JPS61218177A

JPS61218177A - アモルフアスシリコン光電変換素子

Info

Publication number: JPS61218177A
Application number: JP60058488A
Authority: JP
Inventors: Katsufumi Kumano; 勝文熊野; Koichi Haga; 浩一羽賀; Akishige Murakami; 明繁村上; Kenji Yamamoto; 健司山本
Original assignee: RICHO OYO DENSHI KENKYUSHO KK; Ricoh Co Ltd
Current assignee: RICHO OYO DENSHI KENKYUSHO KK; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1985-03-25
Filing date: 1985-03-25
Publication date: 1986-09-27

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】（産業上の利用分野）本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに、あるいは
光の情報を電気的情報に変換する光電変換素子に関し、
特に、短波長増感のアモルファスシリコン光電変換素子
に関するものである。

（従来の技術）アモルファスシリコン（以下ａ−５ｉと記す）を用いた
光電変換素子には、サンドインチ型とコプレナー型の２
つの型式がある。このうちコプレナー型は、サンドイッ
チ型と比較して応答速度が遅いので、高速の光電変換素
子を目的とする場合、通常、サンドインチ型が使用され
る。

一般に、光電変換素子に用いられる。不純物を添加して
いない水素化アモルファスシリコン（以下ａ−８ｉ：Ｈ
と記す）は、光学的バンドギャップが約１．７　ｅＶで
ある。そのため、ａ−５Ｌ：Ｈの分光感度は約６００ｎ
ｍ付近にピークを持つことになる。

６００ｎ園以下の短波長光を利用する目的で、短波長側
に増感を持たせるための材料として、従来、炭素原子を
ａ−８ｉ：Ｈにドーピングし、光学的バンドギ’ｒｙプ
を１．９〜２．４　ｅＶに広げたａ−８ｉ：Ｃ：Ｈが用
いられている。

参考文献；（１）　ＡｎｄｅｒＳｏｎ、　Ｄ、Ａ、、５ｐｅａｒ、
　Ｗ、Ｅ、：　Ｅｌａｃｔｒｉｃａｌａｎｄ　　ｏｐｔ
ｉｃａｌ　　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　　ｏｆ　　ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎ　ｃａｒｂｉｄｇ、　５ｉ
ｌｉｃｏｎ　ｎ１ｔｒｉｄｅ　ａｎｄｇｅｒｍａｎｉｕ
ｍ　ｃａｒｂｉｄｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ
　ｇｌｏｗｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、
　Ｐｈ１ｌｏｓ、、　Ｍａｇ、、３５　：　１（２）Ｓ
ｕｇｓＩｗａｎｎ、Ｒ，Ｓ、ｔ　　Ｏｇｄｅｎ、Ｒ，：
　　Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉ−ｎｅｓｃｅｎｃｅ　ａｎｄ　
ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐａｒｔｉｅｓ　ｏｆｐｌａＳ
ｍａ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　５ｉ
ｘＣ１−ｘａｌｌｏｙｓ、　Ｐｈ１ｌｏｓ、　Ｍａｇ、
　Ｂ、　４４　：　１３７（１９８１）（発明が解決し
ようとする問題点）しかしながらａ−８ｉ：Ｃ：Ｈはａ　−Ｓ　ｉ：　Ｈと
比較してダングリングボンドが多く、局在準位密度が高
い、そのため暗伝導では、活性型伝導の他にホッピング
伝導を起こし易く、大きなσ２．／σ４を得ることが難
しい、このことは光電変換素子にとって機能上問題とな
る。また、光電変換素子の電極としてＩＴＯやＳｎＯ，
のような透明導電膜を用いる場合、ａ−３ｉ：Ｃ：Ｈの
炭素源となるＣＨ，等がＩＴＯやＳｎＯ，の酸素原子を
還元し、ＳｎＯ。

Ｓｉｎ、、Ｓｎ、Ｉｎを生成させ、これがａ−５Ｌ：Ｃ
：Ｈ層へ入り込んで光電変換特性の低下を来したり。

さらに透明導電膜の劣化を招くことになる。

そこで本発明は、従来技術の欠点を除去した、短波長増
感のある光電変換素子を提供するものである。

（問題点を解決するための手段）ａ−８ｉを母体とし、これに構成原子として水素原子、
ハロゲン原子１重水素原子の少なくとも１種を含む単層
のａ−３ｉ層の両主面にそれぞれ電極を設けてなる光電
変換素子において、ａ−８ｉ層を形成する際に、グロー
放電分解により生成する酸素原子を添加する。

