JP2700282B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は非単結晶半導体を用いた
半導体装置特に光照射により電子・ホ−ル対を発生する
光起電力効果を有する真性または人為的にＰまたはＮ型
の不純物を添加しないいわゆる実質的に真性の半導体層
（以下単にＩ層または単に真性半導体層という）および
Ｐ型またはＮ型半導体層に関する。 【０００２】 【従来の技術】５〜２０００Å代表的には５〜１００Å
の大きさの微結晶性を有する半導体に関しては本発明人
の出願になる特願昭55-026388,S55.3.3 出願（セミアモ
ルファス半導体）が知られている。さらにこの微結晶性
を有する半導体を利用してＰＩＮ接合型の光電変換装置
を設けた発明として、本発明人の出願になる特願昭56-0
08699,S56.1.22（光電変換装置）が知られている。さら
にこれら微結晶性を有する半導体およびアモルファス
（非晶質）半導体（以下ＡＳという）を用いかつそのエ
ネルギバンド構造を連続接合しＰまたはＮ型の半導体層
に対し窓構造を設けたものとして本発明人の出願になる
半導体装置（米国特許4.239.554 1880.12.6発行米国特
許4.254.429 1981.3.3発行）が知られている。本発明は
かかる本発明人の発明になる出願をさらに発展させたも
のである。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＡＳ半導体
と微結晶性を有する半導体とが種々の物性において異な
り、光の吸収係数、光伝導度、ＰまたはＮ型の不純物を
添加した時の活性化エネルギ−およびイオン化率にきわ
めて大きな違いがあることに基づきそれぞれの半導体を
有機的に結合させた半導体層を設けること、つまり本発
明はかかる半導体層に再結合中心中和用の水素、フッ素
または塩素の如きハロゲン元素またはリチュ−ム、ナト
リュ−ム、カリュ−ムの如きアルカリ金属元素を含有す
るとともに、微結晶構造を有する半導体とＡＳとが層状
に積層構造を有して設けられることを目的とし、特に光
電変換装置における光照射面側のＮ型の半導体層がその
領域での入射光の吸収性を少なくするため微結晶性を有
する半導体とし、さらにそれに隣接した真性半導体層を
微結晶性を有する半導体とし、入射光側でのキャリアの
ライフタイムを長くし、さらにこの微結晶性を有する半
導体上面に真性の階段状または連続的にＡＳまたはＡＳ
を混入させた半導体層を積層して内部電界を自発的に設
け、光一電気変換効率の向上を促して高効率の光電変換
装置を目的としたものである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本願発明は上記の目的を
達成するため真性または実質的に真性の半導体、Ｐ型半
導体またはＮ型半導体を有する再結合中心中和用の水
素、ハロゲン元素またはアルカリ金属元素が添加された
半導体層を以下のような構造とした。微結晶性を有する
半導体薄膜上にアモルフアス構造を有する半導体薄膜を
積層してなるＮまたはＰ型の第１の半導体層が設けら
れ、前記第１の半導体層上に、非単結晶半導体層が設け
られ、該非単結晶半導体層上に、前記第１の半導体層の
導電型とは異なる、ＮまたはＰ型の第２の半導体層が設
けられた半導体装置であって、前記非単結晶半導体層
は、アモルファス半導体薄膜上に微結晶半導体薄膜を積
層してなる半導体層であることとした。また微結晶性を
有する半導体薄膜上にアモルフアス構造を有する半導体
薄膜を積層してなるＮまたはＰ型の半導体層と、該半導
体層上に設けられた非単結晶半導体層とを有することと
した。 【０００５】 【実施例】図１は本発明を実施するのに必要なプラズマ
ＣＶＤ装置の概略図の概要を示す。すなわち基板(1) は
石英ホルダ−（ボ−ト）(2) に保持された反応炉(20)中
にガスの流れに平行でありかつ高周波エネルギ(4) に対
する電極(8) ，(18)の放電に対し垂直方向に設置させ
る。反応性気体は珪化物気体（SixH2x+2 X ≧１）を(1
2)より、またＰ型用不純物であるジボラン（B2H6) を(1
3)より、Ｎ型不純物であるフォスヒン(PH3) を(14)よ
り、キャリアガスであるヘリュ−ム（He) を(15)より供
給した。また広いエネルギバンド巾とする添加材例えば
ＴＭＳ（テトラメチルシラン（（CH3)4Si)) をバブラ−
をへてHe、H2にてバブルして供給する。またアンモニア
(NH3) 、炭化水素例えばCH4,C3H8であってもよい。これ
らを混合器(17)をへてマイクロ波（１〜10GHz 代表的に
