JPH08172208A

JPH08172208A - 超格子装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08172208A
Application number: JP6313364A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Shindo; 晶弘進藤; Tetsushi Hikawa; 哲士肥川; Toshikazu Yoshimizu; 敏和吉水; Sumiyoshi Ueyama; 須美義植山
Original assignee: Crystal Device Kk
Current assignee: Crystal Device Kk
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1996-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】太陽電池の変換効率を高める。【構成】ｐｉｎ型の太陽電池において、ｐ型のＳｉ層
５０２がアモルファスＳｉ超薄膜５０２ａと単結晶Ｓｉ
超薄膜５０２ｃとが交互に積層した超格子で構成されて
いる。このため、Ｓｉ層５０２の導電率が向上するの
で、太陽電池の変換効率が向上する。また、Ｓｉ層５０
２の実効的なバンドギャップは、Ｓｉ超薄膜５０２ａの
1.7eVとＳｉ超薄膜５０２ｃの1.1eVの中間の値となる。
その結果、Ｓｉ層５０２のバンドギャップは、アモルフ
ァスＳｉで構成されるＳｉ層５０３よりも狭くなってい
る。このため、Ｓｉ層５０２とＳｉ層５０３とでは、光
感度の高い波長が異なるので、双方のＳｉ層によって、
広い波長領域の光が光キャリアの励起に寄与する。【効果】変換効率の高い太陽電池が実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば超格子構造を
有する太陽電池などの超格子構造装置およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】バンドギャップの異なる複数種類の半導
体物質を約十ないし数十原子ずつ（言い替えると、約数
十オングストローム程度の厚さずつ）交互に積層してな
る超格子構造の半導体装置すなわち超格子装置では、高
電子濃度と高移動度とを両立的に実現し得るなど、特有
の量子現象に根ざした通常の半導体装置にはない特性が
現れることが知られている。

【０００３】従来の超格子装置では、単結晶の半導体層
を積層したものとして、ＧａＡｓ−ＡｌＡｓやＧａＡｓ
−ＧａＡｌＡｓなど、ヘテロ接合層を交互に積み重ねた
ＧａＡｓ系のものが知られている。他に、ａ−Ｓｉ（ア
モルファスシリコン；なお以下において、アモルファス
構造のものを記号「ａ−」で表し、同様に単結晶構造の
ものを「ｃ−」で表す。）系として、ａ−Ｓｉと、ａ−
Ｇｅ、ａ−ＳｉＣ、ａ−ＳｉＮ、またはａ−ＳｉＧｅと
が、組み合わされた超格子装置が出現している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＡ
ｓ系では、７００゜Ｃ以上の高温下で結晶成長を行う処
理が必要であるとともに、製造に要するコストが高価で
あるという問題点があった。しかも、単結晶同士のヘテ
ロ接合では、その接合界面において原子同士の結合が良
好に行われないために、接合界面に欠陥が発生するとい
う問題点があった。さらに、この欠陥のために、本来の
特性が十分に得られず、しかも装置の特性が一定しない
という問題点があった。

【０００５】一方、ａ−Ｓｉ系の装置では、異なった半
導体物質同士を比較的容易に積層でき、コストも低廉で
あるという利点がある。しかしながら、アモルファスの
半導体に特有の限界、例えば単結晶の半導体に比べて移
動度が低いなどの問題点は、そのまま超格子装置にも持
ち込まれ、アモルファス系では超格子装置が潜在的にも
つ優れた特性を十分に引き出し得ないという問題点があ
った。

【０００６】この発明は、従来の超格子装置における上
記した問題点を解消するためになされたもので、製造容
易であるとともに超格子装置のもつ特性を十分に生かし
得る超格子装置を得ることを目的としており、さらにこ
の超格子装置を容易に製造し得る方法を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明の超格子装置
は、複数のアモルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構
造の超薄膜とが交互に積層されて成る超格子を有し、前
記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が単結晶構造の超薄
膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいずれかである。

【０００８】第２の発明の超格子装置は、第１の発明の
超格子装置において、前記複数のアモルファス構造の超
薄膜と前記複数の結晶質構造の超薄膜とが、同一物質で
構成される。

【０００９】第３の発明の超格子装置は、第２の発明の
超格子装置において、前記同一物質がシリコンである。

【００１０】第４の発明の超格子装置は、ｐ型半導体層
とｎ型半導体層の間に真性半導体層を有するｐｉｎ型の
太陽電池であり、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層
の少なくとも一方が、複数のアモルファス構造の超薄膜
と複数の結晶質構造の超薄膜とが交互に積層されて成る
超格子を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が
単結晶構造の超薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいず
れかである。

【００１１】第５の発明の超格子装置は、ｐ型半導体層
とｎ型半導体層の間に真性半導体層を有するｐｉｎ型の
太陽電池であり、前記真性半導体層は、複数のアモルフ
ァス構造の超薄膜と複数の結晶質構造の超薄膜とが交互
に積層されて成る超格子を有し、前記複数の結晶質構造
の超薄膜の各１が単結晶構造の超薄膜と軸配向多結晶構
造の超薄膜のいずれかである。

【００１２】第６の発明の超格子装置は、第４または第
５の発明の超格子装置において、前記複数のアモルファ
ス構造の超薄膜と前記複数の結晶質構造の超薄膜とが、
同一物質で構成される。

【００１３】第７の発明の超格子装置は、第６の発明の
超格子装置において、前記同一物質がシリコン半導体で
ある。

【００１４】第８の発明の超格子装置は、ｐ型半導体層
とｎ型半導体層の間に真性半導体層を有するｐｉｎ型の
太陽電池であり、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層
の双方または一方が、複数のアモルファス構造の超薄膜
と複数の結晶質構造の超薄膜とが交互に積層されて成る
超格子を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が
単結晶構造の超薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいず
れかであり、前記複数のアモルファス構造の超薄膜の中
の一つが前記真性半導体層に隣接しており、前記複数の
アモルファス構造の超薄膜と前記複数の結晶質構造の超
薄膜は、前記真性半導体層に隣接する超薄膜を除いて、
共通の半導体物質で構成されており、前記真性半導体層
に隣接する超薄膜は、前記共通の半導体物質で構成され
るアモルファス構造の超薄膜よりもバンドギャップの大
きい他の半導体物質で構成されている。

【００１５】第９の発明の超格子装置は、第８の発明の
超格子装置であって、前記真性半導体層が単結晶構造ま
たは軸配向多結晶構造を有する。

【００１６】第１０の発明の超格子装置は、ｐ型半導体
層とｎ型半導体層の間に真性半導体層を有するｐｉｎ型
の太陽電池であり、前記真性半導体層が、複数のアモル
ファス構造の超薄膜と複数の結晶質構造の超薄膜とが交
互に積層されて成る超格子を有し、前記複数の結晶質構
造の超薄膜の各１が単結晶構造の超薄膜と軸配向多結晶
構造の超薄膜のいずれかであり、前記複数のアモルファ
ス構造の超薄膜の中の一つが前記ｐ型半導体層または前
記ｎ型半導体層に隣接しており、前記複数のアモルファ
ス構造の超薄膜と前記複数の結晶質構造の超薄膜は、前
記ｐ型半導体層または前記ｎ型半導体層に隣接する超薄
膜を除いて、共通の半導体物質で構成されており、前記
ｐ型半導体層または前記ｎ型半導体層に隣接する超薄膜
は、前記共通の半導体物質で構成されるアモルファス構
造の超薄膜よりもバンドギャップの大きい他の半導体物
質で構成されている。

【００１７】第１１の発明の超格子装置は、第１０の発
明の超格子装置であって、前記ｐ型半導体層または前記
ｎ型半導体層の少なくともいずれかが単結晶構造または
軸配向多結晶構造を有する。

【００１８】第１２の発明の超格子装置の製造方法は、
基板の上にアモルファス構造の超薄膜と結晶質構造の超
薄膜とが交互に積層して成る超格子を有する超格子装置
を製造する方法であって、下記の工程(a)と下記の工程
(b),(c),(d)のいずれかとを、交互に連続的に実行す
る；ここで前記工程(a)〜(d)は、(a)所定の物質の結晶
化が起こらない低温度の下で、反応ガスを前記基板上に
供給することによって当該所定の物質を堆積し、その結
果、当該所定の物質のアモルファス超薄膜を形成する工
程；(b)所定の物質の結晶化が起こらない低温度の下
で、反応ガスを前記基板上に供給することによって当該
所定の物質を前記基板上に堆積する過程の中で、前記所
定の物質がスパッタリングを起こさない程度の低エネル
ギーの気体のビームを、当該所定の物質の単結晶の複数
の最稠密面に垂直な複数の方向から、前記基板上へ照射
し、その結果、当該所定の物質の単結晶超薄膜を形成す
る工程；(c)所定の物質の結晶化が起こらない低温度の
下で、反応ガスを前記基板上に供給することによって当
該所定の物質を前記基板上に堆積する過程の中で、前記
所定の物質がスパッタリングを起こさない程度の低エネ
ルギーの気体のビームを、前記基板上へ一方向から照射
し、その結果、前記所定の物質の軸配向多結晶超薄膜を
形成する工程；および、(d)所定の物質の結晶化が起こ
らない低温度の下で、反応ガスを前記基板上に供給する
ことによって当該所定の物質を前記基板上に堆積する過
程の中で、前記所定の物質がスパッタリングを起こさな
い程度の低エネルギーの気体のビームを、前記基板上へ
一方向から照射し、その結果、前記所定の物質の軸配向
多結晶超薄膜を形成し、その後、前記反応ガスの供給を
停止して、所定の物質の結晶化が起こらない範囲の高温
度の下で、当該所定の物質がスパッタリングを起こさな
い程度の低エネルギーの気体のビームを、当該所定の物
質の単結晶の複数の最稠密面に垂直な複数の方向から、
前記基板上へ照射し、その結果、前記軸配向多結晶超薄
膜を単結晶超薄膜へと転換する工程；である。

【００１９】第１３の発明の超格子装置の製造方法は、
第１２の発明の製造方法であって、前記工程(d)で、前
記軸配向多結晶超薄膜を形成する際における前記気体の
ビームの方向と、前記軸配向多結晶超薄膜を前記単結晶
超薄膜へ転換する際における前記気体のビームの複数方
向の１つとが、互いに同一である。

