JPH073880B2 - 半導体デバイス - Google Patents
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- JPH073880B2 JPH073880B2 JP2248571A JP24857190A JPH073880B2 JP H073880 B2 JPH073880 B2 JP H073880B2 JP 2248571 A JP2248571 A JP 2248571A JP 24857190 A JP24857190 A JP 24857190A JP H073880 B2 JPH073880 B2 JP H073880B2
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
- C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
- C23C16/511—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using microwave discharges
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、光の収集効率を向上したアモルファス合金か
ら成る半導体デバイスに係り、さらに詳言すると、マイ
クロ波エネルギによって励起される反応ガスから製造さ
れた層状のアモルファス半導体デバイスに係る。
ら成る半導体デバイスに係り、さらに詳言すると、マイ
クロ波エネルギによって励起される反応ガスから製造さ
れた層状のアモルファス半導体デバイスに係る。
シリコンは大型結晶質半導体工業の基盤であり、高価で
高効率（18パーセント）の宇宙用結晶質太陽電池をもた
らした材料である。結晶質半導体技術が商業的に見合う
状態に達したとき、この技術は現在の大型半導体デバイ
ス製造工業の基礎となった。このことは、ゲルマニウム
の、及び特にシリコンの実質的に欠陥のない結晶を成長
させ、次いでこの結晶を、結晶内に設けられるｐ形及び
ｎ形導電領域によって外因性材料とする科学者の能力に
負っていた。外因性材料の転換は、前記のような結晶質
材料に、実質的に純粋な結晶質材料中へ置換形不純物と
して導入される。ドナー（ｎ）またはアクセプタ（ｐ）
であるドーパント物質を百万分の数部（ppm）拡散し、
それによって結晶質材料の導電性を増し、またその導電
形をｐ形かまたはｎ形に制御することによって行なわれ
た。ｐ−ｎ接合結晶の製造には、非常に複雑で時間を要
し、かつ高価な工程が含まれる。即ち、太陽電池及び電
流制御デバイスに有用であるこのような結晶質材料は極
めて慎重に制御される条件下で個々のシリコンまたはゲ
ルマニウムの単結晶を成長させ、ｐ−ｎ接合が必要な場
合には更に前記単結晶に僅少かつ厳密な量のドーパント
をドープすることによって製造される。
高効率（18パーセント）の宇宙用結晶質太陽電池をもた
らした材料である。結晶質半導体技術が商業的に見合う
状態に達したとき、この技術は現在の大型半導体デバイ
ス製造工業の基礎となった。このことは、ゲルマニウム
の、及び特にシリコンの実質的に欠陥のない結晶を成長
させ、次いでこの結晶を、結晶内に設けられるｐ形及び
ｎ形導電領域によって外因性材料とする科学者の能力に
負っていた。外因性材料の転換は、前記のような結晶質
材料に、実質的に純粋な結晶質材料中へ置換形不純物と
して導入される。ドナー（ｎ）またはアクセプタ（ｐ）
であるドーパント物質を百万分の数部（ppm）拡散し、
それによって結晶質材料の導電性を増し、またその導電
形をｐ形かまたはｎ形に制御することによって行なわれ
た。ｐ−ｎ接合結晶の製造には、非常に複雑で時間を要
し、かつ高価な工程が含まれる。即ち、太陽電池及び電
流制御デバイスに有用であるこのような結晶質材料は極
めて慎重に制御される条件下で個々のシリコンまたはゲ
ルマニウムの単結晶を成長させ、ｐ−ｎ接合が必要な場
合には更に前記単結晶に僅少かつ厳密な量のドーパント
をドープすることによって製造される。
前記の結晶成長法は比較的小型の結晶しかもたらさず、
従って太陽電池は単１個の太陽電池パネルの所望の面積
が満たされるのに多数の単結晶の集合体を必要とする。
この方法で太陽電池を製造するのに必要なエネルギ量、
シリコン結晶の寸法的制約に起因する制約、及びそのよ
うな結晶質材料を切断し組合せる必要性等の総てによっ
て、結晶質半導体から成る太陽電池のエネルギ変換への
大規模な利用が経済的に阻まれてきた。更に、結晶質シ
リコンは、材料内への光の吸収を低下させる間接的光学
吸収端を有する。吸光性に乏しいために、結晶質太陽電
池の厚みは入射する日光を吸収するのに少なくとも50ミ
クロンなければならない。単結晶材料の変りにより安価
に製作される多結晶シリコンを用いたとしても、間接的
光学吸収端はなお存在し、従って材料厚みは減少されな
い。また多結晶材料にも、粒界の付加など厄介な欠点が
ある。
従って太陽電池は単１個の太陽電池パネルの所望の面積
が満たされるのに多数の単結晶の集合体を必要とする。
この方法で太陽電池を製造するのに必要なエネルギ量、
シリコン結晶の寸法的制約に起因する制約、及びそのよ
うな結晶質材料を切断し組合せる必要性等の総てによっ
て、結晶質半導体から成る太陽電池のエネルギ変換への
大規模な利用が経済的に阻まれてきた。更に、結晶質シ
リコンは、材料内への光の吸収を低下させる間接的光学
吸収端を有する。吸光性に乏しいために、結晶質太陽電
池の厚みは入射する日光を吸収するのに少なくとも50ミ
クロンなければならない。単結晶材料の変りにより安価
に製作される多結晶シリコンを用いたとしても、間接的
光学吸収端はなお存在し、従って材料厚みは減少されな
い。また多結晶材料にも、粒界の付加など厄介な欠点が
ある。
概して結晶シリコンデバイスは、所望のとおりに変更で
きない固定的なパラメータを有し、多量の材料を要し、
比較的小面積にしか製造され得ず、かつ製造に費用も時
間も要する。アモルファスシリコンに基づくデバイスで
は、結晶シリコンのこれらの欠点は除去され得る。アモ
ルファスシリコンはダイレクトギャップ半導体と同様の
特性を具えた光学吸収端を有し、厚み50ミクロンの結晶
質シリコンが吸収するのと同量の日光を吸収するのに１
ミクロン若しくはそれ以下の材料厚みしか必要でない。
その上アモルファスシリコンは、結晶質シリコンよりも
速く、容易に大面積に製作され得る。
きない固定的なパラメータを有し、多量の材料を要し、
比較的小面積にしか製造され得ず、かつ製造に費用も時
間も要する。アモルファスシリコンに基づくデバイスで
は、結晶シリコンのこれらの欠点は除去され得る。アモ
ルファスシリコンはダイレクトギャップ半導体と同様の
特性を具えた光学吸収端を有し、厚み50ミクロンの結晶
質シリコンが吸収するのと同量の日光を吸収するのに１
ミクロン若しくはそれ以下の材料厚みしか必要でない。
その上アモルファスシリコンは、結晶質シリコンよりも
速く、容易に大面積に製作され得る。
従ってこれまで、所望であればデポジット設備の大きさ
によってしか制限されずに比較的大面積を有し得るアモ
ルファス半導体合金または薄膜であって、これらの合金
または薄膜から、これらが結晶質である場合でもたらさ
れるものに等しいｐ−ｎ接合デバイスが製造されるべき
時に容易にドープされてｐ形及びｎ形の材料を構成し得
るようなアモルファス半導体合金または薄膜を容易にデ
ポジットする方法の開発に多大の努力が払われてきた。
長年にわたり、このような作業は実質的に成果が上がら
なかった。アモルファスシリコンまたはゲルマニウム
（IV族）薄膜は通常四重に配位結合しており、該薄膜は
微細孔並びにダングリングボンドその他の、薄膜のエネ
ルギギャップに高密度の局在状態を生成する欠陥を有す
ることが判明した。アモルファスシリコン半導体薄膜の
エネルギギャップに局在状態が高密度に存在することに
よって、光導電率は低下し、またキャリアのライフタイ
ムは短縮され、このような薄膜は光応答的な適用には不
適当である。加えてこのような薄膜は、伝導帯または価
電子帯に近接するフェルミ準位を変移するための連続的
なドープその他の加減を施され得ず、従って太陽電池及
び電流制御デバイス用のｐ−ｎ接合を形成するには不適
当である。
によってしか制限されずに比較的大面積を有し得るアモ
ルファス半導体合金または薄膜であって、これらの合金
または薄膜から、これらが結晶質である場合でもたらさ
れるものに等しいｐ−ｎ接合デバイスが製造されるべき
時に容易にドープされてｐ形及びｎ形の材料を構成し得
るようなアモルファス半導体合金または薄膜を容易にデ
ポジットする方法の開発に多大の努力が払われてきた。
長年にわたり、このような作業は実質的に成果が上がら
なかった。アモルファスシリコンまたはゲルマニウム
（IV族）薄膜は通常四重に配位結合しており、該薄膜は
微細孔並びにダングリングボンドその他の、薄膜のエネ
ルギギャップに高密度の局在状態を生成する欠陥を有す
ることが判明した。アモルファスシリコン半導体薄膜の
エネルギギャップに局在状態が高密度に存在することに
よって、光導電率は低下し、またキャリアのライフタイ
ムは短縮され、このような薄膜は光応答的な適用には不
適当である。加えてこのような薄膜は、伝導帯または価
電子帯に近接するフェルミ準位を変移するための連続的
なドープその他の加減を施され得ず、従って太陽電池及
び電流制御デバイス用のｐ−ｎ接合を形成するには不適
当である。
アモルファスシリコン及びゲルマニウムに関する前記の
問題点を減少する試みにおいて、スコットランドのダン
ディーに所在するダンディー大学カーネギー物理学研究
所のW.E.スピア及びP.G.ル・コンベ（W.E.Spear and P.
