JP3061342B2 - Method for manufacturing transparent conductive film and photoelectric conversion semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing transparent conductive film and photoelectric conversion semiconductor device

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JP3061342B2
JP3061342B2 JP5246666A JP24666693A JP3061342B2 JP 3061342 B2 JP3061342 B2 JP 3061342B2 JP 5246666 A JP5246666 A JP 5246666A JP 24666693 A JP24666693 A JP 24666693A JP 3061342 B2 JP3061342 B2 JP 3061342B2
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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、高効率太陽電池あるい
は表示装置等に利用される伝導率の制御性の良い透明導
電膜の製造方法およびその応用に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a transparent conductive film having good controllability of conductivity used for a high-efficiency solar cell or a display device, and an application thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ネサ膜(SnO2)やITO膜な
どが透明導電膜として知られている。ZnO膜を透明導
電膜として用いる動きは最近さかんとなった。ZnO膜
は、ネサ膜やITO膜に比べると安価であるが、透明導
電膜としての歴史が浅く、ネサ膜やITO膜に比べると
必ずしも高性能であるとは言えない。現在、ZnO膜の
高性能化を実現することが要求されている。この高性能
化の基盤となる結晶欠陥の少ないZnO膜の作製法と、
結晶欠陥と不純物ドーピングによる伝導についての関連
に対する知見も十分であるとは言えない状態である。
2. Description of the Related Art Conventionally, a Nesa film (SnO 2 ), an ITO film and the like are known as a transparent conductive film. The movement to use a ZnO film as a transparent conductive film has recently become active. The ZnO film is less expensive than a Nesa film or an ITO film, but has a short history as a transparent conductive film, and is not necessarily higher in performance than a Nesa film or an ITO film. Currently, there is a demand for realizing high performance ZnO films. A method for producing a ZnO film with few crystal defects, which is the basis of this high performance;
Knowledge of the relationship between crystal defects and conduction due to impurity doping is not sufficient.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】通常、ZnOは非化学
量論比組成となり、Zn過剰でn型伝導を示すと言われ
ている。しかし、例えばよく用いられるスパッタ法によ
り作製したZnO膜は、基板温度を300℃以上にしな
い限り10ー8/Ωcm程度の導電率となり高抵抗とな
る。この機構についての明瞭な説明はまだないが、この
事実は過剰Znの存在の有無や自己補償効果について詳
しく調べられなければならないことを示している。とは
いえ、これまでにスパッタガスをArだけにしたり、A
rにHを加えたり、またZnO結晶中で母体となるIIB
族Zn原子をIIIA族原子で置き換えたり、ZnO結晶中
で母体となるO原子をF原子で置き換えたりすると、電
気抵抗が減少することは知られている。いずれにしても
従来の高周波スパッタ成膜法によるZnO膜は、結晶欠
陥に基ずく電気伝導を有するものであり、その導電率
は、薄膜作製時のスパッタガス組成や基板温度で決ま
り、制御性の良いものではなかった。
It is generally said that ZnO has a non-stoichiometric composition and exhibits n-type conductivity when Zn is excessive. However, for example, a ZnO film produced by a commonly used sputtering method has a conductivity of about 10 −8 / Ωcm and high resistance unless the substrate temperature is set to 300 ° C. or higher. There is no clear explanation for this mechanism yet, but this fact indicates that the presence or absence of excess Zn and the self-compensation effect must be examined in detail. However, until now, only Ar has been used as the sputtering gas,
Add H to r, or IIB which is the parent in ZnO crystal
It is known that when a group Zn atom is replaced with a group IIIA atom or a parent O atom in a ZnO crystal is replaced with an F atom, the electric resistance decreases. In any case, a ZnO film formed by a conventional high-frequency sputtering method has electrical conductivity based on crystal defects, and its conductivity is determined by a sputtering gas composition and a substrate temperature at the time of forming a thin film. It was not good.

