JPH1012908A

JPH1012908A - 半導体装置及び微粒子半導体膜の製造方法及び光電変換素子

Info

Publication number: JPH1012908A
Application number: JP16177996A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Nozaki; 秀俊野崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】４５０℃以下の低温プロセスでもアニール処理
をせず、高移動度且つ均一な薄膜である。【解決手段】基板上に、半導体結晶微粒子核３０と、こ
の半導体結晶微粒子核３０の周囲を少なくとも一部を取
り囲む多結晶半導体部３１とからなる半導体微粒子が集
合し、且つ隣接する半導体微粒子が多結晶半導体部３１
を介して電気的に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体結晶微粒子
を主成分とする微粒子半導体膜を用いた半導体装置、微
粒子半導体膜の製造方法、更には光電変換素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】薄膜トランジスタを用いた液晶ディスプ
レイにおいては、高性能且つ低コストなデバイスを実現
するために、低温プロセスを用いて、より高移動度、そ
してより低欠陥密度な薄膜を形成できる技術が切に求め
られている。

【０００３】従来、上記デバイスの薄膜として、水素化
非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）膜や、多結晶シリコン
（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜が広く用いられている。ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ膜に関しては、プラズマＣＶＤ法などを用いて約
３００℃以下の低基板温度で欠陥密度：１０¹⁵ｃｍ^-3以
下の高品質膜を形成することが可能である。しかし、結
晶と異なり、シリコンネットワークに不規則性が有るた
め、２ｃｍ² ／Ｖｓ以上の高移動度の実現は極めて困難
である。

【０００４】一方、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の場合、約６００
℃以上の高温プロセスで熱ＣＶＤ法によって、数百ｃｍ
² ／Ｖｓ以上の高移動度を有するｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形
成することができる。しかし、低コスト基板を使うため
に、４５０℃以下で形成すると、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形
成することができなくなってしまう。そこで、４５０℃
以下の温度でａ−Ｓｉ膜を成膜後、エキシマレーザアニ
ールを用いて再結晶化を行なうａ−Ｓｉ：Ｈ膜の再結晶
化法が広く用いられている。この再結晶化法により、高
移動度を有するｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成することができ
る。

【０００５】再結晶化法により得られた膜の代表的な断
面を図１３に示す。８０は基板、８１は多結晶核、８２
は結晶粒界、８３ａと８３ｂはレーザの各１ショット幅
を示し、８３ｃはレーザ光の重なり部である。重なり部
８３ｃでは再結晶化がより進むため、周囲より結晶粒が
平均的に大きくなるので、平面的な不均一性が生じる。
そのため、微細化した場合のトランジスタの特性がばら
つくという問題がある。また、再結晶化はレーザ入射側
の膜表面から進むため、基板側の結晶粒小さくなるの
で、深さ方向の不均一が生じる。そのため、膜特性（特
に移動度）の再現性が悪いなどの問題がある。

【０００６】ところで、ａ−Ｓｉ：Ｈあるいはｐｏｌｙ
−Ｓｉを用いた素子として、太陽電池がある。現在、Ｇ
ａＡｓ等の化合物系では最高２５％以上、単結晶Ｓｉや
多結晶Ｓｉ等では２３％以上、ａ−Ｓｉでは最高１３％
以上の変換効率が報告されている。高変換効率を有する
結晶系のシリコンからなる太陽電池を形成するには、結
晶系のシリコンを４５０℃以上の温度で形成しなければ
ならない。そのためには、耐熱性のガラス基板を用いな
ければならなかった。耐熱性のガラスは高価なため、製
造コストが高くなるという問題があった。

【０００７】しかし、発電用や一般家庭用として本格的
に普及させるには、高い変換効率を維持しつつ、抜本的
な低コスト化を図ることが急務となっている。そのた
め、本質的に変換効率が高いＧａＡｓやＳｉ等の結晶系
半導体薄膜を４５０℃以下のプロセスを用い、任意の低
コスト基板（例えば、低融点ガラス、フレキシブルフィ
ルム、金属）上に形成する低温薄膜形成プロセスが求め
られている。