【００２０】第１４の発明の超格子装置の製造方法は、
第１２または第１３の発明の製造方法において、前記気
体が不活性ガスである。

【００２１】第１５の発明の超格子装置の製造方法は、
第１４の発明の製造方法において、前記不活性ガスを構
成する元素の原子量が、照射を受ける前記所定の物質を
構成する元素の最大の原子量を越えない。

【００２２】第１６の発明の超格子装置の製造方法は、
第１５の発明の製造方法において、前記不活性ガスを構
成する元素の原子量が、前記所定の物質を構成する元素
の最大の原子量を越えず、かつ、最も近い原子量であ
る。

【００２３】第１７の発明の超格子装置の製造方法は、
第１２ないし第１６のいずれかの発明の製造方法であっ
て、前記各工程(a)〜(d)において、前記所定の物質を堆
積するのに化学気相成長法が用いられ、前記各工程(a)
〜(d)における前記所定の物質がシリコンであり、前記
工程(a)における前記反応ガスがシリコンの原料ガスと
水素ガスとの混合ガスを含んでおり、前記各工程(b)〜
(d)における前記反応ガスがシリコンの原料ガスを含ん
でいる。

【００２４】なお、この発明において「超薄膜」とは、
超格子構造に特有の量子現象を現出し得る厚さの薄膜、
すなわち、代表的には約十原子分ないし数十原子分の厚
さ、あるいは、約数十〜１００オングストローム程度の
厚さの薄膜を意味する。

【００２５】また、この発明において「基板」とは、そ
の上に薄膜を形成する対象とされる媒体全般を意味す
る。

【００２６】また、この発明において「気体のビーム」
とは、ビーム状のイオン流、原子流、分子流の何れをも
包含する概念である。

【００２７】

【作用】第１の発明の超格子装置では、アモルファス構
造と結晶質構造とが交互に積層した超格子を有する。ア
モルファス構造と結晶質構造との間では、バンドギャッ
プの差異が大きいので、それらの超薄膜を交互に積層す
ることによって、超格子特有の現象が現れる。

【００２８】第２の発明の超格子装置では、アモルファ
ス構造の超薄膜と結晶質構造の超薄膜とが同一物質で構
成される。同一物質で構成されていても、アモルファス
構造と結晶質構造とでは、一般にバンドギャップに差異
がある。このため、これらが交互に積層することで超格
子特有の現象が現れる。また、双方の超薄膜が同一物質
で構成されるために、超薄膜の接合界面における原子の
結合が良好に行われる。

【００２９】第３の発明の超格子装置では、アモルファ
ス構造の超薄膜と結晶質構造の超薄膜とが比較的低廉な
材料であるシリコンで構成される。

【００３０】第４の発明の超格子装置では、ｐ型半導体
層とｎ型半導体層の少なくとも一方が超格子を有するの
で、この半導体層の導電率が良好である。また、超格子
の実効的なバンドギャップはアモルファスと結晶質のバ
ンドギャップの中間の値となるので、真性半導体層がア
モルファス、結晶質のいずれであっても、超格子を有す
る半導体層と真性半導体層との間には、バンドギャップ
に差異が現れる。このため、それらの半導体層の間で光
感度の高い波長が異なるので、双方の半導体層によっ
て、広い範囲の波長の光が吸収される。

【００３１】第５の発明の超格子装置は、真性半導体層
が複数のアモルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構造
の超薄膜とが交互に積層されて成る超格子を有する。こ
の超格子の実効的なバンドギャップは、結晶質構造のバ
ンドギャップとアモルファス構造のバンドギャップの中
間の値となる。すなわち、真性半導体層の実効的なバン
ドギャップはアモルファス構造のバンドギャップよりも
狭くなる。このため、真性半導体層がアモルファスであ
る従来の太陽電池に比べて、広い範囲の波長の光が光キ
ャリアの生成に寄与する。

【００３２】第６の発明の超格子装置では、複数のアモ
ルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構造の超薄膜とが
同一物質で構成されるので、超薄膜の接合界面における
原子の結合が良好に行われる。

【００３３】第７の発明の超格子装置では、アモルファ
ス構造の超薄膜と結晶質構造の超薄膜とが比較的低廉な
材料であるシリコンで構成される。

【００３４】第８の発明の超格子装置では、バンドギャ
ップが他よりも大きい半導体物質のアモルファス構造の
超薄膜が、真性半導体層に隣接してｐ型半導体層または
ｎ型半導体層の超格子の中に介挿される。このため、超
格子を有する半導体層と真性半導体層と接合面付近の導
電率が向上する。

【００３５】第９の発明の超格子装置では、真性半導体
層が結晶質であるために、真性半導体層のバンドギャッ
プは超格子を有する半導体層のバンドギャップよりも狭
い。そして、超格子は特別にバンドギャップの大きい超
薄膜を有しているので、超格子を有する半導体層と真性
半導体層との間でバンドギャップの差異が大きい。この
ため、双方の半導体層によって広い範囲の波長の光が吸
収される。

【００３６】第１０の発明の超格子装置では、バンドギ
ャップが他よりも大きい半導体物質のアモルファス構造
の超薄膜が、ｐ型半導体層またはｎ型半導体層に隣接し
て真性半導体層の超格子の中に介挿される。このため、
超格子を有する真性半導体層とｐ型半導体層またはｎ型
半導体層との間の接合面付近の導電率が向上する。

【００３７】第１１の発明の超格子装置では、ｐ型半導
体層またはｎ型半導体層が結晶質であるために、結晶質
であるこれらの半導体層のバンドギャップは超格子を有
する真性半導体層のバンドギャップよりも狭い。そし
て、超格子は特別にバンドギャップの大きい超薄膜を有
しているので、超格子を有する真性半導体層と結晶質で
ある他の半導体層との間でバンドギャップの差異が大き
い。このため、双方の半導体層によって広い範囲の波長
の光が吸収される。

【００３８】第１２の発明の製造方法では、反応ガスを
堆積しつつビーム照射を制御するという単純な工程によ
って、従来不可能であったアモルファス構造の超薄膜と
結晶質構造の超薄膜とが交互に積層した超格子が形成さ
れる。しかも、比較的低温下での形成が可能である。さ
らに、各超薄膜を形成する工程が、連続して実行される
ので、各超薄膜の接合面への水分などの不純物の混入が
防止され、理想的な超格子が得られる。また、反応ガス
として超薄膜の主成分の原料ガスだけでなくｐ型あるい
はｎ型の不純物を含んだガスを混合することによって、
ｐ型あるいはｎ型の超薄膜を積層することも可能であ
る。

【００３９】第１３の発明の製造方法では、軸配向多結
晶超薄膜を一旦形成し、その後、これを単結晶化すると
いう２段階で単結晶超薄膜を形成する工程において、最
初の軸配向多結晶超薄膜を形成する段階でのビーム照射
の方向と、後の単結晶化の段階でのビーム照射の複数方
向の一つとが一致している。このため、単結晶化に際し
て、軸配向多結晶超薄膜の方位の揃った最稠密面はその
まま維持されるので、単結晶化が円滑に進行する。

【００４０】第１４の発明の製造方法では、照射される
気体が不活性ガスであるので、照射後に気体の原子また
はイオンが薄膜の中に残留しても、これらが超薄膜の電
子物性へ不純物として悪影響を及ぼすことが少ない。

【００４１】第１５の発明の製造方法では、照射される
不活性ガスを構成する元素の原子量が、照射対象である
所定の物質の構成元素の最大の原子量よりも低いので、
照射された不活性ガスの原子またはイオンの大部分が、
超薄膜の表面ないしその近傍で後方へ反跳し、超薄膜の
中に残留し難い。

【００４２】第１６の発明の製造方法では、照射される
不活性ガスを構成する元素の原子量が、所定の物質を構
成する元素の最大の原子量に最も近い値であるので、ビ
ームの照射効果を最大限に引き出すことができる。

【００４３】第１７の発明の製造方法では、化学気相成
長法を用いてシリコンの超薄膜が効率よく形成される。
また、アモルファス超薄膜を形成する際に、超薄膜を構
成する例えばシランガスなどのシリコンの原料ガスに、
水素ガスが混入される。水素ガスはアモルファスシリコ
ンを安定化する働きがあるので、アモルファスシリコン
の超薄膜が安定して形成される。

【００４４】

【実施例】

＜１．第１実施例＞はじめに、この発明の第１実施例に
ついて説明する。

【００４５】＜1-1．装置の構成＞図１は、第１実施例
の超格子装置の正面断面図である。この装置１００は、
超格子構造を有するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）であ
る。図１に示すように、この装置１００は、例えば透明
ガラス基板などの基板１０１の上にＳｉ薄膜１０２が形
成されている。Ｓｉ薄膜１０２は、５０〜１００オング
ストロームの厚さのａ−Ｓｉ超薄膜１０３とｃ−Ｓｉ超
薄膜１０４とが交互に積層されて成る超格子である。

【００４６】Ｓｉ薄膜１０２の側面には、ソース電極１
１０とドレイン電極１１１がそれぞれ形成されており、
Ｓｉ薄膜１０２の上面にはゲート電極１１２が形成され
ている。すなわち、このＴＦＴはＦＥＴ型のトランジス
タである。これらのソース電極１１０、ドレイン電極１
１１、およびゲート電極１１２は、例えばＴＣＯ（Tran
sparent Conductive Oxide；透明導電膜）あるいはＡｌ
で構成される。

【００４７】この超格子装置１００では、同一材料であ
るＳｉで超格子が構成されている。図２は、Ｓｉ薄膜１
０２のバンド構造を示す説明図である。図２に示すよう
に、バンドギャップは、一方のａ−Ｓｉ超薄膜１０３で
は1.77eVであり、他方のｃ−Ｓｉ超薄膜１０４では1.1e
Vである。このバンドギャップ間の差異のために、Ｓｉ
薄膜１０２には超格子としての挙動が現われる。すなわ
ち、Ｓｉ薄膜１０２では、同一物質でありながら結晶構
造に依存してバンドギャップが異なることを利用して超
格子が構成されている。

【００４８】バンドギャップの広いａ−Ｓｉ超薄膜１０
３の不純物濃度を高くすることによってキャリア濃度を
高くしても、キャリアはバンドギャップの狭いｃ−Ｓｉ
超薄膜１０４に局在するので、移動度の低下が起こらな
い。すなわち、Ｓｉ薄膜１０２では、高キャリア濃度と
高移動度とが両立的に実現する。このため、装置１００
では、高い動作速度および高いオン／オフ比が得られ
る。しかも、ｃ−Ｓｉ超薄膜１０４はキャリア移動度が
高い単結晶であるために、双方の超薄膜のいずれをもア
モルファスで構成した従来の装置に比べて、移動度が一
層高いという利点が得られる。

