JP2001237187A - 結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温プラズマＣＶＤ法で形成する結晶質シリ
コン系半導体薄膜の成膜速度を高速化することによっ
て、その生産効率を高めるとともにその膜特性をも改善
する。 【解決手段】 結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方法
は、そのシリコン系薄膜をプラズマＣＶＤ法で堆積する
条件として：基板に対向して反応ガスを吹出すプラズマ
放電電極が配置され、その電極に含まれる複数のガス放
出穴の各々はガス導入側に比べてガス放出側において大
きな断面直径を有し；反応室内のガス圧は５Ｔｏｒｒ以
上であり；反応ガスは主要成分としてシランガスと水素
ガスを含み；そしてシリコン系薄膜の堆積速度が１μｍ
／ｈ以上であることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体薄膜の製造方
法に関し、特に、結晶質シリコン系（シリコン合金を含
む）半導体薄膜の低コスト化と特性改善に関するもので
ある。なお、本明細書において、「結晶質」と「多結
晶」と「微結晶」の用語は、シリコン系薄膜の技術分野
において一般に用いられているように、部分的に非晶質
状態を含むものをも意味するものとする。

【０００２】

【従来の技術】現在では、プラズマＣＶＤ法が、種々の
半導体薄膜を形成するためしばしば利用されている。代
表的な例としては、薄膜太陽電池、電子写真コピー機の
感光ドラム、液晶ディスプレイのＴＦＴアレイなどに必
要とされるシリコン系薄膜がプラズマＣＶＤ法を利用し
て形成されている。ここで薄膜光電変換装置を例にとれ
ば、それは一般にｐｉｎ接合を含み、光電変換作用は実
質的に真性の半導体層であるｉ層において主として生じ
る。そして、電界を生じさせるための導電型層であるｐ
層とｎ層はｉ層に比べてはるかに薄いものであり、薄膜
光電変換装置の性能はｉ層の特性によって著しい影響を
受ける。したがって、一般に、ｐ層とｎ層が非晶質か結
晶質かに拘らず、ｉ層が非晶質の場合には非晶質系
（型）薄膜光電変換装置と称され、ｉ層が結晶質の場合
には結晶質系（型）薄膜光電変換装置と称される。

【０００３】ところで、薄膜光電変換装置の代表的なも
のとして非晶質シリコン系太陽電池がある。非晶質光電
変換材料は通常２００℃前後の低い成膜温度の下でプラ
ズマＣＶＤ法によって形成されるので、ガラス，ステン
レス，有機フィルム等の安価な基板上に形成することが
でき、低コストの光電変換装置のための有力材料として
期待されている。また、非晶質シリコンにおいては可視
光領域での吸収係数が大きいので、５００ｎｍ以下の薄
い膜厚の非晶質光電変換層を用いた太陽電池において１
５ｍＡ／ｃｍ2 以上の短絡電流が実現されている。

【０００４】しかし、非晶質シリコン系材料では、Steb
ler-Wronskey効果と呼ばれるように、光電変換特性が長
期間の光照射によって低下するなどの問題を抱えてお
り、さらにその有効感度波長領域が８００ｎｍ程度まで
である。したがって、非晶質シリコン系材料を用いた光
電変換装置においては、その信頼性や高性能化には限界
が見られ、基板選択の自由度や低コストプロセスを利用
し得るという本来の利点が十分には生かされていない。

【０００５】これに対して、近年では、たとえば多結晶
シリコンや微結晶シリコンのような結晶質シリコンを含
む半導体薄膜を利用した光電変換装置の開発が精力的に
行なわれている。これらの開発は、安価な基板上に低温
プロセスで良質の結晶質シリコン薄膜を形成することに
よって光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立させ
るという試みであり、太陽電池だけでなく光センサ等の
さまざまな光電変換装置への応用が期待されている。

【０００６】これらの結晶質シリコン薄膜の形成方法と
しては、たとえばＣＶＤ法やスパッタリング法にて基板
上に直接堆積させるか、同様のプロセスで一旦非晶質膜
を堆積させた後に熱アニールやレーザアニールを行なう
ことによって結晶化を図るなどの方法があるが、いずれ
にしても前述のような安価な基板を用いるためには５５
０℃以下のプロセスで行なう必要がある。

