JP5564358B2 - 光電変換装置及びその作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換装置及び、その作製方法に関する。
地球温暖化の進行が深刻であり、化石燃料に代わるエネルギー源が積極的に利用され始めている。近年、太陽電池とも称される光電変換装置の研究開発は非常に活発となっており、市場も急拡大している。
光電変換装置は、無尽蔵の太陽光をエネルギー源とし、発電時には二酸化炭素の排出も無い非常に魅力的な手段である。しかしながら、現状では単位面積当たりの光電変換効率が十分でないことや、発電量が日照時間に影響されるなどの問題があり、導入コスト回収に２０年前後の長期間を要している。この問題が一般住宅への普及の障害となっており、光電変換装置の高効率化や低コスト化が求められている。
光電変換装置は、シリコン系材料や化合物半導体系材料で作製することができ、市販品の主流は、バルク型結晶系シリコン太陽電池や薄膜型シリコン太陽電池などのシリコン系太陽電池である。単結晶シリコンウエハや多結晶シリコンウエハで形成されるバルク型結晶シリコン太陽電池は、比較的高い変換効率を有する。しかしながら、実際に光電変換に利用される領域は、シリコンウエハの厚み方向の一部分に過ぎず、その他の領域は導電性を有する支持体として寄与しているのみである。また、シリコンウエハをインゴットから切り出す際の切り代部分の損失や研磨加工を要することなども、バルク型シリコン太陽電池のコストが低下しない要因となっている。
一方、薄膜型シリコン太陽電池は、プラズマＣＶＤ法などによりシリコン薄膜を必要量形成して構成することができる。また、レーザ加工法やスクリーン印刷法などによる集積化が容易であり、バルク型と比較して省資源化、大面積化等の製造コスト削減を可能とする。しかしながら、薄膜型シリコン太陽電池は、バルク型結晶シリコン太陽電池に比べて光電変換効率が低いことが欠点となっている。
高い光電変換効率を確保しつつ低コスト化を図るため、結晶半導体に水素イオンを注入し、熱処理により、結晶半導体を切断して光電変換層となる結晶半導体層を得る太陽電池の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。所定の元素が層状にイオン注入された結晶半導体を基板上の絶縁層に導電接着剤を介して貼り付け、３００℃以上５００℃以下の熱処理を行って固定する。次に、５００℃以上７００℃以下の熱処理により結晶半導体に所定の元素が層状にイオン注入された領域に空隙を形成し、さらに結晶半導体を熱歪みにより空隙を境にして分断し、基板上に光電変換層となる結晶半導体層を形成する方法である。
また、太陽光を無駄なく光電変換装置に取り込む構造として、受光面には収集電極を形成せず、シャドウロスの無いバックコンタクト構造が提案されている（例えば非特許文献１参照）。このバックコンタクト構造では、内部電界を形成する半導体接合を受光面の裏側に設けているだけでなく、電極も全て裏側に形成される。表面側にはテクスチャ構造や反射防止及びキャリアの再結合防止のためのパッシベーション層が形成されるのみで、セルの構造に起因する損失を極力除き、高い変換効率を得ている。
また、表層を多孔質層とした単結晶シリコンウエハをシード層として単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させ、形成した単結晶シリコン層で光電変換素子を形成した後、別の基板に貼り付け、多孔質部分から分離する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。単結晶ウエハを陽極化成して形成した多孔質層上に、気相法または液相法によって単結晶シリコンをエピタキシャル成長させる。次にｎ型またはｐ型ドーパントを含む低抵抗材料でパターンを形成し、加熱することによって一導電型の不純物層と電極を形成する。次に絶縁層で表面全体を覆った後、先に形成した電極以外の領域を部分的に開口し、一導電型と逆の導電型の不純物層を液相成長させる。この様にして形成したバックコンタクト型の光電変換装置を導電性接着剤で別の支持基板に貼り付け、多孔質層を境に分離する。分離したシリコンウエハは、同様の工程を繰り返して複数回使用するというものである。
Ｒ．Ａ．Ｓｉｎｔｏｎ，Ｙｏｕｎｇ Ｋｗａｒｋ，Ｊ．Ｙ．Ｇａｎ，ａｎｄ Ｒｉｃｈａｒｄ Ｍ．Ｓｗａｎｓｏｎ，"２７．５−Ｐｅｒｃｅｎｔ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ"，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．ＥＤＬ−７，ｎｏ．１０，ｐｐ．５６７−５６９，Ｏｃｔ． １９８６
従来のシリコンウエハを薄層化した光電変換装置は、支持体となる基板とシリコン半導体層との接着に導電性接着剤が用いられた構造を有している。該光電変換装置を用いてモジュールを構成する場合は、数種類の物性の異なる材料との積層となるため、曲げや捻りに対する耐性を持つ構造が要求される。また、耐環境性の面では、特に温度変化による反りや歪みに対する耐性の確保も重要な課題となっている。
また、導電性接着剤に用いられている金属フィラーには、光電変換装置の吸収波長領域における透過率がほとんど無いことから、支持基板側ではなく、半導体層表面側を受光面とする構造がとられている。この構造はサブストレート方式と呼ばれ、受光面を透光性を有する樹脂等で封止してモジュール構造を完成させる。サブストレート構造は薄型、軽量の特徴がある半面、曲げや捻り、押圧などの耐性が低い課題があり、建造物の屋根などに設置される光電変換装置には、支持基板側を受光面とした機械的強度の強いスーパーストレート構造のモジュールが多く用いられている。
一方、薄膜型シリコン太陽電池は、レーザ加工法やスクリーン印刷法などによって大面積での集積化が容易で、かつ機械的強度の高いスーパーストレート方式のモジュール構造を構成することも容易である。しかしながら、光電変換効率の高い単結晶シリコン膜を非単結晶シリコン膜と同様な手段で大面積に形成することは困難であり、大きな課題となっている。
本発明の一態様は、上述の問題を鑑み、半導体材料を有効利用する省資源型の光電変換装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一態様は、機械的強度が強く、光電変換効率が向上した光電変換装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一態様は、上述の光電変換装置の作製方法を提供することを目的の一つとする。
本明細書で開示する本発明の一態様は、透光性絶縁基板上に、単結晶半導体層にて光電変換を行うバックコンタクト型セルが設けられ、透光性絶縁基板側に受光面が設けられた光電変換装置及びその作製方法である。
本明細書で開示する本発明の一態様は、透光性を有するベース基板と、透光性を有するベース基板上に形成された透光性を有する絶縁層と、透光性を有する絶縁層上に形成された単結晶半導体層と、単結晶半導体層の表層に、帯状に複数設けられた一導電型を有する第１不純物半導体層と、第１不純物半導体層と交互に、かつ重ならないように帯状に複数設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第２不純物半導体層と、第１不純物半導体層に接する第１電極と、第２不純物半導体層に接する第２電極と、を有し、単結晶半導体層が前記透光性を有する絶縁層と接する側には、前記単結晶半導体層に複数の第１の凹部が形成されていることを特徴とする光電変換装置である。
なお、本明細書における「単結晶」とは、結晶面、結晶軸が揃っている結晶であり、それを構成している原子または分子が空間的に規則正しい配列になっているものをいう。もっとも、単結晶は原子が規則正しく配列することによって構成されるものであるが、一部にこの配列の乱れがある格子欠陥を含むもの、意図的または非意図的に格子歪みを有するものなどの規則性の乱れを除外するものではない。
また、本明細書において「第１」、「第２」等の数詞の付く用語は、要素を区別するために便宜的に付与しているものであり、数的に限定するものではなく、また配置及び段階の順序を限定するものでもない。
また、本明細書で開示する本発明の他の一態様は、透光性を有するベース基板と、ベース基板上に形成された透光性を有する絶縁層と、透光性を有する絶縁層上に形成された単結晶半導体層と、単結晶半導体層の表面上に、帯状に複数設けられた一導電型を有する第１不純物半導体層と、第１不純物半導体層と交互に、かつ重ならないように、帯状に複数設けられた一導電型とは逆の導電型を有する第２不純物半導体層と、第１不純物半導体層に接する第１電極と、第２不純物半導体層に接する第２電極と、を有し、単結晶半導体層が前記透光性を有する絶縁層と接する側には、単結晶半導体層に第１の複数の凹部が形成されていることを特徴とする光電変換装置である。
ここで、上記単結晶半導体層に形成された第１の複数の凹部には前記絶縁層が充填されている。また、単結晶半導体層の表層に第２の複数の凹部が形成されていても良い。該第１の凹部及び／または第２の凹部は、単結晶半導体層の表面における形状が円形であり、内径が順次小さくなる形状となっている。尚表層は、単結晶半導体層が前記絶縁層と接していない側の表面近傍を指す。
透光性を有するベース基板側から単結晶半導体層に入射された光は、第１の複数の凹部及び／または第２の複数の凹部で乱反射を繰り返す光閉じ込め効果により、効率良く光キャリアを発生させることができる。
また、本明細書で開示する本発明の他の一態様は、内部に脆化層が形成された単結晶半導体基板と、透光性を有するベース基板と、を用い、単結晶半導体基板上に非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を形成する工程と、半導体層中に混在する前記非晶質領域を選択的にエッチングする工程と、半導体層表面に絶縁層を形成して平坦化する工程と、単結晶半導体基板を、絶縁層を介して、透光性を有するベース基板に接合させる工程と、単結晶半導体基板を、脆化層を境に分割し、透光性を有するベース基板上に、絶縁層及び第１単結晶半導体層が順次積層された積層を形成する工程と、第１単結晶半導体層表面の平坦化処理を行う工程と、積層上に、第２単結晶半導体層を形成する工程と、第２単結晶半導体層の表層または表面上に一導電型を有する帯状の第１不純物半導体層を複数形成する工程と、一導電型とは逆の導電型を有する帯状の第２不純物半導体層を第１不純物半導体層と交互に、かつ重ならないように複数形成する工程と、第１不純物半導体層に接する第１電極を形成する工程と、第２不純物半導体層に接する第２電極を形成する工程と、を有することを特徴とする光電変換装置の作製方法である。
なお、本明細書における「脆化層」とは、分割工程で、単結晶半導体基板が、単結晶半導体層と剥離基板（剥離された、絶縁層と接触していない単結晶半導体基板側）とに分割される領域及びその近傍のことを示す。「脆化層」を形成する手段によって「脆化層」の状態は異なるが、例えば、「脆化層」は、局所的に結晶構造が乱され、脆弱化された領域である。なお、場合によっては単結晶半導体基板の表面側から「脆化層」までの領域も多少脆弱化される場合があるが、本明細書の「脆化層」は基板に貼り合わせた後に分割される領域及びその付近を指すものとする。
また、上記第２単結晶半導体層を形成した後に、更に第２単結晶半導体層上に、非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を形成する工程と、該非晶質領域を選択的にエッチングする工程とを行い、第２単結晶半導体層上部に複数の凹部を形成しても良い。
本発明の一態様によれば、透明絶縁性基板を支持基板として、機械的強度が強く、高効率でかつ省資源化を図った光電変換装置及びその作製方法を提供することができる。
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び、詳細をさまざまに変更しうることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明に係る単結晶半導体層を有する光電変換装置を示す。透光性絶縁基板を支持基板とし、接合及び電極を半導体層表面側に形成し、受光面は支持基板側に設けられていることを特徴とする。
本実施の形態では、本発明に係る単結晶半導体層を有する光電変換装置を示す。透光性絶縁基板を支持基板とし、接合及び電極を半導体層表面側に形成し、受光面は支持基板側に設けられていることを特徴とする。
図１（Ａ）に、ベース基板上に光電変換層が設けられた光電変換装置の断面の模式図を示す。光電変換層の平面形状は特に限定されず、正方形を含む矩形状、多角形状、または円形状とすることができる。
ベース基板１１０は、本発明に係る光電変換装置の作製プロセスに耐え、かつ透光性があるものであれば特に限定されず、例えば透光性絶縁基板が用いられる。具体的には、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板、セラミック基板、またはサファイヤ基板などが挙げられる。大面積化が可能で、安価なガラス基板を用いると、低コスト化や生産性向上が可能となり好ましい。
光電変換装置は、図１（Ａ）に示す断面図のように、ベース基板１１０上に絶縁層１０８を介して固定された単結晶半導体層を有する光電変換層１２０を有している。そして、光電変換層１２０上に第１電極１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅ及び、第２電極１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆが導電材料によって設けられている。ここで、該電極は、光電変換層１２０の表層に帯状に複数形成された不純物半導体層上に選択的に形成される。該不純物半導体層は、電気抵抗が高いため、該電極も帯状に形成することが好ましい。
なお、本明細書における「光電変換層」とは、光電効果（内部光電効果）を発現する半導体の層を含む他、内部電界や半導体接合を形成するために接合された不純物半導体層を含めたものをいう。すなわち、光電変換層とは、ｐｎ接合、ｐｉｎ接合などを代表例とする接合が形成された半導体層をいう。
光電変換層１２０は、第１単結晶半導体層１２１、第２単結晶半導体層１２２、一導電型の第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅ及び、一導電型とは逆の導電型の第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆを含んで構成される。
絶縁層１０８と第１単結晶半導体層１２１が接する領域近傍には、該単結晶半導体層に凹部が設けられている。該凹部の第１単結晶半導体層１２１表面における形状は円形であり、内径が順次小さくなった形状をしている。また、図１（Ｂ）に示すように、同様の凹部が第２単結晶半導体層１２２の表層に形成されていても良い。
