JPS61231771A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

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】 「発明の利用分野」 この発明は、絶縁表面を有する基板に水素またはハロゲ
ン元素が添加されたＰＩＮ接合を有するアモルファス半
導体を含む非単結晶半導体を設けた光電変換素子の作製
方法に関する。

「従来の技術」 従来、水素またはハロゲン元素が添加された非単結晶半
導体としてアモルファス半導体が知られている。しかし
、かかる半導体はアモルファス構造を有し、結晶性を積
極的に用いていないため、ＰＩＮ接合におけるＩ型半導
体層のキャリアの空乏層の厚さは０．３μｍ以下と狭く
、また、ＡＭＩ（１００ｍＷ／ｃｍ”）での光照射に対
し性能の劣化が生じてしまった。

「本発明が解決しようとする問題点」 本発明は、かかるアモルファス半導体を含む水素または
ハロゲン元素を含有する非単結晶半導体に対し、光アニ
ールを行い、異方性を有する柱状粒を結晶化を助長せし
めて形成し、光照射に対する劣化を防ぎ、かつＰＩＮＩ
合を有する光電変換装置の電流が流れる方向に対しては
■型非単結晶半導体の活性領域の空乏層を１μｍ以上と
大きく巾広にすることを特徴としている。

本発明は、非単結晶半導体を形成した後、この非単結晶
半導体シこ対し、５００ｎｍ以上５μｍ以下の波長のパ
ルス状の強光を照射して、°Ｉ型型車単結晶半導体層た
はそれに近接したＰまたはＮ型非単結晶半導体層で水素
またはハロゲン元素を柱状粒の粒界に多量に偏析させて
内部に保存しつつ結晶性（秩序性）を促進せしめるもの
である。

特に本発明は、その光吸収が小さい５００　ｎｍ以上５
μｍ以下、例えば０．５３μｍ又は１．０６μｍのＹＡ
Ｇレーザまたは波長０．６９μｍのルビーレーザまたは
キセノンランプのパルス状の強光を照射し、全体または
内部の十分深い領域までのＩ型非単結晶半導体の結晶性
を柱状粒として異方性を有せしめて促進させる、いわゆ
る光アニールを行った。このため光は半導体の光吸収係
数の比較的少ない、即ち深い領域まで光アニールを行い
得る５００ｎｍ以上の波長を用いた。

「作用」 ＰＩＮＩ合に流れる電流は柱状粒にそった方向であり、
電流は粒界を横切らない。加えて光はランダムに１層内
で光路を有せしめ、光吸収係数が大きい水素を多量に有
する粒界を多数回横切るように光閉じ込め型のセルとす
る。即ち裏面側半導体に凹凸を有せしめることが有効で
ある。

本発明の装置における素子の配置、大きさ、形状は設計
仕様によって決められる。しかし本発明の内容を簡単に
するため、以下の詳細な説明においては、第１の素子の
下側（基板側）の第１の電極と、その右隣りに配置した
第２の素子の第２の電極（半導体上即ち基板から離れた
側）とを電気的に直列接続させた場合のパターンを基と
して記す。

本発明は、基板が透光性のガラスである場合、また、非
透光性基板上に半導体を形成し、その上面の光照射に対
し５００ｎｍ以上５μｍ以下の波長を有する強光にて光
アニール（エネルギ密度は１×１０’　〜ｌ　ＸＩＱ６
Ｗ／ｃｍ２であり、レーザスクライブの際のエネルギ密
度の５Ｘ１０ｂ〜５　Ｘ　１０’Ｗ／ｃｍ”より１７１
０〜１／１０３である）を行ったもので、製造工程を従
来公知の光電変換装置の作製工程を単にレーザアニール
工程を加えるのみで、歩留りを従来の約６０％より８４
％にまで高めることができるという画期的な光電変換装
置の作製方法を提供することにある。

