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JPH0612840B2 - 光検知器 - Google Patents
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JPH0612840B2 - 光検知器 - Google Patents

光検知器

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JPH0612840B2
JPH0612840B2 JP58092195A JP9219583A JPH0612840B2 JP H0612840 B2 JPH0612840 B2 JP H0612840B2 JP 58092195 A JP58092195 A JP 58092195A JP 9219583 A JP9219583 A JP 9219583A JP H0612840 B2 JPH0612840 B2 JP H0612840B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の関連する技術分野〕 この発明は入射光の吸収率を上げて効率を向上した光検
知器に関する。
〔従来技術〕
光検知器は、一般に、薄い半導体基体で構成されてお
り、その半導体基体は、内部にたとえばPN接合の如き
半導体接合を有すると共に、その光入射面と背面とにそ
れぞれ電気接触を持っている。この基体の特定波長範囲
の光に対する吸収率が極めて低いために、この光検知器
の光エネルギを電力に変換する変換効率は理論最大値よ
り低い。この効果は背面の電気接触に反射率の高い金属
のような材料を用いて透過する光を基体内に反射還元す
ることにより補償することもできるが、大抵の接触材料
は、この界面で効率よく光を反射せず、また光検知器の
製造において後続の処理工程中に半導体基体の性能を害
することがある。また光検知器の光入射面またはその背
面あるいは基板の基体を被着する面を化学エツチング法
で粗面化することもあるが、この化学エツチング法は光
検知器の製造に工程を追加することになる上、そのエツ
チング法自体が光検知器の性能を害することがある。
従つて光の吸収が弱い波長範囲全体に亘つて半導体基体
の吸収率を向上すると同時に、その装置の製造に要する
工程数が最小で、処理の追加を要することのある性能の
低下ような不都合な副作用を減じた光検知器が望まれて
いた。
〔発明の開示〕
この発明は凹凸組織面を有する透光性電気接触とこの透
光性電気接触の該凹凸組織面(粗化面)を覆う半導体基
体とを含む光検知器である。その透光性電気接触の粗化
面はその支配的なピーク・ピーク値が約100nmより大き
く、また厚さが約250nmから約1000nmの間の値であるこ
とを特徴としている。
この発明はまた錫、酸素および水素を含む雰囲気からの
化学蒸着により基板上に適当に粗化された表面を持つ透
光性電気接触を被着する段階を含む発明の光感知器の製
造法を含んでいる。
〔発明の実施例〕
第1図に示す光感知器10は第1および第2の対向主面1
4、16を持つ透光性基板12を含んでいる。この光検知器
の光入射面である第1の主面14は反射防止被膜18で覆わ
れ、基板12の第2の主面16は粗化面22を持つ透光性電気
接触20で覆われている。その粗化面22は間に半導体接合
30を持つ反対導電型の領域26、28を含む半導体基体24で
覆われている。この半導体基体24の表面は第2の電気接
触32で覆われている。
他の図面においても第1図と共通の素子は同じ引用数字
で示されている。
第2図に示す光検知器40は真性導電型の領域42と反対導
電型の領域44、46を有し、真性導電型の領域42を横切る
PIN半導体接合を形成した基体24を含んでいる。
第3図に示すこの発明による直列タンデム光検知器50は
基体24と第2の電気接触32の間にタンデム半導体基体52
を挿入した点が第2図の光検知器と異なる。タンデム基
体52は真性導電型の領域54と反対導電型の対向領域56、
58を含む半導体接合を有する。タンデム基体52の領域56
