(57)【要約】【課題】半導体層における光の吸収を更に向上させる技術を提供する。【解決手段】一導電型の第１の半導体層１２を有する光電変換層１４を備える光電変換装置１０であって、光電変換層１４は、受光面とは反対側の裏面側に形成されている複数の第１の柱状部２０と、第１の柱状部２０の側面を囲むように設けられ、第１の柱状部２０よりも屈折率が小さい第１の孔部２２と、を有する。第１の柱状部２０は、第１の半導体層１２を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短い直径または対角線を有するとともに、第１の半導体層１２に対して逆導電型の第２の半導体層２４が形成されており、第１の柱状部２０は、少なくとも頂部の外縁において隣接する第１の柱状部２０と連なっている。【選択図】図１
2013074203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の第１の半導体層を有する光電変換層を備える光電変換装置であって、
前記光電変換層は、
受光面とは反対側の裏面側に形成されている複数の第１の柱状部と、
前記第１の柱状部の側面を囲むように設けられ、前記第１の柱状部よりも屈折率が小さい絶縁部と、を有し、
前記第１の柱状部は、前記第１の半導体層を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短い直径または対角線を有するとともに、前記第１の半導体層に対して逆導電型の第２の半導体層が形成されており、
前記第１の柱状部は、少なくとも頂部の外縁において隣接する第１の柱状部と連なっていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第２の半導体層は、前記絶縁部として複数の第１の孔部が形成されており、
前記第１の孔部は、前記第２の半導体層よりも屈折率が小さい絶縁材料を内部に有しており、
前記第２の半導体層は、その表面に、前記複数の第１の孔部を覆うように金属配線層を有しており、
前記金属配線層は、その一部が前記第１の孔部の内部まで侵入するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１の柱状部は、隣接して対向する前記第１の孔部同士の間隔をＷとした場合に、寸法Ｗ×√２の値が前記第１の半導体層を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短くなるように、構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１の孔部の直径または対角線は、０．３μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光電変換層は、
受光面とは反対側の裏面側に形成されている複数の第２の柱状部と、
前記第２の柱状部の側面を囲むように設けられ、前記第２の柱状部よりも屈折率が小さい絶縁部と、を有し、
前記第２の柱状部は、前記第１の半導体層を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短い直径または対角線を有するとともに、前記第１の半導体層と同じ一導電型の第３の半導体層が形成されており、
前記第２の柱状部は、少なくとも頂部の外縁において隣接する第２の柱状部と連なっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第３の半導体層は、前記絶縁部として複数の第２の孔部が形成されており、
前記第２の孔部は、前記第３の半導体層よりも屈折率が小さい絶縁材料を内部に有しており、
前記第３の半導体層は、その表面に、前記複数の第２の孔部を覆うように金属配線層を有しており、
前記金属配線層は、その一部が前記第２の孔部の内部まで侵入するように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第２の柱状部は、隣接して対向する前記第２の孔部同士の間隔をＷとした場合に、寸法Ｗ×√２の値が前記第１の半導体層を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短くなるように、構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第２の孔部の直径または対角線は、０．３μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に好適な光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池の開発が各方面で精力的に行われている。太陽電池は、発生した電気を外部に取り出すための一対の電極が必要であるが、通常は、この電極を、太陽光を受光する表面とその反対側の裏面とに設けている。