以下に図面に従って本発明の詳細を示す。

「実施例１」 第１図は本発明の方法により作成された光電変換素子の
縦断面図である。

図面において、絶縁表面を有する基板例えばガラス基板
（１）であって、長さ１．５ｃｍ　、巾２ｃｍを用いた
。さらにこの上面に、全面にわたって第１の導電膜（２
）である透光性導電膜を０．１〜０．５μｍの厚さに形
成させた。この導電膜は高低差〜０．１μｍの凹凸（図
面では省略）を有せしめた。

この透光性導電膜（２）として弗素等のハロゲン元素が
添加された酸化スズを主成分とする透光性導電膜または
ＩＴＯ（酸化スズ・インジューム）　（５００〜５００
０人代表的には５００〜１５００人）をスパッタ法また
はスプレー法により形成させて、第１の導電膜とした。

この後、この上面にプラズマＣＶＤ法、フォトＣｖＤ法
またはＬＰＣＶ　Ｄ法により、光照射により光起電力を
発生する非単結晶半導体即ちＰＩＮＩ合を有する水素ま
たはハロゲン元素が添加された非単結晶半導体層（３）
をＩ型半導体中の最低酸素濃度を５×１０”ｃｍ−’以
下（ＳＩＭＳにて測定）とし、かつその厚さを０．３〜
５．０　μｍ代表的には２．０　μｍの厚さに形成させ
た。

例えば、Ｐ型（ＳｉｘＣ＋−ｘ　Ｏ〈Ｘ　＜１　）半導
体（約２００人）−１型アモルファスまたはセミアモル
ファスのシリコン半導体（約２．０μｍ）−Ｎ型ノ微結
晶　（約５００人）を有する半導体よりなる少なくとも
１つのＰＩＮＩ合を有する非単結晶半導体（３）を均一
の膜厚で形成させた。

第１図において、さらにこの上面に第２の導電膜（５）
およびコネクタ（３０）を形成した。

被照射構造物は第１図または裏面電極を形成する前の光
電変換半導体（３）が積層された基板、または裏面電極
として透光性導電膜を前記半導体層上に形成した基板を
対象とする。

光源の照射光面積は光学系を用いてｌＨＸ９ｍｍの照射
面積としたルビーパルスレーザ光を用いた。

また、スキャンスピードとの関係でその厚さを１１とし
て、照射エネルギ密度を制御するため、１００μｍ〜３
ｍｍまで可変させてもよい。

ここではＣＴＣコムチックトレーニング株式会社製レー
ザ発振器を用いた。

さらにこのレーザ光はレンズで長方形に集光し、パルス
光（周波数３００Ｈｚ　〜３０ＫＦＩｚ）を有し５ＫＷ
　／ｃｄ（巾１ｍｍの場合）となった。

この照射光（２５）を被照射面に一定速変の移動基体に
照射させた。

かくすると、非単結晶半導体中で１層の全厚さく波長０
．７μｍの場合）または０．５３μｍの波長を用いる場
合にその半分程度の３０００〜５０００人の深さの領域
に柱状粒の結晶化（初期のアモルファス構造に比べより
秩序性が進んだ構造）を助長させる領域を作ることがで
きた。この結晶化の事実は、この工程の後レーザラマン
分光測定を行うことにより判明した。加えて、この本発
明方法のアニールは光パルスアニールのため、結晶化の
際、既に含有している水素またはハロゲン元素を外部に
脱気する量が少なく、また結晶粒界に偏析せしめ、この
粒界でのの不対結合手を中和させ得る。加えて結晶性ま
たは秩序性を光アニールにより促進するため、光劣化特
性が小さくなり、加えてＰＮ間のアモルファス半導体に
おける１層中の空乏層の巾をアモルファス構造のＰＩＮ
接合における０、３μｍより結晶性を有せしめるため、
１〜３μｍと伸ばすことができるという二重の特長を有
していた。

このため１層の最適厚さを従来公知のアモルファス半導
体の場合の０．５μｍより１．５〜２．０μｍにまで厚
くさせることができ、光電変換装置としての電流を増加
させ得る。

