JPS6184073A - 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、水素またはハロゲン元素が添加されたＰＩ
Ｎ接合を有するアモルファス半導体を含む非単結晶半導
体を絶縁表面を有する基板に設けた光電変換素子（単に
素子という）を複数個電気的に直列接続をして、高い電
圧を発生せしめる光電変換装置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０．３μ以下と
狭く、また、ＡＭＩ　（ｌｏｏｍ讐／ｃｍ２）での光照
射に対し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、レーザ
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ＰＩ
Ｎ接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■型半導体の活性領域の空乏層を１μ以上と大きく
巾広にすることを特徴としている。

さらに連結部を構成する非活性半導体領域は、結晶粒の
粒界を多数回横切る方向にして高抵抗とし、この非活性
領域での電極間リークを防くものである。

「問題を解決しようとする手段」 本発明は、透光性電極側よりこの電極を透過して、内部
の非単結晶半導体に対し、５００ｎｍ以上の波長のパル
ス状の強光（パルス中１０〜１００ｎ秒）を照射して、
■型半導体層またはそれに近接したＰまたはＮ型半導体
層を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を促進せしめるもので
ある。

特に本発明は、ｒの光吸収が小さい５００　ｎｍ以上一
般には０．５〜２μ例えば０．５３μまたは１．０６μ
のＹＡＧ　レーザまたは波長０．６９μのルビーレーザ
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、光は照射光側の透光性導電膜（Ｅｇ　＃３．
０ｅＶ）に対し損傷を与えない波長でかつ半導体の光吸
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以上の披見伝導度の増加が、集積化
構造にあってアイソレイションの妨げになってはならな
い。このため本発明方法においては、この先アニールを
活性半導体領域のみにおいては、粒界が電流の流に平行
に、かつ、この非活性領域においては粒界が電界と交叉
するように異方性を有せしめ１こ。即ち、基板に対し垂
直方向に成長せしめた。

本発明はこの先アニールと同時またはその前または後の
工程において、非活性領域で集積化のためのに連結部を
構成するため、非単結晶半導体をレーザ光　（Ｑスイッ
チ）がかけられたＹＡＧレーザ光によりスクライブし、
除去したものである。

「作用」 本発明は、柱状粒の異方性を用いるため、各セル間のア
イソレイション領域は、もし電流が流れ得ても、柱状粒
を横切る方向であるため抵抗が大きく、十分なアイソレ
イションができる。他方、ＰＩＮの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。本発明はこれらの効果を有し、か
つ集積化光電変換装置の製造に光照射面側からの光を加
えて光アニール工程のみで他の余分の工程を伴わずに完
了させることができるという特長を有する。

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。

そしてこの規定された位置にＬＳ用のレーザ光、例えば
波長１．０６μ（光径約５０μ）または０．５３μ（光
径約２５μ）のＹＡＧレーザ（焦点距離４０ｍｍ）を照
射させる。

さらにそれを０．０５〜５ｆｆｌ／分例えば３０ｃｍ　
／分の操作速度で移動せしめ、前工程と従属関係の開講
を作製せしめる。

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以上のレーザ光アニール（エネルギ密度は
ｌＸｌ０’〜ｌＸｌ０’臀／ｃｍ”でありレーザスクラ
イブの際のエネルギ密度の５×１０″′〜５　Ｘ　ＬＯ
７Ｗ／ｃｍ２より１／１０〜１／１０３である）を行っ
たもので、製造工程を従来公知の光電変ｔＡＷ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、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０．１〜０．５μの厚さに形成さ
せた。この導電膜は高低差〜０．１　μ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＝ｓｏｏ
ｏ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、フオｌ−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層（３
）をＩ型半導体中の最低酸素濃度を５×１０１１１Ｏｆ
ｆ＋−３以下とし、かつその厚さを０．３〜５．０　μ
代表的には２．０μの厚さに形成させた。

その代表例は光照射が基板側からの場合であるため、Ｐ
型（ＳｉＸＣ＋−ｘ　Ｏ＜　ｘ　＜　１　）半導体（約
２００人）−Ｉ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２．０μ）−Ｎ型の微結晶（約５
００　人）を有する半導体よりなる１つのＰＩＮ接合を
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。

さらに本発明方法における５００　ｎｍ以上の波長（一
般には５３０ｎｍまたは１．０６μ）を発光するＹＡＧ
またはルビーパルス光レーザアニール装置の概要および
その方法を示す。

被照射構造物は第１図または裏面電極を形成する前の半
導体（３）が積層され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ｌｍｍＸ９ｍｍ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１ｍｍと
して、照射エネルギ密度を制御するため、１００　μ〜
３ｍｍ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　〜３０ＫＨｚ）を有し５ＫＷ／
ｃｎ（（巾１ｍｍの場合）となった。

