JPH0584051B2 - - Google Patents

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JPH0584051B2
JPH0584051B2 JP58028571A JP2857183A JPH0584051B2 JP H0584051 B2 JPH0584051 B2 JP H0584051B2 JP 58028571 A JP58028571 A JP 58028571A JP 2857183 A JP2857183 A JP 2857183A JP H0584051 B2 JPH0584051 B2 JP H0584051B2
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JP
Japan
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thin film
glow discharge
disilane
conductivity
present
Prior art date
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Application number
JP58028571A
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Japanese (ja)
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JPS59155122A (en
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Nobuhiro Fukuda
Makoto Konagai
Yutaka Oohashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
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Publication date
Application filed by Mitsui Toatsu Chemicals Inc filed Critical Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority to JP58028571A priority Critical patent/JPS59155122A/en
Publication of JPS59155122A publication Critical patent/JPS59155122A/en
Publication of JPH0584051B2 publication Critical patent/JPH0584051B2/ja
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    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
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    • H01L21/02524Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532Silicon, silicon germanium, germanium

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は半導体薄膜及びその形成方法に関し、
特にシリコンよりなるn型の高い導電率及び広い
光学禁制帯巾を有する半導体薄膜及びその形成方
法に関するものである。 シリコン薄膜は最近よく研究されており、その
用途は太陽電池、感光ドラム、画像読取装置の走
査回路、画像表示デバイスの駆動回路等に開けて
いる。 しかして、かかるシリコン薄膜を太陽電池の窓
材料すなわち低入射光損失の薄膜として用いる場
合、該シリコン薄膜の光学禁制帯巾(以下Eopt
と記す)はできるだけ大きいことが望ましい。な
ぜならEoptより大なるエネルギーを有する光は、
光活性層に届く前に該シリコン層でカツトされて
しまい有効に利用されないからである。 従来、シリコン原料のみで窓材料を形成するこ
とは困難であつた故、シリコンに炭素や窒素を導
入した非晶質シリコンカーバイド(以下a−
SiCxと記す)や非晶質シリコンナイトライド
(以下a−SiNyと記す)がワイドギヤツプ窓とし
て検討され、ボロンをドープしたp型a−SiCx
はヘテロ接合の窓材料として一部実用に供せられ
ている。しかしながら(i)a−SiCxやa−SiNyは
本来電気を通しにくい性質のものであり、これら
を窓材料として用いる場合には、低い電気伝導性
に起因する問題を含むものであつた。電気伝導性
を低下させないためには、a−SiCxやa−SiNy
においては加えるCやNの量を大にすることすな
わちxやyの値を大きくしEoptを増大せしめる
ことができなかつた。たとえばp型a−SiCxで
はEoptを1.9〜2.0eVに調節して用いる時が電気
伝導性とのバランスの上から最適であるとされて
いるが、この時の導電率は約10-7s・cm-1とやは
り低く、太陽電池のような光電変換素子において
は抵抗成分として作用し効率の改善には不利にな
る。(ii)さらにa−SiCr形成のためには炭素源を
