JP5813465B2 - 光電変換装置の作製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、単結晶シリコン基板を用いた光電変換装置の作製方法に関する。
近年、地球温暖化対策として、発電時に二酸化炭素の排出の無い光電変換装置が注目されている。その代表例としては、単結晶シリコン基板を用いた太陽電池が知られている。
また、光電変換を行う半導体膜に結晶系シリコン膜を用いた光電変換装置の開発が進められている。例えば、特許文献１では、該半導体膜として高品位の結晶質シリコン薄膜をプラズマＣＶＤ装置で成膜する方法が開示されている。
特開２０００−２７７４３９号公報
単結晶シリコン基板を用いた光電変換装置の変換効率を向上させるためには、光電変換層中における少数キャリアのライフタイムを長くすることが望ましい。
本発明の一態様は、光電変換層中における少数キャリアのライフタイムが長い光電変換装置の作製方法を提供することを目的とする。
本明細書で開示する本発明の一態様は、単結晶シリコン基板に接する第１の非晶質シリコン層及び第２の非晶質シリコン層、並びに該第１及び第２の非晶質シリコン層と接する第１の微結晶シリコン層及び第２の微結晶シリコン層を含む構成の光電変換装置の作製方法に関する。
本明細書に開示する本発明の一態様は、単結晶シリコン基板の一方の面上に第１の非晶質シリコン層を形成し、第１の非晶質シリコン層上に一導電型を有する第１の微結晶シリコン層を形成し、単結晶シリコン基板の他方の面上に第２の非晶質シリコン層を形成し、第２の非晶質シリコン層上に一導電型とは逆の導電型を有する第２の微結晶シリコン層を形成する工程において、第１の非晶質シリコン層、第２の非晶質シリコン層、第１の微結晶シリコン層及び第２の微結晶シリコン層は、下部電極と対向した上部電極に設けられたガス導入口から第１のガス拡散室に成膜ガスを供給し、ガス導入口と対向しない複数のガス孔が設けられている分散板を介して第１のガス拡散室から第２のガス拡散室に成膜ガスを導入し、シャワー板を介して第２のガス拡散室から処理室に成膜ガスを導入し、処理室内の圧力を１０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下とし、上部電極に高周波電力を供給して、上部電極及び下部電極間にプラズマを生成させ、下部電極上において成膜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、本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの序数詞は、構成要素の混同を避けるために付すものであり、順序や数を限定するものではないことを付記する。
上記シャワー板には複数のガス孔が設けられており、シャワー板の孔の数は、分散板の孔の数よりも多いことが好ましい。
または、シャワー板には複数のガス孔が設けられており、シャワー板の孔の総面積は、分散板の孔の総面積よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることで、第１のガス拡散室において、ガスを均一に分散させることができる。
また、上記上部電極には温度計が接続され、上部電極における温度計の接続箇所は、上部電極の電極面の中心点を基準として上部電極内の第１のガス管の導入口と点対称の位置であることが好ましい。このような構成とすることで、上部電極からの電界の均一性を高くすることができる。
また、上記上部電極には、上部電極内の第１のガス管の導入口近傍を迂回する冷却媒体の経路が設けられていることが好ましい。冷却媒体としては、例えば、水または油などを用いることができる。
上記第１及び第２の非晶質シリコン層の導電型はｉ型、第１の微結晶シリコン層の導電型はｐ型またはｎ型とする。高品質のｉ型の非晶質シリコンを単結晶シリコン基板表面に形成することで、単結晶シリコン基板の表面欠陥を減少させることができる。
上記第１の非晶質シリコン層、及び第２の非晶質シリコン層の成膜は、処理室内の圧力を１０Ｐａ以上１００Ｐａ以下とすることが好ましい。
また、上記第１の微結晶シリコン層、及び第２の微結晶シリコン層の成膜は、処理室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下とすることが好ましい。
本発明の一態様を用いることにより、光電変換層中における少数キャリアのライフタイムを長くすることができ、光電変換装置の変換効率を向上させることができる。
