JPH02202070A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業の利用分野〕 本発明はフォトダイオード型光電変換装置でおける開放
電圧の温度補償に関するものである。

〔発明の背景〕

本出願人は、先に、入射光量の変化に対して開放電圧の
変化する出力が、広い照度範囲で直線性を有し、且つ温
度係数が小さ（、安価な光電変換装置として第５図に示
す光電変換装置を提案した（特願昭６３−２５１３６５
号）。

５１は透明基板、５２は透明導電膜、５３ａ、５３ｂは
Ｐ−ＩＮ接合した非晶質半導体層、５４ａ、５４ｂは金
属電極、５５は遮光体、５６はバイパス抵抗成分（以下
、抵抗と記す）、５７はバイパス電圧電源である。

透明基板５１上に、透明導電膜５２、Ｐ−ＩＮ接合した
非晶質半導体層５３ａ、５３ｂ及び金属電極５４ａ、５
４ｂからなる積層体ａ、　　ｂが形成される。そして、
前記２つの積層体ａ、　　ｂが透明導電膜５２を介して
接合方向が互いに逆方向に接続されて形成されるととも
に、一方の積層体ａには、周囲の光の入射を遮断する遮
光体５５が形成される。　そして、前記透明導電膜５２
と遮光体５５を有する積層体ａの金属電極５４ａとの間
に抵抗成分５６を介在してバイパス電圧が印加されるよ
うバイパス電圧電源５７に接続している。

第６図はその等価的な電気回路図である。

電気回路図において、遮光体５５を有する積層体ａと抵
抗成分５６とバイパス電圧電源５７の印加電圧ｖｂの閉
回路（図では左側）を考えると、この閉回路に流れる電
流をｉとすると、Ｖｂ＝ｉ−Ｒ＋（ｎＫＴ／ｑ）　　　
（Ｉｎ（ｉ／Ｉ。

＋１））　　　　　　■　となる。

ここで、ｎ：積層体の非晶質半導体層によって決まる固
有係数（ダイオード値） Ｒ：抵抗成分６の抵抗値 に：ボルツマン定数 Ｔ：絶対温度 ｑ：電子の電荷 １、ｓ：積層体の飽和電流　である。

そして、点Ｘにおける電圧を■、とすると、ｖＸ−１−
Ｒであり、■式より、 ｖＸ＝ｉ−Ｒ＝ｖｔ＋　　　（ｎＫＴ／ｑ）（Ｉｎ（ｉ
／１．＋１））　　　　　　　　■となる。

また、Ｖ　ｏ　ｕ　ｔはｖＸと積層体すの開放電圧ｖＯ
Ｃとの和となる。

また、積層体すの開放電圧Ｖｏｃは、Ｖｏｃ＝　（ｎＫ
Ｔ／ｑ）　　・　（１ｎ　（Ｌ　／Ｉ、＋１））−■で
表される。ここで、Ｉｐ　：積層体すの光電流である。

即ち、出力電圧Ｖ。□は、０式及び■式から、Ｖｏｕｔ
　＝Ｖｂ　　ｎＫＴ／　ｑ−Ｉ　ｎ　（ｉ／　１５　＋
１　）　＋ｎ　Ｋ　Ｔ／　ｑ・Ｉ　ｎ　（Ｉ　ｐ　Ｚ　
Ｉ　ｓ　＋１　）■となる。

■式において、■よは温度変化に対して指数的に変化す
るため、開放電圧Ｖｏｃは温度に対して逆比例し、その
温度係数は−２，７ｍＷ／　”Ｃ程度の値を示す。ここ
で０式において、第２項、第３項にはそれぞれｉ　／　
１．、Ｌ、／１．という成分が有り、温度変化に対して
Ｉ８が指数関数的に変化するものの、第２項、第３項の
符号が互いに逆であるため、開放電圧Ｖｏｃ単独に比べ
、■５の変化分が幾分相殺されることになり、出力電圧
ｖｏｕＬの温度係数は小さくなる。

