JPS5825281A - 半導体装置 - 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】 本発明は非単結晶半導体を用いた半導体装置特に光照射
によシミ子・ホール対を発生する光起電力効果を有する
真性または人為的にＰまたはＮ型の不純物を添加しない
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Ｐ型またはＮ型半導体
層に関する。

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ノ・ロゲン元素またはりチューム
、ナトリューム、カリュームの如きアルカリ金属元素を
含有するとともに、５〜２０００Ａ代表的には５〜１０
０Ａ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ァス（半非晶質）半導体（以下
ＥＩＡＳ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ＡＳ
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ＥＩＡＳとし、さらにそれに隣接した真性半導体層を
ＳＡＳとし、入射光側でのキャリアのライフタイムを長
くしさらにこの５ＡＩ３上面に真性の階段状または連続
的にＡｓまたはＡｆ３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に関しては本実門人の出願になる特願昭５５−０
２６３８８．８５５．３．３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、本実門
人の出願になる特願昭５６−００８６９９．８５６．１
．２２　（光電変換装置）が知られている。さらにこれ
らＳＡＳおよびＡＳを用いかつそ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
けたものとして本実門人の出願になる　半導体装置（米
国特許　４．２３９．５５４１８８０．１２．６発行米
国特許　４．２５４．４２９１９．８１．３．３発行）
が知られている。本発明はかかる本実門人の発明になる
出願をさらに発展させたものである。

さらに本発明はＡＳとＳＡＳとが種々の物性において異
なり、光の吸収係数、光伝導度、２ＰまたはＮ型の不純
物を添加した時の活性化エネルギーおよびイオン化率に
きわめて大きな違いがある。本発明はそれぞれの半導体
を有機的に結合させて高効率の光電変換装置を設けた。

以下に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ＣＶＤ装
置の概要を示す。

すなわち基板（１）は石英ホルダー（ボート）（２）に
保持された反応炉（ホ）中にガスの流れに平行で体は珪
化物気体（Ｓ　１ＸＨ２Ｊｌｌ　Ｘ〉ｌ）を（６）よシ
、またＰ型用不純物であるジボラン（へ樽を（１→よシ
、Ｎした。また広いエネルギバンド巾とする添加材例え
ばＴＭＳ　（テトラメチルシラン（（（１！Ｉ（入５１
））をバブラーをへてＨθ、ＨＬにてバブルして供給す
る。またアンモニア（ＮＨ，）、炭化水素例えばＣ馬。

Ｃ）庵であってもよい。

これらを混合器α力をへてマイクロ波（１〜１０ＧＨｚ
代表的には２．４−５（）Ｈ２）の電磁エネルギ（１０
）によシエキサイター（７）に−て反応性気体またキャ
リアガスに一次電磁エネルギを加えそれらの気体を活性
化、分解して導入口（９）よシ反応容器（イ）に導入し
た。この反応容器では直流〜２０Ｍ）（ｚ面を有する基
板（１）に抵抗加熱炉（５）により　１００〜５００°
Ｃ代表的には３００’Ｏに加熱し多量の基板処理ができ
るようにした。

反応生成物は加熱された基板上にニー次エネルギによシ
被形成面上に被膜がふみ固められる如くにして形成させ
た。さらにキャリアガスおよび不純物が排気口（６）を
へてパルプ０］）、ロータリーポンプ０）をへて外部に
放出される。

反応容器内の圧力は０．１〜１０ｔＯｒｒ、代表的には
０．３〜１ｔｏｒｒとした。

第２図は不純物を添加しない実質的に真性の半導体被膜
を形成させたものである。図面（Ａ）は二次電磁エネル
ギの光吸収係数、（Ｂ）はキャリアの拡散長または光伝
導度、（Ｃ）は活性化エネルギを示したものである。

