KR20090063653A - Ｐｎ접합소자의 제조방법 및 상기 ｐｎ 접합소자를포함하는 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PN 접합소자의 제조방법 및 상기 PN 접합소자를 포함하는 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제1 불순물 영역의 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계와, 상기 다공성 기판에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계 등을 연속적 또는 단속적으로 포함하는 PN 접합소자의 제조방법과 이를 통해 제조된 PN 접합소자를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.

PN 접합소자, 불순물, 홀, 접합층, 다공성, 태양전지

Description

ＰＮ접합소자의 제조방법 및 상기 ＰＮ 접합소자를 포함하는 태양전지{METHOD OF MANUFACTURING PN JUNCTION DEVICE AND SOLAR CELL COMPRISING THE SAID PN JUNCTION DEVICE}

본 발명은 반도체집적회로, 태양전지, 반도체레이저소자 또는 발광다이오드 등의 다양한 기능의 반도체소자를 제조하는 데 적합하게 응용될 수 있는 PN 접합소자의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불순물로 도핑된 기판에 복수 개의 홀을 구비하는 다공성 구조를 형성하고 이에 불순물 영역이 다른 불순물로 도핑하여 접합층을 형성하도록 하는 공정이거나 혹은 그와 반대의 공정을 포함하는 PN 접합소자의 제조방법에 관한 것이다.

PN 접합소자는 반도체웨이퍼, 반도체기판 등을 이용하여 각종 반도체소자를 제조하기 위해 포함되는 소자로서 널리 보급되어 있으며, 특히 최근의 친환경적 대체에너지에 대한 연구로서 태양전지에 대한 연구가 심도있게 진행되는 추세에 있어서, 광기전력을 생산하기 위한 중요한 태양전지의 부재로서 활용될 수 있다.

현재 태양전지의 종류 중 보급도와 실용도의 면에서 가장 보편화된 태양전지는 벌크형 실리콘 태양전지라고 할 수 있다. 벌크형 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 출발원료로 한다. 실리콘 웨이퍼는 고순도로 정제된 실리콘을 고온으로 가열하여 결정으로 성장된 잉곳을 만들고 이를 절단 및 연마를 통해 대형의 결정판 형태의 웨이퍼 기판을 만든다. 결정은 원자가 규칙적으로 배열된 물질을 의미한다. 이러한 실리콘 결정계(crystalline) 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지 또는 다결정 실리콘 태양전지로 분류된다.

종래의 태양전지를 제조하기 위한 웨이퍼의 처리 방법 중 가장 중요한 처리는 P형 실리콘 웨이퍼 기판에 N형 물질을 주입시켜 PN 접합(PN junction)을 형성하는 것이다. 즉, 태양전지 역시 PN 접합 소자의 하나로서 PN 접합 부위는 빛에서 변환된 기전력이 발생하는 곳이라고 할 수 있으므로 태양전지의 효율이나 소자 특성상 매우 중요한 부재라고 할 것이다.

태양광의 조사에 의해 생성된 캐리어의 수집만으로는 전력을 생산할 수 없다. 전력을 생산하기 위해서는 전류와 함께 전압이 발생되어야 하기 때문이다. 태양전지는 광기전력 효과로 알려진 과정에서 전압이 발생한다. 광기전력 효과란 PN 접합(PN junction) 부위에 빛을 조사하면 밴드 갭 에너지보다 큰 에너지를 가진 광자에 의해 전자와 전공이 쌍으로 생성되어 junction(접합) 양단에 광기전력(전위차)이 발생하는 현상이다.

태양전지는 반도체 PN 접합을 기본구조로 하고 있으며, 이러한 PN 접합을 만드는 방법에는 크게 열확산법과 이온주입법이 있다.

