特開 2022-27680 光電変換半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022027680

(43)【公開日】2022-02-14

(54)【発明の名称】光電変換半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/0352 20060101AFI20220204BHJP

【ＦＩ】

H01L31/04 340

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020131313

(22)【出願日】2020-08-01

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2021-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】514168186

【氏名又は名称】萩原 良昭

(74)【代理人】

【識別番号】100088063

【弁理士】

【氏名又は名称】坪内 康治

(72)【発明者】

【氏名】萩原 良昭

【テーマコード（参考）】

5F151

【Ｆターム（参考）】

5F151AA01

5F151DA03

5F151DA20

5F151FA06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】光電変換の効率を改善する。
【解決手段】光電変換半導体装置１の深さ方向にＮ領域４の表裏をＰ領域３、５で挟み、更にＰ領域３の表側とＰ領域５の裏側を、濃度勾配型バリア電界生成用のＰ＋領域２とＰ＋領域６で挟んだＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部７を設ける。Ｐ＋領域２の表側に受光窓領域８、第１の極性の外面電極９、Ｐ＋領域６の裏側に第１の極性の外面電極１０を設ける。Ｎ領域４の深さ方向の中央部に光電子吸出し用のＮ＋領域１１を設け、Ｎ＋領域１１の外側に第２の極性の外面電極１２を設ける。第１の極性の外面電極９、１０をグランドに接続し、第２の極性の外面電極１２とグランドの間に、電荷蓄積用の容量３０を接続する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に、表側から裏側に向かう深さ方向にＮ領域の表裏両側を表側のＰ領域及び裏側のＰ領域で挟み、更に当該表側のＰ領域の表側と裏側のＰ領域の裏側を、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界生成用の表側のＰ＋領域と裏側のＰ＋領域とで挟んだＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の深さ方向の中央部に、該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
前記Ｎ＋領域の外側に、該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴とする光電変換半導体装置。

【請求項2】

表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内にＮ領域を設け、
該Ｎ領域の裏側左右端部近くの一部を除く表側、裏側、側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして表側のＰ＋領域を設け、
前記Ｐ領域の裏側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして裏側のＰ＋領域を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側の左右端部近くに、当該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、当該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴とする光電変換半導体装置。

【請求項3】

表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に設けたＮ領域の裏側中央部を除く表側、裏側、側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして表側のＰ＋領域を設け、
前記Ｐ領域の裏側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして裏側のＰ＋領域を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、当該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側の中央部に、当該Ｎ領域に接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、当該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴とする光電変換半導体装置。

【請求項4】

面側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に設けた断面がくし形のＮ領域の裏側を除く表側と側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにしてＰ＋領域を設け、
該Ｐ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該Ｐ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側に、該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、当該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
第１の極性の外面電極をグランドに接続し、第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴とする光電変換半導体装置。

【請求項5】

表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に設けた断面がくし形のＮ領域の裏側中央部を除く表側、裏側、側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして表側のＰ＋領域を設け、
前記Ｐ領域の裏側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして裏側のＰ＋領域を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、当該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側の中央部に、該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴とする光電変換半導体装置。