しかし、積層体の鼻品質半導体層によって決まるダイオ
ード値ｎが、同一工程で作成しても、実際には、積層体
ａの非晶質半導体層５３ａのダイオード値ｎ、と積層体
すの非晶質半導体Ｊ！５３ｂのダイオード値ｎｈとに若
干の差が生じる。このため、積層体ａと積層体す間で諸
性性がばらついてしまう。ダイオード値ｎ、、ｎｂのば
らつきの原因は、積層体ａに設けた遮光体５５の成分、
主に金属が非晶質半導体層５３ａ中に拡散してしまうた
めである。−例として、受光部の積層体すのダイオード
値ｎｂは１．５であるが、遮光体５５を有する積層体ａ
のダイオード値ｎ１は、１．０〜１゜５の間でばらつい
てしまう。

また、式■において、第２項の電流ｉは、固定的な抵抗
Ｒと遮光体５５を有する積層体ａにかかる電圧によって
決まり、入射光量の変化に対して一定である。また、第
３項の電流ｉｐは光入射によって発生する積層体すの光
電流であり、入射光量の変化に応じてｒ＝１で変化する
。ここでＴとは、Ｘ　Ｌｕｘでの光電流ＩＸ、ＹＬｕｘ
での光電流Ｉアとするとき、ｌｏｇ　（ｌｘ　／　　Ｉ
ｙ　）　／ｌｏｇ　（Ｘ／Ｙ）で表される。

実際には、ｉ／ＩｓとＩｐ／Ｉｓとの比率が入射光量に
よって変化するために光電変換装置の温度係数も全体と
して若干変動することになる。例えば、抵抗成分５６の
抵抗値Ｒ＝１５ＭΩ、バイパス電圧Ｖｂ　＝＝ｔ−ｏ　
ｖ、積層体ａｓｂの有効面積（透明導電膜及び金属電極
に挟まれた非晶質半導体層の面積）−１ｃｍ２の場合、
０−ＩＬｕｘでの温度係数は−（Ｌ６４ｍＶ／’Ｃで、
１ｏ５Ｌｕｘでの温度係数は＋１゜１４ｍν／℃であっ
た。この間は、温度係数は単調増加していく。即ち、上
述の光電変換装置は温度の変化による出力の変動を極小
化できるものの、温度係数の照度依存性が大きく、実用
上改善を要するものであった。

〔本発明の目的〕

本発明は、上述の背景に鑑み案出されたものであり、そ
の目的は、入射光量の変化における温度係数の変化を抑
え、精度の向上した光電変換装置を提供することにある
。

〔目的を達成するための技術的な手段〕上述の目的を達
成するために本発明によれば、透明導電膜を被着した透
明基板上に、Ｐ−ＩＮ接合した非晶質半導体層と金属電
極とを重畳して成る２つの積層体を形成し、該透明導電
膜をして、接合方向を互いに逆向きに接続し、一方の積
層体に遮光体を形成するとともに、前記透明導電膜と一
方の積層体の金属電極間に、一定バイパス電圧を印加す
る電源及びバイパス抵抗成分をけた光電変換装置におい
て、前記バイパス抵抗成分を、一方の積層体と他の積層
体に挟まれた非晶質半導体層で形成する光電変換装置が
提供される。

〔実施例〕

以下、本発明の光電変換装置を図面に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本発明に係る光電変換装置の構造を示す断面構
造図であり、第２図は第１図に示した光電変換装置の等
価的な電気回路図である。

本発明の光電変換装置は、透明基板１上に、透明導電膜
２、Ｐ−ＩＮ接合した非晶質半導体層３及び金属電極４
ａ、４ｂからなる積層体ａ、　　ｂが形成される。そし
て、前記２つの積層体ａ、　　ｂが透明導電膜２を介し
て接合方法が互いに逆方向に接続されて形成されるとと
もに、一方の積層体ａには、周囲の光の入射を遮断する
遮光体５が形成される。　さらに、少なくとも積層体ａ
のＰ−１−Ｎ接合した非晶質半導体層３と遮光体５との
間にＩ型非晶質シリコン半導体層７を介在させ、第２図
に示すように前記透明導電膜２と遮光体５を有する積層
体ａの金属電極４ａとの間に抵抗成分６を介在してバイ
パス電圧が印加されるように構成されている。