【０００８】また、さらに高い変換効率が得られる方法
として、タンデム型構造が知られている。これは、バン
ドギャップの異なる異種材料の太陽電池を積み重ねた構
造を有し、太陽光の吸収率を最大化して光効率化を図っ
たものである。この構造の代表例として、ＧａＡｓ／Ｓ
ｉがあり、３０％以上の変換効率が報告されている。し
かし、低コスト基板上にこの種のタンデム型の太陽電池
を形成できた例はまだない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜
は、低温プロセスでは高移動度を有する膜を形成するこ
とができなかった。また、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜において
は、低温で形成することができない、また、低温でａ−
Ｓｉ膜を成長させた後に、レーザアニールを行ってｐｏ
ｌｙ−Ｓｉ膜を形成すると、平面的、深さ方向が均一な
膜を得ることができず、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に形成したト
ランジスタの特性が異なる、また、膜特性の再現性が悪
いという問題があった。また、太陽電池において、低温
プロセスを用いて変換効率の高い結晶性の膜を形成する
ことができなかったので、低コスト化と高変換効率化と
を両立することができなかった。

【００１０】本発明の目的は、低温プロセスでも高移動
度、低欠陥密度を有し、平面的、深さ方向に均一な半導
体装置及び微粒子半導体膜の製造方法を提供することに
ある。また、４５０℃以下の低温プロセスで変換効率の
高い結晶性の膜を形成する事が可能な光電変換素子を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（構成）（１）本発明の半導体装置は、基板上に、微粒子半導
体膜が形成された半導体装置であって、前記微粒子半導
体膜は、前記基板上に離散的に積層された複数の半導体
結晶微粒子核と、これらの半導体結晶微粒子核の少なく
とも一部を取り囲み、隣接する半導体結晶微粒子核を電
気的に接続する多結晶半導体部とからなることを特徴と
する。（２）本発明の半導体装置は、基板上に、微粒子半導
体膜が形成された半導体装置であって、前記微粒子半導
体膜は、前記基板上に離散的に積層された複数の半導体
結晶微粒子核と、これらの半導体結晶微粒子核の少なく
とも一部を取り囲み、隣接する半導体結晶微粒子核を電
気的に接続する多結晶半導体部と、前記多結晶半導体部
の少なくとも一部を取り囲む非晶質半導体部とからなる
ことを特徴とする。（３）本発明の微粒子半導体膜の製造方法は、微粒子
半導体膜の形成に供される基板の表面上に、半導体結晶
微粒子を供給する工程と、前記基板近傍の上方で、前記
半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融する工程とを含むこ
とを特徴とする。（４）本発明の光電変換素子は、ｐ型半導体とｎ型半
導体とのｐｎ接合を有し、光エネルギーを電気エネルギ
ーに変換する光電変換素子において、前記ｐ型半導体、
ｎ型半導体のうち少なくとも一方が微粒子半導体膜から
なることを特徴とする。（５）（１）に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、電子移動度が１０ｃｍ² ／Ｖｓ以上、または正孔移
動度が１ｃｍ² ／Ｖｓ以上であることが望ましい。（６）（１）に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、前記半導体結晶微粒子核の体積分率が５〜９５％の
範囲にあることが望ましい。（７）（２）に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、電子移動度が２ｃｍ² ／Ｖｓ以上、または正孔移動
度が０．１ｃｍ² ／Ｖｓ以上であることが望ましい。（８）（２）に記載の半導体装置中の微粒子半導体膜
は、半導体結晶微粒子核の体積分率が５〜９５％の範囲
にあり、非晶質半導体部の体積分率が０〜５０％の範囲
にあることが望ましい。（９）（４）に記載の光電変換素子において、微粒子
半導体膜がバンドギャップの異なる複数の半導体結晶微
粒子から構成されている。（１０）（４）に記載の光電変換素子は、微粒子半導
体膜と微結晶半導体膜あるいは非晶質半導体膜とからな
る接合を有する。（１１）（４）に記載の光電変換素子は、タンデム型
である。

