(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタ及びフォトトランジスタを有し、
（Ａ）前記トランジスタ及び前記フォトトランジスタのそれぞれは、
第１の導電層上の第２の導電層と、
前記第２の導電層上の絶縁層と、
前記絶縁層上の第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上の第２の酸化物半導体層と、を有し、
（Ｂ）前記トランジスタ及び前記フォトトランジスタのそれぞれにおいて、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の一方は透光性を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の他方は遮光性を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の他方は開口部を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の一方は、前記開口部と重なる領域を有し、
前記第１の酸化物半導体層のバンドギャップは、前記第２の酸化物半導体層のバンドギャップより大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
トランジスタ及びフォトトランジスタを有し、
（Ａ）前記トランジスタ及び前記フォトトランジスタのそれぞれは、
第１の導電層上の第２の導電層と、
前記第２の導電層上の絶縁層と、
前記絶縁層上の第１の酸化物半導体層と、
前記第１の酸化物半導体層上の第２の酸化物半導体層と、を有し、
（Ｂ）前記トランジスタのそれぞれにおいて、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の一方は透光性を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の他方は遮光性を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の他方は開口部を有さず、
前記第１の酸化物半導体層のバンドギャップは、前記第２の酸化物半導体層のバンドギャップより大きく、
（Ｃ）前記フォトトランジスタのそれぞれにおいて、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の一方は透光性を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の他方は遮光性を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の他方は開口部を有し、
前記第１の導電層又は前記第２の導電層の一方は、前記開口部と重なる領域を有し、
前記第１の酸化物半導体層のバンドギャップは、前記第２の酸化物半導体層のバンドギャップより大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記開口部を複数有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野は、光電変換素子（フォトトランジスタ、太陽電池等）を有する半導体装置、トランジスタを有する半導体装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換素子として、フォトトランジスタ等が知られている。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１１５２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光電変換層のキャリアの生成効率を向上させることを第１の目的とする。
【０００５】
また、新規な構造のトランジスタを有する半導体装置を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
なお、以下に開示する発明は、第１の目的又は第２の目的のいずれかを達成できれば良い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
光電変換層をバンドギャップの異なる複数種類の半導体を積層した構造とすることによって、広い波長範囲に渡って光を吸収することができるので、キャリアの生成効率を向上させることができる。
【０００８】
さらに、バンドギャップの異なる複数種類の半導体を積層した光電変換層はそれら複数種類の半導体の膜厚比を変化させることによってキャリアの生成効率が変化するという新規な知見を本発明者らは見出した。
【０００９】
なお、複数種類の半導体を積層した光電変換層は光が入射される方向に面してバンドギャップの広い半導体を積層することが好ましい。この点について図１１を用いて説明する。
【００１０】
図１１は、バンドギャップが異なる二つの半導体のバンド構造の模式図を表す。
【００１１】
図１１（Ａ）中の１６０ａは価電子帯を、１５１ａ、１５２ａは価電子を、１６２ａは伝導帯を、１６１ａはバンドギャップを表す。
【００１２】
同様に、図１１（Ｂ）中の１６０ｂは価電子帯を、１５１ｂ、１５２ｂは価電子を、１６２ｂは伝導帯を、１６１ｂはバンドギャップを表す。
【００１３】
図１１（Ａ）に示される半導体のバンドギャップは図１１（Ｂ）に示される半導体のそれと比較して小さい。
【００１４】
図１１の二つの半導体に長波長と短波長の光を照射することを考える。
【００１５】
ただし、長波長の光のエネルギーは図１１（Ａ）に示される半導体のバンドギャップよりも大きく、図１１（Ｂ）に示される半導体のバンドギャップよりも小さいものとする。
【００１６】
そして短波長の光のエネルギーは図１１（Ｂ）に示される半導体のバンドギャップよりも大きいものとする。まず、長波長の光（低エネルギー）が入射した場合のキャリアの励起を考える。
【００１７】
なお、光のエネルギーは波長に反比例し、光の波長が長いほど物質に与えるエネルギーは小さくなる。
【００１８】
長波長の光を半導体に照射すると、図１１（Ａ）の価電子１５１ａは伝導帯１６２ａまで励起され、自由キャリアとなる。つまり、半導体中にキャリアが生成されるため半導体に電界が印加されれば光励起電流が生じる。
【００１９】
しかし、このとき半導体に照射される光のエネルギーは図１１（Ｂ）に示される半導体のバンドギャップよりも小さいため図１１（Ｂ）の価電子１５１ｂは伝導帯に励起されない。すなわち自由キャリアは生成されないので光励起電流も生じない。
【００２０】
次に、短波長の光（高エネルギー）が入射した場合のキャリア励起を考える。
【００２１】
このとき照射される光のエネルギーは図１１の（Ａ）および（Ｂ）に示される半導体のバンドギャップよりも大きいため、価電子１５２ａ、１５２ｂのように価電子は伝導帯に励起され、自由キャリアとなる。従って、半導体に電界が印加される場合は光励起電流が生じる。
【００２２】
しかしながら、照射される短波長の光のエネルギーは図１１の（Ａ）に示される半導体のバンドギャップよりも十分に大きいため、価電子を伝導帯深くまで励起する。
【００２３】
励起された価電子はフォノン（格子振動）を生成しながら伝導帯の底にエネルギー緩和する。そしてエネルギー緩和する際にフォノン（格子振動）が生成されるため熱が生じる。