【０００７】そのようなプロセスの中でも、プラズマＣ
ＶＤ法によって直接結晶質シリコン薄膜を堆積させる手
法は、プロセスの低温化や薄膜の大面積化が最も容易で
あり、しかも比較的簡便なプロセスで高品質な膜が得ら
れるものと期待されている。このような手法で多結晶シ
リコン薄膜を得る場合、結晶質を含む高品質シリコン薄
膜を何らかのプロセスで一旦基板上に形成した後に、こ
れをシード層または結晶化制御層としてその上に成膜を
することによって、比較的低温でも良質の多結晶シリコ
ン薄膜が形成され得る。

【０００８】一方、水素でシラン系原料ガスを１０倍以
上希釈しかつプラズマ反応室内圧力を１０ｍＴｏｒｒ〜
１Ｔｏｒｒの範囲内に設定してプラズマＣＶＤ法で成膜
することによって、微結晶シリコン薄膜が得られること
はよく知られており、この場合には２００℃前後の温度
でもシリコン薄膜が容易に微結晶化され得る。たとえ
ば、微結晶シリコンのｐｉｎ接合からなる光電変換ユニ
ットを含む光電変換装置がAppl, Phys, Lett., Vol 65,
1994, p.860に記載されている。この光電変換ユニット
は、簡便にプラズマＣＶＤ法で順次積層されたｐ型半導
体層、光電変換層たるｉ型半導体層およびｎ型半導体層
からなり、これらの半導体層のすべてが微結晶シリコン
であることを特徴としている。ところが、高品質の結晶
質シリコン膜、さらには高性能のシリコン系薄膜光電変
換装置を得るためには、従来の製法や条件の下ではその
成膜速度が厚さ方向で０．６μｍ／ｈｒに満たないほど
遅く、非晶質シリコン膜の場合と同程度かもしくはそれ
以下でしかない。

【０００９】他方、低温プラズマＣＶＤ法で比較的高い
５Ｔｏｒｒの圧力条件の下でシリコン膜を形成した例
が、特開平４−１３７７２５に記載されている。しか
し、この事例はガラス等の基板上に直接シリコン薄膜を
堆積させたものであり、特開平４−１３７７２５に開示
された発明に対する比較例であって、その膜の品質は低
くて光電変換装置へ応用できるものではない。

【００１０】また、一般にプラズマＣＶＤ法の圧力条件
を高くすれば、プラズマ反応室内にパウダー状の生成物
やダストなどが大量に発生する。その場合、堆積中の膜
表面にそれらのダスト等が飛来して堆積膜中に取り込ま
れる危険性が高く、膜中のピンホールの発生原因とな
る。そして、そのような膜質の劣化を低減するために
は、反応室内のクリーニングを頻繁に行なわなければな
らなくなる。特に、５５０℃以下のような低温条件で成
膜する場合には、反応室圧力を高くした場合のこれらの
問題が顕著となる。しかも、太陽電池のような光電変換
装置の製造においては、大面積の薄膜を堆積させる必要
があるので、製品歩留りの低下や成膜装置維持管理ため
の労力およびコストの増大という問題を招く。

【００１１】したがって、シリコン系薄膜をプラズマＣ
ＶＤ法を用いて製造する場合には、上述のように従来か
ら通常は１Ｔｏｒｒ以下の圧力条件が用いられている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述のような結晶質シ
リコン系半導体薄膜を含む光電変換装置においては、以
下のような問題がある。すなわち、多結晶シリコンであ
ろうと部分的に非晶質相を含む微結晶シリコンであろう
と、太陽電池の光電変換層として用いる場合には、結晶
質シリコンの吸収係数を考えれば、太陽光を十分に吸収
させるためには少なくとも数μｍから数十μｍもの膜厚
が好ましい。これは、非晶質シリコン光電変換層の場合
に比べれば１桁弱から２桁も厚いことになる。

【００１３】しかるに、これまでの技術によれば、プラ
ズマＣＶＤ法によって低温で良質の結晶質シリコン系半
導体薄膜を得るためには、温度，反応室内圧力，高周波
パワー，ならびにガス流量比というような種々の成膜条
件パラメータを検討しても、その成膜速度は非晶質シリ
コン膜の場合と同程度もしくはそれ以下であって、たと
えば０．６μｍ／ｈｒ程度にしかならなかった。この問
題を言い換えれば、結晶質シリコン薄膜光電変換層は非
晶質シリコン光電変換層の何倍から何１０倍もの成膜時
間を要することになり、光電変換装置の製造工程のスル
ープットの向上が困難となって低コスト化の妨げとな
る。