【請求項6】

表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に光電変換層を設け、
この光電変換層は、
光電変換半導体装置内に設けたＮ領域と、
該Ｎ領域の表側中央部を除く表側に、当該Ｎ領域の表面に接触するようにして設けた表側のＰ領域と、
前記Ｎ領域の裏側に、当該Ｎ領域の表面に接触するようにして設けた裏側のＰ領域と、
前記表側のＰ領域の表側の全部または一部と側面側、前記Ｎ領域の側面側、前記裏側のＰ領域の裏側と側面側を囲むようにして設けたＰ＋領域と、
前記Ｎ領域の表側の中央部に、当該Ｎ領域と接触するようにして設けた表側のＮ＋領域と、
を含み、
前記光電変換部の表側に、受光窓領域と、前記Ｐ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極と、前記Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記Ｐ＋領域の裏側に、第２のＮ領域と第２のＮ＋領域の内、少なくとも一方を介して金属製反射領域を設け、
前記第１の極性の外面電極と金属製反射領域をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴とする光電変換半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光電変換半導体装置に係り、とくに光電変換半導体装置内に生じた光電子の再結合を抑制することでエネルギー変換効率を改善するようにした光電変換半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化を抑制する自然エネルギーとして太陽光発電が注目されている。太陽光発電には、Ｎ型半導体領域とＰ型半導体領域を隣接させたＰＮ接合を有し、光照射で生じた光電子と正孔を各々、ＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界によりＮ型半導体領域側とＰ型半導体領域側に分離させて、Ｎ型半導体領域のＰＮ接合とは反対側端部と、Ｐ型半導体領域のＰＮ接合とは反対側端部の間に光起電力を生じさせるようにした光電変換半導体装置が用いられる。
ところで、太陽光のエネルギー密度は薄く、発電量を増やそうとすると大規模な施設が必要となる。このため、太陽光発電の普及には、太陽電池の変換効率の更なる改善が重要である。

【0003】

変換効率の改善策の一つとして従来、例えば特開昭５３－１０９８７号公報や特開平０７－２９７４４４号公報に示す如く、光電変換半導体装置の表面と平行なＰＮ接合面を深さ方向（上下方向）に複数個形成する手法が提案されていた。
けれども、上記した特開昭５３－１０９８７号公報や特開平０７－２９７４４４号公報の光電変換半導体装置では、光電子はＮ領域のエネルギー準位の低い場所に移動して滞留するが、その滞留した光電子の量に応じてＮ領域の電位は固定されずに変動し、滞留した光電子がＮ領域の空乏層を狭めて光電子・空孔の再結合を促進したり、光電変換半導体装置の表面近くで再結合が起き易く、変換効率の向上に限界があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は上記した従来技術の問題に鑑みなされたもので、光電変換の変換効率の向上を図った光電変換半導体装置を提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