【００２４】
すなわち、吸収された短波長の光のエネルギーはキャリアの生成だけでなく熱の発生にも使われる。
【００２５】
従って、バンドギャップよりもエネルギーの大きい光を照射するとキャリアの生成効率は低下する。
【００２６】
すなわち、バンドギャップの狭い半導体層とバンドギャップの広い半導体層とを積層し、バンドギャップの狭い半導体層を光の入射面としてバンドギャップの狭い半導体層から先に光を入射させると、短波長の光（高エネルギー）はキャリアの生成以外にも用いられるため、キャリアの生成効率を下げる結果となる。
【００２７】
また、バンドギャップの狭い半導体層は短波長の光（高エネルギー）だけでなく長波長の光（低エネルギー）も吸収するため、バンドギャップの広い半導体層に入射される光の強度が低下する。よって、半導体層に入射した光のエネルギーを有効に活用することができない。
【００２８】
一方、バンドギャップの広い半導体層を光の入射面としてバンドギャップの広い半導体層から先に光を入射させると、短波長の光（高エネルギー）はバンドギャップの広い半導体に吸収されてキャリアの生成に使用される。長波長の光（低エネルギー）はバンドギャップの広い半導体層内においては吸収されずそのまま透過する。
【００２９】
そして、バンドギャップの広い半導体に吸収されず透過した長波長の光（低エネルギー）は、バンドギャップの狭い半導体に吸収され、キャリアの生成に用いられる。
【００３０】
以上のことから、入射光を効率よく利用するためには光の入射面にバンドギャップの広い半導体層を配置することが好ましい。
【００３１】
以上に鑑み以下の発明を提供することができる。
【００３２】
例えば、バンドギャップの異なる第１乃至第ｎの半導体層（但し、ｎは２以上の自然数）からなる光電変換層の膜厚の決定方法であって、前記第１乃至第ｎの半導体層について、それぞれの吸収係数α１〜αｎを取得する第１のステップと、前記第１のステップで取得した前記吸収係数α１〜αｎを下記式に代入した関係式を得る第２のステップと、前記第２のステップで得た前記関係式を用いて、ｔ１〜ｔｎの膜厚比を変えた場合におけるＩｏｕｔと波長との関係を示したグラフを得る第３のステップと、前記第３のステップで得た前記グラフを用いて、Ｉｏｕｔの積分強度と膜厚ｔ１〜ｔｎの膜厚比との関係をプロットする第４のステップと、前記第４のステップでプロットした値のうち積分強度が最小となる膜厚比を選択する第５のステップと、前記第５のステップで選択した膜厚比から膜厚ｔ１〜ｔｎを決定する第６のステップと、有することを特徴とする膜厚の決定方法を提供することができる。（但し、ＩＩＮは入射光（レファレンス光）の強度であり、ＩＯＵＴは透過光の強度であり、α１〜αｎは第１乃至第ｎの半導体層の吸収係数であり、ｔ１〜ｔｎは第１乃至第ｎの半導体層の膜厚である。）
【００３３】
【数１】
0005459902.tif 000002
【００３４】
また、バンドギャップの異なる第１乃至第ｎの半導体層（但し、ｎは２以上の自然数）からなる光電変換層を有する半導体装置の作製方法であって、前記第１乃至第ｎの半導体層について、それぞれの吸収係数α１〜αｎを取得する第１のステップと、前記第１のステップで取得した前記吸収係数α１〜αｎを下記式に代入した関係式を得る第２のステップと、前記第２のステップで得た前記関係式を用いて、ｔ１〜ｔｎの膜厚比を変えた場合におけるＩｏｕｔと波長との関係を示したグラフを得る第３のステップと、前記第３のステップで得た前記グラフを用いて、Ｉｏｕｔの積分強度と膜厚ｔ１〜ｔｎの膜厚比との関係をプロットする第４のステップと、前記第４のステップでプロットした値のうち積分強度が最小となる膜厚比を選択する第５のステップと、前記第５のステップで選択した膜厚比から膜厚ｔ１〜ｔｎを決定する第６のステップと、前記第６のステップで決定した膜厚ｔ１〜ｔｎ狙いで前記第１乃至第ｎの半導体層を形成する第７のステップと、有することを特徴とする半導体装置の作製方法を提供することができる。（但し、ＩＩＮは入射光（レファレンス光）の強度であり、ＩＯＵＴは透過光の強度であり、α１〜αｎは第１乃至第ｎの半導体層の吸収係数であり、ｔ１〜ｔｎは第１乃至第ｎの半導体層の膜厚である。）
【００３５】
【数２】
0005459902.tif 000003
【００３６】
また、前記半導体装置は、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、を有し、前記ゲート絶縁層は、前記ゲート電極と前記第１の半導体層との間に配置されており、前記ゲート電極は、開口部を有していると好ましい。
【００３７】
また、前記半導体装置は、第１の電極と、第２の電極とを有し、前記第１乃至第ｎの半導体層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されていると好ましい。
【００３８】
また、ｎは３であり、前記第１の半導体層は、微結晶シリコン層または多結晶シリコン層であり、前記第２の半導体層は、アモルファスシリコン層またはナノクリスタルシリコン層であり、前記第３の半導体層は、酸化物半導体層であると好ましい。
【００３９】
前記半導体装置は第１の電極と、第１の半導体膜と、第２の半導体膜と、第２の電極とを有し、第１の半導体膜は、第１の電極上に形成され、第２の半導体膜は、第１の半導体膜上に形成され、第２の電極は、第２の半導体膜状に形成され、第１の半導体膜のバンドギャップは、第２の半導体膜のバンドギャップよりも大きいと好ましい。
【００４０】
また、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、バンドギャップの異なる複数の半導体層の積層体と、を有し、前記ゲート絶縁層は、前記ゲート電極と前記積層体との間に配置されており、前記ゲート電極は、開口部を有することを特徴とする半導体装置を提供することができる。
【００４１】
また、ゲート電極と、ゲート絶縁層と、第１の半導体層と第２の半導体層と第３の半導体層とが順次積層された積層体を有し、前記ゲート絶縁層は、前記ゲート電極と前記積層体との間に配置されており、前記第１の半導体層と前記ゲート絶縁層が接し、前記第３の半導体層のバンドギャップは、前記第２の半導体層のバンドギャップよりも広く、前記第２の半導体層のバンドギャップは、前記第１の半導体層のバンドギャップよりも広いことを特徴とする半導体装置を提供することができる。
【００４２】
また、前記第１の半導体層は、微結晶シリコン層または多結晶層であり、前記第２の半導体層は、アモルファスシリコン層またはナノクリスタルシリコン層であり、前記第３の半導体層は、酸化物半導体層であると好ましい。
【発明の効果】
【００４３】
光電変換層を複数種類の半導体を積層した構造とすることによって、広い波長範囲に渡って光を吸収することができるので、光電変換層のキャリアの生成効率を向上させることができる。
【００４４】
さらに、光電変換層を構成する複数の半導体層の膜厚比を最適化することにより光電変換層のキャリア生成効率をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】半導体装置の一例
【図２】半導体装置の一例
【図３】半導体装置の一例
【図４】半導体装置の一例
【図５】半導体装置の一例
【図６】フォトトランジスタの特性の例
【図７】フォトトランジスタのオフ電流の入射光輝度依存性
