JPWO2002035613A1 - 発光又は受光用半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

この半導体モジュール（２０）においては、例えば２５個の受光機能のある半導体デバイス（１０）が６本のリードフレーム（２９）からなる導電機構を介して５行５列のマトリックス状に配置され、各列の半導体デバイス（１０）が直列接続され且つ各行の半導体デバイス（１０）が並列接続されている。透明合成樹脂製の光透過部材（３１）内に埋め込まれ、正極端子３３と負極端子３４も設けられている。半導体デバイス（１０）には第１，第２の平坦面が形成され、負電極９ａと正電極９ｂが設けられている。

Description

技術分野
本発明は、複数の粒状の半導体デバイスを組み込んだ発光又は受光用モジュールとその製造方法に関する。この発光又は受光用半導体モジュールは、太陽電池パネル、照明用パネル、ディスプレイ、半導体光触媒など種々の用途に適用可能なものである。
背景技術
従来、ｐ形又はｎ形の半導体からなる小径の球状の半導体素子の表面部に拡散層を介してｐｎ接合を形成し、それら多数の球状の半導体素子を共通の電極に並列接続して、太陽電池や半導体光触媒に活用する技術が研究されている。
米国特許第３，９９８，６５９号公報には、ｎ形の球状半導体の表面にｐ形拡散層を形成し、多数の球状半導体の拡散層を共通の膜状の電極（正極）に接続するとともに多数の球状半導体のｎ形コア部を共通の膜状の電極（負極）に接続して太陽電池を構成する例が開示されている。
米国特許第４，０２１，３２３号公報には、ｐ形の球状半導体素子やｎ形の球状半導体素子をマトリックス状に配置して、それら半導体を共通の膜状の電極に接続するとともに、それら半導体素子の拡散層を共通の電解液に接触させて、太陽光を照射して電解液の電気分解を起こさせる太陽エネルギーコンバータ（半導体モジュール）が開示されている。また、米国特許第４，１００，０５１号公報や第４，１３６，４３６号公報にも、前記とほぼ同様の太陽エネルギーコンバータが開示されている。
この種の従来の半導体モジュールでは、半導体素子が並列接続されているため、モジュールの両端子には低電圧で大電流が流れる。仮に、半導体素子の１個でも故障によりショート状態になると、そこに大きな短絡電流が流れてモジュールの出力が失われる。
一方、本発明の発明者は、ＷＯ９８／１５９８３やＷＯ９９／１０９３５号国際公開公報に示すように、ｐ形半導体やｎ形半導体からなる球状の半導体素子に拡散層、ｐｎ接合、１対の電極を形成した粒状の発光又は受光用の半導体デバイスを提案し、その多数の半導体デバイスを直列接続したり、その複数の直列接続体を並列接続して、太陽電池、水の電気分解等に供する光触媒装置、種々の発光デバイス、カラーディスプレイなどに適用可能な半導体モジュールを提案した。
この半導体モジュールにおいて、何れかの直列接続体の何れかの半導体デバイスが故障によりオープン状態になると、その半導体素子を含む直列回路には電流が流れなくなり、その直列接続体における残りの正常な半導体デバイスも機能停止状態となり、半導体モジュールの出力の低下が発生する。
更に、前記公報に本発明者が提案した正負の電極を形成した球状の半導体デバイスでは、転がりやすいため取扱いが面倒で、正負の電極を形成する位置を決定したり、組み立ての際に正負の電極を識別するのも容易ではない。
本発明の目的は、何れかの発明デバイスが故障しても、出力電圧や電流の減少を最小に抑えることのできる発光又は受光用半導体モジュールとその製造方法を提供すること、粒状の半導体デバイスの１対の電極の識別を容易にした発光又は受光用半導体モジュールとその製造方法を提供すること、光透過部材の反射作用を介して入射点や発光点から離隔した位置にも導光可能にした発光又は受光用半導体モジュールとその製造方法を提供することなどである。
発明の開示
本発明の発光又は受光用半導体モジュールは、発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスであって、導電方向を揃えた状態で複数行複数列に配設された複数の半導体デバイスと、それら各列の複数の半導体デバイスを電気的に直列接続すると共に各行の複数の半導体デバイスが電気的に並列接続する導電接続機構とを備えたこと特徴とするものである（第１項）。
ここで、好ましくは、前記導電接続機構が、金属製の薄板からなる複数のリードフレームで構成され（第２項）、また、前記全部の半導体デバイスを埋め込み状に覆う光透過部材を有する（第３項）。
第１項の半導体モジュールにおいて、好ましくは、前記半導体デバイスが太陽電池であり（第４項）、或いは、前記半導体デバイスが球状の半導体デバイスであり（第５項）、或いは、前記半導体デバイスが円柱状の半導体デバイスである（第６項）。
第２項の半導体モジュールにおいて、好ましくは、前記半導体デバイスが、ｐ形又はｎ形の半導体からなるほぼ球状の半導体素子であって、その中心の両側の１対の頂部に平行な第１，第２の平坦面を形成した半導体素子と、前記第１の平坦面を含む半導体素子の表層部に形成された拡散層およびこの拡散層を介して形成されたほぼ球面状のｐｎ接合と、前記第１，第２の平坦面に夫々設けられ且つ前記ｐｎ接合の両端に接続された第１，第２の電極とを備えている（第７項）。
第２項の半導体モジュールにおいて、好ましくは、前記半導体デバイスが、ｐ形又はｎ形の半導体からなる円柱状の半導体素子であって、その１対の端部に軸心と直交する平行な第１，第２の平坦面を形成した半導体素子と、前記第１の平坦面を含む半導体素子の表層部に形成した拡散層およびこの拡散層を介して形成されたｐｎ接合と、前記第１，第２の平坦面に夫々設けられ且つ前記ｐｎ接合の両端に接続された第１，第２の電極とを備えている（第８項）。
