JPS6231834B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は光電変換装置の構造に関するもので
あつて、電流を流し得る厚さの絶縁または半絶縁
膜下には不純物が添加された、基板半導体とは逆
導電型を有する半導体層を外部取出し電極とは接
しない電気的にフローテイングな構成として設け
るとともに、膜上の対抗電極は基板半導体層に空
乏層を発生させる極性の電極を設け、さらに対抗
電極がこの逆導電型層の下側の半導体に空乏層を
作り開放電圧を向上せしめることを特徴としてい
る。 従来Ｖ型溝が光照射面に無限にかつ均質に存在
する光電変換素子としてCNR（COMSAT NON
―REFRECT IDE SOLAR CELL）が知られて
いる。 これはＶ型溝をシリコン半導体表面に異方性エ
ツチを行いかつこの溝が多数無限に存在する表面
に0.2〜0.3μというきわめて浅いPN接合を設け、
この接合層に対抗電極をオーム接触させて、この
接合面で発生した光起電力をとり出さんとしたも
のである。 このCNRは実験的にはAMOにて15％以上、
AMIにて18％の高い変換効率を得ている。しか
しこのきわめて浅い接合であることのため接合が
簡単に破れてPN接合部にて電気的シヨートまた
はリークが発生し実用上の信頼性が得られていな
い。 さらに従来よりPN接合型装置は半導体基板に
微妙に制御された高い開放電圧を得るため、Ｐま
たはＮ層を高温にて高濃度拡散することにより作
製するものである。かかる装置においては拡散工
程、微妙なオーム接触用電極付等に多くのコスト
要因があり、その製造歩留まりも高くなかつた。 またMIS型装置はきわめて薄い酸化珪素膜を光
照射面に形成し、その上面の対抗電極により高い
開放電圧を得ることができる。しかし電極部以外
の光照射部で、この絶縁膜が裏面の電極形成の際
または基板より変換素子を取り出すためにチツプ
化する際、機械損傷により劣化またピンホールま
たはひつかき傷による欠陥を誘発し、電流の減少
の原因となり、特にこの光照射部での反転層（イ
ンバージヨンレイヤー）を安定して作ることが不
可能であつた。 本発明はMIS型装置としての絶縁層を接合部の
劣化防止用バリアとして動作せしめる特徴と、浅
い拡散（シヤローデイフユージヨン）法による
PN接合型の装置の特徴とを合わせもち、かつそ
れぞれの欠点を相殺させたもので、きわめて理想
的な構造を有するものである。 即ち、光照射用の一導電型の基板半導体上面に
は、それと逆導電型の不純物が添加された、半導
体層を0.5μ以下の厚さ、特に20〜2000Åに有せ
しめたもので、半導体表面を導電型に反転させる
ために設けている。 さらにその上面に電流を流し得る厚さの絶縁ま
たは半絶縁膜を設け、その上面に開放電圧を決定
するための対抗電極を設けている。このため開放
電圧は半導体と対抗電極材料との仕事関数差より
決められる電圧が作られ、さらに、その下側の逆
導電型半導体層は対抗電極と接触をせずに電気的
に、フローテイング構造を有している。加えてこ
の電極部間の光照射部においてこの逆導電型の半
導体層を薄くすることで、ここでの光照吸収によ
る変換効率の低下を防いでいる。またこの半導体
層は電気的にフローテイングであつたため、対抗
電極方向への横型電界が発生し、発生した一方の
電荷はこの半導体層を通つて横方向へのドリフト
を助長させるいわゆるチヤネル構造を有してい
る。 この意味で本発明構造をフローテイングチヤネ
ル構造の光電変換装置といつてもよい。 また、この対抗電極下にも同じに作られる半導
体層と基板半導体表面との接合部に関していわゆ
る従来のPN接合型の場合は電極間のオーム接触
用のための電極半導体間に合金（アロイ）をさせ
るため、0.5〜１μの接合深さを必要とする。こ
のため、本発明の如きその深さを0.5μ以下特に
20〜500Åとした逆導電型半導体層を作ることは
