(57)【要約】ｎ型またはｐ型のシリコンに基盤をおいた基板と、基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により１００ないし１１００ｎｍ波長範囲の光に対して光電変換効果を示すように基板の一面に所定のドーパントにより基板と反対型に極度に浅くドーピングされたドーピング領域と、ドーピング領域に電気的に連結可能に基板に形成された第１及び第２電極とを含むことを特徴とするシリコン受光素子が開示されている。  開示されたシリコン受光素子は、シリコン基板に極度に浅くドーピングされたドーピング領域を備えるので、半導体材料としてシリコンを利用しながらもｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により量子効率が従来の太陽電池よりかなり高い。また、開示されたシリコン受光素子は特定波長または広い波長帯域の光を吸収するように形成でき、太陽電池として使われうる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型またはｐ型のシリコンに基盤をおいた基板と、
前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により１００ないし１１００ｎｍ波長範囲の光に対して光電変換効果を示すように、前記基板の一面に所定のドーパントにより前記基板と反対型に極度に浅くドーピングされたドーピング領域と、
前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極とを含むことを特徴とするシリコン受光素子。
【請求項２】
１００ないし１１００ｎｍ範囲の多様な波長の光を吸収して太陽電池として使用できるように、多様な大きさの極小キャビティを有することを特徴とする請求項１に記載のシリコン受光素子。
【請求項３】
前記基板の一面には前記ドーピング領域形成時にマスクとして機能し、前記ドーピング領域が極度に浅いドーピング深さに形成されるようにする制御膜をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のシリコン受光素子。
【請求項４】
前記基板の一面には前記ドーピング領域の形成時にマスクとして機能し、前記ドーピング領域を極度に浅いドーピング深さに形成させる制御膜をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシリコン受光素子。
【請求項５】
前記制御膜は前記ドーピング領域が極度に浅いドーピング深さに形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項３または４に記載のシリコン受光素子。
【請求項６】
前記ドーピング領域は前記ドーパントの非平衡拡散により形成されることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のシリコン受光素子。
【請求項７】
前記ドーパントはホウ素及びリンのうちいずれか一つを含むことを特徴とする請求項６に記載のシリコン受光素子。
【請求項８】
前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対との生成結合が起きる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つが形成されることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のシリコン受光素子。
【請求項９】
外部電圧を印加して量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つ内のサブバンドエネルギーレベルを変化させて吸収波長帯を変えられるようになったことを特徴とする請求項８に記載のシリコン受光素子。
【請求項１０】
前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ及びダイヤモンドのうちいずれか一つからなることを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のシリコン受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコン受光素子に係り、さらに詳細には量子拘束効果により高い量子効率を有するシリコン受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、シリコン受光素子の一例である太陽電池を概略的に示した図面である。
【０００３】
図１を参照すれば、一般的に太陽電池は光エネルギーが電気エネルギーに変換される光起電力効果を利用するように、ｎ型半導体１とｐ型半導体２とを接合させたｐ−ｎダイオード構造からなっている。ｐ型半導体２とｎ型半導体１の上下面には外部回路を連結するための電極３，４が形成される。