原料として用いねばならない。この結果グロー放
電室内部には炭素が析出するので、該析出炭素を
除去せねばならぬという新たな問題が発生する。
上記の導電率は炭素含量に大きく影響されるので
シリコン原料と炭素原料との組成制御を厳密に行
なわねばならず、プロセスが複雑になる。 本発明はかかる点にかんがみてなされたもので
その目的は、n型で高導電率かつ広いEoptを有
する窓材料として好適なシリコン原料のみからな
る半導体薄膜及びその形成方法を提供することで
ある。 本発明者らは、上記観点から鋭意検討した結
果、ジシランガスを用いてグロー放電分解により
形成したシリコン薄膜はEoptが増大するという
知見を得(特開昭59−25278号公報)、さらに薄膜
の形成方法について検討を進めたところ、該ジシ
ランガスにn型の導電性付与物質を添加する場合
は、導電率が少くとも1×10-3s・cm-1以上、高
いものは1s・cm-1でかつEoptが1.80eV、広いも
のは2.0eVを越えるシリコン薄膜が得られること
を見出し本発明の薄膜を完成した。 また、特定の膜形成速度で上記グロー放電分解
操作を行うことにより、一層適確に上記特性を有
するシリコン薄膜が得られることを見出し本発明
の形成方法を完成した。 すなわち、本発明は、 (1) ジシラン、n型の導電性付与物質および希釈
ガスからなる混合ガスをグロー放電により分解
し、基板上に形成せしめてなる1.80eVを越え
る広光学禁制帯巾および1×10-3s・cm-1以上
の高導電性を有するシリコン半導体薄膜。およ
び、 (2) ジシラン、n型の導電性付与物質および希釈
ガスからなる混合ガスをグロー放電室内へ導入
しグロー放電により分解せしめて基板上に薄膜
を形成する方法において、該薄膜の形成速度を
2Å/sec以下におさえることを特徴とする広
い光学禁制帯巾および高導電率を有するシリコ
ン半導体薄膜の形成方法。 を提供するものである。 以下、本発明の構成要件を詳細に分説する。 本発明においてジシランとは、一般式
SinH2o+2であらわされるポリシラン化合物にお
いてn=2の物質である。勿論、高純度であるこ
とが好ましいが、グロー放電中でジシランと同様
に挙動するトリシラン、テトラシラン等(該一般
式においてn=3,4)等高次のものが含まれて
いることは何らさしつかえない。 ジシランはモノシランを無声放電して一部ジシ
ランに変化せしめる物理的な合成方法によつたも
のでもよいが、太陽電池を工業的に生産する点か
ら、安定した品質のものが大量に得られる化学的
な合成方法(たとえばヘキサクロロジシランを還
元する等の方法)によるものがより好ましい。 またn型の導電性付与物質とは、たとえばPH3
(フオスフイン)やAsH3(アルシン)等族元素
化合物である。これらの物質のジシランに対する
使用割合はジシラン100容量部に対して0.1〜5容
量部である。 ジシラン等を希釈する希釈ガスとしてはH2
He,Ne,Ar等が用いられる。ジシランに対し
て用いる希釈ガスの総量はジシラン1容量部あた
り10容量部以上である。 また、n型の導電性物質に対しては、該物質1
容量部に対し10〜1000容量部の希釈ガスを用い
る。 本発明の1.80eVを越える光学禁制帯巾および
1×10-3s・cm-1以上の導電性を有するシリコン
半導体薄膜は、上記のごときジシランと、n型の
導電性付与物質および希釈ガスの三者からなる混
合ガスをそれ自体公知の通常のグロー放電により
分解し基板上に堆積せしめることにより容易に形
成せられる。 本発明により得られる薄膜は、おそらく一部に
微結晶状態を含むn型の水素含有非晶質シリコン
薄膜であろう。然るに微結晶状態を含むn型の水
素含有非晶質シリコン薄膜はモノシラン(SiH4
を原料としてのみ得られることが従来公知であつ
たが、その光学禁制帯は大きくても高々1.80eV
であつて、本発明のシリコン薄膜とは厳然と区別
されるものである。 本発明はまた、上記のごとき広い光学禁制帯巾
および高導電率を有するシリコン半導体薄膜の形
成方法を提供するものであつて、上記したジシラ
ン、n型の導電性付与物質および希釈ガスからな
る混合ガスをグロー放電室内へ供給し、グロー放
電により分解せしめて基板上に薄膜を形成する方
法において、該薄膜の形成速度を2Å/sec以下
という特定の範囲におさえるものである。 該薄膜の形成速度を上記2Å/secを越えて増
大せしめた場合は、後記実施例、比較例に示すよ
うに、Eoptが狭くなるか、導電率が低くなり、
本発明の目的を達成することができない。 しかして、薄膜の形成速度は、放電設備の形
状、電極構造、電極間距離、生成温度、生成圧
力、ガスの流れ方等種々の因子によつて変りうる
が、特にジシランの流量(供給量)とグロー放電
エネルギーの両パラメータをそれぞれ変化させる
ことにより形成速度は対応して大きく変化しこれ
を関連ずけて効果的に該形成速度を最適な範囲に
制御することは通常困難である。 しかるところ、本発明者らは、「ジシランの供
給単位質量当りのグロー放電エネルギー」〔KJ/
g−Si2H6〕なる因子に着目し、該因子をパラメ
ータとすることにより、薄膜の形成速度とジシラ
ンの供給量(流量)は一義的に相関ずけられるこ
とを見出し、しかも、該因子が10KJ/g−Si2H6
以下の場合、すなわち、ジシラン単位質量当り、
10KJ以上の放電エネルギーを印加してグロー放
電する場合には、薄膜の形成速度は、グロー放電
エネルギーにはほとんど影響されず、ジシランの
