JPH065767B2 - 半導体デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には半導体デバイスに係り、より特定的
には(1)電流分流欠陥領域を通る電流の流れを実質的に
減少させるのに適したバリヤー層を有する改良された薄
膜形光起電力デバイスと、(2)前記バリヤー層を有する
改良光起電力デバイスの製法とに係る。

本明細書で開示する改良された光起電力デバイス(1)よ
り大きな動作信頼度をもち、(2)より大きな動作効率を
有し、且つ(3)より大きな効果をもたらすように製造さ
れる。本明細書ではこの改良された光起電力デバイスの
製法をも開示する。本発明は特に(1)半導体活性乃至能
動要素が比較的薄い膜として基板電極上にテポジットさ
れ次いで第２電極により被覆されているような面積の広
い薄膜形のアモルファス光起電力デバイスと、(2)アモ
ルファス半導体合金を用いる前記薄膜形広面積光起電力
デバイスの製造とに使用し得る。

単結晶光起電力デバイス、特に結晶性シリコン光起電力
デバイスは本質的に非汚染性であり、作動中も静かで且
つ消耗性天然資源を消費しないという理由からしばらく
の間電力源として使用されていたが、このようなデバイ
スには製造上の問題があり、従って余り実用的ではな
い。より詳細に言えば、単結晶材料は(1)の直径数イン
チのサイズより実質的に大きいサイズに形成することが
難しく、(2)これと等価のアモルファス材料より厚くて
重く、且つ(3)製造に多くの費用と時間を要する。

近年、アモルファス半導体材料をデポジットさせるシス
テムを開発すべくかなりの研究がなされてきた。これら
の材料はいずれも比較的広い領域を覆うことができ、且
つドーピングによりＰ形及びｎ形材料を形成し得るもの
であり、これらｐ形及びｎ形材料を用いれば結晶性光起
電力デバイスと実質的に等価の動作を示すｐ−ｉ−ｎ形
光起電力デバイスを製造できる。ここで使用される「ア
モルファス」なる用語は長距離無秩序を有する全ての材
料又は合金を含むが、これらの材料又は合金は短距離も
しくは中距離の秩序をもつものであってもよく、又は時
には結晶性介在物さえ含み得るものと理解されたい。

現在ではグロー放電デポジション又は真空デポジション
等の技術によりアモルファスシリコン合金を製造するこ
とが可能である。これらの合金は(1)エネルギギヤップ
内に許容し得る局在状態密度を有し、且つ(2)高品質の
電子特性を示す。前記の技術は１９８０年１０月７日付
でStanford R. Ovshinsky及びArun Madan宛に公布され
た米国特許第４，２２６，８９８号「Amorphous Semico
nductors Equivalent To Crystalline Semiconductors
（結晶性半導体と等価のアモルファス半導体）」；１９
８０年８月１２日公布のStanford R.Ovshinsky及びMasa
tsugu Izuによる同一名称米国特許４，２１７，３７４
号；並びに、Stanford R.Ovshinsky,David D.Allred,Le
e Waltera及びStephen J, Hudgensの米国特許出願シリ
アルNo第４２３，４２４号「Method of Making Amorpho
us Semiconductor Alloys And Devices Using Microwav
e Energy（アモルファス半導体合金の製造及びマイクロ
波エネルギを用いるデバイス）」に詳述されている。こ
れらの特許及び特許出願に開示されている如く、アモル
ファスシリコン半導体層内に導入されたフッ素はこの層
の局在状態密度を実質的に低下させてゲルマニウムの如
き他の合金材料の添加を容易にする。

光起電力デバイスの効率を高めるために多重セルを使用
するという構想は遅くとも１９５５年にはE.D.Jackson
により示されていた。これは１９６０年８月１６日付米
国特許第２，９４９，４９８号に記載されている。この
米国特許で検討された多重セル構造はｐ−ｎ接合形結晶
性半導体デバイスを利用するものであった。この構想の
本質はバンドギヤップが豊なる複数のデバイスを用いて
太陽スペクトルの種々の部分より効率的に集め、開放回
路電圧(Voc)を増大させることにある。タンテム形セル
デバイスとは２つ以上のセルをもち、光が各セルを順次
通過するよう構成されたデバイスであって、第１セルで
はバンドギヤップの大きい材料が波長の短い光のみを吸
収し、次のセルではバンドギヤップのより小さい材料が
第１セルを通過したより長い波長の光を吸収する。各セ
ルで発生した電流を実質的に整合させれば全体的開放回
路電圧は各セルの開放回路電圧の合計に等しくなり、そ
の短絡電流はほぼ一定に維持される。多重セルは基板上
で反射した後セルの半導体層を通して送り返えされる入
射光の割合を増すために逆反射体を備えているのが好ま
しい。逆反射体を使用すれば多重セルの動作効率が上昇
することは明白であろう。従って、基板上にデポジット
される層は半導体層を介して逆反射体の反射面から送り
返される入射光をかなりの割合で通過させるべく必ず透
明にすることが重要である。

太陽電池を製造する場合にはバツチ処理するしかない結
晶性シリコンと異なり、アモルファスシリコン合金は面
積の広い基板上に多重層状にデポジットさせ得るため太
陽電池を連続処理システムで大量生産することができ
る。この種の連続処理システムは次に挙げる出願中の特
許出願に記載されている：１９８０年５月１９日出願シ
リアルNo第１５１，３０１号「A Method of Making P-D
oped Silicon Films And Devices Made Therefrom（ｐ
−ドープされたシリコン膜の製法及び該膜で形成される
デバイス）」；１９８１年３月１６日出願、シリアルNo
第２４４，３８６号、「Continuous Systems For Depos
iting Amorphout Semiconductor Material（アモルファ
ス半導体材料をデポジットさせるための連続システ
ム）」；１９８１年３月１６日出願、シリアルNo第２４
０，４９３号、「Continuous Amorphout Solar Cell Pr
odection System（連続的アモルファス太陽電池製造シ
ステム）」；１９８１年９月２８日出願、シリアルNo第
３０６，１４６号「Multiple Chamber Deposition And
lsoiation System And Method（多重室形デポジション
及び分離のシステムと方法）；１９８２年３月１９日出
願、シリアルNo第３５９，８２５号「Mathod And Appar
atus For Continuously Producing Tandem Amorphous P
hotovoltaic Cells（タンテム形アモルファス光起電力
セルを連続的に製造するための方法と装置）」；１９８
３年１月２４日出願、シリアルNo第４６０，６２９号
「Method And Apparatus For Continuously Producing
Tandem Amorphous Photoroltaic Cells」。これらの特
許出願に開示されているように、基板は一連のデポジシ
ョンチヤンバを順次通過しながら継続的に前進し得、各
チヤンバは夫々特定の半導体材料をデポジットするのに
使用される。ｐ−ｉ−ｎ形製造の光起電力デバイスを製
造する場合は第１チヤンバでｐ形半導体合金をデポジッ
トさせ、第２チヤンバで真性アモルファス半導体合金を
デポジットさせ、且つ第３チャンバでｎ形半導体合金を
デポジットさせる。デポジットされた各半導体合金、特
に真性半導体合金は純度が高くなければならないため、
(1)真性デポジションチャンバ内のデポジション環境を
特殊な構造のガスゲートにより他のチャンバ内のドーピ
ング成分から分離してこれらドーピング成分が該真性チ
ャンバ内に拡散するのを阻止し、(2)デポジション処理
を始める前に基板を入念に洗浄して汚染物質を除去し、
(3)集合して１つのデポジション装置を構成する全ての
チャンバを封鎖して漏洩を防止して周囲の汚染物質の流
入を回避し、(4)該デポジション装置にスウィープガス
を流し込んで内壁から汚染物質を除去し、且つ(5)最高
純度の反応ガズのみを使用して半導体材料デポジット膜
を形成する。換言すれば、デポジション装置の種々のチ
ャンバで構成される真空容器内のスペースを如何なる類
の不純物からも保護して汚染されないようにすべくでき
るだけの措置を講じるのである。