【0004】従って、本発明は、結晶欠陥の少ないZn
O膜の作製法と制御性のよい不純物ドーピングに基づく
低抵抗化透明導電膜の製造方法を提供することを目的と
する。本発明は、またこの透明導電膜を利用した光電変
換半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
[0004] Accordingly, the present invention provides a method for producing Zn with less crystal defects.
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an O film and a method for manufacturing a low-resistance transparent conductive film based on impurity doping with good controllability. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a photoelectric conversion semiconductor device using the transparent conductive film.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、ZnOを与え
るのに必要な分子または原子の分子線、すなわち少なく
ともZnOの分子線、またはZnおよびOの分子線と、
不純物としてのIA族(H)、IIIA族(B、Al、Ga、
In)、またはVIIA族(F、Cl、I、Br)のいずれ
かの原子の分子線とを膜を形成しようとする基体上へ照
射することにより、前記不純物原子のドープされたZn
Oからなる透明導電膜を形成することを特徴とする透明
導電膜の製造方法である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a molecular beam of molecules or atoms necessary to provide ZnO, that is, at least a molecular beam of ZnO or a molecular beam of Zn and O;
Group IA (H) and group IIIA (B, Al, Ga,
In) or a molecular beam of any of the VIIA (F, Cl, I, Br) atoms onto a substrate on which a film is to be formed, thereby forming a Zn-doped impurity atom.
A method for producing a transparent conductive film, comprising forming a transparent conductive film made of O.

【0006】ここにおいて、前記O、Znおよび不純物
原子の分子線の一部をそれぞれイオン化することは、膜
形成時の基体温度を下げるのに有効である。また、Zn
O膜を形成する際ZnOの分子線の他にOの分子線を併
用することは、得られるZnO膜がO不足になるのを防
止するのに有効である。
Here, ionizing a part of the molecular beam of O, Zn and impurity atoms is effective in lowering the substrate temperature at the time of film formation. Also, Zn
The use of an O molecular beam in addition to a ZnO molecular beam when forming an O film is effective in preventing the resulting ZnO film from being O-deficient.

【0007】本発明の光電変換半導体装置の製造方法
は、ヘテロ接合またはホモ接合を形成する半導体膜を基
体とし、この基体上に前記の方法によりZnO膜を形成
する工程を有する。また、本発明の光電変換半導体装置
の製造方法は、透明基体上に前記の方法によりZnO膜
を形成する工程、および前記ZnO膜上にヘテロ接合ま
たはホモ接合を形成する半導体膜を形成する工程を有す
る。
A method for manufacturing a photoelectric conversion semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a ZnO film on a substrate using a semiconductor film forming a heterojunction or a homojunction by the above-described method. Further, the method for manufacturing a photoelectric conversion semiconductor device of the present invention includes a step of forming a ZnO film on a transparent substrate by the above method, and a step of forming a semiconductor film for forming a heterojunction or a homojunction on the ZnO film. Have.

【0008】[0008]

【作用】本発明は、基本的に分子線を用いてZnOを成
膜するので、結晶欠陥の少ないZnO膜を得ることがで
きるとともに、不純物原子の分子線を併用してZnO膜
中の任意の位置に分布させる不純物ドーピングにより、
制御性良く電気抵抗を低減化させることができるのであ
る。
According to the present invention, since ZnO is formed basically using a molecular beam, it is possible to obtain a ZnO film with few crystal defects, and also to use a molecular beam of impurity atoms in an arbitrary manner in the ZnO film. By impurity doping distributed to the position,
The electric resistance can be reduced with good controllability.

【0009】前述のように、スパッタ法により作製した
ZnO膜膜中には過剰Znが存在するとも言われている
が、この高抵抗化の機構についての明瞭な説明はまだな
い。しかし、この事実には、結晶欠陥の効果が顕著に現
れているものと解釈でき、他の製膜法により結晶欠陥の
少ないZnO膜を作製できれば、後に述べる不純物ドー
ピングにより制御性の良い透明導電膜が再現性良く作製
できることになる。これまでにZnO結晶中で母体とな
るIIB族Zn原子をIIIA族原子で置き換えると電気抵抗
が減少することが知られており、結晶欠陥による自己補
償効果を上回るだけの不純物ドーピングをすることがで
きれば、通常これは数原子%程度になるが、作製したZ
nO膜に電荷担体をドーピングできることになる。同様
に、VI族O原子をVIIA族原子で置換することにより、Z
nO膜に電荷担体をドーピングすることもできる。この
ZnまたはO原子のIIIA族原子またはVIIA族原子による
置換は、それぞれ伝導帯を構成するZn−O結合におけ
るspシグマ反結合軌道に電子を注入し、またはZn−
O結合におけるspシグマ結合軌道にホールを注入する
という意味を持っている。IA族(H)原子のドーピング
は、その質量、イオン半径の違いから、IIIA族またはVI
IA族原子のドーピングとは異なり、原子置換による電荷
担体のドーピングを実現することができず、ZnOの格
子間位置にHが侵入し局部的なH−O結合におけるsp
軌道混成を通じて伝導帯に伝導電子を注入することとな
る。
As described above, it is said that excess Zn exists in the ZnO film formed by the sputtering method, but there is no clear explanation about the mechanism of increasing the resistance. However, this fact can be interpreted as a remarkable effect of crystal defects, and if a ZnO film with few crystal defects can be produced by another film forming method, a transparent conductive film with good controllability by impurity doping described later. Can be produced with good reproducibility. It has been known that replacing the parent group IIB Zn atom with the group IIIA atom in the ZnO crystal reduces the electrical resistance, and if impurity doping that exceeds the self-compensation effect due to crystal defects can be performed. Usually, this is on the order of several atomic%.
The nO film can be doped with charge carriers. Similarly, by replacing the group VI O atom with a group VIIA atom, Z
The nO film can be doped with charge carriers. Substitution of the Zn or O atom with a Group IIIA or Group VIIA atom can be achieved by injecting an electron into the sp sigma antibonding orbit in the Zn—O bond constituting the conduction band, or
It has the meaning of injecting holes into the sp sigma bond orbital in the O bond. Doping of group IA (H) atoms depends on their mass and ionic radius.
Unlike doping of group IA atoms, doping of charge carriers by atom substitution cannot be realized, H penetrates into interstitial positions of ZnO, and sp
Conduction electrons are injected into the conduction band through orbital hybridization.

