(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子であって、
前記半導体基板の受光面側に設けられ、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体により構成され、かつ、前記半導体基板の導電性と同一の導電性を付与する元素を含有する半導体薄膜と、
前記半導体基板の受光面側表面にあって、前記半導体薄膜に含有された前記元素と同一の元素を、前記半導体基板の導電性を付与する元素の濃度よりも高い濃度で含有し、前記半導体薄膜とともにヘテロ接合を形成する拡散元素含有層と、
を具備することを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子であって、
前記半導体基板の受光面側に設けられ、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体により構成され、かつ、前記半導体基板の導電性と異なる導電性を付与する元素を含有する半導体薄膜と、
前記半導体基板の受光面側表面にあって、前記半導体薄膜に含有された前記元素と同一の元素を含有し、前記半導体基板とともにｐｎ接合を形成する拡散元素含有層と、
を具備することを特徴とする光電変換素子。
【請求項３】
前記半導体基板の主成分がＧｅ，ＳｉＧｅ，Ｓｉ又はＳｉＣである、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記半導体薄膜の主成分が結晶、多結晶又は非晶質のＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ又はＣである、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記半導体薄膜の主成分が結晶、多結晶又は非晶質のIII-Ｖ族化合物半導体である、請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項６】
請求項４に記載の光電変換素子を製造する方法であって、プラズマＣＶＤ法を用いて前記半導体薄膜を構成する元素を前記半導体基板に堆積させることによって前記半導体薄膜を形成する工程を具備することを特徴とする光電変換素子製造方法。
【請求項７】
前記半導体薄膜を形成する前記工程は、前記半導体基板が設置された場所から離れた場所において磁場に閉じ込められたプラズマを形成し、該プラズマにより前記半導体薄膜を構成する元素を含有した気体を分解又は活性化し、前記半導体基板の表面に供給して堆積させるものである、請求項６に記載の光電変換素子製造方法。
【請求項８】
請求項５に記載の光電変換素子を製造する方法であって、ＭＯＣＶＤ法を用いて前記半導体薄膜を構成する元素を前記半導体基板に堆積させることによって前記半導体薄膜を形成する工程を具備することを特徴とする光電変換素子製造方法。
【請求項９】
前記半導体薄膜を形成する前記工程に次いで、熱処理により前記拡散元素含有層を形成する工程を更に具備する、請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載の光電変換素子製造方法。
【請求項１０】
前記熱処理は不活性雰囲気又は還元雰囲気において行われる、請求項９に記載の光電変換素子製造方法。
【請求項１１】
半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子の製造方法であって、
前記半導体基板の受光面側に、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体により構成され、かつ、前記半導体基板の導電性と同一の導電性を付与する元素を含有する半導体薄膜を形成する工程と、
前記半導体薄膜に含有された前記元素の拡散により、前記半導体基板の表面に、前記半導体基板の導電性を付与する元素の濃度よりも高い濃度で導電性を付与する元素を含有し、前記半導体薄膜とともにヘテロ接合を形成する拡散層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする光電変換素子製造方法。
【請求項１２】
半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子の製造方法であって、
前記半導体基板の受光面側に、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体により構成され、かつ、前記半導体基板の導電性と異なる導電性を付与する元素を含有する半導体薄膜を形成する工程と、
前記半導体薄膜に含有された前記元素の拡散により、前記半導体基板の表面に、前記半導体基板とともにｐｎ接合を構成する拡散層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする光電変換素子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱源によって加熱された発光体からの輻射光を光電変換素子によって電力に変換する熱光発電装置に好適な光電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化石燃料や可燃性ガスから直接に電気エネルギーを得る技術として、熱光起電力変換(thermophotovoltaic energy conversion)による発電すなわち熱光発電（ＴＰＶ発電）が注目されている。ＴＰＶ発電のしくみは、熱源からの燃焼熱を発光体（輻射体、エミッタ）に与えることにより、その発光体より輻射光を発生させ、その光を光電変換素子（太陽電池）に照射して電気エネルギーを得るというものである。ＴＰＶ発電装置は、可動部分を有しないため、無騒音・無振動システムを実現することができる。次世代のエネルギー源として、ＴＰＶ発電は、クリーン性、静粛性などの点で優れている。
【０００３】
例えば、特開昭６３−３１６４８６号公報には、多孔質固体により製作された発光体と、排ガスがその発光体内を通過するように構成された発光体加熱手段と、その発光体からの輻射エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子と、から構成される熱光発電装置が開示されている。
