JP3059796B2 - Method for producing polycrystalline germanium film and photoelectric conversion device using the same - Google Patents

Method for producing polycrystalline germanium film and photoelectric conversion device using the same

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JP3059796B2
JP3059796B2 JP3251745A JP25174591A JP3059796B2 JP 3059796 B2 JP3059796 B2 JP 3059796B2 JP 3251745 A JP3251745 A JP 3251745A JP 25174591 A JP25174591 A JP 25174591A JP 3059796 B2 JP3059796 B2 JP 3059796B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶ゲルマニューム
膜の製造方法及びこの多結晶ゲルマニューム膜を光活性
層とした光電変換装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a polycrystalline germanium film and a photoelectric conversion device using the polycrystalline germanium film as a photoactive layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】ゲルマニューム半導体はバンドギャップ
が狭いという特徴を有することから、従来のシリコンに
はない種々の特徴ある応用がなされている。
2. Description of the Related Art Germanium semiconductors have the characteristic of having a narrow band gap, and thus have been applied to various characteristic applications not found in conventional silicon.

【0003】このバンドギャッブが狭いことはシリコン
に比べて長波長光の感度に対して優れることとなり、例
えば、短波長光から長波長光領域までの各種波長を包括
的に利用しようとして提案されている積層型太陽電池に
あっては光入射側から見て最終段の太陽電池用半導体材
料としてこのゲルマニューム半導体が利用されている
(参考文献Proc. of the 21st IEEE photovoltaic Spec
ialist Conf. Florida(1990.5月)p.73〜78)。又センサ
にあっては赤外線領域の受光素子の感光部として利用さ
れている。
[0003] The narrow bandgap is superior to the sensitivity of long-wavelength light as compared with silicon. For example, it has been proposed to comprehensively use various wavelengths from short-wavelength light to long-wavelength light. In a stacked solar cell, this germanium semiconductor is used as a semiconductor material for a solar cell at the final stage when viewed from the light incident side (Proc. Of the 21st IEEE photovoltaic Spec).
ialist Conf. Florida (1990.5) p.73-78). Further, the sensor is used as a photosensitive portion of a light receiving element in an infrared region.

【0004】この他に、ゲルマニューム半導体では大き
なゲージ率を有することや、他の金属と合金化した時に
小さな熱伝導率を示すことなどの特徴があることから、
歪みセンサや熱電変換素子等としての利用も期待されて
いる。近年では斯様なゲルマニューム半導体を薄膜状態
としてデバイス材料に使用しようとする研究が積極的に
進められている。
[0004] In addition, germanium semiconductors are characterized by having a large gauge factor and exhibiting small thermal conductivity when alloyed with other metals.
It is also expected to be used as a strain sensor, a thermoelectric conversion element, and the like. In recent years, research to use such a germanium semiconductor in a thin film state as a device material has been actively advanced.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、ゲルマニュ
ーム半導体も他の半導体材料と同様に、薄膜で且つ高品
質な特性を有するように形成することには多くの問題が
ある。
However, there are many problems in forming a germanium semiconductor as a thin film and having high quality characteristics, like other semiconductor materials.

【0006】つまり、薄膜状態のゲルマニューム膜を形
成することは結局非晶質状態あるいは多結晶状態のゲル
マニューム膜を形成することとなり、特性面として単結
晶ゲルマニュームよりも劣ったものとなってしまうこと
は否めない。
That is, forming a germanium film in a thin film state results in formation of a germanium film in an amorphous state or a polycrystalline state, which is inferior in characteristics to a single crystal germanium. can not deny.

【0007】また製造面としては、単結晶ゲルマニュー
ムほどの高温を要しないものの膜質の向上を図ることは
いきおい製造過程で高温化の傾向をたどることとなる。
このことは、薄膜状態のゲルマニューム膜を支持する基
板材料の選択の余地を狭ることとなり基板材料の高コス
ト化を引き起こす。
On the manufacturing side, high temperature is not required as much as single crystal germanium, but improving the film quality follows the tendency of high temperature during the manufacturing process.
This narrows the room for selection of a substrate material that supports the germanium film in a thin film state, and increases the cost of the substrate material.

【0008】このため、多結晶ゲルマニューム膜の製造
方法として近年特に研究が盛んな非晶質半導体を熱処理
することで多結晶化させる、所謂固相成長法でもその熱
処理工程の低温化が重要な研究課題となっている。
For this reason, as a method for producing a polycrystalline germanium film, an amorphous semiconductor, which has been particularly studied in recent years, is subjected to heat treatment to polycrystallize it. It has become a challenge.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、支持基板上に非晶質ゲルマニューム膜を基板温度
が315℃以上345℃以下の範囲内で形成する工程
と、前記非晶質ゲルマニューム膜を、結晶面(111)
のX線回折ピーク強度が結晶面(220)のそれより少
なくとも同等若しくはそれ以上となる条件で熱処理する
ことにより多結晶化する工程とからなる多結晶ゲルマニ
ューム膜の製造方法であり、ことに上記基板温度範囲を
320℃以上340℃以下が最適な製造方法にあり、ま
たこの製造方法で形成された多結晶ゲルマニューム膜を
少なくとも一部に使用する光活性層を備えた光電変換装
置にある。
A feature of the present invention is that a step of forming an amorphous germanium film on a supporting substrate at a substrate temperature of 315 ° C. to 345 ° C. The germanium film is placed on the crystal face (111).
Has a lower X-ray diffraction peak intensity than that of the crystal plane (220).
A polycrystallized germanium film by heat-treating under conditions that are at least equal to or higher than the above, wherein the optimal substrate temperature range is 320 ° C. to 340 ° C. And a photovoltaic device provided with a photoactive layer using at least a part of the polycrystalline germanium film formed by this manufacturing method.

