JP2004210635A - Amorphous optical semiconductor, manufacturing method of the same and optical semiconductor device - Google Patents

Amorphous optical semiconductor, manufacturing method of the same and optical semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an amorphous optical semiconductor having excellent photoconductive characteristic, high speed response, environment resistant characteristic and high temperature resistance, a method of manufacturing the same and an optical semiconductor device using the amorphous optical conductor. <P>SOLUTION: The amorphous semiconductor which contains hydrogen and in which the ratio of the total number of group III element atom to the number of nitrogen atom is (1:0.5)-(1:2). The amorphous optical semiconductor containing 1 to 50 atom% hydrogen, at least one or more elements of Al, Ga and In, nitrogen and ≤15 atom% each of oxygen and carbon is suitably used. The amorphous optical semiconductor contains further one or more element selected from C, Si, Ge and Sn or one or more elements selected from Be, Mg, Ca, Zn and Sr. The amorphous optical semiconductor is obtained by activating a compound containing nitrogen to be a required energy state or to form excited species and reacting the activated species with an organic metallic compound containing a group III element. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、非晶質光半導体及びその製造方法並びにこの非晶質光半導体を用いた光半導体素子に関するものである。   The present invention relates to an amorphous optical semiconductor, a method for manufacturing the same, and an optical semiconductor device using the amorphous optical semiconductor.

従来、非晶質の光半導体としては光電変換部材としてセレン、テルルなどの非晶質カルコゲナイド化合物が撮像管や受光素子や電子写真感光体などに広く用いられてきた(オーム社アモルファス半導体の基礎)。また近年では水素化アモルファスシリコンが太陽電池やイメージセンサー、Thin Film Transistor、電子写真感光体などに用いられてきた。   Conventionally, as an amorphous optical semiconductor, an amorphous chalcogenide compound such as selenium or tellurium has been widely used as a photoelectric conversion member in an image pickup tube, a light receiving element, an electrophotographic photosensitive member, and the like (the basics of Ohm's amorphous semiconductor). . In recent years, hydrogenated amorphous silicon has been used for solar cells, image sensors, thin film transistors, electrophotographic photosensitive members, and the like.

しかしながら、非晶質カルコゲナイド化合物は熱に対して不安定で結晶化が起こり易く使用できる条件が限られており、価電子制御ができないなどの欠点があった。また、水素化アモルファスシリコンでは価電子制御は可能でありpn接合や界面での電界効果などが実現でき、耐熱性も250℃程度まであるが、強い光により光導電性が劣化する現象により(Staebler,Wronski効果:応用物理ハンドブックなど)太陽電池の効率が使用中に低下する問題がある。また、水素化アモルファスシリコンのband gapは約1.7eVであり太陽光を有効に利用するためにGeやCを加えることによってband gapを小さくしたり広くすることはできるが、0.3eV程度の変化でも光導電特性が劣化し、広い範囲の光を有効に利用できないという問題があった。また、これらの元素から成る半導体は結晶も含めて間接遷移型であり、発光素子に用いることができず、用途が限られていた。   However, amorphous chalcogenide compounds are unstable with respect to heat, are easily crystallized, and have limited conditions under which they can be used. In addition, hydrogenated amorphous silicon can control valence electrons, realize an electric field effect at a pn junction or an interface, and has heat resistance up to about 250 ° C. However, strong light deteriorates photoconductivity (Staebller). , Wronski effect: Applied physics handbook) There is a problem that the efficiency of the solar cell is reduced during use. Also, the band gap of hydrogenated amorphous silicon is about 1.7 eV, and it is possible to reduce or widen the band gap by adding Ge or C to effectively use sunlight, but about 0.3 eV. Even with the change, the photoconductive characteristics deteriorate, and there is a problem that light in a wide range cannot be used effectively. In addition, semiconductors including these elements are indirect transition types including crystals, and cannot be used for light-emitting elements, and their applications are limited.

従来、III−V族化合物半導体の非晶質材料はIII−V族結晶の蒸着やスパッターによって、あるいはIII族金属を原子状としたものとV族元素を含む分子や活性分子との反応による成膜などがおこなわれていた(例えば、非特許文献1参照)。
また、III−V族化合物結晶膜はIII族金属を含む有機金属化合物とV族元素を含む化合物を用いて加熱した基板に作製されていた(有機金属CVD:MOCVD)。これらの方法を用い基板温度を、結晶作製する場合(600〜1000℃)よりも低い温度に設定することによって非結晶III−V族化合物が得られている。
Conventionally, an amorphous material of a group III-V compound semiconductor is formed by vapor deposition or sputtering of a group III-V crystal, or by a reaction between an atomized group III metal and a molecule containing a group V element or an active molecule. A film or the like has been performed (for example, see Non-Patent Document 1).
In addition, a group III-V compound crystal film is formed on a substrate heated using an organic metal compound containing a group III metal and a compound containing a group V element (organic metal CVD: MOCVD). A non-crystalline group III-V compound is obtained by using these methods and setting the substrate temperature to a temperature lower than that for producing crystals (600 to 1000 ° C.).

しかしながら、この場合有機金属からの炭素が膜中に残ったり膜中欠陥準位が多い等の問題により、非晶質III−V族化合物は光電材料としては機能できるものはなかった。一方、非晶質アモルファスシリコンは水素化されることによってバンド間の欠陥準位密度が低下し、価電子制御が可能なことが知られている。   However, in this case, there was no amorphous III-V compound that could function as a photoelectric material due to problems such as carbon from the organic metal remaining in the film and a large number of defect levels in the film. On the other hand, it is known that hydrogenation of amorphous amorphous silicon lowers the density of defect states between bands and enables valence electron control.

結晶III−V族化合物半導体の欠陥に対する水素の役割については多く調べられており、(1)結晶転位欠陥が改善されること(例えば、非特許文献2参照)、(2)表面酸化膜との界面欠陥が改善されること(例えば、非特許文献3参照)、(3)n+−p接合面が改善されること(例えば、非特許文献4参照)、(4)格子不整合による欠陥が改善されること(例えば、非特許文献5参照)、(5)結合欠陥をパッシベーションすることなどが分かっている。これらの水素の役割から結晶から非晶質にしたときの問題で結晶シリコンとアモルファスシリコンと同じ関係がIII−V族化合物半導体にも期待できる。   Many studies have been made on the role of hydrogen on defects in crystalline Group III-V compound semiconductors. (1) Improvement of crystal dislocation defects (for example, see Non-Patent Document 2), and (2) Improvement of interface defects (for example, see Non-Patent Document 3), (3) Improvement of n + -p junction surface (for example, see Non-Patent Document 4), and (4) Improvement of defects due to lattice mismatch (For example, see Non-Patent Document 5), and (5) passivation of coupling defects. Due to the role of hydrogen, the same relationship between crystalline silicon and amorphous silicon can be expected for III-V group compound semiconductors due to the problem of changing from crystalline to amorphous.

一方でIII−V族結晶半導体ではpn制御用のドーパントも同時にパッシベーションされ不活性化されることが知られている(例えば、非特許文献6参照)。さらにこのドーパントのパッシベーションによる不活性化はアニールによって活性化されることも分かっている。このように水素は欠陥のダングリングボントをパッシベーションするが、同時にpn制御用ドーパントを不活性化するため、非晶質膜の場合、膜の構成元素と組成及び膜中の水素の含有量と結合部位が重要である。   On the other hand, in a group III-V crystal semiconductor, it is known that a pn control dopant is simultaneously passivated and inactivated (for example, see Non-Patent Document 6). Further, it has been found that the passivation of the dopant by passivation is activated by annealing. As described above, hydrogen passivates a dangling bond of a defect, but at the same time, inactivates a pn control dopant. Therefore, in the case of an amorphous film, the hydrogen is combined with the constituent elements and composition of the film and the hydrogen content in the film. The site is important.

従来の非晶質III−V族化合物半導体の作製法では、原料に結晶を用いスパッターで作製する方法で、系に水素がない場合であった(例えば、非特許文献7参照)。   In a conventional method for producing an amorphous group III-V compound semiconductor, a method is employed in which a crystal is used as a raw material and sputtering is performed, and there is no hydrogen in the system (for example, see Non-Patent Document 7).

また、水素を含む非晶質III−V族化合物半導体に関しては、H2との反応性蒸着法で水素化a−GaPの光導電性がで報告され(例えば、非特許文献8参照)、また、水素化a−GaAsの光導電性がで報告されている(例えば、非特許文献9参照)。しかし、これらの半導体では、明暗抵抗比は2桁程度で小さく、また、半導体材料として実用上必要なpn制御ができていない。 In addition, regarding an amorphous III-V compound semiconductor containing hydrogen, the photoconductivity of hydrogenated a-GaP was reported by reactive evaporation with H 2 (for example, see Non-Patent Document 8). And the photoconductivity of hydrogenated a-GaAs is reported (for example, see Non-Patent Document 9). However, in these semiconductors, the light-dark resistance ratio is as small as about two digits, and pn control required for practical use as a semiconductor material cannot be performed.

