JPS6014479A

JPS6014479A - 光電変換装置作製方法

Info

Publication number: JPS6014479A
Application number: JP58121427A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1983-07-04
Filing date: 1983-07-04
Publication date: 1985-01-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】この発明は薄膜半導体を用いた光電変換装置の作製方法
に関する。

この発明は、電極を構成する薄膜導体および光起電力を
発生ずる薄膜半導体に対してレーザ光によるスクライブ
（以下ＬＳという）をして開溝、またはレーザ光による
酸化（以下ＬＯという）をして分離溝の作製をすること
により複合集積化を実施する方法に関する。

この発明は、光照射により光起電力を発生さ廿るＰＩＮ
またばＰＮ接合を少なくとも１つをするアモルファス半
導体を含む非単結晶半導体を絶縁表面を有する基板上に
設けられた光電変換素子（単に素子ともいう）を複数個
直列接続して、高い電圧の発生を可能とする光電変換装
置作製方法に関する。

この発明は１μ以下の厚さを有する薄膜半導体であって
、かつ６００ｎｍ以下の短波長光に対し光の吸収係数の
大きい非単結晶半導体またはその半導体上の１μ以下の
波長を有するＮ膜導体（以下単に被加工物という）に対
し、ＬＳまたはＬＯを施すことを目的としている。

この発明は珪素を主成分とする非晶質（アモルファス〉
、半非晶質（セミアモルファス）または微結晶（非晶質
と微結晶粒との混合物）を含む結晶粒径が０．１μ以下
の非単結晶半導体薄膜またはこの薄膜上の導電膜に対し
て、レーザ加工を実施したものである。

この発明ではレーザビーム・スクライブ方式を用いるこ
とにより、合わせマークを基準としてこのスクライブさ
れるアドレスを予めコンピュータ（マイクロ・コンピュ
ータ）のメモリに記憶させておくことにより、従来より
知られたマスク合わせ方式で必要なマスクのズレ、そり
、合わせ精度に対する製造歩留りの低下等のすべての製
造での価格増、歩留り減の原因を一気に排除−ｕしめた
ことを特徴とする。

従来、レーザ光はＹＡＧ　レーザ（発光波長１．０６μ
）を用いたＬＳが光電変換装置の作製に用いられている
。

しかし、従来より知られたＹＡＧ　レーザの赤外光を被
加工面に照射して開溝を作らんとすると、その照射光は
１μ以上の深部に大部分のエネルギーが加えられ、加工
対象となるＲ’ＸＩＩ’Ａではなくその下地を強く損イ
バしてしまった。即ち、基板上に１μ以下の厚さの薄膜
状の半導体を形成し、この薄膜をその下側の下地（基板
）への損傷を可能な限り加えないようにして加工するに
は、まったく逆である。即ち被加工物が照射されたレー
ザ光を表面近傍にて強く吸収し、浅部にて熱に変えるこ
とが重要である。このため本発明は１．０．ｕ以上の長
波長光ではなく　、６００ｎｍ　（０，６μ）以下の短
波長を有するレーザ光例えばアルゴン・レーザ（発光波
長４８８ｎｍ、５１２ｒ＋ｍ　ＧＷまたはパルス光）を
用いたことを特長としている。

第１図は光の波長に対する単結晶、非単結晶半導体の吸
収係数、光の到達深さく減衰深さ）の関係を示す、例え
ば非単結晶半導体である非晶質珪素の吸収係数（６）、
微結晶化珪素の吸収係数（６）に関する。

すると光波長１μでは１０３ｃｍ−１の吸収係数を有し
、照射光強度がｌ／ｅ　（ｅ＝２．７２）になるのに１
０．５７７の深さく３３）を必要とする。また１　／１
００（９９％が熱に変換されるの意）にするのに１００
０μ以上の深さく３２）を必要としてしまう。しかしこ
の照射光の波長が、本発明のごと＜　５００ｎｍ　（０
，５μ）の短波長においては、吸収係数２　ＸＩＯ’　
ｃｍ−１と１μの波長の１００倍を有している。このた
め照射光の強度がｌ／ｅになるのに７００人（３３）、
１／１００になるのに１μの深さく３２）があれば十分
であることが判明した。

