JPH01273362A - Ｍｉｓ素子制御用太陽電池 - 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】 （イ）産業上の利用分野 この発明はＭ　Ｉ　Ｓ素子制御用太陽電池に関する。

さらに詳しくは、いわゆるホトＭＯＳリレーのようなＭ
ＩＳ素子を備えた光制御デバイスに利用され、ことに光
自出に応じてＭＩＳ素子を制御するために用いるＭ　Ｉ
　Ｓ素子制御用の太陽電池に関する。

（ロ）従来の技術 半導体技術の急速な発展に伴い制御システムにおけるハ
ードウェアの高性能化、小型化の要求は拡大の一途をた
どっている。また同時にシステムのデジタル化が進んだ
とはいえ、システム全体を考えた時の人出力部はアナロ
グ信号である。従って同一システム中にデジタルとアナ
ログの２つの回路系統が混在しこのアナログ信号、特に
微小電圧電流を確゛実に制御し、システムのコントロー
ル部に取り込むのが重要となってくる。

このような要求に対応すべく、発光素子と太陽電池とパ
ワーＭＯ９を組合せ、入力側に電流を流すと、発光素子
（通常、ＬＥＤ）が発光し、この光出力を高電圧出力型
の小型の太陽電池で受け、この太陽電池からの光起電圧
をパワーＭ　ＯＳのゲート電圧とし、パワーＭＯＳを導
通非導通状態にして負荷を制御しうるよう構成されてな
り、入出力間を電気的に完全絶縁したホトＮ１０Ｓリレ
ーが実用に供されるようになった。

このような太陽電池でＭＩＳ素子を制御するよう構成し
た光制御デバイスにおいては、太陽電池部分が小型であ
ると共に高電圧出力できることが必要である。

そこで、このようなＭＩ　Ｓ素子制御用の太陽電池とし
ては、その光電変換素子部が基板と絶縁分離されたいわ
ゆる誘電体分離型のものでかっ光電変換素子が多数に分
画形成され直列に接続されたものを適用すべきであり、
さらに加え、光電変換素子の母体としては、当然のこと
ながら光電変換効率の良い単結晶半導体島で構成しなけ
ればならないものとされていた。

しかし、基板上に誘電体分離のための絶縁層を形成した
後、この上に単結晶半導体層や島をＣＶＤ等で効率良く
形成することは現在のところ不可能である。

そこでＭＩ　Ｓ素子制御用の太陽電池は、従来、下記の
方法で作製されていた。すなわち、第１１図に示すごと
く、まず単結晶ウェハ２７に異方性エツチング等により
溝を形成後、５ｉＯｚ、ＳｉＮ等よりなる絶縁膜２８上
に、後に容品の支持体となる厚い多結晶シリコン層２９
を形成し、単結晶シリコンをラッピング、ポリッシング
等により溝の底の部分まで平滑に除去し第１２図に示す
ごとく多結晶シリコン２９内に各々の単結晶の島を埋込
んだ状態にして、この島に太陽電池素子を組込むととも
に、又必要に応じその島に周辺回路をも作製していた。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、前記のような太陽電池の製造法において
は、単結晶ウェハ２７への溝の形成、基板として耐えう
る程度迄の厚い多結晶シリコン層の形成、ラッピング、
ポリッシング等の半導体面平滑加工などの複雑な多くの
工浬が必要であり、かつ厚い多結晶半導体層の形成等に
多くの材料か必要であっ１こ。さらに厚い多結晶半導体
層の形成によってウェハがそり易いため、製造過程にお
いてウェハ破損、ホットエツチング工程の位置ずれが生
じて歩留が低下し、小型の高電圧出力型太陽電池の作製
として非常なコスト高となる問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされた
ものであり、製造工程が簡単で、半導体形成用材料の消
費量が少なく、ウェハの破損、ホトエツチング工程の位
置ずれ等による歩留り低下が無く、製造コストの低いＭ
Ｉ　Ｓ素子制御用太陽電池を提供しようとするものであ
る。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明者らは上記観点から、鋭意研究検討を重ねた結果
、基板上に絶縁層を形成した後、この上にＣＶＤ等の常
法で直接成長させることにより簡便に形成できる多結晶
半導体層を母体として光電変換素子を構成した場合に、
意外にも■ホトＭＯＳリレー等におけるＭＩＳ素子制御
用として充分な電圧を出力する太陽電池を構成できる事
実、並びに■この太陽電池が前述したＭ　Ｉ　Ｓ素子制
御用太陽電池の製造時の種々の問題点を解消しつつ、極
めて簡便かつ低コストで効率良く製造できろ事実を見出
し、この発明に到達しｆニ。

