JPS6248390B2 - - Google Patents
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-
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、非晶質(アモルフアス)半導体を用
いたダイオード、トランジスタ等の半導体装置に
関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to semiconductor devices such as diodes and transistors using amorphous semiconductors.
従来、半導体デバイスは、出来るだけ完全な結
晶材料を用いて製造されて来た。結晶材料でない
と、電子の動きが悪く(即ち移動度が小さく)な
り、またP型とかN型とか云つた半導体を得るこ
とが出来なかつたためである。この理由は、結晶
半導体では、伝導帯、禁制帯、価電子帯が明確に
分れているが、アモルフアス半導体では、通常、
これらの帯の分離は不明確であり、禁制帯にも電
子の局在準位が〓1019cm-3とたくさん存在して、
電子はこれらの局在した準位に分布してしまつて
伝導帯には存在出来なくなつてしまうからであ
る。従つて、電子は自由に動く事が出来ず、非常
に小さな移動度を持つた材料になつてしまう。ま
たP型、N型と云つた材料を作るためにドナーや
アクセプタをドープしても、禁制帯にある非常に
たくさんの局在準位へ、余分に入れた電子やホー
ルが落ちこんでしまい、全体としてその効果は無
視出来る程度になり、フエルミレベルを上げたり
下げたりすることは不可能であつた。このような
禁制帯中の局在準位は、アモルフアス形成時に不
可避的に生じる欠陥や、原子間の結合長さや角度
の不均一性(長距離不秩序)によつて形成される
ものと考えられる。 Traditionally, semiconductor devices have been manufactured using as perfectly crystalline materials as possible. This is because if the material is not a crystalline material, the movement of electrons will be poor (that is, the mobility will be low), and it will not be possible to obtain P-type or N-type semiconductors. The reason for this is that in crystalline semiconductors, the conduction band, forbidden band, and valence band are clearly separated, but in amorphous semiconductors,
The separation of these bands is unclear, and there are many localized electron levels in the forbidden band, 〓10 19 cm -3 .
This is because electrons are distributed in these localized levels and cannot exist in the conduction band. Therefore, electrons cannot move freely, resulting in a material with very low mobility. Furthermore, even if donors and acceptors are doped to create P-type and N-type materials, the extra electrons and holes will fall into a large number of localized levels in the forbidden band, causing the overall As a result, the effect became negligible, and it was impossible to raise or lower the Fermi level. Such localized levels in the forbidden band are thought to be formed by defects that inevitably occur during amorphous amorphous formation and non-uniformity of bond lengths and angles between atoms (long-range disorder). .
しかし、特開昭52−16990号にみられるよう
に、グロー放電を用いてSiH4(シラン)ガスを
分解してアモルフアスシリコンを作る方法が知ら
れているが、グロー放電によるアモルフアスシリ
コンは、今迄の方法で作つたアモルフアスシリコ
ンに比べて禁制帯に出来る局在準位が充分少くな
つており、結晶半導体と同様に、不純物をドープ
した時にそのフエルミ準位を容易に変化させる事
が出来るということがわかつて来た。実際、グロ
ー放電でアモルフアスシリコンを作る時、SiH4
ガスの他に例えばB2H6(ジボラン)ガスを混入
して作るとP型の熱起電力が観測され、又PH3
(ホスフイン)ガスを混入して作るとN型の熱起
電力が容易に観測される。又、ホール効果の測定
も出来る様な材料が得られている。混入する不純
物の量を1018〜1019cm-3程度にすれば、比抵抗は
何も入れない場合に比べて、9〜10桁も下つて来
て室温でρ≒0.01〜10Ω・cmのものが出来る様に
なつた。しかし結晶の場合、同じ量の不純物を入
れたものは室温でρ≒0.001〜0.01Ω・cmである
ので、アモルフアスの比抵抗は結晶の様には下ら
ない。これは、アモルフアス半導体の本質的な性
質のためでもある。 However, as seen in JP-A-52-16990, there is a known method of decomposing SiH 4 (silane) gas using glow discharge to produce amorphous silicon. Compared to amorphous silicon produced by conventional methods, there are sufficiently fewer localized levels in the forbidden band, and like crystalline semiconductors, the Fermi level can be easily changed when doped with impurities. I have come to realize that it is possible to do this. In fact, when making amorphous silicon by glow discharge, SiH 4
For example, when B 2 H 6 (diborane) gas is mixed in with the gas, P-type thermoelectromotive force is observed, and PH 3
When it is made by mixing (phosphine) gas, N-type thermoelectromotive force can be easily observed. In addition, materials have been obtained that allow measurements of the Hall effect. If the amount of impurities mixed in is about 10 18 - 10 19 cm -3 , the resistivity will decrease by 9 to 10 orders of magnitude compared to the case where nothing is added, and ρ≒0.01 to 10 Ω cm at room temperature. I became able to do things. However, in the case of a crystal, when the same amount of impurities is added, ρ≒0.001 to 0.01 Ω·cm at room temperature, so the resistivity of amorphous amorphous does not fall as low as that of a crystal. This is also due to the essential properties of amorphous semiconductors.