このことより、かかる１μ以下の厚さく好ましくは１０
０人〜０．７　μのＪＷざ）の薄膜の非単結晶半導体に
対しては、６００ｒ＋ｍ以下（好ましくは可視光であっ
て短波長光の４００〜５５０ｎｍ　）の波長とすること
ば、その下地成分（基板）の損傷を防ぐためにきわめて
有効であることが判明した。またかがる高い吸収係数を
有する半導体の上面に密接して形成された１μ以下の厚
さの薄膜導体（好ましくは３００〜５０００人の厚さ）
の切断（ＬＳ）に対しても、その下側の半導体が上面近
傍において強く光を吸収し、発熱をするため、半導体の
上部のみの選択的除去を含めて導体薄膜の除去をするこ
とが可能となった。これば従来より公知のＹＡＧ　レー
ザによる１、０６μの長波長では、半導体′Ａｖ膜の全
てが除去されてしまい、さらに場合によってはその下側
の下地導体すらも除去されてしまった場合に比較して、
工業的に開溝の厚さ方向の制御にきわめて有効であるこ
とが判明した。

さらに波長を１．０６μではなく　６００ｎｍ以下の短
波長光とすると、焦点距離を３０〜１００ｍｍと長くし
、かつビーム・スポット径を３〜３０μφと小さくする
ことができる。そのためＹＡＧ　レーザでは５ｃｍ＋　
５０μφ、２ｃｍ、２０μφであるものが、５ｃｍ、１
０μφと長焦点距離を有し、かつビーム径を小さくする
ことが光学的に可能となり、開溝、分離溝の太さく巾）
を従来の５０μより１０μ以下にまで狭くすることが可
能となった。

このため本発明方法を用いて薄膜状の光電変換装置を３
回のレーザ光照射によりＬＳ、ＬＯ工程によ、り作製せ
んとする時、特にその連結部における面積損失を少なく
することができ、また製造歩留りをも向上させることが
できた。

以下に本発明の光電変換装置の作製方法について、図面
に従ってその詳細を示す。

実施例１第２図は本発明方法を用いた光電変換装置の製造工程を
示す縦断面図である。

この実施例においては、ＣＷ　（連続発光）のアルゴン
・レーザ（発光波長５１４．５μｍ　（緑）　、４８８
ｎｍ（青）、４５８ｎｍ　（藍）、３５１　／３６３ｒ
＋ｍ　（紫外）以下０．５μの波長のレーザ光ともいう
））を用いた。発光源はＡｒレーザ（パルス光と液体レ
ーザ（４００〜５００ｎｍ）窒素レーザ（３３７’ｎｍ
　（紫外））を用いることは同様に有効である。

図面において、絶縁性表面を有する透光性基板（１）例
えばガラス板（例えば厚さ９．３〜２．２ｍｍ例えば１
．２ｍｍ　、長さ　〔図面では左右方向）　６０ｃｍ、
［１〕（前後方向）　２０ｃｍ）を用いた。

さらにこの上面に全面にわたって透光性導電膜（２）例
えばＩＴＯ（３００〜１５００人）　＋５ｎＯ２（２０
０〜４００人）またはハロゲン元素が添加された酸化ス
ズを主成分とする透光性導電１１９　（５００〜２００
０人）を真空蒸着法、ＬＰＣＶ　Ｄ法またはプラズマＣ
ＶＤ法またはスプレー法により形成させた。

この後この透光性導電ＭｔＡ（２）に、アルゴン・レー
ザ加工機（日本電気層）により出力５〜８Ｗを加え、ス
ポット径３〜３０μφ代表的には１０μφをマイクロコ
ンピュータにより制御して、被膜側よりレーザ光を照射
して、その走査によりスクライブラインによる開溝（１
７）を形成させた。