透明基板１はガラス、透光性セラミックなどから成り、
該透明基板１の一主面には透明導電膜２が被着されてい
る。

透明導電膜２は酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウ
ム錫などの金属酸化物膜で形成され、透明基板ｌの一主
面の少なくとも積層体ａ、ｂに共通の膜となるように形
成されている。具体的には透明基板１の−１面上にマス
クを装着した後、上述の金属酸化物膜を被着したり、透
明基板１の−１面上に金属酸化物膜を被着した後フォト
・エツチング処理したりして形成される。

非晶質半導体層３は、少なくとも金属電極４ａ、４ｂが
形成され積層体ａ、ｂとなる部分に、第１の導電型、第
２の導電型、第３の導電型を接合、即ちＰ−ＩＮ接合が
形成されている。具体的には、非晶質半導体層３はシラ
ン、ジシランなどのシリコン化合物ガスをグロー放電で
分解するプラズマＣＶＤ法や光ＣＶＤ法等で被着される
非晶質シリコンなどから成り、Ｐｉはシランガスにジボ
ランなどのＰ型ドーピングガスを混入した反応ガスで形
成され、１層はシランガスを反応ガスとして形成され、
ＮＪｆｆｉはシランガスにフォスフインなどのＮ型ドー
ピングガスを混入した反応ガスで形成される。

金属電極４ａ、４ｂは、非晶質半導体層３上に所定間隔
、例えば非晶質半導体層３を通して金属電極４ａ、４ｂ
間でリーク電流が発生しない程度の充分な距離を置いて
形成される。具体的には、金属電極４ａ、４ｂは非晶質
半導体層３上にマスクを装着し、ニッケル、アルミニウ
ム、チタン、クロム等の金属を被着したり、非晶質半導
体層３上にニッケル、アルミニウム、チタン、クロム等
の金属膜を被着した後レジスト・エツチング処理したり
して所定パターンに形成される。この工程により、透明
導電膜２を共通な膜とした積層体ａ１ｂが形成されるこ
とになる。

尚、この金属電極４ａ、４ｂのレジスト・エツチング処
理時に、金属電極４ａ、４ｂ及び非晶質半導体層３をエ
ツチングする溶液に浸漬したり、またレジスト・エツチ
ング処理に続いて金属電極４ａ、４ｂを侵さず、非晶質
半導体層３のみをエツチングする溶液に浸漬することに
より、金属電極４ａ、４ｂが形成されない部分の非晶質
半導体Ｍ３の一部（図では、Ｎ層）または全部を除去し
てもよい。

遮光体５は、前記積層体ａ、ｂのいづれか一方の積層体
、例えば積層体ａに、周囲からの光が積層体ａの非晶質
半導体層３に照射されないように、積層体ａに対応する
透明導電膜２と非晶質半導体層３の間に形成される。具
体的には、上述の透明導電膜２を形成した後に、積層体
ａとなる部分に遮光体５を形成する。遮光体５の形成方
法として、不透光性樹脂、無機材料をスクリーン印刷法
で形成したり、ニッケル、クロム、チタン、ニッケルー
クロムなどの金属を厚み５００Å以上にスパッタリング
などの物理的蒸着法で形成する。これにより、周囲の光
を完全に遮断することができる。

特に後者の金属を被着した場合には、透明導電膜２を緩
衝物質として作用させることができるので、遮光体５の
金属層の基板剥離が防止できる。

Ｉ型非晶質シリコン半導体層７は、少なくとも積層体ａ
のＰ−ＩＮ接合した非晶質半導体層３と遮光体５との間
に形成される。図では積層体ａ、ｂを問わずＰ−ｒ−Ｎ
接合した非晶質半導体層３の下部に形成されている。具
体的には、非晶質半導体層３の製造工程で、非晶質半導
体層３に先立って、シラン、ジシランなどのシリコン化
合物ガスをグロー放電で分解するプラズマＣＶＤ法や光
ＣＶＤ法等で被着される。この非晶質シリコン半導体層
７によって、遮光体５の金属層からＰ、−ＩＮ接合した
非晶質半導体層３側に拡散する金属成分を遮断し、この
金属成分の拡散による非晶質半導体層３の悪影響（膜の
変質によるｎ値のばらつき）を防止する。このように金
属成分を遮断をするためには、少なくとも５０Å以上の
膜厚が必要となる。

