JPS63129676A - 光電素子 - 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、光電素子に関する。さらに詳しくは分光感度
特性が改良され、かつ非晶質半導体素子特冑の光劣化特
性が改良された光電素子に関する。

［従来の技術］ 従来より、非晶質半導体を含む太陽電池または光センサ
ーなどの光電素子の半導体層の材料としては、Ｓ　ｉ　
：　ＩＩ、ＳＩＣ：Ｈ５Ｓｌ（ｉｅ：ＨＳＳｌ：Ｆ：Ｈ
もしくはＧｅ：Ｈなどの非晶質または微結晶などが用い
られている。そしてこれらの材料による半導体層の形成
は通常ＲＦまたはＤＣによるプラズマＣＶＤ法または光
ＣＶＤ法などによって行なわれる。またこれらの半導体
層は、ｐ型の場合にはＢ、Ｍ。

ＧａまたはＩｎなどの周期律表ｍｂ属の元素がこれらの
化合物または単体を用いてドープされてお□　リ、また
ｎ型の場合にはＮ、　Ｐ、　Ａｓｓ　ＳｂまたはＢｉな
どの周期率表Ｖ、属の元素がこれらの化合物または単体
を用いてドープされている。

従来、これらのｐ型またはｎ型の半導体層とドープして
いない真性半導体層とを、ガラス板上に形成した透明電
極層の上にｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導
体層の順あるいはｎ型半導体層、真性半導体層およびｐ
型半導体層の順に積層し、さらにこの上に金属などの電
極を真空蒸着法などにより積層して光電素子が作製され
る。

また、これとは逆に金属板上や絶縁体板上に金属層を形
成したものを基板とし、この金属層上にｐ型半導体層、
ｎ型半導体層および真性半導体層を前記の順に積層し、
さらにこの上に透明電極層を積層した構成からなる光電
素子も知られている。

従来のこのような光電素子としては第６図に示すような
ものがある。第６図において１は透明な基板であり、こ
れの材料としては、通常ガラスや耐熱性の合成樹脂など
が用いられる。また該基板１上にはスパッタ法、熱ＣＶ
Ｄ法および蒸着法などによって５ｎ０２、Ｉｎ２Ｏ３、
ＩＴＯ／ＳｎＯ２、Ｃｄ）（５ｎＯｙ　　　（Ｘ−０，
５〜　２、　Ｙ−２〜　４）　　、ｌｒｚ　Ｏ＋−ｚ　
（Ｚ−０，３３〜０．５）またはＣｄＯなどの透明電極
からなる第１の電極層２が積層されている。また第１の
電極層２の上にはプラズマＣＶＤ法および光ＣＶＤ法な
どを用いて、Ｓｉ：Ｈ。

ＳｉＣ：Ｈ，５ＩＧｅ：Ｈ，Ｓｌ：Ｆ：ＩｆもしくはＧ
ｅ：Ｈなどの非晶質半導体またはこれらの微結晶半導体
からなる第１の半導体層３、真性半導体層（非ドープ層
）４および第２の半導体層６をこの順に形成している。

そしてこれらの半導体層は、プラズマＣＶＤ法を用いる
ばあいには９１Ｈ４、ＣＨａおよびＧｅＨａなどの水素
化ガスをグロー放電分解することによってえられる。ま
たプラズマＣＶＤ法によるばあいにはｐ型（ｎ型）の第
１の半導体層３またはｎ型（ｐ型）の第２の半導体層５
は、通常それぞれＢｓＨｓ　　（ＰＨ３）ガスまたはＰ
Ｈ３（８２Ｈ８）ガスを前記水素化ガスにこれに対して
０，０１〜１０ｖｏ１％混合した原料ガスを用いてえら
れる。

前記ｐ型の半導体層は、ａ−９Ｉ　：　Ｈを用いるばあ
いにはその電気伝導率の活性化エネルギー（以下ΔＥと
記す）は０．３ｅＶ以下であり、暗電気伝導度（以下σ
　と記す）は１０−’Ｓ／Ｃｍ以上であり、光学的禁止
帯幅（以下、Ｅｇ・ｏｐｔと記す）は１．７５ｅＶ程度
であることが好ましく、またａ−９ＩＣ：Ｈを用いるば
あいにはΔＥは０．５５　ｅＶ以下であり、Ｃｄはｔ　
ｏ　−７Ｓ　／　ｃ　ｍ以上であり、Ｅｇ−ｏｐｔは２
．ＯｅＶ以上であることが好ましく、通常はこのような
ものが用いられている。

