(57)【要約】  本発明は、光吸収半導体部品（１０）の製造方法に関し、半導体基板（１００）の少なくとも１つの部分エリア（２４０）は、所定の長さの複数のレーザーパルスを用いて照射され、レーザーパルスのパルス波形は、振幅および／または偏光の変調によって、少なくとも１つの所定の所望の波形に適合される。さらに、本発明は、電磁放射を電気エネルギーに変換するための、第１の面（１０１）および反対側の第２の面（１０２）を有する結晶性半導体基板（１００）を含む半導体部品（１０）に関し、少なくとも第１の面に隣接する半導体基板（１００）の部分体積（１１０）において、部分体積（１１０）と半導体基板（１００）との間に第１のｐｎ接合（２１）が形成されるようにドーパントが導入され、第２のｐｎ接合（２２）が形成されるように、第２の面（１０２）の少なくとも１つの第１の部分エリア（２４０）にドーパントおよび表面変性が与えられる。
2013545313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収半導体部品（１０）を製造する方法であって、以下のステップ、
第１の面（１０１）と、第２の面（１０２）とを有する基板（１００）を設けるステップと、
前記第１の面（１０１）に隣接する前記半導体基板（１００）の少なくとも１つの部分体積（１１０）内に、前記部分体積（１１０）と前記半導体基板（１００）との間に第１のバンドギャップエネルギーを持つ第１のｐｎ接合（２１）が形成されるように、ドーパントを導入するステップと、
所定の長さの複数のレーザーパルス（４００）であって、前記レーザーパルス（４００）のパルス波形は振幅および／または偏光の変調によって少なくとも１つの所定の波形に適合された前記レーザーパルス（４００）を、前記半導体基板（１００）の少なくとも１つの部分エリア（２４０）に、前記第２の面（１０２）の少なくとも前記部分エリア（２４０）が表面変性を受けるように照射するステップであって、第２のバンドギャップエネルギーを持つ第２のｐｎ接合（２２）が形成されるステップと、
を含み、
前記第２のバンドギャップエネルギーは、前記第１のバンドギャップエネルギーを下回る、
光吸収半導体部品（１０）を製造する方法。
【請求項２】
前記半導体基板（１００）は、前記基板（１００）の前記表面（２４０）に少なくとも１つのレーザーパルス（４００）が当たる間、硫黄を含む化合物に曝されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザーパルス（４００）の前記所定の長さは、約１０ｆｓ〜約１ｎｓであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
個々のレーザーパルス（４００）の振幅は、前記振幅が３つの極大点を有するように変調され、少なくとも１つの極大点が第１の振幅を有し、少なくとも１つの極大点が第２の振幅を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
後続の方法ステップにおいて、前記半導体基板（１００）の少なくとも１つの部分エリアにコンタクト層（２１０、２２０、２３０）を設けることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体基板（１００）は、複数のレーザーパルス（４００）で照射された後に、熱処理を受けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
個々のレーザーパルス（４００）の前記振幅は、前記振幅が少なくとも２つの極大点を有するように変調され、５ｆｓ未満の期間の前記極大点間の前記振幅は、より大きい方の前記極大点の１５％未満の値にまで降下することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
第１の面（１０１）および反対側の第２の面（１０２）を有する結晶半導体基板（１００）を含み、
少なくとも前記第１の面に隣接する前記半導体基板（１００）の部分体積（１１０）に、前記部分体積（１１０）と前記半導体基板（１００）との間に第１のｐｎ接合（２１）が形成されるようにドーパントが導入された、電磁放射を電気エネルギーに変換するための半導体部品（１０）において、
第２のｐｎ接合（２２）が形成されるように、前記第２の面（１０２）の少なくとも１つの第１の部分エリア（２４０）にドーパントおよび表面変性を与え、前記第１のｐｎ接合（２１）は、前記半導体基板（１００）のバンドギャップエネルギーを上回る光子エネルギーを持つ光を吸収するように設計され、
前記第２のｐｎ接合（２１）は、前記半導体基板（１００）の前記バンドギャップエネルギーを下回る光子エネルギーを持つ光を吸収するように設計されること、
を特徴とする半導体部品（１０）。
【請求項９】
前記第１の部分エリアの前記表面変性は、約０．３μｍ〜約１μｍの直径と、約１μｍ〜約５μｍの長手方向の広がりとを有する複数の柱状の隆起物を備えることを特徴とする、請求項８に記載の半導体部品。
【請求項１０】
前記第１の部分エリア（２４０）は、１μｍ〜１００μｍの粒径を持つ多結晶シリコンを含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の半導体部品。
【請求項１１】
前記第１の面（１０１）は、前記第１の面（１０１）の部分コーティングとして具現化される少なくとも１つのコンタクト層（２１０）を備え、前記第２の面（１０２）は、少なくとも２つのコンタクト層（２２０、２３０）を備えることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１２】
前記第２の面の一方のコンタクト層（２２０）が、前記半導体基板（１００）との電気的接触を作り出し、他方のコンタクト層（２３０）が、前記第２の面（１０２）の前記第１の部分エリア（２４０）との電気的接触を作り出すことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１３】
