JPH059948B2 - - Google Patents

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JPH059948B2
JPH059948B2 JP57138225A JP13822582A JPH059948B2 JP H059948 B2 JPH059948 B2 JP H059948B2 JP 57138225 A JP57138225 A JP 57138225A JP 13822582 A JP13822582 A JP 13822582A JP H059948 B2 JPH059948 B2 JP H059948B2
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JP
Japan
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semiconductor
single crystal
light
emitter
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JP57138225A
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Shunpei Yamazaki
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 『発明の利用分野』 本発明は、単結晶半導体と非単結晶半導体とを
複合化して設けた半導体装置、特にフオトトラン
ジスタ機能を有する光電変換装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a semiconductor device formed by combining a single crystal semiconductor and a non-single crystal semiconductor, and particularly to a photoelectric conversion device having a phototransistor function.

『従来の技術』 従来より知られたフオトトランジスタ機能を有
する光電変換装置は単結晶半導体によつてのみ作
られていた。その代表的なたて断面を第1図に示
す。
``Prior Art'' Conventionally known photoelectric conversion devices having a phototransistor function have been made only of single crystal semiconductors. A typical vertical cross section is shown in Figure 1.

図より明らかなように、単結晶半導体基板1上
にプレナー技術によつてベース2、エミツタ3を
拡散形成し、さらに酸化珪素絶縁膜4に開口を設
けて、エミツタの電極リード5、ベースの電極リ
ード6を設け、また基板の大部分をコレクタ7と
して用い、その電極8を設けたものである。
As is clear from the figure, a base 2 and an emitter 3 are formed by diffusion on a single crystal semiconductor substrate 1 by planar technology, and an opening is formed in a silicon oxide insulating film 4, and an electrode lead 5 of the emitter and an electrode of the base are formed. A lead 6 is provided, and most of the substrate is used as a collector 7, and an electrode 8 is provided thereon.

このような構成において、光10はエミツタ3
上の酸化珪素絶縁膜4をとおして、単結晶半導体
のベース・エミツタ間の空乏層領域に導かれ、こ
の部分でフオトキヤリアを発生させる。
In such a configuration, the light 10 is transmitted to the emitter 3
The light is guided through the upper silicon oxide insulating film 4 to the depletion layer region between the base and emitter of the single crystal semiconductor, and photocarriers are generated in this portion.

『発明が解決しようとする課題』 かかる構造においては、入射光10に対し、エ
ミツタ3が高濃度のN+導電型であり、かつその
Eg(光学的エネルギーバンド巾を以下Egという)
は、例えば半導体として、珪素を使用した場合に
あつては1.1eVであるため、このエミツタ領域で
の光の吸収損失が多い。
``Problems to be Solved by the Invention'' In such a structure, the emitter 3 has a high concentration of N + conductivity type with respect to the incident light 10, and
Eg (optical energy band width is hereinafter referred to as Eg)
is, for example, 1.1 eV when silicon is used as the semiconductor, so there is a large amount of light absorption loss in this emitter region.

さらに、珪素半導体を使用した場合ではその光
照射10による活性領域(エミツタ・ベース間の
空乏層領域)の厚さ方向の巾が高濃度のN+型エ
ミツタ(不純物濃度1019〜1021cm-3)、−P型ベース
(不純物濃度1018cm-3)のために、きわめて薄い
厚さでしか形成されない。
Furthermore, when a silicon semiconductor is used, the width in the thickness direction of the active region (depletion layer region between the emitter and base) due to the light irradiation 10 becomes an N + type emitter with a high concentration (impurity concentration 10 19 to 10 21 cm - 3 ), - Due to the P-type base (impurity concentration 10 18 cm -3 ), it is formed only in an extremely thin thickness.

しかし、従来のフオトトランジスタ機能を持つ
光電変換装置は単結晶半導体を使用しているた
め、間接遷移型であり、また可視光に対する吸収
係数も非常に小さい。即ち、フオトキヤリアを多
数発生させるには、この空乏層領域の厚みが厚い
ことが必要であるにもかかわらず、前述のような
理由で〜0.1μmと薄くしか形成されない。このた
め、フオトキヤリアの発生確率が非常に小さいと
いう問題があつた。さらに、珪素半導体を使用し
た場合、そのEgが1.1eVであるため、人間の視感
度特性より離れてしまい、長波長光に対する光感
度が高くなつていた。
However, since the conventional photoelectric conversion device having a phototransistor function uses a single crystal semiconductor, it is an indirect transition type, and the absorption coefficient for visible light is also very small. That is, although the depletion layer region needs to be thick in order to generate a large number of photo carriers, it is only formed as thin as ~0.1 μm for the reasons mentioned above. For this reason, there was a problem that the probability of occurrence of photocarriers was extremely small. Furthermore, when a silicon semiconductor is used, its Eg is 1.1 eV, which deviates from the human visual sensitivity characteristic, resulting in high photosensitivity to long wavelength light.

これらの欠点のため、メカトロニクスの光セン
サ等への使用は十分なものではなく、また光通信
用の受光素子としてもさらに光感度のすぐれたフ
オトトランジスタ機能を持つ光電変換装置が求め
られていた。
Because of these drawbacks, their use in mechatronic optical sensors and the like has not been satisfactory, and there has been a demand for photoelectric conversion devices with phototransistor functions with even better photosensitivity as light-receiving elements for optical communications.