【００４９】また、装置１００では、双方の超薄膜がい
ずれも共通の材料であるＳｉで構成されているので、２
つの層の間の界面におけるＳｉ原子の結合が良好に行わ
れる。このため、界面における結晶欠陥が希少であると
いう利点がある。さらに、双方の超薄膜がいずれも共通
の材料で構成されるとともに、比較的低廉な材料である
Ｓｉで構成されるので、装置１００の製造コストが安価
であるという利点がある。

【００５０】＜1-2．製造方法＞つぎに、装置１００を
製造する方法について説明する。

【００５１】＜1-2-1．薄膜形成装置の構成＞図３は、
装置１００を製造するのに適した薄膜形成装置の正面断
面図である。図３に示すようにこの装置５０は、反応容
器１と電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン発生器
２とを備えている。図３に示すように、プラズマ室４を
内部に規定するプラズマ容器３の外周には、直流磁場を
印加するための磁気コイル５が設置されている。プラズ
マ容器３の上部には、マイクロ波をプラズマ室４に導入
するための導波管６とＮｅ等の不活性ガス等をプラズマ
室に導入するガス導入管７が設置されている。導波管６
で伝送されるマイクロ波は発振器３８で生成される。

【００５２】反応容器１は、その内部に反応室８を規定
している。そして、プラズマ容器３の底部中央には反応
室８にプラズマを導入するための引き出し口９が開口し
ている。反応室８には、引き出し口９の直下に、試料台
１０が設置されており、この試料台１０の上に、薄膜を
形成する基板１１が設置される。さらに、基板１１の上
方に位置するように反射板１２が試料台１０に設置され
ている。試料台１０は、基板１１を加熱するための図示
しないヒータを内蔵してもよい。

【００５３】また、反応室８には、反応ガス供給管１３
を通して、基板１１上に、所定の物質の薄膜を形成する
ための反応ガスが供給される。図３の例では、３本の反
応ガス供給管１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設けられてい
る。反応室８は、さらに、真空排気管１４を介して、気
体が排気され、真空計１５と連動した図示していない真
空排気装置とによって、所定の真空度に保たれている。

【００５４】ガス導入管７へ導入されるガスとして、多
種類のガスが貯蔵された多数のガスボンベ３１の中か
ら、ガスセレクタ３２の働きで所望のガスが選択され
る。また、反応ガス供給管１３へ導入される反応ガスと
して、多種類のガスが貯蔵された多数のガスボンベ３３
の中から、ガスセレクタ３４の働きで所望のガスが選択
される。ガスボンベ３３には、薄膜を構成する物質の主
成分を供給する反応ガスだけでなく、主成分に添加すべ
き不純物を含んだ反応ガスも準備される。

【００５５】ガスセレクタ３２、３４、および発振器３
８の動作は、コントローラ３６によって制御される。ま
た、試料台１０がヒータを内蔵する場合には、このヒー
タの動作もコントローラ３６によって制御される。

【００５６】＜1-2-2．ＥＣＲイオン発生器２の動作＞
次に、ＥＣＲイオン発生器２の動作について説明する。
この装置５０を動作させるためには、ガス導入管７から
プラズマ室４へガスが導入され、同時に導波管６からプ
ラズマ室４へマイクロ波が導入される。さらに、同時
に、磁気コイル５に直流電流を印加して、プラズマ室４
およびその周辺に直流磁場を形成する。プラズマ室４で
は、マイクロ波と直流磁場とによってサイクロトロン共
鳴と称される現象が引き起こされる。この現象によっ
て、螺旋運動する高エネルギーの電子が生成されるとと
もに、供給されたガスがこの電子によってプラズマ化さ
れる。

【００５７】この電子は、反磁性の特性を有するので、
磁場の弱い方向、つまり、磁力線に添って電子流を形成
する。磁気コイル５は反応室８に発散磁場を生成するの
で、引き出し口９から発散する磁力線に沿って下方へと
広がりつつ流れる電子流が形成される。そして、電気的
中性を維持するために、この電子流にともなって正イオ
ンも、磁力線にそってイオン流を形成する。このイオン
流と電子流は、互いに再結合しながら流れるため、徐々
に中性原子流へと変化する。以上のように、ＥＣＲイオ
ン発生器２を用いることによって、進行方向の揃った平
行流に近い状態で基板１１上に降り注ぐイオン流あるい
は中性原子流を比較的簡単に得ることができる。

【００５８】＜1-2-3．反射板１２の構成と動作＞図４
は、反射板１２の一例における斜視図である。この反射
板１２ａは、単結晶Ｓｉなどの、ダイヤモンド構造を有
する単結晶超薄膜を形成するための反射板の一例であ
る。反射板１２ａは、平板状の基台２１の中央部に開口
部を規定する。この開口部の周囲に、３個の直方体のブ
ロック２２が固定的に設置され、それらの内側にそれぞ
れ反射用ブロック２３が固定されている。その結果、基
台２１の中央部には、これらの反射用ブロック２３で縁
どりされた正三角形状の開口部２４が形成される。反射
用ブロック２３において、開口部２４に面する斜面２５
が、気体ビームを反射する反射面として機能する。した
がって、斜面２５の傾斜角度は、形成すべき単結晶の結
晶軸の方向に対応して５５゜に設定されている。

【００５９】引き出し口９から下方向へ向かうＮｅのイ
オン流または中性原子流の一部は、反射板１２ａに形成
されている３つの斜面２５によって反射され、更に開口
部２４を通って基板１１の上面へ入射する。また、Ｎｅ
のイオン流または原子流の他の一部は、斜面２５へ入射
せずに開口部２４を通過して基板１１の上面へ直接に入
射する。すなわち、基板１１の上面に形成されつつある
Ｓｉ薄膜には、引出口９から直進して来た成分と、３つ
の斜面２５によって反射されて来た３成分とからなる４
成分のＮｅのイオン流または原子流が照射される。斜面
２５の傾斜角が５５゜に設定されているために、これら
４成分のＮｅイオン流または原子流の入射方向は、形成
すべきＳｉ単結晶の４個の独立な最稠密結晶面、すなわ
ち（１１１）面に垂直な４方向に対応する。

【００６０】＜1-2-4．装置５０の動作＞つぎに装置５
０を用いて、超格子装置１００を形成する方法について
説明する。基板１０１が基板１１として試料台１０の上
に載置され、反応室８が真空状態とされた後に、反応ガ
ス供給管１３ａより、Ｓｉを供給するためのＳｉＨ
₄（シラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）等のガスが供給さ
れる。ここで、形成するシリコン薄膜をｐ型にする場合
には、ｐ型不純物をドープするためのＢ₂Ｈ₃（ジボラ
ン）ガスを、また、ｎ型にする場合には、ｎ型不純物を
ドープするためのＰＨ₃（ホスフィン）ガス、もしく
は、ＡｓＨ₃（アルシン）ガス等を、反応ガス供給管１
３ｂまたは１３ｃより供給すればよい。

【００６１】ガス導入管７より不活性ガスを導入する場
合には、Ｓｉより原子量の小さいＮｅ、Ｈｅ等を導入す
るのが望ましい。ここで、より効果的に単結晶シリコン
を形成するためには、比較的原子量の大きいＮｅを用い
るのがよい。以下の説明では、不活性ガスとしてＮｅを
用いた場合で説明を行なう。

【００６２】以上のようなガスを導入して、薄膜形成装
置５０を動作させると、前記のようにＥＣＲイオン発生
器２で形成されたＮｅイオン流と電子流が引き出し口９
から、基板１１の方向に流れる。この、Ｎｅのイオン流
あるいは中性原子流と電子流とによって、反応ガス供給
管１３から供給されたＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆等の反応ガス
のプラズマＣＶＤ反応が進行して、基板１１の上面にＳ
ｉ薄膜が成長する（堆積する）。このとき、基板１１
は、通常のプラズマＣＶＤでは、Ｓｉの結晶化が起こら
ない低温度下（例えば、基板加熱を行なわない）に保っ
ておく。したがって、Ｓｉ薄膜は、まず非晶質であるア
モルファスＳｉ膜として基板１１上に形成される。

【００６３】ここで、反応室８における、Ｎｅのイオン
あるいは中性原子の量をＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆等の反応ガ
スの量に比較して、相対的に多くなるように、ガス導入
量を調整しておき、Ｎｅのイオンあるいは中性原子が基
板１１に照射されるようにしておく。また、ＥＣＲイオ
ン発生器２によって形成されるプラズマエネルギーは、
基板１１に照射されるＮｅのイオンあるいは中性原子の
エネルギーが、Ｓｉのスパッタリングを引き起こさな
い、すなわち、ＮｅのＳｉに対するスパッタリングのス
レショールドエネルギー値（約２７ｅＶ）よりも低い値
となるよう設定する。

【００６４】この様なエネルギー値のＮｅのイオンある
いは中性原子が、成長しつつあるアモルファスＳｉ薄膜
に照射されると、イオンあるいは中性原子の入射方向に
最稠密面が直交するように、アモルファスＳｉ薄膜のシ
リコン原子が再配列する。前述のように、Ｎｅのイオン
あるいは中性原子は、反射板１２の働きで、Ｓｉ単結晶
の４つの最稠密面に垂直な４成分のビームとして、基板
１１へ入射する。

【００６５】その結果、これらの各成分の入射方向に垂
直な面がいずれも最稠密面となるように、Ｓｉ原子が再
配列することによって、単一の結晶方位を有する単結晶
Ｓｉが形成される。すなわち、プラズマＣＶＤによって
成長しつつあるアモルファスＳｉ薄膜は、結晶方位の揃
った単結晶Ｓｉ薄膜へ逐次転換される。この工程によっ
て、基板１１の上に単結晶Ｓｉ薄膜を、例えば数十オン
グストロームの厚さまで成長させることによって、単結
晶Ｓｉの超薄膜が得られる。

【００６６】つぎに、形成された単結晶Ｓｉ超薄膜の上
に、単結晶ＳｉではなくアモルファスＳｉの超薄膜を積
層させるには、ガス導入管７からＮｅガスの導入を停止
すればよい。そうすれば、基板１１へのＮｅのイオンま
たは中性原子の照射が停止するので、単結晶Ｓｉ超薄膜
の上に成長しつつあるアモルファスＳｉは、単結晶へと
転換されることがなく、アモルファスＳｉのままにとど
まる。この工程によって、アモルファスＳｉ薄膜を、例
えば数十オングストロームの厚さまで成長させることに
よって、単結晶Ｓｉ超薄膜の上に積層したアモルファス
Ｓｉの超薄膜が得られる。

