアモルファスシリコン層2aを形成する。その後、第1のアモルファスシリコン層2aの表面上にセシウム5を含む酸化シリコン膜6を形成することによって、第1の光電変換層51を形成することができる。
Next, the first
ここで、セシウム5を含む酸化シリコン膜6は、たとえばCVD法において、酸化シリコンの原料とともにセシウム蒸気などのセシウムを含むガスを導入することにより形成することができる。また、セシウム5は、たとえば、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面上に形成された酸化シリコン膜6にセシウムイオンをイオン注入することによって、酸化シリコン膜6にイオン化したセシウム5を含有させることができる。また、アモルファスシリコン層2aの表面に、たとえば塩化セシウム水溶液または水酸化セシウム水溶液などのセシウムを含有する溶液を塗布し、乾燥した後、たとえばCVD法などによって酸化シリコン膜6を形成することにより、アモルファスシリコン層2aと酸化シリコン膜6との界面付近にセシウム5を配置することができる。
Here, the
最後に、第1の光電変換層51の光入射側の表面上に透明導電膜9を形成することによって、図5に示す構成の本実施の形態の光電変換装置が作製される。ここで、透明導電膜9は、たとえば、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面の少なくとも一部が露出するように酸化シリコン膜6の一部に開口部を設け、ITO、IO、TOまたはZOなどからなる透明導電膜9をその上から覆うように、スパッタリングまたは蒸着等することによって形成することができる。
Finally, by forming the transparent
以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6と第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜6の第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面との界面でイオン化したセシウムによって、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面に表面反転層4が形成される。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration manufactured as described above, the
したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献1に記載の太陽電池と比べて表面反転層4に高密度に負電荷が誘起されやすく、n型半導体としての機能が高められ、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。
Therefore, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment having the above-described configuration, it is described in
また、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるn+層の代わりに、n型半導体として機能する表面反転層4を設けることによって、短波長の光の吸収がn+層と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
Further, by providing the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6と第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面との界面におけるセシウムの偏析量によって表面反転層4に誘起される負電荷の密度を制御することができる。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above configuration, the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面における界面準位を表面反転層4に誘起される負電荷で終端することにより、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as described above, by terminating the interface state on the light incident side surface of the first
また、本実施の形態の光電変換装置のように、表面電極と接する半導体層にアモルファスシリコンを用いている場合には、不純物の活性化率が低くなるため、表面電極と接する半導体層に高濃度の不純物ドープ層を形成することは難しいが、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6中のイオン化したセシウムによって第1のアモルファスシリコン層2aの表面に表面反転層4を形成することができ、表面反転層4と透明導電膜9とを接触させることができるため、高濃度の不純物ドープ層を形成する必要がない。
Further, when amorphous silicon is used for the semiconductor layer in contact with the surface electrode as in the photoelectric conversion device of this embodiment mode, since the activation rate of the impurity is low, the semiconductor layer in contact with the surface electrode has a high concentration. However, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the
また、上記においては、第1の半導体層、第2の半導体層および第3の半導体層としてそれぞれアモルファスシリコンを用いたが、これには限定されず、第1の半導体層、第2の半導体層および第3の半導体層としては、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコン、微結晶シリコンまたはシリコン以外の他の種類の半導体などの半導体層をそれぞれ用いてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。 In the above description, amorphous silicon is used for each of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer. However, the present invention is not limited thereto, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are not limited thereto. As the third semiconductor layer, for example, a semiconductor layer such as crystalline silicon, amorphous silicon, microcrystalline silicon, or another type of semiconductor other than silicon may be used. Note that crystalline silicon includes single crystal silicon, polycrystalline silicon, a mixture of single crystal silicon and polycrystalline silicon, or the like.
また、第1の半導体層、第2の半導体層および第3の半導体層にそれぞれ結晶シリコンを用いた場合には、第1の光電変換層51と第2の光電変換層52と第3の光電変換層53との積層構造は、たとえば、以下のようにして作製することができる。まず、結晶シリコンの一方の表面にp型不純物を拡散させてp+層1を形成し、結晶シリコンの他方の表面にn型不純物を拡散させてn+層3を形成したシリコン基板(両面ドープシリコン基板)を2枚作製するとともに、結晶シリコンの一方の表面のみにp型不純物を拡散させてp+層1を形成し、結晶シリコンの他方の表面にはn型不純物を拡散させずにn+層3を形成しなかったシリコン基板(片面ドープシリコン基板)を1枚作製する。そして、片面ドープシリコン基板のp+層1に1枚の両面ドープシリコン基板のn+層3を貼り合わせるとともに、当該両面ドープシリコン基板のp+層1に他の両面ドープシリコン基板のn+層3を貼り合わせることによって、上記の積層構造を作製することができる。
In the case where crystalline silicon is used for each of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer, the first
その後、露出している片面ドープシリコン基板の表面にセシウム5を配置した後、たとえば、熱酸化法、CVD法、ALD法、RTO(Rapid Thermal Oxidation:急速熱酸化)法、またはプラズマ酸化法などによって露出している片面ドープシリコン基板の表面の一部に酸化シリコン膜6を形成する。続いて、たとえば、スパッタ法、CVD法またはゾルゲル法などを用いることによって、ITO、IO、TOまたはZOなどからなる透明導電膜9を形成し、当該透明導電膜9とは逆側の上記積層構造の裏面のp型層に接して裏面電極7を形成することによって本実施の形態の光電変換装置を作製することができる。なお、セシウム5は、酸化シリコン膜6を形成した後、酸化シリコン膜6中にセシウムイオンをイオン注入し、その後アニールすることによって、酸化シリコン膜6と片面ドープシリコン基板の界面に偏析させてもよい。
Then, after
このように、酸化シリコン膜6のアニールによって酸化シリコン膜6と第1の半導体層との界面近傍にイオン化したセシウム5を偏析させる場合、表面反転層4における最適な電子の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。また、所望の膜厚よりも厚い酸化シリコン膜6を形成した後、酸化シリコン膜6中にセシウムイオンをイオン注入し、続いてアニールすることによってセシウムを酸化シリコン膜6と片面ドープシリコン基板との界面に偏析させ、その後、フッ酸水溶液などでの処理または反応性イオンエッチングなどを行なうことによって、酸化シリコン膜6が所望の膜厚になるまで薄膜化してもよい。
As described above, when the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、光入射側に近い第1の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第2の半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。また、光入射側に近い第2の半導体層のバンドギャップが、光入射側から遠い第3の半導体層のバンドギャップ以上であることがより好ましい。さらには、光入射側に近い第1の半導体層のバンドギャップが光入射側から遠い第2の半導体層のバンドギャップ以上であり、かつ光入射側に近い第2の半導体層のバンドギャップが光入射側から遠い第3の半導体層のバンドギャップ以上である(第3の半導体層のバンドギャップ≦第2の半導体層のバンドギャップ≦第1の半導体層のバンドギャップ)ことがさらに好ましい。このような光入射側から短波長の光から長波長の光を順次吸収できるような積層構造とすることによって、本実施の形態の光電変換装置に入射した光の吸収量が大きくなるため、光電変換効率などの本実施の形態の光電変換装置の特性が向上する傾向にある。 In the photoelectric conversion device of this embodiment having the above structure, the band gap of the first semiconductor layer close to the light incident side is preferably equal to or larger than the band gap of the second semiconductor layer far from the light incident side. More preferably, the band gap of the second semiconductor layer close to the light incident side is equal to or greater than the band gap of the third semiconductor layer far from the light incident side. Further, the band gap of the first semiconductor layer close to the light incident side is equal to or larger than the band gap of the second semiconductor layer far from the light incident side, and the band gap of the second semiconductor layer close to the light incident side is light. More preferably, it is equal to or greater than the band gap of the third semiconductor layer far from the incident side (the band gap of the third semiconductor layer ≦ the band gap of the second semiconductor layer ≦ the band gap of the first semiconductor layer). By adopting such a stacked structure that can sequentially absorb short-wavelength light from long-wavelength light from the light incident side, the amount of light incident on the photoelectric conversion device of this embodiment is increased. The characteristics of the photoelectric conversion device of this embodiment such as conversion efficiency tend to be improved.
なお、上記の第3の半導体層のバンドギャップ≦第2の半導体層のバンドギャップ≦第1の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の構成としては、たとえば、第1の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素(SiC)を用い、第2の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第3の半導体層に微結晶シリコンを用いる構成が挙げられる。 In addition, as a structure of the semiconductor layer for satisfying the relationship of the band gap of the third semiconductor layer ≦ the band gap of the second semiconductor layer ≦ the band gap of the first semiconductor layer, for example, the first semiconductor layer For example, amorphous silicon carbide (SiC) is used for the second semiconductor layer, amorphous silicon is used for the second semiconductor layer, and microcrystalline silicon is used for the third semiconductor layer.
また、上記の第3の半導体層のバンドギャップ≦第2の半導体層のバンドギャップ≦第1の半導体層のバンドギャップの関係とするための半導体層の他の構成としては、たとえば、第1の半導体層にアモルファスの炭化ケイ素を用い、第2の半導体層にアモルファスシリコンを用い、第3の半導体層にアモルファスのシリコンゲルマニウム(SiGe)を用いる構成が挙げられる。 As another configuration of the semiconductor layer for satisfying the relationship of the band gap of the third semiconductor layer ≦ the band gap of the second semiconductor layer ≦ the band gap of the first semiconductor layer, for example, A configuration in which amorphous silicon carbide is used for the semiconductor layer, amorphous silicon is used for the second semiconductor layer, and amorphous silicon germanium (SiGe) is used for the third semiconductor layer can be given.
また、第1の半導体層の厚さは、第1の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第1の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。 The thickness of the first semiconductor layer is preferably thinner than the carrier diffusion length in the first semiconductor layer. In this case, the recombination of carriers in the first semiconductor layer can be effectively suppressed, and the probability that incident light is absorbed by using the stacked structure as in this embodiment will also be increased. Can be high.