と基体24の隣接領域46は互いに反対の導電型で、間にト
ンネル接合を有する。タンデム基体52は一般に基体24よ
りバンドギャップエネルギの低い材料から成り、吸収の
弱い基体24を通つた光がタンデム基体52で吸収されるよ
うになつている。太陽電池として動作する光検知器で
は、一般に基体24が水素化無定形シリコンから成り、タ
ンデム基体52が水素化無定形Si−Ge合金から成つてい
る。基体24、52の相対厚さと組成は両者の光電流が等し
くなるように調節されている。
光が基体24に入射するとき通る基板12は構体の残部の支
持に充分な機械的強度を持つガラス等の透光性材料から
成つている。透光性電気接触20で覆われた基板12の表面
16は一般に平滑で鏡面的反射性を有する。また基板12の
厚さは通常約1〜6mmである。
透光性電気接触20は実質的に光を透過するが、約400〜1
000 nmの波長範囲に亘つて透明ではなく、不規則な凹凸
組織のある非鏡面的表面を有し、これが酸化錫または酸
化インジウム錫のような材料から成り、それによつて覆
われた基板を乳白色に見せる。この表面は支配的な局部
的高さ変化のピーク・ピーク値が約100nm以上で、一般
に役100〜1000mm、好ましくは約200〜500nmの範囲にあ
ることを特徴とする。ここで支配的という言葉は表面の
局部領域の凹凸組織の高低差すなわちピーク・ピーク値
が上記の値より大きいときも小さいときもあるが、表面
の大部分の凹凸は上記の範囲にあることを意味する。こ
の表面組織の高低差は層の厚さが増すほど大きくなるこ
とが観測されている。良好な表面組織を得るには、透光
性電気接触の厚さが約250nmより大きいことを要し、約1
000nmより薄いことが望ましい。
SnOの層20は約350℃以上、通常約450〜550℃に加熱し
た基板上に錫、酸素、水素および弗素またはアンチモン
のような適当な導電度変更用ドーピング剤を含む雰囲気
から化学蒸着(CVD)によつて被着することができ
る。この蒸着の起る温度は基板の軟化温度より低いが、
これが高いほど粗さが大きくなる。雰囲気中に塩素が通
常HClの形で存在すると、これが粗面化表面の生長を促
進する輸送剤としても働らくと考えられる。錫の供給減
は錫ハロゲン化合物、好ましくはSnClか、n−ブチル
錫クロル錫、ジブチル錫ジアセテートまたはテトラメチ
ル錫のような有機錫化合物とすることができる。この方
法で被着された薄層は組織すなわち光散乱性が小さい
が、厚さが約250nm以上になると、その厚さの増大と共
に表面粗さと光の散乱性が著しく増大する。塩素のない
テトラメチル錫を含む雰囲気から被着された層は極めて
光散乱性が小さいが、塩素のようなハロゲンを充分な濃
度に添加すると凹凸が生ずる。
X線解析によると、平滑な層および公知の吹付法により
被着された層はC軸が基板上に平行な錫石(SnO)の
正方晶結晶粒から成ることが判るが、この発明の組織化
層では、結晶粒は正方晶の錫石から成るが、基板面に対
する向きが同じでなく、C軸が基板面に対して傾いてい
るのが支配的である。厚さ約500nmの平滑なSnO層の結
晶粒径は約325nmであり、同等の厚さの吹付け層の結晶
粒径は約174nmであるが、ここで述べるCVD法で被着
した同等の厚さの層の結晶粒径は約101nmである。従つ
て結晶粒径の小さい層ほど表面粗さが大きい。これは結
晶粒の結晶学的方位が好ましくないためと考えられる。
第4図は吹付法で被着したSnO層の走査型電子顕微鏡
像、第5図は吹付法で被着したSnO層の上に平滑なSnO
層を被着したものの走査型電子顕微鏡像、第6図はこ
の発明の方法により形成した厚さ約890nmのSnO層の走
査型電子顕微鏡像、第7図はこの発明の方法により形成
した厚さ約1200nmの走査型電子顕微鏡像をそれぞれ示
す。第4図、第5図は20000倍で視角50゜であるが、第
6図、第7図は同倍率で視角75゜である。この顕微鏡は
この発明によるCVD法で被着するとSnO表面の粗さ
が著しく生長することを示し、これからこの粗さと特性
ピーク・ピーク値が約200〜500nmの範囲にあると推定さ
れる。
基体24は問題の波長範囲の光を吸収する砒化ガリウム、
