JPS63108351A - 半導体素子 - 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） 本発明はアモルファスシリコンゲルマウムカーバイドか
ら成る半導体素子に関し、特に光学バンドギャップの範
囲を広くした半導体素子に関するものである。

近年、半導体のアモルファス化に関する研究が活発に行
われており、例えば、アモルファスシリコンであれば、
耐摩耗性、耐熱性、無公害性、低コスト並びに光感度特
性等に優れているので、現に太陽電池や電子写真感光体
などの光電変換材料として実用化されている。

また、このアモルファスシリコン（以下、ａ−３ｉと略
す）にゲルマニウム（Ｇｅ）やカーボン（Ｃ）をドーピ
ングして受光波長域のコントロールを行うことが提案さ
れている。

Ｇｅをドーピングすると分光感度のピークが長波長側ヘ
シフトすることが知られており、そこで、アモルファス
シリコンゲルマニウム（以下、ａ−ＳｉＧｅと略す）を
電子写真感光体用光導電層に用いて近赤外領域の光感度
を高め、これにより、７８０ｎｍの半導体レーザを搭載
したレーザービームプリンタに適した感光体にすること
や、或いはａ−５ｉＧｅを太陽電池用光電変換材料にし
た場合であれば、タンデム構造にしてエネルギー変換効
率を大きくすることが提案されている。

一方、Ｃをドーピングしたアモルファスシリコンカーバ
イド（以下、ａ−ＳｉＣと略す）にすると短波長領域で
高光感度となり、その限られた受光波層領域によって光
学機器に対する用途を著しく狭くしている。

このような状況の中でアモルファス半導体の用途を広範
にするためには短波長から長波長の全領域に亘って光感
度を高めることが望まれる。たとえば、電子写真感光体
の画像露光用光源として一般的に用いられているハロゲ
ンランプであれば、その波長領域は可視光全般に亘って
おり、感光体の光感度特性を高めるためにはその可視光
全般に対して受光感度に優れていることが望まれる。

（発明の目的） 従って本発明は畝上に鑑みて案出させたものであり、そ
の目的は受光波長領域を広くして受光量を多（すること
ができた高光感度な半導体素子を提供することある。

本発明の他の目的は電子写真感光体への応用に適した半
導体素子を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、導電性基板の上にアモルファスシリコ
ンゲルマニウムカーバイドから成る光電変換層を形成し
た半導体素子であって、この光電変換層に、光の入射面
から層厚方向に亘ってＣ原子の含有比率が小さくなると
共にＧｅ原子の含有比率が大きくなるような層領域を具
備させたことを特徴とする半導体素子が提供される。

以下、本発明の詳細な説明する。

受光される波長領域は半導体材料の光学的バンドギャッ
プにより決定され、ａ−３ｉであれば約１．８ｅＶであ
り、更にａ−３ｔにＣをドーピングしていくと光学的バ
ンドギャップが大きくなり、ＳｔとＣが１：ｌの原子比
率になったａ−ＳｉＣであれば、約２．８ｅＶとなる。

即ち、Ｃはａ−Ｓｉに対して光学的バンドギャップを大
きくする作用がある。

これに対して、ａ−５ｔにＧｅをドーピングしてい（と
光学的バンドギャップが小さくなり、究極的にＳｉのす
べてをＧｅに置換したアモルファスゲルマニウムであれ
ば、約１．１ｅＶの光学的バンドギャップにまで小さく
なる。

このようにＧｏとＣはａ−３ｔに対してそれぞれ相い反
するように光学的バンドギャップに作用する。

本発明の半導体素子は、上述したａ−ＳｉＧｅとａ−３
ｉＣを組み合わせてアモルファスシリコンゲルマニウム
カーバイド（以下、ａ−ＳｉＧｅＣと略す）を光電変換
部材とし、このａ−５ｉＧｅＣ層を薄膜生成手段によっ
て成膜するに当たり、成膜に伴って層厚方向に亘りＣ原
子の含有比率とＧｅ原子の含有比率をそれぞれ変化させ
、これにより、光学的バンドギャップの範囲を広くし、
その結果、キャリア発生効率を大きくして光導電性やエ
ネルギー変換効率を高めたことが特徴である。