이들 방법을 P형 실리콘 기판에 대해서 N형 반도체층을 형성하는 방법으로 설명하면, 열확산법은 기판을 가열하여 인(P) 원소를 P형 실리콘 기판의 표면으로 부터 스며들게 함으로써 표면층을 N형화하여 PN 접합을 만드는 방법이고, 이온주입법은 인 원소를 진공 중에서 이온화한 뒤에 전기장에 의해 가속하여 P형 실리콘 기판 표면에 넣음으로써 표면층을 N형화하여 PN 접합을 만드는 방법이다.

열확산법으로 태양전지용 접합층을 형성하는 방법에는 급속열처리(RTP: Rapid Thermal Process) 장치를 이용하여 실리콘 기판의 전면과 후면에 각각 인과 알루미늄을 동시에 열확산시킨 후, 냉각속도를 조절하여 캐리어의 벌크 라이프타임을 유지하고 확산된 영역의 깊이를 선택적으로 조절가능한 방법이 있다.

이러한 급속열처리 공정으로 전면과 후면의 전극을 어닐링하는 동시에, 전면의 이미터(emitter)와 후면필드(back surface field : BSF)를 동시에 형성하여 저가의 생산비로 고효율의 실리콘 태양전지를 제조하는 방법이다. 그러나, 여기서 이미터 형성 및 불순물 도핑 등에 사용된 급속열처리 공정은, 20% 이상의 고효율 단결정 태양전지를 제작하는데 사용된 것이 아니며 태양전지를 저가로 만들기 위해 시도되고 있는 기술이다.

이온 주입법은 웨이퍼의 표면 위에 새로운 층을 형성하지 않는다는 점에서 다른 반도체 공정들과 구분이 된다. 즉, 이온 주입법은 진공 상태에서 분리되어진 B, As, P 등의 반도체 불순물 이온에 고전압을 가해 가속시킴으로써 기판 안에 주입시키는 것이다. 보통 이러한 불순물의 양은 이온전류에 의해 모니터 되고 열처리에 의해 활성화된다.

이온 주입법은 웨이퍼의 표면 위의 세밀한 부분의 전기적 특성을 변화시키는데, 이온 주입법을 사용하기 위해 고전류 가속관과 특별한 도펀트로서의 이온물질, 웨이퍼의 표면 위에 쏘아주기 위해 자기 노리개와 방향타 등이 사용된다.

상기와 같은 이온주입법을 사용하여, P형 실리콘 웨이퍼 기판에 N형 물질을 주입시키거나, 혹은 N형 실리콘 웨이퍼 기판에 P형 물질을 주입시켜 PN 접합 소자를 형성하는 것은 잘 알려진 방법이지만, 본 발명의 다공성 실리콘 웨이퍼를 활용한 새로운 태양전지 소자 개발에 대한 개발은 미미한 실정이다.

본 발명의 목적은 PN 접합소자의 제조방법 및 상기 PN 접합소자를 포함하는 태양전지에 관한 것으로서, 최적의 불순물 주입에 의한 고효율의 PN 접합소자와 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 기존의 태양전지 제조공정을 활용하면서도 고효율의 고품질특성을 가지는 태양전지를 대량으로 생산할 수 있는 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PN 접합소자의 제조방법 중 하나는 제1 불순물 영역의 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계, 및 상기 다공성 기판에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 PN 접합소자의 제조방법 중 다른 하나는 제1 불순물 영역의 기판 상에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계, 및 상기 제2 불순물 영역의 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 PN 접합소자의 제조방법 중 또 다른 하나는 제1 불순물 영역의 기판 상에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계, 상기 제2 불순물 영역의 기판의 소정 부위에 상부 전극을 형성하는 단계, 및 상기 상부 전극이 형성된 부분을 제외한 나머지 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상술한 본 발명의 PN 접합소자의 제조방법들은 하나의 일례로서 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

상기의 접합층은 서로 다른 영역의 불순물 반도체 영역이 접촉 또는 접착 또는 결착하는 경계면을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 경우에 따라 PN 접합층 또는 NP 접합층일 수 있으며 서로 다른 불순물 영역의 밴드갭 에너지가 동일 또는 상이할 수 있어 순종 접합 또는 이종 접합을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

상술한 본 발명의 방법들은 PN 접합을 형성하는 방법으로 이해될 수도 있을 것이다.

