專利名稱：光致電壓器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光致電壓器件，該器件主要用于太陽能電池、光傳感器、固體變送器等設備，特別是關(guān)于一種具有高能量轉(zhuǎn)換效率的疊層型光致電壓器件。
在很多機械和儀器中，使用各種光致電壓器件，如使用太陽能電池作為驅(qū)動能源部件、用光傳感器作為光接收部件。
光致電壓器件，比如在其功能部分上包含有P-n結(jié)或P-i-n結(jié)的太陽能電池，又如含有這些P-n結(jié)或P-i-n結(jié)的半導體，通常都采用硅。從將光能轉(zhuǎn)換為電動勢的轉(zhuǎn)換效率來看，使用單晶硅較好，但從構(gòu)成大面積且低成本的器件的角度來看，使用非晶硅又是有利的。
近年來，正在研究多晶硅的應用，使其具有象非晶硅一樣的低成本及象單晶硅一樣的高能量轉(zhuǎn)換效率。但是直至目前所提出的那些方案，都是將一塊容易制備的多晶硅切成薄片，以得到一塊薄板，因此，很難使薄片厚度小于0.3mm，并使其保持低電阻，直到取得光電電動勢，并且，由于從一塊多晶體上切下的薄板，要經(jīng)過例如精細剖光，以用于一光致電壓器件，所以，這薄板必須具有一定的機械強度。因此，薄板的厚度不能太小，以使能足夠地吸收入射光，并能有效地利用材料。
要作出高效的光致電壓品件，受光照射而產(chǎn)生光生載流子的半導體層，最好有足夠的厚度，以利于光的吸收，但同時又應盡量的薄，以使整個器件有較低的電阻以及有效地利用材料。也就是說，應該使薄板的厚度足夠小，以獲得高效率和低生產(chǎn)成本。
根據(jù)上述觀點，曾經(jīng)試圖采用化學汽相沉積(CVD)方法等薄膜形成技術(shù)，形成多晶薄膜，但其晶粒尺寸最多為數(shù)百微米，而且，甚至與多晶硅塊切片法相比，其能量轉(zhuǎn)換效率也不高。
還已經(jīng)試圖采用激光技術(shù)，使晶粒尺寸增大，即將激光照射于用上述CVD方法制成的多晶硅薄膜，以使其熔融和再結(jié)晶，但是，仍不足以獲得一種低成本的形成方法，而且難于穩(wěn)定生產(chǎn)。
上述這些問題不僅是采用硅時會出現(xiàn)，對化合物半導體來說也是如此。
根據(jù)上述情況，本申請人曾提供了一種具有足夠大的晶粒尺寸和高能量轉(zhuǎn)換效率的薄型太陽能電池，已公開于日本特許公報63-182872。這種太陽能電池包括一個基本上是第一種導電類型半導體的單晶層，此單晶層以一種外來材料為基礎形成于一個基片上，該外來材料與此基片表面材料相比，有足夠大的成核密度，并且該外來材料面積足夠的小，以便只形成一個單核，由此單核生長一個單晶;此外還有一個第二種導電類型的單晶層。


圖1是上述公報中描述的太陽能電池的示意圖，其中給出了一個基片11，一些外來材料12，P-型單晶層13;i-型單晶層14和n-型單晶層15。
這種太陽能電池是利用局部單晶生長方法制作的。此局部單晶生長方法借助于不同材料性質(zhì)的不同，即這些材料影響薄膜形成過程中成核諸參量，如表面能、附著系數(shù)，分離系數(shù)、表面擴散率等的不同，在一個基片上有選擇地生長晶體。該成核表面比一非成核表面(具有小的成核密度)具有足夠的更大的成核密度，并形成于該非成核表面之上，而且還占有足夠小的區(qū)域，以只生成可生長一個單晶的唯一單核。利用這種方法，在所述非成核表面，絕無單晶生長，而只有在上述成核表面才生長出一個單晶。