また、第2の半導体層の厚さは、第2の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第2の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。 The thickness of the second semiconductor layer is preferably thinner than the carrier diffusion length in the second semiconductor layer. In this case, the recombination of carriers in the second semiconductor layer can be effectively suppressed, and the probability that incident light is absorbed by using the stacked structure as in this embodiment will also be increased. Can be high.
また、第3の半導体層の厚さは、第3の半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、第3の半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって、入射した光が吸収される確率も高くすることができる。 The thickness of the third semiconductor layer is preferably thinner than the carrier diffusion length in the third semiconductor layer. In this case, the recombination of carriers in the third semiconductor layer can be effectively suppressed, and the probability that incident light is absorbed by the stacked structure as in this embodiment will also be obtained. Can be high.
また、上記においては、表面誘電体膜として酸化シリコン膜6を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも1種を用いてもよい。
In the above description, the
また、表面誘電体膜としては、バンドギャップが4.2eV以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は300nm以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが4.2eV以上である表面誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、300nm以上の波長を有する太陽光が誘電体膜で吸収されるのが抑制され、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。 As the surface dielectric film, it is preferable to use a dielectric film having a band gap of 4.2 eV or more. For example, since most of sunlight is composed of light having a wavelength of 300 nm or more, when sunlight is incident using a surface dielectric film having a band gap of 4.2 eV or more, it is 300 nm or more. Since sunlight having a wavelength is suppressed from being absorbed by the dielectric film and conversion loss is reduced, characteristics of the photoelectric conversion device tend to be further improved.
また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としてセシウム5を用いた場合について説明したが、これには限定されず、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも1種を含むものを用いることができる。
Moreover, in the above, although the case where
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、p型とn型の導電型が入れ替わっていてもよい。この場合には、セシウムのような正の固定電荷となる不純物の代わりに、負の固定電荷となる不純物を用いることができる。負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも1種を含むものを用いることができる。 In the photoelectric conversion device of this embodiment having the above structure, the p-type and n-type conductivity types may be interchanged. In this case, an impurity that becomes a negative fixed charge can be used instead of an impurity that becomes a positive fixed charge such as cesium. Examples of the impurity that becomes a negative fixed charge include those containing at least one selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, indium, platinum, fullerene fluoride, fullerene oxide, fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Can be used.
なお、正の固定電荷となる不純物および負の固定電荷となる不純物はそれぞれ酸化物の状態で含まれていてもよい。 Note that the impurity that becomes a positive fixed charge and the impurity that becomes a negative fixed charge may each be included in an oxide state.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2aと表面誘電体膜としての酸化シリコン膜6との界面から、この界面に対して垂直な方向に第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2a側に5nm進向した領域と、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜6側に5nm進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the locations where the above-mentioned impurities are most present are the first
すなわち、本発明の光電変換装置においては、表面誘電体膜が、第1の半導体層との界面近傍に、正または負の固定電荷となる不純物を有していればよいが、この不純物の少なくとも一部が、第1の半導体層と表面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に第1の半導体層側に5nm進向した領域と、表面誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に存在していればよい。 That is, in the photoelectric conversion device of the present invention, the surface dielectric film may have an impurity that becomes a positive or negative fixed charge in the vicinity of the interface with the first semiconductor layer. A part of the region advances from the interface between the first semiconductor layer and the surface dielectric film by 5 nm toward the first semiconductor layer in a direction perpendicular to the interface and 5 nm toward the surface dielectric film. It suffices if it exists in a region between the facing regions.
また、上記においては、第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の酸化シリコン膜6を反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜6の表面にテクスチャ構造および/またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。
In the above, the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第1の半導体層、第2の半導体層および第3の半導体層の3層を積層した積層構造を有する場合について説明したが、3層に限定されるものではないことは言うまでもない。 In the photoelectric conversion device of this embodiment having the above-described structure, a case where a stacked structure in which three layers of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer are stacked has been described. Needless to say, it is not limited to layers.
また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、n型とp型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてn型とp型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性も入れ替わることになる。 Further, as described above, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the n-type and p-type conductivity types may be interchanged. Note that when the n-type and p-type conductivity types are interchanged in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the polarities of the positive and negative charges are also interchanged.
また、本実施の形態の光電変換装置のように、第1の半導体層、第2の半導体層および第3の半導体層にそれぞれアモルファスシリコンを用いる場合には、第1の半導体層、第2の半導体層および第3の半導体層はそれぞれ光入射側の表面にp+層を有していることが好ましい。これは次のような理由による。光照射時のキャリア生成は、半導体層の中でも光入射側で多く起こるため、半導体層の光入射側の表面にp+層を設けることによって、電子に比べてライフタイムの短い正孔がp+層に到達するまでの移動距離を小さくすることができる。したがって、正孔の再結合を抑制することによって、変換効率を向上させることができる。 In the case where amorphous silicon is used for each of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer as in the photoelectric conversion device of this embodiment, the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, Each of the semiconductor layer and the third semiconductor layer preferably has a p + layer on the light incident side surface. This is due to the following reason. Carrier generation during light irradiation occurs frequently on the light incident side of the semiconductor layer. Therefore, by providing a p + layer on the surface of the semiconductor layer on the light incident side, holes having a lifetime shorter than that of electrons are increased to p +. The moving distance until reaching the layer can be reduced. Therefore, conversion efficiency can be improved by suppressing recombination of holes.
上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、透明導電膜9として、たとえば、ITO、IO、TOまたはZOからなる層の単層または複数層の積層体を用いることができる。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as described above, as the transparent
なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、透明導電膜9に代えて、金属電極を用いてもよい。しかしながら、第1の半導体層に接する電極として金属電極を用いる場合には、光入射を考慮して、第1の半導体層の表面の一部のみに形成されていることが好ましい。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above configuration, a metal electrode may be used instead of the transparent
<実施の形態6>
図6に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図6に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第1の光電変換層51の第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面の一部にn+層3が形成されており、n+層3に透明導電膜9が接するようにして形成されている点に特徴がある。
<
FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 6, one surface of the first
本実施の形態のような構成とすることによって、実施の形態5の構成の光電変換装置と比べて、透明導電膜9の接触抵抗を低減することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。
By adopting the configuration as in this embodiment, the contact resistance of the transparent
また、本実施の形態の光電変換装置の酸化シリコン膜6においては、正の固定電荷となるイオン化されたセシウム5が第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面との界面近傍に配置されているため、酸化シリコン膜6と接するn+層3の領域に負電荷が誘起されて蓄積層13が形成される。この蓄積層13と透明導電膜9との接触によっても透明導電膜9の接触抵抗を低減することができる。なお、上記および下記のいずれの実施の形態の光電変換装置の構成においても、負の電荷が誘起される反転層とn+層との重複領域、および正の電荷が誘起される反転層とp+層との重複領域はいずれも蓄積層となりうることは言うまでもない。
Further, in the
また、n+層3は、第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面に、n+層3の形成箇所に対応する箇所に開口部を有するマスクを設置した後にn型不純物をこの開口部から拡散させることによって形成することができる。なお、n型不純物の拡散は、たとえば、POCl3などのn型不純物を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。また、たとえば、上記の開口部へのイオン注入またはイオンドーピングによって、リン、砒素またはアンチモンなどのn型不純物をドーピングすることによってn+層3を形成することもできる。
The n +
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態5と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that of the fifth embodiment, the description thereof is omitted here.
<実施の形態7>
図7に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図7に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第1の光電変換層51の第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面の一部に金属シリサイド10が形成されている点に特徴がある。
<
FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 7, one surface of the first
本実施の形態のような構成とすることによって、金属シリサイド10は、金属のように低抵抗であるために金属シリサイド10によって低抵抗の櫛形状の電極を形成することができ、また透明導電膜による光の吸収を抑制することができることから、実施の形態5の光電変換装置と比べて、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。
By adopting the configuration as in the present embodiment, the
なお、金属シリサイド10は、たとえば従来から公知の自己整合シリサイド化(SALICIDE)プロセスを用いることによって形成することができる。SALICIDEプロセスを用いることにより、電極加工用のマスクを不要とし、容易に電極を形成することが可能となる。
The
また、金属シリサイド10としては、少なくとも1種の任意の金属とシリコンとの化合物からなるものであれば特には限定されず用いることができ、シリコンと化合する金属としては、たとえば、Ti、Ni、Co、Er、YbまたはPtなどが挙げられる。なかでも、シリコンと化合する金属としては、低温で形成可能なニッケルシリサイド(NixSi(x≒0.5〜2))またはコバルトシリサイド(CoxSi(x≒0.5〜2))などを用いることができる。
The
また、本実施の形態の光電変換装置においては、金属シリサイド10に接する透明導電膜等を用いて配線層を形成しても良い。
In the photoelectric conversion device of this embodiment, the wiring layer may be formed using a transparent conductive film or the like in contact with the
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態5と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that of the fifth embodiment, the description thereof is omitted here.
<実施の形態8>
図8に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図8に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第1の光電変換層51の第1の半導体層としての第1のアモルファスシリコン層2aの光入射側の表面の一部に金属シリサイド10が形成されており、金属シリサイド10と第1のアモルファスシリコン層2aとの間の領域にn型不純物が偏析することによって形成されたn+層3が形成されている点に特徴がある。
<Eighth embodiment>
FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 8, one surface of the first
本実施の形態のような構成においても、実施の形態7の構成の光電変換装置と比べて、金属シリサイド10と第1のアモルファスシリコン層2aとの間の整流特性を改善することができ、また金属シリサイド10と表面反転層4と間の抵抗を下げることができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。
Also in the configuration of the present embodiment, the rectification characteristics between the
また、本実施の形態のような構成とすることによって、実施の形態7の構成の光電変換装置と比べて、透明導電膜9の接触抵抗をさらに低減することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性をさらに向上させることが可能になる。
Further, by adopting the configuration as in this embodiment, the contact resistance of the transparent
また、本実施の形態の光電変換装置においては、金属シリサイド10と接する透明導電膜を形成しても良い。
In the photoelectric conversion device of this embodiment, a transparent conductive film in contact with the
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態5〜7と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that in the fifth to seventh embodiments, the description thereof is omitted here.
