JPS6057680A - 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】 本発明は水素またはハロゲン元素が添加された単結晶半
導体層中に、ＰＮ接合、ＰＩＮ接合、ショットキ接合を
少なくともひとつ設り、かかる接合に白色の螢光灯等の
人工光を照射して光電変換をセしめ、その出力でラジオ
、電子時計またはカリキュレータ、その他の電子機器を
動作せしめる半導体装置に関する。

本発明はかかる民生用の電子機器の電源として非単結晶
半導体を用い、この半導体が設けられている基板により
電子機器および電源を外部からの機械的なストレスより
保護したものである。それによりケース等を簡略化して
低価格化を図り、使用しやすくしたものである。本発明
はかかる機械ストレスの保護用の基板がラジオ、電子時
計またはカリキュレータの保護ケースの一部または全部
を兼ねさせたものである。

従来、光電変換装置は一般に太陽電池と称せられている
ことより明らかなごとく、太陽光を照射して電気エネル
ギーに変換することを目的としていた。加えてかかる電
力用の発電に用いられる半導体は単結晶半導体であり、
本発明の主張する水素またはハロゲン元素が添加された
非単結晶半導体とはまったくその結晶構造も特性も異な
っていた。

かかる単結晶半導体を用いるとその半導体の厚さは２０
０〜４００μの厚さを有し、またきわめて機械的にスト
レスにより特性が劣化しやすく、また破壊もきわめて容
易に起きてしまった。加えてかかる破損劣化防止のため
、その上にさらにカバーを保護用に設けなりればならな
かった。

本発明はかかる単結晶半導体を用いるのではなく、非単
結晶半導体を用いたものである。即ち本発明は、機械的
なストレスからの保護を基板により実施し、その内面側
に１μまたはそれ以下の厚さの水素またはハロゲン元素
が添加された光学的エネルギハンド中が単結晶半導体（
珪素）の１．１ｅνより大きい１．５〜２．５ｅＶを有
した非単結晶半導体を用いている。

さらに本発明は１μまたはそれ以下の薄さの半導体を基
板上特に好ましくは凹凸表面を有する基板上に形成する
ため、キャリアガスをまった（用いぬ、また実質的に用
いぬ程度とした反応系を利用している。この代表的なも
のが減圧気相法である。しかし減圧気相法は単に反応容
器内を減圧−トとしたことのみを特徴としている。この
ため減圧の程度を強＜　１ｍｍ１１ｇ程度とすると、反
応生成物の基板上への被膜成長速度が著しく少なくなる
。本発明は反応容器内の圧力を０．０１〜ｌ０ｔｏｒｒ
とし、加えて容器内は実質的に反応性気体のみ、または
それと添加物のめとしたことを特徴としている。加えて
半導体被膜での半導体特性をさらに強くするため、水素
またハロゲン元素を０．１〜２００モル％半導体被ＩＫ
’中に添加したことを第２の特徴としている。

本発明は光電変換素子を非単結晶半導体で作製すること
を特長としており、かかる非単結晶半導体は多少の局部
応力を加えても信頼性上の界雷またはストレス敏感性を
有していないという実験事実、および少なくとも本発明
方法を用いる限りにおいて、被形成面を有する基板は必
ずしも平坦面である必要をめられていないという事実に
基づく。

このため、従来より公知の単結晶半導体ではなく、基板
がラジオ、電子時計またはカリキュレータ等の電子機器
の保護ケースを兼ね、加えてこのケースに機械的な力が
加えられても、非単結晶半導体が用いられているため、
信頼性上の界雷が発生しないという大きな特長を応用し
たものである。

以下にその実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明の螢光灯電池に用いる場合の動作原理を
示したものである。

