JP5229919B2 - Photoelectric conversion element and photodetection element using oxide transparent conductive film - Google Patents

Photoelectric conversion element and photodetection element using oxide transparent conductive film Download PDF

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Description

本発明は可視域及び近赤外域の透過性の高い酸化物透明導電膜とそれを用いた光電変換素子、光検出素子に関する。   The present invention relates to an oxide transparent conductive film having high transparency in the visible region and near infrared region, a photoelectric conversion element using the same, and a light detection element.

酸化物透明導電膜としては、錫が添加された酸化インジウム薄膜、フッ素あるいはアンチモンが添加された酸化スズ薄膜、ボロンあるいはアルミニウムあるいはガリウムが添加された酸化亜鉛薄膜などが広く利用されている。中でも錫添加酸化インジウム薄膜は可視領域の透過性が優れた低抵抗の薄膜を容易に得られることから広く用いられている。酸化物透明導電膜は、可視領域の透過率が高く導電性を有することから、フラットパネルディスプレイのみならず、光電変換素子、各種受光素子の電極材料として用いられている。   As the oxide transparent conductive film, an indium oxide thin film to which tin is added, a tin oxide thin film to which fluorine or antimony is added, a zinc oxide thin film to which boron, aluminum, or gallium is added are widely used. In particular, a tin-added indium oxide thin film is widely used because a low-resistance thin film excellent in transparency in the visible region can be easily obtained. Oxide transparent conductive films are used as electrode materials for not only flat panel displays but also photoelectric conversion elements and various light receiving elements because of their high transmittance in the visible region and conductivity.

光電変換素子はp型とn型の半導体を積層したものであり、上記酸化物透明導電膜を用いた光電変換素子としては、単結晶あるいは多結晶シリコンにシリコン系薄膜を積層したヘテロ接合太陽電池、アモルファスあるいは微結晶や多結晶などのシリコン系薄膜太陽電池、あるいはカルコパイライト系薄膜太陽電池などが挙げられる。   The photoelectric conversion element is a laminate of p-type and n-type semiconductors. As the photoelectric conversion element using the oxide transparent conductive film, a heterojunction solar cell in which a silicon-based thin film is laminated on single crystal or polycrystalline silicon. Examples thereof include silicon-based thin-film solar cells such as amorphous, microcrystalline, and polycrystalline, and chalcopyrite-based thin-film solar cells.

従来、ヘテロ接合太陽電池の透明電極としては錫添加酸化インジウム、シリコン系薄膜太陽電池の透明電極としてはフッ素を添加した酸化スズ、ボロンあるいはアルミニウムあるいはガリウムを添加した酸化亜鉛あるいは錫添加酸化インジウム、カルコパイライト系薄膜太陽電池の透明電極としてはアルミニウムあるいはガリウムを添加した酸化亜鉛あるいは錫添加酸化インジウムが利用されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, as a transparent electrode of a heterojunction solar cell, tin-added indium oxide, and as a transparent electrode of a silicon-based thin film solar cell, fluorine-added tin oxide, boron or aluminum or gallium-added zinc oxide or tin-added indium oxide, chalcone As a transparent electrode of a pyrite thin film solar cell, zinc oxide or tin-added indium oxide added with aluminum or gallium is used (for example, see Patent Document 1).

しかし、上記太陽電池の光電変換層の高品質化、幅広い分光感度を有する積層型薄膜太陽電池の開発、光閉じ込め技術の開発により、上記透明電極の自由キャリアに起因した反射・吸収損失を無視できないようになってきた。主にシリコン系およびカルコパイライト系光電変換層は、400nmから1200nmの範囲までの光に対し感度を有する。そのため、透明電極内での吸収損失を減らすためには、透明電極には400nm〜1200nmの範囲において高い透過率が必要とされる。   However, reflection / absorption loss due to free carriers of the transparent electrode cannot be ignored due to the high quality of the photoelectric conversion layer of the solar cell, the development of a stacked thin film solar cell having a wide spectral sensitivity, and the development of optical confinement technology. It has become like this. Mainly, silicon-based and chalcopyrite-based photoelectric conversion layers are sensitive to light in the range of 400 nm to 1200 nm. Therefore, in order to reduce the absorption loss in the transparent electrode, the transparent electrode needs to have a high transmittance in the range of 400 nm to 1200 nm.

次に可視及び近赤外域の波長を有する光検出素子について述べる。光ファイバー通信で用いられる波長は近赤外域であり、1.3ミクロン帯や1.55ミクロン帯近赤外源が主に用いられており、同時にこれらの波長の光を検出するための光検出素子が必要となる。一般に光検出素子は一対の電極の間に光検知材料層が挟まれた構造をとっており、光検知材料層にはゲルマニウム、インジウムガリウム砒素系半導体を用いたものやアルカリ土類金属元素の硫化物あるいはセレン化物を用いたものなどがある。光検出素子の光入射側の電極には透光性電極が用いられ、錫添加酸化インジウムが利用されている(例えば、特許文献2〜4参照)。そのため、高感度の光検出素子に用いる透明電極としては、低抵抗であることと検出光である波長400nmから1600nmの範囲までの光に対し、高い透過率が必要とされる。   Next, a photodetecting element having wavelengths in the visible and near infrared regions will be described. Wavelengths used in optical fiber communication are in the near infrared region, and 1.3 micron band and 1.55 micron band near infrared sources are mainly used, and at the same time, a light detection element for detecting light of these wavelengths Is required. In general, a light detection element has a structure in which a light detection material layer is sandwiched between a pair of electrodes. The light detection material layer is made of germanium, indium gallium arsenide based semiconductor, or an alkaline earth metal element sulfide. And those using selenide. A light-transmitting electrode is used for the light incident side electrode of the light detection element, and tin-added indium oxide is used (for example, see Patent Documents 2 to 4). For this reason, the transparent electrode used in the high-sensitivity light detection element is required to have a low resistance and a high transmittance with respect to light in the wavelength range of 400 nm to 1600 nm, which is detection light.

しかし、一般に用いられている錫添加酸化インジウム薄膜あるいはガリウム添加酸化亜鉛薄膜は、抵抗率は2x10−4Ωcmと低いが、キャリア濃度が1x1021cm−3程度と大きく、移動度が30cm/Vsと低いため、例えば非特許文献1に示されているように1000nm以上の近赤外線は吸収したり反射したりして透過性は低い。However, a commonly used tin-doped indium oxide thin film or gallium-doped zinc oxide thin film has a low resistivity of 2 × 10 −4 Ωcm, but has a large carrier concentration of about 1 × 10 21 cm −3 and a mobility of 30 cm 2 / Vs. Therefore, for example, as shown in Non-Patent Document 1, near-infrared rays of 1000 nm or more absorb or reflect and have low transmittance.

錫添加酸化インジウム製膜時に酸素導入量を増やすことにより酸素空孔を少なくし、近赤外線透過率を向上させることは可能である。しかしこの方法では中性不純物が増大し、それによる移動度の低下が生じ、抵抗率が上昇する。   It is possible to reduce oxygen vacancies and improve near-infrared transmittance by increasing the amount of oxygen introduced during the formation of tin-added indium oxide. However, this method increases neutral impurities, resulting in a decrease in mobility and an increase in resistivity.

また、特許文献5〜11には、室温〜200℃以下の温度で錫添加酸化インジウムを製膜する時に水蒸気を導入することにより、製膜中における透明導電膜の結晶化を防ぐことができる効果があり、結晶質の透明導電膜に比べて加工性に優れた透明導電膜を得ることができることが示されている。ここで加工性が良好であるとは、基板上に形成した錫添加酸化インジウム薄膜をエッチングによりパターン加工した際に、結晶質と非晶質部のエッチング速度の違い等により、錫添加酸化インジウム薄膜が除去されるべき基板上に、問題となる錫添加酸化インジウム膜の残渣がない事を指す。この優れた加工性は例えば液晶表示部に用いられる透明電極パターンを形成する際に必要な技術である。   Patent Documents 5 to 11 show that the introduction of water vapor when forming tin-added indium oxide at a temperature of room temperature to 200 ° C. or lower can prevent crystallization of the transparent conductive film during film formation. It has been shown that a transparent conductive film excellent in workability as compared with a crystalline transparent conductive film can be obtained. Here, good workability means that when a tin-added indium oxide thin film formed on a substrate is patterned by etching, the tin-added indium oxide thin film depends on the etching rate of the crystalline and amorphous parts. This means that there is no problem of a tin-added indium oxide film residue on the substrate to be removed. This excellent workability is a technique necessary for forming a transparent electrode pattern used for a liquid crystal display unit, for example.

また、このようにして作製された非晶質錫添加酸化インジウム膜は加熱基板上に直接製造した結晶質錫添加酸化インジウム膜に比べ高抵抗かつ低透過率であり、透明電極としての特性が劣るが、特許文献9、11には、非晶質錫添加酸化インジウム膜をアニールすることにより従来の錫添加酸化インジウム透明電極と同等の特性が得られることが報告されている。しかし、従来の錫添加酸化インジウム膜の光学特性は、前述したようにキャリア濃度が高いため波長800nm〜1600nmの近赤外域の波長における吸収係数は高い。   In addition, the amorphous tin-added indium oxide film produced in this way has higher resistance and lower transmittance than the crystalline tin-added indium oxide film directly produced on the heating substrate, and is inferior in characteristics as a transparent electrode. However, Patent Documents 9 and 11 report that by annealing an amorphous tin-added indium oxide film, characteristics equivalent to those of a conventional tin-added indium oxide transparent electrode can be obtained. However, the optical characteristics of the conventional tin-doped indium oxide film have a high absorption coefficient in the near-infrared wavelength range of 800 nm to 1600 nm because of the high carrier concentration as described above.

また、特許文献5〜11の実施例においても可視領域の透明性及び抵抗率は示されているが、波長800nm〜1600nmの近赤外域の波長における透明性あるいはその透明性を実現できることを示すキャリア濃度に関する情報が示されておらず、近赤外域の透過性に優れた薄膜が作製されたという報告はない。   Also, in Examples of Patent Documents 5 to 11, transparency and resistivity in the visible region are shown, but transparency in the near-infrared wavelength range from 800 nm to 1600 nm or a carrier indicating that the transparency can be realized. There is no information on the concentration, and there is no report that a thin film having excellent transparency in the near infrared region has been produced.

一方、モリブデンを含有する酸化インジウム材料(例えば、非特許文献2参照)、チタンを含有する酸化インジウム材料(例えば、非特許文献3参照)、タングステンを含有する酸化インジウム材料(例えば、非特許文献4参照)、ジルコニウムを含有する酸化インジウム材料(例えば、非特許文献5参照)が、錫添加酸化インジウムより波長800nm〜1600nmの近赤外域の波長における吸収係数の低いことが報告されている。いずれも低抵抗かつ近赤外線透過率の高い酸化物透明電極を作製している、あるいはそれを予想することができるキャリア濃度及び移動度の情報が記載されている。しかし、いずれも製膜温度は350℃以上と高温である。そのため主に400nmから1600nmの広い波長領域における高い透過性と低い抵抗率を兼ね備えた透明導電膜を、350℃以下の低温プロセスで製造できる透明導電材料の開発および製造方法に課題を残していた。   On the other hand, an indium oxide material containing molybdenum (for example, see Non-Patent Document 2), an indium oxide material containing titanium (for example, see Non-Patent Document 3), and an indium oxide material containing tungsten (for example, Non-Patent Document 4). It is reported that an indium oxide material containing zirconium (see, for example, Non-Patent Document 5) has a lower absorption coefficient in the near-infrared wavelength range of 800 nm to 1600 nm than that of tin-added indium oxide. In either case, information on carrier concentration and mobility that can produce or predict an oxide transparent electrode with low resistance and high near-infrared transmittance is described. However, in all cases, the film forming temperature is as high as 350 ° C. or higher. Therefore, there remains a problem in the development and manufacturing method of a transparent conductive material capable of manufacturing a transparent conductive film having high transmittance and low resistivity mainly in a wide wavelength region from 400 nm to 1600 nm by a low temperature process of 350 ° C. or less.

特許第3133449号公報Japanese Patent No. 3133449 特許第2624410号公報Japanese Patent No. 2624410 特開平11−214737号公報JP-A-11-214737 特開2001−127336号公報JP 2001-127336 A 平2−54755号公報Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-54755 平2−112112号公報Hei 2-112112 平2−163363号公報Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-163363 平2−251990号公報Hei 2-251990 平3−64450号公報Hei 3-64450 特開平9−50712号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-50712 特開2003−16858号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-16858 H. Fujiwara and M. Kondo, Phys. Rev. B 71, 075109 (2005).H. Fujiwara and M.F. Kondo, Phys. Rev. B 71, 075109 (2005). Y. Meng, X. Yang, H.Chen, J. Shen, Y. Jiang, Z. Zhang,and Z. Hua, Thin Solid Films 394, 219 (2001).Y. Meng, X.M. Yang, H .; Chen, J.A. Shen, Y .; Jiang, Z. Zhang, and Z.M. Hua, Thin Solid Films 394, 219 (2001). M. F. A. van Hest, M. S. Dabney,J. D. Perkins, D. S. Ginley,and M. P. Taylor, Appl. Phys. Lett. 87, 032111 (2005).M.M. F. A. van Hest, M.M. S. Dabney, J .; D. Perkins, D.D. S. Ginley, and M.M. P. Taylor, Appl. Phys. Lett. 87, 031111 (2005). P. F. Newhouse, C. −H. Park, D.A. Keszler, J. Tate ,and P. S. Nyholm, Appl. Phys. Lett. 87, 112108 (2005).P. F. Newhouse, C.I. -H. Park, D.D. A. Keszler, J.A. Tate, and P.M. S. Nyholm, Appl. Phys. Lett. 87, 112108 (2005). T. Koida and M. Kondo, J. Appl. Phys. 101, 063705 (2007).T.A. Koida and M.K. Kondo, J .; Appl. Phys. 101, 063705 (2007). M. Chen, Z. L. Pei, X. Wang, Y. H. Liu, C. Sun, and L. S. Wen, J. Phys. D: Appl. Phys. 33, 2538 (2000).M.M. Chen, Z. L. Pei, X. Wang, Y.W. H. Liu, C.I. Sun, and L.L. S. Wen, J.M. Phys. D: Appl. Phys. 33, 2538 (2000). Swanson et al. , Natl.Bur.Stand.(U.S.),Circ.539,5(1955),26.(JCPDS:06−0416)Swanson et al. Natl. Bur. Stand. (US), Circ. 539, 5 (1955), 26. (JCPDS: 06-0416)

現在一般に透明導電膜として用いられている錫添加酸化インジウム薄膜、ボロンあるいはアルミニウムあるいはガリウムを添加した酸化亜鉛薄膜、フッ素を添加した酸化錫薄膜は低抵抗で可視光領域での透過性は高い。しかし、例えば非特許文献1で報告されているように近赤外領域での透過性は低い。   A tin-added indium oxide thin film, a zinc oxide thin film to which boron or aluminum or gallium is added, and a tin oxide thin film to which fluorine is generally used as a transparent conductive film generally have low resistance and high transmittance in the visible light region. However, for example, as reported in Non-Patent Document 1, the transmittance in the near infrared region is low.