『課題を解決するための手段』 本発明はかかる欠点を補つたものである。"Means to solve problems" The present invention compensates for these drawbacks.

本発明では、単結晶の半導体、例えば珪素半導
体が1.1eVのEgを有し、赤外光の検出は可能で
も、可視光の視感度が十分ではない。また赤外光
であつても、単結晶半導体の光の吸収係数が小さ
いため、フオトキヤリアが十分発生しない。
In the present invention, a single crystal semiconductor, such as a silicon semiconductor, has an Eg of 1.1 eV, and although it is possible to detect infrared light, the visibility of visible light is not sufficient. Furthermore, even in the case of infrared light, photocarriers are not sufficiently generated because the light absorption coefficient of a single crystal semiconductor is small.

このため、従来より知られていた単結晶半導体
を用いたフオトトランジスタをさらに改良し、こ
の光感領域のエミツタまたはエミツタベース間の
空乏層領域(本明細書においては、これらを総称
してエミツタ領域という)に対し、光吸収係数の
大きな非単結晶半導体を用いたことを特徴として
いる。
For this reason, we have further improved the conventionally known phototransistor using a single-crystal semiconductor, and created a depletion layer region between the emitter of the photosensitive region or the emitter base (hereinafter, these are collectively referred to as emitter regions). ), it is characterized by the use of a non-single crystal semiconductor with a large light absorption coefficient.

すなわち単結晶半導体を設けられた一導電型の
コレクタ領域とこのコレクタ領域上にコレクタ領
域とは逆導電型の単結晶半導体のベース領域と、
このベース領域上に水素またはハロゲン元素が添
加された光照射により光起電力を発生する非単結
晶半導体で構成されたエミツタ領域が設けられた
光電変換装置である。
That is, a collector region of one conductivity type provided with a single crystal semiconductor, a base region of a single crystal semiconductor of a conductivity type opposite to the collector region on this collector region,
This photoelectric conversion device is provided with an emitter region made of a non-single crystal semiconductor that generates photovoltaic force upon irradiation with light doped with hydrogen or a halogen element on the base region.

かかるエミツタ領域に非単結晶半導体として、
真性または実質的に真性(1015〜1017cm-3の低い
濃度にPまたはN型用の不純物が添加された)の
光吸収係数の大きなフオトキヤリア発生用の半導
体(以下、単にI型半導体層またはI層という)
と、この半導体層上にエミツタ電極機能を有する
PまたはN型半導体層とを設ける。
As a non-single crystal semiconductor in such an emitter region,
Semiconductors for generating photocarriers (hereinafter simply referred to as I-type semiconductors) with a large light absorption coefficient that are intrinsic or substantially intrinsic (P- or N-type impurities are added at a low concentration of 10 15 to 10 17 cm -3) . layer or I layer)
and a P- or N-type semiconductor layer having an emitter electrode function is provided on this semiconductor layer.

さらにこのPまたはN型の半導体層を、I型に
比べて広いEgを有する半導体、例えばSiXC1-X
(0<x<1)を用いたり、または光の吸収損失
の少ない50〜200Åの大きさの結晶粒径を持つマ
イクロポリクリスタルまたは一軸単結晶性を有す
る繊維構造の多結晶半導体を用いることができ、
このためエミツタ側より入射する光が有効にI層
に到達し、フオトキヤリアを多数発生せしめるこ
とも可能な構成である。
Furthermore, this P or N type semiconductor layer is made of a semiconductor having a wider Eg than the I type, such as Si X C 1-X
(0<x<1), or use a micro-polycrystalline semiconductor with a crystal grain size of 50 to 200Å with low light absorption loss or a polycrystalline semiconductor with a fiber structure having uniaxial single crystallinity. I can,
Therefore, the structure allows light incident from the emitter side to effectively reach the I layer and generate a large number of photo carriers.

また、このコレクタ領域に単結晶半導体よりな
る複数のベース領域とこのベース領域上に非単結
晶半導体よりなる複数のエミツタ領域を設けさら
に、この各々のエミツタ領域の光照射面側に特定
の波長範囲の光を透過するフイルターを設けるこ
とにより、色に対する感度を持つセンサーを実現
できる。さらに、このフイルターを赤、緑、青等
の光の要素に対応するように設けることにより、
人間の色感度と同程度のセンサーを実現できる。
Further, a plurality of base regions made of a single crystal semiconductor are provided in the collector region, and a plurality of emitter regions made of a non-single crystal semiconductor are provided on the base region, and each emitter region has a specific wavelength range on the light irradiation surface side. By providing a filter that transmits this light, it is possible to create a sensor that is sensitive to color. Furthermore, by providing this filter to correspond to light elements such as red, green, and blue,
It is possible to create a sensor with the same level of color sensitivity as humans.

