JPS5861680A - 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】 本発明は高性能の光起電力素子や光導１Ｌ素子に係し、
特に薄膜半導体を用いた光応答素子に好適な半導体装置
に関する。

従来の光起電力素子においては例えば結晶シリコンｐ　
−ｎ接合光起電力素子においては可視光付近の光を受光
する場合結晶シリコンの光吸収係数が１０’〜１０’ｃ
ｒｒ＆−’と小さく、そのため必要な結晶シリコンの厚
さは１０μｍ以上を必要とする。

また他の例として非晶質シリコンを用いたｐ−１−ｎ接
金光起電力素子においてはこの材料の大きな光吸収係数
のために必要な材料の厚さは０．５μｍ程贋と薄くて良
いが、吸収された光によって生成した電子、正孔の少数
キャリヤを収集する効率が悪い。

また光導電素子においては例えば非晶質シリコンを光導
電材料として用いる場合、特に薄膜光導電材料として用
いる場合、その比抵抗が高い（暗抵抗は１０６〜１０１
１Ω−副程度、波長５００ｎｍの単色光を１００μＷで
照射した場合１０４〜１０’Ω−副程度）ため、応答速
度が遅いという欠点がある。また結晶シリコンを用いる
場合光起電力素子の所で説明した通り、１０μｍ以上の
膜厚を必要とする。

従来これらの欠点を少しでもおぎなうため、非晶質と結
晶体の二層積層構造とし、それぞれに電極を接続し、光
吸収の大きな非晶質で光を有効に吸収し、結晶質の高電
導度を利用して生成したキャリヤを電極に収集する方法
が考案されている。

しかしながらこの方法では電流は二層を貫流するため非
晶質の高抵抗性の影響を無くすることは出来ない。

本発明の目的は従来技術のこれらの欠点を除去し、二層
またはそれ以上の層より成るそれぞれの半導体材料の長
所を相補う形で利用し、高性能の光応答素子を提供する
ことにある。

従来の技術では光起電力素子の場合、第１図にバンドモ
デルを示す如く異種材料の接続面においてエネルギ的に
見て段差が生じ、伝導帯側には極小点が生ずる。図にお
いて１は第１の半導体材料、２は第２の半導体材料、３
は負側電極、４は正側電極、６は光を示している。また
Ｃは伝導帯、Ｖｌは価電子帯を示している。そのため光
照射によって生成した電子がこの部分に一時滞留して正
孔との再結合等を起しやすく、有効に電流を取り出すこ
とが出来ない。加えて薄膜材料の場合等で半導体材料１
の易動度が低く、抵抗が高い場合は外部に電流を取り出
すことで出力電力が低下してしまう。この欠点を無くす
るため本発明では第２図にバンドモデルを示す如く、電
極３のかわりにこの異種半導体の接続部分の電子または
正孔それぞれから見てエネルギ的に極小となるキャリヤ
（第２図の場合７の電子）に電気的に低抵抗接続となる
電極５を接続する。なお、第１図と同じ符号は同一部位
を示している。ｒ−ｔたはＥｆはフェルミ準位を示す。

この様にすればたとえ異種半導体間にエネルギ極小部分
があってもキャリヤの滞留が無く、を流を有効に取り出
せる。まして半導体材料１が非晶質の様に易動度が低く
、抵抗が高い場合には、本発明の如く構成することで等
個直列抵抗が小さくなり出力特性が向上する。

特に本発明の効果は材料１の光学ギャップが材料２より
大きく、かつ易動度が小さい場合に特に顕著である。す
なわち第２図において光が６から入射する。材料１は光
吸収係数が大きいので大部分の光はこの材料で吸収され
る。この吸収された光により生成したキャリヤの内、電
子は７０部分にだくわえられＭＯ８構造と同様な反転形
チャンネルを生ずる。正孔は易動度の大きい材料２内を
内部電場によって移動し、電極４に収集される。

７０チャンネル部分は易動度の大きな材料２にあるので
低抵抗薄膜として動作する。この部分に電極５が付いて
いるので電気回路的に見ると易動度の小さい材料１は無
関係になっており、内部抵抗の小さい光起電力素子を提
供出来る。しかも光吸収係数の小さい材料２のみで構造
する場合とちがって材料２は極めて薄く出来るので、薄
膜化が極めて容易となる。

