[发明专利]半导体粒子的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及球状光电转换元件等球状半导体元件或作为其前体的半导体粒子的制造方法。

背景技术

近年来，研究了将球状的半导体元件用于光电转换元件、二极管、基于水分解的氢发生用的原件等。特别是，沿着球状的p型半导体粒子的表面形成有n型半导体层的光电转换元件由于价格低而作为可期待高功率的太阳电池用原件受到了注目。作为使用这些元件的装置的代表性例子，提出了在具有大量的凹部的支撑体的各凹部内安装球状的太阳电池元件，使凹部内表面起到反射镜的作用这种方式的低聚光型球状太阳电池的方案(例如，US6,706,959B2)。根据该提案，由于光电转换部可以实现薄型化，所以能够减少昂贵的硅的使用量，能够降低太阳电池的成本。再者，通过反射镜的聚光作用，直接照射于元件的光的4～6倍的光被照射于元件，所以能够将照射光有效利用于光电转换。

作为球状半导体元件的基体的半导体粒子的制造方法之一，提出了熔融滴落法。它是如下的方法：用不活泼气体对装入坩埚中的半导体材料的熔液加压，使其从坩埚底部设置的喷嘴孔中连续滴落，其液滴在冷却塔中落下期间产生凝固，由此制造出球状的半导体粒子(例如，USP4,188,177和US2006/0162763A1)。

根据熔融滴落法，能够批量生产直径约为0.3～2mm的半导体粒子。但是，所得到的粒子在形状和质量上都有相当大的偏差。为了将偏差较大的半导体粒子用作球状半导体元件的基体，必须进行筛分而选出规定粒径的粒子，进而通过研磨等方法将其精加工成正球状。半导体粒子的形状及其大小越不整齐，则筛分而废弃的粒子的量、以及研磨时的切屑就越多，从而产生显著的材料损失和成品率下降。

为了解决上述问题，对设备、制造方法还需要更多的研究。还留有例如坩埚的材质和构造、喷嘴孔的尺寸、形状及半导体熔液的加压力等条件的研究、以及冷却塔中的气氛和温度的最优化等各种研究课题。因此，目前在工业上还难以实施熔融滴落法。

另一方面，作为制造工艺的自动化容易、其需要的费用也廉价的球状半导体粒子的制造方法，提出了粉末熔融法(例如，USP5,556,791)。它是加热并熔融半导体粉末的块，然后将该块冷却而使其凝固的方法。具体而言，使由一定量的硅等半导体粉末构成的多个块相互分开地形成，朝着这些块提供光学能量，从而使各块内的半导体粉末熔融，由此使上述各块变化成球状熔融体，冷却这些熔融体而使其凝固。

上述的块例如采用下述的方法进行制作。首先，在耐火物层上放置以规定图案形成有一定形状的大量的孔的板，在该板上撒上半导体粉末，用刷子扫集，使半导体粉末填满上述的孔。接着，提起上述板。通过该方法，耐火物层上规定量的半导体粉末堆积而形成的多个块以规定图案排列(例如USP5,431,127)。这些块是呈山状或柱状形状的、大量的半导体粉末仅仅聚集而形成的，各半导体粉末间没有结合力。

上述方法的最大问题点是，在形成半导体粉末的块的过程、保管这些块的过程、以及加热这些块直到使半导体粉末熔融的过程中，如果施加振动或碰撞，则块就散塌。如果块的一部分散塌，则块的质量变得不恒定。另外，如果块散塌而成为坡度缓慢的原野扩开的山状形状，则邻接的块之间的散落部分重合。在产生了这种现象的状态下，如果使块熔融而凝固，则会产生如下弊病：得到的半导体粒子的质量和尺寸、形状的偏差变大，或常发生多个半导体粒子连结而成的次品。

另外，作为原料的半导体粉末有时也利用预先掺杂有掺杂剂的原料。但是，由于难以获得在规定条件下均匀掺杂的半导体粉末，所以通常使用未掺杂的原料。此时，必须在制作半导体粒子之后掺杂p型或n型的掺杂剂。因此，在制造球状半导体元件的一连串工序中，必须进一步附加掺杂工序，用于此的工时和设备、装置也是必要的。作为掺杂方法，提出了例如使硼化合物附着于硅粒子的表面，将其加热而熔融，并使其凝固的方法(USP5,763,320)。

在上述的粉末熔融法中，加热使其熔融的对象物是粒径非常小的半导体粉末。因此，在升温至熔融温度的过程中，半导体粉末有可能被过度氧化。如果半导体粉末被过度氧化，则熔融粉末之间就不会熔合，因而难以形成球状熔融体。如果氧化进一步进行，则由于非氧化状态的半导体显著减少，因而容易发生无法得到规定质量的半导体粒子的问题。