また前記ｎ型の半導体層は、ａ−８ｉ：ＩＩを用いるば
あいにはΔＥが０．２ｅＶ以下であり、Ｃｄは１０−”
３７ｃｍ以上であり、Ｅｇ−ｏｐｔは１．７５　ｅＶ程
度であることが好ましく、またμｅ−８ｉ　：　Ｈを用
いるばあいにはΔＥは１００ｍｅＶ以下であり、Ｃｄは
１８７０１１１以上であり、Ｅｇ−ｏｐｔは　１．７５
ｅＶ程度であることが好ましく、通常はこのようなもの
が用いられている。

さらに前記真性半導体層は、ａ−８１：Ｆ：Ｈまたはａ
−８１：Ｈを用いるばあいにはΔＥは０．７〜０．９ｅ
Ｖであり、σ　は通常１０−８〜１Ｏ−１１ｓ／ｃ−あ
り、Ｅｇ−ｏｐｔは１．７５ｅＶ程度であることが好ま
しく、またａ−８ＩＧｅ：１１を用いるばあいにはＥｇ
−ｏｐｔは１．８ｅＶ以下であり、ΔＥはＥｇ　争ｏｐ
ｔの１／２程度であることが好ましく、通常このような
ものが用いられている。

そして以上のようにしてえられる半導体装置厚さは、通
常節１の半導体層３については５０〜３００人であり、
真性層半導体層４については８００〜１００００人であ
り、第２の半導体層５については　１００〜４００人で
ある。そしてさらに第２の半導体層５上には第２の電極
層６が形成されており、該電極層６の材料は用途に応じ
て透明電極、金属またはこれらの複合材料が用いられる
。該金属としてはＭ１Ａｇ％Ｃｒｓ　Ｔ　Ｌ　ｓ　Ｎｉ
ｓ　Ｃｕ。

Ｗ、Ｐｄもしくは２「など、またはこれらを複合した金
属が用いられる。そして第２の電極層６はスパッタ法お
よびＣＶＤ法などによって形成される。

［発明が解決しようとする問題点３ 以上のような従来の光電素子については光電変換感度が
最大となる波長は、５５０ｎａ＋程度であり、これより
短波長側および長波長側における光電変換感度が充分で
ないという間届かあり、また光電素子中に用いられてい
る非晶質半導体特有の問題として、光電素子への光照射
が長時間となるばあいには素子の特性が劣化するステニ
ーブラー−ロンスキ−（Ｓｔａｅｂｌｅｒ−Ｗｒｏｎｓ
ｋｙ）効果が生じ、これが、光電素子の長期信頼性を下
げる要因となるという問題がある。

本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされた
もので、光電変換感度における短波長側での感度を増大
させるとともに長期信頼性を向上させた光電索子を提供
することを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の光電素子は光が入射する側から、透明電極から
なる第１の電極層、非晶質を含みかつドーピングされた
第１の半導体層、該第１の半導体層と反対の導電型であ
って第１の半導体層の不純物濃度より小さい不純物濃度
の微量不純物半導体層、真性半導体層、前記第１の半導
体層と反対の導電型にドーピングされた第２の半導体層
および第２の電極層とをこれらの前記記載の順に積層し
てなるものである。

［実施例］ 以下、本発明をその実施例を示す第１〜５図によって説
明する。

第１図は本発明による光電素子の一実施例の構造を示す
。第１図において第６図の符号と同一の符号は同一のも
のを示す。第１の半導体層３と真性半導体層４の間には
第１の半導体層３で用いるドーパントと反対の導電型の
ドーパントを母体となる真性半導体に対してｐｐｍオー
ダーでドープした微量不純物半導体層７が形成されてい
る。

