JP2001059162A

JP2001059162A - レーザ蒸着法によるＳｉ薄膜の形成方法及びその薄膜を構成要素として含む光電変換素子

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Publication number: JP2001059162A
Application number: JP11236969A
Authority: JP
Inventors: Naoki Koide; 直城小出; Yuji Komatsu; 雄爾小松
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】光電変換効果を有する高品質な微粒子Ｓｉ薄
膜をレーザ蒸着法を用いて形成する。及び、非晶質Ｓｉ
薄膜を用いた光電変換素子よりも出力電圧が高く、光劣
化の少ないＳｉ薄膜系の光電変換素子を提供する。【解決手段】Ｓｉターゲットにパルスレーザ光を照射
して、基板上にＳｉ薄膜を堆積させるＳｉ薄膜の形成方
法において、不活性ガスを導入して基板上に微粒子Ｓｉ
薄膜層を形成する工程１と、不活性ガスの導入を停止し
て基板上にＳｉ薄膜層を形成する工程２を有し、工程１
と工程２を少なくとも一回ずつ以上繰り返すことで基板
上に製膜を行う。一回の工程１で形成される微粒子Ｓｉ
薄膜層の膜厚ｔ₁を５〜１００ｎｍに設定し、一回の工
程２で形成されるＳｉ薄膜層の膜厚ｔ₂がｔ₁の１〜２倍
であるような条件で成膜を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ蒸着法によ
りＳｉ薄膜を形成する方法、及びその薄膜を用いた光電
変換素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】埋蔵量も多く、環境汚染フリーなＳｉを
用い、省資源化が可能な薄膜系の光電変換素子材料とし
て、一般的に水素化非晶質Ｓｉが利用されている。この
非晶質Ｓｉは原子配列に長距離秩序のない構造を持って
おり、並進対称性が失われたために光学遷移過程におい
て運動量保存則を満たす必要がなく、結晶質Ｓｉに比べ
て光吸収係数が大きくなるという特徴がある。また、バ
ルク（結晶性）のＳｉに比べてバンドギャップが広いと
いう特徴も有している。すなわち、光吸収係数が大きい
ことから素子の薄膜化・省資源化が可能であり、原料コ
ストや製造コストを下げることができると同時に、広バ
ンドギャップ材料であることから高い出力電圧を得られ
るという利点を有している。しかし、上記非晶質Ｓｉに
は未結合手（ダングリングボンド）と呼ばれる不対電子
が存在し、少数キャリア特性等の半導体特性が結晶質Ｓ
ｉと比較して劣っている。また、非晶質Ｓｉを用いた光
電変換素子には光照射によって特性の劣化が起こる等の
問題が生じている。

【０００３】一方、粒径がナノメートルオーダーの微粒
子状Ｓｉからなる薄膜（以下、微粒子Ｓｉ薄膜と称す
る）は、非晶質Ｓｉからなる薄膜と同様に原子配列に長
距離秩序が存在しないため、結晶質Ｓｉに比べて光吸収
係数が大きくなるという特徴がある。また、バルクのＳ
ｉに比べてバンドギャップが広いという特徴も有してい
る。更には、微粒子Ｓｉの内部には未結合手は存在しな
い。従って、これを使用することにより、出力電圧が高
く、かつ光劣化のないＳｉ系光電変換素子が期待でき
る。

【０００４】このような微粒子Ｓｉ薄膜を作製する方法
として、レーザ蒸着法が挙げられる。次に、レーザ蒸着
法について説明する。一般に、レーザ蒸着法は、大きな
エネルギー密度をもったレーザ光を減圧下でターゲット
に照射し、ターゲットからその構成物（ターゲット種）
を蒸発させて、基板物質上にターゲット組成に近い組成
を有する薄膜を蒸着により形成する方法である。

【０００５】レーザ蒸着法は、成膜時の圧力、基板温
度、雰囲気、レーザ光のエネルギー密度等多くのパラメ
ータを独立に選択することが可能であること、薄膜の組
成の制御が容易であること、成膜速度が高いこと等の多
くの利点が挙げられる。また、非常にエネルギーの高い
パルスレーザ光を照射することにより、ターゲットから
放出されるターゲット種は高い運動エネルギーを持つこ
ととなり、比較的低い基板温度においても結晶性の高い
膜を得ることが可能である。更には、一切の電磁場を必
要としないので、ターゲット種中に荷電粒子が含まれて
いてもそれによる影響を受けることがない。従って、高
品質の薄膜を作製するのに適した方法であり、実際、こ
のような利点を有するレーザ蒸着法を利用して特性の優
れた酸化物超伝導薄膜や光電デバイスに応用可能な半導
体薄膜等を作製することが研究されている。

