JPS6041269A - 半導体装置 - 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】 本発明は、−導電型を有する非単結晶、即ちアモルファ
スまたは多結晶の非単結晶半導体を三層積層し、このう
ちの少なくとも１つの、この半導体を構成する半導体材
料にエネルギーバンドを変更しろる添加物を添加し、か
つそれらの層によりＰＩＮ、　ＰＮＰ、　ＮＰＮ、　Ｎ
ＩＮまたはＰＩＦ接合を有せしめたアモルファスまたは
多結晶の如き非単結晶の半導体を設けることに関する。

本発明は珪素、ゲルマニューム、炭化珪素の如きアモル
ファスまたは多結晶の半導体と、炭素、窒素または酸素
を添加物として、半導体中に十分均等に分散させて添加
した非単結晶構造の半導体を設け、異なる導電型を有す
る半導体を互いに隣接させたこの境界またはその近傍に
おいて、少なくとも１つの非単結晶半導体がその隣の半
導体と（２） エネルギハンドを異ならしめ、かつそれぞれのエネルギ
ーバンド間の遷移を連続的に行わしめることに関する。

さらにこの境界またはその近傍にてＰＮまたはＰＩまた
はＮＩの接合部を設け、結果として本発明構造のＰＩＮ
、　ＰＮＰ、　ＮＰＮ、　ＮＩＮまたはｐＨ”接合を設
け、この接合部に光照射をすることにより、光起電力を
発生せしめることに関する。

従来、異なったエネルギーバンドを有する半導体の境界
を互いに接せしめた場合、その境界ではいわゆるヘテロ
接合（ｈｅｔｅｌｏ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を構成してい
た。例えば、ＧａＰとＧａＡｓとを接合させた場合、共
にそれらは単結晶であるため、この２つのエネルギーギ
ャップまたはエネルギギャップ（以下Ｅｇという）の界
面には第１図に見られる如く不整合の階段型へテロ接合
ができてしまった。不整合のため、他の１列えばＧａ　
Ａｌ八へ　（１）、ＧａＡｓ　（２）の接合には伝導帯
（８）にノツチ（３〉１価電子帯（９）に飛び（４）が
発生し、加えて境界では界面準位（５）が発生してしま
った。この界面準位（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　５ｔａｔｅ
ｓともいう〉（以下Ｎｓという）の（３） ためにこの接合部で電子またはホールのキャリアがこの
Ｎｓを会して再結合をして消滅しまった。

その結果、キャリアのライフタイムを減少させ、さらに
この接合を用いて特定の作用例えば光起電力を発生せし
めようとした場合、光励起された電荷が光起電力を発生
する前に消滅してしまうという大きな欠点があった。さ
らに半導体のＰＮ接合ダイオードの特性を得んとしてし
まった場合、逆方向対性の耐圧が弱くソフトダイオード
になってしまった。第１図（Ａ＞は７１−Ｐ接合の場合
であるが、Ｎ−Ｎ接合である第１図（Ｂ）においては、
スパイク（６）がＮｓ（７）に加えて発生し、多数キャ
リアである電子の移動をさまたげてしまうおおきな欠点
があった。本発明はかかるノ・ノチ、飛び、スパイクの
発生を防止する。即ち、この接合部においてエネルギー
バンドが連続的に変化せしめることを大きな目的とする
。さらにこれまでヘテロ接合に必然的に界面での結晶格
子不整のために存在していた不対結合手、結晶欠陥に起
因するＮｓの発生を本発明は除去またはきわめて少なく
せ（４） しめたことを特徴とする。かかる構造即ち連続的な接合
をエネルギーバンド的な観点において有していることに
より、このエネルギーバンドの差を利用する新しい半導
体装置の展開がきわめて飛躍的に可能となった。

以下に本発明を実施例に基づいて説明する。

本発明は一導電型を有する珪素、ゲルマニューム、炭化
珪素のごときアモルファス（純粋のアモルファスまたは
５〜１００人のショートレンジオーダーでの多結晶）ま
たは多結晶構造を有する半導体Ｃ以下これらを総称して
非単結晶半導体という）またはこれに炭素、酸素または
窒素などを均等に分散して添加せしめることを本発明の
基礎とする。

