JPS6230512B2 - - Google Patents

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JPS6230512B2
JPS6230512B2 JP53125682A JP12568278A JPS6230512B2 JP S6230512 B2 JPS6230512 B2 JP S6230512B2 JP 53125682 A JP53125682 A JP 53125682A JP 12568278 A JP12568278 A JP 12568278A JP S6230512 B2 JPS6230512 B2 JP S6230512B2
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Japan
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amorphous semiconductor
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semiconductor material
matrix
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JP53125682A
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Robaato Obushinsukii Sutanfuoodo
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Energy Conversion Devices Inc
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Publication of JPS6230512B2 publication Critical patent/JPS6230512B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、高温に耐える非晶質半導体部材及び
その製造方法に関する。 要約すると、1977年5月18に出願された米国特
許第4177473号(特開昭53−143180号に対応)に
記載された様に、本発明の非晶質半導体部材は、
ドープ化結晶シリコン、ゲルマニウム等の結晶半
導体の部材や、補償及びドープ化グロー放電非晶
質シリコン、ゲルマニウム等の非晶質半導体など
に比して優れた特性を有し、本発明は、熱電気又
は太陽輻射装置の様な電流発生装置、ダイオード
やトランジスタ等を含むP―N接合デバイスの様
な電流制御装置を含む用法の幅広い応用、また本
発明の原理を使用することによつてもたらされる
用法の他の多くの応用が可能である。 前述の米国特許第4177473号に起述された様
に、本発明の非晶質半導体部材は、合金を含む複
数の元素から形成でき、かゝる元素は、所望のエ
ネルギ・ギヤツプ及び電気活性化エネルギを有す
る任意の所望の構造配列及び電子配列を実質的に
有する非晶質マトリクスを製造するために選択し
且つ設計することができ、所望の物理的、熱的及
び光学的特性を有する半導体部材を与え、他方所
望の電気特性を有する半導体部材を与えるように
電気活性エネルギを変更するため実質的に且つ別
個に変更される電子配列を有することができる。
非晶質半導体部材は、合成的に製造され、溶解物
から製造する必要はなく、化学量論に依存する必
要はなく、そして結晶形又は禁制則によつて拘束
されない。このことは、物質の物理的、化学的、
熱的及び電気的特性に関する所望の物質の性質を
最適にするように設計し得る全く新規な物質の組
合せの範囲が存在することを意味している。 本発明によれば、非晶質半導体部材は高温に耐
えることができ、また良好な強度特性を有するこ
とができ、そしてこの点に於いて、本発明は前述
の米国特許第4177473号の発明より進歩してい
る。 結晶半導体は、実用化され、すばらしい科学の
確立の基礎と同様に巨大なビジネスの基礎を形成
した。これは真性ゲルマニウム及び特にシリコン
結晶を実質的に外因性物質に変更し、それらをp
又はn形のいずれかに制御する能力に起因してい
た。これは実質的に純粋な結晶物質を含み、その
中でわずかなドーパントが、電気伝導度を増加し
且つp又はn形のいずれかに制御するために、置
換不純物として実質的に純粋な結晶物質に注意深
く導入された。これは慎重に制御された状態で個
個の単結晶を育成することによつて、また慎重に
制御された状態で極めてわずかな臨界量のドーパ
ントにより単結晶をドーピングすることによつて
行われた。その様な結晶半導体に於いて、純化、
清浄、化合、及び混合結晶育成、ドーピングの技
術は、工業の中心となり、トランジスタ・ラジオ
等と同様にコンピユータの製造を可能にした。こ
の革新的な事実は科学的基礎が周知となつたこと
により生じ、それはシリコン及びゲルマニウムの
様な周期律表の第族の結晶、アクセプタとして
のボロンの様な第族のドーパント物質、ドナー
としてのヒ素の様な第族のドーパント物質の導
入に関連していた。 前述のドープ化結晶半導体に関連して、その製
造工程は複雑で、時間がかゝり、高価なものであ
る。またこの様なドープ化結晶半導体の生産高に
は多くの問題がある。それらは、使用される特定
の結晶によつて決定されるきまつたエネルギ・ギ
ヤツプを有することが必要である。更にその様な
半導体の単結晶の特性のために、サイズに限界が
あり、大きな寸法の装置を提供することができな
い。 その様な結晶半導体(ドープ化シリコン及びゲ
ルマニウム結晶)の前述の困難性のために、工業
界は結晶半導体を置換するように非晶質シリコン
及びゲルマニウム半導体の使用に着目していた。
非晶質物質の分野に於ける仕事は結晶物質の分野
に精通した人々を落胆させるものであつた。その
様な人々は非晶質物質にユニークな電子スイツチ
ング及び構造メモリ効果があるということを知る
ようになつたが、非晶質物質が基本的に真性であ
り、それ故トランジスタ等を有効に製造できなか
つたので、半導体の科学及び技術の主流に影響が
なかつた。 更にその様な仕事は、非晶質シリコン又はゲル
マニウムの安定した非晶質半導体が得られなかつ
たので、一般に非生産的であつた。非晶質シリコ
ン又はゲルマニウム(第族)は、微小空孔及び
未結合であるダングリング結合を有し、エネル
ギ・ギヤツプ内の局在化状態を与える微小空孔及
びダングリング結合を除いて通常4重に配位され
る。この様な局在化状態はドーピングを行なうか
否かにかかわらず非晶質シリコン又はゲルマニウ
ム内に残り、そして、それらは蒸着状態と温度及
び他の周囲状態を含む焼鈍等の状態が付与される
ことにより、特性を変え、信頼できる半導体トラ
ンジスタ等として使用できないように十分不安定
にする。 非晶質シリコン及びゲルマニウムに含まれる前
述の問題を最小にするため、スコツトランド、ダ
ンデイーのダンデイー大学カーネギー物理学実験
室のW.E.Spear及びP.G.Le Comberは、真性結
晶シリコン又はゲルマニウムに極めて近い非晶質
シリコン又はゲルマニウムを作るためにそれらの
エネルギ・ギヤツプ内の局在化状態を減少する目
的、また結晶物質を更に外因性にし且つp又はn
形の物質を作るために結晶物質をドーピングする
場合の様に、前記の非晶質物質を適当なドーパン
トで置換的にドーピングする目的で、1975年に
“Solid State Communications”の第17巻、第
1193〜1196頁に公開された紙面で報告された、
“Substitutional Doping of Amorphous
Silicon”に関する発表を行つた。これはn形に
対してはシラン(SiH4)のガスにホスフイン
(PH3)のガスを、或いはp形に対してはジボラン
(B2H6)のガスが予め混合され、ガス混合物がr.f.
グロー放電によつて分解され約500―600゜Kの高
い基板温度で基板に蒸着される反応管を通過され
るグロー放電蒸着によつて達成された。基板上に
その様にして蒸着された物質は、シリコン及び30
%以上の水素(シリコン水素化物)であり、反応
ガスはSiH4に体積比で約5×10-6と10-2の間のド
ーパント濃度の置換リン又はボロンとから成るも
のである。 前述の様に、非晶質シリコン、またゲルマニウ
ムは通常4重に配位され、エネルギ・ギヤツプ内
に局在状態を与える微小空孔及びダングリング結
合を有する。シラン内の水素はグロー放電蒸着中
にシリコンの多くのダングリング結合と組合つ
て、蒸着された非晶質物質内のダングリング結合
及び微小空孔の密度を減少又は最小にし、エネル
ギ・ギヤツプ内の局在状態を補償するために非晶
質物質の製造の目的である対応する結晶物質に最
も近い非晶質物質ができる。ホスフイン及びジボ
ランから得られる、n形を与えるための第族元
素からのドーパントのリン、及びp形を与えるた
めの第族元素からのボロンの夫々は、グロー放
電蒸着中に、単結晶のドーピングと同様に非晶質
物質内のシリコンに対する置換不純物として4重
配位法で非晶質蒸着に組込まれた。 グロー放電非晶質シリコンのエネルギ・ギヤツ
プ内の状態密度が特にフエルミ準位で実質的に減
少するが、比較的高密度状態の2つのバンブ
(bumb)は、残りのダングリング結合密度に明ら
かに関連するエネルギ・ギヤツプ内に留まり、そ
れらは実質的に伝導バンドEc以下で価電子バン
ドEv以上で約0.4eV離れて位置する。グロー放電
非晶質シリコンがリン又はボロンでドープされる
とき、フエルミ準位は上または下に移動すると考
えられるが、活性点の不十分な量はフエルミ準位
をいずれかのバンプを越えて移動するように影響
された。従つて、ドープ化グロー放電非晶質シリ
コンに対する活性エネルギは0.2eV以下には低下
しなかつた。この結果はまた、内部フイールドが
p及びn形領域内のフエルミ準位のセパレーシヨ
ンを越え得ないので、ドープ化グロー放電非晶質
シリコンのP―N接合の開回路電圧に関する理論
的限界を示す。加えて残りの活性エネルギはドー
プ化グロー放電非晶質シリコンの室温の直流導通
を制限し、物質が広域アレイに作られている場合
に、それは大きなシート(sheet)抵抗を有し、
この抵抗は結晶シリコンより少ない約0/105
あるやゝ低いキヤリヤー移動度によつて救われる
ことはない。シリコン結晶半導体の場合の様に、
シリコンを用いたグロー放電非晶質半導体は実質
的に定まつたエネルギ・ギヤツプを有する。 結晶シリコンに極めて類似するように水素によ
つて補償され、結晶シリコンをドーピングするの
と同じ様な方法でドープされ、グロー放電蒸着中
に全てが行われる前述のグロー放電非晶質シリコ
ンは、多くの点でドープ化結晶シリコンの特性よ
り劣つた特性を有し、ドープ化結晶シリコンの代
りに有効に使用できない。その様なグロー放電非
晶質シリコンに於いては、蒸着される基板への不
十分な付着、またクラツキング等の問題がある。 前述の様に、結晶物質に極めて類似するように
非晶質物質を補償し且つ結晶物質のドーピングの
方法で非晶質物質をドーピングする代りに、本発
明及び前述の米国特許第4177473号の発明は、無
秩序非晶質物と直接に係わり、非晶質と結晶物質
の類似性よりはむしろそれらの間の相違を考慮
し、非晶質物質の構造配列と電子配列のエネル
ギ・ギヤツプとを任意に選択又は処理し、最適設
計に対し任意にその活性エネルギを別個に処理で
きるようにし、また固体非晶質状態に形成され得
る周期律表の各族の多くの元素を利用できる簡単
な技術システムを現実化することに関係する。従
つて、本発明及び前述の出願の発明に従い、従来
周知であつた様な結晶の対称性又は単1のエネル
ギ・ギヤツプの制限は実質的にない。 要約すると、本発明及び前述の米国特許第
4177473号の発明に従つて、非晶質半導体物質
は、長距離秩序性よりむしろ局部的秩序性を有す
る構造配列と、エネルギ・ギヤツプ及び電気活性
エネルギを有する電子配列とを有する固体非晶質
マトリクスに形成される。非晶質半導体物質の固
体非晶質マトリクスは、例えば、結晶又はガラス
転位温度以下の好ましい種々の温度でスパタリン
グ等によつて基板上に蒸着される層又はフイルム
として形成され、構造配列及び電子配列は少くと
も準平衡状態で凍結されそしてその状態にある。
非晶質半導体物質は多くの結合の選択を有する
が、固体非晶質マトリクスへの元素を含む非晶質