抵抗成分６は、第２図に示すように外部バイパス電圧が
積層体ａの金属電極４ａと透明導電膜２間にバイパス電
圧を印加する際に、外部バイパス電圧と透明導電膜２間
に介在され、積層体ａ、　ｂ間の非晶質半導体層３に形
成される。即ち、抵抗成分６は前記透明導電膜２及び金
属端子８に挟持されたＩ型非晶質シリコン半導体層７及
びＩＮ接合からなる非晶質半導体層３であり、基板側か
ら光の入射により、抵抗率が変化する抵抗成分となる。

透明導電膜２と金属電極８に挟持された抵抗成分６は、
ＩＮ接合によりなっており、非晶質半導体層３のＰ層の
み又は１型非晶質シリコン半導体層７と非晶質半導体層
３のＰ層の両方が所定パターンに形成されている。具体
的には、非晶質半導体層３のＰ層はＩ型非晶質シリコン
半導体層７上にマスクを装着して前述のプラズマＣＶＤ
法や光ＣＶＤ法などで被着したり、■型非晶質シリコン
半導体層７上にＰ層の非晶質半導体層３を被着した後、
レジストエツチング処理をしたりして、Ｉ型非晶質シリ
コン半導体層７とともに所定パターンに形成されたりす
る。この工程により透明導電膜２と金属電極８に挟持さ
れた抵抗成分６の部分以外にのみＰ層又はＰＪＢと１層
７が形成され、その後前述のプラズマＣＶＤ法や光ＣＶ
Ｄ法などの手法で１層、Ｎ層の非晶質半導体層３が順次
被着される。

尚、透明導電膜や一般の金属とＩ型非晶質シリコン半導
体層７との接触は通常ショトキ−障壁が形成され、整流
特性を示すので非晶質半導体３やＴ型非晶質シリコン半
導体層７の被着前に水素やごく低濃度のフォスフインと
水素の混合でプラズマ処理などを行う。尚、金属端子８
は、２つの積層体ａ、ｂの金属電極４ａ、４ｂの形成時
に同一材料のニッケル、アルミニウム、チタン、クロム
等の金属で形成される。

以上のように構成された光電変換装置に基づいて、バイ
パス電圧の印加について説明する。

積層体ａのＰ−ＩＮ接合したダイオードは、順方向に印
加される直流のバイパス電圧９と抵抗成分６が接続され
る。

今、積層体ａの金属電極４ａに−、透明導電膜２間に抵
抗成分６を介して十で積層体ａに対して順方向にバイパ
ス電圧をかけておくと、出力（点Ａ、Ｂ間）Ｖｏ□には
、上述のようにｖＸと積層体すの開放電圧Ｖｏｃとの和
となり、出力電圧Ｖ。ｕｔは、上述の０式より、 Ｖｏａｔ　＝Ｖｂ　　　（ｎ　ＫＴ／　ｑ）　　”　　
（Ｉ　ｎ　（１／　Ｉｙ＋１））　＋（ｎＫＴ／　ｑ）
　　・　（Ｉ　ｎ　（Ｉｐ　／Ｉ−＋１））となる。

上式で温度Ｔに関する項が第２項及び第３項であるが、
互いに符号が反対であるため、明状態で、周囲温度が上
昇しても、積層体すの開放電圧の温度Ｔに対する変化分
が積層体ａの両端に発生する電圧の温度Ｔに対する変化
分に対応した電圧ｖＸの変化分より、いくぶんか相殺さ
れ、結局出力■。工、の温度係数は積層体すの開放電圧
の温度係数よりも小さくなる。