また本発明における均等な分散とは、添加物の量子論的
な波動が互いに局部的に相互作用を生せしめる方向にな
ることをいう。

金属、半導体または絶縁体さらにまたはガラスまたはセ
ラミックのごとき絶縁体−Ｆに金属膜等を一部または全
部に被膜化された複合の基板上に被膜を構成させた時、
半導体となる材料、例えば珪（５） 素をシラン、ジクロールシランその他の珪化物気体を用
いて被膜として形成せしめる。このため石英等の耐熱ガ
ラスまたはステンレスの反応炉の入り口側にシラン、ジ
クロールシランの如き珪化物気体と水素の如きキャリア
ガスと、さらにリン、ヒ素、ボロンの如き半導体中で導
電性を決める不純物をフォスヒン、アルシン、ジボラン
により導入できるようにした。加えてメタン、アンモニ
ア、酸素等の炭化物、窒化物、酸化物気体を混入できる
ようにした。また排気は真空ポンプを用い、反応炉内を
０．００１ｔｏｒｒまで真空引きができるようにした。

反応炉内に基板をサセプターにて保持して入れ、反応炉
を０．１　＝１０ｔｏｒｒに真空引きをし、その基板に
対し１〜５０ＭＨｚの高周波加熱またはそれと輻射加熱
とを併用して加え、さらに反応性気体を励起または分解
した。これら反応性気体は基板上に被膜となって形成さ
れる。この際この被膜は基板の温度より室温−５００℃
まではアモルファスが、また３５０℃−９００℃では多
結晶構造となった。

基板が単結晶を有し、またその上の被膜が９００（６） ℃以上ではエピタキシャル成長される場合は単結晶にな
るが、実験的にこれらの単結晶半導体が本発明の構造を
有することは不可能であった。本発明は非単結晶の被膜
を用いることを第１の特徴としている。この非単結晶被
膜に対し、リン、ヒ素の如き半導体中でＮ型導電型を呈
する不純物を１０１４〜１０２２ｃｍ−３の濃度にフォ
スヒン（ＰＨ３＞、アルシン（Ａｓｌｌｔ）を利用して
混入させると、いわゆるＮ型半導体が作られる。また他
方、ジボラン（Ｂ４■ｔ　）を同様の濃度用いて添加す
ると、Ｐ型の半導体になる。さらにこれらの不純物を全
く添加しないと、真性または装置のバンクグラウンドレ
ベルの不純物の混入によるいわゆる実質的に真性の半導
体になった。この非単結晶被膜には半導体を構成する材
料いわゆる珪素以外に水素、重水素または塩素の如きハ
ロゲン元素が０．２〜２００原子％の濃度で添加されて
いる。

これらは珪素の不対結合手と結合して再結合中心の発生
を抑止し、電気的には中和（不活性）する作用を有する
。この水素またはハロゲン元素の（７） 半導体膜の形成と同時または被膜形成後の添加は本発明
を工業的に実用化するためのきわめて重要な要素であっ
た。本発明において、再結合中心中和用の不純物の添加
は電気的に反応性気体を活性化と同時に添加される水素
またはハロゲン元素を活性化することにより成就する方
法を用いた。さらに本発明の実施例においては、炭素、
窒素、酸素を均質に分散して半導体中に添加した。炭素
はＣＩ、、Ｃ１■Ｃを用いた。窒素はアンモニア（ＮＨ
，）、ヒドラジン（Ｎｉ２）を、また酸素はＨＯ，また
はＯＬとした。これら混合物としてはＮ、Ｏ，Ｎｏｔ　
ＩｃＨ，ＯＲその他のアルコール類、Ｃ０ＬＩＣＯ等を
水素等のキャリアガスを用いた反応炉内に導入し、さら
に添加物を窒素と酸素または炭素と酸素というように２
種類以上添加してもよい。酸素、窒素等を単結晶の半導
体被膜形成後、あとから添加しようとすると、酸化珪素
（Ｅｇ＝８ｅＶ　）または窒化珪素（Ｅｇ＝５．５ｅＶ
）になってしまい、絶縁物でしかなかった。しかしこれ
らの添加物を珪素被膜作製と同時に電気的、または電気
と熱とを併用して実施することに（８） より添加すると、これらの添加物の化学量論比に応じて
半導体は１．１ｅＶから３ｅＶ　（ＳｉＣ＞、５．５ｅ
Ｖ（Ｓｉ１　Ｎ４　）、　８ｅＶ　（Ｓｉｆｔ　）の中
間の値を得ることができた。この被膜のＥｇはフォトル
ミネッセンスまたは光励起法により測定した。