半導体物質の結合は、第一に非常に強い結合を与
える共有結合によるものであり、元のまゝの状態
及びそのエネルギ・ギヤツプを実質的に維持す
る。こゝで使用される様に、準備された非晶質物
質を普通に特長づける正常構造結合(nomal
structural bonding)は、各原子が非晶質固体の
凝集エネルギに対して一義的に対応する共有結合
の様な最適な結合数を形成する状態である。エネ
ルギ・ギヤツプE(eV)は、価電子バンドの頂
部及び伝導バンドの底部での状態間のエネルギ差
である。それは通常光学的に測定され、光学的バ
ンド・ギヤツプとしてしばしば引用される。エネ
ルギ・ギヤツプは、基本的には非晶質マトリクス
及びその構造配列を形成する固体非晶質半導体物
質によつて決定される。 固体非晶質半導体物質は、結合及び非結合状態
を含むエネルギ・ギヤツプ内の局在化状態の広い
スペクトルを有することが可能であり、その様な
状態は、ここに於いて異常又は欠陥電子配列
(defect electronic configurations)として引用
され、半導体物質のフエルミ準位及び電気活性エ
ネルギに影響を与える。その様な欠陥電子配列
は、周期的な束縛のために結晶固体内に主に生じ
る置換形不純物、空孔、浸入形すき間、転位等を
含み得る。固体非晶質物質に於いては、結晶物質
内の周期的束縛によつて普通結晶物質内では禁制
されている3次元電子軌道関係が生じ得る。特に
非晶質半導体物質内の他の欠陥電子配列は、微小
空孔及びダングリング結合、ダングリング結合と
最隣接原子の相互作用、孤立電子対、孤立電子対
と孤立電子対の相互作用、孤立電子対と最隣接原
子の相互作用、価電子変更対、供与又は配位結
合、チヤージ補償、ポリ原子価、孤立電子対補
償、混成、3中心結合、π結合、コンプレキシン
グ(錯化)、他を含むことができ、それら全て
は、物質のエネルギ・ギヤツプ内のフエルミ準位
に、ピンニング(pinning)し且つ影響を与える
ために作用し、半導体物質の伝導過程を制御す
る。 エネルギ・ギヤツプ内の局在化状態及び電気活
性エネルギは、非晶質マトリクスの構造配列、非
晶質マトリクス内の元素の最隣接原子関係、前述
の欠陥電子配列、及び非晶質マトリクス内の電気
的活性センターに関連する。電気活性エネルギE
〓(eV)は、フエルミ準位と最隣接バンド端
(価電子バンド又は伝導バンド)間のエネルギ差
であり、変更がない場合は一般にエネルギ・ギヤ
ツプの1/2に対応する。 更に要約すると、本発明及び前述の米国特許第
4177473号の発明に従つて、変更物質は、エネル
ギ・ギヤツプ内に電子状態を形成することによつ
て電子配列を変更するために非晶質半導体物質の
前述の固体非晶質マトリクスに付加され、それは
エネルギ・ギヤツプ内の局在化状態を変化させ且
つ再調整する。その結果、エネルギ・ギヤツプの
フエルミ準位はピン化されずにシフトされ、非晶
質マトリクスの電気活性エネルギは室温及びそれ
以上で電気伝導度を変化させるために実質的に変
更される。非晶質マトリクスに付加される変更物
質は、結晶半導体をドーピングし又は前述のグロ
ー放電非晶質シリコンをドーピングするために通
常使用されるドーパントの量よりも多く、体積で
約35%以上の量も可能である。変更物質は単にド
ーパントであるばかりでなく、(局在化状態を含
む)非晶質マトリクスの電子配列及びその電気活
性エネルギを変更する真の変更物質である。 変更物質は、比較的冷たい基板上に変更物質と
半導体物質とを相互蒸着することによつて非晶質
マトリクスに付加される。従つて変更物質は、非
晶質マトリクスが形成する間に、結晶又はガラス
転移温度以下の温度で、或いは半導体物質の溶融
温度以下の温度で付加されるのが好ましい。変更
物質及び非晶質半導体物質の相互蒸着は、例え
ば、基板上に物質を同時的に相互スパタリングす
る等によつて達成できる。そして固体非晶質マト
リクスが形成されているときに変更物質が非晶質
半導体物質に付加され、重要なことにはドーピン
グが置換性に基づかないという結果を伴う。 変更物質がガラス転移温度又はその溶融温度以
上の温度で大部分をしめる半導体物質に与えられ
ると、それは非晶質マトリクス内で共有結合等に
よる様に真性構造を与える置換元素として非晶質
マトリクス内で組合される。更に電気的変化は、
本発明及び前述の出願の発明で与えられる電気活
性エネルギの変化ほど実質的なものではない。代
りに、変更物質が、非晶質マトリクスのガラス転
移温度又は溶融温度以下の温度で非晶質半導体物
質の非晶質マトリクスに付加され、それにより非
晶質マトリクスは実質的にそのまゝの状態に止ま
り、止まらないにせよ転移が最少限であれば、変
更物質がその様に付加された時は、非晶質マトリ
クスの構造配列、及びその電子配列のエネルギ・
ギヤツプに変化が生じてくる。非晶質マトリクス
が少くとも準平衡状態にある間に変更物質は非晶
質マトリクスに導かれるのが好ましいが、もし変
更物質が付加されるときに、非晶質マトリクスの
電子配列内に異なる変更を与えるためには、例え
ば電界又は輻射エネルギを印加することによつ
て、非晶質マトリクスは非平衡状態に置かれる。 非晶質半導体物質の非晶質マトリクスに付加さ
れる変更物質は、例えばクーロン力によつて、或
いは共有結合、供与又は配位結合、非晶質マトリ
クスと変更物質の電子軌道の相互作用等及びそれ
らの種々の組合せを含む広い範囲の結合による
種々の物理的及び化学的手段で位置付けられそし
て保持される。 変更物質が前述の方法で固体非晶質マトリクス
に付加されるときは、それは多くの異なる場に認
められ、それらの場はなかでも、最隣接関係、元
素空間、結合の角度及び強度、バンド・ギヤツプ
内のチヤージ及び局在化状態、微小空孔、ダング
リング結合、孤立電子対、等を含み、変更物質
が、もしバルク内に非晶質物質のガラス転移温度
又は溶融温度以上で導びかれると、前述の種々の
場に認められない。また変更物質は前述の様な場
を捜し出すことができ、そして活性エネルギを変
化させるためにエネルギ・ギヤツプ内に(エネル
ギ・ギヤツプ内の局在化状態も変更できる)所望
の電子状態を形成することによつて、非晶質マト
リクスの電子配列を容易に変更することができ
る。非晶質マトリクスが初めから局在化状態、微
小空孔、ダングリング結合、孤立電子対等を有す
る場合は、非晶質マトリクスに付加される変更物
質はまた、新たな電子状態に形成するのに加え
て、非晶質マトリクスを少くとも部分的に不活性
にし得る。 非晶質ホスト・マトリクスに付加される変更物
質は電子軌道を有し、これらの電子軌道は非晶質
ホスト・マトリクスと相互作用し、電気活性エネ
ルギを実質的に変化させるために非晶質ホスト・
マトリクスの電子配列を実質的に変更するエネル
ギ・ギヤツプ内に電子状態を形成する。変更物質
は、sp電子軌道を有する元素、ニツケル、タン
グステン、バナジウム、銅、亜鉛、モリブデン、
ロジウム又は鉄の様なd電子軌道を有する遷移金
属の元素、そしてd及びf電子軌道を有するガト
リニウム又はエルビウムの様な希土類元素を含む
ことができる。少くとも原子的には十分でないd
電子軌道を有する遷移金属が一般に好ましい。何
故なら、その様なd電子軌道はsp電子軌道を有
する元素よりも広い範囲の非晶質ホスト・マトリ
クスとの相互作用の可能性を有している。これら
の元素及び選択された元素の相対的な量を適当に
選択することによつて、又は非晶質マトリクス内
の付加的元素を利用することによつて、構造配列
は、任意の所望のエネルギ・ギヤツプを有する電
子配列を与えるために選択し且つ設計することが
できる。従つてその様な固体非晶質半導体物質の
非晶質マトリクスは、そこに所望のエネルギ・ギ
ヤツプを与えるように製造することができる。 d電子軌道を有する、例えばニツケル、ダング
ステン、の様な変更物質は、特に第及び族の
元素及び遷移金属で得られる例外的結果を伴う前
述の如き方法で、相互スパタリング等によつて、
固体非晶質半導体物質の非晶質マトリクスに容易
に付加することができる。 これらの変更物質の非晶質マトリクスへの付加
は、初めその変更物質の幾つかが構造的結合内で
組合されたとしても、非晶質マトリクスの構造配
列の構造結合又はそのエネルギ・ギヤツプに影響
を与えない。然し乍らこの様な付加は、非晶質マ
トリクスを真性半導体から外因性半導体に移行さ
せる実質的な程度にまで、エネルギ・ギヤツプ内
の局在化状態又は電気活性センター、及び電子配
列の電気活性エネルギに影響を与える。この関係
に於いて、変更物質は電子状態又は電気活性セン
ターを形成するために非晶質マトリクスの固体非
晶質物質と相互に作用し、このことは変更物質の
電子軌道と非晶質マトリクスとの相互作用を含
む。従つて非晶質マトリクス内の非晶質半導体物
質への変更物質の付加は、構造配列及びエネル
ギ・ギヤツプにわずかの効果を有するが、電子配
列及び活性エネルギに関して広い範囲に亘つて効
果を有することができる。 その様にして与えられる電子状態又は電子活性
センターは、電気チヤージ・センターを作ること
を含む。同時に異常又は欠陥電子配列(DEC)
により生じる様な非晶質マトリクスに存在する何
等かの局在化状態又は電気活性センターは、実質
的に不活性にすることができ、変更物質によつて
与えられる電子状態又は電気活性センターは、エ
ネルギ・ギヤツプ内の電子状態及び電気活性エネ
ルギを本質的に定める。非晶質半導体物質の非晶
質マトリクス内の局在化状態又は電気活性センタ
ーの密度は、付加される変更物質によて実質的に
変化し、比較的高密度のバンブは、グロー放電非
晶質シリコンに於ける前述の様にはフエルミ準位
と伝導バンド又は価電子バンドとの間のエネル
ギ・ギヤツプ内に止まることがない。その結果、
フエルミ準位は変更物質によつて伝導又は価電子
バンド側にエネルギ・ギヤツプ内で大きくシフト
され、電気活性エネルギに大きな変化を与える。
非晶質マトリクスに付加される変更物質の量は、
局在化状態の変更及びエネルギ・ギヤツプ内の電
子状態の形成の量と、電気活性エネルギの変化量
とを決定する。従つて、エネルギ・ギヤツプ及び
電気活性エネルギ内の電子状態はまた、所望の電
気的特性に一致するように予め決定され且つ形成
され得る。 第族及び第族の元素を含む根本的に孤立電
子対の非晶質半導体物質に於いては、その電子配
列は主に孤立電子対と、それらと最隣接原子との
相互作用と共に含まれ、これらの物質は一般に真
性であるように構造的に補償され、また、あると
してもごく少ないダングリング結合を有し且つ微
小空孔を有さず、スピン補償されているので、
“理想”非晶質物質と考えられる。孤立電子対
と、それらと最隣接原子との相互作用とは、電子
軌道又は欠陥電子配列を形成し、付加された変更
物質はエネルギ・ギヤツプ内の電子状態又は電気
活性センターを形成するために、非晶質マトリク
ス内の最隣接原子と相互作用してこれを変化さ
せ、この中の多くは変更物質の電子軌道と非晶質
マトリクス内の欠陥電子配列との相互作用を含
む。第族の元素を含む根本的に4面体結合非晶
質半導体物質に於いては、エネルギ・ギヤツプ内
の局在化状態又は電気活性センターは、特に非4
面体結合及びダングリング結合の様な電子軌道又
は欠陥電子配列を含み、ここに於いて変更物質
は、局在化状態を変化させエネルギ・ギヤツプ内
の新しい電子状態又は電気活性センターを形成す
るために、非晶質マトリクス内の前記の諸欠陥と
作用し、この中の多くは変更物質の電子軌道と非
晶質マトリクスの欠陥電子配列及びダングリング
結合との相互作用を含む。 第族のボロンを含む非晶質半導体物質に於い
ては、エネルギ・ギヤツプ内の局在化状態又は電
気活性センターは、特に電子軌道又は3中心結合
を含み、その中で2つの電子は、単一の共有結合
及び変形し易い非結合状態に於いて3つの電子に
よつて共有され、この非結合状態は大抵からであ
り、ある意味では反転された類似の孤立電子対状
態である。変更物質は、エネルギ・ギヤツプ内に
新しい電子状態又は電気活性センターを形成する
ために、非晶質マトリクス内のその様な半導体物
質と相互作用し、この中の多くに変更物質の電子
軌道と非晶質マトリクス内の3中心及び他の結合
との相互作用を含む。 変更物質の電子軌道は、非晶質ホスト・マトリ
クスの電子配列を変更するために、非晶質ホス
ト・マトリクス物質のエネルギ・ギヤツプ内の局
在化状態又は電気活性センターと相互作用する。
本発明の原理に従つて、本発明の非晶質半導体部
材は、所望の物理的及び電気的特性、例えば所望
