JPS6384083A

JPS6384083A - 半導体素子

Info

Publication number: JPS6384083A
Application number: JP61229249A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Fujioka; 靖藤岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1988-04-14

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】〔発明の属する分野の説明〕本発明は非単結晶質からなる半導体素子に関するもので
ある。

〔従来技術の説明〕

従来、禁制帯幅が傾斜した禁制帯構造を有するダイオー
ドは、周波数応答を速くすることや、フォトダイオード
の光応答性を速（するために提案されていたが、結晶半
導体、特にＧａＡＳ（Ａ１）半導体でのみ行われていた
にすぎない。

（Ｆ、　ＣＡＰＡＳＳＯ，５ＵＲＦＡＣＥ　５ｃｉｅｎ
ｃｅ　１４２　（１９８４）　５１３−５２８）Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ　（Ａ　Ｉ　）半導体を用いる場合、ダイオー
ドは、基板上に分子線エピタキシー法で作られていた。

分子線エピタキシー法は、超高真空を必要とし、また、
半導体膜の堆積速度も遅い。

さらに、大面積化には不向きであり、量産化が困難であ
った。加えてＧａやＡ　ｓは毒性も強く、工業的に取り
扱うには問題の多い材料である。

一方、工業的には安価で半導体素子に多（使われている
Ｓｉ、Ｇｅは、結晶では格子定数が異なるため、混合し
て欠陥のない単結晶を作ることが困難であった。ところ
が、Ｓ　ｉＧｅの合金は、非晶質半導体の分野では、広
く研究されている。

非晶質半導体の場合、格子定数を考える必要はなく、ま
た構造的な自由度も高・い、水素またはフッ素などのハ
ロゲン原子を導入すれば未結合手を補償することができ
、欠陥密度の少ない５ｉＧｅ合金を得ることができる。

非晶質のＳ　ｉＧｅ合金の応用としては現在、太陽電池
、光センサ、電子写真用感光体などが研究されている。

また、非晶質のＳ　ｉＧｅ合金ではＳｉとＧｅの割合を
変えることで、該合金の禁制帯幅を連続的に変化させる
ことができる。

同様に、非晶質ＳｉＣ，非晶質ＳｉＮ、非晶質ＳｉＯな
ど、多くの非晶質材料が構成元素の比を変えることで、
禁制帯幅を連続的に変えることができる。

しかしながら、非晶質半導体では、電荷の易動度が小さ
いために、実用的なダイオードの作製はあまり行われて
いない。

また、非晶質半導体で、禁制帯幅を連続的に変化させて
ペテロ接合を作製する試みは、特開昭５５−１１３３０
に示されているものの、該公報で示された試みは、禁制
帯幅の異なる半導体を連続的に接合させ、界面に生ずる
欠陥や、不整合を除去することが目的である。

したがって、非晶質半導体の易動度が小さいことを回避
して、ダイオードを作製するにはいたっていない。

〔発明の目的〕

本発明は、非晶質半導体で作成した半導体素子の周波数
特性の改善を目的としている。

また、本発明は、工業的に安価で量産に向いた半導体素
子を提供することを目的としている。

また更に、本発明は、光応答性の優れたフォト半導体素
子を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

本発明は少なくともケイ素原子、禁制帯幅調整原子及び
局在準位低減原子から構成された非晶質からなり、接合
部以外に少（とも−ケ所で禁性帯幅が連続的に傾斜して
いる事を特徴としている。

本発明は、単に従来ＧａＡｓ　（Ａｌ）系半導体で行わ
れていたことを、非晶質材料などの非単結晶に応用した
ものではない。非晶質材料や、粒界のある非単結晶は、
易動度は小さいものの、格子定数を考えな（でも良いこ
とから多（の材料を取り扱うことができ、非晶質材料と
傾斜した禁制帯幅をもつダイオード（以下「傾斜禁制帯
ダイオードｊと略す。）とを組み合わせることによって
始めて光のスペクトルに対応した高速なフォトダイオー
ドを作ることが可能となる。

また非単結晶材料は、結晶Ｓｉや結晶ＧａＡｓなどより
も禁制帯幅の広い材料として熱や高エネルギー粒子に強
いダイオードを作れる。

またさらに、非単結晶材料は、非単結晶材料よスｌ−）
　Ｘ　ｒＸ＋−÷韮Ｆ、与什州突旦で叔ス　Ｊ−／７’
＋ナー払早亮化に適している。

以下、図面に従って説明する。

第１図は本発明の傾斜禁制帯ダイオードの模式的説明図
である。

基板１０１上に第１のオーミックコンタクト層第１の非
単結晶の層領域、第２の非単結晶の層領域、第２のオー
ミックコンタクト層が順に堆積され、オーミックコンタ
クト層はそれに接する非単結晶層領域と同じ極性の不純
物を高濃度に含みオーミックをとっており、そこからリ
ード線１０６．１０７を出している。