【０００４】
図２を参照すれば、前記のようなｐ−ｎダイオード構造に光が入射されて光子が吸収されれば、ｐ−ｎ接合の両側で電子７ａと正孔７ｂ対が生成され、電子７ａはｎ型半導体１方向に移動し、正孔７ｂは反対側に移動する。従って、上記の通りにｐ−ｎダイオード構造に外部回路、例えば負荷抵抗５を連結すれば、光エネルギーの電気エネルギーへの変換によって電流Ｉが流れる。
【０００５】
前記のような構造からなる太陽電池の半導体材料としては、一般的にシリコンを使用する。このように、半導体材料そしてシリコンを使用したｐ−ｎダイオード構造の太陽電池は光エネルギーが電気エネルギーに変換する効率が低いという問題点がある。単結晶シリコン系は２３％ほど、多結晶シリコン系は１８％ほど、非晶質シリコン系は１４％ほどの光電変換効率を有し、このうちいずれの一つを半導体材料に使用した太陽電池の場合、実際の使用時にはその光電変換効率がさらに低下する。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は前記のような問題点を改善するために、半導体材料としてシリコンを利用しながらもｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により量子効率が従来の太陽電池よりきわめて高いシリコン受光素子を提供するところにその目的がある。
【０００７】
前記目的を達成するための本発明によるシリコン受光素子は、ｎ型またはｐ型のシリコンに基盤をおいた基板と、前記基板とのｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により１００ないし１１００ｎｍ波長範囲の光に対して光電変換効果を示すように、前記基板の一面に所定のドーパントにより前記基板と反対型に極度に浅くドーピングされたドーピング領域と、前記ドーピング領域に電気的に連結可能に前記基板に形成された第１及び第２電極とを含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、本発明によるシリコン受光素子は１００ないし１１００ｎｍ範囲の多様な波長の光を吸収して太陽電池として使用できるように、多様な大きさの極小キャビティを有することが望ましい。
【０００９】
前記基板の一面には前記ドーピング領域形成時にマスクとして機能し、前記ドーピング領域を極度に浅いドーピング深さに形成させる制御膜をさらに備えることが望ましい。
前記制御膜は前記ドーピング領域が極度に浅いドーピング深さに形成されるように適正厚さを有するシリコン酸化膜でありうる。
【００１０】
前記ドーピング領域は前記ドーパントの非平衡拡散により形成されることが望ましく、前記ドーパントはホウ素及びリンのうちいずれか一つでありうる。
【００１１】
前記ドーピング領域の前記基板とのｐ−ｎ接合部位には電子と正孔対の生成結合が起きる量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つが形成されることが望ましい。
【００１２】
外部電圧を印加して量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つ内のサブバンドエネルギーレベルを変化させて吸収波長帯を変えられることが望ましい。
【００１３】
前記基板はＳｉ、ＳｉＣ及びダイヤモンドのうちいずれか一つからなることが望ましい。
【００１４】
図面の簡単な説明
図１は従来のシリコン受光素子の一例である太陽電池を概略的に示した図面である。
【００１５】
図２は図１に図示されたｐ−ｎダイオード構造での光電変換原理を概略的に示した図面である。
【００１６】
図３は本発明の一実施例によるシリコン受光素子を概略的に示した図面である。
【００１７】
図４Ａはドーピング領域を非平衡拡散により極度に浅い深さに形成する時、ｐ−ｎ接合部位の構造を示した図面である。
【００１８】
図４Ｂは非平衡拡散により図４Ａに示されたｐ−ｎ接合部位に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェル（ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＱＷ）のエネルギーバンドを示した図面である。
【００１９】
図５は本発明の他の実施例によるシリコン受光素子を概略的に示した図面である。
【００２０】
図６は本発明によるシリコン受光素子での光電変換原理を示した図面である。
【００２１】