【図８】半導体の種類と光吸収の波長スペクトルとの関係
【図９】膜厚比と光吸収の波長スペクトルとの関係
【図１０】膜厚比と光吸収強度との関係
【図１１】半導体のバンド構造の模式図
【図１２】膜厚と光吸収の波長スペクトルとの関係（単結晶シリコン）
【図１３】膜厚と光吸収の波長スペクトルとの関係（アモルファスシリコン）
【図１４】膜厚と光吸収の波長スペクトルとの関係（微結晶シリコン）
【発明を実施するための形態】
【００４６】
実施の形態及び実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００４７】
但し、発明の趣旨から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。
【００４８】
従って、発明の範囲は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００４９】
なお、以下に説明する構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
【００５０】
また、以下の実施の形態及び実施例は、いくつかを適宜組み合わせて実施することができる。
【００５１】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は、基板１００と、基板１００上に設けられたゲート電極２００と、ゲート電極２００上に設けられたゲート絶縁層３００と、ゲート絶縁層３００上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層上に設けられた一対の不純物半導体層５００と、一対の不純物半導体層５００上に設けられた一対の電極６００とを有するボトムゲート型のフォトトランジスタを示している。
【００５２】
図１（Ａ）において、矢印の方から光が入射される。
【００５３】
そして、第２の半導体層４０２は、第１の半導体層４０１よりもバンドギャップの広い半導体層を用いると好ましい。
【００５４】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００５５】
図１（Ｂ）は、基板１００と、基板１００上に設けられたゲート電極２００と、ゲート電極２００上に設けられたゲート絶縁層３００と、ゲート絶縁層３００上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられた第３の半導体層４０３と、第３の半導体層上に設けられた一対の不純物半導体層５００と、一対の不純物半導体層５００上に設けられた一対の電極６００とを有するボトムゲート型のフォトトランジスタを示している。
【００５６】
図１（Ｂ）において、矢印の方から光が入射される。
【００５７】
そして、第１の半導体層４０１、第２の半導体層４０２、第３の半導体層４０３の順にバンドギャップを広くすることが好ましい。
【００５８】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００５９】
図２（Ａ）は、基板１００と、基板１００上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられたゲート絶縁層３００と、ゲート絶縁層３００上に設けられたゲート電極２００と、ゲート電極２００上に設けられた層間絶縁膜７００と、層間絶縁膜７００及びゲート絶縁層３００に設けられたコンタクトホールと、層間絶縁膜７００上に設けられコンタクトホールを介して第１の半導体層４０１と電気的に接続する電極６００とを有するトップゲート型のフォトトランジスタを示している。
【００６０】
図２（Ａ）において、矢印の方から光が入射される。
【００６１】
そして、第２の半導体層４０２は、第１の半導体層４０１よりもバンドギャップの広い半導体層を用いると好ましい。
【００６２】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００６３】
図２（Ｂ）は、基板１００と、基板１００上に設けられた第３の半導体層４０３と、第３の半導体層４０３上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられたゲート絶縁層３００と、ゲート絶縁層３００上に設けられたゲート電極２００と、ゲート電極２００上に設けられた層間絶縁膜７００と、層間絶縁膜７００及びゲート絶縁層３００に設けられたコンタクトホールと、層間絶縁膜７００上に設けられコンタクトホールを介して第１の半導体層４０１と電気的に接続する電極６００とを有するトップゲート型のフォトトランジスタを示している。
【００６４】
図２（Ｂ）において、矢印の方から光が入射される。
【００６５】
そして、第１の半導体層４０１、第２の半導体層４０２、第３の半導体層４０３の順にバンドギャップを広くすることが好ましい。
【００６６】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００６７】
図３（Ａ）は、基板１００と、基板１００上に設けられた第１の電極８００と、第１の電極８００上に設けられたドナー又はアクセプター不純物の一方が添加された不純物半導体層１００１と、不純物半導体層１００１上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられたドナー又はアクセプター不純物の他方が添加された不純物半導体層１００２と、不純物半導体層１００２上に設けられた第２の電極９００とを少なくとも有する光電変換素子を示している。尚、第１の半導体層４０１と第２の半導体層４０２との間にドナー又はアクセプター不純物が添加された不純物半導体層を設けたタンデム構造としてもよい。
【００６８】
図３（Ａ）において、矢印の方から光が入射される。
【００６９】
そして、第２の半導体層４０２は、第１の半導体層４０１よりもバンドギャップの広い半導体層を用いると好ましい。
【００７０】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００７１】
図３（Ｂ）は、基板１００と、基板１００上に設けられた第１の電極８００と、第１の電極８００上に設けられたドナー又はアクセプター不純物の一方が添加された不純物半導体層１００１と、不純物半導体層１００１上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられた第３の半導体層４０３と、第３の半導体層４０３上に設けられたドナー又はアクセプター不純物の他方が添加された不純物半導体層１００２と、不純物半導体層１００２上に設けられた第２の電極９００とを少なくとも有する光電変換素子を示している。尚、第１の半導体層４０１と第２の半導体層４０２との間に、または第２の半導体層４０２と第３の半導体層４０３との間にドナー又はアクセプター不純物が添加された不純物半導体層を設けたタンデム構造としてもよい。
【００７２】
図３（Ｂ）において、矢印の方から光が入射される。
【００７３】
そして、第１の半導体層４０１、第２の半導体層４０２、第３の半導体層４０３の順にバンドギャップを広くすることが好ましい。
【００７４】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００７５】
なお、図１〜３において、（Ａ）は光電変換層が２層からなる例であり、（Ｂ）は光電変換層が３層からなる例である。
