JPS6175568A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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】 本発明は非晶質炭化シリコン（以下ａ　　Ｓ　ｓ　１−
ｘ　Ｃｘという。ここに、Ｏ＜ｘ＜１）の組成Ｘの異っ
た接合即ち異種接合を有する半導体素子の製造方法に関
する。

従来高い光導性を有し且つ高い暗抵抗をもつため、長時
間の電荷保持能を有し更に高電界を印加し得る物質とし
てＳｅ、ＣｄＳ等が知られている。

しかしこれらの物質は有毒で公害物質に属し、これに代
わる無公害材料を用いた半導体素子が強く望捷れている
。

近年無公害性の材料では、非晶質シリコン（ａ−５ｔ　
　）が強い光導電性を有するものとして注目されている
が、この材料の室温暗比抵抗は高々１０１３Ω（７）程
度であり、電流・電圧特性の降伏電界が低く、高電圧・
高電界を印加することができず、且つ暗電流が大きく、
電荷の長時間保持能も小さいという欠点があった。

近年ａ　　Ｓ　ｉｌ　ｘ　Ｃｘの製法や存在はｐｈｉｌ
、Ｍａｇ、ｐｌ。

Ｖｏｌ　、３５　、　（１９７８）等に開示されており
、炭素濃度Ｘを増加させれば、ある濃度まではエネルギ
ーギャップＥｑが増加し、同時に室温比抵抗も増加する
ことが開示されているが、この材料が光導電性をもつ事
を検討した報告は見当らない。

本発明は、とのａ　　Ｓｚ１□Ｃｘの特性を詳細に検討
した結果、炭素を含有するこの桐料が高い室温比抵抗を
有し、優れた光導電性をもち、目、つこの材料に注入さ
れた電荷を輸送し得る機能をもつ事を発見したことにも
とづくものである。更に組成Ｘの相対的に／Ｊ・さい第
１の層と、相対的に大きい第２の層の異種接合を形成す
るこ吉により、第１の層の広い感光波長域特性と第２の
層の高い耐電圧性を兼ねそなえ、かつ、前述のようにこ
の材料に注入された電荷は、組成の異なる第１．第２の
層の界面が存在しても、すなわち第１の層の組成と第２
の層の組成との差をなだらかに変化させるような遷移領
域を設けなくとも、電荷を効率良く第１の層から第２の
層へまたは第２の層から第１の層へ転送し得る機能を有
した良好な光導電素子を得るものである。

本発明の目的は可視域の光に対し高い光導電性を有し、
高耐電圧性で暗電流が小さく且つ無公害性の材料を用い
た半導体素子の製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は優れた光導電機能及び光起電力機能
を有する半導体素子の製造方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、機械的強度に富み、例えば電
子写真用感光層への応用などに適する半導体素子の製造
方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は感光波長領域を選定でき、製作
の容易な半導体素子の製造方法を提供することにある。

土述した本発明の目的は組成の異った非晶質炭化シリコ
ンの異種接合を有する半導体素子の製造方法を提供する
ことにより達成されるものである。

本発明は、非晶質炭化シリコンを作成する原料ガスの組
成を変えずに作成しているため、製造装置および製造方
法が簡単であり、素子構成要素の再現性が良好である。

以下図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明により作成される半導体素子の一例の基
本構成の一例を示す図である。−１は導電性基板、２，
３はａ　　Ｓ　ｉｊ□Ｃｘ層であり、両者は組成Ｘが異
なり、両者の界面で異種接合を有す。

、４は透明電導膜でＰｔ、Ａｕ、Ｉｎ２Ｏ，５ｎ０２等
が用いられ得る。５，６は素子を外部電気回路へ接続す
るための電極である。７は電源、８は負荷抵抗であり、
素子の光導電性を用いる場合にはスイッチ９を図の電源
７側に接続する。素子の光起電力を利用する場合にはス
イッチ９を負荷抵抗１０側に接続して用いる。１１は入
射光である。

