JPH03209780A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＶ型の表面または裏面をその一方または双方に
有する半導体の表面または裏面に対し、この表面または
裏面に絶縁または半絶縁膜をトンネル電流が許容する範
囲の膜厚にて設け、さらにこの上面に不純物が添加され
た半導体よりなる電極を設けた光電変換装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

従来ＭＩＳ型光電変換装置というものは、金属電極−絶
縁膜特に酸化珪素−半導体特に珪素よりなるものでＰＮ
接合型に比べて解放電圧を高くすることができるという
特徴を有していた。一方、この絶縁膜を形成する際その
被膜をきわめて均一に作りかつピンホールも少なくしな
ければならないため、特にその表面に凹凸を意図的に設
けることはよくないとされさけられていた。

〔発明の目的〕

しかし本発明はかかる従来よくないとされてきたＭＩＳ
型のその表面または裏面を意図的にＶ型構造を多数設け
、このＶ型表面または裏面に対し半導体電極−絶縁また
は半絶縁膜−半導体電極（以下ＭＩＳ構造という）を形
成しそれらを合わせることによりさらに効果を求めよう
としたものである。

〔発明の構成〕

第１図は本発明の原理を示すものである。

第１図は（１００）面またはその近傍すなわち（１００
）面に対し＋１５°以下の範囲の結晶方位を有する珪素
単結晶基板を用いた。

図面において半導体基板（１）の表面に非等方エッチ方
によるＶ型溝（１８）を前記半導体表面に形成するため
に以下のように行った。

すなわちＷＡＰ（水−エチレンジアミン−ピロカテコー
ルの混液）中に半導体を浸し、窒素ガスにてバブルをさ
せながら約８０°Ｃで３０分〜２時間保持することによ
り形成した。ＷＡＰ液は具体的には水８　ＣＣ，エチレ
ンジアミン１３ｃｃ、ピロカテコール３ｇを用いた。さ
らに詳しくは本発明人による英文論文ＪＡＰＡＮ　Ｊ、
ＡＰＰＬ、ＰＨＹＳ　１０　Ｎｏ、８　（１９７１）　
Ｐ　ｔ。

２８〜１０３３に記載されている。かかる非等方エツチ
ングはアルカリ液（ＲＴ−１００°Ｃ）を用いてもよい
。

このようにすることによって第１図（Ａ）に示されるよ
うなＶ型溝を設けることができた。

このＶ型溝は特にこの半導体の表面を処理をしない場合
、この半導体の格子欠陥によって選択的にＶ型ピットか
形成されるため形成されたＶ型溝の深さはバラバラであ
る。

しかしこの溝の位置に制御性を与えようとするならは半
導体の表面にスクライブラインを５．０〜１００、０μ
ｍの間隔で０゜５〜２０μｍの深さにきすをスリット状
に形成するとよい。するとＶ型溝はこのスリットに従っ
て選択的に深くエッチすることによりできる。光起電力
により発生したキャリアをかかる物理的なきずにより再
結合させてしまわないためこの場合の溝の深さをさらに
その２〜４倍にまで選択エッチをする必要かあった。

かかるシリコン単結晶半導体上に反射防止膜を形成しな
い場合、シリコン単結晶の屈折率は３．８であるため、
太陽光の波長か０．５〜０．９μｍの領域においてＶ型
溝（望み角か７０．５°の場合）に光例えば太陽光！。

（１５）を第１図（Ａ）に示されるように照射すると第
１のシリコン半導体表面て６７％か半導体（１）中に吸
収され、残りの３３％の光は反射光として表面より反射
される。しかしこの反射光は、本発明の如くシリコン半
導体かＶ型表面を有する場合、他の表面への照射光とな
りその６７％、即ち全光の２２％が再度半導体中に透過
吸収されるため、実質的な反射光は入射光（Ｉｏが１０
０％）から６７％と２２％を差し引いて１１％のみであ
ることが判明した。もちろんここに反射防止膜を形成し
、反射を防止すると、この１１％の反射光のうちの約８
０％は半導体中への透過光となり、光電変換に寄与する
ため全反射量は３％弱にまで少くさせることができた。

