JPH09506475A - 半導体デバイス用薄膜Cu(In,Ga)Se▲下2▼のセレン化再結晶方法 - Google Patents

半導体デバイス用薄膜Cu(In,Ga)Se▲下2▼のセレン化再結晶方法

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JPH09506475A JP8508088A JP50808895A JPH09506475A JP H09506475 A JPH09506475 A JP H09506475A JP 8508088 A JP8508088 A JP 8508088A JP 50808895 A JP50808895 A JP 50808895A JP H09506475 A JPH09506475 A JP H09506475A
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Abstract

(57)【要約】 半導体デバイス用のややCuプアなCu(In,Ga)Se2の薄膜を基材12上に製造する方法であって、先ずややCuリッチなCu(In,Ga)Se2:CuxSeからなる相分離された混合物を固体状で基材12上に生成し、次いでこのCu(In,Ga)Se2:CuxSe固体混合物を過圧したSe蒸気と(In,Ga)蒸気に曝してCu(In,Ga)Se2:CuxSe固体混合物上に蒸着させ、同時にこの固体混合物の温度を再結晶化温度(約550℃)に昇温させる。この温度ではCu(In,Ga)Se2は固体でCuxSeは液体である。(In,Ga)フラックスを終了させ、一方、過圧Seフラックスと再結晶化温度は維持して、温度移行の間に蒸着した(In,Ga)およびSe蒸気とCuxSeとを再結晶化し、ややCuプアなCux(In,Ga)ySezの薄膜を生成させる。最初のCuリッチな相分離されたCu(In,Ga)Se2:CuxSeの大結晶粒混合物は、基材12上に室温で金属前駆物質のCuおよび(In,Ga)を順次析出または共析出させ、この薄膜温度を過圧Seの存在で中温度のアニール温度(約450℃)に昇温し、アニーリングの間この温度と過圧Seを維持することにより得られる。セレン化する中温度のこのアニールの前に、セレン化しない約100℃での低温アニールを用いることにより、基材上の前駆物質を均質化することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体デバイス用薄膜Cu(In,Ga)Se2の セレン化再結晶方法 アメリカ合衆国エネルギー省とミッドウエスト・リサーチ・インスティチュー トの一部門であるナショナル・リニューアブル・エネルギー・ラボラトリーズと の間の契約DE−AC36−83CH10093に基づき、アメリカ合衆国政府 は本発明に関する権利を所有する。この出願は「気相再結晶による半導体デバイ ス用高品質薄膜Cu(In,Ga)Se2」と称するアメリカ特許出願No.0 8/045,860(1993年4月12日出願)の一部継続出願である。技術分野 本発明は、一般的には薄膜化合物に関し、さらに詳しくは、半導体デバイスに おけるCu(In,Ga)(Se,S)2の薄膜化合物の製造に関するものであ る。背景技術 銅−インジウム−二セレン化物(CuInSe2)、銅−ガリウム−二セレン 化物(CuGaSe2)および銅−インジウム−ガリウム−二セレン化物(Cu In1-xGaxSe2)は総括的にCu(In,Ga)Se2と称されるが、これら は近年、半導体デバイス用として多大の興味がもたれ、研究の対象となっている 。硫黄もしばしばセレンと置換することができ、より総括的にはCu(In,G a)(Se,S)2と称して、これらの可能な組合わせを総称することができる 。これらは特 に、光起電性デバイスあるいは太陽電池アブソーバ用途に注目されている。なぜ ならば、作用面積において17%を超え、全体面積で17%に達するような、現 状の太陽電池技術にとって極めて高い太陽エネルギーの電気エネルギーへの変換 効率を示すからである。Cu(In,Ga)Se2化合物あるいは合金中の銅の モル%が、インジウム、ガリウムまたはインジウムとガリウムとの合計のモル% に略等しい場合に、最良の電子デバイス特性、従って最良の変換効率が得られる と、当業者によって一般に信じられてきた。セレンがCu(In,Ga)Se2 化合物の約50原子%(at.%)を占めて所望の結晶格子構造を生成する程に 十分なセレンを供給するような成長条件であれば、セレン含量は半導体の電子特 性にとって一般的に重要ではない。 単結晶CuInSe2の成長は、例えばT.Ciczekに付与された米国特許第4,65 2,332号において研究されているが、多結晶薄膜の使用が実際にはより実用的で ある。三元単相CuInSe2層を析出させるスパッタリング、および多層構造 のような薄膜の特性をスパッタリングのプロセス・パラメータを変化させること によって決定する可能性については、Case et al.に付与された米国特許第4,81 8,357号に記載されている。しかしながら、選択すべき2つの製造方法としては 、(1) 例えばChen et al.に付与された米国特許第5,141,564号に記載されたよう な、構成元素の物理的蒸着が研究用手段として一般に用いられ、また(2) H2S eガスまたはSe蒸気のいずれかによるCu/In金属前駆物質のセレン化があ る。セレン化技術とし ては、例えば Ermer et al.