<実施の形態9>
図9に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。ここで、図9に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、第3の光電変換層53の第3のアモルファスシリコン層2cの裏面に接するように、表面誘電体膜4が有する正の固定電荷となるセシウム5とは逆の極性の負の固定電荷となる不純物50を有する裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60が形成されている点に特徴がある。
<
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as shown in FIG. 9, the
ここで、裏面誘電体膜に含まれる負の固定電荷となる不純物は、第3のアモルファスシリコン層2cの裏面との界面近傍においてイオン化等して負の固定電荷となっているため、裏面誘電体膜が接する第3のアモルファスシリコン層2cの裏面の少なくとも一部の領域にはp型半導体として機能する裏面反転層40が誘起される。
Here, the negative fixed charge contained in the back surface dielectric film becomes negative fixed charge by ionization or the like in the vicinity of the interface with the back surface of the third
上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、裏面電極7として透明導電膜などの透明電極を用いて、第1の光電変換層51側からだけでなく第3の光電変換層53側からも光を入射させたときに、第3の光電変換層のp+層1による短波長の光の吸収を抑制することができるため、光電変換装置の光電変換効率などの特性を向上させることが可能になる。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as described above, a transparent electrode such as a transparent conductive film is used as the
なお、裏面誘電体膜としては、酸化シリコン膜60を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも1種を用いてもよい。
Although the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60に含まれる不純物50が最も多く存在する箇所は、第3の半導体層としての第3のアモルファスシリコン層2cと裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60との界面から、この界面に対して垂直な方向に第3の半導体層としての第3のアモルファスシリコン層2c側に5nm進向した領域と、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60側に5nm進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the portion where the
すなわち、本発明の光電変換装置においては、裏面誘電体膜が、第3の半導体層との界面近傍に、表面誘電体膜に含まれる正または負の固定電荷となる不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有していることが好ましいが、この不純物の少なくとも一部が、第3の半導体層と裏面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に第3の半導体層側に5nm進向した領域と、裏面誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に存在していればよい。 In other words, in the photoelectric conversion device of the present invention, the back surface dielectric film is fixed in the vicinity of the interface with the third semiconductor layer and has a polarity opposite to that of the impurities that are positive or negative fixed charges contained in the surface dielectric film. It is preferable to have an impurity serving as a charge, but at least a part of this impurity is from the interface between the third semiconductor layer and the back surface dielectric film in the direction perpendicular to the interface. It suffices to exist in a region between the region advanced 5 nm toward the layer side and the region advanced 5 nm toward the back surface dielectric film side.
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態5と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that of the fifth embodiment, the description thereof is omitted here.
<実施の形態10>
図10に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な斜視図を示す。ここで、図10に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の半導体層としてのp型シリコン基板2の光入射側の表面には凹凸15が形成されており、凹凸15が形成されているp型シリコン基板2の光入射側の表面上には表面誘電体膜としての酸化シリコン膜6が設置されている。また、半導体層としてのp型シリコン基板2の光入射側の表面の一部にはn+層3が形成されている。
<
FIG. 10 shows a schematic perspective view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here,
また、酸化シリコン膜6は、p型シリコン基板2の光入射側の表面との界面近傍において、正の固定電荷となる不純物としてのセシウム(図示せず)を有しており、セシウムはp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面近傍においてイオン化して正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜6が接するp型シリコン基板2の光入射側の表面の少なくとも一部の領域にはn+層3と同様にn型半導体として機能する表面反転層4が誘起される。
The
また、p型シリコン基板2の光入射側の表面とは反対側の表面となる裏面の一部にはp+層1が形成されているとともに、p型シリコン基板2の裏面上には酸化シリコン膜26が設置されている。また、p型シリコン基板2の裏面上には酸化シリコン膜26を介して裏面電極7が形成されており、裏面電極7は酸化シリコン膜26に形成された開口部を通してp+層1の裏面の一部に接するように形成されている。
A p +
また、p型シリコン基板2の光入射側の表面上には酸化シリコン膜6を介して表面電極としての金属電極8が形成されており、金属電極8は酸化シリコン膜6に形成された開口部を通してn+層3の表面の一部に接するように形成されている。
A
以下、図10に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、p型シリコン基板2の光入射側の表面に凹凸15を形成する。ここで、凹凸15の形成は、たとえば、水酸化カリウム水溶液または水酸化ナトリウム水溶液を用いたウエットエッチングによりp型シリコン基板2の光入射側の表面にテクスチャ構造を形成することにより行なうことができる。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 10 will be described. First, the
また、凹凸15の形成は、たとえば、レーザ光の照射、RIE(Reactive Ion Etching)またはプラズマ照射などによってp型シリコン基板2の光入射側の表面の一部を除去することによっても行なうことができる。
Further, the
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面上に酸化シリコン膜6を形成するとともに、p型シリコン基板2の光入射側の表面とは反対側の裏面上に酸化シリコン膜26を形成する。ここで、p型シリコン基板2が単結晶シリコンからなる場合には、たとえば950℃以上の温度で熱酸化することによりp型シリコン基板2の光入射側の表面に酸化シリコン膜6を形成するとともに、p型シリコン基板2の裏面に酸化シリコン膜26を形成することができる。
Next, a
次に、p型シリコン基板2の裏面にp+層1を形成する。ここで、p+層1の形成は、たとえば、p型シリコン基板2の裏面にp+層1の形成箇所に対応する箇所に開口部を設けたマスクを設置し、その開口部からp型不純物を拡散させることなどによって行なうことができる。また、p型不純物の拡散は、たとえばBBr3などのp型不純物を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。
Next, the p +
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面にn+層3を形成する。ここで、n+層3の形成は、p型シリコン基板2の光入射側の表面にn型不純物を拡散させることによって行なうことができる。また、n型不純物の拡散は、たとえば、n+層3の形成箇所に対応する箇所の酸化シリコン膜6の一部に開口部を設け、その開口部からPOCl3などのn型不純物を含むガスを用いた気相拡散により行なうことができる。
Next, the n +
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜6にセシウム5を含有させる。ここで、セシウム5は、たとえば、p型シリコン基板2の光入射側の表面上に形成された酸化シリコン膜6にセシウムイオンをイオン注入することによって、酸化シリコン膜6にイオン化したセシウム5を含有させることができる。
Next,
次に、p型シリコン基板2のアニールを行なう。ここで、p型シリコン基板2のアニールは、たとえば上記のセシウムイオン注入後のp型シリコン基板2をたとえば800℃〜1000℃の温度でアニールすることにより行なうことができる。これにより、酸化シリコン膜6中のイオン化したセシウム5をp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面に偏析させることができるため、酸化シリコン膜6が接するp型シリコン基板2の光入射側の表面に表面反転層4が形成される。
Next, the p-
次に、p型シリコン基板2の光入射側の表面に金属電極8を形成する。ここで、金属電極8は、たとえば、金属電極8に接触させるn+層3の表面を露出させる箇所に酸化シリコン膜6に開口部を設け、マスクなどを用いて金属を所定の形状に蒸着すること等によって形成することができる。
Next, the
次に、p型シリコン基板2の裏面に裏面電極7を形成する。ここで、裏面電極7は、たとえば、裏面電極7に接触させるp+層1の表面を露出させる箇所に酸化シリコン膜6に開口部を設け、マスクなどを用いて金属を蒸着すること等によって形成することができる。
Next, the
最後に、上記の金属電極8および裏面電極7の形成後のp型シリコン基板2のアニールを行なうことによって、上記の構成を有する本実施の形態の光電変換装置の一例が作製される。ここで、p型シリコン基板2のアニールは、たとえば350℃〜500℃の温度の水素雰囲気にp型シリコン基板2を曝すことによって行なうことができる。
Finally, by annealing the p-
以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2の光入射側の表面とが接しており、酸化シリコン膜6のp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面でイオン化したセシウムによって、p型シリコン基板2の光入射側の表面に表面反転層4が形成される。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration manufactured as described above, the
したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献1に記載の太陽電池と比べて表面反転層4に高密度に負電荷が誘起されやすく、n型半導体としての機能が高められ、p型シリコン基板2の光入射側の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。
Therefore, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment having the above-described configuration, it is described in
また、p型シリコン基板2の光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるn+層3の代わりに、n型半導体として機能する表面反転層4を設けることによって、短波長の光の吸収がn+層3と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
Further, by providing the
また、酸化シリコン膜6中に固定電荷を配置することにより、n+層3を形成する場合に比べてビルトインポテンシャルが増大するため、p型シリコン基板2の内部電界が大きくなる。この大きい内部電界によりキャリア伝導は拡散成分よりもドリフト成分の方が支配的となり、キャリアの移動速度が増大し、キャリアの再結合が抑制される。これにより、キャリアの収集効率を向上させることができる。
In addition, by disposing a fixed charge in the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2の光入射側の表面との界面におけるセシウムの偏析量によって表面反転層4に誘起される負電荷の密度を制御することができる。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the negative polarity induced in the
特に、本実施の形態のように、酸化シリコン膜6へのセシウムイオン注入とアニールによって酸化シリコン膜6とp型シリコン基板2との界面にセシウムを偏析させる場合、表面反転層4における最適な負電荷の密度を得るためのセシウムイオン注入量のマージンが広いため、安定した品質で高特性の光電変換装置を提供することができる。
In particular, when cesium is segregated at the interface between the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面における界面準位を表面反転層4に誘起される負電荷で終端することにより、p型シリコン基板2の光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as described above, the interface state on the light incident side surface of the p-
さらに、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面に形成された凹凸15と、p型シリコン基板2の光入射側の表面とは反対側の裏面に形成された裏面電極7とによって、p型シリコン基板2の内部における光閉じ込め効果を得ることもできる。
Furthermore, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment having the above-described configuration, the
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態1と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted here.