【００６７】アモルファスＳｉ超薄膜を形成する工程で
は、反応ガス供給管１３から、Ｈ₂（水素）ガスをＳｉ
Ｈ₄ガスに混合して供給するのが望ましい。そうするこ
とによって、安定したアモルファスＳｉが形成される。
すなわち、アモルファスＳｉの中の未結合手（ダングリ
ングボンド）に水素が結合し、水素化アモルファスＳｉ
が形成されるので、欠陥密度が低くなる。このために、
アモルファスＳｉが安定して形成される。さらに、この
ときの基板１１の温度（基板温度）は、２００゜Ｃ〜３
００゜Ｃに保たれるのが望ましい。基板温度が、３００
゜Ｃ以下であるときには、１０％を超える結合水素量が
得られ、このため、特に欠陥の少ない水素化アモルファ
スＳｉが得られる。

【００６８】以上の工程を交互に実行することによっ
て、単結晶Ｓｉ超薄膜とアモルファスＳｉ超薄膜とが交
互に積層した超格子構造のＳｉ薄膜１０２を形成するこ
とができる。単結晶Ｓｉ超薄膜を形成する工程と、アモ
ルファスＳｉ超薄膜を形成する工程とで、反応ガス供給
管１３ｂまたは１３ｃから供給される不純物を含んだガ
スの量を異ならせることによって、２種類の超薄膜の間
で不純物濃度を異ならせることが可能である。例えば、
キャリア濃度の低いアモルファスＳｉ超薄膜の不純物濃
度を高めることによって、高キャリア濃度と高移動度と
を両立的に実現し得る。

【００６９】以上のように、この装置５０を用いること
によって、従来の方法では困難であった単結晶超薄膜と
アモルファス超薄膜とが交互に積層した超格子を形成す
ることが可能である。しかも反応室８の中に基板１１を
挿入したままで、真空状態を保ちつつ連続して二種類の
超薄膜が形成されるので、超薄膜同士の接合面に水分そ
の他の不純物が混在する恐れがなく、理想的な接合面を
有する超格子が得られる。

【００７０】また、通常のプラズマＣＶＤ方法を実行す
るとともに、ビーム照射をともなったり、あるいは停止
するだけの極めて容易な工程で超格子を得ることができ
るという利点がある。さらに、上述したように、Ｓｉの
結晶化が起こらない低温度下でアモルファスおよび単結
晶のＳｉ超薄膜が形成されるので、基板１０１には耐熱
性の低い安価なガラスなどを用いることが可能である。
このことも、製造コストの低減をもたらす。

【００７１】また、後述するように、装置５０は、反応
ガス供給管１３およびガス導入管７から供給されるガス
の種類を適宜選択することによって、ここに示したＳｉ
の超薄膜だけでなく、任意の物質のアモルファス超薄膜
と単結晶超薄膜とを交互に積層することが可能である。

【００７２】＜1-2-5．装置１００の製造工程＞つぎ
に、装置１００を製造する工程について、詳述する。装
置１００を製造するには、図５に示すように、例えば透
明ガラスなどで構成される基板１０１をまず準備する。
つぎに、この基板１０１を薄膜形成装置５０の反応室８
の中に挿入する。そして、反応室８の中を真空状態とし
た後、上述した方法によって、基板１０１の上にまずア
モルファスＳｉ超薄膜、すなわちａ−Ｓｉ超薄膜１０３
を形成する。その厚さは、約５０〜１００オングストロ
ームとなるように調節される。

【００７３】つぎに、図６に示すように、同じ反応室８
の中で、上述した方法を実行することによって、ａ−Ｓ
ｉ超薄膜１０３の上に単結晶Ｓｉ超薄膜すなわちｃ−Ｓ
ｉ超薄膜１０４を形成する。この厚さも、約５０〜１０
０オングストロームとなるように調節される。

【００７４】つぎに、図７に示すように、再びアモルフ
ァスＳｉ超薄膜を形成することによって、ｃ−Ｓｉ超薄
膜１０４の上にａ−Ｓｉ超薄膜１０３を形成する。

【００７５】以上の工程を反復することによって、図８
に示すように、多数のａ−Ｓｉ超薄膜１０３とｃ−Ｓｉ
超薄膜１０４とが交互に積層してなる超格子構造のＳｉ
薄膜１０２が、基板１０１の上に形成される。

【００７６】その後、Ｓｉ薄膜１０２が積層した基板１
０１を、反応室８から取り出した後、図９に示すよう
に、例えば蒸着等の方法を用いて、例えばＴＣＯなどで
構成される導電膜１２０を、Ｓｉ薄膜１０２を覆うよう
に形成する。

【００７７】その後、マスクパターンを用いた周知の写
真製版技術を実行し、導電膜１２０を選択的に除去する
ことによって、図１に示したように、３種の電極すなわ
ちソース電極１１０、ドレイン電極１１１、およびゲー
ト電極１１２を形成する。以上の工程によって、装置１
００が完成する。

【００７８】＜２．第２実施例＞第１実施例では、アモ
ルファス超薄膜と単結晶超薄膜とがともに同一材料であ
るＳｉで構成された超格子装置について説明したが、二
種類の超薄膜が互いに異なる材料で構成されていてもよ
い。この実施例では、このような例について説明する。

【００７９】＜2-1.装置の構成と動作＞図１０は、この
実施例の超格子装置２００の正面断面図である。この装
置２００も第１実施例の装置１００と同様に、超格子構
造を有するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）であるが、基板
２０１の上に形成される薄膜２０２が、ａ−ＳｉＣ超薄
膜２０３とｃ−Ｓｉ超薄膜２０４とが積層した超薄膜と
して形成されている点が、装置１００とは特徴的に異な
っている。

【００８０】ａ−ＳｉＣ超薄膜２０３およびｃ−Ｓｉ超
薄膜２０４は、いずれも５０〜１００オングストローム
の厚さである。薄膜２０２の側面には、ソース電極２１
０とドレイン電極２１１がそれぞれ形成されており、薄
膜２０２の上面にはゲート電極２１２が形成されてい
る。これらの電極は、ＴＣＯ、Ａｌなどで構成される。

【００８１】図１１は、この装置２００のバンド構造を
示す説明図である。図１１に示すように、バンドギャッ
プは、一方のａ−ＳｉＣ超薄膜２０３では3.0eVであ
り、他方のｃ−Ｓｉ超薄膜２０４では1.1eVである。こ
のバンドギャップ間の差異のために、薄膜２０２には超
格子としての挙動が現われる。

【００８２】装置２００においても、バンドギャップの
広いａ−ＳｉＣ超薄膜２０３の不純物濃度を高くするこ
とによってキャリア濃度を高くしても、キャリアはバン
ドギャップの狭いｃ−Ｓｉ超薄膜２０４に局在するの
で、移動度の低下が起こらない。すなわち、薄膜２０２
では、高キャリア濃度と高移動度とが両立的に実現す
る。このため、装置２００では、高い動作速度および高
いオン／オフ比が得られる。

【００８３】比較のために、従来のａ−ＳｉＣ超薄膜と
ａ−Ｓｉ超薄膜とが積層して成る超格子のバンド構造を
図１２に示す。図１１と図１２とを比較すればわかるよ
うに、装置２００（図１１）では従来装置（図１２）に
比べて、超薄膜同士のバンドギャップの差異が大きくな
っている。このため、装置２００では、従来装置よりも
超格子としての挙動が一層際立つので、高キャリア密度
と高移動度とが従来装置よりも一層改善される。

【００８４】ａ−ＳｉＣ超薄膜２０３の代わりに、ａ−
ＳｉＮ超薄膜を用いて薄膜２０２を構成してもよい。こ
のときのバンド構造を図１３に示す。また、比較のため
にａ−ＳｉＮ超薄膜とｃ−Ｓｉ超薄膜とが交互に積層さ
れた従来装置のバンド構造を図１４に示す。図１３に示
す装置では、従来装置（図１４）に比べて超薄膜同士の
バンドギャップの差異が大きくなっている。このため、
装置２００と同様に、図１３に示す装置では、従来装置
よりも超格子としての挙動が一層際立つので、高キャリ
ア密度と高移動度とが従来装置よりも一層改善される。

【００８５】＜2-2.製造方法＞つぎに、装置２００の製
造方法について説明する。装置２００を製造するには、
図１５に示すように、例えば透明ガラスなどで構成され
る基板２０１をまず準備する。つぎに、この基板２０１
を薄膜形成装置５０の反応室８の中に挿入する。そし
て、反応室８の中を真空状態とした後、反応ガス供給管
１３からＳｉＨ₄とＣ₂Ｈ₄（エチレン）を供給する。こ
のとき、例えば、真空度は3mTorr程度であり、マイクロ
波のパワーは２〜４ｋＷ程度に調節される。また、Ｓｉ
Ｈ₄の希釈ガスとして好ましくは、ＨｅあるいはＨ₂が用
いられる。Ｈ₂が用いられることは、アモルファス構造
の安定化の上でも有益である。この工程によって、基板
２０１の上にａ−ＳｉＣ超薄膜２０３が形成される。ａ
−ＳｉＣ超薄膜２０３の厚さは、約５０〜１００オング
ストロームの厚さに調節される。

【００８６】つぎに、反応室８を排気することによっ
て、ａ−ＳｉＣを形成するために供給された反応ガスを
除去する。その後、反応ガス供給管１３からＳｉＨ₄ガ
スを供給し、ガス導入管７からはＮｅガスを供給する。
このような、ガスの種類の切換は、コントローラ３６の
指示にもとづいてガスセレクタ３２、３４が動作するこ
とによって容易に行われる。

【００８７】プラズマＣＶＤによってアモルファスＳｉ
の成長が進行するとともに、Ｎｅビームの照射が加わる
ので、単結晶のＳｉが形成される。単結晶のＳｉを、約
５０〜１００オングストロームの厚さに形成することに
よって、図１６に示すように、ａ−ＳｉＣ超薄膜２０３
の上に積層したｃ−Ｓｉ超薄膜２０４が得られる。