【０００３】
しかしながら、受光面側の電極の下部領域には太陽光が入射しないため、その領域は発電に寄与しない。そのため、表面電極は変換効率の低下の一因となる。そこで、一対の電極を裏面に形成した太陽電池が開発されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１−５０１４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、光を吸収することで電子正孔対を発生する半導体層は、材料費や製造プロセスにおけるコストの低減を考慮すると、より薄いことが望ましい。しかしながら、半導体層が薄すぎる場合、実用的な光の吸収が行われずに光が透過してしまうことになる。
【０００６】
例えば、半導体層が主としてシリコンのような間接遷移型の材料からなる場合、光の吸収効率が悪いため、波長の長い光は吸収されずに半導体層を透過してしまう。特に、シリコンのバンドギャップＥｇより小さなエネルギーの光（波長が約１１００ｎｍ以上の光）は発電に寄与しない。
【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、半導体層における光の吸収を更に向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光電変換装置は、一導電型の第１の半導体層を有する光電変換層を備える光電変換装置であって、光電変換層は、受光面とは反対側の裏面側に形成されている複数の第１の柱状部と、第１の柱状部の側面を囲むように設けられ、第１の柱状部よりも屈折率が小さい絶縁部と、を有する。第１の柱状部は、第１の半導体層を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短い直径または対角線を有するとともに、第１の半導体層に対して逆導電型の第２の半導体層が形成されており、第１の柱状部は、少なくとも頂部の外縁において隣接する第１の柱状部と連なっている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体層における光の吸収を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に係る光電変換装置の断面を模式的に示した図である。
【図２】図１に示す光電変換層の第１の柱状部、第２の柱状部および絶縁部を裏面側から見た状態を模式的に示した図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）、図６（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【図７】図７（ａ）、図７（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【図８】光の波長と所定の厚みの基板を透過する光子数との関係を示した図である。
【図９】第２の実施の形態に係る光電変換装置の断面を模式的に示した図である。
【図１０】図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【図１１】図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【図１２】本実施の形態に係る光電変換装置の製造工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光電変換装置の断面を模式的に示した図である。なお、以下の各図に示す各層、各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態に係る光電変換装置１０は、第１の導電型を示す第１の半導体層１２を有する光電変換層１４を備える。光電変換層１４は、受光面１６とは反対側の裏面１８側に形成されている複数の第１の柱状部２０と、複数の第１の柱状部２０の側面を囲むように設けられている絶縁部としての第１の孔部２２と、を有する。
【００１４】
本実施の形態に係る第１の半導体層１２は、単結晶のｎ型結晶シリコン層であり、屈折率は約３．５（光の波長が１．１μｍの場合）である。なお、屈折率はキャリア濃度や光の波長によって増減する。また、光電変換層１４の厚みは１００〜１５０μｍである。結晶シリコン層の形態は、単結晶、多結晶、微結晶のいずれか、または、混合物であってもよい。
【００１５】