상기의 본 발명의 PN 접합소자의 제조방법에서 상기 각 단계는 연속적(continuous)이거나 단속적(intermittent)일 수 있다. 즉, 각 단계가 연속 동작으로 이어져 진행될 수도 있지만, 각 단계가 공정별로 분리되어 진행될 수 있으며 각 단계에 다른 공정을 추가로 더 진행할 수도 있다.

본 발명에서 상기 불순물이란 진성 반도체(Intrinsic Semiconductor)에 첨가되어 P형 반도체 또는 N형 반도체를 형성하는 원소들을 말하는 것으로서, 첨가시 전자 또는 정공의 캐리어를 생성할 수 있는 원소를 일컫는다.

본 발명에서 상기 홀은 기판 표면에 소정의 깊이로 파인 구멍이라고 할 수 있으며, 그 모양은 규칙적이거나 불규칙적일 수 있다. 또한 개별적인 형태의 홀 뿐 만 아니라 라인 형태로 연결된 홈일 수 있어 그루브(groove) 형태를 이룰 수 있다.

상기 홀의 단면의 모양은 일정하지 않으며 다각형, 원형, 타원형의 모양을 모두 포함하는 것일 수 있다. 상기 홀은 복수 개로 형성되어 기판 표면을 다공성 형태로 구성한다. 기판의 상면의 면적에 대비한 다공성의 정도는 기공도(porosity)로 측정될 수 있는데, 바람직하게는 기공도가 10% 내지 90% 일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 홀의 깊이는 상기 제2 불순물 영역의 두께와 작거나, 또는 같거나, 또는 큰 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서 제1 불순물 영역의 기판이란 하나의 출발 기판이 특정의 불순물로 도핑된 외인성 반도체(extrinsic semiconductor) 기판을 의미한다. 불순물의 종류에 따라 P형 반도체 기판일 수도 있고, N형 반도체 기판일 수도 있다.

따라서, 본 발명에서 제2 불순물 영역은, 출발 기판인 외인성 반도체 기판에 도핑된 제1 불순물과 다른 불순물로서 상기 제1 불순물 영역의 반도체와 다른 종류의 반도체층을 형성할 수 있는 불순물로 도핑된 기판 내의 반도체층을 의미한다.

출발 기판인 제1 불순물 영역의 기판이 P형 반도체 기판이라면, 제2 불순물 영역은 제15족 등에 포함된 원소들로 이루어진 N형 불순물로 도핑되어 상기 기판의 표면층에 형성된 N형 반도체층일 것이다.

또한 출발 기판인 제1 불순물 영역의 기판이 N형 반도체 기판이라면, 제2 불순물 영역은 제13족 등에 포함된 원소들로 이루어진 P형 불순물로 도핑되어 상기 기판의 표면층에 형성된 P형 반도체층일 것이다.

본 발명에서, 상기 기판은 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 제1 불순물이 P형 반도체 불순물이고 상기 제2 불순물이 N형 반도체 불순물이거나, 또는 상기 제1 불순물이 N형 반도체 불순물이고 상기 제2 불순물이 P형 반도체 불순물일 수 있다.

본 발명에서 상기 다공성 구조는 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법으로 상기 기판을 에칭하여 형성할 수 있으나 반드시 이러한 방법에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 불순물의 도핑 방법은, 이온 주입(Ion Implantation)법, 열확산법, 및 포스포러스 옥시클로라이드(Phospho Oxychloride, POCl₃) 확산법 중에서 선택된 어느 하나의 방법일 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 PN 접합소자의 제조방법에서의 상기 각 단계 이후에 반사방지막을 형성하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.

상기 반사방지막은 PN 접합소자가 태양전지 등의 반도체 소자 등에 사용될 때 수광된 빛이 외부로 빠져나가지 못하도록 할 수 있다. 상기 반사방지막의 재료는 공지된 물질이면 족할 것이고 바람직하게는 전도성의 금속물질일 수 있다.