のエネルギ・ギヤツプ(バンバ・ギヤツプ)E
(eV)、室温の電気伝導度σRT(Ωcm)-1、電気
活性エネルギE〓(eV)、ゼーベツク係数S
(V/℃)、p又はnの伝導形、温度伝導率を有す
る非晶質半導体部材を与えるように設計又は製造
することができる。ゼーベツク係数及び比較的高
くあるべき電気伝導度と、比較的低くあるべき温
度伝導度とのパラメータ設計を適当に行うことに
よつて、有効な熱電発生デバイスを容易に製造す
ることができる。 本発明の第一の目的は、高温に耐えることがで
き且つ良好な強度特性を有することができる非晶
質半導体部材を提供することであり、それにより
前記部材は、室温及び約600℃又はそれ以上の温
度で動作可能であり、商用の物理的厳しさに耐え
ることができる。 要約すると本発明の非晶質半導体部材は、複数
の元素を含む非晶質半導体物質でボロン、炭素、
窒素、または酸素からなる原子量の小さい元素を
少くとも1つ含んでおり、且つ複数の元素からな
る遠距離秩序性よりむしろ局部秩序性を有する構
造配列と、エネルギ・ギヤツプ及び電気活性エネ
ルギを与える電子配列とを有する固体非晶質ホス
ト・マトリクスと、前記非晶質ホスト・マトリク
スに付加され、前記非晶質ホスト・マトリクスと
相互作用しかつ室温及びそれ以上で前記非晶質ホ
スト・マトリクスの電子配列を実質的に変更する
ような電子状態を前記エネルギーギヤツプ内に形
成する電子軌道を有し、ニツケル及びタングステ
ンからなる群から選択された元素からなる変更物
質とから成り、電気伝導度の実質的な変化を伴な
うものである。 非晶質半導体物質の非晶質ホスト・マトリクス
は通常真性の伝導性のものであり、非晶質ホス
ト・マトリクスに付加される変更物質は、前記マ
トリクスを外因性の伝導性に変化させることがで
きる。非晶質ホスト・マトリクスに付加される変
更物質は、その電気活性エネルギを実質的に変化
させ、それ故室温及びそれ以上で半導体部材の電
気伝導度を実質的に変化させることができる。そ
れはまた、半導体部材のゼーベツク係数を実質的
に変化させることができる。 非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導体物質
は、また少くとも2つの前述の小さい原子量の元
素を含み得る。非晶質ホスト・マトリクスを形成
する非晶質半導体物質の例は、とりわけボロン
(B)、炭素(C)、ボロン及び窒素(BN)、ボロ
ン及び炭素(B4C)、シリコン及び窒素
(Si3N4)、シリコン及び炭素(SiC)、シリコン及
び酸素(SiO2)、テルル及び酸素(TeC2)、等を
含む。変更物質は、例えば前述の様な遷移金属、
を含み得る。 非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導体物質
は小さい原子量の元素(軽元素)を含んでいるの
で、それは高温に耐え、室温及びそれ以上例えば
600℃、それ以上の高温で作動可能である。また
非晶質ホスト・マトリクスが小さい原子量の元素
(軽元素)を含む場合、非晶質半導体部材は、構
造的にしつかりとした良好な強度特性を有し、こ
れは特に、非晶質ホスト・マトリクスが単一の元
素よりむしろ前述の様な複数の小さい原子量の元
素の合成物を含む場合である。 この点に於いて、非晶質ホスト・マトリクス内
の前述の小さい原子量の元素(軽元素)は、共有
結合による強い結合力と、高い結晶及びガラス転
移温度に対応する高い溶融点温度を与える。結晶
力は非晶質構造を結晶構造に変更するように作用
するが、これは原子の移動と非晶質状態から結晶
状態への移行を必要とし、非晶質構造の結晶及び
ガラス転移温度で生ずる。小さい原子量の元素を
含む本発明の非晶質ホスト・マトリクスの強い結
合力と、高い溶融温度及び対応する高い結晶及び
ガラス転移温度とは、その原子の移動を最小に
し、従つて非晶質ホスト・マトリクスは高い温度
に耐え且つ良好な強度特性を有することができ、
そしてその非晶質状態を維持することができる。 本発明の非晶質半導体部材の他の実施例は、主
に4面体結合である非晶質半導体物質を含み、長
距離秩序性よりむしろ局部秩序性を有する構造配
列とエネルギ・ギヤツプ及び電気活性エネルギを
与える電子配列とを有する固体非晶質ホスト・マ
トリクスに形成されるシリコン又はゲルマニウム
等を含む。それはまた主として非置換的方法で前
記非晶質マトリクスに付加される変更物質を含
み、ドーパント量より大きな量のものであり、そ
して例えばボロン又は炭素を含む小さい原子量の
元素を含み、加えて非晶質ホスト・マトリクスと
相互作用し、室温及びそれ以上の温度で非晶質ホ
スト・マトリクスの電子配列を実質的に変更する
電子状態をエネルギ・ギヤツプ内に形成する電子
軌道を有する。 また本発明の実施例に於いて、非晶質半導体物
質の非晶質ホスト・マトリクスは普通真性伝導の
ものであり、非晶質ホスト・マトリクスに付加さ
れる変更物質はそのマトリクスを外因性伝導に変
化させることができる。非晶質ホスト・マトリク
スに付加される変更物質は、その電気活性エネル
ギを実質的に変えることができ、それ故室温及び
それ以上の温度で半導体部材の電気伝導度を実質
的に変えることができる。それはまた半導体部材
のゼーベツク係数及び/又はその伝導形を実質的
に変えることができる。非晶質ホスト・マトリク
スに付加される変更物質が低い原子量の元素(軽
元素)を含むので、結果として得られる変更半導
体素子は、また高温に耐え、室温及びそれ以上の
温度で作動可能であり、良好な強度特性を有する
ことができる。 本発明を以下図示実施例に従つて詳細に説明す
る。 第1図を参照すると、本発明の半導体デバイス
の1形式が一般に符号10で示されている。それ
は基板12上に蒸着される非晶質半導体部材11
を含み、基板はガラスの様な絶縁物質で形成され
るのが好ましい。非晶質半導体部材11は、長距
離秩序性よりむしろ局部秩序性を有する構造的配
列と、エネルギ・ギヤツプ及び大きな電気活性エ
ネルギを有する電子配列とを有する固体非晶質ホ
スト・マトリクスに形成される非晶質半導体物質
13を含む。非晶質半導体部材11はまた、非晶
質マトリクスに付加され、非晶質半導体物質13
にほゞ均質に混合される変更物質14を含む。非
晶質半導体部材はまた、電気接続のために与えら
れる電極16及び17を含み得る。 非晶質半導体部材11は、相互スパタリングに
よる様な非晶質半導体物質と変更物質との相互蒸
着によつて形成されるのが好ましい。相互スパタ
リングは、R.D.Mathis社によつて製造販売され
る様な従来のr.f.スパタリング・システムで達成
され得る。こゝに於いて、カソード又はターゲツ
トは、普通のアルミニウム裏打板に接着され、基
板12に蒸着される半導体物質から形成される。
また変更物質はターゲツトの半導体物質上に固定
される。基板12は、3.5″直径のカソードに対し
て約3.5cm、1″直径のカソードに対して約3cmの
距離だけターゲツトから離れたホルダーによつて
運ばれる。 スパタリングの機械は、初めバツクグラウンド
真空圧を与えるために約6×10-6Torr(mmHg)
よりいくらか小さい真空圧に排気される。アルゴ
ンが機械に流入され、Pirani真空ゲージの読取り
によつて決定される様な約5×10-3Torrの操業
圧を与え、機械に約7×10-3Torrの実際の真空
圧を与える。カソード又はターゲツトの表面及び
変更物質の表面は初めに、基板に隣接する機械の
シヤツタに対するスパタリングによつて約30分間
清浄にされる。その後シヤツタは開かれ、ターゲ
ツトの半導体物質及びターゲツト上の変更物質
は、基板上に相互スパタリングされる。カソード
又はターゲツト及び基板に対するホルダーの双方
が水で冷却され、スパタリング操作中に、その温
度は物質の溶解、結晶又はガラス転移温度以下の
低い値である。機械のr.f.電力は、約13.56MHzの
周波数及び約1000Vの電圧を有し、約50―70Wが
3.5″直径のカソード又はターゲツトに利用され
る。 蒸着速度はスパタリングされる物質に依存し、
蒸着の時間は所望の蒸着厚を得るために変更され
る。変更物質と同時に蒸着された非晶質半導体部
材の厚さは、この物質が置かれる態様に依存し
て、数百Åから約5μまで変化する。半導体物質
と変更物質とは、非晶質の形で基板上に蒸着され
る。 非晶質半導体部材を形成するのに非晶質半導体
物質にほゞ均質に付加される変更物質の量は一般
に、カソード又は、ターゲツトの半導体物質に与
えられる変更物質片の領域によつて決定される。
従つて、非晶質半導体物質に付加される変更物質
の所望の割合は適宜制御できる。蒸着半導体は必
要に応じて焼鈍され得る。 第1図に示された様に、電極16及び17は、
半導体部材11の長手方向に沿つて電気的特性を
受けるために、非晶質半導体部材11に沿つて間
隔をもつて設けられる。例えば第1図のデバイス
10は熱電発生器であつてもよく、このデバイス
の一端が他端より高温になるように加熱される
時、熱電力は該電力が間隔を置かれた電極16及
び17間で取出されるように半導体部材内に現わ
れる。 本発明の他の実施例が第2図に符号10Aで示
されており、それは電極16及び17がその長さ
方向ではなく、その厚さを介して非晶質半導体部
材11の電気特性に応答する様に非晶質半導体部
材11の反対側にある点に於いて第1図のデバイ
ス10と相違している。これに関連して、金属電
極16は初めに基板12に蒸着され、次いで非晶
質半導体部材11が蒸着される。均質に付加され
る変更物質14を有する非晶質半導体マトリクス
13を含んでいる非晶質半導体部材11は第3図
の非晶質半導体部材11と同様の方法で形成され
且つ蒸着され得る。非晶質半導体部材11は前述
の様に相互スパタリングによつて形成できる。 非晶質半導体部材11が形成された後、金属電
極17が第2図に示された様に蒸着される。一例
として、第2図の非晶質半導体デバイス10Aは
非晶質半導体部材11に熱電力を発生するよう
に、電極16の温度以上に電極17を加熱するこ
とによつて、熱電発生器として利用でき、電極1
6及び17は、熱電力を取出すために利用され
る。他の例として金属電極17は光を通過させる
ために透明金属でもよい。透明電極17は半導体
部材に関連して、電極と半導体部材11との間
に、シヨツトキー障壁を与える様なものである。
太陽エネルギの様な光はシヨツトキー障壁に於い
て電極16及び17によつて取出され得る電圧及
び電流を光電的に発生することができる。 非晶質半導体部材11は、p又はn形のもので
よく、第3図に示された様にデバイス22は一般
に非晶質半導体部材11の2つの層を含み、一方
はp形で他方はn形である。これら2つの層はそ
の間にp―n接合23を形成する。従つて、デバ
イス22は電流制御用のp―n接合形デバイス等
を含み得る。 第5図の曲線は、本発明の特徴の1を示し、曲
線は温度の逆数1000/T〔〓〕-1に対する電気伝
導度σ〔Ωcm〕-1を示す。非晶質ホスト・マトリ
クス内の不変更非晶質半導体物質は、エネルギ・
ギヤツプE04及び大きな電気活性エネルギE〓を
有する構造を有し、この様な不変更物質は真性な
ものなので、その電気活性エネルギE〓はエネル
ギ・ギヤツプE04のほゞ1/2である。こゝで例えば
エネルギ・ギヤツプは1.5eVであり、電気活性エ
ネルギE〓は曲線35で示される様に0.75eVで
ある。変更物質が非晶質半導体物質に付加される
と、例えば、0.02eVの電気活性エネルギE〓が
第5図の曲線37で示された値に達するまで、電
気活性エネルギE〓の減少を伴い、変更物質の付
加量に依存して、真性の不変更半導体物質は第5
図の破線36で示された安定した外因性準位を有
する外因性物質に任意に変換又は変更される。こ
れらの安定した外因性準位により、室温(及びそ
れ以上)での電気伝導度σRT〔Ωcm〕-1は、第5
図の曲線35,36及び37と室温ライン38と
の交点によつて示された様に増加する。従つて変
更物質の選択された量を付加することによつて、
真性の不変更非晶質半導体物質は、外因性物質に
任意に変換でき、この物質は、室温及びそれ以上
で、減少する所望の電気活性エネルギE〓及び非
晶質半導体物質に付加される変更物質の量に従つ
て増加する所望の電気伝導度σRTを有する安定し
た外因性準位を有する。広範囲の活性エネルギ及
び電気伝導度は、所望の電気パラメータに合致す
るように非晶質半導体部材に工作できる。 第4図の曲線は、本発明の他の特徴を示してお
