JPH0516672B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 この発明は、表示素子好ましくは液晶表示パネ
ルを設けることにより、マイクロコンピユータ、
ワードプロセツサまたはテレビ等の表示部の固体
化を図る固体表示装置、メツセージセンサまたは
液晶プリンタに応用する非線型特性を有する半導
体装置に関するものである。

「従来の技術」 固体表示パネルは各絵素を独立に制御する方式
が大面積用として有効である。このようなアクテ
イブ素子を用いたパネルとして、アモルフアスシ
リコンをすべての画素と１：１に連結して用いる
NIN接合構造の非線型素子が知られている。し
かし、このNIN接合を用いんとしても、そのNI
またはIN接合界面がどのようになつているか不
明であり、十分なＶ−Ｉ特性における原点対称の
非線型特性を得るに至つていない。

第２図Ａ〜Ｄに従来より公知のNIN接合型の
非線型素子の動作原理の概要を示す。

第２図ＡはＮ１２，Ｉ１３，Ｎ１４構造を有す
る半導体２である。この場合はＮ，Ｉ，Ｎのすべ
ての半導体に水素を含む珪素の非単結晶半導体で
ある。

その厚さはＮ１２700Å、Ｉ１３4000Å、Ｎ１
４700Åである。電圧が端子２１，２２間に印加
されていない場合のエネルギバンド図を第２図Ｂ
に示す。これに対して、もし基板側端子２１に比
べて２２に正の電圧（Va）がかかると、第２図
Ｃのエネルギバンド構造となる。すると電子４３
は障壁４１が４１′にその高さを低くするに準じ
て順方向の電流として流れる。

加えてNI界面３１はＮ型半導体層２１を構成
する不性物のリンの一部がＩ型半導体２３内にプ
ラズマCVDでの被膜形成の際混入してしまうた
め、界面近傍のＩ層がN^-傾向に変成してしまう。
このためNI界面の＋Vaの印加によるバリアの障
壁が十分低くなり、結果として第４図５１の如く
１〜2Vの低いしきい値電圧しか得られない電流
特性が得られた。

この時、他の障壁４２，３２（第２図Ｂ）は障
壁を構成せず、電流の流れに対しバリアを構成し
ない。

また、逆に端子２２に負の電圧−Vaが加わる
と（第２図Ｃ）障壁４２は４２′となり、そのＮ
型半導体層１４の電子４３′が４２′より１３へと
流れる。かかる従来例の珪素のみでのプラズマ
CVD法により形成する場合には、Ｉ層１３の珪
素がＮ層１４に混入し、このＮ層１４の界面近傍
をN^-化する傾向にするため、中間領域３２は広
く、かつ−Vaが変わつてもバリアの高さ４２′は
十分低くなり得ない。結果としてNIN構造を形
成させたPIN接合のダイオードの如き非対称の特
性を得ることになりがちである。

「発明が解決しようとする問題点」 しかし非線型素子を用いんとして、基板上にＮ
層Ｉ層Ｎ層をプラズマCVD法により漸次積層し
ていつても、このNI界面ではＮ型不純物である
リンがＩ型半導体層内に混入する。またIN界面
ではＩ型半導体とＮ型層との混合N^-層が界面領
域にできてしまう。このような界面での不純物お
よび構成成分のおたがいの混合が存在するなら
ば、そのＶ−Ｉ特性において対称性を有せしめる
ことがまつたく不可能であつた。

「発明の目的」 かくの如き非対称のダイオード特性を排除し、
原点に対し対称性を与えることが本発明の目的で
ある。加えてＩ層内に炭素を加えることにより、
しきい値の大小の制御を行うことが他の目的であ
る。

「問題を解決するための手段」 本発明はかかる問題を解決するため、水素また
はハロゲン元素が添加された非単結晶半導体より
なる非線形素子を用い、かつそのＩ型半導体とＮ
型半導体との界面に炭素を多量に添加した
SiXC_1-X（０＜Ｘ＜１）を設け、かかるバリア層
により被膜形成時における不純物および構成分の
混合を防がんとするものである。さらに本発明は
このＩ型半導体中には微量の炭素を添加したSi−
SiXC_1-X（０＜Ｘ＜１）−Si構造を有せしめたこと
を主としている。

