KR20040096647A - 광전 변환 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

표면에 요철을 갖는 제1 도전형 반도체 기판을 사용한 광전 변환 소자에 있어서, 제1 도전형 반도체 기판 표면에 형성된 제2 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과 접속된 표면 전극과, 제1 도전형 반도체 기판 이면에 형성된 이면 전극으로 이루어지고, 제2 도전형 반도체층이, 표면 전극과의 접촉 영역에서 가장 두껍고, 접촉 영역으로부터 멀어짐에 따라 얇아지는 구조를 갖게 되는 광전 변환 소자이고, 간편한 제조 공정에 의해, 신뢰성이 높고, 우수한 광전 변환 효율을 실현할 수 있다.

Description

광전 변환 소자 및 그 제조 방법{PHOTOELECTRIC CONVERTING DEVICE AND ITS PRODUCTION METHOD}
종래의 광전 변환 소자는, 도8에 나타낸 바와 같이, 기판으로서의 P형 반도체 기판(42)의 일 표면에 형성된 N형 반도체층(43), 그 위에 형성된 집전극(44), 및 P형 반도체 기판(42)의 이면에 형성된 이면 전극(45)으로 구성되어 있다.
태양광이 N형 반도체층(43)의 표면에 조사됨으로써 발생한 전류는, N형 반도체층(43) 내를 흐르고, 집전극(44)으로부터 취출된다.
일반적으로, N형 반도체층(43)은, 두께가 얇을수록 광의 단파장 감도가 양호하게 되어 발생 전류가 크게 되지만, 그 반면, 시트 저항이 증가한다. 그 때문에, N형 반도체층(43)이 얇아지면 집전극(44)으로부터 취출되는 전력은 감소한다.
이 때문에, 광전 변환 효율을 높이기 위해, N형 반도체층의 두께와 집전극의 배치의 최적화가 행해지고, 예를 들면, N형 반도체층을 가능한 한 얇게 하는 동시에, 집전극의 상호 간극을 적절히 좁히는 연구가 행해지고 있다.
그러나, N형 반도체층을 너무 얇게 하면 시트 저항이 증가해 버리고, 집전극의 상호 간극을 좁게 하면 N형 반도체층의 유효 수광 면적이 감소하고, 광발생 전류가 저하되는 문제가 있다.
그래서, N형 반도체층 중 집전극 형성 부분을 두껍게 하고, 타 부분을 얇게 한 광전 변환 소자가 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1).
또한, 다른 예로서, 도9에 나타낸 바와 같이, N형 반도체층(51)을, 집전극(52)의 상호간의 중앙 부분에 있어서 얇게 하고, 집전극(52)을 향해 서서히 두껍게 한 광전 변환 소자가 제안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 2). 이 광전 변환 소자에 따르면, N형 반도체층(51)이 얇은 부분에 있어서 단파장 감도를 향상시킬 수 있는 동시에, 생성된 캐리어는 서서히 두꺼워지는 N형 반도체층(51)을 통해 집전극(52)으로 향하기 때문에, 직렬 저항 손실을 작게 할 수 있다.
그러나, N형 반도체층 중 집전극 형성 부분을 두껍게 하고, 타 부분을 얇게 한 광전 변환 소자에서는, 마스크 패턴을 형성하고, 2회의 불순물 확산을 행함으로써 N형 반도체층을 형성할 필요가 있다.
또한, 도9의 광전 변환 소자에서는, 복수의 마스크 패턴을 형성하고, 열확산을 이용하여 다중 확산 또는 이온 주입을 행하든지, 레이저를 사용하여 다중 확산을 행하는 등에 의해 N형 반도체층을 형성할 필요가 있다.
따라서, 어떠한 광전 변환 소자도 제조 공정이 복잡해 지고, 코스트 상승의 문제가 있다.
특허 문헌 1 : 특허공개공보 62-123778호 공보
특허 문헌 2 : 특허공개공보 4-356972호 공보
본 발명은, 상기 과제를 감안해 이루어진 것이고, 간편한 제조 공정에 의해, 광전 변환 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 표면에 요철을 갖는 제1 도전형 반도체 기판을 사용한 광전 변환 소자에 있어서, 적어도 상기 제1 도전형 반도체 기판 표면에 형성된 제2 도전형 반도체층과, 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 표면 전극과, 상기 제1 도전형 반도체 기판 이면에 형성된 이면 전극을 갖고, 상기 제2 도전형 반도체층이, 표면 전극과의 접촉 영역으로부터 멀어짐에 따라 얇게 되는 구조를 갖는 광전 변환 소자가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, (a)표면에 요철을 갖는 반도체 기판상에, 불순물 확산의 장벽으로 되는 막을, 볼록부 정점으로부터 오목부를 향해 두꺼워지도록 형성하는 공정과,
(b)상기 막을 통해 제2 도전형 불순물을 도입하여 상기 반도체 기판 표면에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 공정을 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, (a′)표면에 요철을 갖는 반도체 기판상에, 제2 도전형 불순물을 포함한 막을, 볼록부 정점으로부터 오목부를 향해 두꺼워지도록 형성하는 공정과,
(b′)상기 막으로부터 제2 도전형 불순물을 도입하여 상기 반도체 기판 표면에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 공정을 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법이 제공된다.