【０００４】
ＴＰＶ発電では、温度１０００〜１７００°Ｃの発光体から得られる赤外光が用いられる。発光体から輻射される波長１．４〜１．７μｍの光を電気に変換するためには、バンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料で作製した光電変換素子を用いる必要がある。一般的な材料であるＳｉ（シリコン）は、１．１μｍ以下の波長の光しか電気に変換することができないため、利用することができない。
【０００５】
ＴＰＶ発電装置用の光電変換素子としては、０．５〜０．７ｅＶのバンドギャップ（Ｅｇ）を有する材料が適している。代表的な材料としてＧａＳｂ（ガリウムアンチモン，Ｅｇ＝０．７２ｅＶ）、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素，Ｅｇ＝０．６０ｅＶ）、Ｇｅ（ゲルマニウム，Ｅｇ＝０．６６ｅＶ）等が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＰＶ発電のエネルギー効率を高め、高価な光電変換素子の使用量を減らして、コストを低減する方法として、発光体から発生する光の強度を増加させる方法がある。光強度を１００倍にすると、光電変換素子の使用量は１／１００となり、コストを大幅に低減することができ、またエネルギー変換効率も向上する。
【０００７】
その場合、発生する電流が増大するため、従来型の光電変換素子では、抵抗損失を減少させるべく表面側の電極の面積を大幅に増加させる必要がある。しかし、表面側の電極の面積が増加すると、光電変換素子に入射する光の量が減少することとなり、光強度の増加を活かすことができないという弊害が生ずる。
【０００８】
一方、表面側に電極を有しない裏面電極型という構造があり、集光型発電システムに用いられている。しかし、この裏面電極型は、キャリアの拡散長が大きい間接遷移型材料でしか成立せず、実際にはＳｉでのみ成立している。間接遷移型でかつバンドギャップが小さい材料としてＧｅ（ゲルマニウム）がある。現在のところ、材料としてＧｅを用いるとともに電極構造として裏面電極型を採用した光電変換素子は実用化されていない。
【０００９】
そこで、本願出願人は、先に、特願2000−105408号の願書に添付した明細書及び図面において、表面でのキャリアの再結合損失を大幅に減少させ得る素子構造を有することで、ＴＰＶ発電用に適したＧｅを材料として採用し且つ電極構造として裏面電極型を採用するのを可能にした光電変換素子を提案した。
【００１０】
その提案された光電変換素子においては、受光面側でのキャリア再結合損失を減少させる手段の一つとして電荷移動を制御する拡散層が設けられる。しかし、その拡散層を形成する方法として、Ｓｉ材料に適用されるイオン注入法や熱拡散法が用いられると、以下のような問題が発生する。
【００１１】
すなわち、イオン注入法によれば、エネルギーの高いイオンを基板表面に打ち込むため、表面の結晶欠陥が増加し、再結合損失が増加する。したがって、キャリアの発生量の多い受光面側に適用すると、光電変換効率の向上に支障が生ずる。
【００１２】
また、熱拡散法によれば、酸化雰囲気で拡散層を形成するため、Ｇｅ表面が不均一に酸化され、表面が荒れた状態となり、結晶欠陥が増加する。したがって、この場合にも、光電変換効率の向上に支障が生ずる。
【００１３】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来のイオン注入法、熱拡散法などによる問題点を解決すべく、電荷移動を制御し再結合損失を減少させる受光面側半導体層（拡散層）を還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気で形成可能な素子構造を有する光電変換素子及びその製造方法を提供することにある。ひいては、本発明は、材料としてＴＰＶ発電用に適したＧｅを採用し且つ電極構造として裏面電極型を採用する光電変換素子において、その受光面におけるキャリア再結合損失を減少させることにより、その変換効率を向上させて、ＴＰＶシステムの発電量を増加させることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の面によれば、半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子であって、前記半導体基板の受光面側に設けられ、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体により構成され、かつ、前記半導体基板の導電性と同一の導電性を付与する元素を含有する半導体薄膜と、前記半導体薄膜に含有された前記元素の拡散により前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板の導電性を付与する元素の濃度よりも高い濃度で導電性を付与する元素を含有する拡散層と、を具備することを特徴とする光電変換素子が提供される。
【００１５】
また、本発明の第２の面によれば、半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子であって、前記半導体基板の受光面側に設けられ、前記半導体基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体により構成され、かつ、前記半導体基板の導電性と異なる導電性を付与する元素を含有する半導体薄膜と、前記半導体薄膜に含有された前記元素の拡散により前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板とともにｐｎ接合を形成する拡散層と、を具備することを特徴とする光電変換素子が提供される。
【００１６】
