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TWI514599B - 光電轉換裝置及其製造方法 - Google Patents

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TWI514599B
TWI514599B TW100120886A TW100120886A TWI514599B TW I514599 B TWI514599 B TW I514599B TW 100120886 A TW100120886 A TW 100120886A TW 100120886 A TW100120886 A TW 100120886A TW I514599 B TWI514599 B TW I514599B
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TW100120886A
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Shunpei Yamazaki
Yasuyuki Arai
Original Assignee
Semiconductor Energy Lab
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Publication date
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Description

光電轉換裝置及其製造方法
本發明關於一種光電轉換裝置。所揭示的發明的一個實施例包括背表面接觸型的元件結構。
作為光電轉換裝置之一，正在對使用單結晶或多結晶的矽基板作為光電轉換層的太陽電池進行開發。這樣的太陽電池的矽基板前表面上形成有不平結構，以減小表面反射。該不平結構藉由使用NaOH等的鹼溶液對矽基板進行蝕刻而形成。由於鹼溶液的蝕刻速度根據矽的晶面取向而不同，所以例如當使用(100)面的矽基板時，可形成金字塔狀的不平結構。此外，提出了具有上述不平結構的背面接觸型太陽電池(例如，參照專利文獻1或2)。
然而，使用鹼溶液進行蝕刻的方法是不適當的，因為發生矽基板的污染。另外，蝕刻特性根據鹼溶液的濃度或溫度等而大幅度不同，由此難以用優良的再現性形成不平結構。為此，提出了組合使用鹼溶液的蝕刻與雷射加工技術的方法(例如，參照專利文獻3)。
然而，即使採用專利文獻3的方法，例如在使用薄膜的光電轉換層的情況等下，也不容易藉由蝕刻方法形成不平結構。
[專利文獻1]　日本專利申請公開2002-164556號公報
[專利文獻2]　日本專利申請公開2006-080450號公報
[專利文獻3]　日本專利申請公開2003-258285號公報
當形成上述不平結構時蝕刻光電轉換層本身的方法是不較佳的，因為該方法在不平結構的控制性有課題，並影響到太陽電池的特性。另外，由於為了蝕刻需要鹼溶液和大量的清洗水，並需要注意污染，所以從生產性的觀點來看上述方法也是不較佳的。
於是，本發明的一個實施例的目的在於提供一種具有新的抗反射結構的光電轉換裝置。
利用鬚狀物(也稱為奈米線)群覆蓋成為光接收面的半導體前表面，以減小表面反射。也就是說，在半導體基板的光接收面一側設置具有鬚狀的成長表面的半導體層。該半導體層具有任意的不平結構，因此可以減小半導體基板的前表面反射。
本發明的一個實施例是一種光電轉換裝置，包括：半導體基板；設置在半導體基板的前表面上的由結晶半導體構成的鬚狀物群；設置在半導體基板的背表面一側的n+ 區域及p+ 區域；與n+ 區域電連接的第一電極；與p+ 區域電連接的第二電極。
另外，本發明的另一個實施例是一種光電轉換裝置，包括：半導體基板；設置在半導體基板的背表面上的由結晶半導體構成的鬚狀物群；設置在半導體基板的背表面一側的n+ 區域及p+ 區域；與n+ 區域電連接的第一電極；與p+ 區域電連接的第二電極；設置在鬚狀物群上的絕緣膜。