本發(fā)明是在上述已有技術(shù)基礎上進一步發(fā)展了的方法，特別是目的在于提供一種具有高能量轉(zhuǎn)換效率、并能形成大面積、而成本又低的光致電壓器件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種作出疊層型光致電壓器件的方法，這種器件在一基片的所要求位置，局部地具有高能量轉(zhuǎn)換效率，并且也提供了利用這種方法制成的一種光致電壓器件。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種光致電壓器件，它包括下述部分一個具有由一絕緣表面包圍的多個導電表面的基片，具有形成復蓋上述那些導電表面的一些單晶層區(qū)域的、多個第一光致電壓單元，一個形成復蓋上述多個第一光致電壓單元的第二光致電壓單元，所述那樣單晶層區(qū)域彼此是隔離的。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種作出光致電壓器件的方法，此方法包括利用汽相沉積方法，在具有一個非成核表面和多個成核表面的一個基片上進行晶體生長處理，這些成核表面有著比所述非成核表面大的成核密度，并且有一足夠小的尺寸，以便只形成一可長成一個單晶的單核，
形成多個具有一些單晶層區(qū)域的第一光致電壓單元，使得所述各單晶層區(qū)域是彼此隔離的，形成一個復蓋所述多個第一光致電壓單元的第二光致電壓單元。
圖1是說明太陽能電池已有技術(shù)實例的示意圖。
圖2至5是說明本發(fā)明光致電壓器件的示意圖。
下面參照附圖，對本發(fā)明加以詳細說明。
圖2是說明本發(fā)明的一個實施例的示意剖面圖。
圖2中的光致電壓器件包括如下部分一具有一導電表面及一絕緣層3的襯底材料1，絕緣層3形成于該襯底材料1上并具有一些開孔以形成一基片;一個形成于那些開孔處的具有多個第一種導電類型單晶層4的、第一光致電壓單元;復蓋著所述多個單晶層4、并能在光照下有效地產(chǎn)生光生載流子的多個單晶層5;一個復蓋著所述單晶層5的第二種導電類型薄層6;一個具有第一種導電類型非晶層7、一個i型非晶層8和一個第二種導電類型非晶層9的第二光致電壓單元;一個透明導電層10。
但是，本發(fā)明并不僅限于上述結(jié)構(gòu)，上述絕緣層表面(絕緣表面)也可以和上述導電表面處于同一個平面上。
本發(fā)明所用的、具有一導電表面的襯底材料1包括金屬材料，如不銹鋼等，及絕緣材料，如氧化鋁、玻璃等，襯底材料1的那些表面是經(jīng)汽相沉積或其它方法而制成的。
本發(fā)明所用的絕緣層3是由一些絕緣材料，如氧化硅(SiOX)、硅的氮氧化物(SiOXNY)等制成。
當襯底材料1暴露于上述那些開孔處的表面被用作成核表面2，而絕緣層3的上述表面被用作非成核表面時(如圖2所示)，絕緣層3內(nèi)的上述那些開孔尺寸，不大于4μm，不超過2μm較好，最好是不超過1μm，以便獲得具有好選擇性的一些單晶;而當一些成核表面或晶種2a是由一種不同材料制成于襯底材料1暴露于上述那些開孔部位的表面上、且襯底材料1暴露于上述那些開孔部位的那個表面及絕緣層3的上述表面被用作非成核表面時，絕緣層3內(nèi)的上述那些開孔尺寸不大于30μm，以1μm到20μm較好，而最好是2μm到10μm，以便形成一些選擇性良好的單晶。被作為成核表面(晶種)2a的不同種類的材料(外來材料)的尺寸，小于上述那些開孔的直徑尺寸，4μm或小于4μm較好，2μm或小于2μm更好，以1μm或小于1μm為最好，以便形成一些選擇性良好的單晶，并獲得與所述襯底材料良好的電接觸。
為了形成一些選擇性良好的單晶層，成核表面2和2a的成核密度與上述非成核表面的成核密度相比，以不小于后者102倍為好，而不小于103倍更好。
絕緣層3的形式，是采用如CVD、濺射等薄膜沉積方法，在襯底材料1的表面上形成一個絕緣層，然后，在其上作成一個保護層圖案，再通過刻蝕方法，除去很小的、未掩蓋保護層的部分，此部分尺寸比如為1μm×1μm，所用刻蝕方法比如是反應離子刻蝕法(RIE)等，以使襯底材料1在相距適當距離處暴露出其表面，比如相距10μm×10μm。
第一種導電類型的那些單晶層4最好是P-型、P+-型、n-型或n+-型，以使得有效地從第一光致電壓單元取得電動勢。為與襯底材料1形成良好的電連接(歐姆連接)，最好選用重摻雜的P+-型或n+-型材料。