流量のみに依存して変化するという重要な事実を
発見したのである。 この事実にもとづけば、ジシランの最適な供給
量の決定は次のごとくして容易に行なわれる。す
なわち、ジシラン単位質量当り10KJ以上のグロ
ー放電エネルギーを与えて、ジシランの各供給量
に対する薄膜の各形成速度を測定すればよい。 本発明におけるジシラン単位質量当りのグロー
放電エネルギーの算出は次の式で行なう。 グロー放電エネルギー(J/g−Si2H6)=印加するグ
ロー放電電力/(原料ガス流量)×(平均分子量/22.4
)×ジシランの重量分率
() たとえば(i)ヘリウム(He)で10vol%に希釈さ
れたジシラン(Si2H6)0.02/分、(ii)水素
(H2)で1vol%に希釈されたホスフイン(PH3
0.002/分及び、(iii)H20.06/分を混合した原
料に100Wのグロー放電電力を加える場合の該エ
ネルギーはつぎのように計算する。 原料ガス流量=0.02+0.002+0.06=0.082(/
分) 原料ガスの平均分子量={(62.2×2/82)+(4
×18/82)+(31×0.02/82)+(2×61.98/82)
≒3.914(gr) ジシランの重量分率(62.2×2/82)/3.914
≒0.388これらを上記()式に代入して ジシラン単位質量当りのエネルギー=100/0.082/60×
3.914/22.4×0.388=162×103〔J/g−Si2H6〕 いま103JをKJと表わせば、該エネルギーは
162KJ/g・Si2H6と表わすことができる。 本発明においては、上記の如き方法で算出した
ジシラン単位質量当りのグロー放電エネルギーの
値において少くとも10KJ/g−Si2H6以上好まし
くは50〜500KJ/g−Si2H6を加え薄膜を形成す
る。500KJ/g−Si2H6を越える程大きいエネル
ギーを加えた場合は原料ガスと放電のバランスを
不安定にし易すく、安定した薄膜の形成を困難し
また必要以上のエネルギーを加えること自体経済
上の損失につながるうえに、さらに高価な大型の
グロー放電電源を設備せねばならない。一方、
50KJ/g−Si2H6未満の10KJ/g−Si2H6以上の
グロー放電エネルギーを与えて得られる薄膜はそ
の導電率がやや低下する傾向はあるものの、十分
本発明の目的を達成することができる。 本発明においては薄膜の形成温度は適宜選択す
る必要があるが、100〜400℃の範囲が通常好まし
い。低い形成温度ではEoptは大になるが、100℃
よりも低い温度ではシリコン薄膜の形成が効果的
に進行せず膜が剥離したり黄色のアモルフアスシ
リコンの粉末が発生するようになり本発明の目的
を達しえない。 また形成温度を高くすると導電率が向上するが
400℃を越えて上昇させすぎるとEoptが低下する
ので、本発明においては400℃以下で薄膜形成を
することが好ましい。 なお、後記実施例に薄膜の形成温度とEoptと
の関係を示したが形成温度の低下とともにEopt
は増加し、本実施例では150℃のとき2.0eVにな
ることがわかる。一方、導電率はやや低下するも
のの150℃においても9.1×10-2s・cm-1と未だ高い
値を維持していることを示している。 本発明のグロー放電分解操作はそれ自体公知の
グロー放電分解法をそのまま適用すればよい。す
なわち、グロー放電可能な反応室中に半導体薄膜
を形成すべきガラス、ステンレス鋼、セラミツク
ス等の基板を配置する。減圧下100〜400℃の温度
に該基板を加熱、保持する。ついで原料ガスを上
記反応室内に導入し、該室内圧力を0.5〜5Torr
とする。そして、前記した量のグロー放電エネル
ギーを加えて薄膜を形成する時、薄膜の形成速度
を2Å/sec以下に抑えるのである。 実施に際しては、希釈ガスの流量を増加せしめ
ることにより原料ガスの流量を多くすることが好
ましい。前記のエネルギー算出式において該流量
は分母にあり、流量を大きくすればそれだけ印加
できるグロー放電電力は大きくできるとともに、
電力のバラツキの許容範囲も大きくなり、放電状
態の管理が容易になるからである。また、こうし
た利点の他に実施例9に示すように導電率が上昇
するという効果がある。 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。 実施例 1〜5 基板加熱手段、真空排気手段、ガス導入手段及
び基板を設置することのできる平行平板電極を有
するグロー放電室をもつ容量結合型高周波プラズ
マCVD(hemical apor eposition)装置
の該基板設置部へコーニング社製7059ガラス基板
を設置した。油拡散ポンプにより10-7Torr以下
に真空排気しながら基板設置部の温度(薄膜の形
成温度)が150℃〜350℃になるように加熱した。
He希釈のジシラン(希釈比Si2H6/He=1/
9)、H5希釈のPH3(希釈比PH3/H2=1/99)
及びH2の3種類のガスをそれぞれ20c.c./分、2
c.c.分及び60c.c./分の流量で該グロー放電室へ導入
し、圧力を1Torrに調節した。グロー放電電力
130W即ち本願発明のグロー放電エネルギーとし
て約210KJ/g−Si2H6でグロー放電を行ないn
型シリコン薄膜を形成した。形成時間は30分と一
定にした。形成温度を150〜350℃の範囲で変化さ
せた結果を第1表に示した。 なお、膜厚は触針式の膜厚計で測定し、この膜
厚を形成時間で除した商を薄膜の形成速度とし
た。一方Eoptは分光光度計で薄膜の光吸収係数