に付与された米国特許第4,798,660号、Pollock et al.に付与された米国特許第4,915,745号、Eberspacher et al.に付与された米国 特許第5,045,409号に記載されている方法が、現在のところ製造方法として有利 である。しかしながら、セレン化方法により製造された薄膜は、性能と歩留りを 低下させるマクロ的な空間不均一性の問題があり、操業毎に再現性のある一貫し た品質を得るのが難しく、品質の予測ができない。また、インジウムやガリウム のごとき主要材料のいくつかは非常に高価であり、現在の方法はこれらの材料を 幾分浪費するものである。従って、Cu(In,Ga)(Se,S)2材料を用 いる作業は特にスケールアップする場合に困難を伴い、そのため未だに商業化さ れていない。発明の開示 そこで本発明の一般的な目的は、従来から既知の方法よりも一貫性がありかつ 予測可能な良好な品質のCu(In,Ga)(Se,S)2薄膜を製造できる方 法を提供することである。 さらに本発明の目的は、高品質Cu(In,Ga)(Se,S)2ホモ接合を 、材料の利用性がより効率よくコスト的にも有利に製造できる方法を提供するこ とである。 本発明の別な目的は、太陽電池および非太陽電池機能への適用が可能な光起電 特性を得るための追加的処理が必要なく平滑なCu(In,Ga)(Se,S)2 膜を製造できる方法を提供することである。 本発明のさらに別な目的は、製造過程でCu/(In,Ga)比の正確な制御 を必要とせず、従って大面積の製造や商業的品 質へのスケールアップが容易にできる高品質Cu(In,Ga)Se2薄膜の製 造方法を提供することである。 本発明の追加的目的、利点および新規な特徴は、以下の説明に記述されており 、さらには以下の説明と図面を試験することにより当業者にとっては明らかにな り、あるいは発明の実施により知ることができ、あるいは付記の請求の範囲に示 した組合わせを参照することにより理解し達成することができるであろう。 前記およびその他の目的を達成するために、本明細書中で具体的にかつ広く説 明されているように、本発明の方法は、Cu+(In,Ga)の薄膜金属前駆物 質をCu/(In,Ga)>1のCuリッチの比率で基材上に析出させる工程、 前記前駆物質を過圧Seの存在下で中温度(約450 ℃)でアニーリングして、薄 膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を生成する工程、 前記中温度から比較的高温の再結晶化温度(約550 ℃)に昇温しながら、(In ,Ga)蒸気を添加して前記薄膜の相分離された混合物にSe過圧中で曝す工程 、前記比較的高温の再結晶化温度に前記薄膜をSe過圧中で所定時間維持し、C uxSeとIn,Ga+SeからややCuプアな薄膜Cux(In,Ga)ySez 化合物を生成させる工程、およびSe過圧を維持しながら前記薄膜の温度を下げ る工程から構成される。図面の簡単な説明 明細書に編入されかつ明細書の一部となる添付図面は、本発明の好ましい実施 態様を説明しており、明細書の記述とともに 本発明の原理を説明するために役立つであろう。 図1は、本発明方法による好ましい実施態様の第1工程における、導電基材上 でのCuInSe2:CuxSeの三元二相多結晶成長の初期段階の断面図である 。 図2は、本発明方法による好ましい実施態様の第1工程における多結晶成長の 中間段階の断面図である。 図3は、本発明方法による好ましい実施態様の第1工程における最終段階の断 面図である。 図4は、本発明方法による好ましい実施態様の第2工程における初期の断面図 である。 図5は、ヘテロ接合用途に適した本発明方法により製造されたもう1つの任意 選択的な多結晶構造の断面図である。 図6は、ホモ接合用途に適した本発明方法により製造された1つの任意選択的 な多結晶構造の断面図である。 図7は、本発明方法の説明と理解に役立つCu2Se−In2Se3擬二元状態 図である。 図8は、基材上に金属前駆物質を順次析出させた状態を示す断面図である。 図9は、基材上に金属前駆物質を共析出させた状態を示す断面図である。 図10は、金属前駆物質の共析出パラメーターを示す時間−フラックス速度の グラフである。 図11は、図10に示した条件により製造された前駆物質からややCuプアな CIGS薄膜を生成するセレン化アニールおよび再結晶化工程のパラメーターを 示す時間−温度のグラフで ある。 図12は、本発明の再結晶化により得たIn蒸着厚さの違う薄膜で作ったデバ イスと、再結晶化によりIn無しで作った対照デバイスとを比較して示すI−V 光起電性応答のグラフである。 図13は、本発明により作った効率11.2%のGaを含まないCuInSe2 デバイスの公式測定である。 図14は、前駆物質としてGaを含む方法におけるパラメーターを示す、図1 0と同様な時間−フラックス速度のグラフである。好ましい実施態様の詳細な説明 本発明の方法は、光起電効果を有し特に太陽電池用途に適応可能な高品質薄膜 Cu(In,Ga)(Se,S)2ベースの半導体デバイスを製造するための複 数工程からなる。本発明のこの実施態様の焦点となる方法は、1993年4月12日出 願のアメリカ特許出願No.08/045,860[特願平6−523,309 号の日本特許出願に対応]に開示された方法と共通する多数の工程および利点を 有している。