第１の柱状部２０は、後述のプロセスによりｎ型結晶シリコンの一部が加工されることで形成される。第１の柱状部２０は、平面的に見て、第１の半導体層１２を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短い寸法（直径または対角線）を有する。また、第１の柱状部２０は、第１の半導体層１２と反対の極性である第２の導電型を示す第２の半導体層２４が形成されている。本実施の形態に係る第２の半導体層２４は、ｐ型不純物の濃度が高い領域（ｐ＋層）である。また、第２の半導体層２４は、第１の柱状部２０の、第１の半導体層１２と対向する側と反対側の端部に形成されており、その厚みＴ１は約０．５μｍ〜２．５μｍである。
【００１６】
なお、本実施の形態に係る第１の柱状部２０では、ｎ型基板である第１の半導体層１２とｐ＋層である第２の半導体層２４との間に空乏層２５が形成されている。空乏層２５は、キャリア濃度が低いため、隣接する他の半導体層と比較して屈折率が大きくなる傾向にある。そのため、第１の柱状部２０内の領域においては、第１の柱状部２０を囲む第１の孔部２２との屈折率差がさらに大きくなり、光の閉じ込め効果が高くなる。なお、本実施の形態に係る空乏層２５は、厚みが約０．５μｍである。なお、空乏層２５の厚みはキャリア濃度に依存して増減する。
【００１７】
光電変換層１４は、また、裏面１８側に形成されている複数の第２の柱状部２６を有している。第２の柱状部２６は、側面が絶縁部である第２の孔部２３により囲まれている。第２の柱状部２６は、平面的に見て、第１の半導体層１２を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短い寸法（直径または対角線）を有する。また、第２の柱状部２６は、第１の半導体層１２と同じ極性である第１の導電型を示す第３の半導体層２８が形成されている。本実施の形態に係る第３の半導体層２８は、第１の半導体層１２よりもｎ型不純物の濃度が高い領域（ｎ＋層）である。また、第３の半導体層２８は、第２の柱状部２６の、第１の半導体層１２と対向する側と反対側の端部に形成されており、その厚みＴ２は、第２の半導体層２４の厚みＴ１よりも薄く、約０．３μｍ〜２．０μｍである。
【００１８】
本実施の形態に係る第１の孔部２２および第２の孔部２３は、シリコン酸化膜からなり、屈折率は約１．４５である。つまり、第１の孔部２２および第２の孔部２３は、第１の柱状部２０および第２の柱状部２６よりも屈折率が小さい。なお、第１の孔部２２および第２の孔部２３は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの単層膜、あるいは、これらの積層膜であってもよい。
【００１９】
なお、本実施の形態に係る光電変換装置１０においては、複数の第１の柱状部２０の先端に設けられた第１の電極３０、および、複数の第２の柱状部２６の先端に設けられた第２の電極３２が光電変換層１４の裏面１８側に設けられている。第１の電極３０は、複数の第１の孔部２２を覆うように第２の半導体層２４の表面に形成された金属配線層として機能する。また、第２の電極３２は、複数の第２の孔部２３を覆うように第３の半導体層２８の表面に形成された金属配線層として機能する。これにより、入射光が第１の電極３０および第２の電極３２で遮られることなく第１の半導体層１２に到達するため、電極を光電変換層１４の受光面１６側に設けた場合と比較して、光電変換装置１０の発電効率が向上する。
【００２０】
次に、第１の柱状部２０、第２の柱状部２６および絶縁部（第１の孔部２２および第２の孔部２３）の形状や配置について説明する。図２は、図１に示す光電変換層の第１の柱状部、第２の柱状部および絶縁部を裏面側から見た状態を模式的に示した図である。なお、図２では、光電変換層の一部のみを示してある。図３は、図２の要部拡大図である。
【００２１】
図２に示すように、複数の第１の柱状部２０は、第１の電極３０の上部領域に縦横方向に間隔を空けて配列している。同様に、複数の第２の柱状部２６は、第２の電極３２の上部領域に縦横方向に間隔を空けて配列している。柱状部同士の間は第１の孔部２２または第２の孔部２３が設けられており、各柱状部の側面は、柱状部より屈折率の小さい第１の孔部２２または第２の孔部２３で部分的に覆われている。つまり、各柱状部は、側面の一部が隣接する柱状部と互いに接している。
【００２２】
本実施の形態に係る第１の柱状部２０は、図２や図３に示すように、４つの角部で隣接する４つの第１の柱状部２０とつながっている。この場合、第１の柱状部２０を、図３に示すように、４つの第１の孔部２２と接する４辺を有する矩形の領域と定義すると、第１の柱状部２０は、その水平断面が四角形である。そして、四角形の第１の柱状部２０の対角線より長い波長の光は、第１の柱状部２０が第１の柱状部２０よりも屈折率の小さい第１の孔部２２で囲まれているので、第１の柱状部２０の中には伝播しにくい。
