DE4005835A1

DE4005835A1 - Halbleitervorrichtung mit uebereinandergeschichteten fotoelektrischen wandlern

Info

Publication number: DE4005835A1
Application number: DE4005835A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hayashi; Shigeaki Tomonari; Jun Sakai; Keizi Kakite
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1990-08-30
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: DE4005835C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, in welcher dünne Halbleiterschichten auftreffendes Licht fotoelektrisch umwandeln und so elektrische Energie erzeugen.

Solche Halbleitervorrichtungen können auch in optischen Steuer kreisen oder ähnlichen effizient verwendet werden.

Bisher wurden verschiedene Typen von Halbleitervorrichtungen der in Rede stehenden Art vorgeschlagen, welche in Verbindung mit optischen Steuerkreisen anwendbar sein sollen.

Beispielsweise haben die Erfinder dieser Vorrichtung schon in der früheren US-Patentanmeldung 2 47 081 (entsprechend der bri tischen Anmeldung 88 22 067 und der deutschen Anmeldung P 38 32 463.6) eine Schaltvorrichtung vorgeschlagen, welche eine Halb leitervorrichtung aufweist, welche als eine Anordnung fotoel ektrischer Wandler ausgebildet ist und mit dem Gate eines Feldeffekttransistors (im folgenden als "FET" bezeichnet) oder einem ähnlichen Schaltelement verbunden sind. Diese Schaltvor richtung enthält auch ein lichtemittierendes Element, dessen ausgesandtes Licht auf die Anordnung der fotoelektrischen Wandler gelangt und elektrische Energie erzeugt, und der FET oder ein ähnliches Element wird durch diese elektrische Ener gie zur Durchführung einer Schaltoperation veranlaßt. Damit in diesem Fall der FET oder dergleichen als spannungsgesteuertes Element betrieben werden kann, wird normalerweise eine Viel zahl von in Reihe geschalteten fotoelektrischen Wandlern benö tigt, um eine Spannung oberhalb eines Schwellenwerts für die Spannung zwischen dem Source und dem Gate des FET zu erzeugen. Zur Reihenschaltung dieser fotoelektrischen Wandler erhalten diese zuerst jeweils eine separate Inselform und werden dann miteinander durch einen dünnen, leitenden Film verbunden. Durch die Anordnung dieser früheren Erfindung werden verschie dene Vorteile erzielt; so kann die Schaltvorrichtung preiswer ter und mit einem höheren Gebrauchswert hergestellt werden als mit der früheren Praxis, die fotoelektrischen Wandler auf je weils voneinander getrennten Inseln eines dielektrischen, iso lierenden Trägermaterials auszubilden, denn die Anordnung der fotoelektrischen Wandler kann direkt auf einem Trägermaterial ausgebildet werden, auf welchem auch die FET′s und ähnliche Elemente gebildet werden, so daß die Einrichtung in einem ein zelnen Chip untergebracht werden kann.

In der US-PS 44 00 221 wird eine Anordnung beschrieben, in welcher eine Solarbatterie mit einer lichtemittierenden Diode als Lichtquelle eine fotovoltaische Kraft erzeugt. Ferner wird in der US-PS 43 20 247 eine Halbleitervorrichtung mit einer Aufeinanderschichtung von sieben pn-Schichten vorgeschlagen.

Bei den Halbleitervorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art besteht andererseits eine Tendenz, daß eine dickere Halb leiterschicht im allgemeinen eine genügende Lichtabsorption bewirkt, aber eine unzureichende Sammlung der Ladungsträger, und daß andererseits eine dünnere Halbleiterschicht eine aus reichende Sammlung der Ladungsträger, aber eine unzureichende Lichtabsorption bewirkt. Der englischsprachige Fachausdruck für die Wegstrecke, über welche fotoinduzierte Ladungsträger noch zum Rand der Halbleiterschicht gelangen und dort einge sammelt und abgeleitet werden können, ist "carrier collecting lengh" und wird im folgenden als Ladungsträger-Sammelstrecke bezeichnet. Je dünner die Halbleiterschicht ist, desto größer ist die Ansprechempfindlichkeit, d.h. die Wahrscheinlichkeit, daß ein erzeugter Ladungsträger auch eingesammelt wird, desto geringer ist aber auch der Wirkungsgrad, da weniger fotoindu zierte Ladungsträger entstehen. Es ist zu fordern, die An sprechempfindlichkeit der Halbleitervorrichtung optimal auf die Wellenlänge des emittierten Lichts abzustimmen, um einen hohen Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwandlung zu erzie len. Bisher konnte diese Forderung nicht erfolgreich erfüllt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, deren Ansprechempfindlichkeit optimal auf die Wel lenlänge des auf die Vorrichtung treffenden Lichtes abgestimmt ist, um einen hohen Wirkungsgrad der fotoelektrischen Umwand lung zu erzielen, wobei jedoch die weitere Ausgestaltung der Vorrichtung weitgehend frei sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halblei tervorrichtung mit übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandlern, welche jeweils eine dünne Halbleiterschicht tragen zur Durchführung einer fotoelektrischen Umwandlung und zur Er zeugung von elektrischer Energie, wobei für die dünne Halblei terschicht eine Beziehung L≦1/α(g) gilt, wenn λ die Wellenlän ge des auftreffenden Lichts, α(λ) der Absorptionskoeffizient der dünnen Halbleiterschicht für Licht der Wellenlänge g und L die Ladungsträger-Sammellänge ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf dle Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Halbleitervorrichtung;