G.Le Conber）は「ソリッドステート・コミュニケーシ
ョン（Solid State Communication）」第17巻（1975
年）の第1193〜1196ページに公表された論文において報
告されたような“アモルファスシリコンの置換ドーピン
グ”に関する研究によって、アモルファスシリコンまた
はゲルマニウムにおけるエネルギギャップの局在状態を
減少して真性の結晶シリコンまたはゲルマニウムにより
近似したアモルファスシリコンまたはゲルマニウムを製
造すること、並びにアモルファス材料を、結晶質材料を
ドープする時のように適当な古典的ドーパントで置換ド
ープして、該アモルファス材料を外因性でｐもしくはｎ
導電形とすることを追及した。
問題点を減少する試みにおいて、スコットランドのダン
ディーに所在するダンディー大学カーネギー物理学研究
所のW.E.スピア及びP.G.ル・コンベ（W.E.Spear and P.
G.Le Conber）は「ソリッドステート・コミュニケーシ
ョン（Solid State Communication）」第17巻（1975
年）の第1193〜1196ページに公表された論文において報
告されたような“アモルファスシリコンの置換ドーピン
グ”に関する研究によって、アモルファスシリコンまた
はゲルマニウムにおけるエネルギギャップの局在状態を
減少して真性の結晶シリコンまたはゲルマニウムにより
近似したアモルファスシリコンまたはゲルマニウムを製
造すること、並びにアモルファス材料を、結晶質材料を
ドープする時のように適当な古典的ドーパントで置換ド
ープして、該アモルファス材料を外因性でｐもしくはｎ
導電形とすることを追及した。
局在状態の減少はアモルファスシリコン薄膜のグロー放
電デポジションによって達成され、このデポジションで
はシラン（SiH4）ガスが反応管に通され、この管におい
てガスはr.f.グロー放電によって分解され、基板温度約
500〜600゜K（227〜327℃）で基板上にデポジットされ
た。基板上にこのようにデポジットされた材料は、シリ
コン及び水素から成る真性アモルファス材料であった。
ドープされたアモルファス材料を製作するために、ｎ形
導電用にはフォスフィン（PH3）ガスが、またｐ形導電
用にはジボラン（B2H6）ガスがシランガスと予め混合さ
れて、同じ作業条件下にグロー放電反応管に通された。
使用ドーパントの気体濃度は、約５×10-6〜10-2体積部
であった。このようにデポジットされた、おそらく置換
リンまたはホウ素ドーパントを含む材料は、外因性でｎ
またはｐ導電形であると判明した。
電デポジションによって達成され、このデポジションで
はシラン（SiH4）ガスが反応管に通され、この管におい
てガスはr.f.グロー放電によって分解され、基板温度約
500〜600゜K（227〜327℃）で基板上にデポジットされ
た。基板上にこのようにデポジットされた材料は、シリ
コン及び水素から成る真性アモルファス材料であった。
ドープされたアモルファス材料を製作するために、ｎ形
導電用にはフォスフィン（PH3）ガスが、またｐ形導電
用にはジボラン（B2H6）ガスがシランガスと予め混合さ
れて、同じ作業条件下にグロー放電反応管に通された。
使用ドーパントの気体濃度は、約５×10-6〜10-2体積部
であった。このようにデポジットされた、おそらく置換
リンまたはホウ素ドーパントを含む材料は、外因性でｎ
またはｐ導電形であると判明した。
上記の研究者達には未知であったが、シランの水素がグ
ロー放電デポジションの間に最適温度においてシリコン
の多数のダングリングボンドと結合し、その結果エネル
ギギャップの局在状態密度が実質的に減少して、アモル
ファス材料の電子的特性は対応する結晶質材料のものに
更に近似することが、他の研究者達の業績によって今や
知られている。
ロー放電デポジションの間に最適温度においてシリコン
の多数のダングリングボンドと結合し、その結果エネル
ギギャップの局在状態密度が実質的に減少して、アモル
ファス材料の電子的特性は対応する結晶質材料のものに
更に近似することが、他の研究者達の業績によって今や
知られている。
上記の方法では、水素の結合がシラン中の水素対シリコ
ンの固定的な比率に起因する限界を有するだけでなく、
更に重要なことは様々なSi:H結合配列が、上記材料にお
いて有害な結果を有し得る新たな未結合状態をもたら
す。従って上記材料における、ｐ形並びにｎ形への有効
なドーピングに特に有害な局在状態の密度の低下には根
本的な限界が存在する。シランを用いてデポジットされ
た材料の、結果的に得られる状態密度は狭い空乏層幅を
もたらし、その結果太陽電池及びその動作が自由キャリ
アのドリフトに依存する他のデバイスの効率が制限され
る。上記のような材料をシリコン及び水素のみを用いて
製造する方法によっても上記の全パラメータに影響する
表面状態が高密度に生じる。
ンの固定的な比率に起因する限界を有するだけでなく、
更に重要なことは様々なSi:H結合配列が、上記材料にお
いて有害な結果を有し得る新たな未結合状態をもたら
す。従って上記材料における、ｐ形並びにｎ形への有効
なドーピングに特に有害な局在状態の密度の低下には根
本的な限界が存在する。シランを用いてデポジットされ
た材料の、結果的に得られる状態密度は狭い空乏層幅を
もたらし、その結果太陽電池及びその動作が自由キャリ
アのドリフトに依存する他のデバイスの効率が制限され
る。上記のような材料をシリコン及び水素のみを用いて
製造する方法によっても上記の全パラメータに影響する
表面状態が高密度に生じる。
シリコンのシランガスからのグロー放電デポジションが
開発された後、アモルファスシリコン薄膜の（スパッタ
リングデポジション法に必要な）アルゴンと水素分子と
の混合物雰囲気中でのスパッタデポジションについて研
究がなされ、前記のような水素分子がデポジットされる
アモルファスシリコン薄膜の特性に与える効果が測定さ
れた。この研究によれば、水素はエネルギギャップにお
ける局在状態を減少するように結合する変更剤（alteri
ng agent）として機能した。しかしエネルギギャップの
局在状態の、スパッタデポジション法において減少され
た程度は、上述のシランデポジション法によって達成さ
れるものよりはるかに低かった。上述のｐ形及びｎ形ド
ーパンドガスがスパッタリング法にも、ｐ形及びｎ形に
ドープされた材料を製作するべく導入された。得られた
材料のドーピング効率は、グロー放電法で製造される材
料のものよりも低かった。いずれの製法も、商業的なｐ
−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ接合デバイスを製造するのに十分
な高いアクセプタ濃度を有する、ｐ形にドープされた有
効な材料をもたらさなかった。ｎ形ドーピング効率は望
ましく許容可能な商業的レベルを下回り、またｐ形ドー
ピングは、バンドギャップを挟め、バンドギャップにお
ける局在状態の数を増したので特に望ましくなかった。
開発された後、アモルファスシリコン薄膜の（スパッタ
リングデポジション法に必要な）アルゴンと水素分子と
の混合物雰囲気中でのスパッタデポジションについて研
究がなされ、前記のような水素分子がデポジットされる
アモルファスシリコン薄膜の特性に与える効果が測定さ
れた。この研究によれば、水素はエネルギギャップにお
ける局在状態を減少するように結合する変更剤（alteri