【0010】高周波スパッタ法によりZnO膜を作製す
る場合、ZnOターゲットも基体上のZnO膜もその周
波数に対応する回数のスパッタによるエツチングと堆積
を交互に繰り返していることになり、当然ではあるが結
晶欠陥の多い膜ができることになる。これに対して、Z
nOの分子線、またはZnおよびOの分子線を用いて製
膜すると、高速の荷電粒子が存在せず、また分子線は凝
集熱程度のエネルギしか持っていないため、極めて結晶
欠陥の少ないZnO膜ができる。この結晶欠陥の少ない
ZnO膜を作製する工程で IA族(H)、IIIA族(B、
Al、Ga、In)、またはVIIA族(F、Cl、I、B
r)の何れかの原子の分子線を併用することにより、Z
nO膜中の任意の位置に不純物原子を制御性良くドープ
し、より小さなドープ量でより効果的に電気抵抗を低減
化させることができる。
When a ZnO film is formed by a high-frequency sputtering method, both the ZnO target and the ZnO film on the substrate alternately repeat etching and deposition by the number of times corresponding to the frequency. This results in a film having many defects. In contrast, Z
When a film is formed using a molecular beam of nO or a molecular beam of Zn and O, a ZnO film having extremely few crystal defects is obtained because there are no high-speed charged particles and the molecular beam has only energy of heat of aggregation. Can be. In the process of fabricating a ZnO film having few crystal defects, a group IA (H), a group IIIA (B,
Al, Ga, In) or VIIA (F, Cl, I, B)
r) together with a molecular beam of any atom, Z
An impurity atom can be doped at an arbitrary position in the nO film with good controllability, and the electric resistance can be more effectively reduced with a smaller doping amount.

【0011】ZnO膜作製時の基板温度を下げるために
Oの分子線の一部をイオン化することも有効であり、ま
たIA族、IIIA族、またはVIIA族のいずれかの原子の一部
をイオン化することも有効である。これは、より完全な
Zn−O結合のネットワーク化のエネルギを一部は基板
からの熱エネルギにより、一部はイオンの持つポテンシ
ャルにより供給できることになるからである。したがっ
て、低基板温度で作製できる分子線または一部はイオン
化したイオン線を用いたZnO薄膜を透明導電膜として
使用すれば、長時間使用時の安定性や温度劣化が心配な
太陽電池あるいは表示装置等のデバイス特性が改善され
る。
It is also effective to ionize a part of the molecular beam of O in order to lower the substrate temperature at the time of forming the ZnO film, and to ionize some of the atoms of the IA group, IIIA group or VIIA group. It is also effective to do so. This is because more complete networking energy of the Zn—O bond can be supplied partly by the thermal energy from the substrate and partly by the potential of the ions. Therefore, if a ZnO thin film using a molecular beam or a partially ionized ion beam that can be produced at a low substrate temperature is used as a transparent conductive film, a solar cell or a display device that is concerned about stability and temperature deterioration during long-term use. And other device characteristics are improved.

【0012】[0012]

【実施例】以下に、本発明の好ましい実施例を説明す
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below.