このようにしてデポジション装置の真空チャンバ内でデ
ポジットされた半導体材料層は１つ以上のｐ−ｉ−ｎセ
ル、１つ以上のｎ−ｉ−ｐセル、ショットキーバリヤ
ー、ホトダイオード、ホトトランジスタ又は類似の素子
を含む光起電力デバイスの形成に使用し得る。加えて、
一連のデポジションチャンバを通過する多重パスを形成
するか、又は別のデポジションチャンバ列を具備すれば
種種の形態を有する多重に積重ねたセルが得られる。

以上の説明から明らかなように、薄膜アモルファス半導
体材料は新規に開発された量産プロセスにより簡単且つ
経済的に製造できるという理由から結晶性材料とは異な
る幾つかの利点が得られる。しかし乍ら前述の方法によ
る半導体材料の製造では電流分流欠陥の存在が確認され
た。これらの欠陥は(1)これらの材料で製造された光起
電力デバイスの性能を著しく低下させ、且つ(2)生産率
に悪影響を及ぼした。このような製法に関連した欠陥は
(1)基板電極の形態に存するか、又は(2)の半導体層のデ
ポジション処理中に発生するものと考えられる。本発明
はこれら電流分流欠陥の効果を完全に消去するか又は少
なくとも実質的に低減させることを目的とする。

前記欠陥中最も重要なものは「分流」又は「短絡」なる
欠陥又は欠陥領域であると見なし得る。これら欠陥の考
えられ得る原因を説明する前に、デポジットされた半導
体層の厚みを考察する。典型的ｐ層の厚みは約４００オ
ングストローム、典型的ｉ層の厚みは約３５００オング
ストローム、典型的ｎ層の厚みは２００オングストロー
ムであり得、従って半導体ボディ全体の厚みは約4100オ
ングストロームにしかならない。そのため不規則性（ir
regularities）は如何に小さなものでもデポジットされ
た半導体層ではカバーし難い。

分流欠陥は１つ以上の低抵抗電流通路が光起電力デバイ
スの電極相互間に形成された時に発生する。分流欠陥が
生じた光起電力デバイスは動作状態下で(1)該デバイス
の電極に集められた電流が外部の負荷よりむしろ前記欠
陥領域（抵抗の極めて小さい通路）を通って流れるため
小さい出力しか示さないか、又は(2)該デバイスを「焼
き切る」程の電流が前記欠陥領域を介して分流されると
完全に故障する。

分流タイプの欠陥は常に光起電力デバイスの性能に悪影
響を及ぼすが、この影響はこれらの欠陥をもつデバイス
がＡＭ１の如き強い照明に比べて比較的弱い照明、例え
ば室内照明、の下で作動する時に最も大きくなる。これ
は光起電力デバイスでは光によって発生した電流が照明
の強さの増加と共に直線的に増加する一方、その結果生
じる電圧が照明の強さの増加と共に指数関数的に増加す
るためである。換言すれば電圧は弱い照明の下で比較的
高い値に達し、この値は照明の強さが増大しても少しし
か上昇しない。そのため弱い照明の下では比較的高い電
圧電位が存在し、この電位が比較的少数の電流キヤリヤ
を抵抗の極めて小さい通路即ち前記低抵抗欠陥領域に優
先的に流す。これに対し強い照明の下では多数の電流キ
ヤリヤが存在し前記の弱い照明下の電位とほぼ同程度の
電位により移動する。このより多数の電流キヤリヤは前
記欠陥領域の低抵抗通路に流入すべく互いに競い合い、
その結果相対的により少数の電流キヤリヤのみが限定さ
れた数の低抵抗通路内に流入し得るため残りの電流キヤ
リヤは半導体材料を通過せざるを得なくなる。従って欠
陥領域の電流分流現象に起因する電力損は強い照明の下
では弱い照明の時程大きくない。

本明細書で互換的に使用されている欠陥又は欠陥領域な
る用語は明白に存在する短絡電流路のみを示すものでは
ない。場合によっては欠陥の悪影響は潜在的であって、
すぐには表われない。潜在的欠陥は以後「動作モード欠
陥状態」と称する現象を誘起し得、その場合は当初良好
な電気動作を示していた光起電力デバイスが突如故障す
る。本明細書ではデバイスが予め発電用負荷に接続され
ているか否かに拘らず、しばらく照射されてその結果キ
ヤリヤが発生し始める状態にありさえすればこのような
現象を動作モード欠陥状態と称することにする。この種
の欠陥状態については後で詳述する。分流欠陥は潜在的
であれ顕在的であれ(1)基板材料の形態的不規則性又は
(2)半導体層の成長における不規則性に起因して生じる
ものと考えられる。

先ずこれら欠陥の最も重要と思われる第１原因、即ち基
板のデポジション面の前記形態学的不規則性即ち凹凸を
考察よう。半導体層を順次デポジットさせるための基板
又はベース電極として最高級のステンレス鋼を使用して
も、そのデポジション面には１cm²当り１０，０００乃
至１００，０００の凹凸が存在することが判明した。こ
れらの凹凸は突起、くぼみ又は平滑な仕上げ面に対する
他の歪みで構成され、(1)表面からの深さ、(2)表面から
の高さ、又は(3)直径が１ミクトン未満である得る。こ
れら凹凸の形態又は大きさに拘らず、前記欠陥は半導体
ボディに低抵抗電流路を形成させて２つの電極を事実上
短絡させ得る。この現象は様々な方法で生じ得、例え
ば、基板電極の表面から突出する突起の高さが高すぎて
半導体層をデポジットしても被服しきれないことがあ
り、その場合は該突起がこれら半導体層の上にデポジッ
トされるもう一方の電極と直接に電気接触することにな
る。同様にして、基板表面に形成されたクレータの大き
さが小さすぎて半導体層をデポジットしても埋塞できな
いことがあり、その場合は該くぼみがこれら半導体層上
の別の電極に十分接近するため電流が(1)電極相互を連
結させるか、又は該光起電力デバイスの実際の使用（光
による電流の発生）を通し一方の電極の材料を他方の電
極方向へ移動させてこれと接触させることになり、その
結果電流がこれら電極を通過することになる。また、基
板上にデポジットされた半導体層の品質が悪いこともあ
り、その場合は光起電力デバイスの電極間に電流の低抵
抗流路が形成される。

更に、真空チャンバを外部の汚染物質から保護すべく前
述の如くあらゆる措置を講じても、何らかの方法で(1)
半導体材料のデポジション処理中に真空チャンバ内のス
ペースに侵入するか又は(2)デポジション処理の副産物
として生じるほこり又は他の粒子物質が半導体材料に沿
つて基板電極上に付着する。これら汚染物質は半導体層
の均一デポジションを妨害し、低抵抗電流路を形成せし
め得る。電流はこの通路を介して(1)２つの電極を直接
連結させるか、又は(2)のデバイスの動作を通して２つ
の電極を連結させる。

また、場合によっては、外部からの汚染物質が存在しな
くても、半導体材料はデポジション処理の間に微小なク
レータ又は微小な突起を形成し得ると思われる。この場
合も完璧に平滑な表面に対するこのような形態的歪みは
基板が(1)超薄膜状（半導体層の合計の厚みは約４１０
０オングストロームにすぎず、従ってこの範囲の値より
小さければ超薄膜となる）半導体材料で被覆されている
か、又は(2)全く被覆されていないことを意味する。上
方電極材料がこの半導体ボディの表面全体に亘ってデポ
ジットされれば勿論該欠陥領域により低抵抗流路が生
じ、該通路を介して電流が分流する。更に別の例とし
て、このような欠陥領域の存在が形成された光起電力デ
バイスの電気特性及び光電特性に対するこれらの領域の
悪影響によってのみ検出され得る場合もある。以上説明
してきた諸欠陥は全ての電流を低抵抗分路に流入させる
程大きな作用は及ぼさない。しかし乍ら、この通路を介
して電流が少しでも分流すると光起電力デバイスの動作
効率に損失が生じるためこの分流は回避する必要があ
る。更に、数千の欠陥領域の名にたとえ少量ずつでも電
流が分流すればこれらが集合して大きな効率損失を生起
せしめ得る。以上の説明から明らかなように、これらの
欠陥及び欠陥領域を流れる電流の量を減少させることは
高性能高効率の薄膜形光起電力デバイスを製造する上で
極めて重要である。