ng agent）として機能した。しかしエネルギギャップの
局在状態の、スパッタデポジション法において減少され
た程度は、上述のシランデポジション法によって達成さ
れるものよりはるかに低かった。上述のｐ形及びｎ形ド
ーパンドガスがスパッタリング法にも、ｐ形及びｎ形に
ドープされた材料を製作するべく導入された。得られた
材料のドーピング効率は、グロー放電法で製造される材
料のものよりも低かった。いずれの製法も、商業的なｐ
−ｎまたはｐ−ｉ−ｎ接合デバイスを製造するのに十分
な高いアクセプタ濃度を有する、ｐ形にドープされた有
効な材料をもたらさなかった。ｎ形ドーピング効率は望
ましく許容可能な商業的レベルを下回り、またｐ形ドー
ピングは、バンドギャップを挟め、バンドギャップにお
ける局在状態の数を増したので特に望ましくなかった。
結晶質シリコンに更に近似させるべく水素によってシラ
ンガスを変更してもたらされ、かつ結晶質シリコンをド
ープするのと同様にドープされた前者の製法によるアモ
ルファスシリコンのデポジットは、ドープされた結晶質
シリコンの特性にあらゆる重要な点で劣る特性を有す
る。即ち、不充分なドーピング効率及び導電率が特にｐ
形材料において得られ、このシリコン合金薄膜の光起電
特性は所望のものにはるかに及ばない。
ンガスを変更してもたらされ、かつ結晶質シリコンをド
ープするのと同様にドープされた前者の製法によるアモ
ルファスシリコンのデポジットは、ドープされた結晶質
シリコンの特性にあらゆる重要な点で劣る特性を有す
る。即ち、不充分なドーピング効率及び導電率が特にｐ
形材料において得られ、このシリコン合金薄膜の光起電
特性は所望のものにはるかに及ばない。
エネルギギャップにおける局在状態の濃度が著しく低下
された、高質の電子的特性を有する大幅に改善されたア
モルファスシリコン合金が、1980年10月７日に発行され
たスタンフォードR.オヴシンスキー及びアルン・マダン
（Stantord R.Ovshinsky and Arun Madan）の米国特許
第4,226,898号「結晶質半導体と等価のアモルファス半
導体」に完全に記載されたグロー放電と、1980年８月12
日に前記特許と同じ標題の下に発行されたスタンフォー
ドR.オヴシンスキー及びマサツグ・イズ（Masatsugu Iz
u）の米国特許第4,217,374号に完全に記載された蒸着と
によって製作された。これらの特許に開示されていると
ころでは、アモルファスシリコン半導体へ、この半導体
の偏在状態の密度を実質的に低下させるためにフッ素が
導入される。フッ素原子は寸法が小さく、アモルファス
体へ容易に導入され得るために、活性化されたフッ素は
特に容易に拡散してアモルファス体のアモルファスシリ
コンと結合し、アモルファス体に局在する欠陥状態の密
度を実質的に低下する。フッ素はシリコンのダングリン
グボンドと結合して、フレキシブルな結合角を具えた一
部イオン安定的な結合と思われるものを形成し、その結
果補償若しくは変更は、水素及び他の補償若しくは変更
剤による形成の場合よりも安定しかつ有効となる。フッ
素は極度に小型で、反応度が高く、化学的結合において
特異的であり、かつ非常に高度に陰電性であるので、単
独でまたは水素と共に用いられる場合水素よりも有効な
報償若しくは変更元素であると考えられる。故に、フッ
素は他のハロゲンとは性質が異なり、超ハロゲンである
と見做される。
された、高質の電子的特性を有する大幅に改善されたア
モルファスシリコン合金が、1980年10月７日に発行され
たスタンフォードR.オヴシンスキー及びアルン・マダン
（Stantord R.Ovshinsky and Arun Madan）の米国特許
第4,226,898号「結晶質半導体と等価のアモルファス半
導体」に完全に記載されたグロー放電と、1980年８月12
日に前記特許と同じ標題の下に発行されたスタンフォー
ドR.オヴシンスキー及びマサツグ・イズ（Masatsugu Iz
u）の米国特許第4,217,374号に完全に記載された蒸着と
によって製作された。これらの特許に開示されていると
ころでは、アモルファスシリコン半導体へ、この半導体
の偏在状態の密度を実質的に低下させるためにフッ素が
導入される。フッ素原子は寸法が小さく、アモルファス
体へ容易に導入され得るために、活性化されたフッ素は
特に容易に拡散してアモルファス体のアモルファスシリ
コンと結合し、アモルファス体に局在する欠陥状態の密
度を実質的に低下する。フッ素はシリコンのダングリン
グボンドと結合して、フレキシブルな結合角を具えた一
部イオン安定的な結合と思われるものを形成し、その結
果補償若しくは変更は、水素及び他の補償若しくは変更
剤による形成の場合よりも安定しかつ有効となる。フッ
素は極度に小型で、反応度が高く、化学的結合において
特異的であり、かつ非常に高度に陰電性であるので、単
独でまたは水素と共に用いられる場合水素よりも有効な
報償若しくは変更元素であると考えられる。故に、フッ
素は他のハロゲンとは性質が異なり、超ハロゲンである
と見做される。
例えば、補償は、フッ素のみかまたはフッ素と水素の組
合せをごく少量（例えば１原子パーセント画分）添加す
ることによって達成され得る。しかしフッ素及び水素
の、シリコン−水素−フッ素合金を形成する上で最も望
ましい使用量は、前記のような小さいパーセンテージに
比べはるかに大きい。フッ素及び水素のこのような合金
形成量は、例えば１〜５パーセントの範囲内かまたはそ
れ以上であり得る。こうして形成される新しい合金のエ
ネルギギャップにおける欠陥状態の密度は、ダングリン
グボンド並びに同様の欠陥状態の単なる中和によって得
られる密度よりも低いと思われる。このような比較的多
量のフッ素は特に、アモルファスシリコン含有材料の新
しい構造配列に実質的に関与すると思われ、ゲルマニウ
ムのような他の合金形成材料の添加を容易にする。フッ
素は、ここに述べられた自身の他の特性に加えて、誘導
効果及びイオン効果によってシリコン含有合金内に局部
構造を生成するオーガナイザであると考えられる。また
フッ素は、水素が状態密度低下元素として機能する一方
で創出する欠陥状態の密度を低下するべく有利に機能す
ることによって、水素の結合に影響するとも考えられ
る。前記のような合金におけるフッ素のイオン的役割
は、最も近い隣接関係に関する重要な要素であると思わ
れる。
合せをごく少量（例えば１原子パーセント画分）添加す
ることによって達成され得る。しかしフッ素及び水素
の、シリコン−水素−フッ素合金を形成する上で最も望
ましい使用量は、前記のような小さいパーセンテージに
比べはるかに大きい。フッ素及び水素のこのような合金
形成量は、例えば１〜５パーセントの範囲内かまたはそ
れ以上であり得る。こうして形成される新しい合金のエ
ネルギギャップにおける欠陥状態の密度は、ダングリン
グボンド並びに同様の欠陥状態の単なる中和によって得
られる密度よりも低いと思われる。このような比較的多
量のフッ素は特に、アモルファスシリコン含有材料の新
しい構造配列に実質的に関与すると思われ、ゲルマニウ
ムのような他の合金形成材料の添加を容易にする。フッ
素は、ここに述べられた自身の他の特性に加えて、誘導
効果及びイオン効果によってシリコン含有合金内に局部
構造を生成するオーガナイザであると考えられる。また
フッ素は、水素が状態密度低下元素として機能する一方
で創出する欠陥状態の密度を低下するべく有利に機能す