第１図（Ｂ）はかかる■型溝（１８）の表面に絶縁また
は半絶縁膜（６）を形成しその上面に半透明の金属（２
）例えば白金（仕事関数５．３ｅＶ）を形成すると半導
体内には空乏層（２０）か形成される９、半導体表面か
Ｖ型をしているため空乏層（２０）は破線で示す如くに
なる。なぜなら、例えば半導体表面の凸部（２８）では
、左右の半導体表面へ高い仕事関数による空乏層かてき
ており、その左右にてきている空乏層の双方か相乗的に
、凸部（２８）に作用する。そのため、この凸部（２８
）の下方には、双方の作用のない所に比べて強く空乏層
を作り、結果として、Ｖ型溝の凸部（２８）の如き急峻
さより緩やかな曲線（破線は空乏層とそうでない半導体
基板との境界を示す）を空乏層（２０）は形成する。そ
の結果、Ｖ型溝のない平坦な表面に比へて全体の空乏層
（２０）の領域か大きくなり、結果としての少数キャリ
アの電極（２）への収集効率を３０〜５０％向上させる
ことができた。

また被膜（６）は窒化珪素膜により作成した。すなわち
半導体の表面をきわめて清浄にプラズマ化したアンモニ
アまたは窒素と水素との混合気体を０、１〜１０ｔｏｒ
ｒにて流し２１〜５００°Ｃの温度でこの半導体表面を
窒化する方法を用いた。こうすることによりこの表面に
は窒化珪素か１５〜３０人の膜厚で形成てきた。

またこの窒化珪素膜をプラズマＣＶＤ法で形成する場合
は本発明人の出願による特願昭５５−０１８７８９「誘
導減圧気相法１により形成した。この場合は窒化珪素を
５ｘ３Ｎ＜−ｘ　（０≦ｘく４）とすることができ、半
絶縁膜でありそのエネルギギャップ（Ｅｇ）を２〜５ｅ
Ｖの範囲で可能にすることができた。Ｅｇ〜５ｅＶであ
るときは絶縁膜であり、この方法は基板の材料をゲルマ
ニュームさらにまたは窒素とゲルマニュームとの化合物
等に対してきわめて有効であった。

第１図（Ｃ）は電極（２゛）としてくし型電極を設けた
ものである。このくし型電極は半導体の電極または仕事
関数が４．　ＯｅＶ以下の低い金属例えばマグネシュー
ム、アルミニューム、ベリリュームまたはランタニドさ
らにまたはこれらの多層膜または混合物に対して実行で
きる。さらに仕事関数の４゜ＯｅＶ以上の高い値を有す
る金属例えば白金、金、ニッケル、クロム、銅等に対し
て適用できる。

〈実施例〉 本発明の光電変換装置の実施例を第２図に示す。

第２図において厚さ約２０μｍのＮ型シリコン半導体を
ＷＡＰ液にひたしその両面に同時にＶ型溝（８）、　（
９）を形成した。同時にＶ型溝を形成するため裏面をあ
らかじめ絶縁膜でおおった後他表面のみにＷＡＰ液がふ
れる如き工夫をする必要がなく製造工程的にきわめて容
易であった。さらにこの両面にＶ型溝を作った半導体を
この両面に対し同時にプラズマ窒化またはプラズマＣＶ
Ｄにより窒化珪素膜を形成した。このいずれにおいても
一方を特定化する必要かないためその製造工程はきわめ
て容易であり一方のみＶ型にし、または一方のみＳｉ３
型にした場合に比へてその製造がさらに容易であるとい
う特徴を有する。

かくの如くに絶縁または半絶縁膜を半導体（１）の表面
には（６）また裏面には（１２）としてｌ０ＣＩＡ以下
特に１５〜３１人の厚さにトンネル電流を許容する範囲
の膜厚に形成した。絶縁膜のところはＳ　ｌ　ａ　Ｎ　
ａ、半絶縁膜のところｉ；！５ｉ３Ｎ４−１（ｏ＜Ｘく
４　）とした。この窒化珪素膜は化学的にきわめて安定
であり、電極の一方かきわめて活性なマグネシューム等
であってもそこに信頼性上の異常か発生しないという大
きな特徴を有する。

絶縁または半絶縁膜を半導体（１）の表面及び裏面に形
成した後、さらにその後表面にのみ第１の電極（２）と
さらに逆の極性を有する第２の電極（４）とを互いに離
間して設けたものである。

第１の電極（２）及び第２の電極（４）は金属ではなく
表１に示した如く　Ｐ”またはＮ導電型を有する半導体
（１）を１０００〜５０００人の厚さに形成した。

表１は第１及び第２の電極として、用いる材料の種類の
違いにより、集めるキャリアの種類及びその時の接合付
近での半導体のエネルギーバンドの曲がる方向をまとめ
たものである。