微量不純物半導体層７は第１の半導体層３がＳｌ　：Ｈ
のＰ型半導体層であるばあいには、５ＩＨ４ガスに、こ
れに対して流量比で０．１〜１１００１）ｐ、好ましく
はｏ、ｉ〜１ｏｐｐａ＋のＰ）＋３ガスを混入して前記
真性半導体層４を形成するばあいと同じ条件で形成され
、一方、第１の半導体層３がＳ　ｌ　：　Ｈのｎ型半導
体であるばあいには、８２　Ｈ８ガスを前記ＰＨ３ガス
ばあいと同様の方法でドープして形成される。

前記微量不純物半導体層７の厚さは好ましくは真性半導
体層４と微量不純物半導体層７とを合せたものの厚さの
１１５０〜１倍未満であり、さらに好ましくはｌ／２０
〜ｌ／２倍が好ましい。なお本発明の構成は以上のよう
なものに限定されるものではなく、ようするに光入射側
において、ｐ！４２の第１の半導体層３と真性半導体層
４またはｎ型の第１の半導体層３と真性半導体層４の間
にｎｆｉまたはｐ型の微量のドーパントを含有した層が
存在すればよい。またばあいにより真性半導体層４がま
ったく形成されないようにしてもよい。さらにまた真性
半導体層４が複数の種類の材料であって各材料の層を積
層してなるものであってもよい。

このようにしてえられる光電素子の特性について従来の
光電素子の特性との差異を第２〜５図により説明する。

第２図は従来の光電素子のエネルギーバンド図であり、
第３図は本発明による第１図に示す光電素子のエネルギ
ーバンド図であり、第４図はａ−８１を用いたばあいの
ｐ型（Ｂ２　Ｈｓガス使用）またはｎ型ＣＰ１１３ガス
使用）の微量不純物半導体層７のドーピング特性の−例
を示す図である。

非晶質半導体からなる微量不純物半導体層７はその不純
物濃度が通常のｐ型またはｎ型の半導体層の不純物濃度
より３〜４桁のオーダーですくないにもかかわらず、第
５図かられかるようにΔＥすなわちフェルミ準位ＥＦが
真性半導体のΔＥ　（第５図中央）に対して０．１〜０
．２５ｅＶだけ変化することが発明者らの実験により判
明した。そしてこのようなＥＦの変化によって、第２図
および第３図に示すように本発明における微量不純物半
導体層７および真性半導体層４の内部ポテンシャル（第
３図で示す曲線Ａ）は、従来の光電素子の真性半導体層
４のポテンシャル（第２図で示す曲線Ｂ）と比較して光
の入射側の部分で急峻な変化を示すようになる。

その結果、本発明の光電素子においては微量不純物半導
体層７中の光入射側の部分における内部電界の強さが大
きくなって、この部分で発生したキャリアの収集効率が
大きくなり、従って半導体による吸収係数が大きい短波
長の光に対するキャリアの収集効率が大きくなって、短
波長の光電変換感度が増大する。

またステニーブラー・ロンスキ−効果による非晶質半導
体の光照射劣化は、光の入射側の非晶質半導体部分での
欠陥発生による再結合中心やトラップの増加が主な要因
であり、したがってこの部分での電界の強さを大きくす
ることがこの劣化を解決する一つの方法として知られて
いる。したがって本発明においては、前記微量不純物半
導体層７における光入射側の部分における内部電界の増
大により前記光照射劣化が改善される。

また前記微量不純物層７の厚さは、真性半導体層４と微
量不純物半導体層７とを合せたものの厚さの１７１０倍
から１倍未満の範囲内で微量不純物半導体層７の内部電
界の変化のバランスを考慮して決定できることが判明し
た。

