JPH05190881A - 光起電力素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 粒界の多少に拘らず光波長感度特性が安定な
多結晶半導体からなる光起電力素子の製造方法を提供す
る。 【構成】 多結晶シリコン(1)の表面に水素を含有する
非晶質シリコン膜(2)を形成した後、導電型決定不純物
を含有した雰囲気中で熱処理を施し、光起電力素子とし
ての半導体接合部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光起電力素子の製造方
法に関し、特に多結晶半導体を母材とする光起電力素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料から成る光起電力素子には光
電変換機能を担う半導体接合部があり、この部分は、光
起電力素子内に入射した光が吸収されることによって生
成される電子と正孔を夫々分離し外部にこれら電子及び
正孔を取り出す機能を果たしている。

【０００３】この様な半導体材料としては、従来から多
用されている単結晶材料の他に多結晶材料、さらには非
晶質材料がある。これら材料の中でも多結晶材料により
形成された光起電力素子にあっては、比較的光電変換効
率が高く且つ大面積化が容易という特徴を有することか
ら近年注目を浴びるに至っている。

【０００４】斯る半導体接合部の形成方法としては、通
常熱拡散法が使用される。この熱拡散法とは、例えばｐ
型の多結晶半導体を基板とする光起電力素子にあって
は、この基板をｎ型不純物を含んだ雰囲気中に放置し、
この状態で熱処理を施すことによりそのｎ型不純物をそ
の基板中に拡散させ、その拡散させた部分に所望の濃度
を備えたｎ型半導体を形成するのである。この拡散によ
り、その基板内にはこのｎ型半導体と母材であるｐ型半
導体との接触面ができ、この部分が半導体接合部とな
る。

【０００５】斯る熱拡散法による光起電力素子の製造方
法に関しては、例えば特開昭６２−１０８５７９号に記
載されている。

【０００６】図４は、この熱拡散法によるｐｎ接合の形
成過程を説明するための素子構造図である。同図（ａ）
はｐ型の多結晶半導体(41)で、多くの粒界(41a)によっ
て囲まれた多数個の結晶粒(41b)…（通常数ｍｍ程度）
が集合することによって構成されている。

【０００７】同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’におけ
る断面図で、多結晶半導体(41)にはこの様な粒界(41a)
…が膜厚方向に沿って存在している。

【０００８】次に同図（ｃ）は、このｐ型の多結晶半導
体(41)をｎ型の導電型決定不純物、例えばリンを含有す
る雰囲気中（例えばＰＯＣｌ₃ガス雰囲気）に放置する
とともに、この半導体(41)を８５０℃で熱処理し、この
ｐ型の多結晶半導体(41)の表面(41c)側からそのｎ型の
不純物を拡散する。 これによりｐ型の多結晶半導体(4
1)の表面側はｎ型の多結晶半導体(42)に成るとともに、
そのｐ型多結晶半導体(41)とｎ型多結晶半導体(42)との
接触面は、半導体接合部としての接合界面(43)となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】斯る半導体接合部を備
えた光起電力素子にあっては、その接合界面(43)が平坦
で且つ光入射面からこの界面(43)までの距離がその界面
全域で等距離であることが光波長感度特性にとって好ま
しい。

【００１０】しかしながら、同図（ｃ）に示すが如くこ
の接合界面(43)は多結晶半導体を母材とした場合平坦と
はなり得ず、通常粒界(41a)の部分での接合界面(43)
は、結晶粒(41b)…の部分で形成されるそれと比較して
表面(41c)から深い位置に形成される。

【００１１】これは、結晶粒(41b)…の部分と粒界(41a)
の部分とでは種々の元素に対する拡散係数に大きな差が
あるためで、とりわけ粒界(41a)の部分における拡散係
数が異常に大きいことに因っている。これについての物
性面からみた理由は、この粒界(41a)の部分では半導体
元素同士の結合エネルギーが小さく、その結果外部から
侵入する異元素と極めて容易に結合してしまうためであ
る。

【００１２】従って、前述した熱拡散法においてもこの
拡散係数の差に基づく影響が現れ、導電型決定不純物が
この粒界(41a)に沿って特に深く拡散してしまい、その
粒界(41a)の部分における接合界面(43)は通常の拡散に
より形成される結晶粒(41b)における接合界面(43)とで
は位置の面で不揃いとなる。