【0010】[0010]

【作用】本発明によれば、支持基板上に基板温度が31
5℃以上345℃以下の範囲内で形成された前記非晶質
ゲルマニューム膜を、結晶面(111)のX線回折ピー
ク強度が結晶面(220)のそれより少なくとも同等若
しくはそれ以上となる条件で熱処理することによって得
られる多結晶ゲルマニューム膜は、その熱処理温度が従
来よりも低温であるにもかかわらず良質な半導体膜を得
ることができる。
According to the present invention, the temperature of the substrate is set at 31 on the supporting substrate.
The amorphous germanium film formed in the range of 5 ° C. or more and 345 ° C. or less is subjected to an X-ray diffraction peak of a crystal plane (111).
The crystal strength is at least equal to that of the crystal plane (220).
Alternatively, the polycrystalline germanium film obtained by performing the heat treatment under the above conditions can obtain a high-quality semiconductor film even though the heat treatment temperature is lower than the conventional temperature.

【0011】特に特徴的な作用としては、その温度範囲
で形成された非晶質ゲルマニューム膜は熱処理後の回折
ピークとして結晶面(111)の急峻なピークが得られ
多結晶粒も大きいものが得られる。
As a characteristic feature, in the amorphous germanium film formed in the temperature range, a sharp peak of the crystal plane (111) is obtained as a diffraction peak after the heat treatment, and a large polycrystalline grain is obtained. Can be

【0012】[0012]

【実施例】図1は、本発明多結晶ゲルマニューム膜製造
方法の製造工程を説明するための工程別素子構造図であ
る。同図(a)に示される第1工程では、石英やノン・
アルカリガラスなどの支持基板(1)上にプラズマCVD
法によって形成された非晶質ゲルマニューム膜(2)を3
000Å形成する。斯る非晶質ゲルマニューム膜(2)は
多結晶ゲルマニューム膜を形成するための出発材料とな
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram showing an element structure for each process for explaining a manufacturing process of a polycrystalline germanium film manufacturing method according to the present invention. In the first step shown in FIG.
Plasma CVD on a support substrate (1) such as alkali glass
The amorphous germanium film (2) formed by
000 mm. Such an amorphous germanium film (2) is a starting material for forming a polycrystalline germanium film.

【0013】斯る工程で重要な要素となっている基板温
度は、315℃以上345℃以下の範囲内となるように
調整されている。本例で採用したプラズマCVD法の形
成条件としては、前述した基板温度の他にゲルマン(G
4)流量を40SCCM,高周波放電電力を30mW/c
2、放電時真空度を0.15Torrとしている。
The substrate temperature, which is an important factor in such a process, is adjusted to be in the range of 315 ° C. or more and 345 ° C. or less. The formation conditions of the plasma CVD method employed in this example include, besides the above-mentioned substrate temperature, germane (G
H 4 ) Flow rate 40 SCCM, high frequency discharge power 30 mW / c
m 2 , and the degree of vacuum during discharge is 0.15 Torr.

【0014】次に同図(b)に示される第2工程では、
非晶質ゲルマニューム膜(2)が形成された支持基板(1)を
窒素雰囲気中に放置し350℃で熱処理する。
Next, in a second step shown in FIG.
The support substrate (1) on which the amorphous germanium film (2) is formed is left in a nitrogen atmosphere and heat-treated at 350 ° C.

【0015】この熱処理によって、非晶質ゲルマニュー
ム膜(2)は良質な多結晶ゲルマニューム膜(3)に変質す
る。
By this heat treatment, the amorphous germanium film (2) is transformed into a high-quality polycrystalline germanium film (3).

【0016】[0016]

【表1】 [Table 1]

【0017】表1は、本実施例で使用したプラズマCV
D法による非晶質ゲルマニューム膜の形成条件を示す。
なお、本例では非晶質ゲルマニューム膜の形成方法とし
てプラズマCVD法を使用したが、本発明製造方法はこ
れに限られるものではなくそのほかのスパッタ法や、蒸
着法等にあっても形成時の基板温度を上記範囲に設定す
ることによって、全く同様に行える。
Table 1 shows the plasma CV used in this embodiment.
The conditions for forming an amorphous germanium film by Method D are shown.
In this example, a plasma CVD method was used as a method for forming an amorphous germanium film. However, the manufacturing method of the present invention is not limited to this, and other sputtering methods, vapor deposition methods, and the like may be used. By setting the substrate temperature within the above range, the same can be achieved.

【0018】更に本例では熱処理温度を350℃、熱処
理時間を2時間としたが、この熱処理条件は、比較的短
時間での処理を考慮して設定したが、たとえば熱処理時
間を長くすることが許容される場合にあっては、熱処理
温度を非晶質ゲルマニューム膜の形成温度と同じ値に設
定してもよい。
Furthermore, in this example, the heat treatment temperature was 350 ° C. and the heat treatment time was 2 hours. The heat treatment conditions were set in consideration of the treatment in a relatively short time. If allowable, the heat treatment temperature may be set to the same value as the temperature for forming the amorphous germanium film.