본 발명은, 광전 변환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 실리콘 태양 전지 등에 있어서, 수광면의 확산층의 두께를 변화시킴으로써 광전 변환 효율을 향상시키는 광전 변환 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
도1은, 본 발명의 광전 변환 소자의 개략적인 사시도이다.
도2는, 도1의 광전 변환 소자의 개략적인 단면도이다.
도3은, 도1의 광전 변환 소자의 제조 공정을 나타내는 프로세스 흐름도이다.
도4는, 본 발명의 다른 광전 변환 소자의 개략적인 사시도이다.
도5는, 본 발명의 또 다른 광전 변환 소자의 개략적인 사시도이다.
도6은, 본 발명의 또 다른 광전 변환 소자의 개략적인 사시도이다.
도7은, 도6의 광전 변환 소자의 제조 공정을 나타내는 프로세스 흐름도이다.
도8은, 종래의 광전 변환 소자의 개략적인 단면도이다.
도9는, 종래의 다른 광전 변환 소자의 개략적인 사시도이다.
본 발명의 광전 변환 소자는, 주로, 표면에 요철을 갖는 제1 도전형 반도체 기판을 사용하고 있고, 제1 도전형 반도체 기판 표면에 형성된 제2 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층과 접속된 표면 전극 및 제1 도전형 반도체 기판 이면에 형성된 이면 전극으로 구성된다.
반도체 기판으로서는, 통상적으로, 광전 변환 소자에 사용되는 것이라면 특히 한정되는 것은 아니고, 예컨대, 실리콘, 게르마늄 등의 Ⅳ족 원소 반도체 기판, GaAs, InGaAs 등의 화합물 반도체 기판 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 실리콘이 바람직하다. 또한, 반도체 기판은, 비정질, 단결정, 다결정, 소위 마이크로 크리스탈 또는 이들이 혼재하는 것 중 어느 것이라도 좋다.
반도체 기판은, 도전형을 갖도록 하기 위해 제1 도전형(예컨대, N형 또는 P형)의 불순물이 도핑되어 있다.
불순물의 종류는, 사용하는 반도체 재료에 의해 적당히 선택될 수 있고, 예를 들면, N형의 불순물로서는, 예컨대 인, 비소, 안티몬 등을 들 수 있고, P형의 불순물로서는, 예컨대 보론, 알루미늄, 게르마늄, 인듐, 티탄 등을 들 수 있다. 불순물 농도는 특히 한정되지 않지만, 예컨대, 0.1~10Ωcm 정도의 저항률을 갖도록 조정하는 것이 적당하다.
또한, 반도체 기판의 두께는, 특히 한정되지 않지만, 적당한 강도를 보유하고, 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있도록 설정하는 것이 바람직하고, 예컨대, 평균 두께로서, 0.2~0.4mm 정도를 들 수 있다.
반도체 기판은, 표면에 요철을 갖고 있다. 요철의 패턴은 특히 한정되지 않고, 예를 들면, 동일 또는 다른 크기의 볼록부가 등간격 또는 랜덤하게 배치된 것이거나, 오목부로서 홈이 형성된 것 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 후술하는 제2 도전형 반도체층에 있어서 발생하는 캐리어를 표면 전극으로부터 효율적으로 취출하기 위해, 볼록부가 등간격으로 배치된 것이나, 홈이 소정의 피치에서 연속하여 형성된 것이 바람직하다. 요철의 피치는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 후술하는 표면 전극의 폭 등을 고려하여, 예컨대, 13 mm 정도이다. 요철의 고저차는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 0.05~0.1mm 정도이다.
표면에 요철을 갖는 반도체 기판은, 예를 들면, 포토리소그래피 및 에칭으로 형성할 수 있다. 또한, 특허공개공보 11-339016호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 요철을 형성한 기체상에 반도체 기판을 성장시킴으로써 형성할 수 있다. 또한, 기체의 요철의 패턴을 변경함으로써, 반도체 기판의 요철 패턴을 소망하는 형상으로 형성할 수 있다.
제2 도전형 반도체층은, 반도체 기판의 일 표면, 즉, 제1 도전형 반도체 기판의 표면에 형성되어 있고, 제2 도전형(P형 또는 N형)의 불순물이 도핑되어 있다. 불순물 농도는 특히 한정되지 않지만, 예컨대, 표면 농도가 1×1019~ 1×1021cm-3정도이고, 40~150Ω/□ 정도의 평균 시트 저항을 갖도록 조정하는 것이 적당하다. 제2 도전형 반도체층의 두께는, 예컨대, 가장 두꺼운 경우가 0.3~0.6㎛정도, 가장 얇은 경우가 0.1~0.2㎛ 정도인 것이 적당하다.
또한, 제2 도전형 반도체층 상에는 질화 실리콘막 등의 반사 방지막이나, 예컨대 티탄 글래스를 형성할 수 있는 TG액(테트라-i-프로폭시 티탄과 알콜 등을 혼합한 액)이나, 실리콘 글래스를 형성할 수 있는 SG액(규산 에틸과 알콜 등을 혼합한 액) 등을 도포한 도포막 또는 보호막 등이 형성되어 있어도 된다. 반사 방지막의 막두께는, 예컨대, 60~110nm 정도, 도포막 등의 막두께는, 예컨대, 200nm~1㎛ 정도를 들 수 있다.