Fig. 2 ist eine Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrich nach Fig. 1;

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht der dünnen Halbleiter schicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 5 zeigt als Diagramm die Lichtabsorption der fotoelek trischen Wandler der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 6 zeigt als Diagramm die Lichtabsorption der fotoelek trischen Wandler mit neun übereinanderliegenden Schichten der Vorrichtung nach Fig. 13;

Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine Schaltvorrichtung, bei wel cher eine Halbleitervorrichtung in einer anderen Aus führungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 8 ist ein Schaltplan der Schaltvorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9 zeigt in Querschnitt eine Schaltvorrichtung mit einer anderen Schaltung zusammen mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;

Fig. 10 zeigt im Querschnitt eine dreilagige Tandemzelle als einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung;

Fig. 11 und 12 zeigen als Diagramme Eigenschaften der Zelle nach Fig. 10 im Vergleich zu denen einer einlagigen Zelle;

Fig. 13 zeigt im Querschnitt eine weitere Ausführungsform ei ner neunlagigen Tandemzelle der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung; und

Fig. 14 zeigt als Diagramm eine Eigenschaft der Zelle nach Fig. 13 im Vergleich zu der einer einlagigen Zelle.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halb leitervorrichtung oder eines lichtabsorbierenden Elements 10, welches durch Übereinanderschichtung von zwei oder mehr Lagen (in der Zeichnung sind drei Lagen gezeigt) von fotoelektri schen Wandlern gebildet wird. Für jede dünne Halbleiterschicht gilt eine Beziehung L≦1/a(λ). Dabei bezeichnet L die Ladungs träger-Sammelstrecke, λ die Wellenlänge des auftreffenden Lichts und α(λ) den Absorptionskoeffizienten der dünnen Halbleiter schicht für die Lichtwellenlänge λ. Die fotoelektrischen Wand ler sind zweckmäßig in mehr als 1/[α(λ)L] Lagen übereinander geschichtet.

Genauer ist in der Halbleitervorrichtung 10 zunächst ein elek trisch leitender dünner Film 20 vorzugsweise aus Ni-Cr, Al oder ähnlichem auf einer Oberfläche eines isolierenden Sub strats 12 ausgebildet, und darüber sind die fotoelektrischen Wandler D 1, D 1 a, D 1 b, ... aus amorphem Silicium übereinander geschichtet, für welche die Beziehung L≦1/α(λ) gilt. Eine halbleitende Schicht 21 eines ersten Leitungstyps (beispiels weise p) und eine halbleitende Schicht 22 (beispielsweise ein Eigenhalbleiter) mit relativ geringer Konzentration von va lenzbestimmenden Verunreinigungen bilden eine halbleitende dünne Schicht, welche die fotoelektrische Wandlung durchführt, und eine halbleitende Schicht 23 eines zweiten Leitungstyps (beispielsweise n) ist über die zuerst beschriebenen geschich tet, wodurch der erste fotoelektrische Wandler D 1 gebildet wird. Über dem ersten Wandler D 1 ist der zweite fotoelektri sche Wandler D 1 a ausgebildet, und zwar mit den gleichen halb leitenden Schichten und der gleichen Schichtung wie bei dem ersten Wandler D 1, und über dem zweiten Wandler D 1 a ist der dritte fotoelektrische Wandler D 1 b ausgebildet, und zwar mit den gleichen halbleitenden Lagen und der gleichen Schichtung wie bei den ersten beiden Wandlern D 1 und D 1 a. Durch Wiederho lung der Schichtung in gleicher Weise kann jede gewünschte An zahl an fotoelektrischen Wandlern hergestellt werden, wobei die gezeigte Vorrichtung zur Vereinfachung nur drei fotoelek trische Wandler enthält. Auf die Oberfläche des obersten foto elektrischen Wandlers wird ein lichtdurchlässiger, leitender, dünner Film 24 aus beispielsweise In₂O₃ aufgebracht, womit das lichtabsorbierende Element 10 fertig ist. Das Material der Halbleiterschichten des ersten Leitungstyps 21, 21 a, 21 b ... und des zweiten Leitungstyps 23, 23 a, 23 b ... soll nicht spe ziell Licht der Wellenlänge λ absorbieren, sondern kann bei spielsweise aus amorphem SiC oder mikrokristallinem Silicium bestehen.