また、低温成膜法としてIII族の原料として有機金属化合物を使用したプラズマCVD法によって非晶質の水素を含むGaPやあるいは微結晶質のGaNが得られているが光導電を示さないか絶縁性であった(例えば、非特許文献10参照)。また、プラズマCVD法によって作製した水素化非晶質GaAsについては10%程度の微小の光導電性しかなく実用上は程遠いものであり、有機金属化合物をIII族の原料とするため非晶質化するための低温領域では膜中から炭素の除去が問題であった(例えば、非特許文献11参照)。   As a low-temperature film formation method, GaP or amorphous GaN containing amorphous hydrogen is obtained by plasma CVD using an organometallic compound as a group III material, but does not show photoconductivity or is insulated. (For example, see Non-Patent Document 10). The hydrogenated amorphous GaAs produced by the plasma CVD method has only a very small photoconductivity of about 10%, which is far from practical use. In a low temperature region for removing carbon, removal of carbon from the film has been a problem (for example, see Non-Patent Document 11).

また、スパッタ法やCVD法や分子線エピタキシャル法あるいはプラズマCVD法などで形成されたアモルファスIII−V化合物半導体がアンチフューズメモリー材料としてSiより低融点の材料として提案されているが(例えば、特許文献1参照)、GaNやAlNは不適とされている。また光半導体としての性質については触れられていない。
H.Reuter,H.Schmitt,M.Boffgen,Thin Solid Films 254,94(1995) Y.Okada,S.Ohta,H.Shimomura,A.Kawabata and M.Kawabe,J.J.Appl.Phys.,32,L1556(1993) Y.Chang,W.Widdra,S.I.Yi,J.Merz,W.E.WeinBerg and E Hu,J.Vac.Sci.Tech.B12.2605(1994) S.Min,W.C.Choi,H.Y.Cho,M.Yamaguchi,Appl.Phys.Lett 64,1280(1994) B.Chatterjee,S.A.Ringel,R.Sieg,R.Hoffman and I.Weinberg,Appl.Phys.Lett 65,58(1994) S.J.Pearton,Material Sci.Forum,148−149,(1994)113−139 H.Reuter,H.Schmitt,M.BOffgen,Thin Solid Films254,94(1995) M.Onuki,T.Fujii and H.Kubota,J.non−Cryst,Solids,114,792(1989) V.Coscia,R.Murri,N.Pinto,L.Trojani,J.Non.Cryst.Solid,194(1996)103 J,Knight,and R.A.Lujan,J,Appl.Phys.,42.1291(1978) Y.Segui,F.Carrere and A.Bui,Thin Solid Films,92,303,(1982) 特開平6−295991号公報
Further, an amorphous III-V compound semiconductor formed by a sputtering method, a CVD method, a molecular beam epitaxy method, a plasma CVD method, or the like has been proposed as a material having a lower melting point than Si as an antifuse memory material. 1), GaN and AlN are not suitable. No mention is made of the properties as an optical semiconductor.
H. Reuter, H .; Schmitt, M .; Boffgen, Thin Solid Films 254, 94 (1995). Y. Okada, S.M. Ohta, H .; Shimomura, A .; Kawabata and M.S. Kawabe, J .; J. Appl. Phys. , 32, L1556 (1993) Y. Chang, W.C. Widra, S .; I. Yi, J. et al. Merz, W.C. E. FIG. Weinberg and E Hu, J. et al. Vac. Sci. Tech. B12.2605 (1994) S. Min, W.M. C. Choi, H .; Y. Cho, M .; Yamaguchi, Appl. Phys. Lett 64, 1280 (1994) B. Chatterjee, S .; A. Ringel, R.A. Sieg, R .; Hoffman and I. Weinberg, Appl. Phys. Lett 65, 58 (1994) S. J. Pearton, Material Sci. Forum, 148-149, (1994) 113-139. H. Reuter, H .; Schmitt, M .; Boffgen, Thin Solid Films 254, 94 (1995) M. Onuki, T .; Fujii and H.S. Kubota, J .; non-Cryst, Solids, 114, 792 (1989). V. Coscia, R .; Murri, N .; Pinto, L .; Trojani, J .; Non. Cryst. Solid, 194 (1996) 103 J, Knight, and R.J. A. Lujan, J, Appl. Phys. , 42.1291 (1978). Y. Segui, F .; Carrere and A. Bui, Thin Solid Films, 92, 303, (1982). JP-A-6-295991

本発明の第1の目的は、このような非晶質のIII−V族化合物半導体の欠点を改善しアモルファス半導体や結晶における水素の役割を生かし、広範囲の光学ギャップが自由に選べ、高解像度で優れた光導電特性と高速応答性かつ耐環境特性や耐高温を有し光学的に活性の大面積で安価な新しいオプトエレクトロニクス材料となりえる非晶質光半導体を提供することにある。
本発明の第2の目的は、上記の特性を有する非晶質光半導体を安全に製造でき、かつ、低コストで製造することができる非晶質光半導体の製造方法を提供することにある。
本発明の第3の目的は、上記の非晶質光半導体を有する光半導体素子を提供することにある。
A first object of the present invention is to improve the disadvantages of such an amorphous group III-V compound semiconductor, make use of the role of hydrogen in amorphous semiconductors and crystals, freely select a wide range of optical gaps, and achieve high resolution. An object of the present invention is to provide an amorphous optical semiconductor which has excellent photoconductive characteristics, high-speed response, environmental resistance characteristics and high temperature resistance, and can be used as an optically active large-area, inexpensive new optoelectronic material.
A second object of the present invention is to provide a method for manufacturing an amorphous optical semiconductor that can safely manufacture an amorphous optical semiconductor having the above-described characteristics and can be manufactured at low cost.
A third object of the present invention is to provide an optical semiconductor device having the above-mentioned amorphous optical semiconductor.

本発明は、非晶質III−V族化合物半導体として水素を含みIII−Vチッ化物とし、かつ従来の非晶質III−V化合物の光電子材料としての欠点を、炭素を低温で除去し、膜中の欠陥を水素で補償し、かつドーパントが活性化した状態で含まれるように改善した材料と製膜法を用いることによって完成された。   The present invention provides an amorphous III-V compound semiconductor containing hydrogen as a III-V nitride, and a disadvantage of the conventional amorphous III-V compound as an optoelectronic material. It was completed by using improved materials and deposition techniques to compensate for the defects therein with hydrogen and to include the dopants in an activated state.

すなわち、本発明は、
少なくともチッ素を含む化合物をエネルギー状態や励起種に活性化し、この活性種との反応によってGaあるいはGa及びInを含む有機金属化合物を分解及び/又は活性化し、活性水素を含むこれらの活性種を反応させることによってIII−V族化合物膜を作製するようにした。このようにすると、非晶質膜が成長できる低温でも有機金属から安定分子として有機基が分離し、膜中に取り込まれ、膜成長時に未結合手の欠陥が除去でき、さらに有機基より生成する活性水素あるいは別に加えられた水素及び水素化合物による活性水素が膜成長時に膜表面の炭素を除去する働きにより不純物を極微量まで低減できることを見いだし、本発明を完成するに至った。また、V族として、気体として存在するチッ素を選ぶことによって組成比が自由となる非晶質の場合にもストイキオメトリック状態を保ちやすくしたものである。
That is, the present invention
Activating a compound containing at least nitrogen to an energy state or an excited species, decomposing and / or activating an organic metal compound containing Ga or Ga and In by reacting with the active species, and converting these active species containing active hydrogen The reaction was performed to produce a group III-V compound film. In this way, even at a low temperature at which an amorphous film can be grown, the organic group is separated from the organic metal as a stable molecule at a low temperature, and is taken into the film. The inventors have found that active hydrogen or active hydrogen generated by hydrogen and a hydrogen compound added separately can reduce impurities to a trace amount by removing carbon on the film surface during film growth, and have completed the present invention. In addition, a stoichiometric state can be easily maintained even in the case of an amorphous material in which the composition ratio can be freely determined by selecting nitrogen present as a gas as a group V material.