【0013】[実施例1]1×10-6 Torr程度の真空
中でZnO粉末焼結体、ZnおよびAlを各々坩堝に入
れ、それぞれを電子ビームを用いて加熱蒸発させZn
O、ZnおよびAlの分子線を作る。一方、ガラス基板
上に順次金属電極および半導体膜を形成した基体を用意
する。この基体を上記と同一真空中で300℃の基板ホ
ルダに保持させ、その半導体膜にO2ガス供給ラインを
通してO2ガスを1×10-5 Torr程度の真空度を維持す
るよう連続的に供給する。次に、前記基体の半導体膜に
対向したZnOの坩堝のシャッタを開き、半導体膜上に
アンドープZnO膜を堆積する。膜厚モニタにより所望
のアンドープZnO膜の膜厚が得られたら、Alの坩堝
のシャッタを開きアンドープZnO膜上にAlをドープ
したZnO膜を堆積する。膜厚モニタにより所望のZn
O:Al膜の膜厚が得られたら、ZnOとAlの坩堝の
シャッタを閉じる。ZnOとAlの分子線の強度比は、
所望の導電率を得るのに必要なだけあればよく、1:1
〜2:1が適当である。また、基板ホルダの温度は、Z
nOの結晶構造が得られる常温程度以上であればよく、
通常200〜400℃が用いられる。アンドープZnO
膜の膜厚は、この透明電極と半導体膜/金属電極間での
短絡を防止できる0.01〜0.1μm程度あればよい
ことも言うまでもない。
Example 1 A ZnO powder sintered body, Zn and Al were put in a crucible in a vacuum of about 1 × 10 -6 Torr, and each was heated and evaporated using an electron beam to obtain Zn.
Create molecular beams of O, Zn and Al. On the other hand, a substrate is prepared in which a metal electrode and a semiconductor film are sequentially formed on a glass substrate. The substrate is held by the substrate holder 300 ° C. in the same vacuum as above, the semiconductor film to O fed through 2 gas supply line O 2 gas continuously to maintain the vacuum degree of about 1 × 10 -5 Torr I do. Next, the shutter of the ZnO crucible facing the semiconductor film of the base is opened, and an undoped ZnO film is deposited on the semiconductor film. When a desired film thickness of the undoped ZnO film is obtained by the film thickness monitor, the shutter of the Al crucible is opened and a ZnO film doped with Al is deposited on the undoped ZnO film. Desired Zn by film thickness monitor
When the O: Al film thickness is obtained, the shutter of the crucible of ZnO and Al is closed. The intensity ratio between the molecular beams of ZnO and Al is
It only needs to be necessary to obtain the desired conductivity, 1: 1
~ 2: 1 is appropriate. The temperature of the substrate holder is Z
It is sufficient that the crystal structure of nO is about normal temperature or more,
Usually, 200 to 400 ° C. is used. Undoped ZnO
Needless to say, the thickness of the film may be about 0.01 to 0.1 μm which can prevent a short circuit between the transparent electrode and the semiconductor film / metal electrode.

【0014】基板ホルダを300℃とした上述の条件で
は、0.2μm厚のアンドープZnO膜の導電率は10
ー8/Ωcmの桁となり非常に小さく、またZnOとAl
の分子線の強度比を1:1とした場合の1〜2μm厚の
AlドープZnO膜の導電率は103/Ωcmの桁とな
り非常に大きい。これは、分子線を用いて製膜する場合
は、高周波スパッタ法を用いる場合に比べてその堆積機
構の観点から説明されるように、得られるZnO膜中の
結晶欠陥が少なくなり、結晶欠陥による電気伝導への寄
与が減少してアンドープ膜では高抵抗となり、またドー
プ膜では不純物の効果が最大限発揮され低抵抗となるこ
とによるものである。
Under the above-mentioned conditions in which the substrate holder is set at 300 ° C., the conductivity of the undoped ZnO film having a thickness of 0.2 μm is 10
-8 / Ωcm, which is very small, and ZnO and Al
The conductivity of the Al-doped ZnO film having a thickness of 1 to 2 μm when the intensity ratio of the molecular beam is 1: 1 is very large, on the order of 10 3 / Ωcm. This is because, when a film is formed by using a molecular beam, the number of crystal defects in the obtained ZnO film is reduced as described from the viewpoint of the deposition mechanism as compared with the case of using the high frequency sputtering method, and This is because the contribution to electric conduction is reduced and the undoped film has a high resistance, and the doped film exhibits the effect of impurities to the maximum and has a low resistance.