<実施の形態11>
図11に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な斜視図を示す。ここで、図11に示す構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の裏面に裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60が設置されており、酸化シリコン膜60はp型シリコン基板2の裏面との界面近傍にp型シリコン基板2の光入射側の表面に表面誘電体膜として設置された酸化シリコン膜6に含まれるセシウムとは異なる極性の負の固定電荷となる不純物(図示せず)を有している点に特徴がある。
<
FIG. 11 shows a schematic perspective view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. Here, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 11, a
ここで、酸化シリコン膜60は、p型シリコン基板2の裏面との界面近傍において、負の固定電荷となる不純物を有しており、負の固定電荷となる不純物はp型シリコン基板2の裏面との界面近傍においてイオン化等して負の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜60が接するp型シリコン基板2の裏面の少なくとも一部の領域にはp+層1と同様にp型半導体として機能する裏面蓄積層40が誘起される。
Here, the
上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、p型シリコン基板2の光入射側の表面に表面反転層4が形成されているだけでなく、p型シリコン基板2の光入射側の表面と反対側の裏面に裏面蓄積層40が形成されており、p型シリコン基板2の光入射側の表面とその反対側の裏面においてそれぞれキャリアの再結合を抑制することができるため、実施の形態10の光電変換装置と比べて、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、実施の形態10の光電変換装置と比較して、p+層1による光の吸収を抑制することができる。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment configured as described above, not only the
なお、裏面誘電体膜としては、酸化シリコン膜60を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも1種を用いてもよい。
Although the
また、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60中に負の固定電荷となる不純物を含有させる方法は、表面誘電体膜としての酸化シリコン膜6と同様の方法を用いることができる。
Further, a method similar to that for the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60に含まれる不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層としてのp型シリコン基板2と裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60との界面から、この界面に対して垂直な方向にp型シリコン基板2側に5nm進向した領域と、裏面誘電体膜としての酸化シリコン膜60側に5nm進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the locations where the most impurities contained in the
すなわち、本発明の光電変換装置においては、裏面誘電体膜が、半導体層との界面近傍に、表面誘電体膜に含まれる正または負の固定電荷となる不純物と逆の極性の固定電荷となる不純物を有していることが好ましいが、この不純物の少なくとも一部が、半導体層と裏面誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に5nm進向した領域と、裏面誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に存在していればよい。 That is, in the photoelectric conversion device of the present invention, the back surface dielectric film has a fixed charge with a polarity opposite to the positive or negative fixed charge contained in the surface dielectric film in the vicinity of the interface with the semiconductor layer. Although it is preferable to have an impurity, a region in which at least a part of the impurity advances from the interface between the semiconductor layer and the back surface dielectric film by 5 nm toward the semiconductor layer in a direction perpendicular to the interface; It suffices to be present in a region between the region advanced 5 nm toward the back surface dielectric film side.
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態1および実施の形態10と同様であるため、ここではその説明を省略する。 Since the description other than the above in the present embodiment is the same as that in the first and tenth embodiments, the description thereof is omitted here.
<実施の形態12>
図12に、本発明の光電変換装置の他の一例の模式的な断面図を示す。図12に示す構成の本実施の形態の光電変換装置は、第1の半導体層としての薄膜シリコン層12aと、薄膜シリコン層12aの光入射側の表面に接合された第1の誘電体膜としての酸化シリコン膜6aと、薄膜シリコン層12aの光入射側の表面とは反対側の裏面に接合された第2の誘電体膜としての酸化シリコン膜6bと、酸化シリコン膜6bの裏面に接合された第2の半導体層としての薄膜シリコン層12bとの積層構造を含む構成を有している。また、(正の固定電荷を含む酸化シリコン膜)/(薄膜シリコン層)/(負の固定電荷を含む酸化シリコン膜)の周期構造を有していてもよい。
<Embodiment 12>
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of another example of the photoelectric conversion device of the present invention. The photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 12 includes a thin
また、酸化シリコン膜6aは、薄膜シリコン層12aとの界面近傍に、正の固定電荷となる不純物20を有している。ここで、酸化シリコン膜6aにおいて、正の固定電荷となる不純物20はイオン化等することによって正の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜6aが接する薄膜シリコン層12aの光入射側の表面の少なくとも一部の領域には負の電荷が誘起してn型半導体として機能する第1の反転層4aが誘起される。
Further, the
また、酸化シリコン膜6bは、薄膜シリコン層12aとの界面近傍および薄膜シリコン層12bとの界面近傍に、負の固定電荷となる不純物21を有している。ここで、酸化シリコン膜6bにおいて、負の固定電荷となる不純物21はイオン化等することによって負の固定電荷となっているため、酸化シリコン膜6bが接する薄膜シリコン層12aの裏面の少なくとも一部の領域には正の電荷が誘起してp型半導体として機能する第2の反転層4bが誘起され、酸化シリコン膜6bが接する薄膜シリコン層12bの光入射側の表面の少なくとも一部の領域には正の電荷が誘起してp型半導体として機能する第3の反転層4cが誘起される。
Further, the
さらに、薄膜シリコン層12bの裏面には、上記構成の他の積層構造が接合され、この接合されている積層構造の最外層には、薄膜シリコン層12bの裏面との界面近傍において正の固定電荷となる不純物20を含む酸化シリコン膜6cが配置されており、酸化シリコン膜6cにおいて不純物20は正の固定電荷となっている。これにより、薄膜シリコン層12bの裏面には負の電荷が誘起してn型半導体として機能する第4の反転層4dが誘起される。
Further, another laminated structure having the above-described configuration is bonded to the back surface of the thin
したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、各半導体層と各半導体層の両面にそれぞれ形成された反転層によってp−i−n構造の光電変換層が形成され、この光電変換層が順次積層された構成となっている。 Therefore, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, a photoelectric conversion layer having a pin structure is formed by each semiconductor layer and the inversion layers formed on both surfaces of each semiconductor layer. The layers are sequentially stacked.
なお、上記において、正の固定電荷または負の固定電荷は少なくとも界面近傍に存在していればよいため、酸化シリコン膜中に存在していてもよい。 Note that, in the above, positive fixed charges or negative fixed charges may be present at least in the vicinity of the interface, and therefore may be present in the silicon oxide film.
さらに、上記構成の積層構造の一方の側面には第1導電型半導体層としてのn型半導体層17が設置されており、上記構成の積層構造の他方の側面には第2導電型半導体層としてのp型半導体層16が設置されており、n型半導体層17およびp型半導体層16にはそれぞれ図示しない電極が設置されている。
Further, an n-
上記構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって、薄膜シリコン層12aで生成したキャリアのうち、電子は正の固定電荷となる不純物20を有する酸化シリコン膜6a側に移動し、酸化シリコン膜6aおよびn型半導体層17を通って、n型半導体層17に設置された電極から取り出される。一方、薄膜シリコン層12aで生成したキャリアのうち、正孔は負の固定電荷となる不純物21を有する酸化シリコン膜6b側に移動し、酸化シリコン膜6bおよびp型半導体層16を通って、p型半導体層16に設置された電極から取り出される。
When light is incident on the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above structure, electrons move out of the carriers generated in the thin
同様に、上記構成の本実施の形態の光電変換装置に光が入射することによって、薄膜シリコン層12bで生成したキャリアのうち、電子は正の固定電荷となる不純物20を有する酸化シリコン膜6c側に移動し、酸化シリコン膜6cおよびn型半導体層17を通って、n型半導体層17に設置された電極から取り出される。一方、薄膜シリコン層12bで生成したキャリアのうち、正孔は負の固定電荷となる不純物21を有する酸化シリコン膜6b側に移動し、酸化シリコン膜6bおよびp型半導体層16を通って、p型半導体層16に設置された電極から取り出される。
Similarly, when light is incident on the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, among the carriers generated in the thin
以上のような機構によるキャリアの取り出しが、本実施の形態の光電変換装置を構成する積層構造の各半導体層および各誘電体膜で行なわれることによって、本実施の形態の光電変換装置からキャリアを外部に取り出すことができる。 Carrier extraction by the mechanism as described above is performed on each semiconductor layer and each dielectric film of the stacked structure that constitutes the photoelectric conversion device of this embodiment, so that carriers are extracted from the photoelectric conversion device of this embodiment. Can be taken out.
以下、図12に示す構成の本実施の形態の光電変換装置の製造方法の一例について説明する。まず、基板の表面上に、上記の積層構造が3周期繰り返された積層構造体を形成する。 Hereinafter, an example of a method for manufacturing the photoelectric conversion device of the present embodiment having the configuration shown in FIG. 12 will be described. First, a laminated structure in which the above laminated structure is repeated three periods is formed on the surface of the substrate.
ここで、積層構造体は、たとえばCVD法などを用いて、たとえばガラス基板などの所定の基板の表面上に、負の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜、薄膜シリコン層、正の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜および薄膜シリコン層をこの順序で順次積層していくことによって形成することができる。 Here, the laminated structure is formed by using, for example, a CVD method on a surface of a predetermined substrate such as a glass substrate, a silicon oxide film containing an impurity that becomes a negative fixed charge, a thin film silicon layer, a positive fixed charge. Then, the silicon oxide film and the thin film silicon layer containing the impurities to be formed can be sequentially stacked in this order.