本発明の一態様である光電変換装置の断面図。 本発明の一態様である光電変換装置の断面図。 本発明の一態様であるプラズマＣＶＤ装置の概略図。 本発明の一態様であるプラズマＣＶＤ装置の分散板の概略図。 本発明の一態様であるプラズマＣＶＤ装置の上部電極の電極面の概略図。 本発明の一態様であるプラズマＣＶＤ装置における電界強度などの分布を示す概念図。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、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、実施の形態を説明するための全図において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。
本発明の一態様における光電変換装置の断面図の一例を図１に示す。
図１に示す光電変換装置は、単結晶シリコン基板２００に接する第１の非晶質シリコン層２１０及び第２の非晶質シリコン層２２０、並びに該第１及び第２の非晶質シリコン層と接する第１の微結晶シリコン層２３０及び第２の微結晶シリコン層２４０を含んで構成される。
上記の構成のように、単結晶シリコン基板表面に高品質なｉ型の非晶質シリコンを形成することで、単結晶シリコン基板表面の欠陥を終端することができる。また、接合を形成するための導電型を有する微結晶シリコン層に高品質な膜を用いることで、非晶質シリコン層との界面特性を良好にすることができる。これらの効果により、光電変換層における少数キャリアの再結合を低減させることができ、少数キャリアのライフタイムを長くすることができる。
なお、本明細書において光電変換層とは、光電変換に大きく寄与する半導体領域を意味するものである。本実施の形態においては、単結晶半導体領域及び該単結晶半導体領域に接する非晶質シリコン層が該当する。
以下に図１に示した光電変換装置の作製方法について説明する。
本発明の一態様に用いることのできる単結晶シリコン基板の導電型や製造方法は、特に限定されない。本実施の形態においては、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法で製造されたｎ型の単結晶シリコン基板を用いる。
まず、単結晶シリコン基板２００の一方の面にプラズマＣＶＤ法を用いて第１の非晶質シリコン層２１０を形成する。第１の非晶質シリコン層２１０の厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第１の非晶質シリコン層２１０はｉ型であり、膜厚は５ｎｍとする。
第１の非晶質シリコン層２１０の成膜条件は、反応室に流量５ｓｃｃｍ以上２００ｓｃｃｍのモノシランガスを導入し、反応室内の圧力を１０Ｐａ以上１００Ｐａ以下、電極間隔を１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、電力密度を８ｍＷ／ｃｍ２以上５０ｍＷ／ｃｍ２以下とする。
次いで、第１の非晶質シリコン層２１０上に第１の微結晶シリコン層２３０を形成する。第１の微結晶シリコン層２３０の厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第１の微結晶シリコン層２３０はｐ型であり、膜厚は１０ｎｍとする。
第１の微結晶シリコン層２３０の成膜条件は、反応室に流量１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍのモノシランガス、流量１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍの水素、流量５ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の水素ベースのジボラン（０．１％）を導入し、反応室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは２０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、電力密度を２００ｍＷ／ｃｍ２以上１５００ｍＷ／ｃｍ２以下とする。
次いで、単結晶シリコン基板２００の他方の面にプラズマＣＶＤ法を用いて第２の非晶質シリコン層２２０を形成する。第２の非晶質シリコン層２２０の厚さは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、本実施の形態において、第２の非晶質シリコン層２２０はｉ型であり、膜厚は５ｎｍとする。なお、第２の非晶質シリコン層２２０は、第１の非晶質シリコン層２１０と同様の成膜条件にて形成することができる。
次いで、第２の非晶質シリコン層２２０上に第２の微結晶シリコン層２４０を形成する。第２の微結晶シリコン層２４０の厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施の形態において、第２の微結晶シリコン層２４０はｎ型であり、膜厚は１０ｎｍとする。
