JP2015029144A - 光電変換装置 - Google Patents
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Abstract
すること、及び電圧変換素子の作製コストを抑制することを課題とする。
【解決手段】透光性を有し、n型半導体層、真性半導体層、及びp型半導体層を有する光
電変換素子と、当該光電変換素子と重畳し、酸化物半導体膜をチャネル形成領域に有する
電圧変換素子と、当該光電変換素子及び電圧変換素子を電気的に接続する導電素子とを有
する光電変換装置に関する。当該光電変換素子は太陽電池である。当該電圧変換素子は、
酸化物半導体膜をチャネル形成領域に有するトランジスタを有する。当該電圧変換素子は
、DC−DCコンバータである。
【選択図】図1
Description
、太陽電池が挙げられる(特許文献1参照)。太陽電池は、従来の発電方式のように、途
中で熱エネルギーや運動エネルギーへのエネルギー変換の必要がない。
池の非受光面などに取り付けた光電変換装置が、小規模又は中規模の太陽光発電システム
や非常用電源として注目されている(特許文献2又は特許文献3)。
DC−ACコンバータ(直流−交流変換器)等が挙げられる(特許文献4又は特許文献5
参照)。
ダイオード等で構成されるため、コストが高い。また該コンバータ回路を有する光電変換
装置は、コンバータ回路の厚さが厚いため、薄型化できないという恐れがある(特許文献
2参照)。
構造を設ける必要がある(特許文献3参照)。そのため該コンバータ回路を有する光電変
換装置は、薄型化が難しい。
有する光電変換装置の薄型化を課題の一とする。
を課題の一とする。
とする。
有する基板の一面に、透光性を有する酸化物半導体膜を用いたコンバータ回路を作製する
。
を用いた薄膜回路で構成する。そのため、該コンバータ回路を有する光電変換装置の薄型
化が可能である。
物半導体膜を用いた薄膜回路で構成するため、コンバータ回路の作製コストを抑制するこ
とが可能である。
性が安定である。そのため該酸化物半導体膜を有するコンバータ回路、及び該コンバータ
回路を有する光電変換装置も安定して動作する。
電変換素子と、当該光電変換素子を封入する保護部材と、当該保護部材の一面に形成され
た、当該光電変換素子の出力を昇圧又は降圧するコンバータ回路とを有し、当該コンバー
タ回路は、チャネル形成領域が酸化物半導体でなるトランジスタを含んで構成されている
ことを特徴とする光電変換装置に関する。
電変換素子と、当該光電変換素子を封入する保護部材と、当該保護部材の一面に形成され
た、当該光電変換素子の出力を昇圧又は降圧するDC−DCコンバータとを有し、当該D
C−DCコンバータは、チャネル形成領域が酸化物半導体でなるトランジスタを含んで構
成されていることを特徴とする光電変換装置に関する。
陽電池と、当該太陽電池を封入する保護部材と、当該保護部材の一面に形成された、当該
太陽電池の出力を昇圧又は降圧するコンバータ回路とを有し、当該コンバータ回路は、チ
ャネル形成領域が酸化物半導体でなるトランジスタを含んで構成されていることを特徴と
する光電変換装置に関する。
陽電池と、当該太陽電池を封入する保護部材と、当該保護部材の一面に形成された、当該
太陽電池の出力を昇圧又は降圧するDC−DCコンバータとを有し、当該DC−DCコン
バータは、チャネル形成領域が酸化物半導体でなるトランジスタを含んで構成されている
ことを特徴とする光電変換装置に関する。
れることを特徴とする。
空間に形成されることを特徴とする。
される側に配置される部材は透光性を有し、該透光性部材の表面に当該コンバータ回路が
形成されていることを特徴とする。
される側に配置される部材は透光性を有し、該透光性部材の表面に当該DC−DCコンバ
ータが形成されていることを特徴とする。
ンデンサを有することを特徴とする。
及びコンデンサを有することを特徴とする。
あり、かつ当該酸化物半導体膜の上面とソース電極及びドレイン電極が接することを特徴
とする。
あり、かつ当該酸化物半導体膜の下面とソース電極及びドレイン電極が接することを特徴
とする。
あり、かつ当該酸化物半導体膜の上面とソース電極及びドレイン電極が接することを特徴
とする。
あり、かつ当該酸化物半導体膜の下面とソース電極及びドレイン電極が接することを特徴
とする。
路でコンバータ回路を作ることにより、光電変換装置の薄型化が可能となる。
を作ることにより、該コンバータ回路及び該コンバータ回路を有する光電変換装置の作製
コストを抑制することが可能である。
ータ回路のようなパワーデバイスを製作することにより、温度特性が安定化する。これに
より該コンバータ回路を有する光電変換装置の温度特性を、安定化させることが可能であ
る。
、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書
に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変
更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限
定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機
能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本実施の形態では、光電変換素子及びコンバータ回路を有する光電変換装置について、図
1(A)〜図1(B)、図2(A)〜図2(B)、図3(A)〜図3(C)、図4(A)
〜図4(B)、図5(A)〜図5(B)、図6(A)〜図6(E)、図7(A)〜図7(
C)を用いて説明する。
光電変換装置を、図1(B)及び図2(B)に示す。
導電膜102、透光性を有する導電膜に接して設けられた光電変換素子103、光電変換
素子103に接して設けられ、透光性を有する導電膜104を有している。また図1(A
)に示される光電変換装置は、透光性を有する基板111上に、透光性を有する材料で形
成されたコンバータ回路112を有している。
れたコンバータ回路112は、配線121によって電気的に接続されている。これにより
光電変換素子103で出力された直流電圧を、コンバータ回路112で変換することがで
きる。配線121としては、例えば、導電ペーストや異方性導電材料を用いればよい。
子103を封入し、かつ、外部からの衝撃や異物が混入するのを防ぐ保護部材110とし
て機能する。
である基板111、及び光電変換素子103及びコンバータ回路112を接続する配線1
21を有している。また保護部材110は、その内部の空間に光電変換素子103が配置
される。すなわち保護部材110は、光電変換素子103を封入し、かつ、保護している
。
光性を有する基板111の一面に形成されているコンバータ回路112は、保護部材11
0の一面に形成されていると言える。
異物の混入の影響を受けない。
バータ回路112が形成され、かつ当該保護部材110の部材である基板111側から外
光が入射しても、光電変換素子103に光が到達する。
3の発電効率が向上する。
両方から光を入射させてもよい。基板101側及び基板111側の両方から外光が入射す
るので、入射する外光の量を大きくすることができる。
間には、接着層122が設けられている。接着層122は、絶縁性を有する樹脂等を用い
て形成すればよい。接着層122を導電膜104とコンバータ回路112との間に設ける
ことで、導電膜104とコンバータ回路112との距離を固定することができる。また接
着層122が絶縁性を有しているので、導電膜104とコンバータ回路112を絶縁する
ことができる。
うに、コンバータ回路112が透光性を有する材料で形成されているので、光電変換素子
103とコンバータ回路112とを重畳させて形成することが可能である。
の他の記載においても同様とする。本明細書では、断面図において、互いに重なる領域同
士の間に別の物質が存在している場合も、「重畳」という。
及び図2(B)に示す。図1(B)は光電変換装置の断面図、図2(B)は光電変換装置