【００７６】
もちろん、光電変換層は４層以上から構成されても良い。
【００７７】
そして、光電変換層はバンドギャップが異なる複数の半導体を用いて構成すると広い波長範囲に渡って光を吸収できるので好ましい。
【００７８】
また、光電変換層は光が入射される方向に近づくほどバンドギャップが広くなるように複数の半導体層を構成すると光電変換効率が上がるため好ましい。
【００７９】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【００８０】
（実施の形態２）
図１、図２に対して、光電変換層の反対側から光を入射する例を示す。
【００８１】
反対側から光を入射する場合、ゲート電極が遮光性を有していると光が光電変換層に入射されなくなる。
【００８２】
そこで、図４（Ａ）、図４（Ｂ）のように、ゲート電極２００を透光性電極とすることが好ましい。
【００８３】
また、図４（Ａ）では第１の半導体層４０１と第２の半導体層との位置関係が図１（Ａ）に対して逆になっている。
【００８４】
また、図４（Ｂ）では第１の半導体層４０１と第２の半導体層との位置関係が図１（Ａ）に対して逆になっている。
【００８５】
つまり、図４（Ａ）は、基板１００と、基板１００上に設けられたゲート電極２００と、ゲート電極２００上に設けられたゲート絶縁層３００と、ゲート絶縁層３００上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられた第１の半導体層４０１と、第２の半導体層上に設けられた一対の不純物半導体層５００と、一対の不純物半導体層５００上に設けられた一対の電極６００とを有するボトムゲート型のフォトトランジスタを示している。
【００８６】
また、図４（Ｂ）は、基板１００と、基板１００上に設けられた第２の半導体層４０２と、第２の半導体層４０２上に設けられた第１の半導体層４０１と、第１の半導体層４０１上に設けられたゲート絶縁層３００と、ゲート絶縁層３００上に設けられたゲート電極２００と、ゲート電極２００上に設けられた層間絶縁膜７００と、層間絶縁膜７００及びゲート絶縁層３００に設けられたコンタクトホールと、層間絶縁膜７００上に設けられコンタクトホールを介して第１の半導体層４０１と電気的に接続する電極６００とを有するトップゲート型のフォトトランジスタを示している。
【００８７】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、矢印の方から光が入射される。
【００８８】
また、図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、ゲート電極は透光性導電膜からなる。
【００８９】
そして、第２の半導体層４０２には、第１の半導体層４０１よりもバンドギャップの広い半導体層を用いることが好ましい。
【００９０】
つまり、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップのを広いものにすることが好ましい。
【００９１】
なお、透光性導電膜は一般的に抵抗率が高いため、ゲート電極と同一材料を用いてゲート配線を形成するとゲート配線の抵抗が高くなり好ましくない。
【００９２】
そこで、図５（Ａ）、図５（Ｂ）のようにゲート電極を透光性の第１の導電層２０１と、第１の導電層よりも抵抗率の低い第２の導電層２０２と、の積層構造とし、チャネル形成領域と重なる位置の第１の導電層２０１（ゲート電極部とゲート配線部がある場合のゲート電極部）に選択的に開口部を設ける構成とすることが好ましい。
【００９３】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）において、矢印の方から光が入射される。
【００９４】
なお、開口部は複数設けられていても良い。
【００９５】
なお、第１の導電層がない場合でも第２の導電層がゲート電極として働くためフォトトランジスタとして機能させることができる。従って、第一の導電層は必ずしも設けなくてもよい。
【００９６】
つまり、単純にゲート電極に開口部が設けられただけの構造にしても良い。
【００９７】
また、図５では、第２の導電層２０２を第１の導電層２０１上に設けているが、第２の導電層２０２を第１の導電層２０１下に設けても良い。
【００９８】
なお、図４、図５では光電変換層を２層の構成としたが、図１、図２と同様に３層以上積層しても良い。この場合、光が入射される方向に位置する半導体層をバンドギャップの広いものにすることが好ましい。
【００９９】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【０１００】
（実施の形態３）
基板１００は、透光性を有する基板、遮光性を有する基板等を用いることができる。
【０１０１】
透光性を有する基板は、ガラス基板、石英基板、透光性を有するプラスチック基板等がある。
【０１０２】
遮光性を有する基板は、遮光性を有するプラスチック基板、金属基板（ステンレス、アルミニウム等）、半導体基板（シリコンウェハ等）等がある。
【０１０３】
なお、光電変換層が形成されない基板裏面側から光を入射する場合は、透光性を有する基板を用いると好ましい。
【０１０４】
ゲート電極２００は、金属、透光性導電物等を用いることができるがこれらに限定されない。
【０１０５】
例えば、ゲート電極２００として、金属窒化物、金属酸化物、金属合金であって、導電性を有するものを用いても良い。
【０１０６】
金属としては、タングステン、チタン、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、金、銀、銅、白金、等があるがこれらに限定されない。
【０１０７】
透光性導電物としては、インジウム錫酸化物、酸化亜鉛、インジウムを含む酸化亜鉛、インジウム及びガリウムを含む酸化亜鉛等があるがこれらに限定されない。
【０１０８】
ゲート電極２００は、単層構造であっても積層構造であってもよい。
【０１０９】
なお、図５の場合、第１の導電層２０１は、透光性導電物等を用い、第２の導電層２０２は、金属を用いると好ましい。
【０１１０】
ゲート絶縁層３００は、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化珪素、樹脂等を用いることができるがこれらに限定されない。ゲート絶縁層３００は単層でも積層でも良い。
【０１１１】
半導体層（例えば、第１の半導体層４０１、第２の半導体層４０２、第３の半導体層４０３等）は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、酸化亜鉛、インジウムを含む酸化亜鉛、インジウム及びガリウムを含む酸化亜鉛等を用いることができるがこれらに限定されない。なお、酸化亜鉛、インジウムを含む酸化亜鉛、インジウム及びガリウムを含む酸化亜鉛等は酸化物半導体である。
【０１１２】