アモルフアス半導体では、結晶化してポリクリ
スタルにしないために500℃以下の温度で膜形成
を行うので、膜形成に於て充分な熱エネルギーが
得られず、原子同士が結合してから再配列しな
い。従つて、原子の配列は結晶よりはるかに不秩
序的であり、化学結合が完全に行なわれても、伝
導帯と禁制帯との間にはどうしても局在準位の帯
が残つてしまう。この様な状態で不純物をドープ
すれば、フエルミレベルはこの局在準位の中に出
来、電気伝導はよりエネルギーの高い伝導帯によ
つて行なわれるよりも、フエルミレベル近くでの
局在準位をホツピング(Hopping)する事により
伝導した方が好都合の条件が出て来る。この様な
伝導は、通常、バリアブル・レンジ・ホツピン
グ・コンダクシヨン(Variable range hopping
conduction)と云われ、Mott等によつてそのメ
カニズムが説明されている。第1図は、実際に
PH3ガスとSiH4ガスとを混ぜて、グロー放電法に
より作つたN型アモルフアスシリコンの比抵抗の
温度変化を示す。これからわかる様に、室温附近
迄、Mottの式
ρ=ρ0・exp〔(T0/T)〕〓 ……(1)
によく合つている。バリアブル・レンジ・ホツピ
ング・コンダクシヨンは、結晶半導体の場合、高
温では、比較的エネルギーの低い所にある伝導帯
に電子が活性化され、そこを自由に動くキヤリヤ
による伝導が大きいために、低温でないとみられ
ない。ところがアモルフアス半導体の場合、伝導
帯はエネルギーの高い所にあり、そこでの移動度
は小さいので、むしろ高温でも、このバリアブ
ル・レンジ・ホツピング・コンダクシヨンの効果
が目立つて来る。上記(1)式においてlmρをT-〓
でプロツトした場合の勾配T0〓は、
T0=16α3/kN(EF) ……(2)
で表わされる。ここで、αは局在準位に於ける波
動函数の減衰を示す量であり、N(EF)はフエ
ルミ準位附近に於ける状態密度数(cm-3・eV-1)
であつて|E―EF|=kT〓T0〓のエネルギー
Eの中ではほぼ一定であると仮定している。kは
ボルツマン定数である。この式のαの量は、X線
回折パターンのデータから、その大きさを推測す
る事が出来る。 In amorphous semiconductors, films are formed at temperatures below 500°C to avoid crystallization into polycrystals, so sufficient thermal energy cannot be obtained during film formation, and atoms do not rearrange after bonding. Therefore, the arrangement of atoms is much more disordered than in crystals, and even if chemical bonds are completely formed, a band of localized levels will inevitably remain between the conduction band and the forbidden band. If impurities are doped in this state, the Fermi level will be created within this localized level, and electrical conduction will occur by hopping localized levels near the Fermi level, rather than through the conduction band with higher energy. By doing (hopping), conditions become more convenient for conduction. Such conduction is usually called variable range hopping conduction.
conduction), and the mechanism has been explained by Mott et al. Figure 1 shows the actual
This figure shows the temperature change in resistivity of N-type amorphous silicon made by a glow discharge method by mixing PH 3 gas and SiH 4 gas. As you can see, it fits Mott's formula ρ=ρ 0・exp [(T 0 /T)] ……(1) well up to around room temperature. Variable range hopping conduction occurs in the case of crystalline semiconductors. At high temperatures, electrons are activated in the conduction band where the energy is relatively low, and conduction by carriers that move freely there is large. I can't. However, in the case of amorphous semiconductors, the conduction band is located at a high energy region and the mobility there is small, so the effect of variable range hopping conduction becomes noticeable even at high temperatures. In equation (1) above, lmρ is T - 〓
The slope T 0 〓 when plotted is expressed as T 0 =16α 3 /kN(E F ) (2). Here, α is the amount indicating the attenuation of the wave function at the localized level, and N(E F ) is the density of state number (cm -3・eV -1 ) near the Fermi level.
It is assumed that the energy E of |E−E F |=kT〓T 0 〓 is almost constant. k is Boltzmann's constant. The amount α in this equation can be estimated from the data of the X-ray diffraction pattern.
第2図は、同じサンプルのX線回折パターンで
あり、これからアモルフアスシリコンの中では、
約50Åに亘つて原子配列は結晶の状態と同等であ
る事がわかる。これは、50Åの領域の中では、各
局在準位の波動関数は同位相であり、局在と云つ
ても50Åの領域でほぼ同等な確率で電子の存在が
許される。即ち、
1/α〓50Å ……(3)
と考えることが出来よう。これは、例えば蒸着法
で作つたアモルフアスシリコンの場合(α〜1/6Å-1
)に比べて、αの値にして1桁小さい値となつ
ている。従つて、勾配T0は小さく、(1)式に於
て、室温でも充分小さな比抵抗のものが、このバ
リアブル・レンジ・ホツピング・コンダクシヨン
によつて得られることがわかる。第1図に記した
N(EF)の値は、上記のαの値とその勾配から
計算した値を示す。又、第3A及び3B図は、P
をドープしたこれ等の試料の状態密度の様子を想
像して描いたものである。B2H6ガスを用いてB
をドープすると、P型のアモルフアスシリコンが
出来る。そしてその伝導メカニズムはやはりバリ
アブル・レンジ・ホツピングの伝導特性を示す。 Figure 2 shows the X-ray diffraction pattern of the same sample, and it shows that in amorphous silicon,
It can be seen that the atomic arrangement is equivalent to the crystal state over approximately 50 Å. This means that within the 50 Å region, the wave functions of each localized level are in the same phase, and even though they are localized, electrons are allowed to exist with almost equal probability in the 50 Å region. In other words, it can be considered as 1/α〓50Å...(3). This is an order of magnitude smaller value of α than, for example, in the case of amorphous silicon made by vapor deposition (α˜1/6 Å −1 ). Therefore, it can be seen that the gradient T 0 is small, and in equation (1), a sufficiently small resistivity can be obtained even at room temperature by this variable range hopping conduction. The value of N(E F ) shown in FIG. 1 is calculated from the value of α and its slope. Also, FIGS. 3A and 3B show P
This is an imaginary drawing of the state density of these samples doped with . B using B 2 H 6 gas
When doped with , P-type amorphous silicon is produced. The conduction mechanism also shows the conduction characteristics of variable range hopping.
本発明は、上述のようなバリアブル・レンジ・
ホツピングの伝導特性をPINアモルフアス半導体
装置に応用することに想到することによつて発明
されたものであつて、互いに導電型を異にしかつ
非晶質半導体から成る低比抵抗の第1及び第2領
域(例えばP型アモルフアスシリコン層及びN型
アモルフアスシリコン層)と、これら第1及び第
2領域間に介在しかつ非晶質半導体からなる高比
抵抗領域(例えば真性アモルフアスシリコン層)
とを夫々具備する半導体装置において、少なくと
も前記第1領域をバリアブル・レンジ・ホツピン
グの伝導特性を有するように構成したことを特徴
とする半導体装置に係るものである。このように
構成された本発明によれば、低比抵抗領域の比抵
抗を既述の特開昭52−16990号のこれと対応する
非晶質層よりも3桁以上小さくすることが可能で
あるので、上記低比抵抗領域(即ち非晶質層)自
体を金属と同様にオーミツク性を持つ電極として
利用することが出来る。従つて半導体装置を製造
する際に、半導体形成工程とは異なる金属電極形
成工程を行うことなく、連続して電極を形成する
ことが出来る。また非晶質半導体を用いていても
低比抵抗領域の比抵抗を極めて低くすることが出
来るので、半導体装置の電気的特性を向上させる
ことが出来る。特に、本発明を太陽電池に適用し
た場合、半導体層の直列抵抗を小さくすることが
出来るので、飽和電流を大きくすることが出来、
この結果、光電変換効率を大巾に向上させること
が出来る。 The present invention provides a variable range as described above.
