JPH04324685A - 光起電力装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面に凹凸形状を備え
た基板上に形成された半導体薄膜を使用する光起電力装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、非晶質半導体や多結晶半導体など
の薄膜半導体を使用した光起電力装置の開発が活発に進
められている。特にこの非晶質半導体は、結晶系の半導
体と比較して大面積での形成が行い易く、又物性面でも
光に対する感度が大きいことなどがら広く利用されてい
る。

【０００３】図４は、非晶質シリコンを使用した従来の
非晶質半導体による光起電力装置の素子構造図である。 図中の（４１）は透光性の絶縁基板、（４２）は透明導
電膜からなる透明電極で、この膜の表面には凹凸形状が
備えられている。（４３）はｐ型の導電性半導体層、（
４４）は真性の非晶質シリコンからなるバッファ層、（
４５）は真性の非晶質半導体層、（４６）はｎ型の導電
性半導体層、（４７）は金属膜からなる裏面電極である
。

【０００４】この構造のうち、透明電極（４２）に凹凸
形状を備える理由は、絶縁基板（４１）側から入射した
光をこの凹凸によって散乱させ真性非晶質半導体層（４
５）を通過する光路長を長くすることにより、外部への
光の放出を減少させるためで、特に長波長光の吸収に有
効である。

【０００５】この機能を有効に作用させるために、この
凹凸形状として、通常１０００Å〜５０００Å程度の高
さの凹凸が施されており、一般にこの効果は光閉じ込め
効果と称されている。以下でも前述した意味においてこ
の用語を使用するものとする。

【０００６】又、ｐ型の導電性半導体層（４３）と真性
非晶質半導体層（４５）との間に介在されているバッフ
ァ層（４４）は、このｐ型の導電性半導体層（４３）か
ら真性非晶質半導体層（４５）への、該導電性半導体層
（４３）に含有する導電型決定不純物の拡散を防止する
とともに、これら半導体間でのキャリア再結合の低減を
図るためのものである。

【０００７】これら構造はいずれも光起電力装置の光電
変換効率を向上させるために有効に寄与する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、透明電極に
具備せしめられたこの凹凸形状は、光閉じ込め効果に対
しては有効であるものの、その半面、薄膜半導体からな
る光起電力装置のｐ型の導電性半導体層は、通常１００
Åオーダの薄膜を構成材料としているものであることか
ら、このような凹凸形状を有する表面に均一な薄膜を形
成することは困難で、膜厚のムラが発生する。

【０００９】特に、非晶質シリコンで代表される非晶質
半導体は、熱ＣＶＤ法などのような表面反応のみによる
形成法でない、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法、さらに
は電子ビーム蒸着法などによって形成されることから特
に困難である。

【００１０】図５は、この困難さを説明する一例として
、凹凸形状を有する透明電極（５１）を備えた基板（５
２）上に、平行平板電極型の高周波プラズマＣＶＤ法に
よって非晶質シリコン（５３）を形成した場合の膜形成
状態を示している。二つの放電電極（５４）（５５）は
互いに平行となるように配置され、その一方の放電電極
（５４）にこの基板（５２）が設置されている。このプ
ラズマＣＶＤ法によって形成される膜は、通常その放電
電極（５４）に対して垂直となるような方向に向かって
成長する。ところが、その基板の表面に凹凸形状が具備
されている場合にあっては、この表面の垂直方向と、そ
の放電電極に対して垂直方向とは異なることとなること
から、その膜の形成速度は、その表面の傾きによって変
化してしまう。

【００１１】一般にこの凹凸形状の表面と、この放電電
極（５４）の表面の垂線とがなす角度（α）が小さくな
る程、その凹凸形状の表面の垂直方向の膜成長速度は遅
くなる。即ち、その角度が９０度に近づく程、膜成長速
度が速くなる。

【００１２】通常、プラズマＣＶＤ法による膜形成では
、表面段差に対する膜のカバーの程度は良好であると言
われるものの、１５０Å以下の極薄い膜では不十分な状
態である。電子顕微鏡による測定によれば、α＝４５度
では、α＝９０度の場合と比較して、その膜厚は７割程
度しかないことが判っている。

【００１３】従来例の光起電力装置（図４）の場合、斯
様な膜厚のムラによる影響は、この装置の半導体接合を
構成する導電性半導体層（４３）　（４６）及びバッフ
ァ層（４４）について顕著に現れる。何故なら、これら
は、通常膜厚が１００Å程度に過ぎず、前記凹凸形状の
１０００〜５０００Åと比較して極めて薄いものである
からである。