特に、この光活性半導体層として、I層にアモ
ルフアスまたは半非晶質の半導体を用いるため、
そのEgは、珪素にあつては、1.6〜1.8eVを有し、
その光吸収係数も単結晶珪素に比べて約10倍も大
きい。このため可視光に対し、きわめて変換効率
が高く、また光感特性も人間の視感度と同一であ
るため、『光増幅機能を有する人間の目』の代行
をさせることができる。
In particular, since an amorphous or semi-amorphous semiconductor is used in the I layer as the photoactive semiconductor layer,
Its Eg is 1.6 to 1.8 eV for silicon,
Its light absorption coefficient is also approximately 10 times larger than that of single crystal silicon. Therefore, it has extremely high conversion efficiency for visible light, and its photosensitivity characteristics are the same as human visibility, so it can act as a ``human eye with a light amplification function.''

また、光活性半導体層としてのI層に、アモル
フアス構造または半非晶質構造の半導体を使用で
き、かつ使用する材料を変更することで任意の波
長帯を選択することができる。例えば、ゲルマニ
ユームの場合そのEgが1〜1.2eVの範囲、また
SixGe1-x(0<X<1)では1.1〜1.8eVの間の任
意の波長帯を、さらにSixSn1-x(0<x<1)で
は0.5〜1.8eVの間の任意の波長帯を選択すること
ができる。このため、光フアイバーを用いた光通
信用の受光センサとしてきわめて好都合である。
Further, a semiconductor having an amorphous structure or a semi-amorphous structure can be used for the I layer as a photoactive semiconductor layer, and an arbitrary wavelength band can be selected by changing the material used. For example, in the case of germanium, its Eg is in the range of 1 to 1.2 eV, and
For Si x Ge 1 -x (0 < wavelength range can be selected. Therefore, it is extremely convenient as a light receiving sensor for optical communications using optical fibers.

また、フオトトランジスタ構造においては、エ
ミツタ・ベース間には順方向バイアスが加わる。
このため、アモルフアス半導体の如き非単結晶半
導体にあつては、逆方向耐圧を約〜5V、あるい
は順方向においては0.5〜2Vしか加わらないため
信頼性上何ら支障がない。他方、ベース・コレク
タ間には〜200V代表的には10〜20Vが印加され
る。しかしこれはPN接合またはPIN接合を設け、
加えて単結晶半導体における格子欠陥を除去する
ことにより、20〜200Vの耐圧は何ら支障なく実
用上耐えることができる。
Further, in the phototransistor structure, a forward bias is applied between the emitter and the base.
Therefore, in the case of a non-single crystal semiconductor such as an amorphous semiconductor, the reverse breakdown voltage is about 5 V, or only 0.5 to 2 V is applied in the forward direction, so there is no problem in terms of reliability. On the other hand, ~200V, typically 10-20V, is applied between the base and collector. However, this provides a PN junction or a PIN junction,
In addition, by removing lattice defects in single crystal semiconductors, it is possible to withstand voltages of 20 to 200 V in practical use without any problems.

このことより、順方向バイアスが印加される空
乏層領域には水素またはハロゲン元素が添加され
た非単結晶半導体が用いられ、また逆バイアスが
印加される領域はその耐圧向上と、逆方向バイア
ス印加時のリーク電流を10-9〜10-11A(10V印加
の場合)の程度にまで減少を計ることができる。
For this reason, a non-single crystal semiconductor doped with hydrogen or a halogen element is used for the depletion layer region to which forward bias is applied, and a non-single crystal semiconductor doped with hydrogen or halogen is used for the region to which reverse bias is applied. The leakage current can be measured to be reduced to 10 -9 to 10 -11 A (when 10 V is applied).

これは、もしこのベース・コレクタ間の空乏層
領域に非単結晶半導体を用いた場合、得られる電
流として10-4〜10-6A(5V印加の場合)を得るこ
とができることになり、本発明のように単結晶半
導体を非単結晶半導体と複合化したことは、それ
ぞれ長所を互いに出し合い、またそれぞれの短所
を互いに補い合うことができ、その構成効果は著
しいものがある。
This means that if a non-single-crystal semiconductor is used in the depletion layer region between the base and collector, a current of 10 -4 to 10 -6 A (when 5V is applied) can be obtained. By combining a single-crystal semiconductor with a non-single-crystal semiconductor as in the invention, the advantages of each semiconductor can be brought out and the shortcomings of each can be compensated for, and the structural effect is remarkable.

以下に図面に従つてその実施例を示す。 Examples are shown below according to the drawings.

実施例 1 第2図は本発明の光電変換装置の製造工程を示
すたて断面図である。
Example 1 FIG. 2 is a vertical sectional view showing the manufacturing process of the photoelectric conversion device of the present invention.

第2図Aにおいて、単結晶半導体基板として
(100)面をする珪素半導体を用いた。この基板1
はN+型の半導体層7とN型(I型またはN-型を
含む)半導体17とよりなつている。さらにこの
表面を1100℃の酸素中にて熱酸化し、酸化珪素膜
4を0.1〜0.5μmの厚に形成し、これをマスクと
してP型不純物を選択的に200Å〜1μmの厚さに
ドープした。
In FIG. 2A, a silicon semiconductor having a (100) plane was used as a single crystal semiconductor substrate. This board 1
is made up of an N + type semiconductor layer 7 and an N type (including I type or N type) semiconductor layer 17 . Further, this surface was thermally oxidized in oxygen at 1100°C to form a silicon oxide film 4 with a thickness of 0.1 to 0.5 μm, and using this as a mask, P-type impurities were selectively doped to a thickness of 200 Å to 1 μm. .