【００１４】上述のような従来技術の課題に鑑み、本発
明の目的は、低温プラズマＣＶＤ法で形成する結晶質シ
リコン系半導体薄膜の成膜速度を高めて製造工程のスル
ープットを向上させ、かつそのシリコン系薄膜の特性を
改善させることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による結晶質シリ
コン系半導体薄膜の製造方法においては、基板上にその
シリコン系薄膜をプラズマＣＶＤ法で堆積する条件とし
て：プラズマ反応室内において第１の電極上に基板が配
置され；その基板に対向して第２の電極が配置され；第
２電極はシリコン系薄膜を堆積するための反応ガスを基
板に向けて放出するために複数のガス放出穴を有し；そ
れらのガス放出穴の各々はガス導入側に比べてガス放出
側において大きな断面直径を有し；反応室内の反応ガス
圧は５Ｔｏｒｒ以上にされ；反応ガスは主要成分として
シランガスと水素ガスを含み；そして、シリコン系薄膜
の堆積速度が１μｍ／ｈ以上であることを特徴としてい
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の１つの実施の形
態により製造される結晶質シリコン系半導体薄膜を含む
薄膜光電変換装置を模式的な斜視図で図解している。こ
の光電変換装置の基板１０１にはステンレス等の金属、
有機フィルム、または低融点の安価なガラス等が用いら
れ得る。

【００１７】基板１０１上の裏面電極１１０は、下記の
薄膜（Ａ）と（Ｂ）のうちの１以上を含み、たとえば蒸
着法やスパッタリング法によって形成され得る。 （Ａ） Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，ＣｕおよびＰ
ｔから選択された少なくとも１以上の金属またはこれら
の合金からなる層を含む金属薄膜。 （Ｂ） ＩＴＯ，ＳｎＯ₂ およびＺｎＯから選択された
少なくとも１以上の酸化物からなる層を含む透明導電性
薄膜。

【００１８】裏面電極１１０上には光電変換ユニット１
１１の内の１導電型半導体層１０４がプラズマＣＶＤ法
にて堆積される。この１導電型半導体層１０４として
は、たとえば導電型決定不純物原子であるリンが０．０
１原子％以上ドープされたｎ型シリコン層、またはボロ
ンが０．０１原子％以上ドープされたｐ型シリコン層な
どが用いられ得る。しかし、１導電型半導体層１０４に
関するこれらの条件は限定的なものではなく、不純物原
子としてはたとえばｎ型層のための窒素等やｐ型層のた
めのアルミニウム等を用いてもよく、またシリコンカー
バイドやシリコンゲルマニウムなどの合金材料を用いて
もよい。１導電型シリコン系薄膜１０４は、多結晶，微
結晶，または非晶質のいずれでもよく、その膜厚はたと
えば２〜１５０ｎｍの範囲内に設定され得る。

【００１９】結晶質シリコン系薄膜の光電変換層１０５
としては、ノンドープのｉ型多結晶シリコン薄膜や体積
結晶化分率８０％以上のｉ型微結晶シリコン薄膜、また
は微量の不純物を含む弱ｐ型もしくは弱ｎ型で光電変換
効率を十分に備えているシリコン系薄膜材料が使用され
得る。また、光電変換層１０５はこれらの材料に限定さ
れず、シリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等の
合金材料を用いてもよい。光電変換層１０５の膜厚は
０．５〜１０μｍの範囲内にあり、結晶質シリコン薄膜
光電変換層として必要かつ十分な膜厚を有している。

【００２０】結晶質シリコン系光電変換層１０５の成膜
は、平行平板電極型プラズマＣＶＤ法で行なわれ、周波
数が１５０ＭＨｚ以下でＨＦ帯からＶＨＦ帯までの高周
波電源が用いられ得る。なお、これらのプラズマＣＶＤ
法における結晶質シリコン系光電変換層１０５の成膜温
度は、上述した安価な基板が使用され得る５５０℃以下
である。

【００２１】結晶質シリコン系薄膜光電変換層１０５の
堆積時において、プラズマＣＶＤ反応室内で一方の電極
上に装着された基板とその基板に対向する電極との距離
は８〜３０ｍｍの範囲内に設定され、反応室内圧力が５
Ｔｏｒｒ以上に設定される。また、そのときの高周波パ
ワー密度は４０ｍＷ／ｃｍ²以上であることが好まし
い。さらに、反応室内に導入されるガスの主成分として
シラン系ガスと水素ガスを含み、かつシラン系ガスに対
する水素ガスの流量比は４０倍以上にされることが好ま
しい。シラン系ガスとしてはモノシラン，ジシラン等が
好ましいが、これらに加えて四フッ化ケイ素，四塩化ケ
イ素，ジクロルシラン等のハロゲン化ケイ素ガスを用い
てもよい。また、これらに加えて希ガス等の不活性ガ
ス、好ましくはヘリウム，ネオン，アルゴン等を用いも
よい。以上のような結晶質シリコン系光電変換層１０５
の形成条件において、その成膜速度が１μｍ／時以上に
され得る。