前記半導体基板（１００）は、ｐドープシリコンを含むかｐドープシリコンであり、前記ドーパントは、Ｎおよび／またはＰおよび／またはＡｓおよび／またはＳから選択されることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１４】
前記第１の面（１０１）上の前記コンタクト層（２１０）は、前記第２の面（１０２）上の前記コンタクト層（２２０）と共に第１の光電池を形成し、前記第１の面上の前記コンタクト層（２１０）は、前記第２の面（１０２）の前記コンタクト層（２３０）と共に第２の光電池を形成し、これらの光電池は、半導体基板（１００）上でモノリシックに集積されることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１５】
前記第１および第２の光電池は、並列に互いに相互接続されることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体部品。
【請求項１６】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の少なくとも１つの部分エリアが、所定の長さの複数のレーザーパルスで照射される、光吸収半導体部品の製造方法に関する。さらに、本発明は、電磁放射を電気エネルギーに変換するための半導体部品に関し、前記半導体部品は、第１の面および反対側の第２の面を有する結晶半導体基板を含み、少なくとも第１の面に隣接する半導体基板の部分体積において、この部分体積と半導体基板との間に第１のｐｎ接合が形成されるようにドーパントが導入される。この序文で述べたタイプの半導体部品は、エネルギーを供給するための光電池、または電磁放射を検出するための光検出器として使用され得る。
【背景技術】
【０００２】
序文で述べたタイプの方法は、ＷＯ  ２００６／０８６０１４  Ａ２から公知である。この公知の方法に従って、半導体基板の表面は、硫黄を含む化合物の存在下で、５０ｆｓ〜５００ｆｓの持続時間の短レーザーパルスを照射される。レーザーパルスによる半導体基板の非線形励起の結果、半導体基板の表面は、部分的に再溶融され、部分的に気体状態に変換される。その結果、表面粗さや多結晶または非晶相が生じる。さらに、ドーパントとしての硫黄が、半導体基板内に導入される。この公知の方法に従って処理される半導体基板の光吸収はバンドギャップエネルギー未満の波長において、未処理のシリコンと比較して増加を示す。この場合、光エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換の効率は、約２．４％である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開公報  ＷＯ  ２００６／０８６０１４  Ａ２  号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この公知の方法から進んで、本発明の目的は、序文で述べたタイプの光電池（photovoltaic cell）の効率を向上させることである。さらに、本発明の目的は、より効率的な太陽電池またはより感度の高い光検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、本発明に従って、請求項１による方法および請求項８による半導体部品によって解決される。
【０００６】
振幅（amplitude）および／または偏光の変調によって影響され得るレーザーパルスのパルス波形は、表面構造、発生する多結晶または非晶質の材料相、ドーパントの濃度および／またはその電気的活性度（electrical activity）に影響を与えることが分かっている。このように、パルス波形の選択によって、電気特性、表面構造および／または材料組成は、広い範囲内で影響され得る。
【０００７】
本発明によれば、表面構造の形成および／または表面における特定の、所定（predefinable）の相の形成は、数フェムト秒の持続時間を有するレーザーパルスを用いることにより達成される。半導体基板の表面の照射中は、固体の電子が励起され、高いピークパルス・パワーの結果、過飽和電子ガスが生じる。この場合、半導体基板は、局所的にイオン化される。最終的に、電子ガスのエネルギーが結晶格子に放出され、これにより、材料の一部のアブレーションすなわち蒸発が引き起こされる。蒸発した塊は、最大１０３ｍ・ｓ−１の速度で伝搬する粒子の流れを形成する。粒子の流れの中で、気相中の密度変化の結果、反跳衝撃波が生じる。この衝撃波は、同様に、半導体基板の表面から離れる方向に伝搬するが、粒子の流れよりも早い速度で伝搬する。従って、衝撃波は、粒子の流れと、周囲の外気との界面で反射される。衝撃波が半導体基板の表面に再び衝突すると、それは、液体表面層内に結合する。これにより、表面層において密度変化が生じ、これは、液体層の冷却の際に、表面における多結晶および／または非晶質材料の形成につながる。
【０００８】
約５００ｐｓ後には表面は既に凝固していて、その結果、このプロセスは、入射レーザーパルス毎に再度新たに開始されることが分かっている。そこで、本発明は、１つのレーザーパルスの範囲内で、表面が再び完全に凝固する前に、複数回で直接的に連続してエネルギーが堆積されるように、レーザーパルスのパルス波形を所定の所望の波形に適合させる（作り変える）ことを提案する。この手法により、多結晶表面層の形成を意図的に操作または防止できるように、一定に定義された時間的力学を用いて、複数の内部衝撃波を生成することができる。このように、本発明による方法により、より小さな表面積／体積比率を持つより大きな結晶子が生じ、その結果、再結合中心の数が減少する。その結果、生成される光電流および最終的に太陽電池の効率または光検出器の感度が増加する。
【０００９】
本発明の意義の範囲内の光吸収半導体部品は、光子を吸収し、半導体材料において電荷分離を生じさせるように設計される。本発明の一部の実施形態では、このように生成された非平衡電荷キャリアは、部品の接続素子に電流または電圧として提供され得る。
【００１０】