このドープは例えばBSG(ボロンガラス)を使
用しての熱拡散法であつても、またイオン注入法
で形成させてもよい。
This dope may be formed, for example, by a thermal diffusion method using BSG (boron glass) or by an ion implantation method.

かくして第2図Aの単結晶半導体1はコレクタ
機能を有するN-N基板と、その上部に単結晶半
導体よりなるベース2を構成させている。さらに
かかる単結晶半導体のベース2上に真性または
1015〜1017cm-3の濃度に価の不純物、例えばホ
ウ素が添加された実質的に真性の非単結晶半導体
層を500〜5000Åの厚さにプラズマCVD法により
形成させた。
Thus, the single crystal semiconductor 1 shown in FIG. 2A comprises an N - N substrate having a collector function, and a base 2 made of a single crystal semiconductor on top of the N - N substrate. Further, on the base 2 of such a single crystal semiconductor, an intrinsic or
A substantially intrinsic non-single crystal semiconductor layer doped with a valent impurity such as boron at a concentration of 10 15 to 10 17 cm -3 was formed to a thickness of 500 to 5000 Å by plasma CVD.

この非単結晶半導体として水素またはハロゲン
元素例えばフツ素または塩素の添加されたアモル
フアスまたは半非晶質の珪素を主成分とする半導
体を作製する場合、シランまたはジクロールシラ
ンまたはフツ化珪素ガスを13.56MHzの周波数を
持つ高周波電力を加え、グロー放電法により100
〜350℃の温度で形成させた。
When producing a semiconductor whose main component is amorphous or semi-amorphous silicon to which hydrogen or a halogen element such as fluorine or chlorine is added as this non-single crystal semiconductor, silane, dichlorosilane or silicon fluoride gas is used at 13.56 By applying high frequency power with a frequency of MHz and using the glow discharge method,
Formed at a temperature of ~350°C.

この半非晶質の半導体に関しては、本発明人の
出願になる特許願(セミアモルフアス半導体特願
昭55−26388)に示されている。
This semi-amorphous semiconductor is disclosed in a patent application filed by the present inventor (Semi-Amorphous Semiconductor Patent Application 1988-26388).

さらにこの上面に繊維構造を有するN型の非単
結晶半導体層12を100〜300Åの厚さに形成させ
た。
Furthermore, an N-type non-single crystal semiconductor layer 12 having a fiber structure was formed on the upper surface to a thickness of 100 to 300 Å.

この繊維構造を有する半導体は、一軸方向に単
結晶性を有するもので、200〜250℃の低温でも5
〜10Wの低い高周波出力で作ることができる。こ
の繊維構造を有する半導体は、本発明人の出願に
なる特許願(繊維構造を有する半導体およびその
作製方法 特許願57−87801 S57.5.24)に示され
ている。さらにまた、本発明人は1982年秋の第43
回応用物理学会学術講演会にて、この繊維構造を
有する半導体について発表を予定しており、その
発表よおび予稿集を参照されたい。
This semiconductor with a fiber structure has single crystallinity in the uniaxial direction, and even at low temperatures of 200 to 250 degrees Celsius,
Can be made with low high frequency power of ~10W. This semiconductor having a fiber structure is disclosed in a patent application filed by the present inventor (Semiconductor having a fiber structure and its manufacturing method Patent Application No. 57-87801 S57.5.24). Furthermore, the inventors of the present invention
We are planning to make a presentation on semiconductors with a fiber structure at the Japan Society for Applied Physics conference, so please refer to the presentation and the proceedings.

この繊維構造を有する半導体は、Egとして1.5
〜1.8eVを有しながらも、その光吸収係数が単結
晶半導体と同程度に小さく、また電気伝導度も10
〜300(Ωcm)-1ときわめて大きな値を有するため、
本発明のフオトトランジスタのエミツタを構成さ
せるには好都合である。
A semiconductor with this fiber structure has an Eg of 1.5
~1.8 eV, its optical absorption coefficient is as small as that of a single crystal semiconductor, and its electrical conductivity is 10
Since it has an extremely large value of ~300 (Ωcm) -1 ,
This is convenient for constructing the emitter of the phototransistor of the present invention.

また、このN層12をアモルフアス珪素半導体
で形成させると、その吸収係数が大きいため、フ
オトキヤリアを発生する空乏層領域に十分光が到
達せず好ましくない。このため、この半導体とし
て、珪素単体では前述のような光吸収係数の小さ
いマイクロポリクリスタル(結晶粒径100〜300
Å)または繊維構造を有する半導体を使用するこ
とが有効である。
Furthermore, if the N layer 12 is formed of an amorphous silicon semiconductor, its absorption coefficient is large, so light does not reach the depletion layer region where photocarriers occur sufficiently, which is not preferable. For this reason, when using silicon alone as a semiconductor, micropolycrystals (crystal grain sizes of 100 to 300
Å) It is effective to use a semiconductor having a fiber structure.