請求項１記載の発明では、
表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に、表側から裏側に向かう深さ方向にＮ領域の表裏両側を表側のＰ領域及び裏側のＰ領域で挟み、更に当該表側のＰ領域の表側と裏側のＰ領域の裏側を、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界生成用の表側のＰ＋領域と裏側のＰ＋領域とで挟んだＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の深さ方向の中央部に、該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
前記Ｎ＋領域の外側に、該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴としている。
請求項２記載の発明では、
表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内にＮ領域を設け、
該Ｎ領域の裏側左右端部近くの一部を除く表側、裏側、側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして表側のＰ＋領域を設け、
前記Ｐ領域の裏側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして裏側のＰ＋領域を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側の左右端部近くに、当該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、当該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴としている。
請求項３記載の発明では、
表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に設けたＮ領域の裏側中央部を除く表側、裏側、側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして表側のＰ＋領域を設け、
前記Ｐ領域の裏側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして裏側のＰ＋領域を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、当該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側の中央部に、当該Ｎ領域に接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、当該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴としている。
請求項４記載の発明では、
面側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に設けた断面がくし形のＮ領域の裏側を除く表側と側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにしてＰ＋領域を設け、
該Ｐ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該Ｐ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側に、該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、当該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
第１の極性の外面電極をグランドに接続し、第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴としている。
請求項５記載の発明では、
表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に設けた断面がくし形のＮ領域の裏側中央部を除く表側、裏側、側面側を囲むようにしてＰ領域を設け、
該Ｐ領域の表側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして表側のＰ＋領域を設け、
前記Ｐ領域の裏側に、該Ｐ領域の表面に接触するようにして裏側のＰ＋領域を設け、
前記表側のＰ＋領域の表側に、受光窓領域及び当該表側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記裏側のＰ＋領域の裏側に、当該裏側のＰ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極を設け、
前記Ｎ領域の裏側の中央部に、該Ｎ領域と接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域を設け、
Ｎ＋領域の裏側に、該Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記各第１の極性の外面電極をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴としている。
請求項６記載の発明では、
表側から入射した太陽光を光電変換する光電変換半導体装置であって、
光電変換半導体装置内に光電変換層を設け、
この光電変換層は、
光電変換半導体装置内に設けたＮ領域と、
該Ｎ領域の表側中央部を除く表側に、当該Ｎ領域の表面に接触するようにして設けた表側のＰ領域と、
前記Ｎ領域の裏側に、当該Ｎ領域の表面に接触するようにして設けた裏側のＰ領域と、
前記表側のＰ領域の表側の全部または一部と側面側、前記Ｎ領域の側面側、前記裏側のＰ領域の裏側と側面側を囲むようにして設けたＰ＋領域と、
前記Ｎ領域の表側の中央部に、当該Ｎ領域と接触するようにして設けた表側のＮ＋領域と、
を含み、
前記光電変換部の表側に、受光窓領域と、前記Ｐ＋領域の表面と導通した第１の極性の外面電極と、前記Ｎ＋領域と導通した第２の極性の外面電極を設け、
前記Ｐ＋領域の裏側に、第２のＮ領域と第２のＮ＋領域の内、少なくとも一方を介して金属製反射領域を設け、
前記第１の極性の外面電極と金属製反射領域をグランドに接続し、前記第２の極性の外面電極とグランドの間に、光電変換半導体装置の内部または外部に設けた電荷蓄積用の容量を接続したこと、
を特徴としている。
各請求項において、Ｎ＋領域をＮ領域に埋め込むように設けても良い。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、Ｎ領域のエネルギー準位の低い箇所に移動して来た光電子をＮ＋領域へ吸い出し、Ｎ領域の空乏化状態を常に維持し、空乏層が狭くなるのを防止することにより、光電子・空孔の再結合を抑制が可能となる。またＰ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界により、表側や裏側の表面近くでの再結合の抑制もでき、変換効率の向上を図ることができる。
またＰ＋領域の表面がグランド電位に固定されることで、サージ等の外乱の影響を受けにくくなるとともに、Ｐ＋領域のごく表面近くの電界が零となることで、Ｐ＋領域のごく表面近くで熱エネルギーを吸収して伝導帯に上がった電子がその場で直ちに空孔と再結合するので、表面暗電流となって外部または内部の容量を放電させてしまう恐れが少なくなり、変換効率の一層の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は本発明の第１実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成および不純物濃度プロファイルを示す説明図である（実施例１）。

【図2】図２は図１の光電変換半導体装置の不純物濃度プロファイルを示す説明図である。

【図3】図３は図１中のＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部の深さ方向のエネルギーバンドを示す説明図である。

【図4】図４は本発明の第２実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成を示す構成図である（実施例２）。

【図5】図５は本発明の第３実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成を示す構成図である（実施例３）。

【図6】図６は本発明の第４実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成を示す構成図である（実施例４）。

【図7】図７は本発明の第５実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成を示す構成図である（実施例５）。

【図8】図８は図７の光電変換半導体装置の種々の方向に沿ったエネルギーバンドを示す説明図である。

【図9】図９は本発明の第６実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成を示す構成図である（実施例６）。

