JP4422132B2 - フォトトランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、ほぼ球状の半導体結晶を備えた受光機能のあるフォトトランジスタに関するものである。

従来、ｐ形又はｎ形の半導体からなる小径の球状の半導体素子の表面部に拡散層を介してｐｎ接合を形成し、それら多数の球状の半導体素子を共通の電極に並列接続して、太陽電池や半導体光触媒に活用する技術が研究されている。
米国特許第３，９９８，６５９号公報には、ｎ形の球状半導体の表面にｐ形拡散層を形成し、多数の球状半導体の拡散層を共通の膜状の電極（正極）に接続するとともに多数の球状半導体のｎ形コア部を共通の膜状の電極（負極）に接続して太陽電池を構成する例が開示されている。

米国特許第４，０２１，３２３号公報には、ｐ形の球状半導体素子とｎ形の球状半導体素子を直列状に配置して、それら半導体を共通の膜状の電極に接続するとともに、それら半導体素子の拡散層を共通の電解液に接触させて、太陽光を照射して電解液の電気分解を起こさせる太陽エネルギーコンバータ（半導体モジュール）が開示されている。
米国特許第４，５８２，５８８号公報や米国特許第５，４６９，０２０号公報に示す球状セルを用いたモジュールにおいても、各球状セルはシート状の共通の電極に接続することより取付けられているため、複数の球状セルを並列接続するのに適するが、複数の球状セルを直列接続するのには適していない。

一方、本発明の発明者は、ＷＯ９８／１５９８３やＷＯ９９／１０９３５号国際公開公報に示すように、ｐ形半導体やｎ形半導体からなる球状の半導体素子に拡散層、ｐｎ接合、１対の電極を形成した粒状の発光又は受光用の半導体デバイスを提案し、その多数の半導体デバイスを直列接続したり、その複数の直列接続体を並列接続して、太陽電池、水の電気分解等に供する光触媒装置、種々の発光デバイス、カラーディスプレイなどに適用可能な半導体モジュールを提案した。

この半導体モジュールにおいて、何れかの直列接続体の何れかの半導体デバイスが故障によりオープン状態になると、その半導体素子を含む直列回路には電流が流れなくなり、その直列接続体における残りの正常な半導体デバイスも機能停止状態となり、半導体モジュールの出力の低下が発生する。

米国特許第３，９９８，６５９号公報 米国特許第４，０２１，３２３号公報 米国特許第４，５８２，５８８号公報 米国特許第５，４６９，０２０号公報 国際公開第９８／１５９８３号公報 国際公開第９９／１０９３５号公報

前記公報に本願発明者が提案した正負の電極を形成した球状の半導体デバイスでは、転がりやすいため取扱いが面倒で、正負の電極を形成する位置を決定したり、組み立ての際に正負の電極を識別するのも容易ではない。そこで、本願の発明者は、球状の半導体素子に１対の平坦面を形成してそれら平坦面に電極を形成する技術について研究したが、電極形成の為の工程数が多くなるだけでなく、依然として正負の電極を識別することが容易でなく、多数の球状の半導体デバイスを用いて半導体モジュールを量産するのにあまり有利ではないことが判明した。

本発明の目的は、１つの平坦面を有し転がりにくく取扱易いほぼ球状のフォトトランジスタを提供することである。本発明の別の目的は、前記平坦面に一方の電極を形成する共に 中心を挟んでこの電極の反対側頂部に他方の電極を形成して正負の電極を識別し易くしたフォトトランジスタを提供することである。

請求項１のフォトトランジスタは、ｐ形又はｎ形の第１導電形の半導体からなる略球状の半導体結晶の一部を除去して平坦面を形成した半導体結晶と、前記半導体結晶の平坦面とこの平坦面の外周近傍部を除く表層部に前記第１導電形と異なる第２導電形の半導体で形成され且つ前記平坦面の形成後に平坦面から離隔した状態に形成される略球面状の第１半導体層と、前記第１半導体層の表層部に第１導電形の半導体で形成される略球面状の第２半導体層と、前記第２半導体層の表面に形成された反射防止膜と、前記半導体結晶の平坦面に設けられて半導体結晶に接続された第１電極と、前記半導体結晶の中心を挟んで第１電極と対向するように前記平坦面と反対側の頂部に設けられ且つ前記第２半導体層に接続された第２電極とを備えたことを特徴とするものである。

このフォトトランジスタにおいては、半導体結晶に１つの平坦面を形成したので、フォトトランジスタの製作過程において、平坦面を基準面として活用することができ、半導体結晶やフォトトランジスタが転がりにくくなり、取り扱いが容易になり、第１，第２電極を識別可能になる。しかも、平坦面とその反対側の頂部とに夫々第１，第２電極を形成するため、第２電極は半導体結晶と第１半導体層の接合面や第１，第２半導体層の接合面の中心に対応する位置に接続されるので、両電極を結ぶ方向を除き、全ての方向から入射する光に対しても一様な光感度を有する。