【００１３】ここで半導体接合の位置と光起電力素子の
特性との関係は、一般に光入射面に近い部分に半導体接
合が配置されている場合にあっては短波長光の感度特性
が優れ、一方遠い部分に配置されている場合にあっては
その短波長光の感度特性は小さなものとなりむしろ長波
長光の感度特性が大きくなる傾向にある。

【００１４】このため、前述した接合界面(43)の位置に
不揃いな部分が半導体接合部に存在すると光起電力素子
としての光波長感度特性を不安定なものとしてしまう。

【００１５】従って、従来の多結晶半導体による光起電
力素子の具体的な光波長感度特性としては、多数の粒界
を含有する多結晶半導体から成る場合には光入射側の表
面から見て深い半導体接合で吸収される光が多くなるこ
とから、主に長波長領域での感度特性が大きくなる。一
方、比較的少数の粒界しか存在しない多結晶半導体、言
い換えれば結晶粒が大きなもので構成されて成る多結晶
半導体の場合にあっては、むしろ短波長光に対する感度
が大きいものとなる。

【００１６】このことは、形成条件の僅かな変動によっ
て結晶粒の大きさが大きく変化する多結晶半導体にあっ
ては、その結晶粒の大きさの程度により光に対する感度
特性が種々変化することとなる。更には、前述した熱拡
散法のための設定温度にわずかな変動が生じても粒界内
での導電型決定不純物の拡散の程度が大きく変化するこ
ととなり、素子特性の安定化が成し得ないこととなる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明光起電力素子製造
方法の特徴とするところは、多結晶半導体の表面に、水
素を含有する非晶質半導体膜を被着形成し、次に前記非
晶質半導体膜が形成された前記多結晶半導体を導電型決
定不純物を含有した雰囲気中で熱処理を施すことによ
り、該導電型決定不純物を前記非晶質半導体膜の表面側
より拡散せしめるとともに、前記非晶質半導体膜を多結
晶化させることにある。

【００１８】

【作用】本発明製造方法では、粒界を含む多結晶半導体
の表面に水素を含有する非晶質半導体膜を被着形成す
る。これにより、その水素は大きな拡散係数を有すると
いう粒界の特質を利用してその粒界内に十分拡散するこ
ととなる。

【００１９】すると、この水素の拡散を受けた粒界は、
それまでの大きな拡散係数を有するという特質を喪失
し、ほぼ結晶粒と同程度の拡散係数を有する状態とな
る。

【００２０】これにより、この非晶質半導体膜が形成さ
れた以降のその多結晶半導体は後工程で導電型決定不純
物を拡散させる場合にあっても、その粒界内への拡散と
結晶粒内への拡散の程度が同程度のものとなる。

【００２１】この結果、本発明によれば、多数の粒界を
有する多結晶半導体であっても接合界面は平坦で且つ光
入射面からその接合界面までの距離をその界面全域で等
しくすることができる。

【００２２】更に、本発明光起電力素子の製造方法によ
れば、多結晶半導体の表面に非晶質半導体を形成しその
非晶質半導体の表面から導電型決定不純物を拡散させる
こととなる。このため、この導電型決定不純物の拡散に
よって形成される導電型半導体層の厚みがその非晶質半
導体膜の膜厚と同等かそれ以下の場合にあっては、その
拡散によって形成される導電型半導体層の母材がこの非
晶質半導体となることから下地となっている多結晶半導
体を母材とする場合に比べて均質な層を形成することが
できる。

【００２３】即ち、非晶質半導体は、膜質という面では
多結晶半導体よりも劣るものの膜内に多結晶半導体のよ
うな特異な物性を示す粒界を持たないことから全体とし
て均質であることが言える。

【００２４】従って、この非晶質半導体内に留まる程度
に導電型決定不純物を拡散したならば、前述の粒界で生
じたような異常な拡散が生じないこととなり、その拡散
によって形成される接合界面も平坦とすることができ
る。

【００２５】

【実施例】図１は、本発明光起電力素子の製造方法を説
明するための工程別素子構造断面図である。

【００２６】同図（ａ）は、光起電力素子の母材となる
ｐ型多結晶半導体(1)を示しており、粒界(1a)に囲まれ
た多数個の結晶粒(1b)…を含んでいる。

【００２７】次に同図（ｂ）に示す第１工程では、ｐ型
多結晶半導体(1)上に、水素を含有する非晶質シリコン
膜から成る非晶質半導体膜(2)を従来周知のプラズマＣ
ＶＤ法によって形成する。この非晶質半導体膜(2)の代
表的な形成条件は、表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例で採用した条件としては、反応性ガ
スとしてシラン（ＳｉＨ₄）を１００ｓｃｃｍ流し、基
板温度４００℃，反応時真空度０．１Ｔｏｒｒの下、高
周波電力５０ｍＷ／ｃｍ²を対向電極間に印加すること
によりプラズマを発生させ、その反応性ガスを分解して
行った。この非晶質シリコン膜の膜厚は約１０００Åと
した。