の上面図である。なお図1(B)及び図2(B)において、図1(A)及び図2(A)と
同じものは同じ符号で表している。
る基板側から光が照射されると、コンバータ回路が光を遮り、光電変換層に光が到達しな
い。
重畳しないように形成する必要がある。コンバータ回路142と光電変換層133とを、
重畳しないように形成すると、光電変換層133の占める面積が減少する(図2(B)参
照)。光電変換層133が占める面積が減少するということは、受光面積が減少するとい
うことである。そのため光電変換層133の発電量が減少する。
本実施の形態では、光電変換素子の一例として太陽電池について述べる。
側から光電変換層211に光が入射することを想定して、基板201は太陽光に対して透
光性を有する材料を用いる。
ラス、セラミックガラスなどのガラス板を用いることができる。また、アルミノシリケー
ト酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガ
ラス基板、石英基板、セラミック基板を用いることができる。
板(プラスチック基板)を用いる場合は、上記基板と比較して耐熱温度が一般的に低い傾
向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
ンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド系合成繊維、ポリエ
ーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルイミド(P
EI)、ポリアリレート(PAR)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリイミ
ド、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ
酢酸ビニル、アクリル樹脂などが挙げられる。ポリエステルとして、例えば、ポリエチレ
ンテレフタレート(PET)が挙げられる。
を所定の形状に加工するには、基板201の全面に導電膜を形成した後、エッチングやレ
ーザ等で加工して形成してもよいし、最初から所定の形状に導電膜を形成してもよい。最
初から所定の形状に導電膜を形成する方法については後述する。
電材料を用いて形成する。
Oxide:ITO)、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物(ITSO)、有機インジウ
ム、有機スズ、酸化亜鉛(ZnO)、酸化亜鉛を含むインジウム亜鉛酸化物(IZO(I
ndium Zinc Oxide))、ガリウム(Ga)をドープしたZnO、酸化ス
ズ(SnO2)、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むイ
ンジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム
錫酸化物などが好適である。
下の膜厚となるように形成する。また、導電膜210のシート抵抗は、20Ω/□以上2
00Ω/□以下とすればよい。
酸化珪素膜と、表面に凹凸を有する膜厚約600nmの酸化スズ(SnO2)を用いた導
電膜とを、順に積層した旭硝子社製の基板(商品名:Asahi−U)を用いる。
に接続する導電膜210を形成する(図3(A)参照)。
なく、最初から所定の形状に導電膜を形成する方法で形成してもよい。所定の形状を有す
る導電膜の形成方法としては、メタルマスクを用いた蒸着法、液滴吐出法などが挙げられ
る。なお液滴吐出法とは、所定の組成物を含む液滴を細孔から吐出または噴出することで
所定の形状の導電膜を形成する方法を意味し、インクジェット法などがその範疇に含まれ
る。
10において光が屈折または乱反射する。このため、光電変換層211内における光の吸
収率を高め、変換効率を高めることができる。
5が順に積層された光電変換層211を形成する(図3(B)参照)。
VD法、またはプラズマCVD法等により形成することができる。また、n型半導体層2
13、真性半導体層214、p型半導体層215は、非晶質半導体、多結晶半導体、微結
晶半導体などを用いて形成することができる。
ミなどが付着するのを防ぐため、あるいは酸化防止のために、大気に曝さずに連続して形
成することが望ましい。
214、p型半導体層215として用いても良い。単結晶半導体薄膜を用いる場合、光電
変換層211内において、キャリアの移動を阻害する要因となる結晶欠陥が少ないので、
変換効率を高めることができる。
4に珪素を有する非晶質半導体、p型半導体層215に炭化珪素を有する非晶質半導体を
用いる。
べる。
D法、または周波数が1GHz以上のマイクロ波プラズマCVD法により形成することが
できる。代表的には、シラン、ジシランなどの水素化シリコン、フッ化シリコンまたは塩
化シリコンを、水素で希釈して用いることで、微結晶半導体膜を形成することができる。
また、水素に加え、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、ネオンから選ばれた一種または複
数種の希ガスで希釈してもよい。珪化水素などの珪素を含む化合物に対して、水素の流量
比を5倍以上200倍以下、好ましくは50倍以上150倍以下、更に好ましくは100
倍とする。
晶半導体に与えることができる。このようなn型を付与する不純物として、例えば、リン
が挙げられる。n型を付与する不純物としてリンを用いる場合、珪素を含む気体にホスフ
ィンを加えればよい。
cm、40sccmの流量とし、反応圧力133Pa、基板温度を250℃、高周波(1
3.56MHz)として、プラズマCVD法で、珪素を有する微結晶半導体である、膜厚
10nmのn型半導体層213を形成する。
下に述べる。
り、得ることができる。
し、反応圧力40Pa、基板温度を250℃、高周波(60MHz)として、プラズマC
VD法で、珪素を有する非晶質半導体である、膜厚60nmの真性半導体層214を形成
する。
、以下に述べる。
解することにより得ることができる。炭素を含む気体としては、CH4、C2H6などが
挙げられる。珪素を含む気体としては、SiH4、Si2H6が挙げられる。珪素を含む
気体を、水素、水素及びヘリウムで希釈して用いても良い。
、p型の導電型を非晶質半導体に与えることができる。このようなp型を付与する不純物
元素として、例えば、ホウ素が挙げられる。p型を付与する不純物元素としてホウ素を用
いる場合、炭素を含む気体と珪素を含む気体とに、ボラン、ジボラン、三フッ化ホウ素の
いずれか、あるいは、2つ以上を加えればよい。
sccm、150sccm、40sccmの流量とし、反応圧力67Pa、基板温度を2
50℃、高周波(13.56MHz)として、プラズマCVD法で、炭化珪素を有するp
型の非晶質半導体である、膜厚10nmのp型半導体層215を形成する。
ラズマ処理を施すことで、n型半導体層213と真性半導体層214の界面における結晶
欠陥の数を減らし、変換効率を高めることができる。
50℃、高周波(13.56MHz)とし、n型半導体層213の表面にプラズマ処理を
行う。上記プラズマ処理において、水素にアルゴンを加えても良い。アルゴンを加える場
合、その流量を、例えば60sccmとすることができる。
、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、セレン化亜鉛、窒化ガリウム、シリ
コンゲルマニウムなどのような化合物半導体も用いることができる。
結晶半導体膜を、レーザ結晶化法、熱結晶化法、またはニッケルなどの結晶化を助長する
触媒元素を用いた熱結晶化法等を単独で、或いは複数組み合わせて実施することで、形成
することができる。また、多結晶半導体を、スパッタ法、プラズマCVD法、熱CVD法
などを用いて、直接形成しても良い。
214、p型半導体層215が順に積層された例を示すが、積層の順番はp型半導体層、
真性半導体層、n型半導体層の順でもよい。
ことが望ましい。ホールのキャリアとしての寿命は、電子のキャリアとしての寿命の約半
