JPS5928387A - 光電変換装置 - 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、単結晶半導体と非単結晶半導体とを複合化し
て設けた半導体装置、特にフォトトランジスタ機能を有
する光電変換装置に関する。

本発明は単結晶半導体上に設けられたコレクタ上の単結
晶半導体のベースと、このベース上に二型ツタ機能を有
する水素またはハ四ゲン元素が添加された光照射により
光起電力を発生ずる非単結晶半導体が設けられた半導体
装置に関する。

本発明は、かかるエミッタ機能を有する非単結晶半導体
として、真性または実質的に真性（１０〜１０　ａｍの
低い濃度にＰ″Ｉ！たはＮ型用の不純物が添加された）
の光吸収係数の大きなフォトキャリア発生用の半導体（
以下、単に工型半導体層または１層という）と、この半
導体層上にエミッタ電極機能を有するＰまたはＮ型半導
体層とを設けた半導体装置に関する。

本発明は、さらにこのＰまたはＮ型の半導体層を、１層
に比べて広いエネルギバンド巾を有する半導体、例えば
５ｉｘＯ，−い（０＜ｘ＜１）を用いたり、または光の
吸収損失の少ない５０〜２００λの大きさのマイクロポ
リクリスタルまたは一軸単結晶性を有する繊維構造の多
結晶半導体を用い、このエミッタ側より入射する光が有
効に１層に到達し、フォトキャリアを多数発生せしめる
ことを特徴とする。

また、本発明では、単結晶半導体特に珪素半導体が１．
１θ■のエネルギバンド巾を有し、赤外光の検出は可能
でも、可視光の視感度が十分ではない。また、赤外光で
あっても、単結晶半導体の光吸収係数が小さいため、フ
ォトキャリアが十分発生できない。このため、従来よシ
知られていた単結晶半導体を用いたフォトトランジスタ
をさらに改良し、この光感領域のエミッタまたはエミッ
タベース間の空乏層領域（本明細書においては、これら
を総称してエミッタ機能を有する半導体という）Ｋ対し
、光吸収係数の大きな非単結晶半導体を用いたことを特
徴としている。

特に、この光活性半導体層として、１層にアモルファス
または半非晶質の半導体を用いた場合、その光学的エネ
ルギバンド中は、珪素にあっては、１．６〜１．８ｅＶ
を有し、その光吸収係数も単結晶珪素に比べて約１０倍
も大きい。このため可視光に対し、きわめて変換効率が
高り、壕だ光感特性も人間の視感度と同一であるため、
１光増巾機能を有する人間の目まの代行をさせることが
できる。他方、光活性半導体層としての１層を、アモル
ファスまたは半非晶質の半導体であってかつ材料として
ゲルマニュームでは１〜１．２ｅＶを、またＳ　ｉ　ｘ
Ｇ　ｅｌ−ｑ　（ｏ　＜　ｘ＜　１）では１．１〜１．
８ｅｖの間の任意の波長帯を、さらＫＳ　ｉ　Ｘ　Ｓ　
ｒｇ−ｙ＋（０＜ｘ＜１）ではＯ，ト１．８ｅＶＣ間の
任意の波長帯を選択することができる。

このため、光ファイバーを用いた光通信用の受光センサ
としてきわめて好都合である。

特にフォトトランジスタにあっては、エミッタ会ベース
間には順方向バイヤスが加わる。このため、アモルファ
ス半導体の如き非単結晶半導体にあっては、逆方向耐圧
を約〜５Ｖ、あるいは順方向においては０．５〜２Ｖ　
Ｌか加わらないため信頼性上何ら支障がない。他方、ベ
ース・コレクタ間には〜２００ｖ代表的には１０−２０
Ｖが印加される。しかしこれはＰＮ接合またはＰ工Ｎ接
合を設け、加えて単結晶半導体における格子欠陥を除去
することにより、２Ｏ−２００Ｖの耐圧は何ら支障なく
実用上耐えることができる。