このＥｇは２つの半導体において共に非単結晶構造を有
しているため、界面のみに単結晶のへテロ接合で知られ
る如き特定のＮｓが存在することがなく、さらにエネル
ギーバンドは伝導帯、価電子帯ともにある独立階段的な
連続性を、またはなめらかな連続性を有して形成させる
ことができた。

この異なる接合部でのＥｇの程度は、被膜形成速度０．
１〜１０μ／分と調節し、加えて添加物のドープ量を０
Ｎ１０ＦＦに調整または連続的に階段を追って調整する
ことにより成就した。しかし重要なことは、この異なる
！！ｇの境界またはその近傍においては、製造方法にも
起因するが、単結晶半導体のへテロ接合に見られる格子
不整合等によるＮｓは発生せず、またＥｇのエッヂであ
る伝導帯および価電子帯にはノツチ、スパイク等は存在
しなかった。

（９） または実質的に存在しないことが判明した。これはＥｇ
を水素またはハロゲン元素の不純物に添加するに加えて
化学量論比に従って決めていることによるものと推察さ
れる。以上は減圧ＣＶＯ＜化学蒸着）法またはグロー放
電法を用いた実施例である。

本発明において異なるＥｇを有せしめる２つの半導体の
一方が、純粋の半導体であって他方が添加物の加えられ
た半導体のみである必要はない。いずれにおいても同種
の添加物がその量を変えて例えば一方が１０１５、．１
０１８　Ｃ１１１−３他方が０．０１〜３０％といった
ように添加されていれば、本発明を実施することができ
る。さらにまた一方は、炭素を１０ｖ＆〜１０”ｃｍ’
例えば５〜１０％と添加物の種類を変えて行えばよいこ
とはいうまでもない。以上の理論および実施方法および
その結果より明らかなごとく、本発明は半導体の動作に
きわめて重要な接合部またはその近傍で異なるＥｇの材
料を接合することにより発生する従来期待しない要素で
あるノツチ、スパイク等と界面固有のＮｓとを排除し、
いわゆる異なる格子定数の材料を接合することに本質的
に（１０） 帰因する要素を排除したことにある。このためミクロな
意味での格子不整を排除した非単結晶構造の半導体であ
ることが本発明の重要な要旨である。

かかる非単結晶構造であって、かつ再結合中心を水素ま
たはハロゲンにより中和したため、化学量論比に応じて
エネルギーギャップを連続的に変えるいわゆる連続接合
を有する半導体装置を完成させることができた。

第２図は本発明に至る２つの非単結晶半導体におけるＥ
ｇを変えた実施例である。第２図（Ａ）は接合部が境界
となり、非単結晶半導体（１１）はＮ型でＷ　（ＷＩＤ
Ｅ）　Ｅｇ　（広いエネルギーギャップ）、非単結晶半
導体（１３）はＬ　（ＮＡＬＩ、ｏｗ）　１７ｇ　（狭
いエネルギーギャップ）のＰ型である。第２図（Ｂ）は
同種のＰ型導電型であり、非単結晶半導体（１１）がＷ
−ｔ＋ｇでありまた非単結晶半導体（１４）はＬ　−Ｅ
ｇである。さらにまた第２図＜　ｃ　）、（Ｄ　）はそ
れぞれＰＰ接合、ＰＮ接合である。第２図（Ｅ）はなめ
らかに連続して設けられたＮＰ接合を構成している。

第２図（Ｆ）は段階的なＮＰ接合を構成している。

（１１） 第３図は本発明の構造の実施例をエネルギバンド中で示
したものである。即ちこの発明はＰＩ、ＮＩまたはＰＮ
接合を２つ有せしめ、ＰＮＰ接合、ＮＰＮ接合、ＰＩＮ
接合、ｐＨ’接合およびＮＩＮ接合を導電型で有し、か
つ３つの半導体のうちの少なくとも隣の半導体に比べて
異なるエネルギバンド中を有したものである。