また、本発明の第３の面によれば、半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子であって、前記半導体基板の受光面側に設けられ、波長８００ｎｍ〜２０００ｎｍ以下の光を９５％以上透過させ、かつ、前記半導体基板の導電性と同一の導電性を付与する元素を含有する絶縁性薄膜と、前記絶縁性薄膜に含有された前記元素の拡散により前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板の導電性を付与する元素の濃度よりも高い濃度で導電性を付与する元素を含有する拡散層と、を具備することを特徴とする光電変換素子が提供される。
【００１７】
また、本発明の第４の面によれば、半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を設けた裏面電極型の光電変換素子であって、前記半導体基板の受光面側に設けられ、波長８００ｎｍ〜２０００ｎｍ以下の光を９５％以上透過させ、かつ、前記半導体基板の導電性と異なる導電性を付与する元素を含有する絶縁性薄膜と、前記絶縁性薄膜に含有された前記元素の拡散により前記半導体基板の表面に形成され、前記半導体基板とともにｐｎ接合を形成する拡散層と、を具備することを特徴とする光電変換素子が提供される。
【００１８】
また、本発明の第５の面によれば、前記本発明の第１から第４までの面による光電変換素子において、前記半導体基板の主成分はＧｅ，ＳｉＧｅ，Ｓｉ又はＳｉＣである。
【００１９】
また、本発明の第６の面によれば、前記本発明の第１又は第２の面による光電変換素子において、前記半導体薄膜の主成分は結晶、多結晶又は非晶質のＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ又はＣである。
【００２０】
また、本発明の第７の面によれば、前記本発明の第１又は第２の面による光電変換素子において、前記半導体薄膜の主成分は結晶、多結晶又は非晶質のIII-Ｖ族化合物半導体である。
【００２１】
また、本発明の第８の面によれば、前記本発明の第３又は第４の面による光電変換素子において、前記絶縁性薄膜の主成分はＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ又はＴｉＯｘである。
【００２２】
また、本発明の第９の面によれば、前記本発明の第６又は第８の面による光電変換素子を製造する方法であって、プラズマＣＶＤ法を用いて前記半導体薄膜又は絶縁性薄膜を構成する元素を前記半導体基板に堆積させることによって前記半導体薄膜又は絶縁性薄膜を形成する工程を具備することを特徴とする光電変換素子製造方法が提供される。
【００２３】
また、本発明の第１０の面によれば、前記本発明の第９の面による光電変換素子製造方法において、前記半導体薄膜又は絶縁性薄膜を形成する前記工程は、前記半導体基板が設置された場所から離れた場所において磁場に閉じ込められたプラズマを形成し、該プラズマにより前記半導体薄膜を構成する元素を含有した気体を分解又は活性化し、前記半導体基板の表面に供給して堆積させるものである。
【００２４】
また、本発明の第１１の面によれば、前記本発明の第７の面による光電変換素子を製造する方法であって、ＭＯＣＶＤ法を用いて前記半導体薄膜又は絶縁性薄膜を構成する元素を前記半導体基板に堆積させることによって前記半導体薄膜を形成する工程を具備することを特徴とする光電変換素子製造方法が提供される。
【００２５】
また、本発明の第１２の面によれば、前記本発明の第９〜第１１の面による光電変換素子製造方法において、前記半導体薄膜又は絶縁性薄膜を形成する前記工程に次いで、熱処理により前記拡散層を形成する工程が更に具備される。
【００２６】
また、本発明の第１３の面によれば、前記本発明の第１２の面による光電変換素子製造方法において、前記熱処理は不活性雰囲気又は還元雰囲気において行われる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の面による光電変換素子の実施形態（第１実施形態）を示す断面図である。まず、図１に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、反射防止膜１１０は、光反射損失を減少させるために設けられた多層光学薄膜である。また、反射防止膜１１０は、後述するワイドギャップ半導体薄膜１２０の表面の保護膜として機能し、反射防止膜１１０と半導体薄膜１２０との界面の欠陥を減少させる。
【００２９】
ワイドギャップ半導体薄膜１２０は、半導体基板１４０のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体により構成され、半導体基板１４０の導電性を付与する元素の濃度より高い、同一の導電性を付与する元素濃度を有する。
【００３０】
受光面側（上部）ｎ+層（拡散層）１３０は、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面での再結合損失を減少させる。これは、また、上側のワイドギャップ半導体薄膜１２０とヘテロ接合を形成し、ヘテロ接合のエネルギーバンドにより、さらにキャリアの移動方向を制御する効果を高め、より界面での再結合損失を減少させる効果を有する。
【００３１】
ｎ型IV族基板１４０は、ライフタイムの大きいIV族元素（Ｓｉ，Ｇｅ）を主成分とする半導体基板である。裏面側（下部）ｐ+層１５０及びｎ+層１５２は、半導体基板１４０で発生した電子及び正孔を分離し、後述する電極に収集する半導体層である。裏面側絶縁膜１６０は、半導体層の保護と、ｐ+層１５０及びｎ+層１５２にそれぞれ接続する＋電極１７０及び−電極１７２の絶縁分離とを行う。これらの電極１７０及び１７２は、半導体層で生成されたキャリアを電流として取り出す。
【００３２】
なお、ｎ型基板を用いた構成を示したが、ｐ型基板を用いた場合はｐ層、ｎ層を入れ替えることにより同様の構成を作製することが可能である。
【００３３】
次に、図１に示される光電変換素子の作用について説明すると、第一に、導電性を付与する元素を有するワイドギャップ半導体薄膜１２０を半導体基板１４０の受光面側に形成することにより、半導体基板１４０の受光面側拡散層１３０を酸化雰囲気にさらすことなく形成することができる。第二に、半導体基板１４０の受光面側に導電性を付与する元素の濃度（キャリア濃度）が大きい拡散層１３０を設けることにより、光により生成されたキャリアが欠陥の多い界面に移動するのを防止することができる。第三に、ワイドギャップ半導体層１２０と半導体基板の拡散層１３０とで形成されるヘテロ接合により、光により生成されたキャリアが欠陥の多い界面に移動するのを防止する効果が高められる。