第２図は本発明の傾斜禁制帯ダイオードの熱平衡状態で
の模式的なバンド図の一例を示すものである。

第１の非単結晶領域２０４．第２の非単結晶領域２０５
の価電子帯２０１．伝導帯２ｏ２．フェルミレベル２０
３を示している。禁制帯幅は第１の非単結晶領域と第２
の非単結晶領域の少くとも一方で傾斜し、電極に接する
側が広くなっていることが望ましい。又本発明の傾斜禁
制帯グイオードをフォトダイオードとして用いる場合に
はオーミックコンタクト層をなるべく薄（する事と、入
射光側の禁制帯幅を広くする事が望ましい。

また、第１の層領域の界面ではノツチやスパイクの発生
を防ぐために構成元素を連続的に分布させることが望ま
しい。

また、本発明の効果を有効に発揮するためには最も禁制
帯幅の大きいところと小さいところの禁制帯幅の差は０
．１ｅＶ以上が好ましく、最適には０．２ｅＶ以上であ
る。

さらに禁制帯傾斜領域の層厚は、本発明の傾斜禁制帯ダ
イオードの特性を決める因子として重要なものであって
、種々の材料によって異なるものの、印加電圧に対する
耐圧を上げるためには享い方が良く、好ましくは５０〜
２００μｍの間が良い。また、周波数応答を良（するた
めには薄い方が良（、好ましくは０．１〜５０μｍが良
い。

第４図は、本発明の傾斜禁制帯ダイオードを作製するた
めの堆積膜形成装置の１例である。

本発明で使用した堆積膜形成装置は、容量結合型である
。

減圧にし得る堆積室４０１、反応空間４０２、アノード
電極４０３、基板加熱用ヒータ４０４、ヒータ制御装置
４０５、カソード電極４０６、高周波電源４０７、基板
４０８、排気系４０９、真空ゲージ４７０、原料ガス供
給管４１０、原料ガスボンベ４１１〜４１４、圧力ゲー
ジ４２１〜４２４．４８１〜４８４．１次バルブ４３１
〜ｚ１３４．１次バルブ４４１〜４４４、マスフローコ
ントローラー４６１〜４６４、バルブ４５１〜４５４か
ら堆積膜形成装置は、構成されている。

本発明の傾斜禁制帯ダイオードは、次の様にして作製し
た。

まず、アノード電極４０３に基板を設置し、堆積室４０
１内を約１０−’Ｔｏｒｒに排気し、ヒータ制御装置４
０５のスイッチを入れ、基板を５０°Ｃ〜６００℃に加
熱した。基板が所定の温度になったことを確認して、ま
ずオーミックコンタクト層形成用の原料ガスを、原料ガ
スボンベから、所定流量をマスフローコントローラーを
介して堆積室に導入する。真空ゲージ４７０で堆積室の
内圧が、所定の圧力０．０１〜１０Ｔｏ　ｒ　ｒになっ
たことを確認して、高周波電源４０７のスイッチを入れ
、高周波電力を堆積室内に０．ＯＩＷ／　ｃ　ｒｒ？〜
ＬＯＷ／ｃｒｒｒで投入した。所定の時間グロー放電を
行って、オーミックコンタクト層を０．０１μｍ〜１μ
ｍ堆積した。オーミックコンタクト層が形成された後、
堆積室４０１内を充分に排気し、基板温度を室温にまで
下げ、基板を堆積室外へ取り出し、オーミックコンタク
ト層の形状を所定の形状になる様にエツチングした。

その後、再び堆積室４０１内にオーミックコンタクト層
を堆積した基板を設置し、オーミックコンタクト層と同
様な操作手順で、第１の層領域、第２の層領域をそれぞ
れ１００μｍ以下堆積した。禁制帯幅を連続的に変化さ
せて堆積するには禁制帯幅調整元素を含有した原料ガス
の流量を、連続的に減少または増加させていった。

そして、最初にオーミックコンタクト層を堆積した後と
同様に、基板を堆積室外にとり出して所定のパターニン
グを行い、また再び堆積室内にオーミックコンタクト層
、第１の層領域、第２の層領域を堆積した基板を設置し
、はじめのオーミックコンタクト層の堆積と同様な操作
手順で、表面のオーミックコンタクト層を堆積した。以
上の様にして、傾斜禁制帯ダイオードを形成した。