本出願人等は広い意味でこの問題を処理する方法を幾つ
か実現した。本特許出願の譲受人に譲渡されたMasatsug
u Izu及びVincent Cannellaによる１９８２年１０月２
１日出願の米国特許出願第４３５，８９０号「System A
nd Method For Eliminating Short Circuit Current Pa
ths In Photovoltaic Devices（光起電力デバイスの短
絡電流路を除去するためのシステム及び方法）」に記載
の如く、欠陥領域を介する電流の分流は欠陥領域を実質
的に除去すれば半導体デバイスの一動作領域として考え
られる。そのためには電解処理により電極材料を欠陥部
位周辺から除去して欠陥領域を事実上隔離し、電流がこ
の欠陥領域に流れるのを阻止する。しかし乍ら前記出願
第４３５，８９０号に記載の方法は電流に依存する、即
ち欠陥領域の如きデバイスの特定領域に流れる電流の量
が多くなればなる程大量の電極材料（好ましい具体例で
はインジウムスズ酸化物）が除去されるタイプの方法で
ある。従ってこの短絡解消法は大きな欠陥の周辺からは
極めて効率的に電極材料を除去せしめ、その結果この欠
陥部分に電流が流れるのを完全に阻止するが、電極間に
存在する数千の比較的小さい欠陥領域への電流の流れを
阻止する上では余り有効ではない。しかるに、前述の如
く、比較的小さい多数の電流分路は全体としてかなりの
量の電流を半導体層内の所望の通路から分流させるた
め、このような小さい欠陥領域によって生じる低抵抗電
流路への電流の流れも除去するか又は少なくとも実質的
に減少させる必要がある。また、前記米国特許出願第４
３５，８９０号に記載の電解法では動作モード欠陥状態
が生じた場合に電流分路の形成を検出することも阻止す
ることもできない。

本特許出願の譲受人に譲渡されたPrem Nathによる米国
特許第４，４１９，５３０号「Improved Solar Cell an
d Method For Producing Same（改良太陽電池及びその
製法）」にはアモルファス薄膜形広面積光起電力デバイ
スの小面積セグメントを電気的に絶縁する方法が記載さ
れている。これら(1)広面積デバイスを複数の小面積セ
グメントに分割し、(2)を小面積セグメントの電気的作
動性をテストし、且つ(3)所定レベルの電気的作動性を
示すセグメントのみを電気的に接続し、それによって電
気的に作動し得るセグメントのみを有する広面積光起電
力デバイスを形成するものである。小面積セグメントが
電気的に作動し得ない（即ちデバイスが所定の最小限の
規格を満たし得ない）理由の１つは低抵抗路を介して電
流を分流させる作用をもつ欠陥領域の存在にある。前記
米国特許第４，４１９，５３０号に記載の欠陥領域問題
解消法は効果的ではあるが光起電力デバイスのかなり広
い部分を除去せしめる。従ってデバイスの出力は正確な
欠陥領域のみが除去された場合に得られる出力に比べ著
しく劣ることになる。

更に、前述の２つの特許出願は(1)光起電力デバイスの
大きな欠陥含有領域のみを絶縁し且つ(2)これらの欠陥
含有領域に電流が全く流れないようにする場合に使用し
得る「アフターマーケット」技術に係る。従って、分流
効果を大小及び原因に拘らず(1)光起電力デバイスの完
成以前に、即ち上方電極をデポジットする前に、(2)能
動半導体ボディの大きな部分を作動的に除去することな
く、且つ(3)デバイスの表面全体に亘って許容し得るレ
ベルの電流を流れ続けさせながら、実質的に除去する非
破壊的方法が必要とされる。

薄膜形光起電力デバイスを製造する際に生じる製法に関
連した短絡欠陥問題は早くも１９７８年にR.C.A.の科学
者達によって認識されていた。これら科学者はこの問題
を解消すべく幾つかの方法を試みた。R.C.A.に譲渡され
たＪｏｓｅｐｈ Ｌ．Ｈａｎａｋによる米国特許第４，
１６２，５０５号「Inverted Amorphous Soilicon Sola
r Cell Utilizing Germet Layers（サーメット層を用い
る反転形アモルファスシリコン太陽電池）」には逆ｎ−
ｉ−ｐ形アモルファスシリコン太陽電池の短絡及び分流
効果に対して或る程度の保護作用を果たす安定抵抗を得
るための厚膜形（２０００乃至１５０００オングストロ
ーム）サーメット層の使用が開示されている。このサー
メットの厚膜はアモルファスシリコンボディの側面のう
ち光が入射する側面と対向する側面上に配置される。R.
C.A.電池のこのようなサーメット層位置（入射光と対向
する位置）はこの層の厚みとその結果得られる不透明度
とを考慮して決定されたものである。即ち、シリコンボ
ディの入射側面上に配置すれば該サーメット層は入射光
の大部分を吸収することになり、従って電池は機能しな
い。前記米国特許第４，１６２，５０５号では更にシリ
コンボディの照射面に仕事関数の高い薄膜形）５０乃至
２００オングストローム）サーメット層をも配置する。
この薄膜は電極材料とｐ^＋シリコン層とをオーム接触さ
せるためのものである。この米国特許は短絡改善機能が
この薄膜形サーメット層に起因し得ることについては開
示も示唆もしていない。

同じくR.C.A.に譲渡されたGerald E. Nostrand等の米国
特許第４，１６６，９１８号「太陽電池の製造プロセス
で生じる電気的短絡及び分流効果の除去方法」では、電
池の底面に厚いサーメット層を効果的に配置することに
よって分流を除去する方法を開示しているが、このよう
な厚いサーメット層は、それ自体単独で好ましくない短
絡及び分流効果を除去することはできない。Nostrand等
によれば、引続き十分な大きさの逆バイアス電圧を印加
してサーメットを含む太陽電池の分流欠陥を焼き尽す必
要がある。Nostrand等の方法を用いる場合、電流電圧出
力を改良するにはこの処理しかない。該特許には、単独
で使用されて短絡電流路を除去し得るサーメット層の使
用は教示されていない。

R.C.A.に譲渡されたJoseph J.Hanakの米国特許第４，１
６７，０１５号「アモルファスシリコン太陽電池用サー
メット層」は、仕事関数の高い薄い（５０−２００Å）
サーメット層の使用を開示しているが、このサーメット
層の目的は、 (1) アモルファスシリコンとのシヨットキーバリヤー
を形成すること、及び、 (2) p-i-nデバイスでのｐ^＋アモルファスシリコン層と
電極との間のオーミック接合の形成を促進すること、 に限られている。既存の短絡もしくは分流の効果を低減
すること又は付加的な短絡もしくは分流の発生を阻止す
ることを目的としたサーメット層の使用については開示
されていない。該特許の４ページ，４−１０行には、サ
ーメット層の機能が以下の如く要約されている。

「仕事関数の高い透明なメタルサーメットは、p-i-n太
陽電池構造では不要であるかに考えられるが、サーメッ
トはｐ^＋アモルファスシリコン層との接着性が良いので
透明な導電性酸化物３２に対してすぐれたオーミック接
触を形成し得る………」また、該特許では、サーメット
層が好ましくない短絡電流路を除去し得ることも教示さ
れていない。