また、このN層12としてアモルフアス半導体
を用いる場合は、I層11に比べ大きいエネルギ
ーバンド巾をSixC1-x(0<x<1)等により作製
して、W(N型半導体層)−N(I型半導体層)
(WIDE Eg−NARROW Eg)構造とすれば、こ
のN型半導体層12での光吸収による透過光の減
少を少なくし、空乏層領域に到達する光の量を大
きくさせることができた。
In addition, when an amorphous semiconductor is used as the N layer 12, a W (N type semiconductor layer) with a larger energy band width than that of the I layer 11 is produced by using Si x C 1-x (0<x<1) or the like. -N (I-type semiconductor layer)
With the (WIDE Eg-NARROW Eg) structure, it was possible to reduce the decrease in transmitted light due to light absorption in this N-type semiconductor layer 12 and increase the amount of light reaching the depletion layer region.

第2図Bでは、さらにこの上面に透明導電膜1
3例えばITO(酸化スズが0〜10%添加された酸
化インジユーム)を600〜750Åの厚さに電子ビー
ム光を蒸着法により形成した。この後フオトマス
ク14を使用して、ITO13、N層12、I層1
1を選択的にエツチングし、エミツタ領域を形成
する。
In FIG. 2B, a transparent conductive film 1 is further formed on this upper surface.
3 For example, ITO (indium oxide to which 0 to 10% tin oxide is added) is formed to a thickness of 600 to 750 Å by vapor deposition using an electron beam. After this, using a photomask 14, ITO 13, N layer 12, I layer 1
1 is selectively etched to form an emitter region.

さらに第2図Cにおいて示される如く、この半
導体上にフオトレジストをコーテイングし、選択
的に穴あけを行い、穴の部分にアルミニユームを
真空蒸着し、リフトオフすることにより、エミツ
タを構成する透明導電膜電極13よりエミツタリ
ード5を作製し、同時にベース2よりベースリー
ド6を作製した。
Furthermore, as shown in FIG. 2C, a photoresist is coated on this semiconductor, holes are selectively made, aluminum is vacuum-deposited in the holes, and aluminum is then lifted off to form a transparent conductive film electrode that forms an emitter. An emitter lead 5 was made from No. 13, and a base lead 6 was made from base 2 at the same time.

この実施例において、アルミニユーム電極をリ
フトオフ法で作製したのは、真空蒸着の際ITO中
にアルミニユームが会合化して含侵し、透明導電
膜の光透過率が低下することを防ぐのが目的であ
る。
In this example, the aluminum electrode was fabricated by the lift-off method in order to prevent aluminum from associating and impregnating ITO during vacuum evaporation, thereby preventing the light transmittance of the transparent conductive film from decreasing.

最後に第2図Cに示される如く、酸化珪素膜1
5を約0.5μmの厚さにオーバーコートした。この
酸化珪素膜も、プラズマ気相法または真空蒸着法
により形成した。基板は非単結晶半導体層の形成
温度は300℃以下の温度として、かかる半導体中
の水素等の再結合中心中和用元素の外部への放出
による信頼性低下を防いだ。
Finally, as shown in FIG. 2C, the silicon oxide film 1
5 was overcoated to a thickness of about 0.5 μm. This silicon oxide film was also formed by a plasma vapor phase method or a vacuum evaporation method. The non-single crystal semiconductor layer of the substrate was formed at a temperature of 300° C. or lower to prevent a decrease in reliability due to release of recombination center neutralizing elements such as hydrogen in the semiconductor to the outside.

かくした後、半導体基板1の裏面にコレクタ領
域用の取り出し電極8をアルミニユームで形成し
た後、外部引き出し電極16をボンデイングし
て、フオトトランジスタ機能を持つ光電変換装置
を構成させることができた。
After this, the extraction electrode 8 for the collector region was formed of aluminum on the back surface of the semiconductor substrate 1, and then the external extraction electrode 16 was bonded to form a photoelectric conversion device having a phototransistor function.

第3図は第2図CのA−A′のたて断面の対応
してエネルギーバンド図を示している。
FIG. 3 shows an energy band diagram corresponding to the vertical section taken along line A-A' in FIG. 2C.

この図面において、ベース領域2、コレクタ領
域17,7は単結晶半導体1よりなり、エミツタ
領域のN型半導体12、I型活性層11はともに
非単結晶半導体3で構成されている。透明導電膜
13側より光10が照射され、電子29、ホール
31が発生する。
In this figure, a base region 2 and collector regions 17 and 7 are made of a single crystal semiconductor 1, and an N-type semiconductor 12 and an I-type active layer 11 in an emitter region are both made of a non-single crystal semiconductor 3. Light 10 is irradiated from the transparent conductive film 13 side, and electrons 29 and holes 31 are generated.

この時ベース領域2、エミツタ領域12間に
は、順方向バイアスが、またベース領域2、コレ
クタ領域17,7間には5〜50Vの逆方向バイア
スが印加される。かくすることにより、hfe
5000以上のフオトトランジスタ機能を持つ光電変
換装置を作ることができた。
At this time, a forward bias is applied between the base region 2 and the emitter region 12, and a reverse bias of 5 to 50 V is applied between the base region 2 and the collector regions 17 and 7. By doing so, h fe =
We were able to create a photoelectric conversion device with over 5000 phototransistor functions.