【００１４】特に、前述した従来例光起電力装置の場合
では、膜厚が薄く、且つその凹凸形状を有する表面に直
接被着形成されるｐ型の導電性半導体層（４３）におい
て、特にその膜厚のムラが発生し易い。

【００１５】このため、光起電力装置では、従来開放電
圧の低下という特性不良が生じる。この問題については
、例えば　　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ
　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ＰＶＳＥＣ−
５，Ｋｙｏｔｏ，Ｊａｐａｎ，１９９０　ｐ．２６１〜
２６４に記載されている。尤も、これを補償する目的で
、このｐ型の導電性半導体層（４３）の膜厚を厚く形成
したとしても　　このｐ型の導電性半導体層（４３）に
よる光の吸収が増加してしまい短絡電流の低下が生じる
こととなり、根本的な解決にならない。

【００１６】そこで、本発明光起電力装置は、斯様な凹
凸形状を有する場合の不都合を解消し得る光起電力装置
を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明光起電力装置の特
徴とするところは、表面に凹凸形状を備えた基板上、又
は、表面に凹凸形状を備えた透明電極を有する基板上に
形成された導電性半導体層及びまたはバッファ用半導体
層が２種類の相異なる光学的禁止帯幅を有する半導体薄
膜による超格子構造からなるとともに、その光学的禁止
帯幅の小さい前記半導体薄膜の膜厚が、前記凹凸形状の
表面上で局所的に変化していることを特徴としたことに
ある。

【００１８】

【作用】本発明では、超格子構造を使用したことによる
量子効果を利用するとともに、その製造方法としては、
前述した凹凸形状による膜厚ムラの発生を利用する。

【００１９】この超格子構造とは、光学的禁止帯幅が異
なる２種の半導体を薄膜の状態で周期的に重畳形成され
た積層体の構造をいう。この様な積層体にあっては、そ
の光学的禁止帯幅の大きな半導体に挟まれた、該光学的
禁止帯幅の小さな半導体の膜厚が１００Å程度以下と薄
くなると、一般に量子効果を呈することが確認されてい
る。通常、この光学的禁止帯幅の小さい方の半導体を井
戸層と称している。

【００２０】この量子効果とは、その光学的禁止帯幅が
異なる半導体を周期的に重畳形成されたことにより、電
子及び正孔が、井戸層の光学的禁止帯幅の狭い部分に閉
じ込められ、実質的にこの積層体としての光学的禁止帯
幅が変化する現象で、特に、その井戸層の膜厚が薄くな
るほどその積層体としての光学的禁止帯幅が大きくなる
という特徴を有している。斯る技術的事項は、Ｊａｐａ
ｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ．２６　Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ
，１９８７，ｐｐ．２８〜３２に詳細に記載されている
。

【００２１】一方、その凹凸形状を具備した基板上に、
斯様な超格子構造を有する積層体を形成すると、前記角
度αの小さい部分、即ち表面の傾きが急峻な部分では、
前述したように各層の膜厚が薄くなることから、この部
分では局所的に量子効果による光学的禁止帯幅の増加が
顕著に起こる。

【００２２】これに対して、角度αが９０度に近くなる
と、形成される膜厚は、平坦な表面に形成されるのと同
程度となることから、量子効果による光学的禁止帯幅の
増加の程度は、その角度αの小さい部分に比べて少なく
なる。

【００２３】即ち、その表面の傾きが急峻な部分につい
ては、この超格子構造による積層体を使用しなかったな
らば斯る部分での膜厚の薄さから局所的な開放電圧の低
下が発生するが、本発明による超格子構造によるとその
膜厚の薄さに基づく量子効果の作用により光学的禁止帯
幅の増加が生じ、光起電力装置としての開放電圧の増加
が成し得ることとなる。この光学的禁止帯幅の増加が光
起電力装置の開放電圧の増加として働く理由としては、
この増加によりこの光起電力装置内で発生した光キャリ
ア、特に電子の再結合等による損失を軽減することとな
るためと考えられている。

【００２４】一方、その表面の傾きが急峻でない部分で
は、平坦な表面に膜が形成されるのと同程度の膜厚が得
られることから、従来の平坦な基板上に形成した場合の
光学的禁止帯幅しか得られないこととなる。