分と短い。pin接合を有する光電変換層211に光が照射されると、真性半導体層内に
おいて多量の電子とホールが形成され、電子はn型半導体層側へ、ホールはp型半導体層
側へ移動し、起電力を得ることができる。
導体層よりもp型半導体層に近い側において多く行われる。そのため、寿命が短いホール
がp型半導体層へ移動する距離を、短くすることができ、その結果、高い起電力を得るこ
とができる。
め、光電変換層211の積層の順番は、n型半導体層、真性半導体層、p型半導体層、あ
るいは、p型半導体層、真性半導体層、n型半導体層、のどちらでもよい。しかし、入射
する光の強度がより強い側にp型半導体層を設けると、より高い起電力を得ることができ
る。
るため、ブラシ洗浄、具体的には、PVA(ポリビニルアルコール)系の多孔質体などを
用いた洗浄を行い、異物を除去しておいても良い。また、フッ酸などを含む薬液を用いて
、表面を洗浄しておいてもよい。本実施の形態では、上記PVA(ポリビニルアルコール
)系の多孔質体を用いて導電膜210の表面を洗浄した後、0.5%のフッ化水素水溶液
を用いて導電膜210の表面を洗浄する。
体層215が順に積層された光電変換層211を、エッチング法やレーザ照射法等を用い
て、各セル毎に分離する。
体層213を介して電気的に接続されている。
を形成する。
。よって、導電膜212は、導電膜210と同様に、透光性を有する上記導電材料を用い
る。導電膜212は、40nm乃至800nm、好ましくは400nm乃至700nmの
膜厚に形成する。また、導電膜212のシート抵抗は、20Ω/□乃至200Ω/□程度
とすれば良い。本実施の形態では、酸化スズを用いて、膜厚約600nmの導電膜212
を形成する。
層215上に導電膜212を形成すると、p型半導体層215中に存在する水素が、導電
膜212中のインジウム錫酸化物を還元してしまう。そのため、導電膜212の膜質が劣
化する恐れがある。
防ぐために、インジウム錫酸化物を用いた導電膜上に、酸化スズを用いた導電膜、または
、酸化亜鉛と窒化アルミニウムとの混合材料を含む導電性材料を用いた導電膜を、数十n
mの膜厚で積層したものを、導電膜212として用いることが好ましい。
た後、該全面に形成された導電膜を加工して、形成することができる。なお、導電膜21
2は、全面に形成された導電膜をエッチングやレーザ等で所定の形状に加工する方法以外
にも、メタルマスクを用いた蒸着法、液滴吐出法などを用いて形成することができる。
いる。そして、1つの光電変換層211の、n型半導体層213側において電気的に接続
されている導電膜210は、上記1つの光電変換層211とは異なる光電変換層211の
、p型半導体層215側において電気的に接続されている導電膜212と、電気的に接続
されている。以上により切り離された各セルは、異なるセルと接続される。各セルが異な
るセルと直列に接続されていると、出力電圧を上昇させることが可能である。
する。本実施の形態で説明されるコンバータ回路は、直流電圧を直流電圧に変換するDC
−DCコンバータである。
有する材料で作製されたコンバータ回路であればどんな構成でもよい。
ード304、コンデンサ305を有する昇圧回路である。
続されている。コイル303の他方の端子はトランジスタ302のソースあるいはドレイ
ンの一方と電気的に接続されている。トランジスタ302のソースあるいはドレインの一
方は、コイル303の他方の端子及びダイオード304の入力端子と電気的に接続されて
いる。トランジスタ302のソースあるいはドレインの他方は、光電変換素子307のn
型半導体層側の電極及びコンデンサ305の一方の端子と電気的に接続されている。コン
デンサ305の他方の端子は、ダイオード304の出力端子及び出力端子OUTに電気的
に接続されている。なお、光電変換素子307のn型半導体層側の電極、トランジスタ3
02のソースあるいはドレインの他方、及びコンデンサ305の一方の端子は接地されて
いる。
とをいう。ゲート配線とは、少なくとも一つのトランジスタのゲート電極と、別の電極や
別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
全部のことをいう。ソース領域とは、半導体層のうち、抵抗値がチャネル形成領域より低
い領域のことをいう。ソース電極とは、ソース領域に接続される部分の導電層のことをい
う。ソース配線とは、少なくとも一つのトランジスタのソース電極と、別の電極や別の配
線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
部または全部のことをいう。ドレイン領域とは、半導体層のうち、抵抗値がチャネル形成
領域より低い領域のことをいう。ドレイン電極とは、ドレイン領域に接続される部分の導
電層のことをいう。ドレイン配線とは、少なくとも一つのトランジスタのドレイン電極と
、別の電極や別の配線とを電気的に接続させるための配線のことをいう。
互いに入れ替わるため、いずれがソースまたはドレインであるかを限定することが困難で
ある。そこで、本書類(明細書、特許請求の範囲または図面など)においては、ソース及
びドレインのいずれか一方をソース及びドレインの一方と表記し、他方をソース及びドレ
インの他方と表記する。
トは、コンバータ回路301の制御回路に接続されている。コンバータ回路301の制御
回路からの信号により、トランジスタ302はオン状態あるいはオフ状態となる。
電流により、コイル303には励磁エネルギーが蓄えられる。
出される。コイル303から放出される励磁エネルギーに起因する電圧V2が、電圧V1
に上積みされる。これによりコンバータ回路301は昇圧回路として機能する。
02がオフ状態の時間をToffとする。出力電圧V2の値は、以下の(式1)で表され
る。
大きいほど、大電力を取り出すことができる。
電界効果トランジスタを用いることができる。
トランジスタとしては、例えば薄膜トランジスタ(TFTともいう)を用いることができ
る。また、電界効果トランジスタとしては、例えばトップゲート型、又はボトムゲート型
のトランジスタを用いることができる。また、電界効果トランジスタは、n型の導電型に
することができる。
有する酸化物半導体膜を有するトランジスタである。なお、チャネル形成領域の水素濃度
は、5×1019atoms/cm3以下、好ましくは5×1018atoms/cm3
以下、さらに好ましくは5×1017atoms/cm3以下とする。該水素濃度は、例
えば二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spe
ctroscopy)による値である。またトランジスタのキャリア濃度は、1×101
4/cm3以下、好ましくは1×1012/cm3以下とする。
いることができる。
ードを用いることができる。
極と、誘電体と、を有する構成のコンデンサを用いることができる。
ード314、コンデンサ315を有する降圧回路である。
体層側の電極に電気的に接続されている。トランジスタ312のソースあるいはドレイン
の他方は、ダイオード314の出力端子及びコイル313の一方の端子と電気的に接続さ
れている。ダイオード314の入力端子は、光電変換素子317のn型半導体層側の電極
及びコンデンサ315の一方の端子に電気的に接続されている。ダイオード314の出力
端子は、トランジスタ312のソースあるいはドレインの他方及びコイル313の一方の
端子と電気的に接続されている。コイル313の一方の端子は、トランジスタ312のソ
ースあるいはドレインの他方及びダイオード314の出力端子に電気的に接続されている
。コイル313の他方の端子は、コンデンサ315の他方の端子及び出力端子OUTに電
気的に接続されている。なお、光電変換素子317のn型半導体層側の電極、ダイオード
314の入力端子、及びコンデンサ315の一方の端子は接地されている。
トは、コンバータ回路311の制御回路に接続されている。コンバータ回路311の制御
回路からの信号により、トランジスタ312はオン状態あるいはオフ状態となる。