従って、明瞭化するために、本願明細書の多くの部分には上記先願 特許出願における実施態様を包含し、以下これを“第1方法の実施態様”と呼ぶ こととし、本発明による改良方法の実施態様の特定の変更や工程を“第2方法の 実施態様”と呼ぶこととする。 簡略化のために、本発明方法の説明および請求の範囲は主としてCuInSe2 ベースの構造に焦点を当てている。しかしながら、GaまたはIn1-xGaxの 種々の組合せをIn成分 と置換できること、またSまたはSe1-yyの種々の組合せをこれらの方法に記 載されているSe成分と置換できること、さらにかような置換は本発明における 均等物であると考えられことを理解すべきである。また、上述したように、本発 明に関連する成分において、InとGaのように、あるいはSeとSのように、 いくつかの元素を互いに組合せ、あるいは互いに置換できる場合には、これらの 組合せ可能なあるいは置換可能な元素を一対の括弧の中に含めて、(In,Ga )あるいは(Se,S)のように記載することはまれではない。本明細書におけ る説明も、しばしば便宜上こうした記載を利用する。最後に、これも便宜的に、 各元素を通常よく用いる化学記号で説明することにし、例えば銅(Cu)、イン ジウム(In)、ガリウム(Ga)、セレン(Se)、硫黄(S)、水素(H) 、モリブデン(Mo)などと記載する。 本発明の原理による第1方法の実施態様の第1工程では、高電導性で、Cu含 量が非常に多い、相分離された単結晶あるいは大結晶粒の[CuInSe2δ :[CuxSe]1-δ(0≦δ≦1,1≦x≦2)の混合物を析出あるいは成長 させ、次いでこのCuxSe相をアニーリングして再結晶させる。第1方法の実 施態様の第2の工程では、以下に詳述するように、液体の多いCuxSe環境を 維持するのに十分な高温度を保持し、Seガスの過圧環境中で、InとSeのご ときInの多い物質を順次析出させ、あるいは二元InySeを共析出させて、 所望のCuInxSey化合物を生成させる。 図1を参照して説明すると、本発明方法による第1方法の実 施態様の第1工程は、基材12の上にCu含量の多い(Cuリッチの)CuIn Se2:CuxSeの薄膜の析出を開始することによって出発させる。基材12は 、例えばソーダ石灰シリカガラスあるいはアモルファス7059ガラスとするこ とができる。析出は裸ガラス基材12の上で行うことができるが、1マイクロメ ーター(1μ)のモリブデン(Mo)層のごとき平滑な金属表面14を設けるこ とが好ましい。 図7の状態図に示したように、Cu、InおよびSe成分がCuリッチの範囲 、すなわちInとSeのモル%が0〜50%の間の範囲にあり、かつ約790℃ 以下の温度の場合には、CuInSe2およびCuxSe相は分離される。従って 、非常にCuリッチの、好ましくは約40〜50at.%のCuからなる混合物 において、500℃(好ましくは約500〜550℃)を超える基材温度で、C u、InおよびSeが第1方法の実施態様において図1のMoコートされた基材 12の上に析出されるに伴い、CuInSe2結晶構造16はCuxSe結晶構造 18とは別個に成長し、すなわちこれらは相分離される。また、CuxSeの融 点は、CuInSe2の融点よりも低い。そのため、基材を上記の温度範囲に維 持することがこの第1方法の実施態様に対しては好ましく、この場合にはCuI nSe2が固体で、CuxSeが実質的に液体フラックスになる。次いで、析出プ ロセスが続くと、図2に示したように、CuInSe2相結晶16はMo層14 の上で成長し、液体CuxSe相18を外側へ排除するようになる。図3に示し た第1工程の析出段階の終りには、大結晶粒のCuInSe2相16がMo コート層14に付着し、その外表面にCuxSe物質18の上張り層ができる。 この第1方法の実施態様においてCuInSe2とCuxSeが順次あるいはより 低温度で析出する場合には、この構造体を、SeまたはH2Se蒸気のようなS e環境中で、約500〜550℃の温度で好ましくはアニーリングする。このア ニーリング段階においては、固体CuxSe18は液体CuxSeに転化され、C uxSe二元相の液体フラックス環境中で成長/再結晶が起こると思われる。こ の成長/再結晶プロセスは単結晶(112)の大結晶粒成長(2〜10μm)を 促進し、これはデバイス品質の電子特性に優れた形態となる。得られた図3の構 造は大結晶粒前駆物質20と称され、これは後述するこの第1発明の実施態様の 第2工程により製造される薄膜電子デバイスのための構造的基板を形成する 本発明の第1方法の実施態様の第2工程においては、大結晶粒前駆物質20中 の過剰CuxSe18は、昇温下で所定時間にわたってInおよびSeの活性に 曝されることにより、図4に示したように、CuInySez物質に転化される。 InおよびSeへの暴露は、図4に示したようにIn蒸気22およびSe蒸気2 4の形状で行うことができる。あるいは、Cu含量のない、図7におけるIn2 Se3のようなInySe固体とすることができる。基材12および大結晶粒前駆 物質構造20が約300〜600℃の範囲の温度に維持されると、CuxSe上 張り層18はIn22を吸収して反応し、所望のCuInySez物質を生成する 。あるいはまた、CuxSeのCuInySez物質へのこの転化は、前駆構造2 0上にInおよび Seを逐次析出させることにより達成することができる。CuInySez物質の 特性は、後述するように、この方法の第2工程の間で温度を維持することによっ て制御できる。 