【０００６】特に、ＨｅやＡｒ等の不活性ガス雰囲気中
でレーザ蒸着を行うことにより、粒径がナノメートル
（１０^-9ｍ）オーダーの微粒子薄膜を形成する技術が、
特開平９−２７５０７５号公報、特開平１０−２１４９
９５号公報等に記載されている。また、Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ, Ｖｏｌ．８３
（１９９８），５４２７頁では、微粒子Ｓｉ薄膜を利用
したＥＬ発光デバイスの作製例が報告されている。

【０００７】微粒子Ｓｉ薄膜は、その量子閉じ込め効果
により、微粒子粒径の減少に伴いバルクのＳｉ（１．１
ｅＶ）に比べてバンドギャップが増大し、可視域（約
１．５〜３．０ｅＶ）にも達する。その結果、バルクの
Ｓｉでは実現できなかったＳｉによる室温可視発光が実
験室レベルで観測されており、今後、Ｓｉ薄膜系光電変
換素子等への応用も期待されている。

【０００８】一方、製膜中の不活性ガスを断続的に変化
させるという観点では、二酸化錫ウィスカーの形成方法
に関し、反応炉内で錫蒸気が存在する雰囲気中に不活性
ガスを断続的に送入することで、炉内の錫蒸気濃度を制
御し、二酸化錫ウィスカーの成長、収率を制御するとい
う技術が特開平５−１７１４５号公報に記載されてい
る。しかし、この技術ではウィスカーは高収率で得られ
るものの、同時にボイド（隙間）成分が多く含まれる膜
しか得ることはできない。レーザ蒸着法において、不活
性ガスを断続的に送入しながら薄膜を形成するという技
術は報告されていないが、一般的に不活性ガスを断続的
に送入しても膜中のボイド成分を少なくする効果はない
ものと考えられていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ蒸着法で
不活性ガスを導入して作製した微粒子Ｓｉ薄膜には、ボ
イド（隙間）成分が多く含まれ、吸収した電流が効率よ
く取り出せないという問題点があった。これは、ナノメ
ートルオーダーの微粒子が降り積もる形で薄膜が形成さ
れるために微粒子と微粒子の間に隙間が生じやすく、ボ
イド成分が多く含まれてしまうのが一因であった。従来
のレーザ蒸着法により形成された微粒子Ｓｉ薄膜の断面
の概念図を図３に示す。図中、１は基板、１００は微粒
子Ｓｉ、１０２はボイド成分を意味する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者等は、レ
ーザ蒸着法によりＳｉ薄膜を形成する方法において、不
活性ガスを断続的に送入すれば、広バンドギャップであ
りながらボイド成分の少ない高品質な微粒子Ｓｉ薄膜を
レーザ蒸着法を用いて形成することができることを見出
し、得られたその薄膜を用いることで、非晶質Ｓｉ薄膜
を用いた光電変換素子よりも出力電圧が高く、光劣化の
少ない光電変換素子が得られることを見出し本発明に至
った。

【００１１】かくして本発明によれば、Ｓｉターゲット
を用いたレーザ蒸着法による基板上へのＳｉ薄膜の形成
方法であって、Ｓｉ薄膜を、不活性ガスを導入しつつ微
粒子状Ｓｉからなる薄膜層を形成する工程１と、不活性
ガスを導入しないで非晶質Ｓｉからなる薄膜層を形成す
る工程２とを少なくとも一回ずつ行うことにより形成す
ることを特徴とするＳｉ薄膜の形成方法が提供される。
更に、本発明によれば、上記方法により形成されたＳｉ
薄膜を構成要素として含む光電変換素子が提供される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明によれば、Ｓｉターゲット
を用いたレーザ蒸着法による基板上へＳｉ薄膜を形成す
る工程が、不活性ガスを導入しつつ微粒子状Ｓｉからな
る薄膜層を形成する工程１と、不活性ガスを導入しない
で非晶質Ｓｉからなる薄膜層を形成する工程２の少なく
とも一回ずつからなる。この工程により得られるＳｉ薄
膜は、図１に示すように、工程１で形成された微粒子Ｓ
ｉ薄膜１００の隙間を、工程２で形成される緻密なＳｉ
膜１０１で埋めた構成を有している。従って、ボイド成
分が減少し、その結果電気伝導特性が改善される。