なお、半導体は、材料が同じであっても結晶性や構造によってバンドギャップが異なる。単結晶および多結晶半導体はアモルファス半導体と比べてバンドギャップが狭い傾向がある。また、微結晶あるいはマイクロクリスタルは成膜条件、例えば成膜時の水素添加量を調節することによりバンドギャップを単結晶側からアモルファス側に変化させることが可能である。あるいは結晶粒径が数ｎｍから数十ｎｍのナノクリスタルにすることによって量子サイズ効果が生じ、バンドギャップを大きくすることができる。さらに、半導体が間接遷移型の場合には、ナノクリスタルにすることにより直接遷移型に変化させることが可能なため光の吸収効率が向上する。このように、同じ半導体材料を用いても結晶性あるいは構造を変えることによりバンドギャップを変えることができるため、同じ半導体材料を用いてバンドギャップの異なる積層構造を持つ光電変換層を形成することが可能である。
【０１１３】
そこで、好ましい第１の例としては、第１の半導体層４０１を微結晶シリコン層とし、第２の半導体層４０２をナノクリスタルシリコン層あるいはアモルファスシリコン層とする例がある。
【０１１４】
好ましい第２の例としては、第１の半導体層４０１を微結晶シリコン層とし、第２の半導体層４０２をナノクリスタルシリコン層あるいはアモルファスシリコン層とし、第３の半導体層４０３をアモルファス酸化亜鉛とする例がある。
【０１１５】
なお、酸化亜鉛等の酸化物半導体はシリコンよりもバンドギャップが広い。
【０１１６】
第１の例も第２の例も成膜後の結晶化の工程が必要なく直接成膜が可能であるので工程数を削減でき好ましい。
【０１１７】
もちろん、第１の例、第２の例に限定されない。
【０１１８】
なお、第一の半導体層として単結晶半導体を用いることもできる。単結晶半導体層を形成する場合は、まず、単結晶半導体基板を用意し、単結晶半導体基板の所定の深さに水素、ヘリウム等を添加して脆化層を形成する。そして光電変換層を形成する基板面に脆化層を形成した基板面を貼り合わせした後、加熱処理を行う。これにより脆化層から亀裂が生じ、光電変換層を形成する基板面に単結晶半導体層を貼り付けることができる。
【０１１９】
また、チャネルエッチ型のボトムゲート型のトランジスタを形成する場合、第２の例のように最上層を酸化物半導体としておくと好ましい。
【０１２０】
酸化物半導体層はドライエッチングされにくいため、チャネルエッチ時の最上層の半導体層の膜減り量を減らすことができ、オーバーエッチングによる半導体層全体がの消失を防止することができる。
【０１２１】
不純物半導体層５００は、導電型を付与する不純物（ドナー、アクセプター）が添加された半導体（シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム等）、ガリウムが添加された酸化亜鉛等を用いることができるがこれらに限定されない。
【０１２２】
電極６００は、ゲート電極２００と同様の材料を用いることができる。
【０１２３】
層間絶縁膜７００は、窒化珪素、酸化窒化珪素、窒化酸化珪素、酸化珪素、樹脂等を用いることができるがこれらに限定されない。層間絶縁膜７００は単層でも積層でも良い。
【０１２４】
第１の電極８００は、ゲート電極２００と同様の材料を用いることができる。
【０１２５】
第２の電極９００は、ゲート電極２００と同様の材料を用いることができる。
【０１２６】
但し、第１の電極８００と第２の電極９００の一方は透光性の材料とする。
【０１２７】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【０１２８】
（実施の形態４）
半導体層を複数層積層したボトムゲート型のフォトトランジスタを、スイッチング素子としてのトランジスタとして用いる場合、バンドギャップの広い半導体層が電界緩和層として働くのでオフ電流を低減させることができるので好ましい。
【０１２９】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【０１３０】
（実施の形態５）
フォトトランジスタと同一基板上に、前記フォトトランジスタと同一構造のトランジスタを用いて回路（表示装置における画素部、表示装置における駆動回路等）を形成すると工程数の削減になり好ましい。
【０１３１】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態６）
【０１３２】
同一基板上にフォトトランジスタとトランジスタを形成する際、フォトトランジスタとトランジスタの構造を異なるものとしても良い。
【０１３３】
トランジスタとフォトトランジスタの一方をトップゲート型とし、トランジスタとフォトトランジスタの他方をボトムゲート型とする。
【０１３４】
そして、フォトトランジスタのゲート電極が配置された方向と逆方向から光を入射させる構成とすれば、トランジスタは遮光性のゲート電極によって光が遮光されるので、トランジスタが光励起により誤動作することを防止することができる。
【０１３５】
また、トランジスタとフォトトランジスタの双方をトップゲート型とする場合、若しくは、トランジスタとフォトトランジスタの双方をボトムゲート型とする場合について考える。
【０１３６】
この場合、フォトトランジスタのゲート電極を透光性とし、トランジスタのゲート電極を遮光性とすれば、トランジスタは遮光性のゲート電極によって光が遮光されるので、トランジスタが光励起により誤動作することを防止することができる。
【０１３７】
また、開口部をフォトトランジスタのみに設ける構成によっても、トランジスタは遮光性のゲート電極によって光が遮光されるので、トランジスタが光励起により誤動作することを防止することができる。
【０１３８】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【０１３９】
（実施の形態７）
【０１４０】
フォトトランジスタの動作について述べる。
【０１４１】
図６において縦軸はドレイン電流Ｉｄ、横軸はゲート電圧Ｖｇである。
【０１４２】
そして、線８００１は光照射を行っていないときのフォトトランジスタの電気的特性を示し、線８００２は光照射を行っているときのフォトトランジスタの電気的特性を示す。
【０１４３】
図６から明らかなように、トランジスタに光照射を行うと光励起電流が生じ、ドレイン電流が上昇する。ドレイン電流の上昇は特にオフ側（ゲート電圧がトランジスタの閾値電圧より低い領域）で顕著である。
【０１４４】
そのため、オフ状態のフォトトランジスタに光を照射するとオフ電流が大きく上昇することを利用すれば、オフ状態のフォトトランジスタを光センサとして用いることができる。
【０１４５】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【０１４６】
（実施の形態８）
光電変換層の膜厚の決定方法について述べる。
【０１４７】
本実施の形態ではバンドギャップの異なるｎ種類の半導体層を積層させた光電変換層を考える。なお、ｎは自然数である。
【０１４８】
まず、各ｎ種類の半導体層について減衰係数を測定し吸収係数α１〜αｎのデータを取得する。
【０１４９】
なお、α１は光が最初に入射する第１の半導体層の吸収係数であり、α２は第１の半導体層を透過した光が入射する第２の半導体層の吸収係数であるとする。同様にして、αｍとした場合はｍ番目に光が入射する第ｍの半導体層の吸収係数である。ｍはｎより小さい自然数である。
【０１５０】
吸収係数αは、減衰係数ｋと以下の関係にある。
α＝４πｋ／λ（１／ｃｍ）
π：円周率
ｋ：消衰係数
λ：波長（ｃｍ）
【０１５１】
減衰係数ｋ１〜ｋｎは、例えば分光エリプソメトリー法等によって測定することができる。
【０１５２】
具体的には、第１乃至第ｎの半導体層がそれぞれ設けられたモニター基板を分光エリプソメーター等で測定すればｋ１〜ｋｎが測定される。