第７項の半導体モジュールにおいて、好ましくは、前記第１，第２の平坦面の平均直径が両平坦面間の距離よりも小さく（第９項）、また、前記第１，第２の平坦面は異なる直径に形成されている（第１０項）。
第７項又は第８項の半導体モジュールにおいて、好ましくは、次のように構成される。前記半導体素子がシリコン半導体で構成されている（第１１項）。前記半導体素子が、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、隣化インジウム（ＩｎＰ）、隣化ガリウム（ＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、セレン化インジウム・銅（ＩｎＣｕＳｅ）のうちの何れかの化合物半導体で構成されている（第１２項）。前記半導体素子がｐ形半導体で構成され、前記拡散層がｎ形拡散層で構成され、前記第２の平坦面にｐ形拡散層が形成され、このｐ形拡散層の表面に第２の電極が設けられている（第１３項）。前記半導体素子がｎ形半導体で構成され、前記拡散層がｐ形拡散層で構成され、前記第２の平坦面にｎ形拡散層が形成され、このｎ形拡散層の表面に第２の電極が設けられている（第１４項）。
本発明の別の発光又は受光用半導体モジュールは、発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスであって、導電方向を揃えた状態で複数列に区分されて周方向に適当間隔おきにリング状に配置された複数列をなす複数の半導体デバイスと、それら各列の複数の半導体デバイスを電気的に直列接続すると共に各リングの複数の半導体デバイスを電気的に並列接続する導電接続機構とを備えたこと特徴とするものである（第１５項）。
ここで、好ましくは、透明合成樹脂製の円筒状の光透過部材を設け、前記リング状に配設された複数列の半導体デバイスが、前記光透過部材の周壁内に埋め込まれている（第１６項）。好ましくは、前記光透過部材の周壁の内周面には光を乱反射させる乱反射面が形成されている（第１６項に従属の第１７項）。
本発明の発光又は受光用半導体モジュールの製造方法は、金属薄板製の複数のリードフレームと、発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスを準備する第１工程と、前記複数のリードフレームの間に複数の半導体デバイスを導電方向を揃えた状態で組み込んで、それら半導体デバイスを複数行複数列のマトリックス状に配置し、各列の半導体デバイスをリードフレームを介して直列接続すると共に各行の半導体デバイスをリードフレームを介して並列接続する第２工程と、前記マトリックス状に配置した複数の半導体デバイスを透明合成樹脂製の光透過部材内に埋め込む第３工程とを備えたことを特徴とするものである（第１８項）。
ここで、好ましくは、前記第３工程において、各列の半導体デバイスの両側に部分円筒レンズ部を形成する（第１９項）。
本発明の別の発光又は受光用半導体モジュールの製造方法は、金属薄板製のリング状の複数のリードフレームと、発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスを準備する第１工程と、前記複数のリードフレームの間に複数の半導体デバイスを導電方向を揃えた状態で組み込んで複数列に区分し且つ周方向に適当間隔おきにリング状に配置した複数列に整列させると共に、各列の複数の半導体デバイスをリードフレームを介して直列接続すると共に各リングの複数の半導体デバイスをリードフレームを介して並列接続する第２工程と、前記複数列の半導体デバイスを透明合成樹脂製の円筒状の光透過部材の周壁内に埋め込む第３工程とを備えたことを特徴とするものである（第２０項）。
発明の最良の実施の形態
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
最初に、本発明の半導体デバイスの構造について説明する。
図１〜図６は、太陽電池に好適な受光用半導体デバイス１０の製造方法を示すものであり、図６はその受光用半導体デバイス１０の断面図である。
図６に示すように、受光用半導体デバイス１０は、例えばｐ形半導体からなる半導体素子１と、ｎ形の拡散層３と、ｐｎ接合４と、１対の電極９ａ，９ｂ（負電極９ａ、正電極９ｂ）と、ｐ＋形の半導体からなる拡散層８と、反射防止膜６ａとを備えている。半導体素子１は、ｐ形のシリコン単結晶からなる例えば直径１．５ｍｍの真球状の半導体素子１ａ（図１参照）から製作したものである。半導体素子１の中心の両側の１対の頂部には、平行な第１，第２の平坦面２，７が形成されている。第１の平坦面２は例えば直径０．６ｍｍ、第２の平坦面７は例えば直径０．８ｍｍである。第１，第２の平坦面２，７の平均直径が両平坦面２，７間の距離よりも小さい。
拡散層３は、第１の平坦面２を含む半導体素子１の表層部に形成され、第２の平坦面７にはｎ形の拡散層３が形成されておらず、他の拡散層８が形成されている。この拡散層３はリンを拡散させた厚さ０．４〜０．５μｍのｎ＋形拡散層である。この拡散層３を介してほぼ球面状のｐｎ接合４（正しくは、ｐｎ＋接合）が形成されている。
第１の平坦面２において拡散層３の表面には、銀ペーストを焼成した薄膜状の第１電極９ａが設けられ、第２の平坦面７においてｐ＋形の拡散層８の表面には、銀ペーストを焼成した薄膜状の第２電極９ｂが設けられている。シリコン酸化膜６からなる反射防止膜６ａは、第１，第２の平坦面２，７を除いて拡散層３の表面に形成されている。尚、以下に説明する半導体デバイス１０の製造方法の記載からも、半導体デバイス１０の構造が一層明瞭となろう。