燐化インジウム、硫化カドミウムまたは単結晶または多
結晶または水素化無定形のシリコンのような透光性電気
接触20の粗面化表面に被着し得る任意の半導体材料を含
み、吹付法または液相または気相の被着法により形成す
ることができる。
無定形シリコン半導体基体は米国特許第4064521号開示
のDCまたはRFグロー放電により基板上に被着するこ
とができる。すなわち表面に透光性接触粗化面を有する
基板をプラズマ室内に通常約200〜350℃の温度で保持す
る。室内の雰囲気は通常SiHと必要に応じてPHやB2H
6のような適当な導電度改変用ドープ剤ガスを含ませ、
総圧力を通常0.1〜5mmHgとする。また米国特許第41092
71号開示のようなSi−NやSi−Cの合金の披着をしたい
場合はNHやCHのような他のガスを室内に導入するこ
ともできる。さらにこの無定形シリコンには弗化物のよ
うなハロゲン原子を導入することも有用なことがあり、
これはSiF等のハロゲン含有ガスを室内に添加すれば
よい。第3図のタンデム型基体では、Si−Ge合金をSiH4
とGeHを含むグロー放電から被着すればよい。
反対導電型の領域44、46は一般に厚さ約5〜40nmであ
る。領域44は通常P型導電性を有し、厚さ約12nmで、真
性導電型の層42よりバンドギヤツプの広い水素化無定形
シリコン、好ましくは水素無定形シリコン炭素合金から
成る。また領域46は通常N型導電性を有し、厚さ約30nm
である。
この発明者は厚さ約12nmの連続P型層44を透光性電気接
触20の粗化面上に被着し得ることを発見した。これはそ
の表面が約200〜400nmのピーク・ピーク値を持つ優勢粗
さと同程度の横方向寸法を有する点で顕著な結果であ
る。この層にどのような不連続があつてもその検知器の
性能を劣化させ得る。
真性導電型の領域42はこれが僅かにP型またはN型の導
電性を持つか、偶然の汚染または意図的ドーピングの結
果として補償された場合を含むと解されるが、この真性
領域42が特定の導電型を持つとすれば、透明な透明性電
気接触20に隣接する領域44の導電型と反対で、これによ
つて領域42、44間の中間層に半導体接合を形成するもの
が好ましい。
真性導電型の領域42はこれまで約600nm以上の波長を充
分吸収するように約400nm以上の厚さになつていたが、
この発明の透光性電気接触の粗化面に被着したときは、
その厚さを600nmより相当薄くしても有用なエネルギ転
換効率を示すことができる。しかしこの層の厚さは50nm
より厚くする必要があり、一般に約100〜1000nmであ
る。これは検知器の厚さを著しく減じ、従つてエネルギ
変換効率の有用性を維持しつつその価格を低減する可能
性を与える点で顕著な結果である。
半導体接合30は基体の吸光により発生した電子と正孔を
反対方向に移動させる何等かの形式の障壁を含み、従つ
てその両側の領域部分が反対導電型のPN接合とするこ
とができる。従つて第1図の第1および第2の領域26、
28はそれぞれ反対導電型で、PN接合30を形成してい
る。
SnO表面の粗さは後に被着される無定形シリコンを通
つて伝播する。従つてその無定形シリコンの裏面が粗面
化されてさらに光を散乱し、その無定形シリコンを透過
する吸収の弱い光を捕獲するという点でこれは好ましい
工程の特徴である。
第2の電気接触32は通常半導体基体24の表面を覆い、そ
の半導体基体24透過後接触に入射する光の波長範囲で高
反射率を示し、通常厚さ約100〜700nmの金属等の材料か
ら成ることが好ましいが、電子ビーム蒸着またはスパツ
タリングで被着し得るアルミニウム、金、銅または銀の
ような金属が好い。半導体基体24とこの金属層の間にチ
タン層を挾んで後続の処理工程中における金属の半導体
基体24内への拡散に対する拡散障壁とすることもでき
る。
この発明の原理はまた1982年7月19日付米国特許願第39
9340号(特開昭59-33739号公報対応)開示の薄膜ビデイ
コンターゲツトのような光検知器にも適用することがで
きる。第9図に示すように、ビディコン100は一端に滑
らかな主面106を有する透光性フエースプレート104を持