Joseph J.Hanakは“Ｆｏｕｒｔｅｅｎｔｈ ＩＥＥＥ
Ｐｈｏｔｏｕｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９８０，”の議事録、６２３
ページに「大面積アモルファスシリコン太陽電池の開
発」と題する論文を発表しており、大面積薄膜光起電力
デバイス中の短絡効果を低減又は除去するための薄膜直
列抵抗の使用に関する一般的理論を展開している。この
論文でのHanak博士の結論によれば、適当な抵抗をもつ
サーメット材料の層は好ましくない短絡及び分流効果を
抑制し得る。

しかし乍らHanak博士の理論によれば、 (1) バリヤー層材料が、前記R.C.A.に譲渡された特許
に開示されたものと同様の薄膜の薄膜サーメットに限ら
れるように慎重に配慮すること、及び、 (2) サーメット層が短絡阻止バリヤーとして作用する
には、透明層を生じない厚み範囲即ち5000−１００００
Åの膜厚で設けられること、 が必要である。

更にHanak論文は、前記米国特許第４，１６６，９１８
号に関して説明したような逆バイアスによる短絡除去方
法についても検討している。Hanak論文では、サーメッ
ト以外の材料についての教示、及び、潜在分流欠陥の形
成を阻止するためのサーメット層の使用についての教示
はない。

Ａｌｌｅｎ Ｍ．Ｂａｒｎｅｔｔの米国特許第４，２５
１，２８６号「ブロッキング層をもつ薄膜光電池」は、 (1) 電池の透明電極と不透明電極とも間、又は、 (2) 電極の１つと遠隔半導体層との間 に発生する恐れがある好ましくない電気接触を阻止して
電路の欠陥状態を除去するために光電池にデポジットさ
れるブロッキング層を開示している。Barnettの電池
は、硫化銅とのヘテロ接合をもつ硫化カドミウム又はカ
ドミウム亜鉛硫化物から製造される。好ましい具体例で
は、膜厚１００００Å乃至５μの硫化亜鉛ブロッキング
層が設けられている。この層の説明に先立つ文章から容
易に理解されるのは、膜厚１０００Åの硫化亜鉛層でさ
えも、入射光のかなりの割合が半導体層に入ることを阻
止しない適当な透明度を有することができないため透明
電極に隣接して使用し得るような材料となることができ
ないことである。変形具体例としてBarnettは、半導体
材料の露出面全体を酸化するか、又は、第２電極をデポ
ジットする前に半導体材料の上部に極めて薄い絶縁層を
デポジットすることによって、不連続絶縁材を付加する
ことを提案している。

Barnettは短絡電流路を阻止するためにブロッキング層
の使用に関する一般的な構想を開示しているが、以下の
理由からその理論を高品質光起電力デバイスの製造に当
てはめることはできない。第一の理由は、Barnettのブ
ロッキング層が出願人の使用するアモルファスシリコン
合金と適合し得る材料から形成されないことである。Ba
rnettのブロッキング層材料を出願人の電池に使用され
る半導体層と組合せて使用すると、電池の動作効率の大
きい損失が生じるであろう。第二の理由は、Barnettの
ブロッキング層が使用できるのは光がブロッキング層に
よる吸収損を生じないで背面反射層に当たることが必要
な背面反射型電池に於いて該ブロッキング層が光電池の
背面に効果的にデポジットされる場合に限られることで
ある。電池の入射側に膜厚１０００Åの硫化亜鉛層を使
用すると、硫化亜鉛層が過度に光を吸収する。ブロッキ
ング層を電池の背面に設けた場合にも、背面反射膜が有
効に作用しないほど多くの光が吸収される。第三に、Ba
rnettは、極めて簡単にではあるが、酸化銅ブロッキン
グ層の使用を示唆している。この層の膜厚は特に指定さ
れていないが、この層を膜厚１０００Å（ブロッキング
層に関して考えられる最も薄い範囲）で形成すると、入
射光を通過を実質的に妨害しない前面ブロッキング層を
得ることはできない。最後に、Barnettは動作モードの
欠陥状態に関して全く触れていない。

本発明は詳細に後述する如く、 (1) 製造し易い透明バリヤー層を含んでおり、 (2) 顕在的及び潜在的な分流欠陥効果が除去された改
良光起電力デバイスを提供する。透明バリヤー層の製造
材料及びバリヤー層の製造技術に関する先行技術は存在
しない。

R.C.A.で開示された短絡阻止用サーメット材料の構成
は、本発明の光起電力デバイスに組合せて使用されると
逆効果を生じる。特にR.C.A.特許の開示を個々に又は総
合的に考察すると欠陥部位に電流が流れることを適切に
抑制するためにはサーメット材料を膜厚２０００乃至１
５０００Åにデポジットする必要がある。しかし乍らこ
のような膜厚になるとサーメット材料層が不透明になり
すぎで光起電力デバイスで使用できない。

より詳細には、p-i-nの太陽電池の半導体ボディの上面
に膜厚２０００Å以上のサーメット層を設けた場合、入
射光から出た光子が太陽電池の能動半導体ボディに到達
できないので電池が予定の光起電力効果を発揮すること
ができない。更に本発明の光電池は、デバイスの効率を
良くするために半導体ボディを一回目に通過したときに
使用されなかった光エネルギを再度ボディに通すための
反射性基板層を含む。この反射性基板上に不透明な吸光
バリヤー層が存在すると未使用光の反射が阻止され従っ
て入射エネルギの有効利用が得られない。R.C.A.特許の
設計に従う光電池にはかなり不透明なバリヤー層の使用
も可能であろうが、ｐ^＋層と基板との間のオーミック接
触が不要な前記の如き不透明層は出願人のデバイスでは
性能低下を招く。従って本発明は、半導体ボディの片面
又は両面に使用されるのに適しており先行技術たる前記
R.C.A.特許開示又は教示されない材料から成る実質的に
透明なバリヤー層を提供する。

R.C.A.特許のサーメット材料は、前記の如き不透明性を
有する以外に、本発明の材料では見られない処理上の制
約を有する。第一に、膜厚2000−１５０００Åのサーメ
ット層（R.C.A.）を得るには長時間のデポジション処理
を要するがこのことは量産プロセスに不利である。第二
のより重量な制約は、サーメット材料のデポジションに
スパッタリング法が使用されるが、この方法は元来破壊
的方法であるため被着材料中に新しい欠陥を生じさせ易
い。特に、スパッタリングは、高い運動エネルギをもつ
粒子が被着層を衝撃するエネルギー的コーティング法で
ある。これらのエネルギー粒子は、電池の膜厚４１００
Åのアモルファスシリコンボディ全体の損傷を生起する
か、又は少くともこれら粒子が付着する上部層を損傷す
る。このような損傷の結果、デバイスは直ちに欠陥状態
を生じるか又は動作モードの欠陥状態を招く。スパッタ
リング法で生じる損傷はスバッタ速度を低減すれば或る
程度抑制し得るが、同時にデポジション速度も遅くな
り、このため、所与の膜厚の層をデポジットするための
所要時間が増す。

対照的に、本発明のバリヤー層は、スパッタリング法よ
り生じる損傷の問題を解消するような熱蒸着によって半
導体ボディにデポジットされるのが好ましい。熱蒸着プ
ロセスは(1)確実、(2)迅速、(3)調整し易い、(4)スパッ
タリングによるコーティング法に比較して比較的簡単な
装置が使用される、(5)デポジション速度が大きい、(6)
半導体ボディを損傷しない、等の利点を有する。更に、
本発明で使用される材料の層は、R.C.A.特許に記載のサ
ーメット材料の膜厚に比較してほぼ１段階低いオーダの
膜厚を有しており、このため(1)製造工程がより早く、
(2)層の透明性が得られる。最後に、先行技術では動作
モードの欠陥状態の問題に関する考察及び記載は見られ
ない。従って、このような欠陥状態を阻止する方法はこ
れらの先行技術から予測され得ない。