上記透明導電膜は、光電変換素子の窓電極として用いられている。しかし、光電変換層の高品質化、幅広い分光感度を有する積層型薄膜太陽電池の開発、光閉じ込め技術の開発により、透明電極の可視領域から近赤外領域にかけての自由キャリアに起因した吸収・反射損失を無視できないようになってきた。主にシリコン系およびカルコパイライト系光電変換層は、400nmから1200nmの範囲までの光に対し感度を有する。そのため、透明電極内での吸収損失を減らすためには、透明電極には400nm〜1200nmの範囲において高い透過率が必要とされる。また、透明電極とそれに隣接する光電変換層との屈折率差に起因した反射損失を減らすためには、透明電極には400nm〜1200nmの範囲において高い屈折率が必要とされる。しかし、例えば非特許文献1で報告されているように透明導電膜の近赤外領域での屈折率は波長の増加と共に減少し、シリコンの約3.5に対し著しく低い。反射防止の振幅条件を考えた場合、透明導電膜の近赤外領域の屈折率は1.5以上であることが望ましい。   The transparent conductive film is used as a window electrode of a photoelectric conversion element. However, the absorption and reflection caused by free carriers from the visible region to the near infrared region of the transparent electrode due to the development of high-quality photoelectric conversion layers, the development of laminated thin-film solar cells with wide spectral sensitivity, and the development of optical confinement technology Loss cannot be ignored. Mainly, silicon-based and chalcopyrite-based photoelectric conversion layers are sensitive to light in the range of 400 nm to 1200 nm. Therefore, in order to reduce the absorption loss in the transparent electrode, the transparent electrode needs to have a high transmittance in the range of 400 nm to 1200 nm. Further, in order to reduce the reflection loss due to the difference in refractive index between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer adjacent thereto, the transparent electrode needs to have a high refractive index in the range of 400 nm to 1200 nm. However, as reported in Non-Patent Document 1, for example, the refractive index in the near-infrared region of the transparent conductive film decreases with an increase in wavelength, and is significantly lower than about 3.5 for silicon. Considering the amplitude condition for antireflection, it is desirable that the refractive index in the near infrared region of the transparent conductive film is 1.5 or more.

また、上記透明導電膜は近赤外光検出器の窓電極として用いられている。光ファイバー通信で用いられる波長は、1.3ミクロン帯や1.55ミクロン帯近赤外源が主に用いられている。そのため、これらの波長の光を検出するための光検出素子の窓電極としては、1300nm〜1600nmの範囲において自由キャリア吸収の少ない高い透過性が必要とされている。   Moreover, the said transparent conductive film is used as a window electrode of a near-infrared photodetector. As the wavelength used in optical fiber communication, a near-infrared source of 1.3 micron band or 1.55 micron band is mainly used. Therefore, the window electrode of the photodetecting element for detecting light of these wavelengths is required to have high transparency with little free carrier absorption in the range of 1300 nm to 1600 nm.

透明導電膜の近赤外領域の光学特性と電気特性には密接な関係がある。透明導電膜内で移動している電子が欠陥等により散乱を受けると、自由キャリアによる光の吸収が生じる。自由キャリア吸収が生じる波長は、プラズマ周波数で定義され、キャリア濃度の関数である。その波長を1600nm以上にするためには、キャリア濃度が5x1020cm−3以下とする必要がある。There is a close relationship between optical characteristics and electrical characteristics in the near infrared region of the transparent conductive film. When electrons moving in the transparent conductive film are scattered by defects or the like, light is absorbed by free carriers. The wavelength at which free carrier absorption occurs is defined by the plasma frequency and is a function of the carrier concentration. In order to make the wavelength 1600 nm or more, the carrier concentration needs to be 5 × 10 20 cm −3 or less.

また、自由キャリアによる吸収係数は、移動度の増加およびキャリア濃度の減少により減少する。一方、透明導電膜の抵抗率はキャリア濃度と移動度の関数で表される。そのため抵抗率を増加させることなく自由キャリア吸収を低減し、近赤外領域の透過率の向上および反射率の低減を図るためには、キャリア濃度の減少と移動度の向上が必要である。ここで、キャリア濃度を前記5x1020cm−3とした時、抵抗率を増加させることなく近赤外領域の高い透過率、低い反射率を得るには、移動度は40cm/Vs以上であることが望ましい。また、透明導電膜を光電変換素子あるいは光検出素子の窓電極に用いた場合、素子の直列抵抗を増大させないためには透明導電膜の抵抗率は1x10−3Ωcm以下、好ましくは5x10−4Ωcm以下であることが望ましい。In addition, the absorption coefficient due to free carriers decreases as the mobility increases and the carrier concentration decreases. On the other hand, the resistivity of the transparent conductive film is expressed as a function of carrier concentration and mobility. Therefore, in order to reduce free carrier absorption without increasing the resistivity, and to improve the transmittance in the near infrared region and the reflectance, it is necessary to reduce the carrier concentration and improve the mobility. Here, when the carrier concentration is 5 × 10 20 cm −3 , the mobility is 40 cm 2 / Vs or more in order to obtain high transmittance and low reflectance in the near infrared region without increasing the resistivity. It is desirable. Further, when the transparent conductive film is used for the window electrode of the photoelectric conversion element or the light detection element, the resistivity of the transparent conductive film is 1 × 10 −3 Ωcm or less, preferably 5 × 10 −4 Ωcm, in order not to increase the series resistance of the element. The following is desirable.

一般にキャリア濃度1x1019cm−3以上の薄膜の移動度は主に粒界や格子振動よりもむしろイオン化不純物による散乱が支配的であるため、その移動度はドーパントとして添加した不純物量及びその価数で決定される。しかし、一般に低温プロセスにて作製される透明導電膜の移動度は、例えば非特許文献5に示されているように、前述のドーパントによるイオン化不純物散乱に支配された移動度と比べ著しく小さい。その要因としては、例えば錫添加酸化インジウムの場合、添加物である錫イオン以外に酸素空孔、格子間酸素、格子間インジウム、インジウム空孔などの点欠陥あるいはそれらが関与した複合型欠陥といったイオン化不純物・中性不純物が多数含まれ、これらがキャリアの散乱に寄与するためと考えられている。In general, the mobility of a thin film having a carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more is mainly dominated by ionized impurities rather than grain boundaries and lattice vibrations. Therefore, the mobility depends on the amount of impurities added as a dopant and its valence. Determined by However, the mobility of a transparent conductive film generally produced by a low-temperature process is significantly smaller than the mobility dominated by ionized impurity scattering by the above-mentioned dopant, as shown in Non-Patent Document 5, for example. For example, in the case of tin-added indium oxide, in addition to tin ions as additives, ionization such as point defects such as oxygen vacancies, interstitial oxygen, interstitial indium, and indium vacancies, or complex defects involving them It is thought that many impurities and neutral impurities are contained and these contribute to carrier scattering.

また、モリブデンあるいはチタンあるいはタングステンあるいはジルコニウムを含有する酸化インジウム薄膜は、導電性を損なうことなく錫添加酸化インジウム薄膜、ボロンあるいはアルミニウムあるいはガリウムを添加した酸化亜鉛薄膜、フッ素を添加した酸化錫薄膜より高い移動度および近赤外領域の透明性に優れた特性が報告されているが、いずれも製膜温度は350℃以上と高温となる問題がある。   Indium oxide thin films containing molybdenum, titanium, tungsten or zirconium are higher than tin-doped indium oxide thin films, zinc oxide thin films doped with boron, aluminum or gallium, or tin oxide thin films doped with fluorine without impairing conductivity. Although properties excellent in mobility and transparency in the near-infrared region have been reported, there is a problem that the film forming temperature is as high as 350 ° C. or higher.

本発明は、上記問題点に鑑み、200℃以下の低温プロセスを用いて、ある特定の範囲のキャリア濃度を有する薄膜に対し、ドーパントである不純物以外による散乱を抑制し、例えば非参考文献5に示されているドーパントによる不純物散乱のみに支配された移動度に近い、波長400nm〜1600nmの可視及び近赤外域での透過性に優れた酸化物透明導電膜を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記酸化物透明導電膜を主要部として用いた光電変換素子、光検出素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記酸化物透明導電膜を主要部として光電変換素子の透明電極に用いることにより、従来では不可能であった近赤外域の分光感度の高い高効率太陽電池、あるいは微弱な近赤外線を検出できる高性能光検出素子を実現することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention uses a low-temperature process of 200 ° C. or lower to suppress scattering caused by impurities other than dopants for a thin film having a carrier concentration in a specific range. An object of the present invention is to provide an oxide transparent conductive film having a wavelength of 400 nm to 1600 nm and excellent transparency in the visible and near-infrared region, which is close to mobility controlled only by impurity scattering by the dopant shown.
Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element and a light detection element using the oxide transparent conductive film as a main part.
In addition, the present invention uses the oxide transparent conductive film as a main part for a transparent electrode of a photoelectric conversion element, so that a high-efficiency solar cell having high spectral sensitivity in the near-infrared region, which has been impossible in the past, or weak An object is to realize a high-performance photodetector that can detect near infrared rays.

本発明は、上記課題を解決するため、下記の課題解決手段を採用する。
1.酸化物透明導電膜は水素原子を含有し、水素原子含有量を1%以上10%以下とする。
2.水素原子を含有する非晶質酸化物導電膜は、ホール効果測定による電子の移動度を40cm/Vs以上とし、キャリア濃度を5x1020cm−3以下とし、比抵抗を1x10−3Ωcm以下とする。
3.水素原子を含有する非晶質酸化物導電膜は、波長400nm〜1200nmの屈折率を1.5以上とし、比抵抗を5x10−4Ωcm以下とする。
4.水素原子を含有する非晶質酸化物透明導電膜は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、二酸化チタン膜のいずれか1つ、またはこれらのうち二つ以上の化合物を含む薄膜とする。
5.水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜は、結晶の配向を無配向とする。
6.水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜は、格子定数を無歪のバルクの格子定数に対し0.3%以下とする。
7.水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜は、x線回折測定よる回折ピーク幅より求めた結晶子サイズを膜厚の1/5以上とする。
8.水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜は、ホール効果測定による電子の移動度を70cm/Vs以上とし、キャリア濃度を5x1020cm−3以下とし、比抵抗を1x10−3Ωcm以下とする。
9.水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜は、波長400nm〜1200nmの屈折率を1.5以上とし、比抵抗を5x10−4Ωcm以下とする。
10.水素原子を含有する結晶質酸化物透明導電膜は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、二酸化チタン膜のいずれか1つ、またはこれらのうち二つ以上の化合物を含む薄膜とする。
11.水素原子を含有する結晶質酸化物透明導電膜は、水素原子を含有する非晶質酸化物透明導電膜をアニールすることにより形成する。
12.可視域だけでなく近赤外域の透過性に優れた前記酸化物透明導電膜を電極として用いて光電変換素子を構成する。ここでいう光電変換素子は、バルク単結晶シリコンにシリコン系薄膜を積層したヘテロ接合太陽電池、シリコン系薄膜太陽電池、カルコパイライト系薄膜太陽電池、GaAs、CdTeなどの化合物半導体を用いた太陽電池、あるいは有機材料を用いた有機太陽電池などが含まれるが、これらに限定されない。
13.可視域だけでなく近赤外域の透過性に優れた前記酸化物透明導電膜を電極として用いて光検知素子を構成する。ここでいう光検知素子は、一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層とを有し、該電極のうち少なくとも一方に、前記酸化物透明導電膜を用いる。尚、光検出素子は光検知材料層を近赤外線検知材料層として設けて、近赤外線検出用とすることもできる。
14.前記酸化物透明導電膜を電極として用いた光電変換素子又は光検出素子は、素子をアニールすることにより形成する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following problem solving means.
1. The oxide transparent conductive film contains hydrogen atoms, and the hydrogen atom content is 1% or more and 10% or less.
2. The amorphous oxide conductive film containing hydrogen atoms has an electron mobility measured by Hall effect measurement of 40 cm 2 / Vs or more, a carrier concentration of 5 × 10 20 cm −3 or less, and a specific resistance of 1 × 10 −3 Ωcm or less. To do.
3. The amorphous oxide conductive film containing hydrogen atoms has a refractive index of a wavelength of 400 nm to 1200 nm of 1.5 or more and a specific resistance of 5 × 10 −4 Ωcm or less.
4). The amorphous oxide transparent conductive film containing hydrogen atoms may be any one of indium oxide, gallium oxide, zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, germanium oxide, titanium dioxide film, or two or more of these. A thin film containing a compound is used.
5. The crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms makes the crystal orientation non-oriented.
6). The crystalline oxide conductive film containing a hydrogen atom has a lattice constant of 0.3% or less with respect to an unstrained bulk lattice constant.
7). In the crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms, the crystallite size obtained from the diffraction peak width by x-ray diffraction measurement is set to 1/5 or more of the film thickness.
8). The crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms has an electron mobility of 70 cm 2 / Vs or higher, a carrier concentration of 5 × 10 20 cm −3 or lower, and a specific resistance of 1 × 10 −3 Ωcm or lower. .
9. The crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms has a refractive index of a wavelength of 400 nm to 1200 nm of 1.5 or more and a specific resistance of 5 × 10 −4 Ωcm or less.
10. The crystalline oxide transparent conductive film containing a hydrogen atom is any one of indium oxide, gallium oxide, zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, germanium oxide, titanium dioxide film, or two or more of these compounds A thin film containing
11. The crystalline oxide transparent conductive film containing hydrogen atoms is formed by annealing an amorphous oxide transparent conductive film containing hydrogen atoms.
12 A photoelectric conversion element is formed using the oxide transparent conductive film having excellent transparency in the near infrared region as well as the visible region as an electrode. The photoelectric conversion element here is a heterojunction solar cell in which a silicon-based thin film is laminated on bulk single crystal silicon, a silicon-based thin film solar cell, a chalcopyrite-based thin film solar cell, a solar cell using a compound semiconductor such as GaAs, CdTe, Or the organic solar cell using an organic material etc. are included, However, It is not limited to these.
13. A photodetecting element is constituted by using, as an electrode, the oxide transparent conductive film that is excellent not only in the visible region but also in the near infrared region. The photodetecting element here has a pair of electrodes and a photodetecting material layer sandwiched between the electrodes, and the oxide transparent conductive film is used for at least one of the electrodes. Note that the light detection element can be used for near infrared detection by providing a light detection material layer as a near infrared detection material layer.
14 A photoelectric conversion element or a light detection element using the oxide transparent conductive film as an electrode is formed by annealing the element.