不可能であつた。しかし本発明はかかるオーム接
触用電極を作らず、絶縁または半絶縁膜上に対抗
電極を設け、この膜の下側のPN接合の接合部に
さらにその空乏層を基板半導体側へひろげるべき
極性としている。 本発明は以上に加えて、この光照射面に対して
はＶ型溝を設け、その部分での照射光の反射を防
止させており、加えてこのＶ型溝を従来知られて
いたPN接合型ではなくMIS型光電変換装置に応
用したものである。加えて表面に凹凸を有する
MIS型素子の製造歩留まりの向上を図つたもの
で、以下に図面に従つて説明する。 第１図、第２図、第３図は本発明の光電変換装
置の縦断面図をＡにおよびそれに対応したエネル
ギバンド構造をＢに示す。 第１図Ａにおいて一導電型を有する半導体基板
１の一主面には不純物が添加された、逆導電型の
半導体層７が0.5μ以下の厚さ特に20〜500Åの厚
さに形成されている。この上表面を覆つて絶縁ま
たは半絶縁膜３が５〜100Å特に10〜30Åの厚さ
で設けられ、その上面に選択的に櫛型電極４，５
が電極部８に、また光照射部９には電極等の遮蔽
物がない構造を有している。基板半導体１の裏面
には半導体と同一導電型高濃度層１１が設けら
れ、裏面電極２がオーム接触をして形成されてい
る。 対抗電極５はその直下の基板半導体１に空乏層
６を広げる極性を有してなり、この対抗電極と基
板半導体との関係は以下の如くである。

【表】 第２図は光照射部に反射防止膜としての導電性
または絶縁性膜を形成した変換装置の縦断面図を
示す。 特に反射防止膜として透明導電膜を形成した場
合のＡ―A′断面においてエネルギバンド構成を
第２図Ｂにその番号を対応させて示している。 第２図Ａにおいて、一導電型の半導体１上面に
逆導電型の極薄の厚さの半導体層７、さらにその
上面には絶縁または半絶縁膜３、対抗電極５を電
極部８に、また光照射部に透明導電膜１０よりな
る補助電極を設けている。 第２図Ｂは第２図ＡのＡ―A′に対応したエネ
ルギバンド部であり、光照射面側に３〜4eVのバ
ンド巾を有する透明導電膜例えば酸化インジユー
ム、ITO、酸化スズ、酸化アンチモンを形成して
いる。 第３図は第２図の変形構造を示している図面に
おいて透明導電膜を補助的に電極として用い、加
えて光照射部では反射防止膜として用いている。
このＡにおけるＢ―B′部に対応したエネルギバン
ド構造をＢに示している。このバンド構造はＰ型
またはＰ型の半導体基板１を用いた例であつた。
この半導体と半導体に空乏層を作り得る極性を有
する対抗電極との関係は以下の如くである。

【表】 以上の図面に関する説明より明らかな如く、本
発明は接合面をその界面にまで近づけると同等の
極薄接合としたことによりその光電変換効率は
AM1（100mW／cm²）の条件下にて第１図の構造
にて15％を、また第２図、第３図において18〜17
％を得ることができた。 第４図Ａ，Ｂは本発明をさらに改良したもので
あつて、特に光入射においてＶ型溝を設けこの半
導体表面での反射を防止または減少せしめるとと
もに斜照射により近紫外、近赤外での光感度を向
上せしめたものである。この構造に関する基礎と
して本発明人の出願による特許願55―80697
（S55.6.14出願）「MIS型光電変換装置およびその
作成方法」がある。 かかるＶ型溝を光照射面にのみ設けるととも
に、このＶ型溝下の半導体層により逆転しやすく
するため、この領域即ち半導体１上に逆導電型の
0.5μ以下特に20〜500Åの厚さの層７を設けてい
る。加えてこの上側には絶縁または半絶縁膜３と
対抗電極５を第１図と同様に設けている。 この結果、AM1下での変換効率第１図は15％
であつたのに対し、18％にまで向上できた。加え
て短波長光の代表である蛍光灯（300LX）下での
特性が第１図にて20μＷ／cm²に対し50μＷ／cm²と
飛躍的に向上した。 第４図ＡはＶ型溝の全面にＮ型反転層７を設け