このととより、順方向バイヤス領域は、その空乏層領域
には水素またはハロゲン元素が添加された非単結晶半導
体が用いられ、また逆バイヤス領域はその耐圧向上、逆
方向バイヤスのリークを１０〜１０　Ａ　（ｘ、ｏｖ印
加の場合）の減少を計ることができる。これは、もしこ
のベース・コレクタ間の空乏層領域に非単結晶半導体を
用いた場合、１０〜１０　Ａ　（ＭＩＶ印加の場合）を
得ることができることを考えると、本発明の単結晶半導
体を非単結晶半導体と複合化したことは、それぞれの長
所を互いに出しあう、またそれぞれの短所を互いに補な
いあうことにょシ、その構成効果は著しいものがある。

従来フォトトランジスタは単結晶半導体によってのみ作
られていた。その代表的なたて断面を第１図に示す。

図面より明らかなように、単結晶半導体基板（１）にプ
レナー技術によ勺ベース（２）、エミッタ（３）を拡散
し、さらに酸化珪素絶縁膜（４）に開口を設けて、エミ
ッタの電極リード（５）、ベースの電極リード（６）を
設け、また基板の大部分をコレクタ（７）として用い、
その電極（８）を設けたものである。

かかる構造においては、入射光（１０）Ｋ対し、エミッ
タがＮ＋であり、かつそのＥｇ（光学的エネルギバンド
巾を以下Ｅｇという）は、珪素にあってはｌ。１ｅ’Ｖ
であるため、このエミッタ領域での光の吸収損失が多い
。また、珪素では、その光照射（１０）Ｋよる活性領域
（エミッタ・ベース間の空乏層）が高濃度のイ型エミッ
タ（不純物濃度１０”　〜１０”　ｃｒｒ＋ゝ）−ｐ型
ベース（不純物濃度１０′’ｃｍ’）のため、きわめて
薄い。このため単結晶の間接遷移型であり、また吸収係
数も小さいのにもかかわらず、即ち、フォトキャリアを
多数発生させるには厚いことが必要であるにもかかわら
すこの空乏層が刈、１μと薄くなつ又しまっている。

このため、フォトキャリアの発生べΦが小さい。

また珪素にあっては、１．１ｅＶであるため、人間の視
感度特性より離れてしまっている。

これらの欠点のため、メカトロニクスの光センサ等への
使用は十分なものではなく、また光通信用の受光素子と
してもさらに光感度のすぐれたフオ））ランジスタが求
められていた。

本発明はかかる欠点を補なったものである。

以下に図面に従ってその実施例を示す。

第２図は本発明の半導体装置の製造工程を示すたて断面
図である。

第２図（Ａ）　において、単結晶半導体として０００）
面を有する珪素を用いた。基板（１）はｆ型の半導体層
（７）とＮ型（１型またはｌ型を含む）半導体α力とよ
りなっている。さらにこの表面を１１００’０の酸素中
にて熱酸化し、酸化珪素膜（４）を０．１〜０．５μの
厚さに形成し、これをマスクとしてＰ型不純物を選択的
に２００λ〜１μの厚さにドープした。

これは例えばＢＳＧ　（ボロンガラス）よりの熱拡散法
であっても、またイオン注入法で形成させてもよい。

かくして第２図（Ａ）の単結晶半導体（１）はコレクタ
機能を有するＮ’Ｎ基板と、その上部に単結晶半導体よ
シなるベース（２）を構成させている。

さらにかかる単結晶半導体上に真性または’１０’〜１
０”ｃ耐ゝの濃度に■価の不純物例えばホウ素が添加さ
れた実質的に真性の非単結晶半導体層を５０　ト５００
０　”ｈの厚さにプラズマＣＶＤ法により形成させた。