표면 전극을 구성하는 재료로서는, 특히 한정되는 것은 아니고, 예컨대 알루미늄, 은, 동, 알루미늄ㆍ리튬 합금, 마그네슘ㆍ은 합금, 인듐 등을 들 수 있다.
이면 전극은, 반도체 기판 이면에 형성되어 있고, 예컨대, 이면 전체면에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이면 전극의 막두께 및 재료는, 표면 전극과 같이 적당히 조정 및 선택할 수 있다.
본 발명의 광전 변환 소자에 있어서, 특히, 볼록부에서 두껍고 오목부에서 얇은 제2 도전형 반도체층을 갖는 광전 변환 소자의 경우에는, 제2 도전형 반도체층은 후술하는 표면 전극과의 접촉 영역으로부터 멀어짐에 따라 얇게 되는 구조를 갖고 있다. 환언하면, 반도체 기판의 볼록부로부터 오목부를 향해 얇게 되는 막두께를 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 예로서, 홈이 연속하여 형성되는 반도체 기판에서는, 제2 도전형 반도체층의 막두께는, 홈과 홈 사이에 위치하는 줄무늬상의 볼록부 정점에 있어서 가장 두꺼워지고, 그 정점으로부터 홈의 저부에 걸쳐 일 모양으로 얇게 되든지, 혹은, 등간격 또는 격자 형태의 볼록부를 갖는 반도체기판에서는, 제2 도전형 반도체층의 막두께는, 볼록부 정점에 있어서만 가장 두꺼워지고, 볼록부 정점으로부터 거의 방사상으로 오목부를 향해 얇게 되는 것이 바람직하다. 요철의 피치는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 후술하는 표면 전극의 등축을 고려하여, 예컨대, 1~3mm 정도이다. 요철의 고저차는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 0.05~0.1 mm 정도를 들 수 있다.
이 경우, 표면 전극은, 제2 도전형 반도체층과 일부의 영역에 있어서 접속되어 있다. 표면 전극과 제2 도전형 반도체층이 접촉하는 영역은, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 제2 도전형 반도체층의 가장 두꺼운 영역에 있어서 접촉하고 있는 것이 적당하다. 예를 들면, 반도체 기판에 홈이 연속하여 형성되어 있는 경우에는, 홈과 홈 사이에 위치하는 줄무늬상의 볼록부 정점에 있어서의 선형의 영역에서 접촉해 있어도 되고, 볼록부 정점에 등간격으로 배치되는 접촉 영역에 있어서 접촉해 있어도 된다. 혹은, 등간격 또는 격자 형태의 볼록부를 갖는 반도체 기판의 경우에는, 볼록부 정점에 있어서만 점상으로 접촉해 있어도 된다. 표면 전극과 제2 도전형 반도체층의 접촉 영역의 형상은 어떠한 것이어도 되지만, 콘택트 저항, 표면 재결합 등을 고려하여, 전체적으로 기판 표면에 대해 0.1% 정도 이상, 3% 정도 이하의 접촉 면적을 갖는 것이 바람직하다.
표면 전극의 형상은, 특히 한정되지 않지만, 등간격 또는 격자 형태의 볼록부를 갖는 반도체 기판을 사용하는 경우에는, 한 개의 표면 전극이 복수의 볼록부 정점을 지나도록, 복수개 형성되는 것이 바람직하다. 표면 전극의 막두께는, 예컨대, 5~20㎛ 정도를 들 수 있고, 폭은, 예컨대 50~150㎛ 정도가 적당하고, 표면 전극간의 피치는 균일한 것이 바람직하다. 상기 피치는, 반도체 기판의 볼록부의 배치에 의해 적절히 조정되고, 예컨대 1~3 mm 정도가 적당하다.
본 발명의 제1 광전 변환 소자의 제조 방법에 있어서는, 우선, 공정(a)에 있어서, 표면에 요철을 갖는 제1 도전형 반도체 기판상에, 불순물 확산의 장벽이 되는 막을, 볼록부로부터 오목부를 향해 두꺼워지도록 형성한다.
또한, 제2 도전형 반도체층을 형성하는 방법은, 반도체 기판 표면에 제2 도전형의 불순물을 기상 확산, 고상 확산, 이온 주입 등으로 도핑하는 방법, 제2 도전형 반도체층을, 제2 도전형 불순물을 도핑하면서 성장시키는 방법 등의 어느 방법이어도 좋다.
반도체 기판상에 불순물 확산의 장벽으로 되는 막을 형성하는 방법은, 적당한 막 형성용의 도포액을, 회전 도포, 딥법, 스프레이법 등으로 반도체 기판상에 도포하고, 건조하는 방법을 들 수 있다. 그 중에서도, 요철을 갖는 기판 표면에 대해, 도포액을 회전 도포 등의 방법으로 도포하는 경우에는, 오목부에 액이 남기 쉬우므로, 용이하게, 도포막을, 반도체 기판의 볼록부로부터 오목부를 향해 연속적 또는 단계적으로 두꺼워지도록 형성할 수 있다.
도포액으로서는, 예컨대, 티탄 글래스를 형성할 수 있는 TG액이나, 실리콘 글래스를 형성할 수 있는 SG액 등을 들 수 있다. 도포막의 막두께는, 도포막 자체의 재료, 후술하는 제2 도전형의 불순물의 확산 방법 및 불순물의 종류 등으로 적절히 조정할 수 있고, 예를 들면, 막두께가 가장 두꺼운 부분에서는 50~300nm 정도, 가장 얇은 경우에는 0~50nm 정도가 적당하다.