【００２５】従って、表面の傾きのよって変動する光学
的禁止帯幅が、その量子効果の局所的な発生の程度の差
によって制御し得ることとなる。尚、この様な作用につ
いては、前記井戸層の膜厚が、その凹凸形状に沿って局
所的に変化しておればよい。

【００２６】

【実施例】図１は、本発明光起電力装置の第１の実施例
の素子構造断面図である。同図の（１）は、ガラス、石
英などからなる透明絶縁性の基板、（２）はその表面に
ヘイズ率２０％の凹凸形状を備えた酸化錫、酸化インジ
ュウムなどからなる透明電極、（３）は本発明の特徴で
ある超格子構造を有するｐ型の導電性半導体層、（４）
は非晶質シリコンカーバイドからなるバッファ用半導体
層、（５）は非晶質シリコンからなる真性の半導体層、
（６）はｎ型の導電性半導体層、（７）はアルミニュー
ムやチタン、あるいはクロムなどからなる裏面電極であ
る。

【００２７】ｐ型の導電性半導体層（３）以外は従来周
知のものである。このｐ型の導電性半導体層（３）は、
カーバイドを含有した非晶質シリコンｐ１と、それを含
有しない非晶質シリコンｐ２との２つの半導体層を交互
に積層した超格子構造からなるとともに、これら半導体
層はいずれもがｐ型半導体層と成るようにボロンが添加
されている。この２つの半導体層ｐ１，ｐ２の形成条件
及び光学的禁止帯幅については、表１に示す。但し、同
表の光学的禁止帯幅は、平坦な基板上に形成した場合の
値を示し、いずれも単一の層の状態で測定したものであ
る。

【００２８】

【表１】

【００２９】また、同表には、以下の説明で使用する半
導体層の形成条件等についても同時に示している。

【００３０】実施例で使用する超格子構造は、表１に示
されたｐ１及びｐ２をそれぞれ２０Åの膜厚に保った状
態で交互に５層（基板側からｐ１，ｐ２，ｐ１，ｐ２，
ｐ１）を積層形成したもので、この積層体自体の平坦な
基板上に形成した場合の光学的禁止帯幅は、２．０ｅＶ
である。

【００３１】因みに、この積層体が凹凸形状の部分で生
じる薄膜状態となった場合を想定して、各層の膜厚が１
４Åと薄くした場合での積層体について評価した結果、
その光学的禁止帯幅は、先の２．０ｅＶよりも大きく２
．１ｅＶの値が得られた。

【００３２】その他の層の膜厚は、バッファ層（４）が
１００Å、真性の半導体層（５）が４０００Å、ｎ型の
半導体層（６）が３００Åで、それぞれ表１に示すｂ３
，ｉそしてｎ層の条件で形成した。

【００３３】本例の光起電力装置の光起電力特性を表２
に示す。同表には、比較のために、超格子構造によらな
い導電性半導体層を使用したことのみを異にする光起電
力装置の特性についても示している。この従来の光起電
力装置では、ｐ型の導電性半導体層を表１に示すｐ３の
層（１００Å）を１層だけを使用するとともに、さらに
光学的禁止帯幅が本例の積層体と同じ値、即ち２．０ｅ
Ｖとなるように形成した。

【００３４】

【表２】

【００３５】表２から明らかなように、本例の場合の方
が、開放電圧の点で著しく向上しており、超格子構造の
効果が十分現れていることが判る。

【００３６】又、本発明者による実験によれば、平坦な
透明電極上に実施例における超格子構造からなる導電性
半導体層を備えた光起電力装置と、その超格子構造を備
えたこの導電性半導体層と同一の光学的禁止帯幅の値を
有した単一の層からなる導電性半導体層を使用した従来
例光起電力装置との特性をも比較したが、その差は殆ど
なく、本発明の効果が凹凸形状を具備した基板によって
のみ十分な効果を呈するものであることが判った。

【００３７】次に、第２の実施例光起電力装置を図２に
沿って説明する。同図の符号は、図１と共通する部分に
は同符号を付している。本例と第１の実施例との差異は
、導電性半導体層（２３）として、表１のｐ３の一層（
１５０Å）を使用し超格子構造としていないのに対して
、バッファ用半導体層（２４）を、表１のｂ１及びｂ２
をそれぞれ２０Åの膜厚を保った状態で交互に５層（基
板側からｂ１，ｂ２，ｂ１，ｂ２，ｂ１）積層形成した
超格子構造としていることにある。