상기 PN 접합소자의 제조방법 중 상부 전극을 먼저 형성한 후 기판 표면에 다공성 구조를 형성하는 제조방법에서의 상기 반사방지막 형성은 상부 전극이 형성된 부분을 제외함이 당연할 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PN 접합소자는 상술한 방법으로 제조된 것일 수 있다.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PN 접합소자를 포함하는 태양전지는, 상술한 방법으로 제조된 PN 접합소자와, 상기 PN 접합소자의 상부와 하부에 각각 형성되는 상부 전극 및 하부 전극을 포함할 수 있다.

본 발명의 태양전지는 상기 PN 접합소자 위에 반사방지막을 더 포함할 수 있다. 이때의 반사방지막은 PN 접합 소자 상부에 형성된 상부 전극의 형성부위를 제외한 나머지 부분에 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 다공성 표면 구조를 통해 종래의 반도체 기판의 표면적보다 넓어진 표면적을 활용하여 최적의 불순물 주입에 의한 PN 접합 소자를 생산할 수 있다. 또한 이러한 PN 접합소자를 활용한 태양전지에서 최소의 제조공정으로 태양전지의 고효율을 기대할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 기존의 태양전지 제조공정을 활용하면서도 본 발명을 적용하는 것이 가능하여, 급속한 태양전지 시장의 확장에 따른 제조비용 절감이라는 경쟁력 확보가 가능하게 된다. 본 발명에 의해 기초적인 태양전지의 제조 공정이 단순해질 수 있으므로 본 발명을 활용하여 고효율의 태양전지를 대량으로 제공할 수 있어 경제적인 부가가치 창출을 기대할 수 있다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들을 상세히 설명한다. 본 발명의 기술사상을 개진하기 위해 나머지의 공지된 방법 부분은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 일실시예 중 하나는 다공성 표면을 갖는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 PN 접합소자를 형성하는 제조공정에 있어서, (1) 기판 표면에 다공성 구조 형성 후 PN 접합을 형성하는 방법과, (2) PN 접합 형성 후 다공성 표면 구조를 실현하는 방법과, (3) PN 접합 형성 후 그 상부에 전극까지 형성하고 나서 다음 단계로서 다공성 표면을 형성하는 방법 등을 포함하여 제시한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 출발 기판이 되는 물질은 실리콘 웨이퍼 기판일 수 있다. 다공성 구조를 형성하는 복수 개의 홀들이 형성되는 단계 이전의 실리콘 웨이퍼 기판은 그 표면이 경면(polishing) 처리된 경우, 피라미드 구조로 텍스처링(texturing)된 경우 및 전달 가공된 불규칙한 면이 포함된 다양한 경우를 포함한 기판일 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 결정은 단결정(single crystalline) 또는 다결정(multi crystalline)을 포함할 수 있다.

도 1a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합소자의 제조방법 중 일부 방법을 나타낸 단면도이다.

그 중 도 1a 내지 도 1d 는 상기 (1) 기판 표면에 다공성 구조 형성 후 PN 접합을 형성하는 방법에 의한 것이다.

도 1a를 참조하면, 출발 기판을 P형 실리콘 반도체 웨이퍼 기판(100)을 준비하여 그 표면에 홀(pore)을 복수 개로 형성한 것이다. 도 1a의 홀의 형상을 일례일 뿐 반드시 이러한 규칙적인 사각형의 단면구조에 한정되는 것은 아니다.

도 1a는 경면 처리된 실리콘 웨이퍼의 기판 표면에 다공성 구조를 형성한 것을 도시한 것이지만, 텍스처링된 표면 또는 불규칙적인 단면을 가진 기판의 최상면에 미세한 홀을 형성하는 것도 가능하다.

도 1a의 P형 실리콘 반도체 웨이퍼 기판(100)은 N형 실리콘 반도체 웨이퍼 기판일 수 있다.