本発明の一部の実施形態は、少なくとも１つのレーザーパルスが基板表面上に衝突する間に硫黄を含む化合物に曝される半導体基板を提供し得る。この場合、硫黄を含む化合物（sulfur-comprising compound）は衝突するレーザー放射による解離が可能で、その結果、硫黄原子が表面付近の半導体基板の層内に取り込まれる。本発明の一部の実施形態では、ｎ型ドーピングがこの方法で作り出されてもよく、その結果、ｐドープ半導体基板の照射表面において、ｐｎ接合を形成することができる。本発明の一部の実施形態では、ドーピングは、バンドギャップ内で多様な電子状態を形成することができ、その結果、半導体材料のバンドギャップ内で、電子状態の中間バンドが形成される。これにより、半導体基板のバンドギャップエネルギーを下回るエネルギーを持つ光子の吸収が可能となり得る、または少なくとも向上し得る。
【００１１】
本発明の一部の実施形態では、レーザーパルスの所定の長さは、約１０ｆｓ〜約１ｎｓとすることができる。この場合、本明細書の意義の範囲内で、レーザーパルスの長さは、１つのパルスの全長を意味し、個々のパルスは、１０μｓ〜１００ｎｓの時間間隔を有し得る。これは、例えば、０．１ｆｓ〜１．０ｆｓの範囲または１ｆｓ〜１０ｆｓの範囲のかなり短い時間スケールで変化し得る、パルス内の振幅および／または位相のサブ構造とは区別されるべきである。
【００１２】
本発明の一部の実施形態では、繰り返し率は、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの間となり得る。この場合、繰り返し率は、２つのレーザーパルスの時間間隔を表す。それに反して、個々のパルスのサブ構造は、数ＴＨｚ（１０１２Ｈｚ）の周波数で異なり得る。選択値は、まず、個々のレーザーパルスが衝突した後に、半導体基板の表面が完全に緩和する、すなわち熱力学的に安定した状態に戻ることを保証する。それに反して、レーザーパルスのサブ構造の個々の振幅極大点は、励起状態の半導体基板の束縛電子および／または格子に結合することができ、その結果、半導体基板によって形成される量子力学的システムのコヒーレントな制御が可能となる。これにより、レーザーパルスのパルス波形の選択によって、表面構造、生じる多結晶または非晶質の材料相、ドーパントの濃度および／またはその電気的活性度に影響を与えることが可能となる。
【００１３】
本発明の一部の実施形態においては、単一の所定のパルス波形を用いた照射により、光吸収半導体部品が製造されるようにできる。本発明の他の実施形態では、光吸収半導体部品の製造方法は、複数の製造工程に細分されてもよく、少なくとも２つの製造工程において、レーザーパルスの異なるパルス波形が用いられる。これにより、例えば、第１のパルス波形を用いて、不純物原子によるドーピングを生じさせ、第１のパルス波形とは異なる第２のパルス波形を用いて所定の表面構造を作り出すことが可能となる。このようにして、最適な結果を各方法ステップにおいて得ることができる。
【００１４】
本発明の一部の実施形態においては、個々のレーザーパルスの振幅は、前記振幅が３つの極大点を有するように変調されてもよく、少なくとも１つの極大点が第１の振幅を有し、少なくとも１つの極大点が第１の振幅とは異なる第２の振幅を有する。本発明の一部の実施形態では、５ｆｓ未満の期間の極大点の間の振幅は、第１および／または第２の振幅の１５％未満の値にまで降下し得る。このような方法の実施により、表面付近の半導体基板の電子の励起状態からの材料除去が可能となる。さらに、記載した方法の実施は、半導体基板の液化表面層が、再結晶化または凝固する前に、レーザーパルスの電界によって好ましい原子配列になるという効果をもたらし得る。このように、本発明の一部の実施形態では、より小さな表面積／体積比率を持つより大きな微結晶を持つ多結晶表面層が生じ得る。本発明の一部の実施形態では、多結晶表面層が生じることを防止することもできる。最後に、本発明の一部の実施形態では、半導体基板の表面性状は、レーザーパルスの所望の波形の選択によって影響され得る。
【００１５】
本発明の一部の実施形態では、後続の方法ステップにおいて、半導体基板の少なくとも１つの部分エリアにコンタクト層を設けることができる。コンタクト層は、金属または合金を含み得る。本発明の一部の実施形態では、コンタクト層は、多層構造を持ち、複数の薄い個別の層からなり得る。
【００１６】
本発明の一部の実施形態では、半導体基板上のコンタクト層は、オーミックコンタクトを形成し得る。このように、半導体部品で動作中に生成される電荷キャリアは、電圧の印加によって分離でき、電流としての検出または使用が可能である。半導体基板の１つの部分エリアにコンタクト層が設けられる場合、半導体基板の他のエリア領域すなわち部分エリアは、半導体部品の動作中の光の結合に使用され得る。半導体基板が、所定の長さおよびパルス波形を有する複数のレーザーパルスの入射によって加工されたエリア領域と、同様に加工されなかった他のエリア領域とを持つ場合には、前者または後者のエリア領域と接触する異なるコンタクト層を設けることが可能である。この目的のために、異なるコンタクト層は、異なる材料組成および／または異なる結合関係を有し得る。
【００１７】
本発明の一部の実施形態では、半導体基板は、複数のレーザーパルスの照射後に、熱処理を受け得る。その結果、本発明の一部の実施形態では、結晶格子の欠陥状態をアニールすることができる、および／または半導体基板内でドーパントを拡散することができる、および／またはドーパントを電子的に活性化することができる。本発明の一部の実施形態では、半導体部品は、複数のレーザーパルスによる照射後に半導体基板が熱処理を受けた場合には、電気特性が向上し得る。
【００１８】
本発明の一部の実施形態では、所定のパルス波形の複数のレーザーパルスによる照射によって得られた表面変性は、約０．３μｍ〜約１μｍの直径と、約１μｍ〜約５μｍの表面法線方向の長手方向の広がりとを有する複数の柱状（columnar）の隆起物を備え得る。言及したタイプの柱状隆起物は、まず、光の吸収を向上させることができ、その結果、本発明による半導体部品の量子効率が上がる。さらに、言及したタイプの隆起物により、コンタクト層による単純な接触接続が可能となり、従って、半導体部品の寿命にわたる接着が確実となる。