この半導体デバイス１０においては、ほぼ球面状のｐｎ接合４が光電変換機能があり、太陽光を受けて光電変換し約０．６ボルトの起電力を発生する。第１，第２の平坦面２，７に薄膜状の負電極９ａと正電極９ｂを形成したので、半導体デバイス１０が転がりにくくなり、挟持しやすく取扱い易くなった。しかも、第１，第２の平坦面２，７の大きさが異なるため、負電極９ａと正電極９ｂをセンサや目視にて容易に判別できるようになり、多数の半導体デバイス１０を半導体モジュールに組み立てる際の作業能率を高めることができる。
次に、前記の半導体デバイス１０を製造する方法について、図１〜図６を参照して説明する。最初に、図１に示すように、例えば直径１．５ｍｍで、抵抗率が１Ωｍ程度のｐ形シリコン単結晶からなる真球状の球状半導体素子１ａを製作する。このような球状半導体素子１ａは、本発明者が既に特開平１０−３３９６９号公報や国際公開公報ＷＯ９８／１５９８３号公報において提案した方法で製造することができる。その方法においては、落下チューブを採用し、原料としてのシリコン粒を落下チューブの上端側の内部で溶融して自由落下させながら表面張力の作用で真球状を保持しつつ凝固させて真球状のシリコン単結晶を製作する。但し、機械的な研磨などにより球状半導体を作ることもできる。
次に、図２に示すように、球状の半導体素子１ａの表面の一部を機械的化学的研磨法により加工して直径０．６ｍｍ程度の第１の平坦面２を形成する。次に、図３に示すように、公知の方法によりリンを全面に拡散してｎ＋形の拡散層３を形成し、球状半導体１の表面から深さ０．４〜０．５μｍ程度に位置するほぼ球面状のｐｎ接合４を形成する。リンを拡散する工程で生じた表面のシリコン酸化膜５を一旦エッチングで除去し、再度酸素雰囲気中で加熱してシリコン酸化膜６（反射防止膜６ａ）を形成する。
次に、図４に示すように、第１の平坦面２と反対側を機械的化学的研磨方法により加工して直径０．８ｍｍ程度でｐ形シリコン単結晶が露出した第２の平坦面７を形成する。この第１，第２平坦面２，７は球の中心の両側の１対の頂部に平行に形成される。この第２の平坦面７の直径を第１の平坦面２の直径と異なるように形成し、後述のリードフレームの接続工程において負電極９ａと正電極９ｂの判別を容易に行えるようにする。
次に、図５に示すように、第１，第２の平坦面２，７を有する半導体素子１において、シリコン酸化膜６でマスクした状態で、第２の平坦面７に露出したｐ形シリコン単結晶の表面に公知の方法によりボロンを拡散させて、厚さ０．２〜０．３μｍのｐ＋形の拡散層８を設ける。ボロンは、第２の平坦面７のｐ形層に拡散して、第２の平坦面７の縁辺でｎ＋形の拡散層３と接するｐ＋ｎ＋接合８ａがシリコン酸化膜６の内側に形成され、ｐ＋ｎ＋接合８ａの表面がシリコン酸化膜６で保護された状態となる。
次に、図６に示すように、第１の平坦面２における拡散層３の表面及び第２の平坦面７の拡散層８の表面に夫々銀ペーストを設け、それら銀ペーストを酸化性雰囲気中で６００〜８００℃の温度範囲で加熱焼成し、ｐｎ接合４の両端に接続された負電極９ａ，正電極９ｂであって、拡散層３、ｐ＋形拡散層８と夫々低抵抗接続した負電極９ａ、正電極９ｂを形成する。
こうして、粒状の太陽電池として好適の受光用半導体デバイス１０が完成する。
尚、上記の製造方法は１例に過ぎず、ｎ＋形拡散層３、エッチング、電極形成、反射防止膜形成の工程などは、公知の方法の中から選択できる技術であり、使用する材料も上記のものに限定されず、従来から利用されている他の材料で製造してもよい。また、反射防止膜としては、上記のシリコン酸化膜の他酸化チタン膜など公知の反射防止膜を用いてもよい。
次に、上記のように製作した太陽電極としての半導体デバイス１０を用いて大量生産に適した安価な樹脂モールド形受光用半導体モジュール３０の構造と製造方法について説明する。最初に、その構造について、図１３〜図１６を参照して説明する。
この受光用半導体モジュール２０は、例えば２５個の半導体デバイス１０と、これら２５個の半導体デバイス１０を電気的に接続する導電接続機構であって６本のリードフレーム２９からなる導電接続機構と、光透過部材３１と、正極端子３３及び負極端子３４を備えている。
前記２５個の粒状の半導体デバイス１０は、導電方向を揃えた状態で複数行複数列（本実施形態では、５行５列）に配置され、導電接続機構により各列の複数の半導体デバイス１０が電気的に直列接続されると共に、各行の複数の半導体デバイス１０が電気的に並列接続されている。前記導電接続機構は、６本の金属製のリードフレーム２９で構成され、各行の半導体デバイス１０と隣接する行の半導体デバイス１０の間にリードフレーム２９が装着されて両側の電極９ａ，９ｂに電気的に接続され、下端側の負極端子３４と一体のリードフレーム２９は第１行目の半導体デバイス１０の電極９ａを電気的に並列接続し、上端側の正極端子３３と一体のリードフレーム２９は第５行目の半導体デバイス１０の電極９ｂを電気的に並列接続している。これら２５個の半導体デバイス１０と導電接続機構は、例えばアクリル樹脂やポリカーボネートなどの透明な合成樹脂からなる光透過部材３１内に埋め込んだ状態にして覆われ、光透過部材３１には、各列の半導体デバイス１０に両側から外来光を導入させる部分円筒レンズ部３１ａが形成されている。この部分円筒レンズ部３１ａは、各列の半導体デバイス１０へ外来光を効率的に導入する為のものであり、平坦面に形成する場合に比べて、広い指向性があり採光性、集光性、導光性に優れる。
以上説明した太陽電池パネルとしての受光用半導体モジュール２０に等価な電気回路は、図１６に示すようになる。２５個の半導体デバイス１０は５行５列のマトリックス状に配置され、各列の半導体デバイス１０は６つのリードフレーム２９を介して電気的に直列接続され、各行の半導体デバイス１０はリードフレーム２９を介して電気的に並列接続されている。