這裏，鬚狀物是指在半導體基板的前表面上半導體材料的結晶成長為具有柱狀或針狀的突起的結構。
另外，n+ 區域是指含有高濃度的賦予n型的雜質元素的n型雜質區域(也稱為n型區域)，p+ 區域是指含有高濃度的賦予p型的雜質元素的p型雜質區域(也稱為p型區域)。這裏，高濃度意味著各區域的載子密度大於半導體基板的載子密度的情況。
如上所述，成長為鬚狀的半導體層具有抗反射層的功能。因此，可以減小光接收面的反射損失，並可以提高轉換效率。
另外，藉由利用氣相成長的特別的半導體膜形成光接收面的不平結構，而不進行如常規那樣的鹼溶液的蝕刻，可以防止半導體基板的污染，並可以提高生產性。
下面，關於所揭示的發明的實施例參照圖式進行說明。但是，所揭示的發明並不侷限於以下說明。所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實就是本發明的實施例和詳細內容在不脫離其宗旨及其範圍的條件下可以被變換為各種各樣的形式。因此，所揭示的發明不應該被解釋為僅限於以下所示的實施例的記載內容。
在以下所說明的實施例中，有時在不同圖式之間共同使用相同的參考符號來表示相同的部分。另外，在各實施例的說明中，為了明確起見，有時誇大表示圖式所示的各構成要素，即，層或區域等的厚度、幅度以及相對位置關係等。
(實施例1)
在本實施例中，對光電轉換裝置的結構的一個實例進行說明。
圖1表示光電轉換裝置的一個實例。
光電轉換裝置包括半導體基板102並從該半導體基板102的表面(也稱為光接收面)一側接收光。另外，本發明的一個實施例的特徵在於在半導體基板102的表面具有用來減小入射光150的反射的不平結構。下面，將說明具體結構。
在半導體基板102的表面形成有鬚狀物群114作為不平結構。這裏，由於具有鬚狀物群114，可以減小在光接收面的入射光150的表面反射。下面，將說明鬚狀物群114的詳細內容。
圖1B是鬚狀物群114的放大圖。
如圖1B所示，鬚狀物群114包括覆蓋半導體基板102的結晶半導體區域114a和形成在結晶半導體區域114a上的鬚狀的結晶半導體區域114b。鬚狀物是指半導體材料(例如矽)的結晶成長為具有柱狀或針狀的突起114c的結構。鬚狀物群114具有多個柱狀或針狀突起114c。
這裏，結晶半導體區域114a和結晶半導體區域114b的介面不明確。因此，將結晶半導體區域114a和結晶半導體區域114b的介面定義為在形成在突起114c之間的谷中最深的谷底相同位準且與半導體基板102的前表面平行的平面。
作為突起114c的具體形狀，可以舉出圓柱狀、角柱狀等的柱狀或圓錐狀、角錐狀等的針狀等。突起114c可以為頂部彎曲的形狀。突起114c的直徑為大於或等於50nm且小於或等於10μm，較佳為大於或等於500nm且小於或等於3μm。另外，突起114c在軸上的長度h為大於或等於0.5μm且小於或等於1000μm，較佳為大於或等於1.0μm且小於或等於100μm。
在此，突起114c在軸上的長度h是指在經過突起114c的頂點(或上表面的中心)的軸上，頂點(或上表面的中心)與結晶半導體區域114a之間的距離。
另外，鬚狀物群114的厚度為結晶半導體區域114a的厚度與結晶半導體區域114b的厚度之和。這裏，結晶半導體區域114b的厚度是指從突起114c的頂點到結晶半導體區域114a之間的垂直線的長度(即，高度)。
另外，突起114c的直徑是指在結晶半導體區域114a和結晶半導體區域114b的介面處切割成圓形時的突起114c的剖面形狀的長軸長度。
這裏，將突起114c從結晶半導體區域114a伸出的方向稱為長邊方向，將沿長邊方向的剖面形狀稱為長邊剖面形狀。另外，將以長邊方向為法線方向的面稱為切割成圓形時的剖面形狀。
在圖1B中，突起114c的長邊方向沿一個方向(例如，相對於結晶半導體區域114a表面的法線方向)延伸。這裏，突起114c的長邊方向與相對於結晶半導體區域114a表面的法線方向大致一致即可。在此情況下，每個方向的不一致程度在5度之內較佳。像這樣，由於突起114c的長邊方向大致一致，所以在圖1B中僅表示突起114c的長邊剖面形狀。
