JP6317877B2 - 光電変換装置および光電変換装置の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、従来の3段階法では、Cu−Seを供給する工程以外は全て、InとGaとをほぼ同じ割合で供給する工程なので、InおよびGaの一方の組成比を大きくすれば、必然的に他方の組成比が小さくなる。そのため、InおよびGaの組成比の両方をCIGS系化合物半導体の膜厚方向に大きく変化させて(CIGS系化合物半導体に大きなグレーティングを持たせて)、CIS、CGSに近い組成構造を共存させることが困難である。したがって、従来のCIGS膜では、感度の長波長化と暗電流の低減はトレードオフの関係にあった。
前記下部電極層は、互いに間隔を空けて配列された複数の下部電極層を含み、前記化合物半導体層は、前記複数の下部電極層を一括して覆うように前記下部電極層上に配置され、複数の画素に区画された化合物半導体層を含んでいてもよい。
前記下部電極層は、単一の下部電極層からなっていてもよい。
この構成によれば、前記光電変換装置を太陽電池として利用することができる。
前記光電変換装置は、前記基板と前記下部電極層との間に配置された回路部を含んでいてもよい。また、前記回路部は、CMOS電界効果トランジスタを含んでいてもよい。
前記透明電極層は、酸化亜鉛(ZnO)または酸化インジウムスズ(ITO)からなっていてもよい。
前記バッファ層は、CdS、ZnS、ZnO、(ZnzMg1−z)O(0≦z≦1)、ZnSeまたはIn2S3からなっていてもよい。
本発明の光電変換装置の製造方法は、基板上に、下部電極層を形成する工程と、前記下部電極層を覆うように、CIGS系の化合物半導体層を形成する工程と、前記化合物半導体層上に、透明電極層を形成する工程とを含み、前記化合物半導体層を形成する工程は、InよりもGaを多く供給するGa余剰供給ステップと、Cuを供給するCu供給ステップと、GaよりもInを多く供給するIn余剰供給ステップとを含み、これらのステップを実行することによって、前記化合物半導体層の層厚方向のGaの組成差が最大5%以上となり、前記層厚方向のInの組成差が最大6%以上となるように、前記化合物半導体層を形成する工程を含み、前記化合物半導体層を形成する工程では、前記下部電極層の形成後、まず前記Ga余剰供給ステップを実行し、その後、前記In余剰供給ステップおよび前記Cu供給ステップをこの順に実行し、前記Cu供給ステップに続いて、さらに、前記In余剰供給ステップおよび前記Ga余剰供給ステップをこの順に実行する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る光電変換装置の模式的な平面図である。
光電変換装置1は、入射された光を検出し、光のエネルギを電気信号に変換するイメージセンサである。
光電変換装置1は、一次元に複数配列することによってラインイメージセンサとして使用してもよいし、二次元に複数配列することによってエリアイメージセンサとして使用してもよい。また、光電変換装置1は、セキュリティカメラ(昼間は可視光をセンシングし、夜間は近赤外光をセンシングするカメラ)、個人認証カメラ(外光の影響を受けない近赤外光で個人認証するためのカメラ)、あるいは車載カメラ(夜間の視覚補助や遠方の視野確保などのために車に搭載されるカメラ)用のイメージセンサ、さらに医療用の近赤外光検出用のイメージセンサ、および幅広い波長帯域における光検出装置(フォトディテクタ)、アバランシェフォトダイオード等に適用可能である。さらに、光電変換装置1は、太陽電池に適用してもよい。
基板2は、たとえば、シリコン(Si)からなる。基板2は、たとえば、5mm〜10mm角のサイズを有している。基板2の中央部には受光領域8が形成され、受光領域8を取り囲むように周辺領域9が形成されている、基板2は、たとえば、400μm〜1000μmの厚さを有している。また、光電変換装置1を太陽電池に適用する場合には、基板2は、青板ガラス(SLG)からなっていてもよい。その場合、基板2は、50cm×100cm角、2mm厚のサイズを有していることが好ましい。
金属電極層6は、たとえば、アルミニウム(Al)からなる。金属電極層6は、周辺領域9において、透明電極層4を取り囲む環状に形成されており、透明電極層4の周縁部41を覆っている。これにより、金属電極層6は、透明電極層4の周縁部41に接続されている。
光電変換装置1は、基板2上に順に積層された、回路部12、下部電極層10、化合物半導体層13、バッファ層14、透明電極層4、金属電極層6および表面保護膜15を含む。
図3は、本発明の第2実施形態に係る光電変換装置の模式的な断面図である。図3において、前述の図2に示された各部と対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
次に、図4および図5を参照して、光電変換装置1の製造方法を具体的に説明する。
光電変換装置1の製造工程では、まず、基板2上にCMOS電界効果トランジスタが形成される(ステップS1)。次に、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、基板2上に層間膜19が形成され、層間膜19を貫通してゲート電極18に達するビア電極20が形成される(ステップS2)。次に、たとえば、スパッタ法によって、モリブデン(Mo)が層間膜19上に堆積させられ、その後、当該モリブデンをパターニング(エッチング)することによって、複数の下部電極層10がマトリクス状に形成される(ステップS3)。
第2ステップは、GaよりもInを多く供給するIn余剰供給ステップである。この第2ステップでは、Gaに対するInのフラックス比(In/Ga)は、たとえば、1〜∞の範囲で制御される。そして、第2ステップは、膜が0.2μm〜0.3μm程度堆積した時点(時間にして3000秒〜5400秒程度)で終了する。
