JPH0536970A - 光スイツチング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 互いに結晶構造を異にする半導体で接合を形
成し、これを光スイッチング素子に使用した場合、所謂
ヘテロ接合による界面準位の増加が生じることからこれ
を低減することを目的とする。 【構成】 互いに結晶構造を異にする、一導電型半導体
と他導電型半導体との間に、真性の非晶質半導
体を介在させ半導体接合とするとともに、前記非晶質
半導体をキャリアの走行路とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチング素子、
とりわけ多結晶半導体、単結晶半導体、さらには非晶質
半導体などの各種半導体を組み合わせて成るヘテロ接合
を備えた素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光スイッチング素子の特性は、主に使用
される半導体のエネルギーバンドにおける禁制帯幅と、
それら半導体によって形成される半導体接合の界面状
態、更にはこの半導体接合に印加されるバイアスの極性
と大きさによって決定される。

【０００３】ところで、半導体の禁制帯幅は半導体の材
料や形成条件によって殆ど一義的に決定されるものであ
るのに対して、半導体接合の界面状態は接合の形成方法
などによって敏感に変化するものであり、とりわけ使用
される半導体材料の結晶構造が異なると、所謂ヘテロ接
合が形成されることとなり、その接合状態は非常に複雑
なものとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、通常斯るヘ
テロ接合ではその接合部に多数の界面準位を含み易い。

【０００５】このため、この接合部に光が入射し多数の
光生成キャリアが発生しても、その界面準位に起因する
再結合中心によってキャリアの消滅が生じてしまう。斯
る現象は、光スイッチング素子の光感度の低下として現
れる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明光スイッチング素
子の特徴とするところは、互いに結晶構造を異にする、
一導電型半導体と他導電型半導体との間に、真性の非晶
質半導体を介在させ半導体接合とするとともに、前記非
晶質半導体をキャリアの走行路とすることにある。

【０００７】

【作用】互いに結晶構造を異にする、一導電型半導体と
他導電型半導体との間に、真性の非晶質半導体を介在さ
せ半導体接合とすることによって、本来斯様なヘテロ接
合において多数発生する界面準位を低減させることが可
能となる。

【０００８】従って、このヘテロ接合を通って流れるキ
ャリアの再結合が抑制され、光スイッチング素子の光感
度が向上する。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明光スイッチング素子の第１の
実施例を説明するための工程別素子構造断面図である。

【００１０】同図（ａ）に示す第１工程では、本素子の
基板となるｐ型の単結晶シリコンの一主面上に熱酸化
法によるシリコン酸化膜を形成し、後工程で半導体接
合が形成される部分についてこのシリコン酸化膜をエ
ッチング除去する。

【００１１】同図（ｂ）に示す第２工程では、熱ＣＶＤ
法によってｎ型多結晶シリコンを膜厚約３０００Åで
島状に形成し、更にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜な
どからなる絶縁薄膜をこの多結晶シリコンの段差部
に形成する。

【００１２】この絶縁薄膜は、後工程で形成される非
晶質シリコンの端面を通じて流れる漏れ電流を防止する
ために設けられている。これら絶縁薄膜は、従来周知
の常圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法によって形成した。

【００１３】次に、同図（ｃ）に示す第３工程では、本
発明の特徴とする真性の非晶質半導体、実施例では膜
厚約５０Åの非晶質シリコンを従来周知のプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成しパターニングする。このパターニン
グによって、この非晶質半導体は、部分（Ａ）ではｐ
型の単結晶シリコンと、部分（Ｂ）ではｎ型の多結晶
シリコンと被着形成されることとなる。

【００１４】同図（ｄ）に示す第４工程では、プラズマ
ＣＶＤ法によって、ｎ型非晶質シリコン、真性非晶質
シリコンを順次形成し順次パターニングした。斯るパ
ターニングでは、部分（Ｂ）の非晶質半導体上にこれ
らｎ型非晶質シリコン及びニ性非晶質シリコンが残
留しないようにエッチング除去する。

【００１５】そして、同図（ｅ）に示す第５工程では、
プラズマＣＶＤ法によって形成されたｐ型の非晶質シリ
コンと、光入射のための透明導電膜、具体的にはス
パッタ法によって形成された酸化インジュウム錫を被着
形成した。この工程によって、部分（Ｂ）の真性非晶質
半導体上にはｐ型非晶質シリコンが被着形成される
ことになる。

【００１６】本例光スイッチング素子では、所謂ヘテロ
接合となるべき部分、即ち部分（Ａ）と部分（Ｂ）にそ
れぞれ真性の非晶質半導体を設けている。つまり、部
分（Ａ）では、真性の非晶質半導体をｐ型単結晶シリ
コンとｎ型非晶質シリコンとの間に介在させ、部分
（Ｂ）ではｎ型多結晶シリコンとｐ型非晶質シリコン
との間に介在させている。

