JPS58155774A

JPS58155774A - 半導体装置

Info

Publication number: JPS58155774A
Application number: JP57038769A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1982-03-11
Publication date: 1983-09-16
Also published as: JPH0432552B2

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】本発明は非単結晶半導体を用いた半導体装置％に光照射
によシミ子・ホール対を発生する光起電力発生用半導体
層（以下単に活性半導体層という）を有する真性または
人為的にＰｔたはＮ型の不純物を積層的に添加しないい
わゆる実質的に真性の半導体層（以下単に１層または単
に真性半導体層という）およびｉ型またはＮ型半導体層
を積層してＩＰ−１工ｉ、　ｐｆｆｉ接合を有せしめ死
生導体装置に関する。

本発明は光電変換装置は光照射両側よｌ）　ＩＩＩＩＩ
菖ｙ工ＰＦ接合を有せしめ、活性半導体層における少数
キャリアのライフタイムを実質的に長くして、ひいては
大電流出力を有せしめることを目的としている。

本発明は第１、第２、第３、第４の非単結晶半導体層を
積層して、ＰＩＩ！ｍｌ、１ｉＩＰＰ接合を有せしめる
にあ￥シ、これらの半導体層を同一反応室を用いて作製
するのではなく、それぞれ独立し九番側の反応室を連結
して具備せしめ、第１の半導体層を形成した後、隣の反
応室に被形成面を有する基板を大気にふれさせることな
く第１の半導体層上に第８の半導体層を積層して形成せ
しめ、かかる工程を漸次く）かえすことによシ第１の半
導体層上に第２の半導体層を、また第２の半導体層上に
第３の半導体層を、第３の半導体層上に第４の半導体層
を形成せしめる半導体装置の作製方法に関する。

本発明は４つの反応室を連結して有する半導体装置製造
方法に関し、その第１の半導体層を形成するに先立ち、
その半導体層上に水分、空港等の吸着物を除去し、さら
に反応室に大気（空気特に酸素、水）の混入がないよう
に、大気との遮断用の第１の予備室と、基板上の吸着物
除去用の予備加熱用の第２の予備室を設けることを目的
としている。

従来プラズマ気相法特にグロー放電法を利用し、Ｐ工Ｎ
接合を積層法にて有する光電変換装置に関しては、本発
明人の出願になる　光起電力発生用半導体装ｆＬ　（８
４９，６，２０出願　特開昭５１−７８９０　　特願昭
４９−’ｌ’ｉ’３９）が知られている。

また　半導体装置（特開昭５２−１６９９０）も知られ
ている。しかしこれらの半導体装置における活性半導体
層としての１層は、この１層をはさむＰまたはＮ型半導
体層に比べて低不純物濃度層であることを指摘しながら
も、さらにその細目については全く開示していない。

本発明は半導体層を被形成面上に積層して作製する光電
変換装置において、この活性半導体１５　−。

層をさらに検討した結果、その内部を５Ｘ１０ｃｍ以下
の不純物濃度しかない工型半導体層と、７×１０〜ｌＸ
１０ｃｍの濃度の不純物が添加されているｉまたはＮ−
型半導体層をそれぞれ独立した反応室で積層して形成し
、お互いの不純物が混入しあわなくせしめたことを特徴
としている。この結果、この活性半導体層を電子または
ホールと積層的に対立させ、かつ光照射により発生した
キャリアのうちの少数キャリアを電極ヘトリフトさせや
すく、ひいてはそのライフタイムを長くせしめたことを
特徴と−する。

さらに本発明はこの半導体中に添加された酸素の濃度を
第１および第２の予備室を設け、そこで塗去することに
より、従来知られていた１−２〜２０Ｘ１０ｃｍの濃度
よりさらに１／３以下好ましくは１／１０〜１１５０と
したことにより、半導体をその中に酸化珪素絶縁性成分
を除去し、よシ半導体としキャリアのライフタイムを長
くしたことを特徴としている。