かくしてこの発明によれば、基体上に、絶縁層を介して
複数の半導体光電変換素子を分画形成し、かつこの半導
体光電変換素子を直列に電気接続してなり、上記半導体
光電変換素子が、各々多結晶半導体島から構成されてな
るＭＩＳ素子制御用太陽電池が提供される。

この発明における基体としては、半導体、フェライト、
磁器、プラスチック、ガラス製のものを用いることがで
きるが、中でも半導体がよく、とりわけＳ　ｉ　、　Ｇ
ａＡｓ等の単結晶バルクのスライスにより簡便に得られ
る単結晶半導体ウェハは、その基体自体を周辺回路構成
材として用いることができるので好ましい。

この発明の絶縁層は、例えばＳ　ｉ　Ｏｔ、Ｓｉ３Ｎ４
等の絶縁性の優れたものが好ましく、通常の方法、例え
ば熱酸化、低温気相成長、プラズマＣＶＤ法等によって
基板上に形成できる。

この発明の太陽電池は、上記絶縁層上に多結晶半導体島
からなる複数の光電変換素子を分画形成することにより
製造できる。ここで多結晶半導体島は、絶縁層上に多結
晶半導体層を形成し、これを複数に分画することにより
得られる。多結晶半導体の材質は、シリコンが適してい
るが、ＧａＡｓ。

ｒｎＰ等の化合物半導体などであってもよい。

上記多結晶半導体層は、例えば、熱分解ＣＶＤ。

プラズマＣＶＤ等の手法で対応する半導体原料から形成
することができる。例えばシリコンの多結晶半導体層を
形成するためには、原料として５ｉＣ１ａを用いこれを
Ｈ２で還元しつつＳｉを気相成長させて所望厚みに形成
することができ、原料としてＳ　ｒ　Ｈ４を用いこれを
熱分解しつつＳｉを気相成長させて形成することもでき
る。

ここで上記多結晶半導体層の結晶径はできるだけ大きく
することが望まれ、通常、１１１ｍ以上となるように調
整することが適している。このような結晶径の調整は、
前記した熱分解ＣＶＤやプラズマＣＶＤにおける気相成
長温度を制御することにより簡便に行うことができ、５
ｉＣ１４を用いたＨ７還元気相成長の場合は、約１１０
０〜１３００℃、ＳｉＨ＋を用いた気相成長の場合は、
約９００−１２００℃に制御するのが適している。この
ような温度下においては、絶縁膜上に核形成が行われた
後、結晶粒が充分に成長して所望の多結晶半導体層が形
成されることとなる。ただし、アモルファス半導体から
の熱変換で構成することもできる。ここで多結晶半導体
層の厚みは１〜２０μｍ程度で充分である。

なお、上記多結晶半導体層は、通常、充電変換素子構成
材としての所定の導電型半導体層とされる必要があり、
従って上記気相成長時に所望のドニピングガス（例えば
ｐ型の場合はＢ　＊　Ｈ＊等、ｎ型の場合はＰＨ，等）
を共存させて行われる。