【００３８】本例光起電力装置の光起電力特性を表３に
示す。同表には比較のために、バッファ用半導体層を超
格子構造としない単層を使用した場合の特性についても
示している。この単層としては、表１に記載のｂ３層（
１００Å）を使用した。尚、このｂ３層の光学的禁止帯
幅は、平坦な基板上に形成した場合の超格子構造を備え
たバッファ用半導体層（２４）と同一の値となるように
設計している。

【００３９】

【表３】

【００４０】表３によれば、本例光起電力装置の特性は
、第１の実施例と同様に開放電圧の向上が確認できる。

【００４１】次に、本発明光起電力装置の第３の実施例
を図３に示す。本例は、導電性半導体層（３）とバッフ
ァ用半導体層（２４）のいずれについても超格子構造を
採用したものである。これら特徴となる２層の形成条件
は、第１及び第２の実施例のそれと同様にしている。

【００４２】本例の光起電力特性を表４に示す。同表か
ら判るように表２に示した第１の実施例の場合と比較し
て開放電圧が高く、一方表３に示した第２の実施例と比
較して短絡電流の増加が確認できる。これは、第１の実
施例では、バッファ用半導体層の膜厚にムラが生じ、こ
れの影響により開放電圧の低下が生じたためと考えられ
る。

【００４３】

【表４】

【００４４】また、本発明で使用する超格子構造では、
井戸層となる半導体薄膜が、その凹凸形状の表面で局所
的に膜厚が変化することによって有効に特性の向上が図
れる。なぜなら、この井戸層である光学的禁止帯幅の小
さな半導体薄膜が、その凹凸形状に起因して薄い膜が形
成されることによって量子効果が顕著に現れることにな
るからである。

【００４５】また、実施例では、超格子構造を構成する
半導体層として、カーバイドを含有した非晶質シリコン
とそれを含有しない非晶質シリコンを使用して形成した
が、これに限られず、例えば非晶質シリコンゲルマニュ
ームや非晶質シリコンナイトライドなどの光学的禁止帯
幅の異なるものとを組合わせることによって、種々の超
格子構造を形成することができる。

【００４６】基板に備える凹凸形状は、前述したいずれ
の実施例でも透明電極が有する凹凸形状を利用して形成
していたが、本発明で利用する凹凸形状を備えた基板は
これに限られるものではない。例えば、石英やガラス、
セラミックス等の基板自体の表面を凹凸形状としたもの
を使用してもよい。この場合、この凹凸形状の製作方法
としては、物理的な研磨あるいは化学的なエッチングで
行えばよい。

【００４７】

【発明の効果】本発明光起電力装置によれば、開放電圧
等の向上に基ずく良好な光起電力特性が得られる。

【００４８】また、本発明では超格子構造を形成するた
めの薄膜形成が、基板の凹凸形状を利用するものである
ことから、再現性のよい素子形成が可能である。

【００４９】さらに、本発明の構造によればその凹凸形
状とする方法が、基板自体によるもの、或るいは基板上
に形成された透明電極等によって具備せしめるものであ
ってもよいことから、素子設計にあってはその自由度が
大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力装置の第１の実施例を説明する
素子構造断面図である。

【図２】前記光起電力装置の第２の実施例を説明する素
子構造断面図である。

【図３】前記光起電力装置の第３の実施例を説明する素
子構造断面図である。

【図４】従来の光起電力装置の素子構造断面図である。

【図５】凹凸形状を有する基板上に非晶質シリコンを形
成した場合の膜形成状態を示す模式断面図である。

【符号の説明】

１──基板 ３──導電性半導体層 ４──バッファ用半導体層 ５──真性の半導体層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　表面に凹凸形状を備えた透明電極を有
   する基板上に形成された導電性半導体層及びまたはバッ
   ファ用半導体層が２種類の相異なる光学的禁止帯幅を有
   する半導体薄膜による超格子構造からなるとともに、そ
   の光学的禁止帯幅の小さい前記半導体薄膜の膜厚が、前
   記凹凸形状の表面上で局所的に変化していることを特徴
   とする光起電力装置。
2. 【請求項２】　　表面に凹凸形状を備えた基板上に形成
   された導電性半導体層及びまたはバッファ用半導体層が
   ２種類の相異なる光学的禁止帯幅を有する半導体薄膜に
   よる超格子構造からなるとともに、その光学的禁止帯幅
   の小さい前記半導体薄膜の膜厚が、前記凹凸形状の表面
   上で局所的に変化していることを特徴とする光起電力装
   置。