이러한 표면 다공성 구조는 당해 분야의 통상의 기술 수준을 가진 당업자들에게 이미 알려진 공지된 홀 형성 방법에 의할 수 있다. 즉, 상기 기판 표면의 다공성 구조는 습식화학반응 내지 건식화학반응 내지 습식 전기화학적 반응 내지 기계적 가공 방법으로 얻는 것을 특징으로 한다.

습식화학반응과 습식 전기화학 반응의 경우 불산(HF), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)과 같은 산을 실리콘 웨이퍼와의 주요 반응 물질로 사용한다. 반응 물질은 상기 산의 혼합을 사용할 수도 있다.

특히 최종 화학반응을 위한 습식 용액은 상기의 산 및 혼합산을 Acetonitrile, Dimethyl formamide, Formamide, Diethyl sulfoxide, Hexamethyl phosphoric triamide, Dimethyl acetamide, water, Methyl alcohol, Ethyl alcohol, Isopropyl alcohol의 용액 중 1개 내지 4개로 구성된 용액에 희석하여 사용한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다음 단계는 도 1b 내지 도 1d 에 개시된 바와 같은 PN 이종접합층의 형성단계이다.

넓은 표면적을 갖는 다공성 실리콘 웨이퍼의 표면을 통한 불순물 주입(doping) 방법으로 P형 실리콘 웨이퍼 기판의 표면에 N형 반도체층을 형성하는 것이 가능하다. 즉, P형 실리콘 웨이퍼 기판의 표면에 N형 불순물의 도핑공정을 통해 N형 반도체층을 형성하여 PN 접합구조를 이룰 수 있다. 태양전지의 효율 특성을 향상시키기 위해서는 기공의 구조를 제어하는 것과 동시에 이러한 본 발명의 N형 반도체층을 제어하는 것이 중요하다.

불순물 반도체층을 형성하기 위한 불순물 도입 방법은 이온 주입(Ion Implantation)법, 열확산법, 포스포러스 옥시클로라이드(Phospho Oxychloride, POCl₃) 확산법 등 당업자에 의해 공지된 기술을 사용할 수 있다.

고농도의 도핑을 위하여 포스포러스 옥시클로라이드(Phospho Oxychloride, POCl₃) 확산법이 바람직할 수 있다.

또는 그 중에서 특히 이온주입법이 바람직할 수 있는데, 이온주입법은 실리콘 웨이퍼 기판 중에 붕소(B), 비소(As), 인(P) 등의 13족 또는 15족 원소를 불순물로서 주입하는 것이다. 만일 도 1a와 같이 출발 기판이 P형 실리콘 웨이퍼 기판이라면, 15족 원소를 불순물로 주입하여 N형 층을 형성하고, 출발 기판이 N형 실리콘 웨이퍼 기판이라면, 13족 원소를 불순물로 주입하여 P형 층을 형성하여 PN 접합 구조를 이룬다.

상기 불순물 주입 공정은 불순물의 농도 제어, 반응시간 제어 등을 통해 이종 접합층의 두께 혹은 깊이를 제어하여 PN 접합 소자의 특성을 다양하게 변화시킬 수 있다.

불순물의 종류는 출발 기판의 반도체 타입에 따라 가전자대 혹은 p-type의 반도체층을 만들기 위한 B, Ga, In 등과 같은 억셉터(acceptor) 이온 이거나, 혹은 전도대와 n-type의 반도체층을 만들기 위한 Sb, As, P, Bi 등과 같은 도너(doner) 이온일 수 있다. 바람직하게는 n형 불순물을 포함하는 가스는 포스포러스 옥시클로라이드(Phospho Oxychloride, POCl₃)일 수 있다.

상기 불순물을 도핑하는 방법은 고온의 노(furnace)에 출발 기판을 두고 불순물을 포함하는 가스를 주입하는 방법일 수 있는데, 이때 상기 노의 온도는 800~900도 인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이온 주입기는 일반적으로 3mA 이상의 전류를 갖는 고전류(High Implant)와 그 이하의 중전류(Midium Implant)를 사용할 수 있다.