ることによって、水素の結合に影響するとも考えられ
る。前記のような合金におけるフッ素のイオン的役割
は、最も近い隣接関係に関する重要な要素であると思わ
れる。
上記の諸方法によって製作されるアモルファス半導体合
金は、光起電的な適用に理想的に適する光応答特性を示
した。しかしこれらの先行技術による方法は、デポジシ
ョン率が比較的低い点、及び反応ガスの供給原料があま
り活用されない点で不利であり、これら２点は、上記材
料から光起電デバイスを商業的な基盤に立って製造する
上からは重要な考慮点である。更に前記方法は高い電子
温度のプラズマをもたらし、このプラズマはデポジショ
ンの間、高密度のイオンを発生する。これらのイオンの
発生によって材料若しくはデポジション中の材料はイオ
ン衝撃を受け、その結果材料は損傷されるおそれがあ
る。
金は、光起電的な適用に理想的に適する光応答特性を示
した。しかしこれらの先行技術による方法は、デポジシ
ョン率が比較的低い点、及び反応ガスの供給原料があま
り活用されない点で不利であり、これら２点は、上記材
料から光起電デバイスを商業的な基盤に立って製造する
上からは重要な考慮点である。更に前記方法は高い電子
温度のプラズマをもたらし、このプラズマはデポジショ
ンの間、高密度のイオンを発生する。これらのイオンの
発生によって材料若しくはデポジション中の材料はイオ
ン衝撃を受け、その結果材料は損傷されるおそれがあ
る。
前述した問題的を打破するために、アモルファス半導体
合金及びデバイスの新たに改善された製法が最近開発さ
れ、この方法では、新たに改善されたアモルファス半導
体合金のデポジション用のグロー放電プラズマを生成す
るのにマイクロ波エネルギが用いられた。このような方
法は実質的に、デポジション率を高め、かつ反応ガス原
料の活用に増大する。更にマイクロ波エネルギの使用に
よって、プラズマからのデポジションはより低い電子温
度で実現し、イオン密度は実質的に低下し、従ってデポ
ジットされる材料のイオン衝撃並びに損傷が実質的に減
少される。加えてこの方法によって、これまで先行技術
の方法によては十分高濃度には得られなかった反応種が
形成される。結果として、新しいアモルファス半導体合
金は、これまで取得され得たものとは実質的に異なる材
料特性を有して製造され得る。上記の総てによって、改
善された光応答特性を有するアモルファス半導体合金及
びこの合金から成るデバイスがもたらされ、該合金及び
デバイスは実質的により高率で製造される。
合金及びデバイスの新たに改善された製法が最近開発さ
れ、この方法では、新たに改善されたアモルファス半導
体合金のデポジション用のグロー放電プラズマを生成す
るのにマイクロ波エネルギが用いられた。このような方
法は実質的に、デポジション率を高め、かつ反応ガス原
料の活用に増大する。更にマイクロ波エネルギの使用に
よって、プラズマからのデポジションはより低い電子温
度で実現し、イオン密度は実質的に低下し、従ってデポ
ジットされる材料のイオン衝撃並びに損傷が実質的に減
少される。加えてこの方法によって、これまで先行技術
の方法によては十分高濃度には得られなかった反応種が
形成される。結果として、新しいアモルファス半導体合
金は、これまで取得され得たものとは実質的に異なる材
料特性を有して製造され得る。上記の総てによって、改
善された光応答特性を有するアモルファス半導体合金及
びこの合金から成るデバイスがもたらされ、該合金及び
デバイスは実質的により高率で製造される。
厳密に均質である材料には見出されない独得の特性を示
す、組成的に様々である材料が開発されている。米国特
許第4,342,044号は、無線周波プラズマ及び遊離基ジェ
ネレータを用いて層状の光起電材料を製作する方法及び
装置を開示している。
す、組成的に様々である材料が開発されている。米国特
許第4,342,044号は、無線周波プラズマ及び遊離基ジェ
ネレータを用いて層状の光起電材料を製作する方法及び
装置を開示している。
本発明はこのような事情に鑑み、光の収集効率を高めた
半導体デバイスを提供することを目的とする。
半導体デバイスを提供することを目的とする。
かかる本発明の目的は、光の入射により電荷を発生する
実質的に真性の半導体領域を有する半導体デバイスにお
いて、 前記半導体領域は、反応ガスをマイクロ波エネルギによ
って励起して堆積させた互いにバンドギャップが異なる
ところの、シリコンを含むアモルファス半導体薄層およ
びゲルマニウムを含むアモルファス半導体薄層が交互に
各２層以上積層されて形成されていることを特徴とする
半導体デバイスによって達成される。
実質的に真性の半導体領域を有する半導体デバイスにお
いて、 前記半導体領域は、反応ガスをマイクロ波エネルギによ
って励起して堆積させた互いにバンドギャップが異なる
ところの、シリコンを含むアモルファス半導体薄層およ
びゲルマニウムを含むアモルファス半導体薄層が交互に
各２層以上積層されて形成されていることを特徴とする
半導体デバイスによって達成される。
上記デバイスは光起電力デバイスでもよく、またホトデ
テクタデバイス，静電像生成デバイスなどでもよい。
テクタデバイス，静電像生成デバイスなどでもよい。
第１図の符号10は、本発明のデバイスの製造に適したマ
イクロ波デポジション装置を示す。装置10は管状チャン
バ即ち容器12を含んでおり、チャンバ12は、アモルファ
ス半導体合金薄膜がデポジションされる被着面を有する
基板14を収容している。基板はヒーター16にによって加
熱されており、チャンバの外側は可動マイクロ波エネル
ギ源17によって照射されている。チャンバ12の対向両端
の導入口46から導出口20に流れる反応ガスは、源17から
マイクロ波エネルギを受容する。反応ガスと源17のマイ
クロ波エネルギとの結合によりプラズマが形成される。
より十分に後述する如く、源17の移動に伴なってプラズ
マも移動し、層状構造を有する薄膜22のデポジションが
行なわれる。反応ガスは少くとも２種の反応ガスを含ん
でおり、核ガスが少くとも１種類のデポジット用合金元
素を含む。基板の温度は室温と約400℃との範囲であれ
ばよく、マイクロ波エネルギの周波数は2.45GHz以上で
あればよく好ましくは2.45GHzである。前記の如くマイ
クロ波エネルギと反応ガスとの結合によりプラズマが形
成され且つ源17が移動するので、反応ガスが選択的に励
起され、材料の層状デポジションプロセスを進行せしめ
る。プロセス中に、プラズマ中のイオン濃度が比較的低
く基板のセルフバイアスが小さいので薄膜22はイオン衝
撃による損傷作用から保護される。
イクロ波デポジション装置を示す。装置10は管状チャン
バ即ち容器12を含んでおり、チャンバ12は、アモルファ
ス半導体合金薄膜がデポジションされる被着面を有する
基板14を収容している。基板はヒーター16にによって加
熱されており、チャンバの外側は可動マイクロ波エネル
ギ源17によって照射されている。チャンバ12の対向両端
の導入口46から導出口20に流れる反応ガスは、源17から
マイクロ波エネルギを受容する。反応ガスと源17のマイ
クロ波エネルギとの結合によりプラズマが形成される。
より十分に後述する如く、源17の移動に伴なってプラズ
マも移動し、層状構造を有する薄膜22のデポジションが
行なわれる。反応ガスは少くとも２種の反応ガスを含ん
でおり、核ガスが少くとも１種類のデポジット用合金元