つ真空ガラス外囲器102を含み、その主面104上にはこれ
と反対側に第1図の光検知器110について上述したよう
に粗面化された表面110を持つSnOのような透光性電気
接触108が形成されている。この透光性電気接触108の粗
面化110は水素化無定形シリコン等の感光性半導体基体1
12で覆われている。半導体基体112は半導体接合を含む
こともあり、含まないこともある。この半導体基体112
は3硫化アンチモン等のビーム阻止層114が覆われてい
る。ガラス外囲器102内には電子ビーム形成用の電子銃
構体116が取付けられ、その外囲器102の外側にはその電
子銃構体116が発生した電子ビームを集束してこれでタ
ーゲットを走査する手段(図示せず)が設けられること
もある。
光はフエーズプレート104を通つてビデイコン100に入射
し、透光性電気接触108の組織面108に達する。この入射
光は粗化面110により散乱され、反射光の一部がその透
光性電気接触中に捕獲され、透光光の一部がその上の感
光性基体に入るときに屈折される。従つて粗化面は反射
損失を減じ、感光性基体中の行路長を増し、これによつ
て吸光性を増強する。
この発明の原理はまた電気写真に用いられるような光検
知器にも適用することができる。第10図に示すように、
光検知器200は滑らかな表面204を有する基板202とその
表面204を覆う導電層206含み、その導電層206はSnO
から成り、その表面208は上記この発明の原理により粗
面化されている。この粗化面208は水素化無定形シリコ
ン等の感光性半導体基体210で覆われ、この本体210は内
部に半導体接合を有することもある。光はこの基体の粗
化面208に隣接する面と反対側の面から光検知器に入
り、弱く吸収された光がその基体を通過して粗化面に入
射し、ここで散乱されて光路長を増し、これによつて感
光性基体内の吸光性を増強する。
次にこの発明を例に挙げて説明するが、これはこの発明
をその細部に限定するためのものではない。
例1 透光性SnO電気接触の表面粗さだけが互いに異なる4
組の光検知器を製造した。その各組は厚さ約1.25mmで75
mm平方の硼珪酸ガラス基板上の2.27mm平方の検知器440
個と48×2.27mmの検知器8個から成つている。
第1組のSnO電気接触は面抵抗25Ω/□で、この発明
の方法により化学蒸着した。すなわちガラス基板を約50
0℃に保つた熱板上に置き、その基板上にNを3500標
準cm3/分、室温に保つたSnCl中をバブリングしたN
を350標準cm3/分、空気で較正した流量計で測定して
BrCFを70標準cm3/分、H2O中をバブリングしたN
400標準cm3/分でそれぞれ流した。
第2組のSnO電気接触は面抵抗25Ω/□で第1組と同
じ方法で被着した。
第3組はガラス上に吹付法により被着した商用生産SnO
電気接触で、面抵抗約10Ω/□であつた。
第4組は第3組と同じ基板にさらに4メチル錫を含む雰
囲気から化学蒸着した厚さ100nmの滑らかなSnOを追加
したもので、この層はSnOの表面にこの界面に時々生
ずる電気障壁を除く試みで被着した。
表面にSnOの電気接触を持つこの4組の試料を共にグ
ロー放電室に入れて米国特許第4064521号開示のように
PIN半導体基体を被着した。すなわち米国特許第4109
271号開示のようにCH4、SiHおよびB含有SiH
を含むガス雰囲気流から厚さ約12nmのP型水素化無定形
シリコン炭素合金層を被着した後、PH含有SiH気流
を含む雰囲気から厚さ約550nm絶縁性水素化無定形シリ
コン層を被着した。
厚さ2.4nmのチタン層と厚さ500nmの銀層から成る背面電
極を電子ビーム蒸着した後、標準のホトレジスト化学エ
ツチング抜法によりこれを区分して各別の検知器を形成
した。
次に各組の検知器を150℃の空気中で30分間焼鈍した。
1基板上の各検知器を標準AM−1照明下で試験し、開路
電圧VOC、短絡電流密度JSC、フイルフアクタFFおよ
び出力電力と入射光エネルギの比で定義された効率7を
測定した。この結果この発明の組織化SnO層を有する
光検知器は吹付被着SnO層を持つ検知器より最良の結
