JP2543498B2 - 半導体薄膜 - Google Patents

半導体薄膜

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JP2543498B2 JP60154208A JP15420885A JP2543498B2 JP 2543498 B2 JP2543498 B2 JP 2543498B2 JP 60154208 A JP60154208 A JP 60154208A JP 15420885 A JP15420885 A JP 15420885A JP 2543498 B2 JP2543498 B2 JP 2543498B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は半導体薄膜に関し、特にP型の導電性を示す
非晶質シリコンカーバイドに関する。
〔背景技術〕
非晶質シリコンカーバイド(a−SiCX,0<×<1)の
薄膜は最近よく研究されており、その用途は太陽電池、
感光ドラム等に開けている。a−SiCXは光学バンドキャ
ップが非晶質シリコン(a−Si)にくらべて大きいこと
及び、p型不純物やn型不純物のドーピングが可能であ
ることから、タンデム型太陽電池の短波長光変換のため
の太陽電池及びpあるいはn型ドーピングをして、太陽
電池の光入射膜(窓層)に用いられる。
従来、a−SiCXについてはモノシランと炭化水素との
混合ガスをグロー放電により分解して形成せられる方法
が広く知られている。しかしながらこの混合ガスを使う
方法の場合モノシランと炭化水素では、その分解に要す
るエネルギーは大きく異なるため、得られるa−SiCXの
組成や性質を制御することが困難であった。即ちモノシ
ランは分解されやすく、炭化水素は分解されにくいため
に所望のS/C比の膜を得るには分解条件はきわめて厳密
に制御されねばならなかった。
また光学バンドキャップを大きくすると暗導電度およ
び光導電度が低下する問題があり、その上pあるいはn
型不純物のドーピングにより効果的にpあるいはn型の
導電性を付与することは困難であった。
本発明者らは先にシリコン−炭素結合を有する化合物
をジシランとともにグロー放電分解することにより、広
い光学的バンドギャップを有し、かつ高い光導電度を有
する非品質シリコンカーバイド半導体薄膜を提案した
(特願昭59−247577)。本発明者はさらに検討した結
果、低温、低放電電力で良好な特性を有する非品質シリ
コンカーバイド半導体薄膜特にP型非晶質シリコンカー
バイド半導体薄膜(以下P−aSiC:H膜と略称する)を得
ることができた。
〔発明の開示〕
本発明は一般式Si(CH3nH4-n(n=1〜4)で表わ
されるメチルシラン、一般式SimH2m+2(m=1〜3)で
表わされるシラン及び不純物ガスをグロー放電分解して
得られる薄膜中の炭素含有量が10at%以下である半導体
薄膜である。
本発明において使用する一般式Si(CH3nH4-n(n=
1〜4)で表わされるメチルシランにはn=1,2,3及び
4に対応してそれぞれモノメチルシラン,ジメチルシラ
ン,トリメチルシラン及びテトラメチルシランがある。
また本発明において一般式SimH2m+2(m=1〜3)で
表わされるシランにはm=1,2及び3に対応してそれぞ
れモノシラン,ジシラン及びトリシランがある。
不純物ガスとしては半導体薄膜の導電型を変更するも
のであり、たとえばP型の導電性を付与するものには、
ジボラン(B2H6)、n型の導電性を付与するものにはフ
ォスフィン(PH3)がある。これらB2H6やPH3は水素やヘ
リウムで希釈して用いるのが好ましい。
本発明の特徴とするところは低温かつ低放電電力によ
るグロー放電分解で得られた良好な光学及び電気特性を
有するP−aSiC:H膜である。このためには好ましくは、
メチルシランにおいてはモノメチルシラン、ジメチルシ
ラン、トリメチルシラン;シランにおいてはジシラン;
不純物ガスにおいては水素又はヘリウムで希釈されたジ
ボランが用いられる。特に好ましくは本発明はジメチル
シラン、ジシラン及び水素又はヘリウムで希釈されたジ
ボランを低い放電電力でグロー放電分解し、250℃以下
に保持された基体上に形成されたP−aSiC:H膜である。
本発明のP−aSiC:H膜は10at%以下の炭素を膜中に含
有する。またグロー放電から得られる非晶質薄膜には水
素がとりこまれてシリコン原子の不対電子と結合してい
ることが当業者には知られているが、本発明ではこのシ
リコン原子と水素との結合様式はIRスペクトルからSiH2
又は(SiH2が大多数を占めていることが確認されて
いる。さらに本発明の薄膜は20at%を越える多量の結合
水素を含有している。従来技術においては本発明の如く
SiH2又は(SiH2および多量の水素が含有される非晶
質シリコン膜は電気的特性に劣るものとして実用に供さ
れなかったものである。然るに本発明者は前述の如く原