型半導体層側の電極から出力OUTに流れる降圧回路の電流により、コイル313には励
磁エネルギーが蓄えられる。
生させ、ダイオード314をオン状態にする。ダイオード314を通じて電流が流れるこ
とによって、電圧がV2に低下する。電圧V1より電圧V2が低下するため、コンバータ
回路311は降圧回路として機能する。
いることができる。
いることができる。
ードを用いることができる。
極と、誘電体とを有する構成のコンデンサを用いることができる。
、チャネル形成領域に酸化物半導体膜を有するトランジスタである。チャネル形成領域に
酸化物半導体膜を有するトランジスタは、酸化物半導体膜が透光性を有するので好適であ
る。
410を挙げる。トランジスタ410の構造及びその作製方法について、図5(A)〜図
5(B)、図6(A)〜図6(E)を用いて説明する。
。図5(A)はトップゲート構造のトランジスタ410の平面図であり、図5(B)は図
5(A)の線A−A’における断面図である。
電極及びドレイン電極の一方である電極416、ソース電極及びドレイン電極の他方であ
る電極417、ゲート絶縁膜402、及び、ゲート電極411を有し、電極416、電極
417にはそれぞれ配線層414、配線層415が接して設けられ、電気的に接続されて
いる。トランジスタ410は、ソース電極及びドレイン電極である電極416及び電極4
17が、チャネル形成領域である酸化物半導体膜412の上面で接しているので、トップ
コンタクト型のトランジスタと言える。
体膜412は透光性を有する。酸化物半導体膜412が透光性を有すると、光電変換層2
11に光が到達するので好適である。
ているが、本実施の形態はこの構成に限定されるものではなく、ゲート電極を複数有し、
チャネル形成領域を複数有するマルチゲート構造のトランジスタとしてもよい。
の酸化物半導体膜であることが好適である。高純度の酸化物半導体膜を有するトランジス
タの特徴及びその利点にについて、以下に説明する。
える不純物が極めて少ないレベルにまで低減されたものである。電気特性に悪影響を与え
る不純物の代表例としては、水素が挙げられる。
物半導体膜中に水素が多量に含まれていると、酸化物半導体がn型化されてしまう。
ンとなってしまう。そして、トランジスタのオン・オフ比を十分にとることができない。
素が極力低減されているものであって、真性又は実質的に真性な半導体膜を指す。高純度
の酸化物半導体の一例としては、キャリア濃度が1×1014/cm3未満、好ましくは
1×1012/cm3未満、さらに好ましくは1×1011/cm3未満、または6.0
×1010/cm3未満である酸化物半導体膜が挙げられる。
導体膜をチャネル形成領域に用いたトランジスタは、シリコンをチャネル形成領域に用い
たトランジスタ等に比較して、オフ電流が非常に小さいという特徴を有している。
ャネル型のトランジスタであるものとして以下説明する。
スタでしきい値Vthが正である場合、室温において−20V以上−5V以下の範囲で任
意のゲート電圧を印加したときにトランジスタのソース−ドレイン間を流れる電流のこと
を指す。なお、室温は、15度以上25度以下とする。本明細書に開示する酸化物半導体
膜を用いたトランジスタは、室温において、チャネル幅(w)あたりの電流値が100z
A/μm以下、好ましくは10zA/μm以下である。
態のときの抵抗値(オフ抵抗R)を算出することができ、チャネル形成領域の断面積Aと
チャネル長Lが分かればρ=RA/Lの式(Rはオフ抵抗を表す)からオフ抵抗率ρを算
出することもできる。オフ抵抗率は1×109Ω・m以上(または1×1010Ω・m)
が好ましい。ここで、断面積Aは、チャネル形成領域の膜厚をdとし、チャネル幅をWと
するとき、A=dWから算出することができる。
、より好ましくは3eV以上である。
は、−25℃から150℃までの温度範囲におけるトランジスタの電流電圧特性において
、オン電流、オフ電流、電界効果移動度、S値、及びしきい値電圧の変動がほとんどなく
、温度による電流電圧特性の劣化がほとんど見られない。
化膜中に注入されて固定電荷となったり、高速に加速された電子がゲート絶縁膜界面にト
ラップ準位を形成することにより、しきい電圧の変動やゲートリーク等のトランジスタ特
性の劣化が生じることであり、ホットキャリア劣化の要因としては、チャネルホットエレ
クトロン注入(CHE注入)とドレインアバランシェホットキャリア注入(DAHC注入
)がある。
的に電子が発生しやすく、ゲート絶縁膜への障壁を越えられるほど高速に加速される電子
数が増加する。一方、本実施の形態で示す酸化物半導体膜は、バンドギャップが3.15
eVと広いため、アバランシェ降伏が生じにくく、シリコンと比べてホットキャリア劣化
の耐性が高い。
ンドギャップは同等である。しかし、シリコンカーバイトよりも、酸化物半導体の方が移
動度が小さいため、電子が加速されにくい。また、ゲート絶縁膜である酸化膜との障壁が
、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、シリコンよりも、酸化物半導体の方が大きいため
、酸化膜に注入される電子が極めて少ない。酸化膜に注入される電子が極めて少ないため
、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、シリコンよりも、酸化物半導体の方がホットキャ
リア劣化が生じにくく、ドレイン耐圧が高いといえる。このため、チャネルとして機能す
る酸化物半導体と、ソース電極及びドレイン電極との間に、意図的に低濃度不純物領域を
形成する必要が無く、トランジスタ構造が極めて簡単になり、製造工程数を低減できる。
00V以上、好ましくは500V、好ましくは1kV以上のドレイン耐圧を有することが
可能である。
光性を有する酸化物半導体膜をチャネル形成領域として有するトランジスタは、光電変換
素子と重畳して形成されていても、光電変換素子に可視光が到達するのを阻害しない。
明する。
、基板400側からトランジスタ410に光が入射することを想定して、基板400は太
陽光に対して透光性を有している材料を用いる。
ラス、セラミックガラスなどのガラス板を用いることができる。また、アルミノシリケー
ト酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガ
ラス基板、石英基板、セラミック基板を用いることができる。
板(プラスチック基板)を用いる場合は、上記基板と比較して耐熱温度が一般的に低い傾
向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
ンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド系合成繊維、ポリエ
ーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルイミド(P
EI)、ポリアリレート(PAR)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリイミ
ド、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ
酢酸ビニル、アクリル樹脂などが挙げられる。ポリエステルとして、例えば、ポリエチレ
ンテレフタレート(PET)が挙げられる。
たは酸化窒化アルミニウム膜などの酸化物絶縁膜を用いると好ましい。絶縁膜407の形
成方法としては、プラズマCVD法、スパッタリング法等を用いることができるが、絶縁
膜407中に水素が多量に含まれないようにするためには、スパッタリング法で絶縁膜4
07を成膜することが好ましい。
形成する。具体的には、基板400を処理室へ搬送した後、水素及び水分を除去し、かつ
高純度酸素を含むスパッタガスを導入し、シリコンまたはシリコン酸化物のターゲットを
用いて、基板400上に絶縁膜407として酸化シリコン膜を成膜する。なお、成膜時の
基板400は室温でもよいし、加熱されていてもよい。
温度108℃、基板400とターゲット間の距離(T−S間距離)を60mm、圧力0.