果において開路電圧が数%高く、短絡電流密度が約30%
高く、フイルフアクタが約18%高く、この結果効率が約
15%高いことが判つた。
例2 錫供給源としてSnClを用いて例1の化学蒸着法で被着
した厚さの異なるSnO層について波長約501.7nmで積分
散乱透過光強度Sを測定した。この結果を次表に示
す。
厚さは粗さ計を粗化面にピークに乗せて測つたから、平
均厚さは上掲の値より若干小さい。
このデータから光の散乱度従つて粗さは厚さと共に増大
することが判る。しかしSnO被膜による吸光量も特に5
00nm未満の波長では厚さと共に増大するため、最大粗さ
すなわち最大散乱を示す厚さが最適厚さではない。粗面
化された電気接触の最適厚さは約250〜1000nmで、約300
〜800nmが好ましい。
例3 集収されたキヤリアの数と入射光子数の比として定義さ
れる量子効率の測定を例1の第1組と第4組から2.27mm
平方の検知器について波長の関数として行つた。この測
定結果は第8図びプロットされているが、ここで曲線a
が第1組の光検知器、曲線bが第4組の光検知器に対す
るものである。この2曲線の差はSnOの透光性電気接
触と無定形シリコン基体との間の粗化面の適用から生じ
たもので、400〜700nmの全波長範囲に亘つて約25%の大
きさを有する。600nm以上の波長における効率の増大は
予期以上に大きいが、無定形シリコン中の光路長の増大
から理解することができる。総合的に予想外のことは60
0nm未満の波長における量子効率の著しい増大で、この
波長範囲で吸光体に入る光はすべて無定形シリコン基体
の裏面に達するまでに完全に吸収されるため、これは吸
光体への光の結合の改善を示す。この結合の改善は粗面
化表面によつて生じて無定形シリコン基体と界面に対す
る光の多重入射を許容するSnO2層自体への光の捕獲によ
ると考えられる。このように粗面化界面は吸光体内のみ
ならずまた電気接触自体内への光の捕獲を生じ、これが
吸光体内で光の捕獲を生じた従来の光捕獲構体と違う点
である。
光の反射率の測定によりSnO電気接触と無定形シリコ
ン基体との界面の反射率がこの波長範囲で約2.5%であ
るのに対し、滑らかな界面の場合は約12〜16%であるこ
とが判つた。SnOの屈折率は基板と無定形シリコン基
体の屈折率の中間で、これも無定形シリコン層中の吸収
を増すのに有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第3図はこの発明の光検知器の相異なる3
つの実施例の断面図、第4図は吹付法により被着された
酸化錫表面の状態を示す走査型電子顕微鏡写真を示す
図、第5図は第4図の酸化物層の上に酸化錫層を追加し
た表面の走査型電子顕微鏡写真を示す図、第6図および
第7図はこの発明によつて被着された粗面化酸化錫表面
の走査型電子顕微鏡写真を示す図、第8図はこの発明の
光検知器と比較用の光検知器の量子効率の変化を示す
図、第9図および第10図はこの発明の2つの実施例の断
面図である。 20……第1の電気接触、22……粗化面、24……半導体基
体。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】支配的なピーク・ピーク値が100 nm以上の
    凹凸組織面と約250 nmから約1000nmの間の厚さを持ち、
    特定の波長範囲の光を透過する第1の電気接触と、この
    第1の電気接触の上記凹凸組織面を覆う半導体基体とを
    含む光検知器。
  2. 【請求項2】上記第1の電気接触は、透光性基板を覆っ
    てその上に設けられており、かつ錫、酸素およびハロゲ
    ンを含む雰囲気から化学蒸着によって上記透光性基板上
    に被着された酸化錫層から成ることを特徴とする特許請
    求の範囲(1)項に記載の光検知器。
  3. 【請求項3】上記ハロゲンが塩素から成り、上記雰囲気
    の錫供給源がテトラメチル錫から成る、特許請求の範囲
    (2)項に記載の光検知器。
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