本発明の課題解決手段は、具体的には、以下のようになる。
(1)酸化物透明導電膜は、水素原子を含有する酸化物導電膜の水素原子含有量を1%以上10%以下の範囲内の任意の値としたことを特徴とする。
(2)非晶質酸化物透明導電膜は、上記(1)記載の前記酸化物導電膜を水素原子を含有する非晶質酸化物導電膜とし、その水素原子含有量を1%以上10%以下とし、ホール効果測定による電子の移動度を40cm/Vs以上とし、キャリア濃度を5x1020cm−3以下とし、比抵抗を1x10−3Ωcm以下としたことを特徴とする。
(3)非晶質酸化物透明導電膜は、上記(1)記載の前記酸化物導電膜を水素原子を含有する非晶質酸化物導電膜とし、波長400nm〜1200nmの範囲内の任意の波長における屈折率を1.5以上とし、比抵抗を5x10−4Ωcm以下の任意の値としたことを特徴とする。
(4)結晶質酸化物透明導電膜は、上記(1)記載の酸化物導電膜を水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜とし、水素原子含有量を1%以上10%以下の範囲内の任意の値とし、格子定数を無歪のバルクの格子定数に対し0.3%以下としたことを特徴とする。
(5)結晶質酸化物透明導電膜は、上記(1)記載の酸化物導電膜を水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜とし、x線回折測定よる回折ピーク幅より求めた結晶子サイズを膜厚の1/5以上としたことを特徴とする。
(6)結晶質酸化物透明導電膜は、上記(1)記載の酸化物導電膜を水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜とし、ホール効果測定による電子の移動度を70cm/Vs以上とし、キャリア濃度を5x1020cm−3以下とし、比抵抗を1x10−3Ωcm以下としたことを特徴とする。
(7)結晶質酸化物透明導電膜は、上記(1)記載の酸化物導電膜を水素原子を含有する結晶質酸化物導電膜とし、波長400nm〜1200nmの範囲内の屈折率を1.5以上とし、比抵抗を5x10−4Ωcm以下としたことを特徴とする。
(8)結晶質酸化物透明導電膜は、上記(4)乃至(7)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜を、上記(2)又は(3)記載の水素原子を含有する非晶質酸化物透明導電膜をアニールすることにより形成したものとすることを特徴とする。
(9)酸化物透明導電膜は、上記(1)乃至(8)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜を、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、二酸化チタン膜のいずれか1つ、またはこれらのうち二つ以上の化合物を含む薄膜としたことを特徴とする。
(10)酸化物透明導電膜は、上記(1)乃至(8)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜を、インジウムと酸素の元素を含む薄膜としたことを特徴とする。
(11)光電変換素子は、上記(1)乃至(10)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜を透明電極としたことを特徴とする。
(12)光電変換素子は、基板側から順に配置された第一の電極層、導電性酸化物層、n型薄膜半導体層、i型薄膜半導体層、p型薄膜半導体層、及び第二の電極層を有し、前記第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であって、前記第二の電極層又は導電性酸化物層を上記(1)乃至(10)のいずれか1項記載の酸化物導電膜としたことを特徴とする。
(13)光電変換素子は、一導電型の結晶系半導体上に、逆導電型薄膜半導体層もしくはi型の薄膜半導体層と逆導電型薄膜半導体層が形成されてなるヘテロ接合により光入射側に透明電極を形成した光電変換素子であって、上記(1)乃至(10)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜を透明電極としたことを特徴とする。
(14)光電変換素子は、基板側から順に第一の電極層、p型半導体層、n型半導体層、及び第二の電極層を設け、前記第一あるいは第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であって、前記第一あるいは第二の電極層を上記(1)乃至(10)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜としたことを特徴とする。
(15)光検出素子は、一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層とを有する光検出素子において、前記一対の電極のうち少なくとも一方を、上記(1)乃至(10)のいずれか1項記載の酸化物透明導電膜としたことを特徴とする。
The problem solving means of the present invention is specifically as follows.
(1) The oxide transparent conductive film is characterized in that the hydrogen atom content of the oxide conductive film containing hydrogen atoms is set to an arbitrary value within a range of 1% to 10%.
(2) In the amorphous oxide transparent conductive film, the oxide conductive film according to (1) is an amorphous oxide conductive film containing hydrogen atoms, and the hydrogen atom content is 1% or more and 10%. The electron mobility by Hall effect measurement is 40 cm 2 / Vs or more, the carrier concentration is 5 × 10 20 cm −3 or less, and the specific resistance is 1 × 10 −3 Ωcm or less.
(3) The amorphous oxide transparent conductive film is an amorphous oxide conductive film containing hydrogen atoms as the oxide conductive film described in (1) above, and has an arbitrary wavelength within a wavelength range of 400 nm to 1200 nm. The refractive index is 1.5 or more and the specific resistance is an arbitrary value of 5 × 10 −4 Ωcm or less.
(4) In the crystalline oxide transparent conductive film, the oxide conductive film according to (1) is a crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms, and the hydrogen atom content is in the range of 1% to 10%. The lattice constant is 0.3% or less with respect to the lattice constant of the unstrained bulk.
(5) The crystalline oxide transparent conductive film is obtained by using the oxide conductive film described in (1) above as a crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms, and the crystallite size obtained from the diffraction peak width by x-ray diffraction measurement Is set to 1/5 or more of the film thickness.
(6) In the crystalline oxide transparent conductive film, the oxide conductive film described in (1) above is a crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms, and the electron mobility by Hall effect measurement is 70 cm 2 / Vs or more. The carrier concentration is 5 × 10 20 cm −3 or less, and the specific resistance is 1 × 10 −3 Ωcm or less.
(7) The crystalline oxide transparent conductive film uses the oxide conductive film described in (1) above as a crystalline oxide conductive film containing hydrogen atoms, and has a refractive index in the wavelength range of 400 nm to 1200 nm of 1.5. The specific resistance is 5 × 10 −4 Ωcm or less.
(8) The crystalline oxide transparent conductive film is a non-oxide-containing conductive film according to any one of (4) to (7) above, which contains a hydrogen atom as described in (2) or (3) above. A crystalline oxide transparent conductive film is formed by annealing.
(9) The oxide transparent conductive film is the oxide transparent conductive film according to any one of (1) to (8) above, wherein indium oxide, gallium oxide, zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, germanium oxide, Any one of the titanium dioxide films, or a thin film containing two or more of these compounds may be used.
(10) An oxide transparent conductive film is characterized in that the oxide transparent conductive film according to any one of (1) to (8) is a thin film containing elements of indium and oxygen.
(11) The photoelectric conversion element is characterized in that the transparent oxide conductive film according to any one of (1) to (10) above is used as a transparent electrode.
(12) The photoelectric conversion element includes a first electrode layer, a conductive oxide layer, an n-type thin film semiconductor layer, an i-type thin film semiconductor layer, a p-type thin film semiconductor layer, and a second electrode arranged in order from the substrate side. A photoelectric conversion element having a layer and generating a photovoltaic force by light incident from the second electrode layer side, wherein the second electrode layer or the conductive oxide layer is the above (1) to (10 The oxide conductive film according to any one of the above items.
(13) The photoelectric conversion element is formed on the light incident side by a heterojunction in which a reverse conductivity type thin film semiconductor layer or an i type thin film semiconductor layer and a reverse conductivity type thin film semiconductor layer are formed on a single conductivity type crystalline semiconductor. A photoelectric conversion element in which a transparent electrode is formed, wherein the oxide transparent conductive film according to any one of (1) to (10) is used as a transparent electrode.
(14) The photoelectric conversion element includes a first electrode layer, a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer in order from the substrate side, and enters from the first or second electrode layer side. A photoelectric conversion element that generates photovoltaic power by light, wherein the first or second electrode layer is the oxide transparent conductive film according to any one of (1) to (10) above. And
(15) In the light detection element having a pair of electrodes and a light detection material layer sandwiched between the electrodes, at least one of the pair of electrodes may be the light detection element according to (1) to (10). The oxide transparent conductive film according to any one of the above items is used.

本発明のドーパントとして水素原子を用いた非晶質あるいは結晶質酸化物導電膜は、従来材料である錫添加酸化インジウム(ITO)薄膜に比べ可視領域および近赤外領域において透明性に優れている。また、その薄膜は室温あるいは200℃以下の低温プロセスにて製造することが出来るため、産業上きわめて有用な発明といえる。
本発明の発明者は、酸化物導電膜の基板材料の一例として酸化インジウムを選択し、ドーパントである水素原子含有量を変化させガラス基板上に作製した非晶質酸化インジウム薄膜及びその薄膜をアニールにより固相成長させた結晶質酸化インジウム薄膜の構造、光学特性、電気特性を調べた。従来材料である錫添加酸化インジウム(ITO)に対する光学特性、電気特性の優位性を調べるため、同じプロセス温度で形成された酸化錫を10重量%含む酸化インジウム(ITO)薄膜と比較した。
The amorphous or crystalline oxide conductive film using hydrogen atoms as the dopant of the present invention is superior in transparency in the visible region and near infrared region as compared with the conventional tin-added indium oxide (ITO) thin film. . Further, since the thin film can be produced by a low temperature process at room temperature or 200 ° C. or less, it can be said that the invention is extremely useful in industry.
The inventor of the present invention selects indium oxide as an example of the substrate material of the oxide conductive film, changes the hydrogen atom content as a dopant, and anneals the amorphous indium oxide thin film formed on the glass substrate and the thin film. The structure, optical properties, and electrical properties of the crystalline indium oxide thin films grown by solid phase were investigated. In order to investigate the superiority of optical properties and electrical properties over tin-added indium oxide (ITO), which is a conventional material, it was compared with an indium oxide (ITO) thin film containing 10% by weight of tin oxide formed at the same process temperature.

その結果、非加熱基板上では、水素原子含有量の増加に伴い結晶化が妨げられ、一般的なx線回折測定で分かる範囲において非晶質の膜が得られる。水素原子含有量を無添加から1〜10%と増加させることにより薄膜の抵抗率は1×10−2Ωcm以上から1×10−3Ωcm以下へと低減し、非加熱基板上に作製したITO薄膜と同等あるいはそれ以下の抵抗率を実現できる。また、水素原子含有量が1〜10%である酸化インジウム薄膜は上記ITO薄膜に比べ可視領域の透過性に優れ、膜厚約240nmにおいて波長500nm〜1600nmの範囲内の任意の波長における平均光透過率が70%以上を実現できる。As a result, on an unheated substrate, crystallization is hindered as the hydrogen atom content increases, and an amorphous film can be obtained within a range that can be understood by general x-ray diffraction measurement. The resistivity of the thin film is reduced from 1 × 10 −2 Ωcm or more to 1 × 10 −3 Ωcm or less by increasing the hydrogen atom content from 1 to 10% from the non-addition, and the ITO produced on the non-heated substrate Resistivity equivalent to or lower than that of a thin film can be realized. An indium oxide thin film having a hydrogen atom content of 1 to 10% is superior to the ITO thin film in the visible region, and has an average light transmission at an arbitrary wavelength within a wavelength range of 500 nm to 1600 nm at a film thickness of about 240 nm. A rate of 70% or more can be realized.

一方、これらの薄膜を真空雰囲気中200℃にてアニールしたところ、アニール前において水素原子添加により非晶質を示していた薄膜は、固相成長により多結晶化し、x線回折ピーク幅より求めたその結晶子サイズは水素原子を意図的に添加していない酸化インジウム薄膜あるいはITO薄膜より大きく、50nm以上のものが実現できる。また、水素原子含有量が1〜10%である酸化インジウム薄膜は、ITO薄膜と同等の抵抗率を有するが、移動度が3倍以上高くキャリア濃度が1/3以下と抑えることが出来るため、近赤外領域における自由キャリア吸収を抑えることが出来、その結果、膜厚約240nmにおいて波長400nm〜2000nmの範囲内の任意の波長における平均光透過率が70%以上を実現できる。   On the other hand, when these thin films were annealed in a vacuum atmosphere at 200 ° C., the thin films that were amorphous by the addition of hydrogen atoms before annealing were polycrystallized by solid phase growth and were determined from the x-ray diffraction peak width. The crystallite size is larger than that of an indium oxide thin film or ITO thin film to which hydrogen atoms are not intentionally added, and a crystallite size of 50 nm or more can be realized. Further, the indium oxide thin film having a hydrogen atom content of 1 to 10% has a resistivity equivalent to that of the ITO thin film, but the mobility is 3 times or more and the carrier concentration can be suppressed to 1/3 or less. Free carrier absorption in the near infrared region can be suppressed, and as a result, an average light transmittance of 70% or more at an arbitrary wavelength within a wavelength range of 400 nm to 2000 nm can be realized at a film thickness of about 240 nm.

酸化インジウムあるいはその他の酸化物導電膜は一般にn型の縮退した半導体であり、キャリアである電子が電気伝導に寄与する。このキャリアである電子はある波長以上の光を反射及び吸収する。その光の波長はキャリア濃度に依存するが、一般に近赤外領域に存在する。例えば、従来一般に用いられている前記の錫添加酸化インジウム薄膜あるいは酸化亜鉛薄膜はキャリア濃度が1x1021cm−3程度で抵抗率は2x10−4Ωcm程度と非常に低いが、1000nm以上の近赤外線の吸収係数は高いためその透過性は悪い。Indium oxide or other oxide conductive films are generally n-type degenerate semiconductors, and electrons serving as carriers contribute to electrical conduction. The electrons that are carriers reflect and absorb light having a wavelength longer than that. The wavelength of the light depends on the carrier concentration, but generally exists in the near infrared region. For example, the tin-added indium oxide thin film or zinc oxide thin film, which has been generally used in the past, has a carrier concentration of about 1 × 10 21 cm −3 and a resistivity of about 2 × 10 −4 Ωcm, which is very low. The permeability is poor because of its high absorption coefficient.

膜厚を減少させることなく波長1600nm以下の近赤外領域の透過性を損なわせないためには、キャリア濃度は好ましくは5x1020cm−3以下であることが求められる。
本発明のドーパントとして水素原子を用いた酸化インジウム薄膜は作製条件によってはキャリア濃度が5x1020cm−3以下と低くすることができるため、波長1600nm以下の近赤外線に対する透過性は高い。
The carrier concentration is preferably 5 × 10 20 cm −3 or less in order not to impair the transmittance in the near infrared region with a wavelength of 1600 nm or less without reducing the film thickness.
Since the indium oxide thin film using hydrogen atoms as the dopant of the present invention can have a carrier concentration as low as 5 × 10 20 cm −3 or less depending on the production conditions, it has high transparency to near infrared rays having a wavelength of 1600 nm or less.

また、本発明のドーパントとして水素原子を用いた酸化インジウム薄膜はキャリア濃度が従来の酸化インジウム系あるいは酸化亜鉛系酸化物導電材料のものより低いが、キャリアの移動度が非加熱で作製した非晶質薄膜で40cm/Vs以上、作製条件によっては50cm/Vs以上、その薄膜をアニールした結晶質薄膜では70cm/Vs以上であり、作製条件によっては90cm/Vs以上あるいは130cm/Vs以上の薄膜も実現でき、従来の透明導電膜の移動度(錫添加酸化インジウム膜あるいはガリウムを添加した酸化亜鉛薄膜で約20〜30cm/Vs)と比べてきわめて大きいため、比抵抗は同程度のものが実現できる。その結果、導電性を損なうことなく近赤外域の透過性を高くできる。In addition, the indium oxide thin film using hydrogen atoms as the dopant of the present invention has a carrier concentration lower than that of a conventional indium oxide-based or zinc oxide-based oxide conductive material, but the carrier mobility is amorphous produced by non-heating. in quality thin film 40 cm 2 / Vs or more, 50 cm 2 / Vs or more, depending on production conditions, the thin film is a crystalline thin film annealed and a 70cm 2 / Vs or more, 90cm 2 / Vs or more, depending on manufacturing conditions, or 130 cm 2 / Vs The above thin film can also be realized, and the specific resistance is about the same because the mobility of the conventional transparent conductive film is extremely large compared to the mobility of a tin-added indium oxide film or a gallium-added zinc oxide thin film (about 20 to 30 cm 2 / Vs). Can be realized. As a result, the near-infrared transmittance can be increased without impairing conductivity.

また、キャリア濃度1x1019cm−3以上5x1020cm−3以下程度の範囲におけるキャリアの散乱機構は粒界や転位などのマクロな欠陥による散乱よりもイオン化不純物散乱あるいは中性不純物散乱など点欠陥による散乱が支配している。本発明では、キャリア濃度に対する移動度の値から、水素原子により一価に帯電したイオン化不純物が形成され、キャリアが生成されていることが示唆される。このことから水素原子が酸素Oサイトあるいはその近傍に形成されることにより、一個の水素原子あたり一個のキャリアが生成されていることが予想される。そのため、本発明では、酸化インジウムのみならず、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、二酸化チタン薄膜単体、あるいはこれらのうち二つ以上の化合物を含む薄膜にも適用することができる。Also, the carrier scattering mechanism in the carrier concentration range of about 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 is due to point defects such as ionized impurity scattering or neutral impurity scattering rather than scattering due to macro defects such as grain boundaries and dislocations. Scattering dominates. In the present invention, the mobility value relative to the carrier concentration suggests that ionized impurities that are monovalently charged by hydrogen atoms are formed and carriers are generated. From this, it is expected that one carrier is generated per one hydrogen atom by forming a hydrogen atom at or near the oxygen O site. Therefore, the present invention can be applied not only to indium oxide but also to gallium oxide, zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, germanium oxide, titanium dioxide thin film alone, or a thin film containing two or more of these compounds. it can.

