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単結晶シリコンは、高純度のシリコン原料を用い、浮遊帯域法(FZ: floating zone)またはチョクラルスキー法(CZ: Czochralski)を用いて成長します。
【浮遊帯域(FZ)法】
浮遊帯域法というのは、図1に示すように、原料粉末を固めて作った多結晶体のロッドの一部を、ヒーターまたは高周波コイルで部分的に加熱・融解します。このようにして部分的に融解した領域を「帯域」(ゾーン)といいます。ゾーンを端から動かしていくと、下端から結晶化します。ゾーンから固化するとき、「偏析」によって不純物はゾーン内に残されるため結晶の純度が高くなります。ゾーンが上端まで達すると、結晶成長が終了します。この結晶成長法で得られた結晶は、融液がルツボに接していないため、もっとも高純度・高品位とされ、これを使った太陽電池セルおよびモジュールにおいてもっとも高い変換効率が報告されています。しかしながら、大口径のものを得るのはむずかしいためコストが高く、研究用にしか使われていません。
【チョクラルスキー(CZ)法】
チョクラルスキー法というのは、図2に示すように、原料をるつぼに入れてヒータで加熱・融解し、融液に種結晶を浸して回転しながら引き上げることによって、結晶を成長する方法です。半導体デバイスに使う単結晶ウェハーは、すべてこの方法で作られています。 種結晶から成長を始めた部分には、多数の転位が存在するので、これを伝搬させないために、ネッキングというくびれをつけることが行われています。融液がルツボに接しているため、CZ法の結晶はFZに比べると品質が落ちますが、CZ法では大面積が可能になるので、普及型の単結晶シリコン太陽電池のシリコン結晶はCZ法で作製されています。
要点Check:
シリコン単結晶は、FZ法またはCZ法によって融液から固化して作製される
FZ単結晶は高品質であるが高コスト、CZ単結晶は品質は劣るが低コスト
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