素を含む。基板の温度は室温と約400℃との範囲であれ
ばよく、マイクロ波エネルギの周波数は2.45GHz以上で
あればよく好ましくは2.45GHzである。前記の如くマイ
クロ波エネルギと反応ガスとの結合によりプラズマが形
成され且つ源17が移動するので、反応ガスが選択的に励
起され、材料の層状デポジションプロセスを進行せしめ
る。プロセス中に、プラズマ中のイオン濃度が比較的低
く基板のセルフバイアスが小さいので薄膜22はイオン衝
撃による損傷作用から保護される。
更に第１図を詳細に説明すると、管状チャンバ12は、対
向両端に中央石英部分24と端部分26とを含む。端部分26
は一対の端部取付部材30,32によって閉鎖されており、
これによりチャンバが完成される。端部取付部材の各々
は閉鎖端36から開口端まで伸びるスリーブ部分34を含
む。開口端に設けられたネジにカラー40が取付けられて
いる。カラー40の一端は、内側に伸びる環状フランジ42
を備える。石英部分24に対して端部分を圧縮するため
に、フランジ42と端部分との間のスペースに（図示しな
い）Ｏリングが嵌着されている。これにより、端部取部
材30,32と管状チャンバ12との間に気密シールが形成さ
れている。
向両端に中央石英部分24と端部分26とを含む。端部分26
は一対の端部取付部材30,32によって閉鎖されており、
これによりチャンバが完成される。端部取付部材の各々
は閉鎖端36から開口端まで伸びるスリーブ部分34を含
む。開口端に設けられたネジにカラー40が取付けられて
いる。カラー40の一端は、内側に伸びる環状フランジ42
を備える。石英部分24に対して端部分を圧縮するため
に、フランジ42と端部分との間のスペースに（図示しな
い）Ｏリングが嵌着されている。これにより、端部取部
材30,32と管状チャンバ12との間に気密シールが形成さ
れている。
端部取付部材30,32は好ましくはステンレス鋼又は別の
適当な無腐食性金属から成り、閉鎖端36は溶接又は他の
方法でスリーブ部分34に永久的に接合されている。端部
取付部材32の閉鎖端36は容器12内に反応ガスを導入する
ためのガス導入口46を備える。プラズマの維持を助ける
ためにアルゴンの如き不活性ガスが１つの導入口46から
導入され得る。
適当な無腐食性金属から成り、閉鎖端36は溶接又は他の
方法でスリーブ部分34に永久的に接合されている。端部
取付部材32の閉鎖端36は容器12内に反応ガスを導入する
ためのガス導入口46を備える。プラズマの維持を助ける
ためにアルゴンの如き不活性ガスが１つの導入口46から
導入され得る。
ガス導入口46は好ましくは、反応ガスが内部で調製流量
に維持されるように（図示しない）従来のガスラックに
接続されている。端部取付部材30の閉鎖端36に備えられ
た導出口20は、第１ポンプ及び第２ポンプに選択的に接
続され得る。第１ポンプはチャンバの初期排気を行な
う。第２ポンプは、処理中の非使用反応ガスの除去と１
トール以上の適性デポジション圧力の維持とを行なう。
に維持されるように（図示しない）従来のガスラックに
接続されている。端部取付部材30の閉鎖端36に備えられ
た導出口20は、第１ポンプ及び第２ポンプに選択的に接
続され得る。第１ポンプはチャンバの初期排気を行な
う。第２ポンプは、処理中の非使用反応ガスの除去と１
トール以上の適性デポジション圧力の維持とを行なう。
マイクロ波エネルギ源17は好ましくは、アンテナ19に接
続されたマイクロ波エネルギ発生器を含む。アンテナ19
はマイクロ波エネルギをチャンバ12内に集中せしめる反
射ハウジング21に内蔵されている。反射ハウジング21
は、ハウジング21とアンテナ19とを矢印25に示す如く前
後に直線運動させるアンテナ移動機構23に接続されてい
る。アンテナの移動に伴なってプラズマが、符号27に示
す第１位置から符号27′に示す第２位置まで移動する。
プラズマの移動方向は、導入口46から導出口20に流れる
反応ガスの流動方向と同じである。図示のアンテナは、
好ましくは四分の一波長の垂直アンテナである。反応ガ
スの出力伝達を最大にするためにアンテナの先端が容器
12の外面に僅かに接触している。
続されたマイクロ波エネルギ発生器を含む。アンテナ19
はマイクロ波エネルギをチャンバ12内に集中せしめる反
射ハウジング21に内蔵されている。反射ハウジング21
は、ハウジング21とアンテナ19とを矢印25に示す如く前
後に直線運動させるアンテナ移動機構23に接続されてい
る。アンテナの移動に伴なってプラズマが、符号27に示
す第１位置から符号27′に示す第２位置まで移動する。
プラズマの移動方向は、導入口46から導出口20に流れる
反応ガスの流動方向と同じである。図示のアンテナは、
好ましくは四分の一波長の垂直アンテナである。反応ガ
スの出力伝達を最大にするためにアンテナの先端が容器
12の外面に僅かに接触している。
ヒーターは好ましくは、基板保持アセンブリ16に内蔵さ
れた従来の抵抗発熱体から成る。発熱体への給電線17は
１つの端部取付部材の閉鎖端36を貫通する。
れた従来の抵抗発熱体から成る。発熱体への給電線17は
１つの端部取付部材の閉鎖端36を貫通する。
処理の際、システム10は先ずポンプによって、所望デポ
ジション圧力より低圧例えば10-5トールまで排気され
る。四フッ化シリコン（SiF4）又はシラン（SiH4）及び
ゲルマン（GeH4）又は四フッ化ゲルマニウムの如き反応
ガスが別々の導入管46から供給され、チャンバ12は所望
の作動圧力例えば0.1トールに達する。前記反応ガスに
水素（H2）を添加してもよい。
ジション圧力より低圧例えば10-5トールまで排気され
る。四フッ化シリコン（SiF4）又はシラン（SiH4）及び
ゲルマン（GeH4）又は四フッ化ゲルマニウムの如き反応
ガスが別々の導入管46から供給され、チャンバ12は所望
の作動圧力例えば0.1トールに達する。前記反応ガスに
水素（H2）を添加してもよい。
アンテナ19からのマイクロ波エネルギは反射ハウジング
21によって容器内部に向けられ、アンテナ19とハウジン
グ21とは、基板上方で移動プラズマを形成すべく図示の
如く移動させられる。ゲルマイウム含有ガス（GeH4又は
GeF4）はシリコン含有ガス（SiH4又はSiF4）より低い解
離エネルギを有するので、プラズマ領域にぶつかると選
択的に励起される。このため、最初はゲルマニウム濃度
の高いアモルファス半導体薄膜がデポジットされる。混
合ガスのプラズマ領域内通過に伴なってゲルマイウム含
有の励起種が消費されて次第に減少し、シリコン含有の
励起種が残る。このため、シリコン濃度の高いアモルフ
ァス半導体薄膜がデポジットされる。図示の如きアンテ
ナの前後往復移動に伴なって前記プロセスが継続し、そ
の結果基板上に、アモルファスゲルマニウム合金とアモ
ルファスシリコン合金との交互層がデポジットされる。
材料の複数の原子層（atomic layer）をデポジットする
のに必要な時間に比較してアンテナ19の移動期間が長け
れば、ゲルマニウムに富む合金とシリコンに富む合金と
の交互層が形成されるであろう。その結果、前記層状構
造を有するアモルファス半導体合金薄膜22が基板14上に
デポジットされる。ヒーター16は基板を約20℃乃至400
℃の範囲の温度に維持する。マイクロ波エネルギ発生器
18の出力パワーは、約0.1乃至１ワット／cm3の電力密度
に調製される。反応ガスの流量は、直径5cm（２イン