り、曲線はエネルギ・ギヤツプE〔eV〕に対す
る吸収係数logα〔cm〕-1を示す。エネルギ・ギ
ヤツプE04は非晶質半導体部材の吸収係数が104
〔cm〕-1であるエネルギに等しい。第5図の曲線
35に関して考察される様な不変更半導体物質に
対して、エネルギ・ギヤツプE04は第4図の曲線
39によつて示される様なほゞ1.50eVであり、
第5図の曲線37に関して考察される様な変更半
導体物質に対して、エネルギ・ギヤツプE04は第
4図の曲線40で示される様な約1.45eVであ
る。従つて活性エネルギE〓とその電気伝導度σ
RTとの間にかなり相違があるが、不変更半導体物
質と変更半導体物質との間のエネルギ・ギヤツプ
E04にはほとんど相違がないということが理解で
きる。このことはおそらく、変更物質を非晶質半
導体物質に付加することが、非晶質半導体マトリ
クスの構造配列及びその電気配列のエネルギ・ギ
ヤツプにほとんど影響がないという事実に起因す
る。従つて活性エネルギ及び電気伝導度の広い設
計範囲が非晶質半導体部材に適用できるが、これ
は熱的及び光学的特性を含む物理的特性を維持す
るのに重要な非晶質半導体物質の構造配列及びエ
ネルギ・ギヤツプを実質的に変更せずに行うこと
ができる。本発明の非晶質半導体部材のいくつか
の例に於いて、第4図の曲線39及び40は、図
示のものからかなり逸脱しているが、このこと
は、仮に不変更半導体物質の物理的特性を維持す
るのが不要であれば重要ではない。 前述の様に、非晶質半導体部材の構造配列及び
エネルギ(バンド)ギヤツプE04(eV)に対して
広範囲の設計が可能であり、これは非晶質半導体
物質の適当な選択によつて与えることができる。
例えば、つぎの非晶質半導体物質は、ほゞ以下の
エネルギ・ギヤツプE04を有することができる。
即ち、Si―1.5;SiC―2.06;B4C―3.0;等であ
る。これらの非晶質半導体はまた、外因性伝導か
つ所望の活性エネルギE〓及び室温(及びそれ以
上)での電気伝導度σRTを与えるために、変更物
質で変更することができる。 小さい原子量の元素のボロン、炭素、窒素、酸
素相互の組合せ、及び他の元素との組合せは、高
い溶融温度TM(℃)とそれに対応する高い結晶
及びガラス転移温度、そしてまた高い結合力EB
(eV)は、前述の様に、高温に耐えることができ
良好な強度特性を有する非晶質半導体部材を与え
るもので、そのいくつかの例を挙げると以下の通
りである。
The present invention relates to an amorphous semiconductor member that can withstand high temperatures and a method for manufacturing the same. In summary, as described in U.S. Patent No. 4177473 (corresponding to Japanese Patent Application Laid-Open No. 143180/1977) filed on May 18, 1977, the amorphous semiconductor member of the present invention has the following characteristics:
The present invention has superior properties compared to crystalline semiconductor members such as doped crystalline silicon and germanium, and compensation and doped glow discharge amorphous semiconductors such as amorphous silicon and germanium. or a wide range of uses including current generating devices such as solar radiators, current controlling devices such as PN junction devices including diodes, transistors, etc., and uses resulting from the use of the principles of the present invention. Many other applications of are possible. As set forth in the aforementioned U.S. Pat. No. 4,177,473, the amorphous semiconductor components of the present invention can be formed from multiple elements, including alloys, that provide the desired energy gap and electrical activation. Semiconductor components that can be selected and designed to produce an amorphous matrix having substantially any desired structural and electronic arrangement with energy and desired physical, thermal and optical properties The electronic arrangement can be substantially and separately modified to modify the electroactive energy to provide a semiconductor member with desired electrical properties while providing a semiconductor member with desired electrical properties.
Amorphous semiconductor components are synthetically produced, need not be produced from a melt, need not be dependent on stoichiometry, and are not bound by crystalline form or prohibitions. This means that the physical, chemical,
This means that there is a range of completely new material combinations that can be designed to optimize the desired material properties with respect to thermal and electrical properties. According to the present invention, the amorphous semiconductor component can withstand high temperatures and have good strength properties, and in this respect the present invention is superior to the invention of the aforementioned U.S. Pat. No. 4,177,473. Progress is being made. Crystalline semiconductors were put into practical use and formed the basis of a huge business as well as the basis of a great scientific establishment. This essentially changes the intrinsic germanium and especially silicon crystals into extrinsic materials, converting them into p
or n-type. This includes a substantially pure crystalline material in which a small amount of dopant is added as a substitutional impurity to increase the electrical conductivity and control it to either p or n type. was carefully introduced. This was done by growing individual single crystals in carefully controlled conditions and by doping them with extremely small critical amounts of dopants in carefully controlled conditions. . In such crystalline semiconductors, purification,
The technologies of purification, compounding, mixed crystal growth, and doping became central to industry and made it possible to manufacture computers as well as transistor radios. This revolutionary fact arises from the well-known scientific basis: crystals from groups of the periodic table such as silicon and germanium, dopant materials from groups such as boron as acceptors, and dopant materials from groups of the periodic table such as boron as acceptors; It was associated with the introduction of group dopant materials such as arsenic. In connection with the aforementioned doped crystalline semiconductors, the manufacturing process is complex, time consuming, and expensive. There are also many problems with the yield of such doped crystalline semiconductors. They need to have an energy gap determined by the particular crystal used. Moreover, due to the single crystal nature of such semiconductors, there are size limitations and devices of large dimensions cannot be provided. Because of the aforementioned difficulties with such crystalline semiconductors (doped silicon and germanium crystals), the industry has turned to the use of amorphous silicon and germanium semiconductors to replace crystalline semiconductors.