もちろん、光照射を行わない時には、単なるト
ランジスタとして作用させることができ、かかる
場合においても、ベース領域2(単結晶珪素半導
体ではそのEgが1.1eV)に比べてエミツタ領域1
2,11(Egは1.7〜2eV)はそのEgが大きいた
め、ベース領域よりエミツタ領域に逆向きに流れ
るホールがブロツキングされるため、単結晶半導
体のみで作るプレナー型のトランジスタに比べ
て、はるかにすぐれた増幅作用をさせることがで
きた。
Of course, when not irradiated with light, it can act as a simple transistor, and even in such a case, the emitter region 1
2,11 (Eg is 1.7 to 2eV) has a large Eg, so holes flowing in the opposite direction from the base region to the emitter region are blocked, making it much more effective than a planar transistor made only of single crystal semiconductors. We were able to achieve an excellent amplification effect.

特にこの実施例においては、活性層をアモルフ
アスまたは半非晶質の珪素を用いたため、視感度
が人間の目と同じであり、いわゆる従来にない可
視光用のフオトトランジスタを作ることができ
た。
In particular, in this example, since amorphous or semi-amorphous silicon was used for the active layer, the visibility was the same as that of the human eye, making it possible to create a so-called unprecedented phototransistor for visible light.

実施例 2 この実施例は第2図に示すような製造工程にお
いて活性半導体層11の形成に非単結晶ゲルマニ
ユームを用いたものである。かくすることによ
り、そのエネルギーバンド巾は1eVを有し、非単
結晶半導体のためその光の吸収係数も大きい。こ
のため、赤外用のセンサとしてすぐれたものであ
つた。
Example 2 In this example, non-single crystal germanium was used to form the active semiconductor layer 11 in the manufacturing process shown in FIG. As a result, its energy band width is 1 eV, and since it is a non-single crystal semiconductor, its light absorption coefficient is also large. For this reason, it was an excellent sensor for infrared light.

即ち、第2図Aに示すように半導体基板中にベ
ース領域2を形成した後、プラズマ気相法により
200〜300℃の温度でゲルマン気体を導入し、ベー
ス領域2上に500〜5000Åの厚さに活性ゲルマニ
ユーム層11を積層したものである。またエミツ
タ領域のN型半導体12は、N+の繊維構造の珪
素非単結晶半導体を用いた。かくすることによ
り、N型半導体層(1.7eV)−活性層(1.0eV)の
W−N構造を有しかつN+層の光吸収係数が小さ
いため、多くの赤外光を活性ゲルマニユーム層1
1に供給することができた。
That is, after forming the base region 2 in the semiconductor substrate as shown in FIG. 2A, the base region 2 is formed by plasma vapor phase method.
Germanium gas is introduced at a temperature of 200 to 300°C, and an active germanium layer 11 is laminated on the base region 2 to a thickness of 500 to 5000 Å. Further, as the N-type semiconductor 12 in the emitter region, a silicon non-single crystal semiconductor having an N + fiber structure was used. By doing this, it has a W-N structure of N-type semiconductor layer (1.7 eV) - active layer (1.0 eV) and the light absorption coefficient of the N + layer is small, so much infrared light is transmitted to the active germanium layer 1.
We were able to supply 1.

この工程以外は実施例1に基づいて作製した。 The fabrication process other than this step was based on Example 1.

かくして、赤外検出用で逆方向のリーク電流が
10-9A以下のhfe=〜104のフオトトランジスタを
作ることができ、本実施例の場合、特にNPN
(NIPIN型を含む)であるため、キヤリアが電子
であり、その周波数応答速度が速く、光通信用の
受光センサとしての使用も可能になつた。
Thus, leakage current in the reverse direction is reduced for infrared detection.
A phototransistor with h fe = ~10 4 of 10 -9 A or less can be made, and in the case of this example, especially NPN
(including the NIPIN type), the carrier is electronic, and its frequency response speed is fast, making it possible to use it as a light receiving sensor for optical communications.

実施例 3 第4図Aは本発明の他のフオトトランジスタ機
能を持つ光電変換装置のたて断面図を示す。
Embodiment 3 FIG. 4A shows a vertical sectional view of another photoelectric conversion device having a phototransistor function according to the present invention.

図において、受光部が大面積(1cm2以上)を有
するため、エミツタ領域のN型半導体層12上の
透明導電膜13上に補助電極18が10〜30μmの
巾で200〜1000μmの間隔をおいて設けられてい
る。また、バイアス電圧はエミツタ領域3−コレ
クタ領域7間に電極16,8より印加し、結果と
してエミツタ領域のN型半導体層12−活性層1
1−ベース領域2間は順方向に、またP型のベー
ス領域2−IまたはN-型の半導体層17−N+
のコレクタ領域7には逆方向バイアスがかかり、
ベースの電極は設けていない。これでも十分なフ
オトトランジスタ効果を確認することができた。
In the figure, since the light receiving part has a large area (1 cm 2 or more), auxiliary electrodes 18 are placed on the transparent conductive film 13 on the N-type semiconductor layer 12 in the emitter region with a width of 10 to 30 μm and an interval of 200 to 1000 μm. They are set up. Further, a bias voltage is applied between the emitter region 3 and the collector region 7 from the electrodes 16 and 8, and as a result, the N-type semiconductor layer 12 in the emitter region and the active layer 1
1 - base region 2 in the forward direction, and P type base region 2 - I or N - type semiconductor layer 17 - N + type collector region 7 is biased in the reverse direction.
No base electrode is provided. Even with this, a sufficient phototransistor effect could be confirmed.