It was invented by applying the conduction characteristics of hopping to a PIN amorphous semiconductor device. (e.g., a P-type amorphous silicon layer and an N-type amorphous silicon layer), and a high resistivity region (e.g., an intrinsic amorphous silicon layer) interposed between these first and second regions and made of an amorphous semiconductor.
In the semiconductor device, at least the first region is configured to have variable range hopping conduction characteristics. According to the present invention configured as described above, it is possible to make the resistivity of the low resistivity region three orders of magnitude smaller than that of the corresponding amorphous layer of the aforementioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-16990. Therefore, the low resistivity region (that is, the amorphous layer) itself can be used as an electrode having ohmic properties like a metal. Therefore, when manufacturing a semiconductor device, electrodes can be formed continuously without performing a metal electrode forming process different from the semiconductor forming process. Further, even if an amorphous semiconductor is used, the resistivity of the low resistivity region can be made extremely low, so that the electrical characteristics of the semiconductor device can be improved. In particular, when the present invention is applied to solar cells, the series resistance of the semiconductor layer can be reduced, so the saturation current can be increased.
As a result, photoelectric conversion efficiency can be greatly improved.
本発明によれば、P型とN型のアモルフアス材
料を直接接合させると、第4A図に示すように、
フエルミレベル附近に非常に多くの状態密度が存
在するため、接合間を自由にホツピングしてキヤ
リヤが移動し、整流特性は得られない。従つてダ
イオード特性を得るためには、第4B図に示すよ
うに、P層とN層との間に、ドーピングをしない
I層(真性層)を入れなければならない。このI
層は結晶材料で作つた場合の空乏層に相当するも
のである。この様な場合に外部よりバイアスをか
けると、第5A図に示す様にI層に電界がかか
り、順方向では、バリヤブル・レンジ・ホツピン
グで飛んで来た電子がI層にある伝導帯に直接ト
ンネルするか又はバンドテイル(端部)の局在準
位を介して伝導帯を走るか、或は又、I層の局在
準位のみを介してP層に達する。一方、逆方向に
バイアスした場合は、第5B図のように、電子と
ホールは共にこのI層の界面より遠ざかり、電流
は流れない。さらに逆方向バイアス電圧を上げれ
ば、通常のダイオードと同じメカニズムで降伏現
象を生じるであろう。従つて、この様なP―I―
Nアモルフアス層のダイオード特性は、第6図の
様になる。 According to the present invention, when P-type and N-type amorphous materials are directly bonded, as shown in FIG. 4A,
Since there is a very large density of states near the Fermi level, the carrier moves freely by hopping between junctions, making it impossible to obtain rectifying characteristics. Therefore, in order to obtain diode characteristics, an undoped I layer (intrinsic layer) must be inserted between the P layer and the N layer, as shown in FIG. 4B. This I
The layer corresponds to a depletion layer when made of a crystalline material. In such a case, if an external bias is applied, an electric field will be applied to the I layer as shown in Figure 5A, and in the forward direction, electrons that have flown by variable range hopping will directly enter the conduction band in the I layer. It tunnels or runs through the conduction band via localized levels at the band tails (ends), or it reaches the P layer only via localized levels in the I layer. On the other hand, when the bias is applied in the opposite direction, as shown in FIG. 5B, both electrons and holes move away from the interface of the I layer, and no current flows. If the reverse bias voltage is increased further, a breakdown phenomenon will occur using the same mechanism as a normal diode. Therefore, such P-I-
The diode characteristics of the N amorphous layer are as shown in FIG.
このI層には、同じアモルフアス材料であつて
も禁制帯の中の状態密度が大きいと、最初から電
界がかからなくなつてしまうので、禁制帯の中の
状態密度は最小限に少くしなければならない。こ
の様なアモルフアスは、例えばH(水素)を少量
混入することにより作ることができる。即ち、高
周波グロー放電法を用いて作つたドープしないア
モルフアスシリコンでは、この水素がダングリン
グ・ボンド(dangling bond)をなくして、禁制
帯の中の欠陥による局在準位の数を著しく少くし
ている。なお、I層の代りに、N-又はP-層等の
高比抵抗層であつても同様な特性は得られるであ
ろう。又、I層の厚み全体に亘つて一様な層でな
く、その厚み方向で多少空間電荷の分布を持たせ
る事によつて、I層へのキヤリヤの注入を容易に
させることもできよう。 Even if the I layer is made of the same amorphous material, if the density of states in the forbidden band is large, no electric field will be applied from the beginning, so the density of states in the forbidden band must be minimized. Must be. Such amorphous can be made by, for example, mixing a small amount of H (hydrogen). In other words, in undoped amorphous silicon made using the high-frequency glow discharge method, this hydrogen eliminates dangling bonds and significantly reduces the number of localized levels due to defects in the forbidden band. ing. Note that similar characteristics may be obtained even if a high resistivity layer such as an N - layer or a P - layer is used instead of the I layer. In addition, carrier injection into the I layer may be facilitated by providing a somewhat distributed space charge in the thickness direction of the I layer, rather than being uniform over its entire thickness.