（実施例１および比較例１） 青板ガラスからなる厚さが約０．８ｍｍの基板１上に弗
素をドープした５ｎ０２からなる厚さが約４５００人の
第１の電極層２を熱ＣＶＤ法によって形成した。つぎに
この第１の電極層２上に３室分離形成方式によるプラズ
マＣＶＤ法を用いて、まず５ｉＨａガス、ＣＨａガスお
よびＢ２）１６ガスをそれぞれ１：２：０．０１の流量
比で混合したガスをグロー放電分解することによりａ−
８ＩＣ：Ｈのｐ型の第１の半導体層３を１５０人の厚さ
で堆積し、その後５ＩＨｚガスに流量比で１　ｐｐｍの
ＰＨｓガスを混合してグロー放電分解することにより厚
さが２０００人のｎ型の微量不純物半導体層７を堆積し
、さらに５ＩＨ４ガスのみを流してグロー放電分解する
ことにより厚さが３５００人の真性半導体層４を堆積し
、さらにその後ＳｉＨ４ガスおよびＰＨ，ガスをそれぞ
れ１　：　　ｏ、ｏｔの流量比で混合した混合ガスをグ
ロー放電分解することにより厚さが３００人のｎ型の第
２の半導体層５を堆積した。

そして最後に、真空蒸着法によって、Ｎからなる厚さが
２０００人の第２の電極層６を形成して実施例１の光電
索子をえた。

一方比較例１の光電素子を、厚さが５５００人の真性半
導体層４を形成し微量不純物半導体ｒｆＩ７を形成しな
い以外は実施例１と同様にして作製した。

このようにして作製された実施例１および比較例１の光
電素子の分光感度を調べた結果を第５図に示している。

第５図において曲線Ｃが実施例１の光電素子の分光感度
特性曲線であり、曲線りが比較例１の光電素子の分光感
度特性曲線である。第５図から明らかなように本発明に
係る実施例１の光電索子の短波長感度が比較例１の光電
素子のそれより増大していることがわかる。

［発明の効果］ 以上のように本発明にかかわる光電素子は光の入射側に
おけるｐ型またはｎ型の第１の半導体層と真性半導体層
の間に前記第１の半導体層と反対の導電型であって第１
の半導体層の不純物濃度より小さい不純物濃度の微量不
純物半導体層を設けたので、光電素子の光電変換感度に
おける短波長側での感度を増大できるとともに光電素子
の光劣化を抑制して光電素子の長期信頼性を向上できる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光電素子の一実施例の構造を示す
横断面図、第２図は従来の光電素子のエネルギーバンド
図、第３図は本発明に係る第１図で示す光電素子のエネ
ルギーバンド図、第４図はａ−ｓ　ｉを用いたばあいの
ｐ型またはｎ型の微量不純物半導体層のドーピング特性
の一例を示す図、第５図は実施例１および比較例１の光
電素子の分光感度を調べた結果を示す図、第６図は従来
の光電素子の構造を示す横断面図である。 光 才２図　　　　　　才３図 才４　図 ＡＥ：電’ｘＣ伝導率の１１丁旧：化エネルギーσｄ：
暗電導亀 σρｈ：光電導度 Ｅｇ−ｏρｔ：光狛鈎襲１）：’ｊｌ胸、１″；Ｐ５図 才６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　光が入射する側から、透明電極からなる第１の電極
   層、非晶質を含みかつドーピングされた第１の半導体層
   、該第１の半導体層と反対の導電型であって第１の半導
   体層の不純物濃度より小さい不純物濃度の微量不純物半
   導体層、真性半導体層、前記第１の半導体層と反対の導
   電型にドーピングされた第２の半導体層および第２の電
   極層とをこれらの前記記載の順に積層してなる光電素子
   。 ２　前記微量不純物半導体層の母体となる半導体と前記
   真性半導体層の半導体とが同一種類の材料からなる特許
   請求の範囲第１項記載の光電素子。 ３　前記微量不純物半導体層の不純物濃度が母体となる
   真性半導体に対して、０．１〜１００原子ｐｐｍである
   特許請求の範囲第１項記載の光電素子。 ４　前記微量不純物半導体層の厚さが、前記真性半導体
   層と前記微量不純物半導体層とを合せたものの厚さの１
   ／５０倍から１倍未満の範囲内である特許請求の範囲第
   １項記載の光電素子。 ５　前記微量不純物半導体層の不純物の濃度が前記第１
   の半導体層側から前記第２の半導体層側に向って漸増、
   漸減または均一である特許請求の範囲第１項、第２項ま
   たは第３項記載の光電素子。