この実施例において、活性層11は半導体層全
体にわたつて形成している。またこの活性層11
を非単結晶珪素として可視光を、また非単結晶ゲ
ルマニユームまたSixSn1-x(0<x<1)、Six
Pb1-x(0<x<1)として赤外または可視−赤外
領域の検出と使い分けることが好ましい。
In this embodiment, the active layer 11 is formed over the entire semiconductor layer. Also, this active layer 11
visible light as non-single-crystal silicon, and non-single-crystal germanium, Si x Sn 1-x (0<x<1), Si x
It is preferable to use Pb 1-x (0<x<1) for detection in the infrared or visible-infrared region.

実施例 4 第4図Bは、本発明の他の光電変換装置を示し
ている。
Example 4 FIG. 4B shows another photoelectric conversion device of the present invention.

この図面においては、N型のコレクタ領域7、
N-層17、P型のベース領域2は単結晶珪素半
導体1により構成されエミツタ領域は非単結晶半
導体3により活性層11が設けられている。本実
施例では、たの実施例とは異なり、この上のN層
の製造を省略したものである。図面ではアルミニ
ユームのくし型電極18をリフトオフ法で作製
し、その上面をSiOまたはTiO2を電子ビーム蒸着
法で作製して反射防止膜を形成させている。
In this drawing, an N-type collector region 7,
The N layer 17 and the P type base region 2 are made of a single crystal silicon semiconductor 1, and the emitter region is provided with an active layer 11 made of a non-single crystal semiconductor 3. In this embodiment, unlike the previous embodiments, the manufacture of the N layer above this is omitted. In the drawing, an aluminum comb-shaped electrode 18 is manufactured by a lift-off method, and an anti-reflection film is formed on its upper surface by depositing SiO or TiO 2 by an electron beam evaporation method.

さらに、この構成に加えて、活性層11と電極
18との間に、トンネル電流を流し得る2〜20Å
の厚さの窒化珪素、炭化珪素膜を作製しMIS構造
としてもよい。
Furthermore, in addition to this configuration, a distance of 2 to 2 Å can be used to flow a tunnel current between the active layer 11 and the electrode 18.
It is also possible to fabricate a silicon nitride or silicon carbide film with a thickness of .

その他は実施例1、2と同様である。 The rest is the same as in Examples 1 and 2.

実施例 5 第4図Cは本発明の他の実施例を示す。Example 5 FIG. 4C shows another embodiment of the invention.

本実施例はコレクタ領域内に複数のベース領域
を構成させてできたものである。
This embodiment is constructed by configuring a plurality of base regions within the collector region.

図面においては、単結晶半導体のP型の3つの
ベース領域2,2′,2″がコレクタ領域7,17
上に設けられている。単結晶半導体基板1の上に
非単結晶半導体3として活性層11、エミツタ領
域12、透明導電膜13が設けられ、外部引き出
し電極5がアルミニユームでできている。3つの
光電変換装置部分25,26,27はコレクタを
共有している。それらの入射光10側には、赤、
青、黄または赤、緑、黄等の3種類の色フイルタ
ー20,21,22が設けられ、それぞれの色感
度を選別して検出できるようになつた集積化構造
を有している。
In the drawing, three P-type base regions 2, 2', 2'' of a single crystal semiconductor are collector regions 7, 17.
is placed above. An active layer 11, an emitter region 12, and a transparent conductive film 13 are provided as a non-single crystal semiconductor 3 on a single crystal semiconductor substrate 1, and an external lead electrode 5 is made of aluminum. The three photoelectric conversion device parts 25, 26, 27 share a collector. On the incident light 10 side, red,
Three types of color filters 20, 21, and 22, such as blue, yellow, or red, green, and yellow, are provided, and the device has an integrated structure in which the sensitivity of each color can be selected and detected.

かかる構造の光電変換装置により、人間の目と
同様の色の識別が可能となり、その信号を増幅し
て検出することができるようになつた。
A photoelectric conversion device with such a structure has made it possible to distinguish colors in the same way as the human eye, and it has become possible to amplify and detect the signals.

もちろん、コレクタを共有せず、それぞれ独立
型としたいわゆる集積化構造としてもよいことは
いうまでもない。
Of course, it goes without saying that a so-called integrated structure in which the collectors are not shared and each is independent may also be used.

さらに、エミツタ側をベース、コレクタに比べ
て広いEgを持つ半導体を使用したことにより、
トランジスタとしての1/fノイズの減少、また
hfeの増加を同時に成就することができた。
Furthermore, by using a semiconductor with a wider Eg than the base and collector on the emitter side,
Reduction of 1/f noise as a transistor, and
It was possible to simultaneously increase h and fe .