（作　用）上記のような酸素原子の添加により局在準位密度の小さ
いａ−８ｉ層が形成され、光学的バンドギャップが２．
ＯｅＶ以上の領域で、光導電性を有する。また、σｐｈ
／σ４が１０３以上と高い値を示す。

（実施例）以下図面を参照しながら実施例を詳細に説明する。第１
図及び第２図は、それぞれ本発明のａ−８ｉ光電変換素
子の構成を示したものである。

まず第１図に示す光電変換素子１００は、支持基板とし
てのガラスあるいは透明高分子フィルム等の透明基板１
０１の一方の面に下部電極１０２を設け、その上にａ−
８ｉ層１０３を積層し、さらに上部電極１０４を設けて
いる。この種のタイプのものは、光入射面として透明基
板１０１の他方の面１０５又は上部電極の表面１０６の
いずれかを選択することができる。

第２図に示す光電変換素子２００は、支持基板として、
Ａ＃、Ｆａ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属基板、あるいはセラ
ミック基板等の一方の面を導電処理した不透明基板２０
１が使用され、その上にａ−５ｉ層２０３を積層し、さ
らに上部電極２０４を設けている。この種のタイプのも
のは、不透明基板２０１が下部電極を兼ねている。また
光入射面としては上部電極の表面２０６に限定される。

光電変換素子１００．２００のａ−８ｉ層１０３．２０
３は、ａ−８ｉを母体とし、これに水素原子、ハロゲン
原子、重水素原子の少なくとも１種を含むものに。

さらに酸素原子を含有させたものである。このａ−５ｉ
層は、シリコンの水素化物９重水素化物、あるいはハロ
ゲン化物と二酸化炭素（ＣＯＺ　）のグロー放電分解で
形成される。このようにして作製されたａ−８ｉ層は、
光学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上の領域で光導電
性を有する。このａ−Ｓｉ層の赤外吸収を測定すると酸
素原子が含有されていることが確認できる。しかし、炭
素原子に基づくシグナルは見られない。

第３図は、ａ−５ｉ層１０３．２０３の分光感度特性を
示したものである。第３図よりこのａ−８ｉ層が５０ｏ
ｎ腸付近に光感度のピークを有しており、短波長増感が
なされていることが判る。

また、ａ−５ｉ層１０３．２０３にＡＭ１（擬似太陽光
）１００ｍＷ／ａＪを照射したときの光導電率σ２．は
、光学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上の領域におい
て、添加するＣＯ，量により１０−＠〜１Ｇ−”（Ω３
）−１の間で変化する。一方、暗導電率σ、は、前記の
ＣＯ，添加量では１Ｇ−１２〜ｔｏ−Ｘｉ（Ω（２））
−１であるので、σ、／σ４が１０３より大きくなり、
高いσｐｈ／σ、を有していることが判る。これは、ａ
−８ｉ層の酸素源としてＣ０２を用いることにより局在
準位密度の小さいａ−５ｉ層を作製できるためと考えら
れる。

ａ−５ｉ層１０３．２０３は、■族原子、■族原子をド
ーピングし、それぞれｐ型、ｎ型としても光電変換素子
として使用することができる。ドーピングする■族原子
としては−Ｂ　＊　Ａｌｐ　Ｇａｇ　Ｉｎ、　ＴＩ等が
好適なものとして挙げられ、またｖ、＊ｇ子としては、
Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等が好適なものとして挙げられる
。ドーピングする量としては１通常の場合１０””〜１
Ｇ−”ａｔｏｍｉｃ％とするのが望ましい。

ａ−８ｉ層への不純物のドーピング方法としては、シリ
コンの水素化物１重水素化物あるいはハロゲン化物とＣ
ｏ２を用いてグロー放電分解を行なう際に、ｆｆｌ族、
Ｖ族等の不純物の水素化物１重水素化物あるいはハロゲ
ン化物（Ｂ、Ｈ，、Ｂ＊Ｄｓ。