このプラズマＣＶＤ法は、非単結晶半導体として水素ま
たはハロゲン元素例えばフッ素または塩素の添加された
アモルファスまたは半非晶質の珪素を主成分とする半導
体を作製しようとする場合、シランまたはジクロールシ
ランまたはフッ化珪素ガスを１３．５６ＭＨ２の周波数
を加え、グロー放電法により１００−３５０″Ｃの温度
で形成させた０ この半非晶質の半導体に関しては、本発明人の出願にな
る特許願（セミアモルファス半導体特願昭■−２６３８
８）　Ｋ示されている。

さらにこの上面に繊維構造を有するＮ型の非単結晶半導
体層０■を１００−３００　′Ａの厚さに形成させた０ この繊維構造を有する半導体は、−軸方向に単結晶性を
有するもので、２００〜２５０°Ｃの低温でも５〜ＩＯ
Ｗの低い高周波出力で作ることができる。

この繊維構造を有する半導体は、本発明人の出願になる
特許願（繊維構造を有する半導体およびその作製方法　
特願昭５７−８７８０１８５７．５．２４）に示されて
いる。

この繊維構造を有する半導体は、光学的エネルギバンド
巾が１．５〜ｌ、　８ｅＶを有しながらも、その光吸収
係数が単結晶とＹ程度に小さく、また電気伝導度も１０
−３００　（ｎｃ→ときわめて大きな値を有するため、
本発明のフォトトランジスタのエミッタを構成させるに
は好都合である。

このＮ層をアモルファス珪素半導体で形成させると、そ
の吸収係数が大きく、好ましくない。

このため、この半導体として、珪素単体では吸収係数の
小さいマイクロポリクリスタル（結晶粒径１００〜３０
０＾）または前記した繊維構造を有する半導体がすぐれ
ている。

また、アモルファス半導体を用いる場合は、１層０］）
ニ比べ大きいエネルギバンドｌ］を５ｉｘＯ（ＯＸ　１
）等によシ作製して、ｗ（Ｎ型半導体層）−Ｎ　（Ｉ型
半導体層）　（ＷＩＤＥ　Ｅｇ　−ＮＡＬＬＯＷ　Ｅｇ
）構造とすれば、このＮ型半導体層での光吸収を大きく
させることができた。

第２図（Ｂ）では、さらにこの上面に透明導電Ｎｏ３例
えばＩＴＯ（酸化スズが０〜１０％添加された酸化イン
シューム）　ヲ６００−７５０＾の厚さに電子ビーム光
を蒸着法により形成した。この時フォトマスクθ４によ
シ、■ＴＯα’Ｌ　Ｎ層α埠、１層α◇を選択的にエツ
チングした。

さらに第２図（Ｃり　において示される如く、この半導
体上にフォトレジストをコーティングシ、選択的に穴あ
けを行ない、穴の部分にアルミニュームを真空蒸着し、
リフトオンすることにより、エミッタを構成する透明導
電膜電極０３よシエミッタリード（５）を作製し、同時
にベース（２）よ勺ベースリードを作製した。

この実施例において、アルミニューム電極をリフトオフ
法で作製したのは、真空蒸着の際ＩＴ。

中にアルミニュームが会合化して含侵し、透明導電膜の
光透過率が低下することを防ぐのが目的である。

最後に第２図（０）　Ｋ示される如く、酸化珪素を約０
．５μの厚さにオーバーコートした。この酸化珪素も、
プラズマ気相法または真空蒸着法にょシ形等の再結合中
心中和用元素の外部への放出による信頼性低下を防いだ
。

かくした後、外部引出し電極（１句をポンディングして
、フォトトランジスタを構成させることが゛できた。

第３図は第２図（０）のＡ−Ａ’のたて断面に対応した
エネルギバンド図を示している。

図面において、ベース（２）、コレクタ（１７１，（ワ
）ハ単結晶牛導体（１）よシなシ、エミッタ機能を構成
する領域はエミッタ（１転活性層αめはともに非単結晶
半導体（３）で構成されている。透明導電膜０３側より
光（１０）が照射され、電子（ハ）、ホール（３１）が
発生する。