チ）の反応チャンバの場合、１乃至10SCCMであればよ
い。前記のシステムパラメータの場合、25Å乃至250Å
／秒のデポジション速度を達成し得る。
21によって容器内部に向けられ、アンテナ19とハウジン
グ21とは、基板上方で移動プラズマを形成すべく図示の
如く移動させられる。ゲルマイウム含有ガス（GeH4又は
GeF4）はシリコン含有ガス（SiH4又はSiF4）より低い解
離エネルギを有するので、プラズマ領域にぶつかると選
択的に励起される。このため、最初はゲルマニウム濃度
の高いアモルファス半導体薄膜がデポジットされる。混
合ガスのプラズマ領域内通過に伴なってゲルマイウム含
有の励起種が消費されて次第に減少し、シリコン含有の
励起種が残る。このため、シリコン濃度の高いアモルフ
ァス半導体薄膜がデポジットされる。図示の如きアンテ
ナの前後往復移動に伴なって前記プロセスが継続し、そ
の結果基板上に、アモルファスゲルマニウム合金とアモ
ルファスシリコン合金との交互層がデポジットされる。
材料の複数の原子層（atomic layer）をデポジットする
のに必要な時間に比較してアンテナ19の移動期間が長け
れば、ゲルマニウムに富む合金とシリコンに富む合金と
の交互層が形成されるであろう。その結果、前記層状構
造を有するアモルファス半導体合金薄膜22が基板14上に
デポジットされる。ヒーター16は基板を約20℃乃至400
℃の範囲の温度に維持する。マイクロ波エネルギ発生器
18の出力パワーは、約0.1乃至１ワット／cm3の電力密度
に調製される。反応ガスの流量は、直径5cm（２イン
チ）の反応チャンバの場合、１乃至10SCCMであればよ
い。前記のシステムパラメータの場合、25Å乃至250Å
／秒のデポジション速度を達成し得る。
本装置は、第３図に示す如き光電池デバイスの製造に使
用され得る。アモルファスゲルマニウム合金層とアモル
ファスシリコン合金層とが交互にデポジットされた層状
材料をタンデム形光電池の狭バンドギャップ領域として
使用し得る。デバイスの残りの領域即ち層状でない真性
領域とドープ領域とは、アンテナを静止させておき適当
な反応ガスを導入口46から導入して形成され得る。真性
領域を形成するとき、反応ガスは、ゲルマン（GeH4）、
四フッ化ゲルマニウム（GeF4）、シラン（SiH4）又は四
フッ化シリコン（SiF4）及び／又は水素を含み得る。所
望の特性次第ではこれらの反応ガスを組合せてもよい。
また、広いバンドギャップを必要とするときは、窒素又
は炭素の如きバンドギャップ拡大用元素をアンモニアガ
ス（NH3）またはメタンガス（CH4）の形状で添加し得
る。
用され得る。アモルファスゲルマニウム合金層とアモル
ファスシリコン合金層とが交互にデポジットされた層状
材料をタンデム形光電池の狭バンドギャップ領域として
使用し得る。デバイスの残りの領域即ち層状でない真性
領域とドープ領域とは、アンテナを静止させておき適当
な反応ガスを導入口46から導入して形成され得る。真性
領域を形成するとき、反応ガスは、ゲルマン（GeH4）、
四フッ化ゲルマニウム（GeF4）、シラン（SiH4）又は四
フッ化シリコン（SiF4）及び／又は水素を含み得る。所
望の特性次第ではこれらの反応ガスを組合せてもよい。
また、広いバンドギャップを必要とするときは、窒素又
は炭素の如きバンドギャップ拡大用元素をアンモニアガ
ス（NH3）またはメタンガス（CH4）の形状で添加し得
る。
ドープ領域は、ｐ形又はｎ形のデポジット膜を形成する
ドーパントを容器12内に導入することによって形成され
る。例えば、ｐ形薄膜の形成にはジボランガス（B
2H6）、ｎ形薄膜の形成にはホスフィンガス（PH3）を導
入口46の１つから導入すればよい。反応ガスを順次的に
導入して所望の任意のデバイス構成を形成することが可
能である。
ドーパントを容器12内に導入することによって形成され
る。例えば、ｐ形薄膜の形成にはジボランガス（B
2H6）、ｎ形薄膜の形成にはホスフィンガス（PH3）を導
入口46の１つから導入すればよい。反応ガスを順次的に
導入して所望の任意のデバイス構成を形成することが可
能である。
第２図は、反応ガスが別々に励起され、励起された種が
基板に順次導入されて各々のアモルファス合金層を交互
にデポジットするシステムを示す。システム50は、実質
的に密閉された容器即ちチャンバ52を含んでおり、チャ
ンバ52は、合金元素が層状にデポジットされる基板14を
収容している。システム50は更に一対のマイクロ波エネ
ルギ源54,56と対応する一対の“ウッズホーン（Woods h
orn）"58,60と切替回路62とを含む、ウッズホーン58,60
の各々は、夫々に反応ガスが供給される導入口58a,60a
を有する。
基板に順次導入されて各々のアモルファス合金層を交互
にデポジットするシステムを示す。システム50は、実質
的に密閉された容器即ちチャンバ52を含んでおり、チャ
ンバ52は、合金元素が層状にデポジットされる基板14を
収容している。システム50は更に一対のマイクロ波エネ
ルギ源54,56と対応する一対の“ウッズホーン（Woods h
orn）"58,60と切替回路62とを含む、ウッズホーン58,60
の各々は、夫々に反応ガスが供給される導入口58a,60a
を有する。
四フッ化ゲルマニウム（GeF4）又はゲルマン（GeH4）の
如き反応ガスは導入口60aに供給され、四フッ化シリコ
ン（SiF4）又はシラン（SiH4）の如き反応ガスはホーン
58の導入口58aに供給され得る。流量は例えば15SCCMで
ある。マイクロ波源56,54の選択的起動によって反応ガ
スが選択的に励起される。チャンバ52内の圧力は、ウッ
ズホーン58,60内の圧力を下回る値に維持される。
如き反応ガスは導入口60aに供給され、四フッ化シリコ
ン（SiF4）又はシラン（SiH4）の如き反応ガスはホーン
58の導入口58aに供給され得る。流量は例えば15SCCMで
ある。マイクロ波源56,54の選択的起動によって反応ガ
スが選択的に励起される。チャンバ52内の圧力は、ウッ
ズホーン58,60内の圧力を下回る値に維持される。
処理の際、１つのマイクロ波源例えば源56を起動する。
これによりマイクロ波エネルギは内部の反応ガス例えば
ゲルマンを励起し、ゲルマニウムの含有の励起種を生成
する。この種はホーンから下降し基板14に衝突して基板
上にアモルファスゲルマイウム合金層をデポジットす
る。その直後に、別の源54が作動し、ホーン58内の反応
ガス例えばシラン（SiH4）を選択的及び個別的に励起
し、アモルファスゲルマニウム合金層の上にアモルファ
スシリコン合金層をデポジットする。所望の厚みの薄膜
を形成すべく十分な数の層が交互にデポジットされるま
で前記プロセスが継続する。本明細書では、交互にデポ
ジットされるアモルファス合金層がシリコン及びゲルマ
ニウムであるが、本方法によれば任意の別の気体状合金
元素をマイクロ波エネルギを使用してデポジットし得る
ことが理解されよう。
これによりマイクロ波エネルギは内部の反応ガス例えば
ゲルマンを励起し、ゲルマニウムの含有の励起種を生成
する。この種はホーンから下降し基板14に衝突して基板
上にアモルファスゲルマイウム合金層をデポジットす
る。その直後に、別の源54が作動し、ホーン58内の反応
ガス例えばシラン（SiH4）を選択的及び個別的に励起
し、アモルファスゲルマニウム合金層の上にアモルファ