第２単結晶半導体層１２２の表層に形成される該第１及び第２不純物半導体層は、例として図示した数に限られることなく、光電変換層のサイズや結晶性によって増減が可能であり、同一の導電型を示す不純物半導体層の間隔は０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下で光電変換層全面に帯状で複数形成することが好ましい。また、一導電型の第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅは、一導電型とは逆の導電型の第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆと重ならないように形成することが好ましい。
また、例示した第１不純物半導体層と第２不純物半導体層は同数、同形状で示してあるが、第２単結晶半導体層１２２の導電型がｐ型またはｎ型である場合、ｐｎ接合が形成される領域は該不純物半導体層のどちらか一方である。光誘起されたキャリアを極力再結合させないようにｐｎ接合まで移動させるには、ｐｎ接合面積が大きい方が好ましい。従って、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅと第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆは同数、同形状でなくても良い。また、第２単結晶半導体層１２２の導電型がｉ型である場合においても、ホールの寿命が電子より短いため、ｐｉ接合側の面積を大きくすればキャリアを極力再結合させずに取り出すことができる。この場合も、上述したｐｎ接合の場合と同様に該第１不純物半導体層と該第２不純物半導体層は、同数、同形状で形成しなくても良い。
第１単結晶半導体層１２１は、単結晶半導体基板上に非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を形成した後、該非晶質領域をエッチングして形成される。ベース基板１１０上に絶縁層１０８を介して固定する方法は後述する。本実施の形態では該単結晶半導体基板には単結晶シリコン基板を用い、非晶質シリコン領域及び単結晶シリコン層を含むシリコン層を形成する。なお、該単結晶半導体基板に代えて多結晶半導体基板（代表的には多結晶シリコン基板）を用いることもできる。この場合、第１単結晶半導体層１２１には、多結晶領域が形成される。
また、第１単結晶半導体層１２１は、第２単結晶半導体層１２２を成長させる際のシードとしても利用される。なお、第１単結晶半導体層１２１の一部及び第２単結晶半導体層１２２は、固相成長または気相成長などのエピタキシャル成長技術により、シードとなる単結晶半導体層を結晶成長させて形成する。
第２単結晶半導体層１２２を形成後に、更に非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を形成し、非晶質領域をエッチングすることで、図１（Ｂ）の形状を得ることもできる。また、図示はしないが、第１単結晶半導体層１２１に凹部を設けず、第２単結晶半導体層１２２に非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を形成し、非晶質領域をエッチングして凹部を設けても良い。また、凹部の密度は成膜条件により調整することができ、図１（Ｂ）に示す光電変換層１２０の上部または下部に形成される凹部の密度はそれぞれ異なっていても良い。第１単結晶半導体層１２１と、第２単結晶半導体層１２２を含む光電変換層１２０の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上８μｍ以下とする。
なお、第１単結晶半導体層１２１の導電型は限定されない。本実施の形態では、第１単結晶半導体層１２１を構成する単結晶シリコン基板及び該単結晶シリコン基板上に形成した単結晶層はｐ型とする。また、第２単結晶半導体層１２２の導電型も限定されず、本実施の形態では、第１単結晶半導体層１２１上に形成する第２単結晶半導体層１２２はｐ型とする。尚、本実施の形態と異なる導電型の組合せでセルを構成するには、上記と異なる導電型の単結晶シリコン基板を用いる形態や、上記と異なる導電型の単結晶層を形成すれば良い。
次に、第２単結晶半導体層１２２の表層にｎ型及び、ｐ型の不純物半導体層を設け、半導体接合を形成する。ｎ型を付与する不純物元素としては、代表的には周期表第１５族元素であるリン、ヒ素、またはアンチモンなどが挙げられる。ｐ型を付与する不純物元素としては、代表的には周期表第１３族元素であるホウ素またはアルミニウムなどが挙げられる。
本実施の形態では、ｎ型及び、ｐ型を付与する不純物元素を含む半導体層を第２単結晶半導体層１２２の表層に形成する。ここでは、第１不純物半導体層である１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅにｎ型の導電性、第２不純物半導体層である１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆにｐ型の導電性を与えるものとする。従って、本実施の形態の光電変換層１２０は、第２単結晶半導体層１２２と第１不純物半導体層である１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅとの間にｐｎ接合を形成している。
なお、ここでは、ｎ型及び、ｐ型の導電性を示す不純物半導体層を第２単結晶半導体層１２２の表層に不純物を拡散して形成したが、第２単結晶半導体層１２２の表面上に該不純物半導体層を成膜によって形成することもできる。
第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅ及び、第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆの上部には、電流取り出しのための第１電極１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅ及び、第２電極１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆを設ける。電極は、ニッケル、アルミニウム、銀、半田などの金属を含む材料を用いる。具体的には、ニッケルペーストや銀ペーストなどを用いて、スクリーン印刷法で形成することができる。
また、ベース基板１１０上に複数の光電変換層を設け、隣接する一方の光電変換層に形成される第１電極同士と他方の光電変換層に形成される第２電極同士を接続する第１接続電極の形成や、隣接する一方の光電変換層に形成された第２電極同士及び隣接するもう一方の光電変換層に形成された第１電極同士を接続する第２接続電極を形成することで、所望の電圧及び電流が取り出せるモジュール構造を形成することもできる。
透光性を有するベース基板１１０側から照射された光は、第１単結晶半導体層１２１及び、実質的な光吸収層である第２単結晶半導体層１２２においてキャリアを発生させる。発生したキャリアは、第２単結晶半導体層１２２と第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅとの間で形成される内部電界がおよぶ領域まで拡散する。そして、第１電極１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅ及び、第２電極１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆまで移動し、電流として取り出される。透光性を有するベース基板１１０と第１単結晶半導体層１２１の間には、透光性を有する絶縁層１０８が介しているのみであり、収集電極の影による損失の無い高効率の光電変換装置を作製することができる。
また、光入射側の第１単結晶半導体層１２１に設けられた凹部は、受光面積の拡大とともに半導体層中で光を乱反射させる光閉じ込め効果を付与する。従って、凹部が設けられた光電変換装置は、より多くの光キャリアを生成することができる。また、第２単結晶半導体層１２２の表層にも凹部を設けることにより、更に光閉じ込め効果を増大することができる。
上述のように、本実施の形態に係る光電変換装置は、高効率の単結晶半導体層を光電変換層に用いながらも省資源化が可能であり、更にバックコンタクト構造であるために受光面側には収集電極が不要で、シャドウロスが無く、変換効率を高くすることができる。また、透光性を有するベース基板側に受光面を有していることから薄膜光電変換装置と同様の効率の良い集積化工程を適用することができ、かつ機械的強度の高いスーパーストレート方式をモジュール構造として用いることが可能となる。
次に、本実施の形態の光電変換装置（図１（Ａ））の作製方法について、図面を参照して詳細を説明する。
単結晶半導体基板１０１を準備し、熱酸化膜等の絶縁層１０３を形成する。（図２（Ａ）参照）。
単結晶半導体基板１０１としては、代表的には単結晶シリコン基板を適用する。その他、公知の単結晶半導体基板を適用することもでき、例えば単結晶ゲルマニウム基板、単結晶シリコンゲルマニウム基板などを適用することができる。また、単結晶半導体基板１０１の代わりに多結晶半導体基板を適用することもでき、代表的には多結晶シリコン基板を適用することができる。よって、単結晶半導体基板の代わりに多結晶半導体基板を適用した場合、以下の説明における「単結晶半導体」は「多結晶半導体」に置き換えることが可能である。
単結晶半導体基板１０１としては、ｎ型単結晶半導体基板またはｐ型単結晶半導体基板を用いることができる。例えば、ｐ型単結晶半導体基板のｐ型不純物濃度は１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下程度、比抵抗は１×１０−１Ω・ｃｍ以上１０Ω・ｃｍ以下程度である。また、面方位は、エピタキシャル成長をさせやすい｛１００｝を用いることが好ましい。本実施の形態では、単結晶半導体基板１０１として、ｐ型単結晶半導体基板を用いる例を示す。
単結晶半導体基板１０１のサイズ（面積、平面形状、及び厚さなど）は、製造装置の仕様や光電変換装置の仕様に合わせて実施者が決定すれば良い。例えば、単結晶半導体基板１０１の平面形状は、一般に流通している円形状の基板や、所望の形状に加工した基板を適用することができる。
ここで、単結晶半導体基板１０１の加工例を説明する。例えば、図１０（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示す単結晶半導体基板１０１を適用することができる。
図１０（Ａ）に示すように円形の単結晶半導体基板１０１をそのまま適用してもよい。また、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すように円形の基板からほぼ四角形の単結晶半導体基板１０１、を切り出して使用してもよい。
図１０（Ｂ）は、円形の単結晶半導体基板１０１に内接する大きさで最大となるように、四角形の単結晶半導体基板１０１を切り出す例を示している。単結晶半導体基板１０１の角部の頂点の角度はほぼ９０°である。
図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）よりも対辺の間隔が長くなるように、単結晶半導体基板１０１を切り出す例を示している。単結晶半導体基板１０１の角部の頂点の角度は９０°とはならず、単結晶半導体基板１０１は四角形ではなく多角形状となる。
また、図１０（Ｄ）に示すように、六角形の単結晶半導体基板１０１を切り出してもよい。図１０（Ｄ）は、円形の単結晶半導体基板１０１に内接する大きさで最大となるように六角形の単結晶半導体基板１０１を切り出す例を示している。単結晶半導体基板を六角形に切り出すことで、四角形とするよりも、基板端部の切り落とす量を減らすことができる。
なお、ここでは円形の単結晶半導体基板から所望の形状に基板を切り出す例について示したが、本発明の一態様はこれに限らず、円形以外の基板から所望の形状に切り出してもよい。単結晶半導体基板を所望の形状に加工することで、光電変換装置の作製プロセスに用いる製造装置に適用しやすくなる。また、光電変換モジュールを構成する際に光電変換層同士を接続しやすい構成とすることができる。
単結晶半導体基板１０１の厚さは、一般に流通しているＳＥＭＩ規格に準じた厚さとしてもよいし、インゴットから切り出す際に適宜調整した厚さとしてもよい。インゴットから切り出す際、切り出す単結晶半導体基板の厚さを厚くすれば、無駄な切り代を低減できるため好ましい。
また、単結晶半導体基板１０１として、大面積の基板を用いてもよい。単結晶シリコン基板としては、直径約１００ｍｍ（４インチ）、直径約１５０ｍｍ（６インチ）、直径約２００ｍｍ（８インチ）、直径約３００ｍｍ（１２インチ）などのサイズが一般に流通しており、近年では直径約４００ｍｍ（１６インチ）という大面積の基板も流通され始めている。また、既に次世代の基板として直径約４５０ｍｍ（１８インチ）の大口径化が見込まれている。大面積の単結晶半導体基板１０１を適用することで、１枚の基板から複数の光電変換層を形成することが可能となり、複数の光電変換層を配列させることにより生じる隙間（非発電領域）の面積を縮小することができる。また、生産性の向上にもつなげることができる。
単結晶半導体基板１０１の一表面から所定の深さの領域に脆化層１０５を形成する（図２（Ｂ）参照）。
脆化層１０５は、後述する分割工程で、単結晶半導体基板１０１が、単結晶半導体層と剥離基板（剥離された、絶縁層と接触していない単結晶半導体基板側）とに分割される境界及びその近傍である。脆化層１０５を形成する深さは、後に分割する単結晶半導体層の厚さを考慮して決定する。
脆化層１０５を形成する手段としては、電圧で加速したイオンを照射する方法であるイオン注入法或いはイオンドーピング法、または多光子吸収を利用する方法などを適用する。
例えば、単結晶半導体基板１０１の内部に、水素、ヘリウム、及び／またはハロゲンを導入して、脆化層１０５を形成することができる。図２（Ｂ）では、単結晶半導体基板１０１の一表面側から電圧で加速したイオンを照射して、単結晶半導体基板１０１の所定の深さの領域に脆化層１０５を形成する例を示している。具体的には、単結晶半導体基板１０１に電圧で加速したイオン（代表的には水素イオン）を照射し、該イオンまたは該イオン１０４を構成する元素（水素イオンであれば水素）を単結晶半導体基板１０１中に導入することで、単結晶半導体基板１０１の局所的な領域の結晶構造を乱し、脆弱化することで脆化層１０５を形成する。
本明細書では、「イオン注入」とは原料ガスから生成されるイオンを質量分離して対象物に照射して該イオンを構成する元素を添加する方式を指す。また、「イオンドーピング」とは原料ガスから生成されるイオンを質量分離せず対象物に照射して該イオンを構成する元素を添加する方式を指す。脆化層１０５は、質量分離を伴うイオン注入装置または質量分離を伴わないイオンドーピング装置を用いて形成することができる。
脆化層１０５を単結晶半導体基板１０１に形成する深さ（ここでは、単結晶半導体基板１０１の照射面側から脆化層１０５までの膜厚方向の深さ）は、照射するイオンの加速電圧及び／またはチルト角（基板の傾斜角度）などによって制御することができる。したがって、薄片化して得る単結晶半導体層の所望の厚さを考慮して、イオンを加速する電圧及び／またはチルト角を決定する。