【００８８】つぎに、再びａ−ＳｉＣを約５０〜１００
オングストロームの厚さに形成することによって、図１
７に示すように、ｃ−Ｓｉ超薄膜２０４の上に積層した
ａ−ＳｉＣ超薄膜２０３が得られる。

【００８９】以上の工程を反復することによって、図１
８に示すように、多数のａ−ＳｉＣ超薄膜２０３とｃ−
Ｓｉ超薄膜２０４とが交互に積層してなる超格子構造の
薄膜２０２が、基板２０１の上に形成される。

【００９０】その後、Ｓｉ薄膜２０２が積層した基板２
０１を、反応室８から取り出した後、図１９に示すよう
に、例えば蒸着等の方法を用いて、例えばＴＣＯなどで
構成される導電膜２２０を、薄膜２０２を覆うように形
成する。

【００９１】その後、写真製版技術を実行し、導電膜２
２０を選択的に除去することによって、図１０に示した
ように、３種の電極すなわちソース電極２１０、ドレイ
ン電極２１１、およびゲート電極２１２を形成する。以
上の工程によって、装置２００が完成する。

【００９２】＜３．第３実施例＞第１および第２実施例
では、アモルファスの超薄膜と単結晶の超薄膜とで構成
される超格子装置の例を示したが、単結晶の超薄膜の代
わりに軸配向多結晶の超薄膜で置き換えてもよい。軸配
向多結晶は、結晶粒の間で一つの結晶方位のみが揃って
いる多結晶であり、結晶粒の方位が任意である通常の多
結晶に比べて規則性が高いので、あらゆる点で単結晶に
近い特性を有する。このため、軸配向多結晶は単結晶の
代用として有効である。

【００９３】例えば、第１実施例の装置１００におい
て、ｃ−Ｓｉ超薄膜１０４を軸配向多結晶のＳｉ超薄膜
に置き換えてもよい。このように構成される超格子装置
においても、装置１００に近い挙動が現れる。同様に、
第２実施例の装置において、ｃ−Ｓｉ超薄膜２０４を軸
配向多結晶のＳｉ超薄膜に置き換えてもよい。

【００９４】アモルファス超薄膜と軸配向多結晶超薄膜
とが交互に積層した超格子を形成するには、例えば図２
０の正面断面図に示す薄膜形成装置５１を用いるとよ
い。装置５１は、反射板１２が装備されない点で装置５
０とは特徴的に異なっており、その他の点では装置５０
と共通である。装置５１では、反射板１２が装備されな
いので、引き出し口９から下方へ向かう例えばＮｅのイ
オンまたは中性原子は、直接に基板１１へと降り注ぐ。
すなわち、基板１１へはイオンまたは中性原子のビーム
が略一方向から入射する。

【００９５】このため、基板１１の上に成長しつつある
例えばアモルファスＳｉなどのアモルファス物質の一つ
の最稠密面の方向が、ビームの入射方向に垂直となるよ
うに揃う。その結果、結晶軸が基板１１の法線方向に配
向した軸配向多結晶物質が形成される。軸配向多結晶物
質を形成する際の基板温度は、単結晶物質を形成するの
に適した基板温度に合わせるとよい。

【００９６】＜４．第４実施例＞図２１は、もう一つの
薄膜形成装置の例を示す正面断面図である。この装置５
２は、反射板１２が支柱３９に回動自在に取り付けられ
ており、反射板１２を基板１１の上に設置することも、
逆に基板１１の上から退避させることも可能である。反
射板１２の動きは、コントローラ３６によって制御され
る。装置５２をこのように構成することによって、一つ
の装置でアモルファス超薄膜と単結晶超薄膜とで構成さ
れる超格子、アモルファス超薄膜と軸配向多結晶超薄膜
とで構成される超格子のいずれをも製造可能である。さ
らに、アモルファス超薄膜、単結晶超薄膜、軸配向多結
晶超薄膜の中の任意の組み合わせで構成される超格子を
製造することも可能である。

【００９７】図２２は、さらに別の薄膜形成装置の例を
示す正面断面図である。この装置５３では、試料台１０
は駆動装置３５の働きで、傾きおよび回転方向が調整可
能である点が、装置５０などとは特徴的に異なる。図２
３は試料台１０の動きを示す部分拡大図である。駆動装
置３５の動作は、コントローラ３６によって制御され
る。

【００９８】試料台１０が自在に傾斜および回転するの
で、基板１１へのビームの照射方向を任意に設定するこ
とが可能である。このため、軸配向多結晶超薄膜または
単結晶超薄膜を形成する際に、その結晶方位を任意に選
ぶことができる。特に、単結晶超薄膜を形成する際に
は、形成すべき単結晶超薄膜の複数の最稠密面に垂直な
複数方向からビームが照射されるように、例えば図２３
における実線と波線とで示される２つの姿勢を交互にと
るようにすればよい。このように時分割的に複数方向か
らビームを照射することによっても、反射板１２を用い
た第１実施例の方法によって同時に複数方向から照射し
た場合と同様に単結晶化が実現する。

【００９９】以上のように、この装置５３では、試料台
１０の姿勢を制御することによって、所望する単結晶、
軸配向多結晶、および非晶質のすべての結晶構造の超薄
膜を、交互に連続的に形成することが可能である。しか
も、結晶方位も所望の任意の方向に設定することが可能
である。

【０１００】＜５．第５実施例＞以下の実施例では、超
格子構造を有する太陽電池の例について説明する。

【０１０１】＜5-1.装置の構成と動作＞図２４は、ｐｉ
ｎ型太陽電池の一例を示す断面図である。この太陽電池
５００では、受光側（フロント側）に配されるガラス製
の透明基板５０５の光の進行方向側（バック側）にＴＣ
Ｏで構成される導電膜５０６が形成されている。さら
に、導電膜５０６の光の進行方向側には、ｐ型のＳｉ層
５０２、不純物を含まないｉ型すなわち真性半導体のＳ
ｉ層５０３、およびｎ型のＳｉ層５０４が、この順に形
成され、半導体層５０１を構成している。そして、Ｓｉ
層５０４の光の進行方向側には、例えばアルミニウムか
らなる裏面電極５０７が形成されている。

【０１０２】３つのＳｉ層の中で、Ｓｉ層５０３および
Ｓｉ層５０４は、いずれもａ−Ｓｉで構成され、Ｓｉ層
５０２は、ｃ−Ｓｉ超薄膜５０２ｃとａ−Ｓｉ超薄膜５
０２ａとが交互に積層した超格子で構成されている。

【０１０３】ａ−Ｓｉ超薄膜５０２ａのｐ型不純物濃度
を選択的に高めることによって、Ｓｉ層５０２の導電率
を改善することができる。そうすることによって、太陽
電池の最も重要な特性の一つである変換効率が向上す
る。

【０１０４】図２５は、この太陽電池５００のバンド構
造を示す説明図である。図２５中の符号”Ｅ_F”はフェ
ルミ順位を表している。この太陽電池５００では、ｐ型
とｎ型のＳｉ層の間に、ｉ型のＳｉ層５０３が設けられ
ているので、図２５に示すように、Ｓｉ層５０３には電
子をＳｉ層５０２からＳｉ層５０４の方へ加速し、ホー
ルを逆にＳｉ層５０４からＳｉ層５０２の方向へ加速す
るような内部電場が生じている。このため、光で励起さ
れたキャリア（光キャリア）は、拡散で移動する代わり
に、主としてｉ型に生じているこの内部電場の作用でド
リフトによって移動する。このため、光キャリアが直ち
に電流として取り出せるという利点がある。

【０１０５】図２５に示すように、Ｓｉ層５０２を構成
するａ−Ｓｉ超薄膜５０２ａのバンドギャップは1.7eV
であり、ｃ−Ｓｉ超薄膜５０２ｃのバンドギャップはそ
れよりも狭い1.1eVである。このため、超格子であるＳ
ｉ層５０２の実効的なバンドギャップはこれらの中間の
値となる。その結果、Ｓｉ層５０２のバンドギャップ
は、ａ−Ｓｉで構成されるＳｉ層５０３よりも狭くなっ
ている。

【０１０６】このため、Ｓｉ層５０２とＳｉ層５０３と
では、光感度の高い波長が異なっている。すなわち、Ｓ
ｉ層５０２では長波長側に感度が高く、Ｓｉ層５０３で
は短波長側に感度が高い。このため、双方のＳｉ層によ
って、広い波長領域の光が光キャリアの励起に寄与する
という利点がある。このことも変換効率の向上に寄与す
る。

【０１０７】なお、超格子構造のＳｉ層５０２は、主と
して長波長の光をある程度吸収できるが、太陽電池全体
を薄膜化してＳｉ材料の使用をできるだけ少なくしてコ
ストを下げることを第１優先とする場合には、Ｓｉ層５
０２をできるだけ薄く形成するのが望ましい。特に、短
波長特性を有する太陽電池の場合には、長波長特性を犠
牲にしてでもコストを下げることが望まれる。

【０１０８】また、短波長光をできるだけ多く、Ｓｉ層
５０３およびＳｉ層５０４へ供給するためにも、Ｓｉ層
５０２の厚さをできるだけ薄くするのが望ましい。この
ため、好ましくは、Ｓｉ層５０２はＳｉ層５０３よりも
薄く形成される。例えば、Ｓｉ層５０３は５０００〜１
００００オングストローム程度に形成されるのに対し、
Ｓｉ層５０２は１５０〜１０００オングストローム程度
に形成される。また、Ｓｉ層５０４は５００〜１０００
オングストローム、裏面電極５０７は１００００オング
ストローム程度の厚さに設定される。なお、ここで例示
したＳｉ層５０３の厚さは、ａ−Ｓｉの変換効率におけ
る最適点を考慮して決定されたものである。

【０１０９】なお、太陽電池５００では、Ｓｉ層５０３
はアモルファス構造であったが、代わりに単結晶構造で
あっても、Ｓｉ層５０２とＳｉ層５０３のバンドギャッ
プは互いに異なるので、やはり高い変換効率が実現す
る。

【０１１０】また、太陽電池５００では、ｐ型のＳｉ層
５０２を超格子構造としたが、代わりにｎ型のＳｉ層５
０４を超格子構造としてもよい。あるいは、それらの双
方を超格子構造としてもよい。このように構成しても同
様の効果を奏する。

