JPS6146046B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜半導体とくに太陽電池用薄膜半導
体の製造方法に関するものである。

従来、太陽電池用の半導体の製造方法として
は、シリコン溶融体から結晶成長させた単結晶イ
ンゴツトを輪切りにしたシリコンウエハ若しくは
リボン結晶等を基板としてこの基板に不純物の拡
散等を施こす方法やシラン（SiH₄）に不純物を添
加したガス中のグロー放電により不純物制御され
た非晶質シリコン半導体薄膜を形成させる方法等
が知られている。しかしながら、単結晶を基板と
する前者の場合は、原材料として高純度多結晶シ
リコンを必要とし、更に該高純度多結晶シリコン
の高温融解から長時間かけて結晶を成長させて単
結晶を形成させ使用に供されるが、高純度多結晶
を製造する段階及び単結晶を作る段階で要する電
力はKg当り1000KW以上となり莫大なエネルギー
を必要とする他、太陽電池を形成するために複雑
な工程を必要とするため、得られる太陽電池は非
常に高価なものになるという問題点があつた。

一方、シランガスのグロー放電分解法で作成さ
れる非晶質シリコンを用いる後者の方法は、基材
として、ガラス、プラスチツクといつた廉価な材
料を使用することが出来たり、又薄膜化が容易な
ため、数ミクロンのものの作成が可能であり、原
材料や電力エネルギーが少なくて済み、且つ結晶
質半導体では困難であつた連続生産や大面積化も
可能であることなどから、近年各国に於いて精力
的に研究開発され、一部は実用に供されるまでに
なつている。

該非晶質シリコン半導体の形成方法としては、
デビツド・エミル・カーソンによるグロー放電分
解法による非晶質シリコンの製造方法（特開昭52
−16990）が広く採用されているほかにスパツタ
リング法が提案されている。しかしながら、グロ
ー放電分解法及びスパツタリング法はともにシラ
ンガス又は水素もしくはアルゴンガスの数メート
ルから10^-2トール程度の比較的真空度の低い低圧
雰囲気中に於けるプラズマを利用しているため、
形成されるシリコン膜の膜質が悪くなつたり、
又、プラズマ制御の困難性から生ずる物性上のバ
ラツキや不均一性が生じる等の難点を有し、廉価
な太陽電池を大面積で連続生産するには、未だ解
決しなければならない問題点を多く残していた。

本発明は上記グロー放電法及びスパツタリング
法による非晶質シリコン薄膜半導体の製造方法に
於ける問題点を解消して、とくに太陽電池として
品質のすぐれた非晶質シリコン薄膜半導体を連続
的に生産出来、しかも大面積化が可能な薄膜半導
体の製造方法を提供することを目的としてなされ
たものである。

すなわち本発明の要旨は、10^-5トール以下の高
真空に排気された真空容器内に、８×10^-4トール
から１×10^-5トールの範囲の分圧を有する様に、
水素ガス、水素とジボランとの混合ガス、及び水
素とホスフインとの混合ガスからなる群から選ば
れたガスを導入し、該導入されたガスと、シリコ
ンを加熱蒸発することにより得られるシリコン単
原子とに加速電子を衝突させて電離若しくは解離
させ、かくして生成したガスイオン及びシリコン
イオンに電界効果により高エネルギーを付与させ
て電極基板上に射突させて非晶質シリコンからな
る薄膜を形成することを特徴とする薄膜半導体の
製造方法に存する。

以下図面を参照しながら本発明の薄膜半導体の
製造方法について説明する。

第１図は本発明方法で製造された薄膜半導体が
用いられた太陽電池の一例を示す断面図で該電池
はシヨツトキーバリア型のものであり、図中１は
基材であり、該基材としては例えば、ポリ塩化ビ
ニル、ポリフツ化ビニル、酢酸セルロース、ポリ
エチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタ
レート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカ
ーボネート、ポリイミド、ポリエーテルサルフオ
ン、ポリバラバン酸等の高分子材料、ガラス、磁
器、陶器等のセラミツク材料或いはアルミニウ
ム、ステンレススチール等の金属材料などのフイ
ルム状物又は薄板状物から構成される。２は基板
端子電極であり、該基板端子電極２はその上に形
成される薄膜半導体層３に対してオーミツクコン
タクトが得られるような金属材料で形成されてお
り、該形成は通常金属蒸着の手法によつて行われ
る。