本発明によれば、光電変換装置の非晶質半導体層３内に
、光入射の変化により、抵抗率が変化する抵抗成分６を
形成したことを特徴とするものである。

即ち、■式のＶ。ｕｔ＝Ｖｂ　　（ｎＫＴ／ｑ）（Ｉ　
ｎ　　（ｉ／１．＋　１））＋　（ｎＫＴ／ｑ）　　・
　（Ｉｎ　（Ｉｐ　／　Ｉ−＋　１）　）において、第
２項の電流ｉは、抵抗成分６の変化する抵抗値Ｒとバイ
パス電圧Ｖｂによって決定される。つまり、電流ｉは入
射光量の増加により、抵抗値Ｒが低下し、電流ｉは所定
特性のもとで増加する。

また、第３項の電流■、も光入射によって発生する光電
流であり、入射光量の変化に応じてＴ−１で変化する。

即ち、抵抗成分６が入射光量の変化に対して抵抗値が低
下するように非晶質半導体層３内で形成したため、第２
項の電流ｉが固定的であった従来の光電変換装置に比べ
、光入射の増加に対するｉ／１．と１．／１．との比率
の差が小さくすることができ、入射光量に対する温度係
数を追従補正が可能となる。

また、抵抗値ＲのＴ値を最適値にすることによっである
光量におけるｉ　／　１．とＩｐ／１．との比率を必要
に応じて調整することができる。

尚、入射光量に比例してｉを増大させるには、入射光量
と抵抗成分６の抵抗値Ｒが反比例であればよい。ＩＰは
Ｔ＝１であるため、抵抗値Ｒはγ〈１にする必要がある
。Ｔ＝１の場合、入射光量変化に対してｉ／ＩｓとＩｐ
／１．との比率が常に一定となり、光量変化に応じた出
力変化が得られなくなる。

本発明者らは、抵抗成分６を固定抵抗値Ｒ＝１゜５ＭΩ
（Ｔ＝０）、非晶質半導体層３内に形成した抵抗成分（
γ＝０．４とＴ＝０．８）に夫々設定し、０．　ＩＬｕ
ｘ及び１０ｓＬｕｘ時の出力電圧■。ｕＬ　（ｖ）及び
温度係数（ｍＶ／’Ｃ）を調べた。その結果は下の表の
通りである。

尚、抵抗成分６は、０．　ＩＬｕｘ時に抵抗値Ｒ＝１．
５ＭΩと成るように設定し、バイパス電圧Ｖｂ＝１．Ｏ
Ｖ、精層体ａ、ｂの有効面積＝１ｃｌＩＩ２、温度２５
℃に設定して行った。

上述のように、本実施例のように抵抗成分６を入射光量
に対して変化するように設定すると、入射光量の変化に
対する出力電圧変化は小さくなるものの、温度係数の入
射光量依存性を極小化できる。換言すれば、入射光量の
範囲が０．１〜１０５Ｌｕｘという広い範囲においても
、温度係数を小さくできため、広範囲でより一層精度の
高い温度補償が可能な光電変換装置が達成できる。

また、本発明の光電変換装置の構造のように、非晶質シ
リコン半導体層７を介在させると、特に積層体ａ、ｂの
ｎ値に大きな差がなく精度のよい温度補償が可能となる
。

第３図（ａ）、（ｂ）は本発明の光電変換装置を構成す
る積層体ａ、ｂの暗時電圧−電流特性を示し、第３図（
Ｃ）は、非晶質シリコン半導体層７を介在させない場合
の遮光体５５を有する積層体ａの暗時電圧−電流特性で
ある。尚、図中線ｆは夫々順方向の特性で、線ｒは逆方
向の特性を示す。

第３図（ａ）は、非晶質シリコン半導体層７を３００人
に設定した積層体ａの特性であり、逆方向電流値が約１
０−”八／ｃｒａ”と、第３図（ｂ）と大きな差異はな
い。この時の積層体ａのｎ値は約１゜４８４であり、積
層体すのｎ値は約１．５２４であった。

即ち、■式の第２項及び第３項のｎ値に大きく差異がな
く、第２項及び第３項のｉ　／　１．と■２／■よの差
から起因する誤差が極小化できる。また固体間の特性ば
らつきも小さくなる。