第２の微結晶シリコン層２４０の成膜条件は、反応室に流量１ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍのモノシランガス、流量１００ｓｃｃｍ以上５０００ｓｃｃｍの水素、流量５ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の水素ベースのホスフィン（０．５％）を導入し、反応室内の圧力を４５０Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは２０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下とし、電極間隔を８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、電力密度を２００ｍＷ／ｃｍ２以上１５００ｍＷ／ｃｍ２以下とする。
なお、本実施の形態において、上記非晶質シリコン層及び微結晶シリコン層の成膜に用いる電源には周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いるが、２７．１２ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、または１００ＭＨｚのＲＦ電源を用いても良い。また、連続放電だけでなく、パルス放電にて成膜を行っても良い。
ここで、上記非晶質シリコン層及び微結晶シリコン層を高品質に成膜できるプラズマＣＶＤ装置について説明する。
図３は、本発明の一態様であるプラズマＣＶＤ装置の概略図を示す。図３（Ｂ）には、主要な構成についてのプラズマＣＶＤ装置１００全体の断面図を示し、図３（Ａ）には、図３（Ｂ）のＡ−Ｂにおける断面図を示す。
図３に示すプラズマＣＶＤ装置１００は、処理室１０２とライン室１０４を有する。処理室１０２はチャンバー壁１１４により覆われており、処理室１０２では上部電極１１０の電極面と下部電極１１２の電極面が対向して設けられている。ライン室１０４はチャンバー壁１１４により覆われており、処理室１０２とは上部電極１１０と絶縁物により隔てられている。
処理室１０２は、分散板１１６とシャワー板１１８の間に設けられた第１のガス拡散室１０６に接続され、第１のガス拡散室１０６は、分散板１１６と上部電極１１０の電極面の間に設けられた第２のガス拡散室１０８に接続され、第２のガス拡散室１０８は上部電極１１０内の第１のガス管１２０に接続され、上部電極１１０内の第１のガス管１２０は第２のガス管１２２に接続され、第２のガス管１２２は処理用ガス供給源１２４に接続されている。
ライン室１０４は、不活性ガス供給源１２５に接続された導入口１２６と、同軸で設けられた上部電極１１０とチャンバー壁１１４を有する。ライン室１０４は、陽圧の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
なお、「陽圧」とは、好ましくは大気圧よりも高い気圧をいうが、これに限定されず、少なくとも処理室内の気圧よりも高ければよい。
ここで、ライン室１０４内を陽圧の不活性ガス雰囲気とするため、ライン室１０４内の部品が腐食されることを防ぎ、メンテナンス頻度を低下させ、平均故障間隔（ＭＴＢＦ；Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｆａｉｌｕｒｅ）を大きくすることができる。
そして、図３に示すプラズマＣＶＤ装置では、上部電極１１０とチャンバー壁１１４を同軸形状とするため、不活性ガスの経路が阻害されない。そのため、上部電極１１０のライン部において、同一の高さでの温度分布の均一性が高まり、上部電極１１０に供給する電力が高周波である場合の上部電極の表面における電力の伝播を安定なものとすることができる。従って、上部電極１１０とチャンバー壁１１４を同軸形状にすることで、インピーダンスを小さくすることができ、伝送効率を高めることができる。更には、上部電極１１０における電界の分布を均一性の高いものとすることができる。
ここで、上部電極１１０のライン部の直径をｄ、チャンバー壁１１４の内側の直径をＤ、ライン室１０４の雰囲気の比誘電率をεとすると、インピーダンスＺは数１で表される。
上記数１によれば、比誘電率εを大きくすることでインピーダンスＺを小さくすることができる。ライン室１０４の雰囲気は適宜選択可能なため、比誘電率εを大きくしてインピーダンスＺを小さくすることができる。例えば、ライン室１０４の雰囲気を窒素雰囲気とすると、ライン室１０４の雰囲気中の温度が２０℃のときに比誘電率ε＝５．４７となる。または、ライン室１０４の雰囲気をアルゴン雰囲気とすると、ライン室１０４の雰囲気中の温度が２０℃のときに比誘電率ε＝５．１７となる。
また、ライン室１０４を陽圧の不活性ガス雰囲気とすることで、ライン室１０４内の部品の除熱も可能であるため、例えば上部電極１１０にヒーターが備えられている場合であっても、上部電極１１０が過熱されることを防ぐことができる。
また、ライン室１０４を陽圧の不活性ガス雰囲気とすることで、リークが生じた場合であっても、処理室１０２への大気成分の侵入を抑制することも可能である。