【００３４】
かくして、受光面側のキャリア再結合損失を減少させることができるため、その効果として、光電変換素子の変換効率を増加させることができる。その結果、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、その発電量を増加させることができる。
【００３５】
ここで、図１に示される光電変換素子の具体的構造（設計値）について説明すると、選択反射膜１１０は、ＭｇＦ2 ，ＺｎＳ多層膜で、ＴＰＶの発光体（エミッタ）が発生する光のうち光電変換素子により電流に変換できる波長領域の光を透過し、半導体層に吸収させ、不要な光を反射させることにより素子の温度上昇を防ぐ。
【００３６】
ワイドギャップ半導体薄膜１２０は、多結晶Ｓｉ膜で、導電性を付与する元素リン（Ｐ）及び水素を含む非晶質（アモルファス）Ｓｉ膜を熱処理により結晶化させた薄膜である。その厚みは３００nm、リン（Ｐ）元素濃度は０．１〜５％（atomic %）、水素濃度は０．０１〜１０％（atomic %）である。
【００３７】
半導体基板１４０について説明すると、その基板材料は結晶性Ｇｅである。また、受光面側ｎ+層１３０は、表面キャリア濃度１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍを有する。そして、Ｇｅ基板１４０は、厚み１５０μｍを有し、キャリア濃度１×１０15cm-3のｎ型である。また、裏面側ｐ+層１５０は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有し、裏面側ｎ+層は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有する。なお、受光面側のｎ+層１３０は、熱処理時に非晶質Ｓｉ薄膜に含まれるリン（Ｐ）の拡散により形成される。
【００３８】
そして、裏面側絶縁膜１６０は、ＳｉＮｘ膜である。
【００３９】
その他の構成として、具体例におけるｐ層、ｎ層の組み合わせはこれに限定されるものではなく、逆の組み合わせを用いることも可能である。また、導電性を付与する元素としてリン（Ｐ）を用いたが、ｐ層を形成する元素としてホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）を、ｎ層を形成する元素として窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などを用いることができる。
【００４０】
上述した具体的構造によれば、基本的構成による作用・効果に加え、ＴＰＶシステム発光体（エミッタ）に適したバンドギャップを有するＧｅを主材料として裏面電極型を構成するため、ＴＰＶシステムの発電量を増加させることができるという効果がある。
【００４１】
図２は、本発明の第２の面による光電変換素子の実施形態（第２実施形態）を示す断面図である。まず、図２に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、反射防止膜２１０は、図１の光電変換素子における反射防止膜１１０と同様である。
【００４２】
ワイドギャップ半導体薄膜２２０は、半導体基板２４０のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体により構成され、半導体基板２４０の導電性と異なる導電性を付与する元素を含有する。
【００４３】
受光面側（上部）ｎ+層２３０は、基板２４０とｐｎ接合２３２を形成することにより、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面での再結合損失を減少させる。また、上側のワイドギャップ半導体薄膜２２０とヘテロ接合を形成し、ヘテロ接合のエネルギーバンドにより、さらにキャリアの移動方向を制御する効果を高め、より界面での再結合損失を減少させる効果を有する。
【００４４】
ｎ型IV族基板２４０、裏面側（下部）ｐ+層２５０及びｎ+層２５２、裏面側絶縁膜２６０、＋電極２７０及び−電極２７２は、それぞれ、図１の光電変換素子におけるｎ型IV族基板１４０、裏面側（下部）ｐ+層１５０及びｎ+層１５２、裏面側絶縁膜１６０、＋電極１７０及び−電極１７２と同様である。
【００４５】
なお、ｐ型基板を用いた構成を示したが、ｎ型基板を用いた場合にはｐ層、ｎ層を入れ替えることにより同様の構成を作製することが可能である。
【００４６】
次に、図２に示される光電変換素子の作用について説明すると、第一に、導電性を付与する元素を有するワイドギャップ半導体薄膜２２０を半導体基板２４０の受光面側に形成することにより、半導体基板の受光面側ｐｎ接合２３２を酸化雰囲気にさらすことなく形成することができる。第二に、半導体基板２４０の受光面側にｐｎ接合２３２を設けることにより、光により生成されたキャリアが欠陥の多い界面に移動するのを防止することができる。第三に、ワイドギャップ半導体薄膜２２０と半導体基板の拡散層２３０とで形成されるヘテロ接合により、光により生成されたキャリアが欠陥の多い界面に移動するのを防止する効果が高められる。かくして、図２に示される光電変換素子も、図１の光電変換素子による効果と同一の効果を奏する。
【００４７】
ここで、図２に示される光電変換素子の具体的構造（設計値）について説明すると、選択反射膜２１０は、図１の光電変換素子における選択反射膜１１０と同様である。また、ワイドギャップ半導体薄膜２２０は、ＧａＡｓ膜で、導電性を付与する元素Ａｓを含有する。このＡｓは、基板であるＧｅと格子定数が極めて近く、品質の高い結晶性薄膜を形成することができる。なお、その厚みは、３００nmである。
【００４８】