こノ時ベース（２）、エミッタα→間には、順方向バイ
ヤスが、またベース（２）、コレクタ（７）には５−５
０■の逆方向バイヤスを印加させた。かくすることによ
シ、Ａｆえ・５０００以上のフォトトランジスタを作る
ことができた。

もちろん、光照射を行なわない時には、単なるトランジ
スタとして作用させることができ、かかる場合において
も、ベース（２）（単結晶珪素で］１．１ｅＶ）ＱＣ比
べてエミッタα→、α◇（１，７〜２ｅＶ）はそのエネ
ルギバンド巾が大きいため、ベースよシエミツタに逆向
きに流れるホールがブロッキングされるため、単結晶の
みで作るプレナー型のトランジスタに比べて、はるかに
すぐれた増巾をさせることができた。

特にこの実施例においては、活性層をアモルファスまた
は半非晶質の珪素を用いたため、視感度が人間の目と同
じであり、いわゆる従来にない可視光用のフォトトラン
ジスタを作ることができた。

実施例２ この実施例は第２図において活性半導体層α◇の形成に
非単結晶ゲルマニュームを用いたものである０ かくすることにょシ、そのエネルギバンド巾は１ｅＶを
有し、非単結晶半導体のためその吸収係数も大きい。こ
のため、赤外用のセンサとしてすぐれたものであった。

即ち、第２図（Ａ）を形成した後、プラズマ気相法によ
！７２００〜３００’Ｏの温度でゲルマンを導入し、べ
−ス（２）上に５００〜５０００＾の厚さに積層したも
のである。またエミッタα■は、Ｎｔｖａ’４ｆｉ構造
の珪素非単結晶半導体を用いた。かくすることにより、
エミッタ（１，７ｅｖ）−活性層（１，０ｅＶ）のＷ−
Ｎｊ：ｊｊ造を有しかつＮ＋層の光吸収係数が小さいた
め、すべての赤外光を活性ゲルマニューム層に供給する
ことができた。

この台程以外は実施例１に基ずいて作製した。

かくして、赤外検出用の逆方向リークか１０　Ａ以下の
ｈ（ｃＦ〜１０６のフォトトランジスタを作ることがで
き、特にＮＰＮ（Ｎ工Ｐ工Ｎ型を含む）であるため、キ
ャリアが電子であシ、その周波数応答速度が速く、光通
信用の受光センサとしての使用も可能になった。

実施例３ 第４図（Ａ）は本発明の他のフォトトランジスタのたて
断面図を示す。

図面において、受光部が大面積（１ｃｍＬ以上）を有す
るため、エミッタα環上の透明導電膜α→土に補助電極
０呻が１０−３０μの巾で２００〜１０００μの間隙を
おいて作製している。また、バイヤスはエミッタ（３）
−コレクタ（７）間に電極Ｈ，（８）よシ印加し、結果
としてエミッタ◇の一活性層（１１）−ベース（２）間
は順方向に、またＰのベース（２）−工またはＮ−の活
性層０７）−Ｎのコレクタ（７）ニは逆方向バイヤスが
かかり、ベースの電極は設けてない。これでも十分なフ
ォトトランジスタ効果を確認することができた。

この実施例において、活性層α◇は半導体層全体にわた
って形成している。またこの活性層（１］）を非単結晶
珪素として可視光を、また非単結晶ゲルマ＝　ニー　ム
また５ｉｘＳｎ１−８（Ｏｚ　ｘ＜　１）、５ｉｘＰｂ
ｔ−、、（０＜Ｘり１）として赤外または可視−赤外領
域の検出と使いわけることが好ましい。