공정 (b)에 있어서, 먼저 형성된 막을 통해, 얻어진 반도체 기판에 제2 도전형 불순물을 도입하여 반도체 기판 표면에 제2 도전형 반도체층을 형성한다.
제2 도전형 불순물의 도입은, 먼저 반도체 기판상에 형성된 불순물 확산의 장벽으로 되는 막을 통해 행하기 때문에, 이 막의 막두께가 두꺼울수록, 불순물은 도입되기 힘들게 되고, 그 결과, 제2 도전형 반도체층은 얇게 형성된다. 즉, 제2 도전형 반도체층은, 반도체 기판 표면의 볼록부로부터 오목부를 향해 얇게 되는 막두께 구배를 가지며 형성된다. 여기서의 불순물의 도입은, 불순물 확산의 장벽으로 되는 막을 통해 행할 수 있는 방법이면 특히 한정되는 것은 아니고, 기상 확산(열확산), 고상 확산, 이온 주입 등의 여러 가지 방법이 될 수 있다. 그 중에서도, 공정의 간편함으로부터, 기상 확산을 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우의 조건은, 상기 분야에서 공지의 조건을 조합하여 설정할 수 있다.
상기 장벽막을 에칭 제거한 후, 플라즈마 CVD법, 대기압 CVD법, 회전 도포법 등을 이용하여 수광면측의 제2 도전형 반도체층의 표면에 질화 실리콘, 산화 티탄 등의 반사 방지막을 형성해도 된다.
다음, 반도체 기판의 이면에 형성된 제2 도전형 반도체층을 에칭 제거한다. 또한, 이면에 알루미늄 페이스트를 인쇄, 소성하고, 이면 전계층 및 이면 전극을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 또한, 공정 (c)에 있어서, 얻어진 반도체 기판 표면의 볼록부에 있어서 제2 도전형 반도체층과 접촉하는 표면 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 표면 전극의 형성 방법은, 특히 한정되는 것은 아니고, 예컨대, 증착, CVD법, EB법, 인쇄ㆍ소성법 등의 여러 가지 방법이 될 수 있다. 그 중에서도, 반도체 기판의 볼록부 정점을 지나도록, 도전성 페이스트를 사용하여 표면 전극을 인쇄ㆍ소성함으로써, 간편하고 확실하게, 도포막의 막두께가 얇은 볼록부 정점 부근에서 반사 방지막을 관통하여 제2 도전형 반도체층과 표면 전극을 접촉시킬 수 있기 때문에, 인쇄 소성법이 바람직하다. 이 경우의 조건은, 상기 분야에서 공지의 재료 및 조건 등을 조합하여 적절히 설정할 수 있다.
홈모양의 볼록부에 수직으로 표면 전극을 형성하는 경우나 격자 형태의 요철을 갖는 반도체 기판의 볼록부를 지나도록 표면 전극을 형성하는 경우, 상기 표면 전극을 형성하기 전, 상기 반사 방지막의 표면에 SG액 등을 회전 도부법 등을 사용하여 도부ㆍ건조ㆍ소성함으로써, 볼록부로부터 오목부를 항해 연속적으로 두꺼워지는 도부막을 형성하는 것이 바람직하다(도2). 이 경우, 표면 전극의 소성에 있어서, 도부막의 막두께가 얇은 볼록부에서는 도부막 및 반사 방지막을 관통하여 제2 도전형 반도체층과 표면 전극이 접촉하지만, 도부막의 막두께가 두꺼운 오목부에서는, 표면 전극을 관통할 수 없다. 그 결과, 표면 전극은 볼록부 정점 부근에서 제2 도전형 반도체층과 점모양으로 접촉한다. 이 접촉 영역을 좁게 할 수 있는 결과, 소수 캐리어의 재결합 속도를 작게 제어하고, 광전 변환 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 표면 전극에 반전 코트하여 광전 변환 소자가 완성된다.
또한, 본 발명의 광전 변환 소자의 제조 방법에 있어서는, 이면 전계층의 형성, 이면 전극의 형성, 반사 방지막의 형성, 보호막 등의 형성을 상기 분야에서 공지의 방법으로 더 행할 수 있고, 이로써, 광전 변환 소자를 완성시킬 수 있다. 또한, 이면 전계 층은, 이면에 도달한 소수 캐리어가 이면 전극에서 재결합하는 것을 방지하여, 고효율화에 기여하는 것이고, 이를 실현하는 것이라면, 상기 분야에서, 통상적으로 사용되는 재료 및 방법으로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 광전 변환 소자에 있어서, 특히, 볼록부에서 얇고 오목부에서 두꺼운 제2 도전형 반도체층을 갖는 광전 변환 소자의 경우에는, 상기한 바와 같이, 반도체 기판은, 표면에 요철을 갖고 있지만, 그 중에서도, 후술하는 바와 같이, 표면 전극과의 접촉 영역으로 되는 오목부의 저부 부근 이외의 제2 도전형 반도체층을 얇게 할 수 있어, 등가적으로 제2 도전형 반도체층을 보다 박막화할 수 있기 때문에, 볼록부가 줄무늬상으로 등간격으로 배치된 것이 보다 바람직하다. 요철의 피치는, 특히 한정되는 것은 아니지만, 후술하는 표면 전극의 폭 등을 고려하여, 예컨대, 0.05~0.1 mm 정도를 들 수 있다.