【0015】上記において、ZnOの坩堝のシャッタを
開く際にZnの坩堝のシャッタを開くことにより、Zn
O、Zn、Al、およびO2の分子線を用いてAlドー
プZnO膜を得ることができる。この場合、ZnO、Z
nおよびAlの分子線の強度比は、例えば1:0.1:
1とする。また、ZnOの坩堝のシャッタを閉じれば、
Zn、AlおよびO2の分子線を用いてAlドープZn
O膜を得ることができる。なお、ZnOの分子線のみで
ZnO膜を形成すると、得られるZnO膜はO不足とな
りがちなので、上例のようにO2の分子線を併用するの
が好ましい。
In the above, when the shutter of the ZnO crucible is opened when the shutter of the ZnO crucible is opened, the ZnO crucible is opened.
An Al-doped ZnO film can be obtained using O, Zn, Al, and O 2 molecular beams. In this case, ZnO, Z
The intensity ratio between the molecular beams of n and Al is, for example, 1: 0.1:
Let it be 1. Also, if you close the shutter of the ZnO crucible,
Al-doped Zn using molecular beams of Zn, Al and O 2
An O film can be obtained. Note that if a ZnO film is formed using only ZnO molecular beams, the resulting ZnO film tends to be O-deficient. Therefore, it is preferable to use O 2 molecular beams as described above.

【0016】さらに、Alの代わりに、B、Ga、
2、F2の分子線を用いることにより、これら不純物の
原子をドープしたZnO膜を得ることができる。表1に
これらの不純物の原子をドープしたZnO膜の特性の例
を示す。
Further, instead of Al, B, Ga,
By using H 2 and F 2 molecular beams, a ZnO film doped with these impurity atoms can be obtained. Table 1 shows an example of the characteristics of a ZnO film doped with these impurity atoms.

【0017】[0017]

【表1】 [Table 1]

【0018】[実施例2]次に、O2の分子線、Al等
の不純物原子の分子線の一部をイオン化し、それらのイ
オン線を用いるのも有効である。すなわち、新たにO2
ガス供給ラインと接続されたO2イオンガンを設け、熱
電子衝撃を用いてO2をイオン化し、対向した基体の半
導体膜上にO2イオンを照射する。この時の真空度は2
×10-5 Torr程度で、イオンの加速電圧は400V−
500V程度が適当である。この真空度は製膜速度と相
関して決定されるべきであり、イオンの加速電圧はスパ
ッタリングのスレシュホールドエネルギを考慮して決め
るべきであるのは言うまでもない。製膜速度が2nm/
s程度の時O2イオンのフラックスは1016個/cm2
程度となる。
[Embodiment 2] Next, it is also effective to ionize a part of the molecular beam of O 2 and the molecular beam of impurity atoms such as Al and use those ion beams. That is, O 2
An O 2 ion gun connected to a gas supply line is provided, O 2 is ionized using thermionic electron bombardment, and O 2 ions are irradiated on the semiconductor film of the opposing base. The degree of vacuum at this time is 2
At about × 10 -5 Torr, ion acceleration voltage is 400V-
About 500V is appropriate. This degree of vacuum should be determined in correlation with the film forming speed, and it goes without saying that the acceleration voltage of ions should be determined in consideration of the threshold energy of sputtering. Film formation speed is 2nm /
At about s, the flux of O 2 ions is 10 16 / cm 2 s
About.

【0019】Alのイオン線を得るには、金属Alを1
000eV程度に加速したAr1+イオンを用いてスパッ
タリングする。スパッタリングされたAl原子は、固体
表面から真空中に放出される時界面のポテンシャルバリ
アによる影響を受け一部イオン化する。イオン化確率は
0.001−0.1%程度と見積もられる。このAr1+
イオンスパッタリングによりイオン化されたAl粒子を
前述のO2イオン、およびZnO、Al、O2の分子線と
ともに用いることにより、AlドープZnO膜を得るこ
とができる。この時の真空度は1×10-4 Torr程度と
する。これは最大1000eV程度に達する高エネルギ
粒子の平均自由工程を極力短縮し、ZnO膜に与える悪
影響、すなわち結晶欠陥生成を極力減少させるためであ
る。基板ホルダより与えられる熱エネルギの減少をイオ
ンの持つポテンシャルエネルギにより補うことによっ
て、ZnO製膜の低温化が可能となり、太陽電池や表示
装置等への応用においての大きな利点となる。
In order to obtain an Al ion beam, 1
Sputtering is performed using Ar 1+ ions accelerated to about 000 eV. The sputtered Al atoms are partially ionized under the influence of the potential barrier at the interface when released from the solid surface into a vacuum. The ionization probability is estimated to be about 0.001-0.1%. This Ar1 +
An Al-doped ZnO film can be obtained by using Al particles ionized by ion sputtering together with the above-described O 2 ions and the molecular beams of ZnO, Al, and O 2 . The degree of vacuum at this time is about 1 × 10 −4 Torr. This is to minimize the mean free path of high energy particles reaching about 1000 eV at the maximum and to reduce the adverse effect on the ZnO film, that is, the generation of crystal defects as much as possible. By compensating for the decrease in thermal energy given by the substrate holder with the potential energy of the ions, the temperature of the ZnO film can be reduced, which is a great advantage in application to solar cells and display devices.