なお、酸化シリコン膜中に正の固定電荷となる不純物または負の固定電荷となる不純物を導入する方法としては、たとえば、CVD法などによって薄膜シリコン層を形成した後に、正の固定電荷となる不純物のイオンまたは負の固定電荷となる不純物のイオンをイオン注入することなどによって行なうことができる。また、薄膜シリコン層に、たとえば水酸化セシウム水溶液、塩化セシウム水溶液または水酸化アルミニウム水溶液などの正または負の固定電荷となる不純物を含む水溶液を塗布して乾燥した後に、CVD法にて酸化シリコン膜を形成することによって、セシウムまたはアルミニウムなどの正または負の固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜を形成することができる。また、イオン注入などを用いて正の固定電荷となる不純物を含ませた酸化シリコン膜を表面に形成した薄膜シリコン層を貼り合わせることによって形成することもできる。たとえば、単結晶シリコン基板の表面に熱酸化等によって酸化シリコン膜を形成した後、酸化シリコン膜中に固定電荷となる不純物をイオン注入等によって導入しアニールする。次に、スマートカット法等を用いることによって、単結晶シリコン基板の表面を剥離し、ガラス基板等に順次積層することもできる。 As a method for introducing an impurity that becomes a positive fixed charge or an impurity that becomes a negative fixed charge into the silicon oxide film, for example, an impurity that becomes a positive fixed charge after a thin film silicon layer is formed by a CVD method or the like. Or ions of impurities that become negative fixed charges may be implanted. Moreover, after applying and drying an aqueous solution containing an impurity that becomes a positive or negative fixed charge, such as a cesium hydroxide aqueous solution, a cesium chloride aqueous solution, or an aluminum hydroxide aqueous solution, the silicon oxide film is formed by a CVD method. By forming the silicon oxide film, a silicon oxide film containing an impurity that becomes a positive or negative fixed charge such as cesium or aluminum can be formed. Alternatively, it can be formed by bonding a thin film silicon layer formed on the surface with a silicon oxide film containing an impurity that becomes a positive fixed charge by ion implantation or the like. For example, after a silicon oxide film is formed on the surface of a single crystal silicon substrate by thermal oxidation or the like, impurities that become fixed charges are introduced into the silicon oxide film by ion implantation or the like and annealed. Next, by using a smart cut method or the like, the surface of the single crystal silicon substrate can be peeled and sequentially stacked on a glass substrate or the like.
次に、上記の積層構造体の一部を除去して基板の表面の一部を露出させる。ここで、上記の積層構造体の除去は、たとえばエッチングなどによって行なうことができる。 Next, a part of the laminated structure is removed to expose a part of the surface of the substrate. Here, the removal of the laminated structure can be performed by etching, for example.
次に、たとえば図13の模式的断面図に示すように、上記の積層構造体の除去部分にn型半導体層17およびp型半導体層16をそれぞれ堆積させる。ここで、n型半導体層17およびp型半導体層16はそれぞれ、たとえばCVD法などによって堆積させることができる。
Next, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 13, for example, an n-
その後、たとえば図13に示すように、n型半導体層17の表面上にn型用電極18を形成するとともに、p型半導体層16の表面上にp型用電極19を形成する。ここで、n型用電極18およびp型用電極19はそれぞれ、たとえば、n型用電極18に用いられる金属およびp型用電極19に用いられる金属をそれぞれ蒸着させることなどによって形成することができる。
Thereafter, for example, as shown in FIG. 13, an n-
最後に、たとえば図13に示す破線に沿ってn型半導体層17およびp型半導体層16をそれぞれ切断することによって、図12に示す構成の本実施の形態の光電変換装置を作製することができる。また、n型半導体層17およびp型半導体層16を切断せずに、適切に配線を形成してもよい。
Finally, for example, the n-
以上のようにして作製した上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜6aが薄膜シリコン層12aとが接しており、酸化シリコン膜6bが薄膜シリコン層12aと薄膜シリコン層12bの双方と接している。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above structure manufactured as described above, the
したがって、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、固定電荷を含む第二層と半導体表面との間に固定電荷を含まない第一層が設置された構成の特許文献1に記載の太陽電池と比べて、第1の反転層4a、第2の反転層4b、第3の反転層4cおよび第4の反転層4dなどの反転層に正または負の電荷が高密度に誘起されやすくなり、n型半導体またはp型半導体としての機能が高められるため、各半導体層の表面におけるキャリアの再結合が抑制されることなどにより、光電変換効率などの光電変換装置の特性が向上する。
Therefore, in the photoelectric conversion device according to the present embodiment having the above-described configuration, it is described in
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、薄膜シリコン層12aおよび薄膜シリコン層12bなどの半導体層の光入射側の表面に短波長の光の吸収源となるn+層またはp+層の代わりに、n型半導体またはp型半導体として機能する反転層を設けることによって、短波長の光の吸収がn+層またはp+層と比べて抑えられるため、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the n + layer or p serving as an absorption source of short-wavelength light on the surface of the semiconductor layer such as the thin
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、酸化シリコン膜などの誘電体膜と薄膜シリコン層などの半導体層との界面における正または負の固定電荷となる不純物の偏析量によって反転層に誘起される正電荷または負電荷の密度を制御することができる。 Further, in the photoelectric conversion device of this embodiment having the above-described configuration, the inversion is performed depending on the amount of segregation of impurities that become positive or negative fixed charges at the interface between the dielectric film such as a silicon oxide film and the semiconductor layer such as a thin film silicon layer. The density of positive or negative charges induced in the layer can be controlled.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、薄膜シリコン層12aの光入射側の表面における界面準位を第1の反転層4aに誘起される負電荷で終端することにより、薄膜シリコン層12aの光入射側の表面における界面準位でのキャリアの再結合が抑制され、光電変換効率などの光電変換装置の特性をさらに向上させることができる。
Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the interface state on the light incident side surface of the thin
また、上記においては、第1の半導体層および第2の半導体層にそれぞれ薄膜シリコン層を用いたが、その薄膜シリコン層は、たとえば結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンのいずれから構成されていてもよく、シリコン以外の他の種類の半導体から構成されていてもよい。なお、結晶シリコンには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンと多結晶シリコンとの混合体などが含まれる。 In the above, thin film silicon layers are used for the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, respectively, but the thin film silicon layer is made of, for example, crystalline silicon, amorphous silicon, or microcrystalline silicon. Alternatively, it may be made of a semiconductor other than silicon. Note that crystalline silicon includes single crystal silicon, polycrystalline silicon, a mixture of single crystal silicon and polycrystalline silicon, or the like.
また、上記積層構造の各半導体層ごとに材質が異なっていてもよい。たとえば、光入射側から、アモルファスシリコン、多結晶シリコンおよび単結晶シリコンをこの順序で有する構成としてもよい。 In addition, the material may be different for each semiconductor layer of the stacked structure. For example, the structure may include amorphous silicon, polycrystalline silicon, and single crystal silicon in this order from the light incident side.
また、各半導体層にそれぞれ結晶シリコンを用いた場合には、上記の積層構造は、たとえば、上記の誘電体膜が形成された結晶シリコン同士を貼り合わせることなどによって作製することができる。 Further, when crystalline silicon is used for each semiconductor layer, the above laminated structure can be produced by, for example, bonding together crystalline silicon on which the dielectric film is formed.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、光入射側に近い半導体層のバンドギャップが、その半導体層よりも光入射側から遠い半導体層のバンドギャップ以上であることが好ましい。このような光入射側から短波長の光から長波長の光を順次吸収できるような半導体層の積層構造とすることによって、本実施の形態の光電変換装置に入射した光の吸収量が大きくなるため、光電変換効率などの本実施の形態の光電変換装置の特性が向上する傾向にある。 In the photoelectric conversion device of this embodiment having the above structure, the band gap of the semiconductor layer close to the light incident side is preferably equal to or larger than the band gap of the semiconductor layer farther from the light incident side than the semiconductor layer. By adopting a stacked structure of semiconductor layers that can sequentially absorb short-wavelength light from long-wavelength light from the light incident side, the amount of light incident on the photoelectric conversion device of this embodiment is increased. Therefore, characteristics of the photoelectric conversion device of this embodiment such as photoelectric conversion efficiency tend to be improved.
このようなバンドギャップの関係となる半導体層の積層構造のとしては、たとえば、光入射側から、アモルファスの炭化ケイ素、アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンが積層された構造、ならびに光入射側から、アモルファスの炭化ケイ素、アモルファスシリコンおよびアモルファスのシリコンゲルマニウムが積層された構造を挙げることができる。 As a laminated structure of the semiconductor layer having such a band gap relationship, for example, a structure in which amorphous silicon carbide, amorphous silicon and microcrystalline silicon are laminated from the light incident side, and an amorphous structure from the light incident side. A structure in which silicon carbide, amorphous silicon, and amorphous silicon germanium are stacked can be given.
上記積層構造を構成する少なくとも1層の半導体層の厚さは、当該半導体層内でのキャリア拡散長よりも薄いことが好ましい。この場合には、半導体層内でのキャリアの再結合を有効に抑止することができるとともに、本実施の形態のように積層構造とすることによって入射した光が吸収される確率も高くすることができる。 The thickness of at least one semiconductor layer constituting the stacked structure is preferably thinner than the carrier diffusion length in the semiconductor layer. In this case, recombination of carriers in the semiconductor layer can be effectively suppressed and the probability that incident light is absorbed can be increased by using a stacked structure as in this embodiment. it can.
また、上記においては、第1の誘電体膜および第2の誘電体膜などの上記積層構造を構成する誘電体膜に酸化シリコン膜を用いたが、これに限定されないことは言うまでもなく、たとえば、酸化シリコン、酸窒化シリコンおよび窒化シリコンからなる群から選択された少なくとも1種を用いることもできる。 In the above, the silicon oxide film is used as the dielectric film constituting the laminated structure such as the first dielectric film and the second dielectric film, but it is needless to say that the present invention is not limited thereto. At least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon oxynitride, and silicon nitride can also be used.
また、第1の誘電体膜および第2の誘電体膜などの上記積層構造を構成する誘電体膜としては、バンドギャップが4.2eV以上である誘電体膜を用いることが好ましい。たとえば太陽光の大部分は300nm以上の波長を有する光から構成されているため、バンドギャップが4.2eV以上である誘電体膜を用いて太陽光を入射させた場合には、300nm以上の波長を有する太陽光が誘電体膜で吸収されるのが抑制され、変換ロスが少なくなるため、光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。 In addition, as the dielectric film constituting the laminated structure such as the first dielectric film and the second dielectric film, it is preferable to use a dielectric film having a band gap of 4.2 eV or more. For example, since most of sunlight is composed of light having a wavelength of 300 nm or more, when sunlight is incident using a dielectric film having a band gap of 4.2 eV or more, a wavelength of 300 nm or more is used. Since the solar light having a thickness is suppressed from being absorbed by the dielectric film and the conversion loss is reduced, the characteristics of the photoelectric conversion device tend to be further improved.