は2.45GHz の電磁エネルギ(10)によりエキサイタ−(7)
にて反応性気体またはキャリアガスに一次電磁エネルギ
を加えてそれらの気体を活性化、分解して導入口(9) よ
り反応性容器(20)に導入した。この反応容器では直流〜
20MHz 例えば直流、500KHz、13.56MHzの周波数の電磁エ
ネルギを電極(8),(18)より加え、二次放電をさせるため
二次電磁エネルギを加えた。さらに被形成面を有する基
板(1) に抵抗加熱炉(5) により100 〜500 ℃代表的には
300 ℃に加熱し多量の基板処理ができるようにした。反
応生成物は加熱された基板上に二次エネルギにより被形
成面上に被膜がふみ固められる如くにして形成させた。
さらにキャリアガスおよび不純物が排気口(6) をへてバ
ルブ(11)、ロ−タリ−ポンプ(19)をへて外部に放出され
る。反応容器内の圧力は0.1 〜10torr, 代表的には0.3
〜 1torrとした。図２及び図３は本発明に使用される微
結晶性を有する半導体の種々の物性値をＡＳ半導体のそ
れと比較して微結晶性を有する半導体とＡＳ半導体の性
質の違いを明らかにしたものです。図２は不純物を添加
しない実質的に真性の半導体被膜を形成させたものであ
る。図面（Ａ）は波長５００ｎｍの光吸収係数、（Ｂ）
はキャリアの拡散長または光伝導度、（Ｃ）は活性化エ
ネルギを示したものである。図２（Ａ）に示される如
く、ＡＳの領域(36)と微結晶性を有する半導体の領域(3
7)とは光吸収係数が異なり微結晶性を有する半導体の方
が小さくなる傾向がある。図面（Ａ）は波長500nm にお
ける実験値を示す。さらに二次電磁エネルギ−に加えて
一次電磁エネルギを反応性気体が分解、反応をおこさな
い程度で反応性気体の活性化を行うと曲線(32)より(31)
に変化する。これは形成された被膜の成長速度が３〜５
倍となりまたその密度も向上することから高密度による
増大と推定される。 【０００６】図２（Ｂ）における(34)は13.56MHzの二次
電磁エネルギのみ、また曲線(33)はマイクロ波を加えた
場合を示す。いずれにおいても光伝導度が微結晶性を有
する半導体(37)になると１×10-3〜８×10-2( Ωcm)-1
の高い値を得、これは単結晶珪素の場合に極めて近いも
のであった。さらに活性化エネルギは逆に小さくなる。
みかけ上電子の拡散長がきわめて大きくなり、Ｎ型化傾
向がみられた。本発明の真性半導体（実質的に真性の半
導体を含む）領域において、被形成面の積層方向におい
てＡＳと微結晶性を有する半導体とを層状にこれらの基
礎的物性を利用して不連続または連続的に変化せしめよ
り高い変換効率の光電変換装置を得んとしたものであ
る。 【０００７】図３はＰまたはＮ型の導電型を有するＡＳ
または微結晶性を有する半導体に関するもので、特に0.
2 〜２％例えばB2H6／SiH4＝0.5 ％，PH3 ／SiH4＝１％
とした時の資料である。図３（Ａ）は二次電磁エネルギ
と光吸収係数の関係を、（Ｂ）は不純物と活性化エネル
ギを、（Ｃ）はエネルギバンド巾を示す。図３（Ａ）に
おいて曲線(41)は珪素のみの500nm における吸収係数を
示す。ここにおいてもＡＳ(36)に比べて微結晶性を有す
る半導体(37)にした方が吸収係数が約１／３〜１／30に
なり、窓効果を期待することができる。加えてこの珪素
に炭素をSiC 結合を作るべくＣ／Si＝0.2 〜0.4 添加し
たもので、かくするとそのエネルギバンド巾も1.6eV よ
り2.0eV に広げることができるため、500nm における吸
収率が減少し、曲線(46)を得ることができる。特に微結
晶性を有する半導体にすると二次電磁エネルギを60〜80
Ｗとし一次電磁エネルギを30〜100 Ｗとすると１〜３×
10-4cm-1と低い値を得ることができた。ＡＳと微結晶性
を有する半導体とは図３（Ｂ）の活性化エネルギからも
明らかにすることができる。曲線(42)は二次電磁エネル
ギのみ、また曲線(43)は一次電磁エネルギを30〜100 Ｗ
加えた場合を示している。図面より明らかな如く、被形
成面より離れた位置で水素の如き軽い元素に電磁エネル
ギを加えて、マイクロ波を用いると重い分子または会合
分子には運動エネルギを与えることなくより低い二次エ
ネルギにて微結晶性を有する半導体に近づけることがで
きることがわかる。 【０００８】本発明は二次エネルギを100 Ｗ以下、特に
60Ｗ（微結晶性を有する半導体）と20Ｗ（ＡＳ）として
これらの二つの中間構造を含みＰＩＮ型の光電変換装置
におけるＰまたはＮ型半導体層に異なる構造の半導体層
を積層しより高い効率を得ようとしたものである。図４