即ち第１図（Ａ）は半導体層（１）の透光性基板例えば
ガラス、サファイア（３）上に導電性被膜（２）例えば
酸化スズ（ＳｎＯ□）、ＩＴＯを形成し、さらにこの上
側に水素またはハロゲン元素が添加された半導体層（１
）を形成したものである。この半導体層は、旧Ｎ　（金
属−真性半導体−Ｎ型半導体）のショットキ接合の構造
であっても、ＰＩＮ（Ｐ型半導体−真性半導体−Ｎ型半
導体）接合構造またはＰＮ接合であっても、さらにまた
はこれらを多重にした接合であってもよい。それは本発
明の目的を満たし、即ち、最も光−電気変換効率（η）
が大きく、かつ製造のしやすさとの兼ね合いで決めれば
よい。

第１図はこの半導体層（１）の上側に電極（４）を設け
ている。光は（５）で左側より入射させている。この図
面は透光性基板を用いているが、本発明はかかる螢光灯
電池（白色の螢光幻等の人工の光を電気に変換すること
によりラジオ、電子時計その他の電子機器を動作せしめ
る電池）である。

かかるセルまたは電池特に螢光灯電池にあっては、平坦
表面のみの光電変換用電池は必ずしも好ましい形である
とはいえず、第１図（Ａ）の構造を利用した本発明構造
即ち第３図（Ａ）がその形状を考えた時きわめて商品価
値が１ｌＩＩいことがわかる。それはラジオ、電子時計
またはカリキュレータ等の外形ケースを作製した後、機
械的なストレスはケースである基板が保護し、かつ光−
電気変換はその容器の一部またはすべての而を受光面と
することができるからである。

第１図（Ｂ）番よ、基板（３）上に下側電極（２）。

半導体１ｉｊ（１）、上側電極（４）を設けている。上
側電極はクシ型、魚骨型等をさせることにより光の吸収
と電気的導電率の向上を計った。

第１図（Ｂ）は例えば電燈のかさ等に用いることが可能
である。その−例を第３図（Ｉ３）に示しである。これ
は電燈、蛍光灯の保護ケースの−１１＋に光電変換電池
を設けたもの、例えば電燈の上側ケースの内側に設けた
ものである。かかる場合中央部に穴をありでおく必要が
ある。またかかる使用法により１００ｖとは異なった電
圧を簡単に引き出すことができる。このためトランス等
を用いることなく低電圧を発生させ、ラジオ、カリキュ
レイク等の充電器として利用することも可能であり、ま
たかかる電気を用いて連続光とは異なる光例えば赤、緑
等の特定波長の光を発光させる発光素子に電気的に連結
してもよい。

第１図（Ａ）及び（Ｂ）の半導体層の構造は、不発門人
の出願による特願昭５３−−０８６８６７、特願昭５３
−０８６８６８　（昭和５３年７月１７日出願）の「光
電変換半導体装置およびその作製方法」に記載されたも
のと同様である。

第２図は本発明の少な（とも一部が凹凸状をした基板に
半導体層を設けた蛍光灯電池を作製するための装置であ
る。図面に従ってその実施例を説明する。図面において
凹凸型をした基板（２１）はボルダ−（２２）上に設置
され、かつ不要部を（２３）により遮蔽している。この
基板を反応炉（２４）内に設置した。反応性気体は（２
８）がシランのごとき珪化物気体、（２９）はメタンの
如き炭化物気体、（３０）はジボランのごときＰ型の導
電型を呈し得る不純物、（３１）はフォスヒン、アルシ
ンのごときＮ型の導電性を呈する不純物を導入する。（
３５）は反応の前後に反応炉内をパージする不活性気体
である。これらは入り口（２７）よりマイクロ波を用い
た励起系（エキサイタ）〈２６）を経て、反応炉（２４
）に導入される。マイクロ波は１〜ＬＯＧＩＩｚ例えば
２．４６ＧＩＩｚの周波数を用い、反応性気体の化学゛
的活性化、分解または反応をさせ、プラズマ状態を呈し
ている。珪素中に炭素が混入し、炭化珪素ＳｉｘＣ１−
ｘ　（０≦ｘく１）が形成された場合は、エネルギギ中
ツブは１．５ｅＶより大きく１．７〜３．５　ｅＶの間
の任意の値をＸの値を変えることにより得ることができ
る。反応性気体はかかるエキサイタにて励起、分解また
は反応するため、反応炉内では被形成面は必ずしも平坦
である必要がないことは実験的にわかった。さらにこの
エキサイタ（２６）、反応炉（２４）は０．０１〜１０
ｔｏｒｒに減圧され、活性状態の反応生成物は１〜１０
ＭＨｚの周波数の高周波エネルギ（２５）によりさらに
活性になって凹凸状の基板面に付着し被膜化す乞。減圧
の程度は真空ポンプ（３４）とその前段のニードルバル
ブ（３３）により一定圧力に設定することは可能である
。