이 경우의 제2 도전형 반도체층은, 후술하는 표면 전극과의 접촉 영역으로부터 멀어짐에 따라 얇게 되는 구조를 갖고 있다. 환언하면, 반도체 기판의 오목부로부터 볼록부를 향해 얇게 되는 막두께를 갖는 것이 바람직하다. 더 바람직한 형태로서, 홈이 연속하여 형성되는 반도체 기판에서는, 제2 도전형 반도체층의 막두께는, 홈과 홈 사이에 위치하는 줄무늬상의 볼록부 정점에 있어서, 가장 얇아지고, 그 정점으로부터 홈의 저부에 걸쳐 일 모양으로 두껍게 되든지, 혹은, 등간격 또는 격자상의 볼록부를 갖는 반도체 기판에서는, 제2 도전형 반도체층의 막두께는, 볼록부에 있어서 가장 얇아지고, 볼록부로부터 오목부를 향해 두껍게 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 광전 변환 소자의 제조 방법에 있어서는, 우선, 공정 (a′)에 있어서, 표면에 요철을 갖는 제1 도전형 반도체 기판상에, 제2 도전형 불순물을 포함한 막을, 볼록부로부터 오목부를 향해 두꺼워지도록 형성한다. 상기 막을 형성하는 방법은, 적당한 막 형성용의 도포액을, 회전 도포, 딥법, 스프레이법 등으로 반도체 기판상에 도포하고, 건조하는 방법을 들 수 있다. 그 중에서도, 요철을 갖는 기판 표면에 대해, 도포액을 회전 도포 등의 방법으로 도포하는 경우에는, 오목부에 액이 쉽게 남기 때문에, 용이하게, 도포막을, 반도체 기판의 볼록부로부터 오목부를 향해 연속적 또는 단계적으로 두껍게 되도록 형성할 수 있다.
도포액으로서는, 예컨대, PSG액(SG액에 오산화 이인 등의 인원으로 되는 것을 혼합한 액) 등을 들 수 있다. 도포막의 막두께는, 도포막 자체의 재료, 불순물의 종류 등으로 적절히 조정할 수 있고, 예를 들면, 막두께가 가장 두꺼운 부분에서는 50~300 nm 정도, 가장 얇은 경우에는 0~50nm 정도가 적당하다.
공정(b′)에 있어서, 가열함으로써 먼저 형성된 막으로부터 반도체 기판 표면에 제2 도전형 불순물을 도입하여 반도체 기판 표면에 제2 도전형 반도체층을 형성한다.
제2 도전형 불순물의 도입은, 먼저 반도체 기판상에 형성된 불순물을 포함하는 막으로부터의 확산을 사용하여 행하기 때문에, 이 막의 막두께가 얇을수록, 불순물은 도입되기 어렵게 되고, 그 결과, 제2 도전형 반도체층은 얇게 형성된다. 즉, 제2 도전형 반도체층은, 반도체 기판 표면의 오목부로부터 볼록부를 향해 얇게되도록 막두께 구배를 가지며 형성된다.
다음, 상기 막을 에칭 제거한 후, 플라즈마 CVD법 등을 사용하여 수광면측의 제2 도전형 반도체층의 표면에 반사 방지막을 형성한다. 또한, 이면에 알루미늄 페이스트를 인쇄, 소성하고, 이면 전계층 및 이면 전극을 형성한다.
본 발명에 있어서는, 또한, 공정(c′)에 있어서, 얻어진 반도체 기판 표면의 오목부에 있어서 제2 도전형 반도체층과 선형으로 접촉하는 표면 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 표면 전극의 형성 방법은, 특히 한정되는 것은 아니고, 예컨대, 증착, CVD법, EV법, 인쇄ㆍ소성법 등의 여러 가지 방법을 들 수 있다. 그 중에서도, 반도체 기판의 오목부의 저부를 지나도록, 도전성 페이스트를 사용하여 표면 전극을 인쇄 ㆍ소성함으로써, 간편하고 확실하게, 제2 도전형 반도체층의 막두께가 두꺼운 오목부 저부에서 반사 방지막을 관통하여 표면 전극과 제2 도전형 반도체층을 접촉시킬 수 있기 때문에, 인쇄 소성법이 바람직하다. 이 경우의 조건은, 상기 분야에서 공지의 재료 및 조건 등을 조합하여 적절히 설정할 수 있다.
마지막으로, 표면 전극에 반전 코트하여 광전 변환 소자가 완성된다.
(실시예1)
광전 변환 소자(1)는 P형 반도체 기판을 사용한 것이고, 도1 및 도2에 나타낸 바와 같이, 제1 도전형인 P형 반도체 기판(4), P형 반도체 기판(4)의 표면에 형성된 제2 도전형인 N형 반도체층(5), 그 위에 형성된 반사 방지막(6)과 도포막(7), 및 P형 반도체 기판(4)의 이면에 형성된 이면 전계층(3)을 갖고, 또한, 수광면인 P형 반도체 기판(4)의 표면에, 일방향으로 연설된 선형의 복수의 표면 전극(8)과, P형 반도체 기판(4)의 이면에 형성된 이면 전극(2)을 구비하고 있다.