本発明の特長は、結晶材料で作られるP―N接
合ダイオードと異つて、P及びN層界面の間に、
非常に少い(1016以下の)状態密度を持つたアモ
ルフアス層を配し、この界面迄の電荷の輸送は、
バリアブル・レンジ・ホツピングのメカニズムを
利用している点にある。この様なことが出来るの
は、アモルフアスシリコンであつても、可成りの
領域(〜50Å)において結晶に似た原子の配列構
造を持つていること、さらには不純物を〜1020cm
-3迄ドープ出来たという点にある。このバリアブ
ル・レンジ・ホツピング・コンダクシヨンは、第
1図で既に述べたように、比抵抗ρの対数が特に
実用温度範囲で絶対温度T〓の−1/4乗にほゞ比例
(ρ∝T-〓)して変化しているが、これはドープ
される不純物濃度が高いために不純物による局在
準位内でキヤリヤのホツピングが起こつているた
めである。この場合、上記比例関係は−150℃
(123〓)以上、特に実用温度範囲、即ち300〜400
〓(27〜177℃)で成立していることが分つてい
る。また低比抵抗のP及びN層間に挾まれたI層
等の高比抵抗領域は整流特性を得るために必須不
可欠のものであるが、その厚みが余り薄いとトン
ネリング現象が生じて整流性に乏しくなるので、
その厚みは50Å以上とするのが望ましい。 The feature of the present invention is that, unlike a PN junction diode made of a crystalline material, between the P and N layer interfaces,
An amorphous layer with a very low density of states (less than 10 16 ) is arranged, and the charge transport to this interface is
It uses the mechanism of variable range hopping. This is possible because even amorphous silicon has a crystal-like atomic arrangement structure in a considerable region (~50 Å), and it also has impurities at ~10 20 cm.
The point is that he was able to dope up to -3 . In this variable range hopping conduction, as already mentioned in Fig. 1, the logarithm of the resistivity ρ is approximately proportional to the -1/4th power of the absolute temperature T〓 (ρ∝T - 〓) This is because the doped impurity concentration is high, and carrier hopping occurs within the localized level due to the impurity. In this case, the above proportional relationship is -150℃
(123〓) or more, especially in the practical temperature range, i.e. 300~400
It is known that this holds true at 〓 (27 to 177℃). In addition, a high resistivity region such as the I layer sandwiched between the low resistivity P and N layers is essential to obtain rectifying properties, but if the thickness is too thin, tunneling will occur and the rectifying properties will be impaired. Because it becomes scarce,
The thickness is preferably 50 Å or more.
これに対して、前出の特開昭52−16990号で
は、アモルフアスシリコンを利用したP+―N+構
造をグロー放電法で形成することが開示されてい
るが、これが整流性を有してはいないことは全く
記載していない。本発明のようにバリアブル・ホ
ツピング・コンダクシヨンのメカニズムが存在し
ておれば、第4A図で説明したように、P―N構
造のものは必然的に整流性を持たないが、これに
反して整流性が出るということは、別のメカニズ
ムで導電性が得られるのであろう。即ち、特開昭
52−16990号では、不純物による準位中でのホツ
ピングは起つてはいないものと思われ、従つて本
発明では0.01Ω・cm程度の低比抵抗が得られるの
にせいぜい50Ω・cm程度の比低抵抗しか得られな
い。 On the other hand, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 16990/1983 discloses forming a P + -N + structure using amorphous silicon by a glow discharge method, but this has rectifying properties. There is no mention of anything that is not done. If a variable hopping conduction mechanism exists as in the present invention, a P-N structure inevitably does not have rectifying properties, as explained in FIG. 4A, but on the other hand, rectifying The appearance of conductivity probably means that conductivity is obtained through another mechanism. That is, Tokukai Sho
In No. 52-16990, hopping in levels due to impurities does not seem to occur, and therefore, although the present invention can obtain a low specific resistance of about 0.01 Ω·cm, the ratio is only about 50 Ω·cm at most. Only low resistance can be obtained.
次に、本発明による半導体装置、例えばダイオ
ードを製造する方法を第7図に付き説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device, such as a diode, according to the present invention will be explained with reference to FIG.
この製造方法はいわゆるグロー放電法であつ
て、反応管1は石英製であり、その囲りにRFコ
イル2が巻いてある。これにRF発振器3から
13.56MHzの高周波電流を流すと、SiH4及びPH3
(又はB2H6)は分解し、イオン又はラジカルの
Si,P,H等4が生成し、基板5上に付着する。
この時の真空ゲージ6で測定した真空度は10-1〜
10-3Torrである。 This manufacturing method is a so-called glow discharge method, and the reaction tube 1 is made of quartz, and the RF coil 2 is wound around it. From this, RF oscillator 3
When a high frequency current of 13.56MHz is applied, SiH 4 and PH 3
(or B 2 H 6 ) decomposes into ions or radicals.
Si, P, H, etc. 4 are generated and adhered to the substrate 5.
The degree of vacuum measured with vacuum gauge 6 at this time was 10 -1 ~
10 -3 Torr.
このグロー放電法が従来の蒸着法やスパツター
法で作つたアモルフアスシリコンと異る点は、基
板5の近くにラジカルな原子又はイオン4が接近
し、これらはRFより高いエネルギーを持つてい
るので、アモルフアス膜形成の際に、結合が完全
に行われ、テトラヘドラルな三次元的構造をかな
りの領域に亘つて形成する。ただし、結晶の形成
と本質的に異る点は、この膜形成が熱平衡状態で
は行なわれていない事である。即ち、化学結合を
終えた原子は急冷され、それ以上動くことがない
ので、結晶の様に最もエネルギーの低い状態に原
子が固定されて結晶粒を作るようなことはない。
従つて、結晶の場合、いろいろなオリエンテーシ
ヨンを持つて成長を始めた結晶塊がぶつかり合う
所(グレイン)で化学結合が切れてしまうといつ
たことがない。又、蒸着法やスパツター法で作つ
た薄膜の場合は、基板迄原子が達する間にいくつ
かの原子がくつついてクラスターを作るのが普通
であるが、これらはエネルギーを殆んど持つてお
らず、基板に於て完全に結合を終えないで急冷さ
れてしまう。従つて蒸着法等で作つたアモルフア
スは膜内に空洞を多数作り、禁制帯の中に〜1020
cm-3近くの状態密度を許してしまう。これが、ド
ーピングの影響を小さくしてしまい、P又はN型
のアモルフアスが出来ない原因である。このグロ
ー放電法のもう一つの長所は、SiH4を分解した
時に膜中にHを入れることができ、この量が適当
であれば、禁制帯の中の状態密度を減らすことが
できることである。これは、テトラヘドラルな三
次元的構造を形成する際に、化学結合の角度や長
さを適度に調節して、ダングリングボンドを作ら
ない様にする働きがあるためと思われる。従つて
前に述べたI層に、特に状態密度を少くした様な
アモルフアスシリコンを用いることがこの方法で
は可能である。 The difference between this glow discharge method and amorphous silicon produced by conventional vapor deposition or sputtering methods is that radical atoms or ions 4 approach near the substrate 5, and these have higher energy than RF. , during the formation of an amorphous film, the bonding is complete and a tetrahedral three-dimensional structure is formed over a considerable area. However, the essential difference from crystal formation is that this film formation is not performed in a thermal equilibrium state. In other words, atoms that have finished chemical bonding are rapidly cooled and do not move any further, so atoms are not fixed in the lowest energy state and form crystal grains like in crystals.