【0019】また熱処理時の雰囲気ガスとしては、本例
では窒素を使用したがこの他にアルゴン、ヘリウムなど
の不活性ガスを用いてもよく、あるいはこれら不活性ガ
スを使用せず単に高真空状態にした槽の中で熱処理を行
っても同様の多結晶ゲルマニューム膜が得られる。
As the atmosphere gas for the heat treatment, nitrogen was used in this embodiment, but an inert gas such as argon or helium may be used in addition to this, or a high vacuum state may be used without using these inert gases. A similar polycrystalline germanium film can be obtained by performing a heat treatment in a reduced tank.

【0020】以下では、この多結晶ゲルマニューム膜
(3)を形成する際の熱処理温度と、出発材料である非晶
質ゲルマニューム膜(2)の形成温度との相関について説
明するが、いずれも試料としてはプラズマCVD法によ
る非晶質ゲルマニューム膜を使用した。
Hereinafter, the polycrystalline germanium film will be described.
The correlation between the heat treatment temperature when forming (3) and the formation temperature of the amorphous germanium film (2) as a starting material will be described. In each case, an amorphous germanium film formed by a plasma CVD method is used as a sample. used.

【0021】図2は、非晶質ゲルマニューム膜(2)の形
成温度と、多結晶ゲルマニューム膜(3)を形成する際の
熱処理温度との関係を示す特性図である。本試料は、前
述の実施例と同じ非晶質ゲルマニューム膜を使用しその
膜厚も同様に3000Åである。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the forming temperature of the amorphous germanium film (2) and the heat treatment temperature for forming the polycrystalline germanium film (3). This sample uses the same amorphous germanium film as in the above-described embodiment, and its film thickness is also 3000 °.

【0022】なお、同図の説明において言う多結晶ゲル
マニューム膜を形成する際の熱処理温度とは、出発材料
である非晶質ゲルマニューム膜が、斯る熱処理の結果多
結晶化の兆候を意味することとなるX線回折ピークが観
測されるのに必要な最低の熱処理温度を言う。したがっ
て、この熱処理温度が低温であるほど多結晶化が容易に
成し得ることを示すこととなる。
The heat treatment temperature for forming a polycrystalline germanium film in the description of FIG. 1 means that the amorphous germanium film as a starting material is a sign of polycrystallization as a result of the heat treatment. Is the minimum heat treatment temperature required for observing the X-ray diffraction peak. Therefore, the lower the heat treatment temperature is, the easier the polycrystallization can be.

【0023】同図によれば出発材料の非晶質ゲルマニュ
ーム膜の形成温度が高くなるにつれて、多結晶化のため
に必要な熱処理温度が低温ですむことがわかる。具体的
には、非晶質ゲルマニューム膜の形成温度が、150℃
から290℃へと高温になるにつれて多結晶化のための
熱処理温度が、450℃から350℃付近にまで低温化
する。
According to the figure, it is understood that as the forming temperature of the amorphous germanium film as the starting material becomes higher, the heat treatment temperature required for polycrystallization becomes lower. Specifically, the formation temperature of the amorphous germanium film is 150 ° C.
As the temperature rises from 300 ° C. to 290 ° C., the heat treatment temperature for polycrystallization decreases from 450 ° C. to around 350 ° C.

【0024】一方、非晶質ゲルマニューム膜の形成温度
が、290℃以上となると、350℃の熱処理温度で常
にX線回折のピークが観測されるようになり、熱処理温
度のさらなる低温化は観測されない。
On the other hand, when the formation temperature of the amorphous germanium film is 290 ° C. or higher, the peak of X-ray diffraction is always observed at the heat treatment temperature of 350 ° C., and no further decrease in the heat treatment temperature is observed. .

【0025】また、本実験によれば、出発材料の非晶質
ゲルマニューム膜を350℃で形成すると、斯る熱処理
を行うことなくすでにX線回折ピークが観測されてい
る。
According to this experiment, when an amorphous germanium film as a starting material was formed at 350 ° C., an X-ray diffraction peak was already observed without performing such a heat treatment.

【0026】同図による結果は、出発材料の形成時に予
め多くのエネルギーを供給すると、以後の多結晶化に必
要な熱処理温度が比較的低温で済むことを単に示すよう
に見うけられるが、本発明者等によればこの熱処理温度
の漸減傾向を示す領域で形成された多結晶ゲルマニュー
ム膜よりも、むしろこの漸減傾向を示さない290℃以
上350℃以下の範囲で形成された非晶質ゲルマニュー
ム膜を出発材料とする多結晶ゲルマニューム膜の方に重
要な意味があると考えている。
The results shown in the figure simply show that if a large amount of energy is supplied in advance during the formation of the starting material, the heat treatment temperature required for the subsequent polycrystallization can be relatively low. According to the present inventors, an amorphous germanium film formed in a range of 290 ° C. to 350 ° C., which does not show this tendency, rather than a polycrystalline germanium film formed in a region showing the tendency of the heat treatment temperature to decrease gradually. It is considered that the polycrystalline germanium film starting from is more important.

【0027】以下にそれについて詳説する。図3は、出
発材料である非晶質ゲルマニューム膜を種々の形成温度
で作成した場合の熱処理後の光吸収係数を、横軸を波長
として表したものである。但し、多結晶化のための熱処
理温度は350℃一定としている。なお、同図には比較
のために単結晶ゲルマニュームの光吸収係数を示してい
るが、この単結晶ゲルマニュームの特性に近似した特性
を示す多結晶ゲルマニューム膜ほど膜質がよいものであ
ることを示すこととなる。
The details will be described below. FIG. 3 shows the light absorption coefficient after the heat treatment when the amorphous germanium film as the starting material was formed at various forming temperatures, with the horizontal axis representing the wavelength. However, the heat treatment temperature for polycrystallization is kept constant at 350 ° C. Although the light absorption coefficient of single-crystal germanium is shown in the figure for comparison, it is shown that a polycrystalline germanium film having characteristics similar to those of the single-crystal germanium has better film quality. Becomes

【0028】非晶質ゲルマニューム膜の形成温度として
は、290℃、330℃、350℃の3種類である。
The formation temperature of the amorphous germanium film is 290 ° C., 330 ° C., and 350 ° C.