Zum Ansteuern eines spannungsgesteuerten Elements wie eines FET oder dergleichen als Schaltelement ist es notwendig, eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlern in Reihe zu schalten, um eine Spannung zu erhalten, welche die Schwellenspannung zwischen Source und Gate des FET übersteigt. Wenn die foto elektrischen Wandler herkömmlicher Vorrichtungen als separate Inseln ausgebildet und über einen leitenden, dünnen Film ver bunden werden, ergibt sich jedoch die Unzulänglichkeit, daß zwischen den jeweiligen Inseln ein toter Raum herrscht, in dem keine elektrische Energie erzeugt wird. Dieser freiliegende Bereich macht etwa 20% der zur Lichtaufnahme zur Verfügung stehenden Oberfläche aus, so daß sich der Wirkungsgrad der fo toelektrischen Umwandlung deutlich vermindert. Im Gegensatz dazu sind die fotoelektrischen Wandler D 1, D 1 a, D 1 b ... des erfindungsgemäßen, lichtabsorbierenden Elements 10 in einer Form angeordnet, in welcher die Wandler zwischen dem untersten und dem obersten, dünnen Leiterfilm 20 und 24 in Reihe ge schaltet sind. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Elemente 10 keinen merklichen toten Raum aufweisen, so daß der Wirkungs grad der fotoelektrischen Umwandlung deutlich verbessert wer den kann. Weil sich bei dieser Ausführungsform der oberste, leitende, dünne Film 24 über die Seitenflächen der jeweiligen fotoelektrischen Wandler D 1, D 1 a, D 1 b hinweg erstreckt und an seiner Innenseite direkten Kontakt mit ihnen hat, ergibt sich trotz des großen Schichtwiderstandes der dünnen Schichten 21, 22, 23, 21 a, 22 a, 23 a, 21 b, 22 b, 23 b ... ein kleiner Verlust durch die Parallelschaltung. Dieser ist jedoch für amorphe Schichten gering und verursacht keine elektrochemische Reak tion wie z.B. elektrolytische Korrosion, welche bei metallisch verbundenen konventionellen Schaltungen beobachtet wird, so daß sich die Zuverlässigkeit erhöht.

Es folgt eine weitere Erläuterung der zweckmäßigen Ausgestal tung der Struktur des lichtabsorbierenden Elements 10. Das auf das Element 10 auftreffende Licht, wird wie in Fig. 3 ge zeigt in Gänze durch den untersten, leitenden dünnen Film 20 reflektiert, wodurch das reflektierte Licht ebenfalls zur Energieerzeugung beiträgt, wie in Fig. 5 verdeutlicht. Die Lichtabsorption in einem Abstand x von der Oberfläche des Ele ments 10 ist gegeben durch

für das auftreffende Licht: Io(1-e^- ^αλ ^·x) und
für das reflektierte Licht: Io(e^-α(λ) ^(2d-x)-e^-2α(λ) ^{· d})

wobei Io die Intensität des auftreffenden Lichts und d die ge samte Dicke der zur fotoelektrischen Wandlung übereinanderge schichteten dünnen Schichten ist. In diesem Fall kann die Lichtabsorption der Halbleiterschichten des ersten und zweiten Leitungstyps als vernachlässigbar angenommen werden, weil ihre optische Dicke sehr klein gewählt ist.

In Fig. 4 ist die Anzahl der übereinandergeschichteten foto elektrischen Wandler mit n bezeichnet und eine aufsummierte Dicke der dünnen Halbleiterfilme von der obersten Fläche bis zum m-ten Element (m<n) mit Xm, wobei die zwischen der ober sten Fläche und der Unterseite von Xm absorbierte Lichtstärke Im sich ergibt zu

Im-Io(1-e^-α(λ) ^Xm) + Io[e^-α(λ) ^(2d-Xm)-e^-2α(λ) ^{· d}] (1) .