【００２３】
そのため、図１に示すように、第１の半導体層１２を通過した光のうち、第１の柱状部２０の対角線よりも長い波長の光は、第１の柱状部２０の基部３４で反射される。そのため、第１の柱状部２０の対角線より長い波長の光は、実質的に第１の半導体層１２における行路長が長くなり、第１の半導体層１２で吸収されやすくなる。
【００２４】
ここで、隣接して対向する第１の孔部２２同士の間隔をＷとすると、第１の柱状部２０の寸法（対角線）は、近似的にＷ×√２で定義される。同様に、隣接して対向する第２の孔部２３同士の間隔をＷとすると、第２の柱状部２６の寸法（対角線）は、近似的にＷ×√２で定義される。
【００２５】
したがって、第１の柱状部２０は、隣接して対向する第１の孔部２２同士の間隔をＷとした場合に、寸法Ｗ×√２の値が第１の半導体層１２を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短くなるように、構成されている。また、第２の柱状部２６は、隣接して対向する第２の孔部２３同士の間隔をＷとした場合に、寸法Ｗ×√２の値が第１の半導体層１２を通過した光の少なくとも一部の光の波長より短くなるように、構成されている。
【００２６】
本実施の形態では、各柱状部の具体的な大きさは以下の点を考慮して決定される。太陽光に含まれる光の波長は、０．３〜３μｍの範囲にほぼ含まれている。そのため、第１の柱状部２０の寸法が３μｍを超えている場合、地上に到達する太陽光に含まれる光を実質的に反射できない。一方、第１の柱状部２０の寸法が０．３μｍ未満の場合、第１の柱状部２０の製造の難易度が上がるが、太陽光に含まれる光のうち反射される波長の光は実質的に変わらない。そのため、寸法が０．３μｍ未満となるように第１の柱状部２０を構成する必要性は乏しい。
【００２７】
このような理由により、本実施の形態に係る第１の柱状部２０の寸法（対角線）の長さ（Ｗ×√２）は、０．３μｍ以上３μｍ以下に設定されている。同様の理由により、本実施の形態に係る第２の柱状部２６は、その水平断面での寸法（対角線）が０．３μｍ以上３μｍ以下に設定されているとよい。
【００２８】
本実施の形態に係る光電変換層１４においては、第１の柱状部２０内にｐ＋層である第２の半導体層２４を設けたことで、第１の柱状部２０内に空乏層２５が生じる。空乏層２５は、第１の半導体層１２に比べて相対的に屈折率が大きいので、第１の柱状部２０内の領域においては、第１の柱状部２０を囲む第１の孔部２２との屈折率差がさらに大きくなり、上記効果をより顕著に享受することができる。
【００２９】
また、空乏層２５は、第１の半導体層１２の、第１の柱状部２０以外の領域にまで達していてもよい。この場合、第１の孔部２２の底部全体あるいは底部の一部に第１の孔部２２と空乏層２５との境界が生じ、その部分における屈折率差が大きくなる。このように、屈折率差が大きい部分が存在することで、第１の孔部２２と空乏層２５との境界での光の反射を高めることができる。
【００３０】
なお、半導体層を通過した光がｐ＋層に入射してキャリア（電子正孔対）を発生させても、ｐ＋層内ではキャリアはすぐに再結合して消失してしまうため、裏面電極を利用して光を反射させる場合には、その分発電効率が落ちてしまう。本実施の形態では、ｐ＋層である第２の半導体層２４よりも第１の半導体層１２側で光を反射させているので、裏面電極である第１の電極３０を利用して光を反射させる場合に比べて、光を吸収して発生したキャリアが再結合により消失することが低減される。その結果、光電変換装置の発電効率を高めることができる。
【００３１】
同様に、本実施の形態に係る第２の柱状部２６は、図２や図３に示すように、その水平断面が四角形である角柱である。この場合、第２の柱状部２６の対角線Ｗ×√２より長い波長の光は、第２の柱状部２６よりも屈折率の小さい第２の孔部２３で囲まれているので、第２の柱状部２６の中には伝播しにくい。
【００３２】
そのため、図１に示すように、第１の半導体層１２を通過した光のうち、第２の柱状部２６の対角線よりも長い波長の光は、第２の柱状部２６の基部３６で反射される。そのため、第２の柱状部２６の対角線より長い波長の光は、実質的に第１の半導体層１２における行路長が長くなり、第１の半導体層１２で吸収されやすくなる。
【００３３】
なお、半導体層を通過した光がｎ＋層に入射してキャリア（電子正孔対）を発生させても、ｎ＋層内ではキャリアはすぐに再結合して消失してしまうため、裏面電極を利用して光を反射させる場合には、その分発電効率が落ちてしまう。本実施の形態では、ｎ＋層である第３の半導体層２８よりも第１の半導体層１２側で光を反射させているので、裏面電極である第２の電極３２を利用して光を反射させる場合に比べて、光を吸収して発生したキャリアが再結合により消失することが低減される。その結果、光電変換装置の発電効率を高めることができる。