【0029】同図によれば、単結晶ゲルマニュームと特
性的に極めて近似しているのは330℃の形成温度から
なる非晶質ゲルマニューム膜を使用した場合である。一
方、非晶質ゲルマニューム膜の形成温度が290℃や3
50℃とした場合にあってはいずれも単結晶ゲルマニュ
ームの特性と著しく異なっている。
According to the figure, the characteristics are very similar to those of a single crystal germanium when an amorphous germanium film having a formation temperature of 330 ° C. is used. On the other hand, when the formation temperature of the amorphous germanium film is 290 ° C. or 3 ° C.
In the case where the temperature is set to 50 ° C., the characteristics are significantly different from those of the single crystal germanium.

【0030】この特徴的な差異は、290℃や350℃
を形成温度とした非晶質ゲルマニューム膜にあっては8
00nmから1200nmまでの領域で光吸収係数が1
5cm-1から103cm-1まで大きく減少するのに対
し、単結晶ゲルマニュームと330℃の形成温度からな
る非晶質ゲルマニューム膜とでは、104cm-1のオー
ダー領域内でその変化は緩やかである。
This characteristic difference is caused by 290 ° C. and 350 ° C.
8 for an amorphous germanium film with
The light absorption coefficient is 1 in the region from 00 nm to 1200 nm.
In contrast to a large decrease from 0 5 cm -1 to 10 3 cm -1 , the change between a single crystal germanium and an amorphous germanium film formed at a formation temperature of 330 ° C. is within a range of 10 4 cm -1. Is gradual.

【0031】斯る結果から330℃近傍で形成された非
晶質ゲルマニューム膜からなる多結晶ゲルマニューム膜
は、良好な膜質という面で特異な多結晶化を示すもので
あることが分かる。
From these results, it can be seen that the polycrystalline germanium film formed of the amorphous germanium film formed at around 330 ° C. shows a unique polycrystallization in terms of good film quality.

【0032】次に示す図4は、図3で使用した各種形成
温度で形成した非晶質ゲルマニューム膜の熱処理後のX
線回折ピーク強度の特性図である。同図には図3で示し
た非晶質ゲルマニューム膜の形成温度の他に、本発明製
造方法の臨界温度となる315℃と345℃についても
合わせて示している。
FIG. 4 shows the X-ray of the amorphous germanium film formed at various forming temperatures used in FIG.
It is a characteristic diagram of a line diffraction peak intensity. FIG. 3 also shows 315 ° C. and 345 ° C., which are critical temperatures in the manufacturing method of the present invention, in addition to the formation temperature of the amorphous germanium film shown in FIG.

【0033】但し、350℃で形成した非晶質ゲルマニ
ューム膜にあっては、前述した如く熱処理を行わなくと
もX線回折ピークを示すことから、本試料については熱
処理を施していない。なお、他の試料の熱処理温度は3
50℃一定としている。
However, since the amorphous germanium film formed at 350 ° C. shows an X-ray diffraction peak without heat treatment as described above, this sample was not heat-treated. The heat treatment temperature of the other samples was 3
The temperature is kept constant at 50 ° C.

【0034】又同図では、各試料の特性の差を明確とす
るために290℃の試料のデータに関しては、角度を示
す横軸と対応するものの、その他の試料のデータに関し
ては各結晶面のピークの重なりを考慮して、それぞれ横
軸に沿ってシフトさせて示している。但し、各ピークが
示す結晶面については同図に記入してあるように例えば
(111)や(220)によって示している。
In the same figure, the data of the sample at 290 ° C. correspond to the horizontal axis indicating the angle in order to clarify the difference between the characteristics of each sample, but the data of the other samples correspond to the crystal plane of each crystal plane. In consideration of the overlap of the peaks, each is shifted along the horizontal axis. However, the crystal plane indicated by each peak is indicated by, for example, (111) or (220) as shown in FIG.

【0035】まず、290℃で形成した非晶質ゲルマニ
ューム膜を出発材料としたものについては、非晶質ゲル
マニューム膜形成時では、X線回折ピーク強度は何ら観
測できない(図示せず)ものの、この熱処理によって結
晶面(111),結晶面(220)のピークが観測され
るようになっている。しかしながら、これらピークは非
常に小さなもので基板自体による信号(a)と比較しても
極めて小さく多結晶ゲルマニューム膜としては不十分な
膜であることが分かる。
First, when the amorphous germanium film formed at 290 ° C. was used as a starting material, no X-ray diffraction peak intensity could be observed at the time of forming the amorphous germanium film (not shown). The peaks of the crystal plane (111) and the crystal plane (220) are observed by the heat treatment. However, these peaks are very small and extremely small as compared with the signal (a) due to the substrate itself, indicating that the film is insufficient as a polycrystalline germanium film.

【0036】一方、非晶質ゲルマニューム膜の形成温度
として330℃としたものにあっては、熱処理前におい
ては顕著なX線回折ピークが観測されないが、熱処理後
にあってはX線回折ピークのうちで急峻な結晶面(11
1)ピークが観測されるようになる。
On the other hand, in the case where the formation temperature of the amorphous germanium film was set to 330 ° C., no remarkable X-ray diffraction peak was observed before the heat treatment, but after the heat treatment, the Steep crystal plane (11
1) Peaks are observed.