第２図（４）に示される如く、ＡＳの領域（３６）とＳ
ＡＳの領域（３″Ｑとは光吸収係数が異な＃）ＳＡＳの
方が小さくなる傾向がある。図面（Ａ）は波長５００’
ｎｍにおける実験値を示す。さらに二次電磁エネルギー
に加えて一次電磁エネルギを反応性気体が分解、反応を
おこさない程度で活性化を行なうと曲線（３２）よ！Ｄ
（３３）に窒化する９これは形成された被膜の成長速度
が３〜５倍となシまたその密度も向上することから高密
度による増大と推定される。

第２図（Ｂ）における曲線（３荀は１３．５６ＭＨ２も
の二次電磁エネルギのみ、また曲線（３３）はマイクロ
波を加えた場合を示す。いずれにおいても光伝高い値を
得、これは単結晶珪素の場合にきわめて近いものであっ
た。

さらに活性化エネルギは逆に小さくなる。みかけ上電子
の拡散長がきわめて大きくなシ、Ｎ型化傾向がみられた
。

本発明の真性半導体（実質的に真性の半導体を含む）領
域において、被形成面の積層方向においてＡｓとＳＡＳ
とを層状にこれらのＪｔ’４６ｓ１う性を利用して不連
続または連続的に変化せしめより高い変換効率の光電変
換装置を得んとしたものである。

第３図はＰまたはＮ型の導電型を有するＡｓまたはＳＡ
Ｓに関するもので、特に０．２〜２チ例えばＢＬＶＳ　
Ｉ　Ｈ４二〇　−５％、　ｐＶｓｔａ、、１％とした時
の資料である。

第３図（Ａ）は二次電磁エネルギと光吸収係数の関係を
、（Ｂ）は不純物と活性化エネルギを、（Ｃ）はエネル
ギバンド巾を示す。

第３図（Ａ）において曲線（４１）は珪素のみの５００
ｎｍにおける吸収係数を示す。ここにおいてもＡｓ（３
６）に比べてＳＡＳ’（３７）にした方が吸収係数が約
１／３〜１／３０になシ、窓効果を期待することができ
る。加えてこの珪素に炭素をＳｉＣ結合を作るべくＣＺ
Ｓｌ−０，２〜０．４添加したもので、かくするとその
エネルギバンド巾も１．６ｅＶよシ２．ＯｅＶに広げる
ことができるため、５ｏｏｎｍにおける吸収係数が減少
し、曲線０６）を得ることができる。特にＳＡＳ化させ
ると二次電磁エネルギを６０〜ＳＯＷとし一次電磁エネ
ルギを３０〜１００Ｗとすると１〜３Ｘ１０　ｃｎ７と
低い値を得ることができた。

ＡＳとＳＡＳとは第３図（Ｂ）の活性化エネルギからも
５明らかにすることができる。曲線０２）は二次電磁エ
ネルギのみまた曲線（４３）は−次電磁エネルギを３０
〜１００Ｗ加えた場合を示している。

図面よシ明らかな如く、被形成面よシ離れた位置で水素
の如き軽い元素に電磁エネルギを加えてマイクロ波を用
いると重い分子または会合分子には運動エネルギを与え
ることなくよシ低い二次エネルギにて微結晶性を有する
ＳＡＳ構造に近ずけることができることがわかる。

本発明は二次エネルギを１００Ｗ以下特に６０Ｗ（ＳＡ
Ｓ）と２０Ｗ（Ａｓ）としてこれらのふたつの中間構造
を含みＰＩＮ型の光電変換装置におけるＰまたはＮ型半
導体層に異なる構造の半導体層を積層しよシ高いｉｎ羊
を得ようとしたものである。

第４図および第５図は本発明の光電変換装置におけるた
て断面図およびそのエネルギバンド図を示している。

第４図は金属基板例えばステンレス基板上ＫＰ型半導体
層（５３）＊工型半導体層（６１）　、　Ｎ型半導体層
（５２）Ｉ透明導電膜上になる対抗電極（５優が設けら
れ、照射光（５５）’ＩＣよりｘ型層（５１）で発生し
た電子・ホール対（５１）をＰ型層（５鳴Ｎ型層（５２
）ＩＣ内部電界によシトリフトして光起電力を得ようと
したものである。