【００３４】
また、本実施の形態に係る光電変換層１４においては、相対的に屈折率の大きい第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）の側面が、相対的に屈折率の小さい第１の孔部２２や第２の孔部２３により囲まれている。つまり、両者の屈折率差に起因して、第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）の内面では反射が起こりやすくなっている。そのため、仮に対角線Ｗ×√２よりも短い波長の光が第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）の内部を伝播しても、第１の孔部２２や第２の孔部２３に漏れ出ることが抑制される。その結果、第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）の内部を伝播する光の行路長が長くなり、光が吸収されやすくなる。
【００３５】
次に、各柱状部の高さについて説明する。本実施の形態に係る第１の柱状部２０の高さは、３μｍ以下である。第１の柱状部２０の高さより波長の長い光は、仮に第１の柱状部２０の基部３４で反射せずに第１の柱状部２０の内部を伝播しても、吸収されずに透過してしまう可能性がある。そのため、光が透過しないようにするという観点からは第１の柱状部２０の高さを高くすることが望ましいが、反対に抵抗が増大してしまう。そこで、第１の柱状部の高さを光の波長以下である３μｍ以下とすることで、光の透過の抑制と抵抗の増加の抑制とを両立させることが可能となる。
【００３６】
同様の理由により、本実施の形態に係る第２の柱状部２６の高さは、３μｍ以下が好ましい。
【００３７】
次に、絶縁部の形状について説明する。図２、図３に示すように、絶縁部である第１の孔部２２や第２の孔部２３は、第２の半導体層２４や第３の半導体層２８に複数形成されている。換言すると、第１の孔部２２や第２の孔部２３は、第１の柱状部２０および第２の柱状部２６以外の部分である。図２に示す第１の孔部２２や第２の孔部２３の対角線Ｄ１（またはＤ２）は、柱状部の対角線の長さまたは直径の値を設定する理由と同様に、その水平断面での寸法が０．３μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
【００３８】
以上の説明においては、各柱状部や孔部を角柱として説明したが、角柱の角部が丸みを帯びていてもよく、また各柱状部や孔部が円柱であってもよい。円柱の場合、角柱の対角線として設定されている上述の数値は、円柱の直径として置き換えてもよい。また、角柱の場合、上面の全ての辺の長さが等しい必要はなく、本実施の形態における第１の柱状部２０や第２の柱状部２６、第１の孔部２２や第２の孔部２３のように上面が正方形である必要もない。例えば、上面が長方形である角柱であってもよい。
【００３９】
次に、本実施の形態に係る光電変換装置１０の製造方法について説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置１０の製造工程を説明するための図である。図５（ａ）、図５（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置１０の製造工程を説明するための図である。図６（ａ）、図６（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置１０の製造工程を説明するための図である。図７（ａ）、図７（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置１０の製造工程を説明するための図である。
【００４０】
はじめに、図４（ａ）に示すように、厚みが１０〜１５０μｍ程度のｎ型結晶シリコンの基板４０を用意する。次に、基板４０の一方の面上に所定のパターンのマスクをし、マスク以外の部分にシリコン酸化膜４２およびシリコン窒化膜４４をプラズマＣＶＤ法により形成する（図４（ｂ））。本実施の形態では、シリコン酸化膜４２の厚みは２０ｎｍ以下、シリコン窒化膜４４の厚みは２００ｎｍ以下である。その後、シリコン酸化膜４２およびシリコン窒化膜４４をマスクとして基板４０の一部をエッチングすることで、複数の孔部４６が形成される。また、孔部４６を挟んで複数の柱状部４７が形成される。
【００４１】