実施例４ 第４図（Ｂ）は、本発明の他の半導体装置を示している
０ この図面においては、Ｎ型のコレラにη、Ｎ一層αの、
Ｐ型のベース（２）は単結晶珪素（１）Ｋよシ構成され
エミッタ機能を有する非単結晶半導体（３）Ｋより活性
層０］）ができている。この上ＫＮ層の製造を省略した
ものである。図面ではアルミニュームのくし型電極をリ
フトオフ法で作製し、その上面をＳｉＯまたはＴｉｅＬ
を電子ビーム蒸着法で作製して反射防止膜を形成させて
いる。

活性層０］）と電極（１樟との間に、トンネル電流を流
し得る２〜２０＾の厚さの窒化珪素、炭化珪素膜を作製
しＭ工Ｓ構造としてもよい。

その他は実施例１，２と同様である。

実施例５ 第４図（０）は本発明の他の実施例を示す。

コレクタ内は複数のベースを構成させてできたものであ
る。

図面においては、単結晶のＰ型の３つのベース（ｚ入（
ｄｔ、（，４５がコレクタ（ツ）、αの上に設けられて
いる。単結　　　１晶半導体（１）の上に非単結晶半導
体（３）が活性層（ＩＬエミッタ（６）、透明導電膜α
→よりなり、外部引出し電極（５）がアルミニュームで
できている。３つのフ　　　”オドトランジスタ鴨（ハ
）、＠はコレクタを共有している。それらの入射光（１
０）側には、赤、青、黄または赤、緑、黄等の３種類の
フィルター（イ）、執（イ）が設けられ、それぞれのＩ
！Ｌｔを選別して検出できるようになった集積化構造を
有している。

かかる半導体装置により、人間の目と同様の色の識別が
可能となり、その信号を増巾して検出することができる
ようになった。

もちろん、コレクタを共有せず、それぞれ独立型とした
いわゆる集積化構造としてもよいことはいうまでもない
。

以上の説明より明らかな如く、本発明は単結晶半導体の
特徴と、非単結晶半導体の特徴とを相互に組合わせて、
これまでにない高耐圧、微少リークで、かつ視可得が人
間の目にあった光感度の高−光電変換装置を作ることが
できた。

さらに、エミッタ側をベース、コレクタに比べて広いＫ
ｇとしたことにょシ、トランジスタトシてのＩＡノイズ
の減少、またｈｈの増加を同時に成就することができた
０ 本発明の実施例においては、ＮＰＮ、Ｎ工ＰＮまたＮＩ
ＰＩＮ型とした。これは非単結晶半導体のキャリア移動
度はホールが電子に比べて数十分の−しかないことにあ
る。しかし、このホールを用いたＰＮＰ型（Ｐ工Ｎ工Ｐ
型を含む〕を作製してもよいことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフォトトランジスタのたて断面図を示す
。 第２図は本発明の半導体装置の作製工程を示す。 第３図は第２図（ｃ）　Ｋ対応したエネルギバンド図で
ある。 第４図は本発明の他の半導体装置のたて断面図を示す。 １ 第３）ス ２″　　　　　２′２Ｄ （Ａ） 第４）羽 ３８３−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、−導電型の単結晶半導体基板上に設けられた単結晶
   半導体層のベースと、該ベース上のエミッタ機能を有す
   る水素またはハロゲン元素が添加された光照射により光
   起電力が発生する非単結晶半導体とが設けられたことを
   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、−導電型の半導体
   基板または該基板とは逆導電型のうめこみ領域よりなる
   コレクタと、該コレクタ上の単結晶半導体層よシなるベ
   ースと、該ベース上にエミッタ機能を有する水素または
   ハロゲン元素が添加された非単結晶半導体よりなる真性
   または実質的に真性の半導体層と、該半導体層上に前記
   ベースとは逆導電型の半導体層が積層して設けられたこ
   とを特徴とする半導体装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、コレクタ上に単結
   晶半導体層よシなるベースが複数個選択的に設けられた
   ことを特徴とする半導体装置。