那些單晶層4的大小，以大于上述那些開孔尺寸為好，1μm到5μm更好，以1.5μm到4μm為最好，以抑制泄漏電流的產(chǎn)生，并與上述襯底材料形成良好接觸。
那些單晶層5，是能夠在入射光照射至第一光致電壓單元時，產(chǎn)生光生載流子的一些單晶層區(qū)，它最好由P-型、P--型、i-型、n-型或n--型材料制成。這些單晶層5的厚度是10μm到50μm，最好是20μm到50μm，以有效地產(chǎn)生光生載流子，并從而提高該光致電壓單元的光電轉(zhuǎn)換效率。
第二種導電類型的薄層6是多晶、單晶、非晶或微晶(在非晶基體中分散有顆粒尺寸為30A到500A的細粒晶體)，最好是與第一種導電類型相反的導電類型，即P-型、P+-型、n-型、或n+-型。
單晶層5由薄層6復蓋。在第一光致電壓單元中，起著有效地產(chǎn)生上述光生載流子作用的單晶層5是沒有晶界的，從而難于產(chǎn)生所述光生載流子的復合。也就是說，通過所產(chǎn)生的光生載流子就可有效地取得光致電壓電勢。
當一種多晶材料用于薄層6時，晶界能態(tài)形成于禁帶中的多數(shù)載流子一側(cè)(也就是當使用n-型材料時，在低于費米能級的一側(cè)，或者當使用P-型材料時，在高于費米能級的一側(cè))，因此，在這些晶界能態(tài)上，基本沒有復合產(chǎn)生。
進一步，當一種薄層材料用于薄層6時，最好是在第二光致電壓單元與第一光致電壓單元的單晶區(qū)之間的電流動方向上，形成一種沒有晶界的多晶結(jié)構(gòu)，比如，柱狀結(jié)構(gòu)，以防止薄層6形成較高電阻。
第二種導電類型薄層6的厚度以0.1至1.0μm為好，0.2到0.5μm更好，以利于有效取得光致電壓電勢。
在本實施例中，第一光致電壓單元包括一個三個薄層的疊層，這三個薄層是單晶層4、單晶層5和一個薄層6。
第二光致電壓單元置于第一光致電壓單元之上，并復蓋著該第一光致電壓單元。第二光致電壓單元包括如下數(shù)層材料第一種導電類型的非晶材料層7，如P+-型、P-型、P--型、n+-型、n-型或n--型;一個i-型非晶層8，以及一個第二種導電類型的非晶層9，即和第一種導電類型相反的導電類型，比如，n+-型、n-型、n--型、P+-型、P-型或P--型。
第二光致電壓單元的材料不僅可以采用非晶材料，也可以用一些微晶材料，這些微晶材料是一種在非晶基體上分散有晶粒尺寸為30A到500A細粒晶體的材料。還可以用多晶材料作為第二光致電壓單元中第一及第二種導電類型的薄層7與9。例如，在光入射的一側(cè)，采用對短波光吸收較弱的一種微晶材料，用于第二種導電類型的薄層9，則短波光可以更多地進入能產(chǎn)生光生載流子的、i-型非晶層8，于是，提高了光能利用效率。另外，在上述光入射的相對一側(cè)，在第一種導電類型的上述薄層中，采用高電導率的微晶材料，則第二光致電壓單元的內(nèi)阻就可降低，從而提高了開路電壓和短路電流。
非晶層7的厚度是50A至100A，以及50A到70A為較好。非晶層8的厚度以3000A到6000A為好，而4000A到5000A更好。非晶層9的厚度以100A到500A較好，最好是200A到300A。
第一光致電壓單元和第二光致電壓單元，就是如上所述依次置于上述基片之上的，然后，在上述光入射側(cè)，再設置一上電極10，以匯集光致電壓電勢。
上電極10包括一個透明導電體層等，此導電體層厚度為0.4至1μm，由ITO、SnO2、ZnO等制成。此透明導電體層形成于薄層9的上述光入射一側(cè)。在此透明導電體層上，還設置一個蜂窩形、網(wǎng)眼形或格柵形等形狀的收集器電極。