このような半導体素子を電子写真感光体を例にとって説
明する。

第１図はアルミニウムなどの導電性基板（１）の上にグ
ロー放電分解法などの薄膜形成手段によってａ−ＳｉＧ
ｅＣ層（２）を形成した感光体であって、（３）は光の
入射面である。

第２図はａ−３ｉＧｅＣ層（２）の層厚方向に亘るＣの
原子比率及びＧｅの原子比率の変化を表しており、横軸
は基板表面からａ−３ｉＧｅＣ［（２）の光の入射面に
至る層厚を示し、縦軸はＣ原子又はＧｅ原子の含を比率
を示しており、そして、図中の実線Ｇｅおよび破線Ｃは
それぞれＧｅ原子又はＣ原子に対応した特性曲線である
。

第２図によれば、光の入射面から基板へ向けてＣ含有量
が漸次減少して基板面で零になり、一方、Ｇｅ含有量は
光の入射面より漸次増加して基板面で最大となる。

このような半導体素子によれば、光の入射面でａ−５ｉ
Ｃのような大きなバンドギャップとなり、この面より基
板へ漸次Ｃ含有量が減少すると共にＧｅ含有量が増加゛
すると基板へ向けて漸次バンドギャップが小さくなり、
これにより、光の入射面から基板表面に亘って、大きな
バンドギャップの領域から小さなバンドギャップの領域
まで連続的に形成され、そのために短波長から長波長に
亘ってその間のすべての波長の光エネルギーを光電変換
することができ、その結果、ハロゲンランプなどの広域
波長をもつ光源に対して光感度を著しく高めることがで
きる。

本発明に係る感光体によれば、他のドーピング状態の構
成例があり、これを第３図乃至第７図に示す、尚、これ
らの図の横軸及び縦軸並びに符号はそれぞれ第２図のも
のを準用する。

第３図はＣ原子及びＧｅ原子のそれぞれの含有比・率が
直線的に変化していく場合を示し、これに対して、第４
図乃至第７図はａ−５ｉＧｅＣ層の層厚方向に亘ってＣ
及びＧｅのそれぞれの含有比率を一定にした領域を生成
し、この領域の原子組成に対応した波長域の光に対して
最も有利に光感度を高めることができる。

また、本発明の半導体素子を感光体により説明したが、
光センサや太陽電池に対しても適用することができる。

太陽電池であれば、タンデム構造のなかの一つの光電変
換部材として使用し、これによって受光波長域が著しく
広くなり、エネルギー変換効率を高めることができる」 また、光センサであれば、ａ−５ｉＧｅＣ層を２個の電
極層の間に介在させ、一方の電極層をＩＴＯなどの透光
性材料により形成すれば、その電極層が受光面となる。

そして、この受光面に照射された光は高怒度に且つ確実
に検出され、特に微弱な光に対してはその検出能が顕著
となる。

本発明の半導体素子を製作するには周知の薄膜形成手段
を用いればよく、例えば、グロー放電分解法、イオンブ
レーティング法、反応性スパッタリング法、真空蒸着法
、ＣＶＤ法などがあり、これらの薄膜形成手段のなかで
成膜中にＣ原子供給ガス及びＧｅ原子供給ガスの放出量
を連続的に変化することによって得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を感光体より説明する。

（成膜装置） 第８図は本実施例に用いられる容量結合型グロー放電分
解装置である。

図中、第１、第２、第３、第４タンク（４）　（５）　
（６）（７）には、それぞれ５ＩＨｚ＋ＣｔＨｔ＋Ｇｅ
Ｎ＋＋Ｈｚが密封されており、Ｈ２はキャリアガスとし
ても用いられる。