かくの如く第１図に示した半導体上の第２の導電膜（５
）は金属と透光性導電酸化膜（ＣＴＦ）とを用いた。そ
の厚さはそれぞれ３００〜１５００人に形成させ、光閉
じ込め型の構造とした。

以上の説明において、強光の光アニールで非単結晶半導
体を形成した方法をこれまで示した。しかし非単結晶半
導体を形成し、さらにこの上にＣＴＦを形成した後、光
アニールを行うことは有効である。かかる場合はＣＴＦ
が透光性であるため光を照射し、また光アニールにより
発生した水素の脱離を防ぐことができる。

このＣＴＦとしてクロム−珪素化合物等の非酸化物導電
膜よりなる透光性導電膜を用いてもよい。

これらは電子ビーム蒸着法またはスパッタ法、フォ）Ｃ
ＶＤ法、フォト・プラズマＣＶＤ法を含むＣＶＤ法を用
い、半導体層を劣化させないため、２５０℃以下の温度
で形成させた。

斯くして照射光（１０）に対し、この実施例の如き基板
（３，５ｍｍ　ｘ　３ｃｍ）において、１２．５％（１
，０５ｃｍ”）の変換効率を有せしめることができた。

第２図は本発明の思想の概要を説明する構成図である。

第２図（Ａ）はＩ型非単結晶半導体中の柱状粒（４０）
　（ここでは３ケ所のみを示す）をその柱径（４１）が
０．１〜ＬｃｒｍでＳＥＭ　（走査電子顕微鏡写真）を
用いて調べたところ、垂直方向に成長している。

さらに結晶粒径は強光照射面側のほうがより反対面側に
向けて順次太き（なっている。

このエネルギバンド巾を第２図（Ｂ）　、　（ｃ）　、
　（Ｄ）　、　ｉ；＃に示す。即ち第２図（Ｂ）は第２
図（Ａ）におけるＢ−Ｂ゛の柱状粒の中央部の縦方向に
電界が加わらない場合である。このように強光照射面側
は反対面側と比べて水素の脱離量が多いため、エネルギ
ーバンド巾は狭くなり、光電変換装置として透光性絶縁
基板（１）側より光を照射した場合、ｆ型非単結晶半導
体中においても実質的にエネルギーバンド巾がワイド・
トウ・ナローとなっており、光照射により発生した電子
とホールとをより効率よく外部に電力として取り出すこ
とができる。（Ｃ）は電界によりホール（４２）　、電
子（４３）がドリフトしている。（Ｄ）は柱状粒の＾−
Ａ゛での断面におけるエネルギバンドを横方向に示す。

すると光照射によって発生した電子（４２’）　、ホー
ル（４３’）は粒界での水素が多量にある領域で光−電
気変換をしてキャリア（４２）　、　（４２’　）を発
生する。そのキャリアはより安定なレベルである柱状粒
の内部にドリフトする。

このため再結合中心の多くが存在する粒界により離れた
柱状粒の中央部でキャリアをドリフトすることができる
。

ε 第２図（←）は柱状粒（４０）の粒界（４５）に水素が
偏析し高濃度になる。このためこの粒界が光学的Ｅｇを
大きくし、かつアモルファス半導体と同様に光吸収係数
が大きい。

このことより、光はこの粒界を多数回横切るようにする
ことが薄い厚さで光−電気変換を効率よく行うに重要で
あることがわかる。

またこれらの理由により、半導体の柱径は真性または実
質的に真性の半導体の厚さの０．１〜５μｍに比べそれ
以下で、一般的には０．０５〜０．２μｍにすることが
有効である。