本発明の実施例においては、NPN、NIPNま
たはNIPIN型とした。これは非単結晶半導体の
キヤリア移動度はホールが電子に比べて数十分の
一しかないことにある。しかし、このホールを用
いたPNP型(PINIP型を含む)を作製してもよ
いことはいうまでもない。
In the examples of the present invention, NPN, NIPN or NIPIN type was used. This is because the carrier mobility of holes in non-single crystal semiconductors is only a few tenths of that of electrons. However, it goes without saying that a PNP type (including PINIP type) using this hole may also be produced.

『発明の効果』 以上の説明より明らかな如く、本発明は単結晶
半導体の特徴と、非単結晶半導体の特徴とを相互
に組み合わせて、これまでにない高耐圧、微小リ
ーク特性を持ち、かつ視可得が人間の目にあつた
光感度の高い光電変換装置を作ることができた。
``Effects of the Invention'' As is clear from the above explanation, the present invention combines the characteristics of single crystal semiconductors and the characteristics of non-single crystal semiconductors, and has unprecedented high breakdown voltage and micro leakage characteristics. We were able to create a photoelectric conversion device with high light sensitivity that is visible to the human eye.

さらに、エミツタ側をベース、コレクタに比べ
て広いEgを持つ半導体を使用したことにより、
トランジスタとしての1/fノイズの減少、また
hfeの増加を同時に成就することができた。
Furthermore, by using a semiconductor with a wider Eg than the base and collector on the emitter side,
Reduction of 1/f noise as a transistor, and
It was possible to simultaneously increase h and fe .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のフオトトランジスタのたて断面
図を示す。第2図は本発明の光電変換装置の作製
工程を示す。第3図は第2図Cに対応してエネル
ギーバンド図である。第4図は本発明の他の光電
変換装置のたて断面図を示す。
FIG. 1 shows a vertical sectional view of a conventional phototransistor. FIG. 2 shows the manufacturing process of the photoelectric conversion device of the present invention. FIG. 3 is an energy band diagram corresponding to FIG. 2C. FIG. 4 shows a vertical sectional view of another photoelectric conversion device of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 コレクタ領域となる一導電型の半導体領域を
有する単結晶半導体基板と、前記基板に設けられ
た前記コレクタ領域とは逆導電型の単結晶半導体
のベース領域と、該ベース領域上の少なくとも一
部に水素またはハロゲン元素が添加され光照射に
より光起電力を発生する非単結晶半導体で構成さ
れたエミツタ領域とが設けられたことを特徴とす
る光電変換装置。 2 特許請求の範囲第1項において、前記エミツ
タ領域は、真性または実質的に真性の半導体層
と、前記半導体層上に前記ベース領域とは逆導電
型の半導体層を積層して設けられたことを特徴と
する光電変換装置。 3 コレクタ領域となる一導電型の半導体領域を
有する単結晶半導体基板と、前記基板に複数設け
られた前記コレクタ領域とは逆導電型の単結晶半
導体のベース領域と、該ベース領域上の少なくと
も一部に水素またはハロゲン元素が添加され光照
射により光起電力を発生する非単結晶半導体で構
成された複数のエミツタ領域と、前記エミツタ領
域の各々の光照射面側に特定の波長範囲の光を透
過させるフイルターとが設けられたことを特徴と
する光電変換装置。 4 特許請求の範囲第3項において、前記エミツ
タ領域は、真性または実質的に真性の半導体層
と、前記半導体層上に前記ベース領域とは逆導電
型の半導体層を積層して設けられたことを特徴と
する光電変換装置。
[Scope of Claims] 1. A single crystal semiconductor substrate having a semiconductor region of one conductivity type serving as a collector region, a base region of a single crystal semiconductor of a conductivity type opposite to that of the collector region provided on the substrate, and a base region of a single crystal semiconductor of a conductivity type opposite to that of the collector region. 1. A photoelectric conversion device comprising: an emitter region made of a non-single crystal semiconductor doped with hydrogen or a halogen element on at least a portion of the region and generating photovoltaic force upon irradiation with light. 2. In claim 1, the emitter region is provided by laminating an intrinsic or substantially intrinsic semiconductor layer and a semiconductor layer of a conductivity type opposite to that of the base region on the semiconductor layer. A photoelectric conversion device characterized by: 3. A single crystal semiconductor substrate having a semiconductor region of one conductivity type serving as a collector region, a base region of a single crystal semiconductor of a conductivity type opposite to the plurality of collector regions provided on the substrate, and at least one semiconductor region on the base region. A plurality of emitter regions made of a non-single crystal semiconductor doped with hydrogen or a halogen element and which generates photovoltaic force upon irradiation with light, and light in a specific wavelength range on the light irradiation surface side of each of the emitter regions. A photoelectric conversion device characterized by being provided with a filter that transmits light. 4. In claim 3, the emitter region is provided by laminating an intrinsic or substantially intrinsic semiconductor layer and a semiconductor layer of a conductivity type opposite to that of the base region on the semiconductor layer. A photoelectric conversion device characterized by:
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