【００１２】本発明の微粒子半導体装置中の微粒子半導
体膜を形成する装置について構成を以下に示す。（１２）微粒子半導体膜の形成に供される基板が配置
される成膜室と、この成膜室内に前記基板上に堆積すべ
き半導体結晶微粒子を供給する手段と、前記基板近傍の
上方で、前記半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融する手
段とを具備してなることを特徴とする。（１３）プラズマ気相反応法によって半導体結晶微粒
子を成長させる成長室と、この成長室と複数のオリフィ
スを介して接続され、微粒子半導体膜の形成に供される
基板が配置される成膜室と、前記基板の上方で、前記半
導体結晶微粒子の表面近傍を溶融する溶融手段を具備し
てなることを特徴とする。（１４）（１２），（１３）に記載の微粒子半導体膜
製造装置は、前記成膜室内に磁場を印加する手段を有す
る。（１５）（１２），（１３）に記載の微粒子半導体膜
製造装置は、前記基板にバイアス電圧を印加する手段を
有する。（１６）（１２）に記載の微粒子半導体膜製造装置
は、オリフィスと基板との距離間隔を所望の値に調節し
得る手段を有する。（１７）（１２）に記載の微粒子半導体膜製造装置
は、成長室内にＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の原子半径の大きい
不活性ガスを導入する手段を有する。（１８）（１３）に記載の微粒子半導体膜製造装置の
半導体結晶微粒子を供給する手段は、成膜室内に半導体
微粒子粉末を供給するものである。（１９）（１２），（１３）に記載の微粒子半導体膜
製造装置の半導体結晶微粒子を溶融する手段は、成膜室
内に外部からレーザ光を導入するものである。（２０）（１２），（１３）に記載の微粒子半導体膜
製造装置の半導体結晶微粒子を溶融する手段は、熱プラ
ズマを発生させて半導体結晶微粒子を溶融させるもので
ある。

【００１３】（作用）本発明の半導体装置は微粒子半導
体膜を含み、この微粒子半導体膜中の半導体結晶微粒子
核が電子や正孔の主たる伝導経路になっており、さらに
半導体結晶微粒子核が多結晶部によって、良好に電気接
続されている。従って、多結晶体や非晶質体のみが主な
伝導経路になっている従来の半導体薄膜に比べて、伝導
キャリアが高い移動度を有することができる。また、欠
陥数が極めて少ない半導体結晶微粒子核を主成分として
いるので、従来の多結晶体や非晶質体のみからからなる
半導体薄膜に比べて欠陥密度が極めて少ない特徴を有す
る。

【００１４】さらに、本発明の微粒子半導体膜の製造方
法は、予め少なくとも表面が溶融した半導体結晶微粒子
を基板上に供給することによって、基板温度が４５０℃
以下の低温プロセスにおいても、高移動度、低欠陥密度
を有する微粒子半導体膜を得ることができる。また、レ
ーザアニールのような、膜形成後の再結晶化のプロセス
を用いずに形成することができるので、平面方向及び深
さ方向において均一な膜を得ることができる。

【００１５】また、基板と半導体結晶微粒子核を溶融す
る位置が離れていると、溶融された微粒子同士が接触し
てくっつくことがあり、膜中の半導体微粒子核の大きさ
が異なって形成されることがある。すると、半導体微粒
子核の大きさが異なるため、膜の特性が異なってしま
う。しかし、本発明のように半導体微粒子核の溶融を、
基板上方近傍で行うことによって、膜中の半導体結晶微
粒子核の大きさが均一になる。

【００１６】本発明の光電変換素子は、微粒子半導体膜
を用いることによって、変換効率の高い結晶性の薄膜を
４５０℃以下の温度で形成することができる。従って、
低い基板温度で形成することが可能なので低価格な基板
を用いることができ、低コストと高変換効率とを同時に
実現することができる。

【００１７】また、本発明の光電変換素子を太陽電池に
適用すると、４５０℃以下の低い基板温度で形成するこ
とができるので、微結晶半導体膜または非晶質半導体膜
の上に、結晶系の微粒子半導体膜が形成した形の半導体
接合を容易に形成することができる。

【００１８】また、複数の物質の結晶微粒子を同時に供
給して、基板上に堆積させることによって、複数の物質
の結晶微粒子核が存在する薄膜を形成することができ
る。このような膜をセルとして用いることによって、シ
ングル型セルでありながら、タンデム型セルと同様な性
質を持たせることができる。この素子は、タンデム型セ
ルと同様な性質を有しながら、シングル型セル構造であ
るので、高変換効率で低コストな光電変換素子を製造す
ることができる。

【００１９】微粒子半導体膜は、４５０℃以下の低温プ
ロセスで形成可能なことから、微粒子半導体膜を含むタ
ンデム型セルにおいて、結晶性の半導体膜と非晶質ある
いは微結晶半導体膜とを混在させることができ、個々の
セルのオーミック接続部に例えばμｃ−Ｓｉやａ−Ｓｉ
を用いて、ｐｎ接合を形成することができる。勿論、μ
ｃ−Ｓｉやａ−Ｓｉ膜は３００℃以下の温度において、
プラズマＣＶＤ法等により形成可能なので、微粒子半導
体膜の上に微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）やａ−Ｓｉを
堆積させるのは容易である。