た。しかしその製造工程を考慮するならば、Ｂに
示す如くＶ型溝の上部にのみ逆導電型半導体層７
を設け、かつこの半導体層をその上部で互いに連
続して対抗電極５下にまで延在せしめるパターン
とすることが効果的である。するとＶ型溝で形成
された電荷の一方はこの逆導電層に引き寄せられ
かつ、この上部のフローテイングチヤネルを通つ
て対抗電極下にまでドリフトさせることができ
る。加えてかかる場合光照射がＶ型溝の下部にな
される場合その照射光はすべて逆導電型層による
不純物散乱光の吸収による損失がないことが特徴
である。かかる特徴により、第４図Ｂにおいては
珪素の理論限界とされていた20％を越え20.5％に
までAM1の条件下で光電変換効率を得ることが
できた。図面では反射防止膜としてSiOまたは酸
化タンタルを700〜900Åの厚さに形成させてい
る。加えてかかる構造においては近赤外の波長の
検出も可能となり、950nmの半導体レーザ光をも
実用可能な程度光応答特性を作ることができた。 以下にその実施例を図面をもつて説明する。 実施例 １ 第５図は本発明を実施するための光電変換装置
を作製するための縦断面図を示している。 第５図Ａにおいて半導体基板として１００面ま
たはその近傍の結晶方位１００面に対して±15゜
以内とした）を有するシリコン半導体を用いた。
比抵抗は２〜50ΩcmのＰ型とした。この半導体１
の表面にデイツプ法により酸化珪素をまた裏面に
も同様にボロンガラスを形成し湿酸素中にて1000
〜1200℃の温度にて酸化拡散しP⁺層１１を２〜
５μの深さに裏面に形成し、さらにこの表面の酸
化珪素を化学的に除去しリンガラスまたは砒素ガ
ラスを同様のデイツプ法により形成し700〜1000
℃の温度にて酸化拡散し基板とは逆導電型半導体
層７を0.5μ以下の厚さ例えば20〜500Å特に200
Åの厚さに形成した。裏面のP⁺層１１は基板が
裏面電極と十分オーム接触をする場合は特に作る
必要はない。さらにリンガラスまたは砒素ガラス
被膜を少なくともその上面において選択的に除去
した。図Ａにおいて被膜２１は対抗電極を形成す
る領域であり、被膜２２はＶ型溝または台形を作
るための凸部に対応する領域である。この被膜２
０は被膜２１に連続しており、Ｖ型溝を形成後こ
の凸部が電極下にまで連続するようにした。被膜
２１の巾は10〜20μにて外部引き出し端子用被膜
２３に連なつている。領域１７は２〜10μ□代表
的には５μ□の穴であり、その周辺は網目状に被
膜１２が２〜10μ□代表的には５μ□にてマスク
用被膜１２が形成されている。その２辺は、１１
０に平行とし矩形のＶ型または台形溝が異方性エ
ツチングにて形成されるように合わせ込んだ。 この後この第５図Ａの構造の基板を、WAP
（水８c.c.）―エチレンジアミン（17c.c.）―ピロカ
テコール（３ｇ）の混合液）中に70〜85℃の温度
にて加熱エツチングを行つた。窒素をバブルする
ことにより空気が触れないように行つた。その結
果、（100）面は3300Å／分のエツチ速度を、また
（111）面は200Å／分を得た。酸化珪素は30時間
実施して20Å以下のエツチングでありマスク作用
を有していた。 以上のWAPによるエツチングを５分〜１時間
代表的には10〜30分間行うとＡにおけるパターン
を（11）面に平行にパターニングをすると第５図
Ａにおける領域１７の部分が逆向きのピラミツド
状に正方形にエツチングされた。このエツチング
の時間が５〜10分では逆向きの台形溝が７の部分
に形成され、領域１７と２２との巾を調整するこ
とにより上向き台形または上向きＶ型凸部が領域
１２に対応して形成された。 また、櫛型電源の後に形成される電極部の領域
２１は最初にあつた如き平面２４を有していた。 この後これら半導体基板を弗酸中に浸漬して基
板上の酸化珪素を除去しその後十分清浄して第５
図Ｂを得た。 この後この基板表面に対し窒化珪素膜を５〜50