また、上記においては、正の固定電荷となる不純物としては、たとえば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、リン、砒素およびアンチモンからなる群から選択された少なくとも1種を含むものを用いることができる。 In the above, the positive fixed charge is, for example, at least one selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, magnesium, calcium, strontium, barium, phosphorus, arsenic, and antimony. Those containing seeds can be used.
負の固定電荷となる不純物としては、たとえば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、白金、フッ化フラーレン、酸化フラーレン、フッ素、塩素、臭素およびヨウ素からなる群から選択された少なくとも1種を含むものを用いることができる。 Examples of the impurity that becomes a negative fixed charge include those containing at least one selected from the group consisting of boron, aluminum, gallium, indium, platinum, fullerene fluoride, fullerene oxide, fluorine, chlorine, bromine, and iodine. Can be used.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、p型とn型の導電型を入れ替えるとともに、固定電荷の極性を入れ替えてもよい。 In the photoelectric conversion device of this embodiment having the above-described configuration, the p-type and n-type conductivity types may be switched, and the polarity of the fixed charge may be switched.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置において、上記の不純物が最も多く存在する箇所は、半導体層と誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に5nm進向した領域と、誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に位置することが好ましい。この場合には、上記構成の本実施の形態の光電変換装置の特性がさらに向上する傾向にある。 Further, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the portion where the above-described impurity is most present is from the interface between the semiconductor layer and the dielectric film toward the semiconductor layer in a direction perpendicular to the interface. It is preferably located in a region between the region advanced by 5 nm and the region advanced by 5 nm toward the dielectric film side. In this case, the characteristics of the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above configuration tend to be further improved.
すなわち、各誘電体膜中における正または負の固定電荷となる不純物の少なくとも一部が、半導体層と誘電体膜との界面から、この界面に対して垂直な方向に半導体層側に5nm進向した領域と、誘電体膜側に5nm進向した領域との間の領域に存在していればよい。 That is, at least a part of the impurities that become positive or negative fixed charges in each dielectric film advances from the interface between the semiconductor layer and the dielectric film to the semiconductor layer side in a direction perpendicular to the interface by 5 nm. It suffices to exist in a region between the region and the region advanced by 5 nm toward the dielectric film side.
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、薄膜シリコン層12aの光入射側の酸化シリコン膜6aを反射防止膜として機能させてもよく、酸化シリコン膜6aの表面にテクスチャ構造および/またはモスアイ構造などを形成してもよいことは言うまでもない。
In the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the
また、上記構成の本実施の形態の光電変換装置における半導体層の数および誘電体膜の数は上記の構成に限定されるものではないことは言うまでもない。 Needless to say, the number of semiconductor layers and the number of dielectric films in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration are not limited to the above-described configuration.
また、上述したように、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においては、n型とp型の導電型を入れ替えてもよい。なお、上記構成の本実施の形態の光電変換装置においてn型とp型の導電型を入れ替えた場合には、正と負の電荷の極性も入れ替わることになる。 Further, as described above, in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the n-type and p-type conductivity types may be interchanged. Note that when the n-type and p-type conductivity types are interchanged in the photoelectric conversion device of the present embodiment having the above-described configuration, the polarities of the positive and negative charges are also interchanged.
図14に、本実施例で作製した光電変換装置のサンプルの模式的な断面図を示す。ここで、図14に示す光電変換装置のサンプルは、p型シリコン基板101の光入射側の表面の一部にn+層102が形成されている。また、p型シリコン基板101の光入射側の表面上には酸化シリコン膜105と窒化シリコン膜106とがこの順序で形成されており、酸化シリコン膜105および窒化シリコン膜106に設けられたコンタクトホールを通してn+層102に接する電極107が設けられている。さらに、酸化シリコン膜105は、p型シリコン基板101の光入射側の表面との界面近傍にイオン化したセシウム104を有しているため、酸化シリコン膜105が接するp型シリコン基板101の光入射側の表面の領域には負の電荷が誘起されてn型半導体として機能する表面反転層103が形成される。なお、図示はされていないが、p型シリコン基板101の裏面には裏面電極が形成されている。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a sample of the photoelectric conversion device manufactured in this example. Here, in the sample of the photoelectric conversion device shown in FIG. 14, the n +
以下、図15に示すフローチャートを参照して、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルの作製方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a sample of the photoelectric conversion device having the structure illustrated in FIG. 14 will be described with reference to a flowchart illustrated in FIG.
まず、ステップS1において、ボロンイオンがイオン注入されたシリコンを1190℃の温度でアニールすることによってp型シリコン基板101を作製する。
First, in step S1, p-
次に、ステップS2において、p型シリコン基板101の光入射側の表面に熱酸化法で酸化シリコン膜105を形成した後にプラズマCVD法により窒化シリコン膜106を形成する。
Next, in step S2, a
次に、ステップS3において、酸化シリコン膜105および窒化シリコン膜106の積層体の一部にコンタクトホールを設けた後に、当該コンタクトホールからPOCl3を拡散させることによってn+層102を形成する。
Next, in step S3, after providing a contact hole in a part of the stacked body of the
次に、ステップS4において、p型シリコン基板101の光入射側の表面に形成された酸化シリコン膜105にセシウムイオンをイオン注入する。
Next, in step S4, cesium ions are ion-implanted into the
次に、ステップS5において、セシウムイオンのイオン注入後のp型シリコン基板101を900℃に加熱することによって、酸化シリコン膜105が接するp型シリコン基板101の光入射側の表面の領域に表面反転層103を形成する。
Next, in step S5, the p-
その後、ステップS6において、酸化シリコン膜105および窒化シリコン膜106の積層体に設けられたコンタクトホールを通して電極107が形成されたp型シリコン基板101を水素雰囲気中でアニールすることによって、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルが作製される。
After that, in step S6, the p-
図16に、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面近傍の組成分析を行なった結果を示す。ここで、図16に示す結果は、酸化シリコン膜105の全体におけるセシウム104の濃度を様々に変化(2×1015cm-2、1×1014cm-2および5×1013cm-2)させて、高解像度RBS(Rutherford Back Scattering)により、酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面近傍の組成分析を行なったときの結果である。
FIG. 16 shows the results of a composition analysis performed in the vicinity of the interface between the
なお、図16における横軸は、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面からの距離(nm)を示し、縦軸は、セシウム濃度(×1021cm-3)、シリコン濃度(原子%)および酸素濃度(原子%)をそれぞれ示している。
Note that the horizontal axis in FIG. 16 indicates the distance (nm) from the interface between the
図16に示すように、酸化シリコン膜105の全体におけるセシウム104の濃度を様々に変化させた場合のいずれにおいても、酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面から酸化シリコン膜106側への距離およびp型シリコン基板101側への距離がそれぞれ5nmの範囲内にセシウム104の大部分が存在しており、イオン化したセシウム104が酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面近傍に偏析していることがわかる。
As shown in FIG. 16, in any case where the concentration of
図17に、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面近傍におけるセシウムの偏析量(cm-2)と、セシウムの偏析によりp型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)との関係を示す。ここで、図17の横軸は、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を示し、図17の縦軸は、酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面近傍におけるセシウムの偏析量(cm-2)およびセシウムの偏析によりp型シリコン基板101の表面に誘起された電子反転層の電子面密度(cm-2)を示している。
FIG. 17 shows a cesium segregation amount (cm −2 ) in the vicinity of the interface between the
また、図17に示す結果は、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を様々に変化させて、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルを作製してホール測定により上記の電子反転層の電子面密度を測定している。また、図17に示すセシウムの偏析量は、図16に示す結果に基づいて算出している。また、図17に示す結果は、p型シリコン基板101のボロン濃度をそれぞれ変化(6.5×1014cm-3、2.9×1016cm-3、1.4×1017cm-3および6.6×1017cm-3)させたそれぞれサンプルについて求めたものである。
In addition, the results shown in FIG. 17 indicate that the dose of cesium ions implanted into the
図17に示すように、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、p型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)は増加していくが、セシウムイオンのドーズ量が2×1014cm-2以上になると上記の電子反転層の電子面密度(cm-2)はほぼ一定(2×1013cm-2程度)となることがわかる。
As shown in FIG. 17, as the dose of cesium ions implanted into the
また、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、酸化シリコン膜105とp型シリコン基板101との界面近傍におけるセシウムの偏析量(cm-2)も増加していくが、セシウムイオンのドーズ量が一定以上になると上記のセシウムの偏析量(cm-2)もほぼ一定となる。
Further, as the dose of cesium ions implanted into the
したがって、p型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)およびセシウムの偏析量(cm-2)はともに同じような挙動を示すため、これらの間には相関関係があると考えられることから、p型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)はセシウムの偏析量(cm-2)によって制御することができると考えられる。
Therefore, p-type electron surface density of the electron inversion layer induced in the surface of the silicon substrate 101 (cm -2) and cesium segregation amount (cm -2) is shown together similar behavior in between these Since it is considered that there is a correlation, the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer induced on the surface of the p-
また、p型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)がほぼ一定となる値を光電変換装置に最適な電子反転層の電子面密度とすることによって、本発明の光電変換装置に最適な電子反転層の電子面密度を得るための広いプロセスマージンを確保することができ、高精度な電子反転層の電子面密度の制御を実現することが可能になる。
Moreover, by setting the value at which the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer induced on the surface of the p-
図18に、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルの酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量(cm-2)と、p型シリコン基板101の電子が誘起された表面のシート抵抗(kΩ/□)との関係を示す。ここで、図18の横軸は、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量を示し、図18の縦軸は、p型シリコン基板101の表面に誘起された電子反転層のシート抵抗(kΩ/□)を示している。また、図18に示す結果は、p型シリコン基板101のボロン濃度をそれぞれ変化(4.6×1014cm-3、2.9×1016cm-3、1.4×1017cm-3および6.6×1017cm-3)させたそれぞれサンプルについて求めたものである。
FIG. 18 shows a dose amount (cm −2 ) of cesium ions ion-implanted into the
図18に示すように、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量が増加するにしたがって、p型シリコン基板101に誘起された電子反転層のシート抵抗(kΩ/□)が低下していくが、セシウムイオンのドーズ量が一定以上(2×1014cm-2以上)になると上記のp型シリコン基板101の表面の電子反転層のシート抵抗(kΩ/□)もほぼ一定(約2kΩ/□程度)となる。ここでも、p型シリコン基板101の表面の電子反転層のシート抵抗がほぼ一定となる値を光電変換装置に最適なシート抵抗とすることによって、本発明の光電変換装置に最適な上記シート抵抗を得るための広いプロセスマージンを確保することができ、高精度な上記シート抵抗の制御を実現することが可能になる。
As shown in FIG. 18, as the dose of cesium ions implanted into the
図19に、図14に示す構成の光電変換装置のサンプルのp型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)と温度(K)との関係を示す。ここで、図19の横軸は温度(K)を示し、図19の縦軸はp型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)を示している。また、図19に示す結果は、酸化シリコン膜105にイオン注入されるセシウムイオンのドーズ量をそれぞれ変化(5×1013cm-2、5×1014cm-2および2×1015cm-2)させて求めたものである。
FIG. 19 shows the relationship between the electron surface density (cm −2 ) and the temperature (K) of the electron inversion layer induced on the surface of the p-
図19に示すように、温度(K)が上昇するにつれて、p型シリコン基板101の表面に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)が低下している。これは、シリコンにドープされたリンや砒素などの通常のドーパントによって形成されたn+層とは逆の温度依存性を示していることになる。
As shown in FIG. 19, as the temperature (K) increases, the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer induced on the surface of the p-
図20(a)に、p型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化する前の状態のp型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図を示す。また、図20(b)に、p型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面に存在する不純物がイオン化した後の状態のp型シリコン基板と酸化シリコン膜との界面近傍におけるエネルギーバンド図を示す。 FIG. 20A shows an energy band diagram in the vicinity of the interface between the p-type silicon substrate and the silicon oxide film before the impurities present at the interface between the p-type silicon substrate and the silicon oxide film are ionized. FIG. 20B shows an energy band diagram in the vicinity of the interface between the p-type silicon substrate and the silicon oxide film after the impurities present at the interface between the p-type silicon substrate and the silicon oxide film are ionized.