また、水素原子を添加した非晶質あるいは結晶質酸化物透明導電膜を電極として用いた本発明の光電変換素子又は光検出素子は、従来の透明導電膜材料である錫添加酸化インジウム(ITO)薄膜を電極として用いた光電変換素子又は光検出素子に比べ、可視領域および近赤外領域の感度特性に優れている。そのため、産業上きわめて有用な発明といえる。
本発明の発明者は、光電変換素子の一例として水素原子を添加した酸化インジウム薄膜を用いた結晶シリコンと非晶質シリコンとで形成されたヘテロ接合を有する光電変換素子を作製し、アニール温度に対するその素子の電流―電圧特性及び分光感度特性を調べた。また、この電流―電圧特性及び分光感度特性を従来素子である錫添加酸化インジウム(ITO)を窓電極として用いた同じ構造を有する光電変換素子と比較した。
Moreover, the photoelectric conversion element or photodetection element of the present invention using an amorphous or crystalline oxide transparent conductive film added with hydrogen atoms as an electrode is a tin-added indium oxide (ITO) which is a conventional transparent conductive film material. Compared with a photoelectric conversion element or a light detection element using a thin film as an electrode, the sensitivity characteristics in the visible region and the near infrared region are excellent. Therefore, it can be said that the invention is extremely useful in industry.
As an example of the photoelectric conversion element, the inventor of the present invention produces a photoelectric conversion element having a heterojunction formed of crystalline silicon and amorphous silicon using an indium oxide thin film to which hydrogen atoms are added, and with respect to the annealing temperature. The current-voltage characteristics and spectral sensitivity characteristics of the device were investigated. Further, the current-voltage characteristics and spectral sensitivity characteristics were compared with a photoelectric conversion element having the same structure using tin-doped indium oxide (ITO) as a window electrode.

その結果、アニール処理の有無によらず、水素添加酸化インジウムを窓電極として用いた素子はITOを窓電極として用いた素子に比べ、可視領域から近赤外領域における分光感度特性が向上し、著しく電流密度が増加する。そのため、変換効率を著しく向上させることができる。   As a result, regardless of the presence or absence of annealing treatment, the element using hydrogenated indium oxide as the window electrode has improved spectral sensitivity characteristics from the visible region to the near infrared region compared with the device using ITO as the window electrode. The current density increases. Therefore, conversion efficiency can be remarkably improved.

また、水素原子添加酸化インジウムを窓電極として用いた光電変換素子において、その素子を140℃以上にアニール処理を行い、水素原子添加酸化インジウム薄膜を固相結晶化させることにより、アニール前あるいは140℃未満においてアニール処理した素子に比べ、可視領域から近赤外領域における分光感度特性が向上し、電流密度を著しく増加させることができる。   Further, in a photoelectric conversion element using hydrogen atom-added indium oxide as a window electrode, the element is annealed at 140 ° C. or more, and the hydrogen atom-added indium oxide thin film is solid-phase crystallized before annealing or at 140 ° C. The spectral sensitivity characteristics from the visible region to the near-infrared region are improved and the current density can be remarkably increased as compared with a device that is annealed at a lower temperature.

水素原子添加酸化インジウム薄膜は、前述したように、キャリア濃度が従来のITO薄膜より低いが、キャリアの移動度が大きいため、比抵抗は同程度のものが実現できる。また、キャリア濃度が低く移動度が大きいため、水素原子添加酸化インジウム薄膜は、ITO薄膜に比べ、可視領域から近赤外領域にかけて高い屈折率と低い吸収係数を有する。そのため、この薄膜を光電変換素子の窓電極として用いた場合、透明導電膜と光電変換層の屈折率差に起因した反射損失および透明導電膜内での吸収損失を低減することが出来る。その結果、光電変換素子の電気的特性を劣化させることなく、分光感度特性を向上させることが出来る。また、本発明は窓電極による光学的損失を低減させ、可視領域から近赤外領域までの素子感度を向上するものであるため、結晶シリコンと非晶質シリコンとで形成されたヘテロ接合を有する光電変換素子のみならず、可視領域から近赤外領域の素子感度を有する光電変換素子・光検出素子にも適用することが出来る。   As described above, the hydrogen atom-added indium oxide thin film has a carrier concentration lower than that of the conventional ITO thin film, but since the carrier mobility is large, the specific resistance can be approximately the same. Further, since the carrier concentration is low and the mobility is large, the hydrogen atom-added indium oxide thin film has a high refractive index and a low absorption coefficient from the visible region to the near infrared region, as compared with the ITO thin film. Therefore, when this thin film is used as a window electrode of a photoelectric conversion element, it is possible to reduce reflection loss and absorption loss in the transparent conductive film due to a difference in refractive index between the transparent conductive film and the photoelectric conversion layer. As a result, the spectral sensitivity characteristics can be improved without deteriorating the electrical characteristics of the photoelectric conversion element. In addition, since the present invention reduces the optical loss due to the window electrode and improves the device sensitivity from the visible region to the near infrared region, it has a heterojunction formed of crystalline silicon and amorphous silicon. The present invention can be applied not only to a photoelectric conversion element but also to a photoelectric conversion element / photodetection element having element sensitivity from the visible region to the near infrared region.

本発明の実施例1に示すガラス基板上に異なるHO分圧(PH2O)下において室温製膜した酸化インジウム薄膜のx線回折パターン及びバルクの酸化インジウム粉末のデータを示す図である。It is a diagram showing data x-ray diffraction pattern and the bulk of the indium oxide powder of the indium oxide thin films at room temperature film formation in different H 2 O partial pressure (P H2 O) under on the glass substrate shown in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例1に示すガラス基板上に異なるHO分圧(PH2O)下において室温製膜した酸化インジウム薄膜を200℃にて真空アニールした後の薄膜のx線回折パターン及びバルクの酸化インジウム粉末のデータを示す図である。X-ray diffraction pattern and bulk of indium oxide thin film formed at room temperature under different H 2 O partial pressure (P H2O ) on glass substrate shown in Example 1 of the present invention after vacuum annealing at 200 ° C. It is a figure which shows the data of an indium oxide powder. 本発明の実施例1に示すガラス基板上に異なるHO分圧下において室温製膜した酸化インジウム薄膜の製膜後及び各温度で真空アニール後の室温における電気特性を示す図である。Is a diagram showing the electric characteristics at room temperature after vacuum annealing at a film and after the temperature of the indium oxide thin films at room temperature film formation in different H 2 O partial pressure on the glass substrate shown in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例1に示すガラス基板上にHO分圧が5×10−5Pa以上1×10−3Pa以下の範囲において作製されたアニール前の薄膜、その薄膜を200℃あるいは240℃でアニールした後の薄膜、比較試料として作製したアニール前のITO薄膜、その薄膜を200℃でアニールしたITO薄膜の電気特性を示す図である。A thin film before annealing produced on the glass substrate shown in Example 1 of the present invention in a range where the H 2 O partial pressure is 5 × 10 −5 Pa or more and 1 × 10 −3 Pa or less, the thin film is 200 ° C. or 240 ° C. It is a figure which shows the electrical property of the thin film after annealing at 200 degreeC, the ITO thin film before annealing produced as a comparative sample, and the ITO thin film which annealed the thin film at 200 degreeC. 本発明の実施例1に示すガラス基板上に異なるHO分圧(PH2O)下において室温製膜した酸化インジウム薄膜、比較試料として室温製膜したITO薄膜、及びガラス基板の室温における透過・反射スペクトルを示す図であるThe indium oxide thin film formed at room temperature under different H 2 O partial pressures (P H2O ) on the glass substrate shown in Example 1 of the present invention, the ITO thin film formed at room temperature as a comparative sample, and the glass substrate transmission at room temperature It is a figure which shows a reflection spectrum. 本発明の実施例1に示すガラス基板上に異なるHO分圧(PH2O)下において室温製膜した酸化インジウム薄膜及び比較試料として室温製膜したITO薄膜を200℃にて真空アニールした後の薄膜及びガラス基板の室温における透過・反射スペクトルを示す図であるAfter vacuum annealing the indium oxide thin film formed at room temperature under different H 2 O partial pressure (P H2O ) and the ITO thin film formed at room temperature as a comparative sample on a glass substrate shown in Example 1 of the present invention at 200 ° C. It is a figure which shows the transmission and reflection spectrum in room temperature of a thin film and a glass substrate of 本発明の表11に示したHO分圧と薄膜内の水素原子含有量を表した図である。Is a diagram showing the hydrogen atoms H 2 O content partial pressure and the film shown in Table 11 of the present invention. 本発明の実施例2に示す光電変換素子の素子構造を示す図である。It is a figure which shows the element structure of the photoelectric conversion element shown in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に示す150℃においてアニールした後の光電変換素子の電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the photoelectric conversion element after annealing at 150 degreeC shown in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2に示す150℃においてアニールした後の光電変換素子の分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion element after annealing at 150 degreeC shown in Example 2 of this invention. 本発明の実施例に示す光電変換素子の素子構造を示す図である。It is a figure which shows the element structure of the photoelectric conversion element shown in the Example of this invention. 本発明の実施例に示す光電変換素子の素子構造を示す図である。It is a figure which shows the element structure of the photoelectric conversion element shown in the Example of this invention. 本発明の実施例に示す光電変換素子の素子構造を示す図である。It is a figure which shows the element structure of the photoelectric conversion element shown in the Example of this invention. 本発明の実施例に示す光検出素子の素子構造を示す図である。It is a figure which shows the element structure of the photon detection element shown in the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、22、32、44 金属電極
2 n型シリコン
3 i型アモルファスシリコン
4 p型アモルファスシリコン
5、23 透明導電膜
6、11、19、37 櫛形電極
13 n型シリコン系薄膜
14、16 i型シリコン系薄膜
15 シリコン基板
17 p型シリコン系薄膜
21 基板
24 n型微結晶シリコン
25 i型微結晶シリコン
26 p型微結晶シリコン
12、18、27、36、42 水素原子を添加した酸化物導電膜
31、41 ガラス基板
33 CuInSe
34 硫化カドミニウム
35 酸化亜鉛
43 ユーロピウム及びサマリウム添加硫化カルシウム
1, 22, 32, 44 Metal electrode 2 n-type silicon 3 i-type amorphous silicon 4 p-type amorphous silicon 5, 23 transparent conductive films 6, 11, 19, 37 comb-shaped electrode 13 n-type silicon thin film 14, 16 i-type silicon Thin film 15 Silicon substrate 17 P-type silicon thin film 21 Substrate 24 n-type microcrystalline silicon 25 i-type microcrystalline silicon 26 p-type microcrystalline silicon 12, 18, 27, 36, 42 Oxide conductive film 31 to which hydrogen atoms are added 41 Glass substrate 33 CuInSe 2
34 Cadmium sulfide 35 Zinc oxide 43 Europium and samarium-added calcium sulfide

以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

本発明のドーパントである水素原子を含有する透明導電膜の一例として水素原子含有量の異なる水素原子添加酸化インジウム薄膜を、ガラス基板上にRFマグネトロンスパッタ法によって作製した実施形態について示す。原料ターゲットとして酸化インジウムを用いた。基板温度は室温、ArとOとHOの混合雰囲気(全圧約0.5Pa、Ar分圧4.98×10−1Pa、O分圧1.9×10−4Pa、HO分圧5×10−6未満、1×10−5、5×10−5、1×10−4、5×10−4、1×10−3、5×10−3、1×10−2Pa)下において作製した。尚、用いたRFマグネトロンスパッタ装置の背圧は5×10−6Pa未満である。薄膜作製後、真空中において100℃、150℃、200℃、240℃において2時間アニールを行った。膜厚は約240nmである。一部の薄膜の水素、インジウム、酸素原子の含有量は水素前方散乱分析とラザフォード後方散乱分析とを用い決定した。また、一部の薄膜の水素原子含有量は昇脱離ガス分析法により決定した。ここで水素原子の定量化は水素前方散乱分析で水素原子量が決定された試料を標準試料として用いることにより行った。薄膜の非晶質と結晶質の判断、結晶質薄膜の結晶子サイズと格子定数はx線回折法を用い決定した。光学特性は分光光度計を用いて透過・反射スペクトルを測定し、評価した。電気特性は、室温においてホール測定法を用い評価し、抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度を決定した。An embodiment in which hydrogen atom-added indium oxide thin films having different hydrogen atom contents are produced on a glass substrate by RF magnetron sputtering as an example of a transparent conductive film containing hydrogen atoms as the dopant of the present invention will be described. Indium oxide was used as a raw material target. The substrate temperature was room temperature, a mixed atmosphere of Ar, O 2 and H 2 O (total pressure of about 0.5 Pa, Ar partial pressure of 4.98 × 10 −1 Pa, O 2 partial pressure of 1.9 × 10 −4 Pa, H 2. O partial pressure less than 5 × 10 −6 , 1 × 10 −5 , 5 × 10 −5 , 1 × 10 −4 , 5 × 10 −4 , 1 × 10 −3 , 5 × 10 −3 , 1 × 10 − 2 Pa). The back pressure of the used RF magnetron sputtering apparatus is less than 5 × 10 −6 Pa. After forming the thin film, annealing was performed in vacuum at 100 ° C., 150 ° C., 200 ° C., and 240 ° C. for 2 hours. The film thickness is about 240 nm. The content of hydrogen, indium, and oxygen atoms in some thin films was determined using hydrogen forward scattering analysis and Rutherford backscattering analysis. In addition, the hydrogen atom content of some thin films was determined by an ascending / desorbing gas analysis method. Here, quantification of hydrogen atoms was performed by using a sample whose hydrogen atom amount was determined by hydrogen forward scattering analysis as a standard sample. Determination of the amorphous and crystalline properties of the thin film and the crystallite size and lattice constant of the crystalline thin film were determined using the x-ray diffraction method. Optical properties were evaluated by measuring transmission / reflection spectra using a spectrophotometer. The electrical characteristics were evaluated using the Hall measurement method at room temperature, and the resistivity, carrier concentration, and hole mobility were determined.