この第1方法の実施態様の第2工程の温度として約500〜600℃の範囲の ような高温処理を選択した場合を図4に示し、得られた略均質の膜構造40を図 5に示す。約500〜600℃の範囲、好ましくは約550℃の温度では、本質 的にCuxSe上張り層18は液体フラックスを形成し、CuInSe2下層16 は実質的に固体として残る。In蒸気22はCuxSe上張り層18の表面で液 相26に凝縮する。この液体In26とSeガス24は上張り層18と接触し、 その表面で過剰CuxSeと反応して参照番号28で示したような追加的なCu InSe2を生成する。この新たなCuInSe2は溶液状態のまま、CuxSe 上張り層18を通して参照番号30で示したように液体−固体界面32まで拡散 し、ここで核を形成して参照番号34で示したように“エピタキシャル”が最初 のCuInSe2結晶構造16の上にできる。核形成は下記式のように記載でき る: In(l)+CuxSe(l)+Se(g) → CuInSe2 式中、(l)は液体を、(g)はガスを示す。確実にはわからないが、CuxS e中のCuInSe2の密度が比較的低い場合には、CuInSe2の液体−固体 界面32への移行を助長すると思われる。いずれにしても、このプロセスは実質 的に連続的な形態学的に均質なCuInSe2結晶構造16の膜成長 をもたらす。上張り層18中の液体相CuxSeが実質的に消費されると、生成 した膜構造40は、図5に示したように平らな表面をもち、理論量に近くなる。 第1方法の実施態様におけるこの再結晶プロセスは自己制限的となり、Se対I n比が低くければ、表面がCu含量の多い状態(Cuリッチ)からCu含量の低 い状態(Cuプア)に変換したときに、このプロセスはInySeの形のInを 受け付けない。この第2工程におけるCuxSe再結晶の程度に依存して、わず かにCuリッチになったり、あるいはわずかにCuプアになったりする。しかし 、第1方法の実施態様におけるこの反応の自己制限的性質は、Inを正確に調整 することを不要とし、そのためこの第1方法の実施態様は特に商業的プロセスと して有利になる。 構造40の表面42の性質は、Cuプアであり、CuIn3Se5相と均等の組 成を有することが知られており、ほぼ平らで平滑である。この表面42の適切な 工学処理により、浅いホモ接合をつくるのに十分な厚さのCuIn3Se5の層を もたらすことができ、さらには実用的太陽電池をつくるための薄いCdSバッフ ァ層を不要にできる。この膜構造40は本質的にp型CuInSe2であるが、 これをCdSおよびZnOの窓層(図示せず)のような異質材料で上張りするこ とにより、ヘテロ接合デバイスの1つの側に使用できることは、当業者にとって 明らかなところである。 本発明の原理によるこの第1方法の実施態様の第2工程における温度として約 300〜400℃の範囲のような低温処理を選択した場合には、図6に示すよう なホモ接合薄膜デバイス5 0を得ることができる。このデバイスは、光起電特性を持たせるために、CdS およびZnOの窓層のような異質材料の上張り層を必要としない。この低温範囲 の処理においては、過剰CuxSeのCuInySezへの転化は、比較的低温で のCuの移動が制限されることにより、化学量論比に到達させない。そのため、 図7の状態図のγ′範囲のCu2In4Se7あるいはγ″範囲のCuIn3Se5 のような非常にCuプアな形態の上張り層52をもたらす。上張り層52におけ るかようなCuプアの構造はn型物質であり、このn型層52の下層にあるp型 のCuリッチのCuInSe2結晶構造16とは相違している。従って、下層1 6と上張り層52との間の界面はホモ接合を形成し、膜構造50は光起電性デバ イスとして機能することができる。 本発明の薄膜デバイスを製造するためには多数の実用的選択と変法がある。前 述したようにSe蒸気、H2Se蒸気あるいはInySez固体を選択して使用で きるのと同様に、上記のInをGaまたはInとGaとの組合せに置き換えるこ と、および上記のSeをSまたはSeとSとの組合せに置き換えることができる 。加えて、析出のための多数の選択もある。例えば、第1工程においてCuIn Se2およびCuxSeの2つの化合物を同時にあるいは逐次にスパッタリングし 、次いであるいは同時にSe処理を施すことによって、あるいはSe過圧中で構 成元素類を共蒸発させることによって、あるいは前述した第1方法の実施態様に 対してこれらの化合物類の相分離された混合物を生成するような複数の方法を組 合せることによって、析 出を達成することができる。 別な変法においては、最初の析出には、大結晶粒前駆物質の混合物のために、 化合物Cu(In,Ga)Se2とCuxSeの両方を含ませる必要はない。その 代わりに、二元Cu2−δSe前駆物質、極端な場合にはCu(In,Ga)S e2:Cu2−δSe大結晶粒の前駆物質混合物を最初に析出させることにより 開始させることができる。この場合には、相分離されたCu(In,Ga)Se2 :CuxSeが基材上に生成されるような方法と温度によって、例えば少量のI n2Se3を添加することによって、Inおよび/またはGaを添加しなければな らない。勿論、Cu2-8Seの最初の析出は、所望の大結晶粒を生成させるため に比較的低い温度とすべきである。前駆物質の生成は、Cu,(In,Ga)お よび(Se,S)の元素混合物を昇温下でSe,S蒸気に曝すことにより化合物 混合物へ転化することによって、あるいはCuおよび(In,Ga)をH2Se に曝すことによりCu(In,Ga)Se2へ転化することによって達成できる 。