JPS6281778A - 非晶質シリコン薄膜デバイス - 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】 産業上の利用分野 本発明は非晶質シリコン薄膜デバイスに関し、更に詳し
くは機能膜として木皮化非晶質シリコン薄膜を用いた薄
膜デバイスの耐璋境！ｌ’！ｊ匹の改善に関するもので
ある。

従来の技術 光起電力効果を用いた電子デバイスとしては太陽電池、
光センサなどを代表的なものとして挙げることができる
。これら素子は、光が照射された際に電子および正孔の
数に変化を生じ、この変化を外部から電圧または電流と
して取出し、利用するか、あるいはその強度を観測する
ものである。

ところで、最近薄膜化・大面積化が可能であり、また組
成の大きな自由度を有し、電気的並びに光学的特性を広
範囲に制御できるなどの興味ある各種利点を有すること
から、非晶質シリコン（以下ａ−３ｉと記す）が上記光
起電力素子用の機能膜材料として注目され、これをａ　
−３ｉ太陽電池あるいはａ−３ｉ光センザなどに応用す
べく積極的な開発が行われている。

例えば、光センサについてみると、添付第４図（ａ）（
プレーナ型）　、（ｂ）　（サンドイッチ型）に示した
ように、従来のものはプレーナ型では基板１０（例えば
セラミック）上に形成されたａ　−３ｉ膜１１と、該ン
リコン膜１１上に八１などの電極１２を設けた構成とな
っており、一方サンドイッチ型では同様な基板１０上に
まず下側電極１３を設け、その上に光導電層、即ち水素
化非晶質シリコン（以下ａ　−３ｉ：Ｈと略記する）薄
膜層１４を形成し、更に透明電極１５を形成して、電極
１３と１５とでａ　−３ｉ　：　８層１４をサンドイッ
チ状に挟んだ構成となっている。

しかしながら、従来のａ−３ｉ薄膜デバイスは、その実
用時において電気的特性が経時劣化を示すことが知られ
ている。その殆どはａ　−３ｉ薄膜デバイスの機能膜と
して用いられているａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の機能領域
が、第４図（ａ）、（ｂ）に示したように、表面に露出
している構成となっているため、外部雲囲気、ことに温
度、大気中の酸素分子あるいは水分子などの影響を受け
、その表面状態が変化することに起因するものであった
。

通常ａ−３ｉ薄膜は水素化されてａ　−３ｉ　：　Ｈの
状態で用いられており、膜中のシリコン−水素（Ｓｉ：
Ｈ）結合密度が高いもの程良好な電気的特性を有してい
ることがわかっている。しかしながら、このａ　−３ｉ
　：　Ｈ薄膜においても改善すべき問題点が残されてお
り、特に電気的特性が使用環境により大きく左右される
など、いわゆる耐環境特性に問題があるという弱点を用
していた。

そこで、このような理由からａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜デ
バイスの電気的特性の経時劣化を防止するために、上記
露出した機能領域を被覆することが有利であると考えら
れ、各種の表面保護膜が提案されてきた。その１つとし
て、例えば半導体集積回路などの製造工程において使用
実績が豊富な有機物質または無機物質を、表面保護膜と
してａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜表面に被着・形成する方法
が提案されている。

しかしながら、この種の表面保護膜の形成温度は、いず
れの場合においても、ａ　−５ｉ　：　Ｈ薄膜を堆積・
形成する際の温度よりもはるかに高いために、保護膜形
成時にａ　−５ｉ　：　Ｈ薄膜中から５ｉ−Ｈ結合の水
紫が脱離し、そのため良好な初期特性を有する薄膜デバ
イスが得られないという欠点があった。

一方、ａ−３ｉ薄膜デバイスに良好な電気的特性の初期
値を与え、かつその経時劣化を防止するための保護膜と
して、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜堆積時の温度よりも低温
で被着できるポリアミド系などの有機物質の使用も提案
されていた。しかしながら、このような有機物質の表面
保護膜を用いたａ　−３ｉ薄膜デバイスでは、長期間の
使用に対して、使用環境中の酸素分子や水分子などによ
る影響を防止することは困難であり、従って電気的特性
の経時安定性に関してはいまだ十分な効果を達成するま
でには至っていない。

発明が解決しようとする問題点 上記のように、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜が太陽電池、光
センサなどの各種の薄膜デバイス用材料として注目され
、多くの研究がなされているが、該ａ−３ｉ：Ｈ薄膜に
おいては、使用環境条件、例えば温度、大気中の酸素分
子、水分子などの影響を受けて薄膜の表面状態が変化し
、その結果電気的特性の経時劣化を生ずるという大きな
問題が内包されている。この問題は、この種のデバイス
の多くが機能膜としてのａ　−３！　：　薄膜を表面に
露出した構成にあることから、非常に重要である。

