JP3695049B2 - Method for producing microcrystalline compound optical semiconductor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微結晶化合物光半導体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、微結晶の光半導体としては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いる。
【0003】
しかしながら、微結晶シリコンのバンドギャップ(band gap)は約1.5eV程度であり、太陽光の光を有効に利用するためband gapを広くしたりして広い範囲の光を有効に利用することができないという問題があった。
【0004】
また、これらの元素から成る微結晶半導体は間接遷移型であり、発光素子に用いることができず、用途が限られていた。
【0005】
従来、III −V族化合物半導体の微結晶材料としては、特開平2−192770号に開示されているようにバンドギャップが小さく可視域での吸収があるInNをアモルファスシリコンと組み合せて使用することが開示されている。しかしながら、InNはバンドギャップが1.9eVであり、可視域全体に効率良い光吸収や光発光を行うためには広い範囲でンドギャップが可変であることが必要である。一方、結晶のGaNはバンドギャップが3.1eV程度であり、紫外領域に吸収がある。現在GaN結晶の作製のために広くバッファ層の使用がおこなわれているが、この膜の構造はあまり明確でないものの成長時は結晶成長より低温の600℃程度でおこなわれている。通常結晶成長より低温で成膜した場合には微結晶になると思われる。しかしながら続く結晶成長では800〜1000℃で成長がおこなわれ、これらは基板との格子不整合を緩和するためにのみ使われており、微結晶化合物が単独の膜として使用されることはなかった。
【0006】
また、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法によって水素を含む微結晶膜のGaNが得られることが報告されているが、この微結晶膜は絶縁性であり、光半導体として機能するものはなかった。[J.Knights,and R.A.Lujan,J.Appl.Phys.,42,1291(1978)]
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第1の目的は、このような微結晶III −V族化合物半導体の欠点を改善し、広範囲の光学ギャップが自由に選べ、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度特性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微結晶化合物光半導体を安全に、かつ、低コストで製造することができる微結晶化合物光半導体の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、微結晶III −V族化合物半導体として特定量の水素とGaとチッ素とを含有し、かつ従来の微結晶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。
【0015】
発明の微結晶光半導体の製造方法は、少なくとも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、この活性種との反応によってGa元素を含む有機金属化合物を分解及び/又は活性化し、あるいは別に加えられた水素及び水素化合物を必要な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元素を含む有機金属化合物を分解及び/又は活性化し、チッ素を含む活性種と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、微結晶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、膜中に取り込まれず、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、チッ素を選ぶことによって組成比が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。
【0016】
すなわち、この微結晶化合物光半導体は、チッ素元素を含む化合物を、Gaを含む有機金属化合物との反応を生起しうる程度の活性種や励起種に活性化し、これらの活性種と、Gaさらに所望によりAlやInの元素を含む有機金属化合物を反応させることによって製造することができる。チッ素元素を含む化合物や水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。Al,Ga,In等の元素を含む気体状にした原料、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。
【0017】
本発明の光半導体素子は、上記の微結晶化合物光半導体を光導電部材として用いることを特徴とし、さらに、p型の微結晶化合物光半導体及びn型の微結晶化合物光半導体の少なくともいずれかを備えているものであってもよい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【0019】
本発明の製造方法により得られた微結晶化合物光半導体は、5原子%以上40原子%以下の水素、Ga及びチッ素元素を含む微結晶化合物をその構造中に含んでいることを特徴とする半導体で、さらにAl,Inの一つ以上の元素を含んでも良い。AlはIII 族元素の全体の0.1原子%から99.9原子%の範囲が可能であり、InはIII 族元素の全体の0.1原子%から99.9原子%の範囲が可能である。
【0020】
この微結晶光半導体は前記の微結晶化合物をその構造中に含んでいるが、半導体がすべて微結晶化合物からなる相から構成されていてもよく、また非晶質相中に前記微結晶化合物が分散された混合状態であっても良い。この混合状態の場合、非晶質相中に分散される微結晶化合物の割合は20容積%以上であることが好ましく、30容積%以上であることがさらに好ましい。この割合は、電子顕微鏡写真法よって測定することができる。また、赤外吸収スペクトルのV族原子−N原子の伸縮振動ピークの線幅とピーク強度とから計算することができる。
【0021】
前記微結晶化合物の結晶系は立方晶あるいは6方晶系のいずれか一つであっても複数の結晶系が混合された状態であってもよい。
【0022】
微結晶の大きさは5nmから100μmであることが好ましく、大きさはX線回折、電子線回折および断面の電子顕微鏡写真を用いた形状測定など公知の方法によって測定できることができる。
【0023】
微結晶の大きさが5nm以下であると、上記の方法によっても結晶状態が確認できず、半導体形成後に所望の効果が得られない虞があり好ましくない。微結晶の大きさが100μmを超えても半導体としての機能は低下することはないが、膜形状の制御及び本発明の目的である結晶より高抵抗で、且つ、非晶質膜より低抵抗の半導体を得るという観点からは、上記範囲が好適である。
【0024】
この微結晶光半導体に含まれる水素は0.5原子%〜40原子%であり、1原子%〜30原子%であることがさらに好ましい。水素の含有量が0.5原子%未満では、結晶粒界での結合欠陥とあるいは非晶質相内部での結合欠陥や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、欠陥量が増加し暗抵抗が低下し光感度がなくなるめ実用的な微結晶光半導体として機能することができない。
【0025】
これに対し、微結晶化合物中の水素が40原子%をこえると、水素がIII 族元素及びV族元素に2つ以上結合する確率が増え、これらIII 族又はV族元素が3次元構造を保たず、2次元および鎖状のネットワークを形成するようになり、特に結晶粒界でボイドを多量に発生するため、結果としてバンド内に新たな準位を形成する。このため、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、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。
【0026】
また、膜中の水素が40原子%をこえると、電気的特性制御のためドープするドーパントを水素が不活性化するようになり、結果として電気的に活性な微結晶化合物半導体が得られない。
【0027】
III 族とチッ素の原子数比は1:0.7〜1:1.5の範囲であることが好ましく、III 族とチッ素の原子数比が1:0.7以下の場合、あるいは1:1.5以上ではIII 族とV族の結合において閃亜鉛鉱(Zincblende)型をとる部分が少なく、且つ、欠陥が多くなり良好な半導体として機能しなくなる。
【0028】
本発明の微結晶光半導体は、チッ素元素を含む化合物を活性化し、Ga又はこれを含む有機金属化合物と反応させて得られる。ここで用いられるGaは金属ガリウムを用いても良いが、Gaを含む有機金属化合物さらに所望によりAlやInの元素を含む有機金属化合物を反応させることが、膜構造制御の観点から好ましい。ここで用いられるGaを含む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、tert−ブチルガリウム等が挙げられる。
【0029】
また、微結晶により膜全体として3次元的構造を実現すると、粒界においてIII 族元素とチッ素元素の両方に未結合手が発生するようになる。このため未結合手を不活性化する水素はIII 族元素とチッ素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すると、置換型不純物ドープができなくなるため、ドーパントに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。
【0030】
