JPH0590172A - Manufacture of polycrystalline germanium film and photoelectric converter using same - Google Patents

Manufacture of polycrystalline germanium film and photoelectric converter using same

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JPH0590172A
JPH0590172A JP3251745A JP25174591A JPH0590172A JP H0590172 A JPH0590172 A JP H0590172A JP 3251745 A JP3251745 A JP 3251745A JP 25174591 A JP25174591 A JP 25174591A JP H0590172 A JPH0590172 A JP H0590172A
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浩志 岩多
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Abstract

PURPOSE:To form a film in excellent quality regardless of the low heat treatment temperature by a method wherein an amorphous germanium film is formed within the substrate temperature range of specific values to be heat- treated for polycrystallization. CONSTITUTION:An amorphous germanium film 3000Angstrom thick is formed by a plasma CVD on a supporting substrate 1. Such an amorphous film 2 is to be a little bit thicker starting material to form a polycrystalline germanium film. At this time, the substrate temperature as an important factor in such a step is to be adjusted within the range of 315 deg.C-345 deg.C. Next, the supporting substrate 1 where the amorphous germanium film 2 is formed is to be left intact in nitrogen atmosphere to be heat-treated at 350 deg.C later. By such a heat treatment step, the amorphous germanium film 2 is turned into excellent polycrystalline germanium film 3. That is, the later heat treatment temperature can be lowered by specifying the formation temperature of the amorphous germanium film within range of 315 deg.C-345 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

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

【0002】[0002]

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

【0003】このバンドギャッブが狭いことはシリコン
に比べて長波長光の感度に対して優れることとなり、例
えば、短波長光から長波長光領域までの各種波長を包括
的に利用しようとして提案されている積層型太陽電池に
あっては光入射側から見て最終段の太陽電池用半導体材
料としてこのゲルマニューム半導体が利用されている
(参考文献Proc. of the 21st IEEE photovoltaic Spec
ialist Conf. Florida(1990.5月)p.73〜78)。又センサ
にあっては赤外線領域の受光素子の感光部として利用さ
れている。
The narrow band gab is superior to silicon in sensitivity to long-wavelength light. For example, it has been proposed to comprehensively use various wavelengths from short-wavelength light to long-wavelength light region. In a stacked solar cell, this germanium semiconductor is used as the final semiconductor material for solar cells when viewed from the light incident side (Reference Proc. Of the 21st IEEE photovoltaic Spec).
ialist Conf. Florida (May 1991) p.73-78). Further, the sensor is used as a photosensitive portion of a light receiving element in the infrared region.

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

【0005】[0005]

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

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

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

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

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、支持基板上に非晶質ゲルマニューム膜を基板温度
が315℃以上345℃以下の範囲内で形成する工程
と、前記非晶質ゲルマニューム膜を熱処理することによ
り多結晶化する工程とからなる多結晶ゲルマニューム膜
の製造方法であり、ことに上記基板温度範囲を320℃
以上340℃以下が最適な製造方法にあり、またこの製
造方法で形成された多結晶ゲルマニューム膜を少なくと
も一部に使用する光活性層を備えた光電変換装置にあ
る。
The feature of the present invention resides in that an amorphous germanium film is formed on a supporting substrate at a substrate temperature of 315 ° C. or higher and 345 ° C. or lower; A method for producing a polycrystalline germanium film, which comprises a step of polycrystallizing a germanium film by heat-treating it, and particularly, the substrate temperature range is 320 ° C.
Above 340 ° C. is the most suitable manufacturing method, and there is a photoelectric conversion device provided with a photoactive layer in which the polycrystalline germanium film formed by this manufacturing method is used at least in part.

【0010】[0010]

【作用】本発明によれば、支持基板上に基板温度が31
5℃以上345℃以下の範囲内で形成された非晶質ゲル
マニューム膜を熱処理することによって得られる多結晶
ゲルマニューム膜は、その熱処理温度が従来よりも低温
であるにもかかわらず良質な半導体膜を得ることができ
る。
According to the present invention, the substrate temperature is set to 31 on the supporting substrate.
A polycrystalline germanium film obtained by heat-treating an amorphous germanium film formed within the range of 5 ° C. or higher and 345 ° C. or lower is a high-quality semiconductor film even though the heat treatment temperature is lower than that of a conventional one. Obtainable.

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

【0012】[0012]

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

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

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

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

【0016】[0016]

【表1】 [Table 1]

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

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

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

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

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

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

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

【0024】一方、非晶質ゲルマニューム膜の形成温度
が、290℃以上となると、350℃の熱処理温度で常
にX線回折のピークが観測されるようになり、熱処理温
度のさらなる低温化は観測されない。
On the other hand, when the formation temperature of the amorphous germanium film is 290 ° C. or higher, the peak of X-ray diffraction is always observed at the heat treatment temperature of 350 ° C., and the heat treatment temperature is not further lowered. ..

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

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

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

【0028】非晶質ゲルマニューム膜の形成温度として
は、290℃、330℃、350℃の3種類である。
There are three types of temperatures for forming the amorphous germanium film: 290 ° C., 330 ° C. and 350 ° C.