多結晶半導体層からの多結晶半導体島の分画形成は、公
知のリソグラフィーの技術により行われ、例えばホトレ
ジストやマスクを用いたウェットエツチング（例えば、
ＨＦ、ＨＮＯりやドライエツチング（例えば、ＣＦ４使
用）により行うのが適している。分画は通常基盤目状に
行うのが好ましく、得られた多結晶半導体島の寸法が数
１００μｍでその各間隔が数１０μｍ程度とするのが高
出力化、小型化の点てより好ましい。

このようにして分画形成された多結晶半導体島を母体と
して光電変換素子を構成し、かつこの光電変換素子の端
子を直列に接続すると共に、必要な周辺回路を付設する
ことにより、この発明の太陽電池が得られる。

半導体島から光電変換素子を構成する方法としては、こ
の半導体島と逆の導電型半導体領域をこの半導体島内（
通常、表層）に形成して空乏層が生じるように構成する
ごとき、単結晶半導体に適用される通常の方法が適して
いる。この導電型半導体領域の形成は、逆導電性のドー
ピングイオンを熱拡散やイオン注入法などによって部分
的に導入する方法で行うことができる。ただし、この導
入は分画前に行ってもよい。かかる光電変換部の形成の
後、電圧を取り出すための電極（例えば、Ａ　Ｉ　、　
Ｍ　ｏ　ｓ　Ｗ、　ＴｉＡｕ、　ＣｒＡｕ等）や絶縁性
保護膜を電子ビーム蒸着、スパッタリングや前述した公
知の手法で形成させることに上り光電変換素子が構成さ
れる。ただし、光電変換素子としては、その光電変換領
域の底面に光反射性金属膜を有するものを用いることも
でき、その具体例は後述の実施例に示される。この場合
には上記多結晶半導体層の形成に先立って、所定の金属
膜（Ｔｉ、Ｍｏ。

Ｗ％　Ｐ　ｔ　ｓ　Ｃｒ等）を絶縁層上に電子ビーム蒸
着やスパッタリングで形成させておく必要があり、この
金属膜上に多結晶半導体層の形成を行って同様に光電変
換素子が構成される。従って、この発明はこのような金
属膜を有する光電変換素子の態様も包含するものである
。

このように構成される各光電変換素子の直列接続は、こ
れら各素子間領域を用いて行ってもよく、例えばこの領
域にリード線を形成し各素子端と直列に接続されるよう
構成することにより行うことができる。

ただし１．上記各光電変換素子間領域には、上記リード
線以外の必要な周辺回路が組込まれていてもよく、例え
ば、デイプレッション型ＭＯＳＰＥＴを組み込むのも一
つの好ましい態様である。

かかるＦＥＴを光電変換素子間に構成する方法としては
種々の手法があるが、基板として前述した単結晶基板を
用いた際にはこの単結晶基板から引継がれた単結晶半導
体島を前記多結晶半導体島間の少なくとも一部に形成し
、これを母材としてデイプレッション型ＭＯＳを構成す
る素子構成効率上置も好ましく、この例は後述の実施例
に示される。かかる多結晶半導体島と単結晶半導体島と
を同時に基板上に構成する方法としては、基板上の絶縁
膜の一部をエツチング除去して露出させた状態で前記し
た半導体層の気相成長を行う方法が適している。これに
より絶縁層上には多結晶半導体層が基板の露出部（シー
ド部）上に単結晶半導体層が形成され、これらを適宜分
画することにより対応する各々の半導体島を構成するこ
とができる。

このようにして得られた太陽電池はホトＭＯＳリレー等
のＭＩＳ素子制御用の太陽電池として用いられる。例え
ば、その出力部をＭ　ＯＳリレー等のゲート電極に接続
し、かつその入射面にＬＥＤ等の発光素子を隣設配置す
ることによりホトＭＯＳリレーを構成することができる
。この際太陽電池の入射面と発光素子との間は、少なく
とも２２肩以内程度に近接して配設するのが適しており
、通常３００μｍ前後の間隔にするのが好ましい。