これに対して、入射がない積層体ａにおいて、非晶質シ
リコン半導体層７の有無による特性（第３図（ａ）と第
３図（Ｃ））を比較すると、非晶質シリコン半導体層７
を用いる積層体ａの暗電流は１桁も小さい。この時の積
層体ａのｎ値は上述のように約１．４８４　　（第３図
（ａ））である。尚、遮光体５５と直接非晶質半導体５
３が接する従来の積層体のｎ値は約１．０８８　　（第
３図（Ｃ））と約５０χも小さく、且つ複数の積層体間
でばらつきが大きくなってしまう。

第４図は、本発明の光電変換装置の他の実施例を示す断
面図である。尚、第１図と同一部分は１同一部号を付し
、その詳細な説明は割愛する。

本実施例では、第１図同様に、抵抗成分６を積層体ａと
積層体すとの間の透明基板１から光入射可能な非晶質半
導体層３で形成するが、金属端子８１に近接して第２の
金属端子８２を形成した光電変換装置である。これによ
り、抵抗成分６が非晶質半導体層３の厚み方向ではなく
、両金属端子８１．８２に挟まれた非晶質半導体層３の
表面方向となる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、透明導電膜を被着した
透明基板上に、Ｐ−ＩＮ接合した非晶質半導体層と金属
電極とを重畳して成る２つの積層体を形成し、該透明導
電膜を介して互いに逆向きに接続し、一方の積層体に遮
光体を形成するとともに、前記透明導電膜と一方の積層
体の金属電極間に、一定バイパス電圧を印加する電源及
びバイパス抵抗成分をけた光電変換装置において、該抵
抗成分を両方の積層体に挟まれた非晶質半導体層で、か
つ受光可能にして形成したため、入射光量の変化に対し
て抵抗成分の抵抗値が追従するため、入射光量範囲が増
加しても、温度係数を極小にすることができ、温度補償
の精度が向上した光電変換装置が達成される。

また、前記透明導電膜とＰ−ＩＮ接合した非晶質半導体
層との間にＩ型非晶質シリコン半導体層を介在させたこ
とにより、基板側より拡散する金属原子などの不純物を
Ｐｉ−Ｎ接合した非晶質シリコン半導体層への拡散が防
止でき、よって受光部側及び遮光体側の積層体のｎ値の
ばらつきが極小化し、周囲の温度変化に対する個体間の
出力誤差が解消され、温度補償の精度が向上した光電変
換装置が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光電変換装置の構造を示す断面図
である。 第２図は第１図に示した光電変換装置の等価的な電気回
路図である。 第３図（ａ）、（ｂ）は本発明の光電変換装置を構成す
る積層体ａ、ｂの暗時電圧−電流特性図であり、第３図
（ｃ）は、非晶質シリコン半導体層を介在させない場合
の遮光体を有する積層体の暗時電圧−電流特性図である
。 第４図は本発明の光電変換装置の他の実施例を示す断面
図である。 第５図は従来の光電変換装置の構造を示す断面図であり
、第６図は第５図に示した光電変換装置の等価的な電気
回路図である。 １　・　・ ２　・　− ３・　・ ４ａ。 ５　・　・ ６　・　・ ７　・　・ ・−透明基板 ・・透明導電膜 ・・非晶質半導体層 ・・金属電極 ｍ−遮光層 ・・抵抗成分 型非晶質シリコン半導体層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 透明導電膜を被着した透明基板上に、Ｐ−ＩＮ接合した
   非晶質半導体層と金属電極とを重畳て成る２つの積層体
   を形成し、該透明導電膜をして、互いの接合方向を逆向
   きに接続し、一方積層体に遮光体を形成するとともに、
   前記透明電膜と一方の積層体の金属電極間に、一定バイ
   パス電圧を印加する電源及びバイパス抵抗成分をけた光
   電変換装置において、 前記バイパス抵抗成分を、一方の積層体と他の積層体に
   挟まれた非晶質半導体層で形成するとを特徴とする光電
   変換装置。