および図５は本発明の光電変換装置におけるたて断面図
およびそのエネルギバンド図を示している。図４は金属
基板例えばステンレス基板上にＰ型半導体層(53), Ｉ型
半導体層(51), Ｎ型半導体層(52), 透明導電膜になる対
抗電極(54)が設けられ、照射光(55)によりＩ型層(51)で
発生した電子・ホ−ル対をＰ型層(53), Ｎ型層(52)に内
部電界によりドリフトして光起電力を得ようとしたもの
である。図４（Ａ）に対応した一例のエネルギバンド図
を同（Ｂ）に番号を対応して示している。図面において
(56)はＡＳであり、また(60)は微結晶性を有する半導体
が電極(54)方向に向かって漸増させていったものであ
る。この微結晶性化度が大きいほどすなわちＩ層を積層
してゆくにつれて、図２（Ｃ）に示した如く電磁エネル
ギを増加させていくとフェルミレベルが伝導帯に近づ
き、結果として左下がりの内部電界を得ることができ
る。その結果ホ−ルを価電子帯にて基板方向にドリフト
させやすくなり、みかけ上の拡散長を長くでき、結果と
して電流を増加させることができる。加えてＮ層(52)と
この近傍を微結晶性を有する半導体とすることにより、
この領域での光吸収が少なくなり、拡散長の短いホ−ル
に対してその発生する場所をＮ層(52)のごく近傍ではな
く内部にすることができる。そのため結果としてホ−ル
の裏面電極までの実質的な拡散距離を短くすることがで
き、この面でも大電流をもたらすことができるようにな
った。さらに基板上にＰ層を形成するに際し、このＰ層
も微結晶性を有する半導体の領域(63), ＡＳの領域(64)
と２層に積層し、Ｐ−Ｉ接合界面での構造敏感性を打ち
けし、この面でのヘテロ接合面での伝導帯、価電子帯を
連続接合させることは重要であった。かかるＡＳ、微結
晶性を有する半導体を連続的に変化させる場合の微結晶
化度を図６（Ａ）にその一例を示している。図面におい
てＮ層(52)、Ｐ層(53)は微結晶性を有する半導体とし特
に窓効果をもたらしめる半導体層(52)はその広いエネル
ギバンド巾として吸収係数の減少に努めた。この構造に
おいて短絡電流20〜30mA／cm2 を得ることができ、変換
効率も12〜15％とすることができた。 【０００９】図５は透光性基板（５８）上に透明導電膜
（５４），Ｐ型半導体層（５３），Ｉ型半導体層（５
１），Ｎ型半導体層（５２），透明導電膜になる裏面電
極（５９）より構成している。図５の構造としては、光
照射面側にＮまたはＰ型の微結晶性を有する第１の半導
体層が設けられ、前記第１の半導体層上には、再結合中
心中和用の水素、ハロゲン元素またはアルカリ金属元素
が添加された真性または実質的に真性のアモルファス半
導体層と、該アモルファス半導体層上に形成された真性
または実質的に真性の微結晶性を有する複数の半導体層
であって、その結晶化度を各層ごとに階段的に増加させ
て積層させた層とで成る半導体層が設けられ、該半導体
層上に前記第１の半導体層とは逆導電型の第２の半導体
層が設けられた構造としてもよい。図５（Ａ）において
Ｉ型半導体層は層（６０），（６１），（６２），（５
６）が形成されその微結晶化度がそれぞれ０％，２５
％，５０％，７５％として設けてある。かかる結果にお
いてエネルギバンドは階段的に連続構造を有している
が、その変換効率において８〜１０％を、短絡電流２０
〜２５ｍＡ／ｃｍ２を得ることができた。すなわちこの
構造においては光照射面より内部に向かってＡＳより微
結晶性を有する半導体に変化しており、Ｐ層より離れた
位置において発生した電子・ホールの表面へのドリフト
を助長させることにより電流の増大をはかることができ
た。 【００１０】図６（Ｂ）は単純にＩ層を微結晶性を有す
る半導体とＡＳとに分けて作製したものである。この場
合も、図６（Ａ）には至らないが内部電界により従来よ
り知られていたＡＳのみのＩ型層のＰＩＮ接合を行った
場合に比べて電流を１３ｍＡ／ｃｍ２より１７ｍＡ／ｃ
ｍ２に増やすことができた。図６（Ｂ）の構造として
は、光照射面側にＮまたはＰ型の微結晶性を有する第１
の半導体層が設けられ、前記第１の半導体層上に、再結
合中心中和用の水素、ハロゲン元素またはアルカリ金属
元素が添加された真性または実質的に真性のアモルファ
ス半導体薄膜と、該アモルファス半導体薄膜上に形成さ
れた真性または実質的に真性の微結晶性を有する半導体
薄膜を積層してなる半導体層が設けられ、該半導体層上
に前記第１の半導体層とは異なる、ＮまたはＰ型の半導
体層が設けられた構造としてもよい。本発明においてこ
の微結晶性を有する半導体はＡＳに比べて単結晶半導体