αを測定した後、入射光のエネルギー(hν)に
対して(αhν)1/2をプロツトし、その直線部分を
外挿し、hν軸との切片の値として求めた。導電
率の測定は200μの間隔をあけて電極を形成し、
この電極間に電圧を印加し、電流を測る方法で行
なつた。
The present invention relates to a semiconductor thin film and a method for forming the same,
In particular, the present invention relates to an n-type semiconductor thin film made of silicon having high conductivity and a wide optical forbidden band, and a method for forming the same. Silicon thin films have been extensively studied recently, and their applications include solar cells, photosensitive drums, scanning circuits for image reading devices, and drive circuits for image display devices. Therefore, when such a silicon thin film is used as a window material for a solar cell, that is, a thin film with low incident light loss, the optical forbidden band (hereinafter referred to as Eopt) of the silicon thin film is
) is preferably as large as possible. Because light with energy greater than Eopt is
This is because the light is cut off by the silicon layer before reaching the photoactive layer and is not used effectively. Conventionally, it was difficult to form window materials using only silicon raw materials, so amorphous silicon carbide (hereinafter referred to as a-
SiCx) and amorphous silicon nitride (hereinafter a-SiNy) have been studied as wide gap windows, and boron-doped p-type a-SiCx
is used in some practical applications as a window material for heterojunctions. However, (i) a-SiCx and a-SiNy are inherently difficult to conduct electricity, and when these are used as window materials, problems arise due to low electrical conductivity. In order not to reduce electrical conductivity, a-SiCx or a-SiNy
In this case, it was not possible to increase Eopt by increasing the amount of C or N added, that is, by increasing the values of x and y. For example, in p-type a-SiCx, it is said that adjusting Eopt to 1.9 to 2.0 eV is optimal in terms of balance with electrical conductivity, but the electrical conductivity at this time is about 10 -7 s・cm -1 is still low, and acts as a resistance component in photoelectric conversion elements such as solar cells, which is disadvantageous for improving efficiency. (ii) Furthermore, a carbon source must be used as a raw material for a-SiCr formation. As a result, carbon is deposited inside the glow discharge chamber, and a new problem arises in that the deposited carbon must be removed.