【００２０】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１は本発明の第１実施形態に係わる
微粒子半導体膜製造装置の概略を示す模式図である。半
導体結晶微粒子を生成する半導体結晶微粒子成長室１０
が設けられている。半導体結晶微粒子をプラズマＣＶＤ
法によって形成するための原料ガスを貯蔵する原料ガス
供給室１１が、成長室１０の外部に設置されている。原
料ガス供給室１１内の原料ガスは、バルブ１２を介して
成長室１０内に導入される。また、成長室１０内に、半
導体結晶微粒子を生成するために必要なプラズマ電力を
供給する放電板１３が設けられている。放電板１３に電
力を供給するための高周波電源１４（例えば１４４ＭＨ
ｚのＶＨＦ帯電源）が、成長室１０の外部に設けられ、
放電板１３に接続されている。

【００２１】成長室１０に、成膜室１５が接続されてい
る。成長室１０と成膜室１５との間には、成長室１０で
生成された半導体結晶微粒子を含むガスを均一に導入す
るためにオリフィス１６が複数設けられている。成膜室
１５の外部に、半導体結晶微粒子を閉じこめるための磁
場を発生させる電磁石１７が設けられている。電磁石１
７の下方に、半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融させる
レーザ光源１８が設けられている。そして、レーザ光源
１８から照射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ
１９によって、光路や強度が調節されて成膜室１５内に
導入される。

【００２２】導入されるレーザ光の光路の下方近傍に、
ヒーター２０により所定温度に加熱されたサセプタ２１
上に基板２２が保持されている。サセプタ２１に、直流
または交流のバイアス電圧を印加するバイアス電源２３
が設けられている。また、サセプタ２１は可動機構２４
によって上下、回転運動が可能になっており、オリフィ
ス１６と基板２２との距離間隔が調節可能になってい
る。また、必要に応じて、原料ガス供給室１１から成膜
室１５へ原料ガスが導入されるよう、原料ガス供給室１
１と成膜室１５との間にバルブ２６が設けられている。

【００２３】次に、上記構成の装置を用いた、シリコン
結晶微粒子半導体膜の形成を一例として説明する。成長
室１０及び成膜室１５内を十分に真空排気した後、原料
ガス供給室１１からシランとアルゴンガスとの混合ガス
を成長室１０に導入する。成長室１０内の圧力を０．０
１〜５Ｔｏｒｒ、成膜室１５の圧力を１０^-5〜１Ｔｏｒ
ｒの範囲に設定した後、放電板１３に、高周波電源１４
からラジカルの発生効率の高いＶＨＦ電力を印加し、プ
ラズマを生成する。

【００２４】すると、プラズマ中に小粒径のシリコン結
晶微粒子（直径：数ｎｍ〜数１０ｎｍ）が生成される。
生成されたシリコン結晶微粒子は負に帯電するが、正イ
オン流に押されて負電位の放電板１３のシース側に滞留
する。また、大きい粘性を有するＡｒ正イオン流が負電
位の放電板１３に向かうため、シリコン結晶微粒子は放
電板１３近傍から脱出しにくくなり、放電板１３近傍で
の滞留時間が長くなる。その結果、比較的大きな粒径の
シリコン結晶微粒子（数１０ｎｍ〜最大数μｍ、平均的
には１００〜１０００ｎｍ程度）を放電板１３近傍で成
長させることができる。

【００２５】ある滞留時間を過ぎると、シリコン結晶微
粒子は成長室１０に設けられている複数のオリフィス１
６を通り、成膜室１５に飛び出す。帯電しているシリコ
ン結晶微粒子は、電磁石１７によって与えられる磁場に
よって、成膜室１５の内壁方向に飛散せず、効率的に基
板２２上方の成膜室１５空間内に閉じこめられるので、
成膜速度が早くなる。

【００２６】そして、シリコン結晶微粒子は、レーザ光
源１８から発せられたレーザ光の光路上を通過する際、
表面近傍が溶融される。レーザ光源１８として、エキシ
マレーザ、ＣＯ₂ レーザ、ＹＡＧレーザ等があるが、融
点１４１０℃のＳｉを溶かし得るものであればどのよう
なものでも良い。そして、表面近傍が溶融されたシリコ
ン結晶微粒子は、基板２２上に電気的に接続された状態
で凝集し、基板２２上に薄膜を形成する。この時、基板
温度は４５０℃以下の低温でも、高移動度且つ低欠陥密
度を有する薄膜が均一に形成することができる。また、
サセプタ２１にバイアス電源２３によってバイアス電圧
を印加すれば、帯電したシリコン結晶微粒子を更に効率
的に基板上に集められるので、成膜速度を向上させるこ
とができる。