Å特に10〜30Åの膜厚にプラズマ窒化法により形
成した。即ち0.5〜50MHzの誘導エネルギにより
アンモニアまたは窒素と水素との混合気体をヘリ
ユーム１〜20％に希釈して0.1〜10torrの圧力中
にて窒化をした。窒化温度は150〜700℃特に400
〜680℃にて窒化することにより窒化珪素被膜３
を形成した。プラズマを使わず、アンモニア雰囲
気に基板を挿入し単に熱のみを加えて窒化珪素被
膜を形成してもよい。かくして窒化珪素被膜３が
５〜100Åの厚さ特に15〜25Åの厚さに形成され
た。 裏面電極としてアルミニユームをこの窒化膜を
除去した後真空蒸着法により形成し、半導体基板
とのオーム接触用のシンターを300〜600℃の温度
範囲にて不活性気体中で行つた。 第５図の工程においてこの後この電流を流し得
る厚さの半導体１を炉より取り出し、その表面に
マグネシユーム（Mg）を真空蒸着をした。これ
はMgではなくA1、Be等仕事関数が4.0eV以下の
小さい金属であることが好ましかつた。Mg、Be
においては酸化しやすく生成を150℃、1000時間
の大気中の放置で行われ信頼性が添加してしまう
ためMg，Beまたはそれらと半導体または他の金
属との混合物を50〜5000Å特に500〜2000Åの上
側にアルミニユームを0.5〜３μの厚さに形成
し、さらに半導体用にNi，Cr，Cuを100〜1000Å
の厚さに形成する多重膜にした対抗電極４を形成
した。 基板１がＮ型である場合は半導体層７はＰ型と
なりこの対抗電極はPt，Au，Ni等の高い仕事関
数の材料を用いることを表１に示してある。そし
てこれらの材料を100Å〜１μ形成した。しかし
Au，Pt等においては低価格のため50〜200Åの厚
さに形成し、その上にA1を１〜３μ、Ni，Cuを
0.1〜0.5μ形成した。 電流を流し得る厚さ（５〜100Å特に15〜30Å
の厚さ）の窒化珪素膜（Si₃N₄またはSi₂N_4-xO＜
Ｘ＜４）はプラズマ窒化ではなくグロー放電
CVD法で形成してもよい。その場合は裏面電極
を２枚互いに合わせた。その電極上に膜形成が行
われないようにした。またこの膜を他の還元雰囲
気で形成される被膜例えばSiC_1-x（Ｏ＜Ｘ＜１）
であつてもよい。 かくの如くにして絶縁または半絶縁膜３上に対
抗電極を真空蒸着した被膜をフオトエツチング法
により半導体の表面が平坦面である櫛型電極５お
よび外部引き出し用パツド２１の部分を除き、他
部のＶ型または台形の溝が形成された領域１７に
ある電極用材料を除去して対抗電極を形成した。 第５図Ｄはこの上面に窒化珪素、酸化タンタ
ル、SiO等の反射防止膜２１を600〜900Åの厚さ
に形成し反応で照射光２０の反射率を0.5〜2.0％
にまで下げ、きわめて理想照射にするとともに、
対抗電極等が機械損傷等で断線シヨートがおきな
い保護膜とし、さらには対抗電極５と窒化珪素膜
３との界面に酸素、湿気が混入し腐食等がおきて
信頼性の低下が発生することを防ぐことを目的と
している。このためかかる周辺部１５にも反射防
止膜が完全にコートされるようプラズマCVD法
により形成した。 この実施例においてAM1の条件下にて18.5〜
20.5％の変換効率を得、FFは0.82〜0.90を得るこ
とができた。 光照射１０がＶ溝にて２回照射されるため、反
射防止膜を形成しなくても反射率を12％以下にす
ることができた。 本発明における対抗電極は櫛型としたが、これ
を網目状または魚骨状としてもよく、基本的に溝
を有する光照射面と対抗電極の存在することを選
択的に分離したことを特徴としている。 実施例 ２ この実施例は実施例１におけるプロセスに関し
Ｖ型溝を形成する工程を省略したものである。 その結果、本発明の構造の縦断面図は第１図Ａ
を得た。即ち、ボロンガラス、リンガラスを利用
してＰ型半導体層１１、Ｎ型半導体層７を設け
た。その後これらガラス面を弗酸エツチング法で