【0037】そして、特に特徴的なものとしては、結晶
面(111)のピークが結晶面(220)よりも極めて
大きいことである。
The characteristic feature is that the peak of the crystal plane (111) is much larger than that of the crystal plane (220).

【0038】これに対して、350℃で形成された非晶
質ゲルマニューム膜にあっては、熱処理を行うまでもな
く結晶面(220)の急峻なピークが観測される。かか
る状況においても結晶面(111)は観測されるものの
結晶面(220)のピークと比較して遥かに小さい。
On the other hand, in the case of the amorphous germanium film formed at 350 ° C., a steep peak of the crystal plane (220) is observed without heat treatment. In such a situation, the crystal plane (111) is observed but is much smaller than the peak of the crystal plane (220).

【0039】ここで注意すべきことは、結晶面(11
1)と結晶面(220)のピークが示す多結晶状態の意
味するところが、通常大きな結晶面(111)のピーク
を示す多結晶半導体は、大きな結晶粒により構成されて
いる場合に顕著に見られるものであり、一方結晶面(2
20)のピークの場合では比較的小さな結晶粒により構
成され、特に微結晶半導体において観察されるものであ
ることである。
It should be noted that the crystal plane (11
The meaning of the polycrystalline state indicated by 1) and the peak of the crystal plane (220) means that the polycrystalline semiconductor usually showing the peak of the large crystal plane (111) is remarkably seen when the crystal is composed of large crystal grains. The crystal plane (2
In the case of the peak 20), the peak is composed of relatively small crystal grains, and is particularly observed in a microcrystalline semiconductor.

【0040】因みに、電子顕微鏡による各試料の結晶粒
の大きさは、290℃と350℃とが夫々1〜2μm,
200Å〜500Åであるのに対して、本発明製造方法
による330℃の場合にあっては10〜20μmもの大
粒径の結晶粒が観察された。なお、350℃は熱処理を
施していない試料であるが、この試料は前述の如く熱処
理前においても多結晶化が観測されるものであり、又斯
る熱処理を施してもこの結晶粒の大きさは殆ど変化しな
い。
Incidentally, the crystal grain size of each sample measured by an electron microscope was 1 to 2 μm at 290 ° C. and 350 ° C., respectively.
In contrast to 200 ° to 500 °, in the case of 330 ° C. according to the production method of the present invention, large crystal grains of 10 to 20 μm were observed. At 350 ° C., the sample was not subjected to the heat treatment. However, as described above, polycrystallization was observed even before the heat treatment. Hardly changes.

【0041】以上のことから、330℃付近を基板温度
として形成された非晶質ゲルマニューム膜は、従来にな
い優れた特性を有する多結晶ゲルマニューム膜が得られ
るとともに、単結晶ゲルマニュームと非常に近似した膜
である。
From the above, the amorphous germanium film formed with the substrate temperature around 330 ° C. can obtain a polycrystalline germanium film having unprecedented excellent characteristics and is very similar to a single crystal germanium. It is a membrane.

【0042】この様に優れた特性を有する多結晶ゲルマ
ニューム膜が形成できる臨界温度は、X線回折ピークに
よって顕著に知ることができる。同図に示した315℃
のX線回折ピークでは、結晶面(111)のピークが基
板自体による信号(b)と比較しても特に大きくなり始め
ている。
The critical temperature at which a polycrystalline germanium film having such excellent characteristics can be formed can be remarkably known from the X-ray diffraction peak. 315 ° C shown in FIG.
In the X-ray diffraction peak, the peak of the crystal plane (111) has begun to be particularly large as compared with the signal (b) of the substrate itself.

【0043】また、345℃の場合にあっては、330
℃の場合と比較して結晶面(111)のピークは小さく
なるもののまだ顕著に観測される。しかしながらこの結
晶面(111)のピークと結晶面(220)のそれとで
は、その強度はほとんど同じとなり330℃の場合より
も膜質の低下が観測される。
In the case of 345 ° C.,
Although the peak of the crystal plane (111) is smaller than that in the case of ° C., it is still remarkably observed. However, the intensity of the peak of the crystal plane (111) and that of the crystal plane (220) are almost the same, and a lower film quality is observed than at 330 ° C.

【0044】本発明者等によれば、斯様な膜質を良好と
する多結晶ゲルマニューム膜は、非晶質ゲルマニューム
膜の形成温度として315℃から345℃の範囲で好適
であるが最適な温度範囲としては前述したX線回折ピー
ク強度の観測により320℃〜340℃にあるとしてい
る。
According to the present inventors, a polycrystalline germanium film having such a good film quality is suitable for forming an amorphous germanium film in a temperature range of 315 ° C. to 345 ° C., but an optimum temperature range. Is from 320 ° C. to 340 ° C. according to the observation of the X-ray diffraction peak intensity described above.

【0045】従って、本発明製造方法によれば出発材料
である非晶質ゲルマニューム膜の形成温度を315℃か
ら345℃の範囲とすることによって、後の熱処理温度
を高温とすることなく良好な特性を有する多結晶ゲルマ
ニューム膜を形成することができる。
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, by setting the formation temperature of the amorphous germanium film as the starting material in the range of 315 ° C. to 345 ° C., it is possible to obtain good characteristics without increasing the subsequent heat treatment temperature. Can be formed.