本発明の非晶質光半導体は、水素を含み、Gaの原子数の総和あるいはGa及びInの原子数の総和とチッ素原子の原子数との比が1:0.5〜1:2であることを特徴とする非晶質光半導体である。
また、本発明の非晶質光半導体の製造方法は、チッ素を含む化合物を必要なエネルギー状態や励起種に活性化し、これらの活性種とGaあるいはGa及びInを含む有機金属化合物とを反応させることを特徴とする非晶質光半導体の製造方法である。
本発明の非晶質光半導体は、1原子%以上50原子%以下の水素と、GaあるいはGa及びInと、チッ素元素とを含み、酸素と炭素が各々15原子%以下であることが望ましく、さらに望ましくは、n型の制御用の元素として、C,Si,Ge,Snから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含み、あるいはp型の制御用元素として、Be,Mg,Ca,Zn,Srから選ばれた少なくとも1つ以上の元素を含むものが望ましい。
The amorphous optical semiconductor of the present invention contains hydrogen, and the ratio of the total number of Ga atoms or the total number of Ga and In atoms to the number of nitrogen atoms is 1: 0.5 to 1: 2. An amorphous optical semiconductor.
Further, the method for producing an amorphous optical semiconductor of the present invention activates a compound containing nitrogen to a required energy state or an excited species, and reacts these active species with an organometallic compound containing Ga or Ga and In. And a method of manufacturing an amorphous optical semiconductor.
The amorphous optical semiconductor of the present invention preferably contains 1 to 50 atomic% of hydrogen, Ga or Ga and In, and a nitrogen element, and each of oxygen and carbon is preferably 15 at% or less. More preferably, the n-type control element includes at least one element selected from C, Si, Ge, and Sn, or the p-type control element includes Be, Mg, Ca, Zn. And at least one element selected from Sr.

この非晶質光半導体の製造方法において、チッ素を含む化合物を必要なエネルギー状態や励起種に活性化する活性化手段としては、放電エネルギー、例えば、高周波放電及び/又はマイクロ波放電のエネルギーを利用することができる。GaあるいはGa及びIn、あるいはpn制御用の元素を含む気体状の原料は、それぞれの活性化手段の下流側から導入される。
光半導体素子は、上記の非晶質光半導体を光導電部材として用いたものか、あるいはp型非晶質光半導体及びn型非晶質光半導体の少なくともいずれかを備えている。
In this method for manufacturing an amorphous optical semiconductor, the activating means for activating the compound containing nitrogen to a required energy state or an excited species includes discharge energy, for example, high-frequency discharge and / or microwave discharge energy. Can be used. A gaseous raw material containing Ga or Ga and In or an element for controlling pn is introduced from the downstream side of each activating means.
The optical semiconductor element uses the above-described amorphous optical semiconductor as a photoconductive member, or includes at least one of a p-type amorphous optical semiconductor and an n-type amorphous optical semiconductor.

以上のように本発明の非晶質光半導体によれば、高光透過性と低暗伝導率と高光感度により可視から紫外光までのはば広い光の有効利用が可能となり、また、耐光性、耐熱性、耐酸化性に優れ、高速応答性であり、これらの性質を利用して各種の光半導体素子に利用することができる。   As described above, according to the amorphous optical semiconductor of the present invention, high light transmittance, low dark conductivity, and high light sensitivity enable effective use of a wide range of light from visible to ultraviolet light, and light resistance, It is excellent in heat resistance and oxidation resistance and has high-speed response. By utilizing these properties, it can be used for various optical semiconductor devices.

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の非晶質光半導体は、水素を含み、Gaの原子数の総和あるいはGa及びInの原子数の総和とチッ素原子の原子数との比が1:0.5〜1:2である。一般に非晶質とは、結晶格子がほとんど認められない固体の状態をさすが、非晶質と結晶質とは明確な境界がないことが多い。本発明における非晶質は、隣接する原子との近距離秩序のみ有する所謂非晶質と、非晶質中の中に微結晶を有する場合、あるいは、全体が微結晶の集まりである場合、を包含する。ただし、この場合、微結晶の大きさは、50Å未満の微結晶で、全体的には構造的秩序が認められないとみなせるものである。
本発明において、Gaの原子数の総和あるいはGa及びInの原子数の総和とチッ素原子の原子数との比は、1:0.5〜1:2である。この原子数の比が、1:0.5未満の場合、あるいは1:2を越えると、GaあるいはGa及びInとチッ素元素との結合による閃亜鉛鉱(Zincblend)型を形成する部分が少なくなるため欠陥が多くなり、良好な光半導体としては機能しなくなる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The amorphous optical semiconductor of the present invention contains hydrogen, and the ratio of the total number of Ga atoms or the total number of Ga and In atoms to the number of nitrogen atoms is 1: 0.5 to 1: 2. is there. Generally, the term “amorphous” refers to a solid state in which a crystal lattice is hardly recognized, but in many cases, there is no clear boundary between amorphous and crystalline. The amorphous in the present invention is a so-called amorphous having only short-range order with adjacent atoms, and a case where the amorphous has microcrystals, or a case where the whole is a collection of microcrystals. Include. However, in this case, the size of the microcrystal is less than 50 °, and it can be considered that no structural order is recognized as a whole.
In the present invention, the ratio of the total number of Ga atoms or the total number of Ga and In atoms to the number of nitrogen atoms is 1: 0.5 to 1: 2. When the ratio of the number of atoms is less than 1: 0.5 or more than 1: 2, a portion of the zinc-blende (Zincblend) type formed by bonding of Ga or Ga and In with a nitrogen element is small. Therefore, the number of defects increases, and the semiconductor does not function as a good optical semiconductor.

また、本発明の非晶質光半導体は、水素を含むが、その量は、1原子%以上50原子%以下の水素が好ましい。非晶質光半導体においては、膜中に水素が1原子%未満では、III族元素としてのGa,In及びV族元素としてのチッ素が3次元構造を保ったまま非晶質化することによって生じる未結合手を水素との結合によって無くし、バンド内に形成する欠陥準位を不活性化するのに不十分であり、実用的な非晶質光半導体として機能することができない。   The amorphous optical semiconductor of the present invention contains hydrogen, and its amount is preferably 1 atomic% or more and 50 atomic% or less. In an amorphous optical semiconductor, when the film contains less than 1 atomic% of hydrogen, Ga, In as a group III element and nitrogen as a group V element become amorphous while maintaining a three-dimensional structure. The generated dangling bonds are eliminated by bonding with hydrogen, which is insufficient to inactivate the defect level formed in the band, and cannot function as a practical amorphous optical semiconductor.

これに対し、膜中に水素が50原子%をこえると、水素がIII族元素としてのGa,In及びV族元素としてのチッ素に2つ以上結合する確率が増え、結果としてこれらの元素が3次元構造を保たず、鎖状のネットワークを形成するようになり、バンド内に新たな準位を形成し、電気的な特性が劣化すると共に硬度などの機械的性質が低下する。さらに膜が酸化されやすくなり、結果として膜中に不純物欠陥が多量に発生することとになり、良好な光電気特性が得られなくなる。また、膜中の水素が50原子%をこえると、電気的特性を制御するためにドープするドーパントを水素が活性化するようになるため結果として電気的に活性な非晶質半導体が得られない。   On the other hand, if the hydrogen content exceeds 50 atomic% in the film, the probability that hydrogen bonds to two or more of Ga, In as a group III element and nitrogen as a group V element increases, and as a result, these elements become Instead of maintaining a three-dimensional structure, a chain-like network is formed, a new level is formed in the band, and electrical characteristics are deteriorated and mechanical properties such as hardness are lowered. Further, the film is liable to be oxidized, and as a result, a large amount of impurity defects are generated in the film, so that good photoelectric characteristics cannot be obtained. On the other hand, if the hydrogen content in the film exceeds 50 atomic%, the dopant to be doped for controlling the electrical characteristics is activated by hydrogen, so that an electrically active amorphous semiconductor cannot be obtained as a result. .

また、非晶質光半導体には酸素と炭素が各々15原子%以下であることが望ましい。膜中の酸素が膜中に15原子%をこえて含まれると、この酸素原子がIII族元素としてのGa,Inと安定な結合を形成し、Ga,InとV族元素としてのチッ素原子による3次元構造を部分的に2次元的柔構造に形成するため、電気的制御のための置換型ドーパントを3次元剛構造の中で電気的に活性な結合配置をとることを妨げることとなり、結果としてpn制御ができない。   Further, it is desirable that oxygen and carbon are each 15 atomic% or less in the amorphous optical semiconductor. When oxygen in the film exceeds 15 atomic%, the oxygen atom forms a stable bond with Ga and In as a group III element, and Ga, In and a nitrogen atom as a group V element To partially form the three-dimensional structure into a two-dimensional flexible structure, thereby preventing the substitutional dopant for electrical control from taking an electrically active bonding arrangement in the three-dimensional rigid structure, As a result, pn control cannot be performed.