Therefore, in the case of crystals, it has never happened that chemical bonds break at the places (grains) where crystal clusters that have started to grow with various orientations collide. Furthermore, in the case of thin films made by vapor deposition or sputtering, it is common for some atoms to stick together and form clusters while they reach the substrate, but these have almost no energy. However, the substrate is rapidly cooled without completing the bonding process. Therefore, amorphous amorphous made by vapor deposition method etc. creates many cavities in the film, and ~10 20 in the forbidden zone.
This allows a density of states near cm -3 . This reduces the influence of doping and is the reason why P- or N-type amorphous amorphous amorphous is not formed. Another advantage of this glow discharge method is that when SiH 4 is decomposed, H can be introduced into the film, and if this amount is appropriate, the density of states in the forbidden band can be reduced. This is thought to be due to the function of appropriately adjusting the angle and length of chemical bonds to prevent the formation of dangling bonds when forming a three-dimensional tetrahedral structure. Therefore, with this method, it is possible to use amorphous silicon having a particularly low state density for the above-mentioned I layer.
このようなグロー放電法でダイオードを製作し
た場合、技術の面からみると、次の様な長所があ
る。 When a diode is manufactured using such a glow discharge method, it has the following advantages from a technical standpoint.
(1) 低温(300〜500℃)でアモルフアスが付着す
るために、ガラスや金属の様な安価な基板の上
に薄膜を作ることが出来る。(1) Because amorphous amorphous adheres at low temperatures (300 to 500°C), thin films can be created on inexpensive substrates such as glass and metal.
(2) 低温で付着するために、結晶材料に於ける拡
散技術と異り、接合を作つたときに非常に急激
な変化を持つた接合が可能である。(2) Because it is deposited at low temperatures, unlike diffusion techniques in crystalline materials, it is possible to create bonds that have very rapid changes when making them.
(3) 薄膜を積層して作る技術であるため、原理的
に多層構造の素子、即ち立体配置された素子群
を作り上げることが可能である。(3) Since it is a technology that involves stacking thin films, it is in principle possible to create elements with a multilayer structure, that is, a group of elements arranged in three dimensions.
(4) 同じアモルフアスシリコンでも、ドーピング
の量に応じ、又作る時の温度、RFパワーの大
きさにより、比抵抗の範囲をρ=1011Ω・cmか
らρ=0.01Ω・cmへと13桁近く変えられ、従つ
て絶縁層、配線リードを同一のアモルフアスシ
リコンで引き続き作ることが可能である。(4) Even with the same amorphous silicon, the range of resistivity can be changed from ρ = 10 11 Ω・cm to ρ = 0.01 Ω・cm 13 depending on the amount of doping, the temperature during manufacturing, and the magnitude of RF power. It is therefore possible to continue to make insulating layers and wiring leads from the same amorphous silicon.
このようにアモルフアスシリコン材料で特性の
良いダイオードを作ることにより、従来の結晶材
料にない新しいデバイスを能率良く作ることが出
来るということは、以上の様な数々の特長より予
測されるところである。 It is predicted from the many features mentioned above that by making diodes with good characteristics using amorphous silicon materials, it will be possible to efficiently create new devices that are not available with conventional crystalline materials.
このようなグロー放電法によるアモルフアスSi
でP又はBをドープしたものは、不純物準位の間
のホツピング・コンダクシヨン、即ち、この場合
はフエルミレベル近くで生ずるバリアブル・レン
ジ・ホツピング・コンダクシヨンであることは、
第1図で想像がつく。この場合のドーパントガス
の量は、例えばPH3の場合はPH3/SiH4=3.2×
10-5〜2.5×10-3に亘つている。しかし、これよ
り少い数の不純物を入れたアモルフアスSiでは、
第8図に示すように、活性型の(即ち上述のホツ
ピングによるものではなく、不純物準位上方のエ
クステンデイド・ステイト(extended state)へ
電子が飛んで引起される)伝導を示すデータが得
られている。 Amorphous Si produced by such glow discharge method
What is doped with P or B is a hopping conduction between impurity levels, that is, a variable range hopping conduction that occurs near the Fermi level in this case.
You can get an idea from Figure 1. The amount of dopant gas in this case is, for example, in the case of PH 3 , PH 3 /SiH 4 = 3.2×
It ranges from 10 -5 to 2.5×10 -3 . However, in amorphous Si containing a smaller number of impurities,
As shown in Figure 8, data indicating active type conduction (i.e., caused by electrons flying to the extended state above the impurity level, rather than due to the above-mentioned hopping) was obtained. ing.