次に、酸素を用いたドライ酸化を基板４０に施すことによりにより、孔部４６の内壁にシリコン酸化膜４８が形成される（図５（ａ）参照）。更に、高密度プラズマＣＶＤ法により、少なくとも孔部４６が埋まるまでシリコン酸化膜５０を基板４０上に成膜する（図５（ｂ））。本実施の形態では、シリコン酸化膜５０の厚みは２０００ｎｍ以下である。
【００４２】
次に、反応性イオンエッチング法により基板４０の一方の面をエッチバックする（図６（ａ））。次に、基板４０のエッチバックされた面の所定の領域に、ｎ型不純物の拡散源として、リンを含むＰＳＧ(Phospho Silicate Glass)液をスピンコート法により塗布しＰＳＧ膜５２を形成する。更に、基板４０が露出している面、および、ＰＳＧ膜５２の表面に、ｎ型不純物の拡散源として、ボロンを含むＢＳＧ（Boron Silicate Glass）液をスピンコート法により塗布しＢＳＧ膜５４を形成する（図６（ｂ））。ＰＳＧ膜５２およびＢＳＧ膜５４は、約２００ｎｍ以下の厚みである。
【００４３】
次に、基板４０を熱処理することで、不純物濃度の高い拡散層５６，５８が各柱状部４７ａ，４７ｂに形成される（図７（ａ））。そして、ＰＳＧ膜５２およびＢＳＧ膜５４の一部を除去し、電極６０，６２を形成することで、光電変換装置１０が製造される（図７（ｂ））。電極の材料としては、アルミニウムや銅が好ましい。電極をアルミニウムで形成する場合、蒸着法が好適である。一方、電極を銅で形成する場合、スパッタリング法やメッキ法が好適である。
【００４４】
ここで、図７（ｂ）に示す光電変換装置７０における各部と、図１に示す光電変換装置１０における各部との対応関係を説明する。柱状部４７ａは、第１の柱状部２０に相当する。柱状部４７ｂは、第２の柱状部２６に相当する。シリコン酸化膜４８およびシリコン酸化膜５０は、絶縁部としての第１の孔部２２または第２の孔部２３に相当する。拡散層５６は、ｐ型不純物濃度の高い第２の半導体層２４に相当し、拡散層５８は、ｎ型不純物濃度が高い第３の半導体層２８に相当する。電極６０は、第１の電極３０に相当し、電極６２は、第２の電極３２に相当する。
【００４５】
次に、柱状部の径についての最適値の範囲について更に検討する。図８は、光の波長と所定の厚みの基板を透過する光子数との関係を示した図である。図８では、基板の厚みを、０μｍ、０．１μｍ、１μｍ、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、３００μｍ、１００００μｍと変化させて計算した結果を重ねて示してある。図８に示すように、シリコン基板は、透過させる光子の数に波長依存性がある。
【００４６】
シリコン基板の厚みが０μｍの場合、つまり基板での光の吸収が一切ない場合の波長毎の光子数は、図８に示すグラフＧ１に示すようになる。そして、グラフＧ１に対して他のグラフでは短波長側の光子の透過数の減少率が大きい。特に、シリコン基板の厚みが厚くなるほどその傾向は顕著になる。一方、シリコン基板の厚みが１００００μｍ（１０ｍｍ）の場合、グラフＧ２に示すように、波長が約１２００ｎｍ以上の光はほとんど透過し、吸収されない。
【００４７】
このように、波長が長い光ほどシリコン基板で吸収されにくくなる一方、シリコン基板の厚みが厚いほど光の吸収率は向上する。つまり、シリコン基板が厚くなれば、シリコン基板内で無理なく吸収される光の波長域の上限値λｍａｘも大きくなる。そのため、前述の柱状部で反射させる必要のある光は、上限値λｍａｘよりも大きければよい。
【００４８】
例えば、シリコン基板の厚みが１０μｍの場合、図８に示すグラフＧ３に示すように、上限値λｍａｘは約６００ｎｍである。したがって、シリコン基板を透過するまでに完全には吸収されない６００ｎｍ以上の波長の光を前述の絶縁部で囲まれた柱状部で構成される領域で反射させれば、吸収されにくい長波長側の光の行路長が実質的に延びることとなり、全体として光の吸収率が向上する。つまり、シリコン基板の厚みが１０μｍの場合、柱状部の対角線の長さ（または直径）は、０．６μｍ以下であればよい。同様の理由により、第１の孔部２２や第２の孔部２３の寸法は、０．６μｍ以下であればよい。
【００４９】
同様に、シリコン基板の厚みが５０μｍの場合、図８に示すグラフＧ４に示すように、上限値λｍａｘは約８００ｎｍである。したがって、柱状部の対角線の長さ（または直径）は、０．８μｍ以下であればよい。同様の理由により、第１の孔部２２や第２の孔部２３の寸法は、０．８μｍ以下であればよい。
【００５０】
同様に、シリコン基板の厚みが１００μｍの場合、図８に示すグラフＧ５に示すように、上限値λｍａｘは約９００ｎｍである。したがって、柱状部の対角線の長さ（または直径）は、０．９μｍ以下であればよい。同様の理由により、第１の孔部２２や第２の孔部２３の寸法は、０．９μｍ以下であればよい。
【００５１】