かかる本発明に用いる非線形素子は、１つの
PIN接合とその上下にコンタクトを有する電極よ
り構成されるダイオードを用いるのではなく、一
対の電極とはそれぞれオーム接触性を有するが、
逆向整流特性を構成する複合ダイオードを有する
素子よりなるもので、その代表例はＮ型半導体−
Ｉ型（以下真性または実質的に真性という）半導
体−Ｎ型半導体を積層して設けたNIN構造、即
ちNI接合とIN接合とが電気的に逆向きに連結さ
れ、かつ半導体として一体化したNIN接合を有
する半導体をはじめ、その変形であるNN^-N、
NP^-N、PIP、PP^-PまたはPN^-P構造を有せしめ
た複合ダイオードである。

かかる複合ダイオードのスレツシユホールド電
圧は、ダイオード特性を互いに逆向きに相対せし
め、そのビルドイン（立ち上がり）電圧（しきい
値）はNI接合のＮ型半導体とＩ型半導体または
NI界面近傍での導電性を決める微量のリン等の
不純物と、エネルギバド巾を決める炭素等の不純
物および添加物の濃度で決めることができる。こ
のため、製造プロセスを制御することにより、所
望の素子のしきい値電圧の値およびしきい値以下
での電流の流れにくさおよびしきい値以上での電
流の流やすさを制御し得る。さらに絶縁膜−半導
体の界面物性を用いず、半導体−半導体接合方式
であるため、温度処理、Ｂ−Ｔ処理（バイアス−
温度）処理に対し不安定性がないという特長を有
する。

このため、固体表示素子である例えば液晶に対
し、交流バイアスを液晶の他方の電極リードのレ
ベルを制御することにより制御し得、階調制御も
可能であるという特徴を有する。

「作用」 かかる界面に十分薄い、即ち好ましくはトンネ
ル電流を流しえるSiXC_1-X（０＜Ｘ＜１）でかつ
大きなエネルギバンド巾を有するバリアを設ける
ことにより、Ｎ型半導体とＩ型半導体との界面で
の大電流を流すことによるアモスフアス半導体特
有の接合部が「なまつてしまう」ことを防止で
き、高信頼性を有するNIN接合型非線型半導体
を作製することができる。

以下に実施例に従つて本発明を説明する。

実施例 １ 第１図Ａは実際の素子構造の縦断面図を示して
いる。

第１図Ａにおいて、透光性絶縁基板として無ア
ルカリガラス２０を用いた。この上面にスパツタ
法または電子ビーム蒸着法により導電膜である
ITOまたは酸化スズ膜を0.1〜0.5μの厚さに、さ
らにこの上面に遮光用クロムを300〜2500Åの厚
さに同様に積層形成した。この後、この導電膜に
パターニングを第１のマスクより行い、不要部
を除去して電極を形成した。

この後、これらの全面にプラズマ気相反応法に
よりNIN構造を有する水素またはハロゲン元素
が添加された非単結晶半導体よりなる複合ダイオ
ードを形成した。即ち、Ｎ型半導体１２をシラン
を13.56MHzの高周波グロー放電を行うことによ
り、200〜250℃に保持された基板上の被形成面上
にアモルフアス構造を有する非単結晶半導体を作
る。その電気伝導度は10^-5〜10^-3（Ωcm）^-1を有
し、50〜500Åの厚さとした。さらに次に10^-6〜
10^-7torrまで、十分に真空引きをした。さらに、
シラン（SimH_2n+2例えばｍ＝１のSiH₄）にメチ
シラン（SiH_o（CH₃）_4-o ｎ＝１〜３）を混入さ
せた。即ち、ｎ＝２では、H₂Si（CH₃）₂／SiH₄＝
１／10〜１／200例えば１／50（流量c.c.）とした。
この混合反応性気体をプラズマ反応炉内に導入
し、プラズマ反応をさせ、Ｉ型の水素またはハロ
ゲン元素が添加されたSiXC_1-X（０＜Ｘ＜１）で
示される非単結晶半導体１３を0.2〜1μの厚さに、
例えば0.4μの厚さＮ型半導体上に積層して形成し
た。さらに、10^-6〜10^-7torrまで十分真空引きを
した。再び、同様のＮ型半導体１４をアモルフア
ス構造として50〜500Åの厚さに積層してNIN接
合とした。