この半導体モジュール２０では、何れかの半導体デバイス１０が故障して機能停止した場合でも、その故障した半導体デバイス１０による光起電力が発生しないだけで、その他の故障してない半導体デバイス１０は、正常に作動して光起電力を発生させ、その光起電力が正極端子３３と負極端子３４に確実に出力されるから、信頼性と耐久性に優れる受光用半導体モジュール２０となる。
次に、以上説明した受光用半導体モジュール２０（太陽電池モジュール）を製造する方法について、図７〜図１２を参照して説明する。
最初に、前記半導体デバイス１０を製作する。そして、図７に示すように、鉄ニッケル合金（Ｆｅ５６％、Ｎｉ４２％）の薄板（厚さ０．３ｍｍ程度）の表面に厚さ３μｍ程度の銀メッキしたものを金型でパンチングして、４つの開口部２７ａ，２７ｂを有するリードフレーム板２１〜２６を製作する。これらリードフレーム板２１〜２６には、幅が広い（４ｍｍ程度）外枠部２８と互いに平行な幅が狭い（１．５ｍｍ）３本のリードフレーム２９を形成する。尚、上下両側の２枚のリードフレーム板２１，２６では、両端部を予め直角に折り曲げてあり、中間の４枚のリードフレーム板２２〜２５は平板状に形成されている。
次に、図７〜図９に示すように、リードフレーム板２１〜２５のリードフレーム２９の上に、夫々、導電性接着剤３０ａ（例えば、銀エポキシ樹脂）を用いて半導体デバイス１０を５個ずつ一定のピッチで負電極９ａを下にして接着する。
次に、リードフレーム２９の上の半導体デバイス１０の正電極９ｂの上に導電性接着剤３０ｂを塗る。次に、図８に示すように、最下段の１５個（５個×３）の半導体デバイス１０の正極９ｂの上にリードフレーム板２２のリードフレーム２９を重ねる。同様に、順々にリードフレーム板２３〜２６を重ね、各組の２５個の半導体デバイス１０が共通の鉛直面内で５行５列の規則正しいマトリックス配置となるように整列させる。次に、各半導体デバイス１０の正電極９ｂと負電極９ａが上下のリードフレーム２９に電気的に接続するように、最も上側のリードフレーム板２６上に所定の重さのウェイト（図示略）を載せて１６０〜１８０℃程度の温度で加熱し接着剤を硬化させる。
こうして、６枚のリードフレーム板２１〜２６を介して各組（各モジュール）の２５個の半導体デバイス１０が電気的に接続され、３組の合計７５個の半導体デバイス１０が６枚のリードフレーム板２１〜２６のリードフレーム２９の間に規則正しく収められ、各組の２５個の半導体デバイス１０において、各列の半導体デバイス１０がリードフレーム２９により電気的に直列接続されるとともに各行の半導体デバイス１０がリードフレーム２９により電気的に並列接続された状態となる。図９は、半導体デバイス１０とその上下両側のリードフレーム２９の拡大断面図である。
図１０〜図１２に示すように、７５個の半導体デバイス１０と６枚のリードフレーム板２１〜２６との組立て体３０を成形金型（図示略）に収容し、透明合成樹脂（例えば、アクリル樹脂やポリカーボネイトなど）を用いて成形し、前記の透明合成樹脂からなる光透過部材３１内に５行５列の半導体デバイス１０とそれに対応するリードフレーム２９を埋め込んで光透過部材３１で覆った状態にする。こうして、太陽電池パネルとしての３組の受光用半導体モジュール２０が同時に成形される。光透過部材３１には、各列の半導体デバイス１０に両側から外来光を集中させる部分円筒レンズ部３１ａが形成されている。
最後に、３組の受光用半導体モジュール２０を切り離す。この場合、先ず、中間のリードフレーム板２２〜２５においては、リードフレーム２９が光透過部材３１から外へ伸びた両端の切断部３２で成形金型により切断する。上下両側のリードフレーム板２１，２６においては、そのリードフレーム２９がそのままの幅で光透過部材３１外へ延びるように切断部を切断し外枠部２８から分離する。
次に、前記実施形態を部分的に変更した種々の変更形態について説明する。
１〕変更形態１・・・（図１７参照）
図１７に示す半導体デバイス１０Ａは、第２の平坦面７にアルミニウムボールをボンディングした正電極９ｃが形成されている。尚、前記のｐ＋形の拡散層８は省略されている。この半導体デバイス１０を製造する場合、半導体デバイス１０の製造方法における図１〜図４と同様の工程を実行してから、負電極９ａをハンダ１１にてリードフレーム２９に接合した状態で、第２の平坦面７の中心部に、直径０．３〜０．４ｍｍのアルミニウムボールを超音波と熱を加えながらボンディングし、バンプ状の正電極９ｃを形成する。
ここで、前記アルミニウムボールの代わりに金のボールを用いてもよい。このような、ボールボンディングによる電極は、狭いスペースに正確に電極を形成するのに適しており、拡散や合金化する場合よりも低い温度で低抵抗接触を形成できる。この正電極９ｃの高さを大きくすることができるため、リードフレーム２９との間の間隔、或いは半導体デバイス同士を直列接続する場合における半導体デバイスの電極との間の間隔を大きくとることができるため、正電極９ｃにのみ導電性接着剤を塗るのに適している。尚、前記の半導体デバイス１０にも、この正電極９ｃを適用してもよい。尚、以上説明した半導体デバイス１０Ａも、前記半導体デバイス１０の代わりに、半導体モジュール２０に適用可能である。
２〕変更形態２・・・（図１８〜図２１参照）
最初に、半導体デバイス１０Ｂを製造する方法について、図１８〜図２１に基づいて説明する。最初に、図１８に示すように、前記実施形態と同様に、ｐ形シリコン単結晶（抵抗率が１Ωｍ）からなる真球状の半導体素子１ａ（直径１．５ｍｍ）の中心の両側の１対の頂部に平行な第１，第２の平坦面２，７ｂを形成した半導体素子１Ｂを作る。第１，第２の平坦面２，７ｂの直径は夫々０．６ｍｍ，０．８ｍｍ程度であり、第１，第２の平坦面２，７ｂの平均直径は第１，第２の平坦面２，７ｂ間の距離よも小さい。次に、図１９に示すように、半導体素子１Ｂの全表層部にｎ形ドーピング不純物としてリンを拡散させて、厚さ０．４〜０．５μｍ程度のｎ＋形の拡散層３を形成し、この拡散層３を介してほぼ球面状のｐｎ接合４ｂを形成する。