この照射光（２５）を被照射面に一定速度の移動基体に
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
．７　μの場合）または０．５３μ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こ、とが少なく、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、３μより結晶性
を有せしめるため、１〜３μ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
アモルファス半導体の０．５　μより１．５〜２．０μ
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。

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ｌ−
ＣＶＤ法、フォト・プラズマＣＶＤ法を含むＣＩＪ　Ｄ
法を用い、半導体層を劣化させないため、２５０　’ｃ
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牟
反（３，５ｍｍ　Ｘ　３ｃ＋ｎ）において、１１．８％
（１，０５ｃｍ２）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０．１〜２μ、一般には１
μ以下をＳＥＭ　（走査電子顕微鏡写真）で調べたとこ
ろ、平均粒径、０．１〜０．１５μを有し、垂直方向に
成長している。

このエネルギハンド巾を第２図（Ｂ）　、　（Ｃ）　、
　（Ｄ）　、　（Ｅ）に示す。即ち第２図（Ｂ）は第２
図（八）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。（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−Ａ’での断面におけるエネルギハン
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。

他方、第２図（Ｅ）に示すごとく、集積化構造における
連結部のアイソレイション領域ではこの粒界を横切るご
とくにして電界が印加される。この時は粒界（４５）が
バリアになり、リーク電流を流しにくい。即ち光電変換
装置の集積化を行わんとするとき、連結部を構成する非
活性領域ではリーク電流をより流さないようにするには
、基板りこ対し垂直方向に柱状粒を成長させればよい。

第２図（Ｆ）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ｍ体の柱径は真性または実
質的に真性の半導体の厚さの０．１〜５μに比べそれ以
下で、一般的には０．０５〜０．２μにすることが有効
である。

これ以上にすると、粒界で発生したキャリアは柱状粒内
部へのドリフトよりも先にＰまたはＮ層にドリフトして
しまい、十分に行われず、即ち粒界で水素によりバリア
を高くした意味が減少してしまう。

第３図における（１５）　、　（１６）はそれぞれ縦方
向の電気伝導度及び横方向の電気伝ぷ度°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４体の構造において調べた光転導度（１５）　、　
（１７）および喧伝導度（１６）　、　（１８）である
。次のプロットはルビーレーザアニールをアモルファス
半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　”Ｃ１２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倍に光転導度が向上するが、
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。

実施例２ 第４図は本発明の製造工程を示す縦断面図である。

被膜の製造プロセスは実施例１と同様に行った。

即ち、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、長さく図面では左右方向）　１
０ｃｍ、中１０ｃｍを用いた。さらに、この上面に、全
面にわたって第１のＷ電膜（２）である透光性導電膜（
２）を０．１〜０．５μの厚さに形成させた。

この後、この基板の上側より、ＹＡＧレーザ〔波長０．
５３μ（パルスｒｔ１３０ｎ秒）加工機（日本電気型）
己こより平均出力０．３〜ＩＷ　（焦点路１ｔｉｌ！４
０ｍｍ）を加え、１５　ｍ　ｍ　φのレーザ光を集光し
、スポット径２０〜７０μφ代表的には５０μφをマイ
クロコンピュータにより制御して、上方よりレーザ光を
照射し１、その走査により、スクライブライン用の第１
の開溝（１３）を形成させ、各活性素子領域（３１）　
、　（１１）に第１の電極（１５）をレーザスフライフ
（ＬＳという）により作製した。

ＬＳにより形成された開溝（１３）は、巾約５０μ長さ
１０ｃｍであり、深さはそれぞれ第１の電極を構成させ
るために完全に切断分離した。

かくして第１の素子（３１）および第２の素子（１１）
を構成する領域の巾は５〜４０ｍｍ例えば１０ｍｍとし
て形成させた。

この後、この上面にプラズマＣＶＤ法、フオ）　ＣＶＤ
法ま１こはＬＰＣＶ　Ｄ法により、実施例と同様に非単
結晶半導体層（３）を０．５〜５．０　μ代表的には２
．０μの厚さに形成させた。

さらに第４図（Ｂ）に示されるごと（、第１の開溝（１
３）の左方向側（第１の素子側）にわたって第２の開講
（１４）を第２のＬＳＩ程により形成させた。

この図面では第１および第２の開溝（１３）　、　（１
４）の中心間を１００μずらしている。

か（して第２の開溝（１８）は第１の電極の側面または
上面（８）　、　（９）を露出させた。

さらに本発明は、第１の電極（２）の透光性導電膜（１
５）の表面のみを露呈させてもよいが、製造歩留りの向
上のためには、レーザ光が０．１〜ＩＮ例えば０．８−
では多少強すぎ、この第１の電極（１５）の深さ方向の
すべてを除去した。しかし、その側面（８）（側面のみ
または側面と上面の端部）に第１図（Ｃ）で第２の電極
（３８）とのコネクタ（３０）が密接しても、その接触
抵抗が一般に酸化物−酸化物コンタクト（酸化スズ−Ｉ
ＴＯコンタクト）となり、その界面に絶縁物バリアが形
成されないため、実用上何等問題はなかった。