請求項２のフォトトランジスタは、請求項１の発明において、前記第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形であり、ｎｐｎフォトトランジスタに構成されたものである。
請求項３のフォトトランジスタは、請求項１の発明において、前記第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形であり、ｐｎｐフォトトランジスタに構成されたものである。

本発明においては、ほぼ球状の半導体結晶に１つの平坦面を形成し、その平坦面と、半導体結晶の中心を挟んでその平坦面と反対側の頂部とに夫々第１，第２電極を形成したので、製作過程において平坦面を基準面として活用でき、半導体結晶やフォトトランジスタが転がりにくくなり、真空ピンセットで吸着する際には平坦面を吸着可能となり、１又は複数のフォトトランジスタを整列させ易くなり、取り扱い易くなった。しかも、第１，第２電極を目視にて容易に判別可能になった。

しかも、前記の平坦面とこの平坦面に対して反対側の頂部とに夫々第１，第２電極を形成し、第２電極は半導体結晶と第１半導体層の接合面や第１，第２半導体層の接合面の中心に対応する位置に接続されるので、両電極を結ぶ方向を除き、全ての方向から入射する光に対しても一様な光感度を有する。

本発明は、ほぼ球状の半導体結晶に平坦面を形成した半導体結晶おける平坦面とその外周近傍部以外の表層部に２層の略球面状の半導体層を形成し、平坦面とその反対側頂部に第１，第２電極を形成してなる、ｎｐｎ型フォトトランジスタ又はｐｎｐ型フォトトランジスタである。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図４は、ほぼ球面状の受光面を持つｎｐｎフォトトランジスタ９０の断面図であり、このｎｐｎフォトトランジスタ９０の構造について、図１〜図４に基づいて説明する。

図１に示す拡散マスク付き半導体結晶９１は、例えば直径約１.５〜２.０ｍｍの球状のｎ形シリコン単結晶９２（抵抗率１〜１０Ωｃｍ）の１つの頂部に平坦面９３( 例えば、直径０．７〜０．９ｍｍ）を形成し、平坦面９３とその外周近傍部にボロンを拡散する際の拡散マスク用薄膜９４（シリコン酸化膜）を形成したものである。

上記のｎ形シリコン単結晶９２は、ｎ形シリコン半導体の融液を落下チューブ内を落下中に凝固させることで製作することができ、そのシリコン単結晶９２の全表面に薄いシリコン酸化膜を形成してから、平坦面９３とその外周近傍部のシリコン酸化膜だけを残すようにエッチング処理することで、拡散マスク付き半導体結晶９１を製作することができる。尚、ｎ形シリコン単結晶９２におけるｎ形が「第１導電形」に相当し、シリコン単結晶９２が「半導体結晶」に相当する。

次に、ｎ形シリコン単結晶９２の表層部のうち前記拡散マスク用薄膜９４でマスクされていない部分に、公知の熱拡散技法を用いてｐ形不純物であるボロンを（例えば、深さ０.３〜０.５μｍ）拡散してｐ形ベース層９５を形成する。こうして、ｎ形シリコン単結晶９２からなるｎ形コレクタ９２ａとの間にほぼ球面状のコレクタ接合９６を形成する。
尚、ｐ形ベース層９５におけるｐ形が「第２導電形」に相当し、ベース層９５が「第１半導体層」に相当する。

ボロンを拡散した際に生成した薄いシリコン酸化膜９７はそれ以外の拡散マスク用薄膜９４と共に公知のエッチング技法により一旦除去する。その後、図３に示すように、改めて全表面にシリコン酸化膜９８，９８ａを設ける。このシリコン酸化膜９８は、次にｐ形ベース層９５の表面上にりんを拡散するためのマスクとして利用するため、平坦面９３とその外周近傍部の所のシリコン酸化膜９８ａを残して公知のフォトエッチング技法により除去する。尚、この平坦面９３はマスクするべき部分の位置決めに利用できる。

次に、公知の熱拡散技法によりｎ形不純物であるりんを（例えば、深さ０.１〜０.２μｍ）拡散しｐ形ベース層９５の領域内にほぼ球面状のｎ形エミッタ層９９を設ける。これにより、図３に示すように、p 形ベース層９５との間にコレクタ接合９６と一定間隔（０.１〜０.４μｍ程度）を保つエミッタ接合１００が形成される。りんを拡散した際に生成した薄いシリコン酸化膜を反射防止膜１０１として利用する。尚、ｎ形エミッタ層９９が「第１導電形の第２半導体層」に相当する。

次に、平坦面９３のシリコン酸化膜９８ａの表面に、焼成するとコレクタ電極１０２になる銀ペースト（直径０.５ｍｍ、厚さ０.２ｍｍ）を塗布すると共に、シリコン単結晶９２の中心を挟んで銀ペーストに対向する位置で反射防止膜１０１の表面に、焼成するとエミッタ電極１０３となるアルミニウムペースト（直径０.５ｍｍ、厚さ０.２ｍｍ）を塗布したものを、電気炉内の窒素雰囲気中に収容し、約８００〜８５０℃の温度で約３０分間加熱焼成する。