半導体基板２４０について説明すると、その基板材料は結晶性Ｇｅである。受光面側ｎ+層２３０は、表面キャリア濃度１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍを有する。そして、Ｇｅ基板は、厚み１５０μｍを有し、キャリア濃度１×１０15cm-3のｐ型である。また、裏面側ｐ+層２５０は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有し、裏面側ｎ+層２５２は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有する。なお、受光面側のｎ+層２３０は、薄膜形成時にＧａＡｓ薄膜を構成するＡｓの拡散により形成される。
【００４９】
そして、裏面側絶縁膜２６０及び電極２７０，２７２は、図１のものと同様である。
【００５０】
その他の構成として、具体例におけるｐ層、ｎ層の組み合わせはこれに限定されるものではなく、逆の組み合わせを用いることができる。また、導電性を付与する元素としてリン（Ｐ）を用いたが、ｐ層を形成する元素としてホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）を、ｎ層を形成する元素として窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などを用いることができる。
【００５１】
図２についての上述したような具体的構造によれば、図１の光電変換素子による効果に加えて以下の特徴がある。すなわち、第一に、Ｇｅと格子定数が極めて近く、品質の高い結晶性薄膜を形成することができるため、欠陥量の少ないＧａＡｓ／Ｇｅ界面を形成することができ、かくして界面での再結合損失を減少させることができる。第二に、薄膜、界面の欠陥が少ない（品質が高い）ため、ヘテロ接合によりキャリアの移動方向を制御する効果が高められる。
【００５２】
図３は、本発明の第３の面による光電変換素子の実施形態（第３実施形態）を示す断面図である。まず、図３に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、絶縁性薄膜３２０は、波長８００〜２０００nmの光の９５％以上を透過し、かつ、半導体基板３４０の導電性と同一の導電性を付与する元素を含む絶縁性の薄膜であり、反射防止膜としての機能を兼ねる。
【００５３】
受光面側（上部）ｎ+層３３０は、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面での再結合損失を減少させる。このｎ+層３３０は、絶縁性薄膜３２０に含まれる導電性を付与する元素の拡散により形成される。
【００５４】
ｎ型IV族基板３４０、裏面側（下部）ｐ+層３５０及びｎ+層３５２、裏面側絶縁膜３６０、＋電極３７０及び−電極３７２は、それぞれ、図１の光電変換素子におけるｎ型IV族基板１４０、裏面側（下部）ｐ+層１５０及びｎ+層１５２、裏面側絶縁膜１６０、＋電極１７０及び−電極１７２と同様である。
【００５５】
なお、ｎ型基板を用いた構成を示したが、ｐ型基板を用いた場合にはｐ層、ｎ層を入れ替えることにより同様の構成を作製することが可能である。
【００５６】
次に、図３に示される光電変換素子の作用について説明すると、第一に、導電性を付与する元素を有する絶縁性薄膜３２０を半導体基板３４０の受光面側に形成することにより、半導体基板の受光面側拡散層３３０を酸化雰囲気にさらすことなく形成することができる。第二に、半導体基板３４０の受光面側に導電性を付与する元素の濃度（キャリア濃度）が大きい拡散層３３０を設けることにより、光により生成されたキャリアが欠陥の多い界面に移動するのを防止することができる。
【００５７】
かくして、図３に示される光電変換素子においても、図１の光電変換素子による効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、受光面側のキャリア再結合損失を減少させることができるため、光電変換素子の変換効率を増加させることができる。その結果、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、その発電量を増加させることができる。
【００５８】
ここで、図３に示される光電変換素子の具体的構造（設計値）について説明すると、絶縁性薄膜３２０は、ＳｉＮｘ膜、すなわち、導電性を付与する元素リン（Ｐ）及び水素を含む非晶質（アモルファス）ＳｉＮｘ：Ｈ膜を熱処理により結晶化させた薄膜である。その厚みは１００〜２００nm、リン（Ｐ）元素濃度は０．１〜５％（atomic %）、水素濃度は０．０１〜１０％（atomic %）である。この薄膜は、ＴＰＶの発光体（エミッタ）が発生する光のうち光電変換素子により電流に変換できる波長領域の光を透過して半導体層に吸収させるとともに、不要な光を反射させることにより素子の温度上昇を防ぐ。
【００５９】
半導体基板３４０について説明すると、その基板材料は結晶性Ｇｅである。受光面側ｎ+層３３０は、表面キャリア濃度１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍを有する。そして、Ｇｅ基板は、厚み１５０μｍを有し、キャリア濃度１×１０15cm-3のｎ型である。また、裏面側ｐ+層３５０は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有し、裏面側ｎ+層３５２は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有する。なお、受光面側のｎ+層３３０は、熱処理時に非晶質ＳｉＮｘ：Ｈ薄膜に含まれるリン（Ｐ）の拡散により形成される。
【００６０】
そして、裏面側絶縁膜３６０は、図１の光電変換素子と同様に、ＳｉＮｘ膜である。また電極３７０，３７２も図１の光電変換素子と同様である。
【００６１】
その他の構成として、具体例におけるｐ層、ｎ層の組み合わせは、これに限定されるものではなく、逆の組み合わせを用いることができる。また、導電性を付与する元素としてリン（Ｐ）を用いたが、ｐ層を形成する元素としてホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）を、ｎ層を形成する元素として窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などを用いることができる。
【００６２】