また、光導電素子の場合には電極４のかわりに今一つの
５と同様の電極を位置的に接触しない様に接続する。こ
の様にすると上述の光起電力素子の場合と同様に、光吸
収および電子−正孔対の生成は第２図の材料１で起り、
７のチャンネル部分に流入した電子を２以上の５の電極
間の電気抵抗の変化として検出する。このチャンネルは
、高易動度の材料２に形成されているので低抵抗となり
高速度動作に適する。また光を照射しない場合はチャン
ネル部分に電子が誘起されない様にフェルミ単位を選ん
であるので暗電導度が低く、光感度も高い。

これらはいずれも異種材料の接続面の伝導帯側に電子の
エネルギ極小が生ずる場合について述べたが、材料の導
電形を逆にすることで価電子帯の正孔に対してエネルギ
極小が生ずる場合についても同様の効果があることは明
らかである。また、異種材料は゛二種に限るものでは無
く、三［ｆたはそれ以上でも同様の効果が期待出来るこ
とはいうまでもない。

以下本発明の効果を実施例によって説明する。

実施例１ 第３図は本実施例の素子の断面を示す図でおる。

まずガラス板２４上にＭＯを約２０００人電子ビーム蒸
着法によって被着する。次に８　ｔ　Ｈ４ガスに熱分解
によって多結晶シリコン膜２３を約５０００人形成する
。この場合基蓼を６２５Ｃに保ち、Ｐ形のシリコンとす
るために約５ＰＰｍのＢ＊Ｈｓを５ｉＨ４に混合した。

また熱分解を安定に行なわせるために山で２０倍に希釈
して行った。次に直ちに基板温度を３００°に下げＢ＊
Ｈｓの添加を停止し、高周波電力約１５Ｗを印加してＳ
ｔＨ，をグロー放電分解させて約０．４μｍのアモルフ
ァスシリコン２５を被着する。この試料を取り出し、第
２図における４の電極部分に幽る箇所のみＰ＋イオンを
３００ＫｅＶに加速し、Ｉ　Ｘ　１０”ｃｒｎ−’打込
み後、同一部分をレーザアニール法により結晶化および
Ｐの電気的活性化を行い、この部分にのみ電極としてア
ルミをマヌク蒸着した。この様にすると２２のＭＯ電極
はＰ形の多結晶シリ、コン２３に低抵抗接触しており２
４のｎ形部分は結晶化しており２３のＰ形層とは空乏層
により電気的に分離されている。またアモルファスシリ
コ／２５とはアモルファスシリコンが高抵抗でおるだめ
実効的に電気的に分離されていると考えられる。第４図
はこの素子のエネルギ帯間である。２５は水素を含むア
モルファスシリコン膜で約１，７ｅＶの光学ギヤツブを
持つ。２３はＰ形多結晶シリコン展で中 １．１ｅＶのバンドギャップを持つ。この場合伝導帯側
に電子のエネルギ極小点が生じている。電極２４．２６
は第４図における２９Ｑ部分に対するオーミック電極と
して動作する。この素子に光が入射すると主として層２
５のアモルファス部分で電子−正孔が生成され電子は２
９に、正孔は２３の右側、すなわち電極２８に収集され
る。２９に蓄積される電子は２４．２６の電極を通じて
外部回路に導びかれ光起電力素子として動作する。電荷
は多結晶部分のみを流れて閉回路を構成するので内部抵
抗の低い高効率の光電変換素子を構成することが出来た
。赤道直下の晴天の太陽光によって得られる最高出力時
の光電変換効率は７．８％に到達し、開放電圧０．４４
Ｌ短結電流２１ｍＡであった。この場合２５のアモルフ
ァスの光入射側である表面近傍から内部に向ってバンド
ギャップが連続もしくは不連続に増加することなく減少
するように例えばＣを少量含むアモルファスシリコ□ン
カーボンにすることにより光学ギャップを少し広くして
発生した電子−正孔を異種材料接続部に有効に送る様に
するこ４とによりさらに短絡電流が２１．５ｍＡに増加
した。いずれにしても本例のアモルファスシリコン２５
は電気回路とは直接入っておらず、従来の光起電力素子
では電子−正孔のキャリヤが逆方向に分れるのに対し、
本発明ではアモルファスシリコン２５について見るかぎ
り、両キャリヤは異種抵抗接合面に向って同一方向に拡
散することになる。この点が本発明の物理的要点の一つ
となっている。