別の極端な場合には、In2Se3の最初の析出を多量のCu2Seと関連させ て行うことができよう。物質のどんな組合せあるいはどんな順序で析出させるか に関係なく、最終目標は、第2工程を進行できるようにするために、この第1方 法の実施態様の第1工程で、Cuリッチの相分離されたCu(In,Ga)Se2 :CuxSe混合物の成長を達成することである。追加的Inとともに、あるい はこれに代えて、追加的Cuを第2工程で加えることもできる。 本発明の第2方法の実施態様は、前述したInまたはGaの 活性中でのセレン化における比較的高い温度での再結晶化から、さらには本願発 明者らの報文“H2Seを使用しないセレン化による高効率CuInSe2太陽電 池の製造における基礎的熱力学および実験”(D. Albin et al.,AIP Conferenc e Proceedings 268, Denver, CO, 1992, Pg.108)で述べた標準的セレン化方法 での工程から、低温度での析出を選択することに向けられており、これによって Cu(In,Ga)(Se,S)2薄膜の光起電特性、特に短絡電流密度(Jsc )応答の向上を促すものである。この第2方法の実施態様は、CuとInおよび /またはGaとからなる金属前駆物質のみを、ややCuリッチの比率で基材12 上に析出させることにより開始される。この前駆物質は400〜450℃の中温 度でアニールされセレン化されて、CuリッチなCIGS(銅−インジウム−ガ リウム−セレン)膜を生成する。このCuリッチ膜は次いで、温度を約550℃に 昇温されつつ、Inおよび/またはGaのフラックスに曝され、得られた混合物 はこの温度でアニールされ、ややCuプアな化合物が生成される。このCIGS 膜と基材は次いで過圧のSeおよび/またはSの中で冷却される。得られた半導 体膜は全体面積効率12%を超える効率をもつ太陽電池の製造に用いることがで きる。 図8と図9を参照してより詳細に述べれば、本発明の第2方法の実施態様によ るCISまたはCIGS薄膜製造のための再結晶方法は、金属前駆物質すなわち CuおよびInおよび/またはGaを、図1に示した基材12とMo層14と同 様な基材12の上にまたは基材12上のMo層14の上に析出させるこ とにより開始される。これらの金属前駆物質であるCu62および(In,Ga )64は、図8に示されるように順次に析出させることができ、あるいは図9に 示されるように同時的な共析出によりCuおよび(In,Ga)の複合層60を 生成するようにして析出させることができる。しかしながら、In+Gaを一緒 に析出させると満足すべき結果をもたらさない。なぜならば、In−Gaの共融 混合物が生成するために膜の均質性をもたらすからである。従って、InとGa の析出工程を時間的に別けて前駆物質の製造を行うことが望ましい。 いずれの場合でも、Cuと(In,Ga)は、Cu/(In,Ga)の原子比 が1より大きく、すなわちCuリッチになるような量で析出させるべきである。 本発明方法のこの第1工程でのこの比率は、約1.0<[Cu/(In,Ga) ]≦1.1の範囲とすることが望ましい。 析出方法は、例えば蒸発、共蒸発、スパッタリング、電析、あるいはその他の 従来の析出技術を用いて行うことができる。この析出は大気圧でも行うことがで きるが、酸素は存在してはならない。従って、金属前駆物質の析出は10-4〜1 0-6トルの範囲の真空中で行うことが有利である。 さらに、前述した第1工程でのCuおよび(In,Ga)の順次析出または共 析出は、低温すなわち室温で行うことができる。このことは、前述した第1方法 の実施態様での高温析出に対して、いくつかの理由で有利となる。ガラス基材1 2は500〜600℃の温度範囲でその構造的剛性を失って幾分塑性となってし まうため、大きいガラスシートを均一に加熱すること が困難となる。従って、高温で長時間にわたって大面積の基材12に温度変動や 垂れ下りがないように、こうした大面積のガラス基材12を加熱しかつ十分に支 持することが難しい。また、室温ではInは固体であるが、前述した第1方法の 実施態様で用いた高温度では、Inが液化して蒸発するため系からのInの実質 的な損失をもたらすことになる。InはCuの約10倍も高価であるため、In の多大の損失は商業的観点から望ましくない。Gaは室温で液体であるため、高 温での析出に際してはInよりも気化しやすく損失が生じやすい。 前述した第1工程において、金属前駆物質であるCuおよび(In,Ga)が Cuリッチとなる比率で基材上に析出すると、本発明方法のアニーリング工程、 (In,Ga)およびSeの活性に曝す工程、および再結晶工程が施され、やや Cuプアな最終生成物であるCISまたはCIGS膜が製造される。少なくとも これらの膜が本発明方法により製造された場合には、最良のCISまたはCIG S光起電性デバイスをもたらすと考えられる。そのため本発明においては、Cu リッチな金属前駆物質の混合物を有する基材12をフラックスまた過圧のSe中 でアニーリング温度に加熱し、かつこのアニーリング温度に維持することによっ て、前述した第1方法の実施態様の図3の混合物と同様なCu(In,Ga)S eとCuxSeからなるCuリッチな2相膜を製造する。しかしながらこのアニ ーリングは、前述した第1方法の実施態様で用いた500〜600℃といった高 温度ではなく、400〜500℃の範囲(好ましくは約450℃)の中温度で行 うことが好ましい。