【００２２】この結晶質シリコン系薄膜１０５に含まれ
る結晶粒の多くは、下地層１０４から上方に柱状に延び
て成長している。これらの多くの結晶粒は膜面に平行に
（１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折で求
めた（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピー
クの強度比は１／５以下であり、１／１０以下であるこ
とが好ましい。なお、下地層である１導電型層１０４の
表面形状が実質的に平面である場合でも、光電変換層１
０５の形成後のその表面にはその膜厚よりも約１桁ほど
小さい間隔の微細な凹凸を有する表面テクスチャ構造が
形成される。また、得られる結晶質シリコン系薄膜１０
５は、２次イオン質量分析法により求められる水素含有
量が０．１原子％以上で２０原子％以下の範囲内にある
ことが好ましい。

【００２３】本発明における結晶質シリコン系薄膜１０
５の形成方法では、従来の１Ｔｏｒｒ以下の圧力条件に
比べて高圧力が用いられるので、膜中のイオンダメージ
が極力低減できる。したがって、成膜速度を速めるため
に高周波パワーを高くしたりガス流量を増加させても、
堆積膜表面でのイオンダメージが少なくて、良質の膜が
高速度で形成され得る。また、高圧力条件で成膜を行な
えば反応室内のパウダー生成による汚染が懸念される
が、原料ガスが水素のような高熱伝導性ガスで従来に比
べて多量に希釈されているので、このような問題も起こ
りにくい。

【００２４】さらに、以下のような理由により、本発明
では、従来法の場合に比べて高品質の結晶質シリコン系
薄膜１０５が得られる。まず、成膜速度が速いので、反
応室内に残留している酸素や窒素等の不純物原子が膜中
に取り込まれる割合が減少する。また、膜成長初期にお
ける結晶核生成時間が短いために相対的に核発生密度が
減少し、大粒径で強く結晶配向した結晶粒が形成されや
すくなる。さらに、高圧力で成膜すれば、結晶粒界や粒
内の欠陥が水素でパッシベーションされやすく、それら
の欠陥密度も減少する。

【００２５】図２において、上述のような結晶質シリコ
ン系薄膜１０５を形成するために好ましく用いられ得る
プラズマＣＶＤ装置の一例が、模式的な断面図で図解さ
れている。このプラズマＣＶＤ装置においては、反応室
２２１内にプラズマ２２８を生じさせるために、下方の
放電電極２２２と上方の電極２２３が設けられている。
これらの互いに上下に対向する２つの電極２２２，２２
３は少なくとも一方が上下方向、水平方向および／また
は傾斜方向に可動であり、相互の間隔を縮小することも
拡大することもできる。

【００２６】基板１０１はバルブ（図示せず）を備えた
出入口２２５を介して反応室２２１内に導入され、上方
の電極２２３上に装着され得る。このとき、電極２２３
へ基板を装着することを容易にするために、両電極２２
２，２２３の間隔が拡大される。下方の電極２２２は反
応ガス２２６を導くように中空にされており、その上面
は基板１０１に向けて反応ガスを吹き出すために複数の
ガス吹出し穴を有している。これらのガス吹出し穴とし
て、一般には一定の断面直径を有する円筒状穴が用いら
れるが、本発明においては、ガス導入側に比べてガス放
出側において大きな断面直径を有する末広ノズル状穴が
用いられる。上方の電極２２３上に基板１０１が装着さ
れれば、基板１０１と対向電極２２２との間隔が８〜３
０ｍｍの範囲内の距離に設定される。反応室２２１の内
部は、排気流路２２７を介して真空引きされるととも
に、対向電極２２２の末広ノズル状穴から反応ガスが供
給され、それによって所定の反応ガス圧に保持され得
る。

【００２７】一般に、通常の円筒状ガス吹出し穴を有す
る対向電極が用いられる場合、プラズマ放電を維持する
ために必要なガス圧と基板電極間距離とは逆の関係にあ
り、ガス圧が小さいときには基板電極間距離を比較的大
きくしなければならず、逆にガス圧が大きいときには基
板電極間距離を小さくしなければならない。たとえば、
通常の円筒状ガス吹出し穴を有する対向電極を用いる場
合には、５Ｔｏｒｒ以上の反応ガス圧の下では基板電極
間距離を１０ｍｍ以下の狭い距離に設定しなければなら
ない。このように狭い基板電極間距離の下においては、
限られた狭い領域においてプラズマが発生するので、シ
リコン粉体が多く発生する可能性がある。また、そのよ
うに狭い基板電極間距離の下においては反応ガスの流れ
や濃度の均一性を維持することが困難になり、大きな面
積の光電変換装置においては、その光電変換特性に場所
的なばらつきを生じやすくなる。