スクライブにより形成された開ｍ　（１７）は巾約１０
μ、長さ２０ｃｍとし、各素子（１３）、＜１１）を構
成する１】は１０〜３０ｍｍ例えば１８ｍｍ　（１つの
セグメントは１８ｍｍ　Ｘ　２０ｃｍとする）とし、た
。

この第１の電極（１４）、（１９）はこの実施例におい
ては透光性導電膜であるため、そのエネルギーバンド中
（約３ｅＶ）に比べて大きい光エネルギーを有する（４
００　ｎｍ以下）波長を用いることが好ましかった。

従来より知られたＹＡＧ　レーザでは、パルス光であり
、かつ赤外熱光であるため、開溝（１７）下の基板に麟
状の深さ１〜３μのガラスの溶融によるキズができてし
まった。しかし本発明の６００ｎｍ以下の短波長の連続
発光（ＣＷ）の光源では、かかる傷の深さは０．１　μ
以内であり、実用上の支障はまったく見られなかった。

かくして第１の電極を構成する（２）を切断しそれぞれ
の領域（１４＞、＜　１９　）を電気的に分離絶縁して
、第１の開溝を形成した。

この後、この上面にプラズマＣＶＤ法またはＬＰＣＶＤ
法によりＩ）ＮまたはＰＩＮ接合を有する珪素を主成分
とする非単結晶半導体Ｎ（３）を０．２〜０．７μ代表
的には０．４μの厚さに形成させた。

その代表例はＰ型非晶質半導体（ＳｉｘＣ）＜ｘ　＝０
．８約５０〜１５０人）−Ｉ型非晶質または半非晶質構
造のシリコン半導体（０，４〜０．６μ）−Ｎ型の微結
晶または５ｊｘＣ１−１（ｘ　＝０．９，１００〜２０
０人）を有する１μ以下好ましくは０．６μ以下の厚さ
の半導体よりなる一つのＰＩＮ接合を有する非単結晶半
導体、またはＰ型非晶質半導体（ＳｉｘＣ１−、ｃ）Ｉ
型非晶質またはＰ型珪素半導体−Ｎ型−Ｐ型Ｓｉ微結晶
化半導体−Ｉ型非晶質５ｉｘＧｅｌ−ｚ半導体−Ｎ型非
晶質５ｒｘＣｒ＜　ｘ　＝０．９　）の半導体よりなる
２つのＰＩＮ接合と１つのＰＮ接合を有するタンデム型
のＰＩＮＦＩＮ、　；　、　。

、ＰＩＮ接合の厚さ１μ以下（好ましくは０．５〜０．
７μ）の半導体（３）である。

かかる非単結晶半導体（３）は第１図（６）に示す非晶
質珪素吸収特性および微結晶珪素の吸収特性（６）を有
しており、またこれら開溝、分離溝の形成の対象になる
半導体は１μ以下の厚さ、ここでは約０．５μを有せし
めた。

また非単結晶半導体特性（６）、微結晶半導体特性（６
）は０．５μの同し〉波長光において単結晶珪素の吸収
係数特性に比べて約１０倍も大きく、この点において本
発明の短波長のレーザ光が単結晶ではなく非単結晶半導
体においてＬＳ、ＬＯのために特に有効であることがわ
かる。

かかる非単結晶半導体Ｍ（３）を全面に均一の膜厚で形
成させた。さらに第２図（Ｂ）に示されるごとく、第１
の開ａ（１７）の左方向側に第２の開溝（１Ｂ）を第２
のＬＳＩ程により形成させた。