【0046】次にこの熱処理温度について説明する。本
発明製造方法では前述したように非晶質ゲルマニューム
膜の形成時の基板温度を制御することによって優れた膜
質を示すが、後工程における多結晶化のための熱処理温
度とそのために要する時間との関係は、図5に示すごと
くである。なお、同図における試料は330℃で形成さ
れた非晶質ゲルマニューム膜を使用した。
Next, the heat treatment temperature will be described. As described above, the manufacturing method of the present invention shows excellent film quality by controlling the substrate temperature during the formation of the amorphous germanium film, but the heat treatment temperature for the polycrystallization in the post-process and the time required for it The relationship is as shown in FIG. The sample in the figure used an amorphous germanium film formed at 330 ° C.

【0047】一般的な傾向としては、熱処理温度が高温
となるにつれて多結晶化のために要する時間は短時間で
済む。同図で示す結果では、熱処理温度が330℃では
8時間以上を、340℃では5時間以上、また350℃
では2時間以上の時間を必要とする。さらに高温の40
0℃、500℃では更に短時間で多結晶化が成し得るこ
ととなる。
As a general tendency, as the heat treatment temperature becomes higher, the time required for polycrystallization becomes shorter. The results shown in the figure show that the heat treatment temperature is 8 hours or more at 330 ° C., 5 hours or more at 340 ° C., and 350 ° C.
Requires more than two hours. Even hot 40
At 0 ° C. and 500 ° C., polycrystallization can be achieved in a shorter time.

【0048】したがって、熱処理による多結晶化後であ
ってもそのための検証法としては、X線回折ピーク強度
を観測し結晶面(111)と結晶面(220)との強度
の大小を比較することによって容易に成し得る。即ち、
本発明製造方法による限りこの多結晶ゲルマニューム膜
の結晶面(111)のピーク強度は、結晶面(220)
のそれより少なくとも同等若しくはそれ以上となるから
である。このように、支持基板上に基板温度が315℃
以上345℃以下の範囲内で形成された非晶質ゲルマニ
ューム膜を、結晶面(111)のX線回折ピーク強度が
結晶面(220)のそれより少なくとも同等若しくはそ
れ以上となる条件で熱処理することによって、良好な特
性を有する多結晶ゲルマニューム膜を形成することがで
きる。
Therefore, even after polycrystallization by heat treatment, as a verification method therefor, the intensity of the crystal plane (111) and the crystal plane (220) should be compared by observing the X-ray diffraction peak intensity. Can easily be achieved by That is,
According to the production method of the present invention, the peak intensity of the crystal plane (111) of the polycrystalline germanium film is the same as that of the crystal plane (220).
Is at least equal to or higher than that of As described above, the substrate temperature is set to 315 ° C. on the supporting substrate.
Amorphous germanium formed within the range of not less than 345 ° C.
X-ray diffraction peak intensity of crystal plane (111)
At least equal to or higher than that of the crystal plane (220)
By performing heat treatment under the above conditions, good characteristics can be obtained.
Can form a polycrystalline germanium film
Wear.

【0049】図6は、前述した本発明製造方法を使用し
て形成した多結晶ゲルマニューム膜を光活性層として使
用した本発明光電変換装置の素子構造図である。
FIG. 6 is an element structure diagram of a photoelectric conversion device of the present invention using a polycrystalline germanium film formed using the above-described manufacturing method of the present invention as a photoactive layer.

【0050】図中の(61)は、石英、ガラスなどからなる
透光性基板、(62)は透光性基板(61)上に形成された透明
電極、(63)は非晶質シリコンカーバイドからなるp型半
導体層(膜厚100Å〜膜厚200Å)、(64)は真性の
非晶質シリコンからなる第一のバッファ層、(膜厚10
0Å〜膜厚200Å)、(65)は本発明光電変換装置の
特徴である光活性層となる多結晶ゲルマニューム膜(膜
厚1000Å〜膜厚3000Å)、(66)は真性の非晶質
シリコンからなる第二のバッファ層(膜厚100Å〜膜
厚200Å)、(67)は非晶質シリコンからなるn型半導
体(膜厚200Å〜膜厚300Å)そして(68)はアルミ
ニュームなどの金属からなる裏面電極である。
In the figure, (61) is a light-transmitting substrate made of quartz, glass, or the like, (62) is a transparent electrode formed on the light-transmitting substrate (61), and (63) is amorphous silicon carbide. (64) is a first buffer layer made of intrinsic amorphous silicon, and (64) is a first buffer layer made of intrinsic amorphous silicon.
(65) is a polycrystalline germanium film (thickness: 1000 to 3000) which is a photoactive layer characteristic of the photoelectric conversion device of the present invention, and (66) is a film made of intrinsic amorphous silicon. (67) is an n-type semiconductor made of amorphous silicon (thickness 200 to 300) and (68) is made of metal such as aluminum. It is a back electrode.

【0051】多結晶ゲルマニューム膜(65)以外は従来周
知の方法で形成されたものである。特に非晶質シリコン
系の製造方法は全て周知のプラズマCVD法によって形
成し、第一のバッファ層(64)は、多結晶ゲルマニューム
膜(65)とp型半導体(63)とのバンドギャップを、第二の
バッファ層(66)は多結晶ゲルマニューム膜(65)とn型半
導体(67)とのバンドギャップを夫々緩やかな連続状態と
すべく設けられたものである。
Except for the polycrystalline germanium film (65), it is formed by a conventionally well-known method. In particular, all amorphous silicon-based manufacturing methods are formed by a well-known plasma CVD method, and the first buffer layer (64) increases the band gap between the polycrystalline germanium film (65) and the p-type semiconductor (63). The second buffer layer (66) is provided so that the band gap between the polycrystalline germanium film (65) and the n-type semiconductor (67) becomes a gradual continuous state.