4Pa、高周波電源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25sccm:アルゴン流
量25sccm=1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜
する。膜厚は100nmとする。なお、ターゲットとして石英(好ましくは合成石英)に
代えてシリコンターゲットを用いることもできる。また、スパッタガスとして酸素及びア
ルゴンの混合ガスに代えて酸素ガスを用いてもよい。ここで、絶縁膜407を成膜する際
に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物の濃度がppmレ
ベル、好ましくはppbレベルまで低減された高純度ガスを用いる。
成膜することにより、絶縁膜407に水素、水、水酸基又は水素化物などが含まれないよ
うにすることが好ましい。
クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプを用いることができる。
また、排気手段としては、ターボポンプにコールドトラップを組み合わせて使用すること
が好ましい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は、水素原子や、水(H2O)等の
水素原子を含む化合物等が排気されるため、当該成膜室で成膜した絶縁膜407は、水素
原子が極力取り込まれにくく好ましい。
Cスパッタリング法があり、さらにパルス的にバイアスを与えるパルスDCスパッタリン
グ法もある。RFスパッタリング法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、DCスパッ
タリング法は主に金属膜を成膜する場合に用いられる。
装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバーで複数種
類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
タ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるECRス
パッタリング法を用いるスパッタ装置を用いることができる。
ガス成分とを化学反応させ、それらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタリング
法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタリング法もある。
から窒化シリコン膜、窒化酸化シリコン膜、窒化アルミニウム膜、又は窒化酸化アルミニ
ウム膜などの窒化物絶縁膜と、上記酸化物絶縁膜との積層構造としてもよい。
窒化シリコン膜を成膜し、その後、スパッタガスを高純度酸素ガスに切り替えて、酸化シ
リコン膜を成膜する。この場合においても、先に説明したのと同様に、処理室内の残留水
分を除去しつつ窒化シリコン膜や酸化シリコン膜を成膜することが好ましい。また、成膜
時に基板を加熱してもよい。
理として、スパッタリング装置の予備加熱室で絶縁膜407が形成された基板400を予
備加熱し、基板400に吸着した水素、水分などの不純物を脱離し排気することが好まし
い。なお、予備加熱室に設ける排気手段は、水素原子や、水(H2O)等の水素原子を含
む化合物等を排気するためクライオポンプが好ましい。また、この予備加熱は、後に形成
するゲート絶縁膜402の成膜前の基板400に対して行うことが好ましい。また、後に
形成する第1の電極416及び第2の電極417まで形成した基板400に対しても同様
に行うことが好ましい。ただし、これらの予備加熱の処理は省略してもよい。
プラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁膜407の表面に付着しているゴミを除去
することも好ましい。逆スパッタとは、アルゴン雰囲気下で基板に高周波電源を用いて電
圧を印加することによって基板近傍にプラズマを形成し、表面を改質する方法である。な
お、アルゴン雰囲気に代えて窒素、ヘリウム、酸素等を用いてもよい。
を用いることができる。上記ターゲットとして、例えば、In2O3:Ga2O3:Zn
O=1:1:1(mol数比)、In2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:2(mol
数比)、またはIn2O3:Ga2O3:ZnO=1:1:4(mol数比)であるター
ゲットを用いることができる。また、In、Ga、及びZnを含むターゲットの充填率は
90%以上100%以下、好ましくは95%以上100%未満である。充填率の高いター
ゲットを用いることにより、成膜した酸化物半導体膜は緻密な膜となる。
気下、または希ガス及び酸素混合雰囲気下とすればよい。ここで、酸化物半導体膜を成膜
する際に用いるスパッタガスは、水素、水、水酸基又は水素化物などの不純物の濃度がp
pmレベル、好ましくはppbレベルまで低減された高純度ガスを用いる。
を除去しつつ水素及び水分が除去されたスパッタガスを導入し、金属酸化物をターゲット
として基板400上に成膜する。処理室内の残留水分を除去するためには、吸着型の真空
ポンプを用いることが好ましい。例えば、クライオポンプ、イオンポンプ、チタンサブリ
メーションポンプを用いることが好ましい。また、排気手段としては、ターボポンプにコ
ールドトラップを加えたものであってもよい。クライオポンプを用いて排気した成膜室は
、例えば、水素原子、水(H2O)など水素原子を含む化合物(より好ましくは炭素原子
を含む化合物も)等が排気されるため、当該成膜室で成膜した酸化物半導体膜に含まれる
不純物の濃度を低減できる。また、酸化物半導体膜成膜時に基板を室温状態のままとする
か、または400℃未満の温度に加熱してもよい。
距離を110mm、圧力0.4Pa、直流(DC)電源0.5kW、酸素及びアルゴン(
酸素流量15sccm:アルゴン流量30sccm=1:2)雰囲気下の条件が挙げられ
る。なお、パルス直流(DC)電源を用いると、ごみが軽減でき、膜厚分布も均一となる
ために好ましい。酸化物半導体膜の膜厚は、膜厚2nm以上200nm以下とすればよく
、好ましくは5nm以上30nm以下とする。なお、適用する酸化物半導体の材料により
適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
物を用いる例を示したが、その他にも、四元系金属の酸化物であるIn−Sn−Ga−Z
n−O系や、他の三元系金属の酸化物であるIn−Sn−Zn−O系、In−Al−Zn
−O系、Sn−Ga−Zn−O系、Al−Ga−Zn−O系、Sn−Al−Zn−O系や
、二元系金属の酸化物であるIn−Zn−O系、Sn−Zn−O系、Al−Zn−O系、
Zn−Mg−O系、Sn−Mg−O系、In−Ga−O系、In−Mg−O系や、In−
O系、Sn−O系、Zn−O系などの酸化物半導体を用いることができる。また、上記酸
化物半導体はSiを含んでいてもよい。また、これらの酸化物半導体は、非晶質であって
もよいし、結晶質であってもよい。または、非単結晶であってもよいし、単結晶であって
もよい。なお、本明細書において、三元系金属の酸化物とは、酸素(O)の他に3つの金
属元素を含む金属酸化物を指す。同様にして、四元系金属の酸化物とは、酸素(O)の他
に4つの金属元素を含む金属酸化物、二元系金属の酸化物とは、酸素(O)の他に2つの
金属元素を含む金属酸化物を指す。
いることもできる。ここで、Mは、Zn、Ga、Al、MnおよびCoから選ばれた一ま
たは複数の金属元素である。例えば、Mとして、Ga、Ga及びAl、Ga及びMn、ま
たはGa及びCoが挙げられる。
2に加工する(図6(A)参照。)。なお、島状の酸化物半導体膜412を形成するため
のレジストマスクをインクジェット法で形成してもよい。レジストマスクをインクジェッ
ト法で形成するとフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。
く、両方を用いてもよい。
ing)法や、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導
結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングでき
るように、エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加さ
れる電力量、基板側の電極温度等)を適宜調節する。
ば塩素(Cl2)、三塩化硼素(BCl3)、四塩化珪素(SiCl4)、四塩化炭素(
CCl4)など)が好ましいが、フッ素を含むガス(フッ素系ガス、例えば四弗化炭素(
CF4)、六弗化硫黄(SF6)、三弗化窒素(NF3)、トリフルオロメタン(CHF