이온 주입은 여러 가지 방법으로 불순물과 다른 원자들을 반도체의 표면 가까이의 영역으로 투입시키는 것을 말하는데, 더 얇은(Shallow)접합, 더 낮은 프로세싱 온도, 그리고 더 정확한 조절 등이 필요한 곳에 사용되고 있다. 더욱이 이온주입과정은 불순물이온의 생성, 5eV에서 1MeV의 높은 에너지로의 가속, 그리고 반도체 속으로 불순물 등의 투입 등의 프로세스로 이루어지고 있다. 주입된 이온들은 경로를 따라 결정 속으로 들어가 반도체의 원자를 교체하는데 투입된 이온들이 격자 쪽 위에 안정되는 것은 아니기 때문에 어닐링(가열) 공정을 통해 안정화시키는 공정을 추가할 수도 있다.

도 1b는 상기 도 1a에서 준비된 다공성의 실리콘 웨이퍼 기판 표면(100)에 홀의 깊이보다 낮은 깊이로 N형 불순물 영역(120)을 형성하는 단계를 도시한 것이다.

N형 불순물 영역의 두께가 상기 홀의 깊이보다 낮기 때문에 홀의 옆 벽은 N형 불순물 영역을 포함한 본래의 출발 기판인 P형 불순물 영역의 실리콘 기판으로 이루어진다.

즉, 도 1b에 개시된 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 불순물 영역의 기판 표면에 형성되는 홀의 기둥 또는 옆 벽의 반도체 타입은 그대로 제1 불순물 영역으로 존재하면서, 다음 단계로 제2 불순물이 도핑되어 제2 불순물 영역이 상기 홀의 형상을 그대로 따라서 얇은 층을 이루어 PN 접합을 형성하는 것이다.

도 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면 PN 접합은 홀의 형상을 따라서 모든 최상위 표면부에서 이루어지게 된다.

도 1c는 상기 도 1a에서 준비된 다공성의 실리콘 웨이퍼 기판 표면(100)에 홀의 깊이와 같은 깊이로 N형 불순물 영역(120)을 형성하는 단계를 도시한 것이다.

따라서 도 1c에 도시된 바와 같이 홀의 기둥 또는 옆 벽은 모두 N형 불순물 영역으로 변화하고 홀의 최저 기저면과 같은 깊이까지 N형 불순물 영역이 형성된다.

도 1c의 일 실시예에 따르면 본 발명의 PN 접합은 홀의 기저면을 연결하는 선의 수준에서 이루어지게 된다.

도 1d는 상기 도 1a에서 준비된 다공성의 실리콘 웨이퍼 기판 표면(100)에 홀의 깊이보다 더 깊은 깊이로 N형 불순물 영역(120)을 형성하는 단계를 도시한 것이다.

따라서 도 1d에 도시된 바와 같이 홀의 기둥 또는 옆 벽은 모두 N형 불순물 영역으로 변화하고 홀의 최저 기저면을 연결하는 선의 수준보다 더 깊은 깊이까지 N형 불순물 영역이 형성된다.

상기 홀의 최저 기저면을 연결하는 선의 수준보다 더 깊은 깊이는 수십 나노미터 또는 수십 마이크로미터일 수 있고, 바람직하게는 10nm 내지 10㎛ 일 수 있다.

도 1d 에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면 홀의 옆 벽을 모두 포함하여 N형 불순물 영역이 형성됨은 물론 PN 접합면이 홀의 최저 기저면을 연결하는 선의 수준보다 하부에 형성되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 기공형성 공정과 PN 접합공정이 연속적으로 이루어지는 것에 한정되지 않으며, 두 개의 공정 사이에 독립적인 공정이 존재하는 것을 포함한다.

도 2a 내지 도 2d는 상기 (2) PN 접합 형성 후 다공성 표면 구조를 실현하는 방법에 의한 것이다. 즉, PN 접합은 다공성 구조를 형성하기 이전에 이미 이루어진 것이다.