また半導体層をそれぞれ独立に積層する方法は本発明人
により　半導体装置（特願昭５３−１５２８８’ｉ’　
Ｓ５３．１２．１０出願）およびその分割出願　半導体
装置作製方法（特願昭５６−５５６０’７Ｂ５６．４．
１５）に記されている。しかしこれらは独立連結方式の
プラズマ気相法が記されていながらも、やはり活性半導
体層をさらに複数層にわない。本発明はこれをさらに発
展せしめ、光電変換装置としての変換効率を１０〜１４
％／ａｍ’（ＡＭ１１ｏｏｍｗ／ｃｍ７の照射光におけ
る５ｃｍ’の真性変換効率）を有せしめ、従来の６〜８
　％／ｃ　ｍ’よシもさらに４〜６％も向上せしめたこ
とを特徴としている。

本発明における光電変換装置において、ＰまたはＮ型半
導体層特に入射光側のＰまたはＮ型半導体層を活性半導
体層に比べて広いエネルギバンド巾とし、その半導体層
での照射光の■収損失の増加を防いでいる。

このエネルギバンド構造を連続接合し、ＰまたはＮ型の
半導体層に対し窓構造を設けたものとして、本発明人の
出願になる　半導体装置（米国特許　４．２３９．５５
４１９Ｂ０．１２．６発行米国特許　４．２５４．４２
９１９Ｂ１．３．３発行）が知られている。本発明はか
かる本発明人の発明になる出願をさらに発展させたもの
である。

本発明はかかる半導体層に再結合中心中和用の水素、フ
ッ素または塩素の如きハロゲン元素を０．１〜２０モル
チの濃度に、またリチュームの如きアルカリ金属元素を
１０〜ｌｏａｍの濃度に含有せしめて、不対結合手中和
効果を有せしめるとともに、５〜２００ＯＡ代表的には
５〜１００Ａの大きさの結晶性（ショートレンジオーダ
の結晶性）を有するセミアモルフッス（半非晶質）半導
体（以下ＳＡＳという）とかかるショートレンジオーダ
の結晶性を有さないアモルファス（非晶質）半導体（以
下Ａ８という）とが層状に積層構造を有して設けられた
ものである。

本発明は特に光電変換装置における光照射面側のＮ型の
半導体層がその領域での入射光の吸収性を少なくするた
めＳＡＳとし、さらにそれに隣接した真性半導体層をＳ
ＡＳとし、入射光側でのキャリアのライフタイムを長く
シ、さらにこのＳＡＳ上面に真性の階段状または連続的
にＡｓまたはＡｓを混入させた半導体層を積層して内部
電界を自発的に設け、光−電気変換効率の向上を促した
ものである。

ＳＡＳに関しては、本発明人の出願になる特願昭５５−
０２６３８８．８５５．３．３出願（セミアモルファス
半導体〕が知られている。さらにこのＳＡＳを利用して
Ｐ工Ｎ接合型の光電変換装置を設けた発明として、本発
明人の出願になる特願昭５６−〇〇８，６９９．　Ｅ＋
５６．１．２２　（光電変換装置）が知られている。　
　　　　・以下図面に従って説明する。

第１図は本発明を実施するのに必要なプラズマＯＶＤ装
置の概要を示す。

すなわち基板（１）は絶縁性ホルダ例えば石英ホルダ（
ポー））（２）が保持された反応炉（ハ）〜（ハ）中に
上方向から下方向への反応性ガスの流れに平行であり、
かつ高周波エネルギ（４）Ｋ対する電極（２）　（３）
の放電に対し平行方向に設置させている。

反応性気体は珪化物気体（Ｓ　ｉ　ｘ　ＨＬ、、ｚ　ｘ
　ｚｌ）を（５）、（９）。

ａ埠αカよシ、またＰ型不純物であるジボラン（Ｂ、、
７（、）を（６）よシ、Ｎ型不純物であるフォスヒン（
ＰＨ，）を０→よシ、キャリアガスである水素またはヘ
リューム（）（ｅ）を（８人１ｍ、（１→、翰より供給
した。また広い・シ供給する。