膜中の各元素組成はX線光電子分光(XPS)、エレクトロンマイクロプローブ、ラザフォードバックスキャタリング(RBS)等の公知の方法で測定することが出来る。水素量についてはハイドロジェンフォワードスキャタリング(HFS)により絶対値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推定することができる。
【0031】
次に本発明の微結晶光半導体の製造方法について説明する。
本発明の微結晶光半導体は、次のように製造することができる。
【0032】
以下、図に従って説明する。図1は本発明の微結晶光半導体の製造に適するプラズマを活性化手段を有する半導体製造装置を示す概略図である。
【0033】
半導体製造装置10には、排気口12を備えた真空に排気しうる容器14が備えられ、容器14中に基板ホルダー16及び基板加熱用のヒーター18が配置されている。また、容器14には2つのガス導入管20、22が接続された石英管28、30に連通しており、石英管28にはガス導入管20が接続され、石英管30にはガス導入管22が接続されている。
【0034】
この装置14において、チッ素元素源として、例えば、N2 ガスを用いガス導入管20から石英管28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24に2.45GHzのマイクロ波が供給され石英管28内に放電を発生させる。この放電によって石英管28内のN2 ガスが活性化される。この活性化はGaを含む有機金属化合物との反応を生起させるのに必要なエネルギー状態や励起種、即ち、Ga−C結合、Ga−H結合を切断しうるエネルギー状態若しくはラジカルに変化した状態となるように実施される。
【0035】
別のガス導入口22から、例えばH2 ガスを石英管30に導入する。高周波発振器(図示せず)から高周波コイル26に13.56MHzの高周波を供給し、石英管30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第3のガス導入管32より導入する。それぞれの石英管28、30内で活性化された材料が容器14内に導入され、ここで基板上に微結晶のチッ化ガリウムが形成される。
【0036】
基板温度、ガスの流量圧力によっては、形成される化合物の一部が非晶質になる場合もあり、基板温度が高い場合及び/又はIII 族原料ガスの流量が少ない場合に微結晶になるため、所望の微結晶化合物を形成するために、これらの条件を制御することが必要であるが、この制御は当業者であれば適宜実施しうるものである。一般的には、基板温度は100℃〜600℃である。基板温度が300℃より低い場合にはIII 族原料ガスの流量が少ない場合に微結晶となり、また基板温度が300℃より高い場合には低温条件よりもIII 族原料ガスの流量が多い場合でも微結晶となりやすい。これらは微結晶を成長させるに十分な条件とするための制御であり、基板温度が低温でIII 族原料ガスの流量が多い場合、非晶質の割合が増加するため注意が必要である。
【0037】
トリメチルガリウムの代わりにインジウム、アルミニウムを含む有機金属化合物を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34から導入しても良い。
【0038】
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34又はガス導入管32)から導入することによってn型、p型等任意の伝導型の微結晶の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の炭素を使用してもよい。
【0039】
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III 族原子、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ないか低量の、膜欠陥が抑えられた微結晶膜が生成できる。
【0040】
上述の装置においてチッ素化合物の活性化手段として、高周波発振器、マイクロ波発振器、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2つ共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14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。
【0041】
本発明の微結晶化合物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。
【0042】
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,ZnOなどの半導体を挙げることができる。
【0043】
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、石英、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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
本発明の微結晶化合物光半導体の原料としては、Ga及び所望によりAl、Inのなかから選ばれる一つ以上の元素を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アルミニウム、トリエチルアルミニウム、tert−ブチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、tert−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、tert−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 、C2 6 などのハロゲン化炭素などを用いることができる。
【0047】
チッ素原料としてはN2 、NH3 、NF3 、N2 4 、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。
【0048】
また、本発明の微結晶化合物光半導体では、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。
【0049】
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。
【0050】
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、VII a族のFe、Co、Niなどを用いることができる。
【0051】
膜中の水素はドーパントに結合し不活性化しないように、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 族元素及びチッ素元素に選択的に結合する必要があり、 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。
【0052】
ドーピングの方法としてはn型用としてはSiH4 、Si2 6 、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。
【0053】
本発明の微結晶光半導体を用いて光半導体素子を形成するためには、基板上にundope膜、p型あるいはi型、n型の微結晶光半導体膜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を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Al、Ga、Inと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よい。
【0054】
膜厚は各層が1nmから数10μmであってもよい。おなじ膜厚の積層や繰り返しでもよいし、異なる膜厚の積層や繰り返しでもよく、これらの層構成は光半導体素子の目的とする光吸収率や活性部の電場、バリア長などによって適宜設定することができる。
【0055】
このような少なくとも水素とGaとチッ素元素とを含有し、所望によりB、Al、Inの一つ以上の元素を含む微結晶化合物を構造内に有する微結晶光半導体を用いた光半導体素子は、バンドギャップが赤色から紫外までの全領域で可変であり、高光透過性と高光感度および高速応答性により、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。
【0056】
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、従来の微結晶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、高感度光センサー、高感度アバランシェ光センサー、大面積LED、フルカラーフラットディスプレー、光変調子、光インターコネクト用素子等が挙げられる。
【0057】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
(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16に載せ、排気口12を介して容器14内を真空排気後、ヒーター18により基板を350℃に加熱した。
【0058】
2 ガスをガス導入管20より直径25mmの石英管28内に1000sccm導入し、マイクロ波導波管24を介して2.45GHzのマイクロ波を出力300W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22より直径30mmの石英管30内に100sccm導入した。マイクロ波の出力を300W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1sccm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。