【００１３】これは、工程２により、緻密で、電気伝導
特性が微粒子Ｓｉ薄膜よりも高い非晶質Ｓｉ薄膜が形成
されるからである。その結果、量子サイズ効果によって
ワイドバンドギャップ化した微粒子Ｓｉ薄膜層内部にお
いて、吸収した電流を効率よく取り出すことが可能とな
る。ここで、工程１と工程２は、両工程を一組として、
それを少なくとも一回繰り返すことが好ましい。また、
両工程のうち、工程１から始めることが好ましい。更
に、両工程のうち、工程２で終了することが好ましい。

【００１４】上記工程１に使用することができる不活性
ガスとしては、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ等が挙げられ
る。この不活性ガスは、純度が高いことが好ましい。更
に、工程１は１〜１０Ｔｏｒｒ、工程２は１０^-11〜
０．０１Ｔｏｒｒの圧力下で行うことが好ましい。ここ
で、工程１で一回に形成される薄膜層は、５〜１００ｎ
ｍの膜厚（ｔ₁）を有することが好ましい。この範囲で
あれば、広バンドギャップでありながらよりボイド成分
の少ない高品質な微粒子Ｓｉ薄膜層の形成が可能であ
り、Ｓｉ薄膜の電気特性を更に改善させることができ
る。なお、微粒子Ｓｉ薄膜層中のボイド成分は膜厚の増
大に伴い増加する傾向がある。そのため、ｔ₁が１００
ｎｍを超えると、膜中のボイド成分が増大してしまい、
工程２において緻密なＳｉ薄膜を堆積させてもボイド成
分を埋め尽くすことが困難となる。従って、ｔ₁は１０
０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ｔ₁が薄すぎ
ると従来の非晶質Ｓｉ膜に対する微粒子Ｓｉ薄膜の利点
が現れにくくなる。そのため、ｔ₁は５ｎｍ以上である
ことが好ましい。より好ましいｔ₁は１０ｎｍ〜１００
ｎｍである。

【００１５】次に、工程２で一回に形成される薄膜層
は、工程１で一回に形成される薄膜層の１〜２倍の膜厚
（ｔ₂）を有することが好ましい。この範囲であれば、
非晶質Ｓｉよりも出力電圧が高く、効率よく光電流を取
り出すことができ、光劣化の少ない光電変換効果を有す
るＳｉ薄膜を形成することができる。なお、ｔ₂がｔ₁の
１倍未満であると、微粒子Ｓｉ薄膜層中のボイド成分を
十分に低減しづらくなり、効率よく光電流を取り出すこ
とが困難となる。一方、ｔ₂がｔ₁の２倍を超えると、工
程２で形成される非晶質Ｓｉ成分の膜中における割合が
増加し、光劣化をおこす割合が増大する恐れがある。工
程１と２は、所望する膜厚のＳｉ薄膜を得ることができ
るまで、繰り返される。ここで、一般的に光電変換素子
に使用されるＳｉ薄膜は、０．３〜１０μｍの膜厚を有
している。この場合、工程１と２を３〜１０００回繰り
返すことが好ましい。

【００１６】次に、本発明の形成方法に使用できる図２
のレーザ蒸着装置を参照しつつ、本発明の実施形態を説
明する。なお、以下の説明は、例示であり、種々の変更
が可能である。図２のレーザ蒸着装置は、レーザ発振部
７を備えている。このレーザ発振部７から発生されるレ
ーザ光３としては、エキシマレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザの高調波等を使用することが望ましく、より具体的に
は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎ
ｍ）を使用することができる。

【００１７】気密チャンバ４には、レーザ光導入窓１１
が設けられ、このレーザ光導入窓１１に近接してレーザ
発振部７から発振したレーザ光３を集光してチャンバ４
内に誘導する集光レンズ８が配置されている。気密チャ
ンバ４内には、基板１を保持する基板ホルダ５、ターゲ
ット２を保持するターゲットホルダ６及び真空排気ポン
プ９が設けられている。更に、チャンバ４内に雰囲気ガ
スを導入するための雰囲気ガス導入管１０の一端が開口
しており、内部の圧力及び雰囲気を任意に変更すること
が可能である。

