JP2686928B2 - シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体 - Google Patents
シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体Info
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
この発明は、電子回路に使用するための導電体に係
り、特にマイクロエレクトロニスクの範囲に属するもの
で、特殊な新しい原子的構造を備えた二種類の半導体材
料の混晶からなる薄膜導電体に関する。この新しい特殊
な複数種類の半導体混晶薄膜導電体は、半導体材料で成
るにも拘らず、比較的大きな導電率をもち、しかもその
温度係数が金属並みに小さく、他方では熱電能（ゼーベ
ック係数の大きさ）が半導体のように大きいという特徴
を備えていることが発見されたから、微細な熱電効果素
子を構成することができ、電力測定用のパワーセンサの
構成素材とすることができる。また、機械的ひずみ（あ
るいは応力）によってその抵抗が変化するエラスト抵抗
効果（あるいはピエゾ抵抗効果）を備えているから、ひ
ずみあるいは力のセンサの構成素材とすることができ
る。すなわち、各種のセンサ エレクトロニクス用素材
を提供するものである。 ［従来の技術］ センサ エレクトロニクス用素材として、各種の金
属，合金，単元素半導体，化合物半導体，半金属，アモ
ルファス材料などが数多く知られているところである。
従来のこの種の素材の特性を見ると、いずれも一つに特
長があると、他に欠点があるという具合であった。たと
えば、単元素半導体であるｐ形シリコンのピエゾ抵抗効
果は合金のニッケルクロムの102倍も大きいが、抵抗の
温度係数が103倍も大きいという具合であった。ゼーベ
ック係数と導電率あるいはその温度係数についても同様
なことが言える。 ［発明が解決しようとする問題点］ 半導体の特長であるセンサ エレクトロニクスに利用
したい優れた特性と、低抵抗（高導電率）およびその温
度係数が小さいという金属的性質をともに備え、ガラス
基板はじめあらゆる基板上に堆積でき、しかも加工がし
易いという生産技術上の要請をすべて備えたマイクロエ
レクトロニクス用導電体を実現することがこの発明の課
題である。 ［問題点を解決するための手段］ この発明では薄膜導電体として、シリコンとゲルマニ
ウムの混晶で成る微結晶相と、シリコンおよびゲルマニ
ウムのアモルファス相との混在するような相の素材が、
高い導電率をもち、その温度係数が小さく、しかも、大
きなゼーベック効果とエラスト抵抗（ピエゾ抵抗）効果
を示すという発明者により発見された事実を利用する。
すなわち、絶縁性をもつ基板上に、上記アモルファス相
と微結晶相とが混在するようなシリコンとゲルマニウム
の混晶で成る薄膜をマイクロエレクトロニクスの技法
（たとえばプラズマCVD法，光CVD法など）で作成し、そ
の薄膜の両端に一対の電極を備えて、電流の入・出力端
子を形成して、上記素材の電流現象（輸送現象）をセン
サに利用できる構造とする。 ［作用］ こうして作られたシリコンとゲルマニウムの混晶薄膜
導電体はたとえば、結晶化度（微結晶が全体に占める体
積割合）は10％から99％までと推定され、微結晶はシリ
コンとゲルマニウムの混晶であることが観測され、その
平均粒径は50Åから500Å程度と見込まれ、導電率は少
なくとも0.1S・cm-1以上であり、導電率の温度係数は１
％/K以下である。しかも、熱電能（セーベック係数）の
大きさは少なくとも10μV/Kを有し、エラスト抵抗効果
（ピエゾ抵抗効果）の大きさを示すゲージ率（抵抗変化
率／ひずみ）は少なくとも４を備えている。 ［実施例］ この発明の薄膜導電体をマイクロエレクトロニクスの
技法の一つであるCVD（Chemical Vapour Deposition）
法で製造する方法について述べる。市販のプラズマCVD
炉を用いる。熱CVD炉あるいは光CVD炉でも差支えない
し、製造装置は要するにアモルファス相を形成できるも
のであればよい。ここで説明する実施例では、ｐ形の導
電体を形成するものとする。なお、ｎ形も同様な方法で
形成できる。 炉内に導入する原料ガスはシラン（SiH4）とゲルマン
（GeH4）の混合ガスを用いる。ｐ形ドーパントとして水
素希釈のジボラン（B2H6）を添加する。堆積条件の一例
を表−１に示す。基板には少なくとも表面が絶縁性をも
つ基板、例えばガラス基板、マイカ、ポリミイドフィル
ムはじめ各種半導体基板もしくは表面が絶縁材で覆われ