【0020】[実施例3]上述の半導体膜/金属電極/
ガラス基板において、光吸収層にカルコパイライト構造
の化合物半導体CuInSe2薄膜を用いる場合、さら
にその上にウルツアイト構造の化合物半導体CdS薄膜
を作製しp−nヘテロ接合を形成して半導体膜として表
示している。通常、この半導体膜上にZnO膜を透明電
極として載せ太陽電池が構成されていた。これは有毒物
質、公害物質であるCdを用いており、地球環境問題の
観点からも、またヘテロ接合界面での格子不整合と、そ
れによる再結合センターによる特性上の制約というエネ
ルギ問題の観点からも好ましい構造ではなかった。
[Embodiment 3] The above-described semiconductor film / metal electrode /
In the case where a compound semiconductor CuInSe 2 thin film having a chalcopyrite structure is used for a light absorbing layer on a glass substrate, a compound semiconductor CdS thin film having a wurtzite structure is further formed thereon, and a pn heterojunction is formed and displayed as a semiconductor film. I have. Normally, a solar cell was configured by mounting a ZnO film as a transparent electrode on this semiconductor film. This uses Cd, a toxic and polluting substance, from the viewpoint of global environmental problems, and also from the viewpoint of energy problems such as lattice mismatching at the heterojunction interface and the restriction on characteristics due to the recombination center. Was not a preferred structure.

【0021】これらの問題を解決するため、上述の不純
物ドープZnO膜の作製プロセスを応用し、ホモ接合C
uInSe2半導体層の作製とZnO透明電極の作製を
同時に行う。先ず、p型伝導を示すカルコパイライト構
造化合物半導体CuInSe2薄膜に前述のAlのイオ
ン線を照射し、その後Alイオン線照射を中止し前述の
2イオン、ZnOおよびO2の分子線を照射してアンド
ープZnO膜を堆積する。膜厚モニタにより所望のアン
ドープZnO膜の膜厚が得られたら、Alイオン線照射
を再開するとともにAl分子線の照射を開始し、アンド
ープZnO膜上にAlをドープしたZnO膜を堆積す
る。最初のAlイオン線照射により、p型CuInSe
2のZnOとの界面付近では、p型CuInSe2にAl
がドープされ、n−型伝導のCuInSe2層が形成さ
れてp−nホモ接合が実現する。本発明によると、Cu
InSe2ホモ接合の作製と同時または直後にZnO膜
の製膜を開始し、ZnO製膜開始と同時のAlドープの
中断、およびその後のAlドープの実施にともないZn
O薄膜の真性化、n型化ならびに低抵抗化を行うことが
できる。
In order to solve these problems, the above-described process of forming an impurity-doped ZnO film is applied to obtain a homojunction CZ.
The production of the uInSe 2 semiconductor layer and the production of the ZnO transparent electrode are performed simultaneously. First, by irradiating chalcopyrite structure compound semiconductor CuInSe2 thin ion beam of the aforementioned Al showing a p-type conductivity, and then cancel the Al ion beam irradiation irradiation aforementioned O 2 ions, the molecular beam of ZnO and O 2 An undoped ZnO film is deposited. When the desired thickness of the undoped ZnO film is obtained by the film thickness monitor, the Al ion beam irradiation is restarted and the irradiation of the Al molecular beam is started, and a ZnO film doped with Al is deposited on the undoped ZnO film. By the first Al ion beam irradiation, p-type CuInSe
2 near the interface with ZnO, p-type CuInSe 2
To form a n-type conduction CuInSe 2 layer, thereby realizing a pn homojunction. According to the present invention, Cu
Simultaneously with or immediately after the production of the InSe 2 homojunction, the formation of a ZnO film is started, the Al doping is interrupted simultaneously with the start of the ZnO film formation, and the Zn
It is possible to make the O thin film intrinsic, n-type, and low in resistance.