P형 반도체 기판의 표면은 격자 형태의 요철을 갖고 있고, N형 반도체층의 두께는, 볼록부 정점에서 가장 두껍고, 볼록부 정점으로부터 거의 방사상으로 오목부를 향해 연속적으로 얇게 형성되어 있다. 한편, 도포막(7)은, P형 반도체 기판 표면의 오목부에서는 두껍고, 볼록부에서는 얇게 형성되어 있다. 표면 전극(8)은, P형 반도체 기판의 볼록부상의 접촉부(9)에 있어서, N형 반도체층(5)과 부분적으로 접촉하고 있다.
이 광전 변환 소자(1)는, 도3의 프로세스 흐름에 따라 형성할 수 있다.
우선, 균일한 크기의 볼록부가 격자 형태로 등간격(피치:2mm)으로 배치된 P형 반도체 기판(가장 두꺼운 부분의 두께는 300㎛정도, 가장 얇은 부분의 두께가 200㎛ 정도)상에, SG액을 회전 도포법으로 도포하고, 불순물의 확산에 대해 장벽으로 되는 도포막을 형성한다. 이로써, 도포막은, 볼록부 정점에 있어서, 가장 얇게 형성되고, 볼록부 정점으로부터 거의 방사상으로 오목부를 향해 연속적으로 두껍게 형성된다. 도포막의 막두께는 가장 두꺼운 부분에서 250nm 정도, 가장 얇은 부분에서 20nm정도로 형성된다.
다음, 도포막이 형성된 상태에서, P형 반도체 기판에 N형 불순물을 열확산하여 N형 반도체층을 형성한다. N형 반도체층의 두께는, 볼록부 정점에서 가장 두껍게 형성되고, 볼록부 정점으로부터 거의 방사상으로 오목부를 향해 연속적으로 얇게 형성된다. 여기서는, 인을 850℃에서 확산하였다. 이 경우, 실리콘 중, 도포막 중의 인의 확산 계수는, 각각 약 5×10-15cm2/초, 약 3×10-15cm2/초로 되기 때문에, 10분의 확산으로 가장 얇은 부분에서는 약 0.1㎛, 가장 두꺼운 부분에서는 약 0.4㎛로 형성된다.
이어서, 에칭으로 도포막을 제거한 후, 플라즈마 CVD법으로 N형 반도체층 표면에 막두께 700nm 정도의 거의 균일한 막두께의 질화 실리콘막을 퇴적하여 반사 방지막을 형성한다.
또한, 이면 에칭을 행하여 이면측에 형성된 N형 반도체층을 제거한 후, 이면에 알루미늄 페이스트를 인쇄, 소성하고, 막두께 5㎛ 정도의 이면 전계층 및 막두께 50㎛ 정도의 이면 전극을 형성한다.
다음, 기판 표면에 SG액을, 회전 도포로써 도포하고, 도포막을 형성한다. 이 때, 도포막의 막두께는, 볼록부 정점에서 가장 얇고, 볼록부로부터 거의 방사상으로 오목부를 향해 연속적으로 두꺼워진다. 도포막의 막두께는 가장 두꺼운 부분에서 100 nm 정도, 가장 얇은 부분에서 5nm정도로 형성된다.
그 후, 도포막상에 은 페이스트를 인쇄, 소성함으로써, 직선상의 표면 전극을 볼록부 정점을 지나도록 복수 형성한다. 표면 전극의 폭은 100㎛로, 표면 전극간의 피치는 2mm로 형성된다. 또한, 표면 전극은, 도포막이 가장 얇은 볼록부 정점에서, 반사 방지막을 파이어스루하고, 즉, 전극의 인쇄 소성 공정에서, 반사 방지막, 도포막을 관통하는 현상이 일어나고, N형 반도체층과 접촉한다.
마지막으로, 표면 전극에 반전 코트하여 광전 변환 소자를 완성한다.
상기 광전 변환 소자의 특성을 평가했다. 그 결과를 표1에 나타낸다. 또한, 본 발명의 광전 변환 소자에 대한 비교로서, 도9에 나타낸 바와 같은, 반도체 기판의 두께가 균일하고, N형 반도체 층의 두께가 표면 전극 사이에서 가장 얇고(0.1㎛), 표면 전극 직하 전체에 걸쳐 가장 두꺼운(0.4㎛) 이외는, 상기 광전 변환 소자와 실질적으로 같은 광전 변환 소자를 제작하고, 그 특성을 평가했다.
표1
단락 전류(mA/cm2) 개방 전압(mV) FF 광전 변환 효율(%)
실시예 1 31.5 612 0.756 14.5
비교예 30.3 610 0757 14.0
표1로부터, 비교예보다도 실시예 1의 광전 변환 소자 측이, 단락 전류가 높게 되고, 광전 변환 효율이 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 비교예의 N형 반도체층은, 직선상의 표면 전극이 형성된 전체의 영역 직하에 있어서 막두께가 두껍게 형성되는 것에 비해, 실시예 1의 N형 반도체층은, 볼록부 정점 부근(표면 전극과 제2 도전형 반도체층의 접촉 부분)에 있어서 막두께가 두껍게 형성된다. 따라서, 실시예 1의 광전 변환 소자는, 비교예의 경우 보다도, 등가적으로(광전 변환 소자의 전체면에 있어서의 두께를 평균화 하면) 제2 도전형 반도체층의 박형화가 되어 있다. 이로써, 단파장 감도를 보다 개선할 수 있는 동시에, 광생성된 캐리어의 저항 손실을 작게 할 수 있다. 또한, 접촉부가 점형이기 때문에, 표면 전극과 제2 도전형 반도체층의 접촉 면적이 작고, 접촉에 의한 캐리어의 재결합을 감소시킬 수 있다.