【００１９】
本発明の一部の実施形態では、半導体基板は、ｐドープシリコンを含み、またはｐドープシリコンであり、ドーパントは、窒素および／またはリンおよび／またはヒ素および／または硫黄から選択され得る。このように、窒素を含む、リンを含む、硫黄を含む、またはヒ素を含む化合物の存在下で、所定の所望の波形を持つ複数のレーザーパルスを半導体部品の表面に照射することによって、化合物がレーザー放射によって解離され、その後、ドーパントが半導体基板の材料内に取り込まれる場合に、ｐｎ接合を得ることができる。レーザーパルスのパルス波形がドーピングに使用される化合物の吸収の仕組みに適合される場合には、コヒーレントな制御によって解離を生じさせることが可能で、その結果、ドーパントが所定の様式で取り込まれる。
【００２０】
本発明の一部の実施形態では、提案される半導体部品は、少なくとも１つの光電池を含み得る、または少なくとも１つの光電池であり得る。この場合、半導体基板の第１の面のコンタクト層は、第２の面上の第１のコンタクト層と共に、第１の光電池を形成し、第１の面のコンタクト層は、第２の面の第２のコンタクト層と共に、第２の光電池を形成することができ、これらの光電池は、半導体基板上でモノリシックに集積される。このように、異なる波長を持つ光を吸収する２つの光電池が単一の半導体基板上で実現可能であり、その結果、光電池の総合効率が増す。半導体基板上にモノリシックに集積された２つの光電池は、互いに独立して接触接続される、出力電流を増加させるために並列回路で互いに接続される、または半導体部品の出力電圧を増加させるために直列回路で互いに接続され得る。
【００２１】
本発明の一般概念を限定することなく、図面を参照して以下により詳細に本発明を説明する。ここでは、図面において、以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光吸収半導体部品の製造に使用可能なレーザーパルスのパルス波形の第１の実施形態例を示す。
【図２】光吸収半導体部品の製造に使用可能なレーザーパルスのパルス波形の第２の実施形態例を示す。
【図３】異なるパルス波形のレーザーパルスが製造に使用された際の本発明による半導体部品の吸収の波長依存性を示す。
【図４】本発明の一実施形態による半導体部品の断面を示す。
【図５】本発明による半導体部品の底面の平面図を示す。
【図６】本発明による半導体部品を製造するための装置の構造を概略的に示す。
【図７】本発明により提案される方法のフローチャートを示す。
【図８】本発明による太陽電池および公知の太陽電池の前側および後側と、断面とを示す。
【図９】異なるレーザーパルスで加工された２つのシリコン表面の２つのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、縦座標に放射されたレーザー光の強度と、横座標にフェムト秒における時間とを示す。この図は、光吸収半導体部品を製造するための提案方法において用いることが可能なレーザーパルスのパルス波形例の光振幅の形状を示している。この振幅形状は、０．４ｆｓ以内に、ほぼ等間隔で放射された８つの極大点を示している。各極大点の振幅の絶対値は、先行する極大点の極大値よりも大きい。それらの中間で、振幅は、同様に増加する極小点へと降下する。
【００２４】
最大値に達した後、振幅は、ほぼ鏡面反転した曲線形状で再び初期値に戻る。所定の長さの休止後、図１に示した曲線形状を周期的に繰り返すことができる。図１に示した曲線形状は、レーザーパルスの振幅の時間的な形状であることも、全体ではより長い時間範囲を持つレーザーパルスからの抜粋であることもある。
【００２５】
図２は、本発明によるパルス波形の第２の実施形態を示している。図２による実施形態例では、３つの極大点を持つ曲線形状が提供され、振幅の大きな１つの極大点は、曲線形状の中央部で得られ、前記極大点の両側には、より小さな振幅を持つ２つの極大点が位置する。それらの中間で、曲線形状は、ゼロ値に近い値へと降下する。本発明の一部の実施形態では、極小値は、隣接する極大値の１０％未満、５％未満、または１％未満を含み得る。本発明の一部の実施形態では、振幅は、極小点で、ゼロまで降下し得る。
【００２６】
例として、図１および図２を参照して振幅および強度に関して示したのと同様に、レーザーパルスの偏光もまた、所定のパターンまたは所定の所望の波形に変調することができる。
【００２７】
図３は、本発明により提案される半導体部品の吸収能力を示している。この場合、半導体部品は、実質的にシリコンからなる半導体基板を含む。さらに、半導体基板は、従来の不純物および／またはドーパントを含み得る。半導体基板は、処理中に硫黄を含む化合物に曝されて、所定のパルス波形を持つ複数のレーザーパルスを用いて照射されたものである。これにより、変化した表面構造、多結晶または非晶質の材料相、および／または所定の硫黄濃度を含み得る、表面変性した少なくとも１つの部分エリアが生じる。
【００２８】
次に、図３は、横座標の波長に対する縦座標の吸収を示している。この場合、曲線Ａは、図１に示されるパルス波形のレーザーパルスを用いて加工された半導体基板の吸収の形状を示している。曲線Ｂは、図２に示されるパルス波形のレーザーパルスを用いて加工された半導体基板の吸収の形状を示している。
【００２９】
図３から、１１００ｍｍ未満の波長に関しては、吸収は、約０．９５の値であることが分かる。この吸収は、使用されたシリコンの価電子帯および伝導帯間の電子励起に起因する。光子エネルギーがバンドギャップエネルギーを下回ると、吸収は急速に低下する。その後、レーザーパルス照射によって変性した表面領域において赤外光が生じ得る。この場合、曲線形状Ａによる吸収は、常に、曲線形状Ｂによる吸収を下回る。材料加工に使用されるレーザーパルスの振幅および／または偏光の本発明による変調は、結果的に、バンドギャップエネルギーを下回る光子エネルギーに対する半導体部品の吸収挙動を大幅に向上させることができる。従って、提案する方法を用いて製造される太陽電池の効率、または本発明による方法を用いて製造される光検出器の感度を向上させることができる。