R.C.A.特許、Barnett特許及びHanak論文は個個に考察さ
れた場合にも総合して考察された場合にも本発明の実現
を適切に教示しないと判断される。何故なら、 (1) これら先行技術ではアモルファスシリコン合金太
陽電池と最適に組合せることが可能な材料が全く開示さ
れていない。

(2) これら先行技術では膜厚２０００Å未満の実質的
に透明なバリヤー層の使用が開示されていない。

(3) これら先行技術では薄膜光起電力デバイスの動作
モードの欠陥状態の問題自体が考察されていないのでこ
のような欠陥状態を阻止するバリヤー層の使用に関する
記載が存在しない。従って、本文中に開示された発明
は、アモルファス光起電デバイスの製造に於ける特許性
のある進歩を含む。

本発明の主たる好ましい実施態様では、透明電極の抵抗
率より大きい抵抗率をもつ透明“バリヤー層”が光起電
力デバイスの電極の１つと半導体ボディとの間に設けら
れる。このバリヤー層は、光起電力デバイスの（１つ以
上の）短絡欠陥通路に分流する電流を抑制する抵抗器と
して機能する。

(1)抵抗率と(2)膜厚と(3)透明度とを最適にしたバリヤ
ー層を選択すると、抵抗の小さい（１つ以上の）電流通
路を実質的に除去することができ、同時に光起電力デバ
イスでのバリヤー層のマイナス効果（効率及び光電特性
の低下）を最小に抑えることができる。顕在的及び潜在
的欠陥領域の双方を実質的に除去するために本文中に記
載のバリヤー層をデポジットする方法は、大面積薄膜ア
モルファス光起電力デバイスの製造に於ける処理ステッ
プの１つとして容易に組込むことができる。バリヤー層
は、蒸着、真空デポジション、化学的気相デポジション
の如き方法、又は、光起電力デバイスの半導体層と電極
層との形成に使用されるデポジションステップと適合し
得る別の方法でデポジットされ得る。従って本発明によ
れば、電極間の電流分路を生じ易い抵抗の小さい電流通
路が、この通路が顕在的であるか又は潜在的であるかに
関わり無く、実質的に除去された改良大面積薄膜厚アモ
ルファス光起電力デバイスが得られる。

本発明の、前記特徴及び別の特徴は、図面、発明の詳細
な説明及び特許請求の範囲から明らかにされるであろ
う。

本発明により、第１電極と第１電極上にデポジットされ
た能動半導体ボディ上の第２電極とを含む改良半導体デ
バイスが開示される。半導体デバイスの半導体ボディ
は、入射光エネルギに応じて電流を発生するように構成
されている。半導体デバイスには最低１つの欠陥領域が
存在し、この欠陥領域は、デバイスの電極間に流れる電
流に対して抵抗の小さい分路を与える。本発明による半
導体デバイスの改良は、半導体ボディと電極の１つとの
間に透明バリヤー層を連続層として効果的に配置したこ
とにある。バリヤー層は、半導体デバイスの１つ以上の
欠陥領域に流れる電流を減少させるべく機能する。バリ
ヤー層は、フッ化マグネシウムベースの材料、インジウ
ム、スズ、カドミウム、亜鉛、アンチモン、シリコン、
クロムの酸化物、窒化物及び炭化物、並びにそれらの混
合物から形成される。好ましい具体例では、第２電極が
透明であり、バリヤー層は半導体デバイスの半導体ボデ
ィと透明電極との間に効果的に配置されている。より好
ましくは、バリヤー層がフッ化マグネシウム又は酸化ス
ズを加えたフッ化マグネシウムから形成され、インジウ
ムスズ酸化物から成る透明電極と半導体ボディとの間に
効果的に設けられる。又は、インジウムスズ酸化物を加
えたフッ化マグネシウムから成るバリヤー層を半導体ボ
ディと基板電極との間に設けてもよい。

Ｉ．改良デバイス 第１図の示す、全体として符号１０を付された光電池
は、各々半導体合金を含む複数個の連続pin層によって
構成されている。第１図の電池１０には本発明のバリヤ
ー層が具現されていないが、このような電池１０はバリ
ヤー層を含む型の光電池の典型であり、従って電池１０
を詳細に説明することは前記バリヤー層の機能の理解の
ために必要である。

第１図は特に、各々p-i-n型である電池１２ａ，１２ｂ
及び１２ｃから成る太陽電池のようなp-i-n型光電池を
示す。

最下部に配置された電池１２ａの下側に基板１１が位置
し、この基板１１は(1)底部電極として機能し、また(2)
透明である得、あるいはステンレス鋼、アルミニウム、
タンタル、モリブデンもしくはクロムのような金属材料
か、または金属粒子を埋め込まれたかあるいは埋め込ま
れていないガラスのような絶縁材料によって形成され得
る。ある種の適用においては、半導体材料のデポジショ
ン以前に薄い酸化物及び／または一連のベース接点の形
成が必要とされ得、そのような場合“基板”という語に
は可撓性フィルムのみでなく、予備工程によって該フィ
ルムに付加されるあらゆるエレメントが含まれる。

電池１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは各々、少なくともシリ
コン合金もしくはゲルマニウム合金を含むアモルファス
半導体ボディによって製造される。各半導体ボディは、
ｎ型導電性を有する半導体層２０ａ、２０ｂ及び２０ｃ
と、真性半導体層１８ａ，１８ｂ及び１８ｃと、ｐ型導
電性を有する半導体層１６ａ，１６ｂ及び１６ｃとを含
む。図中、電池１２ｂは中間に位置する電池であり、第
１図に示されるように本発明の範囲内において、付加的
な中間電池が図示された電池上に積重ねられ得る。

半導体層のデポジションに続いて別のデポジション工程
が、別の環境においてかあるいは連続工程の一部として
実施され得ると理解されるべきである。この工程で、好
ましくはインジウム−スズ酸化物として形成されるＴＣ
Ｏ（透明導電酸化物）層２２が半導体材料上にデポジッ
トされ、この層２２は頂部電極乃至上方電極として図示
されている。電極格子２４は、電池の面積が十分大きい
場合、あるいはＴＣＯ層２２の導電率が不十分である場
合にデバイスに取付けられ得る。格子２４はＴＣＯ中の
キヤリヤ通路を短縮し、従って集電効率を高める。

第１図の電池はp-i-n電池の積重ね型アセンブリである
が、本発明は、単一のp-i-n電池、積重ねられた、また
は単一のn-i-p電池、p-n電池、ショットキー障壁型電池
等のような他の電池構成も具現する。従って本明細書本
文並びに特許請求の範囲では、基板１１と上方電極２２
との間に配置された１個または複数個の半導体材料層は
通常“半導体ボディ”と称され、この呼称の意味には、
様々な導電性を有する複数個の半導体層と、１個または
複数個の電極と適当に組合されると中を電流が流れる材
料との組合せが含まれる。前記電流の流れは、ホトダイ
オード及びホトトランジスタによって達成される電流の
切替え、並びに太陽電池のような光起電力デバイスによ
って達成される電流の発生及び収集を包含するべく特別
に定義される。本発明は、その究極の形態の如何にかか
わらず、基板電極と頂部電極との間で電流が抵抗の小さ
い流路を流れる割合を実質的に減少するために展開され
た。