Work in the field of amorphous materials has been discouraging to those familiar with the field of crystalline materials. Such people have come to know that amorphous materials have unique electronic switching and structural memory effects, but amorphous materials are essentially intrinsic and therefore cannot be effectively fabricated into transistors, etc. Because it could not be done, there was no impact on the mainstream of semiconductor science and technology. Moreover, such work has generally been unproductive because stable amorphous semiconductors of amorphous silicon or germanium have not been obtained. Amorphous silicon or germanium (Group) has microvoids and dangling bonds that are unbonded, and usually 4 Heavily coordinated. Such localized states remain in amorphous silicon or germanium with or without doping, and they are subjected to deposition conditions and conditions such as annealing, including temperature and other ambient conditions. This changes its characteristics and makes it sufficiently unstable that it cannot be used as a reliable semiconductor transistor or the like. To minimize the aforementioned problems associated with amorphous silicon and germanium, the WESpear and PGLe Comber at the Carnegie Physics Laboratory at the University of Dundee, Dundee, Scotland, are designed to minimize the aforementioned problems with amorphous silicon and germanium, which are very similar to intrinsic crystalline silicon or germanium. The purpose is to reduce the localized states within their energy gap in order to make crystalline materials more extrinsic and to
For the purpose of substitutively doping said amorphous materials with suitable dopants, as in the case of doping crystalline materials to produce shaped materials, in 1975 "Solid State Communications", Volume 17, Vol.
As reported in the paper published on pages 1193-1196,
“Substitutional Doping of Amorphous
For n-type, phosphine (PH 3 ) gas is added to silane (SiH 4 ) gas, and for p-type, diborane (B 2 H 6 ) gas is used. Pre-mixed gas mixture rf
This was accomplished by glow discharge deposition passed through a reaction tube, which was decomposed by a glow discharge and deposited on the substrate at a high substrate temperature of approximately 500-600°K. The materials so deposited on the substrate are silicon and 30
% hydrogen (silicon hydride), and the reactant gas consists of SiH 4 and substituted phosphorus or boron with a dopant concentration between about 5×10 −6 and 10 −2 by volume. As mentioned above, amorphous silicon and also germanium are usually quadruple-coordinated and have microvacancies and dangling bonds that provide localized states within the energy gap. The hydrogen in the silane combines with the many dangling bonds of silicon during glow discharge deposition, reducing or minimizing the density of dangling bonds and microvoids in the deposited amorphous material, and increasing the density of dangling bonds in the energy gap. In order to compensate for the localized state, an amorphous material that is closest to the corresponding crystalline material is produced, which is the purpose of producing an amorphous material. The dopants phosphorus from the group elements to give the n-type and boron from the group elements to give the p-type, obtained from phosphine and diborane, respectively, are added to the doping of the single crystal during glow discharge deposition. Similarly, it has been incorporated into amorphous depositions in a quadruple coordination manner as a substitutional impurity for silicon in amorphous materials. Although the density of states in the energy gap of glow-discharge amorphous silicon is substantially reduced, especially at the Fermi level, two relatively dense state bumbs are evident in the remaining dangling bond density. Remaining within the associated energy gap, they are located approximately 0.4 eV apart substantially below the conduction band E c and above the valence band E v . When glow discharge amorphous silicon is doped with phosphorus or boron, the Fermi level is thought to move up or down, but an insufficient amount of active sites move the Fermi level past either bump. influenced to do. Therefore, the activation energy for doped glow discharge amorphous silicon did not drop below 0.2 eV. This result also indicates a theoretical limit on the open circuit voltage of the P-N junction of doped glow-discharge amorphous silicon, since the internal field cannot exceed the separation of the Fermi levels in the p- and n-type regions. . In addition, the remaining activation energy limits the room temperature DC conduction of the doped glow discharge amorphous silicon, which has a large sheet resistance when the material is made into wide area arrays.
This resistance is not helped by the lower carrier mobility, which is about 0/10 5 less than crystalline silicon. As in the case of silicon crystal semiconductors,
Glow discharge amorphous semiconductors using silicon have a substantially defined energy gap. The aforementioned glow discharge amorphous silicon, which is compensated by hydrogen to closely resemble crystalline silicon and doped in a similar manner to doping crystalline silicon, all done during glow discharge deposition, can be In this respect, it has properties inferior to those of doped crystalline silicon, and cannot be effectively used in place of doped crystalline silicon. Such glow discharge amorphous silicon has problems such as insufficient adhesion to the substrate on which it is deposited and cracking. As mentioned above, instead of compensating an amorphous material to closely resemble a crystalline material and doping the amorphous material in the manner of doping a crystalline material, the present invention and the invention of the aforementioned U.S. Pat. No. 4,177,473 directly relates to disordered amorphous materials, takes into account the differences between amorphous and crystalline materials rather than their similarities, and arbitrarily determines the energy gap between the structural order and electronic arrangement of amorphous materials. A simple technical system that can be used to select or process many elements of each group of the periodic table, allowing their active energies to be manipulated arbitrarily and separately for optimal design, and which can be formed into a solid amorphous state. It has to do with making it a reality. Accordingly, in accordance with the present invention and the invention of the above-mentioned application, there are substantially no crystal symmetry or single energy gap limitations as known in the art. In summary, the present invention and the aforementioned U.S. Pat.
In accordance with the invention of No. 4,177,473, an amorphous semiconductor material is a solid amorphous matrix having a structural arrangement with local rather than long-range order and an electronic arrangement with energy gaps and electroactive energies. is formed. A solid amorphous matrix of amorphous semiconductor material is formed as a layer or film deposited onto a substrate, such as by sputtering, at various temperatures, preferably below the crystalline or glass transition temperature, and which produces structural and electronic alignment. is frozen and remains at least in a quasi-equilibrium state.
Although amorphous semiconductor materials have many bonding options, the bonding of amorphous semiconductor materials containing elements to a solid amorphous matrix is primarily by covalent bonding, which provides a very strong bond; The original state and its energy gap are substantially maintained. As used herein, the normal structural bonds that normally characterize prepared amorphous materials
structural bonding is a state in which each atom forms an optimal number of bonds, such as covalent bonds, that uniquely corresponds to the cohesive energy of the amorphous solid. The energy gap E (eV) is the energy difference between the states at the top of the valence band and the bottom of the conduction band. It is usually measured optically and is often referred to as the optical band gap. The energy gap is essentially determined by the solid amorphous semiconductor material forming the amorphous matrix and its structural arrangement. Solid amorphous semiconductor materials can have a wide spectrum of localized states within the energy gap, including bonded and non-bonded states, where such states are characterized by anomalous or defective electronic alignment. (defect electronic configurations) and affect the Fermi level and electroactive energy of semiconductor materials. Such defective electronic arrangements may include substitutional impurities, vacancies, interstitial voids, dislocations, etc. that occur primarily in crystalline solids due to periodic binding. In solid amorphous materials, periodic constraints within crystalline materials can result in three-dimensional electron orbital relationships that are normally prohibited in crystalline materials. Other defective electron arrangements, especially in amorphous semiconductor materials, include microvacancies and dangling bonds, dangling bonds and nearest neighbor interactions, lone pairs, lone pair to lone pair interactions, isolated Interaction between electron pairs and nearest neighbor atoms, valence electron change pairs, donor or coordination bonds, charge compensation, polyvalence, lone pair compensation, hybridization, three-center bond, π bond, complexing, etc. , all of which act to pinning and influence the Fermi level within the material's energy gap to control conduction processes in the semiconductor material. The localized states and electroactive energy within the energy gap depend on the structural arrangement of the amorphous matrix, the nearest neighbor atomic relationships of elements within the amorphous matrix, the aforementioned defect electron arrangement, and the electrical activity within the amorphous matrix. associated with physical activity centers. Electric active energy E
〓(eV) is the energy difference between the Fermi level and the nearest adjacent band edge (valence band or conduction band), which, if unchanged, generally corresponds to 1/2 of the energy gap. To further summarize, the present invention and the aforementioned U.S. Pat.
In accordance with the invention of '4177473, a modifying material is added to the aforementioned solid amorphous matrix of amorphous semiconductor material to modify the electronic arrangement by forming electronic states in the energy gap; It changes and realigns the localization within the energy gap. As a result, the Fermi level of the energy gap is shifted rather than pinned, and the electroactive energy of the amorphous matrix is substantially altered to change the electrical conductivity at room temperature and above. The modifier added to the amorphous matrix is in an amount greater than or equal to about 35% by volume of the dopant typically used to dope crystalline semiconductors or to dope the aforementioned glow discharge amorphous silicon. is also possible. The modifier is not just a dopant, but a true modifier that modifies the electronic arrangement of the amorphous matrix (including localized states) and its electroactive energy. The modification material is added to the amorphous matrix by co-depositing the modification material and the semiconductor material onto a relatively cool substrate. The modifying material is therefore preferably added during the formation of the amorphous matrix at a temperature below the crystalline or glass transition temperature, or at a temperature below the melting temperature of the semiconductor material. Co-deposition of the modified material and the amorphous semiconductor material can be accomplished, for example, by co-sputtering the materials onto the substrate simultaneously. The modifying substance is then added to the amorphous semiconductor material while the solid amorphous matrix is being formed, with the important result that the doping is not based on substitution. When a modifying substance is applied to a predominantly semiconducting material at a temperature above its glass transition temperature or its melting temperature, it acts as a substituent element within the amorphous matrix giving it an intrinsic structure, such as by covalent bonding within the amorphous matrix. It is combined with. Furthermore, the electrical changes are
The change in electroactive energy is not as substantial as that provided by the present invention and the inventions of the aforementioned applications. Alternatively, the modifying material is added to the amorphous matrix of the amorphous semiconductor material at a temperature below the glass transition or melting temperature of the amorphous matrix, such that the amorphous matrix remains substantially intact. If the transition is minimal, if not stopped, then the structural arrangement of the amorphous matrix, and the energy and
There will be a change in the gap. Preferably, the modifier is introduced into the amorphous matrix while the amorphous matrix is in at least a quasi-equilibrium state, but if the modifier is added, different changes occur in the electronic arrangement of the amorphous matrix. To provide this, the amorphous matrix is placed in a non-equilibrium state, for example by applying an electric field or radiant energy. The modifier added to the amorphous matrix of the amorphous semiconductor material can be added, for example, by Coulomb forces, or by covalent, dative or coordinate bonds, interaction of the electron orbits of the amorphous matrix and the modifier, etc. It is located and held by a variety of physical and chemical means by a wide range of bonds, including various combinations thereof. When a modifying material is added to a solid amorphous matrix in the manner described above, it is observed in many different fields, including nearest neighbor relationships, elemental space, bond angles and strengths, band and Including charge and localized states in the gap, microvacancies, dangling bonds, lone pairs, etc., if the modified material is introduced into the bulk above the glass transition temperature or melting temperature of the amorphous material. And it is not recognized in the various places mentioned above. The modifier can also seek out such fields and form desired electronic states within the energy gap (and can also modify the localized state within the energy gap) in order to change the activation energy. Accordingly, the electronic arrangement of the amorphous matrix can be easily changed. If the amorphous matrix has localized states, microvacancies, dangling bonds, lone pairs, etc. from the beginning, the modification material added to the amorphous matrix will also have the ability to form new electronic states. Additionally, the amorphous matrix can be rendered at least partially inert. The modifying substance added to the amorphous host matrix has electron orbitals that interact with the amorphous host matrix to substantially change the electroactive energy of the amorphous host.・
Forming electronic states within the energy gap that substantially alter the electronic arrangement of the matrix. Modified substances include elements with sp electron orbitals, nickel, tungsten, vanadium, copper, zinc, molybdenum,
It can include transition metal elements with d-electron orbitals, such as rhodium or iron, and rare earth elements, such as gatlinium or erbium, which have d- and f-electron orbitals. At least not atomically sufficient d
Transition metals with electronic orbitals are generally preferred. This is because such d-orbitals have a wider range of interaction possibilities with the amorphous host matrix than elements with sp-orbitals. By appropriate selection of these elements and the relative amounts of selected elements, or by utilizing additional elements within the amorphous matrix, structural alignment can be achieved at any desired energy level. - Can be selected and designed to provide electronic arrays with gaps. Such an amorphous matrix of solid amorphous semiconductor material can therefore be manufactured to provide the desired energy gap therein. Modified materials with d-electron orbits, such as nickel, dungsten, etc., can be modified by intersputtering, etc., in the manner described above, with exceptional results obtained especially with group and group elements and transition metals.