さらに膜中の炭素が15原子%をこえて含まれると、炭素と水素との結合(81kcal/mol)はIII族原子としてのGa,Inと水素との結合(Ga−H:66kcal/mol,In−H:59kcal/mol)より安定なため、水素が炭素と多く結合するようになり、さらに炭素は−CH2−,−CH3−結合を取りやすくなり鎖状構造やボイドの発生により、膜全体として欠陥準位が増えると共にドーパントをドープしたときに構造的柔軟性のためpn制御ができない。また、本来ワイドバントギャップの透明な膜では、膜が着色して黄色から茶褐色となるため光学的な特性も悪化する。この酸素や炭素の濃度は膜への表面吸着や汚染または表面の酸化によって膜の表面付近の酸素および炭素では濃度が増すことがあるが、本発明における酸素および炭素の濃度は、このような影響がない部分におけるものを指している。 Further, when carbon in the film exceeds 15 atomic%, the bond between carbon and hydrogen (81 kcal / mol) becomes the bond between Ga and In and hydrogen as a group III atom (Ga-H: 66 kcal / mol, an in-H: for 59kcal / mol) than stable, the hydrogen is to couple a number and carbon atoms, and more carbon -CH 2 -, - CH 3 - by the occurrence of likely chain structure and voids take bond, The pn control cannot be performed due to structural flexibility when a dopant is doped because the defect level increases as the whole film. Further, in the case of a transparent film having a wide band gap, the film is colored and changes from yellow to brown, so that the optical characteristics are deteriorated. The concentration of oxygen and carbon may increase in oxygen and carbon near the surface of the film due to surface adsorption or contamination on the film or oxidation of the surface. Refers to the part where there is no.

また、3次元的な構造を維持しながら非晶質構造を実現するためには、III族元素とV族元素の両方に未結合手が発生する。このため水素はIII族元素とV族元素に均等に結合するようにすることが望ましい。また、ドーパントに水素が結合した場合には置換型不純物ドープができなくなるため、ドーパントには水素が結合しないことが望ましい。これらの水素結合状態は赤外吸収スペクトルによって容易に測定することできる。
膜中の各組成は、X線光電子分光(XPS)、エレクトロンマイクロプローブ、ハイドロジェンフォード・バックスキャッタリング(HFS)等の方法で測定することができる。水素量については、ラザフォードバックスキャタリング(RBS)により絶対量を測定することができる。また、加熱による水素放出量の測定あるいはIRスペクトルの測定によっても水素量を推定することができる。
In order to realize an amorphous structure while maintaining a three-dimensional structure, dangling bonds are generated in both the group III element and the group V element. For this reason, it is desirable that hydrogen be bonded to the group III element and the group V element equally. When hydrogen is bonded to the dopant, substitutional impurity doping cannot be performed. Therefore, it is preferable that hydrogen is not bonded to the dopant. These hydrogen bonding states can be easily measured by an infrared absorption spectrum.
Each composition in the film can be measured by a method such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron microprobe, or hydrogenford backscattering (HFS). The absolute amount of hydrogen can be measured by Rutherford back scattering (RBS). The amount of hydrogen can also be estimated by measuring the amount of hydrogen released by heating or measuring the IR spectrum.

次に本発明の非晶質光半導体は、次のように製造することができる。
以下、図に従って説明する。図1の方法はプラズマを活性化手段とする方法である。1は真空に排気しうる容器、2は排気口、3は基板ホルダー、4は基板加熱用のヒーター、5,6は容器1に接続された石英管であり、それぞれガス導入管9,10に連通している。また、石英管5にはガス導入管11に接続され、石英管6にはガス導入管12が接続されている。
Next, the amorphous optical semiconductor of the present invention can be manufactured as follows.
Hereinafter, description will be made with reference to the drawings. The method shown in FIG. 1 is a method using plasma as an activating means. 1 is a container which can be evacuated to a vacuum, 2 is an exhaust port, 3 is a substrate holder, 4 is a heater for heating the substrate, and 5 and 6 are quartz tubes connected to the container 1. Communicating. The quartz tube 5 is connected to a gas introduction tube 11, and the quartz tube 6 is connected to a gas introduction tube 12.

この装置においては、チッ素源として、例えば、N2を用いガス導入管9から石英管5に導入する。マグネトロンを用いたマイクロ波発振器(図示せず)に接続されたマイクロ導波管8に2.45GHzのマイクロ波が供給され石英管5内に放電を発生させる。別のガス導入口10から、例えばH2を石英管6に導入する。高周波発振器(図示せず)から高周波コイル7に13.56MHzの高周波を供給し、石英管6内に放電を発生させる。放電空間の下流側よりトリメチルガリウムをガス導入管12より導入することによって基板上に非晶質チッ化ガリウムを得ることができる。
非晶質の状態は、基板温度、ガスの流量圧力によって変化させることができる。基板温度が高いか、III族原料ガスの流量が少ない場合、50Å未満の微結晶核を有する非晶質になりやすい。
トリメチルガリウムの代わりにインジウムを含む有機金属化合物を用いることもできるし、また混合することもできる。また、これらの有機金属化合物は、ガス導入管11から導入しても良い。
In this apparatus, for example, N 2 is used as a nitrogen source and introduced into the quartz tube 5 from the gas introduction tube 9. A microwave of 2.45 GHz is supplied to a microwave waveguide 8 connected to a microwave oscillator (not shown) using a magnetron to generate a discharge in the quartz tube 5. From another gas inlet 10, for example, H 2 is introduced into the quartz tube 6. A high frequency of 13.56 MHz is supplied from a high frequency oscillator (not shown) to the high frequency coil 7 to generate a discharge in the quartz tube 6. Amorphous gallium nitride can be obtained on the substrate by introducing trimethyl gallium from the gas introduction pipe 12 from the downstream side of the discharge space.
The amorphous state can be changed by the substrate temperature and the gas flow pressure. When the substrate temperature is high or the flow rate of the group III source gas is small, it is likely to become amorphous having microcrystal nuclei of less than 50 °.
Instead of trimethylgallium, an organometallic compound containing indium can be used, or can be mixed. Further, these organometallic compounds may be introduced from the gas introduction pipe 11.

また、C,Si,Ge,Snから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含むガス、あるいはBe,Mg,Ca,Zn,Srから選ばれた少なくとも1つ以上の元素を含むガスを放電空間の下流側(ガス導入管11又はガス導入管12)から導入することによってn型、p型等任意の伝導型の非晶質チッ化物半導体を得ることができる。Cの場合には、条件によっては有機金属化合物を炭素を使用してもよい。   Further, a gas containing at least one or more elements selected from C, Si, Ge, and Sn, or a gas containing at least one or more elements selected from Be, Mg, Ca, Zn, and Sr is supplied to the discharge space. By introducing the gas from the downstream side (gas introduction pipe 11 or gas introduction pipe 12), an amorphous nitride semiconductor of any conductivity type such as n-type or p-type can be obtained. In the case of C, carbon may be used as the organometallic compound depending on conditions.

基板温度は20℃〜600℃である。上述のような装置において放電エネルギーにより形成される活性チッ素あるいは活性水素を独立に制御してもよいし、NH3のようなチッ素と水素原子を同時に含むガスを用いてもよい。さらにH2を加えてもよい。また、有機金属化合物から活性水素が遊離生成する条件を用いることもできる。このようにすることによって、基板上には活性化されたGaあるいはGa及びIn原子、チッ素原子が制御された状態で存在し、かつ水素原子がメチル基やエチル基をメタンやエタン等の不活性分子にするために低温にも拘わらず、炭素がほとんど入らず、膜欠陥が抑えられた非晶質膜が生成できる。 The substrate temperature is between 20C and 600C. In the above-described apparatus, active nitrogen or active hydrogen formed by discharge energy may be controlled independently, or a gas such as NH 3 containing both nitrogen and hydrogen atoms may be used. Further, H 2 may be added. Further, a condition under which active hydrogen is liberated from the organometallic compound may be used. In this manner, activated Ga or Ga and In atoms and nitrogen atoms are present on the substrate in a controlled state, and hydrogen atoms convert methyl and ethyl groups to non-functional groups such as methane and ethane. Despite the low temperature, an amorphous film containing almost no carbon and having reduced film defects can be formed.

上述の装置において活性化手段として、高周波発振器、マイクロ発振器、エレクトロサイクロトロン共鳴方式やヘリコンプラズマ方式であっても良いし、これらを一つを用いても良いし、二つ以上を用いてもよい。また、二つ共マイクロ波発振器であっても良いし、2つ共高周波発振器で有っても良い。また高周波放電の場合、誘導型でも容量型でも良い。またエレクトロンサイクロトロン共鳴方式を用いても良い。異なる活性化手段(励起手段)を用いる場合には、同じ圧力で同時に放電が生起できるようにする必要があり、放電内と成膜部(容器1内)に圧力差を設けても良い。また同一圧力で行う場合、異なる活性化手段(励起手段)、例えば、マイクロ波と高周波放電を用いると励起種の励起エネルギーを大きく変えることができ、膜質制御に有効である。
本発明の非晶質光半導体は、反応性蒸着法やイオンプレーティング、リアクティブスパッターなど少なくとも水素が活性化された雰囲気で成膜を行うことも可能である。
In the above-described apparatus, the activating means may be a high-frequency oscillator, a micro-oscillator, an electrocyclotron resonance method, a helicon plasma method, one of these may be used, or two or more may be used. Further, both may be microwave oscillators, and both may be high frequency oscillators. In the case of high-frequency discharge, it may be of induction type or capacitance type. Further, an electron cyclotron resonance method may be used. When different activating means (exciting means) are used, it is necessary to generate a discharge at the same pressure at the same time, and a pressure difference may be provided between the discharge and the film forming unit (in the container 1). When the same pressure is used, different activating means (exciting means), for example, microwave and high-frequency discharge can be used to greatly change the excitation energy of excited species, which is effective for controlling film quality.
The amorphous optical semiconductor of the present invention can be formed in an atmosphere in which at least hydrogen is activated, such as a reactive vapor deposition method, ion plating, or reactive sputtering.