【００２８】他方、本発明におけるように対向電極２２
２が末広ノズル状ガス吹出し穴を有する場合、５Ｔｏｒ
ｒ以上のガス圧の下においても、８〜３０ｍｍのように
広範囲内の基板電極間距離によって放電を維持すること
が可能になる。すなわち、末広ノズル状ガス吹出し穴を
有する対向電極を用いる場合、通常の円筒状ガス吹出し
穴を有する対向電極を用いる場合に比べて、基板電極間
距離を大きく設定することができる。したがって、本発
明におけるように末広ノズル状ガス吹出し穴を有する対
向電極を用いることによって、高い反応ガス圧の下にお
いてもシリコン粉体の発生を低減させることができ、ま
た、大きな受光面積を有する光電変換装置においても場
所的な特性のばらつきを低減させることができる。

【００２９】図３は、対向電極２２２において用いられ
得る末広ノズル状ガス吹出し穴の一例の断面形状を模式
的に図解している。図３に示されているような末広ノズ
ル状ガス吹出し穴において、ガス放出側の断面直径Ａ
は、たとえば１．６〜３．８ｍｍの範囲内に設定され得
る。円錐状部分の開き角Ｂは約２２度の範囲内で設定さ
れ得る。円錐状部分の底部にある短い円筒部の断面直径
Ｃは約１．１〜１．６ｍｍの範囲内で設定され得る。ガ
ス導入側の円筒部の断面直径Ｅは、約０．４〜０．７ｍ
ｍの範囲内で設定され得る。ガス放出側の円錐部と円筒
部のトータル長さＦは、約６〜８．４ｍｍの範囲内で設
定され得る。そして、ガス導入側の円筒部の長さＧは、
約２〜２．５ｍｍの範囲内で設定され得る。但し、図３
に示されているような断面形状は末広ノズル状ガス吹出
し穴として採用し得るものの一例に過ぎず、他の断面形
状を有する種々の末広ノズル状穴も用いられ得ることは
言うまでもない。

【００３０】光電変換層１０５上には、その下地層１０
４とは逆タイプの導電型半導体層１０６としてのシリコ
ン系薄膜がプラズマＣＶＤ法によって堆積される。この
逆導電型シリコン系薄膜１０６としては、たとえば導電
型決定不純物原子であるボロンが０．０１原子％以上ド
ープされたｐ型シリコン薄膜、またはリンが０．０１原
子％以上ドープされたｎ型シリコン薄膜などが用いられ
得る。しかし、逆導電型半導体層１０６についてのこれ
らの条件は限定的なものではなく、不純物原子としては
たとえばｐ型のためのアルミニウム等やｎ型のための窒
素等を用いてもよく、またシリコンカーバイドやシリコ
ンゲルマニウム等の合金材料の膜を用いてもよい。この
逆導電型シリコン系薄膜１０６は、多結晶，微結晶，ま
たは非晶質のいずれでもよく、その膜厚は２〜１５０ｎ
ｍの範囲内に設定され得る。

【００３１】光電変換ユニット１１１上には、ＩＴＯ，
ＳｎＯ₂，ＺｎＯ等から選択された少なくとも１以上の
層からなる透明導電性酸化膜１０７が形成され、さらに
この上にグリッド電極としてＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，
Ｐｔ等から選択された少なくとも１以上の金属またはこ
れらの合金の層を含む櫛形状の金属電極１０８がスパッ
タリング法または蒸着法によって形成され、これによっ
て図１に示されているような光電変換装置が完成する。

【００３２】なお、図１は本発明による製造方法が適用
され得るシリコン系薄膜光電変換装置の１つを例示して
いるだけであって、本発明は、図１に示されているよう
な結晶質光電変換層を含む少なくとも１つの結晶系薄膜
光電変換ユニットに加えて、周知の方法で形成される非
晶質光電変換層を含む少なくとももう１つの非晶質系薄
膜光電変換ユニットをも含むタンデム型光電変換装置に
も適用し得ることは言うまでもない。