これらのガスは対応する第１．第２．第３．第４調整弁
（８）　（９）　（１０）　（１１）を開放することに
より放出され、その流量がマスフローコントロラ（１２
）　（１３）　（１４）　（１５）により制御され、第
１．第２．第３．第４タンク（４）　（５）　（６）　
（７）からのガスは主管（１６）へ送られる。尚、（１
７）は止め弁である。主管（１６）を通じて流れるガス
は反応管（１８）へと送りこまれるが、この反応管（１
８）の内部には容量結合型放電用電極（１９）が設置さ
れており、それに印加される高周波電力は５〇−乃至３
ＫＷが、また周波数はＩＭＨｚ乃至５０ＭＨｚが適当で
ある０反応管（１８）の内部には、アルミニウムからな
る筒状の成膜基板（２０）が試料保持台（１７）の上に
載置されており、この保持台（２１）はモータ（２２）
により回転駆動されるようになっており、そして、基板
（２０）は適当な加熱手段により、約２００乃至４００
℃好ましくは約２００乃至３５０℃の温度に均一に加熱
される。更に、反応管（１８）の内部にはａ−３ｉＧｅ
Ｃ層形成時に高度の真空状態（放電圧０．１乃至２．０
Ｔｏｒｒ）を必要とすることにより回転ポンプ（２３）
と拡散ポンプ（２４）に連結されている。

（成膜条件） 上記の成膜装置を用いて、第１表に示す成膜条件によっ
て第２図に示すような３−５ｉＧｅＣ層を基板上に形成
した。

即ち、第１、第２、第３、第４調整弁（８）　（９）　
（１０）　（１１）を開いて、それぞれより５ｉＨａ＋
ＣＪｚ、　Ｇｅ１４、Ｈ８ガスを放出し、その放出量は
マスフローコントローラ（１２）　（１３）　（１４）
　（１５）により制御される。また、この放出量を成膜
開始時より成膜終了直前に至まで第１表に示すように連
続的に変化させ、これらの混合ガスは主管（１６）へと
流し込まれる。そして、第１表に示した通りにガス圧、
ＲＦ電力及び基板温度を設定して膜厚３２μｍのａ−３
ｉＧｅＣＮを形成した。

（以下余白） （分光感度の測定） このようにして得られたａ−３ｉＧｅＣの分光感度を測
定したところ、第９図に示す通りとなった。尚、この図
は各波長において等エネルギー光を照射した時の光導電
率を示す。

図中、ａは本例の分光感度曲線であり、ｂは比較例であ
る。この比較例は第３！Ｉ整弁（１０）を閉じて、更に
５ｉｆｔガス及びＣ１！ガスの流量をそれぞれ１５０ｓ
ｃｃ−及び１０ｓｃｃ讃に設定し、他の成膜条件を同じ
にし、これによってａ−３ｉＣ層から成る感光体とした
。

この結果より明らかなとおり、短波長から長波長に至っ
て光感度を高めることができた。

（発明の効果） 以上の通り、本発明の半導体素子によれば、受光波長Ｍ
ｊｇを広くして受光量を多くすることができ、これによ
り、光導電性又は光起電力性を高めることができて広範
囲な用途で適用し得る半導体素子が提供される。

また本発明の半導体素子よれば、可視光の全域に亘って
光感度特性を高めることができ、これによってハロゲン
ランプ等が搭載された電子写真感光体に好適となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体素子を電子写真感光体に適用し
た場合の層構成を示す説明図、第２図は本発明の半導体
素子のゲルマニウム原子及びカーボン原子の含有比率を
表す線図、第３図、第４図、第５図、第６図及び第７図
は本発明の半導体素子のゲルマニウム原子及びカーボン
原子のそれぞれの含有比率を表す他の例を示す線図、第
８図は本発明の実施例に用いられるグロー放電分解装置
の説明図、第９図は本発明の半導体素子の分光感度曲線
を表す線図である。 １・・・・基板 ２・・・・アモルファスシリコンゲルマニウムカーバイ
ド層 ３・・・・光の入射面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 導電性基板の上にアモルファスシリコンゲルマニウムカ
   ーバイドから成る光電変換層を形成した半導体素子であ
   って、前記光電変換層に、光の入射面から層厚方向に亘
   ってカーボン原子の含有比率が小さくなると共にゲルマ
   ニウム原子の含有比率が大きくなるような層領域を具備
   させたことを特徴とする半導体素子。