図1に本発明の実施例であるガラス基板上に異なるHO分圧(PH2O)(この場合、サンプルHO分圧として、5×10−6未満、1×10−5、5×10−5、1×10−4、5×10−4、1×10−3、5×10−3、1×10−2Paをとる。)下において室温製膜した酸化インジウム薄膜のアニール前のx線回折パターン及び非特許文献7に示されているバルクの酸化インジウム粉末のデータ(図1の縦軸がXRD強度(x線回折強度)、横軸が2θ(x線回折角度)(°))、図2にその図1で用いた酸化インジウム薄膜を200℃にて真空アニールした後のx線回折パターン及び非特許文献7に示されているバルクの酸化インジウム粉末のデータ(図2の縦軸がXRD強度(x線回折強度)、横軸が2θ(x線回折角度)(°))を示す。図1より、HO分圧が1×10−5Pa以下において作製された薄膜は(111)優先配向した多結晶薄膜が得られているのに対し、HO分圧が5×10−5Pa以上5×10−3Pa以下の範囲において作製された薄膜は非晶質、HO分圧が1×10−2Paの薄膜はわずかに(222)回折ピークが見られる非晶質が支配的な多結晶薄膜が得られたことが分かる。これらの薄膜を真空中においてアニールすると、200℃以上では図2に示されるようにすべての薄膜が結晶化し、室温製膜において非晶質が支配的であった薄膜はアニールにより無配向した多結晶薄膜が形成されていることがわかる。ここで無配向の定義としては、薄膜の回折強度比がバルクの酸化インジウム粉末の回折ピーク強度比と完全に一致していなくても類似していることとした。実際、図2に示すHO分圧が5×10−5Pa以上5×10−3Pa以下の範囲において作製された薄膜の回折ピーク強度比は、類似しているがお互い異なっており、バルクの値とも若干異なっている。Different H 2 O partial pressure in the glass substrate which is an embodiment of the present invention in FIG. 1 (P H2O) (in this case, as the sample H 2 O partial pressure, less than 5 × 10 -6, 1 × 10 -5, 5 X10 −5 , 1 × 10 −4 , 5 × 10 −4 , 1 × 10 −3 , 5 × 10 −3 , and 1 × 10 −2 Pa) The previous x-ray diffraction pattern and the bulk indium oxide powder data shown in Non-Patent Document 7 (the vertical axis in FIG. 1 is XRD intensity (x-ray diffraction intensity), and the horizontal axis is 2θ (x-ray diffraction angle) ( 2), FIG. 2 shows the x-ray diffraction pattern after the vacuum annealing of the indium oxide thin film used in FIG. 1 at 200 ° C. and the data of the bulk indium oxide powder shown in Non-Patent Document 7 (FIG. 2). The vertical axis of XRD is the XRD intensity (x-ray diffraction intensity), and the horizontal axis is 2θ (x-ray rotation (Fold angle) (°)). From FIG. 1, the thin film prepared at a H 2 O partial pressure of 1 × 10 −5 Pa or less is a (111) preferentially oriented polycrystalline thin film, whereas the H 2 O partial pressure is 5 × 10 5. The thin film prepared in the range of −5 Pa to 5 × 10 −3 Pa is amorphous, and the thin film having a H 2 O partial pressure of 1 × 10 −2 Pa is amorphous with a slight (222) diffraction peak. It can be seen that a polycrystalline thin film having a dominant quality was obtained. When these thin films are annealed in a vacuum, all thin films are crystallized as shown in FIG. 2 at 200 ° C. or higher. It can be seen that a thin film is formed. Here, the definition of non-orientation is that the diffraction intensity ratio of the thin film is similar even if it does not completely match the diffraction peak intensity ratio of the bulk indium oxide powder. In fact, the diffraction peak intensity ratios of the thin films prepared in the range where the H 2 O partial pressure shown in FIG. 2 is in the range of 5 × 10 −5 Pa to 5 × 10 −3 Pa are similar but different from each other. It is also slightly different from the bulk value.

表1に前記サンプルHO分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜における結晶子サイズのアニール温度変化を示す。
表1にx線回折パターンの(222)回折ピークの半値幅より算出された<222>方向の結晶子サイズ、表2に(111)優先配向した多結晶薄膜については(444)回折ピーク角度より算出した格子定数、無配向の多結晶薄膜については(222)、(332)、(431)、(440)、(622)回折ピーク角度から算出した格子定数、表3に表2に示された格子定数のバルクの酸化インジウム粉末の格子定数(1.0118nm)に対する差の比率[(水素原子添加酸化インジウム薄膜の格子定数−バルクの酸化インジウム粉末の格子定数)/バルクの酸化インジウムの格子定数×100]を示す。
Table 1 shows changes in the annealing temperature of the crystallite size in the hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample H 2 O partial pressure value.
Table 1 shows the crystallite size in the <222> direction calculated from the half-width of the (222) diffraction peak of the x-ray diffraction pattern, and Table 2 shows the (111) preferentially oriented polycrystalline thin film based on the (444) diffraction peak angle. The calculated lattice constant and the non-oriented polycrystalline thin film are shown in Table 2 in Table 3, which are calculated from (222), (332), (431), (440), and (622) diffraction peak angles. Ratio of difference of lattice constant to lattice constant (1.0118 nm) of bulk indium oxide powder [(lattice constant of hydrogen atom-added indium oxide thin film−lattice constant of bulk indium oxide powder) / lattice constant of bulk indium oxide × 100].

表1より、HO分圧が1×10−5Pa以下あるいは1×10−2Pa以上において作製された薄膜はアニールにより結晶子サイズは殆ど変化しないのに対し、HO分圧が5×10−5Pa以上5×10−3Pa以下の範囲において作製された薄膜はアニールにより結晶子サイズは50nm以上と著しく増大し、膜厚の1/5以上と大きいことが分かる。このサイズは、200℃あるいは450℃の加熱基板上で作製された同程度の膜厚の酸化インジウムの結晶子サイズ(それぞれ16.3nm、20.4nm)に対し著しく大きい。また、表1に示すように、結晶子サイズの変化より、アニール温度に対する結晶化度合いは作製されたHO分圧により異なることが分かる。From Table 1, the thin film produced when the H 2 O partial pressure is 1 × 10 −5 Pa or less or 1 × 10 −2 Pa or more hardly changes the crystallite size by annealing, whereas the H 2 O partial pressure is It can be seen that the thin film produced in the range of 5 × 10 −5 Pa or more and 5 × 10 −3 Pa or less significantly increases the crystallite size to 50 nm or more by annealing and is as large as 1/5 or more of the film thickness. This size is significantly larger than the crystallite size (16.3 nm and 20.4 nm, respectively) of indium oxide having the same film thickness produced on a heated substrate at 200 ° C. or 450 ° C. Further, as shown in Table 1, it can be seen from the change in crystallite size that the degree of crystallization relative to the annealing temperature differs depending on the H 2 O partial pressure produced.

表2に前記サンプルHO分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜における格子定数のアニール温度変化を示す。
表3に前記サンプルHO分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜における格子定数差のアニール温度変化を示す。
表2または表3より、HO分圧が1×10−5Pa以下において作製された薄膜の格子定数はバルクの酸化インジウムに比べて大きく、応力がかかっていることがわかる。一方、HO分圧が5×10−5Pa以上1×10−2Pa以下の範囲において作製された薄膜の格子定数はバルクの酸化インジウムの値と近く、格子定数差は0.3%以下であることが分かる。
Table 2 shows the annealing temperature change of the lattice constant in the hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample H 2 O partial pressure value.
Table 3 shows the annealing temperature change of the lattice constant difference in the hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample H 2 O partial pressure value.
From Table 2 or Table 3, it can be seen that the lattice constant of a thin film manufactured at an H 2 O partial pressure of 1 × 10 −5 Pa or less is larger than that of bulk indium oxide and stress is applied. On the other hand, the lattice constant of the thin film produced in the range where the H 2 O partial pressure is 5 × 10 −5 Pa or more and 1 × 10 −2 Pa or less is close to the value of bulk indium oxide, and the lattice constant difference is 0.3%. It turns out that it is the following.

図3及び表4―8に室温製膜後アニール前及び各温度で真空アニール後の前記各薄膜の室温での電気特性示す。図3では、上段、中段、下段の順に縦軸が抵抗率(Ωcm)、キャリア濃度(cm−3)、移動度(cm/Vs)で、横軸がHO分圧(Pa)である。
図3中、□印はアニール前の特性値を表し、上下から押しつぶした◇印はアニール温度100℃の特性値を表し、左右から押しつぶした◇印はアニール温度150℃の特性値を表し、正常な◇印はアニール温度200℃の特性値を表し、○印はアニール温度240℃の特性値を表す。
表4は室温製膜後アニール前の上記サンプル分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜及び比較試料として室温製膜後アニール前のITO薄膜(SnOを10重量%含むIn薄膜)の室温における抵抗率、キャリア濃度及び移動度を示す表である。
表5は室温製膜後真空中100℃にてアニールした後の上記サンプル分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜の室温における抵抗率、キャリア濃度及び移動度を示す表である。
FIG. 3 and Table 4-8 show the electrical characteristics at room temperature of each thin film after annealing at room temperature and after annealing at room temperature. In FIG. 3, the vertical axis represents resistivity (Ωcm), carrier concentration (cm −3 ), and mobility (cm 2 / Vs) in the order of the upper, middle, and lower stages, and the horizontal axis represents the H 2 O partial pressure (Pa). is there.
In FIG. 3, □ indicates the characteristic value before annealing, ◇ that is crushed from above and below indicates the characteristic value at the annealing temperature of 100 ° C., and ◇ that is crushed from the left and right indicates the characteristic value at the annealing temperature of 150 ° C. The symbol “特性” represents a characteristic value at an annealing temperature of 200 ° C., and the symbol “◯” represents a characteristic value at an annealing temperature of 240 ° C.
Table 4 shows a hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample partial pressure value before annealing after room temperature deposition and an ITO thin film before annealing after room temperature deposition as a comparative sample (In 2 O 3 thin film containing 10% by weight of SnO 2 ). It is a table | surface which shows the resistivity, carrier concentration, and mobility in room temperature.
Table 5 shows the resistivity, carrier concentration and mobility at room temperature of the hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample partial pressure value after annealing at 100 ° C. in vacuum after room temperature film formation.

表6は室温製膜後真空中150℃にてアニールした後の上記サンプル分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜の室温における抵抗率、キャリア濃度及び移動度を示す表である。
表7は室温製膜後真空中200℃にてアニールした後の上記サンプル分圧値毎の水素原子添加酸化インジウム薄膜及び比較試料として室温製膜後真空中200℃にてアニールした後のITO薄膜の室温における抵抗率、キャリア濃度及び移動度を示す表である。
表8は室温製膜後真空中240℃にてアニールした後の上記各薄膜の室温における抵抗率、キャリア濃度及び移動度を示す表である。
Table 6 shows the resistivity, carrier concentration, and mobility of the hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample partial pressure value after annealing at 150 ° C. in vacuum after film formation at room temperature.
Table 7 shows a hydrogen atom-added indium oxide thin film for each sample partial pressure value after annealing at room temperature in vacuum after film formation at room temperature and an ITO thin film after annealing at room temperature in vacuum after film formation at room temperature as a comparative sample. It is a table | surface which shows the resistivity, carrier concentration, and mobility in room temperature.
Table 8 shows the resistivity, carrier concentration, and mobility at room temperature of each of the above thin films after annealing at 240 ° C. in vacuum after film formation at room temperature.

図3及び表4に示すように、室温製膜後アニール前の試料において、HO分圧を5×10−6Pa未満から1×10−4Paと増加させることによりキャリア濃度は増加しており、水素原子添加によりキャリアが生成されていることが分かる。また、同時に移動度が増大し、HO分圧が1×10−5Paより大きく5×10−3Pa以下の範囲において作製されたアニール前の薄膜は40cm/Vs以上と大きく、比較試料として作製したアニール前のITO薄膜の20.4cm/Vsと比べ著しく大きいことが分かる。そのため、HO分圧が1×10−5Paより大きく5×10−3Paより小さい範囲において作製されたアニール前の薄膜はITOより少ないキャリア濃度にも関わらず、ITOより低抵抗な薄膜が実現できることが分かる。As shown in FIG. 3 and Table 4, in the sample before annealing after room temperature film formation, the carrier concentration increases by increasing the H 2 O partial pressure from less than 5 × 10 −6 Pa to 1 × 10 −4 Pa. It can be seen that carriers are generated by the addition of hydrogen atoms. At the same time, the mobility increases, and the thin film before annealing produced in the range where the H 2 O partial pressure is greater than 1 × 10 −5 Pa and less than or equal to 5 × 10 −3 Pa is greater than 40 cm 2 / Vs. It can be seen that it is significantly larger than 20.4 cm 2 / Vs of the ITO thin film before annealing produced as a sample. Therefore, a thin film before annealing produced in a range where the H 2 O partial pressure is larger than 1 × 10 −5 Pa and smaller than 5 × 10 −3 Pa is a thin film having a lower resistance than that of ITO, although the carrier concentration is lower than that of ITO. Can be realized.

一方、アニール後の薄膜に関しては、特にHO分圧が1×10−5Paより大きく5×10−3Paより小さい範囲において作製された薄膜の抵抗率は比較試料のアニール後のITO薄膜と同程度であることが表7より分かる。アニールによるキャリア濃度と移動度の変化を調べると、図3あるいは表4―8に示すように、アニール温度の上昇に伴いキャリア濃度は約3×1020から約1.5×1020cm−3と減少し、比較試料のITO薄膜の値9.47×1020cm−3に対し著しく小さいこと、移動度が約55から約100〜約140と著しく向上し、ITO薄膜の値28.5cm/Vsに対し著しく大きいこと、およびこれら両者の効果によりITO薄膜と同等の抵抗率が実現できていることが分かる。On the other hand, regarding the thin film after annealing, the resistivity of the thin film produced in the range where the H 2 O partial pressure is greater than 1 × 10 −5 Pa and smaller than 5 × 10 −3 Pa is the ITO thin film after annealing of the comparative sample. It can be seen from Table 7 that it is almost the same. When changes in carrier concentration and mobility due to annealing are examined, as shown in FIG. 3 or Table 4-8, the carrier concentration increases from about 3 × 10 20 to about 1.5 × 10 20 cm −3 as the annealing temperature increases. The value of the ITO thin film of the comparative sample is significantly smaller than the value of 9.47 × 10 20 cm −3 , the mobility is remarkably improved from about 55 to about 100 to about 140, and the value of the ITO thin film is 28.5 cm 2. It can be seen that the resistivity is significantly larger than / Vs, and the resistivity equivalent to that of the ITO thin film can be realized by the effects of both.

図4は、両対数のグラフで、表4、表7および表8のデータに基づく抵抗率毎のホール移動度(cm/Vs)のキャリア濃度(cm−3)変化特性を示す。
図4中、
○印はアニール処理後の本発明の薄膜の特性を表し、
●印はアニール処理前の本発明の薄膜の特性を表し、
□印はアニール処理後の従来のITO薄膜の特性を表し、
■印はアニール処理前の従来のITO薄膜の特性を表し、
Aは抵抗率1×10−4Ωcm特性を表し、
Bは抵抗率2×10−4Ωcm特性を表し、
Cは抵抗率1×10−3Ωcm特性を表わす。
図4は、前述のHO分圧が5×10−5Pa以上1×10−3Pa以下の範囲において作製された本発明のアニール前の薄膜の特性値を「●」で示し、その薄膜を200℃あるいは240℃でアニールした後の本発明の薄膜の特性値を「○」で示し、比較試料として作製した従来のアニール前のITO薄膜の特性値を「■」で示し、その薄膜を200℃でアニールした従来の薄膜の特性値を「□」で示し、それらの電気特性を横軸キャリア濃度(cm−3)、縦軸ホール移動度(cm/Vs)の図にプロットしたものである。また、抵抗率はキャリア濃度とホール移動度の関数で表すことができるが、抵抗率1×10−3Ωcmの特性(図4中の「C」特性ライン)、2×10−4Ωcmの特性(図4中の「B」特性ライン)、1×10−4Ωcmの特性(図4中の「A」特性ライン)のラインを併せて示した。
FIG. 4 is a log-log graph showing the carrier concentration (cm −3 ) variation characteristics of the hole mobility (cm 2 / Vs) for each resistivity based on the data in Tables 4, 7, and 8.
In FIG.
○ represents the characteristics of the thin film of the present invention after annealing,
● represents the characteristics of the thin film of the present invention before annealing,
□ indicates the characteristics of the conventional ITO thin film after annealing,
■ mark represents the characteristics of the conventional ITO thin film before annealing,
A represents resistivity 1 × 10 −4 Ωcm characteristic,
B represents resistivity 2 × 10 −4 Ωcm characteristics,
C represents a resistivity 1 × 10 −3 Ωcm characteristic.
FIG. 4 shows the characteristic value of the thin film before annealing of the present invention produced in the above-mentioned H 2 O partial pressure in the range of 5 × 10 −5 Pa to 1 × 10 −3 Pa by “●”. The characteristic value of the thin film of the present invention after annealing the thin film at 200 ° C. or 240 ° C. is indicated by “◯”, and the characteristic value of the conventional ITO thin film before annealing prepared as a comparative sample is indicated by “■”. The characteristic value of the conventional thin film annealed at 200 ° C. is indicated by “□”, and the electrical characteristics are plotted in the horizontal axis carrier concentration (cm −3 ) and vertical axis hole mobility (cm 2 / Vs). Is. The resistivity can be expressed as a function of the carrier concentration and the hole mobility. The resistivity is a characteristic of 1 × 10 −3 Ωcm (“C” characteristic line in FIG. 4), and the characteristic is 2 × 10 −4 Ωcm. (“B” characteristic line in FIG. 4) A line having a characteristic of 1 × 10 −4 Ωcm (“A” characteristic line in FIG. 4) is also shown.