こうして、図４に示すように、シリコン単結晶９２に電気的に接続されたコレクタ電極１０２と、ｎ形エミッタ層９９に電気的に接続されたエミッタ電極１０３が形成される。この電極１０２，１０３は、リードフレームなどの外部導電部材との接続に供するものである。尚、コレクタ電極１０２が「第１電極」に相当し、エミッタ電極１０３が「第２電極」に相当する。

このほぼ球状のｎｐｎフォトトランジスタ９０は、球面の大部分が受光面となり、コレクタ接合が逆バイアスされた状態下で外部から来た光がコレクタ接合９６の近傍で吸収されると光電流が発生し、エミッタ電極１０３とコレクタ電極１０２間には増幅された外部電流が流れる。このフォトトランジスタ９０は、光スイッチなどに利用でき、受光感度が高く光の指向性が広いという特徴がある。

シリコン単結晶９２に１つの平坦面９３を形成し、フォトトランジスタ９０におけるその平坦面９３と反対側の頂部とに夫々電極１０２，１０３を形成したので、製作過程において平坦面９３を基準面として活用でき、シリコン単結晶９２やフォトトランジスタ９０が転がりにくくなり、真空ピンセットで吸着する際には平坦面９３を吸着可能となり、１又は複数のフォトトランジスタ９０を整列させ易くなり、取り扱い易くなった。しかも、正負の電極１０３，１０２を目視にて容易に判別可能になった。

しかも、前記の平坦面９３とこの平坦面９３に対して反対側の頂部とに夫々電極１０２，１０３を形成し、一方の電極はコレクタ接合９６とエミッタ接合１００の中心に対応する位置に接続されるので、両電極１０２，１０３を結ぶ方向を除き、全ての方向から入射する光に対しても、一様な光感度を有する。

次に、前記実施形態を部分的に変更する種々の変更例について説明する。
１］前記半導体結晶を構成する半導体としては、シリコン多結晶も適用可能であり、シリコンの代わりに、他の半導体、例えば、ＳｉとＧｅの混晶半導体、あるいは多層構造の半導体を適用したり、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＣｕＳｅ、ＳｉＣなどの何れかの化合物半導体を適用してもよいし、また、その他の半導体を適用してもよい。

２］半導体結晶を形成する半導体結晶の直径は１.５〜２.０ｍｍに限定される訳ではなく、０.５〜３.０ｍｍ程度の大きさに構成する場合もある。
３］前記実施例では、ｎ形シリコン単結晶９２からなる半導体結晶を採用した場合を例として説明したが、ｐ形シリコン単結晶などからなる半導体結晶を採用し、その平坦面とその外周近傍部を除く表層部にほぼ球面状のｎ形半導体層を形成し、このｎ形半導体層の表層部にｐ形半導体層を形成し、前記同様の１対の電極を設けることで、ｐｎｐ形のフォトトランジスタも構成することができる。

４］化学的気相成長法（ＣＶＤ）など他の半導体薄膜生成法を用いて前記コレクタ層、エミッタ層を形成することも可能である。
５］電極１０２，１０３の何れか一方又は両方は、金、銀、銅、アルミニウム、アンチモン、アンチモンと金の合金、ガリウム、ガリウムと銀の合金、ガリウムと金の合金、などの何れかの電極材料や、それらのペーストを用いて形成することができる。
６］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記の実施形態にその他の種々の変更を付加した形態で実施可能である。

本発明の実施例に係る拡散マスク付き半導体結晶の断面図である。 図１のものにｐ形ベース層を形成した素子の断面図である。 図２のものにｎ形エミッタ層を形成した素子の断面図である。 ｎｐｎフォトトランジスタの断面図である。

９０ ｎｐｎフォトトランジスタ
９１ 拡散マスク付き半導体結晶
９２ ｎ形シリコン単結晶
９３ 平坦面
９５ ｐ形ベース層
９９ ｎ形エミッタ層
１０２ 第１電極
１０３ 第２電極

Claims (3)

1. ｐ形又はｎ形の第１導電形の半導体からなる略球状の半導体結晶の一部を除去して平坦面を形成した半導体結晶と、
   前記半導体結晶の平坦面とこの平坦面の外周近傍部を除く表層部に前記第１導電形と異なる第２導電形の半導体で形成され且つ前記平坦面の形成後に平坦面から離隔した状態に形成される略球面状の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の表層部に第１導電形の半導体で形成された略球面状の第２半導体層と、
   前記第２半導体層の表面に形成された反射防止膜と、
   前記半導体結晶の平坦面に設けられて半導体結晶に接続された第１電極と、
   前記半導体結晶の中心を挟んで第１電極と対向するように前記平坦面と反対側の頂部に設けられ且つ前記第２半導体層に接続された第２電極と、
   を備えたことを特徴とするフォトトランジスタ。
2. 前記第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形であり、ｎｐｎフォトトランジスタに構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフォトトランジスタ。
3. 前記第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形であり、ｐｎｐフォトトランジスタに構成されたことを特徴とする請求項１に記載のフォトトランジスタ。

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