本発明で使用する基板としては導電性でも絶縁性でも良く、結晶あるいは非品質でも良い。導電性基板としては、アルミニウム、ステンレススチール、ニッケル、クロム等の金属及びその合金結晶Si,GaAs,SiCなどの半導体を挙げることができる。
また、基板表面に導電化処理を施した絶縁性基板を使用することもできる。絶縁性基板としては、高分子フィルム、ガラス、セラミック等を挙げることができる。導電化処理は、上記の金属又は金、銀、銅等を蒸着法、スパッター法、イオンプレーティング法などにより成膜して行う。
また、光の入出力用の透明導電性基板の透光性支持体としては、ガラス、石英、サファイア等の透明な無機材料、また、弗素樹脂、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ等の透明な有機樹脂のフィルムまたは板状体、さらにまた、オプチカルファイバー、セルフォック光学プレート等が使用できる。
The substrate used in the present invention may be conductive or insulating, and may be crystalline or non-quality. Examples of the conductive substrate include metals such as aluminum, stainless steel, nickel, and chromium, and semiconductors such as alloy crystals of Si, GaAs, and SiC.
Alternatively, an insulating substrate having a substrate surface subjected to a conductive treatment can be used. Examples of the insulating substrate include a polymer film, glass, and ceramic. The conductive treatment is performed by forming a film of the above metal, gold, silver, copper, or the like by an evaporation method, a sputtering method, an ion plating method, or the like.
Further, as a light-transmitting support of a transparent conductive substrate for light input / output, a transparent inorganic material such as glass, quartz, and sapphire, or a fluororesin, polyester, polycarbonate, polyethylene, polyethylene terephthalate, epoxy, or the like. A transparent organic resin film or plate, an optical fiber, a selfoc optical plate, or the like can be used.

上記透光性支持体上に設ける透光性電極としては、ITO、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉛、酸化インジウム、ヨウ化銅等の透明導電性材料を用い、蒸着、イオンプレーティング、スパッタリング等の方法により形成したもの、あるいはAl,Ni,Au等の金属を蒸着やスパッタリングにより半透明になる程度に薄く形成したものが用いられる。   As the light-transmitting electrode provided on the light-transmitting support, a transparent conductive material such as ITO, zinc oxide, tin oxide, lead oxide, indium oxide, or copper iodide is used. Or a metal such as Al, Ni, Au or the like formed thin enough to be translucent by vapor deposition or sputtering.

本発明の非晶質光半導体の原料としては、GaあるいはGa及びIn含む有機金属化合物を用いることができる。これらの有機金属化合物としてはトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、ターシャリーブチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、ターシャリーブチルインジウムなどの液体や固体を気化して単独にあるいはキャリアガスでバブリングすることによって混合状態で使用することができる。キャリアガスとしては水素,N2,メタン,エタンなどの炭化水素、CF4,C26などのハロゲン化炭素などを用いることができる。 As a raw material of the amorphous optical semiconductor of the present invention, Ga or an organic metal compound containing Ga and In can be used. As these organometallic compounds, liquids and solids such as trimethylgallium, triethylgallium, tertiary butylgallium, trimethylindium, triethylindium, and tertiary butylindium are vaporized alone or in a mixed state by bubbling with a carrier gas. Can be used. As the carrier gas, hydrocarbons such as hydrogen, N 2 , methane and ethane, and halogenated carbons such as CF 4 and C 2 F 6 can be used.

チッ素原料としてはN2,NH3,NF3,N24、メチルヒドラジンなどの気体、液体を気化あるいはキャリアガスでバブリングすることによって使用することができる。
また、本発明の非晶質光半導体では、p,n制御のために元素を膜中にドープすることができる。
n型用の元素としてはIa族のLi,Ib族のCu,Ag,Au,IIa族のMg,IIb族のZn,IVa族のSi,Ge,Sn,Pb,VIa族のS,Se,Teを用いることができる。
p型用の元素としてはIa族のLi,Na,K,Ib族のCu,Ag,Au,IIa族のBe,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,IIb族のZn,Cd,Hg,IVa族のC,Si,Ge,Sn,Pb,VIa族のS,Se,Te、VIb族のCr,Mo,W,VIIIa族のFe,Co,Niなどを用いることができる。
As a nitrogen raw material, a gas or liquid such as N 2 , NH 3 , NF 3 , N 2 H 4 , and methylhydrazine can be used by vaporizing or bubbling with a carrier gas.
Further, in the amorphous optical semiconductor of the present invention, an element can be doped into the film for controlling p and n.
Examples of the n-type element include Ia group Li, Ib group Cu, Ag, Au, IIa group Mg, IIb group Zn, IVa group Si, Ge, Sn, Pb, VIa group S, Se, Te. Can be used.
Examples of p-type elements are Li, Na, K, Ib group Cu, Ag, Au, IIa group Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, IIb group Zn, Cd, Hg, and IVa. Group C, Si, Ge, Sn, Pb, Group VIa S, Se, Te, Group VIb Cr, Mo, W, Group VIIIa Fe, Co, Ni and the like can be used.

膜中の水素は、結晶の場合には、ドーパントに結合し不活性化することが知られており、非晶質ネットワークの中でドーピング元素がドーパントとして機能するためには、欠陥準位をパッシベーションするための水素がドーパントよりもIII族元素及びV族元素に選択的に結合する必要があり、結合エネルギーが〔3族元素〕−H、〔5族元素〕−H>ドーパント原子−Hであることが望ましい。 この点から、特にn型用の元素としては、特に、Si,Ge,Snが好ましく、p型用の元素としては、特に、Be,Mg,Ca,Zn,Srが好ましい。   It is known that hydrogen in a film binds and inactivates a dopant in the case of a crystal, and in order for a doping element to function as a dopant in an amorphous network, passivation of a defect level occurs. Must be bonded to the group III element and the group V element more selectively than the dopant, and the bond energy is [group 3 element] -H, [group 5 element] -H> dopant atom-H It is desirable. From this point, Si, Ge, and Sn are particularly preferable as the n-type element, and Be, Mg, Ca, Zn, and Sr are particularly preferable as the p-type element.

ドーピングの方法としてはn型用としてはSiH4,Si26,GeH4,GeF4,SnH4を、p型用としてはBeH2,BeCl2,BeCl4,シクロペンタジエニルマグネシウム、ジメチルカルシウム、ジメチルストロンチウム、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、などのガス状態で使用できる。また元素を膜中にドーピングするには、熱拡散法、イオン注入法等の公知の方法を採用することができる。 Doping methods include SiH 4 , Si 2 H 6 , GeH 4 , GeF 4 , and SnH 4 for n-type, and BeH 2 , BeCl 2 , BeCl 4 , cyclopentadienyl magnesium, and dimethyl calcium for p-type. , Dimethyl strontium, dimethyl zinc, diethyl zinc, and the like. In addition, a known method such as a thermal diffusion method or an ion implantation method can be used for doping the film with an element.

本発明の非晶質光半導体を用いた光半導体素子とするためには基板上にundope膜、p型あるいはi型を設けただけでも良いし、あるいはp型とn型の膜を作製しpn接合を形成しても良いし、p型とn型の膜の間にi型の膜を設けても良い。また電極との間にp型とn型より高濃度のドーピングを行った膜p+あるいはn+層を電極とのコンタクトのために挿入しても良い。またpnあるいはpin構造単位とする多層構造を形成することもできる。さらに透明性や障壁の形成のためにこれらのp型、i型、n型の層が各々異なるGa,In,Nの組成を持っていてもよいし、p型、i型、n型それぞれの膜が複数の組成から成っていても良い。   In order to obtain an optical semiconductor device using the amorphous optical semiconductor of the present invention, only an undoped film, p-type or i-type may be provided on the substrate, or p-type and n-type films may be formed and pn A junction may be formed, or an i-type film may be provided between the p-type and n-type films. Further, a film p + or n + layer doped at a higher concentration than p-type and n-type may be inserted between the electrodes for contact with the electrodes. Further, a multilayer structure having a pn or pin structure unit can be formed. Further, these p-type, i-type, and n-type layers may have different Ga, In, and N compositions for the sake of transparency and formation of a barrier. The film may be composed of a plurality of compositions.