【0022】この製造方法を用いることにより、有毒物
質、公害物質であるCdを使用せず、さらに接合界面で
の格子不整合と、それによる再結合センターによる特性
上の制約を減少させる新規な無公害、高性能の太陽電池
を構成することができる。本実施例では不純物はAlを
例として述べたが、Ga、In、Bを用いることもでき
る。このように、本発明の光電変換半導体装置の製造方
法は、光電変換半導体装置の基本構成を作製した後でホ
モ接合を形成するため、製造工程を簡略化でき、また、
光電変換半導体装置の変換効率の微調整等にも応用でき
るため、歩留まりを向上できる効果もある。
By using this manufacturing method, there is no need for a toxic substance or a pollutant, Cd, and a new non-conductivity that reduces the lattice mismatch at the bonding interface and the characteristic restriction due to the recombination center. Pollution and high performance solar cells can be configured. In the present embodiment, the impurity has been described as an example of Al, but Ga, In, and B can also be used. As described above, the method for manufacturing a photoelectric conversion semiconductor device of the present invention forms a homojunction after the basic structure of the photoelectric conversion semiconductor device is manufactured, so that the manufacturing process can be simplified,
Since the present invention can be applied to fine adjustment of the conversion efficiency of the photoelectric conversion semiconductor device, there is also an effect that the yield can be improved.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明はZnOと、ZnまたはOの分子
線を用いてZnO膜を作製するものである。これらの分
子線を用いる方法によると、高周波スパッタ法による場
合と異なり、高速の荷電粒子が存在せず、また分子線は
凝集熱程度のエネルギしか持っていないため、極めて結
晶欠陥の少ないZnO膜を得ることができる。この結晶
欠陥の少ないZnO膜を作製する工程で IA族(H)、I
IIA族(B、Al、Ga、In)、またはVIIA族(F、
Cl、I、Br)の何れかの原子の分子線を併用するこ
とによりZnO膜中の任意の位置に不純物原子を制御性
良くドープし、より小さなドープ量でより効果的に電気
抵抗を低減化させることができる。作製時の基板温度を
下げるためにOの分子線の一部をイオン化することも有
効であり、またIA族、IIIA族、またはVIIA族のいずれか
の原子の一部をイオン化することも有効であるのは、よ
り完全なZn−O結合のネットワーク化のエネルギを一
部は基板からの熱エネルギにより、一部はイオンの持つ
ポテンシャルエネルギにより供給できることになるから
である。
According to the present invention, a ZnO film is formed using ZnO and a molecular beam of Zn or O. According to the method using these molecular beams, unlike high-frequency sputtering, there are no high-speed charged particles, and the molecular beams have energy of only about the heat of aggregation. Obtainable. In the process of producing a ZnO film with few crystal defects, the IA group (H) and I
Group IIA (B, Al, Ga, In) or Group VIIA (F,
Cl, I, Br) is combined with a molecular beam of any atom to dope an impurity atom at an arbitrary position in the ZnO film with good controllability and to reduce the electric resistance more effectively with a smaller doping amount. Can be done. It is also effective to ionize a part of the molecular beam of O in order to lower the substrate temperature at the time of fabrication, and it is also effective to ionize a part of any atom of the IA group, the IIIA group, or the VIIA group. This is because more complete energy for networking Zn-O bonds can be supplied partly by thermal energy from the substrate and partly by the potential energy of ions.

【0024】本発明の方法により、電気抵抗の低減化を
もたらす不純物原子のドーピングを導電率とその空間分
布の観点から制御性良く行うことができ、あらかじめス
パッタ成膜ターゲットに成分として不純物元素の酸化物
を混ぜておく従来の方法に比べて、複雑な構成となる半
導体装置製造における適用性が大きく、新規な光電変換
半導体装置製造工程をも提供し得るものである。光電変
換半導体装置の製造においては、ZnO透明導電膜の電
気抵抗低減化のみならず、加速した原子のイオン線の速
度を制御することにより、基体である半導体膜の任意の
深さまでの電荷担体のドーピングを行いホモ接合を形成
することも可能であり、光電変換半導体装置の製造工程
の簡略化をも実現できる。カルコパイライト構造薄膜中
にホモ接合を形成するこの技術を用いることにより、従
来用いられていたヘテロ接合形成による格子不整合とそ
れにともなう再結合センターによる特性劣化の問題を解
決し、さらに有害物質、公害物質であるCdを使用しな
い無公害太陽電池を実現し、エネルギーや地球環境など
の問題解決にも貢献できる効果もある。
According to the method of the present invention, the doping of the impurity atoms for reducing the electric resistance can be carried out with good controllability from the viewpoint of the conductivity and the spatial distribution thereof. Compared with the conventional method of mixing objects, the present invention is more applicable to the manufacture of a semiconductor device having a complicated structure, and can provide a new photoelectric conversion semiconductor device manufacturing process. In the manufacture of the photoelectric conversion semiconductor device, not only the reduction of the electrical resistance of the ZnO transparent conductive film but also the control of the speed of the ion beam of the accelerated atoms allows the charge carrier to reach an arbitrary depth of the semiconductor film as the base. It is also possible to form a homojunction by doping, so that the manufacturing process of the photoelectric conversion semiconductor device can be simplified. By using this technology to form a homojunction in a chalcopyrite structured thin film, the problem of lattice mismatch due to the formation of a heterojunction and the deterioration of characteristics due to the recombination center, which has been conventionally used, is solved. A pollution-free solar cell that does not use Cd, which is a substance, is realized, and has the effect of contributing to solving problems such as energy and the global environment.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−110125(JP,A) 特開 平5−90620(JP,A) 特開 平3−268335(JP,A) 特開 平2−202068(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/078 C01G 9/02 - 9/03 H01B 5/00 - 5/16 H01B 13/00 - 13/32 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-5-110125 (JP, A) JP-A-5-90620 (JP, A) JP-A-3-268335 (JP, A) JP-A-2- 202068 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 31/04-31/078 C01G 9/02-9/03 H01B 5/00-5/16 H01B 13/00 -13/32