照射するイオンとしては、水素を含む原料ガスにより生成される水素イオンを用いることが好ましい。単結晶半導体基板１０１に水素イオンを照射することで水素が導入され、単結晶半導体基板１０１の所定の深さの領域に脆化層１０５が形成される。例えば、水素を含む原料ガスにより水素プラズマを生成し、該水素プラズマ中に生成されるイオンを電圧によって加速し照射することで、脆化層１０５を形成することができる。また水素の代わりに、または水素に加えて、ヘリウムに代表される希ガス、或いはハロゲンを含む原料ガスにより生成されるイオンを用いて、脆化層１０５を形成することもできる。なお、特定のイオンを照射することで、単結晶半導体基板１０１中の同じ深さの領域を集中して脆弱化させやすくなる。
例えば、単結晶半導体基板１０１に水素により生成されたイオンを照射して、脆化層１０５を形成する。照射するイオンの加速電圧、チルト角、及びドーズ量を調整することで、単結晶半導体基板１０１の所定の深さに高濃度の水素ドーピング領域である脆化層１０５を形成することができる。水素により生成されるイオンを用いる場合、水素原子換算でピーク値が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の水素を脆化層１０５となる領域に含ませることが好ましい。局所的な水素の高濃度ドーピング領域である脆化層１０５は、結晶構造が失われ微小な空洞が形成された多孔質構造となる。このような脆化層１０５は、比較的低温（およそ７００℃以下）の熱処理によって微小な空洞の体積変化が起こり、脆化層１０５または該脆化層近傍に沿って単結晶半導体基板１０１を分割することができる。
なお、単結晶半導体基板１０１の表層の損傷を防ぐため、単結晶半導体基板１０１のイオンを照射する面上に保護層を形成することが好ましい。図２（Ａ）、（Ｂ）では、単結晶半導体基板１０１の少なくとも一表面上に保護層として絶縁層１０３を形成し、該絶縁層が形成された面側から電圧で加速されたイオンを照射する例を示している。絶縁層１０３にイオンを照射し、該絶縁層を通過させたイオン、またはイオンを構成する元素を単結晶半導体基板１０１中に導入させて、該単結晶半導体基板の所定の深さの領域に脆化層１０５を形成する。
次に、保護層として機能した絶縁層１０３を取り除き（図２（Ｃ））、単結晶半導体基板上に非晶質領域１０６及び単結晶半導体層１０７を含む半導体層を形成する（図３（Ａ））。
単結晶半導体基板１０１上に非晶質領域１０６及び単結晶半導体層１０７を含む半導体層を気相成長させるプラズマＣＶＤ法の条件は、反応ガスのガス流量や基板を加熱する温度などにより変化する。
本実施の形態で用いる非晶質領域１０６及び単結晶半導体層１０７を含む半導体層を気相成長させるために用いたプラズマＣＶＤ装置は、２７ＭＨｚの高周波電源を用いた平行平板型で、電極面積が３００ｃｍ２、電極間距離が２５ｍｍである。ただし、これらの要素は厳密に再現しなくても、目的とする層の形成には下記の条件が適用できる。
図１６に、原料ガス（シラン及び水素）の流量比率を変えて、シリコンウエハ上に形成したシリコン膜の応力測定結果を示す。なお、ガス流量以外の成膜条件は、基板温度２８０℃、成膜圧力を６６．６Ｐａ、ＲＦパワー密度０．３Ｗ／ｃｍ２である。図１６より、希釈ガス（水素）の流量が半導体材料ガス（シラン）の流量の５倍以下、好ましくは１倍以上４倍以下として成膜を行うことで、低応力のシリコン膜が成膜できることがわかる。希釈率がこの範囲より外れる場合は、成膜した膜に強い圧縮応力がかかり、単結晶半導体基板から膜が剥がれることがある。
また、図１７に非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層から該非晶質領域をエッチングにより取り除くことによって形成された孔の密度と成膜温度との関係を示す。単結晶層中に非晶質領域を形成するには、希釈ガス（水素）と半導体材料ガス（シラン）の流量比を１：４、成膜圧力を６６．６Ｐａ、ＲＦパワー密度０．３Ｗ／ｃｍ２とした場合、基板温度は２２０℃以上２８０℃以下の範囲が好ましく、２５０℃以上２８０℃以下がより好ましい。より高温側で成膜することで非晶質領域１０６の密度が増すことが図１７より明らかとなっている。上記温度範囲の外側では、非晶質領域１０６の密度が高くなり、後の平坦化工程が困難となる。もしくは、エピタキシャル成長が起こらない場合がある。
また、希釈ガス（水素）と半導体材料ガス（シラン）の流量比を１：４、成膜圧力を６６．６Ｐａ、成膜温度を２８０℃とした場合、ＲＦパワー密度は、０．１Ｗ／ｃｍ２以上０．３Ｗ／ｃｍ２以下の範囲が好ましく、０．２Ｗ／ｃｍ２以上０．３Ｗ／ｃｍ２以下がより好ましい。上記パワー密度範囲の外側では、非晶質領域１０６の密度が高くなり、後の平坦化工程が困難となる。もしくは、エピタキシャル成長が起こらない場合がある。
また、上記反応ガスにドーピングガスを混合することで、ｎ型またはｐ型の単結晶半導体層をエピタキシャル成長させることもできる。例えば、ｎ型の単結晶半導体層を気相成長させるには、周期表第１５族元素を含む化合物ガスを用いれば良い。代表的にはホスフィン（ＰＨ３）または、アルシン（ＡｓＨ３）などがある。また、ｐ型の単結晶半導体層をエピタキシャル成長させるには、周期表第１３族元素を含む化合物ガスを用いれば良い。代表的にはジボラン（Ｂ２Ｈ６）などがある。
次に、成膜した非晶質領域１０６及び単結晶半導体層１０７を含む半導体層に対して、非晶質領域１０６を選択的にエッチングする処理を行う。ここでは、非晶質領域１０６と単結晶半導体層１０７のエッチング選択比が大きい方が好ましい。例えば、ダッシュ液、ジルトル液、セコ液、ライト液、サト液などフッ化水素酸を含む酸を用いて非晶質領域１０６を選択的にエッチングすることができる。環境的には、酸化剤としてクロムを含まないダッシュ液やサト液を用いることが好ましい。
この様にして、非晶質領域１０６及び単結晶半導体層１０７を含む半導体層から非晶質領域１０６を取り除いた構成は、脆化層１０５を設けてある単結晶半導体基板１０１と単結晶半導体層１０７を同体としたものとなり、その上部には図３（Ｂ）に示すように、凹部が形成されている。このように単結晶半導体基板１０１と単結晶半導体層１０７は同体であり、以降、本実施の形態では両者を統一して単結晶半導体基板１０１と称する。
次に、絶縁層１０８を単結晶半導体基板１０１の上部に形成された凹部を充填するように形成し、その表面を平坦化する。（図３（Ｃ）参照）。
絶縁層１０８は、単層構造または異なる材料の積層構造で形成することができるが、後にベース基板１１０と貼り合わせて接合を形成する面（接合面）の平坦性が良好なことが好ましく、親水性を有するとより好ましい。具体的には、接合面の平均面粗さ（Ｒａ値）が０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下となるような絶縁層１０８を形成することで、ベース基板１１０との貼り合わせを良好に行うことができる。もちろん、平均面粗さ（Ｒａ値）は小さくなるほど好ましいのはいうまでもない。なお、本明細書における平均面粗さ（Ｒａ値）とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さを面に対して適用できるよう３次元に拡張したものである。
例えば、絶縁層１０８の接合面を形成する層として、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層または窒化酸化シリコン層などを、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、または熱ＣＶＤ法（減圧ＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法も含む）などのＣＶＤ法により形成する。好適な平坦性を有する層を形成するには、プラズマＣＶＤ法により絶縁層１０８を形成することが好ましい。また、単結晶半導体基板１０１の上部に形成された凹部への充填を容易にするために、ＳＯＧ法、スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法などの液相を用いた絶縁層の形成法を用いる、または組み合わせると良い。
平坦性が良好で親水性表面を有する具体的な材料としては、熱酸化シリコンや有機シランガスを用いてプラズマＣＶＤ法により形成される酸化シリコン等がある。これらを用いることによって、基板との接合を強固にすることができる。有機シランガスとしては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、トリエトキシシラン（ＴＲＩＥＳ）、トリスジメチルアミノシラン（ＴＤＭＡＳ）等のシリコン含有化合物を用いることができる。
その他、平坦性が良好で親水性表面を有する材料として、シラン、ジシラン、またはトリシラン等のシランガスを用いてプラズマＣＶＤ法により形成される酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコンを用いることができる。例えば、絶縁層１０８の接合面を形成する層として、シランとアンモニアを原料ガスに用いてプラズマＣＶＤ法により形成する窒化シリコン層を適用することができる。なお、シランとアンモニアの原料ガスに水素を加えてもよく、原料ガスに亜酸化窒素を加えて窒化酸化シリコン層を形成してもよい。絶縁層１０８を形成する層の少なくとも１層を窒素を含むシリコン絶縁層、具体的には窒化シリコン層や窒化酸化シリコン層とすることで、後に貼り合わせるベース基板１１０からの不純物拡散を防ぐこともできる。
なお、酸化窒化シリコン層とは、組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものであって、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）及び水素前方散乱法（ＨＦＳ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５０原子％以上７０原子％以下、窒素が０．５原子％以上１５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が０．１原子％以上１０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。また、窒化酸化シリコン層とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものであって、ＲＢＳ及びＨＦＳを用いて測定した場合に、濃度範囲として酸素が５原子％以上３０原子％以下、窒素が２０原子％以上５５原子％以下、シリコンが２５原子％以上３５原子％以下、水素が１０原子％以上３０原子％以下の範囲で含まれるものをいう。但し、酸化窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを構成する原子の合計を１００原子％としたとき、窒素、酸素、シリコン及び水素の含有比率が上記の範囲内に含まれるものとする。
いずれにしても、接合面が平坦性を有し、具体的には接合面の平均面粗さ（Ｒａ値）０．５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下の平坦性を有する絶縁層であれば、シリコンを含む絶縁層に限らず適用することができる。なお、絶縁層１０８を積層構造とする場合は、接合面を形成する層以外はこの限りではない。また、本実施の形態の場合、絶縁層１０８の成膜温度は単結晶半導体基板１０１に形成した脆化層１０５が変化しない温度とする必要があり、３５０℃以下の成膜温度とすることが好ましい。
次に、単結晶半導体基板１０１の一表面側である絶縁層１０８表面と、ベース基板１１０の表面を対向させ、重ね合わせて貼り合わせる。
ここで、重ね合わせた単結晶半導体基板１０１と、ベース基板１１０と、の一箇所を押圧することで、接合面全域にファン・デル・ワールス力や水素結合を広げることができる。接合面の一方または双方が親水表面を有する場合は、水酸基や水分子が接着剤として働き、後に熱処理を行うことで水分子が拡散し、残留成分がシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）を形成して水素結合により接合を形成する。さらにこの接合部は、水素が抜けることでシロキサン結合（Ｏ−Ｓｉ−Ｏ）を形成して共有結合となり、より強固な接合となる。
単結晶半導体基板１０１側の接合面及び、ベース基板１１０側の接合面は、それぞれの平均面粗さ（Ｒａ値）を０．５ｎｍ以下とし、更に好ましくは０．３ｎｍ以下とする。また、単結晶半導体基板１０１側の接合面及び、ベース基板１１０側の接合面の平均面粗さ（Ｒａ値）の和を０．７ｎｍ以下とし、好ましくは０．６ｎｍ以下、より好ましくは０．４ｎｍ以下とする。また、単結晶半導体基板１０１側の接合面及び、ベース基板１１０側の接合面は、それぞれの純水に対する接触角が２０°以下とし、好ましくは１０°以下、より好ましくは５°以下とする。さらに、単結晶半導体基板１０１側の接合面及び、ベース基板１１０側の接合面の純水に対する接触角の和を３０°以下とし、好ましくは２０°以下、より好ましくは１０°以下とする。接合面がこれらの条件を満たすと、貼り合わせを良好に行うことができ、強固な接合を形成できる。
なお、単結晶半導体基板１０１とベース基板１１０を貼り合わせる前に、単結晶半導体基板１０１もしくは単結晶半導体基板上に形成された絶縁層１０８、またはベース基板１１０もしくはベース基板上に形成された絶縁層の表面処理を行うことが好ましい。表面処理を行うことで、単結晶半導体基板１０１とベース基板１１０の接合界面での接合強度を向上させることができる。
表面処理としては、ウェット処理、ドライ処理、またはウェット処理及びドライ処理の組み合わせが挙げられる。また、異なるウェット処理を組み合わせる、または異なるドライ処理を組み合わせて行うことができる。
ウェット処理としては、オゾン水を用いたオゾン処理（オゾン水洗浄）、メガソニック洗浄、または２流体洗浄（純水や水素添加水等の機能水を窒素等のキャリアガスとともに吹き付ける方法）などが挙げられる。ドライ処理としては、紫外線処理、オゾン処理、プラズマ処理、バイアス印加プラズマ処理、またはラジカル処理などが挙げられる。これらの様な表面処理を行うことで、被処理体表面の親水性および清浄性を高める効果を奏する。その結果、基板同士の接合強度を向上させることができる。
ウェット処理は、被処理体表面に付着するマクロなゴミなどの除去に効果的である。また、ドライ処理は、被処理体表面に付着する有機物などミクロなゴミの除去または分解に効果的である。つまり、被処理体に対し、紫外線処理などのドライ処理を行った後、洗浄などのウェット処理を行うことで、被処理体表面を清浄化および親水化を促進することができる。さらに被処理体表面のウォーターマークの発生を抑制することもできる。
また、ドライ処理として、オゾンまたは一重項酸素などの活性状態にある酸素を用いた表面処理を行うことが好ましい。オゾンまたは一重項酸素などの活性状態にある酸素により、被処理体表面に付着する有機物を効果的に除去または分解することができる。また、オゾンまたは一重項酸素などの活性状態にある酸素と２００ｎｍ未満の波長を含む光を用いた表面処理を行うことによって、被処理体表面に付着する有機物をさらに効果的に除去することができる。以下、具体的に説明する。