た金属板が用いられる。 第１図は、表−１の条件でガラス基板上に堆積したア
モルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜のＸ線回折波形
を示す図である。図中、横軸は回折角２θを、又、縦軸
は回折強度（任意単位）を、（ref）はシリコンおよび
ゲルマニウム単体の結晶粉末試料の回折ピーク値のデー
タ（ASTMカードによる）をそれぞれ示す。又、波形A,B
およびＣは、放電パワーの大きさがそれぞれ15W,80W,30
0Wで堆積させた場合の各Ｘ線回折パターンである。放電
パワーが大きくなるに従って、堆積したアモルファスシ
リコン・ゲルマニウム膜は完全なアモルファス相から微
結晶相とアモルファス相とが混在した相に変化していく
ようすが示されている。又、（111），（220）および
（311）に鋭い回折ピークが表われており、（111），
（220）および（311）に強く配向していることが示され
ている。又、各回折パターンのピーク波形およびピーク
値の回折角よりシリコン・ゲルマニウム混晶相より構成
されていることが示されている。微結晶相とアモルファ
ス相とが混在したアモルファスシリコン・ゲルマニウム
薄膜の結晶化度は、Ｘ線回折パターンをアモルファス相
と微結晶相とに分離することにより、計算で求めること
ができる。手順の記述は省略する。 第２図は、アモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜
の結晶化度が放電パワー密度の大きさに依存することを
示す図で、Ｘ線回折パターンより求めた実験結果の一例
である。図中、横軸は放電パワー密度Pd（W/cm2）の大
きさを、縦軸は結晶化度V.F（％）をそれぞれ示してい
る。この実験結果では、放電パワー密度の大きさが0.1W
/cm2より大きくなると結晶化度が急激に増加しているこ
とが示されている。 第３図は、前記表−１の条件でガラス基板上に堆積し
たアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜のレーザラ
マンスペクトルの一例を示す図である。測定法としては
直角散乱法を用いた。図中、横軸はラマンシフト（c
m-1）を、縦軸はラマン強度（任意単位）をそれぞれ示
している。また、波形A,BおよびＣは、放電パワーの大
きさが15W,80Wおよび300Wでそれぞれ堆積させた場合の
各ラマンスペクトルである。波形Ａはブロードなパター
ンを示し、ガラス基板上に堆積されたアモルファスシリ
コン・ゲルマニウム薄膜が完全なアモルファス相より構
成されていることを、さらに、波形Ｂおよび波形Ｃは鋭
いピークを有することにより、微結晶相とアモルファス
相とが混在していることが示されている。これらの結果
は、第１図で示したＸ線回折パターンで得られた結果と
よく対応している。また、波形Ｂおよび波形Ｃにおける
ピーク値の各ラマンシフト量が290cm-1,400cm-1および4
90cm-1近辺に得られることにより、アモルファスシリコ
ン・ゲルマニウム薄膜はゲルマニウム−ゲルマニウム結
合，シリコン−ゲルマニウム結合およびシリコン−シリ
コン結合より構成されていることが示されている。又、
第１図で示したＸ線回折パターンと第３図で示したラマ
ンスペクトルより、アモルファスシリコン・ゲルマニウ
ム薄膜は、シリコン微結晶相のみあるいはゲルマニウム
微結晶相のみよりなるクラスターはほとんど存在せず、
シリコン・ゲルマニウム混晶よりなる微結晶相が構成さ
れていることが示されている。 第４図は、表−１の条件でガラス基板上に堆積したア
モルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の暗導電率およ
びゼーベック係数の測定に用いたサンプル形状を示す図
で、図中、１はガラス基板、２はアモルファスシリコン
・ゲルマニウム薄膜、３は白金薄膜、４はゼーベック係
数測定用サンプルをそれぞれ示す。測定に用いたアモル
ファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の膜厚は約１μｍで
ある。また、Ｔ＋ΔＴは温接点を、Ｔは冷接点を示す。
パターン形成は通常のホトリソグラフィ技術を用いて、
また、白金薄膜形成は真空蒸着法を用いた。 第５図は、第４図に示したゼーベック係数測定用サン
プル４を用いて得られたアモルファスシリコン・ゲルマ
ニウム薄膜の暗導電率の温度特性の一例を示す図であ
る。図中、横軸は、絶対温度の逆数（1/T）を、縦軸
は、暗導電（σD）をそれぞれ示している。波形Ａは放
電パワーの大きさ15Wで堆積したアモルファス相のみで