この場合CuxSe 相は、図3で示したような液体ではない。 しかし、Se過圧中での中温度によるこのアニーリングに先立って、Se過圧 中ではない短時間(5〜15分)の低温度(50〜150℃)の予備アニールを 施すことが望ましい。これによって基材12上のCuおよび(In,Ga)前駆 物質を均質にすることができる。この予備アニールまたは均質化工程は、金属前 駆物質のCu62および(In,Ga)64を順次析出させた場合には必要では ない。しかし基材12上に金属前駆物質60を共析出させた場合には、予備アニ ールを施すことが有利となる。なぜならば、共析出させた金属前駆物質60は、 引き続きなされるセレン化に際して、順次析出させた金属前駆物質62、64に 比べて組成分離を受けやすいと考えられるからである。 前述した予備アニールすなわち均質化工程の後、Se過圧蒸気を導入し、基材 と均質化した共析出前駆物質60または順次析出させた前駆物質62、64の温 度を400〜500℃(好ましくは約450℃)の中温度のアニール温度に上昇 させ、この温度に15〜25分(好ましくは約20分)維持する。この温度上昇 の間に、前駆物質Cu62および(In,Ga)64からの相分離された混合物 の生成が開始される。前述したように前駆物質の原子比率がCuリッチとなるよ うに析出させているため、生成される相分離された混合物はCu(In,Ga) Se2とCuxSeを含むことになる。中温度のアニール温度に上昇させる間の過 圧Seは、SeプアなIn2SeではなくSeリッチなIn2Se3中に遊離In を結合させる程に十分 にすべきである。なぜならば、SeリッチなIn2Se3はIn2Seより揮発し にくく、系からのInの損失を最少にするからである。同時に、Cu−Se化合 物上の過圧Seは、例えばCu2SeでなくCuSeやCuSe2のようなSeリ ッチのCu−Se化合物を同様につくる傾向があり、これらのSeリッチの化合 物は比較的低い融点と蒸発温度を有している。従って、過圧Seを適用する際に は、比較的高い融点と蒸発温度をもつSeリッチなIn−Se化合物と、比較的 低い融点と蒸発温度をもつSeリッチはCu−Se化合物との間で、どちらが有 利であるかを考慮しなければならない。しかし、InはCuよりも10倍も高価 であり、またSeリッチなIn2Se3は450℃といった中温度アニール温度で 固体であるが、SeプアなIn2Seはこの温度で気体であるから、たとえCu を幾分損失させるかも知れないが、Inを節約するために過圧Seを使用する方 が望ましい。しかしながら、Cu(In,Ga)Se2とCuxInはともに40 0〜500℃の中温度アニール温度で固体であり、Cu損失は最少であり、この 中温度アニールの間にSe過圧から生じるセレン化は本質的にSeを固体のCu (In,Ga)Se2およびCuxSeの上に析出させる。 前述した中温度アニールおよびセレン化工程の後、Se過圧を維持して、Cu (In,Ga)Se2:CuxSe膜の温度を再び500〜600℃(好ましくは 約550℃)の再結晶化温度範囲まで高める。この温度では、前述した第1方法 の実施態様と同じように、Cu(In,Ga)Se2は固体であり、 CuxSeは液体である。しかしながらこの温度移行の間に、(In,Ga)の フラックスは過圧Seと共にCu(In,Ga)Se2:CuxSe表面に気化し ていく。本発明によれば、前記の中温度アニール温度からより高い再結晶化温度 への温度移行の間にだけInフラックスを添加し、好ましくは再結晶化温度に実 際に到達する前に添加を終了させることにより、得られる膜の光起電性応答をよ り良好にできることが判明している。 Inへの曝露を停止した後、500〜600℃の範囲(好ましくは約550℃ )の短い再結晶化温度すなわち高温度のアニール温度の間、Se過圧を維持する 。この再結晶化温度すなわち高温度のアニール温度の期間は約5〜15分(好ま しくは約10分)であり、この再結晶化の間に、Cuリッチの2相Cu(In, Ga)Se2:CuxSe中の過剰CuxSeが、最後の温度移行の間の曝露から もたらされる追加的なInおよびSeと結合して、追加的なCu(In,Ga) Se2を生成する。ここで用いられている再結晶化は、大きい粒子の結晶または 多結晶質構造が液体または小さい粒子の化合物からエピタキシャルに成長するプ ロセスをいう。前述した温度移行の間、十分なInを添加して前駆物質中の過剰 Cuの事実上の補償をさせ、再結晶化すなわち高温度のアニール温度の終りに、 前述したややCuプアな、例えば0.93<[Cu/(In,Ga)]≦0.9 7の膜が生成される。その結果、CuプアなCu2In4Se7またはCuIn3S e5の仕上表面効果が膜表面上に残される。このセレン化後のInxSe反応は、 前記したInxSe処理に先立ってCuリッチ膜を空気曝露しあるいは空 気曝露せずに、Cuリッチなセレン化された膜上で行うことができる。 前記の再結晶化すなわち高温度アニール工程の後、膜温度を250〜350℃ の範囲(好ましくは約300℃)の温度に下げながら、Inの損失を防ぐために Se過圧を維持し、次いでSe過圧を停止して温度の降下を続けて室温まで下げ る。温度の降下速度は膜の熱応力に依存するため、緩やかな程よい。膜温度の降 下速度は約12.5℃/分がよいことが判明している。実施例1 図10に示すように、Moを被覆したソーダ石灰シリカガラスの基材の上にC uとInからなる前駆物質を共析出させた。