【００３３】たとえば図４の模式的な斜視図に示される
ているように、本発明の他の実施の形態として、ガラス
基板側から光が入射されるタイプのタンデム型シリコン
系薄膜光電変換装置が製造され得る。図４の光電変換装
置においては、まず透明基板４０１上に図１中の透明導
電層１０７に対応する層４０７が形成され得る。そし
て、この透明導電層４０７上には、第１の光電変換ユニ
ット４１２，第２の光電変換ユニット４１１，および裏
面電極４１０が積層される。第１の光電変換ユニット４
１２は非晶質系光電変換ユニットであり、順次積層され
た第１導電型の微結晶または非晶質のシリコン系薄膜４
１５，実質的に真性半導体の非晶質シリコン系薄膜光電
変換層４１４，および逆導電型の微結晶または非晶質の
シリコン系薄膜４１３を含んでいる。第１光電変換ユニ
ット４１２上には、図１中の複数の層１０２〜１０６に
それぞれ対応する複数の層４０２〜４０６が積層順序を
逆にして堆積される。このとき、図４中の各層４０２〜
４０６は、図１中の対応する各層１０２〜１０６に準じ
て同様に形成され得る。

【００３４】以上述べたシリコン系薄膜光電変換装置の
一連の製造工程のうちで、スループットを向上させる上
で従来から最も大きな課題であったのは、大きな膜厚を
必要とする結晶質光電変換層（１０５，４０５）の製造
工程であったことは言うまでもない。しかしながら、本
発明によれば、その結晶質光電変換層の成膜速度が大幅
に向上し、しかも、より良質の膜が得られることから、
シリコン系薄膜光電変換装置の高性能化と低コスト化に
大きく貢献することができる。

【００３５】

【実施例】以下において、本発明の実施例の製造方法に
よる結晶質シリコン系半導体薄膜を利用し得る薄膜太陽
電池が説明される。

【００３６】（実施例１）図１の実施の形態に対応し
て、実施例１としての結晶質シリコン薄膜太陽電池が作
製された。まず、ガラス基板１０１上に裏面電極１１０
として、Ｔｉ層とＡｇ層を含む金属膜１０２とその上の
ＺｎＯ膜１０３のそれぞれがスパッタリング法によって
形成された。裏面電極１１０上には、結晶質光電変換ユ
ニット１１１が形成された。光電変換ユニット１１１に
含まれるｎ層１０４，ｉ層１０５，およびｐ層１０６
は、それぞれ１００ｎｍ，２．５μｍ，および１００ｎ
ｍの厚さに堆積された。

【００３７】ｉ層１０５の堆積時には、末広ノズル状ガ
ス吹出し穴を複数有する対向電極が用いられ、基板電極
間距離は１１ｍｍに設定された。末広ノズル状ガス吹出
し穴を有する対向電極が用いられる場合、基板電極間距
離が１０ｍｍ以上であってもプラズマ放電を維持し得る
反応室圧力を高めることができ、９．５Ｔｏｒｒに設定
された。反応ガスとしてシランと水素が用いられ、シラ
ンに対する水素の流量は１５０倍に設定され、１３．５
６ＭＨｚのＲＦ電源から印加された高周波パワー密度は
９９．５ｍＷ／ｃｍ²であった。このようなプラズマＣ
ＶＤ条件の下において、ｉ層１０５の堆積速度は１．３
μｍ／ｈであった。

【００３８】この実施例１の結晶質シリコン薄膜太陽電
池に入射光１０９としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／
ｃｍ²の光度で照射したときの出力特性において、開放
端電圧が０．５０２Ｖ、短絡電流密度が２５．１ｍＡ／
ｃｍ²、曲線因子が７７．１％、そして変換効率が９．
７％であった。

【００３９】（実施例２）実施例２として、実施例１に
類似して結晶質シリコン薄膜太陽電池が作製された。こ
の実施例２において、結晶質シリコン光電変換層１０５
の成膜条件が変更されたことを除けば、他の層の成膜条
件やデバイス構造は実施例１の場合と全く同じであっ
た。すなわち、実施例２においては、反応室圧力が５．
０Ｔｏｒｒであり、基板電極間距離が１５ｍｍに設定さ
れた。そして、シランに対する水素の流量は７９倍にさ
れ、ＲＦパワー密度は４９．７ｍＷ／ｃｍ²であった。
このプラズマＣＶＤ条件において、ｉ層１０５の堆積速
度は、１μｍ／ｈであった。

【００４０】実施例２においては実施例１に比べて反応
室圧力が低減されているので基板電極間距離をさらに拡
大することができ、それに伴ってシランに対する水素の
流量比とＲＦパワー密度を低減することができる。