第３図（Ａ）はＷ　（Ｅｇ、）　Ｌ　（Ｅｇｔ　）　Ｗ
（Ｅｇ、）のＮＰＮ　ｌ−ランジスタである。ＬのＥｇ
、のＰ型のベース領域で、Ｅｇにより決められた再結合
を促進させることができる。即ちエミッタ（３０〉、ベ
ース（３１）、コレクタ（３２）において、電子の少数
キャリアは［！ｇ、よりＥｇＬに（１５）を容易にドリ
フトできるが、逆方向拡散はホールが（１５’＞の障壁
のためふさがれる。その結果、周波数特性に優れたバイ
ポーラトランジスタとすることができた。

第３図（Ｂ）はＬ　（Ｅｇ＋　）　Ｗ　（Ｅｇｚ　）　
、Ｌ（Ｅｇ７）のＰＮＰ　）ランジスタである。即ち、
ソース（３３）、ドレイン（３５）間もその不純物を（
３４）で混合することなく、この外側に設けられたチャ
（１２） ネル形成領域により制御された電流を流すことができた
。第３図（Ｃ）はＬ−Ｗ−ＬのＮＩＰのＮＴｒ’構成で
ある。

第３図（Ｄ）はＷ−Ｖ／−Ｌのｌ”ＩＮ構成である。

これはＷ値により光を照射せしめるいわゆるフォトセル
または太陽電池に対して高効率（１５〜３０％）の変換
効率を期待できる。入射光側のＰ層（３６）が広いＥｇ
であるため、ここでの光損失が少な（、活性層の１層（
３７）で有効に光電変換を行うことができる。加えて、
この発生したキャリアも電子（４０）、ホール（４０’
）も連続接合のため、接合面での障害もなく、Ｎ　（３
８）、　Ｐ　（３６）にドリフトさせることができた。

加えて電子（４０つのＰ　（３６）への逆流を防ぐ効果
もあり、効率の向」二が著しかった。

第３図（Ｅ）はＷ−Ｗ−ＬのＮＰＮ、　（Ｆ）はＬ−Ｗ
−−ＷのＰＮＰ　）ランジスタである。

第３図（Ｅ　）、＜　Ｆ　）は第３図（Ａ）と同様に超
高周波特性の向上に有効であった。

さらに以下にその具体例を示す。

（１３） 具体例１ この具体例は第３図（Ｄ）の構造である。

ガラス上の電極上にＰ型非単結晶層（３６）を炭素が５
〜３０原子％になるようにシランとメタンとジボランと
を混合しグロー放電法で形成した。さらに炭素を１〜５
％添加されるようシランとメタンとのグロー放電法によ
り■型非単結晶層（３７）を形成した。次にシランとフ
ォスヒンとを混合し、Ｎ型非単結晶半導体層（３８）を
形成し、２つの接合を設けた。最後にアルミニューム電
極を設け、第３図（Ｄ）の構造として、この太陽電池で
変換効率を測定したところ、２．０７％（開放電圧０．
５７Ｖ。

短絡電流０．９５ｍＡ、曲線因子０．３８７．面積０．
１０ｃｄ、直列抵抗３５３Ω、並列抵抗２０８９Ω）を
得た。

具体例２ この具体例は第３図（Ａ）の構造であるセラミック上に
金属膜の電極を設け、この上に非単結晶半導体層（２０
）をシランとメタンとフォスヒンとの混合によりグロー
放電法でＰ型非単結晶半導体層（３１）をシランとジボ
ランとの混合気体により（１４） Ｎ型非単結晶半導体Ｎ（３２）をシランとメタンとフォ
スヒンとの混合によりｆＪｉ層して形成した。このＮＰ
Ｎ　ｌ−ランジスタでＮ型Ｊｔｉｊ　（２０）を２．３
ｅＶ、　Ｐ型層（３１）を１．５ｅν、Ｎ型層（３１）
を２．ＯｅＶをエネルギバンドｌＪで有している。その
周波数特性はエミッタ、ベース間１．５Ｖ、ヘース、コ
レクタ間１０Ｖにて１２ＭＩＩｚの高い周波数特性を示
す。