【００１８】上記の基板ホルダ５は、基板１がレーザ光
３の光軸に対して平行な平面上に位置するように配置さ
れている。そして、この基板ホルダ５は、その内蔵した
モータ（図示せず）によって搭載した基板１をその表面
の成膜面内で回転可能、かつ、基板１の位置を回転軸方
向に対し垂直な方向に移動可能に設けられて、ターゲッ
ト２と基板１との間の距離を調節できるようになってい
る。例えば、最短で約１０ｍｍまで近づけることができ
る。更に、基板ホルダ５の内部には基板１を所定の温度
に加熱するためのヒータ（図示せず）が内蔵されてい
る。

【００１９】また、上記のターゲットホルダ６は、内蔵
したモータ（図示せず）によって搭載したターゲット２
をターゲット表面内で回転可能に設けられていて、レー
ザ光導入窓１１から入射したレーザ光３がターゲット２
に当たるように、入射するレーザ光３の光軸上の位置に
配置されている。よって、レーザ発振部７から発振した
レーザ光３は、ミラーを介することなく、直接に集光レ
ンズ８に誘導され、レーザ光導入窓１１を通して気密チ
ャンバ４内に入射してターゲット２上に集光されるよう
になっている。

【００２０】更に、気密チャンバ４には、ターゲットホ
ルダ６をターゲット２ともにレーザ光の光軸に沿って移
動可能とするためのターゲット駆動装置１２が取り付け
られている。この場合、ターゲット２がレーザ光３の光
軸上を移動すると、ターゲット２上に集光されたレーザ
光３の光径が変化してしまうので、これを防ぐために、
集光レンズ８に集光レンズ駆動装置１３が連設されてい
る。このレンズ駆動装置１３によって集光レンズ８がレ
ーザ光３の光軸方向及び光軸に垂直な方向にそれぞれ駆
動されるようになっている。

【００２１】１４は上記のターゲット駆動装置１３及び
集光レンズ駆動装置１２を連動させるための制御装置で
ある。この連動駆動装置１４は、単にターゲット２と集
光レンズ８との間を等距離に保って連動するだけの簡単
な装置であってもよいし、これよりも一層正確な制御を
必要とする場合は、コンピュータ等を用いた制御装置で
あってもよい。

【００２２】次に、上記構成のレーザ蒸着装置を用いた
レーザ蒸着方法について説明する。レーザ蒸着による成
膜に際しては、予め基板ホルダ５を上下動させてターゲ
ット２と基板１との間の距離を適切な値になるように設
定しておくことが好ましい。更に、雰囲気ガス導入管１
０から不活性ガス（例えば、高純度Ｈｅガス）を導入す
る。この際、弁の開閉、マスフローコントローラー（図
示せず）による不活性ガス流量の制御、及び真空排気ポ
ンプ９のコンダクタンス弁（図示せず）の調整を組み合
わせることにより、内部の圧力及び雰囲気を任意に適切
な値になるように設定しておくことが好ましい。

【００２３】レーザ発振部７からレーザ光３が発生し、
このレーザ光３が集光レンズ８を介して気密チャンバ４
内に誘導され、ターゲット２上に集光される。そして、
ターゲット２にレーザ光３を照射することにより発生さ
れるターゲット種は、基板１上に蒸着されて薄膜が形成
される。その際、均一な膜質の薄膜を得るために、基板
１及びターゲット２はそれぞれの回転軸を中心として回
転していることが好ましい。

【００２４】また、ターゲットホルダ６は、ターゲット
駆動装置１２によってレーザ光３の光軸に沿って水平移
動され、ターゲット２が基板１の広い範囲にわたって走
査される。このとき、集光レンズ８も集光レンズ駆動装
置１３によってターゲット２に連動するため、ターゲッ
ト２上でのレーザ光３の口径がターゲット２の移動位置
にかかわらず一定に保たれる。その結果、ターゲット２
上でのレーザ光３の入射エネルギー密度が常に一定にな
り、ターゲット２から発生するプルーム１６が安定する
こととなる。

【００２５】また、ターゲット２と基板１との間の距離
は、ターゲット２が水平移動しても変化せずに一定であ
るから、ターゲット２を基板１に十分に近づけた状態の
まま成膜が行え、プルームと基板１との距離も安定す
る。これにより、基板１上に、均一な膜質の薄膜を形成
することが可能である。