これらを反応性気体の反応室への噴出し口であって、か
つプラズマ発生用の電極（５１）、　（５２）、　（５
段。

（５４）より反応室鴨（２）、（財）、（２）に供給し
ている。この反応性気体が反応室に放出されると、電磁
エネルギが加えられ、それらの気体を活性化、分解して
反応生成物が被形成面上に蓋積される。この反応室では
直流〜２０ＭＨｚ例えば直流、５００ＫＨｚ、　１３．
５６ＭＨｚの周波数の電磁エネルギを電極（２）　（３
）より加えた。さらに被形成面を有する基板（１）に赤
外線加熱炉（４）により　１００〜５００’Ｏ代表的に
は２００〜３００°Ｃに加熱し、多量の基板処理ができ
るようになった。

基板（１）は最初第１の予備室（ホ）に挿入され、ロー
タリーポンプ（３０）にて真空引きされた。この予備室
を大気圧にするには（ハ）より窒素を導入した。

この予備室が真空引された後、その隣りに設けられた２
００〜４００’ＯＫ赤外線ランプにて加熱された第３の
予備室にゲイ）（５５）を開けて移し、移した後再びゲ
イ）（５５）を閉め、第１の予備室はＱ■より窒素を導
入し大気圧とした後、別の基板が導入される。かくの如
きくりかえしによシ、第１の予備室の基板は第２の予備
室に、第２の予備室（ハ）の基板は第１の反応室に）に
漸次移相して導入される。さらにこの第１の予備室で真
空引をして大気を除去した後、第２の予備室で吸着酸素
、水を真空加熱により除去することは、半導体層中の酸
素の濃度を従来より知られた１〜３　Ｘ　１０”Ｏｍ’
よシもさらに１／３以下代表的には１／１０〜１／３０
のｌＸｌ０〜５ＸＩＯｃｍ　Ｋまで下げることができた
。

もちろん各反応室においても、外部よりの真空リークは
１０ｔｏｒｒ以下を保障できるように務めている。

以上の如くにして第１の反応室において、被形成面上に
１．６〜２．２ｅＶのエネルギバンド巾を有するＰ型の
導電型を有するＳ　ｉＸｏ、、　（０＜Ｘ’：　１）を
２００Ａ以下代表的には３０〜１５０Ａの厚さに形成し
た後、第１および第２の反応室を真空引をして、この被
形成面を有する基板を第２の反応室（ハ）に移相した。

この時第２の反応室に設置された基板は第３の反応室−
に、第３の反応室■の基板は第４の反応室（ハ）に、第
４の反応室の基板は第３の予備室（ハ）に移相し、第３
の予備室の基板はゲイト（５６）を完全閉にした後、他
のゲイト（５７）より外部に出される。

第２の反応室（ハ）においては、第２図（Ａ）Ｋそのた
て断面図が示されているが、Ｐ型の第１の半導体層（４
４）が形成した上に１型の第２の半導体層（４５）が１
００〜２００ＯＡノ厚さ代表的には２００〜５００Ａの
厚さに形成される。この１層は第２の半導体層を形成す
る際、第１の半導体層を生成する不純物が５０〜１０□
人するため、１００Ａ以上形成させ、Ｐ型用の不純物と
Ｎ型用の不純物とが５　Ｘ　１０’ｃ　ｍ−’以上の濃
度で直接に混合しないように務めた。

この工型半導体層は空乏層を形成させ、ここでのキャリ
アの電極へのドリフトｒ−＃）移動を助長させるために
きわめて重要である。

さらにこの徒弟ψの反応室（ロ）にて、第２図（Ａ）に
おけるＮ型の第３の半導体層０６）を０．１〜０．６μ
の厚さに形成させた。さらに第４の反応室（ハ）にてＮ
型の第４の半導体層αつを１００〜５００Ａの厚さに形
成させた。この半導体層をもＢＳＦ　（逆方向の空乏層
電界）を少数キャリアに与えるため、とのＫｇを１．８
〜２．５ｅＶとしたＳ　ｉ　Ｘ　Ｏ，７−ｘ（０＜ｘ≦
１）とした。また１層α５）、Ｎ一層０６）は前記した
非単結晶シリコンを用い１．５〜１．８θＶとした。