に類似した構造敏感性を有するため、これらのＰＩＮ接
合構造を作製してしまった後、一次電磁エネルギを加え
て水素をイオン化し、プラズマ水素アニールをすること
はさらにこの光電変換装置としてのバラツキ再現性を確
実にするのに有効であった。このイオン化は二次電磁エ
ネルギにおいては基板上へのイオン化のため、スパッタ
効果を有し逆に特性を悪化させてしまった。このためイ
オン化率が１３．５６ＭＨｚに比べて１０３〜１０５倍
も大きい２．４５ＧＨｚのマイクロ波とし、かつ基板よ
り離れた位置でイオン化し基板中に拡散によって含浸さ
せ不対結合手と結合中和させることがきわめて大きな効
果を有していた。これと同様リチュームの如きアルカリ
金属を水に水酸化リチュームを溶解しこの半導体装置を
浸し１０１４〜１０１８の低濃度に３００℃以下の温度
で加熱拡散して再結合中心を中和させることは効果が大
きい。 【００１１】 【本発明の効果】以上の説明より明らかな如く、本発明
の半導体層はその同一導電型の半導体層内において、Ａ
Ｓと微結晶性を有する半導体とを積層してまたは連続的
にその比率を制御して形成せしめることが特徴である。
その結果従来より公知のその半導体層中に単結晶半導体
で知られる如く、不純物の濃度を制御してフエルミレベ
ルの位置を変化させひいては内部ドリフト電界を作るの
ではなく、本発明は半導体中にその結晶構造をＡＳと微
結晶性を有する半導体との間で制御することによりフエ
ルミレベルの位置を変化させ、ひいては不純物を添加す
ることなしに内部ドリフト電界を作るという大きな特徴
を有している。その結果真性半導体中での電子・ホール
のドリフトが促進され、光電変換装置においては特にＡ
Ｓを用いたＰＩＮ型構造に比べて電流を３０〜３００％
も大きくさせることができた。なお本発明は珪素または
珪素と炭素または窒素との化合物（混合物）を中心とし
て示した。しかしゲルマニュームであっても同様に適用
することができる。また本願発明では、微結晶性を有す
る半導体薄膜上にアモルフアス構造を有する半導体薄膜
を積層してなるＮまたはＰ型の第１の半導体層を設ける
ことによってその半導体層の上に設けられた非単結晶半
導体層との接合界面での構造敏感性を打ち消し、この界
面つまりヘテロ接合界面における伝導帯、価電子帯を連
続接合させることが可能となる。
半導体装置特に光照射により電子・ホ−ル対を発生する
光起電力効果を有する真性または人為的にＰまたはＮ型
の不純物を添加しないいわゆる実質的に真性の半導体層
（以下単にＩ層または単に真性半導体層という）および
Ｐ型またはＮ型半導体層に関する。 【０００２】 【従来の技術】５〜２０００Å代表的には５〜１００Å
の大きさの微結晶性を有する半導体に関しては本発明人
の出願になる特願昭55-026388,S55.3.3 出願（セミアモ
ルファス半導体）が知られている。さらにこの微結晶性
を有する半導体を利用してＰＩＮ接合型の光電変換装置
を設けた発明として、本発明人の出願になる特願昭56-0
08699,S56.1.22（光電変換装置）が知られている。さら
にこれら微結晶性を有する半導体およびアモルファス
（非晶質）半導体（以下ＡＳという）を用いかつそのエ
ネルギバンド構造を連続接合しＰまたはＮ型の半導体層
に対し窓構造を設けたものとして本発明人の出願になる
半導体装置（米国特許4.239.554 1880.12.6発行米国特
許4.254.429 1981.3.3発行）が知られている。本発明は
かかる本発明人の発明になる出願をさらに発展させたも
のである。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＡＳ半導体
と微結晶性を有する半導体とが種々の物性において異な
り、光の吸収係数、光伝導度、ＰまたはＮ型の不純物を
添加した時の活性化エネルギ−およびイオン化率にきわ
めて大きな違いがあることに基づきそれぞれの半導体を
有機的に結合させた半導体層を設けること、つまり本発
明はかかる半導体層に再結合中心中和用の水素、フッ素
または塩素の如きハロゲン元素またはリチュ−ム、ナト
リュ−ム、カリュ−ムの如きアルカリ金属元素を含有す
るとともに、微結晶構造を有する半導体とＡＳとが層状
に積層構造を有して設けられることを目的とし、特に光
電変換装置における光照射面側のＮ型の半導体層がその
領域での入射光の吸収性を少なくするため微結晶性を有
する半導体とし、さらにそれに隣接した真性半導体層を
微結晶性を有する半導体とし、入射光側でのキャリアの
ライフタイムを長くし、さらにこの微結晶性を有する半
導体上面に真性の階段状または連続的にＡＳまたはＡＳ