【図10】図１０は本発明の第７実施例に係る光電変換半導体装置の断面構造と外部回路の構成を示す構成図である（実施例７）。

【発明を実施するための最良の形態】

【0008】

以下、本発明の最良の形態を実施例に基づき説明する。

【実施例0009】

図１乃至図３を参照して本発明の第１実施例に係る光電変換半導体装置を説明する。図１は光電変換半導体装置の断面構造と外部回路を示す説明図、図２は図１の光電変換半導体装置の具体的な不純物濃度プロファイルを示す説明図、図３は図１中のＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部の深さ方向のエネルギーバンドを示す説明図である。光電子のエネルギーレベルは光電変換半導体装置の表側及び裏側のＰ＋領域内が一番高く、Ｎ＋領域内が一番低くなる。
図１において、１は太陽光を受光して光起電力を発生する光電変換半導体装置であり、右側が表側表面（受光主面）、左側が裏側表面であり、深さ方向は右から左へ向かう方向である。表側表面から深さ方向にＰ＋領域２、Ｐ領域３、Ｎ領域４、Ｐ領域５、Ｐ＋領域６が多段接合されたＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部７、Ｐ＋領域２の表側表面に接触するように設けられた透明な受光窓領域としての絶縁性のＳｉＯ２領域８及びＰ＋領域２の表側表面に接触するように設けられた第１の極性の外面電極９、Ｐ＋領域６の裏側表面に接触するように設けられた第１の極性の外面電極１０、Ｎ領域４の深さ方向の中央部に接触するようにして埋め込み状態で設けられた光電子吸出し用のＮ＋領域１１及びＮ＋領域１１の外側に設けられた第２の極性の外面電極１２を備えている。表側と裏側のＰ領域３と５はここでは深さ方向の厚みが同一に形成されている例を示す。外面電極９はＰ＋領域２と導通しており、外面電極１０はＰ＋領域６と導通しており、外面電極１２はＮ＋領域１１と導通している。各外面電極９、１０、１２は金属製である。

【0010】

Ｐ＋ＰＮＰＰ＋接合部７は、Ｎ領域４の深さ方向の中央を中心にして表裏方向に略対称に形成されている。すなわち、Ｎ領域４の表裏両側を表側のＰ領域３及び裏側のＰ領域５で挟み、更に当該表側のＰ領域３の表外側と裏側のＰ領域の裏外側を、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界生成用の表側のＰ＋領域２と裏側のＰ＋領域６で挟んで積層して成る。Ｐ領域３、Ｎ領域４、Ｐ領域５は深さ方向に２段のＰＮ接合面を形成するものであり、Ｎ領域４とＰ領域３の接合面ｊｋ１を挟んだ上下両側（図１では左右両側）、Ｎ領域４とＰ領域５の接合面ｊｋ２を挟んだ上下両側（図１では左右両側）に、ＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界領域が形成される。

【0011】

表側のＰ＋領域２は光電変換半導体装置１の表側表面近くでの光電子の再結合を抑制するため、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界を生成するとともに、青色短波長の光成分に対する光電変換効率の改善をするために設けられた領域である。太陽光は短波長領域のエネルギー量が大きな割合を示すが、例えばシリコン半導体では、青色短波長の光は表面から０．２μｍ程度の深さまでしか内部に透過できない。この実施例では、受光面である表側表面近くのＰ＋Ｐ濃度勾配型バリア電界が青色短波長の光入射で生じた光電子・正孔の再結合を抑制するようにしてあり、受光面近くでの光電変換が可能となる。表側のＰ＋領域２とＰ領域３との境界面ｊｋ３を挟んだ上下両側（図１では左右両側）に濃度勾配型バリア電界領域が形成されている。

【0012】

裏側のＰ＋領域６は裏側表面近くでの光電子の再結合を抑制するため、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界を生成するためのものであり、裏側のＰ＋領域６とＰ領域５との境界面ｊｋ４を挟んだ上下両側（図１では左右両側）に濃度勾配型バリア電界領域が形成される。Ｐ＋領域２、Ｐ領域３、Ｎ領域４、Ｐ領域５、Ｐ＋領域６のドナー密度、アクセプタ密度、深さ方向の厚さは、ＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界とＰ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界が深さ方向にほぼ一体化して一つのほぼ完全なバリア電界領域Ｗｄ（２０～４０μｍがＷｄの最適幅。図３参照）が形成されるように設定されている。図２に光電変換半導体装置１のａ－ａ’線に沿った不純物濃度プロファイルとｂ－ｂ’線に沿った不純物濃度プロファイルの具体的な例を示す。