【００４１】この実施例２による結晶質シリコン薄膜太
陽電池に対して実施例１と同じ条件で入射光１０９を照
射したときの出力特性においては、開放端電圧が０．４
９３Ｖ、短絡電流密度が２３．４ｍＡ／ｃｍ²、曲線因
子が７８．０％、そして変換効率が９．０％であった。

【００４２】（実施例３）実施例３として、実施例２に
類似して結晶質シリコン薄膜太陽電池が作製された。こ
の実施例３においては、ｉ層１０５の成膜時の高周波電
源がＨＦから４０ＭＨｚのＶＨＦに変更され、シランに
対する水素の流量が４５倍にされたことのみにおいて実
施例２と異なっている。このプラズマＣＶＤ条件におい
て、ｉ層１０５の堆積速度は、２．８μｍ／ｈであっ
た。すなわち、放電電極に印加される高周波の周波数を
高めることによって、シランに対する水素の流量比を低
減し得ることがわかる。

【００４３】この実施例３の結晶質シリコン薄膜太陽電
池に対して実施例１の場合と同様に入射光１０９を照射
したときの出力特性においては、開放端電圧が０．４７
９Ｖ、短絡電流密度が２４．４ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子
が７５．４％、そして変換効率が８．８％であった。

【００４４】（実施例４）図４の実施の形態に対応し
て、実施例４としてのタンデム型シリコン薄膜太陽電池
が作製された。まず、ガラス基板４０１上に透明電極層
４０７としてＳｎＯ ₂膜がＣＶＤ法によって形成され
た。透明電極４０７上には、非晶質光電変換ユニット層
４１２，結晶質光電変換ユニット層４１１，および裏面
電極４１０が積層された。

【００４５】非晶質光電変換ユニット４１２に含まれる
非晶質ｉ層４１４の堆積条件においては、反応ガスとし
て１０ｓｃｃｍのシランが用いられ、０．３Ｔｏｒｒの
反応室圧力の下で１３．５６ＭＨｚのＲＦパワー密度１
５ｍＷ／ｃｍ²が印加された。そして、非晶質ｉ層４１
４は、０．２５μｍの厚さに堆積させられた。

【００４６】非晶質光電変換ユニット４１２上に積層さ
れる結晶質光電変換ユニット４１１とに含まれる複数の
層４０４〜４０６は、それらに対応する実施例１の複数
の層１０４〜１０６の形成条件と同じ条件の下で形成さ
れた。結晶質光電変換ユニット４１１上には、裏面電極
４１０としてＩＴＯ膜４０３とＡｇ膜４０２が積層され
た。

【００４７】この実施例４のタンデム型シリコン薄膜太
陽電池に対して入射光４０９としてＡＭ１．５の光を１
００ｍＷ／ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性にお
いて、開放端電圧が１．３７Ｖ、短絡電流密度が１１．
６ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子が７４．９％、そして変換効
率が１１．９％であった。

【００４８】（実施例５）実施例５として、実施例４に
類似したタンデム型シリコン薄膜太陽電池が作製され
た。この実施例５においては、結晶質光電変換層４０５
が実施例２の結晶質光電変換層１０５と同じ条件の下で
形成されたことのみにおいて実施例４と異なっている。

【００４９】この実施例５のタンデム型薄膜太陽電池に
対して実施例４と同じ条件で入射光４０９を照射したと
きの出力特性において、開放端電圧が１．３６Ｖ、短絡
電流密度が１０．６ｍＷ／ｃｍ²、曲線因子が７６．２
％、そして変換効率が１１．０％であった。

【００５０】（実施例６）実施例６として、実施例５に
類似したタンデム型シリコン薄膜太陽電池が作製され
た。この実施例６においては、結晶質光電変換層４０５
が実施例３と同じ条件で形成されたことのみにおいて実
施例５と異なっている。

【００５１】この実施例６のタンデム型薄膜太陽電池に
対して実施例５と同様に入射光４０９を照射したときの
出力特性においては、開放端電圧が１．３３Ｖ、短絡電
流密度が１１．１ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子が７２．２
％、そして変換効率が１０．６％であった。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、安価な
基板上に結晶質シリコン系半導体薄膜をプラズマＣＶＤ
法によって低温で形成する際に従来技術に比べて成膜速
度を大幅に向上させることができ、しかも良好な膜質が
得られる。したがって、本発明は、結晶質シリコン系半
導体薄膜を利用する種々の装置の高性能化と低コスト化
の両方に大きく貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態による製法によって得ら
れる結晶質シリコン系半導体薄膜を含む光電変換装置の
一例を示す模式的な斜視図である。