を混入させた半導体層を積層して内部電界を自発的に設
け、光一電気変換効率の向上を促して高効率の光電変換
装置を目的としたものである。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本願発明は上記の目的を
達成するため真性または実質的に真性の半導体、Ｐ型半
導体またはＮ型半導体を有する再結合中心中和用の水
素、ハロゲン元素またはアルカリ金属元素が添加された
半導体層を以下のような構造とした。微結晶性を有する
半導体薄膜上にアモルフアス構造を有する半導体薄膜を
積層してなるＮまたはＰ型の第１の半導体層が設けら
れ、前記第１の半導体層上に、非単結晶半導体層が設け
られ、該非単結晶半導体層上に、前記第１の半導体層の
導電型とは異なる、ＮまたはＰ型の第２の半導体層が設
けられた半導体装置であって、前記非単結晶半導体層
は、アモルファス半導体薄膜上に微結晶半導体薄膜を積
層してなる半導体層であることとした。また微結晶性を
有する半導体薄膜上にアモルフアス構造を有する半導体
薄膜を積層してなるＮまたはＰ型の半導体層と、該半導
体層上に設けられた非単結晶半導体層とを有することと
した。 【０００５】 【実施例】図１は本発明を実施するのに必要なプラズマ
ＣＶＤ装置の概略図の概要を示す。すなわち基板(1) は
石英ホルダ−（ボ−ト）(2) に保持された反応炉(20)中
にガスの流れに平行でありかつ高周波エネルギ(4) に対
する電極(8) ，(18)の放電に対し垂直方向に設置させ
る。反応性気体は珪化物気体（SixH2x+2 X ≧１）を(1
2)より、またＰ型用不純物であるジボラン（B2H6) を(1
3)より、Ｎ型不純物であるフォスヒン(PH3) を(14)よ
り、キャリアガスであるヘリュ−ム（He) を(15)より供
給した。また広いエネルギバンド巾とする添加材例えば
ＴＭＳ（テトラメチルシラン（（CH3)4Si)) をバブラ−
をへてHe、H2にてバブルして供給する。またアンモニア
(NH3) 、炭化水素例えばCH4,C3H8であってもよい。これ
らを混合器(17)をへてマイクロ波（１〜10GHz 代表的に
は2.45GHz の電磁エネルギ(10)によりエキサイタ−(7)
にて反応性気体またはキャリアガスに一次電磁エネルギ
を加えてそれらの気体を活性化、分解して導入口(9) よ
り反応性容器(20)に導入した。この反応容器では直流〜
20MHz 例えば直流、500KHz、13.56MHzの周波数の電磁エ
ネルギを電極(8),(18)より加え、二次放電をさせるため
二次電磁エネルギを加えた。さらに被形成面を有する基
板(1) に抵抗加熱炉(5) により100 〜500 ℃代表的には
300 ℃に加熱し多量の基板処理ができるようにした。反
応生成物は加熱された基板上に二次エネルギにより被形
成面上に被膜がふみ固められる如くにして形成させた。
さらにキャリアガスおよび不純物が排気口(6) をへてバ
ルブ(11)、ロ−タリ−ポンプ(19)をへて外部に放出され
る。反応容器内の圧力は0.1 〜10torr, 代表的には0.3
〜 1torrとした。図２及び図３は本発明に使用される微
結晶性を有する半導体の種々の物性値をＡＳ半導体のそ
れと比較して微結晶性を有する半導体とＡＳ半導体の性
質の違いを明らかにしたものです。図２は不純物を添加
しない実質的に真性の半導体被膜を形成させたものであ
る。図面（Ａ）は波長５００ｎｍの光吸収係数、（Ｂ）
はキャリアの拡散長または光伝導度、（Ｃ）は活性化エ
ネルギを示したものである。図２（Ａ）に示される如
く、ＡＳの領域(36)と微結晶性を有する半導体の領域(3
7)とは光吸収係数が異なり微結晶性を有する半導体の方
が小さくなる傾向がある。図面（Ａ）は波長500nm にお
ける実験値を示す。さらに二次電磁エネルギ−に加えて
一次電磁エネルギを反応性気体が分解、反応をおこさな
い程度で反応性気体の活性化を行うと曲線(32)より(31)
に変化する。これは形成された被膜の成長速度が３〜５
倍となりまたその密度も向上することから高密度による
増大と推定される。 【０００６】図２（Ｂ）における(34)は13.56MHzの二次
電磁エネルギのみ、また曲線(33)はマイクロ波を加えた
場合を示す。いずれにおいても光伝導度が微結晶性を有
する半導体(37)になると１×10-3〜８×10-2( Ωcm)-1
の高い値を得、これは単結晶珪素の場合に極めて近いも
のであった。さらに活性化エネルギは逆に小さくなる。
みかけ上電子の拡散長がきわめて大きくなり、Ｎ型化傾
向がみられた。本発明の真性半導体（実質的に真性の半
導体を含む）領域において、被形成面の積層方向におい