【００３０】特に、プラズマＣＶＤ法等の形成によれ
ば、反応性ガスとして水素を含有するシランガスを使用
することから、これの分解反応によって形成された非晶
質シリコン膜には必然的に水素が取り込まれることとな
る。このシランガスの他には、ジシラン等の高次シラン
ガスや、水素・アルゴン等との混合ガス等を使用した場
合も同様である。

【００３１】又、スパッタ法による非晶質シリコン膜の
形成にあっては、ターゲットとして固体シリコンを使用
し、そのスパッタ用ガスとしてアルゴン等の不活性ガス
に水素を添加して成膜することによっても同様に膜中に
水素を含有する非晶質シリコン膜を形成することができ
る。

【００３２】本工程により、この非晶質半導体膜(2)に
含まれる水素が多結晶半導体(1)の粒界(1a)内に拡散す
ることとなり、この結果その粒界(1a)はそれまでの大き
な拡散係数を有するという特質を喪失し、結晶粒(1b)…
における不純物に対する拡散の程度とほぼ同等な性質と
なり後工程での導電型決定不純物拡散の程度が多結晶半
導体全体として均一なものとなる。

【００３３】引き続く同図（ｃ）に示す第２工程では、
ＰＯＣｌ₃ガス(１００ｍｇ／ｍｉｎ質量制御)と酸素ガ
ス(３００ｓｃｃｍ)、そして窒素ガス(１０ｓｌｍ)を混
合したガスを流しつつ熱処理を施すことによりこの多結
晶半導体(1)の表面側には導電型決定不純物であるリン
が拡散されｐｎ接合による半導体接合部が形成される。
図中の(3)は接合界面を示している。因みに、この熱処
理の温度は８５０℃、処理時間は２０分とした。

【００３４】尚、この工程では多結晶半導体(1)の表面
側はｎ型半導体(1d)になると同時に、先に形成した非晶
質半導体膜(2)はその熱処理によってｎ型多結晶半導体
(2a)となる。

【００３５】本工程では、先の工程で粒界(1a)内に水素
を拡散させたことにより従来発生していた導電型決定不
純物、実施例ではリンの粒界(1a)への異常拡散は生じな
い。

【００３６】従って、多結晶半導体内に形成される接合
界面(3)は、表面(4)からの深さがほぼ均一なものとな
り、その表面(4)を光入射側としたならば光起電力素子
としての光波長感度特性を安定なものとすることができ
る。

【００３７】因みに、本工程による熱処理の影響によ
り、先の工程で導入した水素が放出されてしまわないか
どうかという問題が考えられるが、これは実験結果によ
り問題とならないことを確認している。この理由として
は、水素を拡散するために使用した非晶質半導体(2)自
体が、多結晶半導体(1)からの水素放出をキャップする
が如く抑制させる効果を有しているためと考えられる。

【００３８】次に同図（ｄ）に示す第３工程では、多結
晶半導体(1)の裏面にＢＳＦ（BackSurface Field）構造
とするためのｐ⁺層(5)、そして光入射面側及び裏面側の
集電極(6)…、そして窒化シリコンなどからなる光反射
防止膜(7)を夫々従来周知の形成方法で形成する。

【００３９】図２は、前述した第２工程での熱処理温度
と、これにより形成した光起電力素子の電気的特性との
関係を示す特性図である。この熱処理温度以外の熱処理
条件は、前記実施例と同様としている。同図の縦軸は、
光起電力素子として特性項目で、開放電圧（Ｖ_OC），短
絡電流（Ｉ_SC），曲線因子（Ｆ．Ｆ．），光電変換効率
（％）を夫々示している。

【００４０】同図によれば、熱処理温度が８９０℃から
９３０℃へと高温化するにつれて開放電圧が僅かに低下
するが、これはこの高温化によって形成されるｎ⁺層の
膜厚が厚くなるため短絡電流が低下しこの影響にを受け
るためである。

【００４１】又、この高温化では曲線因子が向上するこ
とから総合的な評価となる光電変換効率が向上すること
となっている。

【００４２】一方８５０℃から８１０℃へと低温化する
とこのｎ⁺層の膜厚は薄くなるものの半面ｎ⁺層と下地の
半導体との界面におけるキャリアの表面再結合が増加し
てしまい短絡電流が再び低下の傾向を示す。