또한, N형 반도체층의 평균 시트 저항은, 실시예에서는 120Ω/□, 비교예에서는 90Ω/□ 였다.
(실시예 2)
도4에 나타낸 바와 같이, 피치가 2mm의 연속한 홈이 형성된 반도체 기판을 사용하고, 홈에 수직으로 표면 전극(78)을 형성한 이외는, 실시예 1과 같은 광전 변환 소자(71)를, 동일하게 제조했다. 또한, 도4 중, (72~79)는, 도1의 (2~9)에 대응된다.
얻어진 광전 변환 소자의 제2 도전형인 N형 반도체층(75)은, 기판 볼록부 정점에 있어서 가장 두껍고, 볼록부 정점으로부터 홈의 저부를 향해 연속적으로 얇아진다. 가장 얇은 경우에는 0.1㎛, 가장 두꺼운 경우에는 0.4㎛로 했다. 또한, 표면 전극은 홈과 직교하여 형성되고, 볼록부 정점에서 N형 반도체층(75)과 점접촉해 있다.
상기 광전 변환 소자의 특성을 평가했다. 그 결과를 표2에 나타낸다. 또한, 본 발명의 광전 변환 소자에 대한 비교예로서, 도9에 나타낸 바와 같은, 반도체 기판의 두께가 거의 균일하고, 표면 전극이 N형 반도체층의 가장 두꺼운 부분과 직선형으로 접촉하고 있는 이외는, 상기 광전 변환 소자와 실질적으로 동일한 광전 변환 소자를 제작하고, 그 특성을 평가했다.
표2
단락 전류(mA/cm2) 개방 전압(mV) FF 광전 변환 효율(%)
실시예 2 30.6 612 0.757 14.2
비교예 30.3 610 0.757 14.0
표2로부터, 비교예보다도 실시예2의 광전 변환 소자 측이, 단락 전류, 개방 전압이 높게 되고, 광전 변환 효율이 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 비교예에서는 표면 전극의 접촉 부분이 선형인 것에 비해, 실시예에서는 접촉부가 점형이기 때문에, 표면 전극과 제2 도전형 반도체층의 접촉 면적이 작고, 접촉에 의한 캐리어의 재결합을 감소시킬 수 있다.
(실시예3)
도5에 나타낸 바와 같이, 표면 전극(68)을 형성할 때, 도포막을 형성하지 않고, 또한, 표면 전극(68)을 반도체 기판의 볼록부 정점을 따라 홈과 평행하게 형성되어 있는 것 이외는, 실시예2와 동일한 광전 변환 소자(61)를, 동일하게 제조했다. 또한, 도5 중, (62~66) 및 (69)는, (72~76) 및 (79)에 대응한다.
얻어진 광전 변환 소자(61)의 제2 도전형인 N형 반도체층(65)은, 기판 볼록부 정점에 있어서 가장 두껍고, 볼록부 정점으로부터 홈의 저부를 향해 연속적으로 얇아진다. 가장 얇은 경우는 0.1 ㎛, 가장 두꺼운 경우에는 0.4㎛로 했다. 또한, 표면 전극(68)은 볼록부 정점을 따라 직선형으로 형성되고, 볼록부 정점부에서 N형 반도체층(65)과 선형으로 접촉해 있고, 기판 표면에 요철을 갖는 이외는 도9에 나타낸 종래예와 동일하다.
이상 설명한 바와 같이, 레이저나 포토 리소그래피 공정, 다중 확산 등의 고가의 공정을 사용하지 않고, 두께가 표면 전극간에 가장 얇고, 표면 전극 직하 전체에 걸쳐 가장 두꺼운 N형 반도체층을 갖는 광전 변환 소자가 제조되었다.
(실시예4)
광전 변환 소자(81)는 P형 반도체 기판을 사용한 것이고, 도6에 나타낸 바와 같이, 제1 도전형인 P형 반도체 기판(84)과, P형 반도체 기판(84)의 표면에 형성된 제2 도전형인 N형 반도체층(85)과, 그 위에 형성된 반사 방지막(86)과, P형 반도체 기판(84)의 이면에 형성된 이면 전계층(83)을 갖고, 또한, 수광면인 P형 반도체 기판(84)의 표면에, 일방향으로 연설된 선형의 복수 표면 전극(88)과, P형 반도체 기판(84)의 이면에 형성된 이면 전극(82)을 구비하고 있다.
P형 반도체 기판의 표면은 홈이 연속된 요철을 갖고 있고, N형 반도체층의 두께는, 볼록부 정점에서 가장 얇고, 볼록부 정점으로부터 오목부를 향해 연속적으로 두껍게 형성되어 있다. 표면 전극(88)은, P형 반도체 기판의 홈저부의 접촉부(89)에 있어서, N형 반도체층(5)과 접촉해 있다.
이 광전 변환 소자(1)는, 도7의 프로세스 흐름을 따라 형성할 수 있다.