図20(a)においては、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面に不純物が存在し、当該不純物が不純物準位200を形成している。不純物準位200は、p型シリコン基板の伝導帯下端の上方−EA(EAは、不純物による電子キャリア生成の活性化エネルギーを表わす。)の位置に形成されている。このような状態が形成されると、図20(b)に示すように、不純物準位200からp型シリコン基板に電子が放出され、空になった不純物準位は正電荷として振舞う(不純物がイオン化する)。そして、当該正電荷による電界によって、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面近傍では、p型シリコン基板のエネルギーバンドの曲がりが生じ、上記の界面近傍において、電子反転層が形成される。
In FIG. 20A, an impurity exists at the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate, and the impurity forms an
図20(a)および図20(b)に示すエネルギーバンド図に基づいて数値計算を行なったところ、不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーEAは−0.11eV〜−0.13eVであり、特に−0.12eVであることがわかった。すなわち、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面付近に存在するセシウムは、p型シリコン基板の伝導帯下端の上方約0.12eVの位置に不純物準位を形成し、当該不純物準位からの電子放出により、p型シリコン基板の表面に電子反転層が形成されることが解明された。 When the numerical calculation was performed based on the energy band diagrams shown in FIGS. 20A and 20B, the activation energy E A of electron carrier generation by cesium as an impurity was −0.11 eV to −0.13 eV. And was found to be in particular -0.12 eV. That is, cesium existing in the vicinity of the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate forms an impurity level at a position of about 0.12 eV above the lower end of the conduction band of the p-type silicon substrate. It has been clarified that an electron inversion layer is formed on the surface of the p-type silicon substrate by electron emission.
なお、図19においては、一点鎖線は不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーEAが−0.13eVである場合の挙動を示し、実線が当該活性化エネルギーEAが−0.12eVである場合の挙動を示し、破線が当該活性化エネルギーEAが−0.11eVである場合の挙動を示しているが、不純物としてのセシウムによる電子キャリア生成の活性化エネルギーEAが−0.11eV〜−0.13eVである場合、特に−0.12eVである場合の挙動は図19に示す結果と一致する。 In FIG. 19, the alternate long and short dash line shows the behavior when the activation energy E A of electron carrier generation by cesium as an impurity is −0.13 eV, and the solid line shows the activation energy E A of −0.12 eV. shows the behavior of the case where, although the broken line is the activation energy E a indicates the behavior when an -0.11EV, the activation energy E a for the electron carrier generation by cesium as an impurity is -0. The behavior in the case of 11 eV to -0.13 eV, particularly in the case of -0.12 eV, matches the result shown in FIG.
図21〜図25にそれぞれ、図20(a)および図20(b)に示すエネルギーバンド図の構成において、酸化シリコン膜のp型シリコン基板との界面近傍における電子反転層の電子面密度(cm-2)と、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面に存在する不純物の面密度(cm-2)との関係を示す。 21 to 25, the electron surface density (cm) of the electron inversion layer in the vicinity of the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate in the configuration of the energy band diagram shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), respectively. -2 ) and the surface density (cm -2 ) of impurities present at the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate.
ここで、図21〜図25において、横軸は上記の不純物の面密度(cm-2)を示しており、縦軸は上記の電子反転層の電子面密度(cm-2)を示している。また、図21〜図25には、それぞれ活性化エネルギーEAが−0.00eVから−0.20eVまで順次−0.02eVずつ変化させたときの酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面に存在する不純物の面密度(cm-2)と電子反転層の電子面密度(cm-2)との関係が線で示されている。なお、上述した実験の結果から、不純物としてセシウムを用いる場合は、EA≒−0.12eVの場合に相当する。 Here, in FIG. 21 to FIG. 25, the horizontal axis indicates the surface density (cm −2 ) of the impurity, and the vertical axis indicates the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer. . FIGS. 21 to 25 show the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate when the activation energy E A is sequentially changed by −0.02 eV from −0.00 eV to −0.20 eV. relationship surface density of existing impurities and (cm -2) and electron surface density of the electron inversion layer (cm -2) is indicated by lines. From the results of the above-described experiment, the case where cesium is used as the impurity corresponds to the case of E A ≈−0.12 eV.
また、図21はp型シリコン基板中のボロン濃度が1×1016cm-3のときの関係を示しており、図22はp型シリコン基板中のボロン濃度が1×1017cm-3のときの関係を示しており、図23はp型シリコン基板中のボロン濃度が1×1018cm-3のときの関係を示している。また、図24はp型シリコン基板中のボロン濃度が3×1018cm-3のときの関係を示しており、図25はp型シリコン基板中のボロン濃度が6×1018cm-3のときの関係を示している。 FIG. 21 shows the relationship when the boron concentration in the p-type silicon substrate is 1 × 10 16 cm −3 , and FIG. 22 shows that the boron concentration in the p-type silicon substrate is 1 × 10 17 cm −3 . FIG. 23 shows the relationship when the boron concentration in the p-type silicon substrate is 1 × 10 18 cm −3 . FIG. 24 shows the relationship when the boron concentration in the p-type silicon substrate is 3 × 10 18 cm −3 , and FIG. 25 shows the boron concentration in the p-type silicon substrate being 6 × 10 18 cm −3 . Shows the relationship.
また、図21〜図25における斜線部分は、光電変換装置として優れた特性を示す範囲を表わしている。すなわち、上記斜線部分の範囲の上限を超えると電子反転層の電子面密度が大きくなりすぎてp型シリコン基板の表面がメタリック化して光が入射しにくくなって特性が低下し、上記斜線部分の範囲の下限を下回ると電子反転層の電子面密度が小さくなりすぎて抵抗が上昇して特性が低下する。 In addition, the hatched portion in FIGS. 21 to 25 represents a range showing excellent characteristics as a photoelectric conversion device. That is, if the upper limit of the range of the hatched portion is exceeded, the electron surface density of the electron inversion layer becomes too large, and the surface of the p-type silicon substrate becomes metallic, making it difficult for light to enter, and the characteristics deteriorate. If the lower limit of the range is not reached, the electron inversion density of the electron inversion layer becomes too small, the resistance increases, and the characteristics deteriorate.
図21〜図25に示すように、不純物がセシウムである場合(EA≒−0.12eVの場合)、p型シリコン基板中のボロン濃度がいずれの場合であっても、不純物の面密度(cm-2)と電子反転層の電子面密度(cm-2)とは一致していない。従来においては、酸化シリコン膜中のセシウムはすべてイオン化するものと考えられていたため、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面に存在するセシウムの面密度(cm-2)とイオン化したセシウム(正の固定電荷)の面密度(cm-2)とは一致するものと考えられてきた。ここで、イオン化したセシウムの面密度は、p型シリコン基板に誘起される電子反転層の電子面密度とp型シリコン基板の表面に形成される空乏層中の空間電荷密度の和として表わされるため、p型シリコン基板中のボロン濃度が低い場合、若しくは電子反転層の電子面密度(cm-2)が十分に高い場合には、当該界面に存在するセシウムの面密度(cm-2)とp型シリコン基板に誘起される電子反転層の電子面密度(cm-2)とはほぼ一致することになる。しかしながら、図21〜図25に示される斜線部分の範囲において、上記のイオン化したセシウムの面密度(cm-2)は、上記の電子反転層の電子面密度(cm-2)よりも小さくなっていることからわかるように、所望とする電子反転層の電子面密度(cm-2)を得るためには、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面に存在するセシウムの面密度(cm-2)が上記の所望とする電子反転層の電子面密度(cm-2)よりも高くなるようにセシウムイオンを酸化シリコン膜に導入する必要がある。 As shown in FIGS. 21 to 25, when the impurity is cesium (E A ≈−0.12 eV), regardless of the boron concentration in the p-type silicon substrate, the surface density of the impurity ( cm −2 ) and the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer do not match. Conventionally, it was thought that all cesium in the silicon oxide film was ionized. Therefore, the surface density (cm −2 ) of cesium existing at the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate and the ionized cesium (positive) It has been considered that the surface density (cm −2 ) of the (fixed charge of) is in agreement. Here, the surface density of ionized cesium is expressed as the sum of the electron surface density of the electron inversion layer induced in the p-type silicon substrate and the space charge density in the depletion layer formed on the surface of the p-type silicon substrate. When the boron concentration in the p-type silicon substrate is low, or when the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer is sufficiently high, the surface density (cm −2 ) of cesium existing at the interface and p The electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer induced in the silicon substrate is almost the same. However, in the shaded area shown in FIGS. 21 to 25, the surface density (cm −2 ) of the ionized cesium is smaller than the electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer. as can be seen from the fact that there, in order to obtain electron surface density of the electron inversion layer to desired (cm -2), the surface density of the cesium present at the interface between the silicon oxide film and the p-type silicon substrate (cm -2 ) Needs to be introduced into the silicon oxide film so as to be higher than the desired electron surface density (cm −2 ) of the electron inversion layer.