第４図において、さらにこの上面に第４図（Ｃ）に示さ
れるごとく、第２の導電膜（５）およびコネクタ（３０
）を形成した。

この第２の導電膜（５）は金属と透光性導電酸化膜（Ｃ
ＴＦ）　　とを用いた。その厚さはそれぞれ３００〜１
５００人に形成させた。

さらに本発明方法における５００　ｎｍ以上の波長を発
光するルビーパルス光レーザアニールは実施例１と同様
に行った。

即ち、被照射用基板は第４図（Ｂ）または（Ｃ）に示す
。

第２の透光性電極（５）を形成する前または後の構造物
を光アニール工程における対象基体として実施例１と同
様に行った。

かくして、図面では示していないが、光アニール（２５
）を光照射面側から行い、基板に垂直方向の柱状粒を有
する半導体に■型半導体を形成させた。

この時、領域（１３）の非活性領域（３４）　（３３″
）の半導体は素子（３１）　、　（１１）の第１の電極
間のアイソレイションを行うため、柱状粒は多数回横切
るように基板に垂直に成長させた。

このレーザアニールの後、第３のＬＳにより切断分離を
して複数の第２の電極（３９）　、　（３８）を第３の
開＠　（２０）を形成してアイソレイションした。

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。

かくしτ第４図（Ｃ）に示されるごとく、複数の素子（
３１）　、　（１１）を連結部（４）で直列接続する光
電変換装置を作ることができた。

第４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
てプラズマ気相法またはフォト・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、各素子間のリーク電流の湿気等の吸着によ
る発生をさらに防いだ。

さらに外部引出し端子（２２）　、　（２２’　）を周
辺部に設けた。

斯くして照射光（１０）に対し、この実施例のごとき、
基板（１０ｃｍ　Ｘ　１０ｃｍ）において、各素子を中
１０ｍｍ　Ｘ　９２ｍｍの短冊状に設け、さらに連結部
の中２００μｍ外部引出し電極部の巾３ｍｍ、周辺部４
ｍｍにより、実質的に８８ｎ＋＋ｎ　Ｘ　９２ｍｍ内に
１０段を有せしめた。

その結果、パネルにて８．３％（理論的には９．６％に
なるが、１１段直列連結抵抗により実効変換効率が低下
した（八Ｍｌ　（１００ｍＷ　／ｃｍ２）　））にて、
６．７Ｗの出力電力を有せしめることができた。

またさらにこのパネルを大きくし、例えば４０ｃｍＸ　
６０ｃｍを２ヶ直列にアルミサツシの固い枠内またカー
ボン・ブラックによる可曲性枠内に組み合わせることに
よりパッケージさせ、１２０ｃｍ　ｘ　４０ｃｍのＮＥ
ＤＯ規格の大電力用のパネルを設けることが可能である
。

またこのＮＥＤＯ規格のパネル用にはシーフレックスに
よりガラス基板の裏面（照射面の反対側）に本発明の光
電変換装置の上面をはりあわせて、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。

パネルの実効効率としてＡＭＩ　　（１００ｍＷ　／　
ｃｍ２）にて８．７％、出カフ、８Ｗを得ることができ
た。

有効面積は８２．８ｃｍ２であり、パネル全体の８２．
８％をを効に利用することができた。

本発明におけるレーザアニールは、０．５３μパルス巾
３０ｎ秒のＹＡＧレーザまたは０．６９μ（パルス巾７
０ｎ秒）の波長のルビーレーザを用いた。

しかしこの５００ｎｍ（０，５μ）〜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。

本発明の実施例は半導体装置におりする特にガラス基板
側から光照射を行う光電変換装置に関して記した。しか
しこれを金属基板上に絶縁膜コートをし、この上面に下
側電極、半導体、上側電極を積層し、基板の上方からの
照射の光電変換装置にも適応し得る。加えて、ＰｒＮ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」 本発明は第５図に示す如く、光照射（ＡＭＩ　（１００
ｍｗ／ｃｍ”））効果に対してきわめて有効である。そ
してその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、■型半導体の場合は１
．０〜５μと厚いにもかかわらず、きわめてその劣化が
少ない結果（５１）を本発明では得ることができた。（
５１）は実施例１、（５２）は実施例２の特性である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の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特性を示す。 第５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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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と、該半導体上に第２の
   電極とを有する半導体装置の作製方法において、前記非
   単結晶半導体に５００ｎｍ〜２μの波長の強光を照射し
   て、真性または実質的に真性のＩ型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こと
   を特徴とする半導体装置の作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、柱状粒は２μまた
   はそれ以下の軸の太さを有し、かつ柱状粒の粒界には水
   素またはハロゲン元素を偏析して存在せしめたことを特
   徴とする半導体装置の作製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、強光は光照射面側
   より照射して行うことを特徴とする半導体装置の作製方
   法。