次に、図２０に示すように、リンを拡散させる際に生じたシリコン酸化膜をエッチング処理して除去する。次に、図２１に示すように、第１の平坦面２の中心部に銀ペーストを直径０．４ｍｍ、厚み０．２ｍｍ程度にドット状に印刷し、この銀ペーストを酸化性ガスあるいは不活性ガス雰囲気中で、６００〜８００℃の温度で加熱焼成し、拡散層３と低抵抗接続された負電極９ａを形成する。次に、第２の平坦面７ｂの表面に直径０．４ｍｍ、厚み０．３ｍｍ程度でドット状のアルミニウムを載せ、不活性ガス雰囲気又は真空中で７５０〜８５０℃の温度まで急速加熱しその後直ちに冷却する。その結果、アルミニウムとシリコンの共晶反応によって溶けたシリコンがシリコン単結晶を種にして図示のようにアルミニウムがドープされたｐ＋形の再結晶層８ｂが成長する。これは、合金型ｐｎ接合という技術である。
前記の再結晶層８ｂが拡散層３を貫通するため、表面に残ったアルミニウムは、ｐ形シリコン単結晶の部分とｐ＋形の再結晶層８ｂを介して低抵抗接触した負電極９ｄを形成する。尚、ｐｎ接合４ｂは、ｐ＋ｎ＋接合４ｄに接続されている。その後、半導体素子１Ｂの表面に反射防止膜を形成する。
この半導体素子１Ｂでは、前記の半導体デバイス１０のようにボロンの拡散を行う必要がなく、ｐ＋形の再結晶層８ｂの形成と正電極９ｄの形成とを同時に行うことができる。正電極９ｄの高さが大きくなるため、再結晶層８ｂの表面を汚すことなく、導電性の接着剤の塗布を行うことができる。
ここで、前記のアルミニウムの代わりに、原子比で金９９％、ボロン１％程度の金（ＡｕＢ）、又は、原子比で金９９％、ガリウム１％程度の金（ＡｕＧａ）を用いて再結晶層８ｂの形成と正電極９ｄの形成とを同時に行うことができる。尚、この半導体デバイス１０Ｂも、前記半導体デバイス１０の代わりに、半導体モジュール２０に適用可能である。
３〕変更形態３・・・（図２２〜図３０参照）
図２７に示すように、太陽電池として好適の受光用半導体デバイス１０Ｃは、円柱状の半導体素子４１と、その第１，第２の平坦面４２，４３と、ｎ形の拡散層４４と、ｐｎ接合４５と、ｐ＋形の拡散層４７と、反射防止膜としてのシリコン酸化膜４６と、負電極４９ａ及び正電極４９ｂなどを有するものである。この半導体デバイス１０Ｃは、短い円柱状に形成されており、前記半導体デバイス１０と形状は異なるものの、同様の構造のものであるので、簡単に説明する。
半導体素子４１は、ｐ形のシリコン単結晶からなる円柱状の半導体素子であって、１対の端部に軸心と直交する平行な第１，第２の平坦面４２，４３を形成したものである。拡散層４４は、半導体素子４１の第１の平坦面４２と外周面の表層部に形成され、この拡散層４４を介して半導体素子４１の表層部にはｐｎ接合４５が形成されている。第２の平坦面４２の拡散層４４は機械化学的研磨により除去され、第２の平坦面４３にはｐ＋形の拡散層４７が形成されている。第１の平坦面４２において拡散層４４の表面に負電極４９ａが設けられ、第２の平坦面４３において拡散層４７の表面に正電極４９ｂが形成されている。尚、拡散層４４、ｐｎ接合４５、拡散層４７、正電極４９ａ及び負電極４９ｂなどは前記半導体デバイス１０のものと同様のものである。
次に、前記の円柱状の半導体デバイス１０Ｃの製造方法について図２２〜図２７を参照して説明する。先ず、図２２、図２３に示すように、抵抗率が１Ωｍ程度のｐ形シリコン単結晶からなる直径１．５ｍｍの細長い円柱状の半導体素材４０を製作し、その円柱半導体素材４０を軸心方向の長さが１．６ｍｍとなるように切断して、両端に軸心と直交する互いに平行な第１，第２平坦面４２，４３を有する短い円柱状（つまり、粒状）の半導体素子４１を製作する。
尚、ｐ形シリコン単結晶からなる前記の円柱状半導体素材４０は、例えばグラファイト製のルツボの底に開けたノズル状の穴から＜１１１＞方位の種結晶とルツボ内シリコン融液を接触させて下方に引き出すことにより単結晶を成長させることで製造することができる。細長い円柱状に形成できるため加工に伴うロスが少なく経済的である。尚、円柱状半導体素材４０の直径は１．５ｍｍに限定されるものではなく、１〜３ｍｍ程度の直径でもよい。
次に、図２４に示すように、円柱状の半導体素子４１の全面からリンを拡散して深さ０．４〜０．５μｍのｎ＋形拡散層４４を設け、この拡散層４４を介して半導体素子４１の第１の平坦面４２と外周面の表層部にｐｎ接合４５を形成する。
次に、図２４、図２５に示すように、リン拡散の際に表面に形成されたシリコン酸化膜を一旦フッ酸水溶液を用いて除去し、半導体素子４１を酸素雰囲気中で加熱してシリコン酸化膜４６（反射防止膜）を全表面に形成する。その後、第２の平坦面４３を機械的化学的研磨法により研磨してｎ＋形拡散層４４を除去してシリコン単結晶を露出させた第２平坦面４３を形成する。
次に、図２６に示すように、第２の平坦面４３のシリコン酸化膜を除去してから第２の平坦面４３にボロンを拡散し、深さ０．１〜０．２μｍのｐ＋形の拡散層４７を設ける。これにより、ｐ＋ｎ＋接合４８が形成され、その終端はシリコン酸化膜４６の内側にでき、外部と遮断される。
次に、図２７に示すように、第１，第２の平坦面４２，４３の中心部に直径０．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ程度の銀ペーストをドット状に印刷し、前記半導体デバイス１０と同様に焼成し、拡散層４４、拡散層４７と夫々低抵抗接触した負電極４９ａ、正電極４９ｂを設ける。これで、ソーラーセルに好適の円柱状の半導体デバイス１０Ｃとなる。この半導体デバイス１０Ｃにおいても、前記図１８〜図２１に示したのと同様にして負極と正極を形成してもよい。この半導体デバイス１０Ｃは、球状ソーラセルよりもセルの製造が容易であり、全方向ではないが半導体素子の半径方向に対しては均一な指向性を持ち、平面状のセルよりも採光能力が高く優れた光電変換性能が得られる。