【００２６】上記Ｓｉ薄膜は、光電変換素子の構成要素
として使用することができる。光電変換素子の具体的な
構成は、Ｓｉ薄膜を要素として含みさえすれば、特に限
定されず公知の構成（例えば、ショットキー接合型、Ｐ
ＩＮ接合型）をいずれも使用することができる。具体的
には、第１導電型の基板の表面上に、上記方法で形成さ
れたＳｉ薄膜、基板の裏面に形成された裏面電極、Ｓｉ
薄膜上に形成された表面電極とから構成されている。こ
こで、基板とは例えばシリコン基板が挙げられる。第１
導電型とは、ｐ型又はｎ型を意味する。例えば、基板が
シリコン基板の場合、ｐ型を与える不純物としてはホウ
素が挙げられ、ｎ型を与える不純物としてはリンが挙げ
られる。

【００２７】また、裏面電極及び表面電極は、銀、マグ
ネシウム、インジウム、アルミニウム、金、白金、タン
グステン、モリブデン、タンタル、チタン、コバルト、
ニッケル、パラジウム等の金属や、その酸化物等から形
成することができる。なお、Ｓｉ薄膜には、所望に応じ
て、不純物を注入してｐ型又はｎ型の薄膜としてもよ
い。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の方法を用いた実施例につい
て、具体的に説明する。実施例１図２で示したレーザ蒸着装置を使用して、以下で説明す
る本発明の方法でＳｉ薄膜の形成を行った。ターゲット
２には、直径２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円板状のＳｉ単
結晶を使用し、基板１には直径１０ｃｍ、厚さ０.７ｍ
ｍの石英基板を使用した。レーザ光３とターゲット２の
法線のなす角θは４５°に設定した。基板１の表面温度
は室温、基板１とレーザ光３の光軸との間の距離を２０
ｍｍ、レーザ光３のエネルギーを４０ｍＪ／パルス、レ
ーザパルスレートを１０Ｈｚ、ターゲット２の回転速度
を２０ｒｐｍに設定した。また、ターゲット２、集光レ
ンズ８及び基板１の位置は固定とし、基板１の回転は行
わずに以下の条件で薄膜の形成を行った。

【００２９】まず、雰囲気ガス導入管１０から高純度Ｈ
ｅガスを導入した。マスフローコントローラー（図示せ
ず）によりＨｅガス流量を７０ｓｃｃｍに設定し、真空
排気ポンプ９のコンダクタンス弁を調整して、気密チャ
ンバ４内の圧力を１．０Ｔｏｒｒに調整した。この状態
でレーザ光３をターゲット２に照射、基板１上に膜厚１
０ｎｍの微粒子Ｓｉ薄膜層を形成した（以上が工程１で
ある。）。次に、工程１が終了すると同時にレーザ光３
の照射を停止し、雰囲気ガス導入管１０の弁を閉じた。
真空度が０．０１Ｔｏｒｒ以下に達したら、レーザ光３
を再びターゲット２に照射、基板１上に膜厚１０ｎｍの
Ｓｉ薄膜層を形成した（以上が工程２である。）。

【００３０】更に、工程２が終了すると同時に、レーザ
光３の照射を停止し、雰囲気ガス導入管１０の弁を開け
た。真空度が１．０Ｔｏｒｒで安定するのを待ち、レー
ザ光３を再びターゲット２に照射、基板１上に更に微粒
子Ｓｉ薄膜層を１０ｎｍ形成した（２度目の工程１であ
る。）。以下、上記のような工程１と工程２を各１００
回ずつ繰り返し、総膜厚２μｍのＳｉ薄膜を得た。

【００３１】得られたＳｉ薄膜について、分光エリプソ
メトリー測定による評価を行ったところ、光学ギャップ
は１．７ｅＶであり、有効媒質近似から膜中にはボイド
成分が存在しないことが確認できた。すなわち、広バン
ドギャップでありながらボイド成分の存在しない高品質
な微粒子Ｓｉ薄膜を形成することができた。