従来、この問題を解決する目的で、ａ　−３ｉ　：　Ｈ
薄膜表面に有機物質、無機物質あるいはポリアミド系の
樹脂膜を保護膜として適用する試みがなされたが、成膜
温度が高すぎて、逆にａ　−３ｉ　：　薄膜に損傷を与
え、その初期特性を害したり、あるいは成膜温度が低い
ものでも長期の使用に対しては依然として耐環境性に劣
り、十分な電気的特性の経時安定性を保証することは困
難であった。

そこで、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を利用した各種薄膜デ
バイスの電気的特性の経時安定性を保証し得、しかも初
期特性を害する恐れのない、耐環境特性の改善法を開発
することが切に望まれており、また上記デバイスの実用
化を促進する上で極めて大きな意義をもつ。

本発明の目的は、良好な電気的初期特性を有し、かつ長
期間使用した場合にも経時的劣化を示すことのない新し
い構成のａ−３ｉ薄膜デバイスを提供することにある。

また、その製造方法を提供することも本発明の目的の１
つを構成する。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、ａ　−３＋　：　Ｈ薄膜を用いた従来の
薄膜デバイスの有する上記のような欠点、特に耐環境性
の問題を解決すべく種々検討・研究した結果、この問題
がａ−３ｉ薄膜デバイスにおける機能領域を基板との界
面に配置して、使用環境条件における劣化因子に影響さ
れない構成とすることによって有利に解決し得ることを
見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明のａ−８Ｉ薄膜デバイスは、基板と、該基
板上に対向して配置された２つの電極と、該電極を介し
て」−記基板上に堆積され、機能膜かつ表面保護膜とし
て機能するａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜とで構成されること
を特徴とするものである。

本発明のこのような構成は、機能部が表面に近い構造の
もの、表面電流を利用するものなどにおいて有用であり
、一般的には、プレーナ型の各種薄膜デバイスに有利に
適用できる。ここで有用な基板材料および電極材料とし
ては、特別なものである必要はなく、従来この種の材料
として一般に使用されている公知のすべてのものが使用
でき、典型的な例としては、前者ではく石英）ガラス、
セラミックス等が、また後者としては八１、金などの各
種導電性良好な金属あるいは合金が挙げられる。

本発明のａ−３ｉ薄膜デハ′イスは好ましい一態様によ
ればプレーナ形構苗のａ−３ｉ光サンセであり得、その
構成は例えば添付第１図（ａ）、（ｂ）に示すようなも
のである。即ち、基板１と、その上に形成された例えば
櫛形の対向電極２ａおよび２ｂと、ａ　−３ｉ　：　Ｈ
の光導電膜兼表面保護膜３とで構成される。ここで、光
導電領域は第１図（ｂ）の斜線部４で示しである。

このようなａ−３ｉ光センザは、一般的な方法で作製す
ることができる。即ち、まず、基板１の表面」−に２つ
の電極を形成する。この電極の形成は各種公知方法に従
って実施することができ、例えば電極材料を蒸着法、ス
パッタ法、イオンブレーティング法、ＣＶＤ法等により
基板上に堆積し、次いでフォトエツチング技術、例えば
選択的にレジストマスクを被覆してリン酸、硝酸、酢酸
等の化学葵品により溶かし去るウェットエツチング法、
ガスプラズマエッチンク、スパックエツチング、イオン
ビームエツチング等のドライエツチング法によって所定
のパターンの電極を得ることができる。この他、リフト
オフ法、陽極酸化法なども勿論利用することができる。

同様に、適当なマスク、例えばステンレス・スチール薄
板により所定の電極パターンを形成し、次いで上記のよ
うな例えば蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等により薄膜
電極を形成した後、該マスク材を除去することによって
も、目的とするパターンの電極を形成することが可能で
ある。

次いで、基板上に上記電極層を介してａ−３ｉ：８層を
堆積して、本発明のａ−３ｉ薄膜デバイスを得る。この
ａ　−３ｉ　：　８層の形成は、まず通常広〈実施され
ている、例えばグロー放電分解法、電子サイクロトロン
共鳴−プラズマ−ＣＶＤ法等で、金属薄板の窓形マスク
などを用いて光導電領域４にａ　−３ｉ　：　８層３を
堆積・形成することによって実施することができる。