此外，作為其他示例，如圖1C所示，多個突起的長邊方向也可以彼此不統一。典型地，可以具有其長邊方向與法線方向大致一致的第一突起124a和其長邊方向與法線方向不同的第二突起124b。另外，第二突起124b的在軸上的長度可以比第一突起124a更長。像這樣，由於多個突起的長邊方向不統一，所以在圖1C中，除了突起的長邊剖面形狀之外，混合有突起的切割成圓形時的剖面形狀(區域114d)。
將參照圖6說明上述鬚狀物群的光學特性。圖6是表示取樣的正規反射率的波長依賴性的圖，該取樣包括鈦箔以及形成在鈦箔上且具有多晶結構的矽的鬚狀物群。
在圖6中用虛線表示其反射特性的取樣1是切斷為直徑Φ12 mm的圓形狀的厚度為0.1 mm的鈦箔。另外，由實線顯示其反射特性的取樣2是在與取樣1相同形狀的直徑Φ12 mm且厚度為0.1 mm的鈦箔上藉由LPCVD法形成具有鬚狀物群的多晶矽層的取樣。該多晶矽層藉由如下方法形成：在壓力設定為13Pa、基板溫度設定為600℃的處理室內以300 sccm的流量引入矽烷，沉積多晶矽層2小時15分鐘。
當測定正規反射率時，利用分光光度計(日立高新技術公司製造的“日立分光光度計U-4100”)。這裏，將採樣間隔設定為2 nm，對各個取樣照射從200 nm到1200 nm的光。並且，將對各個取樣的光入射角設定為5度，來測定反射率(5度正規反射率)。橫軸為照射光的波長，縱軸為反射率。
根據圖6可以知道，在鈦箔表面上形成有具有鬚狀物群的多晶矽層的取樣2的光反射率極低，幾乎沒有發生光反射。另外，在波長850 nm至894 nm的範圍內SN比率小，因此反射率為負值。另一方面，鈦箔的取樣1的正規反射率為2%至15%。因此，可以知道藉由在鈦箔表面上形成具有鬚狀物群的多晶矽層，可以降低反射率。
從圖6所示的特性可明顯看出，藉由具有鬚狀物群114，可以將可見光區域的表面反射率在整個帶域中降低為小於或等於10%，較佳為小於或等於5%。
另一方面，在半導體基板102的背面一側形成有n+ 區域104及p+ 區域106。另外，在n+ 區域104上形成有電極110，在p+ 區域106上形成有電極112。這裏，半導體基板102採用p型半導體基板。
也就是說，在半導體基板102的背面一側形成有由電極110、n+ 區域104、p型半導體基板102、p+ 區域106及電極112構成的光電轉換元件。光電轉換裝置包括一個或多個該光電轉換元件。這裏，將p型半導體基板102(也稱為p區域)用作活性層。
如上所述，光電轉換裝置的一個實施例是在背面(與光接收面相反的表面)形成接觸的結構。亦即，具有所謂的背面接觸型的結構。另外，不侷限於背面接觸型，只要是在光接收面具有鬚狀物群的結構，即可。
另外，也可以在半導體基板102的背面上形成有絕緣膜108。在此情況下，藉由形成在絕緣膜108中的接觸孔，n+ 區域104與電極110電連接，p+ 區域106與電極112電連接。
作為半導體基板102，典型地使用矽或鍺。另外，也可以使用砷化鎵、磷化銦等的化合物半導體。另外，作為半導體基板102，可以採用單晶半導體基板或多晶半導體基板。p型半導體基板例如含有硼等賦予p型的雜質元素。另外，也可以使用n型半導體基板，例如使用含有磷等賦予n型的雜質元素的基板。另外，作為半導體基板102，可以使用片狀或薄膜狀的基板。
另外，也可以藉由在p型半導體基板102(p區域)與n+ 區域104之間設置p- 區域，來形成活性層內的雜質濃度階段性地變化的n+ /p- /p/p+ 結構(圖7A)。藉由採用該結構，由於產生在p- 區域中的內部電場少數載子的擴散長增長，因此可以增加短路電流。
另外，也可以藉由在p型半導體基板102(p區域)與p+ 區域106之間設置p- 區域，來形成活性層內的雜質濃度階段性地變化的n+ /p/p- /p+ 結構(圖7B)。藉由採用該結構，在p區域與p+ 區域之間可設置高電阻的p- 區域，由此活性層與p+ 區域之間的能量差增大，因此，可以增加開路電壓。另外，也可以在n+ 區域與p型半導體基板之間設置n- 區域。
