JPH0729649Y2

JPH0729649Y2 - 光電変換装置

Info

Publication number: JPH0729649Y2
Application number: JP1120089U
Authority: JP
Inventors: 文紀山口; 賢時冨田; 佳照新田; 裕明久保; 聖也田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2004-01-31
Also published as: JPH02102747U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案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。

〔考案の背景〕

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
度係数が小さく、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−Ｉ−Ｎ
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
はバイアス電圧電源である。

透明基板51上に、透明導電膜52、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非
晶質半導体層53a、53b及び金属電極54a、54b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を介在してバイアス
電圧が印加されるようバイアス電圧電源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とバイアス電圧電源57の印加電圧V_b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、 V_b＝ｉ・（nKT/q）・｛1n（i/I_s＋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 K:ボルツマン定数 T:絶対温度 q:電子の電荷 I_s：積層体の飽和電流である。

そして、点ｘにおける電圧をV_xとすると、 V_x＝ｉ・Ｒ＝V_b−（nKT/q）・｛1n（i/I_s＋１）｝−
となる。

また、V_outはV_xと積層体ｂの開放電圧V_OCとの和とな
る。

また、積層体ｂの開放電圧V_OCは、 V_OC＝（nKT/q）・｛1n（I_p／I_s＋１）｝−で表され
る。

ここで、I_p：積層体ｂの光電流即ち、出力電圧V_outは、式及び式から、 V_out＝V_b−（nKT/q）・｛（1n（i/I_s＋１）｝＋（nKT/
q）・｛1n（I_p／I_s＋１）｝−となる。

式において、I_sは温度変化に対して指数的に変化する
ため、開放電圧V_OCは温度に対して逆比例し、その温度
係数は−2.7mW/℃程度の値を示す。ここで式におい
て、第２項、第３項にはそれぞれi/I_s、I_p／I_sという成
分が有り、温度変化に対してI_s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V_OC単独に比べ、I_sの変化分が幾分相殺される
とになり、出力電圧V_outの温度係数は小さくなる。

しかし、積層体の非晶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_aと積層体ｂの
非晶質半導体層53bのダイオード値n_bとに弱干の差が生
じる。このため、積層体ａと積層体ｂ間で諸特性がばら
ついてしまう。これは、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。一例として、受光部の積層体ｂのダイオー
ド間n_b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n_aは1.0〜1.5の間でばらついてしまう。

〔本考案の目的〕

本考案は、上述の背景に鑑み案出されたものであり、そ
の目的は、受光部側及び遮光体側の積層体のｎ値のばら
つきを抑え、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考案によれば、透明導電
膜を被着した透明基板上に、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質
半導体層と金属電極とを重畳して成なる２つの積層体を
形成し、該透明導電膜を介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
イアス電圧を印加する電源及びバイパス抵抗成分を設け
た光電変換装置において、前記透明導電膜とＰ−Ｉ−Ｎ
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光電変換装置が提供される。

〔実施例〕

以下、本考案の光電変換装置を図面に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本考案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。

本考案の光電変換装置は、透明基板１上に、透明導電膜
２、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質半導体層３及び金属電極
4a、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を介して接合方向を互
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。

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１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の一主面上にマスク
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の一主面上に金属酸化膜を被着した後フォト・エ
ッチング処理することにより形成される。

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−Ｉ−Ｎ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、Ｐ層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、Ｉ層はシランガスを反応ガスとして形成され、Ｎ層
はシランガスにフォスフィンなどの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間にリー
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
ている。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・エッ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ａ、ｂ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・エッチング処理時
に、金属電極4a、4b及び非晶質半導体層３をエッチング
する溶液に浸漬したり、またレジスト・エッチング処理
に続いて金属電極4a、4bを侵さず、非晶質半導体層３の
みをエッ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層３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
−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−Ｉ−Ｎ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−Ｉ−
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C
VD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−Ｉ−Ｎ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アス電圧が
積層体ａの金属電極4aと透明導電膜２間にバイアス電圧
を印加する際に、外部バイアス電圧と透明導電膜２間に
介在される。例えば、抵抗成分６は市販の抵抗素子を用
いてもよいが、積層体ａ、ｂ間の非晶質半導体層３を用
いて形成される。即ち、抵抗成分６は前記透明導電膜２
及び金属端子８に接続されたＩ型非晶質シリコン半導体
層７及びＩ−Ｎ接合した非晶質半導体層３である。透明
導電膜２と金属電極８に挟持された抵抗成分６は、Ｉ−
Ｎ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Ｉ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、Ｉ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
トエッ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Ｐ層とＩ層７が形成
され、その後前述のプラズマCVD法や光CVD法などの手法
でＩ層、Ｎ層の非晶質シリコン半導体層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ー障壁が形成され、整流
特性を示すので非晶質半導体層３やＩ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ィン
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
アス電圧の印加について説明する。

金属端子８と積層体ａの金属電極4aとの間に抵抗成分６
が接続される。さらに、抵抗成分６と積層体ａの金属電
極4aとの間には、直流のバイアス電圧９が積層体ａに対
して順方向に印加されている。

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＋で積層体ａに対して順方向にバイアス
電圧をかけておくと、出力（点Ａ、Ｂ間）V_outには、上
述のようにV_xと積層体ｂの開放電圧V_OCとの和になる。
即ち、出力電圧V_outは、上述の式より、V_out＝V_b−
（nKT/q）・｛1n（i/I_s＋１）｝＋（nKT/q）・｛1n（I_p
／I_s＋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ｂ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V_xの変化分より、いくぶんか相殺さ
れ、結局出力V_outの温度係数は積層体ｂの開放電圧の温
度係数よりも小さくなる。