【００３２】実施例２以下で説明する本発明の方法でＳｉ薄膜の形成を行っ
た。実施例２で用いたレーザ蒸着装置は実施例１で使用
した装置と同一の装置であるので、詳細な説明は省略す
る。本実施例において、実施例１の成膜条件と異なる点
は、一回の工程１で形成される微粒子Ｓｉ薄膜層の膜厚
ｔ₁及び一回の工程２で形成されるＳｉ薄膜層の膜厚ｔ₂
を変更したことにある。また、繰り返し数Ｎは全体の膜
厚が２μｍで一定になるように設定した。具体的には、
実施例１ではｔ₁＝ｔ₂＝１０ｎｍ（Ｎ＝１００）であっ
たが、実施例２ではｔ₁＝ｔ₂＝５ｎｍ、５０ｎｍ、１０
０ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ、の５条件で成膜を行
った。得られた微粒子Ｓｉ薄膜について分光エリプソメ
トリー法による測定を行い、有効媒質近似を用いること
で膜中のボイド成分の評価を行ったところ、表１に示す
ような結果が得られた。

【００３３】

【表１】

【００３４】すなわち、ボイド成分に関しては、ｔ₁が
５〜１００ｎｍのときには十分に少ないが、１５０ｎｍ
以上になると急激に増大した。これは、工程１で形成さ
れる微粒子Ｓｉ薄膜層が厚くなればなるほど、ボイド成
分が生じやすくなるためと考えられる。

【００３５】実施例３次に、本発明のレーザ蒸着法による微粒子Ｓｉ薄膜を含
む光電変換素子の形成に関する実施例を説明する。光電
変換素子の基本構造としては、従来報告されている光電
変換素子構造のいずれを使用してもよい。実施例３で
は、ショットキー接合型の構造を採用した。なお、本実
施例で用いたレーザ蒸着装置は実施例１で使用した装置
と同一の装置である。

【００３６】まず、基板１には直径１０ｃｍ、厚さ０.
５ｍｍのｎ⁺型単結晶Ｓｉ基板を用意した。Ｓｉ基板の
裏面にＴｉ/Ａｇ電極を電子線蒸着法により形成し、Ｈ
Ｆ１０％水溶液で表面の自然酸化膜を除去した後、気密
チャンバ４内にセットした。以下は実施例１と同様にＳ
ｉ薄膜を形成した。次に、得られた薄膜の上部５ｍｍ角
の領域にＡｕを１００Å蒸着した。その結果、Ａｕ／微
粒子Ｓｉのショットキー接合素子が作製された。膜厚１
００Å程度のＡｕは３００〜１２００ｎｍの波長域で５
０％程度の透過率を持つため、このショットキー接合素
子に光を照射すれば、光は微粒子Ｓｉ内部へ到達する。
その結果、微粒子Ｓｉ内部で光吸収が起こり、光電変換
効果が観測できた。

【００３７】この光電変換素子の開放電圧は１．０８Ｖ
であり、通常の非晶質Ｓｉ光電変換素子の開放電圧（約
０．９Ｖ）よりも高い値が得られた。またＡＭ１．５の
光を１００時間照射し続けたときの短絡電流密度の劣化
率は５％であり、通常の非晶質Ｓｉ光電変換素子の短絡
電流密度の劣化率（１５％程度）に比べて高品質であっ
た。以上のように、本実施例により、従来の非晶質Ｓｉ
薄膜を利用した光電変換素子よりも出力電圧が高く、か
つ光劣化の少ない微粒子Ｓｉ薄膜を含む光電変換素子を
提供することができた。

【００３８】実施例４次に、本発明のレーザ蒸着法による微粒子Ｓｉ薄膜を含
む光電変換素子の形成に関する第２の実施例を説明す
る。この実施例４で用いたレーザ蒸着装置は実施例３で
使用した装置と同一の装置である。本実施例において、
実施例３の成膜条件と異なる点は、一回の工程２で形成
されるＳｉ薄膜層の膜厚ｔ₂を変更したことにある。な
お、実施例３ではｔ₂＝１０ｎｍであったが、実施例４
ではｔ₂＝５ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、す
なわち、ｔ₂／ｔ₁＝０．５、２、３、４の４条件で成膜
を行った。得られた光電変換素子について、ＡＭ１．５
の光を１００時間照射し続けたときの短絡電流密度の劣
化率を測定したところ、表２のような結果が得られた。