【０１５３】
なお、赤外吸収法を用いれば直接的に吸収係数αを測定することができる。
【０１５４】
次に、入射光強度（波長と強度との関数ＩＩＮ）と透過光強度（波長と強度との関数ＩＯＵＴ）との関係式を得る。
【０１５５】
ＩＯＵＴ＝ＩＩＮ×ｅｘｐ｛−（α１ｔ１＋α２ｔ２＋・・＋αｎｔｎ）｝
ＩＩＮ：入射光（レファレンス光）の強度（波長λに依存する値）
ＩＯＵＴ：透過光の強度（波長λに依存する値）
ｅｘｐ（ｘ）：自然対数の底（ネイピア数）のｘ乗の数を示す。
α１：第１の半導体層の吸収係数（波長λに依存する値）
ｔ１：第１の半導体層の膜厚
α２：第２の半導体層の吸収係数（波長λに依存する値）
ｔ２：第２の半導体層の膜厚
αｎ：第ｎの半導体層の吸収係数（波長λに依存する値）
ｔｎ：第ｎの半導体層の膜厚
【０１５６】
即ち、以下の数式となる。（ｎは半導体層の積層数であるので自然数である。）
【０１５７】
【数３】
0005459902.tif 000004
【０１５８】
次に、上記式において、ｔ１〜ｔｎの総和を一定にした状態で、ｔ１〜ｔｎの値を異なるものとして上記式に代入する。つまり、膜厚比を変えた複数のサンプルについて計算する。
【０１５９】
次に、ｔ１〜ｔｎの値を代入した上記式を波長λで積分又は近似積分をして、膜厚比が異なる場合の積分強度の値を求める。
【０１６０】
近似積分とは、所定の波長範囲における面積を計算するために所定の波長範囲をある単位波長で分割し、単位波長と透過光強度との積で表される長方形の面積を計算して積算する方法である。具体的には本明細書の実施例２を参照すれば良い。
【０１６１】
また、積分強度を計算する際の波長範囲の下限値は複数のサンプルの光の強度ＩＯＵＴが全て０とみなされる波長であればどのような波長を選択しても良い。
【０１６２】
また、積分強度を計算する際の波長範囲の上限値は複数のサンプルの光の強度ＩＯＵＴが全て初期の光の強度ＩＩＮと等しいとみなされる波長であればどのような波長を選択しても良い。
【０１６３】
次に、計算した積分強度と膜厚比の関係をプロットする。
【０１６４】
そして、プロットした点の中で積分強度が最小となる膜厚比又は最小となる膜厚比の近辺の値を選択する。
【０１６５】
なお、積分強度の大きさは膜厚比に依存するので、ｔ１〜ｔｎの総和はどのような値でもよい。
【０１６６】
そして、選択した膜厚比で半導体層の成膜を行えば良い。
【０１６７】
具体的には、膜厚ｔ１〜ｔｎを決めた後、膜厚ｔ１〜ｔｎとなるように成膜を行えば良い。つまり、膜厚ｔ１〜ｔｎを決めた後、膜厚ｔ１〜ｔｎを狙いとして成膜を行えば良い。
【０１６８】
本実施の形態は、他の全ての実施の形態、他の全ての実施例と組み合わせて実施することが可能である。
【実施例１】
【０１６９】
図７は、実際に測定したフォトトランジスタのオフ電流の入射光輝度依存性を示したものである。
【０１７０】
図７において、フォトトランジスタに用いる半導体の材料及び膜厚を変化させたものをそれぞれプロットした。
【０１７１】
図７の下から１番目（白ひし形（１）でプロット）のグラフは、半導体層として１５０ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン層を用いた場合である。
【０１７２】
図７の下から２番目（白三角でプロット）のグラフは、半導体層として５０ｎｍの膜厚の多結晶シリコン層を用いた場合である。
【０１７３】
図７の下から３番目（白ひし形（２）でプロット）のグラフは、半導体層として１００ｎｍの膜厚の微結晶シリコン層を用いた場合である。
【０１７４】
図７の下から４番目（黒四角でプロット）のグラフは、半導体層として１０ｎｍの膜厚の微結晶シリコン層の上に１７５ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン層を用いた場合である。
【０１７５】
図７において、ｌｕｍｉｎａｎｃｅが１０００ｃｄ／ｍ２以上の範囲で見ると、１００ｎｍの膜厚の微結晶シリコン層のＩｏｆｆ（白ひし形（２））と１５０ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン層（白ひし形（１））のＩｏｆｆとの和よりも、１０ｎｍの膜厚の微結晶シリコン層の上に１７５ｎｍの膜厚のアモルファスシリコン層を用いた場合のＩｏｆｆ（黒四角でプロット）の方が大きい値を示すことが分かる。
【０１７６】
したがって、膜厚を考慮しても半導体膜を１種類にしたフォトトランジスタよりも、半導体を２種類にしたフォトトランジスタの方がオフ電流が高くなることがわかる。
【０１７７】
そして、オフ電流が大きいほど光照射によるキャリア生成効率が高いことを鑑みると、半導体単膜からなるフォトトランジスタよりも、バンドギャップの異なる二層の半導体層からなるフォトトランジスタの方がキャリアの生成効率が高いことを示している。
【０１７８】
半導体の種類が異なればバンドギャップも異なり、光吸収のピーク波長と強度も異なる。従って、バンドギャップの異なる複数の半導体を積層すれば吸収される光の波長範囲が広がる。そのため、半導体単膜からなるフォトトランジスタよりも、異なる半導体を二層にしたフォトトランジスタの方がキャリアの生成効率が高くなったのである。
【０１７９】
半導体の種類が異なると光吸収のピーク波長と強度が異なることは、図８を参照されたい。
【０１８０】
図８は、太陽光のスペクトル、単結晶シリコン層（膜厚１μｍ）を透過した太陽光のスペクトル、アモルファスシリコン層（膜厚１μｍ）を透過した太陽光のスペクトル、微結晶シリコン層（膜厚１μｍ）を透過した太陽光のスペクトルをそれぞれ示したものである。
【０１８１】
半導体層に入射した太陽光がより吸収されるほど透過光スペクトルの積分強度は小さくなる。すなわち、透過光スペクトルの積分強度が小さいほど入射光は半導体膜により吸収され、これは半導体膜中により多くのキャリアが生成されることを示す。
【０１８２】
図８から、各半導体層を透過した各透過光スペクトルのピーク波長と積分強度は各半導体層により異なることがわかる。これは各半導体層でバンドギャップと光の吸収係数が異なることに起因する。
【０１８３】
図１２（単結晶シリコン）、図１３（アモルファスシリコン）、図１４（微結晶シリコン）は各半導体膜について膜厚を変えたときの透過光スペクトルの変化を表す。これらの図から分かるように、膜厚を大きくすると透過光スペクトルの強度は低下する。そして、透過光スペクトルのピーク波長は膜厚が大きくなるに従って長波長側にシフトすることがわかる。
【０１８４】
そして、図１２（単結晶シリコン）、図１３（アモルファスシリコン）、図１４（微結晶シリコン）を比較すると、半導体の種類が異なると膜厚が変化したときの透過スペクトルの変化の傾向がそれぞれ異なることがわかる。
【０１８５】
以上の結果を鑑みれば、バンドギャップの異なる複数の半導体を積層した光電変換層に光を照射する場合、積層する半導体膜の種類または積層する半導体膜の膜厚比を変えることにより透過光スペクトルの積分強度が変わることを理解することができる。
【実施例２】
【０１８６】
次に例として、単結晶シリコン層上にアモルファスシリコン層を積層した構造において、アモルファスシリコン層側から光を入射させる場合に、透過光スペクトルの積分強度が最小となる膜厚比を計算した。
【０１８７】
＜ステップ１：減衰係数ｋ及び吸収係数αのデータ取得＞