かかる半導体は第１図に示されるごと＜、０．５μの波
長のレーザ光源にて１０１ｉ　ｃｍ−ｌの吸収係数を有
し、その波長が１／ｅにするのに１０００Å以下であり
、１　／１００にするには１μあればよく、このため１
μ以下のｔＪＭ’ｆ４のＬＳにはきわめて好ましいもの
であった。そのためこの半導体の下側に３ｅＶのＣＴＦ
があっても、このＣＴＦに大きく損傷を与えることなく
、第２図（Ｂ）＜８）に示されるごとき、１００〜５０
０人の浅さの凹状のサグリで半導体に開溝の形成処理す
ることが可能になった。この結果箱１の電極との接触面
積が１０μｒｌＪと大きいため、第２図（Ｃ）でのコネ
クタ（９）の接触抵抗を４Ω／ｃｍ以下にすることが可
能となった。

かくして第２の開溝（１８）は第１の電極の上面を一部
えくって露出（８）させた。

この第２の開溝（１８）は第２の素子の第１の電極（１
７）の側面（６）より５μ以上左側であればよく、その
極端な例として、図面に示されるごとく、第４１の素子
の第１の電極（１４）の内部に入ってしまってもよい。

逆にかくのごとく第１の素子側にわたってしまった方が
製造上の開溝形成の際のスポットのゆらぎによる接触不
良を少な（することができ、製造歩留りを向」二させる
ことができた。

第２図において、さらにこの上面に第２図（Ｃ）に示さ
れるごとく、第２の電極用の導電膜（４）を形成し、さ
らにｆｆ１３のＬＳでの切断分離用の第３の開／Ｍ（２
０）をｉ４すた。

この第２の電極（１６）、（１５）は透光性導電膜を１
００〜１４００人ＩＴＯ（酸化インジュームスズ）を形
成し、さらにその上面に銀またはアルミニュームを３０
０〜３０００人の厚さに形成させた。例えばＩＴＯを１
０５０人、銀を１０００人の２層構造とした。

このＣＴＦ　として、ここではＩＴＯ（酸化インジュー
ム酸化スズを主成分とする混合物）を形成した。

このＣＴＦとして酸化インジュームを主成分として形成
させることも可能であった。

このＩＴＯと銀は裏面側での光電変換装置に照射される
光（１０）の反射を促して６００〜８００ｎｍの長波長
光を有効に光電変換させるためのものである。

これらは電子ビーム蒸着法またはＰＣＶＤ法を含むＣＶ
Ｄ法を用いて半導体層を劣化させない温度で形成させた
。

このＩＴＯは半導体と裏面電極との反応による信頼性低
下を防く上で役立っている。

かくのごとく、裏面に形成される電極用導電層を６００
ｎｍ以下の波長のレーザ光を上方より照射した場合を以
上においては示している。

この開溝（２０）作製を従来より知られたＹＡＧレーザ
（１’、０６１１　（Ｘ　＝１０′３ｃｍ−’　）で行
う場合は、レーザ光が半導体の全厚さをきわめて節単に
突き抜りてしまうため、第２図（Ｃ）の凹部（４０）の
半導体内にて十分減衰するのではなく、その下側の半導
体のみならずさらにその下側の導電膜（２）をも切断し
てしまいやすく、実用性がまったくなかった。しかし非
単結晶半導体の光吸収が大きい０．５μ（α−１０’　
ｃｍ”　）のレーザ光においては、その殆どすべての光
エネルギーが半導体（２）の上部１０００Å以下で吸収
されてしまうため、レーザ光が第２の電極用導体（４）
を切断しても同時にその下のＩ型半導体層のすべてを切
断することがなく、その上部の導体に密接した１００〜
３００人の厚さの導電性を有するＮ型半導体を切断する
ことにとどまった。このことは逆に２つの電極（１６）
（１５）間のリークが残存Ｎ型半導体により発生ずるこ
とを完全に防ぐことができるという意味において、２重
に優れたものであった。

この凹部のえぐりだしく４０）は第１の電極用のＣＴＦ
にまでは到達しないことが好ましく、この半導体層での
光の吸収を大きくするため、レーザ光を６００ｎｍ以下
にて出力に余裕を持たせることができることは、薄膜半
導体デバイス作製に関して工業上重要であった。