【図２】 本発明の実施の形態による製法において用い
られ得るプラズマＣＶＤ装置を示す模式的な断面図であ
る。

【図３】 プラズマＣＶＤ装置の反応ガス吹出し電極に
おいて好ましく用いられ得る末広ノズル状ガス吹出し穴
の一例を示す模式的な断面図である。

【図４】 本発明のもう１つの実施の形態による製法を
利用して得られるタンデム型薄膜光電変換装置の一例を
示す模式的な斜視図である。

【符号の説明】

１０１，４０１ ガラス等の基板、１０２，４０２ Ａ
ｇ等の膜、１０３，４０３ ＺｎＯ，ＩＴＯ等の膜、１
０４，４０４，４１３ たとえばｎ型のシリコン層、１
０５，４０５ 結晶質シリコン系光電変換層、１０６，
４０６，４１５たとえばｐ型のシリコン層、１０７，４
０７ ＩＴＯ，ＳｎＯ₂等の透明導電膜、１０８ Ａｇ
等の櫛形電極、１０９，４０９ 照射光、１１０，４１
０ 裏面電極、１１１，４１１ 結晶質シリコン系光電
変換ユニット、２２２ 反応ガス吹出し電極、２２３
基板装着用電極、４１４ 非晶質シリコン系光電変換
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｘ Ｗ Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BA04 DB04 DB11 DB16 EA01 EA04 4K030 AA06 AA17 BA29 BA45 CA06 CA17 EA04 FA03 HA04 JA01 JA05 JA09 JA10 JA12 JA16 JA18 KA17 LA16 5F045 AA08 AB03 AB06 AC01 AC02 AC03 AC05 AC16 AC17 AD09 AE21 AE23 AF07 BB07 BB08 BB09 BB12 BB14 BB16 CA13 DA61 EE12 EH05 EH07 EH14 EH19 5F051 AA05 CA02 CA03 CA04 CA07 CA08 CA09 CA16 CA23 CA36 CA37 DA04 DA17 FA02 FA03 FA04 FA06 FA18

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方法
   であって、 基板上に前記シリコン系薄膜をプラズマＣＶＤ法で堆積
   する条件として、 プラズマ反応室内において第１の電極上に前記基板が配
   置され、 前記基板に対向して第２の電極が配置され、 前記第２電極は前記シリコン系薄膜を堆積するための反
   応ガスを前記基板に向けて放出するために複数のガス放
   出穴を有し、 前記ガス放出穴の各々はガス導入側に比べてガス放出側
   において大きな断面直径を有し、 前記反応室内の反応ガス圧は５Ｔｏｒｒ以上であり、 前記反応ガスは主要成分としてシランガスと水素ガスを
   含み、 そして、前記シリコン系薄膜の堆積速度が１μｍ／ｈ以
   上であることを特徴とする結晶質シリコン系半導体薄膜
   の製造方法。
2. 【請求項２】 前記第２電極と前記基板との間隔は０．
   ８〜３０ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１
   に記載の結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方法。
3. 【請求項３】 前記シラン系ガスに対する前記水素ガス
   の流量比は４０倍以上であることを特徴とする請求項１
   または２に記載の結晶質シリコン系半導体薄膜の製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記第１と第２の電極間には４０ｍＷ／
   ｃｍ²以上の放電パワーが印加されることを特徴とする
   請求項１から３のいずれかの項に記載の結晶質シリコン
   系半導体薄膜の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第１と第２の電極間にはＨＦからＶ
   ＨＦまでの範囲内の高周波電力が印加されることを特徴
   とする請求項１から４のいずれかの項に記載の結晶質シ
   リコン系半導体薄膜の製造方法。
6. 【請求項６】 前記シリコン系薄膜は１００〜４００℃
   の範囲内の下地温度の下で形成され得る体積結晶化分率
   ８０％以上の結晶質シリコン膜であり、０．１原子％以
   上で２０原子％以下の水素を含有し、そして０．５〜１
   ０μｍの範囲内の膜厚を有していることを特徴とする請
   求項１から５のいずれかの項に記載の結晶質シリコン系
   半導体薄膜の製造方法。
7. 【請求項７】 前記シリコン系薄膜はその膜面に平行に
   （１１０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折にお
   ける（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピー
   クの強度比が１／５以下であることを特徴とする請求項
   １から６のいずれかの項に記載の結晶質シリコン系半導
   体薄膜の製造方法。