Since the above-mentioned electrical conductivity is greatly affected by the carbon content, the composition of the silicon raw material and the carbon raw material must be strictly controlled, which complicates the process. The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to provide a semiconductor thin film made only of silicon raw material, which is n-type, has high conductivity, and has a wide Eopt and is suitable as a window material, and a method for forming the same. As a result of intensive studies from the above viewpoint, the present inventors found that Eopt increases in silicon thin films formed by glow discharge decomposition using disilane gas (Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-25278), and furthermore, the formation of thin films. After studying the method, we found that when adding an n-type conductivity imparting substance to the disilane gas, the conductivity must be at least 1×10 -3 s・cm -1 or higher, and 1 s・cm -1 for high conductivity. They also found that a silicon thin film with an Eopt of 1.80 eV, and a wide one exceeding 2.0 eV, could be obtained, and the thin film of the present invention was completed. Furthermore, the inventors have discovered that a silicon thin film having the above characteristics can be obtained more accurately by performing the glow discharge decomposition operation at a specific film formation rate, and have completed the formation method of the present invention. That is, the present invention provides (1) a wide optical forbidden band exceeding 1.80 eV and A silicon semiconductor thin film with high conductivity of ×10 -3 s・cm -1 or higher. and (2) In a method of forming a thin film on a substrate by introducing a gas mixture consisting of disilane, an n-type conductivity imparting substance, and a diluent gas into a glow discharge chamber and decomposing it by glow discharge, the formation speed of the thin film is increased. A method for forming a silicon semiconductor thin film having a wide optical forbidden band and high electrical conductivity, characterized by suppressing the optical bandgap to 2 Å/sec or less. It provides: Hereinafter, the constituent elements of the present invention will be explained in detail. In the present invention, disilane is defined by the general formula
It is a substance where n=2 in a polysilane compound represented by SinH 2o+2 . Of course, high purity is preferable, but there is nothing wrong with containing higher-order substances such as trisilane, tetrasilane, etc. (n = 3, 4 in the general formula), which behave in the same way as disilane in glow discharge. do not have. Disilane can be synthesized physically by converting monosilane into disilane through silent discharge, but from the point of view of industrially producing solar cells, it is preferable to use a chemical method that can produce large amounts of stable quality. It is more preferable to use a synthetic method (for example, a method such as reducing hexachlorodisilane). Further, the n-type conductivity imparting substance is, for example, PH 3
(phosphine) and AsH 3 (arsine) group element compounds. The ratio of these substances to disilane is 0.1 to 5 parts by volume per 100 parts by volume of disilane. H 2 ,
He, Ne, Ar, etc. are used. The total amount of diluent gas used for disilane is 10 parts by volume or more per part by volume of disilane. In addition, for an n-type conductive substance, the substance 1
Use 10 to 1000 parts by volume of diluent gas per part by volume. The silicon semiconductor thin film of the present invention having an optical forbidden band exceeding 1.80 eV and a conductivity of 1×10 -3 s cm -1 or more is produced by combining disilane as described above, an n-type conductivity imparting substance, and a diluent gas. It is easily formed by decomposing a three-part gas mixture by means of a conventional glow discharge, which is known per se, and depositing it on the substrate. The thin film obtained by the present invention is probably an n-type hydrogen-containing amorphous silicon thin film that partially contains a microcrystalline state. However, the n-type hydrogen-containing amorphous silicon thin film containing microcrystalline state is monosilane (SiH 4 ).
It was previously known that it could be obtained only as a raw material, but its optical forbidden band was at most 1.80 eV.
This is clearly distinguished from the silicon thin film of the present invention. The present invention also provides a method for forming a silicon semiconductor thin film having a wide optical bandgap and high conductivity as described above, which comprises a mixture comprising the above-mentioned disilane, an n-type conductivity-imparting substance, and a diluent gas. In a method of forming a thin film on a substrate by supplying gas into a glow discharge chamber and decomposing it by glow discharge, the formation rate of the thin film is kept within a specific range of 2 Å/sec or less. When the formation rate of the thin film is increased beyond the above 2 Å/sec, Eopt becomes narrower or the conductivity becomes lower, as shown in Examples and Comparative Examples below.