It can be easily added to an amorphous matrix of solid amorphous semiconductor material. The addition of these modifiers to an amorphous matrix does not affect the structural coupling or its energy gap of the structural arrangement of the amorphous matrix, even if some of the modifiers are initially combined in a structural bond. not give. However, such additions change the electroactive energy of the localized states or electroactive centers in the energy gap and the electronic arrangement to a substantial extent that transforms the amorphous matrix from an intrinsic to an extrinsic semiconductor. influence In this relationship, the modifying material interacts with the solid amorphous material of the amorphous matrix to form electronic states or electroactive centers, which means that the electronic orbits of the modifying material and the amorphous matrix including interactions. Thus, the addition of modifiers to amorphous semiconductor material within an amorphous matrix has a small effect on structural alignment and energy gaps, but has a wide range of effects on electronic alignment and activation energy. I can do it. The electronic states or electronic active centers so provided include creating electrical charge centers. Abnormal or defective electronic arrangement (DEC) at the same time
Any localized states or electroactive centers present in the amorphous matrix, such as those produced by, can be made substantially inactive, and any electronic states or electroactive centers imparted by the modifier can be rendered substantially inactive. Essentially defines the electronic state and electroactive energy within the energy gap. The density of localized states or electroactive centers within the amorphous matrix of an amorphous semiconductor material varies substantially with the added modifying material, and the relatively dense bumps form a glow discharge amorphous. It does not remain in the energy gap between the Fermi level and the conduction band or valence band as described above in high quality silicon. the result,
The Fermi level is significantly shifted within the energy gap toward the conduction or valence band by the modifier, resulting in a large change in the electroactive energy.
The amount of modifier added to the amorphous matrix is
The amount of change in localized state and formation of electronic states in the energy gap and the amount of change in electroactive energy are determined. Thus, the energy gap and electronic states within the electroactive energy can also be predetermined and shaped to match desired electrical properties. In fundamentally lone-pair amorphous semiconductor materials, including Group and Group elements, the electronic arrangement primarily involves lone pairs and their interactions with their nearest neighbors; These materials are generally structurally compensated to be intrinsic, have very few if any dangling bonds, have no microvacancies, and are spin compensated.
It is considered an “ideal” amorphous material. Lone pairs of electrons and their interactions with their nearest neighbors form electron orbits or defective electron arrays, and the added modifiers form electronic states or electroactive centers in the energy gap. It interacts with and changes the nearest neighbor atoms in the amorphous matrix, many of which involve interaction of electron orbits of the modified material with defective electron arrangements in the amorphous matrix. In fundamentally tetrahedrally bonded amorphous semiconductor materials containing group elements, localized states or electroactive centers within the energy gap are particularly
including electron orbitals or defective electron configurations such as hedral bonds and dangling bonds, where the modified material is used to change the localized state and form new electronic states or electroactive centers within the energy gap. , interacts with the aforementioned defects in the amorphous matrix, many of which involve interaction of the electron orbits of the modifying material with defective electron alignments and dangling bonds in the amorphous matrix. In amorphous semiconductor materials containing group boron, the localized states or electroactive centers in the energy gap include especially electron orbitals or three-center bonds in which two electrons It is shared by three electrons in one covalent bond and a deformable non-bonded state, which is mostly an inverted similar lone pair state. The modified material interacts with such semiconducting material within the amorphous matrix to form new electronic states or electroactive centers in the energy gap, many of which have a non-contact relationship with the electronic orbits of the modified material. Involves interactions with three centers and other bonds within the crystalline matrix. The electron orbits of the modified material interact with localized states or electroactive centers within the energy gap of the amorphous host matrix material to modify the electronic arrangement of the amorphous host matrix.
In accordance with the principles of the invention, the amorphous semiconductor members of the invention have desired physical and electrical properties, such as a desired energy gap (bumper gap)
(eV), electrical conductivity at room temperature σ RT (Ωcm) -1 , electroactive energy E〓(eV), Seebeck coefficient S
(V/° C.), p or n conductivity type, and can be designed or manufactured to provide an amorphous semiconductor member having temperature conductivity. By appropriately designing the parameters of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity, which should be relatively high, and the temperature conductivity, which should be relatively low, an effective thermoelectric generation device can be easily manufactured. A first object of the present invention is to provide an amorphous semiconductor component that can withstand high temperatures and have good strength properties, so that said component can It can operate at higher temperatures and withstand the physical rigors of commercial use. In summary, the amorphous semiconductor member of the present invention is an amorphous semiconductor material containing multiple elements such as boron, carbon,
It contains at least one element with a small atomic weight such as nitrogen or oxygen, and has a structural arrangement that has local order rather than long-range order consisting of multiple elements, and electrons that provide an energy gap and electroactive energy. a solid amorphous host matrix having a structure in which the electrons of the amorphous host matrix are attached to the amorphous host matrix and interact with the amorphous host matrix and at room temperature and above. and a modification material consisting of an element selected from the group consisting of nickel and tungsten, having electron orbits forming an electronic state in the energy gap that substantially changes the arrangement, It involves a substantial change. The amorphous host matrix of an amorphous semiconductor material is usually intrinsically conductive, and a modifying substance added to the amorphous host matrix can change said matrix to extrinsically conductive. can. Modifiers added to the amorphous host matrix can substantially change its electroactive energy and therefore the electrical conductivity of the semiconductor component at room temperature and above. It can also substantially change the Seebeck coefficient of the semiconductor component. The amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix may also include at least two of the aforementioned low atomic weight elements. Examples of amorphous semiconductor materials forming an amorphous host matrix are boron (B), carbon (C), boron and nitrogen (BN), boron and carbon ( B4C ), silicon and nitrogen (Si), among others. 3 N 4 ), silicon and carbon (SiC), silicon and oxygen (SiO 2 ), tellurium and oxygen (TeC 2 ), etc. Modifying substances include, for example, transition metals as mentioned above,
may include. Since the amorphous semiconductor material in the amorphous host matrix contains elements of small atomic weight (light elements), it can withstand high temperatures, e.g.
It can operate at high temperatures of 600℃ and higher. In addition, when the amorphous host matrix contains elements of small atomic weight (light elements), the amorphous semiconductor component has good structural strength and strength properties, which is especially true when the amorphous host matrix contains elements of small atomic weight (light elements). This is the case when the matrix contains a composite of multiple low atomic weight elements such as those mentioned above, rather than a single element. In this regard, the aforementioned low atomic weight elements (light elements) within the amorphous host matrix provide strong covalent bonding forces and high melting point temperatures corresponding to high crystal and glass transition temperatures. Crystal forces act to change an amorphous structure into a crystalline structure, which requires the movement of atoms and the transition from an amorphous state to a crystalline state, and at the crystal and glass transition temperatures of the amorphous structure. arise. The strong bonding strength and high melting temperature and correspondingly high crystalline and glass transition temperatures of the amorphous host matrix of the present invention containing low atomic weight elements minimize the movement of its atoms and thus the amorphous host matrix.・The matrix can withstand high temperatures and have good strength properties,
The amorphous state can be maintained. Other embodiments of the amorphous semiconductor components of the present invention include amorphous semiconductor materials that are primarily tetrahedral-bonded, with structural alignment having local order rather than long-range order, and energy gaps and electroactivity. silicon or germanium formed in a solid amorphous host matrix with an energizing electronic arrangement. It also contains modifiers that are added to the amorphous matrix in a primarily non-substitutional manner, are in an amount greater than the dopant amount, and contain elements of low atomic weight, including for example boron or carbon, in addition to the amorphous The amorphous host matrix has electron orbitals that form electronic states in the energy gap that interact with the amorphous host matrix and substantially alter the electronic arrangement of the amorphous host matrix at room temperature and above. Also, in embodiments of the present invention, the amorphous host matrix of the amorphous semiconductor material is typically of intrinsic conductivity, and the modification material added to the amorphous host matrix makes the matrix extrinsically conductive. can be changed to Modifiers added to the amorphous host matrix can substantially change its electroactive energy and therefore the electrical conductivity of the semiconductor component at room temperature and above. . It can also substantially change the Seebeck coefficient of the semiconductor component and/or its conductivity type. Because the modified material added to the amorphous host matrix contains low atomic weight elements (light elements), the resulting modified semiconductor device can also withstand high temperatures and can operate at room temperature and higher temperatures. , can have good strength properties. The present invention will be explained in detail below with reference to the illustrated embodiments. Referring to FIG. 1, one type of semiconductor device of the present invention is designated generally at 10. It is an amorphous semiconductor member 11 deposited on a substrate 12.
The substrate is preferably made of an insulating material such as glass. The amorphous semiconductor member 11 is formed in a solid amorphous host matrix having a structural arrangement with local rather than long-range order and an electronic arrangement with energy gaps and large electroactive energies. It includes an amorphous semiconductor material 13. Amorphous semiconductor material 11 is also added to the amorphous matrix and amorphous semiconductor material 13
The modified material 14 is substantially homogeneously mixed therein. The amorphous semiconductor member may also include electrodes 16 and 17 provided for electrical connection. Amorphous semiconductor member 11 is preferably formed by interdeposition of an amorphous semiconductor material and a modifier material, such as by intersputtering. Reciprocal sputtering can be accomplished with conventional RF sputtering systems, such as those manufactured and sold by RDMAthis. Here, the cathode or target is formed from a semiconductor material that is bonded to a conventional aluminum backing plate and deposited on the substrate 12.