除去した後、この半導体表面で絶縁膜例えば窒化
珪素膜を実施例１と同様に形成した。さらに裏面
電極をオーム接触して設けた後、表面の対抗電極
を真空蒸着法を利用して形成したものである。か
くして第５図Ｄの縦断面図におけるＶ型溝がない
構造、即ち第１図Ａの構造を得ることができた。
その他のプロセスはその順序、条件は実施例１と
同様である。開放電圧は0.60〜0.63Vを得、効率
は15％を得た。 実施例 ３ この実施例は実施例２における反射防止膜とし
て表２に従つて酸化インジユームを真空蒸着法に
て形成したものである。この膜が導電性であるた
め、隣合つた対抗電極間隙は実施例２では200μ
〜２mmであつたが、これを0.5〜５cmにまで広げ
ることができた。変換効率としては最高18％を得
ることができる。 実施例 ４ この実施例は実施例３において透明電極を形成
した後対抗電極５を形成したもので、この場合の
特性は透明電極が決定し、対抗電極５は電流を取
り出すための補助電極の意味しかない。さらにこ
の場合絶縁膜３の形成を透明電極を形成した後こ
れら全体を酸素中に400〜700℃に加熱し、その界
面で酸化インジユームと基板酸化による酸化珪素
との金属の混合した半絶縁膜としてもよい。 実施例 ５ この実施例は実施例１の装置において逆導電型
の半導体層１７をＶ型溝１９を形成した後作つた
ものである。 以上の実施例により明らかな如く、本発明の光
電変換装置は、従来のMIS型光電変換装置とは異
なり、絶縁膜下に基板半導体とは逆導電型を有す
る不純物が添加された、半導体層を電気的にフロ
ーテイング状態にて形成せしめたため、発生した
キヤリアがこのフローテイングの半導体層により
発生した、横型電界により横方向へのドリフトが
助長され、半導体内で消滅するキヤリアが減り、
光電変換効率が向上するという効果が得られる。
さらに本発明のフローテイングチヤネル光電変換
装置はその効果の大きさのみならず量産性に優
れ、MIS型において初めて量産歩留まりを90％以
上に高めることができた。また信頼性に関して、
150℃、1000時間放置試験下において特に異常は
認められなかつた。 本発明は珪素の単結晶を基本としたが、多結
晶、セミアモルフアス、アモルフアス構造の半導
体または高速急冷法、テントライト法で作製した
珪素等の半導体であつてもよい。また珪素の外に
ゲルマニユームその他化合物半導体であつてもよ
い。 またＶ型または台形溝の平面のパターンは本実
施例の形（正方形）であるのみならず、長方形ま
たは八角形等であつてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は本発明のMIS型光電
変換装置の縦断面図およびエネルギバンド図を示
す。第４図は他本発明の光電変換装置の縦断面図
を示す。第５図は本発明を製造するための実施例
の縦断面図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一導電型の基板半導体上に不純の添加され
   た、逆導電型を有する半導体層と該半導体層上に
   電流を流し得る厚さの絶縁又は半絶縁膜と該膜上
   に電極を設けた光電変換装置において、前記不純
   物が添加された、逆導電型を有する半導体層は外
   部取出し電極と接しておらず電気的にフローテイ
   ング構造を有することを特徴とする光電変換装
   置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、絶縁又は半
   絶縁膜上に一導電型の基板半導体に空乏層を発生
   させ得る極性を持つ材料を用いて対抗電極を選択
   的に設けることを特徴とする光電変換装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、絶縁又は半
   絶縁膜上に透明の導電膜が設けられたことを特徴
   とする光電変換装置。