【0059】
段差測定により膜厚を測ったところ0.5μmであった。膜組成をXPSとRBS(ラザフォード・バックースキャタリング)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5原子%以下であり、酸素(O)は検出できなかった。
【0060】
光学Gapは3.2eVであった。またHFS測定による水素は10原子%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。電子線回折スペクトルでは明確な輝点が見られ結晶が形成されていることがわかった。透過型電子顕微鏡で断面を測定したところ結晶の大きさは1μm程度であった。
【0061】
この微結晶GaN膜の抵抗を測定したところ1.5×10+8Ωcmであり、Xeランプ光を照射したところ、3.5×104 Ωcm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。
(実施例2)
2 ガスに対して、高周波コイル26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。
【0062】
得られた膜組成は、Ga/N比が0.99でほぼ化学量論比であり水素量は13原子%であった。光学Gapは3.2eVであった。電子線回折スペクトルでは明確な輝点が見られ結晶が形成されていることがでわかった。透過型電子顕微鏡で断面を測定したところ結晶の大きさは0.3−0.7μmの範囲であった。暗抵抗は、1×10+9Ωcmであり、明暗抵抗比は4桁以上であった。
(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20より1000sccm導入し、2.45GHzのマイクロ波出力を300Wで放電を行った。
【0063】
この時、反射波は0Wであった。H2 ガス300sccmをガス導入管22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18により基板ホルダー16の温度を300℃とした。
【0064】
この状態でガス導入管32よりトリメチルガリウム0.5sccm、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0.5sccm混合し導入した。更にガス導入管34よりN2 ガスで0.1%に希釈したSiH4 を導入し、n型のa−Gax Iny z を成膜した。圧力は0.2Torrとした。30分成膜した後、ガス導入管32とガス導入管34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0.5sccm、トリメチルインジウムを0.5sccmの混合ガスをガス導入管34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32よりキャリアガスとしてN2 を用いて1sccm導入し、p型のa−Gax Iny z を30分成膜した。
【0065】
得られた膜の膜厚は0.3μmであった。この膜の組成はGax /Iny /Nz が0.65/0.35/1.1であり、水素は15原子%であった。この膜の全体の光学Gapは2.8eVであった。
【0066】
電子線回折スペクトルでは明確な輝点が見られ結晶が形成されていることがでわかった。透過型電子顕微鏡で断面を測定したところ結晶の大きさは0.1〜0.5μmの範囲であった。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0.8Vの光起電力が得られた。
(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20より1000sccm導入し、2.45GHzのマイクロ波出力を300Wで放電を行った。
【0067】
この時、反射波は0Wであった。H2 ガス100sccmをガス導入管22より導入し、13.56MHzの高周波で出力300Wで放電を行った。この時、反射波は0Wであった。ヒーター18により基板ホルダーの温度を400℃とした。
【0068】
この状態でガス導入管32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HFS測定による水素は5原子%であった。光学Gapは3.1eVであった。電子線回折スペクトルやX線回折スペクトルでは明確な輝点やピークが見られ、微結晶であることを示した。
【0069】
透過型電子顕微鏡で断面を測定したところ結晶の大きさは1.0〜5.0μmの範囲であった。この微結晶GaN膜の抵抗を測定したところ2.5×10+7Ωcmであり、Xeランプ光を照射したところ、5×103 Ωcm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。
(実施例5)
実施例4と基板の温度を250℃とした以外は同じ条件で膜を作製した。
【0070】
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HFS測定による水素は28原子%であった。光学Gapは3.2eVであった。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明確な輝点がみられ微結晶膜であることがわかった。透過型電子顕微鏡で断面を測定したところ結晶の大きさは10〜50nmの範囲であった。この微結晶的GaN膜の抵抗を測定したところ4.0×10+12 Ωcmであり、Xeランプ光を照射したところ、3×107 Ωcm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。
(実施例6)
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20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22より導入し放電は行わなかった。ヒーター18により基板ホルダー16の温度を250℃とした。
【0071】
この状態でガス導入管32よりトリメチルガリウム3sccmを導入した。得られた膜の膜組成は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、HFS測定による実施例1〜5の試料をもとにIR吸収スペクトルから水素量を求めると25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、X線回折スペクトルはぼんやりとしたパターンの中に輝点がみられ微結晶膜であることがわかった。透過型電子顕微鏡で断面を測定したところ結晶の大きさは5〜20nmのものが確認できた。この微結晶的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。
(比較例)
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20より1000sccm導入し、2.45GHzのマイクロ波出力を300Wで放電を行った。この時、反射波は0Wであった。また、H2 ガスは50sccmを導入した。ヒーター18により基板ホルダー16の温度を450℃とした。
【0072】
この状態でガス導入管20よりトリメチルガリウム0.5sccmを導入した。得られた膜の膜組成はGa/N比1.03でほぼ化学量論化に等しいことが分かった。
【0073】
また、HFS測定とIR吸収強度の検量線を用いて測定した水素量は0.4原子%であった。光学Gapは3.2eVであった。電子線回折スペクトル、X線回折スペクトルでは明確な輝点やピークがみられ微結晶膜であることがわかった。
【0074】
この微結晶GaN膜の抵抗を測定したところ2.5×10+6Ωcmであり、Xeランプ光を照射したところ、5×104 Ωcmとなり、明暗比2桁以上の光導電性を示すことが分かったが、光照射してから平衡に達するまでの時間が数時間以上かかるとともに、Xeランプ光の照射を止めてからも急激な電流値の低下がみられず、光り照射のon/offによる導電率変化が短時間では殆どなかった。
【0075】
【発明の効果】
以上のように本発明の微結晶化合物光半導体によれば、高光透過性と高光感度と高速応答性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。また、本発明の製造方法によれば前記特性を有する微結晶光半導体を安全に、かつ、低コストで製造することができる。さらに、本発明の光半導体素子は、高光感度と高速応答性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であるという優れた特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】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形態を示す概略図である。
【符号の説明】
10 半導体製造装置
12 排気口
14 真空容器
16 基板ホルダー
18 ヒーター
20、22 ガス導入管
28、30 石英管
24 マイクロ導波管
26 高周波コイル
32、34 ガス導入管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a microcrystalline compound optical semiconductor.the body'sManufacturing methodTo the lawIt is related.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, silicon has been used as a microcrystalline optical semiconductor for solar cells, image sensors, thin film transistors, electrophotographic photoreceptors, and the like.