構成されるアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の
暗導電率の温度特性を示す図で、低温領域では(1/T)1/4
に比例し、高温領域では1/Ｔに比例することから、低温
領域ではホッピング伝導により、また、高温領域ではバ
ンド伝導により電気伝導機構が支配されている。これ
は、従来のアモルファスシリコン薄膜で得られている温
度特性の例と同じ傾向を示しているが、暗導電率の絶対
値の大きさが２〜３桁向上しているのが大きい特徴とい
える。波形Ｂおよび波形Ｃは放電パワーの大きさ80Wお
よび300Wで堆積した結晶化度が30％および90％の微結晶
相を含んだアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の
暗導電率の温度特性を示す図である。暗導電率の大きさ
が100S・cm-1以上と半金属に等しい程大きいことと共
に、温度による変化が１％/K以下と非常に小さいことが
大きな特徴といえる。このように暗導電率が温度変化に
よる影響を受け難いことは、ICチップ上等に微小な抵抗
体等を形成する上で極めて有利である。なお、図示しな
かったが、表−１による堆積条件で形成したアモルファ
スシリコン・ゲルマニウム薄膜では、暗導電率が1S・cm
-1以上のものでは、温度係数が１％/K以下と極めて小さ
いことが確認されている。 第６図は、第４図に示したゼーベック係数測定用サン
プル４を用いて測定したアモルファスシリコン・ゲルマ
ニウム薄膜の暗導電率−ゼーベック係数特性を示す図
で、横軸に暗導電率σD（Ｓ・cm-1）の大きさを、縦軸
にゼーベック係数α（μV/K）の大きさを示す。図中、
白丸印はアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜のゼ
ーベック係数の大きさを示す。なお、参考として従来得
られているアモルファスシリコン薄膜のゼーベック係数
を黒丸印で示した（特願昭57−052807で開示したデータ
である。）アモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜で
は、暗導電率σDが100S・cm-1以上におけるゼーベック
係数として100〜160（μV/K）と大きな値が示されてい
る。この値は、従来のアモルファスシリコン薄膜と比較
して１桁以上の改善がはかられている。このアモルファ
スシリコン・ゲルマニウム薄膜を用いれば、高性能な熱
電対はじめ高周波パワーセンサ，赤外線センサ，温度セ
ンサ等が構成でき幅広いセンサへの応用が期待できる。 また、第７図に示すひずみゲージ測定用サンプル９を
形成し、ゲージ率を測定した結果、４〜10以上のものが
得られている。なお、図中、５はガラス基板、６はアモ
ルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜、7,7′はオーミ
ック電極、8,8′はAuリボン線をそれぞれ示す。オーミ
ック電極材としてはニクロム・金多層薄膜を用いてい
る。又、矢印はひずみゲージ測定のため、外部より加え
た応力の方向を示している。 以上で述べたアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄
膜のプラズマCVD法による堆積条件は、SiH4／GeH4の流
量比、放電圧力、放電パワー、基板温度に依存すること
が確認されており、表−１に示した以外でも形成でき、
次に示すような範囲内で、例えばSiH4／GeH4＝０〜100,
放電圧力0.5〜10（Torr），放電パワー密度0.1〜10W/cm
2，基板温度300〜500℃で形成できる。又、光CVD法にお
いては、低温形成、例えば基板温度が200℃前後でも形
成できる。 ［効果］ 以上詳説したように、本発明によるアモルファスシリ
コン・ゲルマニウム薄膜導電体は、シリコン・ゲルマニ
ウム混晶よりなるアモルファス相と微結晶相とを混在さ
せることにより、次に示すような固有の効果を有する。 （１）暗導電率が1S・cm-1以上（最大値700S・cm-1）と
大きな値が得られるので小形な抵抗体を絶縁基板上に形
成できる。 （２）暗導電率が100S・cm-1以上でもゼーベック係数が
100〜160μV/K以上あるので、高性能な熱電対，高周波
パワーセンサ，赤外線センサ，温度センサ等を構成する
ことができる。 （３）暗導電率が100S・cm-1以上と大きいのにかかわら
ず、ゲージ率が４〜10以上と大きいので、高性能な歪み
センサ，圧力センサ，ロードセル，タッチセンサを構成