【０１１１】＜5-2.製造方法＞太陽電池５００は次のよ
うに製造される。まず、図２６に示すように、ガラス製
の透明基板５０５を準備する。そして、この透明基板５
０５を洗浄した後、図２７に示すように、透明基板５０
５の上面に透明の導電膜５０６を、酸化すず（Ｓｎ
Ｏ₂）および酸化インジュームすず（ＩＴＯ）を用いて
蒸着または熱ＣＶＤ法にて形成する。

【０１１２】つぎに、導電膜５０６が形成された透明基
板５０５を、例えば装置５０、５２、または５３などの
反応室８内に挿入し、試料台１０の上に基板１１として
設置する。その後、反応室８内を真空状態とした後、第
１実施例で例示した方法を実行することによって、ａ−
Ｓｉ超薄膜とｃ−Ｓｉ超薄膜とを交互に積層する。この
とき、ｐ型の不純物を含むガスが反応ガス供給管１３か
ら供給される。その結果、図２８に示すように、導電膜
５０６の上に、超格子構造のｐ型のＳｉ層５０２が形成
される。

【０１１３】つぎに、同じ反応室８の中で、アモルファ
スのＳｉを成長させることによって、図２９に示すよう
にＳｉ層５０２の上にアモルファスのＳｉ層５０３を形
成する。このとき、不純物を含んだガスは供給されな
い。このため、Ｓｉ層５０３は、ｉ型のＳｉ層として形
成される。

【０１１４】その後、同様にアモルファスのＳｉを成長
させつつ、今度は反応ガス供給管１３からｎ型不純物を
含んだガスを供給する。その結果、図３０に示すよう
に、Ｓｉ層５０３の上に、ｎ型でアモルファスのＳｉ層
５０４が形成される。こうして、半導体層５０１が形成
される。その後、半導体層５０１が形成された試料を反
応室８の外へ取り出す。

【０１１５】つぎに、例えば蒸着法を実施することによ
って、アルミニウム等の電極材料をＳｉ層５０４の上に
形成することによって、裏面電極５０７を形成する。そ
の結果、図２４に示した太陽電池５００が完成する。

【０１１６】以上の説明からも解るように、装置５０そ
の他の薄膜形成装置は、超格子構造の薄膜だけでなく、
Ｓｉ層５０３、５０４などの単一構造の薄膜を積層する
のにもそのまま利用可能である。

【０１１７】＜６．第６実施例＞図３１は、ｐｉｎ型太
陽電池の別の一例を示す断面図である。なお以下の図に
おいて、図２４に示した太陽電池５００と同一部分には
同一符号を付してその詳細な説明を略する。

【０１１８】この太陽電池６００では、太陽電池５００
と同様に、導電膜５０６の上にｐ型のＳｉ層６０２、ｉ
型のＳｉ層６０３、およびｎ型のＳｉ層６０４がこの順
に積層されることによって、半導体層６０１が形成され
ている。そして、Ｓｉ層６０４のバック側に裏面電極５
０７が形成されている。３つのＳｉ層の中で、Ｓｉ層６
０２とＳｉ層６０４は、いずれもｃ−Ｓｉで構成されて
おり、Ｓｉ層６０３は、ｃ−Ｓｉ超薄膜６０３ｃとａ−
Ｓｉ超薄膜６０３ａとが交互に積層した超格子で構成さ
れている。

【０１１９】図３２は、この太陽電池６００のバンド構
造を示す説明図である。図３２に示すように、Ｓｉ層６
０３を構成するａ−Ｓｉ超薄膜６０３ａのバンドギャッ
プは1.7eVであり、ｃ−Ｓｉ超薄膜６０３ｃのバンドギ
ャップはそれよりも狭い1.1eVである。このため、超格
子であるＳｉ層６０３の実効的なバンドギャップはこれ
らの中間の値となる。

【０１２０】すなわち、Ｓｉ層６０３のバンドギャップ
は、アモルファスＳｉのバンドギャップよりも狭くなっ
ている。このため、真性半導体層がアモルファスで構成
される従来のアモルファスｐｉｎ型太陽電池に比べて、
広い範囲の波長の光が吸収される。その結果、高い変換
効率が得られる。さらに、Ｓｉ層６０３は超格子構造で
あるために、ａ−Ｓｉよりも導電性が良好である。この
ことも、変換効率の改善に寄与する。

【０１２１】なお、Ｓｉ層６０２が単結晶でなくアモル
ファスであっても、同様の効果を生じる。また、Ｓｉ層
６０２が単結晶、アモルファスのいずれであっても、Ｓ
ｉ層６０２とＳｉ層６０３のバンドギャップは互いに異
なる。このようにＳｉ層６０２とＳｉ層６０３との間で
光感度の高い波長が異なるので、双方で広い範囲の波長
の光が無駄なく吸収される。このことも、変換効率の向
上に寄与する。

【０１２２】太陽電池６００を製造するには、透明基板
５０５の上に導電膜５０６を形成したものを、装置５
０、５２、または５３の反応室８へ挿入した後に、太陽
電池５００の製造工程と同様に、導電膜５０６の上に各
種の半導体層および超薄膜を連続的に積み上げてゆくと
よい。そうして半導体層６０１が形成された後に、反応
室８から取り出して裏面電極５０７を形成することによ
って太陽電池６００が完成する。

【０１２３】＜７．第７実施例＞図３３は、ｐｉｎ型太
陽電池のさらに別の一例を示す断面図である。この太陽
電池７００では、太陽電池５００と同様に、導電膜５０
６の上にｐ型のＳｉ層７０２、ｉ型のＳｉ層７０３、お
よびｎ型のＳｉ層７０４がこの順に積層されることによ
って、半導体層７０１が形成されている。そして、Ｓｉ
層７０４のバック側に裏面電極５０７が形成されてい
る。３つのＳｉ層の中で、Ｓｉ層７０４は、ａ−Ｓｉで
構成されており、Ｓｉ層７０２はｃ−Ｓｉ超薄膜７０２
ｃとａ−Ｓｉ超薄膜７０２ａとが交互に積層した超格子
で構成され、さらに、Ｓｉ層７０３も、ｃ−Ｓｉ超薄膜
７０３ｃとａ−Ｓｉ超薄膜７０３ａとが交互に積層した
超格子で構成されている。

【０１２４】このように、太陽電池７００ではＳｉ層７
０２とＳｉ層７０３の双方が超格子で構成されるので、
太陽電池５００と太陽電池６００の双方の利点を合わせ
持っている。

【０１２５】太陽電池７００を製造するには、透明基板
５０５の上に導電膜５０６を形成したものを、装置５
０、５２、または５３の反応室８へ挿入した後に、導電
膜５０６の上に各種の半導体層および超薄膜を連続的に
積み上げてゆくとよい。そうして半導体層７０１が形成
された後に、反応室８から取り出して裏面電極５０７を
形成することによって太陽電池７００が完成する。

【０１２６】＜８．第８実施例＞図３４は、ｐｉｎ型太
陽電池のさらに別の一例を示す断面図である。

【０１２７】この太陽電池８００では、太陽電池５００
と同様に、導電膜５０６の上にｐ型の半導体層８０２、
ｉ型のＳｉ層８０３、およびｎ型のＳｉ層８０４がこの
順に積層されることによって、半導体層８０１が形成さ
れている。そして、Ｓｉ層８０４のバック側に裏面電極
５０７が形成されている。

【０１２８】Ｓｉ層８０３とＳｉ層８０４は、いずれも
ｃ−Ｓｉで構成されている。半導体層８０２の主要部
は、第６実施例のＳｉ層５０２と同様に、ｃ−Ｓｉ超薄
膜８０２ｃとａ−Ｓｉ超薄膜８０２ａとが交互に積層し
たＳｉ超格子で構成されている。ただし、Ｓｉ層５０２
とは異なり、このＳｉ超格子とＳｉ層８０３との間に、
一層のａ−ＳｉＣ超薄膜８１０が介挿されている。

【０１２９】図３５は、この太陽電池８００のバンド構
造を示す説明図である。図３５に示すように、半導体層
８０２を構成するａ−Ｓｉ超薄膜８０２ａのバンドギャ
ップは1.7eVであり、ｃ−Ｓｉ超薄膜８０２ｃのバンド
ギャップはそれよりも狭い1.1eVである。さらに、ａ−
ＳｉＣ超薄膜８１０のバンドギャップはこれらのいずれ
よりも広い3.0eVである。そして、超格子である半導体
層８０２の実効的なバンドギャップはこれらの中間の値
となる。したがって、半導体層８０２の実効的なバンド
ギャップは、ａ−Ｓｉ超薄膜８０２ａとｃ−Ｓｉ超薄膜
８０２ｃとで決まる実効的なバンドギャップよりも、さ
らに拡大されたものとなる。すなわち、半導体層８０２
における光感度が短波長側にシフトする。

【０１３０】このことによって、半導体層８０２の光透
過性が向上するので、Ｓｉ層８０３での光の吸収量が増
大する。さらに、バンドギャップの大きいａ−ＳｉＣ超
薄膜８１０が設けられることによって、Ｓｉ層８０２の
導電率、特にＳｉ層８０２とＳｉ層８０３の間の接合面
付近の導電率がさらに改善される。これらの結果、高い
変換効率が得られる。

【０１３１】また、Ｓｉ層８０２では、より短波長側の
光が吸収されるとともに、そのバックに位置するＳｉ層
８０３では長波長の光が吸収される。すなわち、太陽光
スペクトルの中の、より広い波長範囲を無駄なく吸収し
て電気エネルギーへと変換される。このことも、変換効
率の向上に寄与する。

【０１３２】太陽電池８００を製造するには、透明基板
５０５の上に導電膜５０６を形成したものを、装置５
０、５２、または５３の反応室８へ挿入した後に、導電
膜５０６の上に各種の半導体層および超薄膜を連続的に
積み上げてゆくとよい。そうして半導体層８０１が形成
された後に、反応室８から取り出して裏面電極５０７を
形成することによって太陽電池８００が完成する。

【０１３３】なお、半導体層８０２をｃ−Ｓｉ層で構成
し、Ｓｉ層８０３の主要部をａ−Ｓｉ超薄膜とｃ−Ｓｉ
超薄膜とが交互に積層して成るＳｉ超格子で構成し、こ
のＳｉ超格子と半導体層８０２との間にａ−ＳｉＣ超薄
膜８１０を介挿してもよい。このとき、ａ−ＳｉＣ超薄
膜８１０は、半導体層８０３における超格子の実質的な
バンドギャップを広げる働きを成す。このため、半導体
層８０２と半導体層８０３の間で、スペクトル上の光感
度のピークが互いにより一層分離されるので、太陽光ス
ペクトルの中の、より広い波長範囲が無駄なく吸収され
る。すなわち、変換効率が向上するという利点がある。