反応性気体は珪化物としてシランを用いたが、ジクロ−
ｌレジラン（Ｓｉｌｌ、ＣＩ□入トリクロールシラン。

（Ｓｉ＋ＩＣｌ３＞、四塩化珪素（Ｓ＋ＣＩ＋　）　テ
あッテもよく、炭化物としてメタン（Ｃ１１４）のめで
はなくプロパン（Ｃ，Ｕ、　）等その他の炭化水素であ
ってもよい。

またこの炭化物を用いなくてもこのかねりに窒化物とし
てアンモニア（Ｎ１１．　）、ヒドラジン（Ｎ、Ｉ＋、
）を用いてもよい。パージ用の不活性気体（３５）は一
般に価格面より安価な窒素を用いたが、半導体層を基板
上に形成してしまった後、さらにこの半導体中の活性水
素を添加することにより半導体層中の不対結合手を中和
、除去するためこの（３５）より水素（Ｉｌｚ　）を導
入してもよい。かくのごとき水素の誘導アニールにより
半導体層中には１０〜５゜原子％の水素が添加できた。

この水素の代わりにハロゲン元素を添加しても不対結合
手の中和・除去に効果があった。この誘導アニールは、
温度は珪素にあっては２５０℃以下、炭化珪素にあって
は３５０℃以下であることが好ましく、これらの温度以
上では添加された水素が再放出され、Ｓ　ｉ　−Ｈ結合
、Ｃ−Ｈ結合がとれてしまう傾向があった。

反応炉中の温度は室温〜３５０℃を用いた。もちろん室
温〜５００℃であってもよい。しかし基板に対する温度
制御が材料制限をもたらずため室温〜３００℃が実用的
に好ましかった。

反応生成物は反応炉内の圧力との関係で決められるが、
被膜の厚さはそれ以上の厚い層にまで均質に形成するこ
とができた。半導体被膜の成長速度は、１０人／分〜１
μ／分であり、それば圧力を０．０１〜１０ｔｏｒｒと
変えることにより、またエキサイタのマイクロ波エネル
ギまたは反応炉の高周波エネルギを調節することにより
実施できた。

本発明方法で重要な特徴は第１に反応炉が減圧であるた
め反応性気体または反応生成物の平均自由工程が大きく
、そのため凹部の内部にまでも十分に飛翔し得ること、
また反応炉に前置してエキサイタを設りノたため、反応
性気体が互いに完全に混合し、化学Ｍｉｔ的に均質な反
応生成物ができること、また第２にその反応性気体また
はエネルギ的にきわめて高く励起された状態であるため
、基板の凹凸が０．１〜１μのごとき細かいあらさのみ
ならず１０μまたはそれ以上特に容器状をしていてもあ
らゆる部分の表面に均一に被膜化すること、さらに第３
に基板そのものを抵抗加熱等で加熱させるため基板の表
面の温度に対しての被膜化の温度は鈍感であり、かつ基
板の温度が室温〜２００　”Ｃまたは３５０℃であるた
め基板の各部の表面の温度が不均一になりにくく、その
結果、被膜の膜厚の不均一さを助長しない。第４に第２
図は横型反ｊ、６炉で示したが、これは縦型であっても
また番よ基板を移動し得る可動式の連続炉であっても作
製可能であり、換言すれば反応性気体の入り口側に被膜
が多量に形成され、その裏面には少しも形成させないこ
とが可能である。

これらの多くの特長を実験的に得たために本発明構想の
半導体装置が発明されたものである。もちろん本発明で
いう均一度とは膜厚のばらつきカベ一般に±５％以内で
あり、電気的特性が被膜の不均一さを考慮しなくてよい
程度であることを意味する。