今、抵抗成分６に1.5MΩの抵抗素子、バイアス電圧に1V
の電圧及び積層体ａ、ｂの受光面積を夫々1.1cm²に夫々
設定して出力Vabの温度係数を測定したところ、＋0.1mV
/℃〜＋0.17mV/℃であった。公知の単一の単一の積層体
を有するフォトダイオード型光センサーの温度係数であ
る−2.7mV/℃に比較して、1/10以上に抑えることがで
き、温度変化の大きい環境であっても正確な光量の検出
が可能となる。また、入射光量に対する出力Vab変化に
ついても、受光面積が1.1cm²、抵抗成分６が1.5MΩΩで
は、0.5Lux〜5000Luxの範囲では、照度の対数に比例す
る直線性が得られた。尚、0.5Lux以下及び50000Lux以上
と実用上無視できる領域で若干出力が下降する程度であ
った。

本考案の光電変換装置によれば、非晶質シリコン半導体
層７を介在させるため、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）は本考案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、非晶質半導体層３と遮光体55とが直接接する
従来の積層体の暗時電圧−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300Åに
設定した積層体ａの特性であり、暗電流値が約10^-10A/c
m²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ｂのｎ値は約1.524
であった。

第３図（ｂ）と第３図（ｃ）を比較すると、非晶質シリ
コン半導体層７を介在した本考案の光電変換装置に用い
る積層体ａの暗電流値は１桁も小さい。この時の積層体
ａのｎ値は約1.484（第３図（ｂ））に対して、非晶質
シリコン半導体層７を介在させない積層体のｎ値は約1.
088（第３図（ｃ））と約50％も小さく、且つばらつき
が大きくなってしまう。

第４図は、本考案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同一符号を付
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ｂ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となる。

第１図に示した光電変換装置同様に、本実施例では、抵
抗成分６を積層体ａ、ｂの製造過程で作成できるという
製造上の利点がある。さらに光入射光量が大きくなると
導電率が増加して、抵抗成分６の抵抗値が下がるという
利点がある。

これは、前述の光電変換装置の両積層体ａ、ｂの関係式
式、出力電圧V_out＝V_b−nKT/q）・｛1n（i/I_s＋１）｝＋（n
KT/q）・｛1n（I_p／I_s＋１）｝において、第２項のi/I_sと第３項のI_p／I_sの比率を入射光量に追従
させれば温度係数の入射光量依存性を小さくできるとい
うことになる。

上述の式の第１項及び第２項の式、即ち、積層体ｂと抵
抗成分６とバイアス電源から成る閉回路における関係式
式 V_x＝ｉ・Ｒ＝V_b−（nKT/q）・｛1n（i/I_s＋１）｝にお
いて、ｉ＝V_b−（nKT/q）・｛1n（i/I_s＋１）/R｝となる。

即ち、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。ただ
し、抵抗成分６のγ値が積層体ｂのI_pのγ値と同一にな
ってしまうと、式の第２項i/I_sと第３項I_p／I_sの比率
が光量の変化に対して常に一定となってしまうため、I_p
がγ＝１であるため、抵抗値Ｒをγ＜１にする必要があ
る。従って、第１図及び第４図の構成のように抵抗成分
６を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内で形成すると、入射光量に対する温度
係数を追従補正が可能となる。例えば、抵抗成分６を固
定抵抗値Ｒ＝1.5MΩ（γ＝０）、非晶質半導体層３内に
形成した抵抗成分（γ＝0.4とγ＝0.8）に夫々設定し、
0.1Lux及び10⁵Lux時の出力電圧V_out（Ｖ）及び温度係数
（mV/℃）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、0.1Lux時に固定抵抗値Ｒ＝1.5MΩと
成るように設定し、バイアス電圧V_b＝1.0V、積層体ａ、
ｂの有効面積＝１cm²、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形成すると、入射光量の増加に
伴う温度係数の変化を極小化でき、積層体ａ、ｂのｎ値
の近似とともに温度係数を小さくできため、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。

〔考案の効果〕

以上のように、本考案は、透明導電膜を被着した透明基
板上に、Ｐ−Ｉ−Ｎ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、一定バイアス電圧を印加する電源及びバ
イパス抵抗成分を設けた光電変換装置において、前記透
明導電膜とＰ−Ｉ−Ｎ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、
遮光体より拡散する金属原子などの不純物のＰ−Ｉ−Ｎ
接合した非晶質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値のばらつきを抑え、
周囲の温度変化に対する出力変化がほんとんど無視でき
る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図は本考案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）は本考案の光電変換装置を構成す
る積層体ａ、ｂの電圧−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電圧−電流特性図である。第４図は本考案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を示す断面図である。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……透明基板２……透明導電膜３……非晶質半導体層 4a、4b……金属電極５……遮光層６……抵抗成分７……Ｉ型非晶質シリコン半導体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者田中聖也滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀八日市工場内審査官近藤幸浩 (56)参考文献特開平２−98976（ＪＰ，Ａ) 特開平２−202070（ＪＰ，Ａ)

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】透明導電膜を被着した透明基板上に、Ｐ−
Ｉ−Ｎ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、一定バイアス電圧を印加する電源及びバイ
パス抵抗成分を設けた光電変換装置において、前記透明導電膜とＰ−Ｉ−Ｎ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を
特徴とする光電変換装置。