Damit wird in der gesamten Übereinanderschichtung der foto elektrischen Wandler D 1, D 1 a, D 1 b . . . eine Lichtstärke It ab sorbiert, welche gegeben ist durch

It = Io(1-e^-2α(λ) ^{· d}) (2) .

Wenn der in jedem fotoelektrischen Wandler absorbierte Anteil der Lichtstärke gleich gemacht wird, ergibt sich

Im = (m/n)It = (m/n)Io(1-e^-2α(λ) ^{· d}) (3) ;

und aus (1) und (3)

Io(1-e^-α(λ) ^Xm) + Io(e^-α(λ) ^(2d-Xm)-e^-2α(λ) ^{· d}) = (m/n)Io(1-e^-2α(λ) ^{· d}) (4) ;

und daraus eine Beziehung (dm = d-Xm)

d-Xm = [1/α(λ)sinh^-1[{1-(m/n)}sinh a(λ) · d] (5) .

Durch diese Formel (5) sind die Wellenlänge λ des auftreffen den Lichts, der Lichtabsorptionskoeffizient a(λ) des dünnen Halbleiterfilms, und die Zahl n der übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandler in ihrer Beziehung zueinander fest gelegt, und der erfindungsgemäße fotoelektrische Wandler kann geeignet gestaltet werden. Aus später beschriebenen konkreten Beispielen wird deutlich werden, daß die Dicke der jeweiligen, halbleitenden, dünnen Filme keinen wesentlichen Beitrag zu Formel (5) liefert, und eine Dickenvariation von etwa 10% keine merkliche Änderung der Eigenschaften ergibt. In diesem Fall soll die Dicke der dünnen Halbleiterschichten für die fotoelektrische Umwandlung vorzugsweise der Bedingung genügen, daß ihre Dicke geringer als die Ladungsträger-Sammelstrecke L ist. Speziell die dünne Halbleiterschicht, welche die foto elektrische Umwandlung in dem untersten Wandler durchführt, wird am dicksten und optimal bestimmt durch

d-X(n-1) (Schichtdicke des untersten photoelektrischen Wandlers) = {1/α(λ)}sinh^-1 {(1/n)sinh α(λ)·d} < L . (6)

Im folgenden wird spezieller auf den Aufbau des erfindungsge mäßen, lichtabsorbierenden Elements eingegangen, und zwar auf ein lichtabsorbierendes Element mit neun fotoelektrischen Wandlern, aus amorphem Silicium, welches mit Licht von einem LED mit einer Wellenlänge von beispielsweise 6600 Å bestrahlt wird. Fig. 6 zeigt graphisch die Lichtabsorption von neun übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandlern D 1- D 9, wo bei die Dicke der jeweiligen fotoelektrischen Wandler angege ben ist. Die gesamte Schichtdicke zur Lichtabsorption einer Wellenlänge von 6600 Å mit amorphem Silicium wird geeignet mit etwa 3 µm gewählt. Wenn die Schichtdicke eines herkömmlichen fotoelektrischen Wandlers aus gewöhnlichem amorphem Silicium etwa 6000 Å beträgt, wird durch diese Schicht eine Lichtstärke absorbiert, welche durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 6 wiedergegeben ist, welche nur ein Drittel von derjenigen be trägt, welche bei einer Schichtdicke von 3 µm erzielt und durch die durchgezogene Kurve in Fig. 6 wiedergegeben wird. In die sem Fall ist die Absorption in jeder Schicht gleich und A=B+B′=C+C′=D+D′=... .

Es hat sich hier gezeigt, daß die Lichtwellenlänge von 6600 Å fast vollständig innerhalb einer 3 µm dicken amorphen Schicht absorbiert werden kann, wenn die innere Reflexion des Lichts hinzu kommt. Die elektrische Energie wird mit besonders hohem Wirkungsgrad erzeugt, wenn die Schichtdicke der jeweiligen fotoelektrischen Wandler D 1- D 9 so gestaltet ist, daß die Ge samtdicke der Schicht aus amorphem Silicium von 3 µm in neun Teile geteilt ist, welche der obigen Formel (5) genügen, wobei die Dicke der jeweiligen fotoelektrischen Wandler in einem Be reich zwischen 3000-4000 Å variiert, womit etwa die halbe Dicke eines herkömmlichen Einzelelements dieser Bedingung ge nügt. Da die Schichtdicke der einzelnen fotoelektrischen Wandler somit vermindert ist, ist es möglich, die Vorrichtung bemerkenswert bezüglich der Verschlechterung des Wirkungsgra des der Umwandlung zu verbessern, welche mit einem kleinen Wert der Ladungsträger-Sammelstrecke (kleiner als 3 µm) einher geht, sowie die dem amorphen Silicium eigentümliche fotoindu zierte Entartung zu vermeiden. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kann also der fotoelektrische Wirkungsgrad der Um wandlung bemerkenswert verbessert werden, welcher in erster Linie bestimmt wird durch die Wellenlänge λ, den Lichtabsorp tionskoeffizienten α(λ) und die Ladungsträger-Sammelstrecke L.