【0013】

光電変換半導体装置１の内、表側と裏側のＰ＋領域２と６に設けられた外面電極９、１０はグランドに接続されており、グランド電位に固定されている。一方、Ｎ＋領域１１に設けられた外面電極１２とグランドとの間には電荷蓄積用の外部容量３０が接続されている。また、外部容量３０にはスイッチ３１を介して外部負荷３２が接続されている。
なお、図１の外部回路は一例であり、光電変換半導体装置１の外部に外部容量を設ける代わりに、光電変換半導体装置１の内部に電荷蓄積用の容量（図示せず）を形成し、この容量の両極をＮ＋領域１１に設けられた外面電極１２とグランド間に接続するようにしても良い。

【0014】

Ｐ＋ＰＮＰＰ＋接合部７の深さ方向のエネルギーバンドは図３の如くなり、表側及び裏側のＰ＋領域２、６は光電子のエネルギーレベルが一番高くなり、Ｎ領域４の中央付近が一番低くなる。Ｎ＋領域１１はＮ領域４の中央付近より更に一段低くなる。
表側のＳｉＯ２領域８を通した入射光で発生した光電子（ｅ－）とホール（ｈ＋）は、表側及び裏側のＰ＋Ｐ濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界領域とＰＮ接合型バリア電界領域を合わせたバリア電界領域Ｗｄの電界により直ちに分離されるので、再結合することなく光電子はエネルギーレベルが一番低いＮ領域４の中央へ移動し、ホールは表側と裏側のＰ＋領域２、６へ移動する。仮にＮ領域４の中央付近に光電子が溜まったままになるとＮ領域４の空乏層が狭くなってしまい、光電子とホールの再結合がし易くなってしまう。この実施例では、Ｎ領域４の中央付近に設けられたエネルギーレベルの一段番低いＮ＋領域１１の側へ光電子が移動するので、Ｎ領域４の空乏層が狭くなることはない。
表側と裏側のＰ＋領域２、６に到達したホールは外面電極９、１０より供給される電子と結合して消失する。スイッチ３１が開のとき、Ｎ＋領域１１に到達した光電子はＮ＋領域１１、外面電極１２、外部容量３０の＋極３０ａに蓄積される。図１の外部回路は、スイッチ３１を閉にすると、外部容量３０に蓄積された光電子が外部負荷３２に流れ、Ｎ＋領域１１、外面電極１２、外部容量３０の＋極３０ａに蓄積された光電子がリセットされる例を示す。

【0015】

光電変換半導体装置１の表側のＰ＋領域２の表側表面と裏側のＰ＋領域６の裏側表面がグランド電位に固定されることにより、表側及び裏側表面近くのＰ＋Ｐ濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界領域とＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界領域を合わせたバリア電界領域Ｗｄの全域の電位が固定されるので、光電変換半導体装置１の周囲でサージ等の外乱が生じても、バリア電界領域Ｗｄのいずれの場所の電界も外乱の影響を受けたり、Ｎ＋領域１１に蓄積した光電子がＮ領域４の側に戻ったりすることもなく、安定した光電変換動作を維持できる。
また表側のＰ＋領域２の表側表面と裏側のＰ＋領域６の裏側表面がグランド電位に固定されることで、Ｐ＋領域２の表側のごく表面近くとＰ＋領域６の裏側のごく表面近くの電界が零となり、この結果、Ｐ＋領域６のごく表面近くで熱エネルギーを吸収して伝導帯に上がった電子がその場で直ちに空孔と再結合するので、表面暗電流となって電荷電荷蓄積用の外部容量３０を放電させてしまう恐れが少なくなり、変換効率の一層の向上を図ることができる。

