JPH04286167A - 光起電力装置の製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非晶質半導体を備えた
光起電力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非晶質シリコンで代表される非晶質半導
体は、プラズマＣＶＤ法や蒸着法などの比較的簡便な方
法で良好な膜を形成し得ることから、薄膜半導体の有望
な材料と考えられている。

【０００３】特に、前記非晶質半導体は、その形成の際
に主原料であるシリコン化合物ガスに導電型決定不純物
を含有する反応ガスを添加することにより、容易に導電
性を備えさせ得るため、例えば、光起電力装置の基本構
造であるｐ型層やｎ型層を、一つの反応炉で前記反応ガ
スを切り替えることで連続して形成できることとなる。 この様な非晶質シリコンや非晶質シリコンアロイに関し
ては、特開昭６３−２２２４２５号に詳細に記載されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、斯様な特徴
を有する非晶質半導体でありながら、その一方で、例え
ば先に導電型決定不純物を含有する半導体を形成し、次
に真性の非晶質半導体を形成したならば、前記半導体に
含まれるその導電型決定不純物がその非晶質半導体に拡
散し、該非晶質半導体は汚染されてしまう。

【０００５】この様な汚染は、真性の前記非晶質半導体
の膜質を劣化させ、引いてはこれを有する光起電力装置
の特性を劣化させる。

【０００６】特に、斯る汚染は、真性の前記非晶質半導
体として比較的高温で形成されることを要する非晶質シ
リコンアロイを採用した場合においては著しい。

【０００７】そこで、本発明の目的とするところは、前
記非晶質半導体への前記導電型決定不純物等の拡散を抑
制しえる光起電力装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明光起電力装置の特
徴とするところは、基板上に形成された導電型決定不純
物を含有する半導体上に被着形成された真性の非晶質半
導体を具備する光起電力装置に於て、前記半導体と前記
非晶質半導体との間に、少なくともその一部に含有水素
量が２０原子％以上の真性非晶質シリコンを介在させた
ことにある。

【０００９】

【作用】本発明で使用する前記真性非晶質シリコンは、
膜中の前記含有水素量が２０原子％以上と多いことから
、その膜自体前記導電型決定不純物等の拡散が小さく、
これによる汚染が少なくてすむ。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明光起電力装置の第１の実施例
を示す素子構造図である。図中の（１）は石英やガラス
などからなる透光性絶縁基板、（２）は酸化錫や酸化イ
ンジュウムなどからなる透明導電膜、（３）は導電型決
定不純物を含有するｐ型の非晶質シリコンからなる半導
体、（４）は本発明の特徴である前記含有水素量が２０
原子％以上の真性非晶質シリコン、（５）は真性非晶質
シリコン（４）に被着形成された非晶質シリコンゲルマ
ニュームからなる真性の非晶質半導体、（６）はｎ型の
非晶質シリコンからなる半導体、そして（７）はアルミ
ニュームなどからなる金属膜である。真性非晶質シリコ
ン（４）以外は従来周知のものである。

【００１１】この光起電力装置の製作は次のように行っ
た。透光性絶縁基板（１）上にＩＴＯ膜（Ｉｎｄｉｕｍ
　　Ｔｉｎ　　Ｏｘｉｄｅ）膜（２）を電子ビーム蒸着
法によって形成した後、プラズマＣＶＤ法により半導体
（３）を形成する。前記半導体（３）の形成条件として
、反応ガスは、シランガス１０ｃｃ／ｍｉｎと、メタン
ガス１０ｃｃ／ｍｉｎの混合ガスに、導電型決定不純物
をドーピングするためのジボランガス（Ｂ２Ｈ６）を前
記シランガスとメタンガスの総流量の０．５％以下とな
るように添加したものを使用し、基板温度としては２０
０℃、放電時のガスの圧力を０．１Ｔｏｒｒ、放電電力
を３０Ｗとなるように設定した。尚、その膜厚は１００
Åで、前記光学的禁止帯幅は１．９ｅＶ程度である。

【００１２】次に、前記真性非晶質シリコン（４）は、
プラズマＣＶＤ法によって形成し、その形成条件として
は、シランガス及び水素ガスをそれぞれ２０ｃｃ／ｍｉ
ｎ，１００ｃｃ／ｍｉｎとなるように設定し、放電電力
１０Ｗ、放電時のガス圧力を０．１Ｔｏｒｒに保った。 そして、膜内の含有水素量を制御するために、基板温度
を１００℃一定として形成し、その膜厚は１００Åとし
た。これにより形成された前記非晶質シリコン（４）は
、光学的禁止帯幅が１．８５ｅＶであり、またその含有
水素量が２３原子％程度であった。