このときのCuフラックス速度は約 2.2オングストローム/秒、Inフラックス速度は約4.7オングストローム /秒として約20秒間共析出させ、Cu/Inの比率は1.04となった。Cu とInの前駆物質からなるこのCuリッチ共析出は、物理的気相成長法(PVD )により、室温で10-6トルの真空下の真空室内で行った。次いで、基材と前駆 物質を図11の線72に示すように加熱し、約100℃の低温のアニール温度7 4まで約50℃/分の速度で上昇させ、前駆物質混合物となるように均質化させ た。この低温アニール温度に8分間維持した後、Se蒸気過圧を20オングスト ローム/秒のフラックス速度で開始し、線76で示すように、約50℃/分の速 度で温度を再び高め、約450℃の中温度アニール段階78まで上昇させた。こ の中温度アニール段階78は、20オングストローム/秒のセレン化フラックス 速度を保持しながら、20分間45 0℃に維持し、2相分離された混合物CuInSe2:CuxSeの生成を完了す る。この中温度アニール段階78の間、Inへの曝露は未だ行わない。しかし、 中温度アニール段階78の終了80の約1〜2分後に、Inの気化82を約4オ ングストローム/秒のフラックス速度で開始し、この間、20オングストローム /秒のSe蒸気フラックスも維持する。同時に、84で示すように温度を約16 .7℃/分の速度で再び上昇させ、6分間で再結晶化すなわち高温アニール温度 に到達させる。しかし、高温アニール温度90に到達する約1〜2分前に、In 蒸着を88で示すように停止し、この工程の間に約500オングストロームのI n合計厚さとなるようにする。再結晶化すなわち高温アニール工程90は550 ℃で10分間維持され、この間20オングストローム/秒のフラックス速度での Se蒸気過圧を維持し続け、Cu/In比率が1.0以下、好ましくは約0.9 3〜0.97のややCuプアなCISの生成を完了する。本実施例におけるよう に500オングストロームのInを用いた場合にはCu/In=0.95となる 。この膜は次いで92で示すように12.5℃/分の速度で冷却され、20オン グストローム/秒のフラックス速度のSe過圧は300℃まで維持され、次いで このSe過圧は94で停止され、得られた膜は96で示すように室温まで冷却さ れる。 かくして得られた膜試料Cの特性を図12に示すように他の3種類の試料A, B,Dと比較した。試料Cは、前述したように500オングストロームのInで 処理し、MgF2の反射防止(AR)被覆を備えている。試料AはInがなく、 試料Bは 820オングストロームのInを備え、試料Dは500オングストロームのIn と共に改良されたMo背面コンタクトを備えている。このMo背面コンタクトは 2つの別個のMo層(すわわちバイレイヤーMo)を薄い多孔質層中に有し、よ り低いシート抵抗性をもつより厚い緻密な層によりガラスに強固に接着している 。この複合Mo層は高接着性と低シート抵抗性を具備している。外表面処理は、 硫化カドミウム/酸化亜鉛(CdS/ZnO)窓とアルミニウム(Al)グリッ ドを備えている。図12に示すこれらの試料のI−V曲線は、In量が増加する に伴い、充填比(FF)、開路電圧(Voc)、および短絡電流密度(Jsc)に規 則性のある変化が認められることを示している。 図12からわかるように、再結晶化工程86(図11)中に用いたInが増加 するに伴いVocがわずかに減少するが、Jscは実質的に増加する。また図12は 、多量のInを用いると第1象限のロールオーバーがより著しくなるが、Inを より少ない量とすればこれを避けることができることを示している。517オン グストロームのIn処理としたときのデバイスI−V曲線データの公式測定を図 13に示すが、この図から11.2%の効率が確認された。 上述の記載は、本発明の原理を単に説明的に示すものである。多数の改変や変 更が当業者にとって容易に想到できるから、本発明を上述の記載に示した通りの 構成やプロセスに限定することを望むものではない。従って、適切な改変や均等 物はすべて、付記した請求の範囲に規定された本発明の範囲内に包含されう るものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カーペラ,ジェフリィ ジェィ. アメリカ合衆国,コロラド州 80439,エ バーグリーン,パーク ビレッジ ドライ ブ 29856 (72)発明者 タットル,ジョン アール. アメリカ合衆国,コロラド州 80204,デ ンバー,#509,ウエスト イレブンス アベニュ 601 (72)発明者 コントレラス,ミゲル エイ. アメリカ合衆国,コロラド州 80401,ゴ ールデン,ウエスト トゥエンティフィフ ス プレイス 43568 (72)発明者 ゲイバー,アンドリュー エム. アメリカ合衆国,コロラド州 80302,ボ ウルダー,トゥエンティセカンド ストリ ート 510 (72)発明者 ノウフィ,ロンメル アメリカ合衆国,コロラド州 80401,ゴ ールデン,ラム レイン 237 (72)発明者 テナント,アンドリュー エル. アメリカ合衆国,コロラド州 80209,デ ンバー,サウス ダウニング 151 【要約の続き】 ℃)に昇温し、アニーリングの間この温度と過圧Seを 維持することにより得られる。