[0003]
However, the band gap of microcrystalline silicon is about 1.5 eV, and in order to use sunlight light effectively, it is possible to widen the band gap to effectively use a wide range of light. There was a problem that I could not.
[0004]
In addition, a microcrystalline semiconductor including these elements is an indirect transition type, and cannot be used for a light-emitting element, so that its use is limited.
[0005]
Conventionally, as a microcrystalline material of a III-V group compound semiconductor, InN, which has a small band gap and absorbs in the visible region, is used in combination with amorphous silicon as disclosed in JP-A-2-192770. It is disclosed. However, InN has a band gap of 1.9 eV, and the end gap needs to be variable in a wide range in order to perform efficient light absorption and light emission over the entire visible range. On the other hand, crystalline GaN has a band gap of about 3.1 eV and is absorbed in the ultraviolet region. Currently, a buffer layer is widely used for the production of GaN crystals, but the structure of this film is not so clear, but the growth is performed at a temperature of about 600 ° C., lower than the crystal growth. When the film is formed at a temperature lower than the normal crystal growth, it seems to be a microcrystal. However, in the subsequent crystal growth, growth was performed at 800 to 1000 ° C., and these were used only for relaxing the lattice mismatch with the substrate, and the microcrystalline compound was not used as a single film.
[0006]
In addition, it has been reported that GaN of microcrystalline film containing hydrogen can be obtained by plasma CVD using organometallic compounds as Group III raw materials, but this microcrystalline film is insulative and functions as an optical semiconductor. There was nothing to do. [J. Knights, and R.A. A. Lujan, J .; Appl. Phys. , 42, 1291 (1978)]
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
  The first object of the present invention is to improve the shortcomings of such microcrystalline III-V compound semiconductors, allowing a wide range of optical gaps to be freely selected, excellent photoconductivity characteristics, high-speed response, environmental resistance characteristics and resistance. Microcrystalline compound optical semiconductor that can be a new optoelectronic material with high temperature characteristics and optically active large area and low costIs to provide a method for producing a microcrystalline compound optical semiconductor that can be produced safely and at low cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention contains a specific amount of hydrogen, Ga, and nitrogen as a microcrystalline III-V compound semiconductor, and eliminates the disadvantage of the conventional microcrystalline III-V compound as an optoelectronic material at a low temperature. It was completed by using improved materials and film formation methods to compensate for defects in the film with hydrogen and to include the dopant in an activated state.
[0015]
BookThe method for producing a microcrystalline optical semiconductor of the invention activates a compound containing at least nitrogen to a necessary energy state or excited species, and decomposes and / or activates an organometallic compound containing Ga element by reaction with the active species. Alternatively, separately added hydrogen and hydrogen compounds are activated to the required energy state and excited species, and by reacting with these active species, organometallic compounds containing Ga element are decomposed and / or activated, and active species containing nitrogen To make a III-V group compound film. In this way, the organic group is separated as a stable molecule from the organic metal even at a low temperature at which a microcrystalline film can be grown, and is not taken into the film, so that dangling defects can be removed during film growth, and the activity generated from the organic group It has been found that active impurities by hydrogen or hydrogen added separately or hydrogen compounds can reduce impurities to a very small amount by removing carbon on the surface of the film during film growth, thereby completing the present invention. Further, by selecting nitrogen as a group V, the composition ratio can easily maintain a stoichiometric state.
[0016]
That is, this microcrystalline compound optical semiconductor activates a compound containing a nitrogen element into active species or excited species that can cause a reaction with an organometallic compound containing Ga. If desired, it can be produced by reacting an organometallic compound containing an element of Al or In. As an activating means for activating a compound containing nitrogen or a compound containing hydrogen to a required energy state or excited species, discharge energy, for example, energy of high frequency discharge and / or microwave discharge can be used. . A gaseous raw material containing an element such as Al, Ga, In, or a gaseous raw material containing an element for controlling pn is introduced from the downstream side of each activating means.
[0017]
The optical semiconductor element of the present invention is characterized by using the above-described microcrystalline compound optical semiconductor as a photoconductive member, and further comprising at least one of a p-type microcrystalline compound optical semiconductor and an n-type microcrystalline compound optical semiconductor. It may be provided.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0019]
  Of the present inventionObtained by the manufacturing methodA microcrystalline compound optical semiconductor is a semiconductor characterized in that it contains a microcrystalline compound containing 5 atomic% or more and 40 atomic% or less of hydrogen, Ga, and a nitrogen element in its structure. It may contain more than one element. Al can range from 0.1 atomic percent to 99.9 atomic percent of the entire group III element, and In can range from 0.1 atomic percent to 99.9 atomic percent of the entire group III element. is there.
[0020]
The microcrystalline optical semiconductor contains the microcrystalline compound in its structure, but the semiconductor may be entirely composed of a phase composed of a microcrystalline compound, and the microcrystalline compound is contained in an amorphous phase. A dispersed mixed state may be used. In this mixed state, the proportion of the microcrystalline compound dispersed in the amorphous phase is preferably 20% by volume or more, and more preferably 30% by volume or more. This ratio can be measured by electron micrograph. It can also be calculated from the line width and peak intensity of the stretching vibration peak of the group V atom-N atom in the infrared absorption spectrum.
[0021]
The crystal system of the microcrystalline compound may be any one of a cubic system and a hexagonal system, or a plurality of crystal systems may be mixed.
[0022]
The size of the microcrystal is preferably 5 nm to 100 μm, and the size can be measured by a known method such as X-ray diffraction, electron beam diffraction, and shape measurement using a cross-sectional electron micrograph.