【００１３】真性非晶質シリコン（４）に引き続き真性
非晶質半導体（５）をプラズマＣＶＤ法によって形成し
た。 その形成条件としては、シランガス，ＧｅＨ４ガス及び
水素ガスをそれぞれ２０ｃｃ／ｍｉｎ，４ｃｃ／ｍｉｎ
，９６ｃｃ／ｍｉｎとなるように設定し、放電電力１０
Ｗ、放電時のガス圧力を０．１Ｔｏｒｒに保った。 又、基板温度は２５０℃一定として形成し、その膜厚を
３０００Å、その光学的禁止帯幅を１．４ｅＶとなるよ
うにした。

【００１４】次に、非晶質半導体（５）に引き続き、導
電性の半導体（６）であるｎ型非晶質シリコンを形成し
た。 この形成条件は、プラズマＣＶＤ法による場合、シラン
ガス１０ｃｃ／ｍｉｎに　　フォスフィンガスを前記シ
ランガスに対して１０％以下になるように添加し、その
膜厚が２００Åとなるように形成する。この場合の基板
温度は２００℃で、放電電力３０Ｗとし、放電時のガス
圧力は０．１Ｔｏｒｒである。斯る条件によって形成さ
れた膜の光学的禁止帯幅は１．９ｅＶであった。そして
、最後に蒸着法によりアルミニュームを形成して電極（
７）とし、素子を完成させた。

【００１５】図２は、実施例光起電力装置（２１）にお
ける前記導電型決定不純物、即ち実施例の場合にあって
はボロン（Ｂ）の膜厚方向に対する分布特性図で、二次
イオン分析によって前記ｎ型の非晶質シリコン側から分
析した。更に同図には、実施例光起電力装置の他に、該
光起電力装置の本発明の特徴である前記非晶質シリコン
を具備せず他の条件は全て同一として形成した従来の光
起電力装置（２２）の特性も同時に示しているとともに
、図中にｐ型の半導体（３）及び真性非晶質シリコン（
４）の界面位置をも示している。

【００１６】同図によれば、本発明光起電力装置（２１
）の場合にあっては、前記導電型決定不純物の拡散が極
めて小さく、その分布は非常に急峻である。一方、従来
の光起電力装置（２２）の場合では前記導電型決定不純
物の拡散が大きく、ｐ型層とｉ型層の界面が不明瞭とな
っている。

【００１７】本実施例光起電力装置にあっては、その代
表的な電気的特性は、開放電圧０．６４Ｖ，短絡電流２
２．０ｍＡ／ｃｍ２，曲率因子０．５７，変換効率８．
０％であった。一方、従来例光起電力装置にあっては、
前記代表値のそれぞれは、０．６０Ｖ，２１．０ｍＡ／
ｃｍ２，０　．５０，６．３％であった。本実施例光起
電力装置に於ては、前記開放電圧、前記短絡電流のいず
れもが向上している。

【００１８】次に本発明光起電力装置の第２の実施例と
して、図３にダブルグレーデッド型光起電力装置の素子
構造図を、図４に当該光起電力装置の真性半導体部分の
みのバンドプロファイル図を示す。

【００１９】このダブルグレーデッド構造とは、ｐ型や
ｎ型の各導電型の半導体に挟まれた真性半導体をその膜
厚方向に沿って、光学的禁止帯幅を変化させたもので、
特にその途中で前記光学的禁止帯幅の最小値となる部分
を設け、その最小値の部分の前後でその部分から遠ざか
るに従って、前記光学的禁止帯幅を緩やかに増加させた
構造をいう。

【００２０】両図中の符号は以下の内容を示す。（３１
）はガラスや石英等からなる透光性絶縁基板、（３２）
は酸化錫や酸化インジュウムなどからなる透明導電膜、
（３３）は導電型決定不純物を含有する一導電型の半導
体でこの実施例では、ｐ型非晶質シリコンを使用し、（
３４）は本発明の特徴である含有水素量２０原子％以上
を含有せしめた真性非晶質シリコンを一部に含む層であ
るとともに、その光学的禁止帯幅を膜厚の方向に沿って
減少させたものである、（３５）は前記非晶質シリコン
（３４）の光学的禁止帯幅と連続となるように形成され
た真性の非晶質半導体で、実施例では非晶質シリコンゲ
ルマニュームで、斯る膜にあっては前記光学的禁止帯幅
を前記ダブルグレーデッド構造となるように膜形成途中
で前記光学的禁止帯幅が最小となる部分を有するように
変化させてある、（３６）は他導電型のｎ型非晶質シリ
コンからなる半導体、（３７）は電極である。