例えば、酸素を含む雰囲気下で紫外線を照射することにより、被処理体の表面処理を行う。酸素を含む雰囲気下において、２００ｎｍ未満の波長を含む光と２００ｎｍ以上の波長を含む光を照射することにより、オゾンを生成させるとともに一重項酸素を生成させることができる。また、１８０ｎｍ未満の波長を含む光を照射することにより、オゾンを生成させるとともに一重項酸素を生成させることもできる。
酸素を含む雰囲気下で、２００ｎｍ未満の波長を含む光および２００ｎｍ以上の波長を含む光を照射することにより起きる反応例を示す。
Ｏ２＋ｈν（λ１ｎｍ）→Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ（３Ｐ） ・・・ （１）
Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ２→Ｏ３ ・・・ （２）
Ｏ３＋ｈν（λ２ｎｍ）→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ２ ・・・ （３）
Ｏ２＋ｈν（λ１ｎｍ）→Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ（３Ｐ） ・・・ （１）
Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ２→Ｏ３ ・・・ （２）
Ｏ３＋ｈν（λ２ｎｍ）→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ２ ・・・ （３）
まず、酸素（Ｏ２）を含む雰囲気下で２００ｎｍ未満の波長（λ１ｎｍ）を含む光（ｈν）を照射することにより基底状態の酸素原子（Ｏ（３Ｐ））が生成する（反応式（１））。次に、基底状態の酸素原子（Ｏ（３Ｐ））と酸素（Ｏ２）とが反応してオゾン（Ｏ３）が生成する（反応式（２））。そして、生成されたオゾン（Ｏ３）を含む雰囲気下で２００ｎｍ以上の波長（λ２ｎｍ）を含む光が照射されることにより、励起状態の一重項酸素Ｏ（１Ｄ）が生成される（反応式（３））。酸素を含む雰囲気下において、２００ｎｍ未満の波長を含む光を照射することによりオゾンを生成させるとともに、２００ｎｍ以上の波長を含む光を照射することによりオゾンを分解して一重項酸素を生成する。上記のような表面処理は、例えば、酸素を含む雰囲気下での低圧水銀ランプの照射（λ１＝１８５ｎｍ、λ２＝２５４ｎｍ）により行うことができる。
また、酸素を含む雰囲気下で、１８０ｎｍ未満の波長を含む光を照射して起きる反応例を示す。
Ｏ２＋ｈν（λ３ｎｍ）→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ（３Ｐ） ・・・ （４）
Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ２→Ｏ３ ・・・ （５）
Ｏ３＋ｈν（λ３ｎｍ）→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ２ ・・・ （６）
Ｏ２＋ｈν（λ３ｎｍ）→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ（３Ｐ） ・・・ （４）
Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ２→Ｏ３ ・・・ （５）
Ｏ３＋ｈν（λ３ｎｍ）→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ２ ・・・ （６）
まず、酸素（Ｏ２）を含む雰囲気下で１８０ｎｍ未満の波長（λ３ｎｍ）を含む光を照射することにより、励起状態の一重項酸素Ｏ（１Ｄ）と基底状態の酸素原子（Ｏ（３Ｐ））が生成する（反応式（４））。次に、基底状態の酸素原子（Ｏ（３Ｐ））と酸素（Ｏ２）とが反応してオゾン（Ｏ３）が生成する（反応式（５））。そして、生成されたオゾン（Ｏ３）を含む雰囲気下で１８０ｎｍ未満の波長（λ３ｎｍ）を含む光が照射されることにより、励起状態の一重項酸素と酸素が生成される（反応式（６））。酸素を含む雰囲気下において、紫外線のうち１８０ｎｍ未満の波長を含む光を照射することによりオゾンを生成させるとともにオゾンまたは酸素を分解して一重項酸素を生成する。上記のような表面処理は、例えば、酸素を含む雰囲気下でのＸｅエキシマＵＶランプの照射により行うことができる。
２００ｎｍ未満の波長を含む光により被処理体表面に付着する有機物などの化学結合を切断するとともに、オゾンまたは一重項酸素により該有機物を酸化分解して除去することができる。上記のような表面処理を行うことで、被処理体表面の親水性および清浄性をより高めることができ、接合を良好に行うことができる。
また、接合面に原子ビーム若しくはイオンビームを照射した後、または、接合面をプラズマ処理若しくはラジカル処理した後に貼り合わせを行ってもよい。上述のような処理を行うことで、接合面を活性化することができ、貼り合わせを良好に行うことができる。例えば、アルゴンなどの不活性ガス中性原子ビーム、または不活性ガスイオンビームを照射して接合面を活性化することができる。また、接合面を酸素プラズマ、窒素プラズマ、酸素ラジカル、または窒素ラジカルに曝すことで活性化することもできる。接合面の活性化を図ることで、絶縁層とガラス基板などのように異なる材料を主成分とする基体同士であっても、低温処理（例えば４００℃以下）で接合を形成することができる。また、酸素添加水、水素添加水、または純水などで接合面を処理することにより、接合面を親水性にして該接合面の水酸基を増大させることで、強固な接合を形成することもできる。
本実施の形態では、１つのベース基板１１０に対して１つの単結晶半導体基板１０１を配置する例を説明したが、１つのベース基板上に複数の単結晶半導体基板を配置しても良い。ベース基板上への単結晶半導体基板の配置は１枚ずつ行っても良いが、例えば、トレイなどの保持手段を用いれば複数枚の単結晶半導体基板を一斉に配置することができる。より好ましくは、ベース基板上に所定の間隔を隔てて配置されるように、所望の個数の単結晶半導体基板を保持手段に保持し、一斉に配置する。これに対応するように、あらかじめ保持手段の形状などを対応させておけば、単結晶半導体基板とベース基板との位置合わせが容易になるため好ましい。もちろん、１枚ずつ位置合わせをしながら、ベース基板上に単結晶半導体基板を配置していくことも可能である。単結晶半導体基板の保持手段としては、トレイ、保持用基板、真空チャックまたは静電チャックなどが挙げられる。
単結晶半導体基板１０１とベース基板１１０とを重ね合わせた後は、熱処理及び／または加圧処理を行うことが好ましい。熱処理及び／または加圧処理を行うことで接合強度を高めることができる。熱処理を行う際は、温度範囲はベース基板１１０の歪み点温度以下で、且つ単結晶半導体基板１０１に形成した脆化層１０５で体積変化が起きない温度とし、好ましくは２００℃以上４１０℃未満とする。この熱処理は、単結晶半導体基板１０１とベース基板１１０とを重ね合わせる工程と連続して行うことが好ましい。加圧処理する場合は、ベース基板１１０及び単結晶半導体基板１０１の耐圧性を考慮し、接合面に垂直な方向に圧力が加わるようして行う。また、接合強度を高める熱処理と連続して、後述する脆化層１０５を境界として単結晶半導体基板１０１を分割する熱処理を行ってもよい。
また、ベース基板１１０側に酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、または窒化酸化シリコン層などの絶縁層を形成し、該絶縁層を間に介して単結晶半導体基板１０１と貼り合わせてもよい。例えば、ベース基板１１０側に形成した絶縁層と、単結晶半導体基板１０１側に形成した絶縁層と、を接合面として貼り合わせることも可能である。
次に、単結晶半導体基板１０１を脆化層１０５を境として分割して、ベース基板１１０上に第１単結晶半導体層１２１を形成する（図４（Ｂ）参照）。
本実施の形態のように脆化層１０５を境とした単結晶半導体基板の分割は、熱処理にて行うことが好ましい。熱処理は、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置、炉（ファーネス）、高周波発生装置を用いたマイクロ波或いはミリ波などの高周波による誘電加熱などの熱処理装置を用いて行うことができる。熱処理装置の加熱方式としては抵抗加熱式、ランプ加熱式、ガス加熱式、電磁波加熱式などが挙げられる。レーザビームの照射や、熱プラズマジェットの照射を行っても良い。ＲＴＡ装置は急速加熱処理を行うことができ、単結晶半導体基板１０１の歪み点近傍または単結晶半導体基板１０１の歪み点（或いはベース基板１１０の歪み点近傍またはベース基板１１０の歪み点）よりも若干高い温度まで加熱することができる。単結晶半導体基板１０１を分割するための好適な熱処理温度は、４１０℃以上単結晶半導体基板１０１の歪み点温度未満（及びベース基板１１０の歪み点温度未満）とする。低くとも４１０℃以上の熱処理を行うことで、脆化層１０５に形成された微小な空洞の体積変化が起こり、該脆化層または該脆化層近傍を境として単結晶半導体基板１０１を分割することができる。
例えば、単結晶半導体基板１０１から分離する第１単結晶半導体層１２１の厚さは、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。もちろん、脆化層を形成する際の加速電圧などを調整することで、単結晶半導体基板１０１から上記厚さ以上の単結晶半導体層を分離することも可能である。
脆化層１０５を境として単結晶半導体基板１０１を分割することで、該単結晶半導体基板から一部の単結晶半導体層を分離し、第１単結晶半導体層１２１を形成する。このとき、単結晶半導体基板１０１から一部の単結晶半導体層が分離された剥離基板１５５が得られる。この剥離基板１５５は、再生処理を行った後、繰り返し利用することができる。剥離基板１５５は、光電変換装置を作製する単結晶半導体基板として利用しても良いし、その他の用途に流用してもよい。本発明の一態様に用いる単結晶半導体基板として剥離基板１５５を利用するサイクルを繰り返すことで、１枚の原料基板から複数個の光電変換装置を作製することが可能となる。
また、脆化層１０５を境として単結晶半導体基板１０１を分割することで、薄片化された単結晶半導体層（ここでは第１単結晶半導体層１２１）の分割面（分離面）に凹凸が生じる場合がある。その様な凹凸面はイオンダメージによって結晶性や平坦性が損なわれており、後にエピタキシャル成長を行う際のシード層として機能させるには表面の結晶性及び平坦性を回復させておくことが好ましい。結晶性の回復やダメージ層の除去を行うには、レーザ処理やエッチング工程を用いることができ、同時に平坦性も回復させることができる。
次に、レーザ処理による結晶性回復及び平坦化を図る例を説明する。例えば、図４（Ｃ）に示すようにベース基板１１０上に配置された第１単結晶半導体層１２１に対し、該単結晶半導体層の上面側からレーザビーム１６０を照射し、該単結晶半導体層を溶融固化させることで、第１単結晶半導体層１２１の結晶性及び、平坦性を向上させる。
レーザビーム１６０の照射による単結晶半導体層の溶融は、部分溶融でも完全溶融でもよいが、上層（表層側）のみが溶融して液相となる部分溶融がより好ましい。部分溶融では単結晶の固相部分をシードとして結晶成長を進行させることができる。なお、本明細書において、完全溶融とは、単結晶半導体層が下部界面付近まで溶融されて、液相状態になることをいう。部分溶融とは、単結晶半導体層の一部（例えば上層部）は溶融されて液相となり、その他（例えば下層部）は溶融せずに固相のままであることをいう。
本実施の形態に係るレーザ処理に適用できるレーザビーム１６０としては、単結晶半導体層に吸収される波長を有するものを選択する。また、レーザビームの波長は、レーザビームの表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）などを考慮して決定することができる。例えば、発振波長が紫外光域から可視光域の範囲にあるものが選択され、具体的には２５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲とすることができる。レーザビーム１６０の具体例としては、ＹＡＧレーザ及びＹＶＯ４レーザに代表される固体レーザの第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎｍ）、または第４高調波（２６６ｎｍ）や、エキシマレーザ（ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ））から射出されるレーザビームが挙げられる。また、レーザビーム１６０を射出するレーザ発振器としては、連続発振レーザ、疑似連続発振レーザ及びパルス発振レーザを用いることができる。部分溶融させるためには、パルス発振レーザを用いることが好ましい。例えば、繰り返し周波数１ＭＨｚ以下、パルス幅１０ｎｓｅｃ以上５００ｎｓｅｃ以下のパルス発振レーザや、繰り返し周波数１０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、パルス幅２５ｎｓｅｃ、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザを用いることができる。
また、単結晶半導体層に照射するレーザビームのエネルギーは、レーザビームの波長、レーザビームの表皮深さ、及び被照射体である単結晶半導体層の膜厚などを考慮して決定する。レーザビームのエネルギーは、例えば、３００ｍＪ／ｃｍ２以上８００ｍＪ／ｃｍ２以下の範囲とすることができる。例えば、単結晶半導体層の厚さが１２０ｎｍ程度であり、レーザ発振器にパルス発振レーザを用い、レーザビームの波長が３０８ｎｍの場合は、レーザビームのエネルギー密度は６００ｍＪ／ｃｍ２以上７００ｍＪ／ｃｍ２以下とすることができる。
レーザビーム１６０の照射は、希ガスもしくは窒素などの不活性ガス雰囲気、または真空状態で行うことが好ましい。不活性ガス雰囲気または真空状態でのレーザビーム１６０の照射は、大気雰囲気での照射よりも、被照射体である単結晶半導体層のクラックの発生を抑えることができる。例えば、不活性ガス雰囲気中でレーザビーム１６０を照射するには、気密性のあるチャンバー内で、チャンバー内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換してレーザビーム１６０を照射する。チャンバーを用いない場合は、レーザビーム１６０の被照射面（図４（Ｃ）では第１単結晶半導体層１２１）に窒素ガスなどの不活性ガスを吹き付けることで実質的に不活性ガス雰囲気を実現することができる。
レーザビーム１６０は、光学系を用いてエネルギー分布を均一にし、照射面のビーム形状を線状にすることが好ましい。レーザビーム１６０の形状を線状にすることで、スループット良く、被照射面に均一に照射することができる。レーザビーム１６０のビーム長をベース基板１１０の１辺より長くすることで、ベース基板１１０上に形成された全ての単結晶半導体層にレーザビーム１６０を１回の走査で照射することができる。また、レーザビーム１６０のビーム長がベース基板１１０の１辺より短い場合は、ベース基板１１０に形成された全ての単結晶半導体層にレーザビーム１６０を複数回の走査で照射することができる。