てＡＳと微結晶性を有する半導体とを層状にこれらの基
礎的物性を利用して不連続または連続的に変化せしめよ
り高い変換効率の光電変換装置を得んとしたものであ
る。 【０００７】図３はＰまたはＮ型の導電型を有するＡＳ
または微結晶性を有する半導体に関するもので、特に0.
2 〜２％例えばB2H6／SiH4＝0.5 ％，PH3 ／SiH4＝１％
とした時の資料である。図３（Ａ）は二次電磁エネルギ
と光吸収係数の関係を、（Ｂ）は不純物と活性化エネル
ギを、（Ｃ）はエネルギバンド巾を示す。図３（Ａ）に
おいて曲線(41)は珪素のみの500nm における吸収係数を
示す。ここにおいてもＡＳ(36)に比べて微結晶性を有す
る半導体(37)にした方が吸収係数が約１／３〜１／30に
なり、窓効果を期待することができる。加えてこの珪素
に炭素をSiC 結合を作るべくＣ／Si＝0.2 〜0.4 添加し
たもので、かくするとそのエネルギバンド巾も1.6eV よ
り2.0eV に広げることができるため、500nm における吸
収率が減少し、曲線(46)を得ることができる。特に微結
晶性を有する半導体にすると二次電磁エネルギを60〜80
Ｗとし一次電磁エネルギを30〜100 Ｗとすると１〜３×
10-4cm-1と低い値を得ることができた。ＡＳと微結晶性
を有する半導体とは図３（Ｂ）の活性化エネルギからも
明らかにすることができる。曲線(42)は二次電磁エネル
ギのみ、また曲線(43)は一次電磁エネルギを30〜100 Ｗ
加えた場合を示している。図面より明らかな如く、被形
成面より離れた位置で水素の如き軽い元素に電磁エネル
ギを加えて、マイクロ波を用いると重い分子または会合
分子には運動エネルギを与えることなくより低い二次エ
ネルギにて微結晶性を有する半導体に近づけることがで
きることがわかる。 【０００８】本発明は二次エネルギを100 Ｗ以下、特に
60Ｗ（微結晶性を有する半導体）と20Ｗ（ＡＳ）として
これらの二つの中間構造を含みＰＩＮ型の光電変換装置
におけるＰまたはＮ型半導体層に異なる構造の半導体層
を積層しより高い効率を得ようとしたものである。図４
および図５は本発明の光電変換装置におけるたて断面図
およびそのエネルギバンド図を示している。図４は金属
基板例えばステンレス基板上にＰ型半導体層(53), Ｉ型
半導体層(51), Ｎ型半導体層(52), 透明導電膜になる対
抗電極(54)が設けられ、照射光(55)によりＩ型層(51)で
発生した電子・ホ−ル対をＰ型層(53), Ｎ型層(52)に内
部電界によりドリフトして光起電力を得ようとしたもの
である。図４（Ａ）に対応した一例のエネルギバンド図
を同（Ｂ）に番号を対応して示している。図面において
(56)はＡＳであり、また(60)は微結晶性を有する半導体
が電極(54)方向に向かって漸増させていったものであ
る。この微結晶性化度が大きいほどすなわちＩ層を積層
してゆくにつれて、図２（Ｃ）に示した如く電磁エネル
ギを増加させていくとフェルミレベルが伝導帯に近づ
き、結果として左下がりの内部電界を得ることができ
る。その結果ホ−ルを価電子帯にて基板方向にドリフト
させやすくなり、みかけ上の拡散長を長くでき、結果と
して電流を増加させることができる。加えてＮ層(52)と
この近傍を微結晶性を有する半導体とすることにより、
この領域での光吸収が少なくなり、拡散長の短いホ−ル
に対してその発生する場所をＮ層(52)のごく近傍ではな
く内部にすることができる。そのため結果としてホ−ル
の裏面電極までの実質的な拡散距離を短くすることがで
き、この面でも大電流をもたらすことができるようにな
った。さらに基板上にＰ層を形成するに際し、このＰ層
も微結晶性を有する半導体の領域(63), ＡＳの領域(64)
と２層に積層し、Ｐ−Ｉ接合界面での構造敏感性を打ち
けし、この面でのヘテロ接合面での伝導帯、価電子帯を
連続接合させることは重要であった。かかるＡＳ、微結
晶性を有する半導体を連続的に変化させる場合の微結晶
化度を図６（Ａ）にその一例を示している。図面におい
てＮ層(52)、Ｐ層(53)は微結晶性を有する半導体とし特
に窓効果をもたらしめる半導体層(52)はその広いエネル
ギバンド巾として吸収係数の減少に努めた。この構造に
おいて短絡電流20〜30mA／cm2 を得ることができ、変換
効率も12〜15％とすることができた。 【０００９】図５は透光性基板（５８）上に透明導電膜
（５４），Ｐ型半導体層（５３），Ｉ型半導体層（５
１），Ｎ型半導体層（５２），透明導電膜になる裏面電
極（５９）より構成している。図５の構造としては、光