次に低比抵抗アモルフアス材料を組合わせて作
つた接合ダイオードの実施例を第9図に示す。こ
の場合、まず300℃のガラス基板5の上に、
PH3/SiH4=〜10-3程度の混合ガスを用いて、グ
ロー放電により数μのアモルフアスを付着させる
と、常温で比抵抗ρ=0.01Ω・cmの低抵抗の層7
が出来る。次に、基板温度を下げ、RFパワーも
小さくして、約0.5μ程度のI層8を形成する。
この層にはH原子が数〜数十at%含まれ、禁制帯
の状態密度は著しく小さくなつている。I層8を
付ける時は、N層7が全部被われない様に適当な
マスクをかけておく。次に、別のマスクを当て、
I層8の上に、Bを例えばB2H6/SiH4=〜10-3
ドープしたP型層9を付ける。最後に、N型層7
及びP型層9に電極を付ければ、所望のダイオー
ドが得られる。この特性を第6図に示す。電極と
してはどんなメタル(例えばAu)を用いても、
アモルフアス層7,9は不純物準位にフエルミレ
ベルが存在していて金属的性質を示すので、必ず
オーミツクコンタクトがとれる。第10図は、同
一基板5上にダイオードを2個シリーズに接続し
て作つた場合の例である。この例ではP型層9上
にN型層10が、他方ではP型層11上にI層8
を介してN型層12が形成される。この図で、I
層を介在しないP―N接合は、ダイオードではな
く、単にオーミツク性の接続の働きしかしていな
い点に注意すべきである。第11図は、メタル基
板15上に、第10図と同一構造体を作つた例
で、工程も簡単であり、素子としてもシンプルな
構造を持つている。 Next, FIG. 9 shows an example of a junction diode made by combining low resistivity amorphous materials. In this case, first, on the glass substrate 5 at 300°C,
When several micrometers of amorphous amorphous is deposited by glow discharge using a mixed gas of approximately PH 3 /SiH 4 = ~10 -3 , a low-resistance layer 7 with a specific resistance ρ = 0.01 Ωcm at room temperature is formed.
I can do it. Next, the substrate temperature is lowered, the RF power is also reduced, and an I layer 8 having a thickness of about 0.5 μm is formed.
This layer contains several to several tens of at% of H atoms, and the density of states in the forbidden band is extremely small. When attaching the I layer 8, a suitable mask is applied so that the N layer 7 is not completely covered. Then apply another mask,
For example, B 2 H 6 /SiH 4 =~10 -3 on the I layer 8
A doped P-type layer 9 is applied. Finally, N-type layer 7
By attaching an electrode to the P-type layer 9, a desired diode can be obtained. This characteristic is shown in FIG. No matter what metal (e.g. Au) is used as the electrode,
Since the amorphous layers 7 and 9 have a Fermi level in the impurity level and exhibit metallic properties, ohmic contact can always be established. FIG. 10 shows an example in which two diodes are connected in series on the same substrate 5. In this example, an N-type layer 10 is placed on a P-type layer 9, and an I-layer 8 is placed on a P-type layer 11 on the other hand.
An N-type layer 12 is formed through the . In this diagram, I
It should be noted that a PN junction without intervening layers is not a diode, but merely serves as an ohmic connection. FIG. 11 shows an example in which the same structure as that shown in FIG. 10 is made on a metal substrate 15, and the process is simple and the device has a simple structure.
なお第9図〜第11図の例において、例えば各
半導体領域7を形成する前に、予め基板5の表面
に高比抵抗層、例えば不純物をドープしない別の
真性アモルフアスSi層をグロー放電で気相成長さ
せ、このアモルフアスSi層上に半導体領域7を形
成することもできる。この場合は、上述の高比抵
抗層の存在によつて、放電時のスパツタリングに
よつて基板からの原子が上述の低比抵抗層7中へ
混入(即ち低比抵抗アモルフアス層7への基板5
の影響)するのが防止される。従つて、上述の高
比抵抗層はいわばバツフア層として作用するの
で、低比抵抗層を作るときのRF電界が理想的な
分布となり、不純物供給用ガスの量が少なくても
低抵抗、例えばρ<0.01Ω・cmの半導体領域7を
容易かつ正確に得ることができる。この高比抵抗
層は、不純物をドープしない真性のアモルフアス
シリコンからなつていてよく、上述の低比抵抗非
晶質半導体層を気相成長させるのに用いたと同じ
装置を用いて形成するのが望ましい。この場合に
は、低比抵抗非晶質半導体層を形成する際の放電
エネルギーよりも低い放電エネルギーを与えなが
ら、真性非晶質シリコン層(バツフア層)を気相
成長させるのがよい。例えば低比抵抗非晶質半導
体層を作るときのRFパワーの1/3〜1/2のRFパワー
で
バツフア層を形成するのが望ましい。 In the examples shown in FIGS. 9 to 11, for example, before forming each semiconductor region 7, a high resistivity layer, for example, another intrinsic amorphous Si layer not doped with impurities, is previously formed on the surface of the substrate 5 by glow discharge. The semiconductor region 7 can also be formed on this amorphous Si layer by phase growth. In this case, due to the presence of the above-mentioned high resistivity layer, atoms from the substrate are mixed into the above-mentioned low resistivity layer 7 by sputtering during discharge (that is, the substrate 5 into the low resistivity amorphous layer 7).
effect) is prevented. Therefore, since the above-mentioned high resistivity layer acts as a so-called buffer layer, the RF electric field when creating the low resistivity layer has an ideal distribution, and even if the amount of impurity supply gas is small, it can produce a low resistance, e.g. A semiconductor region 7 of <0.01 Ω·cm can be obtained easily and accurately. This high resistivity layer may be made of intrinsic amorphous silicon without doping with impurities, and may be formed using the same equipment used to vapor phase grow the low resistivity amorphous semiconductor layer described above. desirable. In this case, it is preferable to vapor phase grow the intrinsic amorphous silicon layer (buffer layer) while applying discharge energy lower than the discharge energy used when forming the low resistivity amorphous semiconductor layer. For example, it is desirable to form the buffer layer with an RF power that is 1/3 to 1/2 of the RF power used when forming a low resistivity amorphous semiconductor layer.
このバツフア層は、比抵抗が106Ω・cm以上の
高比抵抗アモルフアス層及び/又は不純物をドー
プしない真性アモルフアス層からなつていてもよ
い。即ち、比抵抗が106Ω・cm未満であるとバツ
フア作用に乏しくなると共に、素子を作つたとき
の絶縁作用も弱くなるからである。これらの作用
を良好に行わせるためには、バツフア層の比抵抗
は109〜1012Ω・cm以上であることが望ましい。
またこのバツフア層の厚みにも望ましい範囲があ
り、バツフア作用及び絶縁性を考慮すれば200Å
以上であるのが望ましい。またバツフア層の構成
も目的に応じて変形可能であり、例えばまず基板
表面に上述の比抵抗106Ω・cm以上のアモルフア
ス層を形成し、次いで真性のアモルフアス層を形
成することにより、バツフア層を2重構造とする
こともできる。 This buffer layer may be composed of a high resistivity amorphous layer having a resistivity of 10 6 Ω·cm or more and/or an intrinsic amorphous layer not doped with impurities. That is, if the resistivity is less than 10 6 Ω·cm, the buffering effect will be poor and the insulation effect when the element is manufactured will also be weak. In order to perform these functions well, it is desirable that the specific resistance of the buffer layer is 10 9 to 10 12 Ω·cm or more.