まず、光の吸収係数を予め取得しておく必要がある。吸収係数αは以下の数式から算出することができる。
α＝４πｋ／λ（１／ｃｍ）
π：円周率
ｋ：消衰係数
λ：波長（ｃｍ）
【０１８８】
つまり、アモルファスシリコン層の吸収係数α１は以下の数式から算出できる。
α１＝４πｋ／λ（１／ｃｍ）
π：円周率
ｋ１：アモルファスシリコン層の消衰係数
λ：波長（ｃｍ）
【０１８９】
また、単結晶シリコン層の吸収係数α２は以下の数式から算出できる。
α２＝４πｋ／λ
π：円周率
ｋ２：単結晶シリコン層の消衰係数
λ：波長（ｎｍ）
【０１９０】
そこで、吸収係数α１、α２を求めるために、消衰係数ｋ１、ｋ２を計測した。
【０１９１】
消衰係数ｋは分光エリプソメータを用いることで計測することができる。
【０１９２】
まず、アモルファスシリコンを有する第１のモニター基板と、単結晶シリコンを有する第２のモニター基板と、を用意した。
【０１９３】
そして、分光エリプソメータで第１のモニター基板でアモルファスシリコンの消衰係数ｋ１を測定した。
【０１９４】
また、分光エリプソメータで第２のモニター基板で単結晶シリコン消衰係数ｋ２を測定した。
【０１９５】
計測した消衰係数ｋ１、ｋ２を用いて、波長毎の吸収係数α１、α２を計算した。
【０１９６】
＜ステップ２：入射光強度（ＩＩＮ）と透過光強度（ＩＯＵＴ）との関係データの取得＞
次に、入射光強度（ＩＩＮ）と透過光強度（ＩＯＵＴ）との関係を導き出す。
【０１９７】
つまり、単結晶シリコン層上にアモルファスシリコン層を積層した構造において、アモルファスシリコン層側から光を入射させる場合、入射光強度（ＩＩＮ）と透過光強度（ＩＯＵＴ）との関係は以下の数式から算出することができる。
ＩＯＵＴ＝ＩＩＮ×ｅｘｐ｛−（α１ｔ１＋α２ｔ２）｝
ＩＩＮ：アモルファスシリコン層に入射する光の強度（波長λに依存する値）
ＩＯＵＴ：単結晶シリコン層から透過される光の強度（波長λに依存する値）
ｅｘｐ（ｘ）：自然対数の底（ネイピア数）のｘ乗の数を示す。
α１：アモルファスシリコン層の吸収係数（波長λに依存する値）
ｔ１：アモルファスシリコン層の膜厚
α２：単結晶シリコン層の吸収係数（波長λに依存する値）
ｔ２：単結晶シリコン層の膜厚
【０１９８】
図９は、単結晶シリコン層の膜厚とアモルファスシリコン層の膜厚との和を２μｍに固定し、単結晶シリコン層の膜厚とアモルファスシリコン層の膜厚を変化させたときの入射光強度（ＩＩＮ）と透過光強度（ＩＯＵＴ）との関係を示したものである。ただし、単結晶シリコン層の膜厚とアモルファスシリコン層の膜厚を変えたサンプル１〜６（ｓ１〜ｓ６）の場合についてプロットしており、それらに対応する透過光スペクトルをそれぞれ１０００１〜１０００６とする。
【０１９９】
（比較スペクトル）
入射光スペクトル１００００は、半導体膜を透過する前の初期の太陽光スペクトルを表す。
【０２００】
（サンプル１：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝２．０／０）
透過光スペクトル１０００１は、太陽光がアモルファスシリコン層（膜厚ｔ１＝２μｍ）を透過したときのスペクトルである。
【０２０１】
（サンプル２：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝１．５／０．５）
また、透過光スペクトル１０００２は、単結晶シリコン層上（膜厚ｔ２＝０．５μｍ）上にアモルファスシリコン層（膜厚ｔ１＝１．５μｍ）が形成された積層を太陽光が透過したときのスペクトルである。（太陽光をアモルファスシリコン層側から入射させた。）
【０２０２】
（サンプル３：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝１．０／１．０）
また、透過光スペクトル１０００３は、単結晶シリコン層上（膜厚ｔ２＝１．０μｍ）上にアモルファスシリコン層（膜厚ｔ１＝１．０μｍ）が形成された積層を太陽光が透過したときのスペクトルである。（太陽光をアモルファスシリコン層側から入射させた。）
【０２０３】
（サンプル４：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝０．７５／１．２５）
また、透過光スペクトル１０００４は、単結晶シリコン層上（膜厚ｔ２＝１．２５μｍ）上にアモルファスシリコン層（膜厚ｔ１＝０．７５μｍ）が形成された積層を太陽光が透過したときのスペクトルである。（太陽光をアモルファスシリコン層側から入射させた。）
【０２０４】
（サンプル５：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝１．５／０．５）
また、透過光スペクトル１０００５は、単結晶シリコン層上（膜厚ｔ２＝０．５μｍ）上にアモルファスシリコン層（膜厚ｔ１＝１．５μｍ）が形成された積層を太陽光が透過したときのスペクトルである。（太陽光をアモルファスシリコン層側から入射させた。）
【０２０５】
（サンプル６：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝２．０／０）
また、透過光スペクトル１０００６は、太陽光がアモルファスシリコン層（膜厚ｔ１＝２．０μｍ）を透過したときのスペクトルである。
【０２０６】
（図９の説明）
前述したように、入射光（波長と強度との関数ＩＩＮ）と透過光（波長と強度との関数ＩＯＵＴ）との関係は以下の数式から算出することができる。
ＩＯＵＴ＝ＩＩＮ×ｅｘｐ｛−（α１ｔ１＋α２ｔ２）｝
【０２０７】
まず、ＩＩＮは太陽光のスペクトル強度（比較スペクトル）を表す。図９から明らかなようにＩＩＮは波長依存性を持つ。
【０２０８】
次に、波長毎のα１、α２は、予め取得していたデータを用いた。
【０２０９】
また、膜厚ｔ１、ｔ２は、サンプル１〜６でそれぞれ設定した値を用いた。
【０２１０】
以上に鑑みて数式を計算してグラフを描くことにより、図９のグラフを得た。
【０２１１】
なお、グラフを描く際、数式と数値を入力しておけば自動でグラフが描かれるプログラムを用いた。
【０２１２】
＜ステップ３：積分強度の計算＞
ステップ２の結果（図９のグラフ、数式等）を踏まえて、サンプル１〜６の積分強度を求めた。
【０２１３】
サンプル１〜６の積分強度をプロットした結果を図１０に示す。
【０２１４】
図１０において、縦軸は積分強度であり、横軸が単結晶シリコン層の膜厚である。
【０２１５】
積分強度を求める際の波長範囲は３５０ｎｍから１０７０ｎｍとした。
【０２１６】
ここで、図９に示されたサンプル１〜６の透過光強度ＩＯＵＴが全て０とみなされる波長３５０ｎｍを下限値とした。波長３５０ｎｍでは入射光が全て吸収されているとみなされる。
【０２１７】
ただし、積分強度の下限値はサンプル１〜６の光の強度ＩＯＵＴが全て０になる波長範囲であればどのような波長を選択しても良い。
【０２１８】
また、サンプル１〜６の光の強度ＩＯＵＴが全て初期の光の強度ＩＩＮと等しいとみなされる波長１０７０ｎｍを上限値をとした。波長１０７０ｎｍでは入射光は吸収されないとみなされる。
【０２１９】
ただし、積分強度の上限値はサンプル１〜６の光の強度ＩＯＵＴが全て初期の光の強度ＩＩＮと等しくなる波長であればどのような波長を選択しても良い。
【０２２０】
但し、本実施例ではサンプル１〜６の積分強度を比較するため、各サンプルの透過光スペクトルの積分範囲は全て等しくする必要がある。