【００２１】この光起電力装置の製作は以下のように行
った。まず、透光性絶縁基板（３１）上にＩＴＯ膜（３
２）及び半導体（３３）を第１の実施例と同様な方法に
て形成し、次に真性非晶質シリコン（３４）を形成する
。該非晶質シリコン（３４）の前記光学的禁止帯幅を制
御する方法としては、種々の方法があるが、本実施例で
は、膜内の前記含有水素量を変化させて行った。従って
、本例では、本発明の特徴である含有水素量２０原子％
以上の非晶質シリコンを形成するのと同時に、前記光学
的禁止帯幅の制御を同時に行うこととなる。

【００２２】その形成条件としては、プラズマＣＶＤ法
においてシランガス及び水素ガスをそれぞれ２０ｃｃ／
ｍｉｎ，１００ｃｃ／ｍｉｎとなるように設定し、放電
電力１０Ｗ、放電時のガス圧力を０．１Ｔｏｒｒに保っ
た。そして、膜内の含有水素量を制御するために、非晶
質シリコン（３４）の成膜とともに基板温度を５０℃か
ら２５０℃へと漸次昇温させた。

【００２３】特に、昇温過程としては、前記非晶質シリ
コン（３４）が１００Åの膜厚（３４ａ）にまで形成さ
れる過程で前記基板温度を５０℃から１５０℃と変化さ
せ、さらにその後の１００Åの膜厚（３４ｂ）を形成す
る間に１５０℃から２５０℃へと変化させた。実験によ
れば、基板温度と前記含有水素量とは良い相関があり、
例えば２５０℃，１５０℃さらに５０℃のそれぞれの基
板温度では、前記含有水素量は１５、２０，２５原子％
とそれぞれ変化し、これにともない前記光学的禁止帯幅
も１．７，１．８，１．９ｅＶとそれぞれ変化した。

【００２４】斯様な非晶質シリコン（３４）の形成に引
き続き非晶質半導体（３５）を形成する。この非晶質半
導体（３５）の形成条件は、前記プラズマＣＶＤ法を使
用し、その反応ガスとしては、シランガス２０ｃｃ／ｍ
ｉｎにＧｅＨ４ガスを０〜４ｃｃ／ｍｉｎの範囲で添加
し，これらガスに水素ガスを添加することにより、その
総流量が１２０ｃｃ／ｍｉｎになるように調整した。

【００２５】特に、ＧｅＨ４ガスの添加量の変化は、非
晶質シリコンゲルマニュームの光学的禁止帯幅によく対
応する。即ち、前記光学的禁止帯幅が、最小値となる部
分にあっては、ＧｅＨ４ガスの添加量が前記範囲内で最
大となるようにし、前記部分の前後では該ＧｅＨ４ガス
を漸減させた。放電電力は、１０Ｗ、放電時ガス圧を０
．１Ｔｏｒｒに保ち、基板温度は２５０℃とした。

【００２６】これにより、図４に示す如く初期の膜厚５
００Åの範囲の非晶質半導体（３５ａ）を前記光学的禁
止帯幅が１．７ｅＶから１．４ｅＶとなるように漸減さ
せ、これに引き続く２５００Åの範囲の非晶質シリコン
（３５ｂ）では前記光学的禁止帯幅が１．４ｅＶから１
．７ｅＶになるように漸増させた。これにより、ダブル
グレーデッド構造が構成し得る。

【００２７】次に、ｎ型非晶質シリコンである他導電型
半導体（３６）を第１の実施例と同様の形成条件によっ
て成膜した。そして、最後に、アルミニュームやクロム
などからなる金属膜の電極（３７）を形成し、素子を完
成した。

【００２８】本発明光起電力装置にあっては、真性非晶
質シリコン（３４ａ）の膜厚と、これに含まれる含有水
素量が重要である。

【００２９】図５は、真性非晶質シリコン（３４ａ）の
膜厚が前記光起電力装置の特性に与える影響を示す特性
図である。前記特性としては、光起電力装置の曲率因子
を採用した。前記曲率因子は、１の値に近いもの程良好
な特性であることを意味する。

【００３０】同図によれば約４０Åから約１２０Åの範
囲内で０．６０を越える良好な特性を示している。この
理由としては、前記膜厚が約４０Å以下の場合ではその
膜厚が薄すぎるため、前記非晶質半導体（３５）が前記
半導体（３３）からの導電型決定不純物、実施例ではボ
ロン（Ｂ）の拡散による影響を受け、前記非晶質半導体
（３５）内の内部電界が弱くなってしまうためであり、
一方前記膜厚が約１２０Å以上の場合では、前記拡散に
よる影響は小さくなるものの該非晶質半導体が前記半導
体（３３）から遠くなり過ぎ、前記非晶質半導体（３５
）内に有効な電界が発生しないことによるものである。

【００３１】次に、前記真性非晶質シリコン（３４ａ）
の含有水素量に関するものとして、図６に、前記含有水
素量を変化させた場合の、該非晶質シリコン（３４ａ）
への前記導電型決定不純物の拡散距離の変化を示してい
る。尚、その含有水素量の変化は、前記基板温度を制御
することによって行い、非晶質シリコン（３４ａ）の膜
厚は図５より得られた好適な範囲内にある１００Å一定
としている。