図７は本発明によるシリコン受光素子が太陽電池として機能を果たすように設けられた場合、本発明によるシリコン受光素子と、半導体材料として単結晶シリコンとを使用した従来の太陽電池の外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を比較して示したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図面を参照すれば、本発明の一実施例によるシリコン受光素子は、基板１１と、前記基板１１の一面に形成されたドーピング領域１５と、前記ドーピング領域１５に電気的に連結可能に前記基板１１に形成された第１及び第２電極１７，１９とを含んで構成される。また、本発明によるシリコン受光素子はドーピング領域１５の形成時にマスクとして機能し、ドーピング領域１５を所望の極度に浅い厚さに形成させる制御膜１３を前記基板１１の一面にさらに備えることが望ましい。この制御膜１３は前記ドーピング領域１５を形成した後で選択的に除去されもする。
【００２３】
前記基板１１はシリコンを含む所定の半導体物質、例えばＳｉ、ＳｉＣまたはダイヤモンドからなり、例えば、ｎ型にドーピングされている。
【００２４】
前記ドーピング領域１５は所定のドーパント、例えばホウ素またはリンを前記制御膜１３の開口を介して前記基板１１内に非平衡拡散工程により注入させ、前記基板１１と反対型、例えばｐ＋型にドーピング形成された領域である。
【００２５】
ドーピング時、前記ドーピング領域１５の前記基板１１との境界部分、すなわちｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つが形成され、量子拘束効果により高い量子効率に、例えば１００ないし１０００ｎｍ、望ましくは２００ないし９００ｎｍ波長範囲の光に対して光電変換効果を示すように、前記ドーピング領域１５は所望の極度に浅い深さにドーピング形成されたことが望ましい。
【００２６】
ここで、前記ｐ−ｎ接合部位１４には主には量子ウェルが形成され、量子点や量子線が形成されもする。また、前記ｐ−ｎ接合部位１４には前記量子ウェル、量子点、量子線のうち２種以上の複合になるように形成されもする。以下では、表現の簡略化のために前記ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたとして説明する。以下で、ｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されたと説明したとしても、これは量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つであると見なされる。
【００２７】
図４Ａはドーピング領域１５を非平衡拡散により極度に浅い深さに形成する時、ｐ−ｎ接合部位１４の構造を示す。図４Ｂは非平衡拡散により図４Ａに示したｐ−ｎ接合部位１４に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェル（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＱＷ）のエネルギーバンドを示す。図４Ｂで、Ｅｃは伝導対エネルギー準位、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｆはフェルミエネルギー準位を示し、このようなエネルギー準位については半導体関連技術分野では公知されているので、詳細な説明は省略する。
【００２８】
図４Ａ及び図４Ｂに示されたように、ｐ−ｎ接合部位１４は他のドーピング層が交互に形成された量子ウェル構造を有するが、ウェルバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）とはほぼ２ｎｍ、３ｎｍとなる。
【００２９】
このようにｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルを形成する極度に浅いドーピングは前記制御膜１３の厚さ及び拡散工程条件などを最適に制御することによって形成されうる。
【００３０】
拡散工程中に適正な拡散温度及び基板１１表面の変形されたポテンシャルにより拡散プロファイルの厚さが、例えば１０−２０ｎｍに調節され、このように極度に浅い拡散プロファイルには量子ウェルシステムが生成されるようになる。ここで、基板１１表面のポテンシャルは初期制御膜１３の厚さと表面前処理により変形され、工程が進むにつれて深化する。
【００３１】
前記制御膜１３はドーピング領域１５を極度に浅いドーピング深さに形成させる適正厚さを有するシリコン酸化膜であることが望ましい。この制御膜１３は、例えば基板１１の一面上にシリコン酸化膜を形成した後、拡散工程のための開口部分をフォトリソグラフィ工程を利用してエッチングすることによってマスク構造に形成される。
【００３２】