図３についての上述したような具体的構造によれば、図１又は図２に示される光電変換素子による効果に近い効果を、ワイドギャップ半導体薄膜を設けることなく得ることができ、素子の製造コストを低減することができる。また、ワイドギャップ半導体薄膜を設けないため、可視光に対する光吸収がなく、ＴＰＶ向けだけでなく、太陽光、照明光などに対する光電変換の効率を向上させることができる。
【００６３】
図４は、本発明の第４の面による光電変換素子の実施形態（第４実施形態）を示す断面図である。まず、図４に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、絶縁性薄膜４２０は、波長８００〜２０００nmの光の９５％以上を透過し、かつ、半導体基板４４０の導電性と異なる導電性を付与する元素を含む絶縁性の薄膜であり、反射防止膜としての機能を兼ねる。
【００６４】
受光面側（上部）ｎ+層４３０は、基板４４０とｐｎ接合４３２を形成することにより、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面での再結合損失を減少させる。ｎ+層４３０は、絶縁性薄膜４２０に含まれる導電性を付与する元素の拡散により形成される。
【００６５】
ｐ型IV族基板４４０、裏面側（下部）ｐ+層４５０及びｎ+層４５２、裏面側絶縁膜４６０、＋電極４７０及び−電極４７２は、それぞれ、図１の光電変換素子における基板１４０、裏面側（下部）ｐ+層１５０及びｎ+層１５２、裏面側絶縁膜１６０、＋電極１７０及び−電極１７２と同様である。
【００６６】
なお、ｐ型基板を用いた構成を示したが、ｎ型基板を用いた場合はｐ層、ｎ層を入れ替えることにより同様の構成を作製することが可能である。
【００６７】
次に、図４に示される光電変換素子の作用について説明すると、第一に、導電性を付与する元素を有する絶縁性薄膜４２０を半導体基板４４０の受光面側に形成することにより、半導体基板の受光面側拡散層４３０を酸化雰囲気にさらすことなく形成することができる。第二に、半導体基板４４０の受光面側にｐｎ接合４３２を設けることにより、光により生成されたキャリアが欠陥の多い界面に移動するのを防止することができる。
【００６８】
かくして、図４に示される光電変換素子においても、図１の光電変換素子による効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、受光面側のキャリア再結合損失を減少させることができるため、光電変換素子の変換効率を増加させることができる。その結果、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、その発電量を増加させることができる。
【００６９】
ここで、図４に示される光電変換素子の具体的構造（設計値）について説明すると、絶縁性薄膜４２０は、ＳｉＮｘ膜、すなわち、導電性を付与する元素リン（Ｐ）及び水素を含む非晶質（アモルファス）ＳｉＮｘ：Ｈ膜を熱処理により結晶化させた薄膜である。その厚みは１００〜２００nm、リン（Ｐ）元素濃度は０．１〜５％（atomic %）、水素濃度は０．０１〜１０％（atomic %）である。この薄膜は、ＴＰＶの発光体（エミッタ）が発生する光のうち光電変換素子により電流に変換できる波長領域の光を透過して半導体層に吸収させるとともに、不要な光を反射させることにより素子の温度上昇を防ぐ。
【００７０】
半導体基板４４０について説明すると、その基板材料は結晶性Ｇｅである。受光面側ｎ+層４３０は、表面キャリア濃度１×１０18cm-3、拡散深さ０．５μｍを有する。そして、Ｇｅ基板は、厚み１５０μｍ、キャリア濃度１×１０15cm-3のｐ型である。また、裏面側ｐ+層４５０は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有し、裏面側ｎ+層４５２は、表面キャリア濃度１×１０19cm-3、拡散深さ１．５μｍを有する。なお、受光面側のｐｎ接合は、熱処理時に非晶質ＳｉＮｘ：Ｈ薄膜に含まれるリン（Ｐ）の拡散により形成される。
【００７１】
そして、裏面側絶縁膜４６０は、図１の光電変換素子と同様に、ＳｉＮｘ膜である。また電極４７０，４７２も図１の光電変換素子と同様である。
【００７２】
その他の構成として、具体例におけるｐ層、ｎ層の組み合わせは、これに限定されるものではなく、逆の組み合わせを用いることができる。また、導電性を付与する元素としてリン（Ｐ）を用いたが、ｐ層を形成する元素としてホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）を、ｎ層を形成する元素として窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などを用いることができる。
【００７３】
図４についての上述したような具体的構造によれば、図３に示される光電変換素子と同様に、図１又は図２に示される光電変換素子による効果に近い効果を、ワイドギャップ半導体薄膜を設けることなく得ることができ、素子の製造コストを低減することができる。また、ワイドギャップ半導体薄膜を設けないため、可視光に対する光吸収がなく、ＴＰＶ向けだけでなく、太陽光、照明光などに対する光電変換の効率を向上させることができる。
【００７４】
図１〜図４に示される光電変換素子における半導体基板１４０、２４０、３４０及び４４０は、IV族を主成分とした半導体基板であるが、ＴＰＶシステムの発光体が発生する赤外光に適したものとするためにはＧｅが好ましい。また、発光体が発生する光の波長成分が短波長（可視光）の場合には、ＳｉＧｅ，Ｓｉ又はＳｉＣを用いることができる。なお、ＳｉＧｅ，ＳｉＣの組成比は任意である。特に、Ｓｉ，ＳｉＣは太陽光に対する光電変換効率が高い素子を形成することが可能である。
【００７５】
図１及び図２に示される光電変換素子においては、基板よりバンドギャップが大きい半導体薄膜１２０及び２２０の主成分はＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ又はＣとすることができ、バンドギャップの拡大のため、及び、非晶質、多結晶の欠陥を減少させるためにＨ，Ｆ又はＣｌを有する。また、Ｇｅ基板を用いた場合においては非晶質Ｓｉが、Ｓｉ基板を用いた場合においてはＳｉＣ又はＣが適する。