以上のごとく、減圧気相法またはプラズマ気相法は反応
炉中の圧力により反応炉内にグロー放電が発生しグロー
放電法ということもできる。

第３図は本発明の半導体装置の実施例である。

（Ａ　＞、（Ｂ　）は第１図の（Ａ　＞、（Ｂ　）にお
いて示した通りであり、（４３）より光が照射されてし
）る。

第３図（Ｂ）は基板（４１）の−主面の高低差（４４）
が１ｖ以上例えば１ｍｍ以上を有している。

かかる凹凸の表面上に半導体層（４２）を形成させたも
のである。

第３図（ｃ　）、（Ｄ）は容器状をしており、その一部
には穴があいた構造である。室内の置き時計等がその一
例である。

以下に本発明の螢光灯電池の具体例を示し、本発明を補
充する。

具体例１ 基板としてガラス（厚さ１．１ｍｍ　）とし、その構造
が第３図に示すケースの一部とする形状としたものを用
いた。この内面に酸化スズを形成せしめ、さらに第２図
に示したプラズマ気相装置によりＰＩＮ接合を有する水
素が添加された非単結晶半導体を形成した。この時Ｐ型
の非単結晶半導体は炭化珪素（厚さ１５０人）とした。

さらに■型半導体はキャリアガスをまったく用いず１０
０％の濃度のシランを用いて厚さは０．７μとした。さ
らにＮ型の非単結晶半導体はＰＩ１７　／　Ｓｉ、ＩＩ
ゆ一１％として、５００人の厚さに積層した。裏面電極
はアルミニュームとした。非単結晶半導体の形成におＴ
Ｊる反応条件は、基板温度２１０℃、高周波出力３．５
１Ｈ７，、圧力０．１ｔｏｒｒ、被膜成長速度９０人／
分であった。得られた特性は、白色螢光打丁３００Ｌχ
の照射にて開放重圧０．６ｖ、短絡電流２０μ八、曲線
因子０，４８、変換効率３．７％であった。

かくの如基光電変換装置を複数個集合して電極同志を連
結することによりカリキュレータを駆動することができ
た。

本発明において基板はガラス、セラミ・ノクス、金属板
等の固い材料であるものがその代表的な例である。しか
しポリイミド樹脂等の可曲性基様であってもよいことば
いうまでもない。また弾力性を有する基板であってもよ
い。

なお本発明で意味する非単結晶半導体材料は単に珪素、
炭化珪素のみではなく、その他の化合物半導体であって
もよい。

本発明の特徴は凹凸の基板表面の一部または全部に非単
結晶半導体の層を設け、かかる層を用いて光電変換素子
を設けたもので、１００ｖの商用電圧源より１．５〜６
ｖの所定の低電圧をトランスを用いずに発生させること
ができた。さらにそれを利用面に例えば凹状のケースの
内側に密着して光電変換素子を設けることを特徴として
いる。

本発明のかかる凹凸の容器中に密着してフォトセル、太
陽電池、螢光灯電池を設けることは工業的にきわめて大
きな応用を開くものであると信じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための光電変換装置の実施例
である。 第２図は本発明の半導体装置の作製方法を示す反応系で
ある。 第３図は本発明の螢光灯亀池の実施例である。 （Ａ）’　（ａ） 架１■ ′＄、２（２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板により機械的なストレスを保護し、その内部に
   水素またはハロゲン元素が添加された非単結晶半導体を
   設け、前記基板はラジオ、電子時計、またはカリキュレ
   ータの保護ケースの一部または全部を兼ね、前記非単結
   晶半導体により変換された電気エネルギによりラジオ、
   電子時計またはカリキュレータを駆動せしめたことを特
   徴とする半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、基板はガラス、ザ
   ファイア、セラミックス、金属板またはポリイミド樹脂
   等の可曲性基板上に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、１μ以上の凹凸を
   有する基板表面上に非単結晶半導体層が設けられたこと
   を特徴とした半導体装置。