【００４３】その光電変換効率による評価では、この熱
処理温度は８１０〜９３０℃の範囲が、好ましくは８３
０〜８９０℃の範囲とするのがよい。

【００４４】図３は、前記実施例光起電力素子（本発明
品）として、１００個のサンプルを形成した場合の光電
変換効率の分布図を示している。同図には、同数の従来
の光起電力素子（従来品）の特性も同時に示している。
この従来の光起電力素子とは、本発明の特徴である水素
を含有する非晶質半導体膜の形成を行わなかったことの
みを異にし、他の形成条件は同一としたものである。

【００４５】同図によれば、本発明光起電力素子の殆ど
が、１３％の効率を示し、またそのバラツキも１２．５
％から１３．５％の範囲内に収まっている。これに対し
て、従来例光起電力素子にあっては、本発明光起電力素
子の１３％よりも低い１２．５％の効率を示す素子の数
が最も多く、又その効率のバラツキの範囲も１１．５％
から１３．５％と広く分布している。

【００４６】これは、本発明光起電力素子では水素によ
る粒界の処理を行っていることから粒界による影響が殆
どなく、特性のバラツキが少なくなったためである。

【００４７】尚、実施例光起電力素子においては、非晶
質半導体膜(2)を形成させた多結晶半導体の表面(4)を光
入射面としたが、本発明はこれに限られるものではな
く、非晶質半導体膜を形成したその表面と対向する多結
晶半導体の裏面側を光入射面としてもよい。

【００４８】又、実施例の第２工程で行った導電型決定
不純物の拡散によるｎ型半導体(1d)の形成ではそのｎ型
半導体(1d)を多結晶半導体(1)の内部にまで形成される
程度にまで拡散したが、本発明製造方法はこれに限るも
のではなく、その拡散が非晶質半導体(2)内に留まる程
度の拡散であってもよい。

【００４９】斯る場合であっても、拡散によって形成さ
れるｎ型半導体(1d)は均質な非晶質半導体(2)を母材と
して形成されることとなることから、前記実施例と同様
の平坦な接合界面を形成することが可能となる。

【００５０】加えて、実施例では、光起電力素子の光入
射面側にのみ非晶質半導体膜を形成し、粒界に対する処
理を行ったが、これに加えて裏面側即ちｐ⁺層を形成し
た側についても非晶質半導体膜を形成して、その裏面に
ついても同様に粒界に対する処理を行っても良い。

【００５１】実施例では水素を含有した非晶質半導体膜
として非晶質シリコン膜を使用したが、本発明はこの他
に水素を含有した非晶質シリコン窒化膜や、非晶質シリ
コンカーバイド膜等を使用してもよい。

【００５２】

【発明の効果】本発明光起電力素子の製造方法によれ
ば、非晶質半導体膜に含まれる水素によって多結晶半導
体に多数存在する粒界への導電型決定不純物の異常拡散
を抑制できることとなる。

【００５３】そのため粒界と結晶粒の夫々の導電型決定
不純物の拡散の程度がほぼ同等とすることができること
から、斯る拡散で形成される半導体接合部の接合界面を
平坦なものとすることができる。このことは、光入射面
とその接合界面とを容易に平行にでき、それら面間隔が
その界面全域で等距離とし得る。

【００５４】従って、本発明光起電力素子にあっては、
多結晶半導体に含まれる粒界の多少に拘らず光波長感度
特性が安定なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力素子の製造方法の工程別素子構
造断面図である。

【図２】前記光起電力素子の熱処理温度と電気的特性と
の関係を示す特性図である。

【図３】前記光起電力素子の特性分布図である。

【図４】従来例光起電力素子を形成する際の熱処理工程
図である。

【符号の説明】

(1)…一導電型多結晶半導体 (1a)…粒界 (2)…水素を含有する非晶質半導体膜 (3)…接合界
面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多結晶半導体の表面に、水素を含有する
   非晶質半導体膜を被着形成し、次に前記非晶質半導体膜
   が形成された前記多結晶半導体を導電型決定不純物を含
   有した雰囲気中で熱処理を施すことにより、該導電型決
   定不純物を前記非晶質半導体膜の表面側より拡散せしめ
   るとともに、前記非晶質半導体膜を多結晶化させること
   を特徴とする光起電力素子の製造方法。