[0023]
If the size of the microcrystal is 5 nm or less, the crystal state cannot be confirmed even by the above method, and a desired effect may not be obtained after the semiconductor formation, which is not preferable. Even if the size of the microcrystal exceeds 100 μm, the function as a semiconductor is not deteriorated. However, the resistance of the crystal is higher than that of the crystal which is the object of the present invention, and lower than that of the amorphous film. From the viewpoint of obtaining a semiconductor, the above range is preferable.
[0024]
Hydrogen contained in the microcrystalline optical semiconductor is 0.5 atomic% to 40 atomic%, and more preferably 1 atomic% to 30 atomic%. When the hydrogen content is less than 0.5 atomic%, bond defects at the crystal grain boundaries, or bond defects and dangling bonds inside the amorphous phase are eliminated by bonding with hydrogen, and defect states formed in the band. Insufficient to inactivate the position, the amount of defects increases, the dark resistance decreases, the photosensitivity is lost, and it cannot function as a practical microcrystalline optical semiconductor.
[0025]
On the other hand, if the amount of hydrogen in the microcrystalline compound exceeds 40 atomic%, the probability that two or more hydrogen bonds to group III and group V elements increases, and these group III or group V elements maintain a three-dimensional structure. However, a two-dimensional and chain network is formed, and a large amount of voids are generated particularly at the crystal grain boundary. As a result, a new level is formed in the band. For this reason, electrical characteristics deteriorate and mechanical properties such as hardness decrease. Further, the film is easily oxidized, and a large amount of impurity defects are generated in the film, so that good photoelectric characteristics cannot be obtained.
[0026]
In addition, when the hydrogen content in the film exceeds 40 atomic%, the hydrogen is deactivated as a dopant to be doped for controlling electric characteristics, and as a result, an electrically active microcrystalline compound semiconductor cannot be obtained.
[0027]
  The atomic ratio of group III and nitrogen is preferably in the range of 1: 0.7 to 1: 1.5, and when the atomic ratio of group III and nitrogen is 1: 0.7 or less, or 1 : When the ratio is 1.5 or more, there are few portions of zinc-blende (Zincblende) type in the bond between group III and group V, the number of defects increases, and the semiconductor does not function as a good semiconductor.
[0028]
The microcrystalline optical semiconductor of the present invention is obtained by activating a compound containing a nitrogen element and reacting it with Ga or an organometallic compound containing this. Ga used here may be metal gallium, but it is preferable from the viewpoint of film structure control to react an organometallic compound containing Ga and, if desired, an organometallic compound containing an element of Al or In. Examples of the organometallic compound containing Ga used here include trimethyl gallium, triethyl gallium, and tert-butyl gallium.
[0029]
In addition, when a three-dimensional structure is realized as a whole film by microcrystals, dangling bonds are generated in both the group III element and the nitrogen element at the grain boundary. For this reason, it is desirable that the hydrogen that inactivates dangling bonds be bonded evenly to the group III element and the nitrogen element. In addition, when hydrogen is bonded to the dopant, substitutional impurity doping cannot be performed. Therefore, it is desirable that hydrogen not be bonded to the dopant. These hydrogen bonding states can be easily measured by an infrared absorption spectrum.
[0030]
Each elemental composition in the film can be measured by a known method such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electron microprobe, Rutherford backscattering (RBS). The absolute value of the amount of hydrogen can be measured by hydrogen forward scattering (HFS). It can also be estimated by measuring the amount of hydrogen released by heating or by measuring the IR spectrum.
[0031]
Next, the manufacturing method of the microcrystalline optical semiconductor of the present invention will be described.
The microcrystalline optical semiconductor of the present invention can be manufactured as follows.
[0032]
Hereinafter, it demonstrates according to a figure. FIG. 1 is a schematic view showing a semiconductor manufacturing apparatus having means for activating plasma suitable for manufacturing a microcrystalline optical semiconductor of the present invention.
[0033]
The semiconductor manufacturing apparatus 10 is provided with a container 14 that can be evacuated with an exhaust port 12, and a substrate holder 16 and a heater 18 for heating the substrate are disposed in the container 14. The container 14 communicates with quartz tubes 28 and 30 to which two gas introduction tubes 20 and 22 are connected. The gas introduction tube 20 is connected to the quartz tube 28, and the gas introduction tube is connected to the quartz tube 30. 22 is connected.
[0034]
In this apparatus 14, as a nitrogen element source, for example, N2Gas is introduced into the quartz tube 28 from the gas introduction tube 20. A microwave of 2.45 GHz is supplied to a microwaveguide 24 connected to a microwave oscillator (not shown) using a magnetron, and a discharge is generated in the quartz tube 28. This discharge causes N in the quartz tube 28 to2The gas is activated. This activation is an energy state and excited species necessary for causing a reaction with an organometallic compound containing Ga, that is, an energy state capable of breaking a Ga—C bond, a Ga—H bond, or a state changed to a radical. To be implemented.
[0035]
From another gas inlet 22, for example H2Gas is introduced into the quartz tube 30. A high frequency of 13.56 MHz is supplied from a high frequency oscillator (not shown) to the high frequency coil 26 to generate a discharge in the quartz tube 30. Trimethylgallium is introduced from the third gas introduction tube 32 from the downstream side of the discharge space. The material activated in each of the quartz tubes 28, 30 is introduced into the container 14, where microcrystalline gallium nitride is formed on the substrate.
[0036]
Depending on the substrate temperature and the gas flow pressure, some of the compounds formed may become amorphous, and when the substrate temperature is high and / or when the group III source gas flow rate is low, it becomes microcrystalline. In order to form a desired microcrystalline compound, it is necessary to control these conditions. Those skilled in the art can appropriately perform this control. Generally, the substrate temperature is 100 ° C to 600 ° C. When the substrate temperature is lower than 300 ° C., it becomes microcrystalline when the flow rate of the group III source gas is small, and when the substrate temperature is higher than 300 ° C., it is fine even when the flow rate of the group III source gas is higher than the low temperature condition. It tends to be a crystal. These are controls for obtaining sufficient conditions for growing microcrystals, and when the substrate temperature is low and the flow rate of the group III source gas is high, the amorphous ratio increases, so care must be taken.
[0037]
An organometallic compound containing indium and aluminum can be mixed instead of trimethylgallium. Further, these organometallic compounds may be introduced from the gas introduction pipe 34.