このようなGaあるいはGa及びInとチッ素を含む非晶質光半導体はバンドギャップを赤色から紫外までの全領域で可変であり、高光透過性と低暗伝導率と高光感度により単独の場合はもとより、吸収領域の異なる層を順次組み合したタンデム型にすれば可視から紫外域までのはば広い光の有効利用が可能となる。さらにこの光半導体素子は耐光性、耐熱性、耐酸化性にすぐれ高速応答が可能であるほか、従来の非晶質半導体に無い発光機能を全波長領域で合わせ持つことができるため、電子デバイスと発光デバイスを組み合せたハイブリッドデバイスにも使用できる。具体的には高効率太陽電池、高速TFT、電子写真感光体、高感度センサー、高感度アバランシェ光センサー、大面積LED、フルカラーディスプレー、光変調子、光インターコネクト用素子等が挙げられる。   Such an amorphous optical semiconductor containing Ga or Ga and In and nitrogen has a variable band gap in the entire region from red to ultraviolet. Due to high light transmittance, low dark conductivity, and high light sensitivity, the amorphous optical semiconductor can be used alone. Of course, if a tandem type is formed by sequentially combining layers having different absorption regions, a wide range of light from the visible to the ultraviolet region can be effectively used. Furthermore, this optical semiconductor element has excellent light resistance, heat resistance, and oxidation resistance, can respond at high speed, and has a light-emitting function that is not available in conventional amorphous semiconductors in the entire wavelength range. It can also be used for hybrid devices that combine light emitting devices. Specific examples include a high-efficiency solar cell, a high-speed TFT, an electrophotographic photosensitive member, a high-sensitivity sensor, a high-sensitivity avalanche light sensor, a large-area LED, a full-color display, a light modulator, and an element for an optical interconnect.

実施例1
洗浄したAl基板、石英基板、Siウェハーを基板ホルダー3に載せ、排気口2を介して容器1内を真空排気後、ヒーター4により基板を250℃に加熱した。N2ガスをガス導入管9より直径25mmの石英管5内に500sccm導入し、マイクロ波導波管8を介して2.45GHzのマイクロ波を出力200Wにセットしチューナでマッチングを取り放電を行った。この時の反射波は0Wであった。H2ガスはガス導入管10より直径30mmの石英管6内に200sccm導入した。マイクロ波の出力を200Wにセットした。反射波は0Wであった。この状態でガス導入管12より室温で保持されたトリメチルガリウム(TMGa)の蒸気を直接マスフローコントローラーを通して2sccm導入した。この時バラトロン真空計で測定した反応圧力は0.2Torrであった。
Example 1
The washed Al substrate, quartz substrate, and Si wafer were placed on the substrate holder 3, and the inside of the container 1 was evacuated through the exhaust port 2, and then the substrate was heated to 250 ° C. by the heater 4. 500 sccm of N 2 gas was introduced into the quartz tube 5 having a diameter of 25 mm from the gas introduction tube 9, a microwave of 2.45 GHz was set to 200 W through the microwave waveguide 8, matching was performed with a tuner, and discharge was performed. . The reflected wave at this time was 0W. H 2 gas was introduced from the gas introduction tube 10 into the quartz tube 6 having a diameter of 30 mm at 200 sccm. The microwave output was set to 200W. The reflected wave was 0W. In this state, a vapor of trimethylgallium (TMGa) kept at room temperature was introduced at a flow rate of 2 sccm from the gas introduction tube 12 directly through a mass flow controller. At this time, the reaction pressure measured by a Baratron vacuum gauge was 0.2 Torr.

1時間成膜を行い段差測定により膜厚を測ったところ3μmであった。膜組成をXPSとRBS(ラザフォード・バックスキャタリング)にて測定したところGa/N比1.1でほぼ化学量論化に等しいことが分かった。また、このとき炭素(C)は8原子%であり、酸素(O)は検出できなかった。光学Gapは3.5eVであった。水素はIRスペクトル測定の結果Ga−H,N−HとしてこのGaN膜中に含まれていた。真空中で加熱放出した水素から測定した水素量は20原子%であった。X線回折スペクトルは明確なピークが見られず非晶質であることを示した。この非晶質GaN膜の抵抗を測定したところ2.0×10+14 Ωcmであり、Xeランプ光を照射したところ、1.5×1010Ωcmとなり、明暗比4桁以上の光導電性を示すことが分かった。 The film was formed for 1 hour, and the film thickness was measured by a step measurement to be 3 μm. When the film composition was measured by XPS and RBS (Rutherford Backscattering), it was found that the stoichiometry was almost equivalent to that of Ga / N ratio of 1.1. At this time, carbon (C) was 8 atomic%, and oxygen (O) could not be detected. The optical gap was 3.5 eV. Hydrogen was contained in this GaN film as Ga-H, NH as a result of IR spectrum measurement. The amount of hydrogen measured from the hydrogen heated and released in vacuum was 20 atomic%. The X-ray diffraction spectrum did not show a clear peak, indicating that it was amorphous. When the resistance of this amorphous GaN film was measured, it was 2.0 × 10 +14 Ωcm, and when irradiated with Xe lamp light, it was 1.5 × 10 10 Ωcm. It turned out to show.

実施例2
2ガスを高周波コイル7を介して13.56MHzの高周波で出力100Wで放電を行ったこと以外は実施例1と同じ条件で成膜を行った。
膜組成は、Ga/N比が0.99でほぼ化学量論比であり、炭素は3原子%であった。酸素が検出されなかった。水素量は30原子%であった。暗抵抗は、1×10+14Ωcmであり、明暗抵抗比は4桁以上であった。
また、膜組成の赤外線吸収スペクトルは図2に示す通りであった。図2において、2900cm-1はC−Hの伸縮振動であり、3200cm-1付近はN−Hの伸縮振動であり、2100cm-1はGa−Hの伸縮振動である。NH/GaHの吸収強度比は0.23であった。
Example 2
A film was formed under the same conditions as in Example 1 except that the H 2 gas was discharged at a high frequency of 13.56 MHz and an output of 100 W through the high frequency coil 7.
The film composition was almost stoichiometric with a Ga / N ratio of 0.99 and carbon was 3 atomic%. No oxygen was detected. The amount of hydrogen was 30 atomic%. The dark resistance was 1 × 10 +14 Ωcm, and the light-dark resistance ratio was four digits or more.
The infrared absorption spectrum of the film composition was as shown in FIG. In FIG. 2, 2900 cm -1 is the stretching vibration of C-H, around 3200 cm -1 is the stretching vibration of N-H, 2100cm -1 is the stretching vibration of Ga-H. The absorption intensity ratio of NH / GaH was 0.23.

比較例
市販の電子ビーム蒸着装置を用いて純度5NのGaN粉末5gをるつぼにいれ,実施例1と同じ基板を15cm上部に設置した。蒸着機を10-4Paに注意深く排気した。基板は赤外線ランプヒータで200℃に加熱した。電子ビーム電流を徐々に上げて100mAで一定に保ちシャッターを開けて5分間基板への蒸着を行った。蒸着中に基板温度は50℃高くした。蒸着終了後直ちに冷却し、冷却後大気中に取り出して特性を評価した。この膜は非晶質であり、組成もほぼ化学量論比であった.この膜には水素は含まれていなかった。この非晶質GaN膜に実施例1と同じ光照射を行ったが導電率は変化しなかった。
Comparative Example 5 g of GaN powder having a purity of 5N was placed in a crucible using a commercially available electron beam evaporation apparatus, and the same substrate as in Example 1 was placed on the upper portion of 15 cm. The evaporator was carefully evacuated to 10 -4 Pa. The substrate was heated to 200 ° C. with an infrared lamp heater. The electron beam current was gradually increased, kept constant at 100 mA, and the shutter was opened to perform vapor deposition on the substrate for 5 minutes. The substrate temperature was increased by 50 ° C. during the deposition. It was cooled immediately after the completion of the vapor deposition, taken out into the air after cooling, and evaluated for characteristics. This film was amorphous and its composition was almost stoichiometric. This film did not contain hydrogen. The same light irradiation as in Example 1 was performed on this amorphous GaN film, but the conductivity did not change.