（ホ）実施例 次に、この発明を実施例によって例証する。

実施例１ 以下、第１図〜第３図を参照しながら説明する。

ｒ）直径４インチで、厚さ５００μｍのシリコンウェハ
１（基体）を１１００℃に加熱し、その片面を酸化して
厚さ０．５μｍの酸化膜（絶縁膜２）を形成した。

■）次に、この絶縁膜を有するシリコンウェハをＣＶＤ
装置に入れ、１２００℃の下で、５ｉＣ１４とＨｌ及び
微量のＰＨ３を導入して、第２図に示すように絶縁膜２
の上に直系１μｍ以上の結晶粒からなる厚さ３μｍのｎ
型多結晶シリコン半導体膜３を形成した。

■）次に、このｎ型多結晶シリコン半導体膜３の意図す
る分画パターンに対応する所定部分に、常法によって格
子状５ｉＯｚマスキング膜を形成してホウ素を熱拡散さ
せ、次にマスキング膜を除去して、第３図に示すように
ｎ型多結晶シリコン半導体膜内に多数のｐ型拡散層４を
形成したウェハを得た。

■）次にこのｐ全拡散層を含む面上に、ホトレジストに
よって所定の分画用パターンのマスクを形成して保護し
た後、ＨＮ　Ｏｓを用いてウェットエツチングして、多
結晶シリコン半導体膜を、約１００μｍ角で各々ｐ全拡
散層を有する多数の半導体島に分画（間隔１０μｇ１）
シた。

■）この半導体島形成面にプラズマＣＶＤ法によって５
ｒＯｔ絶縁層を形成し、前記工程■）のエツチングによ
って生じた凹部を埋めた後、この絶縁層面をエッチバッ
ク法によって平滑化し、保護膜とした。次に各半導体島
上における端部のｐ型拡散層上及びｎ型基板上の保護膜
の一部を電極形成用にエツチングして各半導体面を部分
露呈させた。

■）次に、全面にわたって、電子ビーム蒸着法によって
アルミニウムの金属膜を形成し、再びホトエツチングに
よって、所定パターンの電＋４配線６を形成し、容品を
直列に接続した。

■）更にこの表面上にプラズマＣＶＤ法によってＡ　ｌ
　ｔｏｓ　（Ｓ　ｔ　Ｏ，Ｔ　ｉ　Ｏｘ、　Ｔ　ａｔｏ
ｓ等でも可）の光反射防止膜Ａを形成し、第１図に示す
ごときこの発明のＭＩＳ素子制御用太陽電池を製造した
。

■）このように製造した太陽電池を、入力側の発光素子
（ＬＥＤ）と３００μｌの間隔をあけて対向して投置し
、その出力側をパワーＭＯＳ素子のゲートに接続した。

上記発光素子（ＬＥＤ）に２０ｔｎＡの動作電流を流し
たとき、この太陽電池の光起電圧は７ｖとなり、ＭＩＳ
素子のゲートは導通となった。また、ＬＥＤの動作電流
を切った時、光起電圧はＯＶとなり、ＭＯ９素子のゲー
トは非導通となり、良好な太陽電池特性を得、実用に供
することができた。

実施例２ 以下、第４図〜第８図を参照しながら説明する。

■）単結晶シリコンウェハ７の表面に、熱酸化法によっ
て５ｉＯｚ絶縁膜を形成した。次にこの絶縁膜の所定部
分を、エツチングして除去し、第４図に示すごとく格子
状に単結晶シリコン表面９を露出させ、５ｉｎｓの絶縁
膜８を分画形成した。