【0052】以下では、この多結晶ゲルマニューム膜(6
5)の形成手順について説明する。多結晶ゲルマニューム
膜(65)を形成する場合、まず透明電極(62)上にp型半導
体層(63)と第一のバッファ層(64)を順次積層形成する。
そして次に非晶質ゲルマニューム膜を基板温度330℃
の条件でプラズマCVD法で形成する。この基板温度以
外の形成条件は表1で示した形成条件の範囲内で行っ
た。
In the following, this polycrystalline germanium film (6
The formation procedure of 5) will be described. When forming the polycrystalline germanium film (65), first, a p-type semiconductor layer (63) and a first buffer layer (64) are sequentially formed on the transparent electrode (62).
Then, the amorphous germanium film is heated to a substrate temperature of 330 ° C.
Under the conditions described above by a plasma CVD method. The formation conditions other than the substrate temperature were performed within the range of the formation conditions shown in Table 1.

【0053】次に透光性基板(61)上に積層された膜に対
して350℃、2時間の熱処理を行う。以後引き続いて
行われる第二のバッファ層(66)等は従来と同様の方法で
形成すればよい。
Next, the film laminated on the translucent substrate (61) is subjected to a heat treatment at 350 ° C. for 2 hours. The subsequent second buffer layer (66) and the like may be formed by a method similar to the conventional method.

【0054】本例で作製した光電変換装置の代表的な特
性としては、AM1.5,100mW/cm2の光照射
条件下で、開放電圧0.20V,短絡電流50mA/c
2,曲線因子0.55,変換効率5.5%であった。
これら特性は多結晶ゲルマニューム膜を基板として用い
た光電変換装置の特性とほぼ同等である。
Typical characteristics of the photoelectric conversion device manufactured in this example include an open circuit voltage of 0.20 V and a short circuit current of 50 mA / c under a light irradiation condition of AM 1.5 and 100 mW / cm 2.
m 2 , fill factor 0.55, and conversion efficiency 5.5%.
These characteristics are almost the same as those of a photoelectric conversion device using a polycrystalline germanium film as a substrate.

【0055】更に、本例の光電変換装置にあっては、光
活性層として多結晶ゲルマニューム膜を使用したことか
ら長波長光に対する感度が大きい。図7はこの光電変換
装置の分光感度特性を示しており、波長1.4μmにお
いて7×102mA/Wの最大ピークを有していること
が分かる。斯る特性は、厚膜の単結晶ゲルマニュームを
用いた赤外線検出素子とほぼ同等の特性である。
Further, in the photoelectric conversion device of this embodiment, since a polycrystalline germanium film is used as the photoactive layer, the sensitivity to long wavelength light is high. FIG. 7 shows the spectral sensitivity characteristics of this photoelectric conversion device. It can be seen that the photoelectric conversion device has a maximum peak of 7 × 10 2 mA / W at a wavelength of 1.4 μm. Such characteristics are substantially the same as those of an infrared detecting element using a thick-film single crystal germanium.

【0056】また本発明製造方法して形成された多結晶
ゲルマニューム膜を歪み検出素子及び熱電変換素子に応
用した場合の代表的な特性としては、ゲージ率は80、
熱伝導率が50W/mK(室温時)であった。これら特
性値は厚膜の単結晶ゲルマニュームともほぼ同等であ
り、優れた特性を有する多結晶ゲルマニューム膜である
ことが分かった。
When the polycrystalline germanium film formed by the manufacturing method of the present invention is applied to a strain detecting element and a thermoelectric conversion element, typical characteristics include a gauge factor of 80,
Thermal conductivity was 50 W / mK (at room temperature). These characteristic values were almost the same as those of a thick single crystal germanium film, and it was found that the film was a polycrystalline germanium film having excellent characteristics.

【0057】このことから本発明製造方法で形成された
多結晶ゲルマニューム膜にあっては、歪み検出素子及び
熱電変換素子として利用した場合、従来の厚膜のものと
比較して1/10から1/100の膜厚で十分機能し得
るものとすることができる。
From the above, when the polycrystalline germanium film formed by the manufacturing method of the present invention is used as a strain detecting element and a thermoelectric conversion element, it is 1/10 to 1 compared with a conventional thick film. A film thickness of / 100 can function sufficiently.

【0058】[0058]

【発明の効果】本発明製造方法においては、315℃以
上345℃以下の基板温度で形成された非晶質ゲルマニ
ューム膜を、結晶面(111)のX線回折ピーク強度が
結晶面(220)のそれより少なくとも同等若しくはそ
れ以上となる条件で熱処理することによって得られた多
結晶ゲルマニューム膜は、膜質において単結晶ゲルマニ
ュームに極めて近似したものであり、結晶面(111)
の急峻なピークが観測され、結晶粒も大きな高品質な膜
である。
According to the manufacturing method of the present invention, the amorphous germanium film formed at a substrate temperature of 315 ° C. or more and 345 ° C. or less has an X-ray diffraction peak intensity of the crystal plane (111).
At least equal to or higher than that of the crystal plane (220)
The polycrystalline germanium film obtained by heat treatment under the above conditions is very similar to a single crystal germanium in film quality, and the crystal plane (111)
Is observed, and the crystal grains are large and a high quality film is obtained.