料の組成を選択することにより極めて特異な効果を見出
したものである。すなわち、その性質はたとえば炭素含
有量が高々3at%であるのに光学的バンドギャップは2.2
eVを越える広いものであることから明らかでありさらに
光導電度は10-6S/cmにも達するものもあり、暗導電度の
10倍以上の光導電度を示すものもあるのである。本発明
においては光学的バンドギャップは膜中の炭素含有量を
1〜10at%の間で、水素含有量を15〜60%の間で変更す
ることにより1.8eV〜2.5eVの間で変更することができ
る。
この場合、水素含有量の変更は基体の温度を変更する
ことにより行うことが出来る。多量の水素を効率よくと
り入れるために基体の温度は250℃以下に保持される。
好ましい効果を与える基体の温度は80℃以上、200℃以
下であり、特に好ましい基体の温度は100℃以上、160℃
以上である。
〔発明を実施するための好ましい形態〕
つぎに本発明の実施の態様について記す。
グロー放電可能な反応室中に半導体薄膜を形成すべき
基体を配置し、減厚下250℃以下の温度に加熱保持す
る。ついで、ジメチルシラン、ジシラン及び水素又はヘ
リウムで希釈されたジボランを導入し、圧力0.05〜2Tor
rにおいて放電電力1〜10wでグロー放電分解することに
より本発明の薄膜を得る。本発明においてジシラン等に
対するジメチルシラン等の添加割合は容量比で1/10〜2
であればよく、ジボラン等の添加量は通常のドーパント
と同様適宜決められる。
以下、実施例をあげてさらに具体的に本発明を説明す
る。
実施例−1 基板加熱手段、真空排気手段、ガス導入手段及び基板
を設置することのできる平行平板電極を有するグロー放
電室をもつ容量結合型高周波プラズマCVD(Chemical Va
por Deposition)装置の該基板設置部へ、結晶シリコン
板およびコーニング社製7059ガラス基板を設置した。油
拡散ポンプにより10-6Torr以下に真空排気しながら、該
基板設置部の温度(薄膜の形成温度)が150℃になるよ
うに加熱した。
ジメチルシラン、ジシラン、水素希釈1000ppmジボラ
ンをそれぞれ7,2,5及び100sccMを導入し、圧力0.56Torr
において放電電力1wでグロー放電した。45分間放置後放
電を停止し、冷却後薄膜が形成された該基板をとり出
し、膜厚、光学バンドギャップ、光導電度、暗導電度お
よび赤外吸収スペクトルを測定した。膜厚は5860Åであ
り、成膜速度は約2.2Å/秒であることがわかった。光
学的バンドギャップは分光光度計で薄膜の光吸収係数α
を測定した後、入射光のエネルギー(hν)に対して
(αhν)1/2をプロットし、その直線部分を外挿しh
ν軸との切片との値として求め、2.1eVが得られた。ま
たAM1、100mW/cm2照射下における光導電度は1.4×10-7S
/cm、暗導電度は6.2×10-8S/cmでp型の導電性を示し
た。
実施例2 本実施例では実施例1においてジメチルシラン流量を
1/2の3.6sccMとして基板設置部の温度を100℃にした例
である。
放電電力3w、圧力0.55Torrで25分間放電後放電を停止
し、冷却後実施例1と同様の測定をした。この結果成膜
速度4.7Å/秒、光学的バンドギャップ2.16eV、光導電
度8×10-8S/cm、暗導電度5×10-9S/cmを得た。
実施例1および2において炭素含有量を二次イオン質
量分析法によって求めたところそれぞれ3at%及び1.6at
%であった。赤外吸収スペクトルから求めた水素量は実
施例2の方が実施例1よりも大きくて約32at%であっ
た。いま、実施例2で得られた薄膜の方が光学的バンド
ギャップにおいて実施例1よりも大きいが、これは、本
発明の薄膜においては従来方法のシリコンカーバイド膜
と異ることを示すものである。
実施例3 実施例2において、ジメチルシラン流量を9sccmとし
た以外は、実施例2と同様な条件にて半導体薄膜を作製
し、かつ評価した。
実施例4 実施例2において、ジメチルシラン流量を6sccm、反
応応力を1.5torrとした以外は、実施例2と同様な条件
にて半導体薄膜を作製し、かつ評価した。
実施例5 実施例2において、ジメチルシラン流量を6sccm、反
応圧力を0.5torr、放電電力を5Wとした以外は、実施例
2と同様な条件にて半導体薄膜を作製し、かつ評価し
た。
比較例1 実施例2において、ジメチルシラン流量を0sccm(流
さない)とした以外は、実施例2と同様な条件にて半導
体薄膜を作製し、かつ評価した。
比較例2 実施例2において、ジメチルシラン流量を4sccm、放
電電力1Wとした以外は、実施例2と同様な条件にて半導
体薄膜を作製し、かつ評価した。
比較例3 実施例2において、ジメチルシラン流量を10sccm、反
応圧力を1.0torrとした以外は、実施例2と同様な条件
にて半導体薄膜を作製し、かつ評価した。