この添加物は、その応用の目的により決定すればよい。

しかしそれらは本発明をさらに工業的に普及せしめるた
めの手段にすぎない。

本発明においては、半導体材料として珪素、ゲルマニュ
ーム、炭化珪素を用いた。しかしその他いわゆるＧａＡ
ｓ、ＧａＡＩＰ、ＧａＰ等の化合物半導体をあててもよ
いことはいうまでもない。加えて太陽電池等フォト・セ
ンシティブ・ディバイスにおける反射防止膜はλ／４で
あって、ｎ　（ｎは半導体の屈折率）によるが、それは
水素またはハロゲン元素が添加され、さらに添加物のＣ
，Ｎまたは０の量をさらに十分多くして、低級窒化珪素
、低級酸化珪素（ＳｉＯまたは５ｉＯｘ）の絶縁体とし
て用いてもよ（１５） いことはいうまでもない。

以上の説明より明らかなごとく、本発明は実施例におい
て珪素を中心として半導体を示した。しかし、本発明は
単に珪素に限定されることなく、ゲルマニューム、炭化
珪素等であってもその応用半導体装置に従ってＩ！ｇの
適当な制御を成就することにあり、さらにこれを実用化
するためＮｓを中和する水素、または塩素の如きハロゲ
ン化物が０．１〜２００原子％の濃度に添加された非単
結晶半導体に基礎材料として用いたこと、これに酸素、
窒素、炭素等の添加物を化学量論的に１０＋５〜１０２
２ｃｍ−ヨの範囲例えば炭素を０．１〜８０％、窒素を
０．０１〜１０％、さらに酸素を１０１Ｓ〜１０２１０
２Ｏヨと階段的または連続的に変化調節して添加したこ
と、このため異なるＥｇを有する半導体が隣接しても、
その界面には格子不整等によるＮｓの発生を抑止できた
。さらにＰ型、Ｎ型、■型の導電型およびその伝導度を
不純物の種類およびその量を調整して添加することによ
り成就したこと、加えてこれら半導体装置を多量生産可
能であり、かつ連続生産の可能なグロー（１６） 放電または減圧化学蒸着（ＣＶＤ　”）を用いて作製し
たことにある。その結果、１つの半導体の厚さを０．０
１μ〜ｌＯμの範囲で自由に制御可能であり、Ｐまたは
Ｎ型の不純物も１０１４〜〜１０２２ｃｍ−９の濃度の
範囲で制御可能であり、ＰＮ接合、ＰＩ接合、Ｎｌ接合
またはＰＮＰ、　ＰＩＮ等の多層接合が容易に作製でき
ることがわかった。加えて多量生産が同一反応炉で連続
的に実施できる等、工業的に全く新しい分野への道が開
けたという大きな特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のへテロ接合のエネルギーバンド図を示す
。 第２図および第３図は本発明の実施例を示す。 （１７） 駕１口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水素またはハロゲン元素が添加された第１、第２お
   よび第３の非単結晶半導体がｒ’ＩＮ、　Ｉ’ＮＰ。 ＮＰＮ、ＮＩＮまたはＰＩＦ接合を構成して設けられ前
   記半導体の少なくとも１つの半導体は該半導体に隣接し
   た他の半導体材料にエネルギバンドを変更し得る添加物
   を添加して設けられたことを特徴とする半導体装置。 ２、水素またはハロゲン元素が０．２〜２００原子％添
   加された第１、第２および第３の非単結晶半導体が積層
   して設けられ、前記第１、第２または第３の非単結晶半
   導体は珪素、ゲルマニュームまたは炭化珪素よりなり、
   該半導体に隣接した他の第１、第２または第３の半導体
   は前記半導体材料に炭素、窒素または酸素が添加された
   広いエネルギバンド中を有し、互いに隣接した半導体は
   連続して２つの接合（１） が設けられたことを特徴とする半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、半導
   体の厚さが０．０１μ〜１０μｍの範囲で設けられたこ
   とを特徴とする半導体装置。