【００７６】
あるいは、図１及び図２に示される光電変換素子において、基板よりバンドギャップが大きい半導体薄膜１２０及び２２０の主成分はIII−Ｖ族化合物とすることができ、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＰ，ＧａＳｂなどを用いることができる。これらの化合物は、主成分として、半導体基板となるIV族（Ｇｅ，Ｓｉ等）の導電性を付与する元素を含み、熱処理により基板側に拡散し、高濃度の半導体層やｐｎ接合を形成することができる。
【００７７】
図３及び図４に示される光電変換素子において、絶縁性薄膜３２０及び４２０の主成分はＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯｘなどを用いることができる。これらの薄膜は、光透過率が大きく、かつ耐熱、耐薬品性に優れ、さらにＨ，Ｆなどを含有させることにより絶縁性薄膜と半導体基板との界面における欠陥を減少させることができ、優れた保護膜として機能する。また、適切な厚みとすることにより、反射防止膜としても用いることができる。
【００７８】
図１又は図２に示される光電変換素子において半導体薄膜１２０又は２２０の主成分としてＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃ等を用いる場合、あるいは、図３又は図４に示される光電変換素子において絶縁性薄膜３２０又は４２０の主成分としてＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯｘ等を用いる場合には、その半導体薄膜又は絶縁性薄膜を形成する手段として図５に示すプラズマＣＶＤ(plasma assisted chemical vapor deposition)装置を用いることができる。
【００７９】
すなわち、図５に示されるように、薄膜を構成する元素となる主成分（Ｓｉ，ＳｉＣ等）、欠陥を減少させる成分（Ｈ，Ｆ，Ｃｌ等）、基板の導電性を付与する元素（Ｐ，Ｂ等）をそれぞれ供給する複数の気体源（ガスボンベ）５０２を設ける。そして、それぞれに対応する圧力調整器５０４、流量調整器５０６及びバルブ５０８を用いてガス量を調節し、電極５１０に設けたガス放出部より減圧容器５１２に供給する。
【００８０】
さらに、減圧容器５１２内にガス分解部となる空間を隔てた一対の電極５１０，５１１を設け、一方のヒーターを兼ねた電極５１１に半導体基板５１４を設置する。なお、電極５１１には、バイアス電源５２０が接続される。そして、ポンプ５１６で容器内を減圧しつつ、圧力を調節し、高周波電源５１８を用いて放電し、ガスを分解、活性化させる。かくして、半導体基板５１４の表面に目的とする半導体薄膜又は絶縁性薄膜を形成する。
【００８１】
このような製造方法によれば、ガス成分比、圧力、基板温度、高周波電力、形成時間などを調節することにより、目的とする成分比と厚みを有する薄膜を精度良く形成することが可能となる。また、還元雰囲気または不活性雰囲気で形成することができるため、基板表面の欠陥増加を防止することができる。かくして、半導体基板の受光面側に拡散層やｐｎ接合を形成するための薄膜を形成することができる。
【００８２】
例として、半導体基板の受光面側にＰを含有した非晶質Ｓｉ膜を形成する製造方法を図５に基づき示すと、使用するガス（成分比）はＳｉＨ4 ：９．８％，Ｈ2 ：９０％，ＰＨ3 ：０．２％、基板温度は２５０℃、圧力は３０Pa、高周波電源は周波数１３．５６MHz 、電力密度（電極面積に対して）は０．２Ｗ／cm2 である。この条件により、Ｈ濃度１０％、Ｐ濃度２％の非晶質Ｓｉ薄膜が形成される。
【００８３】
また、ＳｉＧｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃ等を主成分とする半導体薄膜１２０（図１）又は２２０（図２）、あるいは、ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯｘ等を主成分とする絶縁性薄膜３２０（図３）又は４２０（図４）を形成する場合、図５に示すプラズマＣＶＤ装置に代えて、図６に示すＥＣＲ(electron cyclotron resonance, 電子サイクロトロン共鳴)プラズマＣＶＤ装置を用いることができる。
【００８４】
図６に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いる場合に、図５に示すプラズマＣＶＤ装置による場合と異なってくる部分について説明すると、図６では、減圧容器５１２に、電磁石６０２により磁場を印加するプラズマ発生部６０４を設け、マイクロ波電源６０６からマイクロ波を供給して放電させる。
【００８５】
また、プラズマ発生部６０４にＨ2 、ハロゲン、不活性ガスを供給し、また別途減圧容器５１２に、薄膜を構成する元素となる主成分（Ｓｉ，ＳｉＣ等）、欠陥を減少させる成分（Ｈ，Ｆ，Ｃｌ等）、基板の導電性を付与する元素（Ｐ，Ｂ等）を供給する複数の気体源５０２を設ける。
【００８６】
そして、プラズマ発生部６０４に供給されたＨ2 、ハロゲン、不活性ガスを分解または活性化し、このガスを減圧容器５１２内に供給する。次いで、減圧容器５１２内に供給された、薄膜を構成する元素を含むガスを、プラズマ発生部６０４から供給されたガスと混合することにより、分解または活性化し、半導体基板５１４の表面に薄膜を堆積させる。
【００８７】
かくして、図５に示すプラズマＣＶＤ装置による場合と異なり、放電（プラズマ発生部）に半導体基板５１４がさらされないため、半導体基板表面の欠陥発生量を減少させることが可能になる。そして、半導体基板表面の欠陥が減少するため、キャリアの再結合損失が減少し、光電変換効率を増加させることができる。
【００８８】
図１又は図２に示される光電変換素子における半導体薄膜１２０又は２２０の主成分としてIII−Ｖ族化合物を用いる場合には、その半導体薄膜を形成する手段として図７に示すＭＯ(metal organic)ＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置を用いることができる。