The modification material is also immobilized on the target semiconductor material. The substrate 12 is carried by a holder a distance from the target of about 3.5 cm for a 3.5" diameter cathode and about 3 cm for a 1" diameter cathode. The sputtering machine initially uses approximately 6×10 -6 Torr (mmHg) to provide a background vacuum pressure.
evacuated to a somewhat lower vacuum pressure. Argon is flowed into the machine to provide an operating pressure of about 5 x 10 -3 Torr as determined by the Pirani vacuum gauge reading, giving the machine an actual vacuum pressure of about 7 x 10 -3 Torr. The surface of the cathode or target and the surface of the modifier are first cleaned for about 30 minutes by sputtering against the shutter of the machine adjacent to the substrate. The shutter is then opened and the target semiconductor material and the modified material on the target are intersputtered onto the substrate. Both the cathode or target and the holder for the substrate are water cooled, and during the sputtering operation the temperature is at a low value below the melting, crystallizing or glass transition temperature of the material. The rf power of the machine has a frequency of about 13.56MHz and a voltage of about 1000V, and the power is about 50-70W.
Utilizes a 3.5" diameter cathode or target. Deposition rate depends on the material being sputtered;
The deposition time is varied to obtain the desired deposition thickness. The thickness of the amorphous semiconductor component co-deposited with the modifying material varies from a few hundred angstroms to about 5 microns, depending on the manner in which the material is placed. The semiconductor material and the modifier material are deposited on the substrate in amorphous form. The amount of modifying material that is applied substantially homogeneously to the amorphous semiconductor material to form the amorphous semiconductor component is generally determined by the area of the modifying material piece applied to the cathode or target semiconductor material. Ru.
Therefore, the desired proportion of modifier added to the amorphous semiconductor material can be controlled accordingly. The deposited semiconductor can be annealed if necessary. As shown in FIG. 1, electrodes 16 and 17 are
They are provided at intervals along the amorphous semiconductor member 11 in order to receive electrical properties along the longitudinal direction of the semiconductor member 11 . For example, device 10 of FIG. 1 may be a thermoelectric generator such that when one end of the device is heated to a higher temperature than the other end, thermal power is transferred to spaced electrodes 16 and 17. Appears within the semiconductor member to be removed between the two. Another embodiment of the invention is shown at 10A in FIG. 2, in which electrodes 16 and 17 respond to the electrical properties of amorphous semiconductor member 11 through their thickness rather than along their length. It differs from the device 10 of FIG. 1 in that it is located on the opposite side of the amorphous semiconductor member 11, as shown in FIG. In this regard, the metal electrode 16 is first deposited on the substrate 12, and then the amorphous semiconductor member 11 is deposited. An amorphous semiconductor component 11 containing an amorphous semiconductor matrix 13 with a homogeneously applied modifier 14 may be formed and deposited in a manner similar to the amorphous semiconductor component 11 of FIG. The amorphous semiconductor member 11 can be formed by mutual sputtering as described above. After the amorphous semiconductor member 11 is formed, a metal electrode 17 is deposited as shown in FIG. As an example, the amorphous semiconductor device 10A of FIG. 2 is used as a thermoelectric generator by heating the electrode 17 above the temperature of the electrode 16 so as to generate thermal power in the amorphous semiconductor member 11. Yes, electrode 1
6 and 17 are used to extract thermal power. As another example, metal electrode 17 may be a transparent metal to allow light to pass through. The transparent electrode 17 is associated with the semiconductor component and is such as to provide a Schottky barrier between the electrode and the semiconductor component 11.
Light, such as solar energy, can photoelectrically generate voltages and currents that can be extracted by electrodes 16 and 17 at the Schottky barrier. Amorphous semiconductor material 11 may be p- or n-type, and as shown in FIG. 3, device 22 generally includes two layers of amorphous semiconductor material 11, one p-type and the other p-type. It is n-type. These two layers form a pn junction 23 between them. Accordingly, device 22 may include a pn junction type device for current control, or the like. The curve in FIG. 5 shows one of the features of the present invention, and the curve shows the electrical conductivity σ [Ωcm] -1 with respect to the reciprocal of temperature 1000/T [〓] -1 . The unaltered amorphous semiconductor material within the amorphous host matrix
It has a structure with a gap E 04 and a large electroactive energy E 〓, and since such an unchanged material is intrinsic, its electroactive energy E 〓 is approximately 1/2 of the energy gap E 04 . Here, for example, the energy gap is 1.5 eV and the electroactive energy E is 0.75 eV, as shown by curve 35. When the modifying substance is added to the amorphous semiconductor material, it is accompanied by a decrease in the electroactive energy E〓, for example, until the electroactive energy E〓 of 0.02 eV reaches the value shown by curve 37 in FIG. Depending on the amount of modification material added, the intrinsic unmodified semiconductor material can be
It is optionally converted or modified into an extrinsic substance having a stable extrinsic level, indicated by the dashed line 36 in the figure. These stable extrinsic levels make the electrical conductivity at room temperature (and above) σ RT [Ωcm] -1
It increases as shown by the intersection of curves 35, 36 and 37 in the figure with room temperature line 38. Therefore by adding selected amounts of modifying substances,
The intrinsic, unaltered amorphous semiconductor material can optionally be converted into an extrinsic material, which, at room temperature and above, decreases the desired electroactive energy E and changes added to the amorphous semiconductor material. It has a stable extrinsic level with a desired electrical conductivity σ RT that increases with the amount of material. A wide range of activation energies and electrical conductivities can be engineered into amorphous semiconductor components to meet desired electrical parameters. The curve of FIG. 4 illustrates another feature of the invention; the curve shows the absorption coefficient logα [cm] -1 versus the energy gap E [eV]. Energy gap E 04 has an absorption coefficient of amorphous semiconductor material of 10 4
[cm] Equals the energy that is -1 . For an unchanged semiconductor material as considered with respect to curve 35 of FIG. 5, the energy gap E 04 is approximately 1.50 eV as shown by curve 39 of FIG.
For modified semiconductor materials as discussed with respect to curve 37 of FIG. 5, the energy gap E 04 is approximately 1.45 eV as shown by curve 40 of FIG. Therefore, the active energy E〓 and its electrical conductivity σ
There is a significant difference between RT and energy gap between unmodified and modified semiconductor material.
It can be seen that there is almost no difference in E 04 . This is probably due to the fact that adding a modifying substance to an amorphous semiconductor material has little effect on the structural alignment of the amorphous semiconductor matrix and the energy gap of its electrical alignment. A wide design range of active energy and electrical conductivity is therefore applicable to amorphous semiconductor components, which is important for maintaining the physical properties, including thermal and optical properties, of the amorphous semiconductor material. This can be done without substantially changing the arrangement and energy gap. In some examples of amorphous semiconductor components of the present invention, curves 39 and 40 of FIG. If it is not necessary to maintain the characteristics, it is not important. As previously mentioned, a wide range of designs for the structural arrangement and energy (band) gap E 04 (eV) of the amorphous semiconductor component is possible, which can be provided by appropriate selection of the amorphous semiconductor material. be able to.
For example, the following amorphous semiconductor materials can have an energy gap of less than or equal to E 04 .
That is, Si-1.5; SiC-2.06; B 4 C-3.0; etc. These amorphous semiconductors can also be modified with modifying materials to provide extrinsic conduction and the desired activation energy E and electrical conductivity σ RT at room temperature (and above). The combination of the elements of small atomic weight boron, carbon, nitrogen, oxygen with each other and with other elements results in a high melting temperature T M (°C) and a correspondingly high crystal and glass transition temperature, and also a high bonding strength E B
(eV), as mentioned above, provides an amorphous semiconductor member that can withstand high temperatures and has good strength properties, some examples of which are listed below.

【表】 一般に小さい原子量の元素が他の元素との組合
せで蒸着される場合、その元素の組合せは、他の
元素の組合せに比して高い融点と高い結合力とを
有する。 非晶質半導体物質の非晶質ホスト・マトリクス
と同時スパタリング等によつてそこに付加される
変更物質とを含む非晶質半導体部材は、例えば、
B4C+W、BN+W、SiC+W、Si3N4+W、SiO2
+W、TeO2+Ni、等を含み得る。変更物質は、
室温及びそれ以上で非晶質ホスト・マトリクスの
電子配列を実質的に変更する。エネルギ・ギヤツ
プ(バンド・ギヤツプ)E04(eV)、電気活性エ
ネルギE〓(eV)、室温での電気伝導度σRT(Ω
cm)-1、ゼーベツク係数S(V/℃)及びp又は
n形、を含む物理的及び電気的活性に関する利用
可能な資料を以下に例示する。 以下の特性を有し、前述の様に相互スパタリ
ングされるボロン及び炭素(B4C)の非晶質半
導体物質とタングステン(W)の付加変更物
質。
[Table] Generally, when an element of low atomic weight is deposited in combination with other elements, the combination of elements has a higher melting point and higher bonding strength than the combination of other elements. An amorphous semiconductor component comprising an amorphous host matrix of amorphous semiconductor material and a modifying material added thereto, such as by co-sputtering, may, for example,
B 4 C+W, BN+W, SiC+W, Si 3 N 4 +W, SiO 2
+W, TeO 2 +Ni, etc. The modified substance is
Substantially alters the electronic arrangement of the amorphous host matrix at room temperature and above. Energy gap (band gap) E 04 (eV), electroactive energy E〓 (eV), electrical conductivity at room temperature σ RT
The available documentation regarding physical and electrical activity, including the following: cm) −1 , Seebeck coefficient S (V/° C.) and p or n type is exemplified below. An additive material of an amorphous semiconductor material of boron and carbon (B 4 C) and tungsten (W) which is intersputtered as described above and has the following properties.