セレン化する中温度のこ のアニールの前に、セレン化しない約100℃での低温ア ニールを用いることにより、基材上の前駆物質を均質化 することもできる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. Cuおよび(In,Ga)からなる薄膜前駆物質をCu/(In,Ga) >1.0のCuリッチになるように基材上に析出させる工程; 前記薄膜前駆物質をSeの存在下で400〜500℃の範囲の中温度でア ニーリングして、薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合 物を生成する工程; 前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物の温 度を前記中温度から500〜600℃の範囲の比較的高温度に昇温しながら、前 記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を(In,G a)蒸気さらにはSeに曝して前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの 相分離された混合物の上に(In,Ga)およびSeを蒸着させる工程; 前記薄膜を前記比較的高温の再結晶温度に維持して前記CuxSeを(I n,Ga)およびSeと共に再結晶させ、Cu/(In,Ga)<1.0のCu プアなCu(In,Ga)Se2 薄膜を生成させる工程 からなる薄膜半導体デバイスの製造方法。 2. 前記Cu(In,Ga)Se2薄膜を前記比較的高温の再結晶温度より低 い温度に冷却しながら、Seの存在を維持する工程を含む、請求の範囲第1項に 記載の方法。 3. 前記冷却を約12.5℃/分の速度で行なう、請求の範囲第2項に記載の 方法。 4. 前記比較的高温の再結晶温度より低い前記温度が250〜350℃の範囲 である、請求の範囲第2項に記載の方法。 5. 前記Cu(In,Ga)Se2薄膜の温度が前記比較的高温の再結晶温度 より低い前記温度に低下したときに、Seの存在をなくす工程を含む、請求の範 囲第4項に記載の方法。 6. 前記比較的高温の再結晶温度より低い前記温度が約300℃である、請求 の範囲第4項に記載の方法。 7. 前記中温度が約450℃である、請求の範囲第1項に記載の方法。 8. 前記比較的高温の再結晶温度が約550℃である、請求の範囲第1項に記 載の方法。 9. 前記Seを過圧蒸気で供給する工程を含む、請求の範囲第1項に記載の方 法。 10. 前記Seを過圧蒸気で供給する前記工程は、約20オングストローム/秒 のフラックス速度で行なう、請求の範囲第1項に記載の方法。 11. 前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を( In,Ga)蒸気に曝す工程は、Gaを含まないInで行なう、請求の範囲第1 項に記載の方法。 12. 前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を( In,Ga)蒸気に曝す工程は、(In,Ga)蒸気を約4オングストローム/ 秒のフラックス速度で行なう、請求の範囲第1項に記載の方法。 13. 前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を( In,Ga)蒸気に曝す工程は、前記薄 膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物の温度を前記中温 度から前記比較的高温の再結晶温度まで所定の時間にわたって上昇させる工程と 、前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を前記所 定時間のうちの少時間にわたって(In,Ga)蒸気に曝す工程とを含む、請求 の範囲第1項に記載の方法。 14. 前記所定時間は3〜9分である、請求の範囲第13項に記載の方法。 15. 前記所定時間は約6分である、請求の範囲第13項に記載の方法。 16. 前記薄膜Cu(In,Ga)Se2:CuxSeの相分離された混合物を( In,Ga)蒸気に曝す工程は、前記6分の所定時間のうちの最初の2分間に行 なう、請求の範囲第15項に記載の方法。 17. 前記薄膜を前記比較的高温の再結晶温度に維持する工程を5〜15分間行 なう、請求の範囲第1項に記載の方法。 18. 前記薄膜を前記比較的高温の再結晶温度に維持する工程を約10分間行な う、請求の範囲第1項に記載の方法。 19. 前記薄膜前駆物質をSeの存在下でアニーリングする工程を約10〜30 分間にわたって行なう、請求の範囲第1項に記載の方法。 20. 前記薄膜前駆物質をSeの存在下でアニーリングする工程を約20分間に わたって行なう、請求の範囲第1項に記載の方法。 21. Cuおよび(In,Ga)からなる前記薄膜前駆物質を 室温で基材上に析出させる工程を含む、請求の範囲第1項に記載の方法。 22. 前記薄膜前駆物質をSeの存在下で中温度でアニーリングする前記工程に 先立って、前記薄膜前駆物質を低温度で所定の時間にわたってアニーリングする 工程を含む、請求の範囲第21項に記載の方法。 23. 前記低温度が50〜150℃の範囲である、請求の範囲第22項に記載の方 法。 24. 前記低温度が約100℃である、請求の範囲第22項に記載の方法。 25. 前記所定時間が5〜11分の範囲である、請求の範囲第22項に記載の方法 。 26. 前記所定時間が約8分である、請求の範囲第22項に記載の方法。
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