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

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

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

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

【0033】但し、350℃で形成した非晶質ゲルマニ
ューム膜にあっては、前述した如く熱処理を行わなくと
もX線回折ピークを示すことから、本試料については熱
処理を施していない。なお、他の試料の熱処理温度は3
50℃一定としている。
However, since the amorphous germanium film formed at 350 ° C. shows an X-ray diffraction peak even if it is not heat-treated as described above, this sample is not heat-treated. The heat treatment temperature of other samples was 3
The temperature is constant at 50 ° C.

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

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

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

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

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

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

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

【0041】以上のことから、330℃付近を基板温度
として形成された非晶質ゲルマニューム膜は、従来にな
い優れた特性を有する多結晶ゲルマニューム膜が得られ
るとともに、単結晶ゲルマニュームと非常に近似した膜
である。
From the above, the amorphous germanium film formed at a substrate temperature of around 330 ° C. is a polycrystalline germanium film having excellent characteristics that have not been obtained in the past, and is very similar to the single crystal germanium. It is a film.

【0042】この様に優れた特性を有する多結晶ゲルマ
ニューム膜が形成できる臨界温度は、X線回折ピークに
よって顕著に知ることができる。同図に示した315℃
のX線回折ピークでは、結晶面(111)のピークが基
板自体による信号(b)と比較しても特に大きくなり始め
ている。
The critical temperature at which a polycrystalline germanium film having such excellent characteristics can be formed can be remarkably known from the X-ray diffraction peak. 315 ° C shown in the figure
In the X-ray diffraction peak of (3), the peak of the crystal plane (111) starts to become particularly large as compared with the signal (b) due to the substrate itself.

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

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

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

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

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

【0048】したがって、熱処理による多結晶化後であ
ってもそのための検証法としては、X線回折ピーク強度
を観測し結晶面(111)と結晶面(220)との強度
の大小を比較することによって容易に成し得る。即ち、
本発明製造方法による限りこの多結晶ゲルマニューム膜
の結晶面(111)のピーク強度は、結晶面(220)
のそれより少なくとも同等若しくはそれ以上となるから
である。
Therefore, even after polycrystallization by heat treatment, as a verification method therefor, the X-ray diffraction peak intensity is observed and the magnitudes of the crystal plane (111) and the crystal plane (220) are compared. Can easily be done by. That is,
As long as the production method of the present invention is used, the peak intensity of the crystal plane (111) of this polycrystalline germanium film is the crystal plane (220).
It is at least equal to or more than that.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

【0058】[0058]

【発明の効果】本発明製造方法においては、315℃以
上345℃以下の基板温度で形成された非晶質ゲルマニ
ューム膜を熱処理することによって得られた多結晶ゲル
マニューム膜は、膜質において単結晶ゲルマニュームに
極めて近似したものであり、結晶面(111)の急峻な
ピークが観測され、結晶粒も大きな高品質な膜である。
In the manufacturing method of the present invention, a polycrystalline germanium film obtained by heat-treating an amorphous germanium film formed at a substrate temperature of 315 ° C. or higher and 345 ° C. or lower becomes a single crystal germanium in terms of film quality. This is a very high quality film in which a sharp peak of the crystal plane (111) is observed and the crystal grains are large.

【0059】従って、本発明製造方法によれば出発材料
である非晶質ゲルマニューム膜の形成温度を315℃か
ら345℃の範囲とすることによって、後の熱処理温度
を高温とすることなく良好な特性を有する多結晶ゲルマ
ニューム膜を形成することができる。
Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, by setting the formation temperature of the amorphous germanium film as the starting material in the range of 315 ° C. to 345 ° C., good characteristics can be obtained without increasing the subsequent heat treatment temperature. It is possible to form a polycrystalline germanium film having

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 支持基板上に非晶質ゲルマニューム膜を
基板温度が315℃以上345℃以下の範囲内で形成す
る工程と、 前記非晶質ゲルマニューム膜を熱処理することにより多
結晶化する工程とからなる多結晶ゲルマニューム膜の製
造方法。
1. A step of forming an amorphous germanium film on a supporting substrate at a substrate temperature within a range of 315 ° C. or higher and 345 ° C. or lower, and a step of polycrystallizing the amorphous germanium film by heat treatment. And a method for producing a polycrystalline germanium film.
【請求項2】 前記請求項1において、上記基板温度を
320℃以上340℃以下としたことを特徴とする多結
晶ゲルマニューム膜の製造方法。
2. The method for producing a polycrystalline germanium film according to claim 1, wherein the substrate temperature is 320 ° C. or higher and 340 ° C. or lower.
【請求項3】 支持基板上に基板温度が315℃以上3
45℃以下の範囲内で形成された非晶質ゲルマニューム
膜を熱処理することにより成る多結晶ゲルマニューム膜
を、少なくとも一部に使用する光活性層を備えたことを
特徴とする光電変換装置。
3. A substrate temperature of 315 ° C. or higher on a supporting substrate 3
A photoelectric conversion device comprising a photoactive layer, at least a part of which is used for a polycrystalline germanium film formed by heat-treating an amorphous germanium film formed within a range of 45 ° C. or lower.
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JP2010533989A (en) * 2007-07-20 2010-10-28 アイメック Method for forming a crystalline germanium layer on a substrate

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