ａ−８ｔ、ＸＣｘ層２・３は相対的にＸの小さい組成を
選定し、可視域の照射光に感応して容易に光励起電荷担
体を生成する第１の層２と、相対的にＸの大きい組成に
選定され、第１の層２で、生成された電荷担体が注入さ
れ、これを輸送するエネルギーギャップＥ９の相対的に
大きい高暗抵抗性・透光性の第２の層３とで構成される
。可視の広い波長域に対する光感応機能を第１の層２に
もたせ、耐高電界・高電圧性及び注入電荷輸送の機能を
第２の層３にもたせた異種接合を形成したことにより、
高感度・高耐電圧性を有する光導電性及び光起電力性半
導体素子を構成するようにしだものである。なお第１図
の層２・３はいずれが第１の層あるいは第２の層であっ
てもかまわない。

第２図に本発明の光導電性機能を有する半導体素子の他
の基本的な構成例を示す。第２図に於て第１図と同じ参
照番号は第１図と同様の素子を示す。第１図と異なると
ころは透光性基＆１２上に透明導電嘆１３をもうけ、こ
の上に素子を形成した点にある。このように構成すれば
、基板１２側から入射する光１４にも感応する半導体素
子を製作できる。

本発明の方法により作成された半導体素子は前述したよ
うに、 （１）外部印加電圧に対し高い耐電圧性を有し、かつ高
い光感度を有する光導電素子として設計する場合には、
第１の層に対し第２の層の組成を大きく変化させ、かつ
高抵抗のものを用いるように設計すれば良く、 （２）外部入射光に対し光起電力素子として使用する目
的で発明の素子を設計する場合には、第２の層に不純物
をドープし低抵抗と外し、且つ外部入射光に対する吸収
を減少させ第１の層で光励起された荷電担体の輸送をよ
り容易にするために、第１の層に対し第２の層の厚さを
小さぐずれば良い。

本発明の半導体素子の製造方法は例えば以下のようにし
て実施することができる。基板としては表面が平滑で光
導電体層を堆積する温度例えば１５ｏ０〜４００°Ｃに
耐え得るものであれば良く、結晶性・非結晶性を問わな
い。例えばＳｉ単結晶等の半導体、ステンレス・アルミ
ニューム等の金属二石英ガラスや＋ラミックスあるいは
」−記温度に耐え得るプラスチックフィルム等の絶縁体
の表面に金属や金属酸化物等の導電性被膜をもうけだも
のが用いられ得る。これらの基板表面を清浄にしたのち
、グロー放電装置内に設置し、基板温度を適宜加熱する
。室温で構造が安定な気体状を呈するシリコン化合物、
例えばＳ　ｉＨ４と室温で構造が安定な気体状を呈する
炭素の化合物例えばＣ２Ｈ４を所望の濃度比に混合した
第１の組成比を有する混合ガス及び第１の組成比と異な
るＳ　Ｉ　Ｈ４とＣ２Ｈ４の第２の組成比を有する混合
ガスをそれぞれ不活性ガス例えばアルゴンに稀釈し、こ
れらの稀釈混合ガスを手記グロー放電装置内に順次導き
、１ｏ−２〜１０’Ｔｏｒｒ台の圧力のもとてグロー放
電により順次所望の時間分解することにより、基板上に
はそれぞれ所望の組成・膜厚を有するａ−８１１，−ｘ
Ｃｘの層からなる異種接合が形成される。

特に不純物を添加したａ−８ｔ１□Ｃｘ層を堆する必要
のある場合には、適宜■族又は■族元素の気体状化合物
例えばＢ２Ｈ６あるいはＰＨ３を前記稀釈混合ガスに添
加して用いれば良い。

次いで堆積された異種接合を有するａ　　５ｔ１−ｘＣ
ｘ膜上に適宜透明導電性物質の層を従来技術によりもう
け、半導体素子を形成する。本発明の製造方法を実施す
るに際しては、上述の製造法に限定されるものではない
。