【０２２１】
逆にいうと、サンプル１〜６の積分範囲を全て等しくしておけばサンプル同士の相対的評価が可能ということである。
【０２２２】
積分強度は透過光強度ＩＯＵＴの関数を所定の波長範囲で積分することにより求めることができる。本実施例では次のような近似積分を行った。
【０２２３】
図９のグラフの所定の波長範囲における面積を計算する。実施例では、前記所定の波長範囲を０．５ｎｍ単位で分割し、その単位波長と透過光強度との積である単位面積を計算しそれら単位面積を積算する。
【０２２４】
つまり、計算する単位面積の長方形の横の長さをｘ、長方形の縦の長さをｙとすれば、単位面積はｘ×ｙで算出される。
【０２２５】
そして、０．５ｎｍ毎に単位面積を計算するため、ｘは０．５ｎｍとした。
【０２２６】
また、ｙについては、透過光強度ＩＯＵＴの勾配を考慮し、０．５ｎｍの範囲におけるＩＯＵＴの平均をｙとした。
【０２２７】
例えば、０．５ｎｍ間隔で波長５００ｎｍ〜波長５００．５ｎｍの透過光スペクトルを計測する。
【０２２８】
そして、波長５００ｎｍのＩＯＵＴをｙ１、波長５００．５ｎｍのＩＯＵＴをｙ２、とし、ｙの値をその平均値である（ｙ１＋ｙ２）／２とする。
【０２２９】
したがって、波長５００ｎｍ〜波長５００．５ｎｍの積分強度はｘ×（ｙ１＋ｙ２）／２になる。
【０２３０】
同様に、波長５００．５〜５０１ｎｍの積分強度、波長５０１〜５０１．５ｎｍの積分強度、波長５０１．５〜５０２ｎｍの積分強度・・のように、下限値から上限値までの積分強度を０．５ｎｍおきに計算し、最後に全ての積分強度の総和を計算すれば良い。
【０２３１】
近似積分は必ずしも真の面積値を与えないが、本実施例では各サンプルの透過光スペクトルの積分強度を相対的に比較するため、このような近似積分を行っても相対的な評価は十分可能であるので問題はない。ただし、近似積分による値をより真の面積値に近づけたいならば、所定の波長範囲を分割する単位波長をより小さくすればよい。
【０２３２】
＜ステップ４：膜厚比の決定＞
図１０から、プロットした点においては、サンプル４（ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝１．２５／０．７５）が最も積分強度が小さいことがわかった。
【０２３３】
なお、図９から、各透過光スペクトルのピーク位置が横軸に対して一方向には変位していないことがわかる。つまり積分強度は単結晶の膜厚に対して単調には変化していないことがわかる。このため積分強度に最小値が存在する。そして実施例では、サンプル４の積分強度が他のサンプルの積分強度と比較して小さくなっている。
【０２３４】
積分強度が小さいということは、積層膜内部における光の吸収が大きく、積層膜中に生成されるキャリアの数も多いことを示している。すなわち、電流変換率が高いことを示す。
【０２３５】
よって、できるだけ積分強度が小さくなるように膜厚比を最適化すれば、変換率の高い光電変換層が得られるということである。
【０２３６】
なお、本実施例においては膜厚比を６条件のみ変えて積分強度の比較を行ったため、サンプル４（ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝１．２５／０．７５）の膜厚比が積分強度の最小値であるか否かは定かではない。
【０２３７】
より最小値に近い値を求めたければ膜厚比をより詳細に変えて積分強度を比較すればよい。しかし、本実施例の目的は相対的に積分強度が低くなるであろう膜厚比の範囲を調査することであるので、上記６条件の膜厚比における積分強度を比較すれば十分であると判断した。
【０２３８】
以上の視点に鑑み、本発明者らはサンプル４（ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ＝１．２５／０．７５）の膜厚比又はサンプル４の周辺の膜厚比を適用すれば、他の膜厚比と比較して電流変換効率の高い光電変換層が得られると判断した。
【０２３９】
サンプル４の周辺の膜厚比は実施者が許容範囲で設定すれば良い。本実施例ではサンプル３〜サンプル５の膜厚比の間で膜厚比を決めることが良いと判断した。
【０２４０】
なお、プロットした中で最も積分強度が小さくなる膜厚比を適用することが好ましいであろう。
【０２４１】
ところで、本発明者らは最初は単結晶シリコン層の膜厚を０．５μｍ間隔で変えてそれぞれの積分強度を計算しプロットした。そのため、最初はサンプル４については計算していなかった。
【０２４２】
しかし、サンプル１、２、３、５、６をプロットした結果、サンプル３とサンプル５の間に積分強度が最小となる点があると推測された。
【０２４３】
そこで、サンプル４も計算したという経緯がある。
【０２４４】
このように、最初は大まかに膜厚比を変えてプロットし、積分強度の最小値があると思われる膜厚の範囲を限定し、次にその限定された範囲内でより小さい膜厚間隔で積分強度を計算しプロットする。このような手法を取ることにより積分強度が最小となる膜厚の範囲を絞り込むことができる。また、プロット数を減らすことができるので計算時間の短縮になり好ましい。
【０２４５】
絞り込まれた積分強度が最小となる膜厚の範囲内で各半導体膜の膜厚比を決定し、その膜厚比となるように光電変換層を構成する各半導体を成膜する。これにより変換率の高い光電変換層を作製することができる。
【０２４６】
本実施例から推測された積分強度が最小となる膜厚比は、本実施例で用いた半導体積層膜に対する値であり、半導体積層膜を構成する半導体の種類（半導体を構成する原子の違い）、結晶構造、膜質（結晶性、欠陥密度など）、膜の導電率、膜厚などによって変化する場合がある。そのため、半導体積層膜を構成する半導体の種類（構成原子の違い）や成膜条件などを変えた場合にはその都度、実施例で示した手続きに従って積分強度が最小となる膜厚比を求め、半導体積層膜を構成する半導体の膜厚を最適化すると好ましい。
【０２４７】
本実施例では、光電変換層を構成する半導体積層膜が二層の例を示したが、本発明を実施するに当たり光電変換層を構成する半導体積層膜は二層に限定されない。二層以上の光電変換層に適用が可能である。
【符号の説明】
【０２４８】
１００  基板
１５１ａ  価電子
１５２ａ  価電子
１５１ｂ  価電子
１５２ｂ  価電子
１６０ａ  価電子帯
１６１ａ  禁制帯
１６２ａ  伝導帯
１６０ｂ  価電子帯
１６１ｂ  禁制帯
１６２ｂ  伝導帯
２００  ゲート電極
２０１  第１の導電層
２０２  第２の導電層
３００  ゲート絶縁層
４０１  第１の半導体層
４０２  第２の半導体層
４０３  第３の半導体層
５００  不純物半導体層
６００  電極
７００  層間絶縁膜
８００  第１の電極
９００  第２の電極
１００１  不純物半導体層
１００２  不純物半導体層
８００１  線
８００２  線
１００００  入射光スペクトル
１０００１  透過光スペクトル
１０００２  透過光スペクトル
１０００３  透過光スペクトル
１０００４  透過光スペクトル
１０００５  透過光スペクトル
１０００６  透過光スペクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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