根據(jù)本發(fā)明所作出的光致電壓器件，可采用自成形的、并被許多晶面圍繞著的單晶，作為一光致電壓器件的那些單晶層區(qū)域，并借助一種織構(gòu)結(jié)構(gòu)有效地利用所述入射光，從而提高了上述轉(zhuǎn)換效率。而且，設置于上述光致電壓單元上，與所述基片相對一側(cè)的上電極10，是與此光致電壓單元以較大的面積相接觸的，因而降低了該上電極與這光致電壓單元之間的接觸電阻。
下面將進一步詳細說明圖2所示的本發(fā)明光致電壓器件的一個實施例。
襯底材料1是一種由不銹鋼構(gòu)成的導電材料，它同時起電極(下電極)的作用。絕緣層3的材料是SiO2，形成于襯底材料1之上。
第一種導電類型單晶層4是P+-型單晶硅層，而單晶層5是P-型單晶硅層，第二種導電類型的薄層6是n+-型多晶硅層。第一光致電壓單元包含著一個由上述三層組成的一個疊層。
單晶硅層4和5是借助于局部單晶生長工藝形成的。也就是說，例如，利用襯底材料1穿過絕緣層3所暴露的上述表面作為一個成核表面，并利用SiO2薄層3的表面作為非成核表面，通過汽相沉積晶體生長法，來形成單晶層4和5，此襯底材料1穿過絕緣層3所暴露的上述表面，小到足以只形成一單核，由此單核，通過這個晶體生長方法，生長出一個單晶。
非晶層7、8和9分別是P-型Si∶H非晶層，i-型Si∶H非晶層和n-型Si∶H非晶層。第二光致電壓單元包括上述這三個非晶層，這三個非晶層7、8和9還可以含有一種鹵素原子。
上電極10由含錫的氧化(ITO)構(gòu)成，置于非晶層9之上。
上面介紹了本發(fā)明光致電壓器件的一個實施例，但本發(fā)明并不只限于上面所述的實施例。
例如，在本發(fā)明中，可以有單個或多個第一光致電壓單元，當此光致電壓器件是用作太陽能電池的動力供應裝置等時，特別是需要較大面積時，可設置許多個第一光致電壓單元，使光致電壓器件有一較高的效率，這樣能滿足對大面積的需要。
當本發(fā)明具有多個第一光致電壓單元的光致電壓器件用于太陽能電池時，就希望將這些第一光致電壓單元作規(guī)則排列，以抑制這許多個光致電壓單元中的每個的、電流和電壓的波動。此規(guī)則排列的一些較好例子是，將那些第一光致電壓單元排列在高度對稱的位置，如矩形格柵狀態(tài)(四蜂對稱配置)，峰窩格柵狀(六對稱配置)等。
在本發(fā)明用于太陽能電池時，單晶區(qū)的范圍以5到300μm為好，而以10到100μm為更好，所述各單晶區(qū)的兩兩之間的間隔以0.1到10μm好，其中0.3到5μm較好，而以0.5到3μm為最好，以獲取高的轉(zhuǎn)換效率。
第一光致電壓單元與第二光致電壓單元的上述單晶區(qū)，沿光入射表面到上述基片的方向，在太陽能電池的光接收表面上的投影面積比值(S晶體/S非晶)，以0.5到1.0為好，0.7到1.0較好，而0.9到1.0為最好。
當本光致電壓器件用于，如大長度的線傳感器等傳感器的光接收部件時，各器件可按那些成象元件的型式，以所要求的各傳感器成象元件的間隔配置，此處可將要配置于該傳感器的光接收部件的各光致電壓器件這樣安置，以便在每個成象元件上配置一個單個光致電壓單元或多個光致電壓單元。在配置有多個光致電壓單元的情況下，上述單晶區(qū)的范圍為5到100μm，所述各單區(qū)兩兩之間的距離為0.1到10μm，以增加每個成象元件的靈敏度，并降低所述各傳感器成象元件之間的波動。
當本光致電壓器件配置有多個第一光致電壓單元時，上述單晶區(qū)的配置以范圍為6到310μm為好，而以10到100μm為更好。
在本發(fā)明中，上述第一光致電壓單元的單晶區(qū)，是由局部晶體生長方法形成于一基片上的，例如，汽相工藝，如化學汽相沉積(CVD)工藝，包括熱CVD工藝、等離子體CVD工藝、光CVD工藝等，或者是物理汽相沉積工藝，包括汽相沉積工藝、濺射工藝等，如前面已說明的，此基片具有一非成核表面及一成核表面，該成核表面具有比此非成核表面更大的成核密度，并且該成核表面足夠小，只能形成一個單核，由此單核，通過上述晶體生長方法，生長出一個單晶。