なお、レーザ処理と組み合わせて、熱処理を行うことにより、結晶性やダメージの回復を図ることも可能である。熱処理は、加熱炉、ＲＴＡ装置などにより、脆化層１０５を境として単結晶半導体基板１０１分割のための熱処理よりも高温及び／または長時間行うことが好ましい。もちろん、ベース基板１１０の歪み点は超えない程度の温度で熱処理を行う。
また、レーザ処理に代え、エッチングによってダメージ層を取り除く手段を用いても良い。単結晶半導体基板を薄片化して形成した単結晶半導体層を表層からエッチングすることで、脆化層形成や単結晶半導体基板の分割によって受けたダメージ部分を除去し、平坦化することができる。
第１単結晶半導体層１２１を薄膜化する厚さ（エッチングする厚さ）は、実施者が適宜設定することができる。例えば、単結晶半導体基板を薄片化して、膜厚３００ｎｍ程度の第１単結晶半導体層１２１を形成し、該単結晶半導体層を表層から２００ｎｍ程度エッチングして、ダメージ部分を除去した膜厚１００ｎｍ程度の第１単結晶半導体層１２１を形成する。
第１単結晶半導体層１２１の薄膜化は、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより行うことができ、好ましくはドライエッチングを適用する。
例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法、平行平板型（容量結合型）エッチング法、マグネトロンプラズマエッチング法、２周波プラズマエッチング法またはヘリコン波プラズマエッチング法等のドライエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えば、塩素、塩化硼素、或いは塩化珪素（四塩化珪素含む）等の塩素系ガス、トリフルオロメタン、フッ化炭素、フッ化窒素、或いはフッ化硫黄等のフッ素系ガス、臭化水素等の臭素系ガスなどが挙げられる。その他、ヘリウム、アルゴン、或いはキセノンなどの不活性ガス、酸素ガス、または水素ガスなどが挙げられる。
なお、第１単結晶半導体層１２１を薄膜化した後、該単結晶半導体層にレーザビームを照射して、更に該単結晶半導体層の結晶性向上を図ることもできる。
単結晶半導体基板１０１を薄片化して形成した第１単結晶半導体層１２１は、脆化層形成や単結晶半導体基板の分割により、結晶性が低下している。そのため、上述のように、レーザビームの照射やエッチングを行うことで、第１単結晶半導体層１２１の表面の結晶性を回復させることができる。第１単結晶半導体層１２１は、エピタキシャル成長を行う際のシード層として機能するため、結晶性を回復させることで、エピタキシャル成長して得られる第２単結晶半導体層１２２の結晶性を向上させることができる。
結晶性を回復させた第１単結晶半導体層１２１は、実質的な光吸収層となる第２単結晶半導体層１２２を成長させる際のシードとして利用する。また、単結晶半導体基板に替えて多結晶半導体基板（代表的には多結晶シリコン基板）を用いることもできる。この場合、第１単結晶半導体層１２１は多結晶半導体（代表的には多結晶シリコン）で形成される。
次に、第１単結晶半導体層１２１上に第２単結晶半導体層１２２を形成する（図５（Ａ）参照）。単結晶半導体基板を薄片化して所望の膜厚を有する単結晶半導体層を分離してもよいが、固相成長（固相エピタキシャル成長）や気相成長（気相エピタキシャル成長）などのエピタキシャル成長技術を利用して単結晶半導体層の厚膜化を図ることが好ましい。
イオン注入法やイオンドーピング法を利用して単結晶半導体基板を薄片化する場合、分離する単結晶半導体層を厚くするためには、加速電圧を高める必要がある。しかし、イオン注入装置やイオンドーピング装置の加速電圧には装置上の制限があり、また加速電圧を高めることで放射線の発生などが懸念され、安全上問題となる。また、従来の装置では、加速電圧を高めつつ大量のイオンを照射することは困難であり、所定の注入量を得るためには長時間を要し、タクトタイムが長くなる懸念もあった。
エピタキシャル成長技術を利用すれば上述のような安全上の問題を回避できる。また、原料である単結晶半導体基板を厚く残すことができるため、繰り返し利用できる回数が増え、省資源化に寄与することができる。
単結晶半導体の代表例である単結晶シリコンは間接遷移型の半導体であるため、直接遷移型の非晶質シリコンよりも光吸収係数が低い。そのため、十分に太陽光を吸収するためには、非晶質シリコンを用いた光電変換装置よりも、少なくとも数倍以上の膜厚を要することが好ましい。ここでは、第１単結晶半導体層１２１及び、第２単結晶半導体層１２２の膜厚を合わせて５μｍ以上２００μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下とする。
固相でエピタキシャル成長をさせる場合、非単結晶半導体層は、プラズマＣＶＤ法に代表される化学気相成長法により形成する。プラズマＣＶＤ法では、各種ガスの流量や投入電力などの成膜条件を変えることで、微結晶半導体または非晶質半導体を形成することができる。例えば、半導体材料ガス（例えばシラン）の流量に対して、希釈ガス（例えば水素）の流量を１０倍以上２０００倍以下、好ましくは５０倍以上２００倍以下とすることで、微結晶半導体層（代表的には微結晶シリコン層）を形成することができる。また、半導体材料ガスの流量に対して、希釈ガスの流量を１０倍未満とすることで、非晶質半導体層（代表的に非晶質シリコン層）を形成することができる。また、反応ガスにドーピングガスを混合することで、ｎ型またはｐ型の非単結晶半導体層を形成し、固相成長させてｎ型またはｐ型の単結晶半導体層を形成することもできる。
固相成長を行う熱処理は、ＲＴＡ装置、炉、高周波発生装置などの熱処理装置を用いて行うことができる。ＲＴＡ装置を用いる場合には、処理温度５００℃以上７５０℃以下、処理時間０．５分以上１０分以下とすることが好ましい。炉を用いる場合は、処理温度５００℃以上６５０℃以下、処理時間１時間以上４時間以下とすることが好ましい。
また、プラズマＣＶＤ法を用いた気相エピタキシャル成長により、第１単結晶半導体層１２１をシード層とした第２単結晶半導体層１２２を形成することもできる。
気相エピタキシャル成長させるプラズマＣＶＤ法の条件は、反応ガスを構成する各種ガス流量や印加する電力などにより変化する。例えば、半導体材料ガス（シラン）及び希釈ガス（水素）を含む雰囲気下で、希釈ガスの流量を半導体材料ガスの流量と比較して５倍以下、好ましくは１倍以上４倍以下として行うことで、応力が小さく、膜剥がれのしにくい第２単結晶半導体層１２２を形成することができる。上記反応ガスにドーピングガスを混合することで、ｎ型またはｐ型の単結晶半導体層を気相成長させることもできる。
また、図５（Ａ）に示すように、ベース基板１１０上にエピタキシャル成長するためのシード層が存在しない領域がある。本実施の形態における第２単結晶半導体層１２２は、少なくとも第１単結晶半導体層１２１上でエピタキシャル成長されれば良い。従って、シード層が存在しない領域の結晶状態は特に限定されない。
なお、第１単結晶半導体層１２１の導電型は限定されない。本実施の形態では、第１単結晶半導体層１２１を構成する単結晶シリコン基板及び該単結晶シリコン基板上に形成した単結晶層はｐ型とする。また、第２単結晶半導体層１２２の導電型も限定されないが、本実施の形態では、第１単結晶半導体層１２１上に形成した単結晶層はｐ型とする。尚、本実施の形態と異なる導電型の組合せでセルを構成するには、上記と異なる導電型の単結晶シリコン基板を用いる形態や、上記と異なる導電型の単結晶層を形成すれば良い。
次に、第２単結晶半導体層１２２において、第１単結晶半導体層１２１上に形成された以外の領域を除去し、第１単結晶半導体層１２１と第２単結晶半導体層１２２の積層を形成する。ベース基板１１０上に第１単結晶半導体層１２１が複数配置されている場合は、隣接する積層の間及び上記領域に形成される第２単結晶半導体層１２２を除去し、複数の積層に分離する。それによって後に隣接する積層を単一化するのを容易にすることができる。（図５（Ｂ）参照）。
除去の方法は、レーザ照射やエッチングで行うことができ、前述の第１単結晶半導体層１２１の表面の結晶性回復に用いた同手段を用いることができる。レーザ照射の場合は、エネルギー密度を適度に高めて上記領域及び隣接する積層の間を照射することで加工を行う。また、エッチングの場合は、各積層上のみに保護層を形成し、エッチング時間を延長して加工を行う。ただし、隣接する積層間に形成されている半導体層は全て除去する必要は無く、各積層が電気的に高抵抗の状態で分離されていれば良い。
ここで、第２単結晶半導体層１２２は、第１単結晶半導体層１２１をシードにエピタキシャル成長させたものであり、両者は同体となる単結晶半導体であるが、以降も個別の層として表記する。また、図示に関しても同様である。
次に、第２単結晶半導体層１２２の表層にｎ型半導体及び、ｐ型半導体となる不純物の拡散領域を設け、半導体接合を形成する。ｎ型を付与する不純物元素としては、代表的には周期表第１５族元素であるリン、ヒ素、またはアンチモンなどが挙げられる。ｐ型を付与する不純物元素としては、代表的には周期表第１３族元素であるホウ素またはアルミニウムなどが挙げられる。
第２単結晶半導体層１２２上に第１不純物半導体層を形成するための開口を施してあるフォトレジスト１３２を保護層として設け、イオンドーピング法またはイオン注入法によりｎ型の導電型を付与するリンイオン１３０を導入する。フォトレジスト１３２を剥離後に、再度第２不純物半導体層を形成するための開口を施してあるフォトレジスト１３３を保護層として設け、イオンドーピング法またはイオン注入法によりｐ型の導電型を付与するホウ素イオン１３１を導入する（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）。
例えば、生成されたイオンを質量分離せずに電圧で加速してイオン流を基板に照射するイオンドーピング装置を用い、ホスフィンを原料ガスとしてリンイオン１３０を導入する。このとき、原料ガスであるホスフィンに、水素またはヘリウムを加えてもよい。イオンドーピング装置を用いれば、イオンビームの照射面積を大きくすることができ、効率良く処理することができる。例えば、ベース基板１１０の一辺のサイズを超える線状イオンビームを形成し、該線状イオンビームが、ベース基板１１０の一端から他端まで照射されるように処理すれば、均一な深さで第２単結晶半導体層１２２の表層に不純物を導入することができる。
次に、図７（Ａ）に示す状態で不純物を導入した領域の活性化を行う。活性化は、不純物の導入によってダメージを受けた領域の結晶性を回復させ、不純物原子と半導体原子の結合を形成して導電性を与えるものであり、熱処理またはレーザ照射によって行う。
熱処理の方法は、前述した脆化層１０５を形成した単結晶半導体基板１０１をベース基板１１０に貼付け、脆化層１０５を境として分割するときに適用できる手段を用いることができる。また、レーザ照射の場合は、前述の第１単結晶半導体層１２１の表面の結晶性回復に用いた同手段を用いることができる。
本実施の形態では、ｐ型単結晶半導体基板を薄片化して、第１単結晶半導体層１２１を形成し、ｐ型の第２単結晶半導体層１２２を第１単結晶半導体層１２１をシード層としたエピタキシャル成長技術により、単結晶半導体層を結晶成長させて形成する。また、ｎ型及び、ｐ型を付与する不純物元素を含む半導体層を第２単結晶半導体層１２２の表層に形成する。ここでは、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅにｎ型の導電性、第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆにｐ型の導電性を与えるものとする。従って、本実施の形態の光電変換層１２０は、第２単結晶半導体層１２２、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅとの間にｐｎ接合を形成している。
活性化によって形成された第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅの上部には、負極となる１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅの第１電極を設ける。また、同様に活性化によって形成された第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆの上部には、正極となる１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆの第２電極を設ける。該電極は、ニッケル、アルミニウム、銀、半田などの金属を含む材料を用いて形成する。具体的には、ニッケルペーストや銀ペースト等を用いて、スクリーン印刷法で形成することができる（図７（Ｂ）参照）。
また、図７（Ｃ）の構造のように、不純物半導体層上にパッシベーション層となる保護膜１８０を形成し、該保護膜を部分的に開口して、第１電極１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｄ及び、第２電極１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆを設けることもできる。
半導体表面は格子欠陥とも言える状態で表面準位が多く、キャリアが表面近傍で再結合するため、半導体内部よりもライフタイムが短い。従って、光電変換装置においても半導体層の表面が露出していると光電変換されたキャリアが表面再結合によって失われ、変換効率を下げる要因となっている。表面再結合を減らすにはパッシベーション層となる保護膜を形成して良好な界面を形成することが有効であり、外部からの不純物混入に対するブロッキング効果も併せ持つ。
本実施の形態に用いることのできるパッシベーション層となる保護膜１８０の具体的な例としては、前述した絶縁層１０８を形成するための材料を用いることができる。
また、本実施の形態では、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅをｎ型半導体とし、第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆをｐ型半導体とした例を示したが、もちろんｎ型半導体とｐ型半導体は入れ替えて形成することができる。
また、本実施の形態では、エピタキシャル成長させた第２単結晶半導体層１２２をｐ型の導電型として形成した例を示したが、第２単結晶半導体層１２２をｎ型、またはｉ型で形成することもできる。
以上により、図１（Ａ）に示す光電変換装置を形成することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態２）
本発明の一態様は、単結晶半導体層を有する光電変換装置である。透光性を有する絶縁性基板を支持基板とし、半導体接合及び電極を半導体層表面側に形成し、受光面を支持基板側に設けていることを特徴とする。
本発明の一態様は、単結晶半導体層を有する光電変換装置である。透光性を有する絶縁性基板を支持基板とし、半導体接合及び電極を半導体層表面側に形成し、受光面を支持基板側に設けていることを特徴とする。
本実施の形態では、光電変換モジュールの作製方法について、図面を参照して詳細を説明する。