A特性ライン、B特性ラインおよびC特性ラインは、傾きが等しく、約−1019cm/Vs/(cm−3)となる。
アニール前及びアニール後の両者において、本発明のドーパントとして水素原子を添加した酸化インジウム薄膜が従来のITO薄膜に比べ抵抗率は大差ないが、キャリア濃度が著しく減少し移動度が著しく増加しており、本発明の効果は明らかに格別なものである。
The A characteristic line, the B characteristic line, and the C characteristic line have the same slope, which is about −10 19 cm 2 / Vs / (cm −3 ).
In both before and after annealing, the resistivity of the indium oxide thin film to which hydrogen atoms are added as the dopant of the present invention is not much different from that of the conventional ITO thin film, but the carrier concentration is remarkably decreased and the mobility is remarkably increased. The effects of the present invention are clearly exceptional.

図5及び表9にガラス基板及び室温で作製した前記サンプルのHO分圧値毎の透過・反射スペクトル及び透過率(表9(a)参照)・反射率(表9(b)参照)、図6及び表10にガラス基板及び室温で作製した前記サンプルを真空中200℃にてアニールした後の透過・反射スペクトル及び透過率(表10(a)参照)・反射率(表10(b)参照)を示す。図5及び図6では、縦軸が透過率(%)と反射率(%)、横軸が波長(nm)である。
図5および図6中、
点線はガラス基板の特性を示し、実線は比較例のITOの特性を示し、
○印はHO分圧の値が5×10−6Pa以下の特性を表し、
●印はHO分圧の値が1×10−5Paの特性を表し、
□印はHO分圧の値が5×10−5Paの特性を表し、
■印はHO分圧の値が1×10−4Paの特性を表し、
△印はHO分圧の値が5×10−4Paの特性を表し、
▲印はHO分圧の値が1×10−3Paの特性を表し、
◇印はHO分圧の値が5×10−3Paの特性を表し、
◆印はHO分圧の値が1×10−2Paの特性を表わす。
表9及び表10は本発明の実施例に示すガラス基板と上記各薄膜の室温における透過率(表9(a)参照)・反射率(表9(b)参照)と、真空中200℃にてアニールした後の透過率(表10(a)参照)・反射率(表10(b)参照)を示す表である。
5 and Table 9 transmission and reflection spectra and transmittance (see Table 9 (a)) and reflectance (see Table 9 (b)) for each H 2 O partial pressure of the glass substrate and the sample prepared at room temperature. FIG. 6 and Table 10 show the transmission / reflection spectrum and transmittance (see Table 10 (a)) / reflectance (Table 10 (b) after annealing the glass substrate and the sample prepared at room temperature at 200 ° C. in vacuum. ))). 5 and 6, the vertical axis represents transmittance (%) and reflectance (%), and the horizontal axis represents wavelength (nm).
5 and 6,
The dotted line indicates the characteristics of the glass substrate, the solid line indicates the characteristics of the ITO of the comparative example,
○ mark represents a characteristic of H 2 O partial pressure of 5 × 10 −6 Pa or less,
● represents the characteristic that the H 2 O partial pressure is 1 × 10 −5 Pa.
The □ mark represents the characteristic that the H 2 O partial pressure is 5 × 10 −5 Pa.
The mark ■ represents the characteristic that the H 2 O partial pressure is 1 × 10 −4 Pa.
The Δ mark represents the characteristic that the H 2 O partial pressure value is 5 × 10 −4 Pa,
The ▲ mark indicates the characteristic of H 2 O partial pressure of 1 × 10 −3 Pa,
The mark ◇ represents the characteristic of H 2 O partial pressure of 5 × 10 −3 Pa,
The asterisk represents the characteristic that the H 2 O partial pressure is 1 × 10 −2 Pa.
Tables 9 and 10 show the transmittance (see Table 9 (a)) and the reflectance (see Table 9 (b)) at room temperature of the glass substrate and each thin film shown in the examples of the present invention and 200 ° C. in vacuum. It is the table | surface which shows the transmittance | permeability (refer Table 10 (a)) and reflectivity (refer Table 10 (b)) after annealing.

ガラス基板は波長400nmから2600nmまでの範囲において吸収は殆ど無い。室温で作製した水素原子添加薄膜では、特にHO分圧が1×10−5Paより大きく5×10−3Paより小さい範囲において作製された薄膜において、波長1600nm以上の波長において透過率が低減、波長1800nm以上の波長において反射率が増加していることが分かる。このことは図3または表4に示されたキャリア濃度の値に対応した自由キャリアによる吸収及びプラズマ反射で説明することができる。一方、波長500nm以上1600nm以下の範囲では図5に示すように薄膜表面と薄膜とガラス基板での屈折率差に起因した干渉振動は見られるが、透過スペクトルの干渉振動の山部の値、及び反射スペクトルの干渉振動の谷部の値が基板と一致していることから殆ど透明であることが分かる。The glass substrate has almost no absorption in the wavelength range from 400 nm to 2600 nm. In a hydrogen atom-added thin film prepared at room temperature, in particular, in a thin film prepared in a range where the H 2 O partial pressure is larger than 1 × 10 −5 Pa and smaller than 5 × 10 −3 Pa, the transmittance is at a wavelength of 1600 nm or more. It can be seen that the reflectance is increased at a wavelength of 1800 nm or more. This can be explained by absorption by free carriers and plasma reflection corresponding to the carrier concentration values shown in FIG. On the other hand, in the wavelength range of 500 nm or more and 1600 nm or less, interference vibration due to the refractive index difference between the thin film surface and the thin film and the glass substrate is seen as shown in FIG. Since the value of the valley portion of the interference vibration of the reflection spectrum matches that of the substrate, it can be understood that the reflection spectrum is almost transparent.

一方、真空中200℃にてアニールした薄膜は、HO分圧が1×10−5Paより大きく5×10−3Paより小さい範囲において作製しアニールされた薄膜において、波長2000nm以上において透過率が低減しているが、反射率の大きな増大は見られていないことが分かる。このことは、図3または表7に示されたキャリア濃度の値がアニール前の値に比べ減少していることに対応し、自由キャリアによる吸収及びプラズマ反射がみられる波長が長波長側に変化したことで説明できる。一方、波長400nm以上1600nm以下の範囲では、図6に示すように薄膜表面と薄膜とガラス基板での屈折率差に起因した干渉振動は見られるが、透過スペクトルの干渉振動の山部の値、及び反射スペクトルの干渉振動の谷部の値が基板と一致していることから殆ど透明であることが分かる。On the other hand, a thin film annealed at 200 ° C. in vacuum is a thin film prepared and annealed in a range where the H 2 O partial pressure is larger than 1 × 10 −5 Pa and smaller than 5 × 10 −3 Pa. It can be seen that although the rate has decreased, no significant increase in reflectivity has been observed. This corresponds to the decrease in the carrier concentration value shown in FIG. 3 or Table 7 compared to the value before annealing, and the wavelength at which absorption by free carriers and plasma reflection are observed changes to the longer wavelength side. I can explain that. On the other hand, in the wavelength range of 400 nm to 1600 nm, interference vibration due to the refractive index difference between the thin film surface and the thin film and the glass substrate is seen as shown in FIG. In addition, since the value of the valley portion of the interference vibration in the reflection spectrum matches that of the substrate, it can be seen that it is almost transparent.

表11は前記サンプルのうち、HO分圧が1×10−4Paにて作製した薄膜、5.0×10−6Pa未満、1×10−4Pa、5×10−3Paにて作製し、真空中200℃にてアニールした薄膜のラザフォード後方散乱分析及び水素前方散乱分析より求めたインジウム、酸素、水素原子の含有量、及び前記試料を基準試料とし、昇温脱離ガス分析法により見積もったHO分圧が5.0×10−6Pa未満から1.0×10−2Paの範囲にて作製した試料のアニール前の薄膜及び真空中200℃にてアニールした薄膜の水素原子含有量を示す。図7は表11の水素原子含有量とHO分圧の関係を表した図である。
図7中、○印はアニール前の特性を示し、●印はアニール後の特性を示す。
表11よりHO分圧上昇に伴い、水素原子含有量が増加、In/O比が増加していることが分かる。また図7より薄膜内の水素原子量を薄膜作成時のHO分圧により制御できることが分かる。
Table 11 shows a thin film prepared with an H 2 O partial pressure of 1 × 10 −4 Pa, less than 5.0 × 10 −6 Pa, 1 × 10 −4 Pa, and 5 × 10 −3 Pa among the samples. The contents of indium, oxygen, and hydrogen atoms obtained from Rutherford backscattering analysis and hydrogen forward scattering analysis of a thin film prepared by annealing at 200 ° C. in vacuum, and temperature-programmed desorption gas analysis using the sample as a reference sample A thin film before annealing and a thin film annealed at 200 ° C. in a vacuum in which the H 2 O partial pressure estimated by the method is in the range of less than 5.0 × 10 −6 Pa to 1.0 × 10 −2 Pa. The hydrogen atom content of is shown. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the hydrogen atom content and the H 2 O partial pressure in Table 11.
In FIG. 7, ◯ indicates the characteristics before annealing, and ● indicates the characteristics after annealing.
From Table 11, it can be seen that as the H 2 O partial pressure increases, the hydrogen atom content increases and the In / O ratio increases. Further, FIG. 7 shows that the amount of hydrogen atoms in the thin film can be controlled by the H 2 O partial pressure at the time of forming the thin film.

水素原子添加薄膜が錫添加薄膜に比べ高移動度化している要因の一つとして、水素原子添加によりドーパントである水素原子以外のイオン化不純物あるいは中性不純物として働く点欠陥の発生が抑えられていることが考えられる。一般に薄膜成長は非平衡プロセスで作製されるため、平衡状態に近い状態で作製されるバルクに比べ、全ての原子が結晶の正しいサイトに位置することが難しい。そのため、薄膜内部には、酸素空孔、インジウム空孔、格子間酸素、格子間インジウムあるいは添加した不純物による格子間錫などの点欠陥、あるいはそれらを介した複合型欠陥が発生しやすい。   One of the factors that increase the mobility of hydrogen-added thin films compared to tin-added thin films is to suppress the generation of point defects that act as ionized impurities or neutral impurities other than dopant hydrogen atoms. It is possible. Since thin film growth is generally produced by a non-equilibrium process, it is difficult for all atoms to be located at the correct site of the crystal as compared to a bulk produced in a state close to an equilibrium state. Therefore, point defects such as interstitial tin due to oxygen vacancies, indium vacancies, interstitial oxygen, interstitial indium, or added impurities, or composite defects via them tend to occur inside the thin film.

一般に、キャリア濃度1x1019cm−3以上5x1020cm−3以下程度の範囲におけるキャリアの散乱機構としては、粒界や転位などのマクロな欠陥による散乱よりもイオン化不純物散乱あるいは中性不純物散乱など点欠陥による散乱が支配していると考えられている。図3及び表7あるいは表8に示されているHO分圧が1.0×10−4Pa以上5.0×10−4Pa以下の範囲において作製しアニールされた薄膜のキャリア濃度に対する移動度の値は、非参考文献6等に報告されているすべてのキャリアが一価に帯電したイオン化不純物により生成されたときに予想されるイオン化不純物散乱に支配された移動度の値に非常に近い。In general, the carrier scattering mechanism in the carrier concentration range of about 1 × 10 19 cm −3 or more and about 5 × 10 20 cm −3 or less includes ionized impurity scattering or neutral impurity scattering rather than scattering due to macro defects such as grain boundaries and dislocations. It is thought that scattering due to defects dominates. FIG. 3 and Table 7 or Table 8 show that the H 2 O partial pressure is 1.0 × 10 −4 Pa or more and 5.0 × 10 −4 Pa or less and is annealed to the carrier concentration of the thin film. The mobility value is very similar to the mobility value governed by ionized impurity scattering, which is expected when all carriers reported in non-reference 6 etc. are generated by monovalently charged ionized impurities. close.

この要因としては、酸素Oサイトあるいはその近傍に形成されたことにより、水素原子一個当たり一個のキャリアが生成されていること、アモルファス層をアニールにより固相成長させるため、通常加熱基板上に直接作製された薄膜に比べ粒界といったマクロな欠陥と同時に点欠陥といったミクロな欠陥の密度も低減されていることが考えられる。そのため、本発明は、酸化インジウムのみならず、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、二酸化チタン薄膜単体、あるいはこれらのうち二つ以上の化合物を含む酸化物薄膜にも適用することができる。またこの薄膜は上述のようにドーピングの機構は必ずしも明確ではないが、酸素サイトに水素原子が関連することによりドーピングされていると考えられるため、陽イオンサイトに他の元素を添加した薄膜にも適用することができる。
その一例として表12にHO分圧が1×10−4Paにて室温にて作製したSnOを含むIn薄膜(膜厚約70nm)および表13にZrOを含むIn薄膜(膜厚約70nm)の電気特性を示す。表12(a)はSnOを含むIn薄膜のアニール処理前の電気特性、表12(b)は200℃にてアニールした後の電気特性を示す。表13(a)はZrOを含むIn薄膜のアニール処理前の電気特性、表13(b)は200℃にてアニールした後の電気特性を示す。いずれの薄膜もアニール前において電子の移動度は40cm/Vs以上、キャリア濃度は5x1020cm−3以下、比抵抗は1x10−3Ωcm以下、アニール後において電子の移動度は70cm/Vs以上、キャリア濃度は5x1020cm以下、比抵抗は1x10−3Ωcm以下であることが分かる。
This is due to the fact that one carrier is generated per hydrogen atom due to the formation at or near the oxygen O site, and the amorphous layer is solid-phase grown by annealing. It can be considered that the density of micro defects such as point defects is reduced at the same time as macro defects such as grain boundaries as compared with the thin film formed. Therefore, the present invention is applied not only to indium oxide but also to an oxide thin film containing gallium oxide, zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, germanium oxide, titanium dioxide thin film alone, or two or more of these compounds. be able to. As described above, the doping mechanism of this thin film is not necessarily clear, but since it is considered that hydrogen atoms are related to oxygen sites, this thin film is also applied to thin films with other elements added to the cation sites. Can be applied.
In 2 containing ZrO 2 in In 2 O 3 thin film (thickness: about 70 nm) and Table 13 including the SnO 2 of Table 12 is H 2 O partial pressure was made at room temperature at 1 × 10 -4 Pa as an example The electrical characteristics of an O 3 thin film (film thickness of about 70 nm) are shown. Table 12 (a) shows the electrical characteristics of the In 2 O 3 thin film containing SnO 2 before annealing, and Table 12 (b) shows the electrical characteristics after annealing at 200 ° C. Table 13 (a) shows the electrical characteristics of the In 2 O 3 thin film containing ZrO 2 before annealing, and Table 13 (b) shows the electrical characteristics after annealing at 200 ° C. Each thin film has an electron mobility of 40 cm 2 / Vs or more before annealing, a carrier concentration of 5 × 10 20 cm −3 or less, a specific resistance of 1 × 10 −3 Ωcm or less, and an electron mobility of 70 cm 2 / Vs or more after annealing. It can be seen that the carrier concentration is 5 × 10 20 cm 3 or less and the specific resistance is 1 × 10 −3 Ωcm or less.