【００８９】
すなわち、図７に示されるように、薄膜を構成する元素となる主成分（Ｇａ，Ａｓ，Ｉｎ等）、基板の導電性を付与する元素（Ｓｉ，Ｚｎ等）等を供給する気体源（ガスボンベ）５０２及び液体原料容器７０２を設ける。そして、圧力調整器５０４、流量調整器５０６等を用いてガス量を調節し、減圧容器５１２に供給する。
【００９０】
さらに、半導体基板５１４を加熱する高周波加熱源７０４及びヒーター７０６を設ける。そして、ポンプ５１６で容器内を減圧しつつ、圧力を調節し、熱により、ガスを分解、活性化させる。かくして、半導体基板５１４の表面に目的とする半導体薄膜又は絶縁性薄膜を形成する。
【００９１】
このような製造方法によれば、ガス成分比、圧力、基板温度、高周波加熱源出力、形成時間などを調節することにより、目的とする成分比と厚みを有する薄膜を精度良く形成することが可能となる。また、還元雰囲気または不活性雰囲気で形成することができるため、基板表面の欠陥増加を防止することができる。その効果として、半導体基板の受光面側に拡散層やｐｎ接合を形成するためのIII−Ｖ族化合物薄膜を形成することができる。
【００９２】
例として、半導体基板の受光面側にＧａＡｓ膜を形成する製造方法を図７に基づき示すと、使用するガス（成分比）はＴＥＧａ（トリエチルガリウム）：０．０３％、ＡｓＨ3 （アルシン）：１．０％、ＳｉＨ4 ：１００ppm 、Ｈ2 ：約９９％、基板温度は７００℃、圧力は１００００Paである。
【００９３】
図１〜図４に示される光電変換素子における拡散層（半導体層）１３０、２３０、３３０及び４３０並びにｐｎ接合２３２及び４３２は、図５、図６又は図７を用いて説明した方法で半導体薄膜１２０若しくは２２０又は絶縁性薄膜３２０若しくは４２０を作製した後、不活性雰囲気または還元雰囲気において熱処理を行うことにより形成される。
【００９４】
かかる製造方法によれば、還元雰囲気または不活性雰囲気で熱処理することにより、基板表面の欠陥増加を防止することができる。その結果、半導体基板の受光面側に拡散層やｐｎ接合を形成することができる。
【００９５】
このように拡散層やｐｎ接合を形成する具体例としては、装置として内部が清浄に保たれた石英炉、使用するガス（成分比）としてＮ2 ：９０％、Ｈ2 ：１０％、炉内温度として６００℃を採用することができる。
【００９６】
なお、参考として、このようにして半導体基板の受光面側に拡散層を形成した後、半導体薄膜又は絶縁性薄膜を除去し、次いで反射防止膜を設けることにより、図８に示される構造の光電変換素子を製造することも可能である。また、半導体基板の受光面側にｐｎ接合を形成した後、半導体薄膜又は絶縁性薄膜を除去し、次いで反射防止膜を設けることにより、図９に示される構造の光電変換素子を製造することもできる。さらに、図１０に示されるように、拡散層を形成することなく、半導体薄膜と半導体基板とによるヘテロｐｎ接合を設けた光電変換素子を製造することもできる。図８、図９及び図１０に示される光電変換素子は、一般の太陽光に適したものである。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電荷移動を制御し再結合損失を減少させる受光面側半導体層（拡散層）を還元雰囲気又は不活性ガス雰囲気で形成可能な素子構造を有する光電変換素子及びその製造方法が提供され、従来のイオン注入法、熱拡散法などによる問題点が解決される。その結果、材料としてＴＰＶ発電用に適したＧｅを採用し且つ電極構造として裏面電極型を採用する光電変換素子において、その受光面におけるキャリア再結合損失を減少させることにより、その変換効率を向上させて、ＴＰＶシステムの発電量を増加させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の面による光電変換素子の実施形態（第１実施形態）を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の面による光電変換素子の実施形態（第２実施形態）を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の面による光電変換素子の実施形態（第３実施形態）を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の面による光電変換素子の実施形態（第４実施形態）を示す断面図である。
【図５】プラズマＣＶＤ装置を示す図である。
【図６】ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を示す図である。
【図７】ＭＯＣＶＤ装置を示す図である。
【図８】参考例としての光電変換素子の断面図である。
【図９】他の参考例としての光電変換素子の断面図である。
【図１０】更に他の参考例としての光電変換素子の断面図である。
【符号の説明】
１１０，２１０…反射防止膜
１２０，２２０…半導体薄膜
３２０，４２０…絶縁性薄膜
１３０，２３０，３３０，４３０…拡散層
２３２，４３２…ｐｎ接合
１４０，２４０，３４０，４４０…半導体基板
１５０，２５０，３５０，４５０…裏面側ｐ+層
１５２，２５２，３５２，４５２…裏面側ｎ+層
１６０，２６０，３６０，４６０…裏面側絶縁膜
１７０，２７０，３７０，４７０…＋電極
１７２，２７２，３７２，４７２…−電極
５０２…気体源（ガスボンベ）
５０４…圧力調整器
５０６…流量調整器
５０８…バルブ
５１０，５１１…電極
５１２…減圧容器
５１４…半導体基板
５１６…ポンプ
５１８…高周波電源
５２０…バイアス電源
６０２…電磁石
６０４…プラズマ発生部
６０６…マイクロ波電源
７０２…液体原料容器
７０６…ヒーター
【図１】
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【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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【図１０】
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