図８は、絶縁表面を有する同一基板上に、所定の間隔を隔てて、光電変換層が複数配置された例である。いくつかの光電変換層に電極を形成して直列接続した集合体とし、さらに該集合体を並列接続したものであり、直列接続および並列接続した光電変換層から電力を取り出す正負極端子が設けられた形となっている。なお、基板上に設ける光電変換層の個数、光電変換層の面積、各光電変換層の接続の方法、光電変換モジュールからの電力の取り出し方法などは任意であり、所望の電力や設置場所などに応じて、実施者が適宜設計すれば良い。
本実施の形態では、ベース基板１１０上に光電変換層１４０ａ、光電変換層１４０ｂ、光電変換層１４０ｃ、光電変換層１４０ｄ、光電変換層１４０ｅ、光電変換層１４０ｆが、所定の間隔を隔てて配置されている例を示している。ここでは、隣接する光電変換層が電気的に接続されており、３つの光電変換層が直列に接続された集合体が２組配置され、該２組の光電変換層の集合体が並列接続されている例を示している。
ベース基板１１０は、本発明に係る光電変換装置の作製プロセスに耐え、かつ透光性があるものであれば特に限定されず、例えば透光性絶縁基板が用いられる。具体的には、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラスのような電子工業用に使われる各種ガラス基板、石英基板、セラミック基板、又はサファイヤ基板などが挙げられる。大面積化が可能で、安価なガラス基板を用いると、低コスト化や生産性向上が可能となり好ましい。
単結晶半導体基板１０１の準備から図３（Ｃ）に示す絶縁層１０８の形成までは、実施の形態１に示した工程を用いることができる。なお、本実施の形態においても実施の形態１と同じく、図３（Ａ）における単結晶半導体基板１０１と単結晶半導体層１０７は同体であり、以降は、両者を統一して単結晶半導体基板１０１と称する。
単結晶半導体基板１０１の一表面側と、ベース基板１１０の一表面側と、を対向させ、重ね合わせる。本発明の一態様では、同一基板上に複数の光電変換層が設けられた光電変換モジュールを作製するため、ベース基板１１０に対して、複数枚の単結晶半導体基板１０１を、所定の間隔を隔てて配置する。図９は、１枚のベース基板１１０上に、６枚の単結晶半導体基板１０１が所定の間隔を隔てて配置されている例が示されている。ここでは、便宜的に、６枚の単結晶半導体基板１０１を、単結晶半導体基板１０１ａ、単結晶半導体基板１０１ｂ、単結晶半導体基板１０１ｃ、単結晶半導体基板１０１ｄ、単結晶半導体基板１０１ｅ、単結晶半導体基板１０１ｆとする。
また、隣接する単結晶半導体基板（例えば単結晶半導体基板１０１ａと単結晶半導体基板１０１ｄ）の間隔は、およそ１ｍｍとする。
次のベース基板１１０と単結晶半導体基板１０１を貼り合わす工程から表面平坦化の工程までは、実施の形態１において図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を説明する工程を用いることができる。このとき、図９に示すように、１枚のベース基板１１０上に単結晶半導体基板１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆを配置しており、該単結晶半導体基板の配置に対応して、絶縁層１０８、及び第１単結晶半導体層１２１が順次積層された複数の積層が形成される。
なお、図４（Ｃ）において、レーザビーム１６０のビーム長がベース基板１１０の１辺より短い場合は、複数回の走査で、ベース基板１１０に形成された全ての単結晶半導体層にレーザビーム１６０を照射することができる。
また、レーザ処理に代え、エッチングによってダメージ層を取り除く手段を用いても良い。この場合も、実施の形態１に示した方法を用いることができる。
単結晶半導体基板を薄片化して形成した単結晶半導体層は、脆化層形成や単結晶半導体基板の分割により、表面平坦性及び結晶性が低下している。そのため、上述のように、レーザビームの照射やエッチングを行うことで、第１単結晶半導体層１２１の表面の平坦性及び結晶性を回復させることができる。第１単結晶半導体層１２１は、エピタキシャル成長を行う際のシード層として機能するため、表面平坦性及び結晶性を回復させることで、エピタキシャル成長して得られる半導体層の結晶性を向上させることができる。
実質的な光吸収層となる半導体層として、第１単結晶半導体層１２１上に第２単結晶半導体層１２２を形成する。本工程も実施の形態１において図５（Ａ）を説明する工程を用いることができる。
単結晶半導体の代表例である単結晶シリコンは間接遷移型の半導体であるため、直接遷移型の非晶質シリコンよりも光吸収係数が低い。そのため、十分に太陽光を吸収するためには、非晶質シリコンを用いた光電変換装置よりも、少なくとも数倍以上の膜厚を要することが好ましい。ここでは、第１単結晶半導体層１２１及び、第２単結晶半導体層１２２の膜厚を合わせて５μｍ以上２００μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下とする。
複数の積層（絶縁層１０８及び、第１単結晶半導体層１２１の積層構造）上及び、隣接する積層同士の隙間を覆うように半導体層を形成する。このとき、少なくとも積層上は単結晶化した半導体層を形成する。ここで、上記積層上に形成する単結晶半導体層を第２単結晶半導体層１２２とする。第２単結晶半導体層１２２は、第１単結晶半導体層１２１をシード層として、エピタキシャル成長させて形成する。
第２単結晶半導体層１２２をエピタキシャル成長させる方法は、実施の形態１に示す通りである。
また、ベース基板１１０上には、所定の間隔を隔てて複数の積層（絶縁層１０８及び、第１単結晶半導体層１２１）が配置されており、エピタキシャル成長するためのシード層が存在しない領域がある。本実施の形態における第２単結晶半導体層１２２は、少なくとも第１単結晶半導体層１２１上でエピタキシャル成長されれば良い。従って、シード層が存在しない領域の結晶状態は特に限定されない。
なお、第１単結晶半導体層１２１の導電型は限定されない。本実施の形態では、第１単結晶半導体層１２１を構成する単結晶シリコン基板及び該単結晶シリコン基板上に形成した単結晶層はｐ型とする。また、第２単結晶半導体層１２２の導電型も限定されず、本実施の形態では、第１単結晶半導体層１２１上に形成する単結晶層はｐ型とする。尚、本実施の形態と異なる導電型の組合せでセルを構成するには、上記と異なる導電型の単結晶シリコン基板を用いる形態や、上記と異なる導電型の単結晶層を形成すれば良い。
隣接する積層の間に形成される半導体層は、隣接する積層を単一化し、後の集積化の妨げになることから、再び同数となる複数の積層に分離する（図５（Ｂ）参照）。
分離の方法は、レーザ照射やエッチングで行うことができる。具体的な方法は、前述の第１単結晶半導体層１２１の表面の結晶性回復に用いた同手段を用いることができる。レーザ照射の場合は、エネルギー密度を適度に高めて積層の隙間を照射することで加工を行う。また、エッチングの場合は、第１単結晶半導体層１２１を含む領域の積層上面に、選択的に生成した保護層を形成した後にエッチング時間を延長して加工を行う。また、実施の形態１で示した非晶質領域を選択的にエッチングする手法を用いても良い。ただし、隣接する積層間に形成されている半導体層は全て除去する必要は無く、各積層が電気的に高抵抗の状態で分離されていれば良い。
次に、第２単結晶半導体層１２２の表層にｎ型半導体及び、ｐ型半導体となる不純物の拡散領域を設け、半導体接合を形成する。接合の形成法は、実施の形態１に示す通りである（図６（Ａ）、（Ｂ）参照）。
本実施の形態では、単結晶半導体基板を薄片化して、第１単結晶半導体層１２１を形成し、ｐ型の第２単結晶半導体層１２２を第１単結晶半導体層１２１をシード層としたエピタキシャル成長技術により形成する。また、ｎ型及び、ｐ型を付与する不純物元素を含む半導体層を第２単結晶半導体層１２２の表層に形成する。ここでは、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅにｎ型の導電性、第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆにｐ型の導電性を与えるものとする。従って、本実施の形態の光電変換層１２０は、第２単結晶半導体層１２２及び第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅとの間にｐｎ接合を形成している（図７（Ａ）参照）。
次に、活性化によって形成された第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅの上部には、負極となる１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅの第１電極を設ける。また、同様に活性化によって形成された第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆの上部には、正極となる１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆの第２電極を設ける。該電極は、ニッケル、アルミニウム、銀、半田などの金属を含む材料を用いて形成する。具体的には、ニッケルペーストや銀ペースト等を用いて、スクリーン印刷法で形成することができる（図７（Ｂ）参照）。
また、隣接する光電変換層を直列に接続する第１接続電極１４６及び並列に接続する第２接続電極１４７を第１電極１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅ及び第２電極１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆと同一層で形成する（図８参照）。ここで、個々の光電変換層に形成される該電極と該接続電極は一体で形成されたものであるが、便宜上別々の名称を与えて説明している。もちろん、該電極と異なる層で該接続電極を形成することも可能である。
以上により、図８に示す光電変換モジュールを形成することができる。
透光性を有するベース基板１１０側から照射された光は、第１単結晶半導体層１２１及び、実質的な光吸収層である第２単結晶半導体層１２２においてキャリアを発生させる。発生したキャリアは、第２単結晶半導体層１２２と第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅとの間で形成される内部電界により移動し、第１電極１４４ａ、１４４ｃ、１４４ｅ及び、第２電極１４４ｂ、１４４ｄ、１４４ｆから電流として取り出すことができる。透光性を有するベース基板１１０と第１単結晶半導体層１２１の間には、透光性を有する絶縁層１０８が介しているのみであり、収集電極の影による損失の無い高効率の光電変換装置を作製することができる。
また、単結晶半導体基板を薄片化して単結晶半導体層を形成し、該単結晶半導体層を分離した単結晶半導体基板は再利用することが可能なため、半導体材料を有効利用できる省資源型の光電変換装置及び光電変換モジュールを作製することができる。また、接着剤を用いずにベース基板上に絶縁膜を介して接合した単結晶半導体層でセルを構成するため、光電変換効率の向上と共に機械的強度の高い光電変換モジュールを提供することができる。
また、本実施の形態では、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅをｎ型半導体とし、第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆをｐ型半導体とした例を示したが、もちろんｎ型半導体とｐ型半導体は入れ替えて形成することができる。
また、本実施の形態では、エピタキシャル成長させた第２単結晶半導体層１２２をｐ型の導電型として形成したが、第２単結晶半導体層１２２をｎ型やｉ型で形成することもできる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２と異なる光電変換装置及びその作製方法の一例について説明する。なお、他の実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
本実施の形態では、実施の形態２と異なる光電変換装置及びその作製方法の一例について説明する。なお、他の実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
実施の形態１に従った工程を用いて、ベース基板１１０上に絶縁層１０８、第１単結晶半導体層１２１及び、第２単結晶半導体層１２２からなる積層を形成する（図５（Ｂ）参照）。
該積層の上部に、第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅと第２不純物半導体層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆが重ならずに交互に帯状に形成された構造を形成し、該不純物半導体層上に第１電極２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｅ及び、第２電極２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｆを形成して光電変換装置を完成させる（図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、図１２（Ａ）参照）。
バルク型の光電変換装置では、一導電型を持つバルク内に逆の導電型となる不純物半導体層を形成し、生成したｐｎ接合界面に生成した空乏層内にキャリアの移動に必要な内部電界を形成する。一方で、薄膜型光電変換装置と同様に不純物半導体層は成膜によって形成することもでき、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を作り込むことでｐ型半導体層及び、ｎ型半導体層の間に内部電界を形成することができる。
具体的な作製方法の一例を説明する。図５（Ｂ）に示す構造を形成し、第２単結晶半導体層１２２の上部に、一定の間隔で帯状に開口されたフォトレジスト２１０を形成し、更にその上部に第１不純物半導体層２２０を全面に形成する（図１１（Ａ）参照）。
リフトオフ法によって余分な膜を取り除き、第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅを形成し、フォトレジスト２１０と異なる帯状開口部を持つフォトレジスト２１１を第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅが形成された第２単結晶半導体層１２２の上部に形成する。更にその上部に第２不純物半導体層２２１を全面に形成する（図１１（Ｂ）参照）。再びリフトオフ法によって余分な膜を取り除き、積層上部に第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅと第２不純物半導体層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆが重ならずに交互に帯状に形成された構造を得る（図１１（Ｃ）参照）。最後に第１電極２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｅ及び、第２電極２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｆを形成して光電変換装置を完成させる（図１２（Ａ）参照）。