以下実施例にもとづいて本発明を更に詳しく説明する。

〔素子製造実施例〕

基板にはＳｉ単結晶（ｐ型１ｏΩ・ｃｍ）、ステンレス
、石英ガラス」二にＩ　ｎ　２０３：Ｓ　ｎ　Ｏ２（Ｉ
　Ｔ　Ｏ）透明導電膜をもうけたものを用いた。　１３
．５　Ｍｌｈ高周波グロー放電装置内で基板温度を２５
０°ＣＫ保ち、先ず第１の層を約１μｍ形成するため２
０　ｖｏｆ！、、％のＳ　Ｉ　Ｈ４および炭素化合物を
含むＡｒガスを導入し、０．Ｉ　Ｔｏｒｒの圧力でグロ
ー放電分解した。ついでＣ２Ｈ４とＳ　ＩＨｔ、を各々
１８ｖＯ！６％濃度混合したＡｒ、ガスを導入し、同じ
（０，Ｉ　Ｔｏｒｒでグロー放電分解を行ない第２の層
を約１μｍ堆積させた。その後Ｓｉ単結晶、ステンレス
基板上に堆積したｄ−８ｉ１−ｘＣｘ異種接合を有する
膜上にＩＴＯを約１５００人、Ｓｉ単結晶、ステンレス
・ＩＴＯ被膜をもつ石英ガラス基板上の異種接合を有す
る膜上にＡｕＳｂ合金を約１０００人各々堆積すること
により透明電極をもうけ光導電・光起電力機能を有する
半導体素子を形成した。なおＸ線マイクロアナリシス法
による測定の結果第２の層の組成Ｘは約３５％であった
。

これら素子の光電特性の測定は入光源タングステンラン
プを用い照度２３０ＬＸで行った。

〔実施例の方法により作成された半導体素子の例１〕１
０・・ 素子の特性を示す。図に於て曲線１５はＳｉ基板を負に
バイアスした場合の暗電流を、曲線１６は同光電流を示
す。又曲線１７は基板を正にバイアスした場合の暗電流
を示し、曲線１８．１９が光電流を示す。

ここで曲線１９で示す光電流の方向は印加電圧の方向に
流れるが、ＩＩＩＩ線１８で示す光電流は印加電圧の方
向と逆であり、この事より光起電力が現れている事は明
瞭である。本素子の光起電力とじては２３０ＬＸ照度に
於て開放端電圧約３５ｏｍＶ。

短絡電流密度約７ｘ１０’Ａ／ｃＡが得られた。他方光
導電素子特性としては、上記照度に於て約ｌＸ１０３倍
の光電流・暗電流化が得られ、更に暗電流密度が１ｘ　
１０−１０Ａ／ｃｎ７を越える印加電圧は約１ｏ■であ
り、この時の平均電界として約３Ｘ１０４Ｖ／、を得る
。比較のため示せばａ−８ｉのみの層を用いて暗電流密
度１×１ＯＡ、／ｃｄ以下を得る事は現状では不可能で
ある。

〔実施例により作成された半導体素子の例２〕ＩＴＯ表
面電極をもうけたステンレス基板上の素子も、暗電流・
光電流行性及びＩＴＯ表面電極を負にバイアスした場合
の光起電力特性ともに、第３図とほとんど同様の特性を
示した。

〔実施例により作成された半導体素子の例３〕約１ｏｏ
ＯＡのＡｕ−８ｂ合金膜を表面電極とｊ−でもうけた８
１基板上の素子特性を第４図に示す。

曲ａ２ｏ、２１は基板を負にバイアスした場合の暗電流
光電流を各々示す。又曲線２２．２３は基板を正にバイ
アスした場合の暗電流・光電流を示す。光電流密度は第
３図に比べ低下しているが、これは比較的厚い“半透明
電導膜を用いたためである。しかし暗電流は特に変化し
ていない。更にＡｕ−８ｂ電極を用いたため、本電極と
ａ−８ｔ、ｘＣｘとの界面の障壁が減少したためか、光
起電力は発生せず正負両バイアス方向とも極めて良く似
かよった特性を示す。

従って良好な異種接合面が形成されていると推測される
。

〔実施例によって作成された半導体素子の例４層例３と
約１００ＯＡのＡｕＳｂ合金膜を表面電極としてもうけ
たステンレス基板上の素子も、第４図とほとんど同様の
特性を示す。

〔実施例によって作成された半導体素子の例５〕前記実
施例の素子の製作に用いたａ　−３ｉ　１−ＸＣｘ及び
従来素子であるＳｅ、ＣｄＳ等を光導電膜とする素子を
ステンレス製ピンセットの先端で引っ掻き、機械的強度
を比較した。