すると表１より明らかな如く、第１の電極にはポールか
集まり十電極、第２の電極には電子が集まり一極を構成
させることができた。この場合光照射はふたつの電極が
ある表側の（５）より行なってもまた電極のない裏面よ
り（５°）の如くに行ってもよいことはいうまでもない
。

本発明は半導体をシリコンの（，１００）面またはその
近傍の結晶方位を有するものとした。しかしそれはゲル
マニュームであってもその化合物であってもよい。さら
に単結晶ではなく非単結晶すなわち多結晶、セミアモル
ファスまたはアモルファス構造の半導体に対しても適用
できることはいうまでもない。

本発明はＳＩＳ型構造において絶縁または半絶縁膜は窒
化珪素すなわち５１ａＮ＜□（０≦Ｘく４）とした。し
かしこれは酸化珪素または炭化珪素であってもよい。し
かし前者は高温（１５０°Ｃ以上）での信頼性が十分で
なく、また後者は被膜中の界面準位または不対結合手に
よる再結合中心が窒化膜の約１０〜１００倍もあり、必
ずしも好ましいものてはなかった。

さらに窒化珪素ゲルマニューム（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｎ、　）
を用いてもよい。かかる場合この絶縁膜はゲルマニュー
ムを光起電力用半導体とした場合にきわめて好ましいも
のであった。

半導体が珪素または珪素等が５〜５０モル％混入した半
導体において可視領域のフォトセンサー太陽電池にその
応用が考えられる。半導体かゲルマニュームにあっては
Ｅ８か０．７ｅＶてあり、１．０〜３．０μｍの波長の
光通信特に１．５〜１．６μｍの波長の光通信のフォト
センサーとしてきわめて大きな応用が考えられる。また
ゲルマニュームのダブルＭＩＳ構造（第２図）において
もその変換効率１８〜２０％を１．５〜１．６μｍの波
長において得ることができた。

本発明において実施例のＶ型溝はその溝をランダムに設
けたのではなく、表面の溝と裏面の溝を互いに９０°か
えて互いに直交するように設けてもよい。かかる場合は
表面のその裏面のその反射か互いに補完し合い、効果を
さらに１０〜２５％向上させることかできた。

〔効果〕

以上の実施例において本発明のＳｉ３型の光電変換装置
において、Ｖ型溝は光の外気より半導体中に透過する際
その透過効果を向上させるに加えて■形溝が半導体中の
光を効率よく半導体中を反射し合い実質的な光路を２〜
５倍にすることにより半導体の厚さを従来のＭＩＳ構造
に比へて１７２〜１／４の厚さにすることかできたこと
か大きな他の特徴である。

本発明は光入射面でのＶ型溝か、従来より知られたＰＮ
接合型の接合かこれの表面より１〜２μｍ入ったこのＰ
Ｎ接合面での電子・ホール対の光励起をより発生させる
というＰＮ接合型またはＰＩＮ接合を用いた方式または
これらの入射側に対し無反射処置をした光電変換装置と
は異なり、Ｖ型溝のそれと絶縁または半絶縁膜との界面
そのものか実効的な接合面になっていることか特徴であ
る。このためこのＶ型溝を化学エッチにより形成するこ
とによりこの半導体表面またはそのごく近傍における格
子欠陥等の再結合中心をエツチングにより除去し結果と
して格子欠陥電流を表面のＭ■Ｓ構造に比してｌ／１０
〜１／１００に実質的にすることにより少数キャリアの
表面での再結合をなくすことに成功した。そのため接合
が全くないダブルＳＩＳ型構造を有し、かつＶ型溝を設
けた光電変換装置において最大２６％を珪素半導体で得
ることができたことはきわめて注目に値し、その変換装
置の価値も少なからぬものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の動作原理を示すＶ型溝の半導体の縦断
面図である。 第２図は本発明の光電変換装置の縦断面図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｖ型表面を有する半導体の前記表面上には、トンネ
   ル電流を許容し得る膜厚の絶縁または半絶縁膜と、該膜
   上には第１の半導体の電極を設け、さらに該電極に離間
   して逆極性を有する第２の半導体の電極を設けたことを
   特徴とする光電変換装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、半導体は珪素、ゲ
   ルマニュームまたはそれらの化合物よりなることを特徴
   とした光電変換装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、半導体は（１００
   面）またはその近傍の結晶方位を有する単結晶面を有す
   ることを特徴とした光電変換装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、Ｖ型表面を有する
   面より光が入射され半導体面で光起電力を発生させるこ
   とを特徴とした光電変換装置。