実施例3
実施例1と同じ装置、同じ基板を用いて、N2ガスをガス導入管9より500sccm導入し、2.45GHzのマイクロ波出力を200Wで放電を行った。この時、反射波は0Wであった。H2ガス200sccmをガス導入管10より導入し、13.56MHzの高周波で出力100Wで放電を行った。この時、反射波は0Wであった。ヒーター4により基板ホルダーの温度を250℃とした。この状態でガス導入管12よりトリメチルガリウム2sccm,50℃に加温保持されたトリメチルインジウムをN2ガスと共に1sccm混合し導入した。更にガス導入管11よりN2で1%に希釈したSiH4を導入し、n型のa−GaXInYZを成膜した。圧力は0.2Torrとした。10分成膜した後、ガス導入管12とガス導入管11のそれぞれの弁を閉じた。この時、このまま放電は継続したままにした。この状態で改めてトリメチルガリウム2sccm、トリメチルインジウムを1sccmの混合ガスをガス導入管12より導入し、ビスペンタジエニルマグネシウムをガス導入管11よりキャリアガスとしてN2を用いて10sccm導入し、p型のa−GaXInYZを5分成膜した。
Example 3
Using the same apparatus and the same substrate as in Example 1, 500 sccm of N 2 gas was introduced from the gas introduction pipe 9, and discharge was performed at a microwave output of 2.45 GHz and 200 W. At this time, the reflected wave was 0W. 200 sccm of H 2 gas was introduced from the gas introduction tube 10, and discharge was performed at a high frequency of 13.56 MHz and an output of 100 W. At this time, the reflected wave was 0W. The temperature of the substrate holder was set to 250 ° C. by the heater 4. In this state, trimethylgallium (2 sccm) and trimethylindium heated to 50 ° C. and mixed at 1 sccm together with N 2 gas were introduced from the gas inlet tube 12. Further, SiH 4 diluted to 1% with N 2 was introduced from the gas introduction pipe 11 to form an n-type a-Ga X In Y N Z film. The pressure was set to 0.2 Torr. After forming the film for 10 minutes, the valves of the gas introduction pipe 12 and the gas introduction pipe 11 were closed. At this time, the discharge was continued. In this state, a mixed gas of 2 sccm of trimethylgallium and 1 sccm of trimethylindium was again introduced from the gas introduction tube 12, and bispentadienyl magnesium was introduced again at 10 sccm from the gas introduction tube 11 using N 2 as a carrier gas to form a p-type. a-Ga X In Y and the N Z was 5 minutes film.

得られた膜厚は1μmであった。この膜の組成をRBSで測定した結果、Ga/In/Nが0.7/0.3/1であり、酸素は5原子%、炭素は7原子%であった。また、HFSで測定した水素量は18原子%であった。また、この膜の全体の光学Gapは2.9eVであった。Al基板上の膜に光透過できる100AのAu電極とSiウェハーの上下にAu電極を蒸着し、Xeランプにより照射したところ開放電圧で0.9Vの光起電力が得られた。   The obtained film thickness was 1 μm. As a result of measuring the composition of this film by RBS, Ga / In / N was 0.7 / 0.3 / 1, oxygen was 5 atomic%, and carbon was 7 atomic%. The amount of hydrogen measured by HFS was 18 atomic%. The overall optical gap of this film was 2.9 eV. A 100 A Au electrode capable of transmitting light to the film on the Al substrate and an Au electrode on and under the Si wafer were vapor-deposited and irradiated with a Xe lamp. As a result, a photovoltaic power of 0.9 V was obtained at an open voltage.

実施例4
実施例2と同じ装置、同じ基板を用いて、N2ガスをガス導入管9より500sccm導入し、2.45GHzのマイクロ波出力を250Wで放電を行った。 この時、反射波は0Wであった。H2ガス100sccmをガス導入管10より導入し、13.56MHzの高周波で出力100Wで放電を行った。この時、反射波は0Wであった。ヒーター4により基板ホルダーの温度を100℃とした。この状態でガス導入管12よりトリメチルガリウム1sccmを導入した。膜組成はGa/N比1.05でほぼ化学量論化に等しいことが分かった。また、このとき炭素(C)と酸素(O)は0原子%であった。またHFS測定による水素は35原子%であった。しかしながら表面は酸化しており酸素濃度が20原子%を超えたまま水素濃度も低くなっていた。光学Gapは3.5eVであった。電子線回折スペクトル、やX線回折スペクトルは明確なピークが見られず非晶質であることを示した。さらに得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルは、図3に示す通りであった。図3において、NHとGaHの吸収強度比は0.4であり、CHの吸収はほとんどなかった。この非晶質GaN膜のXeランプ光を照射し明暗抵抗比を測定したところ、3桁以上の光導電性を示すことが分かった。
Example 4
Using the same apparatus and the same substrate as in Example 2, 500 sccm of N 2 gas was introduced from the gas introduction pipe 9, and discharge was performed at a microwave output of 2.45 GHz and 250 W. At this time, the reflected wave was 0W. 100 sccm of H 2 gas was introduced from the gas introduction tube 10 and discharge was performed at a high frequency of 13.56 MHz and an output of 100 W. At this time, the reflected wave was 0W. The temperature of the substrate holder was set to 100 ° C. by the heater 4. In this state, 1 sccm of trimethylgallium was introduced from the gas introduction tube 12. It was found that the film composition was almost equal to stoichiometric at a Ga / N ratio of 1.05. At this time, carbon (C) and oxygen (O) were 0 atomic%. Also, the hydrogen content by HFS measurement was 35 atomic%. However, the surface was oxidized, and the hydrogen concentration was low while the oxygen concentration exceeded 20 atomic%. The optical gap was 3.5 eV. An electron diffraction spectrum and an X-ray diffraction spectrum did not show a clear peak, indicating that they were amorphous. Further, the infrared absorption spectrum of the obtained film composition was as shown in FIG. In FIG. 3, the absorption intensity ratio between NH and GaH was 0.4, and CH was hardly absorbed. When the amorphous GaN film was irradiated with Xe lamp light and the light-dark resistance ratio was measured, it was found that the amorphous GaN film exhibited photoconductivity of three digits or more.

実施例5
実施例4と基板の温度を200℃とした以外は同じ条件で膜を作製した。膜組成はGa/N比0.95でほぼ化学量論化に等しいことが分かった。また、このとき炭素(C)は検出されなかったが酸素(O)は10原子%であった。この酸素の原因は不明であった。またRBS測定による水素は27原子%であった。表面の酸化は認められなかった。電子線回折スペクトル、やX線回折スペクトルは明確なピークが見られず非晶質であることを示した。さらに得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルは、図4に示す通りであった。図4において、NHとGaHの吸収強度比は0.25であり、CHの吸収はなかった。この非晶質GaN膜のXeランプ光を照射し明暗抵抗比を測定したところ、4桁以上の光導電性を示すことが分かった。
Example 5
A film was produced under the same conditions as in Example 4 except that the temperature of the substrate was set to 200 ° C. It was found that the film composition was almost equal to stoichiometric at a Ga / N ratio of 0.95. At this time, carbon (C) was not detected, but oxygen (O) was 10 atomic%. The cause of this oxygen was unknown. In addition, hydrogen by RBS measurement was 27 atomic%. No oxidation of the surface was observed. An electron diffraction spectrum and an X-ray diffraction spectrum did not show a clear peak, indicating that they were amorphous. Further, the infrared absorption spectrum of the obtained film composition was as shown in FIG. In FIG. 4, the absorption intensity ratio between NH and GaH was 0.25, and there was no absorption of CH. The amorphous GaN film was irradiated with Xe lamp light and the light-dark resistance ratio was measured. As a result, it was found that the amorphous GaN film exhibited photoconductivity of four digits or more.

実施例6
実施例4と基板の温度を300℃とした以外は同じ条件で膜を作製した。
膜組成はGa/N比0.98でほぼ化学量論化に等しいことが分かった。また、このとき炭素(C)と酸素(O)は検出されなかった。またRBS測定による水素は18原子%であった。表面の酸化は認められなかった。電子線回折スペクトルでは、ぼんやりとしたパターンの中に輝点がみられ、ほぼ50Å未満の微結晶を有する非晶質であることがわかった。さらに得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルは、図5に示す通りであった。図5において、NHとGaHの吸収強度比は0.46であり、CHの吸収はなかった。また、570cm-1付近のGaNのピーク吸収強度が増加すると共に線幅が狭くなり、微結晶状態が含まれることがわかった。この非晶質GaN膜のXeランプ光を照射し明暗抵抗比を測定したところ、4桁以上の光導電性を示すことが分かった。暗抵抗は実施例5より低くなった。
Example 6
A film was produced under the same conditions as in Example 4 except that the temperature of the substrate was set to 300 ° C.
It was found that the film composition was almost equal to stoichiometric at a Ga / N ratio of 0.98. At this time, carbon (C) and oxygen (O) were not detected. In addition, hydrogen was 18 atomic% by RBS measurement. No oxidation of the surface was observed. In the electron beam diffraction spectrum, bright spots were observed in the blurred pattern, and it was found that the film was amorphous having microcrystals of less than about 50 °. Further, the infrared absorption spectrum of the obtained film composition was as shown in FIG. In FIG. 5, the absorption intensity ratio between NH and GaH was 0.46, and there was no absorption of CH. In addition, it was found that the peak absorption intensity of GaN near 570 cm -1 increased, and the line width became narrower, which included a microcrystalline state. The amorphous GaN film was irradiated with Xe lamp light and the light-dark resistance ratio was measured. As a result, it was found that the amorphous GaN film exhibited photoconductivity of four digits or more. The dark resistance was lower than in Example 5.