第３図における（１５）　、　（１６）はそれぞれ■型
非単結晶半導体の縦方向の電気伝導度及び横方向の電気
伝導度を示す。

各グラフにおける初期値は水素が添加されたアモルファ
ス半導体の構造において調べた光伝導度（１５）　、　
（１７）および暗転導度（１６）　、　（１８）である
。次のプロットはルビーレーザアニールをｌ型非単’４
゜高卒導体に行ない多結晶化した後の特性、第３のプロ
ットの光照射（ＡＭＩ）を２時間照射した後の電気伝導
度を示す。さらに第４の測定点は１５０℃、２時間熱ア
ニールした後の特性を示す。

これらの結果より明らかなことは、垂直方向の電気伝導
度は光アニールにより約３倍に光伝導度が向上するが、
粒界を横切る水平方向の（１７）に示す電気伝導度は約
１７１０に減少する。

加えて、粒界に存在する水素、酸素等により横方向の電
気伝導度特性には光劣化（ステブラ・ロンスキ効果）が
見られるが、垂直方向の電気伝導度には実質的には変化
がなく、きわめて安定である。

しかしこの５００ｎｍ　（０，５μｍ）〜５０００ｎｍ
　（５μｍ）の波長光を他のレーザ光、またはフラッシ
ュ状のキセノンランプ等を用いて行うことは有効である
。

またハロゲンランプを用いても可能である。しかしハロ
ゲンランプは安価である反面、波長が比較的長波長であ
るため、光吸収係数が小さく、長時間の照射を必要とし
、水素の脱離が大きい欠点を有する。

加えて、ＰＩＮまたはＮＩＰ構造を有する水素またはハ
ロゲン元素が添加されたフォトセンサ、イメージセンサ
に対して本発明を適用してもよいことはいうまでもない
。

「効果」 本発明により形成された半導体は第４図に示す如く、長
時間の光照射　（ＡＭＩ　（１００ｍｗ／ｃｍ２））に
対してきわめて安定である。その１例として一般的なア
モルファスＰＩＮ型半導体の劣化特性（５０）に比べて
、本発明による方法で作成した半導体装置の■型半導体
が１．０〜５μｍと厚い場合でもきわめてその劣化が少
ない結果、（５１）を得ることができた。

さらに光アニールにより半導体層の柱状粒が基板面に対
し垂直方向即ち光照射により発生するキャリアの移動方
向に成長する為、この粒界近くでのキャリアの移動度が
増大し、従来のアモルファス珪素半導体と比べて約２〜
５倍程度とすることが可能となり、そのため■型半導体
の厚さを１．５〜２μｍ程度まですることができ、光電
変換装置としての電流を増すことができた。また光アニ
ールにより非単結晶半導体層より水素またはハロゲン元
素の一部が脱離し、光アニール用強光照射面と反対側よ
り半導体層のエネルギバンド中が大より小へと変化し、
実質的にＷ−Ｎ　（ワイド・トウ・ナロー）構造となり
、光照射により発生したキャリアが外部へより効率よく
電力として取り出せることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によって作成した光電変換装置の縦断面
図を示す。 第２図は本発明で得られる柱状粒および対応するエネル
ギバンド図を示す。 第３図は本発明で得られる■型非単結晶半導体層の特性
を示す。 第４図は本発明の光パルスアニールを行なわない光電変
換装置と、本発明の光パルスアニールを行った光電変換
装置の光照射信頼性特性である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．絶縁表面を有する基板上に、第１の電極と、該電極
   上に密接してＰＩＮ接合を有する水素またはハロゲン元
   素が添加された非単結晶半導体を形成する工程と、前記
   非単結晶半導体に５００ｎｍ〜５μｍの波長を有する強
   光を前記非単結晶半導体面側より照射して、真性または
   実質的に真性のＩ型非単結晶半導体に柱状の結晶性を有
   する柱状粒を少なくとも一部に構成せしめる工程と、該
   工程の前または後に前記非単結晶半導体上に第２の電極
   を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置
   の作製方法。
2. ２．特許請求の範囲第１項において、第２の電極として
   透光性導電膜を形成した後、強光を照射したことを特徴
   とする半導体装置の作製方法。