できる。 （４）暗導電率の温度係数が１％/K以下と非常に小さい
ので、温度補償を必要としない抵抗体はじめ高周波パワ
ーセンサ，赤外線センサ，歪みセンサ，圧力センサ，ロ
ードセル等を構成できる。 （５）プラズマCVD法等比較的簡単な方法で形成でき、
かつ、結晶化度、暗導電率等を容易に制御でき、かつ、
ICプロセスと両立するので、従来のICの中に、温度セン
サ，歪みセンサ，圧力センサ等を容易に組み込むことが
できるので高機能ICを構成できる。又、温度センサ，歪
みセンサ等を組み合わせた三次元センサを容易に、か
つ、安価に構成できる。 （６）薄膜形成技術により、いろいろな絶縁性基板上
に、広い面積で自由な平面形状にわたり導電体を形成で
きる。 この発明の技術の効果と先行技術に開示された技術の
効果とを対比させると、つぎのようなことが言える。 特公昭39−30327号公報に開示された熱電装置は、シ
リコン・ゲルマニウム合金のゼーベック効果について説
明する。とくに、ここで開示されている材料は、いわゆ
るパルク材料（合金）であって、アモルファス相と微結
晶相とが混在するような混晶の薄膜を示唆するところが
ないところ、本願の発明は、アモルファス相と微結晶相
とが混在するような…混晶の…薄膜導電体を用いて、少
なくとも1S・cm-1の導電率、少なくとも10μV/Kの熱電
能、及び１％/K以下の導電率の温度係数を有するように
している。 特公昭53−95588号公報に開示されたサーモパイルの
製法は、シリコン・ゲルマニウム合金材料を用いたサー
モパイルの製法を示している。しかし、の場合と同様
に、特許請求の範囲に記載したような性質と特徴とをも
つシリコンとゲルマニウムとの混晶でなる薄膜導電体を
示唆するところはない。 特開昭60−126878号公報に開示された熱発電素子の製
造方法はアモルファス溶射膜を用いた熱発電素子の製造
方法である。 本願発明ではシリコン・ゲルマニウム系の混晶薄膜が
本願出願前には知られていなかったことに鑑みて、CVD
法を適用して、アモルファス相と微結晶相とが混在する
ような混晶でなり、しかもエレクトロニクス応用に適し
た特性をもつ混晶薄膜導電体を、シリコン・ゲルマニウ
ム混晶で得た点に特徴がある。
り、特にマイクロエレクトロニスクの範囲に属するもの
で、特殊な新しい原子的構造を備えた二種類の半導体材
料の混晶からなる薄膜導電体に関する。この新しい特殊
な複数種類の半導体混晶薄膜導電体は、半導体材料で成
るにも拘らず、比較的大きな導電率をもち、しかもその
温度係数が金属並みに小さく、他方では熱電能（ゼーベ
ック係数の大きさ）が半導体のように大きいという特徴
を備えていることが発見されたから、微細な熱電効果素
子を構成することができ、電力測定用のパワーセンサの
構成素材とすることができる。また、機械的ひずみ（あ
るいは応力）によってその抵抗が変化するエラスト抵抗
効果（あるいはピエゾ抵抗効果）を備えているから、ひ
ずみあるいは力のセンサの構成素材とすることができ
る。すなわち、各種のセンサ エレクトロニクス用素材
を提供するものである。 ［従来の技術］ センサ エレクトロニクス用素材として、各種の金
属，合金，単元素半導体，化合物半導体，半金属，アモ
ルファス材料などが数多く知られているところである。
従来のこの種の素材の特性を見ると、いずれも一つに特
長があると、他に欠点があるという具合であった。たと
えば、単元素半導体であるｐ形シリコンのピエゾ抵抗効
果は合金のニッケルクロムの102倍も大きいが、抵抗の
温度係数が103倍も大きいという具合であった。ゼーベ
ック係数と導電率あるいはその温度係数についても同様
なことが言える。 ［発明が解決しようとする問題点］ 半導体の特長であるセンサ エレクトロニクスに利用
したい優れた特性と、低抵抗（高導電率）およびその温
度係数が小さいという金属的性質をともに備え、ガラス
基板はじめあらゆる基板上に堆積でき、しかも加工がし
易いという生産技術上の要請をすべて備えたマイクロエ
レクトロニクス用導電体を実現することがこの発明の課
題である。 ［問題点を解決するための手段］ この発明では薄膜導電体として、シリコンとゲルマニ
ウムの混晶で成る微結晶相と、シリコンおよびゲルマニ
ウムのアモルファス相との混在するような相の素材が、
高い導電率をもち、その温度係数が小さく、しかも、大
きなゼーベック効果とエラスト抵抗（ピエゾ抵抗）効果
を示すという発明者により発見された事実を利用する。
すなわち、絶縁性をもつ基板上に、上記アモルファス相
と微結晶相とが混在するようなシリコンとゲルマニウム
の混晶で成る薄膜をマイクロエレクトロニクスの技法