従来のＳｅ、ＣｄＳを用いた素子は容易に傷ついたが、
本発明による素子では相当の力で押圧したが、何ら機械
的損傷は認められなかった。

第５図に前記した実施例の素子の光導電特性の分光感度
分布を示す。曲線２４．２５は各々表面電極としてＡｕ
−８ｂ、ＩＴＯをもうけだ素子の特性である。ＦＩＩＩ
線２６はａ−８ｉ単層膜（約０．７μｍ　）の分光感度
分布を相対値として示す。曲線２４゜２５は約４９０ｎ
ｍ　　に最高感度を有し、これより長波長側では、曲線
２６とほぼ相似の傾向を示して感度が低下する。前述し
たように本実施例の素子の第２の層の組成は！　＝　０
．３５であり、この組成ではエネルギーギャップが約２
．３と■をもった１３、、−。

め、第２の層のみではこのような長波長側に感度はない
。長波長側の総合感度として、ａ−８ｉの感度分布と同
様の傾向を示すことから、この素子は第１の層のａ−８
ｉ層で光励起された荷電担体が第２の層に注入され輸送
されている事は明らかである。他方４９０ｎｍより短波
長側で素子の感度が低下しているのは、光入射側に組成
Ｘ−〇、３６の第２の層があり、この層で入射光が吸収
されているためと考えられる。この短波長での感度低下
は、第２の層の組成Ｘを増］〜エネルギーギャップを大
きくすれば避けられる。他方第１の層の方向から光入射
を行なう構成にすれば、第２の層による減衰を受ける事
なく、入射光を第１の層に導く事が可能となる。

本発明の方法により作成された素子を光起電力素子とし
て用いる場合、耐高電界性は要求されないため、第１の
層に比ｌ−薄く、且つ低抵抗にドープした透光性の第２
の層を用いれば良い。こうする事により現在のａ−８ｔ
のｐ　ａ　ｉ　＋＋　ｎホモ接合光起電力素子の欠点で
あるｐ型層での光吸収の欠点を１４Ａ、−； 解決できる。

更に本発明の方法により作成された素子を高電圧の表面
電荷を付与し選択的な光照射により光導電性を利用して
選択的に表面電荷を放電し、印刷等に利用する電子写真
技術分野へ利用するには、例えば第１．２図に於て表面
電極４を取り除いた構成となし、素子の耐電圧性を増す
ような設計をなせば良い。

以上のように、本発明は組成の異なる２層の非晶質炭化
シリコンによる高性能な素子を製造するに際し、原料ガ
ス組成比を変えずに第１の層を作成し、その後、第１の
層上に直接束１の層とは原料ガス組成比の異なる第２の
原料ガス組成比をもって、第２の層を形成する方法であ
り、（ａ）時間的な原料ガス組成比変化を行なわないた
め、第１の層、第２の層の非晶質炭化シリコンに、より
高い再現性があり、できあがった半導体素子の信頼性が
向上する。

（ｂ）　　時間的な原料ガス組成比変化を行なわないた
め、製造装置が簡略化され、装置コストが下１６へ かり、かつ、装置の保守点検も容易となる。

（Ｃ）時間的な原料ガス組成比変化を行なわないため、
半導体素子を連続して作成することが容易となり、半導
体素子の製造コストを下げることが可能となる。

笠の効果を有し、産業的価値が極めて大なるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明によって作成された半導体素子
の基本構成を示す概要図、第３図、第４図は本発明によ
って作成された半導体素子の印加電圧と暗電流・光電流
の関係を示す図、第５図は本発明によって作成された半
導体素子の一実施例における光電流と入射光波長の関係
を示す図である。 １・・・導電性基板、２　、３−−−ａＳ　ｓ　１−ｘ
　ｃｘ層、４−・透明導電膜、５，６・・・電極、７−
・・電源、８　　負荷抵抗、９・・　スイッチ。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　導電性基板上に、シリコン化合物ガスと炭素化合物ガ
   スが第１の組成比で含まれた混合ガスをグロー放電にて
   分解し第１の層となる非晶質炭化シリコンを形成し、し
   かる後前記シリコン化合物ガスと炭素化合物ガスが前記
   第１の組成比と異なる第２の組成比で含まれた混合ガス
   をグロー放電にて分解し前記第１の層上に直接形成する
   ことを特徴とする半導体素子の製造方法。