図26(a)に従来の特許文献1のように、p型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成して、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図を示す。また、図26(b)に図14に示す構成の光電変換装置のサンプルのように、p型シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成し、酸化シリコン膜とp型シリコン基板との界面に正の固定電荷となる不純物を配置したときのエネルギーバンド図を示す。
In FIG. 26 (a), as in the
一般的には、正の固定電荷となる不純物の準位とp型シリコン基板との間で電子の移動が起こり、十分な密度の不純物が存在する場合には、正の固定電荷となる不純物の準位とp型シリコン基板のフェルミ準位がほぼ一致するまで電子の移動が起こることになる。 In general, when electrons move between the level of an impurity that becomes a positive fixed charge and a p-type silicon substrate, and there is an impurity with a sufficient density, the impurity that becomes a positive fixed charge Electron movement occurs until the level substantially matches the Fermi level of the p-type silicon substrate.
しかしながら、図26(a)のように、正の固定電荷となる不純物とp型シリコン基板との間に酸化シリコン膜が存在する場合には、酸化シリコン膜中での電位勾配によって、正の固定電荷となる不純物の活性化エネルギ−EAが実効的に増加する(正の固定電荷となる不純物の準位201の位置が実効的に下がる)。これにより、p型シリコン基板の表面における反転層の電子面密度は小さくなる。
However, as shown in FIG. 26A, when a silicon oxide film exists between an impurity that becomes a positive fixed charge and the p-type silicon substrate, positive fixation is caused by a potential gradient in the silicon oxide film. activation energy -E a impurity serving as a charge is effectively increased (the position of the
一方、図26(b)のように、p型シリコン基板の表面に直接形成された酸化シリコン膜がp型シリコン基板の表面との界面に正の固定電荷となる不純物を有する場合には、図26(a)の場合とは異なって介在する誘電体膜が存在しないため、正の固定電荷となる不純物の活性化エネルギ−EAの実効的な増加は起こらない。したがって、この場合には、p型シリコン基板の表面における反転層の電子面密度は小さくならない。 On the other hand, when the silicon oxide film directly formed on the surface of the p-type silicon substrate has an impurity that becomes a positive fixed charge at the interface with the surface of the p-type silicon substrate as shown in FIG. since the dielectric film interposed unlike the case of 26 (a) is not present, the effective increase in the activation energy -E a impurities which become positive fixed charges does not occur. Therefore, in this case, the electron surface density of the inversion layer on the surface of the p- type silicon substrate is not reduced.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明の光電変換装置は、たとえば太陽電池などに好適に用いることができる可能性がある。 The photoelectric conversion device of the present invention may be suitably used for, for example, a solar battery.
1 p+層、2 p型シリコン基板、2a 第1のアモルファスシリコン層、2b 第2のアモルファスシリコン層、2c 第3のアモルファスシリコン層、3,102 n+層、4,103 表面反転層、4a 第1の反転層、4b 第2の反転層、4c 第3の反転層、4d 第4の反転層、5,104 セシウム、6,6a,6b,6c,26,60 酸化シリコン膜、7 裏面電極、8 金属電極、9 透明導電膜、10 金属シリサイド、11 エッジ部、12a,12b 薄膜シリコン層、13 蓄積層、15 凹凸、16 p型半導体層、17 n型半導体層、18 n型用電極、19 p型用電極、40 裏面反転層、20,21,50 不純物、51 第1の光電変換層、52 第2の光電変換層、53 第3の光電変換層、101 p型シリコン基板、105 酸化シリコン膜、106 窒化シリコン膜、107 電極、200,201 不純物準位、202 準位。 1 p + layer, 2 p-type silicon substrate, 2a first amorphous silicon layer, 2b second amorphous silicon layer, 2c third amorphous silicon layer, 3,102 n + layer, 4,103 surface inversion layer, 4a 1st inversion layer, 4b 2nd inversion layer, 4c 3rd inversion layer, 4d 4th inversion layer, 5,104 Cesium, 6, 6a, 6b, 6c, 26, 60 Silicon oxide film, 7 Back electrode , 8 metal electrode, 9 transparent conductive film, 10 metal silicide, 11 edge portion, 12a, 12b thin film silicon layer, 13 accumulation layer, 15 unevenness, 16 p-type semiconductor layer, 17 n-type semiconductor layer, 18 n-type electrode, 19 p-type electrode, 40 back surface inversion layer, 20, 21, 50 impurities, 51 first photoelectric conversion layer, 52 second photoelectric conversion layer, 53 third photoelectric conversion layer, 101 p-type silicon Substrate, 105 silicon oxide film, 106 silicon nitride film, 107 electrode, 200, 201 impurity level, 202 level.
Claims (18)
前記半導体層の表面に接するように設置された誘電体膜とを含み、
前記誘電体膜は、前記半導体層との界面近傍に、正の固定電荷となる不純物を有し、
前記半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなり、
前記不純物は、セシウムであることを特徴とする、光電変換装置。 A semiconductor layer;
A dielectric film disposed so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer,
The dielectric film, the vicinity of the interface between the semiconductor layer, and organic impurities as a positive fixed charge,
The semiconductor layer is made of crystalline silicon, amorphous silicon or microcrystalline silicon,
The photoelectric conversion device , wherein the impurity is cesium .
前記第2誘電体膜は、前記半導体層との界面近傍に、負の固定電荷となる不純物を有することを特徴とする、請求項1から8のいずれかに記載の光電変換装置。 A second dielectric film disposed so as to be in contact with the surface of the semiconductor layer opposite to the side in contact with the dielectric film;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the second dielectric film has an impurity that becomes a negative fixed charge in the vicinity of an interface with the semiconductor layer .
第2の光電変換層とを含み、A second photoelectric conversion layer,
前記第1の光電変換層は、第1の半導体層と、前記第1の半導体層の表面に接するように設置されて前記第1の半導体層との界面近傍に正の固定電荷となる不純物であるセシウムを有する表面誘電体膜と、前記表面誘電体膜が接する前記第1の半導体層の表面の領域の少なくとも一部に設置されたn型の表面反転層と、前記第1の半導体層の表面とは反対側の裏面にp型不純物を有するp型不純物含有層とを備えており、The first photoelectric conversion layer is an impurity that is placed in contact with the surface of the first semiconductor layer and the first semiconductor layer and becomes a positive fixed charge in the vicinity of the interface between the first semiconductor layer and the first semiconductor layer. A surface dielectric film having a certain cesium; an n-type surface inversion layer disposed in at least a part of a surface region of the first semiconductor layer in contact with the surface dielectric film; and A p-type impurity-containing layer having p-type impurities on the back surface opposite to the front surface;
前記第2の光電変換層は、第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表面にn型不純物を有するn型不純物含有層と、前記第2の半導体層の表面とは反対側の裏面にp型不純物を有するp型不純物含有層とを備えており、The second photoelectric conversion layer includes a second semiconductor layer, an n-type impurity-containing layer having an n-type impurity on the surface of the second semiconductor layer, and a surface opposite to the surface of the second semiconductor layer. A p-type impurity-containing layer having a p-type impurity on the back surface,
前記第1の光電変換層の前記p型不純物含有層と、前記第2の光電変換層の前記n型不純物含有層とが接合されて前記第1の光電変換層と前記第2の光電変換層とが積層されてなる積層構造を有し、The first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer are formed by bonding the p-type impurity-containing layer of the first photoelectric conversion layer and the n-type impurity-containing layer of the second photoelectric conversion layer. Have a laminated structure in which
前記第1の半導体層および前記第2の半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなる、光電変換装置。The photoelectric conversion device, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of crystalline silicon, amorphous silicon, or microcrystalline silicon.
前記第1の半導体層の表面に接合された第1の誘電体膜と、A first dielectric film bonded to the surface of the first semiconductor layer;
前記第1の半導体層の裏面に接合された第2の誘電体膜と、A second dielectric film bonded to the back surface of the first semiconductor layer;
前記第2の誘電体膜の裏面に接合された第2の半導体層とを含み、A second semiconductor layer bonded to the back surface of the second dielectric film,
前記第1の誘電体膜は、前記第1の半導体層との界面近傍において、正の固定電荷となる不純物であるセシウムを有し、The first dielectric film has cesium which is an impurity that becomes a positive fixed charge in the vicinity of the interface with the first semiconductor layer,
前記第2の誘電体膜は、前記第1の半導体層との界面近傍および前記第2の半導体層との界面近傍において、負の固定電荷となる不純物を有しており、The second dielectric film has an impurity that becomes a negative fixed charge in the vicinity of the interface with the first semiconductor layer and in the vicinity of the interface with the second semiconductor layer,
前記第1の半導体層および前記第2の半導体層は、結晶シリコン、アモルファスシリコンまたは微結晶シリコンからなる、光電変換装置。The photoelectric conversion device, wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of crystalline silicon, amorphous silicon, or microcrystalline silicon.
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