The purpose of the present invention cannot be achieved. The rate of thin film formation can vary depending on various factors such as the shape of the discharge equipment, electrode structure, distance between electrodes, formation temperature, formation pressure, and gas flow direction, but especially the flow rate (supply amount) of disilane. By changing both parameters, ie, glow discharge energy, and glow discharge energy, the formation rate correspondingly changes greatly, and it is usually difficult to effectively control the formation rate within an optimal range in relation to this. However, the present inventors have determined that "glow discharge energy per unit mass of disilane supplied" [KJ/
By focusing on the factor ``g-Si 2 H 6 '' and using this factor as a parameter, we found that the thin film formation rate and the disilane supply amount (flow rate) are uniquely correlated. is 10KJ/g-Si 2 H 6
In the following cases, i.e. per unit mass of disilane,
We discovered the important fact that when glow discharge is performed by applying a discharge energy of 10 KJ or more, the rate of thin film formation is almost unaffected by the glow discharge energy and changes depending only on the flow rate of disilane. be. Based on this fact, the optimum supply amount of disilane can be easily determined as follows. That is, it is sufficient to apply glow discharge energy of 10 KJ or more per unit mass of disilane and measure each thin film formation rate for each amount of disilane supplied. The glow discharge energy per unit mass of disilane in the present invention is calculated using the following formula. Glow discharge energy (J/g-Si 2 H 6 ) = applied glow discharge power / (raw material gas flow rate) × (average molecular weight / 22.4
) x weight fraction of disilane
() For example, (i) disilane (Si 2 H 6 ) diluted to 10 vol % with helium (He) 0.02/min, (ii) phosphine (PH 3 ) diluted to 1 vol % with hydrogen (H 2 )
The energy when 100 W of glow discharge power is applied to the raw material mixed with 0.002/min and (iii) H 2 0.06/min is calculated as follows. Raw material gas flow rate = 0.02 + 0.002 + 0.06 = 0.082 (/
) Average molecular weight of raw material gas = {(62.2×2/82)+(4
×18/82)+(31×0.02/82)+(2×61.98/82)
≒3.914 (gr) Weight fraction of disilane (62.2×2/82)/3.914
≒0.388Substituting these into the above equation (), energy per unit mass of disilane = 100/0.082/60×
3.914/22.4×0.388=162×10 3 [J/g−Si 2 H 6 ] Now, if 10 3 J is expressed as KJ, the energy is
It can be expressed as 162KJ/g・Si 2 H 6 . In the present invention, the value of glow discharge energy per unit mass of disilane calculated by the above method is at least 10 KJ/g-Si 2 H 6 or more, preferably 50 to 500 KJ/g-Si 2 H 6 is added to form a thin film. Form. If a large amount of energy exceeding 500KJ/g-Si 2 H 6 is applied, the balance between the raw material gas and the discharge is likely to become unstable, making it difficult to form a stable thin film, and adding more energy than necessary is itself economically disadvantageous. In addition to this, a large and expensive glow discharge power source must be installed. on the other hand,
Although the thin film obtained by applying a glow discharge energy of 10 KJ/g-Si 2 H 6 or more, which is less than 50 KJ/g-Si 2 H 6 , tends to have a slightly lower conductivity, it sufficiently achieves the purpose of the present invention. be able to. In the present invention, the temperature for forming the thin film must be selected appropriately, but a range of 100 to 400°C is usually preferred. Eopt becomes large at low formation temperatures, but at 100℃
If the temperature is lower than that, the formation of a silicon thin film will not proceed effectively and the film will peel off or yellow amorphous silicon powder will be generated, making it impossible to achieve the object of the present invention. In addition, increasing the formation temperature improves the conductivity.
If the temperature is increased too much above 400°C, Eopt will decrease, so in the present invention, it is preferable to form a thin film at 400°C or lower. In addition, although the relationship between the thin film formation temperature and Eopt is shown in the example below, Eopt increases as the formation temperature decreases.
increases, and in this example it becomes 2.0 eV at 150°C. On the other hand, although the conductivity decreased slightly, it still maintained a high value of 9.1×10 -2 s·cm -1 even at 150°C. For the glow discharge decomposition operation of the present invention, a glow discharge decomposition method known per se may be applied as is. That is, a substrate made of glass, stainless steel, ceramics, or the like on which a semiconductor thin film is to be formed is placed in a reaction chamber capable of glow discharge. The substrate is heated and maintained at a temperature of 100 to 400°C under reduced pressure. Next, raw material gas is introduced into the reaction chamber, and the pressure in the chamber is adjusted to 0.5 to 5 Torr.
shall be. When forming a thin film by applying the above amount of glow discharge energy, the thin film formation rate is suppressed to 2 Å/sec or less. In practice, it is preferable to increase the flow rate of the raw material gas by increasing the flow rate of the diluent gas. In the above energy calculation formula, the flow rate is in the denominator, and as the flow rate is increased, the glow discharge power that can be applied can be increased accordingly.