Fig. 7 zeigt eine Schaltvorrichtung, in welcher das erfin dungsgemäße lichtabsorbierende Element als eine lichtabsorbie rende Zone eingesetzt wird, und ein entsprechender Schaltplan dieser Schaltvorrichtung ist in Fig. 8 gezeigt. Im einzelnen enthält die gezeigte Schaltvorrichtung das lichtabsorbierende Element 10′, einen FET T 1 als Schaltelement und einen Steuer kreis DR 1, welcher einen FET T 2 und erste und zweite Wider standselemente RA 11 und RA 12 enthält.

Das lichtabsorbierende Element 10′ dieser Ausführungsform ist als eine Übereinanderschichtung auf einem Halbleitersubstrat 30 ausgebildet und mit dem FET T 1 und dem Steuerkreis DR 1 ver sehen, wobei der Transistor T 1 die im folgenden beschriebene konkrete Struktur hat. Das Halbleitersubstrat 30 eines zweiten Leitungstyps hat eine Zone 30 a eines zweiten Leitungstyps mit geringerem Widerstand (z.B. n⁺), eine Zone 30 b eines zweiten Leitungstyps mit einem hohen Widerstand (z.B. n), und ein Ge biet mit einer Vielzahl von Schichten eines ersten Leitungs typs (z.B. p) 40, 40 a ... und 50, welche an einer Oberfläche der Zone mit hohem Widerstand 30 b gebildet und jeweils vonein ander getrennt sind. An der Oberfläche der jeweiligen p- Schichten 40, 40 a ... und 50 sind weiterhin teilweise Zonen eines zweiten Leitungstyps, n⁺-Schichten 41, 41 a ... ausgebil det, welche über einen ihrer in Fig. 7 nicht sichtbaren Teile miteinander verbunden sind.

An der Oberfläche des Halbleitersubstrats 30 mit den obigen jeweiligen Schichten sind Elektroden 45 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem über eine isolierenden Schicht 44 ausgebildet, so daß sich jede Elektrode 45 über zwei neben einanderliegende p-Schichten 40, 40 a ... und 50 erstreckt. Ei ne Vielzahl von FET′s T 1 eines zweifach diffundierten Typs werden mit den Elektroden 45 als inselförmigem Gate G gebil det, mit den n⁺-Schichten 41 als Source S, Teilen des n-lei tenden Halbleitersubstrats 30 um die jeweiligen p-Schichten 40, 40 a ... herum als Drain D und Teilen der Oberfläche der p- Schichten 40, 40 a ... und 50, welche zwischen den n⁺-Schichten 41 und dem n-leitenden Halbleitersubstrat 30 als kanalbildende Zonen ausgebildet sind. Auf der Oberseite der jeweiligen Elek troden 45 ist auch ein isolierender Film ausgebildet, welcher als Schutzfilm wirkt, sowie ein dünner leitender Film 46 aus Aluminium oder ähnlichem zwischen den jeweiligen FET′s T 1. Dieser dünne leitende Film 46 ist mit den jeweiligen n⁺-Schich ten 41, 41 a ... sowie mit den jeweiligen p-Schichten 40 in Kontakt und dient als Source-Elektrode. Die jeweiligen Elek troden 45 sind an Teilen miteinander verbunden, welche in der Querschnittszeichnung nicht sichtbar sind, und die Drain′s D der jeweiligen FET′s T 1, welche Teile des Halbleitersubstrats 30 sind, sind ebenfalls elektrisch miteinander verbunden, so daß die FET′s jeweils parallelgeschaltet sind.