この後、この上面に、CTFとしてのSnO₂また
はITOを500〜1500Åの厚さに、さらにリードお
よび電極となるクロムまたはアルミニユーム
（500〜1500Å）を電子ビーム蒸着法またはスパツ
タ法により積層した。さらに、電極２２、複合ダ
イオード２として設ける領域を除き、他部を第２
のフオトマスクを用いてフオトエツチング法に
より除去して第２の電極を構成した。

即ち第２図Ａにおいて、ガラス基板２０上の透
光性導電膜１７、クロム電極１１よりなる第１の
電極２１，Ｎ１２，Ｉ１３，Ｎ１４半導体積層体
よりなるNIN接合型複合ダイオード２，CTF１
５、クロムまたはアルミニユーム１６よりなる第
２の電極２２よりなつている。このNIN構造の
記号が第２図Ｂに記されている。

第４図に本実施例において作製した半導体装置
の電圧−電流特性を示した曲線５２，５２′を示
す。

また比較のための本実施例におけるＩ型半導体
層の成膜時にH₂Si（CH₃）₂を全く添加しない雰囲
気で成膜を行つた場合に作製される半導体装置
（H₂Si（CH₃）₂を全く添加しない点以外において
は本実施例と同じ構成を有する半導体装置）の電
圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を曲線５１，５１′
として示す。

この図の曲線５１より炭素がＩ層に添加されて
いない従来の半導体装置においてはそのしきい値
が１〜2V程度しかないことがわかる。

それに対して本実施例において作製された半導
体装置は10V以上のしきい値電圧が得られている
ことがわかる。

また原点に対する対称性も曲線５２，５２′す
なわち本実施例のＶ−Ｉ特性の方がよいことがわ
かる。

このように本実施例に示した半導体装置のＩ型
半導体層に炭素を添加した場合、同じ構成の炭素
を添加しない半導体装置に比べてそのしきい値電
圧は高く、Ｖ−Ｉ特性の対称性も向上することが
わかる。

上記に記した２点が本発明の構成をとつた場合
に実験的に得られる顕著な効果であるが、以下に
第３図Ａ〜Ｄ、本発明の実施例におけるＶ−Ｉ特
性を示した第４図を用いて本発明の動作原理およ
び効果について説明する。

第３図Ａは水素が添加された非晶質珪素よりな
るＮ型半導体（厚さ500Å以下好ましくは100〜
200Å）の第１の半導体Ｎ１２、水素が添加され
たSiXC_1-X（０＜Ｘ＜１）で示される真性または
実質的に真性の非晶質半導体よりなる第２の半導
体Ｉ１３、第１の半導体と同一特性を有する第３
の半導体Ｎ１４構造を有する半導体２である。そ
の厚そはＮ１２は100〜200Å、Ｉ１３は2000〜
4000Å、Ｎ１４100〜200Åである。この場合の電
圧が基板側端子２１を基準として２２に印加され
ていない場合におけるエネルギバンド図を、第３
図Ｂに示す。この図面において、NI界面３１、
IN界面３２は概略同一曲線性３１，３２を有し
ている。