【表】 エネルギ・ギヤツプは減少せず、活性エネル
ギは実質的に減少し、電気伝導度は実質的に増
加し、ゼーベツク係数は実質的に変化し、そし
て伝導形はP形のまゝである。 以下の特性を有し、前述の様に相互スパタリ
ングされるボロン及び窒素(BN)の非晶質半
導体物質とタングステン(W)の付加変更物
質。
[Table] The energy gap does not decrease, the active energy decreases substantially, the electrical conductivity increases substantially, the Seebeck coefficient changes substantially, and the conduction type remains P-type. . An additive-modified material of boron and nitrogen (BN) amorphous semiconductor material and tungsten (W) intersputtered as described above, having the following properties:

【表】 活性エネルギは実質的に減少し、電気伝導度
は実質的に増加する。 以下の特性を有し、前述の様に相互スパタリ
ングされるシリコン及び炭素(SiC)の非晶質
半導体物質とタングステン(W)の付加変更物
質。
Table: The activation energy is substantially reduced and the electrical conductivity is substantially increased. An additive-modified material of silicon and carbon (SiC) amorphous semiconductor material and tungsten (W) intersputtered as described above, having the following properties:

【表】 エネルギ・ギヤツプはかなりの量のタングス
テンが付加されるまで実質的に減少せず、電気
活性エネルギはかなりの量のタングステンが付
加されるまで実質的に減少せず、電気伝導度は
実質的に増加し、ゼーベツク係数は実質的に変
化し、伝導形はP形のまゝである。 以下の特性を有し、前述の様に相互スパタリ
ングされるシリコン及び窒素(Si3N4)の非晶質
半導体物質とタングステン(W)の付加変更物
質。
[Table] The energy gap does not substantially decrease until a significant amount of tungsten is added, the electroactive energy does not substantially decrease until a significant amount of tungsten is added, and the electrical conductivity does not substantially decrease until a significant amount of tungsten is added. , the Seebeck coefficient changes substantially and the conduction type remains P type. An amorphous semiconductor material of silicon and nitrogen (Si 3 N 4 ) and tungsten (W) are intersputtered as described above and have the following characteristics:

【表】 電気活性エネルギは実質的に減少し、電気伝
導度は実質的に増加する。 以下の特性を有し、前述の様に相互スパタリ
ングされるシリコン及び酸素(SiO2)の非晶質
半導体物質とタングステン(W)の付加変更物
質。
Table: The electroactive energy is substantially reduced and the electrical conductivity is substantially increased. An additive-modified material of an amorphous semiconductor material of silicon and oxygen (SiO 2 ) and tungsten (W), which is intersputtered as described above, having the following properties:

【表】 電気活性エネルギは実質的に減少し、電気伝
導度は実質的に増加する。 以下の特性を有し、前述の様に相互スパタリ
ングされるテルル及び酸素(TeO2)の非晶質半
導体物質とニツケル(Ni)の付加変更物質。
Table: The electroactive energy is substantially reduced and the electrical conductivity is substantially increased. An additive-modified material of an amorphous semiconductor material of tellurium and oxygen (TeO 2 ) and nickel (Ni) having the following properties and intersputtered as described above.

【表】 電気活性エネルギは比較的低く、電気伝導度
は比較的高く、ゼーベツク係数は比較的高く、
伝導形はP形である。 前述の例から、本発明の非晶質半導体部材は、
種々の応用に対する多くの装置を製造するために
所望の物理的及び電気的特性を有する部材を与え
るために容易に設計可能である。置換ドーピング
はほとんど全ての最近隣接場(nearest―
neighbor sites)を与えることにより四面体物質
に於いて四面体タイプの局部的環境を可能にす
る。これは、結晶物質及びグロー放電非晶質シリ
コンの双方にあてはまる。本発明は、更に多くの
最近隣接結合の選択を与える。これは非晶質性の
通常の結果である。多数の変化する電子軌道及び
結合の関係は、規則的に間隔を置かれたマトリク
スに1原子の置換を不適当にする。必要なのは、
多重結合の可能性を考慮し、電気伝導度を制御す
るために変更によつてそれらを利用することであ
る。非晶質相に於いて多重電子軌道の好例はボロ
ンだけではなく、有機物質に於ける様に炭素原子
もまた他の無機物質との多重電子軌道の相互作用
を与える。従つて、それは本発明の重要な特徴で
ある非プライマリー結合である。第、及び
族の元素が重要であるだけではなく、ボロン及び
炭素を含むその最初の列もまた、それらが与える
異なる結合可能性に基づき結合マトリクスとして
重要である。ボロン、炭素、窒素及び/又は酸素
を含む最初の列の元素を用いることによつて、非
晶質半導体部材はまた、高温に耐えることがで
き、良好な強度特性を有することができる。
[Table] The electroactive energy is relatively low, the electrical conductivity is relatively high, the Seebeck coefficient is relatively high,
The conduction type is P type. From the above examples, it can be seen that the amorphous semiconductor member of the present invention is
It can be easily designed to provide components with desired physical and electrical properties to manufacture many devices for a variety of applications. Substitutional doping can be applied to almost all nearest-neighbor fields.
This allows a tetrahedral-type local environment in the tetrahedral material by providing neighbor sites). This applies to both crystalline materials and glow discharge amorphous silicon. The present invention provides even more nearest neighbor joining choices. This is a normal result of amorphous nature. The large number of changing electron orbitals and bond relationships make the substitution of one atom in a regularly spaced matrix inappropriate. What you need is
The idea is to take into account the possibility of multiple bonds and exploit them through modification to control electrical conductivity. Boron is not the only good example of multiple electron orbitals in the amorphous phase; just as in organic materials, carbon atoms also provide multiple orbital interactions with other inorganic materials. Therefore, it is a non-primary bond that is an important feature of the invention. Not only the elements of groups 1 and 2 are important, but also the first row thereof, including boron and carbon, is important as a bonding matrix due to the different bonding possibilities they offer. By using first row elements including boron, carbon, nitrogen and/or oxygen, the amorphous semiconductor component can also withstand high temperatures and have good strength properties.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の半導体デバイスの一実施例
を示す図、第2図は、本発明の半導体デバイスの
他の実施例を示す図、第3図は、本発明の非晶質
半導体部材を用いたp―n接合形デバイスの図、
第4図は、エネルギ・ギヤツプに対する吸収係数
を示し、不変更非晶質半導体物質のエネルギ・ギ
ヤツプと変更非晶質半導体物質のエネルギ・ギヤ
ツプとの間の小さい差を説明する曲線を示し、第
5図は、温度の逆数に対する電気伝導度を示し、
種々の変更による不変更非晶質半導体物質と変更
非晶質半導体物質との活性エネルギを説明する曲
線を示している。 10,10A,22…半導体デバイス、11…
非晶質半導体部材、12…基板、13…非晶質半
導体物質、14…変更物質、16,17…電極。
FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the semiconductor device of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the semiconductor device of the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing an amorphous semiconductor member of the present invention. A diagram of a p-n junction type device using
FIG. 4 shows a curve showing the absorption coefficient versus energy gap and illustrating the small difference between the energy gap of an unmodified amorphous semiconductor material and the energy gap of a modified amorphous semiconductor material; Figure 5 shows the electrical conductivity versus the reciprocal of temperature,
Figure 3 shows curves illustrating the activation energies of unmodified and modified amorphous semiconductor materials with various modifications. 10, 10A, 22... semiconductor device, 11...
Amorphous semiconductor member, 12...substrate, 13...amorphous semiconductor material, 14...change material, 16, 17...electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 長距離秩序性よりもむしろ局所的秩序性を有
する構造的な配置、並びにエネルギギヤツプ及び
電気的活性化エネルギを与える電子配置を有する
固体非晶質ホスト・マトリクスの形に形成されて
おり、ホウ素、炭素、窒素または酸素からなる原
子量の小さい元素を少なくとも1種類含み且つ複
数の元素からなる非晶質半導体物質と、ニツケル
及びタングステンからなる群から選択された元素
からなり、前記非晶質ホスト・マトリクスに加え
られた変更物質とからなる非晶質半導体部材であ
つて、前記変更物質は、非晶質ホスト・マトリク
スの電子軌道と相互作用して、室温以上の温度に
おいて、電気伝導度の変化を生じせしめるよう
に、非晶質ホスト・マトリクスの電子配置を変更
させる電子状態をエネルギ・ギヤツプ中に形成す
る電子軌道を有する非晶質半導体部材。 2 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質が前記ホウ素、炭素、窒素、または酸素の
うち少くとも2つの元素を含む特許請求の範囲第
1項記載の非晶質半導体部材。 3 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質がホウ素及び窒素を含む特許請求の範囲第
2項記載の非晶質半導体部材。 4 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質がホウ素及び炭素を含む特許請求の範囲第
2項記載の非晶質半導体部材。 5 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質がシリコン及び窒素を含む特許請求の範囲
第1項記載の非晶質半導体部材。 6 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質がシリコン及び酸素を含む特許請求の範囲
第1項記載の非晶質半導体部材。 7 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質がシリコン及び炭素を含む特許請求の範囲
第1項記載の非晶質半導体部材。 8 前記非晶質ホスト・マトリクスの非晶質半導
体物質がテルル及び酸素を含む特許請求の範囲第
1項記載の非晶質半導体部材。 9 前記非晶質半導体物質と前記変更物質とを同
時スパタリングすることによつて、前記非晶質ホ
スト・マトリクスが形成され、前記変更物質が付
加される特許請求の範囲第1項から第8項のいず
れかに記載の非晶質半導体部材。 10 前記非晶質ホスト・マトリクスに付加され
る前記変更物質がその電気的活性化エネルギを減
少させ、それ故室温及びそれ以上で前記半導体部
材の電気伝導度を増加させる特許請求の範囲第1
項から第9項のいずれかに記載の非晶質半導体部
材。 11 前記非晶質ホスト・マトリクスに付加され
る前記変更物質が前記半導体部材のゼーベツク係
数を変化させる特許請求の範囲第1項から第10
項のいずれかに記載の非晶質半導体部材。 12 高温に耐えることができ且つ良好な強度特
性を有することができる特許請求の範囲第1項か
ら第11項のいずれかに記載の非晶質半導体部
材。
Claims: 1. Formed in a solid amorphous host matrix with a structural arrangement having local rather than long-range order, and an electronic configuration that provides an energy gap and electrical activation energy. an amorphous semiconductor material containing at least one element with a small atomic weight such as boron, carbon, nitrogen, or oxygen and consisting of a plurality of elements; and an element selected from the group consisting of nickel and tungsten; an amorphous semiconductor member comprising a modifying substance added to an amorphous host matrix, the modifying substance interacting with the electron orbits of the amorphous host matrix to cause, at a temperature above room temperature, An amorphous semiconductor component having electron trajectories that form electronic states in an energy gap that alter the electronic configuration of an amorphous host matrix so as to cause a change in electrical conductivity. 2. The amorphous semiconductor member of claim 1, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains at least two elements of the boron, carbon, nitrogen, or oxygen. 3. The amorphous semiconductor member of claim 2, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains boron and nitrogen. 4. The amorphous semiconductor member of claim 2, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains boron and carbon. 5. The amorphous semiconductor member of claim 1, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains silicon and nitrogen. 6. The amorphous semiconductor member of claim 1, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains silicon and oxygen. 7. The amorphous semiconductor member of claim 1, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains silicon and carbon. 8. The amorphous semiconductor member of claim 1, wherein the amorphous semiconductor material of the amorphous host matrix contains tellurium and oxygen. 9. Claims 1-8, wherein the amorphous host matrix is formed and the modifying material is added by co-sputtering the amorphous semiconductor material and the modifying material. The amorphous semiconductor member according to any one of the above. 10. Claim 1, wherein the modifying material added to the amorphous host matrix reduces its electrical activation energy and therefore increases the electrical conductivity of the semiconductor component at room temperature and above.
The amorphous semiconductor member according to any one of Items 1 to 9. 11. Claims 1 to 10, wherein the modifying substance added to the amorphous host matrix changes the Seebeck coefficient of the semiconductor component.
The amorphous semiconductor member according to any one of the items. 12. The amorphous semiconductor member according to any one of claims 1 to 11, which can withstand high temperatures and has good strength properties.
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