汽相晶體生長方法的一個實例，例如，是在作為一非成核表面的一SiO2表面及作為一成核表面的一不銹鋼表面上制成Si單晶的熱CVD工藝，其工藝條件為基片溫度約700℃到1100℃，反應壓強比如為0.1到500Torr，最好是100到200Torr，并采用一種適當?shù)姆磻獨怏w組合，比如，含有一種某些晶體原料的、一些氣體原料，例如，SiH2Cl2、SiCl4、SiCl3、SiHCl3、SiF4、SiH4等，一種刻蝕氣體，如含一種鹵原子的氣體，例如，HCl等，以及一種稀釋氣體，如H2等。
進一步，含有可轉(zhuǎn)化為摻雜物的某種原子的、用于控制上述導電類型的、一些氣體原料，如PH3、B2H6等，可用作一種摻雜氣體。
根據(jù)前述實施例中P+-型單晶層4及P-型單晶層5的晶體生長方法的一例，是利用上述局部單晶生長步驟，在下述條件下將單晶層4和5依次相繼形成的，采用流速比為1.2∶1.4∶100的SiH2Cl2+HCl+H2的混合物作為要引入的氣體，B2H6作為摻雜氣體，基片溫度為900℃，壓強為150Torr，同時，也適當?shù)馗淖兩鲜鰮诫s氣體的濃度。
其它一些薄層(如一些非晶層)的形成方法，比起上述單晶區(qū)的形成方法來說，是一般的形成非晶光致電壓元件的方法，如等離子體CVD工藝、濺射工藝等。
為了形成一多晶半導體層，上述晶體生長方法必須在這樣一些條件下進行，以使在具有單晶層4和5的基片的上述表面易于形成晶核，這是通過提高，含有作為一種晶體原料而起作用的某種原子的上述氣體原料的混合比例，或是通過降低上述刻蝕氣體的混合比例，使其低于前述局部單晶生長方法中的混合比例，以使得甚至在上述絕緣層上也產(chǎn)生晶核，并復蓋單晶層5和該絕緣層，或者是通過降低上述基片溫度，以抑制已被吸收的一些原子的再蒸發(fā)和擴散，或是通過將上述條件進行組合。
根據(jù)作出本光致電壓器件的工藝，可將那些光致電壓單元形成在上述基片上所要求的一些部位上，從而增加了太陽能電池和傳感器等設計的自由度，而且，第一和第二光致電壓單元可以一個置于另一個之上。也就是說，本發(fā)明提供了一種在光電轉(zhuǎn)換過程中，具有高光能利用率和高轉(zhuǎn)換效率的光致電壓器件。
在圖2所示本發(fā)明一實施例的光致電壓器件中，第一光致電壓單元的相鄰單晶區(qū)是彼此不相接觸的，因而作為在第一光致電壓單元中起產(chǎn)生載流子作用的單晶層5，不存在導致形成一晶界能級的晶界，此晶界能級則會產(chǎn)生載流子的復合。也就是說，第一光致電壓單元本身就具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。進而在各第一光致電壓單元之間的區(qū)域，具有包括非晶半導體層7到9的第二光致電壓單元，因而，甚至在這一區(qū)域內(nèi)，入射光也可經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，而得到電能。于是，在上述實施例中，就可以獲得一個總體的高能量轉(zhuǎn)換效率。
在上述實施例中，采用了易得到且廉價的不銹鋼作為襯底材料1，并且采用了包含多個非晶半導體層的第二光致電壓單元。從而得到了大面積而低成本的器件。
圖4是一表明本光致電壓器件第二個實施例的剖面示意圖，其中與圖2相同的部分，采用了與其相同的數(shù)字標號表示。
在第二個實施例中，在上述第一實施例的薄層9和電極10之間，形成了一個P-型SiXC1-x∶H非晶層7′，一個i-型SixC1-x∶H非晶層8′，以及一個n-型SixC1-xH非晶層9′，其中0＜X≤1，而非晶層7′，8′，9′還可含有某種鹵素原子。
非晶層7′的厚度以50A到100A較好，最好是50A到70A。非晶層8′的厚度以2000A到4000A較好，最好是2500A到3500A。而非晶層9′的厚度以100A到500A為好，最好是200A到300A。這三個非晶層可以用一種汽相方法生成，如射頻等離子體化學汽相沉積工藝，直流等離子體化學汽相沉積工藝，或者濺射工藝，這里可以用SiH4，Si2H6等含硅氣體與CH4C2H6等含碳原子氣體的混合物，作為原料氣體，用含周期表中Ⅲ族元素的材料，如B2H6，或含Ⅴ族元素的材料，如;PH3，加入其中作為摻雜氣體。