前記半導体モジュール２０における半導体デバイス１０の代わりに、この半導体デバイス１０Ｃを適用して図２８〜図３０に示すように、前記半導体モジュール２０とほぼ同様の半導体モジュール２０Ａを構成することができる。この半導体モジュール２０Ａにおけるリードフレーム２９Ａ、負極端子３４Ａ、正極端子３５Ａ、光透過部材３１Ａなどは、前記半導体モジュール２０のものと同様であるので、同様の符号を付して説明を省略する。
４〕変更形態４・・・（図３１〜図３４参照）
次に、前記半導体デバイス１０を適用した受光機能のある半導体モジュール２０Ｂの構造と製造方法について説明する。図３３、図３４に示すように、この半導体モジュール２０Ｂは、受光機能のある例えば７２個（１２個×６）の粒状の半導体デバイス１０と、金属製の８つの環状リードフレーム５１〜５７を含む導電機構５０と、光透過部材５８とを有する。７２個の半導体デバイス１０は、導電方向を揃えた状態で１２列に区分されて周方向に等間隔おきにリング状に配置されて１２列をなしている。
導電接続機構５０は、最下段の負極端子５１ａ付きの環状リードフレーム５１と、中段の環状リードフレーム５２〜５６と、最上段の正極端子５７ａ付きの環状リードフレーム５７とを有する。環状リードフレーム５２〜５６は、前記実施形態のリードフレーム板（２１〜２６）と同様の材質の同様の板厚のもので、幅１．５ｍｍの環状に形成されている。環状リードフレーム５１，５７は、前記リードフレーム板（２１〜２６）と同様の材質で約１．０ｍｍの板厚のものである。
環状リードフレーム５１，５７には４つの負極端子５１ａ、４つの正極端子５７ａが夫々一体形成されている。この導電接続機構５０は、各列の６個の半導体デバイス１０を電気的に直列接続すると共に各リングの１２個の半導体デバイス１０を電気的に並列接続している。
円筒状の光透過部材５８は、アクリルやポリカーボネートなどの透明合成樹脂で厚肉の円筒状に形成されている。リング状に配設された１２列の半導体デバイス１０は、光透過部材５８の周壁５８ａ内に埋め込まれている。光透過部材５８の周壁５８ａの内周面にはその周壁５８ａを透過した光を半導体デバイス１０の方へ乱反射させる乱反射面５８ｂが形成されている。この乱反射面５８ｂは小形の多数のピラミッド面である。
この半導体モジュール２０Ｂを製造する方法について説明する。
図３１、図３２に示すように、最初に、環状リードフレーム５１〜５７と、７２個の半導体デバイス１０を製作して準備する。次に、前記半導体モジュール２０を製作したのとほぼ同様に、環状リードフレーム５１の上面に１２個の半導体デバイス１０を負電極９ａが下となるように配置して導電性接着剤で接着する。次に、その１２個の半導体デバイス１０の正電極９ｂに導電性接着剤を塗ってから、その上に環状リードフレーム５２を載せて接着し、これを順々に繰り返して、図３２のように組み立て、その後環状リードフレーム５７の上に所定のウェイトを載せた状態で、加熱して接着剤を硬化させる。
つまり、複数の環状リードフレーム５１〜５７の間に７２個の半導体デバイス１０を導電方向を揃えた状態で組み込んで１２列に区分し、周方向に等間隔おきにリング状に配置した１２列に整列させ、各列の６個の半導体デバイス１０を環状リードフレーム５１〜５７を介して直列接続すると共に各リングの１２個の半導体デバイス１０を環状リードフレーム５１〜５７を介して並列接続する。その結果、図３１、図３２に示す組み立て体６０となる。
次に、その組み立て体６０を所定の成形用金型内に収容し、透明合成樹脂を注入することにより、図３３、図３４に示す透明合成樹脂製の厚肉の円筒体のような光透過部材５８を成形し、１２列の半導体デバイス１０を透明合成樹脂製の円筒状の光透過部材５８の周壁５８ａ内に埋め込む。
この半導体モジュール２０Ｂによれば、全体として円筒状に形成されているため、外来光が全周３６０度のどの方向からくる場合でも、確実に受光して光電変換し、負極端子５１ａと正極端子５７ａ間に約４．２ボルト程度の起電力を発生する。光透過部材５８の内周面に乱反射面５８ｂを形成したので、光電変換の効率も高くなる。そして、光透過部材５８の外径と内径の差により、入射角が大きい光は周壁５８ａ内を周回するように導光されて離れた位置の半導体デバイス１０に達する。
次に、前記実施形態に適用可能な種々の変更例について説明する。
（１）前記半導体素子１，４１を構成する半導体としては、シリコンの代わりに、他の半導体、例えば、ＳｉとＧｅの混晶半導体、あるいは多層構造の半導体を適用したり、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＣｕＳｅなどの何れかの半導体を適用してもよいし、また、その他の半導体を適用してもよい。
（２）半導体素子１，４１の導電形はｐ形に限定される訳ではなく、ｎ形でもよく、この場合ｐ形拡散層を形成するものとする。
（３）化学的気相成長法（ＣＶＤ）など他の半導体薄膜生成法を用いて前記拡散層３，４４とｐｎ接合４，４５を形成することも可能である。
（４）反射防止膜６ａ、４６は、シリコン酸化膜以外の酸化チタンなど他の絶縁膜で構成してもよい。また、電極９ａ，９ｂ、４９ａ，４９ｂを形成する際に、銀ペースト以外の金属ペースト、アルミニウム、金などの電極材料を適用することも可能である。半導体デバイス１０をリードフレーム２９に接着する為に、導電性樹脂の代わりにハンダを適用してもよい。