[0038]
Further, a gas containing at least one element selected from C, Si, Ge, Sn, or a gas containing at least one element selected from Be, Mg, Ca, Zn, Sr is used in the discharge space. By introducing from the downstream side (the gas introduction pipe 34 or the gas introduction pipe 32), a microcrystalline nitride semiconductor of any conduction type such as n-type or p-type can be obtained. In the case of C, carbon of an organometallic compound may be used depending on conditions.
[0039]
In the apparatus as described above, active nitrogen or active hydrogen formed by discharge energy may be controlled independently, or NHThreeA gas containing nitrogen and hydrogen atoms at the same time may be used. Furthermore H2May be added. Moreover, conditions under which active hydrogen is liberated from an organometallic compound can also be used. By doing so, activated group III atoms and nitrogen atoms exist on the substrate in a controlled state, and hydrogen atoms turn methyl and ethyl groups into inert molecules such as methane and ethane. Therefore, despite the low temperature, it is possible to produce a microcrystalline film with almost no carbon or a low amount and with suppressed film defects.
[0040]
In the above-described apparatus, the nitrogen compound activation means may be a high-frequency oscillator, a microwave oscillator, an electrocyclotron resonance system, a helicon plasma system, one of these, or two or more. It may be used. Further, both of them may be microwave oscillators, or both of them may be high frequency oscillators. In the case of high frequency discharge, it may be inductive or capacitive. Alternatively, the two may use an electron cyclotron resonance method. When different activation means (excitation means) are used, it is necessary to allow discharge to occur simultaneously at the same pressure, and a pressure difference may be provided between the discharge and the film forming unit (in the container 14). Further, when the same pressure is used, different activation means (excitation means), for example, microwave and high frequency discharge, can greatly change the excitation energy of the excited species, which is effective for film quality control.
[0041]
The microcrystalline compound semiconductor of the present invention can be produced by reactive vapor deposition or ion plating.TeeIt is also possible to perform film formation in an atmosphere in which at least hydrogen is activated, such as etching and reactive sputtering.
[0042]
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 alloy crystals thereof, and semiconductors such as Si, GaAs, SiC, and ZnO.
[0043]
In addition, an insulating substrate having a conductive surface applied to the substrate surface can be used. Examples of the insulating substrate include a polymer film, glass, quartz, and ceramic. The conductive treatment is performed by depositing the above metal or gold, silver, copper or the like by vapor deposition, sputtering, ion plating, or the like.
[0044]
In addition, as a transparent support for a transparent conductive substrate for light input / output, transparent inorganic materials such as glass, quartz, and sapphire, fluorine resin, polyester, polycarbonate, polyethylene, polyethylene terephthalate, epoxy, etc. Transparent organic resin films or plates, optical fibers, selfoc optical plates and the like can also be used.
[0045]
As the translucent electrode provided on the translucent support, a transparent conductive material such as ITO, zinc oxide, tin oxide, lead oxide, indium oxide, copper iodide is used, vapor deposition, ion plating, sputtering, etc. The one formed by the above method, or the one formed by thinning metal such as Al, Ni, Au or the like so as to be translucent by vapor deposition or sputtering is used.
[0046]
As a raw material for the microcrystalline compound optical semiconductor of the present invention, an organometallic compound containing Ga and optionally one or more elements selected from Al and In can be used. As these organometallic compounds, liquids and solids such as trimethylaluminum, triethylaluminum, tert-butylaluminum, trimethylgallium, triethylgallium, tert-butylgallium, trimethylindium, triethylindium, and tert-butylindium can be vaporized independently. Alternatively, it can be used in a mixed state by bubbling with a carrier gas. Carrier gas is hydrogen, N2, Hydrocarbons such as methane, ethane, CFFour, C2F6Halogenated carbon such as can be used.
[0047]
N as nitrogen raw material2, NHThree, NFThree, N2HFourIt can be used by vaporizing or bubbling a gas or liquid such as methylhydrazine with a carrier gas.
[0048]
In the microcrystalline compound optical semiconductor of the present invention, an element can be doped into the film for p and n control.
[0049]
Elements for the n-type include: Group Ia Li, Group Ib Cu, Ag, Au, Group IIa Mg, Group IIb Zn, Group IVa Si, Ge, Sn, Pb, Group VIa S, Se, Te Can be used.
[0050]
Elements for the p-type include Group Ia Li, Na, K, Group Ib Cu, Ag, Au, Group IIa Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Group IIb Zn, Cd, Hg, IVa Group C, Si, Ge, Sn, Pb, Group VIa S, Se, Te, Group VIb Cr, Mo, W, Group VIIa Fe, Co, Ni, etc. can be used.
[0051]
In order to prevent the hydrogen in the film from being bonded to the dopant and being inactivated, the hydrogen for passivating the defect level needs to be selectively bonded to the group III element and the nitrogen element rather than the dopant. In particular, 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.
[0052]
The doping method is SiH for n-type.Four, Si2H6, GeHFour, GeFFour, SnHFour, BeH for p-type2, BeCl2, BeClFour, Cyclopentadienyl magnesium, dimethyl calcium, dimethyl strontium, dimethyl zinc, diethyl zinc, and the like. In order to dope the element into the film, a known method such as a thermal diffusion method or an ion implantation method can be employed.
[0053]
In order to form an optical semiconductor element using the microcrystalline optical semiconductor of the present invention, an unope film, p-type, i-type, or n-type microcrystalline optical semiconductor film may be provided on the substrate, or p. A n-type film and a pn 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 with a higher concentration than p-type and n-type may be inserted between the electrodes for contact with the electrodes. A multilayer structure having pn or pin as a structural unit can also be formed. Furthermore, these p-type, i-type, and n-type layers may have different Al, Ga, In, and N compositions for transparency and barrier formation, or p-type, i-type, and n-type. Each film may be composed of a plurality of compositions.
[0054]
The thickness of each layer may be from 1 nm to several tens of μm. Lamination and repetition of the same film thickness may be used, or lamination and repetition of different film thicknesses may be used, and these layer configurations should be appropriately set according to the desired light absorption rate of the optical semiconductor element, the electric field of the active portion, the barrier length, etc. Can do.
