JP3585621B2

JP3585621B2 - 電界効果型光電エネルギー変換装置

Info

Publication number: JP3585621B2
Application number: JP01662396A
Authority: JP
Inventors: 秀臣鯉沼
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: JPH09213987A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置、特に、太陽電池、半導体光センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子には、水素化非晶質珪素等の非晶質を利用したものと、珪素やガリウム砒素等の結晶材料を利用したものの二種類がある。
水素化非晶質珪素を用いた太陽電池および光センサは、図９に示すように、基板１上に上部透明電極２を形成し、その上部透明電極２上にｐ型水素化非晶質珪素３、ｉ型（不純物を添加していないもの）水素化非晶質珪素４、及びｎ型水素化非晶質珪素５を連続的に形成し、さらに下部電極６を形成する。そこで、ｐ型水素化非晶質珪素３、ｉ型水素化非晶質珪素４、ｎ型水素化非晶質珪素５によるｐｉｎ接合によって発生した電場を利用して、電子−正孔対を分離するようにしていた。しかしながら、水素化非晶質珪素においては、多量の結晶欠陥のために価電子制御が効率よく行えず、大きな電場が得られないという問題があった。
【０００３】
十分な電場が得られなければ、光エネルギーによって生成した電子−正孔対は電極に到達するまでに再結合し熱エネルギーに変換されるため、電気的なエネルギーとしては取り出せない。さらに再結合に伴って特性が劣化する（ステブラー・ロンスキー効果）ことも大きな問題である。
一方、結晶半導体を利用した太陽電池及び光センサの場合、従来の典型的な素子は、図１０に示すような構造を有している。つまり、ｐ（またはｎ）型珪素基板１２の下部に電極１１を形成し、その上部にｎ（またはｐ）型拡散層１３を形成し、そのｎ（またはｐ）型拡散層１３上に上部電極としての櫛型電極１４を配置するようにしている。そこで、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合することによって、接合界面に電場を形成し、光エネルギーによって生成された電子−正孔対を、この電場によって分離し、電気エネルギーとして取り出していた。
【０００４】
しかしながら、ｐｎ接合を形成するために多量の不純物（この図ではドナー）を表面から拡散する必要があり、このため少数キャリア寿命が縮まり、再結合によってエネルギー変換効率が低下するという問題があった。
この問題を解決するために、Ｐ．ＶａｎＨａｌｅｎらは不純物拡散層を不要とする素子を開発した。〔Ｐ．ＶａｎＨａｌｅｎｅｔａｌ．，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−２５，５０７（１９７８）．〕。
【０００５】
この素子の断面を図１１に示す。すなわち、下部電極２１の上にｐ型珪素基板２２を形成し、その表面に極薄（２０〜３０Å）の酸化（ＳｉＯ_２）層（図示なし）を形成し、さらに仕事関数の低いＡｌなどの金属グリッド（櫛型電極）を形成して、ＳｉＯ_２に接するＳｉ界面にｎ型反転層２３を形成する。その表面に珪素酸化膜（ＳｉＯ_２膜）またはチタン酸化（ＴｉＯ_２）膜２５を形成してもよい。この素子においては、不純物を拡散させて接合を形成する代わりに、金属の仕事関数とｐ−Ｓｉのフェルミエネルギー準位の差に基づくショットキー効果によって、半導体表面を反対導電型に反転させ電場を形成する。
【０００６】
しかしながら、この素子構造も、半導体表面を十分に反転させるほどの電場の形成が困難で、実用に至っていない。
また、絶縁膜の表面に、珪素と異なる仕事関数を持った金属を全面に成長させるＭＩＳ構造によっても同様の効果を奏することができるが、入射光量が金属での反射や吸収によって低下するので、この方法はあまり好ましくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の太陽電池（光センサ）においては、技術的に満足できるものではなかった。
本発明は、上記の状況に鑑みて、強誘電体の自発分極効果によって、強誘電体近傍の半導体内の電場を増大せしめ、光によって発生した電子−正孔対の再結合を抑制し、その結果、光エネルギーの電気エネルギーへの変換効率を向上させることができる電界効果型光電エネルギー変換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