在上述第二個實施例中，除第一實施例的薄層結(jié)構(gòu)外，還設置了一個第三光致電壓單元，此第三光致電壓單元包括非晶半導體層7′、8′和9′，它們具有更寬的禁帶寬度，因而可以對短波光進行有效的能量轉(zhuǎn)換。也就是說，可以進一步提高整體能量轉(zhuǎn)換效率。
第三光致電壓單元的非晶層7′和9′可以由某種非晶材料制成。而且，第二和第三光致電壓單元的諸材料也不僅限于Si和Si-C系列的材料，也可采用其它半導體材料，如Si-Ge，Si-N等。第一光致電壓單元的上述單晶區(qū)的諸材料不只限于Si系列材料，其它半導體晶體材料，如Ge、InP、GaAs等，也都可采用。
圖3是表明本光致電壓單元第三實施例的剖面示意圖，其中與圖2和圖4相同的部分，用與其相同的數(shù)學標號表示之。
第三實施例是這樣的一個實例在襯底材料1的上述表面上形成由SiO2組成的絕緣層，且在該襯底材料的表面上，留有相當大的無SiO2的一些區(qū)域，而在各單個的這些無SiO2區(qū)域的中心，形成有極小的一些單晶硅層2a，而且單晶Si層4與襯底材料1大面積接觸，這些是第三實施例與第一實施例結(jié)構(gòu)的不同之處。
單晶層2a可用前述晶體生長方法形成，此法采用比襯底材料1成核密度更高的材料，如氮化硅等，并通過硅離子注入，使其組成發(fā)生變化，而成為成核表面;或者通過采用熱處理技術(shù)，設置足夠小的多晶或非晶半導體材料(晶種)，在上述襯底材料的那些開孔處，以聚集成一個單體，隨后，再在低于該晶種熔點的溫度下進行熱處理，以使此晶種長成一個單體。
利用局部單晶生長法形成單晶層4和單晶層5是如下進行的將細晶粒硅層2a的暴露表面作為成核表面，而將成核密度小于細晶粒硅層的襯底材料1的上述暴露表面和SiO2層的上述表面作為非成核表面，形成薄層4以復蓋襯底材料1的上述暴露表面。單晶層4也可形成為復蓋著襯底材料1的上述暴露表面并延展到SiO2層3上。生成單晶層5之后進行的各步驟，與第一實施例相同。
第三實施例中，薄層4是與上述襯底材料大面積接觸的，因此，串聯(lián)電阻和載流子的復合可以降低，并提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
例1參照圖2，在不銹鋼制作的導電襯底材料1上，形成一厚度為1500A的SiO2層3。此SiO2層是這樣形成的首先，在襯底材料1的整個表面上復蓋一層SiO2層，然后，在其上作出一耐蝕圖案，再利用反應離子刻蝕(RIE)，在相隔適當?shù)拈g隔(10μm×10μm)處，去除一些微小部分的上述SiO2層(1μm×1μm)，使襯底材料1上述表面的這些部分顯露出來。
單晶層4和單晶層5是按局部單晶生長方法生成的。即利用上述襯底材料的、部分去除了上述SiO2層3后形成的、那些暴露部分表面，作為晶核形成表面，而利用成核密度低于上述晶核形成表面的SiO2層3的上述表面，作為非晶核生成表面，按汽相方法，生長晶體。薄層4和薄層5是按下述單晶生成方法依次連續(xù)生成的，即用一種混合氣體SiH2Cl2+HCl+H2(流速比＝1.2∶1.4∶100)和一種摻雜氣體B2H6，溫度900℃，在壓強150Torr條件下，通過改變上述摻雜氣體的混合比例生成單晶。薄層5的直徑是8μm。前述多晶硅層6是用CVD方法生成的，除未使用HCl并以PH3作摻雜物之外，其生成條件與上述晶體生長方法相同，以便復蓋薄層5的暴露表面和上述SiO2層3的表面。
非晶層7、8和9分別是P-型Si∶H非晶層，i-型Si∶H薄層和n-型Si∶H非晶層，它們組成了一個第二光致電壓單元。這三層非晶層，是用射頻等離子體CVD法，在下述條件下，生成于前述薄層6上的。