【００２７】また、可動機構２４により、オリフィス１
６と基板との距離間隔を所定値より長くすれば、シリコ
ン結晶微粒子に比べて寿命の短いラジカル（ＳｉＨ３，
ＳｉＨ２，ＳｉＨ，Ｈ等）が基板２２上に余り到達しな
くなるので、シリコン結晶微粒子主体の薄膜が形成され
る。この薄膜の断面を図２に示す。基板２２上に溶融さ
れなかったシリコン結晶微粒子核３０と、レーザによっ
て溶融され、再結晶化した多結晶部３１とから構成され
ている。ここで、３２は基板２２に付着したシリコン結
晶微粒子の境界である。しかし、実際の境界３２は隣接
する微粒子の多結晶部３１によって共有されているため
に、明確に観察されるとは限らない。

【００２８】次に、この薄膜の電子移動度、あるいは正
孔移動度と結晶微粒子核３０の体積分率の依存性を図
３，４に示す。ここで、電子移動度、正孔移動度は共に
共通した体積分率依存性を示している。体積分率が５％
〜９５％の間は、体積分率が上昇するにしたがい、電子
移動度及び正孔移動度が上昇している。しかし、体積分
率が５％以下，９５％以上になると、電子移動度及び正
孔移動度は急激に減少していることがわかる。そのた
め、シリコン結晶微粒子核３０の体積分率は５％〜９５
％の間にあることが望ましいといえる。

【００２９】また、基板２２とオリフィス１６との距離
を所定値より短くすれば、ラジカルの到達数が増加する
ので、電気的に接続されたシリコン結晶微粒子核の回り
を非晶質シリコンが取り囲んだ膜を形成することができ
る。この薄膜の断面を図５に示す。図３と同一なものに
は、同一符号を付し、その説明を省略する。この薄膜の
特徴は、Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−Ｈ₂ ，Ｓｉ−Ｈ₃ などのシリ
コン−水素結合を含む非晶質シリコン部３３が膜中に形
成され、境界３２を非晶質シリコン部３３が取り囲んだ
ような膜が形成されていることである。この薄膜は、図
２の薄膜に比べて、表面の平坦性が改善されるという特
徴がある。

【００３０】また、この薄膜の電子移動度、あるいは正
孔移動度の非晶質シリコン部３３の体積分率依存性を図
６，７に示す。電子移動度、正孔移動度は共通した体積
分率依存を示している。０〜５０％の間では、電子移動
度及び正孔移動度は穏やかに減少している。しかし、体
積分率が５０％以上になると、電子移動度及び正孔移動
度は急激に減少する特性を示す。従って、非晶質シリコ
ン部３３の体積分率は０〜５０％の間が望ましいといえ
る。また同時に、図３，４から、結晶微粒子核の体積分
率が５〜９５％の間にあることが望ましいといえる。

【００３１】（第２実施形態）また、第１実施形態の微
粒子半導体膜製造装置と異なる装置を図８に示す。微粒
子粉末供給室４０内に収められたシリコン微粒子粉末
は、キャリアガスと一緒に、粉末供給ノズル４１を通し
て、プラズマ溶融室４２に供給される。Ｓｉ微粒子の大
きさは、１０ｎｍから１００μｍのサイズのものを選択
すれば良い。また、キャリアガスとしては、Ｈｅ，Ｎ
ｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の不活性ガスを用いることがで
きる。

【００３２】また、ガス供給部４３よりプラズマ発生用
ガス及び原料ガスがガス供給ノズル４４を通して、プラ
ズマ溶融室４２に導入される。プラズマ発生用ガスとし
ては、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅなどの不活性ガス
を用いることができる。また、膜中に非晶質Ｓｉ部を含
ませる場合には、原料ガスとして、シランやシジラン等
の珪素化合物ガスを用い、必要に応じて水素ガスを混合
すれば良い。

【００３３】また、プラズマ溶融室４２の周囲に高周波
を発生する高周波コイル４５が設置されている。そして
プラズマ溶融室４２の下方に成膜室１５が接続されてい
る。そして、成膜室１５内には、サセプタ２１上に基板
２２が配置されている。また、成膜室１５の外部に、電
磁石１７が設置されている。