【0016】

この実施例によれば、表面側から裏面側に向かう深さ方向にＮ領域４の表裏両側をＰ領域３、５で挟み、更に、両Ｐ領域３、５の外側をバリア電界生成用のＰ＋領域２、６で挟んだＰ＋ＰＮＰＰ＋接合部７を設け、この内、ＰＮＰ接合部分をＮ領域４の深さ方向の中央を中心にして表裏方向に対称に形成し、Ｎ領域４の深さ方向の中央部に接触するよにして設けたＮ＋領域１１により光電子を吸い出すようにしたことにより、Ｐ＋ＰＮＰＰ＋接合部７のほぼ全域にわたるバリア電界領域Ｗｄを容易に形成することができ、表面側のＳｉＯ２領域８を通した光入射で発生した光電子とホールを再結合することなく分離させ、光電子をＮ領域４の中央付近からエネルギーレベルの一段低いＮ＋領域１１へ吸い出すことができるので、Ｎ領域４に光電子が滞留せず、光電変換効率の高い光電変換半導体装置１が得られる。
また光電変換半導体装置１の表裏のＰ＋領域２、６がグランド電位に固定されることにより、表側及び裏側表面近くのＰ＋Ｐ濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界領域とＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界領域を合わせたバリア電界領域Ｗｄの全域の電位が固定されるので、光電変換半導体装置１の周囲でサージ等の外乱が生じても、バリア電界領域Ｗｄのいずれの場所の電界も外乱の影響を受けたり、Ｎ＋領域１１に蓄積した光電子がＮ領域４の側に戻ったりすることもなく、安定した光電変換動作を維持できる。
またＰ＋領域２の表側表面とＰ＋領域６の裏側表面がグランド電位に固定されることで、Ｐ＋領域２の表側表面近くとＰ＋領域６の裏側表面近くの電界が零となり、この結果、Ｐ＋領域２と６のごく表面近くで熱エネルギーを吸収して伝導帯に上がった電子がその場で直ちに空孔と再結合するので、表面暗電流となって外部または内部の容量を放電させてしまう恐れが少なくなり、変換効率の一層の向上を図ることができる。

【実施例0017】

図４を参照して本発明の第２実施例に係る光電変換半導体装置を説明する。
図４において、５０は太陽光を受光して光起電力を発生する光電変換半導体装置であり、上側が表側、下側が裏側であり、深さ方向は上から下へ向かう方向である。光電変換半導体装置５０の内部に断面が略長方形のＮ領域５１が設けられている。Ｎ領域５１の裏側の左右端部近くには裏側方向へ突設された突設部５１ａ、５１ｂが形成されている。Ｎ領域５１の内、裏側の突設部５１ａ、５１ｂの裏側端面５１ｃ、５１ｄを除く裏側表面、上側表面、側周面に接触しながら周囲を囲むようにしてＰ領域５２が設けられている。Ｐ領域５２の裏側の左右端部近くには突設部５１ａ、５１ｂの側面周囲を囲むように一段裏側に突設した段差部５２ａ、５２ｂが形成されている。Ｎ領域５１とＰ領域５２の境界にＰＮ接合面が形成されており、ＰＮ接合面を挟んだ上下両側または左右両側にＰＮ接合型バリア電界領域が形成されている。

【0018】

Ｐ領域５２の表外側にＰ領域５２の表面に接触するようにして面方向に延設された表側のＰ＋領域５３が設けられている。表側のＰ＋領域５３は光電変換半導体装置５０の表側表面近くでの光電子の再結合を抑制するため、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界を生成するとともに、青色短波長の光に対する光電変換効率の改善をするために設けられた領域である。Ｐ＋領域５３とＰ領域５２との境界面を挟んだ上下両側に濃度勾配型バリア電界領域が形成されている。

【0019】

Ｐ領域５２の裏外側の内、段差部５２ａ、５２ｂの裏側端面５２ｃ、５２ｄを除くＰ領域５２の裏側表面に接触するようにして面方向に沿ってＰ＋領域５４、５５、５６が設けられている。Ｐ＋領域５４、５５、５６は光電変換半導体装置５０の裏側表面近くでの光電子の再結合を抑制するため、Ｐ＋Ｐの濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界を生成するために設けられた領域である。Ｐ＋領域５４、５５、５６とＰ領域５２との境界面を挟んだ上下両側に濃度勾配型バリア電界領域が形成されている。
Ｎ領域５１の裏側の左右端部の一部に接触するようにして光電子吸出し用のＮ＋領域５７、５８が設けられている。具体的には突設部５１ａ、５１ｂにＮ＋領域５７、５８が埋め込み状態で設けられている。Ｎ＋領域５７、５８の光電子エネルギーレベルはＮ領域５１より一段低く、Ｎ領域５１に集まった光電子を吸い出す機能を有する。Ｐ＋領域５４、５５、５６、段差部５２ａ、５２ｂの裏側端面５２ｃ、５２ｄ、突設部５１ａ、５１ｂの裏側端面５１ｃ、５１ｄ、Ｎ＋領域５７、５８の裏側端面５７ａ、５８ａは受光主面に平行な平面を成す。Ｎ領域５１、Ｐ領域５２、Ｐ＋領域５３、５４、５５、５６、Ｎ＋領域５７、５８により、光電変換層５９が構成されている。