將SiH4(10sccm)、H2(10sccm)和被氫稀釋至1%濃度的乙硼烷(1%B2H6/H2)(1sccm)引入射頻等離子體CVD設備，反應室的壓強保持在0.5Torr。通過13.56MHz高頻電源產(chǎn)生的等離子體，以及保持在250℃的上述襯底材料，生成了厚度為300A的P-型Si∶H非晶層7。然后，只停止輸入1%-B2H6/H2，以形成厚度為4000A的i-型Si∶H非晶層8。此后，向反應室內(nèi)引入被氫稀釋至1%濃度的磷化氫(1%PH3/H2)(1sccm)，和SiH4(10sccm)及H2(10sccm)，此反應室保持壓強為0.5Torr，以生成厚度為50A的n-型Si∶H非晶層9。
上電極10是一厚度為1μm的、ITO構(gòu)成的，透光導電層。此導電層生成于上述薄層9的光入射側(cè)。
此例中，襯底材料1起另外一電極作用。
此例的光致電壓器件中，不存在晶界，因為第一光致電壓單元的各相鄰單晶層之間彼此不相接觸。因而，第一光致電壓單元本身即顯示了高能量轉(zhuǎn)換效率。此外，包含有非晶半導體層7、8和9的各第二光致電壓單元，配置于各第一光致電壓單元之間的那些中間區(qū)域中。在這些區(qū)域中，入射光也經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娔?。因而，在此例中就能得到總的高能量轉(zhuǎn)換效率。另外，由于襯底層1是由不銹鋼制成的，且那些第二光致電壓單元由非晶半導體層組成，所以還可獲得低生產(chǎn)成本的大、面積的、上述器件。
例2
參見圖4，本例中-P-型SiXC1-x∶H非晶層7′，-i-型SiXC1-x∶H非晶層8′，和-n-型SiXC1-x∶H非晶層9′生成于上述例1中薄層9與電極10之間，此處0＜X≤1。
這些薄層7′、8′和9′是由射頻等離子體CVD法，直流等離子體CVD法或其它類似方法形成的。在形成過程中，包括一種含硅原子的SiH4氣體與一種含碳原子的CH4氣體的、一種混合氣體作為原料氣體。而作為用于形成-P-型半導體層和-n-型半導體層的上述那些摻雜氣體，可分別采用含周期表中Ⅲ族某種元素的物質(zhì)，如B2H6，和含Ⅴ族某種元素的物質(zhì)，如PH3。
專門將SiH4(7sccm)、CH4(3sccm)、H2(10sccm)和1%-B2H6/H2(1sccm)引入射頻等離子體CVD設備中，且上述反應室內(nèi)壓強保持在0.5Torr，利用頻率為13.56MHz電源產(chǎn)生等離子體，使在保持300℃的上述襯底材料上，生成300A厚的P-型SiXC1-x∶H非晶層7′。然后，只停止輸入1%-B2H6，以生成厚度為4000A的i-型SiXC1-x非晶層8′。此后，再將1%-PH3/H2(1sccm)和SiH4(7sccm)、CH4(3sccm)與H2(10sccm)一起送入上述反應室，此反應室保持壓強0.5Torr，以生成厚度為50A的n-型SixC1-x∶H非晶層9′。
在此例中，利用具有較大能隙的非晶半導體層7′、8′和9′，通過有效轉(zhuǎn)換例1中非晶半導體層7、8和9沒有有效轉(zhuǎn)換的較短波長的光，使得能量轉(zhuǎn)換的總效率得到進一步改善。
例3參見圖3，在此例中，在襯底材料1上述表面上，上述SiO2層3形成過程中，所述SiO2被去除的部分的面積是較大的，而那些一個微單晶的硅層2a，是借助于上述那些晶種的凝結(jié)而生成的，這些晶種位于上述各去除SiO2部分的中心，而那些單晶硅層4則與襯底材料1大面積接觸。在那些薄層4和薄層5的形成過程中，局部單晶生長是從各微小Si層2a上出現(xiàn)的，這時，襯底材料1的上述暴露表面和上述SiO2層的暴露層，作為非晶核生成表面。那些薄層4形成為完全復蓋襯底材料1的上述暴露表面。薄層5的形成以及后續(xù)工藝過程，以和前面所述例1的過程相同的方式進行。