【００３４】この装置における微粒子半導体膜の製造に
ついて説明する。キャリアガスと一緒に流れるＳｉ微粒
子と、プラズマ発生用ガスとをプラズマ溶融室４２内に
導入する。そして、所定の圧力（例えば、１０〜７６０
Ｔｏｒｒ）に調圧した後、高周波コイル４５に高周波電
力（周波数：１〜２００ＭＨｚ，電力：１〜１００ｋ
Ｗ）を加えて、熱プラズマを発生させる。この熱プラズ
マによって、Ｓｉ微粒子粉末の表面が溶融される。この
時、周波数や電力の調整によって、微粒子粉末を全て溶
融させることもできるし、表面付近のみを溶融させるこ
ともできる。溶融された微粒子粉末は、ガスの流れに沿
って基板２２に向かい、基板２２上に堆積される。

【００３５】なお、電磁石１７によって、基板２２上の
成膜室１５内に磁場を与えれば、電荷を帯びたＳｉ微粒
子粉末を基板上の空間内に閉じこめることができるの
で、成膜速度の向上が図れる。

【００３６】また、Ｓｉ微粒子を成膜室に供給し、レー
ザでＳｉ微粒子表面を溶融させる構成の装置も可能であ
る。また、図９に示すように、第１実施形態のように、
Ｓｉ微粒子をＣＶＤ法によって形成し、成膜室内に供給
しても微粒子半導体膜を形成することができる。ここで
図１，８と同一な部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。この装置は、Ｓｉ微粒子を供給する方法に比
べて、均一な大きさの微結晶を提供することができる。

【００３７】（第３実施形態）本発明の第３実施形態に
係わるシングル型セルの太陽電池の断面図を図１０に示
す。４５０℃以下の低温において、変形や含有不純物拡
散の恐れがない低融点ガラス基板５０上に、Ｔｉ，Ｍ
ｏ，Ｃｒ，Ａｌ等からなる裏面電極５１が形成されてい
る。裏面電極５１上に、５〜１０００μｍ程度の膜厚の
ｐ型微粒子シリコン（Ｓｉ）膜５２が形成されている。
このｐ型微粒子Ｓｉ膜５２は、第１実施形態に記載の微
粒子半導体膜である。ｐ型微粒子Ｓｉ膜５２上に、１０
〜５０ｎｍ程度の膜厚のｎ型微結晶シリコン（μｃ−Ｓ
ｉ）膜またはｎ型非晶質カーバイト膜（ａ−Ｓｉ）のｎ
型層５３を介して、ＩＴＯ等の透明電極５４が形成され
ている。そして、透明電極５４上の一部に、集電電極５
５が形成されている。そして、透明電極５４及び集電電
極５５上に反射防止膜５６が形成されている。

【００３８】なお、本実施形態の太陽電池の形成におい
て、ｐ型微粒子Ｓｉ膜５２形成後、適当な段階で、ｐ型
微粒子Ｓｉ膜５２と裏面電極５１とのオーミック接触を
良好にするため、４００℃〜４５０℃の温度範囲でシン
ター処理を約１５分間行なうことが望ましい。

【００３９】透明電極５４側から入射した光によってｐ
型微粒子Ｓｉ膜５２で発生した電子は、ｎ型層５３との
接合界面に拡散しｐｎ接合電界に押し流されて、集電電
極５５から取り出される。一方、同様に発生した正孔は
裏面電極５１に拡散し、電流として取り出される。

【００４０】本実施形態の太陽電池の特性を計測したと
ころ、ＡＭ−１．５、１００ｍＷ／ｃｍ² の太陽光照射
下の変換効率は１４％以上の良好な値が得られた。ま
た、面積１ｍ² 以上の大面積素子においても、１２％以
上の高い変換効率を得ることが可能であった。

【００４１】さらに、本実施形態の太陽電池は、主に結
晶系半導体からなるため、非晶質シリコン太陽電池に見
られていた光劣化がなく、信頼性が高くなるという性質
を有する。

【００４２】（第４実施形態）図１１は、本発明の第４
実施形態に係わる太陽電池の断面図である。ここで図１
０と同一な部分には同一符号を付し、その説明を省略す
る。本実施形態の特徴は、ｐ型層が、ｐ型シリコン（Ｓ
ｉ）結晶微粒子６１と、ｐ型ゲルマニウム（Ｇｅ）結晶
微粒子６２とからなるｐ型微粒子Ｓｉ・Ｇｅ膜６３で構
成されていることである。つまり、バンドギャップ及び
光吸収波長領域が異なる物質が、一つのセル中に形成さ
れている。また、基板として、低コストで得られる金属
基板を用い、例えば、ステンレス基板６０を用いてい
る。