本発明のａ−３ｉ薄膜デバイスにおいて、ａ−３ｔ：Ｆ
４膜の形成には各種公知の原料ガス、例えばＳｉＨ４、
Ｓ１□Ｈ６，５ＩＦ４等が使用でき、これらはダングリ
ングボンドを補償するためにＨ２などの存在下でグロー
放電分解等に付される。またａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の
伝導型、電気伝導度あるいは吸収波長域を変化させる目
的で使用されている各種公知のドーパント、例えばＢ、
ＰＳＡｓ、Ｇｅ等を適量添加することも勿論可能であり
、これによって目的に応じた特性のものを適宜得ること
ができる。このドーパントの添加法も常法に従って実施
でき、たとえばａ−３ｉ：Ｈ薄膜の形成原料中に水素化
物、アルキル化物等の形で所定量添加することにより成
膜と同時にドーピングすることができる。

更に、上記ａ　−Ｓｉ　：　Ｈ薄膜は少なくとも第１図
（ｂ）に斜線で示した光導電領域を含む基板上の表面に
適用される。

庇月 アモルファス半導体、例えばａ　−Ｓｉなどは薄膜化、
大面積化でき、また組成の自由度が大きく、電気的並び
に光学的特性を広く制御できるなどの有用な特徴を有し
、様々な分野での応用が試みられている。しかしながら
、ａ　−３ｉ薄膜は耐環境特性に問題があり、改善が望
まれていた。そこで、これを実用化する場合には各種表
面保護膜を設けて、耐環境性の改善を図ることが提案さ
れたが、いずれも満足できるものではなかった。

そこで、本発明では、基板上に予め電極薄膜を対向させ
て配設し、その上に機能膜として、かつ表面保護膜とし
て機能するａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を配置する構成とす
ることにより、上記のような従来法にみられた各種難点
を解決することができた。

即ち、従来の第４図に示したような光導電領域が表面に
露出している構成のものとは異り、光導電領域の表面が
基板との界面に設けられていて、外部雰囲気からできる
だけ離れた位置に配置するように工夫されているので、
その影響を殆ど受けることはなく、使用環境条件におけ
る劣化因子、特に水分子や酸素分子の侵入を阻止できる
。従って、環境条件の変化の大きな場所でも十分な耐性
を発揮することが期待できる。

更に、本発明ではａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の形成後に、
該薄膜の５ｉ−Ｈ結合を害する高温の保護膜形成傑作を
含まないため、ａ　−５ｉ　：　ｆ−１薄膜中の５ｉ−
Ｈ結合を切断する恐れが殆どないので、十分に高い５１
−Ｈ結合密度を維持させることができる。従って、従来
の製品にみられたような、初期特性の劣化はない。

更に、本発明におけるａ　−５ｉ　：　Ｈ薄膜は光導電
膜兼表面保護膜として働くため、１回の堆積操作ですみ
、製造工程が簡略化されるばがりでなく、製造工程中に
デバイスが汚染される機会が少ないので、製造歩留りを
大巾に向上させることができ、結果として製造コストの
節減を図ることが可能となる。

かくして、ａ　−Ｓｉ　：　Ｈ薄膜デバイスを上記のよ
うな構成とすることにより、ａ−８ｉ光センサなどに極
めて良好な初期特性を付与することができ、更に実用時
においても光導電膜兼表面保護膜としてのａ　−３ｉ　
：　Ｈ薄膜が使用環境中の水分子や酸素分子などの外部
からの侵入を防止することができるので、電気的特性の
経時劣化、故障等の発生確率を大巾に低減することが可
能となる。

実施例 以下、実施例（作製例）によって本発明のａ−３ｉ薄膜
デバイスを更に具体的に説明する。ただし、本発明の範
囲は以下の例により何等制限されない。

実施例 本例では第１図（ａ）、（ｂ）に示したような構成のプ
レーナ形ａ−３ｉ薄膜光センサを作製した。

まず、石英ガラス基板の表面上にｔｉｉｉ形のアルミニ
ウム対向電極を真空蒸着法により、予め同形の金属薄膜
マスクを用いて形成した。次いで、グロー放電分解法に
よって石英ガラス基板上に０．５μｍ厚のａ　−３ｉ　
：　Ｈ薄膜を形成した。ここで、基板温度は２５０℃と
し、原料ガスとしてはＳｉＨ，（１０％）とＨ２との混
合ガスを用いた。ａ　−３ｉ　：　）（膜の成膜後、大
気中で熱処理した。