【0020】

光電変換層５９の表側には、Ｐ＋領域５３の表側の左右端部を除く表面に接触するようにして透明な受光窓領域としての絶縁性のＳｉＯ２領域６０が設けられている。ＳｉＯ２領域６０の左側と右側には表側のＰ＋領域５３の表側表面の左右端部と導通した第１の極性の外面電極６１、６２が設けられている。
光電変換層５９の裏側には、Ｐ＋領域５６の左右端部を除く裏外側に、Ｐ＋領域５６の表面と導通した第１の極性の外面電極６３、左右端部のＰ＋領域５４、５５の裏外側にＰ＋領域５４、５５の表面と導通した第１の極性の外面電極６４、６５が設けられている。またＮ＋領域５７、５８の裏外側に、Ｎ＋領域５７、５８の表面と導通した第２の極性の外面電極６６、６７が設けられている。光電変換層５９の左右側面には絶縁性のＳｉＯ２領域６８、６９が設けられている。光電変換層５９の裏側の外面電極６３、６４、６５、６６、６７以外の外面には絶縁性のＳｉＯ２領域７０、７１、７２、７３が設けられている。

【0021】

光電変換半導体装置５０は、Ｎ領域５１の左右方向の中央を通り、深さ方向に延びた対称線Ｃ１から見て、Ｎ領域５１、Ｐ領域５２、Ｐ＋領域５３、５４、５５、５６、Ｎ＋領域５７、５８、外面電極６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、ＳｉＯ２領域６０、６８、６９、７０、７１、７２、７３が左右線対称に形成されている。各外面電極６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７は金属製である。外面電極６３は光電変換半導体装置５０の裏側に到達した入射光の可視光成分を反射し、再度、光電変換させたり、入射光の遠赤外成分を反射し、光電変換半導体装置５０の表外側に放出させて光電変換半導体装置５０の昇温を抑制する機能を有する。

【0022】

光電変換半導体装置５０の内、外面電極６１、６２、６３、６４、６５はグランドに接続されており、グランド電位に固定されている。一方、外面電極６６、６７とグランドとの間には電荷蓄積用の外部容量３０が接続されている。また、外部容量３０にはスイッチ３１を介して外部負荷３２が接続されている。なお、光電変換半導体装置５０の内部に電荷蓄積用の容量（図示せず）を形成し、この容量の両極をＮ＋領域５７、５８に設けられた外面電極６６、６７とグランド間に接続するようにしても良い。

【0023】

光電子のエネルギーレベルは表側及び裏側のＰ＋領域５３、５４、５５、５６が一番高く、内部のＰ領域５２、Ｎ領域５１、Ｎ＋領域５７と５８の順に低くなる。
表面側のＳｉＯ２領域６０を通した入射光で発生した光電子（ｅ－）とホール（ｈ＋）は、表側及び裏側のＰ＋Ｐ濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界とＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界により直ちに分離されるので、再結合することなく光電子はエネルギーレベルが一番低いＮ＋領域５７、５８へ移動し、ホールはＰ＋領域５３、５４、５５、５６へ移動する。
Ｐ＋領域５３、５４、５５、５６に到達したホールは外面電極６１、６２、６３、６４、６５より供給される電子と結合して消失する。スイッチ３１が開のとき、Ｎ＋領域５７、５８に到達した光電子はＮ＋領域５７、５８、外面電極６６、６７、外部容量３０の＋極３０ａに蓄積される。図４の外部回路は、スイッチ３１を閉にすると、外部容量３０に蓄積された光電子が外部負荷３２に流れて、Ｎ＋領域５７、５８、外面電極６６、６７、外部容量３０の＋極３０ａに蓄積された光電子がリセットされる例を示す。