【００４３】ＳｉとＧｅのバンドギャップは、それぞれ
１．１ｅＶ、０．６７ｅＶである。従来のＧｅ素子は、
約１．８μｍ以下というＳｉ素子よりも広い波長領域に
おいて光電変換を行なうもの、表面吸収によるキャリア
の再結合損失が大きくなるので、短波長側（約１μｍ以
下）の感度が悪くなるという欠点があった。一方、本実
施形態の構造では、Ｓｉ微粒子が短波長光（波長１．１
μｍ以下）を効率よく光電変換することができるので、
短波長側の感度を大きく改善することができる。従っ
て、従来のＧｅ素子あるいはＳｉ素子単体からなる構造
に比べて、短絡光電流を大幅に増大させることができ
る。また、従来のＧｅ素子ではバンドギャップが狭いた
め、０．３〜０．３５Ｖの小さい開放電圧しか得ること
ができなかった。しかし、本実施形態ではＧｅ微粒子よ
りもバンドギャップの大きいＳｉ微粒子の存在によっ
て、Ｓｉ素子なみの約０．５Ｖまで開放電圧が高くな
る。

【００４４】本実施形態の太陽電池は、大きな開放電圧
と、大きな短絡光電流が得られるので、変換効率１６％
以上（ＡＭ−１．５、１００ｍＷ／ｃｍ² ）の高性能素
子を低コストで製造することができる。

【００４５】（第５実施形態）図１２は、本発明の第５
実施形態に係わる太陽電池の断面図である。ここで図１
０，１１と同一な部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。本実施形態の太陽電池の特徴は、３種類のシ
ングルセルが積層されたタンデム型セルで構成されてい
ることである。

【００４６】ステンレス基板６０上に、裏面電極５１を
介して、ＳｉとＧｅからなるｐ型微粒子Ｓｉ・Ｇｅ膜６
３が形成されている。ｐ型微粒子Ｓｉ・Ｇｅ膜６３上
に、ｎ型のμｃ−Ｓｉあるいはａ−Ｓｉからなるｎ型層
５３が形成されて、第１のシングルセル７０が形成され
ている。そして、上部にｐ型のμｃ−Ｓｉあるいはａ−
Ｓｉからなるオーミック接続層７１と、ｐ型Ｓｉ微結晶
膜５２と、ｎ型層５３とが積層された第２のシングルセ
ル７２が形成されている。そして、この上部にｐ型のオ
ーミック接続層７１と、ｉ型のアモルファスシリコン層
７３と、ｎ型層５３と、透明電極５４と、集電電極５５
と、反射防止膜５６が積層された第３のシングルセル７
４が形成されている。

【００４７】最上層の第３のシングルセル７４で波長が
約７００ｎｍ以下の光（ａ−Ｓｉのバンドギャップは約
１．７ｅＶ）が、第２のシングルセル７２で波長が約
１．１μｍ以下の光が、再下層の第１のシングルセル７
０で約１．８μｍ以下の光が吸収されるように構成され
ている。各層の膜厚は、各シングルセルの短絡電流が等
しく、かつ最大になるように決定される。３つのセルの
開放電圧の和が、このタンデム型セルの開放電圧にな
る。ＡＭ−１．５、１００ｍＷ／ｃｍ² 照射下での変換
効率は、開放電圧１．８Ｖ以上と短絡光電流１５ｍＷ／
ｃｍ² 、１８％以上の高い値を示す。

【００４８】以上説明したように、本発明の光電変換素
子は任意の低コスト基板上に結晶系の微粒子半導体膜が
低温で堆積形成されたものなので、高光電変換効率、か
つ低コスト化が同時に実現することができる。

【００４９】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではない。太陽電池以外にも、光電変換部を含む素
子について適用することができる。本発明の半導体装置
中の微粒子半導体膜は、太陽電池以外にも、薄膜トラン
ジスタを用いた液晶ディスプレイにも適用することがで
きる。

【００５０】Ｓｉ及びＧｅの微粒子半導体膜について示
したが、その他、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＳｂ，
ＩｎＰ，ＣｄＴｅ，ＺｎＯ，ＣｕＩｎＳｅ₂ 等からなる
微粒子半導体膜でも良い。

【００５１】第３，４，５実施形態の太陽電池中の微粒
子半導体膜は、膜中に非晶質半導体部を含んでいても良
い。また、ｎ型層が微粒子半導体膜からなっていても良
い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することが可能である。