照射面側にＮまたはＰ型の微結晶性を有する第１の半導
体層が設けられ、前記第１の半導体層上には、再結合中
心中和用の水素、ハロゲン元素またはアルカリ金属元素
が添加された真性または実質的に真性のアモルファス半
導体層と、該アモルファス半導体層上に形成された真性
または実質的に真性の微結晶性を有する複数の半導体層
であって、その結晶化度を各層ごとに階段的に増加させ
て積層させた層とで成る半導体層が設けられ、該半導体
層上に前記第１の半導体層とは逆導電型の第２の半導体
層が設けられた構造としてもよい。図５（Ａ）において
Ｉ型半導体層は層（６０），（６１），（６２），（５
６）が形成されその微結晶化度がそれぞれ０％，２５
％，５０％，７５％として設けてある。かかる結果にお
いてエネルギバンドは階段的に連続構造を有している
が、その変換効率において８〜１０％を、短絡電流２０
〜２５ｍＡ／ｃｍ２を得ることができた。すなわちこの
構造においては光照射面より内部に向かってＡＳより微
結晶性を有する半導体に変化しており、Ｐ層より離れた
位置において発生した電子・ホールの表面へのドリフト
を助長させることにより電流の増大をはかることができ
た。 【００１０】図６（Ｂ）は単純にＩ層を微結晶性を有す
る半導体とＡＳとに分けて作製したものである。この場
合も、図６（Ａ）には至らないが内部電界により従来よ
り知られていたＡＳのみのＩ型層のＰＩＮ接合を行った
場合に比べて電流を１３ｍＡ／ｃｍ２より１７ｍＡ／ｃ
ｍ２に増やすことができた。図６（Ｂ）の構造として
は、光照射面側にＮまたはＰ型の微結晶性を有する第１
の半導体層が設けられ、前記第１の半導体層上に、再結
合中心中和用の水素、ハロゲン元素またはアルカリ金属
元素が添加された真性または実質的に真性のアモルファ
ス半導体薄膜と、該アモルファス半導体薄膜上に形成さ
れた真性または実質的に真性の微結晶性を有する半導体
薄膜を積層してなる半導体層が設けられ、該半導体層上
に前記第１の半導体層とは異なる、ＮまたはＰ型の半導
体層が設けられた構造としてもよい。本発明においてこ
の微結晶性を有する半導体はＡＳに比べて単結晶半導体
に類似した構造敏感性を有するため、これらのＰＩＮ接
合構造を作製してしまった後、一次電磁エネルギを加え
て水素をイオン化し、プラズマ水素アニールをすること
はさらにこの光電変換装置としてのバラツキ再現性を確
実にするのに有効であった。このイオン化は二次電磁エ
ネルギにおいては基板上へのイオン化のため、スパッタ
効果を有し逆に特性を悪化させてしまった。このためイ
オン化率が１３．５６ＭＨｚに比べて１０３〜１０５倍
も大きい２．４５ＧＨｚのマイクロ波とし、かつ基板よ
り離れた位置でイオン化し基板中に拡散によって含浸さ
せ不対結合手と結合中和させることがきわめて大きな効
果を有していた。これと同様リチュームの如きアルカリ
金属を水に水酸化リチュームを溶解しこの半導体装置を
浸し１０１４〜１０１８の低濃度に３００℃以下の温度
で加熱拡散して再結合中心を中和させることは効果が大
きい。 【００１１】 【本発明の効果】以上の説明より明らかな如く、本発明
の半導体層はその同一導電型の半導体層内において、Ａ
Ｓと微結晶性を有する半導体とを積層してまたは連続的
にその比率を制御して形成せしめることが特徴である。
その結果従来より公知のその半導体層中に単結晶半導体
で知られる如く、不純物の濃度を制御してフエルミレベ
ルの位置を変化させひいては内部ドリフト電界を作るの
ではなく、本発明は半導体中にその結晶構造をＡＳと微
結晶性を有する半導体との間で制御することによりフエ
ルミレベルの位置を変化させ、ひいては不純物を添加す
ることなしに内部ドリフト電界を作るという大きな特徴
を有している。その結果真性半導体中での電子・ホール
のドリフトが促進され、光電変換装置においては特にＡ
Ｓを用いたＰＩＮ型構造に比べて電流を３０〜３００％
も大きくさせることができた。なお本発明は珪素または
珪素と炭素または窒素との化合物（混合物）を中心とし
て示した。しかしゲルマニュームであっても同様に適用
することができる。また本願発明では、微結晶性を有す
る半導体薄膜上にアモルフアス構造を有する半導体薄膜
を積層してなるＮまたはＰ型の第１の半導体層を設ける
ことによってその半導体層の上に設けられた非単結晶半
導体層との接合界面での構造敏感性を打ち消し、この界
面つまりヘテロ接合界面における伝導帯、価電子帯を連
続接合させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体装置を作るための製造装置で
ある。 【図２】 真性半導体の電気・物理的特性を示す。 【図３】 ＰまたはＮ型半導体の物理・電気特性を示