[0055]
Such an optical semiconductor element using a microcrystalline optical semiconductor containing at least hydrogen, Ga, and a nitrogen element, and optionally having a microcrystalline compound containing one or more elements of B, Al, and In in its structure. The band gap is variable in the entire range from red to ultraviolet, and with high light transmission, high light sensitivity, and high-speed response, it can be used alone or as a tandem type combining layers with different absorption regions. A wide range of light from visible to ultraviolet can be used effectively.
[0056]
In addition, this optical semiconductor element has excellent light resistance, heat resistance, and oxidation resistance, and is capable of high-speed response. In addition, it has a light emitting function that does not exist in conventional microcrystalline semiconductors in all wavelength regions, so it can emit light from electronic devices. It can also be used for hybrid devices that combine devices. Specific examples include high-efficiency solar cells, high-speed TFTs, electrophotographic photoreceptors, high-sensitivity light sensors, high-sensitivity avalanche light sensors, large-area LEDs, full-color flat displays, light modulators, and optical interconnect elements.
[0057]
【Example】
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
The cleaned Al substrate, quartz substrate, and Si wafer were placed on the substrate holder 16, the inside of the container 14 was evacuated through the exhaust port 12, and the substrate was heated to 350 ° C. by the heater 18.
[0058]
N2Gas was introduced into the quartz tube 28 having a diameter of 25 mm from the gas introduction tube 20, and a microwave of 2.45 GHz was set to an output of 300 W through the microwave waveguide 24, matching was performed with a tuner, and discharge was performed. The reflected wave at this time was 0 W. H2100 sccm of gas was introduced into the quartz tube 30 having a diameter of 30 mm from the gas introduction tube 22. The microwave output was set to 300W. The reflected wave was 0W. In this state, 1 sccm of trimethylgallium (TMGa) vapor kept at room temperature from the gas introduction tube 12 was directly introduced through the mass flow controller. At this time, the reaction pressure measured with a Baratron vacuum gauge was 0.2 Torr.
[0059]
When the film thickness was measured by the step measurement, it was 0.5 μm. When the film composition was measured by XPS and RBS (Rutherford Bucks Catering), it was found that the Ga / N ratio was 1.1 and was almost equal to the stoichiometry. At this time, carbon (C) was 5 atomic% or less, and oxygen (O) could not be detected.
[0060]
The optical gap was 3.2 eV. Further, hydrogen was 10 atomic% by HFS measurement. Hydrogen was contained in the GaN film as Ga-H and NH as a result of IR spectrum measurement. In the electron diffraction spectrum, a clear bright spot was observed, indicating that crystals were formed. When the cross section was measured with a transmission electron microscope, the size of the crystal was about 1 μm.
[0061]
When the resistance of the microcrystalline GaN film was measured, it was 1.5 × 10+8Ωcm and irradiated with Xe lamp light, 3.5 × 10FourIt became Ωcm, and it was found that the photoconductivity with a light / dark ratio of 4 digits or more was exhibited.
(Example 2)
H2Film formation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the gas was discharged at a high frequency of 13.56 MHz with an output of 100 W via the high-frequency coil 26.
[0062]
The obtained film composition had a Ga / N ratio of 0.99, almost a stoichiometric ratio, and a hydrogen content of 13 atomic%. The optical gap was 3.2 eV. In the electron diffraction spectrum, a clear bright spot was observed, indicating that crystals were formed. When the cross section was measured with a transmission electron microscope, the size of the crystals was in the range of 0.3 to 0.7 μm. Dark resistance is 1 × 10+9The resistance to light and dark was 4 digits or more.
(Example 3)
Using the same apparatus and substrate as in Example 1, N2Gas was introduced at 1000 sccm from the gas introduction tube 20, and a microwave output of 2.45 GHz was discharged at 300W.
[0063]
At this time, the reflected wave was 0 W. H2Gas 300 sccm was introduced from the gas inlet tube 22 and discharged at a high frequency of 13.56 MHz and an output of 100 W. At this time, the reflected wave was 0 W. The temperature of the substrate holder 16 was set to 300 ° C. by the heater 18.
[0064]
In this state, trimethylindium heated to 50 ° C. at 0.5 sccm of trimethylgallium from the gas introduction pipe 32 is replaced with N.20.5 sccm mixed with gas and introduced. Further, N from the gas introduction pipe 342SiH diluted to 0.1% with gasFourN-type a-GaxInyNzWas deposited. The pressure was 0.2 Torr. After film formation for 30 minutes, the valves of the gas introduction pipe 32 and the gas introduction pipe 34 were closed. At this time, the discharge was continued as it was. In this state, a mixed gas of 0.5 sccm of trimethylgallium and 0.5 sccm of trimethylindium is introduced again from the gas introduction pipe 34, and bispentadienylmagnesium is introduced from the gas introduction pipe 32 as a carrier gas.21 sccm was introduced using p-type a-Ga.xInyNzWas formed for 30 minutes.
[0065]
The film thickness of the obtained film was 0.3 μm. The composition of this film is Gax/ Iny/ NzWas 0.65 / 0.35 / 1.1 and hydrogen was 15 atomic%. The overall optical gap of this film was 2.8 eV.
[0066]
In the electron diffraction spectrum, a clear bright spot was observed, indicating that crystals were formed. When the cross section was measured with a transmission electron microscope, the size of the crystals was in the range of 0.1 to 0.5 μm. A 100 A Au electrode capable of transmitting light to the film on the Al substrate and Au electrodes were vapor deposited on the top and bottom of the Si wafer and irradiated with an Xe lamp. A photovoltaic voltage of 0.8 V was obtained at an open voltage.
Example 4
Using the same apparatus and substrate as in Example 2, N2Gas was introduced at 1000 sccm from the gas introduction tube 20, and a microwave output of 2.45 GHz was discharged at 300W.
[0067]
At this time, the reflected wave was 0 W. H2100 sccm of gas was introduced from the gas introduction tube 22 and discharged at a high frequency of 13.56 MHz and an output of 300 W. At this time, the reflected wave was 0 W. The temperature of the substrate holder was set to 400 ° C. by the heater 18.