도 2a를 참조하면, 출발 기판을 P형 실리콘 반도체 웨이퍼 기판(200)을 준비하여 그 표면에 N형 불순물을 주입하여 N형 불순물 영역(220)을 형성하고 PN 접합을 형성한 것이다. 상기 N형 불순물 영역의 깊이는 수십 나노미터 또는 수십 마이 크로미터일 수 있고, 바람직하게는 10nm 내지 10㎛ 일 수 있다.

다음으로 다공성 구조를 표면에 형성하는데, 도 2b는 다공성 구조를 이루는 홀의 깊이가 N형 불순물 영역의 깊이보다 낮은 깊이로 홀을 형성한 것이다.

도 2c는 상기 도 2b와 다른 형태로 홀을 형성하는 것을 도시하고 있는데, 이를 참조하면 홀의 깊이가 N형 불순물 영역의 깊이와 동일한 깊이로 형성됨을 알 수 있다.

도 2d는 상기 도 2b 및 도 2c와 또다른 형태로 홀을 형성하는 예를 나타내고 있는데, 이 경우는 홀의 깊이가 N형 불순물 영역의 깊이보다 더 깊도록 에칭한 것이다.

이러한 제조공정에서 사용되는 불순물 주입방법이나 다공성 구조의 홀을 형성하는 방법은 상술한 바와 같으므로 생략한다.

도 2b 내지 도 2d에서의 다공성 구조의 홀을 복수 개로 형성하는 것은 PN 접합을 이룬 모든 측면에서 수행될 수도 있지만 도시된 바와 같이 측면을 제외한 상면에서 수행될 수 있다.

도 2b 내지 도 2d에 개시된 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합 소자의 제조방법 역시 각각의 PN 접합 공정과 기공 형성 공정이 연속적으로 이루어지는 것에 한정되지 않고 두 개의 공정 사이에 독립적인 공정이 추가될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 3a 내지 도 3d는 상기 (3) PN 접합 형성 후 그 상부에 전극까지 형성하고 나서 다음 단계로서 다공성 표면을 형성하는 방법에 의한 것이다. 즉, PN 접합은 다공성 구조를 형성하기 이전에 이미 이루어진 것이되 다공성 구조는 상기 상부에 형성된 전극 부분을 제외한 나머지 부분에 형성된다.

도 3a 내지 도 3d 에 따른 본 발명의 일 실시예에서는 태양전지로 사용되는 경우 PN 접합을 형성하고 전력을 수집하기 위한 상부 및/또는 하부 전극을 형성한 후 최종 단계에서 다공성 구조를 형성하는 것을 포함한다. 이때 상부전극의 하부에는 홀(기공)이 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.

도 3a 에서는 출발 기판을 P형 실리콘 반도체 웨이퍼 기판(300)을 준비하여 그 표면에 N형 불순물을 주입하여 N형 불순물 영역(320)을 형성하고 그 상부의 소정의 부분에 상부 전극(340)을 형성한 것을 도시한다. 상기 N형 불순물 영역의 깊이는 수십 나노미터 또는 수십 마이크로미터일 수 있고, 바람직하게는 10nm 내지 10㎛ 일 수 있다.

상기 전극을 형성하는 방법은 전도성 물질을 도포한 후 고온에서 열처리하는 것일 수 있는데, 이때 사용되는 전도성 물질은 금속성 원소이면 족할 것이지만 특히 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 물질인 것이 바람직할 것이다.특히 도전성 금속원소를 포함할 수 있는데, 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 금속원소 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질이면 족할 것이다.

다음으로 다공성 구조를 표면에 형성하는데, 도 3b는 다공성 구조를 이루는 홀의 깊이가 N형 불순물 영역의 깊이보다 낮은 깊이로 홀을 형성한 것이다.

도 3c는 상기 도 3b와 다른 형태로 홀을 형성하는 것을 도시하고 있는데, 이를 참조하면 홀의 깊이가 N형 불순물 영역의 깊이와 동일한 깊이로 형성됨을 알 수 있다.