ＢＦ□−ＰＨａ＝　ＰＤａ、ＰＦ３等）を反応器内に導
入することによって達成される。不純物の含有量は、反
応器内へ導入する不純物の水素化物、重水素化物あるい
はハロゲン化物等のガス量を制御する等によって達成さ
れる。

ａ−８ｉ層１０３．２０３の膜厚は、使用する光の波長
等によって決定されるが、通常の場合０．１〜５μ−１
好ましくは０．３〜２μ■である。

光電変換素子１００の構成において、光を入射する面と
して透明基板の面１０５あるいは上部電極の表面１０６
が選択される。透明基板面１０５から光を入射させる場
合は、下部電極１０２はａ−５ｉ層１０３との接合をシ
ョットキー接合とすることが望ましい。

その場合の下部電極は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ等の金属の蒸
着あるいはスパッタリング等により形成される。下部電
極の膜厚としては、光の透過を考慮して通常５０〜３０
０人、好ましくは５０−１００人である。

また、下部電極１０２とａ−８ｉ層１０３との接合を。

ショットキー接合の代りにＩＴＯ，ＳｎＯ，等の透明導
電膜を用いてペテロ接合としてもよい、透明導電膜を用
いた場合、ａ−５ｉｌ１０３に酸素原子が含まれている
ため、透明導電膜とａ−Ｓｉ層の界面での５ｉｏ＝　５
ｉｏｉの生成防止、ａ−８ｉ層へのＩｎの拡散の抑制が
あり、ａ−５ｉ：Ｃ：Ｈで見られるような光電変換特性
の低下は起こらない。

上部電極１０４としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属
膜を用いるのが望ましい、これらの金属膜は蒸着あるい
はスパッタリング等により形成される。

光電変換素子１００に上部電極の表面１０６から光を入
射する場合は、前述とは逆に、下部電極１０２をＡＩ等
の金属膜で形成し、上部電極１０４としてショットキー
接合を形成するｐｔ等の金属薄膜か、ペテロ接合を形成
するＩＴＯ等の透明導電膜を用いるとよい。

また、光電変換素子２００においては、光は上部電極表
面２０６からのみ入射するので、上部電極２０４は、光
の透過を考慮してショットキー接合、あるいはへテロ接
合を形成する金属薄膜あるいは透明導電膜とすることが
望ましい。

次に、実施例をあげて具体的に説明する。

実施例１ガラス基板（２５ｍＸ５０ｍ、　ｔ＝１．０ｍｍ）上に
下部電極としてＩＴＯ膜を形成し、その上に酸素原子を
含有する水素化アモルファスシリコン（ａ−８ｉ：０：
Ｈ）をグロー放電分解により約５０００人堆積した。

ａ−８ｉ層の作製条件は以下の通りである。

作製方法　　プラズマＣＶＤ法原料ガス　　ＳｉＨ，ｉｎ　Ｈ，１０％１００ｓ１００
５ｃ、　　　　１００％２５−１００ｓｃｃｍ基板温度
　　２５０℃ 反応器内圧力１　、　ＯＴ　ｏｒｒ高周波出力　　２Ｗａ−８ｉ層上に上部電極としてＡｌｌを蒸着により形成
した。

第４図は、このようにして作製された光電変換素子にお
けるａ−８ｉ：Ｏ：Ｈ層の光学的バンドギャップ及び光
導電率σＰｈ％Ｐｈ型率σ４を示したものである。第４
図によれば、光学的バンドギャップは２．０〜２．４３
　ｅＶの範囲にある。また光電変換素子に透明基板側よ
りＡＭ１（擬似太陽光）１００ｍＷ／ｄを照射したとき
の光導電率σ２．はＣＯ２添加量の増加に伴い１０−＠
より１０−＠（Ω１）−１へと減少する。一方このａ−
８ｉ：Ｏ：Ｈ層の暗導電率σ１は１ｏ−Ｌ２〜１ｏ−１
５（Ωａｍ）−’の範囲にあり、　（Ｆ　ｐｌ、／　σ
４が１０’より大きいことが判った。

実施例２光電変換素子の構成は実施例１と同様とし。

ａ−８ｉ：Ｏ：Ｈ層へ■族原子、■族原子のドーピング
を行なった。添加する不純物としてはＢ、Ｐを選択した
ａ　ａ　−Ｓ　ｘ　：Ｏ：　Ｈ層の形成条件は以下に示
す通りである。