リフトオフ法によって余分な膜を取り除き、第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅを形成し、フォトレジスト２１０と異なる帯状開口部を持つフォトレジスト２１１を第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅが形成された第２単結晶半導体層１２２の上部に形成する。更にその上部に第２不純物半導体層２２１を全面に形成する（図１１（Ｂ）参照）。再びリフトオフ法によって余分な膜を取り除き、積層上部に第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅと第２不純物半導体層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆが重ならずに交互に帯状に形成された構造を得る（図１１（Ｃ）参照）。最後に第１電極２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｅ及び、第２電極２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｆを形成して光電変換装置を完成させる（図１２（Ａ）参照）。
本実施の形態では、第２単結晶半導体層１２２はｐ型の導電型で形成されており、第１不純物半導体層２２０としては、プラズマＣＶＤ法により、原料ガスにシランとｎ型を付与する不純物元素（例えばリン）を含むホスフィンを用いて非単結晶半導体層を形成する。また、第２不純物半導体層２２１には、プラズマＣＶＤ法により、シランとｐ型を付与する不純物元素（例えばホウ素）を含むジボランを用いて非単結晶半導体層を形成し、ｐｎ接合を形成する。
なお、プラズマＣＶＤ法などにより、第１不純物半導体層２２０、第２不純物半導体層２２１を成膜する前には、第２単結晶半導体層１２２上に形成された自然酸化層などの半導体と異なる材料層は除去しておく。自然酸化層は、フッ酸を用いたウェットエッチング、またはドライエッチングにより除去することができる。また、第１不純物半導体層２２０、第２不純物半導体層２２１を成膜する際、半導体材料ガスを導入する前に、水素と希ガスの混合ガス、例えば水素とヘリウムの混合ガス或いは水素とヘリウムとアルゴンの混合ガスを用いてプラズマ処理することで、第２単結晶半導体層１２２上の自然酸化層や吸着した大気雰囲気元素（酸素、窒素または炭素）を除去することができる。
本実施の形態において、第２単結晶半導体層１２２上に成膜した第１不純物半導体層２２０及び、第２不純物半導体層２２１は、熱処理やレーザ照射によって結晶性を向上させ、活性化させても良い。なお、熱処理やレーザ照射によって、該不純物半導体層に含まれる不純物が、第２単結晶半導体層１２２の表層に拡散し、単結晶層中に接合界面が再形成され、良好な界面を得ることもできる。
また、本実施の形態ではフォトレジストを用いたリフトオフ法を例として挙げたが、不純物半導体層の成膜工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程等を行うことにより図１１（Ｃ）の構造を形成しても良い。
また、図１２（Ｂ）の構造のように、不純物半導体層上にパッシベーション層となる保護膜１８０を形成し、該保護膜を部分的に開口して、第１電極２４０ａ、２４０ｃ、２４０ｅ及び、第２電極２４０ｂ、２４０ｄ、２４０ｆを設けることもできる。
また、本実施の形態では、第１不純物半導体層２３０ａ、２３０ｃ、２３０ｅをｎ型半導体とし、第２不純物半導体層２３０ｂ、２３０ｄ、２３０ｆをｐ型半導体とした例を示したが、もちろんｎ型半導体とｐ型半導体は入れ替えて形成することができる。
また、本実施の形態では、第２単結晶半導体層１２２をｐ型の導電型として形成し、ｐｎ接合型とした例を示したが、第２単結晶半導体層１２２をｎ型やｉ型で形成することもできる。
このように、ベース基板上の絶縁層、第１単結晶半導体層、第２単結晶半導体層の順で構成される積層の上部に対して、ドーパントを含む半導体層を選択的に形成することにより、単結晶半導体層の表面上に導電型の異なる複数の不純物半導体層が形成されたベース基板側を受光面とする光電変換装置を提供することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。具体的には、多光子吸収を利用して、単結晶半導体基板に脆化層となる変質領域を形成する方法について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。具体的には、多光子吸収を利用して、単結晶半導体基板に脆化層となる変質領域を形成する方法について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
図１３に示すように、レーザビーム２５０を絶縁層２０３が形成された面側から単結晶半導体基板１０１に照射し、光学系２０４を用いて該単結晶半導体基板中に集光する。そして、レーザビーム２５０を単結晶半導体基板１０１面内全体に照射することで、単結晶半導体基板１０１の所定の深さの領域に変質領域２０５を形成する。レーザビーム２５０としては多光子吸収を生じさせるものを適用する。変質領域２０５としては、前述の脆化層１０５と同等の状態を形成する。
多光子吸収とは、物質が複数の光子を同時に吸収して、光吸収前よりも該物質の持つエネルギーが高いエネルギー準位へと上がる現象である。多光子吸収を生じさせるレーザビーム２５０としては、フェムト秒レーザから射出されるレーザビームを適用する。多光子吸収は、フェムト秒レーザが引き起こす非線形相互作用の一つとして知られている。多光子吸収は、焦点近傍で集中して反応を起こさせることができるため、所望の領域に変質領域を形成することができる。例えば、多光子吸収を生じさせるレーザビーム２５０を照射することで、数ｎｍ程度の空洞を含む変質領域２０５を形成することができる。
なお、多光子吸収を利用する変質領域２０５の形成では、レーザビーム２５０の焦点の位置（単結晶半導体基板１０１中のレーザビーム２５０の焦点の深さ）で、単結晶半導体基板１０１に形成される変質領域２０５の深さが決定される。レーザビーム２５０の焦点位置は光学系２０４を利用して実施者が容易に調整することができる。
本実施の形態のように多光子吸収を利用して変質領域２０５を形成することで、変質領域２０５以外へ与えるダメージや結晶欠陥の生成を防ぐことができる。そのため、変質領域２０５を境として薄片化して、結晶性などの特性が良好な単結晶半導体層を形成することができる。
なお、単結晶半導体基板１０１上に、酸化シリコン層または酸化窒化シリコン層などの酸化層で絶縁層２０３を形成し、該絶縁層２０３を通過させてレーザビーム２５０を照射する構成とすることが好ましい。さらに、レーザビーム２５０の波長λ（ｎｍ）、波長λ（ｎｍ）における絶縁層２０３の屈折率をｎ、絶縁層２０３の厚さｄ（ｎｍ）として、下記数式（１）を満たすことが好ましい。
上記数式（１）を満たすように絶縁層２０３を形成することで、被照射体（単結晶半導体基板１０１）表面でのレーザビーム２５０の反射が抑えられる。その結果、効率良く単結晶半導体基板１０１内部に変質領域２０５を形成することができる。
変質領域２０５形成後は、他の実施の形態に従って、光電変換装置を作製することができる。
なお、単結晶半導体基板１０１の薄片化は、熱処理に代えて、外力の付加によって行うことが可能である。具体的には、物理的に外力を付加することで、変質領域２０５を境として単結晶半導体基板１０１を分割することができる。例えば、人間の手または道具を用いて、単結晶半導体基板１０１を分割することができる。変質領域２０５は、レーザビーム２５０の照射により空洞などが形成され、脆弱化されている。そのため、単結晶半導体基板１０１に物理的な力（外力）を加えることで変質領域２０５の空洞など脆弱化された部分が始点或いはきっかけとなり、変質領域２０５を境として、単結晶半導体基板１０１を分割することができる。なお、熱処理と外力の付加を組み合わせて、単結晶半導体基板１０１を分割することもできる。外力の付加を加えて単結晶半導体基板１０１を分割することで、薄片化に必要な時間を短縮することが可能となる。よって、生産性を向上することができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態５）
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
実施の形態２に従って、所定の深さの領域に脆化層１０５が形成され、一表面上に絶縁層１０８が形成された単結晶半導体基板１０１を形成する（図３（Ｃ）参照）。
次に、単結晶半導体基板１０１に形成された絶縁層１０８表面に対して、プラズマ処理による平坦化処理を行う。
具体的には、真空状態のチャンバーに不活性ガス（例えば、Ａｒガス）及び／または反応性ガス（例えば、Ｏ２ガス、Ｎ２ガス）を導入し、被処理体（ここでは、絶縁層１０８が形成された単結晶半導体基板１０１）にバイアス電圧を印加してプラズマを照射する。プラズマ中には電子とＡｒの陽イオンが存在し、陰極方向（絶縁層１０８が形成された単結晶半導体基板１０１側）にＡｒの陽イオンが加速される。加速されたＡｒの陽イオンが絶縁層１０８表面に衝突することによって、絶縁層１０８表面がスパッタエッチングされる。このとき、絶縁層１０８表面の凸部から優先的にスパッタエッチングされ、当該絶縁層１０８表面の平坦性を向上することができる。反応性ガスを導入する場合、絶縁層１０８表面がスパッタエッチングされることにより生じる欠損を、補修することができる。
プラズマ処理による平坦化処理を行うことにより、絶縁層１０８表面の平均面粗さ（Ｒａ値）を５ｎｍ以下、好ましくは０．３ｎｍ以下とすることが可能である。また、最大高低差（Ｐ−Ｖ値）を６ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以下とすることも可能である。
上記プラズマ処理の一例としては、処理電力１００Ｗ以上１０００Ｗ以下、圧力０．１Ｐａ以上２．０Ｐａ以下、ガス流量５ｓｃｃｍ以上１５０ｓｃｃｍ以下、バイアス電圧２００Ｖ以上６００Ｖ以下とする。
平坦化処理を行った後は、図４（Ａ）に示すように、単結晶半導体基板１０１に形成された絶縁層１０８表面と、ベース基板１１０表面と、を接合させることで、ベース基板１１０上に単結晶半導体基板１０１を貼り合わせる。本実施の形態では、絶縁層１０８表面の平坦性向上を図っているため、強固な接合を形成することができる。
本実施の形態で説明した平坦化処理は、ベース基板１１０側に行ってもよい。具体的には、ベース基板１１０にバイアス電圧を印加して、プラズマ処理を行い、平坦性の向上を図ることができる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と、適宜組み合わせることができる。
（実施の形態６）
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
実施の形態１に従って、ベース基板１１０上に絶縁層１０８、第１単結晶半導体層１２１及び、第２単結晶半導体層１２２からなる積層を形成する（図５（Ｂ）参照）。
該積層を上面としてベース基板１１０をレーザ照射用窓１５１及び、基板加熱用ヒータ１５２を配置した真空チャンバー１５０に入れ、真空チャンバー１５０中の雰囲気をドーピングガスに置換し、選択的にレーザビーム１６０を照射することによって、不純物半導体領域を形成する（図１４（Ａ）、（Ｂ）参照）。
単結晶半導体層に吸収される波長のレーザビームを単結晶半導体層に照射すると、その表面近傍が溶融固化する現象が起きる。この溶融固化のプロセスは、雰囲気の影響を強く受け、溶融される半導体層中に雰囲気中に含まれる元素が不純物として取り込まれることがある。この現象において、半導体層に取り込まれる不純物元素が、１３族元素や１５族元素の場合には導電型を変化させることができる。従って、この方法を用いれば、イオンドーピング装置やイオン注入装置などの特別な装置を用いなくても、不純物を半導体層中に導入することができる。
なお、半導体層の導電型をｎ型とする不純物としては、１５族元素であるリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）が挙げられる。また、導電型をｐ型とする不純物としては、１３族元素であるホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）が挙げられる。
また、上記不純物元素を含む化合物ガスとしては、１５族元素ではホスフィン（ＰＨ３）、三フッ化リン（ＰＦ３）、三塩化リン（ＰＣｌ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、三フッ化砒素（ＡｓＦ３）、三塩化砒素（ＡｓＣｌ３）、スチビン（ＳｂＨ３）、三塩化アンチモン（ＳｂＣｌ３）などを用いることができる。１３族元素ではジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、三塩化ガリウム（ＧａＣｌ３）などを用いることができる。
また、当該不純物元素を含む化合物ガスは、半導体層に導入する不純物濃度を調整するために、水素、窒素及び／または希ガスで希釈した混合ガスを用いても良い。また、該混合ガスは減圧下で用いても良い。
最初に形成する不純物半導体層の導電型をｎ型とする場合は、真空チャンバー１５０中の雰囲気をｎ型のドーパントガスであるホスフィンを水素で希釈した混合ガスで置換し、レーザビームを半導体層に帯状に照射して第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅを形成する。次に、真空チャンバー１５０中の雰囲気をｐ型のドーパントガスであるジボランをヘリウムで希釈した混合ガスで置換し、レーザビーム１６０を半導体層に帯状に照射して第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆを形成し、図７（Ａ）に示す構造を形成する。
本実施の形態に用いることのできるレーザ及び照射方法は、実施の形態１において、第１単結晶半導体層１２１の表面の結晶性回復に適用できる手段を用いることができる。
また、レーザ照射時の溶融固化プロセスを助長する手段として、基板加熱用ヒータ１５２にて基板を加熱しても良い。基板を加熱することでレーザ照射時の溶融しきい値エネルギーが下がり、かつ固化に要する時間が延長され、不純物の活性化率が高まる効果がある。基板温度にはベース基板の歪み点を超えない温度までを用いることができる。
本実施の形態では、ｎ型、ｐ型の順で不純物半導体層を形成したが、順序を逆にしても良い。また、効率良く作業工程を行うためには、一導電型不純物半導体層の形成を複数の基板に対して連続して行い、その後、一導電型とは逆の導電型の不純物半導体層の形成を複数の基板に対して連続して行う工程を用いても良い。
以降、他の実施の形態に従って、光電変換装置を作製することができる。