かくして第２図（Ｃ）に示されるごと（、複数の素子（
１１）、（１，３）を連結部（１２）で直列接続する光
電変換装置を作ることができた。

第２図（Ｄ）はさらに本発明を光電変換装置として完成
させんとしたものである。即ちパッシベイション膜とし
てプラズマ気相法により窒化珪素膜（２１）を５００〜
２０００人の厚さに均一に形成させた。さらに外部領域
（５）を除き、ポリイミド、ポリアミド、カプトンまた
はエポキシ等の有機樹脂（２２）を充填して耐湿防止を
した。

かくして照射光（１０）に対し、この実施例のごとき基
板（６０ｃｍ　ｘ　２０ｃｍ）において、各素子を１８
ｍｍ連結部（１２）　６０μ、外部引出し電極部の中１
０ｍｍ、周辺部４ｍｍにより、実質的に５８０ｍｍ　’
　Ｘ　１９２ｍｍ内に３２段を有し、有効面積（１９２
ｍｍ　Ｘ１８ｍｍＸ３２段−１１０６ａａ即ち９２％）
をｆ４ることかできた。

その結果セグメントが１０．２％の変換効率を有する場
合、パネルにて９．１％（八Ｍｌ　（１００ｍＷ　／Ｃ
ｒＡ）　）にて１０．１　Ｗの出力電力を有せしめるこ
とができた。

これは従来のマスク合わせ方式で行う場合の有効面積７
５％（３２段の場合）に比べて、１７％もの実％面積の
向上を有し、究めて著しい変換効率の向上を有している
。

第３図、第４図、第５図は第２図に示した他の３回のレ
ーザ・スクライブの位置関係を示した縦断面図および平
面図である。番号、工程等は第２図と同様である。

実施例３第３図は連結部（１２）において第２の静レーザ・スク
ライブ工程を基板の上方より基板を逆向き（レーザ光が
下方向より照射）にして行い、開溝（１８）において第
１の電極のＣＴＦの上面（８）にてコネクタ（９）によ
りコンタクトを設けた場合である。

第３図（Ｂ）の平面図においては、半導体層（３）が第
１の電極（２）、第２の電極よりも周辺部で大きくなり
、第１の電極を覆い隠し、第１第２の電極間でのリーク
電流の発生を防止している。

実施例３第４図（Ａ）は、第１の開溝部（１７）、第２の開溝部
（１８）とが最近接した場合であり、第１の電極の側面
（６）とコネクタ（９）とが半導体（１３）によって絶
縁されており、さらに第３の開溝部（２０）を第３図よ
りも右寄りにして、連結部（１２）の形成により光電変
換ができないいわゆるロス面積を最小にしたもので、２
５μｌＪの狭い連結部（１２）を有せしめることができ
た。

第４図（Ｂ）は第４図（Δ）に対応した位置関係を示す
。

実施例４第５図は基板が金属箔例えばステンレスまたはアルミニ
ューム箔（厚さ５０〜２００μ＞＜２３）で、その上面
、下面に酸化アルミニューム（０，５〜５μ）（２４）
、（２５）をアルマイト処理により作製した基板（１）
を用いている。開溝部の位置関係に関しては、第３図、
第４図の中間で、一般的な連結部の縦断面図を示してい
る。この図面において、第１、第２の開溝部５０〜３μ
例えば１０μ、第３の開溝部５０〜５μ例えば１０μに
おいて、１５０〜２０μ例えば５０μの連結部のＩＩＪ
を有せしめることができた。

またこの図面においては、第３の開溝は第２の電極（１
５）、＜１６）を作るための分１’ｉｔｌ溝（電気的に
絶縁分離する溝）を構成し、そのため第２の電極用の導
体およびその下の半導体の酸化物を凹部に充填（２３）
させている。

これはレーザ光の照射の際、１００〜５００℃に加熱さ
れた酸素を同時に吹きつけ、照射された材料の酸化をさ
せたいわゆるＬＯ工程を実施したものである。かくする
と、半導体の上部（４０）が大気にさらされることなく
、きわめて高信頼性を有せしめることが可能になった。