【００３０】
図４は、本発明により提案されるモノリシックタンデム太陽電池の断面を示している。太陽電池は、基板１００上に構築される。基板１００は、シリコンを含み得る、またはシリコンであり得る。さらに、基板１００は、例えば、炭素、酸素、または水素の不可避の不純物を含み得る。本発明の一部の実施形態では、基板１００は、ｐ導電性のものでもよい。このために、基板１００は、例えば、ガリウム、アルミニウム、またはホウ素でドーピングされてもよい。基板１００は、第１の表面１０１と、反対側の第２の表面１０２とを有する。本発明の一部の実施形態では、基板１００の厚さは、約５０μｍ〜約１０００μｍとなり得る。
【００３１】
ドーパントは、第１の面１０１に隣接する部分体積１１０に導入されてもよく、前記ドーパントは、部分体積１１０にｎ型導電性を生じさせる。一部の実施形態では、窒素、リン、またはヒ素をドーパントとして使用することができる。部分体積１１０は、基板１００の厚さの約２％〜約２０％、一部の実施形態では、約５％〜約１０％の厚さを持ち得る。
【００３２】
このように、第１のｐｎ接合２１は、部分体積１１０と基板１００の残りの体積との界面に形成される。
【００３３】
少なくとも１つのコンタクト層２１０が、第１の面１０１上に配置される。コンタクト層２１０は、第１の面１０１の部分コーティングとして具現化されてもよく、その結果、第１の面１０１の覆われていない領域が残り、そこを通して、太陽電池の動作中に、光放射３０が基板１００の体積内に侵入する。図示した実施形態例では、コンタクト層２１０は、断面に対して横方向に向かうストライプまたは格子状パターンを持つ。従って、コンタクト層２１０は、図４では連続的に図示されている。その結果、第１の表面の覆われていない部分エリアは、図面平面の前および後ろに位置する。
【００３４】
基板１００の反対側の第２の面１０２は、例えばＳＦ６またはＨ２Ｓの硫黄を含む化合物の存在下では、約１０ｆｓ〜約１ｎｓ、特に、約５０ｆｓ〜約５００ｆｓの所定の持続時間のレーザーパルスで照射されたものである。この場合、レーザーパルスは、振幅および／または偏光の変調によって得られる所定のパルス波形を有する。パルス波形、強度、繰り返し率および／または個々のパルスの数に基づいて、そして硫黄を含む化合物の濃度に基づいて、基板１００の材料の化学組成および／または相が変性（改質）される部分体積１２０が、照射エリア領域２４０の下に生じる。
【００３５】
例として、部分体積１２０中に、半導体基板１００のバンドギャップ内に欠陥バンドの形成をもたらす硫黄濃度が存在し得る。一部の実施形態では、多結晶材料または非晶質材料が部分体積１２０中に存在し得る。最終的に、表面２４０が構築され、その結果、表面１０２から柱状に突出し、０．３μｍ〜１μｍの直径および１μｍ〜５μｍの長さを持つエリア領域の形成が得られる。部分体積１２０は、第２の面１０２の法線ベクトルに沿って、２μｍ〜２０μｍの長手方向の広がりを有し得る。
【００３６】
第２のｐｎ接合２２は、部分体積１２０と基板１００の内部との界面に形成される。
【００３７】
さらに、第２のコンタクト層２２０は、第２の面１０２上に位置し、前記第２のコンタクト層は、レーザーパルスによって加工されない第２の面１０２のエリア領域を少なくとも部分的に覆う。
【００３８】
さらに、第３のコンタクト層２３０が、第２の面１０２上に配置され、前記第３のコンタクト層は、レーザー放射（laser radiation）によって加工されるエリア領域２４０を少なくとも部分的に覆う。
【００３９】
コンタクト層２１０、２２０および２３０は、金属または合金を含むことも、金属または合金であることも可能できる。本発明の一部の実施形態では、コンタクト層２１０、２２０および２３０は、多層構造を有し得る。
【００４０】
図１による半導体部品の動作中では、太陽光または人工光３０が基板１００の第１の面１０１に当たる。太陽光は、第１の面１０１を通って基板１００内へと侵入し得る。太陽光３０の可視部分、すなわち１１００ｎｍ未満の波長またはバンドギャップエネルギーを上回る光子エネルギーを持つ部分が、第１のｐｎ接合２１において吸収される。この光の吸収は、電荷分離、すなわち価電子帯から伝導帯への電子励起を生じさせる。第１のコンタクト層２１０および第２のコンタクト層２２０を介して、分離した電荷キャリアは、半導体部品から電流として引き出すことができる。
【００４１】
光３０の赤外線部分、すなわち約１１００ｎｍを上回る波長を持つ光は、光子エネルギーがバンドギャップエネルギーを下回るので、基板１００を貫通する。基板１００および部分体積１１０は、前記赤外光には実質的に透明に見える。赤外光は、硫黄原子のドーピングおよび／または製造中の超短レーザーパルスの作用により、バンドギャップにおいて電子状態（electronic state）を作り出す第２のｐｎ接合２２まで移動する。その結果、有効バンドギャップが減少し、従って、赤外光は、第２のｐｎ接合２２において吸収され得る。この場合、自由電荷キャリアが再度生じ、これは、第１のコンタクト層２１０および第３のコンタクト層２３０を介して半導体部品から電流として引き出され得る。
【００４２】
従って、従来のシリコン太陽電池とは対照的に、本発明により提案される部品は、少なくとも部分的にエネルギー生産のために、太陽スペクトルの赤外線部分を利用することもできる。前記赤外線部分は、全入射放射量の約３分の１に達する。太陽電池の効率およびエネルギー収量は、このように増加する。例えばガリウムヒ素などの比較的小さなバンドギャップを持つ材料内でスペクトルの赤外線部分を吸収する、以前から公知のタンデム太陽電池とは対照的に、本発明により提案される太陽電池は、単一の基板上にモノリシックに構築可能で、その結果、機械的に強く、費用効率の高い構造が得られる。本発明の一部の実施形態では、デバイスの動作中に生じる熱放射は、少なくとも部分的に電気エネルギーに変換可能である。
【００４３】