【００３９】

【表２】

【００４０】ｔ₂／ｔ₁＝０．５で作製した光電変換素子
では、分光エリプソメーター測定により有効媒質近似か
ら求めた膜中のボイド成分が４０％に達し、光電流を取
り出すことができなかった。一方、ｔ₂／ｔ₁＝２で作製
した光電変換素子では、ｔ₂／ｔ₁＝１の実施例３とほぼ
同様の低い光劣化率が得らた。しかし、ｔ₂／ｔ₁＝３、
４として作製した光電変換素子では、光劣化率は通常の
非晶質Ｓｉと同程度の１４％、１５％に達していた。

【００４１】以上の結果から、工程２で形成されるＳｉ
薄膜層の膜厚ｔ₂が工程１で形成される微粒子Ｓｉ薄膜
層の膜厚ｔ₁の１〜２倍であるとき、より光劣化の少な
い微粒子Ｓｉ薄膜を含む光電変換素子を得られることが
分かった。すなわち、ｔ₂がｔ₁の１倍未満であると、微
粒子Ｓｉ薄膜層中のボイド成分を十分に低減することが
できず、効率よく光電流を取り出すことが困難となり好
ましくない。一方、ｔ₂がｔ₁の２倍を超えると、工程２
で形成される非晶質Ｓｉ成分の膜中における割合が増加
し、光劣化をおこす割合が増大してしまうので好ましく
ない。ｔ₂がｔ₁の１〜２倍であれば、効率よく光電流を
取り出し、かつ光劣化を抑えることが可能であることが
分かった。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、次の効果を奏する。（１）工程１で形成された微粒子Ｓｉ薄膜層の隙間を、
工程２で形成された非晶質Ｓｉ薄膜で埋めることが可能
であり、ボイド成分を減少することができる。よって、
電気伝導特性を改善することができる。その結果、量子
サイズ効果によってワイドバンドギャップ化した微粒子
Ｓｉ薄膜層内部において、吸収した電流を効率よく取り
出せないという問題を解消することができる。（２）広バンドギャップでありながらボイド成分の少な
い高品質な微粒子Ｓｉ薄膜層の形成が可能であり、Ｓｉ
薄膜の電気特性を改善させることができる。（３）非晶質Ｓｉを用いた光電変換素子よりも出力電圧
が高く、光劣化の少ない光電変換効果を有するＳｉ薄膜
を形成することができる。（４）非晶質Ｓｉを用いた光電変換素子よりも出力電圧
が高く、光劣化の少ないＳｉ薄膜系の光電変換素子を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ蒸着法で形成されるＳｉ薄膜の
概念図である。

【図２】本発明の実施形態に係るレーザ蒸着装置の構成
図である。

【図３】従来のレーザ蒸着法で形成されたボイド成分を
含む微粒子Ｓｉ薄膜の概念図である。

【符号の説明】

１基板２ターゲット３レーザ光４気密チャンバ５基板ホルダ６ターゲットホルダ７レーザ発振部８集光レンズ９真空排気ポンプ１０雰囲気ガス導入管１１レーザ光導入窓１２ターゲット駆動装置１３集光レンズ駆動装置１４制御装置１６プルーム１００微粒子Ｓｉ薄膜１０１非晶質Ｓｉ薄膜１０２ボイド成分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K029 BA35 BB02 BB10 BC07 BD00 CA01 DB02 DB20 EA01 5F051 AA04 AA05 CA12 CA34 5F103 AA01 BB23 DD16 GG02 GG03 LL04 NN06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉターゲットを用いたレーザ蒸着法に
よる基板上へのＳｉ薄膜の形成方法であって、Ｓｉ薄膜
を、不活性ガスを導入しつつ微粒子状Ｓｉからなる薄膜
層を形成する工程１と、不活性ガスを導入しないで非晶
質Ｓｉからなる薄膜層を形成する工程２とを少なくとも
一回ずつ行うことにより形成することを特徴とするＳｉ
薄膜の形成方法。
【請求項２】工程１で一回に形成される薄膜層が、５
〜１００ｎｍの膜厚を有する請求項１に記載の形成方
法。
【請求項３】工程２で一回に形成される薄膜層が、工
程１で一回に形成される薄膜層の１〜２倍の膜厚を有す
る請求項１又は２に記載の形成方法。
【請求項４】Ｓｉ薄膜が、０．３〜１０μｍの厚さを
有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の形成方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１つに記載の方
法により形成されたＳｉ薄膜を構成要素として含む光電
変換素子。