拡散技術分野で公知のところによれば、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さ（数千Å）より厚いか、あるいは低温ならば、欠陥（ｖａｃａｎｃｙ）が主に拡散に影響を及ぼして拡散が深く起き、シリコン酸化膜の厚さが適正厚さより薄くか、あるいは高温ならば、Ｓｉ自己格子間（ｓｅｌｆ−ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）が主に拡散に影響を及ぼして拡散が深く起きる。従って、シリコン酸化膜をＳｉ自己格子間及び欠陥が類似の割合で発生する適正厚さに形成すれば、Ｓｉ自己格子間と欠陥と互いに結合されてドーパントの拡散を促進しなくなるので、極度に浅いドーピングが可能になる。ここで、欠陥及び自己格子間と関連した物理的な性質は拡散と関連した技術分野では公知であるので、さらに詳細な説明は省略する。
【００３３】
ここで、前記基板１１はｐ型にドーピングされ、前記ドーピング領域１５はｎ＋型にドーピングされることも可能である。
【００３４】
外部回路と連結するために、前記第１電極１７はドーピング領域１５が形成された基板１１の一面上に形成され、前記第２電極１９は前記基板１１の底面に形成される。図３は前記第１電極１７を、不透明金属材質でドーピング領域１５の外側一部分にコンタクトされるように形成した例を示す。前記第１電極１７はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）のような透明電極材質を使用してドーピング領域１５上に全体的に形成されもする。
【００３５】
ここで、基板１１の底面に第２電極１９を形成する代わりに、前記第１及び第２電極１７，１９をいずれも図５に図示されたように、ドーピング領域１５が形成された面方向に形成することもできる。図５で、図３と同一参照符号は実質的に同一機能を行う同一部材を示すので、その反復的な説明を省略する。
【００３６】
前記のような本発明によるシリコン受光素子は、前記ドーピング領域１５の基板１１とのｐ−ｎ接合部位１４に量子ウェルが形成されており、図６に図示されたように、この量子ウェルで入射された光を吸収して電子と正孔対を生成する。図６で、３１は量子ウェル、３３はサブバンドエネルギーレベルを示す。ｅは電子、ｈはホール、ｐは光子である。また図６で、Ｅｖは価電子帯エネルギー準位、Ｅｃは伝導対エネルギー準位を示す。
【００３７】
図６に図示されたように、光が入射されて量子ウェル構造であるｐ−ｎ接合部位１４で光子ｐが吸収されれば、電子ｅと正孔ｈとがそのｐ−ｎ接合部位１４に形成された量子ウェル３１内のサブバンドエネルギーレベル３３にそれぞれ励起される。従って、外部回路、例えば図３及び図５に図示されたように負荷抵抗１８が連結されていれば、照射された光量に比例する電流が流れる。
【００３８】
前記のような本発明によるシリコン受光素子での吸収波長は、基板１１の表面（実際には、ドーピング領域１４の表面）に形成される極小欠陥に起因した極小キャビティにより決まる。従って、製作工程により極小キャビティの大きさを調節すれば、本発明によるシリコン受光素子の吸収波長を１００ないし１１００ｎｍ範囲内に属する特定波長とするか、あるいは多様な波長とできる。
【００３９】
例えば、極小キャビティの大きさを均一に形成すれば、本発明によるシリコン受光素子は特定波長の光を吸収して光電変換する。また、極小キャビティの大きさを多様にするならば、本発明によるシリコン受光素子は広い波長領域、例えば一般的な太陽電池の吸収領域に該当する１００ｎｍないし１１００ｎｍ、望ましくは２００ｎｍないし９００ｎｍ波長帯域の光を吸収して光電変換する。
【００４０】
ここで、極小キャビティはドーピング領域１４表面に形成された極小欠陥による変形されたポテンシャルのゆえに生じる。従って、変形されたｐｏｔｅｎｔｉａを調節することによって量子ウェルの変形が可能であり、これにより極小キャビティが決まるので、極小キャビティの大きさを制御することにより、特定波長または広い波長帯域で吸収を起こせる。
【００４１】
従って、本発明によるシリコン受光素子は均一大きさの極小キャビティを有するように形成することにより、特定波長の光検出用に使われうる。
【００４２】
また、本発明によるシリコン受光素子は一般的な太陽電池で吸収する波長帯域を含む広い波長帯域、例えば１００ｎｍないし１１００ｎｍ、さらに望ましくは２００ｎｍないし９００ｎｍ波長範囲の光を吸収できる多様な大きさの極小キャビティを有するように形成することにより、太陽電池として使われうる。
【００４３】
図７は本発明によるシリコン受光素子を太陽電池として機能を果たすように設けられた場合、本発明によるシリコン受光素子と半導体材料として単結晶シリコンを使用した従来の太陽電池の外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を比較して示したグラフである。
【００４４】