実施例２ 第３図は本発明の光導電素子への応用例である。

実施例１と異なる点は２２０Ｍ０電極が無いこと、３９
の電極を別々に取り出し、二端子光導電素子を構成した
ことにある。この様にすると光を照射しない時の抵抗（
暗抵抗）は１０９Ω、約２０μＷの緑色光を照射した時
の゛抵抗は１０４Ωと約５桁低下し、すぐれた光導電特
性を示ｊとともに、その変化率が極めて高いことが明ら
かとなった。

以上本発明によれば異種の半導体を接続することにより
構成した光起電力素子の光電変換効率が向上し、また光
導電素子の光感度および光照射時の抵抗と暗抵抗の比が
極めて大きくなり、異種半導体それぞれを単独で用いた
いずれの場合よりもすぐれた特性を示すという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光応答素子および第２図は本発明の光応
答素子のエネルギ帯構造を示す図、第３図は本発明を光
起電力素子に応用した場合の素子断面および第４図はそ
のエネルギ帯構造を示す図、第５図は本発明を光導電素
子に応用した場合の素子断面を示す図である。 １．２・・・異種半導体材料、７・・・電子チャンネル
、２３．２４・・・Ｐ形およびｎ形多結晶シリコン、２
５・・・水素を含むアモルファスシリコン、２２゜２６
・・・電極、２９・・・電子チャンネル、３３．３４・
・・Ｐ形およびｎ形多結晶シリコン、３５・・・水素を
烹　　１　図 ￥Ｊ　Ｚ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、禁止帝巾の異なる半導体材料を接続した構造を有す
   る半導体装置において、その接続部分の伝導帯または価
   電子帯のいずれか一方に、伝導帯にあっては電子のエネ
   ルギが接続面に垂直方向に見て極小となり、また価電子
   帯にあっては正孔のエネルギが接続面に垂直方向に見て
   極小となる様な電子帯構造を持ち、加えてこの極小部分
   に接続された少なくとも一つの電極を持つことを特徴と
   する半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項の半導体装置において禁止帯
   中の広い側の半導体が禁止帯中の狭い半導体に比べて使
   用する光源のスペクトルが最大値を示す波長の近傍の光
   吸収係数が大きいことを特徴とする半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項の半導体装置において禁止帯
   中の広い側の半導体材料として直接遷移形もしくはそれ
   と類似の吸収スペクトルを呈する材料を用い、狭い側の
   半導体材料として間接遷移形の材料を用いることを特徴
   とする半導体装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の半導体装置において禁
   止帯中の広い側の半導体として非晶質または非晶質成分
   の多い多結晶材料の内の少なくとも一つ、禁止帝巾の狭
   い側の半導体として非晶質または非晶質成分を含む多結
   晶または多結晶または単結晶材料のいずれか少なくとも
   一つを含むことを特徴とする半導体装置。 ５、特許請求の範囲第４項記載の半導体装置において禁
   止帝巾の広い側の半導体として非晶質シリコン、シリコ
   ン−カーボン、シリコン−ゲルマニウム、これらに水素
   、フッ素、塩素、よう素、臭素、酸素、窒素等の内の少
   なくとも一つを含む非晶質材料を用い、禁止帝巾の狭い
   慨Ω半導体としてシリコン、シリコン−カーボン、シリ
   コン−ゲルマニウム、こレラに水素、フッ素、塩素、よ
   う素、臭素、酸素、窒素等の内の少なくとも一つを含む
   主として多結晶、多結晶、単結晶を用いることを％徴と
   する半導体装置。 ６．特許請求の範囲１〜５項記載の半導体装置において
   加えて禁止帯中の狭い側の半導体の異種半導体接続部分
   ではない側に電極を接続したことを特徴とする半導体装
   置。 ７、特許請求の範囲１〜６項記載の半導体装置において
   加えて禁止帯中の広い側の半導体の異種半導体接続部分
   ではない側に電極を接続したことを特徴とする半導体装
   置。 ８、特許請求の範囲１〜７項記載の半導体装置において
   異種半導体接続部分に接続された電極と位置的に接触し
   ないようにかつ本異種半導体接続部分に接続された他の
   電極を一つ以上持つことを特徴とする半導体装置。