第４図（Ａ）に対応した一例のエネルギバンド図を同（
Ｂ）に番号を対応して示している。図面において（５６
）はＡｓであシ、また（６０）はＳＡＳが電極（５４）
方向に向って漸増させていったものである。

このＳＡＳ化率が大きいほどすなわち１層を積層してゆ
くにつれて、第２図（０）に示した如く電磁エネルギを
増加させていくとフェルミレベルが伝導帯に近すき、結
果として左下さがりの内部電界を得ることができる。そ
の結果ホールを価電子帯にて基板方向にドリフトさせや
すくなシ、みかけ上の拡散長を長くでき、結果として電
流を増加させることができる。加えてＮ層（５２）とこ
の近傍をＳＡＳ化することにより、この領域での光吸収
が少なくなり、拡散長の短いホールに対しその発生する
場所がＮ層（５２）のごく近傍ではなく′内部にするこ
とができる。そのため結果としてホールの裏面電極まで
の実質的な拡散距離を短くすることができ、この面でも
大電流をもたらすことができるようになった。

さらに基板上にＰ層を形成するに際し、このＰ層もＳＡ
Ｅ？化された領域（６３）、Ａｓの領域（６４）と２層
に積層し、Ｐ−１接合界面での構造敏感性を打けしこの
面でのへテロ接合面での伝導帯価電子帯を連続接合させ
ることは重要であった。

かかるＡｓ、ＳＡＳを連続的に変化させる場合０８ＡＳ
化率を第６図（Ｂ）にその−例を示している。図面にお
いてＮ層（５２）、Ｐ層（５３）はＳＡＳ化し特に窓効
果をもたらしめる半導体層（５２）はその広いエネルギ
バンド中として吸収係数の減少に務めた。

この構造において短絡電流２０〜３０ｍＡ／ａｍ’を得
ることができ、変換効率も１２〜１５％とすることがで
きた。

第５図は透光性基板（５８）上に透明導電膜（５０゜Ｐ
型半導体層（５す、工型半導体層（５１）　、　Ｎ型半
導体層’（５２）ｆ透明導電膜になる裏面電極（５９）
よシ構成している。

図面（Ａ）において工型半導体層は層（６０）　ｔ　（
６１）　＊（６２）　ｌ　（５６）が形成されそのＳＡ
Ｓ化率がそれぞれ０％、２５−１％、５０％、７５％と
して設けである。

かかる結果においてエネルギバンドは階段的に連続構造
を有しているが、その変換効率において８〜１０チを、
短絡電流２０〜２哨唱　ため得ることができた。

すなわちこの構造においては光照射面よシ内部に向って
Ａｓよｐ　ｓ　ｈ、ｓに変化しており、Ｐ層より離れて
位置において発生した電子・ホールの表面へのドリフト
を助長させることにより電流の増大をはかることができ
た。

第６図（Ｂ）は単純に１層をＳＡＳとＡｓとに分けて作
製したものである。この場合も第６図ＧＡ）には至らな
いが内部電界によυ従来より知られていたＡｓのみの工
型層のＰ工Ｎ接合を行なった場合に比べて電流を１３ｍ
Ａ／ｃｍＬより１７〜２ｔ）＋ｍＡ／Ｑｍ’に増やすこ
とができた。

本発明においてこのＳＡＳはＡＳに比べて単結晶半導体
に類似した構造敏感性を有するためこれらのＰ工Ｎ接合
構造を作製してしまった後−次電磁エネルギを加えて水
素をイオン化し、プラズマ水素アニールをすることはさ
らにこの光電変換装置としてのバラツキ再現性を確実に
するのに有効であった。１ このイオン化は二次電磁エネルギにおいては基板上への
イオン化のためスパッタ効果を有し逆に特性を悪化させ
てしまった。