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 ZnOの分子線と、IA族、IIIA族、また
はVIIA族のいずれかの原子の分子線とを膜を形成しよう
とする基体上へ照射することにより前記原子のドープさ
れたZnOからなる透明導電膜を形成することを特徴と
する透明導電膜の製造方法。
1. A method for irradiating a molecular beam of ZnO and a molecular beam of an atom belonging to any one of Group IA, IIIA, or VIIA onto a substrate on which a film is to be formed. A method for producing a transparent conductive film, comprising forming a transparent conductive film made of:
【請求項2】 ZnおよびOの分子線と、IA族、IIIA
族、またはVIIA族のいずれかの原子の分子線とを膜を形
成しようとする基体上へ照射することにより前記原子の
ドープされたZnOからなる透明導電膜を形成すること
を特徴とする透明導電膜の製造方法。
2. A Zn and O molecular beam, a group IA, IIIA
A transparent conductive film made of ZnO doped with the atoms by irradiating a molecular beam of any one of the atoms of Group IV or VIIA onto a substrate on which a film is to be formed. Manufacturing method of membrane.
【請求項3】 ZnOの分子線と、ZnおよびOの分子
線と、IA族、IIIA族、またはVIIA族のいずれかの原子の
分子線を膜を形成しようとする基体上へ照射することに
より前記原子のドープされたZnOからなる透明導電膜
を形成することを特徴とする透明導電膜の製造方法。
3. A substrate on which a film is to be formed is irradiated with a molecular beam of ZnO, a molecular beam of Zn and O, and a molecular beam of any one of atoms of Group IA, IIIA, or VIIA on a substrate on which a film is to be formed. A method for manufacturing a transparent conductive film, comprising forming a transparent conductive film made of ZnO doped with atoms.
【請求項4】 前記原子のイオン線を照射する工程を含
む請求項1〜3のいずれかに記載の透明導電膜の製造方
法。
4. The method according to claim 1, further comprising a step of irradiating the atomic ion beam.
【請求項5】 Oのイオン線を照射する工程を含む請求
項2または3記載の透明導電膜の製造方法。
5. The method for producing a transparent conductive film according to claim 2, further comprising a step of irradiating an O ion beam.
【請求項6】 Znのイオン線を照射する工程を含む請
求項2または3記載の透明導電膜の製造方法。
6. The method for producing a transparent conductive film according to claim 2, comprising a step of irradiating a Zn ion beam.
【請求項7】 ヘテロ接合またはホモ接合を形成する半
導体膜を基体とし、前記基体上に請求項1〜6のいずれ
かに記載の方法によりZnO膜を形成する工程を有する
ことを特徴とする光電変換半導体装置の製造方法。
7. A photoelectric device comprising: a semiconductor film forming a heterojunction or a homojunction as a base; and a step of forming a ZnO film on the base by the method according to claim 1. Description: A method for manufacturing a conversion semiconductor device.
【請求項8】 透明基体上に請求項1〜6のいずれかに
記載の方法によりZnO膜を形成する工程と、前記Zn
O膜上にヘテロ接合またはホモ接合を形成する半導体膜
を形成する工程を有することを特徴とする光電変換半導
体装置の製造方法。
8. A step of forming a ZnO film on a transparent substrate by the method according to claim 1;
A method for manufacturing a photoelectric conversion semiconductor device, comprising a step of forming a semiconductor film that forms a heterojunction or a homojunction on an O film.
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