スシリコン合金層をデポジットする。所望の厚みの薄膜
を形成すべく十分な数の層が交互にデポジットされるま
で前記プロセスが継続する。本明細書では、交互にデポ
ジットされるアモルファス合金層がシリコン及びゲルマ
ニウムであるが、本方法によれば任意の別の気体状合金
元素をマイクロ波エネルギを使用してデポジットし得る
ことが理解されよう。
第３図は、前記装置を利用して製造された本発明のタン
デム形光電池の一実施例を示す。該光電池は１種類のア
モルファス半導体合金を含む連続する複数個のｐ−ｉ−
ｎ領域と本発明の層状構造を含む少くとも１つの領域と
から形成されている。
デム形光電池の一実施例を示す。該光電池は１種類のア
モルファス半導体合金を含む連続する複数個のｐ−ｉ−
ｎ領域と本発明の層状構造を含む少くとも１つの領域と
から形成されている。
タンデム形光電池デバイス70は、ｐ−ｉ−ｎ形電池72a,
72b,72cを複数個含む。最下位の電池72aが基板71の上に
位置している。基板71は、ステンレス鋼，アルミニウ
ム，タンタル，モリブデン又はクロム如き金属材料から
形成され得る。第３図のデバイス70の基板71は正反射膜
75を備える。正反射膜75は、例えば、銀，金，銅，クロ
ム，モリブデン又はアルミニウムの如き反射材を基板71
に蒸着することによって形成される。この種の反射膜
は、デバイスの活性領域を最初に通過する間に吸収され
なかった光をデバイスに逆反射し前記活性領域を再度通
過させる。アルファスシリコン又はゲルマニウム合金は
すぐせれた吸光体であるから、吸収されなかった光をも
う一度デバイスに通すことによって短絡電流の有意な増
加とデバイスの効率向上とが得られる。
72b,72cを複数個含む。最下位の電池72aが基板71の上に
位置している。基板71は、ステンレス鋼，アルミニウ
ム，タンタル，モリブデン又はクロム如き金属材料から
形成され得る。第３図のデバイス70の基板71は正反射膜
75を備える。正反射膜75は、例えば、銀，金，銅，クロ
ム，モリブデン又はアルミニウムの如き反射材を基板71
に蒸着することによって形成される。この種の反射膜
は、デバイスの活性領域を最初に通過する間に吸収され
なかった光をデバイスに逆反射し前記活性領域を再度通
過させる。アルファスシリコン又はゲルマニウム合金は
すぐせれた吸光体であるから、吸収されなかった光をも
う一度デバイスに通すことによって短絡電流の有意な増
加とデバイスの効率向上とが得られる。
電池72a,72b及び72cの各々は、ｎ形導電領域80a,80b,80
cと、真性領域78a,78b,78cと、ｐ形導電領域76a,76b,76
cとを含む。図示の電池はｐ−ｉ−ｎ電池であるが、マ
ルチ形ｎ−ｉ−ｐ電池も勿論本発明の範囲に含まれる。
cと、真性領域78a,78b,78cと、ｐ形導電領域76a,76b,76
cとを含む。図示の電池はｐ−ｉ−ｎ電池であるが、マ
ルチ形ｎ−ｉ−ｐ電池も勿論本発明の範囲に含まれる。
半導体合金層のデポジションに続いて、別の環境中で又
は連続プロセスの一部として、別のデポジションプロセ
スを実施してもよい。このステップでは、透明導電性酸
化物（transparent conductive oxide、以下TCOと略述
する。）層82が付加される。電池の面積が十分に広いか
又はTCO層82の導電率が不充分な場合、デバイスに電極
グリッド84を付加してもよい。グリッド84はキャリア路
長を短縮し収集効率を高める。
は連続プロセスの一部として、別のデポジションプロセ
スを実施してもよい。このステップでは、透明導電性酸
化物（transparent conductive oxide、以下TCOと略述
する。）層82が付加される。電池の面積が十分に広いか
又はTCO層82の導電率が不充分な場合、デバイスに電極
グリッド84を付加してもよい。グリッド84はキャリア路
長を短縮し収集効率を高める。
第３図のデバイス70に置いて、領域78bを除く全てのア
モルファス半導体合金領域は、第１図の装置を使用しア
ンテナ19を基板上方の静止位置に維持した状態で形成さ
れ得る。しかし乍ら領域78bは、第１図に基いて前記説
明した如く形成された改良構造即ちアモルファスシリコ
ン合金とゲルマイウム合金とが交互にデポジットされた
構造を有する。アモルファスゲルマニウム合金のバンド
ギャップ（約1.1eV）はアモルファスシリコン合金のバ
ンドギャップ（約1.9eV）より狭い。しかし乍ら、アモ
ルファスシリコン合金はアモルファスゲルマイウム合金
よりも状態密度が低く、このため電気搬送特性がすぐれ
ている。
モルファス半導体合金領域は、第１図の装置を使用しア
ンテナ19を基板上方の静止位置に維持した状態で形成さ
れ得る。しかし乍ら領域78bは、第１図に基いて前記説
明した如く形成された改良構造即ちアモルファスシリコ
ン合金とゲルマイウム合金とが交互にデポジットされた
構造を有する。アモルファスゲルマニウム合金のバンド
ギャップ（約1.1eV）はアモルファスシリコン合金のバ
ンドギャップ（約1.9eV）より狭い。しかし乍ら、アモ
ルファスシリコン合金はアモルファスゲルマイウム合金
よりも状態密度が低く、このため電気搬送特性がすぐれ
ている。
アモルファスゲルマニウム合金とアモルファスシリコン
合金との交互層を十分に薄く形成し得るので、アモルフ
ァスゲルマイウム合金層に光子の大部分を吸収させて荷
電キャリア対を生成せしめ、アモルファスシリコン合金
層に荷電キャリアの搬送を行なわせて収集効率を良くす
ることが可能である。また、層が薄いので、領域78b全
体が、アモルファスゲルマイウムの1.1eVとアモルファ
スシリコンの1.9eVとを両極端値とする複合バンドギャ
ップを有し得る。このような複合バンドギャップは、図
示の如く３つの縦続電池を含むタンデム形電池の中間電
池の真性領域に層状構造を与える場合に特に適当であ
る。
合金との交互層を十分に薄く形成し得るので、アモルフ
ァスゲルマイウム合金層に光子の大部分を吸収させて荷
電キャリア対を生成せしめ、アモルファスシリコン合金
層に荷電キャリアの搬送を行なわせて収集効率を良くす
ることが可能である。また、層が薄いので、領域78b全
体が、アモルファスゲルマイウムの1.1eVとアモルファ
スシリコンの1.9eVとを両極端値とする複合バンドギャ
ップを有し得る。このような複合バンドギャップは、図
示の如く３つの縦続電池を含むタンデム形電池の中間電
池の真性領域に層状構造を与える場合に特に適当であ
る。
第４図は、層状アモルファス半導体合金領域の別の用途
として、該領域がホトデテクタデバイス90に使用された
例を示す。デバイス90の抵抗は、デバイスに当る光の量
に伴なって変化する。本発明に従ってデポジットされた
アモルファス合金ボディ92はｐ−ｎ接合を有していな
い。該ボディ92は、透明電極94と基板電極96との間に配
置されている。ホトデテクタデバイスに於いては、暗導
電率を最少にすることが望まれる。アモルファス合金ボ
ディ92は、無ドープ層状領域98と同じ導電形の層状でな
いドープ領域100,102を有する。前記導電形は、基板96
と上部電極94とに対し抵抗の低い接触を形成するように
選択されている。層状領域98は好ましくは、前記方法に
より形成されたゲルマニウム及びシリコンのアモルファ
ス合金の交互層を含む。
として、該領域がホトデテクタデバイス90に使用された
例を示す。デバイス90の抵抗は、デバイスに当る光の量