このように、ベース基板上の絶縁層、第１単結晶半導体層、及び第２単結晶半導体層からなる積層に対して、ドーパントとなる不純物を含むガス雰囲気中にて選択的にレーザ照射を行うことにより、単結晶半導体層の表層に導電型の異なる複数の不純物半導体層を形成することができる。また、選択的にレーザ照射を行うことにより不純物半導体層を形成する位置を決定できるため、フォトレジストや保護膜などの位置決め手段が不要となり、低コストで生産性の高い光電変換装置の作製が可能となる。
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
（実施の形態７）
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
本実施の形態では、上記実施の形態と異なる光電変換装置の作製方法の一例について説明する。なお、上記実施の形態と重複する部分の説明は省略或いは一部簡略化する。
実施の形態１に従って、ベース基板１１０上に絶縁層１０８、第１単結晶半導体層１２１及び、第２単結晶半導体層１２２からなる積層を形成する（図５（Ｂ）参照）。
該積層の上面に一導電型を半導体に付与する不純物を含む薬液１７０及び、一導電型とは逆の導電型を半導体に付与する不純物を含む薬液１７１を塗布し、選択的にレーザビームを照射することによって、不純物半導体層を形成する（図１５（Ａ）、（Ｂ）参照）。
単結晶半導体層に吸収される波長のレーザビームを単結晶半導体層に照射すると、その表面近傍にて溶融固化の現象が起こる。その溶融固化のプロセスは、表面に付着した不純物の影響を強く受け、溶融された半導体層中に表面に付着した不純物元素が取り込まれる。この現象において、半導体層中に取り込まれる不純物元素が、１３族元素や１５族元素の場合には導電型を変化させることができる。従って、この方法を用いれば、イオンドーピング装置やイオン注入装置などの特別な装置を用いなくても不純物を半導体層中に導入することができる。
なお、半導体層の導電型をｎ型に変化させる不純物としては、１５族元素であるリン（Ｐ）、１３族元素であるホウ素（Ｂ）が代表的に挙げられる。
また、上記不純物元素を含む薬液としては、リン酸水溶液、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリ−ｎ−アミル、リン酸ジフェニル−２−エチルヘキシル、リン酸アンモニウム水溶液、または、ホウ酸水溶液、ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸トリイソプロピル、ホウ酸トリプロピル、ホウ酸トリ−ｎ−オクチル、ホウ酸アンモニウム水溶液等を用いることができる。
当該薬液は塩の水溶液または、塩とアルコールに加水分解するエステル化合物であり、特別な洗浄液を用いず、純水のみで容易に洗浄することができる。
具体的には、最初に形成する不純物半導体層の導電型をｎ型とする場合は、ｎ型のドーパントとなる元素を含むリン酸アンモニウム水溶液をスピンコーター、スリットコーターまたはディップコーターによって積層表面に塗布し、乾燥させる。そして、レーザビームを半導体層に帯状に照射することによって、第１不純物半導体層１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｅを形成する。次に、ｐ型のドーパントとなる元素を含むホウ酸アンモニウム水溶液をスピンコーター、スリットコーターまたはディップコーターによって積層表面に塗布して乾燥させる。そして、レーザビームを半導体層に帯状に照射することによって、第２不純物半導体層１２３ｂ、１２３ｄ、１２３ｆを形成する。更に純水による洗浄を行い、余分に付着している不純物を洗い流し、図７（Ａ）に示す構造を得る。
本実施の形態に用いることのできるレーザは、実施の形態１において、第１単結晶半導体層１２１の表面の結晶性回復に用いたものを用いることができる。
また、レーザ照射時の溶融固化プロセスを助力する手段として、基板加熱用ヒータにて基板を加熱しても良い。基板を加熱することでレーザ照射時の溶融しきい値エネルギーが下がり、かつ固化に要する時間が延長され、不純物の活性化率が高まる効果がある。基板温度にはベース基板の歪み点を超えない温度まで用いることができる。
本実施の形態では、ｎ型、ｐ型の順で不純物半導体層を形成したが、順序を逆にしても問題は無い。また、効率良く作業工程を行うためには、一導電型不純物半導体層の形成を複数の基板に対して連続して行い、その後、一導電型とは逆の導電型の不純物半導体層の形成を複数の基板に対して連続して行う工程を用いても良い。
以降は、他の実施の形態に従って、光電変換装置を作製することができる。
このように、ベース基板上の絶縁層、第１単結晶半導体層、及び第２単結晶半導体層からなる積層に対して、ドーパントとなる不純物を含む薬液を塗布して選択的にレーザ照射を行うことにより、単結晶半導体層の表層に導電型の異なる複数の不純物半導体層を形成することができる。また、選択的にレーザ照射を行うことにより不純物半導体層を形成する位置を決定できるため、フォトレジストや保護膜などの位置決め手段が不要となり、低コストで生産性の高い光電変換装置の作製が可能となる
なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
本実施例では、非晶質領域と単結晶領域とが混在する半導体層を成膜し、エッチングによって凹部を作製する一例を示す。
面方位が（１００）の単結晶シリコンウエハの表面に、プラズマＣＶＤ法によって表１に示す条件で非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を成膜した。表１において、条件（１）はＲＦパワー密度が０．１Ｗ／ｃｍ２、条件（２）はＲＦパワー密度が０．３Ｗ／ｃｍ２であり、その他の成膜条件は同じである。
図１８は、表１の条件（２）で作製した試料の断面構造を示す電子顕微鏡写真である。（１００）面の単結晶シリコンウエハ上のエピタキシャル成長した単結晶層中に、非晶質領域が混在していることがわかる。非晶質領域は単結晶シリコンウエハ界面近傍から扇形の断面を描くように成長している。なお、単結晶領域と非晶質領域は、電子線回折パターンにてその状態を確認している。
図１９に表１の条件で作製した試料の表面をセコ液（ＨＦとＫ２Ｃｒ２Ｏ７の混合液）にてエッチングした後の電子顕微鏡写真を示す。図１９（Ａ）は表１の条件（１）、図１９（Ｂ）は表１の条件（２）にそれぞれ対応する。セコ液では、単結晶領域より非晶質領域のエッチング速度が速いため、単結晶層中に孔が開いた形となる。孔の単結晶層表面における形状は、ほぼ円形であり、成膜時のＲＦパワー密度の高い条件（２）の方が条件（１）よりも孔密度が高いことがわかる。図１８の断面形状から、その内径は膜の下面方向に小さくなっていることがわかる。
図２０は、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示した半導体層表面の分光反射率（正反射率）を３００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の波長範囲で測定したものである。基準となる単結晶シリコンウエハの反射率は、長波長側で３０％超、短波長側で６０％超となっているのに対し、孔密度が高い条件（２）では、長波長側で１５％以下、短波長側で５％以下となっており、孔の形成で反射率が抑えられていることがわかる。孔密度が低い条件（１）の結果は、上記結果の中間に位置する結果となった。
この様に、本実施例の結果によれば、プラズマＣＶＤ法によって単結晶シリコンウエハ上に非晶質領域及び単結晶半導体層を含む半導体層を成膜し、選択エッチングによって凹部を形成した単結晶半導体層の表面反射率は、鏡面の単結晶シリコンウエハ表面のものよりも十分に小さくなることが確認できた。従って、本実施例のように凹部を形成した単結晶半導体層を光電変換装置に用いることで、光閉じ込め効果を作用させ、高効率の光電変換装置の形成が可能であることが示された。
１０１ 単結晶半導体基板
１０３ 絶縁層
１０５ 脆化層
１０８ 絶縁層
１１０ ベース基板
１２０ 光電変換層
１２１ 第１単結晶半導体層
１２２ 第２単結晶半導体層
１３０ リンイオン
１３１ ホウ素イオン
１３２ フォトレジスト
１３３ フォトレジスト
１４６ 第１接続電極
１４７ 第２接続電極
１５０ 真空チャンバー
１５１ レーザ照射用窓
１５２ 基板加熱用ヒータ
１５５ 剥離基板
１６０ レーザビーム
１７０ 薬液
１７１ 薬液
１８０ 保護膜
１９０ フォトレジスト
２００ 凹凸部
２０３ 絶縁層
２０４ 光学系
２０５ 変質領域
２１０ フォトレジスト
２１１ フォトレジスト
２２０ 第１不純物半導体層
２２１ 第２不純物半導体層
２５０ レーザビーム
１０１ａ 単結晶半導体基板
１０１ｂ 単結晶半導体基板
１０１ｃ 単結晶半導体基板
１０１ｄ 単結晶半導体基板
１０１ｅ 単結晶半導体基板
１０１ｆ 単結晶半導体基板
１２３ａ 第１不純物半導体層
１２３ｂ 第２不純物半導体層
１２３ｃ 第１不純物半導体層
１２３ｄ 第２不純物半導体層
１２３ｅ 第１不純物半導体層
１２３ｆ 第２不純物半導体層
１４０ａ 光電変換層
１４０ｂ 光電変換層
１４０ｃ 光電変換層
１４０ｄ 光電変換層
１４０ｅ 光電変換層
１４０ｆ 光電変換層
１４４ａ 第１電極
１４４ｂ 第２電極
１４４ｃ 第１電極
１４４ｄ 第２電極
１４４ｅ 第１電極
１４４ｆ 第２電極
２３０ａ 第１不純物半導体層
２３０ｂ 第２不純物半導体層
２３０ｃ 第１不純物半導体層
２３０ｄ 第２不純物半導体層
２３０ｅ 第１不純物半導体層
２３０ｆ 第２不純物半導体層
２４０ａ 第１電極
２４０ｂ 第２電極
２４０ｃ 第１電極
２４０ｄ 第２電極
２４０ｅ 第１電極
２４０ｆ 第２電極
１０３ 絶縁層
１０５ 脆化層
１０８ 絶縁層
１１０ ベース基板
１２０ 光電変換層
１２１ 第１単結晶半導体層
１２２ 第２単結晶半導体層
１３０ リンイオン
１３１ ホウ素イオン
１３２ フォトレジスト
１３３ フォトレジスト
１４６ 第１接続電極
１４７ 第２接続電極
１５０ 真空チャンバー
１５１ レーザ照射用窓
１５２ 基板加熱用ヒータ
１５５ 剥離基板
１６０ レーザビーム
１７０ 薬液
１７１ 薬液
１８０ 保護膜
１９０ フォトレジスト
２００ 凹凸部
２０３ 絶縁層
２０４ 光学系
２０５ 変質領域
２１０ フォトレジスト
２１１ フォトレジスト
２２０ 第１不純物半導体層
２２１ 第２不純物半導体層
２５０ レーザビーム
１０１ａ 単結晶半導体基板
１０１ｂ 単結晶半導体基板
１０１ｃ 単結晶半導体基板
１０１ｄ 単結晶半導体基板
１０１ｅ 単結晶半導体基板
１０１ｆ 単結晶半導体基板
１２３ａ 第１不純物半導体層
１２３ｂ 第２不純物半導体層
１２３ｃ 第１不純物半導体層
１２３ｄ 第２不純物半導体層
１２３ｅ 第１不純物半導体層
１２３ｆ 第２不純物半導体層
１４０ａ 光電変換層
１４０ｂ 光電変換層
１４０ｃ 光電変換層
１４０ｄ 光電変換層
１４０ｅ 光電変換層
１４０ｆ 光電変換層
１４４ａ 第１電極
１４４ｂ 第２電極
１４４ｃ 第１電極
１４４ｄ 第２電極
１４４ｅ 第１電極
１４４ｆ 第２電極
２３０ａ 第１不純物半導体層
２３０ｂ 第２不純物半導体層
２３０ｃ 第１不純物半導体層
２３０ｄ 第２不純物半導体層
２３０ｅ 第１不純物半導体層
２３０ｆ 第２不純物半導体層
２４０ａ 第１電極
２４０ｂ 第２電極
２４０ｃ 第１電極
２４０ｄ 第２電極
２４０ｅ 第１電極
２４０ｆ 第２電極
Claims (7)
- 透光性を有するベース基板と、
前記ベース基板上の透光性を有する絶縁層と、
前記絶縁層上の光電変換層と、
前記光電変換層上の第１電極及び第２電極と、を有し、
前記光電変換層は、単結晶半導体層と、ｐ型不純物半導体層と、ｎ型不純物半導体層とを有し、
前記第１電極は前記ｎ型不純物半導体層と電気的に接続し、
前記第２電極は前記ｐ型不純物半導体層と電気的に接続し、
前記単結晶半導体層は前記絶縁層と接し、
前記単結晶半導体層と前記絶縁層とが接する面において、前記単結晶半導体層は複数の凹部を有し、前記凹部は前記絶縁層により充填され、
前記ベース基板と接する前記絶縁層の面は平坦であることを特徴とする光電変換装置。 - 透光性を有するベース基板と、
前記ベース基板上の透光性を有する絶縁層と、
前記絶縁層上の光電変換層と、
前記光電変換層上の第１電極及び第２電極と、を有し、
前記光電変換層は、単結晶半導体層と、ｐ型不純物半導体層と、ｎ型不純物半導体層とを有し、
前記第１電極は前記ｎ型不純物半導体層と電気的に接続し、
前記第２電極は前記ｐ型不純物半導体層と電気的に接続し、
前記光電変換層は、前記絶縁層と接する第１の面と、前記第１電極及び前記第２電極と接する第２の面とを有し、
前記第１の面において、前記光電変換層は複数の凹部を有し、前記凹部は前記絶縁層により充填されており、
前記第２の面において、前記光電変換層は複数の凹部を有し、
前記ベース基板と接する前記絶縁層の面は平坦であることを特徴とする光電変換装置。 - 請求項１または請求項２において、前記凹部は、水平方向の断面形状が円形であり、深さが深いほど水平方向の断面積が小さくなっていく形状を有することを特徴とする光電変換装置。
- 請求項１乃至３のいずれか一項において、前記絶縁層の側面、前記光電変換層の側面及び上面は、保護膜で覆われている領域を有することを特徴とする光電変換装置。
- 内部に脆化層を有する第１の単結晶半導体基板と、透光性を有するベース基板と、を用い、
前記第１の単結晶半導体基板上に、非晶質領域及び単結晶半導体領域を含む第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層中の前記非晶質領域を選択的にエッチングすることで、表面に複数の凹部を有する第２の単結晶半導体基板を形成する工程と、
前記第２の単結晶半導体基板の前記凹部を有する表面に絶縁層を形成する工程と、
前記第２の単結晶半導体基板を前記絶縁層を介して、前記ベース基板に接合させる工程と、
前記第２の単結晶半導体基板を、前記脆化層を境に分割し、前記ベース基板上に前記絶縁層及び第１単結晶半導体層が順次積層された積層を形成する工程と、
前記第１単結晶半導体層上に、第２単結晶半導体層を形成する工程と、
前記第２単結晶半導体層の表層または表面上に、ｎ型不純物半導体層とｐ型不純物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型不純物半導体層に接する第１電極を形成する工程と、
前記ｐ型不純物半導体層に接する第２電極を形成する工程と、を有し、
前記接合させる工程は、前記絶縁層と前記ベース基板との間のファン・デル・ワールス力を用いることを特徴とする光電変換装置の作製方法。 - 請求項５において、前記第１半導体層の形成には、プラズマＣＶＤ法を用いることを特徴とする光電変換装置の作製方法。
- 請求項５または請求項６において、前記第２単結晶半導体層を形成する工程と、前記ｎ型及び前記ｐ型不純物半導体層を形成する工程との間に、前記第２単結晶半導体層上に、非晶質領域及び単結晶半導体領域を含む第２半導体層を形成する工程と、前記第２半導体層中の該非晶質領域を選択的にエッチングする工程と、を有することを特徴とする光電変換装置の作製方法。
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