以上はアルゴン・レーザのスポット層をその出力３（３
μφ）〜５Ｗ（１０μφ〉、５〜２０Ｗ　（５０μφ）
を用いた場合であるが、そめスポット径を技術思想にお
いてさらに小さくすることにより、この連結部に必要な
面積をより小さく、ひいては光電変換装置としての有効
面積（実効効率）をより向上させることができるという
進歩性を有している。

第６図は外部引出し電極部（５）を拡大して示したもの
である。

第６図（Ａ）は第２図に対応しているが、外部引出し電
極（４３）はハンダ付け（４２）により上側電極（４）
と連結している。

さらに第６図（Ｂ）は右端側外部引出し電極を示す。即
ち第１の電極（２）に連結したジヨイント（４４）が第
２の電極材料により設けられ、ハンダ（４２）を介して
外部引出し電極（４３）により設けられている。本来の
第２の電極（４）は第３の開溝部（２０）により切断さ
れ、その切断面は窒化珪素膜（２１）によりパッシベイ
ションされている。

有機樹脂モールド（２２）は引出し電極固定用枠（４３
）の一部を覆っており、さらにこのパネル例えば４０’
ｃｍ　Ｘ　２０ｃｍまたはＧＯｃｍ　Ｘ　２０ｃｍを６
ケまたは４ケアルミサツシ枠または炭素繊維樹脂枠によ
りパッケージし、１２０ｃｍ　Ｘ　４０ｃｍのＮＥＤＯ
規格の大電力用のパネルを設けることが可能となった。

またこのＮＥＤＯ規格のパネルはシーフレックスにより
他のガラス板を装置の上側に張り合わせた合わせガラス
構造とし、その間に光電変換装置を配置し、風圧、雨等
に対し機械強度の増加を図ることも有効である。

本発明における珪素を主成分とした半導体は、水素また
はハロゲン元素が添加された非晶質半導体のみでなく　
、５ｉｘＣ＋−Ｌ（０＜　ｘ　＜０．５　）　、Ｓｔ、
Ｎｐ４（０＜ｘ＜２）　、５ｉｆｔ＜　（Ｑ＜ｘ＜　１
）　、５ｉｘＧｅ＋＜（０＜　ｘ　＜０．５　）を含む
ことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は光波長に対する珪素半導体の吸収特性および減
音特性を示す。第２図は本発明の光電変換装置の製造工程を示す縦断面
図である。第３図〜第６図は本発明の他の光電変換装置の部分拡大
をした縦断面図である。痩天λＣ７ｔｔ）＄１鎚ＣＤ）（Ａ）　（Ｂ）Ｒｃ＜■

Claims

【特許請求の範囲】１、基板の絶縁表面上に第１の電極を構成するための第
１の導電膜を形成する工程と、該第１の導電膜を複数の
セグメントにレーザ光を用いて切断分離し第１の開溝を
形成する工程と、前記導電股上および前記溝上に光照射
により光起電力を発生させる非単結晶半導体装置を形成
する工程と、該非単結晶半導体または該半導体とその下
側の前記導電膜とを６ＱＯｎｍ以下の波長のレーザ光に
より複数のセグメントに切断分離して第２の開溝を形成
する工程と、前記非単結晶半導体表面および前記切断面
の非単結晶半導体と第１の導電膜との表面に第２の導電
膜、または該導電膜およびその下側の前記非単結晶半導
体とを６００ｎｍ以下の波長のレーーザ光により切断分
離して第３の開溝または分離溝を形成する工程とにより
、複数の光電変換素子を構成し、かつ該複数の光電変換
素子を互いに電気的に直列接続して同一絶縁基板上に形
成させたことを特徴とする光電変換装置作製方法。２ノＩ’＋８’ｌ請求の範囲第１項において、珪素を主
成分とする非単結晶半導体に６００ｎｍ以下の波長のア
ルゴン・レーザ光により開溝または分Ａｌｔ溝を形成す
ることを特徴とする光電変換装置作製方法。