Im folgenden wird der FET T 2 im Steuerkreis DR 1 beschrieben. An der Oberfläche der Zone mit hohem Widerstand 30 b des Halb leitersubstrats vom zweiten Leitungstyp 30 ist eine p-Schicht 50 vom ersten Leitungstyp vorgesehen, und n⁺-Schichten 51 und 52 vom zweiten Leitungstyp bilden innerhalb der p-Schicht 50 voneinander separate Zonen. Ferner ist das Halbleitersubstrat 30 mit den wie oben ausgebildeten jeweiligen Zonen mit einer Elektrode 54 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem oberhalb einer isolierenden Schicht 53 ausgebildet, so daß die Elektrode 54 frei über den n⁺-Schichten 51 und 52 steht. Ein Transistor als FET T 2 wird gebildet durch die Elektrode 54 als isoliertes Gate G, die n⁺-Schichten 51 und 52 als Source S bzw Drain D (in der Zeichnung ist die n⁺-Schicht 52 als Source und die andere n⁺-Schicht 51 als Drain ausgebildet), und ein Ober flächenteil der p-Schicht zwischen den beiden n⁺-Schichten 51 und 52 als kanalbildende Zone.

Während in der oben beschriebenen Struktur der Transistor T 2 gemeinsam mit dem Transistor T 1 in der Zone 50 vom ersten Lei tungstyp ausgebildet ist, kann der Transistor T 2 auch in einer anderen Zone vom ersten Leitungstyp ausgebildet sein, welche von der Zone 50 getrennt ist. Ferner können die Elemente für den Steuerkreis auch durch Verwendung einer Zone eines zweiten Leitungstyps innerhalb der Zone des ersten Leitungstyps ausge bildet sein. Ferner hat der Transistor T 2 vorzugsweise eine geringere Schwellenspannung als der Transistor T 1.

Das erste Widerstandselement RA 11 hat die gleiche Struktur wie der Transistor T 2. Eine p-Schicht 60 als Zone vom ersten Lei tungstyp ist in der Oberfläche des Halbleitersubstrats 30 vom zweiten Leitungstyp ausgebildet, und n⁺-Schichten 61 und 62 als Zonen vom zweiten Leitungstyp sind voneinander getrennt in der Oberfläche der p-Schicht 60 ausgebildet. Auf einer isolie renden Schicht 63 sitzt eine Elektrode 64 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem und erstreckt sich auf der isolieren den Schicht 63. über beide n⁺-Schichten 61 und 62. Das erste Widerstandselement RA 11 ist ein nichtlinearer Typ mit verbes serten Eigenschaften und wird gebildet aus der Elektrode 64 als Gate G, der n⁺-Schicht 62 als Drain D und der anderen n⁺- Schicht 61 als Source S, wobei Drain und Gate miteinander über eine leitende Schicht 65 aus Aluminium oder ähnlichem, wie ge zeigt, verbunden sind. Das zweite Widerstandselement RA 12 hat eine ähnliche Struktur, wie auch der Transistor T 2. Eine p- Schicht 70 als Zone vom ersten Leitungstyp ist in dem Halblei tersubstrat 30 vom zweiten Leitungstyp ausgebildet, und n⁺- Schichten 71 und 72 als Zonen vom zweiten Leitungstyp sind voneinander getrennt in der p-Schicht 70 ausgebildet. Ferner ist eine dünne n-Schicht 73 so gebildet, das sie sich zwischen den voneinander getrennten n⁺-Schichten 71 und 72 erstreckt und mit ihnen einen normalerweise durchgeschalteten (verarm ten) Typ bildet. An der Oberfläche einer isolierenden Schicht 74 ist eine Elektrode 75 aus polykristallinem Silicium oder ähnlichem ausgebildet, welche sich über beide n⁺-Schichten 71 und 72 und über der isolierenden Schicht 74 erstreckt. Das zweite Widerstandselement RA 12 wird bei hohem Widerstand be trieben und ist mit der Elektrode 75 als Gate G versehen, der n⁺-Schicht 72 als Drain D und der n⁺-Schicht 71 als Source S, wobei Gate und Source über eine leitende Schicht 76 aus Alu minium oder ähnlichem, wie in der Zeichnung gezeigt, miteinan der verbunden sind. Nach Fig. 8 können die p-Schichten 60 und 70 ferner über einen Widerstand mit dem Source des Transistors T 1 verbunden sein, um das statische Potential zu stabilisieren.