また、本発明においては、結晶質の酸化物を作成するのに真空中2時間のアニール処理を行ったが、アニール処理は固相成長により結晶化を促すためであるため、短時間でのアニール処理でも可能である。一例として、真空中1時間アニール処理を行った試料においても同様の結果が得られた。また、アニール処理は固相成長により結晶化を促すためであるため真空状態に限定されるものではなく、その他の非酸化および酸化雰囲気下にも適用することができる。   In the present invention, a crystalline oxide is formed by annealing for 2 hours in a vacuum. However, since the annealing is to promote crystallization by solid phase growth, annealing is performed in a short time. Processing is also possible. As an example, similar results were obtained for a sample that was annealed in vacuum for 1 hour. Further, since the annealing treatment is for promoting crystallization by solid phase growth, it is not limited to a vacuum state, and can be applied to other non-oxidizing and oxidizing atmospheres.

また、本発明においては、製膜手法としてスパッタ法を用いたが、上述のように高移動度化はドーパントである水素原子を添加したことに起因したものであり、その製造方法はスパッタ法と同じ非平衡性プロセスである一般の薄膜成長法(蒸着法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法、パルスレーザー堆積法など)でも適用可能である。
また、本実施例では本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜を作製するのに透明基板としてガラスを用いたが、製造温度が室温あるいは200℃以下の低温でもその効果をもたらすことが出来ることから、その他の透明基板、プラスチックなどへの適用が可能である。
その一例として表14にフィルム基板上にHO分圧が1×10−4Paにて室温にて作製したIn薄膜(膜厚約70nm)のアニール処理前および150℃、170℃、200℃にてアニールした後の電気特性を示す。表14(a)はポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム上に作製した薄膜の電気特性、表14(b)はポリイミド(PI)フィルム上に作製した薄膜の電気特性を示す。いずれの薄膜もアニール前において電子の移動度は40cm/Vs以上、キャリア濃度は5x1020cm−3以下、比抵抗は1x10−3Ωcm以下、170℃以上にアニールした薄膜において電子の移動度は70cm/Vs以上、キャリア濃度は5x1020cm以下、比抵抗は1x10−3Ωcm以下であることが分かる。
In the present invention, the sputtering method is used as a film forming method. However, as described above, the increase in mobility is caused by the addition of a hydrogen atom as a dopant. The same non-equilibrium process can also be applied to a general thin film growth method (evaporation method, ion plating method, molecular beam epitaxy method, metal organic vapor phase epitaxy method, pulsed laser deposition method, etc.).
In this example, glass was used as a transparent substrate to produce an oxide conductive film to which hydrogen atoms, which are the dopants of the present invention, were added. However, even if the manufacturing temperature is room temperature or a low temperature of 200 ° C. or lower, the effect is brought about. Therefore, it can be applied to other transparent substrates and plastics.
As an example, Table 14 shows an In 2 O 3 thin film (thickness: about 70 nm) prepared on a film substrate at room temperature with a H 2 O partial pressure of 1 × 10 −4 Pa before annealing and at 150 ° C. and 170 ° C. The electrical characteristics after annealing at 200 ° C. are shown. Table 14 (a) shows the electrical characteristics of the thin film produced on the polyethylene naphthalate (PEN) film, and Table 14 (b) shows the electrical characteristics of the thin film produced on the polyimide (PI) film. In any thin film, electron mobility before annealing is 40 cm 2 / Vs or more, carrier concentration is 5 × 10 20 cm −3 or less, specific resistance is 1 × 10 −3 Ωcm or less, and electron mobility is 170 ° C. or more in the annealed thin film. It can be seen that it is 70 cm 2 / Vs or more, the carrier concentration is 5 × 10 20 cm 3 or less, and the specific resistance is 1 × 10 −3 Ωcm or less.

本発明の水素原子を添加した酸化物導電膜を透明電極として用いた光電変換素子の一例として結晶シリコンと非晶質シリコンとで形成されたヘテロ接合を有する光電変換素子を作製した実施形態について示す。
図8はこの発明の実施形態による光電変換素子の構成を示した模式断面図である。図8に示すように約525μmの厚みと(111)面を有するn型単結晶シリコン基板(2)の下面上には、真空蒸着法により作製された約100nmの厚みを有するアルミニウム(1)が形成されている。n型単結晶シリコン基板(2)の上面上には、プラズマCVD法により作製された約4nmの厚みを有する実質的に真性のi型アモルファスシリコン(3)が形成されている。また、i型アモルファスシリコン(3)上にはプラズマCVD法により作製された約3nmの厚みを有するp型アモルファスシリコン(4)が形成されている。また、p型アモルファスシリコン(4)上には、約70nmの厚みを有する透明導電膜(5)として水素原子を含有する酸化インジウム薄膜が形成されている。この水素添加酸化インジウム薄膜は、実施例1で述べたスパッタ法を用いてHO分圧1.0×10−4Paにおいて作製されている。また、透明導電膜(5)上には真空蒸着法により作製された銀(Ag)からなる櫛型電極(6)が形成されている。櫛形電極部を除く光電変換素子の有効面積は0.21cmであり、光電変換素子の短絡電流密度および変換効率の算出には、この面積を用いた。また、透明導電膜(5)として実施例1で述べたスパッタ法を用いて形成したITO薄膜(SnOを10重量%含むIn薄膜)を用いた光電変換素子を比較試料(従来品)として作製した。なお、透明導電膜(5)はいずれも非加熱で作製し、光電変換素子作製後、真空中において100、120、140、150、160、180、200℃においてアニール処理を行った。これらの光電変換素子の電流−電圧特性を比較した結果を、表15に示す。表15(a)は水素原子添加酸化インジウムを透明電極として用いた光電変換素子の特性を示し、表15(b)は比較例:ITOを透明電極として用いた光電変換素子の特性を示す。また、図9に150℃においてアニールした後の光電変換素子の電流−電圧特性を示す。図9中、本発明の前記特性は特性aとして示し、従来例の前記特性を特性bとして示す。図9において、横軸は光電変換素子の電圧を示し、縦軸は電流密度をそれぞれ示す。
また、これらの光電変換素子の分光感度特性を比較した結果を、表16に示す。表16(a)は水素原子添加酸化インジウムを透明電極として用いた光電変換素子の量子効率特性を示し、表16(b)は比較例:ITOを透明電極として用いた光電変換素子の量子効率特性を示す。
また、図10に150℃においてアニールした後の光電変換素子の分光感度特性を示す。図10中、本発明の前記特性は特性aとして示し、従来例の前記特性を特性bとして示す。図10において、横軸は入射光の波長を示し、縦軸は量子効率をそれぞれ示す。
An embodiment in which a photoelectric conversion element having a heterojunction formed of crystalline silicon and amorphous silicon is manufactured as an example of a photoelectric conversion element using the oxide conductive film added with hydrogen atoms of the present invention as a transparent electrode will be described. .
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, on the lower surface of the n-type single crystal silicon substrate (2) having a thickness of about 525 μm and a (111) plane, aluminum (1) having a thickness of about 100 nm produced by vacuum deposition is formed. Is formed. On the upper surface of the n-type single crystal silicon substrate (2), substantially intrinsic i-type amorphous silicon (3) having a thickness of about 4 nm produced by plasma CVD is formed. On the i-type amorphous silicon (3), p-type amorphous silicon (4) having a thickness of about 3 nm and formed by plasma CVD is formed. On the p-type amorphous silicon (4), an indium oxide thin film containing hydrogen atoms is formed as a transparent conductive film (5) having a thickness of about 70 nm. This hydrogenated indium oxide thin film is produced at a H 2 O partial pressure of 1.0 × 10 −4 Pa using the sputtering method described in Example 1. A comb-shaped electrode (6) made of silver (Ag) produced by a vacuum deposition method is formed on the transparent conductive film (5). The effective area of the photoelectric conversion element excluding the comb-shaped electrode portion is 0.21 cm 2 , and this area was used for calculation of the short-circuit current density and the conversion efficiency of the photoelectric conversion element. Further, a photoelectric conversion element using an ITO thin film (In 2 O 3 thin film containing 10% by weight of SnO 2 ) formed by using the sputtering method described in Example 1 as a transparent conductive film (5) is a comparative sample (conventional product). ). In addition, all the transparent conductive films (5) were produced without heating, and after the photoelectric conversion element was produced, annealing treatment was performed at 100, 120, 140, 150, 160, 180, and 200 ° C. in vacuum. Table 15 shows the result of comparing the current-voltage characteristics of these photoelectric conversion elements. Table 15 (a) shows the characteristics of a photoelectric conversion element using hydrogen atom-added indium oxide as a transparent electrode, and Table 15 (b) shows the characteristics of a comparative example: photoelectric conversion element using ITO as a transparent electrode. FIG. 9 shows current-voltage characteristics of the photoelectric conversion element after annealing at 150 ° C. In FIG. 9, the characteristic of the present invention is shown as characteristic a, and the characteristic of the conventional example is shown as characteristic b. In FIG. 9, the horizontal axis represents the voltage of the photoelectric conversion element, and the vertical axis represents the current density.
Table 16 shows the result of comparing the spectral sensitivity characteristics of these photoelectric conversion elements. Table 16 (a) shows the quantum efficiency characteristics of a photoelectric conversion element using hydrogen atom-added indium oxide as a transparent electrode, and Table 16 (b) shows a comparative example: quantum efficiency characteristics of a photoelectric conversion element using ITO as a transparent electrode. Indicates.
FIG. 10 shows the spectral sensitivity characteristics of the photoelectric conversion element after annealing at 150 ° C. In FIG. 10, the characteristic of the present invention is shown as characteristic a, and the characteristic of the conventional example is shown as characteristic b. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the wavelength of incident light, and the vertical axis indicates the quantum efficiency.

表15および図9より明らかなように、透明導電膜(5)として水素添加酸化インジウムを用いた本発明品の場合、ITOを用いた従来品に比較して、特に電流密度が大幅に向上し、その結果、変換効率が大幅に向上することが判明した。分光感度特性を調べたところ、表16および図10に示すように、本発明品の分光感度特性が従来品より可視領域および近赤外領域において優れていることが分かった。   As is clear from Table 15 and FIG. 9, in the case of the product of the present invention using hydrogenated indium oxide as the transparent conductive film (5), the current density is greatly improved as compared with the conventional product using ITO. As a result, it has been found that the conversion efficiency is greatly improved. When the spectral sensitivity characteristics were examined, as shown in Table 16 and FIG. 10, it was found that the spectral sensitivity characteristics of the product of the present invention were superior to those of the conventional products in the visible region and near infrared region.

本発明品の光電変換素子性能向上は、透明導電膜による反射損失および吸収損失の低減による効果と説明出来る。表17に透明導電膜のアニール前後における屈折率、表18に透明導電膜のアニール前後における消衰係数の変化を示す。表17(a)は水素原子添加酸化インジウムの屈折率特性を示し、表17(b)は比較例:ITOの屈折率特性を示す。表18(a)は水素原子添加酸化インジウムの消衰係数特性を示し、表18(b)は比較例:ITOの消衰係数特性を示す。屈折率および消衰係数は、上記光電変換素子の構造において裏面電極であるアルミニウム(1)と櫛型電極である銀(6)が形成されていない構造の試料に対して分光エリプソメトリーを用いて評価した。また、表19に透明導電膜のアニール前後における電気特性の変化を示す。表19(a)は水素原子添加酸化インジウムの電気測定特性を示し、表19(b)は比較例:ITOの電気特性を示す。電気特性は、上記光電変換素子作製時に同時に作製されたガラス基板上透明導電膜に対してホール測定を行い評価した。
The improvement in the photoelectric conversion element performance of the product of the present invention can be explained as the effect of reducing the reflection loss and absorption loss due to the transparent conductive film. Table 17 shows the refractive index before and after annealing of the transparent conductive film, and Table 18 shows the change in extinction coefficient before and after annealing of the transparent conductive film. Table 17 (a) shows the refractive index characteristics of hydrogen atom-added indium oxide, and Table 17 (b) shows the refractive index characteristics of Comparative Example: ITO. Table 18 (a) shows the extinction coefficient characteristics of hydrogen atom-added indium oxide, and Table 18 (b) shows the extinction coefficient characteristics of Comparative Example: ITO. The refractive index and extinction coefficient are measured using spectroscopic ellipsometry for a sample having a structure in which aluminum (1) as a back electrode and silver (6) as a comb electrode are not formed in the structure of the photoelectric conversion element. evaluated. Table 19 shows changes in electrical characteristics before and after annealing of the transparent conductive film. Table 19 (a) shows the electrical measurement characteristics of hydrogen atom-added indium oxide, and Table 19 (b) shows the electrical characteristics of Comparative Example: ITO. The electrical characteristics were evaluated by measuring holes on the transparent conductive film on the glass substrate produced simultaneously with the production of the photoelectric conversion element.

表17および表18より明らかなように、アニール前および同じアニール温度で処理した水素添加酸化インジウム薄膜とITO薄膜を比較すると、水素添加酸化インジウムはITOに比べ、可視領域および近赤外領域の消衰係数が小さいこと、主に波長600nm以上の波長領域において屈折率が高いことが分かる。この結果より、本発明品の分光感度特性が従来品より優れていた要因は、可視領域および近赤外領域における吸収損失の低減と薄膜シリコン層と透明導電膜の屈折率差に起因した反射損失の低減であることが示された。   As is clear from Table 17 and Table 18, when comparing the hydrogenated indium oxide thin film and the ITO thin film treated with the same annealing temperature before annealing and hydrogenated indium oxide, the hydrogenated indium oxide is more effective in the visible region and near infrared region than ITO. It can be seen that the attenuation coefficient is small, and that the refractive index is high mainly in the wavelength region of 600 nm or more. From this result, the spectral sensitivity characteristics of the product of the present invention were superior to those of the conventional product. The reflection loss due to the reduction of absorption loss in the visible region and near infrared region and the difference in refractive index between the thin film silicon layer and the transparent conductive film. It was shown to be a reduction of

また、本発明品では、アニール温度が約140℃以上において、電流密度が大幅に増大している。この現象も吸収・反射損失の低減によるものである。表19より明らかなように、約140℃以上のアニールにより透明導電膜のキャリア濃度の減少し、移動度は向上している。そのため、表18および表17より明らかなように、水素添加酸化インジウム薄膜の消衰係数は低減し、屈折率は向上し、透明導電膜による吸収・反射損失が低減している。また、アニール前およびアニール処理した水素添加酸化インジウム薄膜はいずれも抵抗率5×10−4Ωcm以下と低い抵抗率を示していることから、本発明品の光電変換素子の電気特性の劣化が生じていないことが分かる。In the product of the present invention, the current density is greatly increased when the annealing temperature is about 140 ° C. or higher. This phenomenon is also due to a reduction in absorption / reflection loss. As is clear from Table 19, the carrier concentration of the transparent conductive film is decreased and the mobility is improved by annealing at about 140 ° C. or higher. Therefore, as apparent from Table 18 and Table 17, the extinction coefficient of the hydrogenated indium oxide thin film is reduced, the refractive index is improved, and the absorption / reflection loss due to the transparent conductive film is reduced. In addition, since both the hydrogenated indium oxide thin film before annealing and the annealing treatment exhibited a resistivity as low as 5 × 10 −4 Ωcm or less, the electrical characteristics of the photoelectric conversion element of the present invention deteriorated. I understand that it is not.