これは上記に記した本実施例である半導体装置
の電気的特性として得られたＶ−Ｉ特性より説明
される。

本発明の構成においてはIN界面が２カ所ある
が、もしIN界面においては珪素のＮ層への混合、
あるいはＮ層からのリンの混入にがあると、一般
にこの２カ所のIN界面において同じような構成
成分の混合あるいは不純物の拡散が起こることは
有り得ない。例えば、一般に気相化学反応法によ
つて第１のＮ型半導体層、Ｉ型半導体層、第２の
Ｎ型半導体層と順に積層していく場合において、
第１のＮ型半導体層を成膜した後Ｉ型半導体層を
成膜する際、前に成膜した第１のＮ型半導体層は
Ｉ型半導体層を形成するための活性化した反応ガ
スに表面が曝されることになる。この結果第１の
Ｎ型半導体層の表面はＩ型半導体層を形成するた
めの反応ガスの反応エネルギーにより活性化し、
Ｉ型半導体層を形成するための反応ガスと反応し
てしまう。

この結果第１のＮ型半導体層の表面付近におい
て、Ｉ型半導体層を構成する元素すなわち珪素が
混合してしまう。

また、Ｉ型半導体層を成膜した後、第２のＮ型
半導体層を成膜する際において、今後はＩ型半導
体層表面が第２のＮ型半導体層を成膜するための
反応ガスの反応エネルギによつて活性化されるの
でＩ型半導体層表面付近に第２のＮ型半導体層に
添加される不純物元素例えばリンが混入拡散して
しまう。

この結果二つのIN界面における不純物および
構成成分の混在の状態が違つてしまう。

以上のように一般に二カ所のIN界面における
構成成分の混合あるいは不純物の拡散の状態はア
ンバランスであるのが現実である。

この結果、構成成分の混在比、あるいはリン等
の一導電型を付与する不純物の濃度は、この二カ
所のIN界面近傍において異なつていると認識す
るのが自然である。

このような異なつた構成成分の混在比、あるい
は一導電型を付与する不純物であるリンの濃度を
有する二つのIN界面近傍のエネルギーバンド図
の状態は当然異なつていると考えられる。

二つのNI界面近傍のエネルギーバンド図の状
態が異なつていれば、この半導体装置のＶ−Ｉ特
性は、原点に対する対称性が二つのNI界面近傍
のエネルギーバンド図の状態の違いに応じて崩れ
るはずである。

しかるに従来の炭素がＩ層に添加されていない
半導体装置においては実測されたＶ−Ｉ特性の原
点に対する対称性が著しく崩れていた。これは第
４図５１，５１′を見れば明らかである。

それに対して本発明の構成である炭素をＩ層に
添加した本実施例においては明らかに原点にたい
する対称性を持つたＶ−Ｉ特性が得られていると
がわかる。これは第４図５２，５２′を見れば明
らかである。

ここで、Ｖ−Ｉ特性の原点に対する対称性の崩
れる原因を構成成分の混合あるいは不純物の拡散
にあると認識するならば、本実施例におけるのＶ
−Ｉ特性の原点に対する対称性のよさは、構成成
分の混合あるいは不純物の拡散が起こらないため
であると結論できる。

以上のことより一般的に考えて実験的に得られ
るデータであるＶ−Ｉ特性の原点に対する対称性
のよさは、炭素を添加することによつて不純物お
よび構成成分の混合を防止できたためであると考
えらのが自然である。

こうして炭素を添加することによつて、第３図
Ｂのエネルギーバンド図で示される電気的特性を
本実施例が有することがわかる。

この場合のＩ層内へのDMS（ジメチルシラン）
の添加はＩ層内で一定とした。即ち第１図Ｃに示
す如くＩ層形成の際、DMS／SiH₄＝１／50とし
た。

第３図Ｃにおいて、基板２１に比べて２２に正
の電圧（＋Va）を印加すると、第３図Ｃのエネ
ルギバンド構造となる。すると電子４３は、障壁
４１が４１′にその高さを低くするに準じて順方
向の電流として流れる。そして第５図曲線５２を
得る。

また、逆に、端子２２に負の電圧（−Va）が
加わると、Ｄに示されるごとく、障壁４２が４
２′と低くなり、そのＮ型半導体層１４の電子４
３′が１４より１３へと流れて、第５図曲線５２
を得る。