す。 【図４】 本発明の半導体装置のたて断面図およびそれ
に対応したエネルギバンド図である。 【図５】 本発明の半導体装置のたて断面図およびそれ
に対応したエネルギバンド図である。 【図６】 アモルファス半導体および微結晶性を有する
半導体の場所における混合の積層を示す３つの実施例で
ある。
ある。 【図２】 真性半導体の電気・物理的特性を示す。 【図３】 ＰまたはＮ型半導体の物理・電気特性を示
す。 【図４】 本発明の半導体装置のたて断面図およびそれ
に対応したエネルギバンド図である。 【図５】 本発明の半導体装置のたて断面図およびそれ
に対応したエネルギバンド図である。 【図６】 アモルファス半導体および微結晶性を有する
半導体の場所における混合の積層を示す３つの実施例で
ある。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．微結晶性を有する半導体薄膜上にアモルフアス構造
を有する半導体薄膜を積層してなるＮまたはＰ型の第１
の半導体層が設けられ、 前記第１の半導体層上に、非単結晶半導体層が設けら
れ、 該非単結晶半導体層上に、前記第１の半導体層の導電型
とは異なる、ＮまたはＰ型の第２の半導体層が設けられ
た半導体装置であって、 前記非単結晶半導体層は、アモルファス半導体薄膜上に
微結晶半導体薄膜を積層してなる半導体層であることを
特徴とする半導体装置。 ２．微結晶性を有する半導体薄膜上にアモルフアス構造
を有する半導体薄膜を積層してなるＮまたはＰ型の半導
体層と、 該半導体層上に設けられた非単結晶半導体層と、 を有することを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4193008A JP2700282B2 (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4193008A JP2700282B2 (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 半導体装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56123660A Division JPS5825282A (ja) | 1981-08-07 | 1981-08-07 | 光電変換装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05275726A JPH05275726A (ja) | 1993-10-22 |
| JP2700282B2 true JP2700282B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=16300667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4193008A Expired - Lifetime JP2700282B2 (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2700282B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5473187B2 (ja) | 2006-09-04 | 2014-04-16 | 三菱重工業株式会社 | 製膜条件設定方法、光電変換装置の製造方法及び検査方法 |
| JP5131249B2 (ja) * | 2008-06-25 | 2013-01-30 | 富士電機株式会社 | 薄膜太陽電池 |
| JP5515613B2 (ja) * | 2009-10-22 | 2014-06-11 | 株式会社豊田中央研究所 | 半導体光応答体 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0359587A (ja) * | 1989-07-28 | 1991-03-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 個人向シミュレーション装置 |
-
1992
- 1992-06-26 JP JP4193008A patent/JP2700282B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05275726A (ja) | 1993-10-22 |
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