There is also a desirable range for the thickness of this buffer layer, which is 200 Å considering the buffer action and insulation properties.
The above is desirable. The structure of the buffer layer can also be modified depending on the purpose. For example, by first forming an amorphous layer with a resistivity of 10 6 Ω・cm or more on the substrate surface, and then forming an intrinsic amorphous layer, the structure of the buffer layer can be modified depending on the purpose. It is also possible to have a double structure.
不純物をドーピングする場合のグロー放電に際
しては、比抵抗はRFパワーに応じて変化し、RF
パワーが適当なところで比抵抗は最小になり、し
かもその値が、結晶シリコンで得られるものと比
較出来る程ドーピング効果があることが分つてい
る。即ち、RFパワーが小さい時は、PH3の分解
が不充分であつたり、分解したPがSi原子の位置
に入らなかつたり、またテトラヘドラルの構造を
とらなくなつたりするためと考えられる。一方、
RFパワーが大きい所では、基板をスパツターし
たり、出来た膜の結合を自ら切つてしまつたりす
るためと考えられる。 During glow discharge when doping impurities, the resistivity changes depending on the RF power, and the RF
It has been found that the resistivity is minimized when the power is appropriate, and that the doping effect is comparable to that obtained with crystalline silicon. That is, it is thought that when the RF power is small, the decomposition of PH 3 is insufficient, the decomposed P does not enter the position of the Si atom, or the tetrahedral structure is no longer formed. on the other hand,
This is thought to be due to the fact that in areas where the RF power is high, the substrate may be sputtered or the bonds in the formed film may be cut by themselves.
本実施例においては、不純物ドープした非晶質
シリコン層7を作る前に、まず基板5上にドープ
しない真性の非晶質シリコン層を付けてから、次
にドープした層7を付ける。この様にすることに
より、基板に直接ドープ層をつけた場合よりも、
同じドーピングガス量でも、比抵抗の小さいドー
プ層をつけることが出来る。これは、P原子(又
はB原子)がSi原子と置き換わつてアモルフアス
中に入り易くなるか、又はグロー放電でSi原子が
基板上に付着する際に基板をスパツターしてO原
子等が混入するのを防止できることなどが考えら
れる。又、膜形成の初期に於ては、基板の種類に
より、RF電界の強さが同じ条件でも異つてしま
うことも考えられる。 In this embodiment, before forming the impurity-doped amorphous silicon layer 7, an undoped intrinsic amorphous silicon layer is first applied on the substrate 5, and then the doped layer 7 is applied. By doing this, compared to the case where the doped layer is directly attached to the substrate,
Even with the same amount of doping gas, a doped layer with low resistivity can be formed. This is because P atoms (or B atoms) replace Si atoms and become easier to enter the amorphous amorphous, or when Si atoms adhere to the substrate due to glow discharge, the substrate is sputtered and O atoms etc. are mixed in. It may be possible to prevent this from happening. Furthermore, in the early stage of film formation, the strength of the RF electric field may vary depending on the type of substrate even under the same conditions.
なお、基板5を石英ガラスだけでなく、その他
の絶縁物やメタルで構成してよいが、非晶質シリ
コンのデバイスを作る時には、まず、高抵抗(>
106Ω・cm)の非晶質シリコンを約0.5〜1.0μ程
度付ける。即ち、ドープしない層を付けてからN
型層7などを付ける。この場合、アモルフアス層
に対する基板の影響をなくすためのバツフア層、
即ち上記非ドープ層を作る条件は、不純物を入れ
ないでHの混入によつてRFパワーを少くして作
ることが望ましい。一例を挙げれば、基板温度
300℃、SiH4圧力4×10-2TorrRFパワー40〜60
(任意目盛で)で行うと良い結果を得た。この様
にして作つた非ドープのアモルフアスSi層の光吸
収係数αを調べると、アモルフアス半導体の特性
である√=A(hν―Eg)の関係を良く
満していることが分つた。この場合、Eg(光学
的エネルギーギヤツプ)=1.8eVである。この様
に光学的エネルギーギヤツプが大きいことは、禁
制帯中の局在準位がこの種の非晶質半導体には少
く、良質なものであることを示している。又、こ
の場合の比抵抗はρ≧1010Ω・cmである。こうし
て非ドープ層上に形成された低抵抗アモルフアス
層の比抵抗は、例えばPH3/SiH4=2.5×10-5の
混合ガスを使用した場合でも、0.1Ω・cm以下と
小さくすることができる。 Note that the substrate 5 may be made of not only quartz glass but also other insulators or metals, but when making an amorphous silicon device, first
Attach approximately 0.5 to 1.0μ of amorphous silicon (10 6 Ω・cm). That is, after applying the undoped layer, N
Add mold layer 7, etc. In this case, a buffer layer to eliminate the influence of the substrate on the amorphous layer,
That is, the conditions for forming the undoped layer are preferably such that the RF power is reduced by adding H without adding impurities. For example, the substrate temperature
300℃, SiH 4 pressure 4×10 -2 TorrRF power 40~60
(on an arbitrary scale), good results were obtained. When the optical absorption coefficient α of the undoped amorphous Si layer produced in this manner was examined, it was found that it well satisfies the relationship √=A(hν−Eg), which is a characteristic of an amorphous semiconductor. In this case, Eg (optical energy gap) = 1.8 eV. Such a large optical energy gap indicates that this type of amorphous semiconductor has few localized levels in the forbidden band and is of good quality. Further, the specific resistance in this case is ρ≧10 10 Ω·cm. The specific resistance of the low-resistance amorphous layer thus formed on the undoped layer can be as small as 0.1Ω・cm or less even when using a mixed gas of PH 3 /SiH 4 = 2.5×10 -5 , for example. .