這裏，短路電流是指當施加到外部的電壓為0V時的電流，而開路電壓是指當流過外部的電流為0A時的電壓。這些因素都是決定太陽電池的性能的特性之一，藉由增高這些因素，可以提高太陽電池的性能。
另外，n+ 區域104是指含有高濃度的賦予n型的雜質元素的n型雜質區域(也稱為n型區域)，p+ 區域106是指含有高濃度的賦予p型的雜質元素的p型雜質區域(也稱為p型區域)。另外，n- 區域是指含有低濃度的賦予n型的雜質元素的n型雜質區域，p- 區域是指含有低濃度的賦予p型的雜質元素的p型雜質區域。這裏，「高濃度」意味著各區域的載子密度大於半導體基板102的載子密度的情況。另一方面，「低濃度」意味著各區域的載子密度小於半導體基板102的載子密度的情況。
本實施例可以與其他實施例適當地組合而實施。
(實施例2)
在本實施例中，將說明光電轉換裝置的製造方法的一個實例。
在半導體基板102的表面(成為光接收面的表面)上形成金屬層103(圖2A)。
在此，作為半導體基板102使用p型單晶矽基板。但是，也可以使用n型基板。
作為金屬層103，形成幾nm左右的極為薄的薄膜較佳。藉由這樣，可以抑制從半導體基板102的表面入射的光被金屬層103吸收或反射。這裏，金屬層103的膜厚度為大於或等於1 nm且小於或等於10 nm。
另外，金屬層103所包含的金屬材料均勻地分散並固定在半導體基板102的表面上較佳。
金屬層103藉由使用以鉑、鋁、銅、鈦、或者添加有矽、鈦、釹、鈧或鉬等的鋁合金等為代表的金屬材料並利用濺射法等來形成。另外，使用與矽起反應而形成矽化物的金屬材料較佳。當金屬層103為矽化物時，可以減輕光反射。
另外，也可以藉由利用將包含上述金屬材料的溶液塗敷在半導體基板102的表面的方法形成金屬層103。藉由採用該方法，可以調節溶液中的金屬材料的濃度，所以可以減薄金屬層103。另外，可以均勻地分散包含在金屬層103中的金屬材料。
接著，在半導體基板102的背面一側形成n+ 區域104及p+ 區域106(圖2A)。
藉由使用掩模並利用摻雜方法等添加賦予n型的雜質元素(磷或砷等)來形成n+ 區域104。
藉由使用掩模並利用摻雜方法等添加賦予p型的雜質元素(鋁或硼等)來形成p+ 區域106。
接著，在形成有n+ 區域104及p+ 區域106的半導體基板102的背面形成絕緣膜107(圖2B)。
絕緣膜107是氧化矽膜等，並用作半導體基板102的保護膜。藉由設置絕緣膜107，可以在之後形成鬚狀物群時保護半導體基板102。
接著，在金屬層103上形成由結晶半導體構成的鬚狀物群114(圖2B)。下面，示出將結晶矽成長為鬚狀的實例。
鬚狀物群114藉由低壓化學氣相沉積法(也稱為LPCVD法)而形成。
藉由進行加熱並使用含有矽的原料氣體(半導體材料)來進行LPCVD法。加熱溫度設定為高於550℃且在LPCVD設備及半導體基板102可耐受的溫度以下，較佳的是，高於或等於在580℃且低於650℃。另外，LPCVD設備的反應室的壓力設定為當流過原料氣體時可保持的壓力的下限以上且低於或等於200 Pa。作為含有矽的沉積氣體有氫化矽、氟化矽或氯化矽，典型地，有SiH4 、Si2 H6 、SiF4 、SiCl4 、Si2 Cl6 等。另外，也可以對原料氣體引入氫。
由於藉由氣相成長法可以形成鬚狀物群114，所以半導體基板102不被污染。因此，與對半導體基板102進行蝕刻來形成不平結構的方法相比，上述方法是更優越的。
藉由上述製程，可以形成如實施例1所說明的鬚狀物群114的結構。
圖5表示鬚狀物群114的平面SEM(Scanning Electron Microscope)照片。如圖5所示，藉由上述製程而獲得的結晶矽具有多個柱狀或針狀的突起。突起在軸上的長度中的較長者為15μm至20μm左右。另外，除了長突起之外，也存在多個短突起。作為突起的軸方向，既有與金屬層103大致垂直的方向，又有相對於鈦膜傾斜的方向。這裏，在圖5中作為金屬層103使用鈦膜。