【００１７】この構造によって、部分（Ａ）と部分
（Ｂ）のいずれにおいても本発明の効果である半導体接
合での界面準位の低減が可能となる。

【００１８】尚、表１に本実施例の主な構成材料の形成
条件を示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】また、本発明光スイッチング素子では、ｎ
型非晶質シリコンやｐ型非晶質シリコンの導電型決
定元素のドーピング量や、あるいは真性非晶質シリコン
の禁制帯幅を調整することや、これら半導体の膜厚を
変化させることによって、動作電圧の制御を行い得ると
いう特徴も有している。

【００２１】次に、本発明光スイッチング素子の第２の
実施例を図２に示す。本例の特徴は、第１の実施例が基
板の一主面上に構成材料である膜を順次形成するもので
あったが、本例は、基板の両主面に順次膜を形成するこ
とによって、光スイッチング素子を製作することにあ
る。

【００２２】同図（ａ）に示す第１工程では、基板であ
るｎ型単結晶シリコン(21)の一主面にｐ型不純物元素を
拡散法にてドーピングしｐ型の単結晶シリコン層(22)を
形成する。

【００２３】この場合、単結晶シリコン層(22)は、光ス
イッチング素子としての光キャリア発生層となり、ＯＮ
電圧を調整する部分である。

【００２４】次に、同図（ｂ）に示す第２工程では、本
発明の特徴である真性の非晶質半導体(23)及びｎ型の非
晶質シリコン(24)をプラズマＣＶＤ法によって順次形成
し、更に引き続いてスパッタ法による透明導電膜(25)を
被着形成した。

【００２５】本例においてもこの真性の非晶質半導体(2
3)として、真性の非晶質シリコン（膜厚約５０Å）を使
用した。又ｎ型非晶質シリコン(24)の膜厚は、約５０Å
である。実施例では、非晶質半導体(23)や非晶質シリコ
ン(24)の禁制帯幅や膜厚を変化させることにより、結晶
層への光入射量を調整でき、また動作電圧を調整するこ
とが可能となる。

【００２６】同図（ｃ）に示す第３工程では、ｎ型単結
晶シリコン(21)の他主面にやはり本発明の特徴とする真
性の非晶質半導体(26)（膜厚５０Å）を前述した真性非
晶質半導体(23)と同様の条件にて形成し、引き続いてｐ
型の非晶質シリコン(27)をプラズマＣＶＤ法で、そして
最後に金属電極(28)としてアルミニュウムを蒸着法で形
成した。

【００２７】本例においては、本発明の特徴である非晶
質半導体(23)(26)は、ｐ型単結晶シリコン層(22)とｎ型
非晶質シリコン(24)との間、そしてｎ型単結晶シリコン
(21)とｐ型非晶質シリコン(27)との間に介在している。

【００２８】尚、本素子の主な形成条件は表１と同じで
ある。

【００２９】同表から分かるように、本素子は半導体接
合の形成を低温で形成することができ、さらに光入射側
の層を薄膜にできることから、光スイッチングの動作電
圧を制御できることとなる。

【００３０】ここで、本発明の光スイッチング素子の動
作機構について簡単に以下に説明する。図３は、第２の
実施例光スイッチング素子の動作機構を印加電圧との関
係において示したエネルギー帯図である。斯る関係は第
１の実施例光スイッチング素子においても基本的に同様
なことが言える。

【００３１】同図（ａ）は、本素子の熱平衡状態を示し
ている。尚、図中の記号は、図２で使用した構成材料と
同様とする部分については、同一符号を使用している。

【００３２】同図（ｂ）は、金属電極(28)に正電圧、透
明導電膜(25)に負電圧を印加した状態を示している。こ
の状態は、本素子にとって順バイアスに相当する状態
で、その印加電圧の殆どは、素子構造上逆バイアス状態
となるｎ型単結晶シリコン(21)とｐ型単結晶シリコン(2
2)との間に印加されることとなり、このバイアスにおい
ては電流は殆ど流れず所謂ＯＦＦ状態にある。

【００３３】そこで、さらにこの順バイアスの電圧値を
増加させると、その逆バイアス状態の部分で電子なだれ
現象が発生し、大きな電流が順方向（図中の矢印）に流
れ、ＯＮ状態がつくられる。

【００３４】ところが、この順バイアス電圧の増加によ
るＯＦＦ状態からＯＮ状態への変遷は、光を素子に照射
することによって様子が変わる。

【００３５】つまり、光が照射されることによって、逆
バイアス状態となっているｎ型単結晶シリコン(21)とｐ
型単結晶シリコン(22)の近傍には光生成キャリアが多数
生じるため、この逆バイアス状態の程度は緩和されてし
まい前述したＯＦＦ状態からＯＮ状態への変遷のための
順バイアス電圧は、光未照射時よりも大きくする必要が
生じる。

【００３６】言い換えれば、光の影響によって、電子な
だれ現象を発生させるために必要な順バイアス電圧が大
きくなってしまうのである。以下では電子なだれ現象が
発生し始める順バイアス電圧をＯＮ電圧と称することと
する。