第２Ａ図に、本発明の原理に従って構成された光起電力
デバイスの全体を符号２５で示す。光起電力デバイス２
５は、第１図の先行技術による電池１０に関連して説明
した基板と同等の基板１１を含み、この基板１１は光起
電力デバイスの底部電極乃至基板電極を構成する。基板
電極１１上に能動半導体ボディ２６が配置されており、
このボディ２６は単一のあるいは多数の半導体材料層を
含み得る。前記１個または複数個の半導体層の厳密な組
成及び構造は、本発明の機能を説明する上で当面問題と
ならない。半導体ボディ上には上方乃至頂部電極２２が
デポジットされるか、または付加されている。上述のよ
うに、好ましい具体例では上方電極２２はインジウム−
スズ酸化物によって形成され、それによって該電極２２
は(1)光を半導体ボディ２６へと透過させるべく透明と
なり、(2)半導体ボディ２６で発生した電流を収集する
べく導電性となり、かつ(3)前記集電の際の損失を最小
とするべく低い抵抗率を有する。別の好ましい具体例で
は、頂部電極２２が不透明な導電材料によって形成され
得、一方底部電極１１は導電層をデポジットされるかま
たは付加されたガラスもしくは同様の透明材料によって
形成され得る。またやはり好ましい具体例において、全
体として符号２８で示されるバリヤー層は頂部電極２２
と能動半導体ボディ２６との間に作動的に配置される。
比較的薄いこのバリヤー層２８が、頂部電極２２と基板
電極１１との間において電流を分流する欠陥領域の存在
によって創出される小抵抗の分路を流れる短絡電流を実
質的に減少するべく機能する。図中、参照符号２８ａは
半導体ボディ２６と透明電極２２との間に作動的に配置
されたバリヤー層を示し、一方参照符号２８ｂは、半導
体ボディ２６と基板電極１１との間に作動的に配置され
たバリヤー層を示す点に留意されたい。

第２Ｂ図は、本発明のバリヤー層２８を具備した光起電
力デバイス２５を構成するべく組合された様々な層の作
動的配置を示す斜視断面図である。この図においても、
能動半導体ボディ２６は基板電極１１上に作動的に配置
されており、かつ該電極１１と実質的に同じ大きさに伸
張している。第一の具体例においてバリヤー層２８ａ
は、半導体ボディ２６上に作動的に配置されて該ボディ
２６の全表面を実質的に被覆し、上方電極２２は前記バ
リヤー層２８上にデポジットされる。他の好ましい具体
例では、第２Ｂ図に二点鎖線で示されたバリヤー層２８
ｂが基板電極１１と半導体ボディ２６との間に配置され
得る。光起電力デバイス中での位置の如何によらず、バ
リヤー層２８は欠陥領域によって創出される小抵抗分路
を流れる電流を実質的に減少し得る。しかし場合によっ
ては、バリヤー層を一方の位置よりも他方の位置に配置
する方がより有利である。例えば、バリヤー層２８を上
方電極２２のデポジション直前に該電極２２のデポジシ
ョンに使用されるのと同一の装置においてデポジットす
ればより好都合であり得る。また他の場合には、バリヤ
ー層２８を基板電極１１上に直接デポジットし、それに
よって基板１１を不活性化して、次の半導体デポジショ
ン工程で欠陥が生じるのを防ぐかまたはその恐れを低減
することがより好都合であり得る。更に別の場合には、
バリヤー層２８を半導体ボディ２６の上下両方に作動的
に配置し、それによって、基板１１における構造上の問
題並びに半導体ボディ２６における成長の問題に基因す
る電流分路の形成を防止することが有利であり得る。本
発明は大面積の光起電力デバイスに最も適するが、小面
積のデバイスでも欠陥は免れないことに留意するべきで
ある。従ってここに具体的に説明された本発明の概念
は、小面積の光起電力デバイスへの適用にも適してい
る。

II．欠陥及び欠陥領域 電流を分流する欠陥が正確にどのようにして生じるにせ
よ、欠陥は短絡領域として現象的に発現し、その際抵抗
の小さい分路が光起電力デバイス２５の上方電極２２と
基板電極１１との間に形成される。前記欠陥はまた潜在
し、光起電力デバイス２５の動作条件下に突然修復不能
な故障によって顕在化することもあり得る。本発明によ
る、小抵抗の欠陥領域中を流れる電流を実質的に減少す
る方法は、上記の顕在及び潜在する欠陥双方の分流作業
の実質的な排除を首尾良く達成する。

欠陥の生成並びに該欠陥の作用は、第３Ａ図を参照すれ
ばより良く理解される。第３Ａ図は基板電極１１、能動
半導体ボディ２６及び頂部電極２２によって構成され
た、バリヤーを有しない光起電力デバイス２５を示す。
第一の欠陥領域は、基板電極１１のデポジション表面と
関連しかつ該表面から立上がった突起乃至スパイク３０
によって表出されている。突起３０の立上りは特に、
(1)基板電極１１を構成する材料における、不純物、含
有物、柱状成長等による冶金学的不規則性、(2)基板電
極１１を取扱う間に生じる切り傷、擦り傷等に起因する
機械的損傷、あるいは(3)基板電極１１の取扱い、加工
等の間に該電極１１表面を汚す塵芥粒子あるいは他の粒
状物によって惹起され得る。突起３０は甚しい高さに至
り、その結果次にデポジットされる半導体材料層２６に
よって完全もしくは十分には被覆されない。こうして、
欠陥領域が突起３０に隣接して生成される。半導体もし
くは光起電力デバイス中の、上記のような欠陥領域が生
じるところに頂部の透明電極２２と底部の基板電極１１
との間に伸長する小抵抗分路が創出されることは明らか
であり、なぜなら前記２個の電極を分離している半導体
ボディ２６の厚みはいずれにせよ、電流が両電極間にお
いて分流されるのを妨げるには不十分だからである。

図中第二の欠陥領域は、全体として符号３２で示される
クレータに隣接して生成され、前記クレータは光起電力
デバイス２５の(1)基板１１中あるいは(2)半導体ボディ
２６中に生じ得る。ここでの定義により、“クレータ”
には(1)基板電極１１のデポジション表面の凹部もしく
は(2)半導体デバイス２５の、半導体材料が十分にデポ
ジットせず、その結果頂部電極２２と基板電極１１との
(1)電気的接近かまたは(ii)電気的接触を惹起する領域
の凹部が含まれる。

ピンホールあるいはピットとも呼び得るこのようなクレ
ータ３２の原因には、(1)基板１１表面の冶金学的もし
くは化学的不規則性、(2)半導体ボディ２６内の不純物
及び含有物、あるいは(3)半導体層の不均一なデポジシ
ョンが含まれ得る。クレータ３２がどのように生じるに
せよ、（好ましい具体例ではインジウム−スズ酸化物で
ある）上方電極材料を半導体ボディ２６の、クレータ３
２の生じた部分上にデポジットすれば、電極材料は少な
くとの部品的に前記クレータ３２内にデポジットされ
る。その結果、抵抗率の低い分路が基板電極１１と上方
電極２２との間に創出され、電流は光起電力デバイス２
５の半導体ボディ２６中を通る正常な流路から逸れて前
記分路を流れる。第３Ａ図及び第３Ｂ図において、基板
１１の欠陥によって生じるクレータを符号３２ｂで示
し、また半導体ボディ２６の不均一なデポジションによ
って生じるクレータを符号３２ａで示す。

第三の型の欠陥（図示せず）は、半導体ボディの低質領
域に生起し得る。不適切な構造もしくは組成を有し得る
上記領域は、半導体ボディのその他の領域に比べて低い
電気的抵抗率を示し、従ってデバイスの両電極間に小抵
抗分路を提供し得る。

短絡電流を生起させる欠陥は通常、当該光起電力デバイ
スの性能低下を招く。動作条件下で頂部電極２２と底部
基板電極１１との間の電位は、デバイスの発生する電流
に関し上記のような小抵抗の短絡路が存在すると漸次低
下する。更に、短絡路が(1)甚だ大きいかあるいは(2)甚
だ多数である場合、光起電力デバイス全体を動作不能と
するほどの量の電流が分流され得る。