作製方法　　プラズマＣＶＤ法原料ガス　　５ｉＨ４ｉｎ　Ｈ，１０％１００ｓｅｃｉ
＋Ｃｏ、　　　　　　　　　１００％　２５ｓｃｃｍＢ
、Ｈ，ｉｎ　Ｈ，２０００ｐｐｓ　１０−１１０−１５
０ｓｃ、　　ｉｎ　Ｈ，２０００ｐｐｉｇ　１０１０−
２５０ｓｅ第５図は、このようにして製作されたａ　−
Ｓ　ｉ：ｏ：Ｈ層（７）ＡＭ　１　（擬似太陽光）１０
０ｍＷ／ｃｄ照射時の光導電率σ、ｈ及び暗導電率σ、
を示したものである。第５図より■、Ｖ族の添加不純物
としての水素化物の量の増加に伴い、σ、ｈ、σ１が大
きくなることが判明した。つまり、ａ−８Ｌ：Ｏ：Ｈ層
は荷電子制御が可能であることが判り、Ｐ、ｎ接合も可
能である。

実施例３ＩＴＯの代りに、ショットキー接合とするためｐｔを約
１００人魚着し、実施例１，２と同様に光電変換素子を
作製した。これらの素子においても同様の結果が得られ
た。

実施例４ＳｉＨ４の代りに重水素化物５ｉＤ４ｔハロゲン化物Ｓ
ｉＦ、を用いて同様の光電変換素子を作製した。

これらの素子においても同様の結果が得られた。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、光学的バンドギ
ャップが２．ＯｅＶ以上の領域で光導電性を有し、かつ
σｐｈ／’σ、　）　１０’と高い値を示すとともに、
優れた光電変換特性と短波長増感を有する光電変換素子
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ本発明の光電変換素子の
構成図、第３図は、同分光特性図、第４図は、本発明に
おける酸素原子添加のａ−８ｉ：Ｏ：Ｈ膜の添加ガス流
量と光学的バンドギャップ及び光導電率σ２６、暗導電
率σ４の関係を示す図、第５図は、ａ−８ｉ：Ｏ：Ｈ膜
への■族原子、■族原子。をドーピングしたときの光導電率σｐｈ、暗導電率σｄ
を示す図である。１００．２００・・・光電変換素子、　１０１・・・透
明基板、１０２−、−下部電極、　１０３，２０３−　
ａ　−Ｓ　ｉ層、１０４．２０４・・・上部電極、２０
１・・・不透明基板。特許出願人　株式会社　　リ　　コ　−リコ一応用電子
研究所株式会社ＣＯＮＤＬＫＴＩＶＩＴＹ（Ｑｃｍ）桐　　　　　　　　　　　　　　嶺２４９占掌λＳ磯８

Claims

【特許請求の範囲】

（１）アモルファスシリコンを母体とし、構成原子とし
て水素原子、ハロゲン原子、重水素原子の少なくとも１
種を含む単層のアモルファスシリコン層の両主面にそれ
ぞれ電極を設けてなる光電変換素子において、前記アモ
ルファスシリコン層が酸素原子を含み、かつ光学的バン
ドギャップが２．０ｅＶ以上の領域で、光導電性を有す
ることを特徴とするアモルファスシリコン光電変換素子
。
（２）前記アモルファスシリコンIII族原子及びＶ族原
子を含むことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載のアモルファスシリコン光電変換素子。
（３）前記アモルファスシリコン層のσ＿Ｐ＿ｈ／σ＿
ｄが、ＡＭ１（擬似太陽光）１００ｍＷ／ｃｍ＾２入射
時にσ＿Ｐ＿ｈ／σ＿ｄ＞１０＾３であることを特徴と
する特許請求の範囲第（１）項記載のアモルファスシリ
コン光電変換素子。
（４）前記アモルファスシリコン層の一方の主面とこれ
に接する電極との接合がショットキー接合であることを
特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のアモルファ
スシリコン光電変換素子。
（５）前記アモルファスシリコン層の一方の主面とこれ
に接する電極との接合がヘテロ接合であることを特徴と
する特許請求の範囲第（１）項記載のアモルファスシリ
コン光電変換素子。