図４は、分散板１１６の一主表面の概略を示す。図４に示す分散板１１６は、分散板中央部１３０と分散板周辺部１３２を有する。分散板中央部１３０は、上部電極１１０の電極面に接続された上部電極１１０内の第１のガス管１２０のガス排出口と対向して配される部分であり、ガス孔が設けられていない。分散板周辺部１３２には、複数のガス孔が設けられている。
なお、シャワー板１１８には複数のガス孔が設けられており、シャワー板１１８の孔の数は、分散板１１６の孔の数よりも多いことが好ましい。
または、シャワー板１１８には複数のガス孔が設けられており、シャワー板１１８の孔の総面積は、分散板１１６の孔の総面積よりも大きいことが好ましい。第２のガス拡散室１０８において、ガスを均一に分散させることができるからである。
上記のように、分散板１１６の分散板中央部１３０にガス孔が設けられていないため、第１のガス管１２０のガス排出口から第２のガス拡散室１０８に導入されたガスが十分に拡散されることなく第１のガス拡散室１０６に導入されることを防ぎ、処理室１０２に導入されるガスの均一性を高くすることができる。
図５は、上部電極１１０の電極面の一例を示す。なお、図５は、上部電極１１０の電極面を下部電極１１２側から見た図である。図５に示す上部電極１１０には、第１のガス管１２０のガス導入口１４４と、温度計１２８の接続箇所１４６と、冷却媒体経路１４０が設けられており、冷却媒体経路１４０は、第１のガス管１２０のガス導入口１４４の近傍に迂回部１４２を有する。
温度計１２８の接続箇所１４６は、上部電極１１０の電極面の中心点を基準として上部電極１１０内の第１のガス管１２０のガス導入口１４４と点対称の位置であることが好ましい。上部電極１１０からの電界の均一性を高くすることができるからである。
迂回部１４２は、第１のガス管１２０のガス導入口１４４近傍に設けられていることが好ましい。冷却媒体としては、例えば、水または油などを用いることができる。
なお、冷却媒体経路１４０は、図５に図示した形態に限定されない。従って、迂回部１４２が設けられていなくてもよい。
第１のガス管１２０の主要部の断面の直径ｄ１及び第２のガス管１２２の主要部の断面の直径ｄ２は、上部電極１１０に電力が供給された際に、第１のガス管１２０または第２のガス管１２２中で放電が生じない程度の大きさとすればよく、例えば、概ね等しい大きさとすればよい。
第１のガス管１２０のガス排出口の直径ｄ３は、上部電極１１０の電極面と、第１のガス管１２０がなす角をθとすると、ｄ３＝ｄ１／ｓｉｎθと表される。ただし、第１のガス管１２０のガス排出口の直径ｄ３は、一部（特に終端）が拡大して設けられていてもよい。なお、第１のガス管１２０のガス排出口の直径ｄ３も放電が生じない程度の大きさとする。
分散板中央部１３０の直径ｄ４は、第１のガス管１２０のガス排出口の直径ｄ３よりも大きいことが好ましい。第１のガス管１２０のガス排出口から排出されたガスが、拡散されることなく第１のガス拡散室１０６に導入されることを防ぐためである。
図６は、図３のプラズマＣＶＤ装置１００における処理室１０２に処理ガスを導入し、上部電極１１０と下部電極１１２に電圧を印加したときのＣ−Ｄにおける電界強度の分布（図６（Ａ））と、Ｃ−Ｄにおける処理ガスの分布（図６（Ｂ））とＥ−Ｆにおける反応性物質の分布（図６（Ｃ））の概念図を示す。
図６（Ａ）に示すように、電界強度は上部電極１１０及び下部電極１１２の中央部と重畳する位置にピークを有するが、図３に示すプラズマＣＶＤ装置１００では電界強度の均一性が高いため、その勾配は緩やかである。そして、図６（Ｂ）に示すように、処理ガスの分布は分散板中央部１３０と重畳する位置を避けて二つのピークを有する。
図６（Ａ）に示す電界強度と、図６（Ｂ）に示す処理ガスの分布から、反応性物質（電離した材料物質）は図６（Ｃ）に示すような分布となる。図６（Ｃ）に示すように反応性物質（電離した材料物質）が分布するため、プラズマＣＶＤ装置１００を用いて基板上に成膜を行う場合には、基板面内における膜厚のばらつきを小さくし、均一性が高いものとすることができる。また、プラズマＣＶＤ装置１００は、基板に対して高い均一性でプラズマ処理が行えるプラズマ処理装置として使用することもできる。
以上により、高品質の非晶質シリコン層及び微結晶シリコン層を含む光電変換装置を作製することができる。なお、図１は本発明の一態様における光電変換装置の基本構成を例示したものであり、透光性導電膜や電極などを付与しても良い。
例えば、図２（Ａ）に示すように、第１の微結晶シリコン層２３０上に透光性導電膜２５０及びグリッド電極２６０を設け、第２の微結晶シリコン層２４０上に裏面電極２７０を設けた構成とすることができる。図２（Ａ）の構成では、光３００は第１の微結晶シリコン層２３０側から入射される。