（Ａ）光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置において、下部電極上に形成されるｐ−ｉ−ｎ又はｎ−ｉ−ｐ接合、あるいはｐ−ｉ又はｎ−ｉ接合を有する水素化非晶質珪素層と、この水素化非晶質珪素層上に形成される櫛型電極および強誘電体層と、上部電極とを備え、前記強誘電体層の自発分極効果によって前記水素化非晶質珪素層に電場を誘起するようにしたものである。
【０００９】
（Ｂ）光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置において、下部電極上に形成されるｐ（又はｎ）型珪素基板と、このｐ（又はｎ）型珪素基板上に形成されるｎ（又はｐ）型反転層と、このｎ（又はｐ）型反転層上に形成される櫛型電極および強誘電体層と、上部電極とを備え、前記強誘電体層の自発分極効果によって前記ｐｎ接合を有する半導体層に電場を誘起するようにしたものである。
【００１０】
（Ｃ）上記（１）又は（２）記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、前記強誘電体層とその下層間に酸化珪素、窒化珪素、酸化セリウム等の絶縁体を挿入するようにしたものである。
（Ｄ）上記（１）又は（２）記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、出力された信号をＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）で転送するようにしたものである。
【００１１】
上記のように構成したので、太陽電池として使用した場合、変換効率が向上するために、同一面積の電池からより多くの出力が得られる。
また、光センサとして使用した場合、変換効率が向上するために、光検出の感度が向上し、この感度向上によって素子の面積を縮小でき、また、集積度を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例を示す水素化非晶質珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図、図１（ａ）はそのｐ−ｉ−ｎ接合の場合を示す図、図１（ｂ）はそのｐ−ｉ又はｎ−ｉ接合で基板に金属を用いた場合を示す図である。
【００１３】
この図に示すように、ガラスやプラスチック等の基板３１の上に下部電極３２を形成し、この上にｐ型水素化非晶質珪素層３３、ｉ型水素化非晶質珪素層３４、ｎ型水素化非晶質珪素層３５を順次プラズマＣＶＤ法によって成長させる。もし、基板３１がガラスで、下部電極３２も透明ならば、当然光は下面から導入してもよい。基板３１として金属を用いた場合は、下部電極３２と共有できる。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、水素化非晶質珪素層にｎ−ｉ−ｐ構造を設けるようにしたが、当然ｐ−ｉ−ｎ構造でもよい。また、図１（ｂ）に示すように、最上層３５を省略し、ｉ−ｐ構造やｉ−ｎ構造だけでも電界効果によって十分な電界が得られる。
次に、ｎ型水素化非晶質珪素層３５上に櫛型電極３６を形成し、この上に強誘電体層３７を成長させる。強誘電体としてはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）やＰＺＴ（ＰｂＺｒｘＴ_{１１−Ｘ}Ｏ_３）等多くの材料が知られており、スパッタリング法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積法などによって容易に形成できる。さらに、表面に上部電極としての透明導電膜３８（金属膜）を形成する。
【００１５】
このようにして得られた水素化非晶質珪素を用いた太陽電池をデバイスシミュレーター“ＭＥＤＩＣＩ”を使用して、強誘電体を用いた場合と用いない場合についてその特性を計算した。計算の条件を表１にまとめる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
すなわち、（１）移動度は、電子の場合は２ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、ホールの場合は１ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、（２）寿命は、電子の場合は７ｎｓｅｃ、ホールの場合は７ｎｓｅｃ、（３）移動度ギャップは、１．５ｅＶ、（４）光強度は、４×１０^１７ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓｅｃ・ｃｍ^２、（５）吸収長は、０．２ｍｉｃｒｏｎ、（６）使用ソフトは、２次元デバイスシミュレーターＭＥＤＩＣＩ、（７）櫛型電極間隔は、３０μｍ、（８）非晶質珪素膜厚は、２μｍ、（９）ｎ型不純物濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３、（１０）ｐ型不純物濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３である。
【００１８】