[0068]
In this state, 1 sccm of trimethylgallium was introduced from the gas introduction tube 32. The film composition was found to be approximately equal to stoichiometric with a Ga / N ratio of 1.05. Moreover, hydrogen by HFS measurement was 5 atomic%. The optical gap was 3.1 eV. In the electron diffraction spectrum and X-ray diffraction spectrum, clear bright spots and peaks were observed, indicating that the crystal was a microcrystal.
[0069]
When the cross section was measured with a transmission electron microscope, the size of the crystals was in the range of 1.0 to 5.0 μm. When the resistance of the microcrystalline GaN film was measured, it was 2.5 × 10.+7When it is Ωcm and irradiated with Xe lamp light, 5 × 10ThreeIt became Ωcm, and it was found that the photoconductivity with a light / dark ratio of 4 digits or more was exhibited.
(Example 5)
A film was produced under the same conditions as in Example 4 except that the substrate temperature was 250 ° C.
[0070]
The film composition was found to be approximately stoichiometric with a Ga / N ratio of 0.98. The hydrogen content by HFS measurement was 28 atomic%. The optical gap was 3.2 eV. In the electron diffraction spectrum, a clear bright spot was seen in a hazy pattern, and it was found to be a microcrystalline film. When the cross section was measured with a transmission electron microscope, the size of the crystals was in the range of 10 to 50 nm. When the resistance of the microcrystalline GaN film was measured, 4.0 × 10+12When it is Ωcm and irradiated with Xe lamp light, 3 × 107It became Ωcm, and it was found that the photoconductivity with a light / dark ratio of 4 digits or more was exhibited.
(Example 6)
Using the same apparatus and substrate as in Example 2, N2A gas was introduced at 900 sccm from the gas introduction tube 20 and a microwave output of 2.45 GHz was discharged at 250 W. At this time, the reflected wave was 0 W. H2Gas 300 sccm was introduced from the gas inlet tube 22 and no discharge was performed. The temperature of the substrate holder 16 was set to 250 ° C. by the heater 18.
[0071]
In this state, 3 sccm of trimethylgallium was introduced from the gas introduction tube 32. It was found that the film composition of the obtained film was approximately equal to the stoichiometry with a Ga / N ratio of 0.97. Moreover, carbon (C) was 12 atomic% at this time. Oxygen (O) was 0 atomic%. Moreover, it was 25 atomic% when the amount of hydrogen was calculated | required from IR absorption spectrum based on the sample of Examples 1-5 by HFS measurement. The optical gap was 3.4 eV. The electron diffraction spectrum and the X-ray diffraction spectrum showed a bright spot in a hazy pattern and were found to be a microcrystalline film. When the cross section was measured with a transmission electron microscope, it was confirmed that the crystal size was 5 to 20 nm. When the light-to-dark resistance ratio was measured by irradiating the microcrystalline GaN film with Xe lamp light, it was found that the photoconductivity was 4 digits or more.
(Comparative example)
Using the same apparatus and substrate as in Example 1, N2Gas was introduced at 1000 sccm from the gas introduction tube 20, and a microwave output of 2.45 GHz was discharged at 300W. At this time, the reflected wave was 0 W. H250 sccm of gas was introduced. The temperature of the substrate holder 16 was set to 450 ° C. by the heater 18.
[0072]
In this state, 0.5 sccm of trimethylgallium was introduced from the gas introduction tube 20. It was found that the film composition of the obtained film was almost equal to the stoichiometry with a Ga / N ratio of 1.03.
[0073]
Moreover, the hydrogen amount measured using the calibration curve of HFS measurement and IR absorption intensity was 0.4 atomic%. The optical gap was 3.2 eV. In the electron diffraction spectrum and the X-ray diffraction spectrum, clear bright spots and peaks were observed, and the film was found to be a microcrystalline film.
[0074]
When the resistance of the microcrystalline GaN film was measured, it was 2.5 × 10.+6When it is Ωcm and irradiated with Xe lamp light, 5 × 10FourIt became Ωcm, and it was found that photoconductivity with a light / dark ratio of 2 digits or more was shown, but it took several hours or more to reach equilibrium after light irradiation, and it was abrupt even after Xe lamp light irradiation was stopped. No decrease in current value was observed, and there was almost no change in conductivity due to on / off of light irradiation in a short time.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the microcrystalline compound optical semiconductor of the present invention, it is possible to effectively use a wide range of light from visible light to ultraviolet light due to high light transmittance, high light sensitivity, and high-speed response, as well as light resistance and heat resistance. It is excellent in stability and oxidation resistance, and has high-speed response. Utilizing these properties, it can be used in various optical semiconductor elements. Further, according to the manufacturing method of the present invention, a microcrystalline optical semiconductor having the above characteristics can be manufactured safely and at low cost. Furthermore, the optical semiconductor element of the present invention has an excellent characteristic that a wide range of light from visible to ultraviolet light can be effectively used due to high photosensitivity and high-speed response.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a preferred embodiment of an apparatus for producing an amorphous optical semiconductor of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Semiconductor manufacturing equipment
12 Exhaust port
14 Vacuum container
16 Substrate holder
18 Heater
20, 22 Gas introduction pipe
28, 30 quartz tube
24 Microwaveguide
26 High frequency coil
32, 34 Gas introduction pipe

Claims (2)

チッ素元素を含む化合物を、Gaを含む有機金属化合物との反応を生起させるのに必要なエネルギー状態や励起種に活性化し、これらの活性化したチッ素元素を含む化合物と、活性化していないGaを含む有機金属化合物とを反応させ、該Gaを含む有機金属化合物を活性化させることを特徴とする微結晶化合物光半導体の製造方法。  A compound containing a nitrogen element is activated to an energy state or excited species necessary for causing a reaction with an organometallic compound containing Ga, and is not activated with a compound containing these activated nitrogen elements. A method for producing a microcrystalline compound optical semiconductor, comprising reacting an organometallic compound containing Ga and activating the organometallic compound containing Ga. 前記チッ素元素を含む化合物を活性化する手段が放電エネルギーの付与であることを特徴とする請求項に記載の微結晶化合物光半導体の製造方法。2. The method for producing a microcrystalline compound optical semiconductor according to claim 1 , wherein the means for activating the compound containing nitrogen element is application of discharge energy.
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