本発明のベース堆積用の原料ガスとしては、ケイ素含有
ガスはＳ　ｉＨ４，Ｓ　ｉＦ４．Ｓ　１２Ｈ６，５ｉ２
Ｆｉｌ　　　　Ｓｉａ　　　ｌ−１ｓ、　　　　ＳｉＨ
３Ｆ、　　　　Ｓｉ　　　□　　　Ｆ　２　　・・・　
・・・等の鎖状シラン化合物、又はＳ　Ｉｓ　Ｈ＋ｏ＋
　　Ｓ　Ｉ６１’ｌ　１２．Ｓ　１４Ｈｓ・・・・・・
等の環状シラン化合物等が有用である。禁制帯幅調整原
子含有ガスは、禁制帯幅を拡大するものではＣＨ４，Ｃ
Ｈ２，Ｆ、、Ｃ２゜ＨＡ、　　　　Ｃ２，Ｈ４，Ｃ２，
Ｈ２，ｓｉ　　　　（ＣトＩ　　３）、　　　。

５ｉＨ（ＣＨ３）３等の炭素化合物、Ｎ２．ＮＨ８゜Ｈ
２ＮＮＨ２，ＨＮ３ＮＨ４Ｎ−、Ｆ　３Ｎ、Ｆ　４Ｎ等
の窒素化合物、０　＝　、　ＣＯ２、Ｎ　Ｏ、Ｎ　Ｏ２
，Ｎ　２０　。

０３、Ｎ２，０３．Ｎ２０．、ＮＯ３等の酸素化合物が
有用であり、禁制帯幅を縮小するものではＧ　ｅ　Ｈａ
　。

Ｇ　ｅ　Ｆ　ａ・・・・・・等のゲルマニウム化合物、
Ｓ　ｎ　Ｈａ等のスズ化合物が有用である。さらに、局
在準位低減原子は本発明を効果的に行うにあたって、重
要な因子である。禁制帯幅傾斜層に含有される局在準位
低減原子の量は好ましくは１〜６０原子％、より好まし
くは５〜３５原子％である。

さらにまた、本発明の非単結晶層に含有される伝導性を
制御する原子としては、周期律表で第■族原子または／
および第Ｖ族原子が使用される。

具体的には、第■族原子としては、Ｂ（ホウ素）。

Ａｎ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、　　Ｉｎ（
インジウム）、ＴＩ（タリウム）等を挙げることができ
るが、特に好ましいものは、Ｂ、Ｇａである。また第Ｖ
属原子としては、Ｐ（燐）、Ａｓ（ひ素）、Ｓｂ（アン
チモン）、　　Ｂｉ　　（ビスマス）等を挙げることが
できるが、特に好ましいものは、ｐ、ｓｂである。含有
される伝導性を制御する原子の含有量は、好ましくは５
％以下、より好ましくは３％以下、最適には１％以下で
ある。

以下実施例に従って、本発明を説明する。

実施例１第１１図の堆積膜形成装置を用いて、コーニング社製７
０５９ガラス上に所定の手順に従って第１表の条件で、
第１図の層構成、第２図（ａ）のバンド図の本発明の傾
斜禁制帯ダイオードを作成した。各層は、ＲＩ−（Ｅ　
Ｅ　Ｄで測定したところ非晶質であった。ベース内のゲ
ルマニウムの含有量はＳ　ＩＭＳで測定したところＯか
ら３０原子％と連続的に変化していた。

さらに、ゲルマニウムを含有していないアモルファスシ
リコン層の禁制帯幅は、１．７ｅＶであり、ゲルマニウ
ムを３０原子％含有しているアモルファスシリコン層の
禁制帯幅は、１．４５ｅＶ　　　。

であった。

本実施例のダイオードは、比較例１に示す２種類のダイ
オードと比較して、スイッチング時間が１．６倍速く改
善された。

比較例１実施例１の第２の層領域の作成時にＧ　ｅ　Ｆ　ａの流
量を０，１０と一定にしたほかは、実施例１と同様にし
て２種類のダイオードを作成した。

実施例２第４図の堆積膜形成装置を用いて、コーニング社製７０
５９ガラス上に所定の手順に従って第２表の条件で、第
１図の層構成、第２図（ｂ）のバンド図の本発明の傾斜
禁制帯ダイオードを作成した。各層は、ＲＨＥ　Ｅ　Ｄ
で測定したところ非晶質であった。炭素含有毒は、Ｓ　
ＩＭＳで測定したところ、２０原子％からＯ原子％で分
布していた。

また、炭素２０原子％含有するアモルファスシリコン層
の禁制帯幅は、２．ＯｅＶであった。

本実施例のダイオードは、比較例２に示すダイオードと
比較してＳＮ比が１．５倍改善された。

比較例２実施例２の第１の層領域の作成時に０．５０と一定にし
たほかは、実施例２と同様にして２種類のダイオードを
作成した。

実施例３第４図の堆積膜形成装置を用いて、コーニング社製７０
５９ガラス上に所定の手順に従って第３夷の冬（７ｉ：
で−庖１Ｍの蓄錨曲　笛’＞Ｍ　（Ｃ）のバンド図の本
発明の傾斜禁制帯ダイオードを作成した。各層は、ＲＨ
Ｅ　Ｅ　Ｄで測定したところ非晶質であった。第２の層
領域内の窒素含有量は、ＳＩＭＳで測定したところ３０
原子％から０原子％で分布していた。