図５は、平面図における基板１００の第２の面１０２を示している。赤外光の吸収を可能にするために、所定のパルス波形を持つレーザーパルスによる照射によって変性されたエリア領域であるエリア領域２４０が識別可能である。図示した実施形態例では、エリア領域２４０は、櫛状の基本形状を持ち、複数の細長いエリア領域２４１が、ほぼ直交して伸びる領域２４２によって互いに接続されている。
【００４４】
第３のコンタクト層２３０は、変性エリア２４０の部分エリアを覆い、第３のコンタクト層２３０は、エリア領域２４１および２４２の対称軸上に略中心に配置される。
【００４５】
第２のコンタクト層２２０もまた、櫛状の基本形状を持ち、コンタクト層２２０は、２つの隣接するエリア領域２４１間の空間と係合する（かみ合う）。言うまでもないが、図５に示されるインターデジタル構造は、単なる一例として理解されるべきものである。本発明の他の実施形態では、コンタクト層２２０および２３０の横構造並びにレーザーパルスによって変性されるエリア２４０の基本エリアもまた、別の選択が可能である。
【００４６】
図６は、例として、本発明により提案される半導体部品を製造するための装置を示している。図６は、半導体基板１００を受け取る真空チャンバー５０を示す。真空チャンバー５０の内部は、真空ポンプ（不図示）を用いて、例えば、１０−２ｍｂａｒ未満、１０−４ｍｂａｒ未満、１０−６ｍｂａｒ未満、または１０−８ｍｂａｒ未満の圧力にまで真空にされ得る。
【００４７】
ガス供給システム５６は、真空チャンバー５０に接続される。ガス供給システム５６は、所定の圧力および／または組成の気体状の硫黄を含む化合物をチャンバー５０内に入れるように機能する。例として、ガス供給システム５６は、ＳＦ６および／またはＨ２Ｓを真空チャンバー５０の内部に入れることができる。圧力は、１２００ｍｂａｒ〜１０−３ｍｂａｒとすることができる。圧力および／または質量流量は、対応する調整装置によって、所定の値に維持することができる。
【００４８】
真空チャンバー５０は、後で、半導体基板１００上で表面変性および／またはドーピングを生じさせるために、そこを通って、所定のパルス波形を持つレーザーパルスが真空チャンバーの内部と結合することが可能な少なくとも１つの入射窓５５を備える。
【００４９】
レーザーパルス４００は、それ自体が公知（知られている）であるフェムト秒レーザー３００によって生成される。フェムト秒レーザーは、例えば、チタンサファイアレーザーを含み得る。レーザーパルスの中心周波数は、周波数逓倍(frequency multiplication)により、所定の所望の周波数に変える（adapt）ことができる。本発明の一部の実施形態では、個々のレーザーパルスのパルス持続時間は、１０ｆｓ〜１ｎｓの間とすることができる。本発明の一部の実施形態では、パルス持続時間は、１０ｆｓ〜約５０ｆｓとすることも、約５０ｆｓ〜約５００ｆｓとすることもできる。
【００５０】
所望のパルス波形を生成するためには、レーザーパルス４００は、第１の分散素子３１０においてスペクトル的に分割される。分散素子３１０は、例えば、回折格子またはプリズムを含み得る。レーザーパルス４００は、第１の分散素子３１０の下流の中間焦点上に映し出され、前記中間焦点にマニピュレーター３４０が配置される。その後、光は、第１の分散素子３１０の効果と逆の効果を持つ第２の分散素子３２０へと移動する。
【００５１】
マニピュレーター３４０は、例えば、空間光変調器および／または少なくとも１つの偏光子を含み得る。このように、偏光および／または振幅および／または位相を変更することによって、レーザー光源３００によって放射される光パルス４００のパルス波形または時間的なサブ構造の変更が可能である。この場合、時間的なサブ構造を簡単かつ短い切り替え時間のみで変更することが可能である。本発明によれば、レーザーの波長は、ほとんどが重要ではないことが認識されている。レーザーパルス４００の時間的なサブ構造は、基板１００の表面変性にとって圧倒的に重要である。
【００５２】
マニピュレーター３４０は、コントローラ３５０によって駆動され、コントローラ３５０は、本発明の一部の実施形態では、パルス４００の時間的なサブ構造を所定の所望の波形に適合(adapt)させるために、閉ループ制御回路も含み得る。短い切り替え時間のため、基板１００の表面変性は、所望の結果に応じて、単一のパルス波形を用いて、または順次印加される複数の異なるパルス波形を用いて生じさせることができる。
【００５３】
図７は、本発明による製造方法をフローチャート形式で再度示す。第１の方法ステップ７１０は、第１の面および反対側の第２の面を備えた結晶半導体基板（crystalline semiconductor substrate）を設けることに関する。少なくとも第１の面に隣接する部分体積においてドーパントが導入され、その結果、半導体基板に第１のｐｎ接合が形成される。本発明の一部の実施形態では、半導体基板には、ドーパントが与えられ得る。さらに、半導体基板は、第１の方法ステップ７１０において既に第１のコンタクト層２１０が設けられていてもよく、この第１のコンタクト層は、動作中に後で生じる電流を第１の面１０１から運び去る。
【００５４】
基板１００を、所定の組成および濃度を持つ硫黄を含む化合物と接触させる。このために、方法ステップ７２０では、図６を参照して説明したように、真空チャンバーを使用することができる。本発明の他の実施形態では、硫黄を含む化合物を、液膜として基板に塗布することができる。
【００５５】
最後に、第３の方法ステップ７３０は、基板１００の表面変性を行おうとするパルス波形すなわち時間的なサブ構造の選択に関する。
【００５６】
最後に、第４の方法ステップ７５０は、少なくとも部分的に所定のパルス数および／または所定の照射持続時間を用いて基板１００の表面を照射することに関する。これは、表面付近の基板１００の層内への硫黄原子の取り込みにつながり得る。本発明の一部の実施形態では、代替的に、または追加的（cumulatively）に、基板１００の結晶構造を再溶融することにより、多結晶または非晶質構造を形成することができる。最後に、本発明の一部の実施形態では、柱状の隆起物による粗面化または構造化を生じさせることができる。