図７を参照すれば、２００〜９００ｎｍ波長領域全体の効率が本発明によるシリコン受光素子の場合には、例えばほぼ５０〜６０％ほどと高い一方、単結晶シリコンからなる従来の太陽電池の場合には３５％以下となる。ここで、２００〜９００ｎｍ波長範囲は太陽電池の効率を計算する時に使用する値の範囲である。
【００４５】
図７から分かるように、本発明によるシリコン受光素子が太陽電池として使われるように製作された場合、本発明によるシリコン受光素子の効率は従来の太陽電池に比べてかなり高い。
【００４６】
上記の通りに、本発明によるシリコン受光素子と従来の太陽電池の効率がかなり差がつく理由は次の通りである。
【００４７】
従来の太陽電池のように、シリコン基板に一般的なドーピングによりドーピング領域が形成された場合、光はｐまたはｎドーピング層で吸収散乱されてしまうので、垂直方向の電極に引き出されて応答に寄与する電子、正孔対で消去できない。また、シリコン基板にドーピング領域が形成された太陽電池では、量子効果がなく、ドーピング層下の空乏層で吸収された光だけが電流信号として検出される間接バンドギャップ構造であるから、検出効率が低い。
【００４８】
一方、本発明によるシリコン受光素子の極度に薄いドーピング領域１５は、電荷分布ポテンシャルの局部的な変化によって量子拘束効果が発生して高い量子効率を有する。特に、図６に図示されたように量子ウェル３１内にはサブバンドエネルギーレベル３３が形成されており、光を高効率に感知できる。
【００４９】
前記のような極度に浅いドーピング領域１５を有する本発明によるシリコン受光素子は、例えば１００〜１１００ｎｍ領域で優秀な感度を示す。
【００５０】
一方、本発明によるシリコン受光素子では外部電圧を印加するによって量子ウェルのサブバンドエネルギーレベルを変えて全体吸収波長帯を移動させることもできる。
【００５１】
さらに具体的に説明すれば、前記第１及び第２電極１７，１９にはｐ−ｎ接合部位１４に形成された量子ウェル内のサブバンドエネルギーレベル間の間隔を調節するために電圧を加えられる。第１及び第２電極１７，１９が図２に図示されたように形成された場合には、垂直方向に電圧を加えられる。また、第１及び第２電極１７，１９が図５に図示されたように形成された場合には、水平方向に電圧を印加できる。
【００５２】
このように本発明によるシリコン受光素子に垂直方向や水平方向に電圧を加えれば、ｐ−ｎ接合部位１４に形成された量子ウェル内のサブバンドエネルギーレベルを変えられ、全体吸収波長帯を移動させられる。
【００５３】
前記のような本発明によるシリコン受光素子は、シリコン基板に極度に浅くドーピングされたドーピング領域を備えるので、半導体材料としてシリコンを利用しながらもｐ−ｎ接合部位で量子拘束効果により量子効率が従来の太陽電池よりかなり高い。
【００５４】
このような、本発明によるシリコン受光素子は特定波長または広い波長帯域の光を吸収するように形成でき、太陽電池として使われうる。
また、本発明によるシリコン受光素子は外部電圧を印加することにより、量子ウェル、量子点及び量子線のうち少なくともいずれか一つ内のサブバンドエネルギーレベルを変化させて吸収波長帯を変更させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】従来のシリコン受光素子の一例である太陽電池を概略的に示した図面である。
【図２】図１に図示されたｐ−ｎダイオード構造での光電変換原理を概略的に示した図面である。
【図３】本発明の一実施例によるシリコン受光素子を概略的に示した図面である。
【図４Ａ】ドーピング領域を非平衡拡散により極度に浅い深さに形成する時、ｐ−ｎ接合部位の構造を示した図面である。
【図４Ｂ】非平衡拡散により図４Ａに示されたｐ−ｎ接合部位に表面の長手方向、側方向に形成される量子ウェル（ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：ＱＷ）のエネルギーバンドを示した図面である。
【図５】本発明の他の実施例によるシリコン受光素子を概略的に示した図面である。
【図６】本発明によるシリコン受光素子での光電変換原理を示した図面である。
【図７】本発明によるシリコン受光素子が太陽電池として機能を果たすように設けられた場合、本発明によるシリコン受光素子と、半導体材料として単結晶シリコンとを使用した従来の太陽電池の外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を比較して示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
2005517302.tif 000009
【図７】
2005517302.tif 000010
【国際調査報告】
2005517302.tif 000011
2005517302.tif 000012