（たとえばプラズマCVD法，光CVD法など）で作成し、そ
の薄膜の両端に一対の電極を備えて、電流の入・出力端
子を形成して、上記素材の電流現象（輸送現象）をセン
サに利用できる構造とする。 ［作用］ こうして作られたシリコンとゲルマニウムの混晶薄膜
導電体はたとえば、結晶化度（微結晶が全体に占める体
積割合）は10％から99％までと推定され、微結晶はシリ
コンとゲルマニウムの混晶であることが観測され、その
平均粒径は50Åから500Å程度と見込まれ、導電率は少
なくとも0.1S・cm-1以上であり、導電率の温度係数は１
％/K以下である。しかも、熱電能（セーベック係数）の
大きさは少なくとも10μV/Kを有し、エラスト抵抗効果
（ピエゾ抵抗効果）の大きさを示すゲージ率（抵抗変化
率／ひずみ）は少なくとも４を備えている。 ［実施例］ この発明の薄膜導電体をマイクロエレクトロニクスの
技法の一つであるCVD（Chemical Vapour Deposition）
法で製造する方法について述べる。市販のプラズマCVD
炉を用いる。熱CVD炉あるいは光CVD炉でも差支えない
し、製造装置は要するにアモルファス相を形成できるも
のであればよい。ここで説明する実施例では、ｐ形の導
電体を形成するものとする。なお、ｎ形も同様な方法で
形成できる。 炉内に導入する原料ガスはシラン（SiH4）とゲルマン
（GeH4）の混合ガスを用いる。ｐ形ドーパントとして水
素希釈のジボラン（B2H6）を添加する。堆積条件の一例
を表−１に示す。基板には少なくとも表面が絶縁性をも
つ基板、例えばガラス基板、マイカ、ポリミイドフィル
ムはじめ各種半導体基板もしくは表面が絶縁材で覆われ
た金属板が用いられる。 第１図は、表−１の条件でガラス基板上に堆積したア
モルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜のＸ線回折波形
を示す図である。図中、横軸は回折角２θを、又、縦軸
は回折強度（任意単位）を、（ref）はシリコンおよび
ゲルマニウム単体の結晶粉末試料の回折ピーク値のデー
タ（ASTMカードによる）をそれぞれ示す。又、波形A,B
およびＣは、放電パワーの大きさがそれぞれ15W,80W,30
0Wで堆積させた場合の各Ｘ線回折パターンである。放電
パワーが大きくなるに従って、堆積したアモルファスシ
リコン・ゲルマニウム膜は完全なアモルファス相から微
結晶相とアモルファス相とが混在した相に変化していく
ようすが示されている。又、（111），（220）および
（311）に鋭い回折ピークが表われており、（111），
（220）および（311）に強く配向していることが示され
ている。又、各回折パターンのピーク波形およびピーク
値の回折角よりシリコン・ゲルマニウム混晶相より構成
されていることが示されている。微結晶相とアモルファ
ス相とが混在したアモルファスシリコン・ゲルマニウム
薄膜の結晶化度は、Ｘ線回折パターンをアモルファス相
と微結晶相とに分離することにより、計算で求めること
ができる。手順の記述は省略する。 第２図は、アモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜
の結晶化度が放電パワー密度の大きさに依存することを
示す図で、Ｘ線回折パターンより求めた実験結果の一例
である。図中、横軸は放電パワー密度Pd（W/cm2）の大
きさを、縦軸は結晶化度V.F（％）をそれぞれ示してい
る。この実験結果では、放電パワー密度の大きさが0.1W
/cm2より大きくなると結晶化度が急激に増加しているこ
とが示されている。 第３図は、前記表−１の条件でガラス基板上に堆積し
たアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜のレーザラ
マンスペクトルの一例を示す図である。測定法としては
直角散乱法を用いた。図中、横軸はラマンシフト（c
m-1）を、縦軸はラマン強度（任意単位）をそれぞれ示
している。また、波形A,BおよびＣは、放電パワーの大
きさが15W,80Wおよび300Wでそれぞれ堆積させた場合の
各ラマンスペクトルである。波形Ａはブロードなパター
ンを示し、ガラス基板上に堆積されたアモルファスシリ
コン・ゲルマニウム薄膜が完全なアモルファス相より構
成されていることを、さらに、波形Ｂおよび波形Ｃは鋭
いピークを有することにより、微結晶相とアモルファス
相とが混在していることが示されている。これらの結果
は、第１図で示したＸ線回折パターンで得られた結果と
よく対応している。また、波形Ｂおよび波形Ｃにおける
ピーク値の各ラマンシフト量が290cm-1,400cm-1および4