（５）半導体モジュール２０，２０Ａにおける光透過部材の代わりに、半導体モジュールの両面に強化ガラスを装着し、その強化ガラスの間に透明なエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）樹脂等を充填し、端部を枠材で封止した構造を採用してもよい。
（６）半導体モジュール２０，２０Ａ，２０Ｂに半導体デバイス１０の代わりに、半導体デバイス１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの何れかを適用可能である。
半導体モジュール２０，２０Ａ，２０Ｂに装着する半導体デバイスの数や配置形態は、前記実施形態のものに限定される訳ではなく、自由に設定することができる。
（７）前記の半導体モジュールは、受光機能のある半導体モジュールを例にして説明したが、本発明の半導体モジュールは発光機能のある半導体モジュールにも同様に適用可能である。但し、この場合、半導体デバイスとして発光機能のある半導体デバイス（球状の半導体デバイス、円柱状の半導体デバイス、あるいは粒状の半導体デバイス）を適用する必要がある。
このような発光機能のある半導体デバイスとしては、例えば、ＷＯ９８／１５９８３号公報やＷＯ９９／１０９３５号公報に、本発明の発明者が提案した種々の球状の発光ダイオードを適用することができるし、その他の種々の構造の発光ダイオードを適用してもよい。このような発光機能のある半導体モジュールは、面発光形の照明装置、モノクロやカラーのディスプレイ或いは種々の表示装置、などに適用可能である。
（８）その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記の実施形にその他の種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明は、前記実施形態に開示した種々の形態だけに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
図１〜図１６は最初の実施形態を示す図であり、図１は球状半導体素子の断面図であり、図２は第１の平坦面を形成した半導体素子の断面図であり、図３は拡散層とｐｎ接合を形成した半導体素子の断面図であり、図４は第２の平坦面を形成した半導体素子の断面図であり、図５は拡散層を形成した半導体素子の断面図であり、図６は半導体デバイスの断面図である。
図７はリードフレーム板の平面図であり、図８は半導体デバイスとリードフレーム板を組み合わせた組立て体の縦断側面図であり、図９は半導体デバイスとリードフレームの拡大断面図であり、図１０は３組の半導体モジュールとリードフレーム板の平面図であり、図１１は半導体モジュールとリードフレーム板の縦断面であり、図１２は半導体モジュールとリードフレーム板の縦断面であり、図１３は半導体モジュールの平面図であり、図１４は半導体モジュールの縦断面図であり、図１５は半導体モジュールの側面図であり、図１６は半導体モジュールの等価回路の図である。
図１７は変更形態１における半導体デバイスの断面図である。図１８〜図２１は変更形態２を示す図であり、図１８は第１，第２の平坦面を形成した半導体素子の断面図であり、図１９は拡散層を形成した半導体素子の断面図であり、図２０は負電極を設けた半導体素子の断面図であり、図２１は半導体デバイスの断面図である。
図２２〜図３０は変更形態３を示す図であり、図２２は円柱状半導体素材と半導体素子を示す図であり、図２３は図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線断面図であり、図２４は拡散層を形成した半導体素子の断面図であり、図２５は第の平坦面を除去した半導体素子の断面図であり、図２６は他の拡散層を形成した半導体素子の断面図であり、図２７は半導体デバイスの断面図であり、図２８は半導体モジュールの平面図であり、図２９は図２８のＸＸＶＩＩＩＩ−ＸＸＶＩＩＩＩ線断面図であり、図３０は半導体デバイスとリードフレームの要部拡大断面図である。
図３１〜図３４は変更形態４を示す図であり、半導体モジュール製造途中の組み立て体の平面図であり、図３２は前記組み立て体の正面図であり、図３３は半導体モジュールの平面図であり、図３４は半導体モジュールの断面図である。

Claims (20)

  1. 発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスであって、導電方向を揃えた状態で複数行複数列に配設された複数の半導体デバイスと、
    それら各列の複数の半導体デバイスを電気的に直列接続すると共に各行の複数の半導体デバイスが電気的に並列接続する導電接続機構と、
    を備えたたこと特徴とする発光又は受光用半導体モジュール。
  2. 前記導電接続機構が、金属製の薄板からなる複数のリードフレームで構成されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  3. 前記全部の半導体デバイスを埋め込み状に覆う光透過部材を有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  4. 前記半導体デバイスが太陽電池であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  5. 前記半導体デバイスが球状の半導体デバイスであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  6. 前記半導体デバイスが円柱状の半導体デバイスであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  7. 前記半導体デバイスが、
    ｐ形又はｎ形の半導体からなるほぼ球状の半導体素子であって、その中心の両側の１対の頂部に平行な第１，第２の平坦面を形成した半導体素子と、