3)など)、臭化水素(HBr)、酸素(O2)、またはこれらのガスにヘリウム(He
)やアルゴン(Ar)などの希ガスを添加したガス等を用いることもできる。
ンモニア過水(31重量%過酸化水素水:28重量%アンモニア水:水=5:2:2)な
どを用いることができる。また、ITO07N(関東化学社製)を用いてもよい。エッチ
ングの条件(エッチング液、エッチング時間、温度等)については、酸化物半導体の材料
に合わせて適宜調節すればよい。
浄によって除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれ
る材料を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体膜に含まれる材料
(例えば、インジウム等のレアメタル)を回収して再利用することにより、資源を有効活
用することができる。
エッチング法により、酸化物半導体膜を島状の酸化物半導体膜412に加工する。
℃以上750℃以下、好ましくは400℃以上基板の歪み点未満とする。ここでは、加熱
処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体膜412に対して窒素雰囲気
下450℃において1時間の加熱処理を行った後、大気に触れることなく、酸化物半導体
膜412への水や水素の再混入を防ぎ、酸化物半導体膜412を得る。この第1の加熱処
理によって酸化物半導体膜412から水素、水、及び水酸基等を除去することができる。
輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、GRTA(Gas
Rapid Thermal Anneal)装置、LRTA(Lamp Rapid
Thermal Anneal)装置等のRTA(Rapid Thermal An
neal)装置を用いることができる。LRTA装置は、ハロゲンランプ、メタルハライ
ドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧
水銀ランプなどのランプから発する光(電磁波)の輻射により、被処理物を加熱する装置
である。GRTA装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体としては
、不活性ガス(代表的には、アルゴン等の希ガス)または窒素ガスを用いることができる
。
板を移動させて入れ、数分間加熱した後、基板を移動させて高温に加熱した不活性ガス中
から出すGRTAを行ってもよい。GRTAを用いることにより、短時間での高温加熱処
理が可能となる。
。または、加熱処理装置の装置内に導入する窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン等のガス
の純度を、6N(99.9999%)以上、好ましくは7N(99.99999%)以上
、(即ち不純物濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下)とすることが好まし
い。
により島状の酸化物半導体膜412が結晶化し、微結晶化または多結晶化する場合もある
。例えば、結晶化率が80%以上の微結晶の酸化物半導体膜となる場合もある。ただし、
第1の加熱処理を行っても島状の酸化物半導体膜412が結晶化せず、非晶質の酸化物半
導体膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体膜の中に微結晶部(粒径1nm以
上20nm以下(代表的には2nm以上4nm以下))が混在する酸化物半導体膜となる
場合もある。
酸化物半導体膜に行ってもよい。この場合、第1の加熱処理後に、加熱処理装置から基板
を取り出し、第1のフォトリソグラフィ工程を行う。その他に、第1の加熱処理は、酸化
物半導体膜上にソース電極及びドレイン電極を積層した後、またはソース電極及びドレイ
ン電極上にゲート絶縁膜を形成した後、のいずれで行ってもよい。
去することを主な目的としているが、この加熱処理の際に酸化物半導体膜中に酸素欠損が
生じてしまうおそれがある。このため、第1の加熱処理の後に、加酸化処理を行うことが
好ましい。加酸化処理の具体例としては、第1の加熱処理の後、連続して酸素雰囲気また
は窒素及び酸素を含む雰囲気(例えば、窒素と酸素の体積比が4:1)での加熱処理を行
う方法が挙げられる。
ッタリング法や真空蒸着法により形成すればよい。
板111に相当)側から入射した光が、該導電膜を透過して、光電変換層に入射するから
である。このような透光性を有する導電膜として、導電性を有する金属酸化物が挙げられ
る。導電性を有する金属酸化物膜としては、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(
SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜
鉛合金(In2O3―ZnO)または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコ
ンを含ませたものを用いることができる。また、導電膜は、単層構造としてもよいし、2
層以上の積層構造としてもよい。
にエッチングを行って第1の電極416及び第2の電極417を形成した後、レジストマ
スクを除去する(図6(B)参照。)。第1の電極416はソース電極及びドレイン電極
の一方として機能し、第2の電極417はソース電極及びドレイン電極の他方として機能
する。ここで、第1の電極416及び第2の電極417の端部がテーパとなるようにエッ
チングすると、上に積層するゲート絶縁膜の被覆性が向上するため好ましい。なお、第1
の電極416、第2の電極417を形成するためのレジストマスクをインクジェット法で
形成してもよい。レジストマスクをインクジェット法で形成するとフォトマスクを使用し
ないため、製造コストを低減できる。
積を大きくできるいう点で好適である。トランジスタが占める面積が大きいと、チャネル
幅Wを広くすることが可能である。トランジスタのチャネル幅Wが広いと、電流能力を稼
ぐことが可能である。
ゲート絶縁膜402を形成する(図6(C)参照。)。
たゲート絶縁膜402は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化
酸化シリコン膜、又は酸化アルミニウム膜を単層又は積層して形成することができる。
ため、成膜時の雰囲気に水素を極力減らすことが可能なスパッタリング法でゲート絶縁膜
402を成膜することが好ましい。スパッタリング法により酸化シリコン膜を成膜する場
合には、ターゲットとしてシリコンターゲット又は石英ターゲットを用い、スパッタガス
として酸素、または酸素及びアルゴンの混合ガスを用いて行う。
積層した構造とすることもできる。例えば、第1のゲート絶縁膜として膜厚5nm以上3
00nm以下の酸化シリコン膜(SiOx(x>0))を形成し、第1のゲート絶縁膜上
に第2のゲート絶縁膜として膜厚50nm以上200nm以下の窒化シリコン膜(SiN
y(y>0))を積層して、膜厚100nmのゲート絶縁膜としてもよい。本実施の形態
では、圧力0.4Pa、高周波電源1.5kW、酸素及びアルゴン(酸素流量25scc
m:アルゴン流量25sccm=1:1)雰囲気下でRFスパッタリング法により膜厚1
00nmの酸化シリコン膜を形成する。
グを行ってゲート絶縁膜402の一部を除去することにより、第1の電極416及び第2
の電極417それぞれに達する開口418及び開口419を形成する(図6(D)参照。
)。なお、レジストマスクをインクジェット法で形成する場合、フォトマスクを使用しな
いため、製造コストを低減できる。
のフォトリソグラフィ工程によりゲート電極411、配線層414、配線層415を形成
する。
する。
用いて形成する必要がある。なぜなら基板400(基板111に相当)側から入射した光
が、該導電膜を透過して、光電変換層に入射するからである。
有する金属酸化物としては、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、酸
化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム酸化スズ合金、酸化インジウム酸化亜鉛合金(In2
O3―ZnO)または前記金属酸化物材料にシリコン若しくは酸化シリコンを含ませたも
のを用いることができる。また、導電膜は、単層構造としてもよいし、2層以上の積層構
造としてもよい。
0℃以上400℃以下、例えば250℃以上350℃以下)を行う。本実施の形態では、
窒素雰囲気下で250℃、1時間の第2の加熱処理を行う。なお、第2の加熱処理は、ト
ランジスタ410上に保護絶縁膜や平坦化絶縁膜を形成してから行ってもよい。
行ってもよい。この加熱処理は、一定の加熱温度を保持して加熱してもよいし、室温から