本実施例では、表15より明らかなように本発明品及び従来品共にアニール温度150℃以上において開放電圧の減少及び曲線因子の減少を生じ、その結果、変換効率が大幅に減少している。そのため、150℃以上のアニール温度において、本発明品における電流密度の大幅な向上による変換効率の向上は見られていない。しかし、開放電圧および曲線因子のアニール温度に対する劣化の支配要因である製膜温度130℃で作製したi型アモルファスシリコン(3)およびp型アモルファスシリコン(4)層の製造条件および膜特性を改善することにより、電流密度の大幅な向上による変換効率の向上が得られることは言うまでもない。   In this embodiment, as is clear from Table 15, both the present product and the conventional product cause a decrease in open circuit voltage and a decrease in fill factor at an annealing temperature of 150 ° C. or higher, and as a result, the conversion efficiency is greatly decreased. Therefore, at an annealing temperature of 150 ° C. or higher, conversion efficiency is not improved due to a significant improvement in current density in the product of the present invention. However, the manufacturing conditions and film characteristics of the i-type amorphous silicon (3) and p-type amorphous silicon (4) layers produced at a film forming temperature of 130 ° C., which is the dominant factor of deterioration of the open circuit voltage and the fill factor with respect to the annealing temperature, are improved. Thus, it goes without saying that the conversion efficiency can be improved by greatly increasing the current density.

この発明は上述した構造の光電変換素子に限定されることなく他の構造の光電変換素子にも適用可能である。例えば図11の光電変換素子の模式断面図に示すようにn型あるいはp型シリコン(15)の下面にi型シリコン系薄膜(14)、n型シリコン系薄膜(13)、本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜(12)、櫛形電極(11)、またn型あるいはp型シリコン(15)の上面にi型シリコン系薄膜(16)、p型シリコン系薄膜(17)、本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜(18)、櫛形電極(19)より構成されるヘテロ接合型光電変換素子などのヘテロpn接合させた光電変化素子にも適用可能である。さらに半導体材料としてはシリコン以外のシリコンゲルマニウム、シリコンカーバイドい、ゲルマニウムなどIV族半導体を用いた場合にも適用可能である。   The present invention is not limited to the photoelectric conversion element having the structure described above, but can be applied to photoelectric conversion elements having other structures. For example, as shown in the schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion element in FIG. 11, an i-type silicon-based thin film (14), an n-type silicon-based thin film (13) on the lower surface of n-type or p-type silicon (15), and the dopant of the present invention. An oxide conductive film (12) to which a certain hydrogen atom is added, a comb electrode (11), an i-type silicon thin film (16), and a p-type silicon thin film (17) on the upper surface of n-type or p-type silicon (15) The present invention can also be applied to a hetero pn-junction photoelectric conversion element such as a heterojunction photoelectric conversion element composed of an oxide conductive film (18) to which hydrogen atoms, which are dopants of the present invention, are added, and a comb-shaped electrode (19). is there. Furthermore, the present invention can be applied to the case where a group IV semiconductor such as silicon germanium, silicon carbide, germanium, or the like other than silicon is used as the semiconductor material.

図12は本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜を光電変換素子の透明電極として用いたシリコン系薄膜光電変換素子の模式断面図である。
基板(21)上に金属電極(22)、透明導電膜(23)、n型微結晶シリコン(24)、i型微結晶シリコン(25)、p型微結晶シリコン(26)、本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜(27)より構成される。光吸収層として微結晶シリコン膜の代わりに分光感度領域が紫外あるいは可視域から近赤外域にわたるアモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、微結晶シリコンゲルマニウムを用いることもできる。
また図12では、基板側に裏面電極を設けたサブストレート型太陽電池へ適用する例を示したが、シリコン系薄膜太陽電池のもう一つの一般的な構造である透明基板側から光電変換層に光を取り込むスーパーストレート型太陽電池へ適用することもできる。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a silicon-based thin film photoelectric conversion element using an oxide conductive film to which a hydrogen atom as a dopant of the present invention is added as a transparent electrode of the photoelectric conversion element.
Metal electrode (22), transparent conductive film (23), n-type microcrystalline silicon (24), i-type microcrystalline silicon (25), p-type microcrystalline silicon (26), dopant of the present invention on substrate (21) It is comprised from the oxide electrically conductive film (27) which added the hydrogen atom which is. Instead of the microcrystalline silicon film, amorphous silicon, amorphous silicon germanium, or microcrystalline silicon germanium whose spectral sensitivity region ranges from the ultraviolet region or the visible region to the near infrared region can be used instead of the microcrystalline silicon film.
FIG. 12 shows an example of application to a substrate type solar cell in which a back electrode is provided on the substrate side, but from the transparent substrate side, which is another general structure of a silicon-based thin film solar cell, to the photoelectric conversion layer. It can also be applied to a super straight type solar cell that takes in light.

図13は本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜を化合物系薄膜太陽電池の透明電極として用いた光電変換素子の模式断面図である。
ガラス基板(31)上に金属電極(32)、p型半導体材料であるCuInSe薄膜(33)、硫化カドミニウム薄膜(34)、酸化亜鉛薄膜(35)、本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜(36)、櫛形電極(37)より構成される。光吸収層として同じカルコパイライト系材料であるCu(In1−xGa)Se2−2y2y(0≦x≦1、0≦y≦1)などのカルコパイライト系半導体を用いることも良い。
また図13では、カルコパイライト系薄膜太陽電池を例に示したが、CdTe系薄膜太陽電池などその他の化合物系薄膜太陽電池の透明電極として本発明の水素原子を添加した酸化物導電膜を適用することが出来る。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a photoelectric conversion element using an oxide conductive film to which a hydrogen atom, which is a dopant of the present invention, is added as a transparent electrode of a compound-based thin film solar cell.
Add metal electrode (32), p-type semiconductor material CuInSe 2 thin film (33), cadmium sulfide thin film (34), zinc oxide thin film (35), hydrogen atom as dopant of the present invention on glass substrate (31) It comprises an oxide conductive film (36) and a comb electrode (37). It may be to use a chalcopyrite semiconductor, such as the same chalcopyrite-based material as the light-absorbing layer Cu (In 1-x Ga x ) Se 2-2y S 2y (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) .
In FIG. 13, a chalcopyrite thin film solar cell is shown as an example, but the oxide conductive film to which a hydrogen atom of the present invention is added is applied as a transparent electrode of another compound thin film solar cell such as a CdTe thin film solar cell. I can do it.

図14は本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜を光検出素子の透明電極として用いた光検出素子の模式断面図である。ガラス基板(41)上に本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜(42)ユーロピウムとサマリウムを添加した硫化カルシウム光検出層(43)、金属電極(44)より構成される。本発明のドーパントである水素原子を添加した酸化物導電膜は、近赤外領域だけでなく可視域の透明性が高いため、可視域の光検出素子も実現できる。またアバランシェフォトダイオードやフォトダイトードを用いた光検知材料層を用いた光検出素子の場合でも、近赤外線入射側の電極として本発明の酸化物透明電極膜を用いると同様に近赤外線感度を改善できる。   FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a photodetecting element using an oxide conductive film added with hydrogen atoms, which is the dopant of the present invention, as a transparent electrode of the photodetecting element. An oxide conductive film (42) to which hydrogen atoms as dopants of the present invention are added on a glass substrate (41), a calcium sulfide photodetection layer (43) to which europium and samarium are added, and a metal electrode (44). Since the oxide conductive film to which a hydrogen atom, which is the dopant of the present invention, is added has high transparency in the visible region as well as in the near infrared region, a photodetector in the visible region can also be realized. Moreover, even in the case of a light detecting element using a light detecting material layer using an avalanche photodiode or a photo diode, the near infrared sensitivity is improved by using the transparent oxide electrode film of the present invention as an electrode on the near infrared incident side. it can.

図7の特性からみて、酸化物透明導電膜は、水素原子を含有する酸化物導電膜の水素原子含有量を1%以上で10%以下の範囲内の任意の値とする。この理由は、図7の特性からみて、水素原子を含有する酸化物導電膜の水素原子含有量は、実用上の観点からみて、10%はアニール前とアニール後で乖離が大きくなるので、上限は10%以下となり、また、1%以下のデータは不正確となるので、下限は1%以上となることによる。   In view of the characteristics of FIG. 7, the oxide transparent conductive film has a hydrogen atom content of the oxide conductive film containing hydrogen atoms at an arbitrary value within a range of 1% to 10%. The reason for this is that the hydrogen atom content of the oxide conductive film containing hydrogen atoms from the viewpoint of the characteristics of FIG. Is less than 10%, and data below 1% is inaccurate, so the lower limit is 1% or more.

これらのことから、本発明の酸化膜透明導電膜およびそれを用いた光電変換素子、光検出素子が求める性能を実現するために不可欠な条件は、
(1)酸化膜透明導電膜が、非晶質で水素原子含有量を1%以上で10%以下の範囲内の任意の値含むこと、である。
さらには、
(2)上記(1)の非晶質酸化膜透明導電膜をアニールし結晶化させること、である。
また、更には、製膜室内の水蒸気総分圧を適切に調整して上記酸化膜透明導電膜を製造する際の、製造条件としての温度、水蒸気分圧、水素原子源としての水又は水素ガスによって、その個々の条件は変わる。製膜後のアニール処理温度は、例えば、150℃より大きくする。
以上説明した以外に、所期の構成および機能を備える限りにおいて、任意に構成および製造方法を変更することもできる。
From these, the indispensable condition for realizing the performance required by the oxide transparent conductive film of the present invention, the photoelectric conversion element using the same, and the photodetection element are:
(1) The oxide film transparent conductive film is amorphous and contains an arbitrary value within the range of 1% or more and 10% or less of the hydrogen atom content.
Moreover,
(2) Annealing and crystallizing the amorphous oxide transparent conductive film of (1) above.
Furthermore, the temperature, water vapor partial pressure, water or hydrogen gas as the hydrogen atom source as production conditions when the oxide film transparent conductive film is produced by appropriately adjusting the total water vapor partial pressure in the film production chamber Depending on the situation, the individual conditions change. The annealing temperature after film formation is, for example, greater than 150 ° C.
In addition to the above description, the configuration and the manufacturing method can be arbitrarily changed as long as the intended configuration and functions are provided.

Claims (7)

酸化物透明導電膜を透明電極とし、該透明電極に隣接する光電変換層を備える光電変換素子であって、
前記酸化物透明導電膜は、酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、二酸化チタン膜のいずれか1つ、またはこれらのうち二つ以上の化合物を含む薄膜であり、
前記酸化物透明導電膜を、水素原子を含有する非晶質酸化物導電膜とし、水素原子含有量を1%以上10%以下の範囲内の任意の値とし、ホール効果測定による電子の移動度を40cm/Vs以上の任意の値とし、キャリア濃度を5×1020cm−3以下の任意の値とし、波長400nm〜1200nmの範囲内の任意の波長における屈折率を1.5以上とし、比抵抗を5×10−4Ωcm以下の任意の値としたことを特徴とする光電変換素子。
A photoelectric conversion element comprising a transparent electrode as an oxide transparent conductive film and a photoelectric conversion layer adjacent to the transparent electrode ,
The oxide transparent conductive film is a thin film containing any one of indium oxide, gallium oxide, zinc oxide, magnesium oxide, tin oxide, germanium oxide, titanium dioxide film, or two or more compounds thereof.
The oxide transparent conductive film is an amorphous oxide conductive film containing hydrogen atoms, the hydrogen atom content is an arbitrary value within the range of 1% to 10%, and the electron mobility is measured by Hall effect measurement. Is an arbitrary value of 40 cm 2 / Vs or more, a carrier concentration is an arbitrary value of 5 × 10 20 cm −3 or less, a refractive index at an arbitrary wavelength within a wavelength range of 400 nm to 1200 nm is 1.5 or more, A photoelectric conversion element having a specific resistance of an arbitrary value of 5 × 10 −4 Ωcm or less.
前記酸化物透明導電膜は、インジウムと酸素の元素を含む薄膜であることを特徴とする請求項1記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the transparent oxide conductive film is a thin film containing elements of indium and oxygen. 前記酸化物透明導電膜は、水素原子添加酸化インジウム薄膜であることを特徴とする請求項2記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the oxide transparent conductive film is a hydrogen atom-added indium oxide thin film. 請求項1乃至3のいずれか1項記載の光電変換素子であって、
基板側から順に配置された第一の電極層、導電性酸化物層、n型薄膜半導体層、i型薄膜半導体層、p型薄膜半導体層、及び第二の電極層を有し、前記第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であり、前記第二の電極層を前記酸化物透明導電膜の前記透明電極としたことを特徴とする光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element of any one of Claims 1 thru | or 3, Comprising:
A first electrode layer, a conductive oxide layer, an n-type thin film semiconductor layer, an i-type thin film semiconductor layer, a p-type thin film semiconductor layer, and a second electrode layer disposed in order from the substrate side; A photoelectric conversion element for generating a photovoltaic force by light incident from the electrode layer side of the electrode, wherein the second electrode layer is the transparent electrode of the oxide transparent conductive film.
請求項1乃至3のいずれか1項記載の光電変換素子であって、
一導電型の結晶系半導体上に、逆導電型薄膜半導体層もしくはi型の薄膜半導体層と逆導電型薄膜半導体層が形成されてなるヘテロ接合により光入射側に前記酸化物透明導電膜の前記透明電極を形成したことを特徴とする光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element of any one of Claims 1 thru | or 3, Comprising:
The oxide transparent conductive film is formed on the light incident side by a heterojunction in which a reverse conductivity type thin film semiconductor layer or an i type thin film semiconductor layer and a reverse conductivity type thin film semiconductor layer are formed on a single conductivity type crystalline semiconductor. A photoelectric conversion element characterized by forming a transparent electrode.
請求項1乃至3のいずれか1項記載の光電変換素子であって、
基板側から順に第一の電極層、p型半導体層、n型半導体層、及び第二の電極層を設け、前記第一あるいは第二の電極層側から入射する光によって光起電力を発生させる光電変換素子であり、前記第一あるいは第二の電極層を前記酸化物透明導電膜の前記透明電極としたことを特徴とする光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element of any one of Claims 1 thru | or 3, Comprising:
A first electrode layer, a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a second electrode layer are provided in order from the substrate side, and photovoltaic power is generated by light incident from the first or second electrode layer side. A photoelectric conversion element, wherein the first or second electrode layer is the transparent electrode of the oxide transparent conductive film.
請求項1乃至3のいずれか1項記載の光電変換素子は光検出素子であって、
一対の電極と該電極間に挟まれた光検知材料層とを有し、前記一対の電極のうち少なくとも一方を、前記酸化物透明導電膜の前記透明電極としたことを特徴とする光検出素子。
The photoelectric conversion element according to claim 1 is a light detection element,
A photodetecting element comprising a pair of electrodes and a photodetecting material layer sandwiched between the electrodes, wherein at least one of the pair of electrodes is the transparent electrode of the oxide transparent conductive film .
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