に伴なって変化する。本発明に従ってデポジットされた
アモルファス合金ボディ92はｐ−ｎ接合を有していな
い。該ボディ92は、透明電極94と基板電極96との間に配
置されている。ホトデテクタデバイスに於いては、暗導
電率を最少にすることが望まれる。アモルファス合金ボ
ディ92は、無ドープ層状領域98と同じ導電形の層状でな
いドープ領域100,102を有する。前記導電形は、基板96
と上部電極94とに対し抵抗の低い接触を形成するように
選択されている。層状領域98は好ましくは、前記方法に
より形成されたゲルマニウム及びシリコンのアモルファ
ス合金の交互層を含む。
第５図、（ゼロクラフィードラムの如き）静電像生成デ
バイス110を示す。デバイス110は、暗導電率が低く選択
的波長しきい値を有しており無ドープ又は軽度にｐ形ド
ープの酸素安定化された層状アモルファス半導体合金領
域112が、ドラム又はベルトの如き適当な基板114にデポ
ジットされることによって形成されている。また、層状
領域112は好ましくは、前述の方法で形成されたアモル
ファスシリコン合金及びアモルファスゲルマニウム合金
の交互層を含む。少量の酸素を反応ガスと混合すること
によって１つ以上の層に少量の酸素を導入することも可
能である。
バイス110を示す。デバイス110は、暗導電率が低く選択
的波長しきい値を有しており無ドープ又は軽度にｐ形ド
ープの酸素安定化された層状アモルファス半導体合金領
域112が、ドラム又はベルトの如き適当な基板114にデポ
ジットされることによって形成されている。また、層状
領域112は好ましくは、前述の方法で形成されたアモル
ファスシリコン合金及びアモルファスゲルマニウム合金
の交互層を含む。少量の酸素を反応ガスと混合すること
によって１つ以上の層に少量の酸素を導入することも可
能である。
真性合金領域以外の合金領域はアモルファス領域でなく
例えば多結晶領域でもよい。
例えば多結晶領域でもよい。
“アモルファス”なる用語は、長距離無秩序を有する合
金又は材料を意味しており、材料中に短もしくは中距離
秩序が存在してもよく、また時には或る程度結晶質粒子
を含んでいてもよい。
金又は材料を意味しており、材料中に短もしくは中距離
秩序が存在してもよく、また時には或る程度結晶質粒子
を含んでいてもよい。
第１図は、アモルファス半導体合金薄膜を層状で被着面
にデポジットするためのマイクロ波プラズマデポジショ
ンシステムの具体例の一部破断斜視図、 第２図は、反応ガスを別々に励起し、励起された種を被
着面に順次導入して層状デポジションを行なうように構
成されたシステムの別の具体例の概略説明図、 第３図は、本発明の一実施例であるアモルファス半導体
合金の交互層を含む真性領域を有するタンデム形光電池
デバイスの断面図、 第４図は、本発明の一実施例である層状のアモルファス
半導体合金領域を含む光検出デバイスの部分断面図、 第５図は、本発明の一実施例である層状アモルファス合
金領域を含むゼログラフィードラムの部分断面図であ
る。 10……マイクロ波デポジションデバイス、12……チャン
バ、14……基板、16……ヒーター、17……マイクロ波エ
ネルギ源、18……マイクロ波エネルギ発生器、19……ア
ンテナ、20……反応ガス導出口、21……アンテナハウジ
ング、22……薄膜、23……アンテナ移動機構、46……反
応ガス導入口、50……マイクロ波デポジションシステ
ム、52……チャンバ、54,56……マイクロ波エネルギ
源、58,60……ウッズホーン、70……タンデム形光電池
デバイス、90……ホトデテクタデバイス、110……静電
像生成デバイス。
にデポジットするためのマイクロ波プラズマデポジショ
ンシステムの具体例の一部破断斜視図、 第２図は、反応ガスを別々に励起し、励起された種を被
着面に順次導入して層状デポジションを行なうように構
成されたシステムの別の具体例の概略説明図、 第３図は、本発明の一実施例であるアモルファス半導体
合金の交互層を含む真性領域を有するタンデム形光電池
デバイスの断面図、 第４図は、本発明の一実施例である層状のアモルファス
半導体合金領域を含む光検出デバイスの部分断面図、 第５図は、本発明の一実施例である層状アモルファス合
金領域を含むゼログラフィードラムの部分断面図であ
る。 10……マイクロ波デポジションデバイス、12……チャン
バ、14……基板、16……ヒーター、17……マイクロ波エ
ネルギ源、18……マイクロ波エネルギ発生器、19……ア
ンテナ、20……反応ガス導出口、21……アンテナハウジ
ング、22……薄膜、23……アンテナ移動機構、46……反
応ガス導入口、50……マイクロ波デポジションシステ
ム、52……チャンバ、54,56……マイクロ波エネルギ
源、58,60……ウッズホーン、70……タンデム形光電池
デバイス、90……ホトデテクタデバイス、110……静電
像生成デバイス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スタンフオード・ロバート・オヴシンスキ ー アメリカ合衆国、ミシガン・48013、ブル ームフイールド・ヒルズ、スクワイレル・ ロード・2700 (72)発明者 ステイーヴアン・ジエンキンス・ハドジエ ンス アメリカ合衆国、ミシガン・48075、サウ スフイールド、アリグザーンドリア・タウ ン・２、マウント・ヴアーノン・18501 (72)発明者 マーク・エアロン・ケストナー アメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 02162、ニユウトン・ロウア・フオールズ、 サント・メアリーズ・ストリート・25 (56)参考文献 特開 昭58−10871（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−1268（ＪＰ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】光の入射により電荷を発生する実質的に真
性の半導体領域を有する半導体デバイスにおいて、 前記半導体領域は、反応ガスをマイクロ波エネルギによ
って励起して堆積させた互いにバンドギャップが異なる
ところの、シリコンを含むアモルファス半導体薄層およ
びゲルマニウムを含むアモルファス半導体薄層が交互に
各２層以上積層されて形成されていることを特徴とする
半導体デバイス。 - 【請求項２】前記デバイスが光起電力デバイスであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体デ
バイス。 - 【請求項３】真性領域の両側に位置し、互いに逆の導電
性を具備するドープされた半導体領域を具備することを
特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
半導体デバイス。 - 【請求項４】タンデム形光起電力デバイスの一方の電池
を構成することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記
載の半導体デバイス。 - 【請求項５】前記デバイスがホトデテクタデバイスであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導
体デバイス。
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