、100℃以上200℃の加熱温度への昇温と、加熱温度から室温までの降温を複数回繰
り返して行ってもよい。
物半導体膜412を有するトランジスタ410を形成することができる(図6(E)参照
)。
い。保護絶縁膜としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、窒化
酸化シリコン膜、又は酸化アルミニウム膜を単層又は積層して形成することができる。ま
た、平坦化絶縁膜としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、
エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に
、低誘電率材料(low−k材料)、シロキサン系樹脂、PSG(リンガラス)、BPS
G(リンボロンガラス)等を用いることもできる。また、これらの材料で形成される絶縁
膜を複数積層させることで平坦化絶縁膜を形成してもよい。
−Si結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基(例えばア
ルキル基やアリール基)やフルオロ基を用いても良い。また、有機基はフルオロ基を有し
ていても良い。
スピンコート、ディップ、スプレー塗布、液滴吐出法(インクジェット法、スクリーン印
刷、オフセット印刷等)、ドクターナイフ、ロールコータ、カーテンコータ、ナイフコー
ター等を用いることができる。
ことで、酸化物半導体膜中の水素及び水素化物の濃度を低減することができる。
体膜412、電極416、電極417、ゲート電極411、配線層414、配線層415
はそれぞれ、透光性を有している。そのためトランジスタ410は透光性を有し、光が光
電変換素子103に到達するのを阻害しない。
ので、チャネル形成領域が光を吸収しない。チャネル形成領域に珪素を用いたトランジス
タは、チャネル形成領域に含まれる珪素が光を吸収することにより、トランジスタが正し
く機能しない恐れがある。しかしながら、チャネル形成領域に酸化物半導体膜412を有
するトランジスタ410は、チャネル形成領域の酸化物半導体膜412が光を吸収しない
。チャネル形成領域の酸化物半導体膜412が光を吸収しないので、トランジスタ410
が正しく機能しない恐れがない。
スタの構造の他の例を、図7(A)〜図7(C)に示す。
スタ420は、基板400上に形成されたゲート電極421と、ゲート電極421上のゲ
ート絶縁膜422と、ゲート絶縁膜422上においてゲート電極421と重畳する酸化物
半導体膜423と、酸化物半導体膜423上においてゲート電極421と重畳するチャネ
ル保護膜424と、酸化物半導体膜423上に形成された導電膜425及び導電膜426
とを有する。さらに、トランジスタ420は、酸化物半導体膜423上に形成された絶縁
膜427を、その構成要素に含めても良い。トランジスタ420は、ソース電極及びドレ
イン電極である導電膜425及び導電膜426が、チャネル形成領域である酸化物半導体
膜423の上面で接しているので、トップコンタクト型のトランジスタと言える。
となる部分に対する、後の工程時におけるダメージ(エッチング時のプラズマやエッチン
グ剤による膜減りなど)を防ぐことができる。従ってトランジスタの信頼性を向上させる
ことができる。
素、酸化アルミニウム、または酸化窒化アルミニウムなど)を用いることができる。チャ
ネル保護膜424は、プラズマCVD法や熱CVD法などの気相成長法やスパッタリング
法を用いて形成することができる。チャネル保護膜424は成膜後にエッチングにより形
状を加工する。ここでは、スパッタ法により酸化珪素膜を形成し、フォトリソグラフィに
よるマスクを用いてエッチング加工することでチャネル保護膜424を形成する。
膜423中のチャネル保護膜424と接する領域が高抵抗化し、高抵抗化酸化物半導体領
域となる。チャネル保護膜424の形成により、酸化物半導体膜423は、チャネル保護
膜424との界面近傍に高抵抗化酸化物半導体領域を有することができる。
も良い。バックゲート電極は、酸化物半導体膜423のチャネル形成領域と重なるように
形成する。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であっても
良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、ゲ
ート電極421と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電位
が与えられていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、トラ
ンジスタ420の閾値電圧を制御することができる。
スタ430は、基板400上に形成されたゲート電極431と、ゲート電極431上のゲ
ート絶縁膜432と、ゲート絶縁膜432上の導電膜433及び導電膜434と、ゲート
電極431と重なっている酸化物半導体膜435とを有する。さらに、トランジスタ43
0は、酸化物半導体膜435上に形成された絶縁膜437を、その構成要素に含めても良
い。トランジスタ430は、ソース電極及びドレイン電極である導電膜433及び導電膜
434が、チャネル形成領域である酸化物半導体膜435の下面で接しているので、ボト
ムコンタクト型のトランジスタと言える。
の膜厚は、後に形成される酸化物半導体膜435が段切れを起こすのを防ぐために、薄く
するのが望ましい。具体的には、10nm〜200nm、好ましくは50nm〜75nm
とする。
も良い。バックゲート電極は、酸化物半導体膜435のチャネル形成領域と重畳するよう
に形成する。バックゲート電極は、電気的に絶縁しているフローティングの状態であって
も良いし、電位が与えられる状態であっても良い。後者の場合、バックゲート電極には、
ゲート電極431と同じ高さの電位が与えられていても良いし、グラウンドなどの固定電
位が与えられていても良い。バックゲート電極に与える電位の高さを制御することで、ト
ランジスタ430の閾値電圧を制御することができる。
スタ440は、基板400上に形成された導電膜441及び導電膜442と、導電膜44
1及び導電膜442と重なっている酸化物半導体膜443と、酸化物半導体膜443上の
ゲート絶縁膜444と、ゲート絶縁膜444上において酸化物半導体膜443と重なって
いるゲート電極445とを有する。さらに、トランジスタ440は、ゲート電極445上
に形成された絶縁膜447を、その構成要素に含めても良い。トランジスタ440は、ソ
ース電極及びドレイン電極である導電膜441及び導電膜442が、チャネル形成領域で
ある酸化物半導体膜443の下面で接しているので、ボトムコンタクト型のトランジスタ
と言える。
厚は、後に形成される酸化物半導体膜443が段切れを起こすのを防ぐために、薄くする
のが望ましい。具体的には、10nm〜200nm、好ましくは50nm〜75nmとす
る。
タ312の構造は、トランジスタ410、トランジスタ420、トランジスタ430、ト
ランジスタ440の構造に限定されるものではない。トランジスタ302又はトランジス
タ312として、例えばパワーMOS(MIS)FETを用いると、より耐圧が高いので
好適である。
路112が作製された領域にも光が透過する。コンバータ回路112が作製された領域に
も光が透過すると、光電変換素子103の受光面積が増える。光電変換素子103の受光
面積が増えると、出力電流が増大する。出力電流が増大すると、光電変換装置の発電効率
が向上する。
3へ光を透過させたが、必要であれば光電変換素子103から光を入射させてもよい。光
電変換素子103から光を入射させると、光起電力が増大し、光電変換装置の発電効率が
向上する。
りに、より安価な酸化物半導体膜を用いて作製する。これにより、コンバータ回路のコス
トを抑制することが可能である。
換素子を作ることにより、光電変換装置の薄型化が可能となる。
より、該電力変換素子及び該電力変換素子を有する光電変換装置の作製コストを抑制する
ことが可能である。
ようなパワーデバイスを製作することにより、温度特性が安定化する。これにより該コン
バータ回路を有する光電変換装置の温度特性を、安定化させることが可能である。
本実施の形態では、実施の形態1で述べたコンバータ回路の回路構成の一例について、図
8を用いて説明する。
換回路602、及び電圧変換回路602の制御回路603を有している。電圧変換回路6
02は、実施の形態1でも述べたDC−DCコンバータである。
ンデンサ614を有している。制御回路603は、三角波発生回路621、デジタル制御
方式の回路650、パルス幅変調出力ドライバ623、抵抗624、及び抵抗625を有
している。また点線の矢印627は帰還回路のループを表している。抵抗624の出力電
圧である帰還電圧Vfbは、デジタル制御方式の回路650に入力される。