Zusätzlich ist das lichtaufnehmende Element 10′ auf dem Halb leitersubstrat 30 mit einer dazwischengelegten isolierenden Schicht 33 ausgebildet. Eine leitende, dünne Schichtelektrode 310 besteht aus Ni-Cr oder ähnlichem und befindet sich auf der isolierenden Schicht 33. Der erste fotoelektrische Wandler D 1 wird dadurch gebildet, daß eine halbleitende Schicht 320 eines ersten Leitungstyps (z.B. p) darübergeschichtet wird, welche aus amorphem Silicium oder ähnlichem besteht, wobei die Halbleiterschicht 330 (für die fotoelektrische Umwandlung) ei ne geringe Konzentration von die Valenz beeinflussenden Verun reinigungen aufweist, sowie eine halbleitende Schicht 340 ei nes zweiten Leitungstyp (z.B. n). Darüber kommt eine benötigte Anzahl von fotoelektrischen Wandlern D 2, D 3 ..., welche in der Richtung der Dickenausdehnung der Vorrichtung aufeinander folgend aufgeschichtet sind, und eine durchsichtige leitende Elektrode 350 aus In₂O₃ oder ähnlichem auf dem obersten foto elektrischen Wandler, womit das lichtaufnehmende Element 10′ fertig ist. Die jeweils so gebildeten Elemente sind miteinan der mittels dünner leitender Filme aus Ni-Cr, Aluminium oder ähnlichem verbunden, während die Verbindung zwischen dem lichtabsorbierenden Element 10′ und den anderen Elementen durch Entfernen entsprechender Teile der isolierenden Schicht 33 mittels Ätzen oder ähnlichem hergestellt wird.

Wie in Fig. 9 gezeigt, kann das lichtaufnehmende Element 10′ ferner über einem Halbleitersubstrat 30′ aufgeschichtet sein, welches nicht mit dem Transistor T 1, sondern nur mit dem Steuerkreis DR 1 versehen ist, d.h. dem Transistor T 2 und den beiden Widerstandselementen RA 11 und RA 12. In der Anordnung nach Fig. 9 sind gleiche Bestandteile wie in der Ausführungs form nach Fig. 7 mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und an dere Anordnungen und Betriebsweisen als die oben genannten sind die gleichen wie in der Ausführungsform nach Fig. 7.

Während in den Ausführungsformen nach Fig. 7 und 9 der be trachtete Transistor T 2 ein normalerweise ausgeschalteter Typ ist, kann er auch ein normalerweise durchgeschalteter Typ sein. Im Unterschied zu den vorstehenden Ausführungen ist auch eine Anordnung möglich, in welcher das lichtaufnehmende Ele ment und die Schaltvorrichtung voneinandergetrennt, aber ein stückig ausgebildet sind.

Die Schaltvorrichtung nach den Ausführungsformen nach den Fig. 7 und 9 ist von einem Typ, bei welchem das Schaltelement bei Lichteinfall in den leitenden Zustand gelangt, und beim Ende des Lichteinfalls in den nichtleitenden Zustand.

Fig. 10 zeigt eine Anordnung, in welcher die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung als dreilagige Tandemzelle verwirklicht ist, in welcher ein erster Satz von Schichten auf einer lei tenden dünnen Schicht 120 z.B. aus Ni-Cr gebildet ist und zwar durch Übereinanderschichten einer ersten Schicht 121 ei nes ersten Leitungstyps (z.B. p), einer zweiten halbleitenden Schicht 122 (z.B. eigenleitend) für die fotoelektrische Um wandlung und einer Schicht 123 eines entgegengesetzten Lei tungstyps (z.B. n), welche in der Figur dargestellt und deren jeweilige Dicken angegeben sind. Der zweite und dritte Satz von Schichten werden über der ersten Schicht in gleicher Weise durch Aufeinanderschichten zweier Sätze entsprechender halb leitender Schichten 121 a, 122 a und 123 a; 121 b, 122 b und 123 b gebildet, und ein lichtdurchlässiger leitender dünner Film 124 aus In₂O₃ bedeckt die Oberfläche der dritten Schicht, womit die Tandemzelle fertig ist.

Diese erfindungsgemäße dreilagige Tandemzelle wird einer Mes sung des Fotostroms bzw. der Fotospannung bei Einfall von ro tem Licht einer LED im Vergleich zu einer konventionellen ein lagigen Zelle unterworfen, und das Ergebnis ist in Fig. 11 dargestellt. Der Fotostrom der dreilagigen Tandemzelle TL ist gegenüber der einlagigen Zelle SL um mehr als 20% verbessert. Ähnlich wird die Zelle einer Messung der fotoinduzierten Ent artung unterworfen. Während sich die einlagige Zelle bei fort gesetzter Bestrahlung mit rotem LED Licht über 1000 Stunden im Ausgangsstrom um etwa 20% verschlechtert, zeigt die dreilagi ge Tandemzelle keine Entartung und hält während der gesamten Meßzeit einen gleichmäßigen Ausgangsstrom, wie in Fig. 12 ge zeigt.