90cm-1近辺に得られることにより、アモルファスシリコ
ン・ゲルマニウム薄膜はゲルマニウム−ゲルマニウム結
合，シリコン−ゲルマニウム結合およびシリコン−シリ
コン結合より構成されていることが示されている。又、
第１図で示したＸ線回折パターンと第３図で示したラマ
ンスペクトルより、アモルファスシリコン・ゲルマニウ
ム薄膜は、シリコン微結晶相のみあるいはゲルマニウム
微結晶相のみよりなるクラスターはほとんど存在せず、
シリコン・ゲルマニウム混晶よりなる微結晶相が構成さ
れていることが示されている。 第４図は、表−１の条件でガラス基板上に堆積したア
モルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の暗導電率およ
びゼーベック係数の測定に用いたサンプル形状を示す図
で、図中、１はガラス基板、２はアモルファスシリコン
・ゲルマニウム薄膜、３は白金薄膜、４はゼーベック係
数測定用サンプルをそれぞれ示す。測定に用いたアモル
ファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の膜厚は約１μｍで
ある。また、Ｔ＋ΔＴは温接点を、Ｔは冷接点を示す。
パターン形成は通常のホトリソグラフィ技術を用いて、
また、白金薄膜形成は真空蒸着法を用いた。 第５図は、第４図に示したゼーベック係数測定用サン
プル４を用いて得られたアモルファスシリコン・ゲルマ
ニウム薄膜の暗導電率の温度特性の一例を示す図であ
る。図中、横軸は、絶対温度の逆数（1/T）を、縦軸
は、暗導電（σD）をそれぞれ示している。波形Ａは放
電パワーの大きさ15Wで堆積したアモルファス相のみで
構成されるアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の
暗導電率の温度特性を示す図で、低温領域では(1/T)1/4
に比例し、高温領域では1/Ｔに比例することから、低温
領域ではホッピング伝導により、また、高温領域ではバ
ンド伝導により電気伝導機構が支配されている。これ
は、従来のアモルファスシリコン薄膜で得られている温
度特性の例と同じ傾向を示しているが、暗導電率の絶対
値の大きさが２〜３桁向上しているのが大きい特徴とい
える。波形Ｂおよび波形Ｃは放電パワーの大きさ80Wお
よび300Wで堆積した結晶化度が30％および90％の微結晶
相を含んだアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の
暗導電率の温度特性を示す図である。暗導電率の大きさ
が100S・cm-1以上と半金属に等しい程大きいことと共
に、温度による変化が１％/K以下と非常に小さいことが
大きな特徴といえる。このように暗導電率が温度変化に
よる影響を受け難いことは、ICチップ上等に微小な抵抗
体等を形成する上で極めて有利である。なお、図示しな
かったが、表−１による堆積条件で形成したアモルファ
スシリコン・ゲルマニウム薄膜では、暗導電率が1S・cm
-1以上のものでは、温度係数が１％/K以下と極めて小さ
いことが確認されている。 第６図は、第４図に示したゼーベック係数測定用サン
プル４を用いて測定したアモルファスシリコン・ゲルマ
ニウム薄膜の暗導電率−ゼーベック係数特性を示す図
で、横軸に暗導電率σD（Ｓ・cm-1）の大きさを、縦軸
にゼーベック係数α（μV/K）の大きさを示す。図中、
白丸印はアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜のゼ
ーベック係数の大きさを示す。なお、参考として従来得
られているアモルファスシリコン薄膜のゼーベック係数
を黒丸印で示した（特願昭57−052807で開示したデータ
である。）アモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜で
は、暗導電率σDが100S・cm-1以上におけるゼーベック
係数として100〜160（μV/K）と大きな値が示されてい
る。この値は、従来のアモルファスシリコン薄膜と比較
して１桁以上の改善がはかられている。このアモルファ
スシリコン・ゲルマニウム薄膜を用いれば、高性能な熱
電対はじめ高周波パワーセンサ，赤外線センサ，温度セ
ンサ等が構成でき幅広いセンサへの応用が期待できる。 また、第７図に示すひずみゲージ測定用サンプル９を
形成し、ゲージ率を測定した結果、４〜10以上のものが
得られている。なお、図中、５はガラス基板、６はアモ
ルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜、7,7′はオーミ