また、図２（Ｂ）に示すように、第２の微結晶シリコン層２４０側にも透光性導電膜２８０及びグリッド電極２９０を設ける構成とすることもできる。図２（Ｂ）の構成では、光３００が第１の微結晶シリコン層２３０側から入射され、光３１０が第２の微結晶シリコン層２４０側から入射されるため、より多くの光を光電変換層に取り入れることができ、図２（Ａ）の構成よりも変換効率を向上させることができる。
透光性導電膜２５０、２８０には、例えば、インジウム錫酸化物、珪素を含むインジウム錫酸化物、亜鉛を含む酸化インジウム、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛、アルミニウムを含む酸化亜鉛、酸化錫、フッ素を含む酸化錫、またはアンチモンを含む酸化錫等を用いることができる。また、透光性導電膜２５０、２８０は単層に限らず、異なる膜の積層でも良い。例えば、インジウム錫酸化物とアルミニウムを含む酸化亜鉛の積層や、インジウム錫酸化物とフッ素を含む酸化錫の積層などを用いることができる。膜厚は総厚で１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。また、図示はしていないが、反射防止効果を付与するために透光性導電膜２５０、２８０の表面をテクスチャ構造としても良い。
また、グリッド電極２６０及び裏面電極２７０には、銀、アルミニウム、銅などの低抵抗金属を用いることが好ましい。または、スクリーン印刷法などで形成できる銀ペーストや、銅ペーストなどを用いても良い。
以上により、本発明の一態様の作製方法を用いて形成した光電変換装置は、光電変換層における少数キャリアのライフタイムを長くすることができ、変換効率を向上させることができる。
１００ プラズマＣＶＤ装置
１０２ 処理室
１０４ ライン室
１０６ ガス拡散室
１０８ ガス拡散室
１１０ 上部電極
１１２ 下部電極
１１４ チャンバー壁
１１６ 分散板
１１８ シャワー板
１２０ ガス管
１２２ ガス管
１２４ 処理用ガス供給源
１２５ 不活性ガス供給源
１２６ 導入口
１２８ 温度計
１３０ 分散板中央部
１３２ 分散板周辺部
１４０ 冷却媒体経路
１４２ 迂回部
１４４ ガス導入口
１４６ 接続箇所
２００ 単結晶シリコン基板
２１０ 第１の非晶質シリコン層
２２０ 第２の非晶質シリコン層
２３０ 第１の微結晶シリコン層
２４０ 第２の微結晶シリコン層
２５０ 透光性導電膜
２６０ グリッド電極
２７０ 裏面電極
２８０ 透光性導電膜
２９０ グリッド電極
３００ 光
３１０ 光

Claims (5)

  1. 単結晶シリコン基板の一方の面上に第１の非晶質シリコン層を形成し、
    前記第１の非晶質シリコン層上に一導電型を有する第１の微結晶シリコン層を形成し、
    前記単結晶シリコン基板の他方の面上に第２の非晶質シリコン層を形成し、
    前記第２の非晶質シリコン層上に前記一導電型とは逆の導電型を有する第２の微結晶シリコン層を形成する工程において、
    前記第１の非晶質シリコン層、前記第２の非晶質シリコン層、前記第１の微結晶シリコン層及び前記第２の微結晶シリコン層は、
    上部電極が有するガス導入口から、成膜ガスを導入し、
    前記成膜ガスを、第１のガス拡散室、分散板、第２のガス拡散室、シャワー板を介して、処理室に導入し、
    前記分散板は、上部電極とシャワー板との間に位置し、
    前記第１のガス拡散室は、前記上部電極と前記分散板との間に位置し、
    前記第２のガス拡散室は、前記分散板と前記シャワー板との間に位置し、
    前記分散板の中央部は、前記ガス導入口と対向し、かつ、ガス孔を有さず、
    前記分散板の周辺部は、複数のガス孔を有し、
    前記処理室内の圧力を調整し、
    前記上部電極に高周波電力を供給して、前記上部電極と下部電極との間にプラズマを生成させ、
    前記下部電極上において成膜される光電変換装置の作製方法。
  2. 請求項１において、
    前記分散板の中央部の直径は、前記上部電極が有するガス導入口の直径よりも大きい光電変換装置の作製方法。
  3. 請求項１または請求項２において、
    前記上部電極は、温度計との接続部と、冷却媒体経路と、を有し、
    前記温度計との接続部は、前記上部電極の電極面の中心点を基準として前記ガス導入口と点対称の位置にあり、
    前記冷却媒体経路は、前記ガス導入口近傍を迂回する光電変換装置の作製方法。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
    前記上部電極及び絶縁物により、前記処理室と隔てられているライン室を有し、
    前記ライン室は、不活性ガス雰囲気である光電変換装置の作製方法。
  5. 請求項４において、
    前記ライン室の気圧は、前記処理室の気圧よりも高い光電変換装置の作製方法。
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