【００５７】
本発明の一部の実施形態では、第１のパルス波形を用いた、第１の硫黄を含む化合物の存在下での照射後に、方法ステップ７２０、７３０および７４０は、半導体部品の電気的および／または機械的特性をこの方法でさらに最適化するために、繰り返すことができる。特に、レーザーパルスは、基板の表面に対して、硫黄を含む化合物が該表面に接触することなく作用することも可能である。この場合、方法ステップ７２０において、それに応じて周囲の雰囲気を選択する。
【００５８】
レーザーパルスの最後の動作すなわち方法ステップ７４０の最後の実施後に、基板１００は、随意（optional）の方法ステップ７５０において熱処理を受けて得る。この目的のためには、３４０Ｋ〜７００Ｋ、特に４００Ｋ〜５００Ｋの温度が適している。熱処理によって、ドーパントは、基板１００内で拡散し得る、および／または電子的に活性化され得る。一部の実施形態では、この方法ステップを省略することもできる。
【００５９】
最後の方法ステップ７６０では、コンタクト層２２０および２３０は、第２の面１０２に付けられ、その結果、電流が半導体部品から運び去られ得る。
【００６０】
図８は、図面の左手側において、公知の太陽電池の前および後側と、その断面とを示している。図８の右手側は、本発明による太陽電池の前および後側と、その断面とを示している。図８は、少数の方法ステップを用いて本発明による太陽電池を形成するために、どのように公知の太陽電池が構造を与えられ得るかも示している。
【００６１】
図８は、一段目に半導体部品１０の第１の面１０１の平面図を示す。第１の面１０１は、そこを通って光が半導体部品１０の体積内に入射できる光入射エリアとして具現化される。さらに、コンタクト層２１０は、第１の面１０１上に配置される。コンタクト層２１０は、第１の面１０１の部分コーティングとして具現化され、それによって、コンタクト層２１０によって覆われる第１の部分エリアおよび光入射エリアとして機能し得る第２の部分エリアを形成する。
【００６２】
公知の半導体部品１０の第２の面１０２は、全エリアにわたってコンタクト層２５０によって覆われている。コンタクト層２５０および２１０は、半導体部品１０の照射によって生成された電荷キャリアを基板１００の体積から運び去り、それらを光検出器の測定信号として、または光電池の電力として使用可能にするように機能する。
【００６３】
図８の左手側に示されるこの公知の半導体部品は、バンドギャップエネルギーを下回る光子エネルギーを持つ光が、実質的に吸収されることなく、基板１００中で自由電荷キャリアを生成することなく、基板１００の第１の面１０１から第２の面１０２まで移動するという、既に説明した欠点を持つ。従って、入射光のこの部分は、電流の生成に利用することができない。
【００６４】
それ自体が公知のこの半導体部品１０は、これから、本発明による半導体部品を形成するために、図７に示される方法に従ってさらに加工され得る。この目的のために、第１の方法ステップでは、基板１００の第２の面１０２上のコンタクト層２５０の除去のみが必要である。コンタクト層２５０は、湿式または乾式化学エッチング工程を用いて、研磨またはスパッタリングによって除去することができる。この方法で準備された第２の面１０２は、次に、随意的に硫黄を含む化合物の存在下で、それに応じて成形されたレーザーパルスによる照射によって少なくとも部分的に変性されてもよく、その後、図７に関連して既に上記に記載したように、コンタクト層２２０および２３０を設けることができる。図４に描写したような半導体部品１０の断面および図５を参照して記載したような半導体部品１０の第２の面１０２は、このように形成することができる。
【００６５】
図９は、異なるパルス波形を持つレーザーパルスの作用によって得られたシリコン基板１００のエリア領域２４０の顕微鏡写真を示している。図９による顕微鏡写真は、走査型電子顕微鏡を用いて得られたものである。図９ａおよび図９ｂは、広い範囲内で表面性状が影響を受け得ることを示している。
【００６６】
図９ａに示される表面は、比較的平坦な構造を持つ。コンタクト層２３０による表面の接触接続は、これにより、向上し得る。ここでは、基板１００とコンタクト層２３０との接触抵抗がより低い場合、および／または基板１００の第２の面１０２上のコンタクト層２３０の接着力が増加した場合に、接触接続が向上したと見なされる。
【００６７】
図９ｂは、より深い構造が与えられた表面領域２４０を示している。こうすることにより、図９ａに示した表面と比較して、光の吸収が向上し、その結果、所定の光強度が、基板１００中でより大量の電荷を生成することができる。従って、本発明による方法により、基板１００の第２の面１０２の複数の部分エリア２４０が、異なる構造が与えられることが可能となり、その結果、各部分エリアは、それが意図するタスクを最適に実行することができる。
【００６８】
本発明は、図面に示された実施形態に限定されることはないことは明らかである。従って上記の記載は、限定的なものではなく、説明のためのものと見なされるべきものである。以下の特許請求の範囲は、言及された特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に存在するものと理解されるべきである。これは、さらなる特徴の存在を除外するものではない。特許請求の範囲および上記の記載が「第１」および「第２」の特徴を定義する場合、この指定は、序列を定義することなく、同じタイプの２つの特徴を区別するように機能する。
【図１】
2013545313.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月28日(2013.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収半導体部品（１０）を製造する方法であって、以下のステップ、
第１の面（１０１）と、第２の面（１０２）とを有する基板（１００）を設けるステップと、