以上、本発明を実施例に付き説明したが、この
実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形可
能である。例えばアモルフアスシリコン以外のア
モルフアス半導体を使用でき、またP型層及びN
型層のいずれか一方を本発明によるアモルフアス
材料で構成してもよい。また上述のバツフア層は
グロー放電法以外の方法で形成することもでき
る。またダイオード以外の装置、例えばトランジ
スタにも勿論適用可能である。 Although the present invention has been described above with reference to embodiments, this embodiment can be further modified based on the technical idea of the present invention. For example, amorphous semiconductors other than amorphous silicon can be used, and P-type layers and N
Either one of the mold layers may be composed of an amorphous material according to the invention. Further, the above-mentioned buffer layer can also be formed by a method other than the glow discharge method. Of course, the present invention can also be applied to devices other than diodes, such as transistors.
図面は本発明を説明するためのものであつて、
第1図は不純物をドープしたアモルフアスシリコ
ンの比抵抗の温度変化を示す比較図、第2図は同
アモルフアスシリコンのX線回折図、第3A図及
び第3B図は同アモルフアスシリコンの状態密度
を示すグラフ、第4A図は同アモルフアスシリコ
ンで構成したP―N接合のエネルギーバンド図、
第4B図は不純物をドープしない真性アモルフア
スシリコン層を間に介在させたP―I―N接合ダ
イオードのエネルギーバンド図、第5A図はこの
P―I―Nダイオードを順方向バイアスしたとき
のエネルギーバンド図、第5B図は同ダイオード
を逆方向バイアスしたときのエネルギーバンド
図、第6図は同ダイオードのI―V特性図、第7
図はグロー放電法に使用する装置の概略断面図、
第8図は不純物量の少ないアモルフアスシリコン
の伝導性を示すグラフ、第9図は上記P―I―N
接合ダイオードの一例の縦断面図、第10図は上
記P―I―N接合ダイオードを2個シリーズに接
続した例の縦断面図、第11図はメタル基板を使
用した第10図と同様の縦断面図である。
なお図面に用いられている符号において、2…
…RFコイル、4……イオン又はラジカル、5…
…基板、7,12……N型アモルフアスシリコン
層、8……真性アモルフアスシリコン層、9,1
1……P型アモルフアスシリコン層、15……メ
タル基板、である。
The drawings are for explaining the present invention, and
Figure 1 is a comparison diagram showing temperature changes in specific resistance of amorphous silicon doped with impurities, Figure 2 is an X-ray diffraction diagram of the amorphous silicon, and Figures 3A and 3B are the states of the amorphous silicon. A graph showing the density, Figure 4A is an energy band diagram of a PN junction made of the same amorphous silicon,
Figure 4B is an energy band diagram of a PIN junction diode with an intrinsic amorphous silicon layer that is not doped with impurities, and Figure 5A is the energy band diagram of a PIN junction diode when this PIN diode is forward biased. The band diagram, Figure 5B is the energy band diagram when the same diode is biased in the reverse direction, Figure 6 is the IV characteristic diagram of the same diode, and Figure 7
The figure is a schematic cross-sectional view of the equipment used in the glow discharge method.
Figure 8 is a graph showing the conductivity of amorphous silicon with a small amount of impurities, and Figure 9 is a graph showing the conductivity of amorphous silicon with a small amount of impurities.
A vertical cross-sectional view of an example of a junction diode, Fig. 10 is a vertical cross-sectional view of an example in which two of the above PIN junction diodes are connected in series, and Fig. 11 is a longitudinal cross-sectional view of an example similar to Fig. 10 using a metal substrate. It is a front view. In addition, in the symbols used in the drawings, 2...
...RF coil, 4...Ion or radical, 5...
...Substrate, 7,12...N-type amorphous silicon layer, 8...Intrinsic amorphous silicon layer, 9,1
1...P-type amorphous silicon layer, 15...metal substrate.
Claims (1)
成る低比抵抗の第1及び第2領域と、 これら第1及び第2領域間に介在しかつ非晶質
半導体からなる高比抵抗領域とを夫々具備する半
導体装置において、 少なくとも前記第1領域をバリアブル・レン
ジ・ホツピングの伝導特性を有するように構成し
たことを特徴とする半導体装置。[Claims] 1. First and second regions of low resistivity that are of different conductivity types and made of amorphous semiconductors, and interposed between these first and second regions and made of amorphous semiconductors. What is claimed is: 1. A semiconductor device comprising high resistivity regions, wherein at least the first region is configured to have variable range hopping conduction characteristics.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1674878A JPS54109762A (en) | 1978-02-16 | 1978-02-16 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1674878A JPS54109762A (en) | 1978-02-16 | 1978-02-16 | Semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS54109762A JPS54109762A (en) | 1979-08-28 |
JPS6248390B2 true JPS6248390B2 (en) | 1987-10-13 |
Family
ID=11924880
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1674878A Granted JPS54109762A (en) | 1978-02-16 | 1978-02-16 | Semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS54109762A (en) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5752176A (en) * | 1980-09-16 | 1982-03-27 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | Semiconductor device |
JPS57100770A (en) * | 1980-12-16 | 1982-06-23 | Seiko Epson Corp | Switching element |
JPS57102076A (en) * | 1980-12-17 | 1982-06-24 | Seiko Epson Corp | Switching element |
JPS57113296A (en) * | 1980-12-29 | 1982-07-14 | Seiko Epson Corp | Switching element |
JPS5890790A (en) * | 1981-08-07 | 1983-05-30 | ザ ブリテイッシュ ペトロレアム カンパニ− ピ−.エル.シ− | Semiconductor device |
JPH0713748B2 (en) * | 1985-06-25 | 1995-02-15 | 株式会社東芝 | Photoconductive member |
JPH0715587B2 (en) * | 1985-06-25 | 1995-02-22 | 株式会社東芝 | Photoconductive member |
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5216990A (en) * | 1975-07-28 | 1977-02-08 | Rca Corp | Semiconductor device |
-
1978
- 1978-02-16 JP JP1674878A patent/JPS54109762A/en active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5216990A (en) * | 1975-07-28 | 1977-02-08 | Rca Corp | Semiconductor device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS54109762A (en) | 1979-08-28 |
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