比較例4 実施例2において、ジメチルシラン流量を15sccm、反
応圧力を1.0torrとした以外は、実施例2と同様な条件
にて半導体薄膜を作製し、かつ評価した。
以上、実施例1〜実施例5の結果を第1表に、また比
較例1〜4の結果を第2表にまとめた。
実施例6 実施例1の方法と同様にして、p型半導体層20nmを、
ガラス板に酸化スズをコートした基板上に形成した後、
まず真性(i層)の非晶質シリコン層を0.5μ、続いて
n型半導体層50nmを形成し、アルミニウムを金属電極と
して形成し、太陽電池を作製した。太陽電池特性はAM−
1のソーラーシュミレータを用いて測定評価した。
実施例7 実施例2の方法によりp層を形成した以外は、実施例
6と同様にして太陽電池を作製し、同様にして特性を測
定評価した。
実施例8 実施例3の方法によりp層を形成した以外は、実施例
6と同様にして太陽電池を作製し、同様にして特性を測
定評価した。
比較例5 比較例3の方法によりp層を形成した以外は、実施例
6と同様にして太陽電池を作製し、同様にして特性を測
定評価した。
比較例6 比較例4の方法によりp層を形成した以外は、実施例
6と同様にして太陽電池を作製し、同様にして特性を測
定評価した。
以上、実施例6〜8および比較例5〜6の結果の結果
を第3表にまとめた。
第3表から明らかなごとく、炭素含有量が極めて少な
く10at%未満の本願発明にかかる半導体薄膜と、炭素含
有量が10%を大幅に越える比較例の半導体薄膜とは、そ
の特性上の差異が、薄膜の状態では必ずしも明確ではな
かったものが、太陽電池を形成したときは、光電変換効
率、曲線因子等の特性に格段の差異が生ずることがわか
る。比較例のごとき過剰の炭素を含有せしめた薄膜を、
窓材料とし、これに真性の活性層(i層)を積層して太
陽電池を形成した場合は、この過剰の炭素が、かなりi
層に移行することが避けられないであろうことは、当業
者に自明事項として当然予想されることであろう。いず
れにせよ、炭素含有量を比較例のごとく大量に含有せし
めた薄膜では、光学バンドギャップを広くすることは容
易であるが、常識的にいってもかかる過剰の炭素が、素
子の特性になんらかの悪影響を及ぼさない筈がないので
ある。
これに対して、炭素含有量を可能の限り低くしてい
る、本願発明にかかる薄膜では、当然のことながら、こ
のような問題は実質的に存在しないのである。
即ち本発明は薄膜の光学的特性として重要な性質であ
る光学的バンドギャップを炭素含有量及び水素含有量の
両方で制御できる便利さを備えるものである。
〔作用効果〕
本発明により得られる半導体薄膜は広い光学禁制帯巾
を有する故に、アモルファス太陽電池をはじめとする非
晶質光電変換素子の窓材料、バックコンタクト材料、タ
ンデム接合太陽電池において光入射側に配置される短波
長感度の良好な光電変換部の材料として用いるのに好適
であるほかに、非晶質シリコンを用いる各種のデバイス
に有用である。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式Si(CH3nH4-n(n=1〜4)で表
    されるメチルシラン、一般式SimH2m(m=1〜3)
    で表されるシランおよび不純物ガスをグロー放電分解し
    て得られる結合水素量を15〜60at%と多量に含むことに
    より特徴ずけられる薄膜にして、さらに炭素含有量が1a
    t%以上10at%未満であり、1.8〜2.5eVの広い光学バン
    ドギャップでかつ高い光導電度および暗導電度を有する
    ことを特徴とする非晶質光学変換素子の窓材料に適した
    半導体薄膜。
  2. 【請求項2】メチルシランがn=2であるところのジメ
    チルシランである特許請求の範囲第1項記載の半導体薄
    膜。
  3. 【請求項3】シランがm=2であらわされるところのジ
    シランである特許請求の範囲第1項記載の半導体薄膜。
  4. 【請求項4】不純物ガスが水素又はヘリウムで希釈され
    たジボランもしくはフェスフィンである特許請求の範囲
    第1項記載の半導体薄膜。
  5. 【請求項5】薄膜が250℃以下の温度に保持された基板
    上に形成される特許請求の範囲第1項記載の半導体薄
    膜。
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JPH06105794B2 (ja) * 1983-10-18 1994-12-21 株式会社半導体エネルギー研究所 炭化珪素半導体作製方法
JPS60154521A (ja) * 1984-01-23 1985-08-14 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 炭化珪素被膜作製方法

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