Fig. 13 zeigt ferner eine weitere Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit einer neunlagigen Zelle vom Tandemtyp, in welcher ein lichtdurchlässiger und elek trisch leitender dünner Film 210 aus SnO₂ auf einem durchsich tigen und elektrisch isolierenden Substrat 200 ausgebildet ist, welches z.B. aus Glas oder ähnlichem besteht. Eine erste Tandemschicht entsteht auf dem dünnen Film 210 durch fortge setztes Übereinanderschichten einer Schicht 220 a eines ersten Leitungstyps (z.B. p) aus einem Material mit geringer Lichtab sorption wie SiC oder ähnlichem, einer Halbleiterschicht (z.B. eigenleitend) für die fotoelektrische Umwandlung, und einer Schicht 222 a eines entgegengesetzten Leitungstyps (z.B. n), deren Dicken in der Zeichnung angegeben sind. Über diesen er sten Satz Schichten ist eine Zwischenschicht 230 a eines er sten Leitungstyps (z.B. p) mit einer in der Zeichnung angege benen Dicke gelegt, und danach acht Sätze entsprechender Halbleiterschichten 220 b, 221 b und 222 b; 220 c, 221 c und 222 c; .... 220 i, 221 i und 222 i entsprechend der drei Schichten der vorhergehenden Lage, jeweils mit einer weiteren Zwischenschicht vom ersten Leitungstyps 230 b, 230 c, ... 230 h. Auf der neunten Tandemschicht mit den Halbleiterschichten 220 i, 221 i und 222 i liegt als oberstes schließlich ein leitender, dünner Film 250 aus Ni, womit die neunlagige Tandemzelle fertig ist.

Die obige erfindungsgemäße neunlagige Tandemzelle wird eben falls einer Messung der Lichtabsorptionsrate bezüglich des ro ten Lichts einer LED unterworfen. Es zeigt sich, daß der Foto strom dieser neunlagigen Tandemzelle NL um mehr als 60% ge genüber einer einlagigen Tandemzelle SL verbessert ist, wie in Fig. 14 gezeigt, und es wird für möglich gehalten, diesen Fo tostrom noch weiter zu verbessern, wenn die Anordnung noch mehr optimiert wird.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit übereinandergeschichteten foto elektrischen Wandlern, welche jeweils eine dünne Halbleiter schicht tragen zur Durchführung einer fotoelektrischen Umwand lung und zur Erzeugung von elektrischer Energie, dadurch ge kennzeichnet, daß für die dünne Halbleiterschicht eine Bezie hung L≦1/α(λ) gilt, wenn λ die Wellenlänge des auftreffenden Lichts, α(λ) der Absorptionskoeffizient der dünnen Halbleiter schicht für Licht der Wellenlänge λ und L die Ladungsträger- Sammelstrecke ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandler die eine Beziehung L<d<nL gilt, wenn d die gesamte Dicke der dün nen Halbleiterschichten der übereinandergeschichteten foto elektrischen Wandler ist, und n die Anzahl der übereinanderge schichteten fotoelektrischen Wandler.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandler größer ist als 1/{α(λ)·L} .

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schichtdicke tm der dünnen Halbleiterschicht, welche die fotoelektrische Wandlung in der vom Lichteinfall aus ge zählten m-ten Schicht durchführt (1<m≦n), die Beziehung gilt tm≦L.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandler jeder in etwa die gleiche Lichtmenge absorbieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufsummierte Dicke der dünnen Halbleiterschichten, welche die fotoelektrische Wandlung durchführen, von der Seite des Lichteinfalls bis zum m-ten fotoelektrischen Wandler Xm be trägt und einer Bedingung genügt Xm = d-{1/α(λ)}sinh^-1 [{1-(m/n)} sinh α(λ)·d] .

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein lichtabsorbierendes Element für eine Schaltvorrichtung bildet, wobei das lichtabsorbierende Element elektrische Ener gie an die Elektroden eines Feldeffekttransistors liefert, welcher als Schaltelement der Schaltvorrichtung dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der übereinandergeschichteten fotoelektrischen Wandler dafür ausreicht, daß die erzeugte Ausgangsspannung ei ne Schwellenspannung des Feldeffekttransistors übersteigt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung einen Steuerkreis enthält, und daß die Vorrichtung auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat über einandergeschichtet ist, auf welchem auch der Steuerkreis aus gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat vorgesehen ist, auf welchem auch der Feldeffekttransistor ausgebildet ist.