接著，使用氫氟酸等去除半導體基板102的背面的絕緣膜107。
接著，在鬚狀物群114的表面及半導體基板102的背面形成絕緣膜108(圖2C)。絕緣膜108是氮化矽膜等，並用作鈍化膜。
然後，在形成在半導體基板102的背面的絕緣膜108中形成接觸孔，來露出n+ 區域104及p+ 區域106(圖3A)。
該接觸孔可以藉由對絕緣膜108照射雷射光束的方法或使用掩模的蝕刻等來形成。
然後，藉由絲網印刷法或蒸鍍法等形成電極110及電極112，該電極110及電極112藉由接觸孔分別電連接到n+ 區域104及p+ 區域106(圖3B)。
作為電極110及電極112的材料，可以使用選自鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鉬、銅中的元素或者以上述元素為主要成分的合金材料或化合物材料。另外，也可以層疊這些材料。
藉由上述製程，可以製造光電轉換裝置。
另外，也可以利用吸氣處理去除金屬層103。作為吸氣處理，例如在含有鹵素元素的氧化氣圍中進行高於或等於800℃且低於或等於1150℃的熱處理。具體來說，在對氧氣圍中添加3%的氯化氫的氣圍中進行950℃的熱處理，即可。藉由進行吸氣處理，可以去除金屬層103，從而可以增加入射光量。另外，也可以使用氫氟酸等蝕刻金屬層103。
本實施例可以與其他實施例適當地組合而實施。
(實施例3)
在本實施例中，作為光電轉換裝置的製造方法，對與實施例2不同的一個實例進行說明。
在實施例2的結構中，金屬層103在半導體基板102的表面上形成為薄膜狀。
另一方面，在本實施例中，在半導體基板102的表面上形成島狀的金屬層，而代替圖2A所示的金屬層103。島狀的金屬層可以利用絲網印刷法或蒸鍍法形成。
藉由採用該結構，製造的光電轉換裝置在半導體基板102的表面與鬚狀物群114之間具有島狀的金屬層116(圖4)。由於金屬層116為島狀，與在半導體基板的整個表面存在金屬層的情況相比，可以減小反射等。
其他製程與實施例2同樣。
本實施例可以與其他實施例適當地組合而實施。
102．．．半導體基板
103．．．金屬層
104．．．n+ 區域
106．．．p+ 區域
107．．．絕緣膜
108．．．絕緣膜
110．．．電極
112．．．電極
114．．．鬚狀物群
114a．．．結晶半導體區域
114b．．．結晶半導體區域
114c．．．突起物
114d．．．區域
116．．．金屬層
124a．．．第一突起
124b．．．第二突起
150．．．入射光
在圖式中：
圖1A至1C是表示光電轉換裝置的結構的圖；
圖2A至2C是表示光電轉換裝置的製造方法的圖；
圖3A和3B是表示光電轉換裝置的製造方法的圖；
圖4是表示光電轉換裝置的結構的圖；
圖5是表示鬚狀物的結構的圖；
圖6是表示鬚狀物的反射率的圖；
圖7A和7B是表示光電轉換裝置的結構的圖。
102．．．半導體基板
104．．．n+ 區域
106．．．p+ 區域
108．．．絕緣膜
110．．．電極
112．．．電極
114．．．鬚狀物群
150．．．入射光

Claims (13)

  1. 一種光電轉換裝置，包括：半導體基板，具有前表面和背表面，其中該半導體基板的該背表面設置有n型雜質區域及p型雜質區域；在該前表面上的金屬層；在該金屬層上的多個鬚狀物，其中該多個鬚狀物包含結晶半導體；在該n型雜質區域上的第一電極；在該p型雜質區域上的第二電極，其中，該多個鬚狀物的每一個包括直徑為大於或等於500nm且小於或等於3μm和長度為大於或等於1μm且小於或等於100μm之突起，以及其中，該多個鬚狀物的反射率為小於或等於5%。