本實例因那些薄層4與襯底材料1大面積相接觸，所以減少了串聯(lián)電阻和載流子復合，從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。
例4圖5所示的光致電壓器件的制備，除下述各點外，其方法與例1所述相同，其不同處為在形成單晶層4和5之后，繼續(xù)再形成如圖2所示的第一光致電壓單元的一種n+-型的、一些多晶層6。圖5中所示的單晶層6是以下述方式形成的引入一種SiH2Cl2+HCl+H2(流速比＝1.2∶1.4∶100)混合氣體，與1%-PH3/H2(流速比為SiH2Cl2的0.2)一起，溫度900℃，壓強為150Torr。
此例所制作的光致電壓器件，與例1的光致電壓器件相比，具有較高效率，因為它有較大的單晶區(qū)域，并且防止了因晶界的影響所可能產(chǎn)生的、第一光致電壓單元特性的變化，所以，輸出精確地對應入射光強度的變化。
權(quán)利要求
1.一種光致電壓器件，包括一個具有被一絕緣表面包圍著的多個導電表面的基片，多個具有一些單晶層區(qū)域的第一光致電壓單元，這些單晶層區(qū)域被設置為復蓋著所述多個導電表面。一個被設置為復蓋著所述多個第一光致電壓單元的第二光致電壓單元，所述多個單晶層區(qū)域是彼此隔離設置的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電壓器件，其特征在于所述第二光致電壓單元包含一種非晶材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電壓器件，其特征是所述第二光致電壓單元具有一包含一種微晶材料的層區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電壓器件，其特征是所述各導電表面的成核密度比所述絕緣表面的成核密度大，且所述各導電表面的大小為直徑4μm或小于4μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光致電壓器件，其特征在于在所述各導電表面上設置有直徑為4μm或小于4μm的一些材料，該材料具有比所述那些導電表面及所述絕緣表面的成核密度更大的成核密度。
6.一種作出光致電壓器件的方法，包括通過汽相沉積，將晶體生長方法用于一具有一非成核表面和多個成核表面的基片上，所述多個成核表面具有比所述成核表面成核密度更大的成核密度，并且具有一足夠小的尺寸，以使僅形成一個單核，由此單核生長一個單晶，作出多個具有一些單晶層區(qū)域的第一光致電壓單元，使得那些單晶層區(qū)域是彼此隔離的，作出一復蓋著所述多個第一光致電壓單元的第二光致電壓單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述各成核表面就是襯底材料的表面，而所述非成核表面是絕緣層的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于所述非成核表面是襯底材料的表面和絕緣層的表面，而所述成核表面是具有比所述非成核表面成核密度更大成核密度的、材料的表面。
9.一種用作出權(quán)利要求6所述光致電壓器件的方法作出的光致電壓器件。
全文摘要
一種光致電壓器件包括一具有被一絕緣層包圍著的多個導電表面的基片，設置有覆蓋所述那些導電表面的多個單晶層區(qū)域的、多個第一光致電壓單元，以及設置有一個覆蓋著所述多個第一光致電壓單元的第二光致電壓單元。上述各單晶層區(qū)域是彼此隔離設置的。
文檔編號H01L31/078GK1049426SQ9010492
公開日1991年2月20日 申請日期1990年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1989年6月16日
發(fā)明者高林明治, 米原隆夫 申請人:佳能株式會社