また、比較のために従来の第４図（３月ご示しだプレー
ナ形の光センサに低温形成のポリアミド系表面保護膜（
厚さ５μｍ）を形成して得た同様な光センサ（ａ）並び
に参考例として特に表面保護膜を設けていない同様な光
センサら）をも作製した（いずれも′！５４図（ａ）に
対応する構成を有する）。

以上のようにして作製した３種のａ　−３ｉ薄膜光セン
サにつき、８５℃、８５％ＲＨの高温・高温条件下に１
０００時間保持した後、印加直流電圧１００■、照度８
０旧×、ピーク波長５５５ｎｍにおける光電流の経時安
定性を、室温度下の窒素気流中で調べた。

結果を第２図に示した。

また、本発明に従って作製したａ　−３ｉ薄膜光センザ
およびこれと同一堆積ロットのａ　−３ｉ　：　）ｌ薄
膜を用いて作製し、表面保護膜を設けてない従来の構成
のａ−３ｉ薄膜光センサを、上記と同一条件の高温・高
湿保存試験にかけ、１０００時間経過した時点において
、外部雰囲気の作用に敏感な暗電流について調べた。こ
れは直流電圧１００■を印加した状態で露出雰囲気によ
る影響を調べたものであり、結果を第３図に示した。

以上の第２図および第３図の結果から明らかなｋ［１＜
、本発明によるａ−３ｉ光センサは、従来法によるもの
よりも高温・高湿条件下での保存の際の光電流の維持安
定性並びに高温・高湿保存後の暗電流の露出雰囲気によ
る安定性が、いずれも極めて良好であり、著しく優れて
いることがわかる。

尚、この場合におけるａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の膜厚は
いれも約０．５μｍである。

発明の効果 以上詳細に説明したように、本発明によるａ、−８１；
薄膜デバイスの耐理境特性の改善に関する基本的な思想
は、基（反上に電極薄膜を交差指状に対向させて配設し
、その上に機能膜兼表面保護膜としてのａ　−３ｉ　：
　Ｈ薄膜を形成することにより、機能領域表面を基板と
の界面に形成することにあり、そのために外部雰囲気の
影響による電気的特性の経時変化を受は難くなる。

更に、本発明において、機能膜兼表面保護膜としてのａ
　−３ｉ　：　薄膜ではその形成後に、従来法にみられ
たような高温条件下での保護膜形成処理が施されること
はないので、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜中の５ｉ−Ｈ結合
密度が害されることはなく、結果として良好な電気的特
性の初期値が確保され、かつ優れた経時安定性が保証さ
れることになる。かくして、製造歩留りの向上並びに製
造コストの節減も期待することができる。

尚、本発明の技術思想はａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜デバイ
スばかりでなく、同様に機能部が表面近傍にあり、表面
電流を利用する他の各種の薄膜デバイスに対しても適用
でき、上記同様の効果が期待でき、これらデバイスの実
用時の信頼性を向上させる上で極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の好ましい具体例で
あるフツーナ型ａ−３ｉ薄膜光センサの構成を説明する
ための横断面概略図（ａ）および平面概略図（ｂ）を示
すものであり、 第２図は本発明によるプレーナ形構造のａ　−３ｉ薄膜
センサ、従来法によって製造したａ　−３ｉ薄膜光セン
サおよび参考例としての保護膜をもたない従来法による
センサの高温・高湿保存における光電流の経時特性を比
較して示したグラフであり、第３図は本発明によるプレ
ーナ形構造のａ　−３ｉ薄膜光センサと従来法によって
作製したａ　−３ｉ光センサの暗電流の露出雰囲気に対
する安定性を比較して示したグラフであり、 第４図（ａ）および（ｂ）は従来の光センサの構成を説
明するための模式的断面図であり、夫々プレーナ形（ａ
）およびサンドイッチ形ａ−３ｉ光センサら）を示すも
のである。 （主な参照番号） １・・基板、　２ａ、２ｂ・・電極、 ３・・ａ　−３ｉ　：　Ｈ光導電膜兼表面保護膜、４・
・光導電領域、　１０・・基板、 １１・・ａ−８１層、　　１２・・電極、１３・・下側
電極　　　１４・・ａ　−３ｉ　：Ｈ薄膜、１５・・透
明電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、該基板上に対向して形成された２つの電
   極と、該電極を介して上記基板上に堆積された水素化非
   晶質シリコン薄膜層とで構成されることを特徴とする非
   晶質シリコン薄膜デバイス。
2. （２）上記デバイスがプレーナ型の非晶質シリコン薄膜
   デバイスであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の非晶質シリコン薄膜デバイス。
3. （３）上記電極が櫛形の対向電極であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の非晶質シリ
   コン薄膜デバイス。