前記第１の面（１０１）に隣接する前記半導体基板（１００）の少なくとも１つの部分体積（１１０）内に、前記部分体積（１１０）と前記半導体基板（１００）との間に第１のバンドギャップエネルギーを持つ第１のｐｎ接合（２１）が形成されるように、ドーパントを導入するステップと、
所定の長さの複数のレーザーパルス（４００）であって、前記レーザーパルス（４００）のパルス波形は振幅および／または偏光の変調によって少なくとも１つの所定の波形に適合された前記レーザーパルス（４００）を、前記半導体基板（１００）の前記第２の面の少なくとも１つの部分エリア（２４０）に、前記第２の面（１０２）の少なくとも前記部分エリア（２４０）が表面変性を受けるように照射するステップであって、第２のバンドギャップエネルギーを持つ第２のｐｎ接合（２２）が形成されるステップと、
を含み、
前記第２のバンドギャップエネルギーは、前記第１のバンドギャップエネルギーを下回る、
光吸収半導体部品（１０）を製造する方法。
【請求項２】
前記半導体基板（１００）は、前記基板（１００）の前記表面（２４０）に少なくとも１つのレーザーパルス（４００）が当たる間、硫黄を含む化合物に曝されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザーパルス（４００）の前記所定の長さは、約１０ｆｓ〜約１ｎｓであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
個々のレーザーパルス（４００）の振幅は、前記振幅が３つの極大点を有するように変調され、少なくとも１つの極大点が第１の振幅を有し、少なくとも１つの極大点が第２の振幅を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
後続の方法ステップにおいて、前記半導体基板（１００）の少なくとも１つの部分エリアにコンタクト層（２１０、２２０、２３０）を設けることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体基板（１００）は、複数のレーザーパルス（４００）で照射された後に、熱処理を受けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
個々のレーザーパルス（４００）の前記振幅は、前記振幅が少なくとも２つの極大点を有するように変調され、５ｆｓ未満の期間の前記極大点間の前記振幅は、より大きい方の前記極大点の１５％未満の値にまで降下することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
第１の面（１０１）および反対側の第２の面（１０２）を有する結晶半導体基板（１００）を含み、
少なくとも前記第１の面に隣接する前記半導体基板（１００）の部分体積（１１０）に、前記部分体積（１１０）と前記半導体基板（１００）との間に第１のｐｎ接合（２１）が形成されるようにドーパントが導入された、電磁放射を電気エネルギーに変換するための半導体部品（１０）において、
第２のｐｎ接合（２２）が形成されるように、前記第２の面（１０２）の少なくとも１つの第１の部分エリア（２４０）にドーパントおよび表面変性を与え、前記第１のｐｎ接合（２１）は、前記半導体基板（１００）のバンドギャップエネルギーを上回る光子エネルギーを持つ光を吸収するように設計され、
前記第２のｐｎ接合（２１）は、前記半導体基板（１００）の前記バンドギャップエネルギーを下回る光子エネルギーを持つ光を吸収するように設計されること、
を特徴とする半導体部品（１０）。
【請求項９】
前記第１の部分エリアの前記表面変性は、約０．３μｍ〜約１μｍの直径と、約１μｍ〜約５μｍの長手方向の広がりとを有する複数の柱状の隆起物を備えることを特徴とする、請求項８に記載の半導体部品。
【請求項１０】
前記第１の部分エリア（２４０）は、１μｍ〜１００μｍの粒径を持つ多結晶シリコンを含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の半導体部品。
【請求項１１】
前記第１の面（１０１）は、前記第１の面（１０１）の部分コーティングとして具現化される少なくとも１つのコンタクト層（２１０）を備え、前記第２の面（１０２）は、少なくとも２つのコンタクト層（２２０、２３０）を備えることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１２】
前記第２の面の一方のコンタクト層（２２０）が、前記半導体基板（１００）との電気的接触を作り出し、他方のコンタクト層（２３０）が、前記第２の面（１０２）の前記第１の部分エリア（２４０）との電気的接触を作り出すことを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１３】
前記半導体基板（１００）は、ｐドープシリコンを含むかｐドープシリコンであり、前記ドーパントは、Ｎおよび／またはＰおよび／またはＡｓおよび／またはＳから選択されることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１４】
前記第１の面（１０１）上の前記コンタクト層（２１０）は、前記第２の面（１０２）上の前記コンタクト層（２２０）と共に第１の光電池を形成し、前記第１の面上の前記コンタクト層（２１０）は、前記第２の面（１０２）の前記コンタクト層（２３０）と共に第２の光電池を形成し、これらの光電池は、半導体基板（１００）上でモノリシックに集積されることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の半導体部品。
【請求項１５】
前記第１および第２の光電池は、並列に互いに相互接続されることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体部品。
【国際調査報告】
2013545313.tif 000012
2013545313.tif 000013
2013545313.tif 000014
2013545313.tif 000015
2013545313.tif 000016
2013545313.tif 000017