ック電極、8,8′はAuリボン線をそれぞれ示す。オーミ
ック電極材としてはニクロム・金多層薄膜を用いてい
る。又、矢印はひずみゲージ測定のため、外部より加え
た応力の方向を示している。 以上で述べたアモルファスシリコン・ゲルマニウム薄
膜のプラズマCVD法による堆積条件は、SiH4／GeH4の流
量比、放電圧力、放電パワー、基板温度に依存すること
が確認されており、表−１に示した以外でも形成でき、
次に示すような範囲内で、例えばSiH4／GeH4＝０〜100,
放電圧力0.5〜10（Torr），放電パワー密度0.1〜10W/cm
2，基板温度300〜500℃で形成できる。又、光CVD法にお
いては、低温形成、例えば基板温度が200℃前後でも形
成できる。 ［効果］ 以上詳説したように、本発明によるアモルファスシリ
コン・ゲルマニウム薄膜導電体は、シリコン・ゲルマニ
ウム混晶よりなるアモルファス相と微結晶相とを混在さ
せることにより、次に示すような固有の効果を有する。 （１）暗導電率が1S・cm-1以上（最大値700S・cm-1）と
大きな値が得られるので小形な抵抗体を絶縁基板上に形
成できる。 （２）暗導電率が100S・cm-1以上でもゼーベック係数が
100〜160μV/K以上あるので、高性能な熱電対，高周波
パワーセンサ，赤外線センサ，温度センサ等を構成する
ことができる。 （３）暗導電率が100S・cm-1以上と大きいのにかかわら
ず、ゲージ率が４〜10以上と大きいので、高性能な歪み
センサ，圧力センサ，ロードセル，タッチセンサを構成
できる。 （４）暗導電率の温度係数が１％/K以下と非常に小さい
ので、温度補償を必要としない抵抗体はじめ高周波パワ
ーセンサ，赤外線センサ，歪みセンサ，圧力センサ，ロ
ードセル等を構成できる。 （５）プラズマCVD法等比較的簡単な方法で形成でき、
かつ、結晶化度、暗導電率等を容易に制御でき、かつ、
ICプロセスと両立するので、従来のICの中に、温度セン
サ，歪みセンサ，圧力センサ等を容易に組み込むことが
できるので高機能ICを構成できる。又、温度センサ，歪
みセンサ等を組み合わせた三次元センサを容易に、か
つ、安価に構成できる。 （６）薄膜形成技術により、いろいろな絶縁性基板上
に、広い面積で自由な平面形状にわたり導電体を形成で
きる。 この発明の技術の効果と先行技術に開示された技術の
効果とを対比させると、つぎのようなことが言える。 特公昭39−30327号公報に開示された熱電装置は、シ
リコン・ゲルマニウム合金のゼーベック効果について説
明する。とくに、ここで開示されている材料は、いわゆ
るパルク材料（合金）であって、アモルファス相と微結
晶相とが混在するような混晶の薄膜を示唆するところが
ないところ、本願の発明は、アモルファス相と微結晶相
とが混在するような…混晶の…薄膜導電体を用いて、少
なくとも1S・cm-1の導電率、少なくとも10μV/Kの熱電
能、及び１％/K以下の導電率の温度係数を有するように
している。 特公昭53−95588号公報に開示されたサーモパイルの
製法は、シリコン・ゲルマニウム合金材料を用いたサー
モパイルの製法を示している。しかし、の場合と同様
に、特許請求の範囲に記載したような性質と特徴とをも
つシリコンとゲルマニウムとの混晶でなる薄膜導電体を
示唆するところはない。 特開昭60−126878号公報に開示された熱発電素子の製
造方法はアモルファス溶射膜を用いた熱発電素子の製造
方法である。 本願発明ではシリコン・ゲルマニウム系の混晶薄膜が
本願出願前には知られていなかったことに鑑みて、CVD
法を適用して、アモルファス相と微結晶相とが混在する
ような混晶でなり、しかもエレクトロニクス応用に適し
た特性をもつ混晶薄膜導電体を、シリコン・ゲルマニウ
ム混晶で得た点に特徴がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、アモルファスシリコン・ゲルマニウム薄膜の
Ｘ線回折パターンを示す図、第２図は、結晶化度の放電
パワー依存性を示す図、第３図はレーザラマンスペクト
ルを示す図、第４図はゼーベック係数測定用サンプル４
を示す図、第５図は暗導電率の温度依存性を示す図、第
６図は暗導電率−ゼーベック係数特性を示す図、第７図
は歪みゲージ測定用サンプル９を示す図である。 図中、1,5は各ガラス基板、2,6はアモルファスシリコン
・ゲルマニウム薄膜、３は白金電極、４はゼーベック係
数測定用サンプル、7,7′はオーミック電極、8,8′はAu
リボン線、９は歪みゲージ測定用サンプルをそれぞれ示
す。
Ｘ線回折パターンを示す図、第２図は、結晶化度の放電