、トランジスタ430、又はトランジスタ440を用いると、トランジスタ611が透光
性を有するので好適である。さらにコイル612、ダイオード613、及びコンデンサ6
14の材料として、透光性を有する材料を用いると好適である。コイル612、ダイオー
ド613、及びコンデンサ614の材料として、透光性を有する材料を用いると、電圧変
換回路602を構成する素子が全て透光性となる。電圧変換回路602を構成する素子が
全て透光性であると、実施の形態1で述べた光電変換素子に達する光を遮断しないので好
適である。
スタを用いると好適である。耐圧の高いトランジスタとしては、酸化物半導体膜をチャネ
ル形成領域に有するトランジスタが好適である。
パルス幅変調出力ドライバ653、及びローパスフィルタ654(ローパスフィルタ:L
ow Pass Filter(LPF))を有している。
ドライバ653はデジタル回路である。デジタル回路は、回路を流れる信号の基準に対す
る高低によって、1か0(ゼロ)かを判断するためである。デジタル回路は、1か0(ゼ
ロ)かを判断するため、デジタル回路を構成する素子の特性がばらついても、正しく処理
する事が可能である。
)の使用を抑制してるので、回路の占有面積を小さくすることが可能であるという点で好
適である。
入力端子から入力される帰還電圧Vfbとを比較して、H(ハイレベル)かL(ローレベ
ル)、すなわち1か0(ゼロ)であるデジタル信号を出力する。
変調器652bを有している。またデジタル演算処理回路652には、外部からクロック
分割器655が接続され、クロック分割器655からのクロック信号が入力される。
均化処理、積分化処理、及び、デジタルパルス幅変調処理を行う。デジタル演算処理回路
652中のデジタル平均化・積分器652aが平均化処理及び積分化処理を行い、デジタ
ルパルス幅変調器652bがデジタルパルス幅変調処理を行う。
号(H(ハイレベル)またはL(ローレベル))をNビット保持し、HとLの回数を比較
し、多い方の信号を出力する。これによりデジタル信号の平均化が行われる。
積算する。これにより、平均化されたデジタル信号が積分される。
ジタルパルス幅変調処理化が行われる。デジタルパルス幅変調処理化されたパルス幅変調
出力信号は、パルス幅変調出力ドライバ653に入力される。
路である。
力信号Verrが入力され、非反転入力端子には三角波発生回路621が生成した三角波
Voscが入力される。
と三角波Voscを比較し、三角波Voscの信号レベルがデジタル制御方式の回路65
0の出力信号Verrより大きい場合は、H(ハイレベル)をパルス幅変調信号としてト
ランジスタ611に出力する。一方、三角波Voscの信号レベルがデジタル制御方式の
回路650の出力信号Verrより小さい場合は、L(ローレベル)をパルス幅変調信号
としてトランジスタ611に出力する。
02が作製された領域にも光が透過する。電圧変換回路602が作製された領域にも光が
透過すると、実施の形態1で述べた光電変換素子の受光面積が増える。光電変換素子の受
光面積が増えると、出力電流が増大する。出力電流が増大すると、光電変換装置の発電効
率が向上する。
に、より安価な酸化物半導体膜を用いて作製する。これにより、電圧変換回路のコストを
抑制することが可能である。
本実施の形態では、実施の形態1又は実施の形態2などにより得られる光電変換装置を用
いて、太陽光発電モジュールを得る。得られた太陽光発電モジュールを車両に搭載する例
について説明する。
電モジュールは、実施の形態1又は実施の形態2に示す光電変換装置を用いて作製される
。
を有する導電膜102、透光性を有する導電膜102に接して設けられた光電変換素子1
03、光電変換素子103に接して設けられ、透光性を有する導電膜104を有している
。また図9(C)に示される太陽光発電モジュール5028は、透光性を有する基板11
1上に、透光性を有する材料で形成されたコンバータ回路112を有している。コンバー
タ回路112には、該太陽光発電モジュールと外部機器との電気的接続を担う配線151
が接続される。また121は配線、122は接着層を示す。なお図9(C)に示す太陽光
発電モジュール5028及び実施の形態1で述べられた図1(A)に示す光電変換装置に
おいて、同じものは同じ符号で示している。
ーフ部分に搭載した電動推進車両6000(乗用自動車)の例を示す。太陽光発電モジュ
ール5028は、コンバータ6002を介してバッテリーまたはキャパシタ6004に接
続されている。すなわち、バッテリーまたはキャパシタ6004は、太陽光発電モジュー
ル5028から供給される電力を用いて充電される。また、エンジン6006の動作状況
をモニタ6008で監視して、その状況に応じて充電及び放電を選択させる構成としても
良い。
ような光電変換効率の低下を抑制するために、太陽光発電モジュール5028内に冷却用
の液体などを循環させる構成としても良い。例えば、ラジエータ6010の冷却水を循環
ポンプ6012によって循環させる構成とすることができる。もちろん、冷却用の液体を
ラジエータ6010と共用することには限定されない。また、光電変換効率の低下が深刻
でない場合には、液体を循環させる構成は不要である。
換素子を作ることにより、光電変換装置の薄型化が可能となる。
より、該電力変換素子及び該電力変換素子を有する光電変換装置の作製コストを抑制する
ことが可能である。
ようなパワーデバイスを製作することにより、温度特性が安定化する。これにより該コン
バータ回路を有する光電変換装置の温度特性を、安定化させることが可能である。
光電変換装置、及び該光電変換装置を用いた太陽光発電モジュールを搭載することが可能
なので好適である。車両の限定された領域に該太陽光発電モジュールを搭載すると、光電
変換素子が生成した電圧を、効率よく車両の他の機器に用いることが可能である。
102 導電膜
103 光電変換素子
104 導電膜
108 基板温度
110 保護部材
111 基板
112 コンバータ回路
121 配線
122 接着層
133 光電変換層
142 コンバータ回路
151 配線
201 基板
202 セル
210 導電膜
211 光電変換層
212 導電膜
213 n型半導体層
214 真性半導体層
215 p型半導体層
301 コンバータ回路
302 トランジスタ
303 コイル
304 ダイオード
305 コンデンサ
307 光電変換素子
311 コンバータ回路
312 トランジスタ
313 コイル
314 ダイオード
315 コンデンサ
317 光電変換素子
400 基板
402 ゲート絶縁膜
407 絶縁膜
410 トランジスタ
411 ゲート電極
412 酸化物半導体膜
414 配線層
415 配線層
416 電極
417 電極
418 開口
419 開口
420 トランジスタ
421 ゲート電極
422 ゲート絶縁膜
423 酸化物半導体膜
424 チャネル保護膜
425 導電膜
426 導電膜
427 絶縁膜
430 トランジスタ
431 ゲート電極
432 ゲート絶縁膜
433 導電膜
434 導電膜
435 酸化物半導体膜
437 絶縁膜
440 トランジスタ
441 導電膜
442 導電膜
443 酸化物半導体膜
444 ゲート絶縁膜
445 ゲート電極
447 絶縁膜
601 電源回路
602 電圧変換回路
603 制御回路
611 トランジスタ
612 コイル
613 ダイオード
614 コンデンサ
621 三角波発生回路
623 パルス幅変調出力ドライバ
624 抵抗
625 抵抗
627 矢印
650 回路
651 コンパレータ
652 デジタル演算処理回路
652a デジタル平均化・積分器
652b デジタルパルス幅変調器
653 パルス幅変調出力ドライバ
654 ローパスフィルタ
655 クロック分割器
5028 太陽光発電モジュール
6000 車両
6002 コンバータ
6004 キャパシタ
6006 エンジン
6008 モニタ
6010 ラジエータ
6012 循環ポンプ
Claims (3)
- 光電変換素子と、
前記光電変換素子上の接着層と、
前記接着層上のコンバータ回路と、
前記光電変換素子、前記接着層及び前記コンバータ回路の側面を覆う配線と、を有し、
前記コンバータ回路は、コイルと、ダイオードと、コンデンサと、トランジスタと、を有し、
前記配線は、前記光電変換素子と前記コンバータ回路とを電気的に接続し、
前記光電変換素子と前記コンバータ回路とは、前記接着層を介して重畳する光電変換装置。 - 請求項1において、
前記コンバータ回路は、前記光電変換素子の出力を昇圧又は降圧する機能を有する光電変換装置。 - 請求項1または2において、
前記トランジスタは、チャネル形成領域が酸化物半導体である光電変換装置。
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