先に述べた“動作モード故障”は、光起電力デバイス
が、たとえある期間は電流を能動的に発生したにしても
突然修復不能に正常の動作条件下で機能し得なくなるこ
とによって現われる。本願出願人の信じるところでは、
動作モード故障は電流もしくは電圧によって堆進される
反応に起因し、この反応は光起電力デバイス中に潜在す
る欠陥を悪化乃至強化する。極端に大きい電流密度が、
低い抵抗率を有する欠陥場所を横切って即座に生じる。
例えば、１ボルトの電位を課せられた１ミクロン四方の
欠陥における電流密度は100アンペア／cm²に達し得、こ
の電流密度はデバイスを破壊する。また、光起電力デバ
イス２５が作動的に使用されて入射光エネルギから電気
エネルギを生成する際、頂部電極２２と底部基板電極１
１との間に生じる電場の影響で電極材料がクレータ３２
あるいは突起３０のような欠陥場所に沿って移動し得
る。欠陥場所は半導体材料のデポジションによって不完
全にしか充填されあるいは被覆されていないので、デバ
イスを実際上短絡させる小抵抗分路を前記欠陥場所中に
創出するには、上記の電極材料の移動は一定の時間にわ
たりごく僅かでも十分であり得る。小抵抗分路が創出さ
れるや、底照度下に大量の電流が前記分路を即座に流れ
て、光起電力デバイスの全動作を損ない得る。動作モー
ド故障は、ジュール熱による加熱が起こるため欠陥領域
中を電流が流れるほど該領域に隣接した半導体部分が劣
化することからも説明され得る。

欠陥領域の原因及び／または特質の如何にかかわらず、
本発明は該欠陥領域中を自由に流れる電流を実質的に阻
止するべく構成されている。加えて本発明のバリヤー層
２８は、欠陥場所に隣接する電極材料の移動を物理的に
阻止するべく構成されている。

(III) バリヤー層 第３Ｂ図によれば、本発明の好ましい１具体例のバリヤ
ー層２８ａは、半導体デバイス２５の半導体ボディ２６
と上方電極２２の間に動作的に配置されており、この半
導体デバイス２５は例えば前記突起３０と、クレータ３
２ａおよび３２ｂのような欠陥とを有している。バリヤ
ー層２８は、(1)基板電極の突起３０、(2)基板クレータ
３２ｂ、および(3)半導体ボディのクレータ３２ａを上
方電極２２から有効に絶縁することに留意すべきであろ
う。バリヤー層２８ａは、欠陥によって形成される抵抗
率の小さい分路を備える直列抵抗器として機能するよう
な抵抗率をもつ材料で形成される。この直列抵抗は短絡
分路を通過する電流を有効に制限し、従って(1)ここを
通過する余分の電流および(2)余分の電流によってひき
おこされる反応が、光起電力デバイスの作動モードの故
障を誘発するかまたは少くとも寄与するのを実質的にふ
せいでいる。第３Ｂ図を観察すれば、クレータ３２ａが
バリヤー層材料２８ａで満たされ、クレータ３２ｂがク
レータに橋かけしているだけのバリヤー層材料２８ａを
示しているのに対して、バリヤー層材料２８ａはクレー
タを無作為に満たしたり、橋かけしたりしており、クレ
ータの起点が基板内であろうと半導体ボディ内であろう
と無関係であることに注目すべきである。

バリヤー層２８は半導体ボディ２６の全表面を横切って
配置され、従って、光起電力デバイス２５の発する電流
の通路内に付加抵抗力を生じるという負の効果をもつこ
とに留意すべきである。しかし、光起電力デバイスの発
する電力は、関係式Ｐ＝Ｉ^２Ｒ（ただしＩは光起電力デ
バイスの発する電流、Ｒは電流の通過する材料の抵抗
率）によって与えられるから、発生電流が小さい場合
（たとえば室内光の条件下で生じる電流の場合）には、
小抵抗バリヤー層２８を付加することによって生じる損
失は最小であるだろう。そしてバリヤー層の材料と厚さ
を適正に選択することによって、光起電力デバイスの発
する電流の量が比較的大であるＡＭ１条件下でさえ、損
失を最小化することができる。

結合されたクレータ欠陥３２ｂをもつ半導体ボディ２６
にデポジットされたバリヤー層２８ａは、このクレータ
によって形成される割れ目に橋かけすることができ（第
３Ｂ図参照）、従ってデポジットされた上方電極材料２
２が割れ目を満たし、底部の基板電極１１に接触するの
を実質的にふせぐ。これにかわってバリヤー層材料２８
ａはクレータ３２ａを満たし、光起電力デバイスの電極
間に比較的高い抵抗を与えることができる。先の説明は
主として、半導体ボディ２６の上に作動的に配置された
２８ａのようなバリヤー層に関連していたが、本発明は
それだけに限定されない。バリヤー層材料は基板電極１
１の上に直接的にデポジットされることができ、そして
半導体ボディの上にデポジットされたバリヤー層につい
て説明したのと同様の方法で実質的に機能することがで
きる。さらに基板材料の化学処理によって“生地の”コ
ーティングを広げるため、基板１１の上に２８ｂのよう
なバリヤー層を形成することもできる。たとえば、ステ
ンレス鋼の基板は、抵抗材料の連続層を生じる酸化、窒
化もしくは炭化処理に付されてもよい。最後に、適当な
状況においては、同じ材料かまたは異なる材料かの２つ
のバリヤー層、つまり基板電極１１の上に配置された１
方のバリヤー層と、半導体ボディ２６の上に配置された
他方のバリヤー層、を内蔵することも望ましい。これら
の種々の具体例は本発明の範囲を逸脱することなく、す
べて本発明の概念に含まれる。

本発明のバリヤー層２８を含む光起電力デバイスの改良
された機能は、欠陥領域によって広げられた小抵抗分路
と直列に抵抗を限定する電流を流すため、欠陥場所を
“マスキング”することから得られることを前提として
いる。従って、本発明の実施においてバリヤー層として
使用されるのに適した材料は、(1)比較的均一の、実質
的に連続した層としてデポジットでき、(2)半導体ボデ
ィ２６を害しない方法によってデポジットがおこなわ
れ、(3)適正な抵抗率（電極の抵抗率より大）をもち、
(4)適度に透明（すなわち帯域ギヤップがおよそ２ｅ
Ｖ）でなければならず、従って下側にある半導ボディに
よる光の吸収または下側の基板による光の反射を阻害し
てはならない。

バリヤー層の厚さは好ましく２００−１５００オングス
トロームの範囲に含まれる。厚さ２００オングストロー
ム未満のバリヤー層は均一にデポジットするのが困難で
あり、表面の不規則性（たとえば電流の分流不良と結び
つく不規則性）を回復することができない。１５００オ
ングストローム以上のバリヤー層は、この厚さで適正な
材料をデポジットすることは困難であるため、好ましく
ない。

バリヤー層のために適正な抵抗値を得ることが、本発明
の実施に不可欠である。バリヤー層のもつ抵抗があまり
高すぎると、ここを通過する電流は限定され、この層を
内蔵する電池の光起電力効果は害されるだろう。バリヤ
ー層の抵抗が低すぎると、バリヤー層は、小抵抗欠陥領
域を通過する電流を制限するという所期の機能を果たさ
なくなるだろう。同様に、抵抗値の選択は、これを含む
光起電力デバイスの適用方法に左右される。たとえば、
室内光のような低い光条件で作動する電池は、単位面積
当り比較的少量の光電流を生じ、従って大抵抗バリヤー
層（たとえば１０^８オーム／cm²の抵抗をもつバリヤー
層）が存在しても有効に作動することができる。たとえ
ば明るい太陽光線のような強度の照明下での機能を予定
された電池は単位面積当り比較的大量の光電流を生じ
る。同じ大抵抗のバリヤー層がこのような高い光電流と
共に用いられた場合、Ｉ^２Ｒ損失は許容できないだろ
う。従って、強度の照明下では、光起電力デバイスは小
抵抗バリヤー層（たとえばおよそ１０^４オーム／cm²の
層）を必要とする。バリヤー層の厚さも、電流に対する
バリヤー層の抵抗がバリヤー層を形成する材料の厚さと
固有抵抗率に左右されることから、同様に重要である。
本発明の実施に有利な材料の固有抵抗率は１０^３−１０
^８ohm-cmの範囲に含まれる。１０^４オームcm²の好まし
い抵抗率を示す材料でつくられたバリヤー層は、１平方
ミクロンの欠陥に対し１００メガオームの抵抗を提供
し、従って電流を数アンペアー／cm²に制限する。従っ
て修復不能の故障は避けられる。