【０１３４】また、バンドギャップの大きいａ−ＳｉＣ
超薄膜８１０が設けられることによって、Ｓｉ層８０３
の導電率、特にＳｉ層８０２とＳｉ層８０３との間の接
合面付近の導電率が向上する。このことも、変換効率の
向上に寄与する。

【０１３５】＜９．変形例＞（１）第５実施例〜第８実施例のそれぞれにおいて、
単結晶層あるいは単結晶超薄膜をそれぞれ、軸配向多結
晶層あるいは軸配向多結晶超薄膜に置き換えてもよい。
各太陽電池をこのように構成しても、上記各実施例の太
陽電池に近い特性が得られる。また、このように構成さ
れた太陽電池を製造するには、例えば装置５１、５２、
または５３を用いるとよい。

【０１３６】（２）以上の各実施例の装置の製造工程
では、プラズマ流としてＮｅが用いられた。この理由
は、第１に、Ｓｉ原子の方が、Ｎｅ原子よりも原子量が
大きいため、Ｎｅのイオンあるいは原子がＳｉ薄膜に衝
突した際に、後方に散乱される確率が高く、Ｓｉ薄膜中
に侵入し残留することが起こりにくいためである。また
第２に、Ｎｅは不活性ガスであるので、Ｓｉ薄膜中に侵
入し残留しても、Ｓｉあるいはドープした不純物のいず
れとも化合物を形成しないので、Ｓｉ薄膜の電気的、あ
るいは、光学的特性に与える影響が少ないと言える。し
かも、形成されたＳｉ薄膜をある程度高温状態におくこ
とによって、容易に外部に除去できる。これは、Ｈｅに
関しても同様であるが、Ｈｅに比較して、Ｎｅの方がＳ
ｉに近い原子量であるので結晶化がより効果的に可能と
なる。

【０１３７】（３）以上の各実施例の装置の製造工程
において、単結晶の薄膜あるいは超薄膜を形成する際
に、反応ガスを供給してアモルファスＳｉなどのアモル
ファスの物質を成長させつつ、一方向からビーム照射を
行うことによって、軸配向多結晶の薄膜あるいは超薄膜
を一旦形成し、その後、複数方向からビーム照射を行っ
てこの軸配向多結晶を単結晶へと転換してもよい。

【０１３８】軸配向多結晶の形成は単結晶の形成に比べ
て容易であり、しかも軸配向多結晶の特性は単結晶の特
性に近い。このため、単結晶の薄膜あるいは超薄膜を形
成する際に、まず軸配向多結晶の薄膜あるいは超薄膜を
形成することによって、軸配向多結晶の薄膜あるいは超
薄膜に相応する良好な特性を確保することができる。そ
の後、複数方向からのビーム照射によって、軸配向多結
晶が単結晶へ転換される度合いに応じて、さらに良好な
特性へと向上する。すなわち、この方法では、例えば複
数方向からのビーム照射にむらがあるなど、軸配向多結
晶から単結晶への転換が十分に行われない場合でも、単
結晶の薄膜あるいは超薄膜を有する超格子装置に近い特
性が保証される。

【０１３９】軸配向多結晶を単結晶化するときには、こ
の物質の結晶化温度以下の温度範囲の比較的高温下でビ
ーム照射が行われる。そうすることによって、単結晶化
のための物質原子の再配列がより円滑に進行する。

【０１４０】（４）変形例（３）において、軸配向多結
晶の薄膜あるいは超薄膜を形成する際におけるビーム照
射の方向と、単結晶化の際におけるビーム照射の複数方
向の１つとを、互いに同一にするのが望ましい。このと
き、軸配向多結晶の薄膜あるいは超薄膜における方位の
揃った最稠密面については、単結晶化に際してその方向
が維持されるので、単結晶への転換が円滑に進行する。

【０１４１】

【発明の効果】第１の発明の超格子装置では、アモルフ
ァス構造と結晶質構造とが交互に積層した超格子を有す
る。アモルファス構造と結晶質構造との間では、バンド
ギャップの差異が大きいので、この装置では超格子特有
の特性が得られる。

【０１４２】第２の発明の超格子装置では、アモルファ
ス構造の超薄膜と結晶質構造の超薄膜とが同一物質で構
成されるので、超薄膜の接合界面における原子の結合が
良好に行われる。このため、接合界面における結晶欠陥
が希少であるので、超格子としての本来の特性が十分に
得られ、しかも装置の特性が一定するという効果があ
る。

【０１４３】第３の発明の超格子装置では、アモルファ
ス構造の超薄膜と結晶質構造の超薄膜とが比較的低廉な
材料であるシリコンで構成されるので、装置の製造コス
トが安価である。

【０１４４】第４の発明の超格子装置では、ｐ型半導体
層とｎ型半導体層の少なくとも一方が超格子を有するの
で、この半導体層の導電率が良好である。その結果、変
換効率の高い太陽電池が実現する。また、超格子を有す
る半導体層と真性半導体層との間には、バンドギャップ
に差異が現れるので、それらの半導体層の間で光感度の
高い波長が異なる。すなわち、双方の半導体層によっ
て、広い範囲の波長の光が吸収される。このことも、変
換効率の改善に寄与する。

【０１４５】第５の発明の超格子装置は、真性半導体層
が複数のアモルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構造
の超薄膜とが交互に積層されて成る超格子を有するの
で、真性半導体層の実効的なバンドギャップはアモルフ
ァス構造のバンドギャップよりも狭くなる。このため、
真性半導体層がアモルファスである従来の太陽電池に比
べて、広い範囲の波長の光が光キャリアの生成に利用さ
れるので、変換効率が従来よりも高くなる。

【０１４６】第６の発明の超格子装置では、複数のアモ
ルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構造の超薄膜とが
同一物質で構成されるので、超薄膜の接合界面における
原子の結合が良好に行われる。このため、接合界面にお
ける結晶欠陥が希少であるので、超格子としての本来の
特性が十分に得られ、しかも装置の特性が一定するとい
う効果がある。

【０１４７】第７の発明の超格子装置では、アモルファ
ス構造の超薄膜と結晶質構造の超薄膜とが比較的低廉な
材料であるシリコンで構成されるので、装置の製造コス
トが安価である。

【０１４８】第８の発明の超格子装置では、バンドギャ
ップが他よりも大きい半導体物質のアモルファス構造の
超薄膜が、真性半導体層に隣接してｐ型半導体層または
ｎ型半導体層の超格子の中に介挿される。このため、超
格子を有する半導体層と真性半導体層と接合面付近の導
電率が向上する。その結果、変換効率の高い太陽電池が
実現する。

【０１４９】第９の発明の超格子装置では、真性半導体
層が結晶質であるために、真性半導体層のバンドギャッ
プは超格子を有する半導体層のバンドギャップよりも狭
い。そして、超格子は特別にバンドギャップの大きい超
薄膜を有しているので、超格子を有する半導体層と真性
半導体層との間でバンドギャップの差異が大きい。この
ため、双方の半導体層によって広い範囲の波長の光が吸
収される。その結果、変換効率の高い太陽電池が実現す
る。

【０１５０】第１０の発明の超格子装置では、バンドギ
ャップが他よりも大きい半導体物質のアモルファス構造
の超薄膜が、ｐ型半導体層またはｎ型半導体層に隣接し
て真性半導体層の超格子の中に介挿される。このため、
超格子を有する真性半導体層とｐ型半導体層またはｎ型
半導体層との間の接合面付近の導電率が向上する。その
結果、変換効率の高い太陽電池が実現する。

【０１５１】第１１の発明の超格子装置では、ｐ型半導
体層またはｎ型半導体層が結晶質であるために、結晶質
であるこれらの半導体層のバンドギャップは超格子を有
する真性半導体層のバンドギャップよりも狭い。そし
て、超格子は特別にバンドギャップの大きい超薄膜を有
しているので、超格子を有する真性半導体層と結晶質で
ある他の半導体層との間でバンドギャップの差異が大き
い。このため、双方の半導体層によって広い範囲の波長
の光が吸収される。その結果、変換効率の高い太陽電池
が実現する。

【０１５２】第１２の発明の製造方法では、反応ガスを
堆積しつつビーム照射を制御するという単純な工程によ
って、従来不可能であったアモルファス構造の超薄膜と
結晶質構造の超薄膜とが交互に積層した超格子が形成さ
れる。しかも、比較的低温下での形成が可能である。さ
らに、各超薄膜を形成する工程が、連続して実行される
ので、各超薄膜の接合面への水分などの不純物の混入が
防止され、理想的な超格子が得られる。また、反応ガス
として超薄膜の主成分の原料ガスだけでなくｐ型あるい
はｎ型の不純物を含んだガスを混合することによって、
ｐ型あるいはｎ型の超薄膜を積層することも可能であ
る。

【０１５３】第１３の発明の製造方法では、軸配向多結
晶超薄膜を一旦形成し、その後、これを単結晶化すると
いう２段階で単結晶超薄膜を形成する工程において、最
初の軸配向多結晶超薄膜を形成する段階でのビーム照射
の方向と、後の単結晶化の段階でのビーム照射の複数方
向の一つとが一致している。このため、単結晶化に際し
て、軸配向多結晶超薄膜の方位の揃った最稠密面はその
まま維持されるので、単結晶化が円滑に進行する。

【０１５４】第１４の発明の製造方法では、照射される
気体が不活性ガスであるので、照射後に気体の原子また
はイオンが薄膜の中に残留しても、これらが超薄膜の電
子物性へ不純物として悪影響を及ぼすことが少ないとい
う効果がある。

【０１５５】第１５の発明の製造方法では、照射される
不活性ガスを構成する元素の原子量が、照射対象である
所定の物質の構成元素の最大の原子量よりも低いので、
照射された不活性ガスの原子またはイオンの大部分が、
超薄膜の表面ないしその近傍で後方へ反跳し、超薄膜の
中に残留し難いという効果がある。

【０１５６】第１６の発明の製造方法では、照射される
不活性ガスを構成する元素の原子量が、所定の物質を構
成する元素の最大の原子量に最も近い値であるので、ビ
ームの照射効果を最大限に引き出すことができる。した
がって、不活性ガスの導入量を反応ガスの導入量に対し
て、少なく抑えることができる。あるいは、結晶質構造
の超薄膜の形成速度が向上する。