도 3d는 상기 도 3b 및 도 3c와 또다른 형태로 홀을 형성하는 예를 나타내고 있는데, 이 경우는 홀의 깊이가 N형 불순물 영역의 깊이보다 더 깊도록 에칭한 것이다.

상기 도 3b 내지 도 3d에서의 홀의 형성은 모두 상부 전극이 형성된 부분은 제외한 곳에서 수행되는 것이다.

이러한 제조공정에서 사용되는 불순물 주입방법이나 다공성 구조의 홀을 형성하는 방법은 상술한 바와 같으므로 생략한다.

도 3b 내지 도 3d에서의 다공성 구조의 홀을 복수 개로 형성하는 것은 PN 접합을 이룬 모든 측면에서 수행될 수도 있지만 도시된 바와 같이 측면을 제외한 상면에서 수행될 수 있다.

도 3b 내지 도 3d에 개시된 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합 소자의 제조방법 역시 각각의 PN 접합 공정과 기공 형성 공정이 연속적으로 이루어지는 것에 한정되지 않고 두 개의 공정 사이에 독립적인 공정이 추가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 PN 접합 소자의 제조 공정 후에 상부 표면에 반사방지막(antireflection, AR)을 더 형성하는 공정을 시행할 수 있다. 이들 반사방지막을 이루는 물질은 종래 태양전지에서 사용되는 것일 수 있다.

상기 도면을 참조한 바와 같이 이들 도면은 본 발명의 일 실시예들이고 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 특히 출발 기판이 P형 실리콘 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고 N형 웨이퍼일 수 있으며, 이럴 경우 제1 불순물과 제2 불순물은 상술 한 것과는 반대인 것을 지칭하는 것으로 이해될 수 있을 것이다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합소자의 제조방법의 일부를 나타낸 단면도이다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합소자의 제조방법의 일부를 나타낸 단면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PN 접합소자의 제조방법의 일부를 나타낸 단면도이다.

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}

100, 200, 300 : p형 실리콘 기판 120, 220, 320 : n형 불순물 영역

340 : 상부 전극

Claims (12)

1. 제1 불순물 영역의 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계; 및

   상기 다공성 기판에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계를 포함하는 PN 접합소자의 제조방법.
2. 제1 불순물 영역의 기판 상에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계; 및

   상기 제2 불순물 영역의 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함하는 PN 접합소자의 제조방법.
3. 제1 불순물 영역의 기판 상에 상기 제1 불순물과 상이한 불순물로 도핑한 제2 불순물 영역을 구비하여 접합층을 형성하는 단계;

   상기 제2 불순물 영역의 기판의 소정 부위에 상부 전극을 형성하는 단계; 및

   상기 상부 전극이 형성된 부분을 제외한 나머지 기판 표면에 복수 개의 홀로 구성된 다공성 구조를 형성하는 단계를 포함하는 PN 접합소자의 제조방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 홀의 깊이는 상기 제2 불순물 영역의 두께와 작거나, 또는 같거나, 또 는 큰 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 기판은 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 제1 불순물이 p형 반도체 불순물이고 상기 제2 불순물이 n형 반도체 불순물이거나, 또는 상기 제1 불순물이 n형 반도체 불순물이고 상기 제2 불순물이 p형 반도체 불순물인 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 각 단계는 연속적(continuous)이거나 단속적(intermittent)인 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 다공성 구조의 형성방법은, 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법으로 상기 기판을 에칭하는 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 불순물의 도핑 방법은, 이온 주입(Ion Implantation)법, 열확산법, 및 포스포러스 옥시클로라이드(Phospho Oxychloride, POCl₃) 확산법 중에서 선택된 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 각 단계 이후에 반사방지막을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PN 접합소자의 제조방법.
11. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된 PN 접합소자, 상기 PN 접합소자의 상부와 하부에 각각 형성되는 상부 전극 및 하부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 PN 접합소자 위에 반사방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.

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