同様に、シリコン基板の厚みが１５０μｍの場合、図８に示すグラフＧ６に示すように、上限値λｍａｘは約９５０ｎｍである。したがって、柱状部の対角線の長さ（または直径）は、０．９５μｍ以下であればよい。同様の理由により、第１の孔部２２や第２の孔部２３の寸法は、０．９５μｍ以下であればよい。
【００５２】
なお、シリコン基板の厚みが前述の値以外の場合における柱状部の対角線の長さ（または直径）の上限値は、直線近似や曲線近似により適宜求めればよい。同様に、シリコン基板の厚みが前述の値以外の場合における絶縁部（各孔部）の寸法の上限値は、直線近似や曲線近似により適宜求めればよい。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態に係る光電変換装置の断面を模式的に示した図である。なお、前述の各図と同じ構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【００５４】
図９に示す光電変換装置１１０は、光電変換層１４の受光面１６側には、保護膜（パッシベーション膜）２７が積層されている。保護膜２７の上には窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる反射防止膜２９が積層されている。
【００５５】
光電変換装置１１０は、第１の実施の形態に係る光電変換装置１０と同様に、第１の柱状部２０の対角線よりも長い波長の光が、第１の柱状部２０の基部３４で反射される。そのため、第１の柱状部２０の対角線より長い波長の光は、実質的に第１の半導体層１２における行路長が長くなり、第１の半導体層１２で吸収されやすくなる。また、第１の半導体層１２を通過した光のうち、第２の柱状部２６の対角線よりも長い波長の光は、第２の柱状部２６の基部３６で反射される。そのため、第２の柱状部２６の対角線より長い波長の光は、実質的に第１の半導体層１２における行路長が長くなり、第１の半導体層１２で吸収されやすくなる。したがって、光電変換装置１１０は、第１の実施の形態に係る光電変換装置１０と同様に、半導体層における光の吸収を更に向上させることができる。
【００５６】
光電変換装置１１０は、図９に示すように、金属配線層として機能する第１の電極３０の一部が第１の孔部２２の内部まで侵入するように形成されている。同様に、金属配線層として機能する第２の電極３２の一部が第２の孔部２３の内部まで侵入するように形成されている。
【００５７】
また、光電変換装置１１０においても、図２や図３に示すように、第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）は、少なくとも頂部（裏面１８側の先端）の外縁において、隣接する第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）と連なっている。つまり、第１の柱状部２０（または第２の柱状部２６）を裏面側から見ると、孔部が形成されている領域以外は連続した平坦面とみなすことができる。
【００５８】
そのため、光電変換層１４の裏面１８側における各柱状部と各孔部との間に凹凸が発生するような製造プロセスを採用した場合であっても、各電極をスパッタリング法や蒸着法により成膜することができる。詳述すると、スパッタリング法や蒸着法により電極を成膜する場合、局所的に導電膜の厚みを変えることは生産性を考慮すれば好ましくない。一方、図９に示すように、各孔部と各柱状部との間に導電膜の膜厚以上の段差ｄがあると、各柱状部の頂部にある導電部３７と、各孔部の頂部にある導電部３８とが連続的に形成されない可能性も生じる。
【００５９】
しかしながら、本実施の形態に係る光電変換装置１１０においては、裏面１８側における第１の柱状部２０の頂部２０ａ（図２参照）や第２の柱状部２６の頂部２６ａ（図２参照）は、隣接する各柱状部の頂部と連続した平坦面となっている。そのため、スパッタリング法や蒸着法などにより電極を形成することで、導電膜を必要以上に厚くしなくても各柱状部の先端同士の導通は確保されることとなる。したがって、光電変換装置１１０は、裏面１８側における配線の接続信頼性が向上するとともに、電極を形成するための材料の消費を抑制できる。
【００６０】
次に、本実施の形態に係る光電変換装置１１０の製造方法について説明する。なお、周知の工程や説明については適宜省略する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置１１０の製造工程を説明するための図である。図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換装置１１０の製造工程を説明するための図である。図１２は、本実施の形態に係る光電変換装置１１０の製造工程を説明するための図である。