第5ステップは、第1ステップと同様のGa余剰供給ステップである。第5ステップのフラックス比(Ga/In)は、第1ステップと同じでよい。そして、第5ステップは、膜が0.1μm〜0.15μm程度堆積した時点(時間にして1100秒〜1980秒程度)で終了する。
図6は、化合物半導体層13の形成工程のバリエーションの一覧である。図6では、横方向に、本発明のバリエーションとして「新1(図5に示した工程)」〜「新9」を示し、従来例として「従来」を示している。また、縦方向に、化合物半導体層13を形成する際の原料供給ステップの順序が記載されている。なお、図6の下側が下部電極層10に近い側であり、上側がバッファ層14に近い側である。また、各原料供給ステップの横の数値は、化合物半導体層13の表面からの深さ(μm)を示している。
たとえば、「従来」では、GaIn供給ステップ、Cu供給ステップおよびGaIn供給ステップが順に実行される3段階法によって、化合物半導体層13が形成される。一方、「新2」では、Ga余剰供給ステップ、In余剰供給ステップ、Cu供給ステップ、G余剰供給ステップおよびIn余剰供給ステップが順に実行される5段階法、「新5」では、Ga余剰供給ステップ、In余剰供給ステップ、Cu供給ステップおよびGaIn供給ステップが順に実行される4段階法によって、それぞれ化合物半導体層13が形成される。
図7の「従来」のグラフを見ると、Cu供給ステップの前後両方でGaIn供給ステップを実行した結果、化合物半導体層13の厚さ方向におけるGa原子濃度(化合物半導体層13におけるGaの組成比)およびIn原子濃度(化合物半導体層13におけるInの組成比)があまり変化していない。たとえば、Ga原子濃度の最大値と最小値との差(組成差)が4%程度であり、In原子濃度の最大値と最小値との差が5%程度である。
とりわけ、化合物半導体層13の厚さ0.2μm〜1.2μmの中間部24においてIn原子濃度がGa原子濃度を大幅に上回っている。具体的には、中間部24のIn原子濃度が11at%〜16at%であるのに対し、Ga原子濃度は、1at%〜5at%に過ぎない。この原子濃度は、CuやSe等を含む化合物半導体層13に含まれる原子の総量に対する比率である。したがって、中間部24におけるGaおよびInの総量に対するGaおよびInそれぞれの組成比を算出すると、Gaの組成比(Ga/Ga+In)が0.08〜0.24であり、Inの組成比(In/Ga+In)が0.76〜0.92である。なお、Gaの組成比(Ga/Ga+In)およびInの組成比(In/Ga+In)はCuおよびSeの量を除外して規定される数値である。したがって、CuおよびSeの組成が変動に伴って、化合物半導体層13の原子総量に対するGaおよびInの組成比は変動するが、Gaの組成比(Ga/Ga+In)およびInの組成比(In/Ga+In)は一定に保持される。
すなわち、図7によれば、GaおよびInのグレーティングに関して、「新1」は「従来」に比べて大きくなっていることがわかった。
図9は、光電変換装置1の太陽電池の諸特性を示すグラフである。図9では、光電変換装置1を太陽電池として用いたときの諸特性について、図6の「新1」および「新5」と、「従来」とをそれぞれ比較した。調べた諸特性は、短絡電流Jsc、フィルファクタFF、開放電圧Vocおよび変換効率Effの4つである。
図10(a)〜(c)は、前記光電変換装置の波長と量子効率との関係を示すグラフである。図10(a)〜(c)では、光電変換装置1を太陽電池として用いたときの長波長化について、図6の「新1」「新2」および「新5」と、「従来」とをそれぞれ比較した。図10(a)が「新1」と「従来」との比較を示し、図10(b)が「新2」と「従来」との比較を示し、図10(c)が「新5」と「従来」との比較を示している。
たとえば、基板2上には、CMOS電界効果トランジスタの他、キャパシタ、レジスタ等の各種回路素子が形成されていてもよい。また、これらの回路素子によって、SSI(Small Scale Integration)、MSI(Medium Scale Integration)、LSI(Large Scale Integration)、VLSI(Very Large Scale Integration)、ULSI(Ultra-Very Large Scale Integration)等の集積回路を構成していてもよい。
2 基板
3 画素
4 透明電極層
5 光電変換装置
10 下部電極層
12 回路部
13 化合物半導体層
14 バッファ層
16 ソース層
17 ドレイン層
18 ゲート電極
22 絶縁膜
23 下部電極層
24 中間部
25 下端部
26 上端部
Claims (2)
- 基板上に、下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層を覆うように、CIGS系の化合物半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体層上に、透明電極層を形成する工程とを含み、
前記化合物半導体層を形成する工程は、InよりもGaを多く供給するGa余剰供給ステップと、Cuを供給するCu供給ステップと、GaよりもInを多く供給するIn余剰供給ステップとを含み、これらのステップを実行することによって、前記化合物半導体層の層厚方向のGaの組成差が最大5%以上となり、前記層厚方向のInの組成差が最大6%以上となるように、前記化合物半導体層を形成する工程を含み、
前記化合物半導体層を形成する工程では、前記下部電極層の形成後、まず前記Ga余剰供給ステップを実行し、その後、前記In余剰供給ステップおよび前記Cu供給ステップをこの順に実行し、前記Cu供給ステップに続いて、さらに、前記In余剰供給ステップおよび前記Ga余剰供給ステップをこの順に実行する、光電変換装置の製造方法。 - 前記化合物半導体層を形成する工程では、前記Ga余剰供給ステップで当該工程を終える、請求項1に記載の光電変換装置の製造方法。
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