また部製帯幅は、一番広いところで２．２ｅＶであった
。

本実施例のダイオードのＳＮ比は、比較例１に示すダイ
オードと比較して２．１倍改善された。

実施例４第４図の堆積膜形成装置を用いて、コーニング社製７０
５９ガラス上に所定の手順に従って第４表の条件で、第
３図のバンド図の本発明の傾斜禁制帯をもつアバランシ
ェ・フォトダイオードを作成した。各層は、ＲＨＥＥＤ
で測定したところ非晶質であった。可視光に対する応答
のＳＮ比は、ｉ層にＧｅＦ４ガスを入れずに傾斜禁制帯
を作らないで作成したフォトダイオードと比較して、２
倍改善された。

第　　１　　表第　　２　　表第　　３　　表第　　４　　表〔効果の説明〕以」二説明したように、本発明によれば、止車結晶質グ
イオートの周波数特性や、光応答性を著しく改善できる
。

また、本発明は、止車結晶材料で傾斜禁制帯ダイオード
を作るために、工業的に非常に容易に量産することがで
きる。

また、更に、止車結晶材料で傾斜禁制帯ダイオードを作
るために、禁制帯幅や材料の自由度が広がり、目的に合
った傾斜禁制帯ダイオードを作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の傾斜禁制帯ダイオードの模式図であ
る。第２図、第３図は実施例で用いた本発明の傾斜禁制帯ダ
イオードの模式的バンド図である。第４図は、本発明の傾斜禁制帯ダイオードを作製するた
めの堆積膜形成装置である。１０１−−−−−一−−基板１０２−−−−−−−一第１のオーミックコンタクト層
１０３−−−−−−−−ダイオードの第１の層領域１０
４−−−−−−−−ダイオードの第２の層領域１０５−
−−−−−−一第２のオーミックコンタクト層１０６、
　１０７−−−−リード線２０１．３０１−−−一価電子帯２０２．３０２−−−一伝導帯２０３．３０３−−−−フェルミレベル４０１−−−−
−−−一堆積室４０２−−−−−−−一反応空間４０３−−−−−−−−アノード電極４０４−−−−−−−一基板加熱用ヒータ４０５−−−
−−−−−ヒータ制御装置４０６−−−−−−−−カソ
ード電極４０７−−−−−−−−高周波電源４０８−−−−−−−一基板４０９−−−−−−−一排気系４１０−−−−−−−一原料ガス供給管４１１〜４１４
−−−一原料ガスボンベ４２１〜４２４−−−一圧カゲ
ージ４８１〜４８４−−−一圧カゲージ４３１〜４３４−−−−１次パルプ４４１〜１１４４−−−−２次パルプ７１６１〜４６／Ｉ−−−−マスフローコントローラー
１１５１〜／１５４−−−−パルプ・１７０−一〜−−−一一真空ゲージ手続補正書（方式）％式％２、発明の名称半導体素子３、補正をする者事件との関係　　　　特許出願人住所　東京都大田区下丸子３−３０−２名称　（ｉｏｏ
）　　キャノン株式会社代表者　賀　　来　　龍　三　
部４、代理人居所　〒１４６東京都大田区下丸子３−３０−２キャノ
ン株式会社内（電話７５８−２１１１）５、補正命令の
日付（発送日）昭和６１年１１月２５日６、補正の対象明　　細　　書７、補正の内容願書に最初に添付した明細書の浄書・別紙の通り（内容
に変更なし）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくともケイ素原子、禁制帯幅調整原子及び局
在準位低減原子から構成された非単結晶からなり、接合
部以外に少なくとも一か所で禁制帯幅が連続的に傾斜し
ている領域を有することを特徴とする半導体素子。
（２）前記禁制帯幅調整原子が禁制帯幅拡大原子の炭素
、窒素、酸素から選ばれる少なくとも１種の原子である
特許請求の範囲第１項に記載の半導体素子。
（３）前記禁制帯幅調整原子が禁制帯幅縮小原子のゲル
マニウム、錫から選ばれる少なくとも１種の原子である
特許請求の範囲第１項に記載の半導体素子。
（４）前記局在準位低減原子が水素、弗素から選ばれる
少なくとも１種の原子である特許請求の範囲第１項に記
載の半導体素子。
（５）前記禁制帯幅が連続的に傾斜している領域が複数
箇所あり、禁制帯幅が鋸歯状になっている特許請求の範
囲第１項記載の半導体素子。