【００６１】
はじめに、図１０（ａ）に示すように、不純物濃度の高い拡散層７２，７４が形成されている、厚みが１０〜１５０μｍ程度のｎ型結晶シリコンの基板４０を用意する。拡散層７２は、ｐ型不純物濃度の高い第２の半導体層２４に相当し、拡散層７４は、ｎ型不純物濃度が高い第３の半導体層２８に相当する。次に、基板４０の一方の面上に所定のパターンのマスクをし、マスク以外の部分にシリコン酸化膜７６およびレジスト膜７８をプラズマＣＶＤ法により形成する。その後、シリコン酸化膜７６およびレジスト膜７８をマスクとして基板４０の一部をエッチングすることで、複数の孔部４６が形成される。また、孔部４６を挟んで複数の柱状部４７が形成される（図１０（ｂ）参照）。
【００６２】
次に、酸素を用いたドライ酸化を基板４０に施すことによりにより、基板４０の受光面１６側にパッシベーション用の保護膜２７が形成されるとともに、裏面１８側もシリコン酸化膜４８で覆われる。これにより、孔部４６の内壁にシリコン酸化膜４８が形成される（図１１（ａ）参照）。次に、基板４０の裏面１８側にスピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）８０を塗布し、孔部４６全体をＳＯＧ８０で充填する（図１１（ｂ）参照）。また、保護膜２７の上に窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる反射防止膜２９を形成する。
【００６３】
次に、図１２に示すように、周知のフォトリソグラフ技術を用いてコンタクトホール８２を形成する。コンタクトホール８２を形成する際、シリコン酸化膜４８とＳＯＧ８０とのエッチングレートは互いに大きく異なっている。具体的には、ＳＯＧ８０のエッチングレートは、シリコン酸化膜４８のエッチングレートの３倍程度である。したがって、コンタクトホール８２を形成しようとすると、シリコン酸化膜４８表面とＳＯＧ８０表面との間で段差８４が生じる。
【００６４】
この状態で、電極３０，３２（図９参照、図１２では不図示。）を形成することで、光電変換装置１２０が製造される（図９参照）が、前述の理由により各電極と各半導体層との接続信頼性は十分確保される。なお、電極の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）が好ましい。電極をアルミニウム（Ａｌ）で形成する場合、蒸着法が好適である。一方、電極を銅（Ｃｕ）で形成する場合、スパッタリング法やメッキ法が好適である。
【００６５】
ここで、図１２に示す光電変換装置１２０における各部と、図９に示す光電変換装置１１０における各部との対応関係を説明する。柱状部４７ａは、第１の柱状部２０に相当する。柱状部４７ｂは、第２の柱状部２６に相当する。シリコン酸化膜４８およびＳＯＧ８０からなる孔部４６は、絶縁部としての第１の孔部２２または第２の孔部２３に相当する。拡散層７２は、ｐ型不純物濃度の高い第２の半導体層２４に相当し、拡散層７４は、ｎ型不純物濃度が高い第３の半導体層２８に相当する。
【００６６】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００６７】
具体的には、Ｐ型結晶シリコンに柱状部を設け、この柱状部に逆の導電型のｎ＋層を設けた光電変換装置としてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０  光電変換装置、  １２  第１の半導体層、  １４  光電変換層、  １６  受光面、  １８  裏面、  ２０  第１の柱状部、  ２２  第１の孔部、  ２３  第２の孔部、  ２４  第２の半導体層、  ２６  第２の柱状部、  ２８  第３の半導体層、  ３０  第１の電極、  ３２  第２の電極、  ４８  シリコン酸化膜、  ７０  光電変換装置、  ８０  ＳＯＧ、  ８２  コンタクトホール、  ８４  段差。
【図１】
2013074203.tif 000003
【図２】
2013074203.tif 000004
【図３】
2013074203.tif 000005
【図４】
2013074203.tif 000006
【図５】
2013074203.tif 000007
【図６】
2013074203.tif 000008
【図７】
2013074203.tif 000009
【図８】
2013074203.tif 000010
【図９】
2013074203.tif 000011
【図１０】
2013074203.tif 000012
【図１１】
2013074203.tif 000013
【図１２】
2013074203.tif 000014