【００３２】従って、横軸は、前記基板温度のスケール
に加えて、その各基板温度によって形成した場合の膜中
の含有水素量のスケールをも同時に対応させ示している
。

【００３３】これによれば、前記拡散距離が１００Å以
下となるように前記導電型決定不純物の拡散を有効に阻
止するためには、２０原子％以上の含有水素量を有する
非晶質シリコンを使用することが好ましいことが判る。

【００３４】第２の実施例のダブルグレーデッド構造の
光起電力装置の代表的な光起電力特性としては、開放電
圧０．７０Ｖ、短絡電流２１．５ｍＡ／ｃｍ２、曲率因
子０．６１、変換効率９．２％であった。一方、本発明
の特徴である含有水素量が２０原子以上の真性非晶質シ
リコンを具備しない従来のダブルグレーデッド構造の光
起電力装置にあっては、開放電圧０．６６Ｖ、短絡電流
２０．２ｍＡ／ｃｍ２、曲率因子０．５９、変換効率７
．９％あり、本発明光起電力装置がその特性向上の面で
優れていることが確認できている。

【００３５】尚、第２の実施例で前記非晶質シリコン（
３４ｂ）として示し含有水素量２０％未満となる部分は
、従来の光起電力装置用バッファ層に相当するもので、
本発明の効果を呈するための必須のものではない。従っ
て、本発明の効果を呈するためには、前記非晶質シリコ
ン（３４）として少なくともその一部に前記含有水素量
が２０原子％以上の真性非晶質シリコンを有しておれば
良い。更には又、斯様な含有水素量を有する真性非晶質
シリコンであれば、実施例で使用した様な前記光学的禁
止帯幅が膜厚に沿って変化するものである必要は必ずし
もなく、膜厚方向に沿って均一なものであってもよい。

【００３６】第２の実施例では、非晶質シリコン（３４
ｂ）と非晶質シリコンゲルマニューム（３５）との接触
部において、それらの前記光学的禁止帯幅を連続とする
ように設計し形成したが、本発明はこれに限られるもの
ではなく、例え前記接触部が不連続となっても、本発明
の効果である前記導電型決定不純物等の拡散の抑制効果
を得ることができる。但し、光キャリアの収集等の向上
を図るためには、本実施例の様に前記光学的禁止帯幅が
連続となるように構成する方が好ましい。

【００３７】両実施例では、導電型の半導体として非晶
質半導体で説明したがこれに限られず、多結晶半導体や
単結晶半導体であってもよく、更に、実施例では、導電
型の半導体の間に配置された半導体については、真性の
非晶質シリコンゲルマニュームを使用したが、これ以外
に非晶質シリコンカーバイド等であってよい。

【００３８】前述した実施例では、基板からｐ型半導体
、真性非晶質半導体及びｎ型半導体を順次形成した構造
であるが、これに対し基板側からｎ型半導体、真性非晶
質半導体及びｐ型半導体を順次形成し得る場合にあって
は、前記ｎ型半導体と前記真性非晶質半導体の界面に、
本発明の特徴である含有水素量２０原子％以上の非晶質
シリコンを介在せしめればよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明光起電力装置によれば、導電型決
定不純物の拡散が抑制し得ることから光起電力装置とし
ての特性の向上が果たし得る。

【００４０】更に、本発明で使用する含有水素量が２０
原子％以上の真性非晶質シリコンは、その形成条件が、
通常穏やかな形成状態の範囲内となることから、この真
性非晶質シリコンの形成に先だって形成されている導電
型決定不純物を含有する半導体へのその形成の際の損傷
を少なくでき、該損傷に基づく前記導電型決定不純物の
拡散が抑制しえるという効果も備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光起電力装置の素子構造断面図である。

【図２】前記光起電力装置に於ける導電型決定不純物の
分布特性図である。

【図３】本発明光起電力装置の第２の実施例の素子構造
断面図である。

【図４】前記光起電力装置におけるｉ型半導体部分のバ
ンドプロファイル図である。

【図５】非晶質シリコンの膜厚に対する前記光起電力装
置の曲率因子との関係を示す特性図である。

【図６】非晶質シリコンの含有水素量に対する導電型決
定不純物の拡散距離の関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１──基板 ３──半導体 ４──真性非晶質シリコン ５──非晶質半導体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に形成された導電型決定不純物
   を含有する半導体上に被着形成された真性の非晶質半導
   体を具備する光起電力装置に於て、前記半導体と前記非
   晶質半導体との間に、少なくともその一部に含有水素量
   が２０原子％以上の真性非晶質シリコンを介在させたこ
   とを特徴とする光起電力装置。