This is because the permissible range of power variation becomes larger, and the discharge state becomes easier to manage. In addition to these advantages, as shown in Example 9, there is an effect of increasing the electrical conductivity. Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. Examples 1 to 5 A capacitively coupled high frequency plasma CVD ( Chemical Vapor Deposition ) apparatus having a glow discharge chamber having a substrate heating means, a vacuum evacuation means, a gas introduction means, and a parallel plate electrode in which a substrate can be installed. A 7059 glass substrate manufactured by Corning was installed in the substrate installation section. The substrate was heated to a temperature of 150° C. to 350° C. (thin film formation temperature) while evacuating to 10 −7 Torr or less using an oil diffusion pump.
Disilane diluted with He (dilution ratio Si 2 H 6 /He=1/
9), PH 3 of H 5 dilution (dilution ratio PH 3 /H 2 = 1/99)
and H 2 at 20 c.c./min, 2
cc min and a flow rate of 60 c.c./min into the glow discharge chamber, and the pressure was adjusted to 1 Torr. glow discharge power
Glow discharge was performed at 130W, that is, the glow discharge energy of the present invention was approximately 210KJ/g-Si 2 H 6 .
A silicon thin film was formed. The formation time was kept constant at 30 minutes. Table 1 shows the results of varying the formation temperature in the range of 150 to 350°C. The film thickness was measured using a stylus-type film thickness meter, and the quotient obtained by dividing this film thickness by the formation time was defined as the thin film formation rate. On the other hand, Eopt measures the light absorption coefficient α of a thin film with a spectrophotometer, then plots (αhν) 1/2 against the energy of incident light (hν), extrapolates its linear part, and calculates the intercept with the hν axis. It was calculated as the value of To measure conductivity, form electrodes with a spacing of 200μ,
This was done by applying a voltage between the electrodes and measuring the current.

【表】 比較例 1 形成速度を5Å/secとなるようにジシラン及
びPH3、希釈ガスの流量を増加して薄膜を形成し
たほかは実施例5(形成温度350℃の場合)と同様
の実験を行つた。得られた薄膜の導電率は2.7×
10-2s・cm-1であつたが、Eoptは1.74eVと小さく、
本発明の目的とする1.80eVを越えるEoptを有す
るものは得られなかつた。 比較例 2 形成速度を5Å/secとなるようにジシラン及
びPH3、希釈ガスの流量を増加して薄膜を形成し
た。ほかは実施例(形成温度150℃の場合)と同
様の実験を行つた。得られた薄膜のEoptは
1.87eVであつたが導電率が1.3×10-5s・cm-1と小
さく本発明の目的にはそぐわないものであつた。 実施例 6〜8 グロー放電電力を変更したほかは実施例3と同
様の実験を行つた。結果を第2表に示した。
[Table] Comparative Example 1 Experiment similar to Example 5 (formation temperature 350°C) except that a thin film was formed by increasing the flow rates of disilane, PH 3 and diluent gas so that the formation rate was 5 Å/sec. I went there. The conductivity of the obtained thin film is 2.7×
10 -2 s cm -1 , but Eopt was small at 1.74 eV.
No material having Eopt exceeding 1.80 eV, which is the object of the present invention, could be obtained. Comparative Example 2 A thin film was formed by increasing the flow rates of disilane, PH 3 and diluent gas so that the formation rate was 5 Å/sec. Otherwise, the same experiment as in Example (forming temperature 150° C.) was conducted. The Eopt of the obtained thin film is
Although the electrical conductivity was 1.87 eV, the conductivity was small at 1.3×10 −5 s·cm −1 and was not suitable for the purpose of the present invention. Examples 6 to 8 The same experiments as in Example 3 were conducted except that the glow discharge power was changed. The results are shown in Table 2.