【０１５７】第１７の発明の製造方法では、化学気相成
長法を用いてシリコンの超薄膜が効率よく形成される。
また、アモルファス超薄膜を形成する際に、超薄膜を構
成するシリコンの原料ガスに、水素ガスが混入されるの
で、アモルファスシリコンの超薄膜が安定して得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の超格子装置の断面図である。

【図２】図１の装置のバンド構造図である。

【図３】第１の実施例の装置の製造に適した製造装置
の正面断面図である。

【図４】図３の反射板の斜視図である。

【図５】図１の超格子装置の製造工程図である。

【図６】図１の超格子装置の製造工程図である。

【図７】図１の超格子装置の製造工程図である。

【図８】図１の超格子装置の製造工程図である。

【図９】図１の超格子装置の製造工程図である。

【図１０】第２実施例の超格子装置の断面図である。

【図１１】図１０の装置のバンド構造図である。

【図１２】図１１と比較対照されるバンド構造図であ
る。

【図１３】第２実施例のもう一つの超格子装置のバン
ド構造図である。

【図１４】図１３と比較対照されるバンド構造図であ
る。

【図１５】図１０の超格子装置の製造工程図である。

【図１６】図１０の超格子装置の製造工程図である。

【図１７】図１０の超格子装置の製造工程図である。

【図１８】図１０の超格子装置の製造工程図である。

【図１９】図１０の超格子装置の製造工程図である。

【図２０】第３実施例の製造装置の正面断面図であ
る。

【図２１】第４実施例の製造装置の正面断面図であ
る。

【図２２】第４実施例のもう一つの製造装置の正面断
面図である。

【図２３】図２２の部分拡大図である。

【図２４】第５実施例の超格子装置の断面図である。

【図２５】図２４の装置のバンド構造図である。

【図２６】図２４の超格子装置の製造工程図である。

【図２７】図２４の超格子装置の製造工程図である。

【図２８】図２４の超格子装置の製造工程図である。

【図２９】図２４の超格子装置の製造工程図である。

【図３０】図２４の超格子装置の製造工程図である。

【図３１】第６実施例の超格子装置の断面図である。

【図３２】図３１の装置のバンド構造図である。

【図３３】第７実施例の超格子装置の断面図である。

【図３４】第８実施例の超格子装置の断面図である。

【図３５】図３４の装置のバンド構造図である。

【符号の説明】

１０３ａ−Ｓｉ超薄膜（アモルファス構造の超薄膜）２０３ａ−ＳｉＣ超薄膜（アモルファス構造の超薄
膜）１０４ｃ−Ｓｉ超薄膜（結晶質構造の超薄膜）２０４ｃ−Ｓｉ超薄膜（結晶質構造の超薄膜）１０２Ｓｉ薄膜（超格子）２０２薄膜（超格子）５０２、６０２、７０２、８０２Ｓｉ層（ｐ型半導体
層）５０４、６０４、７０４、８０４Ｓｉ層（ｎ型半導体
層）５０３、６０３、７０３、８０３Ｓｉ層（真性半導体
層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 31/04 Ｎ (72)発明者植山須美義大阪府豊中市待兼山町15番16号株式会社クリスタルデバイス内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のアモルファス構造の超薄膜と複数
の結晶質構造の超薄膜とが交互に積層されて成る超格子
を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が単結晶構造の超
薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいずれかである超格
子装置。
【請求項２】請求項１に記載の超格子装置において、
前記複数のアモルファス構造の超薄膜と前記複数の結晶
質構造の超薄膜とが、同一物質で構成される超格子装
置。
【請求項３】請求項２に記載の超格子装置において、
前記同一物質がシリコンである超格子装置。
【請求項４】超格子装置であって、前記超格子装置は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に
真性半導体層を有するｐｉｎ型の太陽電池であり、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層の少なくとも一方
が、複数のアモルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構
造の超薄膜とが交互に積層されて成る超格子を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が単結晶構造の超
薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいずれかである超格
子装置。
【請求項５】超格子装置であって、前記超格子装置は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に
真性半導体層を有するｐｉｎ型の太陽電池であり、前記真性半導体層は、複数のアモルファス構造の超薄膜
と複数の結晶質構造の超薄膜とが交互に積層されて成る
超格子を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が単結晶構造の超
薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいずれかである超格
子装置。
【請求項６】請求項４または請求項５に記載の超格子
装置において、前記複数のアモルファス構造の超薄膜と前記複数の結晶
質構造の超薄膜とが、同一物質で構成される超格子装
置。
【請求項７】請求項６に記載の超格子装置において、
前記同一物質がシリコン半導体である超格子装置。
【請求項８】超格子装置であって、前記超格子装置は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に
真性半導体層を有するｐｉｎ型の太陽電池であり、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層の双方または一方
が、複数のアモルファス構造の超薄膜と複数の結晶質構
造の超薄膜とが交互に積層されて成る超格子を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が単結晶構造の超
薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいずれかであり、前記複数のアモルファス構造の超薄膜の中の一つが前記
真性半導体層に隣接しており、前記複数のアモルファス構造の超薄膜と前記複数の結晶
質構造の超薄膜は、前記真性半導体層に隣接する超薄膜
を除いて、共通の半導体物質で構成されており、前記真性半導体層に隣接する超薄膜は、前記共通の半導
体物質で構成されるアモルファス構造の超薄膜よりもバ
ンドギャップの大きい他の半導体物質で構成されている
超格子装置。
【請求項９】請求項８に記載の超格子装置であって、前記真性半導体層が単結晶構造または軸配向多結晶構造
を有する超格子装置。
【請求項１０】超格子装置であって、前記超格子装置は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に
真性半導体層を有するｐｉｎ型の太陽電池であり、前記真性半導体層が、複数のアモルファス構造の超薄膜
と複数の結晶質構造の超薄膜とが交互に積層されて成る
超格子を有し、前記複数の結晶質構造の超薄膜の各１が単結晶構造の超
薄膜と軸配向多結晶構造の超薄膜のいずれかであり、前記複数のアモルファス構造の超薄膜の中の一つが前記
ｐ型半導体層または前記ｎ型半導体層に隣接しており、前記複数のアモルファス構造の超薄膜と前記複数の結晶
質構造の超薄膜は、前記ｐ型半導体層または前記ｎ型半
導体層に隣接する超薄膜を除いて、共通の半導体物質で
構成されており、前記ｐ型半導体層または前記ｎ型半導体層に隣接する超
薄膜は、前記共通の半導体物質で構成されるアモルファ
ス構造の超薄膜よりもバンドギャップの大きい他の半導
体物質で構成されている超格子装置。
【請求項１１】請求項１０に記載の超格子装置であっ
て、前記ｐ型半導体層または前記ｎ型半導体層の少なくとも
いずれかが単結晶構造または軸配向多結晶構造を有する
超格子装置。
【請求項１２】基板の上にアモルファス構造の超薄膜
と結晶質構造の超薄膜とが交互に積層して成る超格子を
有する超格子装置を製造する方法であって、下記の工程(a)と下記の工程(b),(c),(d)のいずれかと
を、交互に連続的に実行する超格子装置の製造方法；こ
こで前記工程(a)〜(d)は、 (a)所定の物質の結晶化が起こらない低温度の下で、反
応ガスを前記基板上に供給することによって当該所定の
物質を堆積し、その結果、当該所定の物質のアモルファ
ス超薄膜を形成する工程； (b)所定の物質の結晶化が起こらない低温度の下で、反
応ガスを前記基板上に供給することによって当該所定の
物質を前記基板上に堆積する過程の中で、前記所定の物
質がスパッタリングを起こさない程度の低エネルギーの
気体のビームを、当該所定の物質の単結晶の複数の最稠
密面に垂直な複数の方向から、前記基板上へ照射し、そ
の結果、当該所定の物質の単結晶超薄膜を形成する工
程； (c)所定の物質の結晶化が起こらない低温度の下で、反
応ガスを前記基板上に供給することによって当該所定の
物質を前記基板上に堆積する過程の中で、前記所定の物
質がスパッタリングを起こさない程度の低エネルギーの
気体のビームを、前記基板上へ一方向から照射し、その
結果、前記所定の物質の軸配向多結晶超薄膜を形成する
工程；および、 (d)所定の物質の結晶化が起こらない低温度の下で、反
応ガスを前記基板上に供給することによって当該所定の
物質を前記基板上に堆積する過程の中で、前記所定の物
質がスパッタリングを起こさない程度の低エネルギーの
気体のビームを、前記基板上へ一方向から照射し、その
結果、前記所定の物質の軸配向多結晶超薄膜を形成し、
その後、前記反応ガスの供給を停止して、所定の物質の
結晶化が起こらない範囲の高温度の下で、当該所定の物
質がスパッタリングを起こさない程度の低エネルギーの
気体のビームを、当該所定の物質の単結晶の複数の最稠
密面に垂直な複数の方向から、前記基板上へ照射し、そ
の結果、前記軸配向多結晶超薄膜を単結晶超薄膜へと転
換する工程；である。
【請求項１３】請求項１２に記載の製造方法であっ
て、前記工程(d)で、前記軸配向多結晶超薄膜を形成する際
における前記気体のビームの方向と、前記軸配向多結晶
超薄膜を前記単結晶超薄膜へ転換する際における前記気
体のビームの複数方向の１つとが、互いに同一である超
格子装置の製造方法。
【請求項１４】請求項１２または請求項１３に記載の
製造方法において、前記気体が不活性ガスである超格子
装置の製造方法。
【請求項１５】請求項１４に記載の製造方法におい
て、前記不活性ガスを構成する元素の原子量が、照射を
受ける前記所定の物質を構成する元素の最大の原子量を
越えない超格子装置の製造方法。
【請求項１６】請求項１５に記載の製造方法におい
て、前記不活性ガスを構成する元素の原子量が、前記所
定の物質を構成する元素の最大の原子量を越えず、か
つ、最も近い原子量である超格子装置の製造方法。
【請求項１７】請求項１２ないし請求項１６のいずれ
かに記載の製造方法であって、前記各工程(a)〜(d)において、前記所定の物質を堆積す
るのに化学気相成長法が用いられ、前記各工程(a)〜(d)における前記所定の物質がシリコン
であり、前記工程(a)における前記反応ガスがシリコンの原料ガ
スと水素ガスとの混合ガスを含んでおり、前記各工程(b)〜(d)における前記反応ガスがシリコンの
原料ガスを含んでいる、超格子装置の製造方法。