    前記第１の平坦面を含む半導体素子の表層部に形成された拡散層およびこの拡散層を介して形成されたほぼ球面状のｐｎ接合と、
    前記第１，第２の平坦面に夫々設けられ且つ前記ｐｎ接合の両端に接続された第１，第２の電極と、
    を備えたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  8. 前記半導体デバイスが、
    ｐ形又はｎ形の半導体からなる円柱状の半導体素子であって、その１対の端部に軸心と直交する平行な第１，第２の平坦面を形成した半導体素子と、
    前記第１の平坦面を含む半導体素子の表層部に形成した拡散層およびこの拡散層を介して形成されたｐｎ接合と、
    前記第１，第２の平坦面に夫々設けられ且つ前記ｐｎ接合の両端に接続された第１，第２の電極と、
    を備えたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  9. 前記第１，第２の平坦面の平均直径が両平坦面間の距離よりも小さいことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  10. 前記第１，第２の平坦面は異なる直径に形成されたことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  11. 前記半導体素子がシリコン半導体で構成されたことを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  12. 前記半導体素子が、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、隣化インジウム（ＩｎＰ）、隣化ガリウム（ＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、セレン化インジウム・銅（ＩｎＣｕＳｅ）のうちの何れかの化合物半導体で構成されたことを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  13. 前記半導体素子がｐ形半導体で構成され、前記拡散層がｎ形拡散層で構成され、前記第２の平坦面にｐ形再結晶層が形成され、このｐ形再結晶層の表面に第２の電極が設けられたことを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  14. 前記半導体素子がｎ形半導体で構成され、前記拡散層がｐ形拡散層で構成され、前記第２の平坦面にｎ形再結晶層が形成され、このｎ形再結晶層の表面に第２の電極が設けられたことを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  15. 発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスであって、導電方向を揃えた状態で複数列に区分されて周方向に適当間隔おきにリング状に配置された複数列をなす複数の半導体デバイスと、
    、それら各列の複数の半導体デバイスを電気的に直列接続すると共に各リングの複数の半導体デバイスを電気的に並列接続する導電接続機構と、
    を備えたこと特徴とする発光又は受光用半導体モジュール。
  16. 透明合成樹脂製の円筒状の光透過部材を設け、前記リング状に配設された複数列の半導体デバイスを、前記光透過部材の周壁内に埋め込んだことを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  17. 前記光透過部材の周壁の内周面には光を乱反射させる乱反射面が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の発光又は受光用半導体モジュール。
  18. 金属薄板製の複数のリードフレームと、発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスを準備する第１工程と、
    前記複数のリードフレームの間に複数の半導体デバイスを導電方向を揃えた状態で組み込んで、それら半導体デバイスを複数行複数列のマトリックス状に配置し、各列の半導体デバイスをリードフレームを介して直列接続すると共に各行の半導体デバイスをリードフレームを介して並列接続する第２工程と、
    前記マトリックス状に配置した複数の半導体デバイスを透明合成樹脂製の光透過部材内に埋め込む第３工程と、
    を備えたことを特徴とする発光又は受光用半導体モジュールの製造方法。
  19. 前記第３工程において、各列の半導体デバイスの両側に部分円筒レンズ部を形成することを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の発光又は受光用半導体モジュールの製造方法。
  20. 金属薄板製のリング状の複数のリードフレームと、発光又は受光機能のある粒状の複数の半導体デバイスを準備する第１工程と、
    前記複数のリードフレームの間に複数の半導体デバイスを導電方向を揃えた状態で組み込んで複数列に区分し且つ周方向に適当間隔おきにリング状に配置した複数列に整列させると共に、各列の複数の半導体デバイスをリードフレームを介して直列接続すると共に各リングの複数の半導体デバイスをリードフレームを介して並列接続する第２工程と、
    前記複数列の半導体デバイスを透明合成樹脂製の円筒状の光透過部材の周壁内に埋め込む第３工程と、
    を備えたことを特徴とする発光又は受光用半導体モジュールの製造方法。
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