実施例7
実施例2と同じ装置、同じ基板を用いて、N2ガスをガス導入管9より900sccm導入し、2.45GHzのマイクロ波出力を250Wで放電を行った。この時、反射波は0Wであった。H2ガス300sccmをガス導入管10より導入し放電は行わなかった。ヒーター4により基板ホルダーの温度を250℃とした。この状態でガス導入管12よりトリメチルガリウム3seemを導入した。膜組成はGa/N比0.97でほぼ化学量論化に等しいことが分かった。また、このとき炭素(C)は12原子%であった。酸素(O)は0原子%であった。またRBS測定による水素は22原子%であった。光学Gapは3.4eVであった。電子線回折スペクトル、やX線回折スペクトルは明確なピークが見られず非晶質であることを示した。
さらに得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルは、図6に示す通りであった。図6において、NHとGaHの吸収強度比は0.2であった。この非晶質GaN膜のXeランプ光を照射し明暗抵抗比を測定したところ、4桁以上の光導電性を示すことが分かった。
Example 7
Using the same apparatus and the same substrate as in Example 2, N 2 gas was introduced at 900 sccm from the gas introduction pipe 9, and discharge was performed at a microwave output of 2.45 GHz and 250 W. At this time, the reflected wave was 0W. 300 sccm of H 2 gas was introduced from the gas introduction tube 10 and no discharge was performed. The temperature of the substrate holder was set to 250 ° C. by the heater 4. In this state, trimethylgallium 3seem was introduced from the gas introduction tube 12. It was found that the film composition was almost equal to stoichiometric at a Ga / N ratio of 0.97. At this time, carbon (C) was 12 atomic%. Oxygen (O) was 0 atomic%. In addition, hydrogen was 22 atomic% by RBS measurement. The optical gap was 3.4 eV. An electron diffraction spectrum and an X-ray diffraction spectrum did not show a clear peak, indicating that they were amorphous.
Further, the infrared absorption spectrum of the obtained film composition was as shown in FIG. In FIG. 6, the absorption intensity ratio between NH and GaH was 0.2. The amorphous GaN film was irradiated with Xe lamp light and the light-dark resistance ratio was measured. As a result, it was found that the amorphous GaN film exhibited photoconductivity of four digits or more.

本発明の非晶質光半導体を製造するための装置の好ましい実施の形態を示す概略的構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a preferred embodiment of an apparatus for manufacturing an amorphous optical semiconductor of the present invention. 実施例2で得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。5 is a graph showing an infrared absorption spectrum of a film composition obtained in Example 2. 実施例4で得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。9 is a graph showing an infrared absorption spectrum of the film composition obtained in Example 4. 実施例5で得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。9 is a graph showing an infrared absorption spectrum of the film composition obtained in Example 5. 実施例6で得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。9 is a graph showing an infrared absorption spectrum of the film composition obtained in Example 6. 実施例7で得られた膜組成の赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。9 is a graph showing an infrared absorption spectrum of the film composition obtained in Example 7.

符号の説明Explanation of reference numerals

1 真空容器
2 排気口
3 基板ホルダー
4 ヒーター
5,6 石英管
7 高周波コイル
8 マイクロ導波管
9〜12 ガス導入管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Exhaust port 3 Substrate holder 4 Heater 5, 6 Quartz tube 7 High frequency coil 8 Micro waveguide 9-12 Gas introduction tube

Claims (15)

水素と、GaあるいはGa及びInと、チッ素元素と、を含む非晶質半導体であって、前記Gaの原子数の総和あるいは前記Ga及びInの原子数の総和と前記チッ素原子の原子数との比が1:0.5〜1:2であることを特徴とする非晶質光半導体。   An amorphous semiconductor containing hydrogen, Ga or Ga and In, and a nitrogen element, wherein the total number of Ga atoms or the total number of Ga and In atoms and the number of nitrogen atoms Is an amorphous optical semiconductor having a ratio of 1: 0.5 to 1: 2. 1原子%以上50原子%以下の水素を含むことを特徴とする請求項1に記載の非晶質光半導体。   2. The amorphous optical semiconductor according to claim 1, wherein the amorphous optical semiconductor contains 1 atomic% or more and 50 atomic% or less of hydrogen. 少なくともGaあるいはGa及びInを含む有機金属化合物を原料にして形成し、水素を含み、GaあるいはGa及びInとチッ素元素とからなることを特徴とする請求項1乃至請求項2に記載の非晶質光半導体。   3. The non-metal oxide film according to claim 1, wherein the non-metallic compound is formed using an organic metal compound containing at least Ga or Ga and In as a raw material, contains hydrogen, and is made of Ga or Ga and In and a nitrogen element. Crystalline optical semiconductor. 1原子%以上50原子%以下の水素と、GaあるいはGa及びInと、チッ素元素とを含み、酸素と炭素が各々15原子%以下であることを特徴とする非晶質光半導体。   An amorphous optical semiconductor comprising 1 to 50 atomic% of hydrogen, Ga or Ga and In, and a nitrogen element, wherein oxygen and carbon are each 15 atomic% or less. C、Si,Ge,Snから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を更に含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4に記載の非晶質光半導体。   The amorphous optical semiconductor according to any one of claims 1 to 4, further comprising at least one element selected from the group consisting of C, Si, Ge, and Sn. Be,Mg,Ca,Zn,Srから選ばれた少なくとも1つ以上の元素を更に含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の非晶質光半導体。   The amorphous optical semiconductor according to claim 1, further comprising at least one element selected from Be, Mg, Ca, Zn, and Sr. チッ素を含む化合物を必要なエネルギー状態や励起種に活性化し、これらの活性種とGaあるいはGa及びInを含む有機金属化合物とを反応させることを特徴とする非晶質光半導体の製造方法。   A method for producing an amorphous optical semiconductor, comprising activating a compound containing nitrogen to a required energy state or excited species and reacting these active species with an organometallic compound containing Ga or Ga and In. 前記GaあるいはGa及びInを含む有機金属化合物を必要なエネルギー状態や励起種に活性化することにより、水素を含み、前記Gaの原子数の総和あるいは前記Ga及びInの原子数の総和とチッ素原子の原子数との比が1:0.5〜1:2である非晶質光半導体を得ることを特徴とする請求項7に記載の非晶質光半導体の製造方法。   By activating the Ga or the organometallic compound containing Ga and In to a required energy state or an excited species, it contains hydrogen and contains the total number of Ga atoms or the total number of Ga and In atoms and nitrogen. The method according to claim 7, wherein an amorphous optical semiconductor having a ratio of the number of atoms to the number of atoms of 1: 0.5 to 1: 2 is obtained. チッ素を含む化合物を必要なエネルギー状態や励起種に活性化するための1つ以上の活性化手段を有し、該活性化手段が放電エネルギーであることを特徴とする請求項7乃至請求項8に記載の非晶質光半導体の製造方法。   7. The method according to claim 7, further comprising one or more activating means for activating the compound containing nitrogen to a required energy state or an excited species, wherein the activating means is discharge energy. 9. The method for producing an amorphous optical semiconductor according to item 8. 活性化手段として、高周波放電及び/又はマイクロ波放電を利用することを特徴とする請求項7乃至請求項9に記載の非晶質光半導体の製造方法。   The method according to claim 7, wherein a high-frequency discharge and / or a microwave discharge is used as the activating means. GaあるいはGa及びInを含む化合物を前記活性化手段の下流側に導入することを特徴とする請求項7乃至請求項10に記載の非晶質光半導体の製造方法。   11. The method according to claim 7, wherein Ga or a compound containing Ga and In is introduced downstream of the activating means. 高周波放電及び/又はマイクロ波放電に水素、窒素、アンモニア、不活性ガスを用いることを特徴とする請求項7乃至請求項11の非晶質光半導体の製造方法。   12. The method according to claim 7, wherein hydrogen, nitrogen, ammonia, and an inert gas are used for the high-frequency discharge and / or the microwave discharge. Be,Mg,Ca,Zn,Srから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含む気体状の原料を活性化手段の下流側から導入することを特徴とする請求項7乃至請求項12に記載の非晶質光半導体の製造方法。   13. The method according to claim 7, wherein a gaseous raw material containing at least one element selected from Be, Mg, Ca, Zn, and Sr is introduced from a downstream side of the activating means. A method for manufacturing an amorphous optical semiconductor. C,Si,Ge,Snから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含む気体状の原料を活性化手段の下流側から導入することを特徴とする請求項7乃至請求項13に記載の非晶質光半導体の製造方法。   14. The amorphous material according to claim 7, wherein a gaseous raw material containing at least one element selected from C, Si, Ge, and Sn is introduced from a downstream side of the activating means. Method for manufacturing optical semiconductors. 請求項1乃至請求項6に記載の非晶質光半導体を備えたことを特徴とする光半導体素子。   An optical semiconductor device comprising the amorphous optical semiconductor according to claim 1.
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