以上の如き４つの半導体層を・積層した後、電極０８）
および耐湿性向上のため、エポキシ、ポリイミド等の有
機樹脂モールド０９）を１００〜５００μの厚さにオー
バーコートｆｒした。

第２図（Ａ）において、基板は透光性基板α０）例えば
ガラス、ポリイミド樹脂を用い、そこに３〜２０μの深
さのＮｉ、　Ｎｉ中ＫＢ、ｐが添加された代表的または
そのバルクにＡＩ、　Ｏｕが設ケラれ、うめこみ補助電
極（４１）を設けた。さらにこの上面に透明導電膜（４
３）を１参戎゛している。この透明導電膜は工ＴＯ（酸
化インジューム＋３〜１０％酸化スズ）と酸化スズ、酸
化アンチモンまたはその混合物を積層して２層膜として
いい。

この透明導電膜はこれに接する半導体がこの実施例の如
くＰ型半導体にあっては７価の透明導電膜である酸化ア
ンチモン（ｓ　ｂＬｏ、　ｉたはｓ　ｂＬｏ、）を５０
〜２０ＯＡの厚さにそれに接する如くにして形成し、工
ＴＯはこの導電膜の導電性を向上させる如くにその下地
に設けることが光電変換装置の変換効率の向上特に電流
の増大に大きく寄与していた。そして工ＴＯをＰ型半導
体に接せしめる時、５〜１０　ｍ　Ａ／ｃ　ｍ’の電流
忙４であったものが１３〜２０ｍＡ／ｃｍ”ときわめて
大きくできた。これはアンチモンがＰ型半導体のホール
の再結合中心となり、この界面での電気的な直列抵抗を
下げることができ穴。

以上の如くにして得られた第２図（４）に対応したエネ
ルギバンド巾を第２図（Ｂ）　Ｋその番号を対応して設
けている。

この図面よシ明らかな如く、活性半導体層０１）〜（４
６）はこの場合の少数キャリアであるホールをＰ型半導
体層（４４）　Ｋ　（４４）、　（４６）間の高い電位
差により効率よく供給せしめている。特に照射光近くに
ある真性半導体層（４５）での空乏層のひろがりおよび
高い電界強度を有せしめるためＮ−型半導体層α６）を
設け、さらにこの（４６）で光照射によシ発生し九キャ
リアはＢＳＦ効果の助けを含めて少数キャリアをＰ型半
導体層にドリフトさせたものである。その結果、従来よ
り知られた単なるＰ工Ｎ半導体においては５〜７％／ｃ
　ｍ　’ｉでの効率しか得られなかったものが、ＰＩｉ
Ｎ型構造とすることにより、１０〜１２俤の高い変換効
率をＡＭＩにて得ることができた。さらに１０ｃ♂の大
面積基板においても、０１）の補助電極の助けを含めて
開放電圧０．９〜０．９５Ｖ　、短絡電流１６〜２０　
ｍ　Ａ１０　Ｉｎ’７〜１０％の実用変換効率を得るこ
とができた。

第３図は基板００）を導電性とし、例えばステンレスと
したものである。この上面に第２図（ト）と同様に第１
、第２、第３、第４の半導体層を（４荀、（４５）、　
（４６）、　（４ηと積層して設け、■ＴＯの透明導電
膜Ｃ４５）補助電極（４１）樹脂モールド（４９）Ｋよ
シ設けている。