パワー依存性を示す図、第３図はレーザラマンスペクト
ルを示す図、第４図はゼーベック係数測定用サンプル４
を示す図、第５図は暗導電率の温度依存性を示す図、第
６図は暗導電率−ゼーベック係数特性を示す図、第７図
は歪みゲージ測定用サンプル９を示す図である。 図中、1,5は各ガラス基板、2,6はアモルファスシリコン
・ゲルマニウム薄膜、３は白金電極、４はゼーベック係
数測定用サンプル、7,7′はオーミック電極、8,8′はAu
リボン線、９は歪みゲージ測定用サンプルをそれぞれ示
す。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．絶縁性基板と、 該基板上に形成され，アモルファス相と微結晶相とが混
在するようなシリコンとゲルマニウムの混晶で成り，少
なくとも1S・cm-1の導電率、少なくとも10μV/Kの熱電
能及び１％/K以下の導電率の温度係数を有する薄膜と、
該薄膜に電流を入出力するための一対の電極とを備えた
シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60186900A JP2686928B2 (ja) | 1985-08-26 | 1985-08-26 | シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体 |
| US06/896,131 US4835059A (en) | 1985-08-26 | 1986-08-12 | Thin film conductor which contains silicon and germanium as major components and method of manufacturing the same |
| GB08620261A GB2179790B (en) | 1985-08-26 | 1986-08-20 | Thin film conductor which contains silicon and germanium as major components and method of manufacturing the same |
| DE3628513A DE3628513C2 (de) | 1985-08-26 | 1986-08-22 | Dünnfilmleiter und Verfahren zu seiner Herstellung |
| FR868612090A FR2586505B1 (fr) | 1985-08-26 | 1986-08-26 | Conducteur electrique en couche mince et son procede de fabrication |
| US07/068,273 US4766008A (en) | 1985-08-26 | 1987-06-30 | Method of manufacturing thin film conductor which contains silicon and germanium as major components |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60186900A JP2686928B2 (ja) | 1985-08-26 | 1985-08-26 | シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6247177A JPS6247177A (ja) | 1987-02-28 |
| JP2686928B2 true JP2686928B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=16196645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60186900A Expired - Lifetime JP2686928B2 (ja) | 1985-08-26 | 1985-08-26 | シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US4835059A (ja) |
| JP (1) | JP2686928B2 (ja) |
| DE (1) | DE3628513C2 (ja) |
| FR (1) | FR2586505B1 (ja) |
| GB (1) | GB2179790B (ja) |
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