【００３７】尚、このＯＮ電圧の光による変動で注意す
べきことは、本発明の第２の実施例では、非晶質半導体
(23)とｎ型非晶質シリコン(24)等の膜厚や禁制帯幅、さ
らには不純物ドーピング量を調整することによって、逆
バイアス状態となっているｎ型単結晶シリコン(21)とｐ
型単結晶シリコン(22)の近傍で発生する光生成キャリア
の量を制御することができることとなるため素子特性と
しての設計の範囲を広げることが容易となる。

【００３８】一方、同図（ｄ）は本素子の逆バイアスに
相当する状態で、金属電極(28)に負電圧、透明導電膜(2
5)に正電圧を印加している。この状態にあっては、光の
有無による影響は受けず殆ど電流は流れない。なぜな
ら、この印加状態は、ｎ型単結晶シリコン(21)とｐ型非
晶質シリコン(27)との間に大きな逆バイアス状態を発生
させることになるため、キャリアが殆ど流れないのであ
る。

【００３９】この動作機構では、本発明の特徴とすると
ころの真性の非晶質半導体(23)(26)は、キャリア走行の
ための通路となることから、本発明の効果である界面で
のキャリア再結合防止が重要な役割を担うこととなる。

【００４０】図４は、本発明光スイッチング素子の特性
図である。横軸はバイアス電圧を、縦軸は電流量を示し
ており、いずれも相対値である。又、図中のＩ₀，Ｉ₁，
Ｉ₂は本素子に照射した光の強度を示しており、Ｉ₀＜Ｉ
₁＜Ｉ₂の強度関係にある。

【００４１】尚、Ｉ₀は光を照射していない状態であ
る。

【００４２】同図から分かるように、光の強度が増すに
つれて、ＯＮ電圧（図中のａ₀，ａ₁，ａ₂）が大きくな
ることが分かる。これは、前述した如く光強度が増すに
つれて光キャリアが素子中に多く発生することから、図
３（ｂ）のｎ型単結晶シリコン(21)とｐ型単結晶シリコ
ン(22)との間に印加されていた逆バイアスが緩和され、
ＯＮ状態に必要な電圧が大きくなるからである。

【００４３】ところで、非晶質シリコンを斯様な接合に
介在させる構造は、非晶質半導体を主成分とする太陽電
池の構造を想起させる。斯る例としては、本出願人が平
成２年第５１回応用物理学会予稿集（２９ａ−Ｇ−４）
第６９６頁で発表したような、ｐ型非晶質シリコンとｎ
型単結晶シリコンとの接合にノン・ドープ非晶質シリコ
ンを介在せしめた太陽電池がある。

【００４４】然し乍ら、斯様な太陽電池では、ノン・ド
ープ非晶質シリコンは光キャリアの発生そのものを行う
とともに、該非晶質シリコンの両端の接合は、電子、正
孔を透過させることが必要である。

【００４５】これに対して、本発明光スイッチング素子
は、２種類の半導体接合間の禁制帯幅の差と印加バイア
スそして光強度との関係を利用して、キャリアの走行を
調整するものである。ここで、キャリアの走行を効率よ
く調整するには、前述したような界面準位に起因するキ
ャリアの再結合をできる限り減少させる必要があり、そ
のためには、本発明の特徴である真性の非晶質半導体を
使用することが有効な手段となるのである。

【００４６】実際、本実施例光スイッチング素子におい
て、本発明の特徴とするところの非晶質半導体を使用し
なかった場合、動作電圧の変化が小さく、再現性の非常
に乏しいものとなってしまう。

【００４７】従って、前記太陽電池の場合とは全く、そ
の機能効果を異にするものである。

【００４８】

【発明の効果】本発明光スイッチング素子によれば、結
晶構造を異にする半導体接合においても、従来多数発生
した界面準位を低減することが可能となり、光感度の向
上が成し得る。

【００４９】また、使用する非晶質半導体の物性、例え
ば禁制帯幅や膜厚、不純物ドーピング量を制御すること
によってＯＮ電圧を容易に調整することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光スイッチング素子の第１の実施例を説
明するための工程別素子構造断面図である。

【図２】本発明光スイッチング素子の第２の実施例を説
明するための工程別素子構造断面図である。

【図３】前記光スイッチング素子のエネルギー帯図であ
る。

【図４】本発明光スイッチング素子の特性図である。

【符号の説明】 …ｐ型単結晶シリコン …ｎ型の多
結晶シリコン …非晶質半導体 …ｎ型非晶
質シリコン …真性非晶質シリコン …ｐ型の非
晶質シリコン …透明導電膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 互いに結晶構造を異にする、一導電型半
   導体と他導電型半導体との間に、真性の非晶質半導体を
   介在させ半導体接合とするとともに、前記非晶質半導体
   をキャリアの走行路とすることを特徴とする光スイッチ
   ング素子。