Ａ　−Ａ’における対応エネルギバンド図を第３図（Ｂ
）　Ｋ示している。この場合は第２図体）と異なシ、上
方向よシの光照射のためＮ（ａｌｌ（４６）　Ｐ　（４
５）Ｐ０４）としている。この場合Ｐ−はその被膜形成
の際その不純物濃度が５×１０〜ｌＸ１０ｃｍときわめ
て低いため、ボンベ中で５〜１０１０ＰＰ水素希釈）を
作ることがジボランとボンベとの反応によシネ可能であ
る。このため本発明においては、シラン中に１０〜１１
００ＦＰのジボランを添加したボンベを用いていること
が他の特徴である。かくして制御性を有するＰ−半導体
層α５）を作ることができた。この中に第１の半導体０
４）よりのオートドーピングによるＰ型不純物の混入を
禁止するため、本発明においては第１図に示す如くＰ型
半導体層（４４）用の第１の反応室（ハ）とｉ型半導体
要用の第２の反応室に）とを独立にしている。特にＰ型
半導体層αＯに炭素を添加した場合、この炭素が部分的
（局部的）にＰ−の第２の半導体層に混入し、電気的導
電性を防げることを防ぐことはきわめて重要である。こ
のためα５）の第２の半導体層は珪素、ゲルマニユーム
またはその混合いように務めた。

かくして第３図中）の如き場合においても、第２図と同
様の１０チをこえる変換効率を得ることができた。

第３図の他の製造方法については第１図、第２図におい
て述べたことと同様である。

以上の説明において半導体装置はｐｘｉｙまたはＮ工Ｐ
″Ｐ接合を１つ有せしめ九。しかしこれを活性層を非単
結晶の８１によシ１．６〜１．８０Ｖとし後側を８　ｉ
　ｘＧ　ｅ、１（０／、Ｘ　ａｘ）　Ｋより　１．０〜
１．６ｅＶとして開放電圧の増大に務めてもよい。また
Ｎ工Ｐ’Ｐに関し、Ｎ工Ｐ’Ｐ　Ｎ工ｐｐ接合、Ｎ工ｐ
ｉｐＮ工Ｐ接合とした場合も同様である。

ＰまたはＮの半導体層よりも低不純物濃度としし、さら
に光照射面側での工層中での冒価およびＶ価の不純物の
混合をさけ、加えてＰ−またはＮ−とすることにより少
数キャリアのライフタイムを長くさせたこと、さらにと
の工、Ｐ−またはＮ−をそれぞれ独立に反応室で形成す
る等のすべてを一体化することにょシ、初めて１０％を
こえる高い変換効率を有す大面積型光電変換装置を作る
ことがてきる。この点でその工業的価値は少なくないも
のと信する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いられた半導体装置製造装置の概要
を示す。第２図、第３図において（Ａ）は本発明の光電変換装置
のたて断面図を示し、またＣＢ）は（４）に対応したエ
ネルギバンド図を示している。特許出願人３７４− ３私２脳

Claims

【特許請求の範囲】１、基板または基板上の導電層よりなる第１の電極と、
該電極上に一導電型の第１の非単結晶半導体層と、該半
導体層に比べて低不純物濃度の第２、第３の非単結晶半
導体層と、前記第１・の半導体層とは逆導電型の第４の
非単結晶半導体層とを積層して設けた光電変換装置にお
いて、前記第２および第３の半導体層がＩ　Ｐ’、ＩＮ
−、ｉｍ−接合を有して設けられたことを特徴とする半
導体装置。２、特許請求の範囲第１項において、光電変換装置は光
照射面側よりＰ工ｉｙまたはＮ工ｆＰ接合を有して設け
られたことを特徴とする半導体装置。３、特許請求の範囲第１項において、ＰｔたはＮ−型半
導体はＰまたはＮ型の導電型用の不純物濃度が７×１０
〜ｌＸ１０ｃｍを有し、工型半導体は５　Ｘ　Ｉ　Ｃ；
’ａ　ｒｎ’以下の不純物濃度を有することを特徴とす
る半導体装置。４、特許請求の範囲第１項において、工型半導体層はｉ
ｏｏ〜２０００Ａの厚さを有し、Ｐ−またはＮ−型の半
導体層は０．６〜０．１μの厚さを有することを特徴と
する半導体装置。