バリヤー層は任意の方法、たとえばプラズマデポジショ
ン、蒸着、化学蒸発デポジション、電気メッキ等により
デポジションされうるが、ただしこの場合のデポジショ
ン法は光起電力デバイスにあらかじめデポジットされた
成分と両立しうるものでなければならない。

バリヤー層と透明電極とをワン・ステップ法で１度にデ
ポジットすることができる。たとえば、高温るつぼ中の
インジウム・すず酸化物から同じインジウム・すず酸化
物をデポジションすることによって導電性の層が得ら
れ、他方では室温デポジションによって同じ出発材料の
るつぼから電気抵抗性の酸化すず層が得られる。このよ
うにして、先ず室温下でデポジションをおこない、次に
より高い温度でデポジションをおこなうことによって、
透明な導電性電極層を載置したバリヤー層より成る二重
層構造が形成される。同様に、温度を徐々に上昇させる
ことによって、絶縁領域と導電領域とをもつ段階構造が
形成される。

比較例１ 光起電力デバイスの小抵抗欠陥領域に電流が分流するの
をふせぐバリヤー層の効果を決定するためのテストをお
こなった。テストしたデバイスはステンレス鋼の基板電
極上にデポジットしたアモルファスシリコン層より成る
タンデム型p-i-n電池である。これらのデバイスを真空
室に配置し、２×１０^−５torr未満のバックグラウンド
圧力まで排気し、この装置の気圧が、４×１０^−４torr
に上昇するまで酸素を導入し、次にテストデバイスから
１８インチ離して配置した抵抗加熱磁製るつぼを用いて
デバイスの上面に酸化すずのコーティングを蒸着する。
蒸着速度は４−５オングストローム／秒で、１０００オ
ングストロームの酸化すずの層が半導体ボディにデポジ
ットされるまで蒸着を続行した。次にデバイス列をデポ
ジション装置から取外し、酸化すず層の上にインジウム
・すず酸化物の電極をデポジットして光起電力デバイス
を完成させる。第１のデバイス列と同様の、ただし２０
０オングストロームの厚さのすず酸化層をもつ第２図の
デバイス列を同様の方法でつくる。次にこれら２つのデ
ストデバイス列を、酸化すずバリヤー層を含まない第３
図の光起電力デバイス列と比較する。

以上のテストから、光起電力デバイスに対してバリヤー
層がデポジットされると有意義な改良が生じることが確
認された。２００オングストローム層は１０００オング
ストロームの層と同様、短絡防止には多少効果があるが
欠陥を防ぐ役には立たない。本出願人の考えでは、これ
は２００オングストロームの層が(1)不連続的であるた
め、あるいは(2)欠陥を覆うには薄すぎるため、のどち
らかであろう。結論としては、このように特定されたバ
リヤー層の材料と電池の型式では、欠陥領域に電流が分
流されるのを完全にふせぐためには、２００オングスト
ロームより厚い層を用いなければならない。あるいは、
もし層の厚さが２００オングストロームに等しいかまた
はそれに達しないレベルのままである場合には、より高
い比抵抗率をもつ別のバリヤー層材料を用いなければな
らない。

実施例１ 少くとも室内光を適用する場合に、バリヤー層としてフ
ッ化マグネシウムが開発されている。フッ化マグネシウ
ムの被覆は、１０^５オームセンチメートルの良好な電気
抵抗率と９５％以上の良好な光透過率を示した。さらに
特定的には２００Åの厚さのフッ化マグネシウムの層
を、ガラスアモルファスシリコン合金かまたはステンレ
ス鋼アモルファスシリコン合金かの基板に対してMgF₂の
電子ビーム蒸着により、およそ２×１０^５−torrの圧
力、およそ１７０℃の基板温度、３−４Å／秒のデポジ
ション速度でデポジットする。

次表は、太陽電池の対応するサンプルについての室内光
収量を、本発明のフッ化マグネシウムのバリヤー層があ
る場合とない場合について要約して示す。

以上のテストの結果から、光起電力デバイスの上方電極
と半導体ボディとの間にデポジットされた、厚さ２００
Åのフッ化マグネシウムのバリヤー層は、電流分路不良
と作動モードの故障とを効果的に減少され、従って室内
光収量を著るしく増加させることが容易に判明するはず
である。さらに、フッ化マグネシウムは、デポジットさ
れたバリヤー層の電気抵抗率を１０^４オームセンチメー
トルまで下げるため、インジウム・すず酸化物あるいは
酸化インジウムのどちらかと混合することができ、それ
によって高強度照明下（ＡＭＩ条件）でも使用しうるバ
リヤー層を提供することができることも明らかである。

以上の具体例と説明は光起電力デバイスを中心にしてい
るが、本発明はもちろん、２電極間に半導体材料の層を
挿入した任意の半導体デバイスと結合して使用されるこ
ともできる。たとえば光放射ダイオード、トランジス
タ、集積回路等も、この内部短絡形欠陥の除去方法から
利益を得ることができよう。

本発明は以上の説明に照らして修正及び変形をおこなう
ことができる。従って本発明の範囲は、すべての同等物
を含めて、特許請求の範囲に従う。

【図面の簡単な説明】

第１図は、複数のp-i-n形電池よりなる公知の“バリヤ
ー層を有さない”タンデム形光起電力デバイスにおいて
電池の各層が半導体合金で形成されているデバイスの部
分断面図、第２Ａ図は、本発明のバリヤー層を内蔵する
半導体デバイスの第一の好ましい具体例をあらわす断面
図、第２Ｂ図は、第１のバリヤー層の具体例を実線であ
らわし、第２の具体例を架空線であらわした改良された
半導体デバイスの分解透視図、第３Ａ図は、先行技術の
半導体デバイスで、いくつかの欠陥領域が内部に形成さ
れている具体例の断面図、第３Ｂ図は、本発明のバリヤ
ー層を有する半導体デバイスで、第３Ａ図の小抵抗欠陥
領域を通る電流の分路を実質的に除去するため、このバ
リヤー層が半導体ボディの上に作動的に配置されている
具体例の断面図である。 １０……光電池、１２ａ〜ｃ……p-i-n型電池、２５…
…光起電力デバイス、１１……基板電極、２２……上方
電極、２６……半導体ボディ、２８……バリヤー層、３
０……突起、３２……クレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−160080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−78474（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−14582（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の電極と、前記第１の電極上に設けら
   れた半導体領域と、前記半導体領域上に設けられた第２
   の電極と、前記第１の電極または前記第２の電極の少な
   くともいずれか一方と前記半導体領域との間に介在する
   透明バリア層と、を具備し、光入射により起電力を生じ
   る半導体デバイスにおいて、 前記透明バリア層の厚みは200ないし1500Åであり、前
   記透明バリア層の抵抗率は10³〜10⁸Åcmであり、前記透明
   バリア層がフッ化マグネシウムベースの材料であること
   を特徴とする半導体デバイス。
2. 【請求項２】前記半導体デバイスは、基板上に形成され
   ており、該基板はその表面に１cm²あたり１０，０００
   個以上の凹凸を有する ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体
   デバイス。
3. 【請求項３】前記半導体領域はＰ型半導体層，Ｉ型半導
   体層およびＮ型半導体層を含んでいることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体デバ
   イス。