このためイオン化率が１３．５６ＭＨ２に比べて　ｏｊ
〜１６倍も大きい２．４５ＧＨｚのマイクロ波としかつ
基板よシ離れた位置でイオン化し基板中に拡散によって
含浸させ不対結合手と結合中柳させることがきわめて大
きな効果を有していた。

これと同様にリュームの如きアルカリ金属を水に水酸化
リチュームを溶解しこの半導体装置を浸し１０”ｍｌ　
Ｃｉ’の低濃度に３００°Ｃ以下の温度で加熱拡散して
再結合中心を中和させることは効果が太きい。

以上の説明より明らかな如く、本発明は半導体層はその
同一導電型の半導体層内において、Ａ’ＳとＳＡＳとを
積層してまたは連続的にその比率を制御して形成せしめ
ることが特徴である０その結果従来より公知のその半導
体層中に単結晶半導体で知られる如く、不純物の濃度を
制御してフェルミレベルの位置を変化させひいては内部
ドリフト電界を作るのではなく、本発明は半導体中にそ
の結晶構造をＡｓとｓ４ｓとの間で制御することによシ
フエルミレベルの位置ヲ変化させ、ひいては不純物を添
加することなしに内部ドリフト電界を作るという大きな
特徴ン有している。

その結果真性半導体中での電子・ホールのドリフトが促
進され、光電変換装置においては特にＡｓを用いたＰＩ
Ｎ型構造に比べて電流を３０〜３００％も大きくさせる
ことができた。

本発明はＰＩＮ型ダイオードであシ特にそれを用いた光
電変換装置においてその応用効果が太きい。しかし単に
Ｐ工Ｎダイオード、イメージセンサ、ダイオードアレー
、発光ダイオードフォトトランジスタ、絶縁ゲイト型電
界効果半導体装置、集積回路等のその他の半導体装置に
おけるＰ型半導体層、Ｎ型半導体層、１型（真性または
実質的に真性）の半導体層における同一導電型半導体層
中でのＡｓとＳＡＳとを局部的に設けたことをその技術
思想としている。

本発明はＡｓとＳＡＳとは同一プラズマａＶＤ装置で制
御しうるという実験事実をその根拠としておシ、その工
業的効果はきわめて大きなものと信じる。

なお本発明は珪素または珪素と炭素または窒素との化合
物（−ｍ合物）を中心として示した。

しかしゲルマニューム、ｍ−ｖ化合物であっても同様に
適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置を作るための製造装置であ
る。 第２図は真性半導体の電気・物理的特性を示す。 第３図はＰまたはＮ型半導体の物理・電気特性を示す。 第４図、第５図は本発明の半導体装置のたて断面図およ
びそれに対応したエネルギバンド図である。 第６図はアモルファス半導体およびセミアモルファス半
導体の場所における混合の積層を示す３つの実施例であ
る。 Ｘ１酪：〉し＾ｉ二、Ｌ、〉１ノしへ−プう、ｐ＜Ｗ）
をｐ敦工Ｊルギームブ　＜ｗ＞ １１ｉ：＄−ｆ−，えた４Ｃ−Ｌｐ　　ｔｗノ仏５閃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真性または実質的に真性の半導体、Ｐ型半導体また
   はＮ型半導体を有する再結合中心中和用の水素、ハロゲ
   ン元素またはアルカリ金属元素が添加された半導体層は
   同一導電型の半導体層中において微結晶構造を有するセ
   ミアモルファス半導体とアモルファス半導体とが積層し
   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、Ｎ型半導体層に隣
   接した真性または実質的に真性の半導体における前記半
   導体側にはセミアモルファス半導体が設けられたことを
   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、Ｐ工Ｎ接合を有し
   て設けられた光電変換装置のＰ型またはＮ型半導体層は
   セミアモルファス半導体を少くとも一部に層状に設けら
   れた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、基板上にＰ工Ｎ接
   合を有して設けられた光電変換装置におけるＰ型半導体
   層は炭素とＰ型不純物が添加して設けられまｉＮ型半導
   体層は窒素または炭素とＮ型不純物が添加して設けられ
   たことを特徴とする半導体装置０