■）次に、この基板を気相成長装置に入れ、その中に５
ｉＣ１４、Ｈ８及びＢ　ｔ　Ｈ＠をガス導入して１２０
０℃下でシリコンの気相成長を行った。これにより第５
図に示すように、絶縁Ｈ８上には各々ｐ型多結晶シリコ
ン９Ａが、単結晶ウェハ露呈面上にはｐ型車結晶シリコ
ン９Ｂが堆積された厚み３μｍのシリコン膜１０が形成
された。この際の多結晶シリコン９Ａは、単結晶シリコ
ン９Ｂの結晶性の回り込みの影響を受け、実施例１より
も結晶粒径の大きな多結晶体からなるものであった。　
　■）次にこのシリコンＭｌＯにホトレジストによって
第６図の表面パターンに対応する所定のパターンのマス
クを形成後、シリコン膜をＨＮ　Ｏｘを用いてウェット
エツチングによって除去し、その上に熱酸化によって、
Ｓ　ｉ　Ｏを絶縁膜１１を形成して、第６図に示すごと
く多数分画された多結晶半導体島１０’とその間の一部
に単結晶半導体島ｌＯ“を有する素子を得た。

■）次に、第７図に示すように、単結晶半導体島１０″
上面の絶縁膜１１をエツチングして除去した後、熱酸化
によりゲート酸化膜１２を形成し、このゲート酸化膜１
２上に、ＣＶＤ装置を用いた気相成長法及びエツチング
により、ポリシリコン膜１３を形成した。

■）次に、各多結晶半導体島１０′の上面にある絶縁膜
１１を除去し、ＰＨ３を用いたイオン注入法によりｎ型
半導体層１４．１５（拡散層）を形成し、次いでこのイ
オン注入法による拡散熱処理工程中に形成されたＳｔｏ
ｗ絶縁膜１６や絶縁膜１１における電極コンタクトとな
る部分をエツチングによって除去し、続いて電子ビーム
蒸着法によって、全面にＡＩ金属膜を形成し、所定パタ
ーンになるようにエツチングして電極配線１７を形成す
ることにより、第８図の３０Ａに示すごとく各多結晶半
導体島１０’に光電変換素子を各々構成した。

さ馴にこの実施例においては、上記単結晶半導体島ｌＯ
″でＭＯＳ　　ＦＥＴからなる周辺回路を形成した。こ
の場合ＭＯ９ＦＥＴ形成部はｐ型であるためゲート酸化
膜１２の下は反転しｎ型となりデイプレッション型ＭＯ
Ｓ　　ＦＥＴが形成される。しかる後電極配線１７等を
被覆保護するため低温気相成長によりＳｉｎ、よりなる
絶縁膜１８を形成し電極バット部（図示せず）上の絶縁
膜１８をホトエツチング技術選択エツチング技術によっ
て除去し、第８図の３０Ｂに示すＭＯＳＦＥＴを作製す
ることにより、同図に示すごとく所望の周辺回路を含む
この発明の太陽電池を得ることができた。

この太陽電池は実施例１で作製したものよりも光電変換
効率の優れたものであった。

実施例３ 第９図及び第１Ｏ図はそれぞれ本実施例の構成説明図及
び平面図を示すものであり、かかる太陽電池はシリコン
ウェハよりなる基体１９．５ｉＯｔよりなる絶縁膜２０
．下部電極とからなりかつ上部より未吸収の光を反射す
る金属電極膜２１、シリコンからなる多結晶半導体島２
２、この半導体島の一部に形成された拡散層２３、上部
電極２４・、Ｓｔｏｗよりなる保護絶縁膜２５及び半導
体島２２からなる各光電変換素子を直列接続する電極配
線２６より構成されている。

この太陽電池は、例えば下記のようにして製造される。

■）シリコンウェハよりなる基体１９の表面を、熱酸化
することにより５ｉｆｔ絶縁膜２０を形成する。

■）絶縁膜２０の上面に、電子ビーム蒸着法やスパッタ
リングによりＴｉ、Ｍｏ、Ｗ％Ｐｔ。

Ｃｒ等の金属膜を形成し、この金属膜をエツチングして
意図する光電変換素子に対応する金属電極膜２１を多数
分画形成する。

■）次に、このウェハを気相成長装置に入れ、９００〜
１１００℃の下でＳ　ｉＨ４及び微量のＰＨ，を導入し
て、全面に多結晶シリコン膜を形成する。

■）次に、この多結晶シリコン膜の表面にホウ素をイオ
ン注入し、拡散層を形成する。このときｐｎ接合層が形
成されろ。

■）次に、この拡散層の上面に、電子ビーム蒸着法によ
って上部電極２４用のＡ１、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ等の
金属膜を形成する。