【表】 本実施例はグロー放電エネルギーが160から
30KJ/g−Si2H6に変化しても、その形成速度及
びEoptは殆んど変化しないが、導電率は約1/
300に減少することを示すものである。 実施例 9 実施例5と同じグロー放電条件において希釈ガ
スであるH2の流量を40c.c./分に減少せしめた実
験を行なつた。得られたn型シリコン膜のEopt
は1.84eVで実施例5に対して変化はなかつたが、
導電率は1.8×10-1s・cm-1であり、実施例5の約
1/30に減少した。 以上のごとく、本発明において得られるシリコ
ン半導体薄膜は1.80eVを越える広い光学禁制帯
巾を有するとともに1×10-3s・cm-1以上の高い
導電率をも併せもつものである。それ故半導体デ
バイス、特に太陽電池に代表される光電変換素子
の窓材料やタンデム接合素子における光入射側に
配置される素子用の材料として有用である。ま
た、高い導電率を有する本発明の薄膜はオーミツ
ク接触を容易にするので種々の半導体素子の電極
材料としても有用である。
[Table] In this example, the glow discharge energy starts from 160.
Even if it changes to 30KJ/g-Si 2 H 6 , its formation rate and Eopt hardly change, but the conductivity decreases by about 1/
300. Example 9 An experiment was conducted under the same glow discharge conditions as in Example 5, but with the flow rate of H 2 as a diluent gas reduced to 40 c.c./min. Eopt of the obtained n-type silicon film
was 1.84 eV, which was unchanged from Example 5, but
The electrical conductivity was 1.8×10 −1 s·cm −1 , which was reduced to about 1/30 of that in Example 5. As described above, the silicon semiconductor thin film obtained in the present invention has a wide optical forbidden band exceeding 1.80 eV and also has a high conductivity of 1×10 −3 s·cm −1 or more. Therefore, it is useful as a window material for semiconductor devices, particularly photoelectric conversion elements such as solar cells, and as a material for elements disposed on the light incident side of tandem junction elements. Furthermore, the thin film of the present invention having high electrical conductivity facilitates ohmic contact and is therefore useful as an electrode material for various semiconductor devices.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ジシラン、n型の導電性付与物質および希釈
ガスからなる混合ガスをグロー放電により分解
し、基板上に該薄膜の形成速度を2Å/sec以下
におさえて100〜400℃において形成せしめてなる
1.80eVを越える広光学禁制帯巾および1×10-3
S・cm-1以上の高導電性を有するn型導電性のシ
リコン半導体薄膜。 2 ジシラン、n型の導電性付与物質および希釈
ガスからなる混合ガスをグロー放電室内へ導入し
グロー放電により分解せしめて基板上に100〜400
℃において薄膜を形成する方法において、該薄膜
の形成速度を2Å/sec以下におさえることを特
徴とする広い光学禁制帯巾および高導電率を有す
るn型導電性のシリコン半導体薄膜の形成方法。 3 グロー放電室内へ導入する混合ガス中のジシ
ランの供給量を制御することにより、薄膜の形成
速度を2Å/sec以下におさえる特許請求の範囲
第2項記載の方法。
[Claims] 1. A mixed gas consisting of disilane, an n-type conductivity-imparting substance, and a diluent gas is decomposed by glow discharge, and the thin film is formed on a substrate at a temperature of 100 to 400°C while keeping the formation rate to 2 Å/sec or less. formed in
Wide optical bandgap exceeding 1.80eV and 1×10 -3
An n-type conductive silicon semiconductor thin film with high conductivity of S cm -1 or higher. 2 A mixed gas consisting of disilane, an n-type conductivity-imparting substance, and a diluent gas is introduced into the glow discharge chamber and decomposed by glow discharge to form 100 to 400 particles on the substrate.
A method for forming an n-type conductive silicon semiconductor thin film having a wide optical forbidden band and high electrical conductivity, the method comprising: forming a thin film at a temperature of 2 Å/sec or less. 3. The method according to claim 2, wherein the thin film formation rate is kept below 2 Å/sec by controlling the supply amount of disilane in the mixed gas introduced into the glow discharge chamber.
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