  2. 一種光電轉換裝置，包括：半導體基板，具有前表面和背表面，其中該半導體基板的該背表面設置有n型雜質區域及p型雜質區域；在該前表面上的金屬層；在該金屬層上的多個鬚狀物，其中該多個鬚狀物包含結晶半導體；在該n型雜質區域和該p型雜質區域上的絕緣膜；在該絕緣膜上的第一電極；以及在該絕緣膜上的第二電極，其中，該第一電極藉由該絕緣膜中的接觸孔電連接到該n型雜質區域， 其中，該第二電極藉由該絕緣膜中的接觸孔電連接到該p型雜質區域，其中，該多個鬚狀物的每一個包括直徑為大於或等於500nm且小於或等於3μm和長度為大於或等於1μm且小於或等於100μm之突起，以及其中，該多個鬚狀物的反射率為小於或等於5%。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之光電轉換裝置，還包括：在該多個鬚狀物上的絕緣膜。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項之光電轉換裝置，其中，該n型雜質區域包含藉由摻雜方法所添加的n型雜質元素，且其中，該p型雜質區域包含藉由摻雜方法所添加的p型雜質元素。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項之光電轉換裝置，其中，該p型雜質區域包括第一p型雜質區域及第二p型雜質區域，且其中，該第一p型雜質區域的第一雜質濃度與該第二p型雜質區域的第二雜質濃度不同。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項之光電轉換裝置，其中，該金屬層為選自鉑、鋁、銅、鈦和包含矽、鈦、釹、鈧或鉬的鋁合金之群組中的任一者。
  7. 一種光電轉換裝置的製造方法，包括如下步驟：在半導體基板的前表面上形成金屬層；在高於550℃的溫度下提供半導體氣體給該金屬層， 以在該半導體基板的該前表面上形成多個鬚狀物；以n型雜質氣體照射該半導體基板的背表面，以在該半導體基板的該背表面上形成n型雜質區域；以p型雜質氣體照射該半導體基板的該背表面，以在該半導體基板的該背表面上形成p型雜質區域；在該n型雜質區域上形成第一電極；以及在該p型雜質區域上形成第二電極，其中，該多個鬚狀物的每一個包括直徑為大於或等於500nm且小於或等於3μm和長度為大於或等於1μm且小於或等於100μm之突起，以及其中，該多個鬚狀物的反射率為小於或等於5%。
  8. 一種光電轉換裝置的製造方法，包括如下步驟：在半導體基板的前表面上形成金屬層；在形成該金屬層之後，在高於550℃的溫度下提供半導體氣體給該金屬層，以在該半導體基板的該前表面上形成多個鬚狀物；以n型雜質氣體照射該半導體基板的背表面，以在該半導體基板的該背表面上形成n型雜質區域；以p型雜質氣體照射該半導體基板的該背表面，以在該半導體基板的該背表面上形成p型雜質區域；在該n型雜質區域及p型雜質區域上形成絕緣層；在該n型雜質區域上形成第一電極，該第一電極藉由該絕緣層中的接觸孔而電連接到該n型雜質區域；以及在該p型雜質區域上形成第二電極，該第二電極藉由 該絕緣層中的接觸孔而電連接到該p型雜質區域，其中，該多個鬚狀物的每一個包括直徑為大於或等於500nm且小於或等於3μm和長度為大於或等於1μm且小於或等於100μm之突起，以及其中，該多個鬚狀物的反射率為小於或等於5%。
  9. 根據申請專利範圍第7或8項之光電轉換裝置的製造方法，還包括如下步驟：在該多個鬚狀物上形成絕緣膜。
  10. 根據申請專利範圍第7或8項之光電轉換裝置的製造方法，其中，該n型雜質區域包含藉由摻雜方法所添加的n型雜質元素，且其中，該p型雜質區域包含藉由摻雜方法所添加的p型雜質元素。
  11. 根據申請專利範圍第7或8項之光電轉換裝置的製造方法，其中，該金屬層具有島狀結構。
  12. 根據申請專利範圍第7或8項之光電轉換裝置的製造方法，其中，該p型雜質區域包括第一p型雜質區域及第二p型雜質區域，且其中，該第一p型雜質區域的第一雜質濃度與該第二p型雜質區域的第二雜質濃度不同。
  13. 根據申請專利範圍第7或8項之光電轉換裝置的製造方法， 其中，該金屬層為選自鉑、鋁、銅、鈦和包含矽、鈦、釹、鈧或鉬的鋁合金之群組中的任一者。
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