図２に従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度を、図３に本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度をそれぞれ示している。すなわち、図２及び図３において、Ｘ軸は太陽電池の縦断面方向、Ｙ軸は太陽電池の横断面方向、Ｚ軸はその部位のｌｏｇ電子・正孔再結合速度〔絶対値〕（ｃｍ^−３・ｓｅｃ^−１）を示している。
【００１９】
図４は従来の太陽電池と本発明の太陽電池の電流−電圧特性図であり、縦軸は電流（１０^−９Ａ／μｍ）、横軸は電圧（Ｖ）を示している。
この図において、曲線ａは従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池、曲線ｂは本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池のそれぞれの電流−電圧特性を示している。
【００２０】
図５は従来の太陽電池と本発明の太陽電池の出力−負荷特性図であり、縦軸はパワー（１０^−３Ｗ／ｃｍ^２）、横軸は負荷（Ω−ｃｍ^２）を示している。
この図において、曲線ａは従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池、曲線ｂは本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池のそれぞれの電流−電圧特性を示している。
【００２１】
これらの計算結果から明らかなように、強誘電体の自発分極効果によって誘起された電場の増大によって、電子と正孔の再結合速度が抑制され、電気的エネルギーの出力が向上していることがわかる。
この実施例の計算例は太陽電池を仮定したが、太陽電池と光センサは基本構造が同一である。したがって、この技術を光センサとして使用しても、同様の改善がみられることは言うまでもない。
【００２２】
図６は本発明の第２実施例を示す結晶珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
この図に示すように、下部に電極４１を付けたｐ型珪素基板４２上に、ドナー注入により形成したｎ型部４３と金属を組合わせた櫛型電極４３，４４を配置する。それ以外の表面に強誘電体層４５を形成するようにしている。さらに、その上に上部電極３８を形成する。この電極は強誘電体層を分極後、エッチングにより除去する。但し、透明電極の場合は、そのまま残しておいてもよく、反射防止効果も期待できる。つまり、この実施例は、第１実施例に示した水素化非晶質珪素のかわりにバルク結晶を使用すること以外は水素化非晶質珪素の構造とほぼ同一である。
【００２３】
図７は本発明の第３実施例を示す水素化非晶質（ａ）又は結晶珪素（ｂ）を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。なお、第１実施例〔水素化非晶質太陽電池（図１）〕と同じ部分については、同じ符号を付してそれらについての説明は省略する。
この実施例では、強誘電体層３７とｎ型水素化非晶質珪素層３５の間に、酸化珪素、窒化珪素、酸化セリウム等の絶縁体層３９を挿入する点が、第１実施例のものと相違し、その他の点は同じである。
【００２４】
このように構成することにより、第１実施例とほぼ同様な効果が得られ、半導体表面における再結合を抑制する効果がある。
強誘電体材料を分極させるための電極は、強誘電体材料を分極させた後、エッチングによって取り除かれるが、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の透明な電極を使用した場合はエッチングせず、強誘電体層３７の上に残しておいてもよい。
【００２５】
図８は本発明の第４実施例を示す水素化非晶質珪素太陽電池をＣＣＤ上に積層した２次元イメージセンサの断面図である。
この図に示すように、ｐ型珪素基板５１にｎ型拡散層からなる蓄積ダイオード５２とＣＣＤ５３を形成し、これらに対応した転送ゲート電極５４とＣＣＤゲート５５を形成する。絶縁層５６を形成し、蓄積ダイオード５２にコンタクトをとった下部電極５７を形成する。この下部電極５７上にｎ型水素化非晶質珪素層５８、ｉ型水素化非晶質珪素層５９、ｐ型水素化非晶質珪素層６０を順次プラズマＣＶＤ法によって成長させる。ｐ型水素化非晶質珪素層６０上には強誘電体層６１を形成する。
【００２６】
このように構成したので、上層の光センサで効率よく集められた信号（電子）は、下層のｐ型珪素基板５１内に作られた蓄積ダイオード５２に溜められ、転送ゲート電極５４に正電圧が加わったときに、ＣＣＤゲート５５により、ＣＣＤ５３に転送される。この信号はＣＣＤ５３中を伝わって増幅器（図示なし）まで転送される。
【００２７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）太陽電池として使用した場合、変換効率が向上するために、同一面積の電池から、より多くの出力が得られる。