【００５２】

【発明の効果】本発明の半導体装置は、装置中の微粒子
半導体膜内が微粒子結晶核が電気的に接続されることに
よって高移動度、且つ低欠陥密度な膜を提供することが
できる。

【００５３】本発明の微粒子半導体膜の製造方法は、半
導体微粒子を供給し、該微粒子の表面を溶融させて基板
上に堆積させることによって、４５０℃以下プロセスで
微粒子半導体膜を形成することができる。

【００５４】本発明の光電変換素子は、上記微粒子半導
体膜を用いることによって、低温プロセスで結晶性の膜
を形成することができるので、低コスト化と高効率化を
両立することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わる微粒子半導体膜製造装置
の概念を示す模式図。

【図２】第１実施形態に係わる微粒子半導体膜の断面
図。

【図３】図２の微粒子半導体膜の電子移動度の体積分率
依存性を示す特性図。

【図４】図２の微粒子半導体膜の正孔移動度の体積分率
依存性を示す特性図。

【図５】第１実施形態に係わる微粒子半導体膜の断面
図。

【図６】図５の微粒子半導体膜の電子移動度の非晶質シ
リコン部体積分率依存性を示す特性図。

【図７】図５の微粒子半導体膜の正孔移動度の非晶質シ
リコン体積分率依存性を示す特性図。

【図８】第２実施形態に係わる微粒子半導体膜製造装置
の概念を示す模式図。

【図９】第２実施形態に係わる微粒子半導体膜製造装置
の概念を示す模式図。

【図１０】第３実施形態に係わるシングル型セルの太陽
電池を示す断面図。

【図１１】第４実施形態に係わるシングル型セルの太陽
電池を示す断面図。

【図１２】第５実施形態に係わるタンデム型セルの太陽
電池を示す断面図。

【図１３】従来のレーザアニールによる多結晶膜を示す
断面図。

【符号の説明】

１０…成長室１１…原料ガス供給室１２…バルブ１３…放電板１４…高周波電源１５…成膜室１６…オリフィス１７…電磁石１８…レーザ光源１９…シリンドリカルレンズ２０…ヒーター２１…バイアス電源２２…基板２３…バイアス電源２４…可動機構２６…バルブ３０…シリコン結晶微粒子核３１…多結晶シリコン部３２…境界３３…アモルファスシリコン部４０…微粒子粉末供給室４１…粉末供給ノズル４２…プラズマ溶融室４３…ガス供給部４４…ガス供給ノズル４５…高周波コイル５０…ガラス基板５１…裏面電極５２…ｐ型微粒子シリコン膜５３…ｎ型層５４…透明電極５５…集電電極５６…反射防止膜６０…ステンレス基板６１…ｐ型シリコン結晶微粒子６２…ｐ型ゲルマニウム結晶微粒子６３…ｐ型微粒子シリコン・ゲルマニウム膜７０…第１のシングルセル７１…オーミック接続層７２…第２のシングルセル７３…ｉ型アモルファスシリコン層７４…第３のシングルセル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、微粒子半導体膜が形成された半
導体装置であって、前記微粒子半導体膜は、前記基板上
に離散的に積層された複数の半導体結晶微粒子核と、こ
れらの半導体結晶微粒子核の少なくとも一部を取り囲
み、隣接する半導体結晶微粒子核を電気的に接続する多
結晶半導体部とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】基板上に、微粒子半導体膜が形成された半
導体装置であって、前記微粒子半導体膜は、前記基板上
に離散的に積層された複数の半導体結晶微粒子核と、こ
れらの半導体結晶微粒子核の少なくとも一部を取り囲
み、隣接する半導体結晶微粒子核を電気的に接続する多
結晶半導体部と、前記多結晶半導体部の少なくとも一部
を取り囲む非晶質半導体部とからなることを特徴とする
半導体装置。
【請求項３】微粒子半導体膜の形成に供される基板の表
面上に、半導体結晶微粒子を供給する工程と、前記基板
近傍の上方で、前記半導体結晶微粒子の表面近傍を溶融
する工程とを含むことを特徴とする微粒子半導体膜の製
造方法。
【請求項４】ｐ型半導体とｎ型半導体とのｐｎ接合を有
し、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換
素子において、前記ｐ型半導体、ｎ型半導体のうち少なくとも一方が微
粒子半導体膜からなることを特徴とする光電変換素子。