結果として、第５図に示す如き非線型特性５
２，５２′を第３図Ｃ，Ｄに対応して有せしめる
ことができる。

またＩ層に炭素を添加したため、＋Vaにおいて
は、しきい値を１〜2Vより高く、例えば10V以
上にし得る。加えてこのＩ層中の炭素がSiXC_1-X
と珪素と十分結合し炭化珪素するため、IN界面
３２における珪素のＮ層への混合を防ぎ、逆方向
側（−Va側）も５１′より５２′としきい値を低
く、かつ５２と原点に対し対称性を有せしめ得
る。

即ち、NIN接合にあつては、立ち上がり電圧
（しきい値電圧）１００，１００′はこの第３図に
おける障壁の高さ４１，４２および巾３１，３２
により決められる。

実施例 ２ 本発明においては、実施例１におけるＩ層側の
NI界面、IN界面をより急峻とするため、第１図
Ｄに示すごとくに炭素の添加量を界面近傍に増加
させた。即ち、第２の半導体を形成する初期工程
において、メチルシラン／シランの比を多くし
て、プラズマ気相法で５〜30Åのきわめて薄い厚
さにバリア３４を形成させた。

本実施例におけるＶ−Ｉ特性として第４図の曲
線５３，５３′を得ることができた。

この曲線より、実施例１に対してしきい値１０
０，１００′がさらに急峻となることがわかる。

加えて、このNI界面、IN界面の双方に対して
５〜30Åのトンネル電流を流しえる障壁（バリ
ア）３４，３５を作り、第１図Ｅの構成とする
と、Ｖ−Ｉ特性として第４図曲線５４，５４′を
得ることができた。

この第４図のＶ−Ｉ特性を縦軸に対しログスケ
ールとして第５図に対応して示す。すると、第１
図Ｄ，Ｅに示す如き界面に炭素を高濃度とし、不
純物、構成物のそれぞれの層での混合を防止する
バリアを構成させると、しきい値が＋Vaと−Va
において対称特性をより有するに加えて、第５図
での低電流領域である発生領域６１，６１′はよ
り平坦になり、大電流領域である６２，６２′の
拡散電流領域はより急峻に立ち上がるため、
「ON」、「OFF」の境界を示すしきい値１００，
１００′をより明確にすることができ得る。

「効果」 本発明は以上に示す如く、対称型のＶ−Ｉ特性
を有する複合ダイオードをそのしきい値を急峻に
して構成せしめるため、Ｉ層とＮ層との界面また
はその近傍に炭素を添加したものである。その結
果、しきい値以下の電圧での電流を平坦にし、こ
のしきい値以上の電圧での電流を急峻にせしめる
特性用のプロセス制御を行うことができる。

さらに、この非線型素子はその応用である表示
素子に用いる液晶およびＳ／Ｎ比に適したしきい
値を、Ｉ層への炭素の添加量の制御を行うことに
より成就できた。

本発明において、Ｉ層内に炭素を添加した。し
かし炭素ではなく、酸素または窒素としてもよ
い。しかしこれらは絶縁物化しやすいため、その
添加量の制御がより微妙であり、製造のしやすさ
では炭素に比べて困難さを有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の複合ダイオードの縦断面図
Ａ，ＢおよびＩ層への炭素添加の濃度分布Ｃ，Ｄ
を示す。第２図は従来より公知のアモルスアスシ
リコンのみを用いたNIN接合の動作特性を示す。
第３図は本発明のＩ層内に炭素を添加したNIN
接合型複合ダイオードの非線形素子の動作原理を
示す。第４図、第５図は従来の特性５１，５１′
および本発明の特性５２，５２′，５３，５３′，
５４，５４′を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 非線型特性を有するスイツチング素子におい
   て、前記スイツチング素子は、一導電型を有する
   第１の非単結晶珪素半導体層と、該層上の真性ま
   たは実質的に真性の第２の非単結晶珪素半導体層
   と、該層上の前記第１の非単結晶珪素半導体層と
   同一導電性を有する第３の非単結晶珪素半導体層
   とを有し、かつ前記第１または第３の半導体層
   と、前記第２の半導体層との界面またはその近傍
   は炭素が添加されて設けられたことを特徴とする
   スイツチング素子。