우선, 거의 균일한 크기의 볼록부가 연속된 줄무늬 형태로 등간격(피치:2mm)으로 배치된 P형 반도체 기판(가장 두꺼운 부분의 두께가 250㎛ 정도, 가장 얇은 부분의 두께가 200㎛정도)상에, PSG액 등의 N형 불순물을 포함한 도포액을 회전 도포법으로써 도포하고, 불순물원으로 되는 도포막을 형성한다. 이로써, 도포막은, 볼록부 정점에 있어서 가장 얇게 형성되고, 볼록부 정점으로부터 거의 방사상으로 오목부를 향해 연속적으로 두껍게 형성된다. 도포막의 막두께는, 가장 두꺼운 부분에서 100nm 정도, 가장 얇은 부분에서 5nm 정도로 형성된다.
다음, 도포막을 건조하고, 가열함으로써, P형 반도체 기판에 도포막으로부터 N형 불순물을 열확산하여 N형 반도체층을 형성한다. N형 반도체층의 두께는, 볼록부 정점에서 가장 얇게 형성되고, 볼록부 정점으로부터 오목부를 향해 연속적으로 두껍게 형성된다. 가장 얇은 부분에서는 0.1㎛, 가장 두꺼운 부분에서는 0.4㎛로 형성된다.
이어서, 에칭으로 도포막을 제거한 후, 플라즈마 CVD법으로 N형 반도체층 표면에 막두께 700㎛ 정도의 거의 균일한 막두께의 질화 실리콘막을 퇴적하여 반사 방지막을 형성한다.
또한, 이면 에칭을 행하여 이면측에 형성된 N형 반도체층을 제거한 후, 이면에 알루미늄 페이스트를 인쇄, 소성하고, 막두께 5㎛ 정도의 이면 전계층 및 막두께 50㎛ 정도의 이면 전극을 형성한다.
그 후, 반사 방지막상에 은 페이스트를 인쇄, 소성함으로써, 직성형의 표면전극을 홈저부를 따르도록 복수 형성한다. 표면 전극의 폭은 100㎛이고, 표면 전극간의 피치는 2mm로 형성된다. 표면 전극은, 반사 방지막을 파이어스루하고, 즉, 전극의 인쇄 소성 공정으로, 반사 방지막을 관통하는 현상이 일어나고, N형 반도체층과 접촉한다.
마지막으로, 표면 전극에 반전 코트하여 광전 변환 소자를 완성한다.
이상과 같이, 레이저나 포토 리소그래피 공정, 다중 확산 등의 고가의 공정을 사용하지 않고, 두께가 표면 전극간에 가장 얇고, 표면 전극 직하 전체에 걸쳐 가장 두꺼운 N형 반도체층을 갖는 광전 변환 소자가 제작되었다.
본 발명의 광전 변환 소자의 제조 방법에 따르면, 고가이며 번잡한 레이저나 포토 리소그래피 및 다중 확산 공정을 사용하지 않고, 도포막의 형성, 불순물의 도입 등의 간편한 방법으로, 소망하는 막두께 구배를 갖는 제2 도전형 반도체층을 확실하게 제조할 수 있기 때문에, 제조 코스트의 저감을 도모할 수 있는 동시에, 수율을 향상 시키는 것이 가능해진다.

Claims (9)

  1. 표면에 요철을 갖는 제1 도전형 반도체 기판을 사용한 광전 변환 소자에 있어서, 적어도 상기 제1 도전형 반도체 기판 표면에 형성된 제2 도전형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 표면 전극, 및 상기 제1 도전형 반도체 기판 이면에 형성된 이면 전극을 갖고,
    상기 제2 도전형 반도체층이, 표면 전극과의 접촉 영역으로부터 멀어짐에 따라 얇게 되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  2. 제1항에 있어서, 반도체 기판이, 소정의 간극으로 배열된 볼록부를 갖고, 제2 도전형 반도체층이, 볼록부로부터 오목부를 향해 얇게 되는 구조를 갖는 광전 변환 소자.
  3. 제2항에 있어서, 볼록부에 표면 전극을 갖는 광전 변환 소자.
  4. 제1항에 있어서, 반도체 기판이, 소정의 간극으로 배열된 볼록부를 갖고, 제2 도전형 반도체층이, 볼록부 정점으로부터 오목부를 향해 두꺼워지는 구조를 갖는 광전 변환 소자.
  5. 제4항에 있어서, 오목부에 표면 전극을 갖는 광전 변환 소자.
  6. (a)표면에 요철을 갖는 반도체 기판상에, 불순물 확산의 장벽으로 되는 막을, 볼록부로부터 오목부를 향해 두꺼워지도록 형성하는 공정과,
    (b)상기 막을 통해 제2 도전형 불순물을 도입하여 상기 반도체 기판 표면에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 공정을 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, (c)반도체 기판 표면의 볼록부에 접촉하는 표면 전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
  8. (a)표면에 요철을 갖는 반도체 기판상에, 제2 도전형 불순물을 포함한 막을, 볼록부로부터 오목부를 향해 두꺼워지도록 형성하는 공정과,
    (b)상기 막으로부터 제2 도전형 불순물을 도입하여 상기 반도체 기판 표면에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 공정을 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, (c)반도체 기판 표면의 오목부에 접촉하는 표면 전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법.
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