【0059】従って、本発明製造方法によれば出発材料
である非晶質ゲルマニューム膜の形成温度を315℃か
ら345℃の範囲とすると共に、結晶面(111)のX
線回折ピーク強度が結晶面(220)のそれより少なく
とも同等若しくはそれ以上となる条件で熱処理すること
によって、熱処理温度を高温とすることなく良好な特性
を有する多結晶ゲルマニューム膜を形成することができ
る。
Therefore, according to the production method of the present invention, the formation temperature of the amorphous germanium film as the starting material is set in the range of 315 ° C. to 345 ° C., and the X (X) of the crystal plane (111) is
Line diffraction peak intensity less than that of crystal plane (220)
By heat treatment under the condition to be equal to or greater than both, it is possible to form a polycrystalline germanium film having good properties without the heat treatment temperature and high temperature.

【0060】このことにより、非晶質シリコンなどの比
較的耐熱性に乏しい材料を基板として使用することが可
能となる。
This makes it possible to use a material having relatively poor heat resistance, such as amorphous silicon, as the substrate.

【0061】また、高品質な膜であることから、本製造
方法によって製造された多結晶ゲルマニューム膜をデバ
イスに応用した場合、単結晶ゲルマニュームを使用した
デバイスの特性と比肩し得るほどの優れた特性を示す。
Further, since the film is of high quality, when the polycrystalline germanium film manufactured by the present manufacturing method is applied to a device, the characteristics are as excellent as those of a device using a single crystal germanium. Is shown.

【0062】本発明光電変換装置によれば、長波長領域
までの優れた光感度を有することからトータルとして高
い変換効率が得られる。
According to the photoelectric conversion device of the present invention, since it has excellent light sensitivity up to a long wavelength region, a high conversion efficiency can be obtained as a whole.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明製造方法を説明するための工程別素子構
造断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an element structure for each process for explaining a manufacturing method of the present invention.

【図2】多結晶ゲルマニューム膜を形成する際の熱処理
温度と、出発材料である非晶質ゲルマニューム膜の形成
温度との関係を説明する特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a heat treatment temperature when forming a polycrystalline germanium film and a forming temperature of an amorphous germanium film as a starting material.

【図3】種々の形成温度で形成された非晶質ゲルマニュ
ーム膜の熱処理後の光吸収特性図である。
FIG. 3 is a graph showing light absorption characteristics after heat treatment of an amorphous germanium film formed at various forming temperatures.

【図4】種々の形成温度で形成された非晶質ゲルマニュ
ーム膜の熱処理後のX線回折ピーク特性図である。
FIG. 4 is an X-ray diffraction peak characteristic diagram of an amorphous germanium film formed at various forming temperatures after heat treatment.

【図5】多結晶化のための熱処理温度と、それに要する
時間との関係を説明するための特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining a relationship between a heat treatment temperature for polycrystallization and a time required for the heat treatment.

【図6】本発明光電変換装置を説明するための素子構造
断面図である。
FIG. 6 is a sectional view of an element structure for explaining a photoelectric conversion device of the present invention.

【図7】前記光電変換装置の分光感度特性図である。FIG. 7 is a spectral sensitivity characteristic diagram of the photoelectric conversion device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

(1)…支持基板 (2)…非晶質
ゲルマニューム膜 (3)…多結晶ゲルマニューム膜
(1) Support substrate (2) Amorphous germanium film (3) Polycrystalline germanium film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−133368(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/205 H01L 21/324 H01L 31/0248 ────────────────────────────────────────────────── (5) References JP-A-4-133368 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/205 H01L 21/324 H01L 31 / 0248

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 支持基板上に非晶質ゲルマニューム膜を
基板温度が315℃以上345℃以下の範囲内で形成す
る工程と、 前記非晶質ゲルマニューム膜を、結晶面(111)のX
線回折ピーク強度が結晶面(220)のそれより少なく
とも同等若しくはそれ以上となる条件で熱処理すること
により多結晶化する工程とからなる多結晶ゲルマニュー
ム膜の製造方法。
And 1. A process for the amorphous germanium layer over the supporting substrate is formed within the substrate temperature is 315 ° C. or higher 345 ° C. or less, the amorphous germanium layer, X of the crystal plane (111)
Line diffraction peak intensity less than that of crystal plane (220)
And a step of performing a heat treatment under conditions that are equal to or higher than the above, thereby performing a polycrystallizing process.
【請求項2】 前記請求項1において、上記基板温度を
320℃以上340℃以下としたことを特徴とする多結
晶ゲルマニューム膜の製造方法。
2. The method for producing a polycrystalline germanium film according to claim 1, wherein said substrate temperature is set to 320 ° C. or higher and 340 ° C. or lower.
【請求項3】 支持基板上に基板温度が315℃以上3
45℃以下の範囲内で形成された非晶質ゲルマニューム
膜を、結晶面(111)のX線回折ピーク強度が結晶面
(220)のそれより少なくとも同等若しくはそれ以上
となる条件で熱処理することにより成る多結晶ゲルマニ
ューム膜を、少なくとも一部に使用する光活性層を備え
たことを特徴とする光電変換装置。
3. A substrate temperature of 315 ° C. or higher on a supporting substrate.
The amorphous germanium film formed within the temperature range of 45 ° C. or less was converted to a crystal face (111) having an X-ray diffraction peak intensity of the crystal face.
(220) At least equal or better than that of (220)
1. A photoelectric conversion device comprising a photoactive layer at least partially using a polycrystalline germanium film formed by heat treatment under the following conditions .
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