【0024】

光電変換半導体装置５０の表側のＰ＋領域５３、裏側のＰ＋領域５４、５５、５６の表面がグランド電位に固定されることにより、表側及び裏側表面近くのＰ＋Ｐ濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界領域とＰＮ接合の空乏層内に生じるＰＮ接合型バリア電界領域の全域の電位が固定されるので、光電変換半導体装置５０の周囲でサージ等の外乱が生じても、バリア電界領域のいずれの場所の電界も外乱の影響を受けたり、Ｎ＋領域５７、５８に蓄積した光電子がＮ領域５１の側に戻ったりすることもなく、安定した光電変換動作を維持できる。
またＰ＋領域５３、５４、５５、５６の表面がグランド電位に固定されることで、Ｐ＋領域５３の表側のごく表面近くと、５４、５５、５６の裏側のごく表面近くの電界が零となり、この結果、Ｐ＋領域５３、５４、５５、５６のごく表面近くで熱エネルギーを吸収して伝導帯に上がった電子がその場で直ちに空孔と再結合するので、表面暗電流となって電荷電荷蓄積用の外部容量３０を放電させてしまう恐れが少なくなり、変換効率の一層の向上を図ることができる。

【0025】

この第２実施例によれば、Ｐ領域５２によりＮ領域５１の周囲を囲み、深さ方向に多層のＰＮ接合面を形成し、更にＰ領域５２の表裏両側の表面に再結合阻止用のＰ＋領域５３、５４、５５、５６を設けるとともに、Ｎ領域５１の裏側表面の左右端部近くにＮ＋領域５７、５８を設けて光電子を吸い出すようにしたことにより、深さ方向のほぼ全域にわたりバリア電界領域を形成することができ、ＳｉＯ２領域６０を通した光入射で発生した光電子とホールを再結合することなく分離させ、光電子をＮ領域５１からエネルギー準位の一段低いＮ＋領域５７、５８へ吸い出すことができるので、Ｎ領域５１に光電子が滞留せず、光電変換効率の高い光電変換半導体装置５０が得られる。
また、裏面側に到達した入射光は外面電極６３により再度、表面方向に反射されて可視光成分が光電子に変換されるので、これによっても変換効率が改善する。入射光の遠赤外線成分は外面電極６３により反射されて光電変換半導体装置５０の表面から外側に放出されるので、光電変換半導体装置５０の設置台側が昇温せずに済み、冷却設備の負担を軽減したり、変換効率の悪化防止をしたりすることができる。
光電変換半導体装置５０のＰ＋領域５３、５４、５５、５６の表面がグランド電位に固定されることにより、表側及び裏側表面近くのＰ＋Ｐ濃度勾配により生じる濃度勾配型バリア電界領域とＰＮ接合型バリア電界領域の全域の電位が固定されるので、光電変換半導体装置５０の周囲でサージ等の外乱が生じても、バリア電界領域のいずれの場所の電界も外乱の影響を受けたり、Ｎ＋領域５７、５８に蓄積した光電子がＮ領域５１の側に戻ったりすることもなく、安定した光電変換動作を維持できる。
またＰ＋領域５３、５４、５５、５６の表面がグランド電位に固定されることで、Ｐ＋領域５３の表側のごく表面近くと、５４、５５、５６の裏側のごく表面近くの電界が零となり、この結果、Ｐ＋領域５３、５４、５５、５６のごく表面近くで熱エネルギーを吸収して伝導帯に上がった電子がその場で直ちに空孔と再結合するので、表面暗電流となって電荷電荷蓄積用の外部容量３０を放電させてしまう恐れが少なくなり、変換効率の一層の向上を図ることができる。