【００２９】
（２）光生成キャリアの再結合が抑制されるため、水素化非晶質太陽電池の光劣化が低減され、信頼性が向上する。
（３）光センサとして使用した場合、変換効率が向上するために、光検出の感度が向上する。
（４）光センサとして使用した場合においては、この感度向上によって素子の面積を縮小でき、また、集積度を向上させることができる。
【００３０】
（５）また、強誘電体層の成長は安価にできるため、製造価格の増加はほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す水素化非晶質珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
【図２】従来の強誘電体層なしの場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度を示す図である。
【図３】本発明の強誘電体層を有する場合の太陽電池内での電子と正孔の再結合速度を示す図である。
【図４】従来の太陽電池と本発明の太陽電池の電流−電圧特性を示す図である。
【図５】従来の太陽電池と本発明の太陽電池の出力−負荷特性を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す結晶珪素を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す水素化非晶質（ａ）または結晶珪素（ｂ）を用いた電界効果型太陽電池の断面図である。
【図８】本発明の第４実施例を示す水素化非晶質珪素を用いた電界効果型太陽電池をＣＣＤ上に積層した２次元イメージセンサの断面図である。
【図９】従来の水素非晶質珪素を用いた太陽電池の断面図である。
【図１０】従来の結晶半導体を利用した太陽電池の断面図である。
【図１１】従来の不純物拡散層を不要とした太陽電池の断面図である。
【符号の説明】
３１基板
３２，４１，５７下部電極
３３，６０ｐ型水素化非晶質珪素層
３４，５９ｉ型水素化非晶質珪素層
３５，５８ｎ型水素化非晶質珪素層
３６，４４櫛型電極
３７，４５，６１強誘電体層
３８上部電極
３９絶縁体層
４２，５１ｐ型珪素基板
４３ｎ型珪素層
５２蓄積ダイオード
５３ＣＣＤ
５４転送ゲート電極
５５ＣＣＤゲート
５６絶縁層

Claims

光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置において、
（ａ）下部電極上に形成される水素化非晶質珪素層と、
（ｂ）該水素化非晶質珪素層上に形成される櫛型電極および強誘電体層と、
（ｃ）上部電極とを備え、
（ｄ）前記強誘電体層の自発分極効果によって前記水素化非晶質珪素層に電場を誘起する電界効果型光電エネルギー変換装置。
光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電エネルギー変換装置において、
（ａ）背面に下部電極を形成したｐ（またはｎ）型珪素基板と、
（ｂ）該珪素基板上に形成されるｎ（またはｐ）型注入層と金属を積層した櫛型電極と、
（ｃ）前記珪素基板と櫛型電極の上面に形成される強誘電体層と、
（ｄ）上部電極とを備え、
（ｅ）前記強誘電体層の自発分極効果によって珪素基板上部（界面近傍）に反転層を誘起してｐｎ接合を形成する電界効果型光電エネルギー変換装置。
請求項１又は２記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、前記強誘電体層とその下層間に酸化珪素、窒化珪素、酸化セリウム等の絶縁体を挿入する電界効果型光電エネルギー変換装置。
請求項１又は２記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、出力された信号をＣＣＤで転送する電界効果型光電エネルギー変換装置。
請求項１又は２記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、上部電極として酸化物透明導電膜を用いる電界効果型光電エネルギー変換装置。
請求項１又は２記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、上下の電極に電界を印加して誘電体を分極させた後、上部電極をエッチングにより取り除いた電界効果型光電エネルギー変換装置。
請求項１、３、５又は６記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、前記水素化非晶質珪素層に、通常の非晶質珪素太陽電池と同様のｐ−ｉ−ｎ又はｎ−ｉ−ｐ接合構造を有する電界効果型光電エネルギー変換装置。
請求項１、３、５又は６記載の電界効果型光電エネルギー変換装置において、強誘電体を分極させない状態では、水素化非晶質珪素層にｐ−ｉ又はｎ−ｉ接合構造を有する電界効果型光電エネルギー変換装置。