■）次に、このようにシリコンウェハ上に多層に形成さ
れた膜をエツチングして多数の島状に分離することによ
り、第９図に示すごとく多数の光電変換素子を分画形成
する。

■）次に、この上に、プラズマＣＶＤ法ζこよって５ｉ
Ｏｚ膜を形成し、このＳｔｏｗ膜の金属電極膜２１上部
の一部分及び電極配線２４上部の一部分をエツチングし
て電極窓を設ける。

〜１）次に、この上に上記Ｖ）と同様にしてへ１金属膜
を形成し、これをエツチングして第９図における電極配
線２６を形成する。

かくして所望のＭＩＳ素子制御用太陽電池を作製できる
。この太陽電池は金属膜上に多結晶膜を形成しかつ上部
拡散層側に於いてもＮ極を形成して、下部金属膜により
薄い多結晶膜で吸収しきれなかった光を反射再利用する
ことができ、かつ上下電極により電流を収集することに
上り光電変換効率がより向上されたもので、ホトＭＯＳ
リレーに好適に使用できるものであった。

（へ）発明の効果 この発明のＭＩＳ素子制御用太陽電池は、絶縁分離型で
かつ光電変換素子を多結晶半導体島で構成した構造にも
拘わらずＭＩＳ素子制御に有効な小型の電圧発生素子と
して働くものである。

そして、絶縁膜上への多結晶半導体島の形成は、極めて
簡便に行えるため、この発明の太陽電池は製造工程が簡
便である。また従来の製造法のように支持体として耐え
うるような厚い多結晶半導体層を成長させる必要もなく
材料が少なくすみ、かつ厚い支持多結晶半導体層による
ウェハのソリ等に起因する歩留りの低下もなく歩留りよ
く低コストに製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例のＭＩＳ素子制御用太陽電
池の構成説明図、第２図及び第３図は各々第１図のａｒ
　ｒ　ｓ素子制御用太陽電池の製造工程説明図、第８図
は本発明の他の実施例を示す構成説明図、第４〜７図は
、各々第８図の太陽電池の製造工程説明図、第９図及び
第１０図は本発明の更に他の実施例によって得られた太
陽電池の構成説明図及び部分平面図、第１１図及び第１
２図は従来の誘電体分離法によるＭＩＳ素子制御用太陽
電池の製造工程説明図である。 １．７．１９・・・・・・基体（シリコンウェハ）、３
・・・・・・多結晶シリコン半導体膜、２．５．８．Ｉ
　Ｊ、Ｉ　８．２０．２５・・・・・・絶縁膜、ｌＯ・
・・・・・シリコン膜、 １０’、２２・・・・・・多結晶半導体島、ｌＯ″・・
・・・・単結晶半導体島、 ３０Ａ・・・・・・光電変換素子、 ３０Ｂ・・・・・・ＭＯＳ　　ＦＥＴ。 ６．１７，２１，２４．２６・・・・・・電極配線。 ′″７ 第９図 冨１０図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基体上に、絶縁層を介して複数の半導体光電変換素
   子を分画形成し、かつこの半導体光電変換素子を直列に
   電気接続してなり、 上記半導体光電変換素子が、各々多結晶半導体島から構
   成されてなるＭＩＳ素子制御用太陽電池。 ２、基体が単結晶半導体基板からなり、半導体光電変換
   素子間領域に、この基板から引継がれた単結晶半導体島
   からなる太陽電池周辺回路が組込まれてなる請求項１記
   載の太陽電池。