そして上記金属材料としては、その上に形成さ
れる薄膜半導体層３がＰ型非晶質シリコンである
場合は、アルミニウム又はインジウムなどを含む
金属材料が好ましく、又ｎ型非晶質シリコンの場
合は、アンチモンを含む金属材料であるのが好ま
しい。上記基材１と基板端子電極２とにより電極
基板が形成される。薄膜半導体層３は本発明方法
により形成される非晶質シリコンよりなる層であ
り、該層はｎ型若しくはＰ型半導体となされるか
若しくは、真性半導体、ｎ型半導体及びＰ型半導
体の三者の中の二者以上が適宜組合わされて積層
されたものである。

薄膜半導体層３をｎ型のものとするには本発明
方法において導入するガスとして水素とホスフイ
ンからなる混合ガスを用いればよく、Ｐ型のもの
とするには水素とジボランとの混合ガスを用いれ
ばよく、又真性半導体とするには導入ガスとして
水素のみを用いればよい。又、本発明において導
入ガスを逐次切換えることにより、使用した導入
ガスの種類に対応した２種以上の型の半導体層が
積層された積層半導体層を得ることが出来る。

又、薄膜半導体層３の厚さは数千オングストロ
ームから数ミクロンのオーダーの範囲とするのが
好ましい。

次に第１図において４は薄膜半導体層３との間
でシヨツトキーバリアを形成する金属薄膜であ
り、該薄膜４は100オングストロームから数ミク
ロンの範囲の厚さに蒸着されて形成されるのがよ
い。そして該薄膜４を構成する金属材料としては
金やクロム等が好適である。金属薄膜４上にはク
シ形又は線状等の構造の電流収集用の対向端子電
極５が配置されており、又、６は必要に応じて最
上層に蒸着形成などによつて設けられてもよい反
射防止膜である。

本発明で製造された薄膜半導体の太陽電池への
適用例として第１図を示したが、これに限定され
ることはなく他の形式の太陽電池に適用すること
も可能である。

次に、本発明方法を実施するための装置の一例
を示す第２図にもとづいて説明するに、 第２図に示される装置においては、 真空槽１１内の真空室１２は排気口１３に連結
される排気系装置（油回転ポンプ、油拡散ポンプ
等で構成されているが、図示されていない）によ
つて１×10^-7トールまでの高真空に排気されるこ
とが可能になされており、そして真空室１２には
電子ビーム蒸発源１４（電源回路等は図示されて
いない）邪魔板１５、ループ状のガス導入管１
６、電子発生装置１７、基板ホルダー１８、及び
それに取り付けられた電極基板１９が設置されて
おり、更に真空槽１１の外方には、装置を動作さ
せるための電源２０〜２２とその回路、ループ状
ガス導入管１６にバルブ２６〜２９によつて切換
及び流量調節可能に接続された水素、ジボラン、
ホスフインがそれぞれ充填されたボンベ２３，２
４，２５が設置されている。

本発明にもとずいて薄膜半導体を製造するに
は、第２図に示す様に電極基板１９を基板ホルダ
ー１８に配置し、電子ビーム蒸発源１４のルツボ
１４１に多結晶シリコンを供給し、次いで排気口
１３から排気系装置によつて排気を行なつて真空
室によつて排気を行なつて真空室１２を１×10^-7
トールよりも高度の高真空となし、真空度が安定
したところでガス導入管１６よりバルブ２６〜２
９を調節しながら、水素、水素とジボランとの混
合ガス、又は水素とホスフインとの混合ガスの３
者のうちのいずれかを分圧が８×10^-4トールから
１×10^-5トールの範囲になる様に導入する。

上記導入されるガスの種類については、目的と
する半導体の種類によつて選択される。

なお、混合ガスの場合は水素分圧対ジボラン又
はホスフイン分圧の割合が１：0.05〜３となる様
にするのが好ましい。次いで電子ビーム蒸発源１
４を動作させてルツボ１４１内のシリコンを蒸気
化させ、該シリコンの原子状粒子と導入された水
素又は混合ガスを電子発生装置１７からの高速電
子により衝突電離若しくは解離せしめてイオン化
させる。

なお、電子発生装置１７はフイラメント１７
１、メツシユ状電極１７２及びガート電極１７３
から構成されており、本実施例では電源２１によ
り−600Vの直流電位を与えられたフイラメント
１７１に、電極２０により10V、30Aの交流電流
を通電し加熱せしめ熱電子を発生させると共にメ
ツシユ状電極１７２を接地することにより上記熱
電子を電界加速させて高速電子を発生する様にな
されている。

前記によりイオン化されたガスイオン及びシリ
コンイオンに対し、基板ホルダー１８に電源２２
により負の直流高電圧を印加することで高エネル
ギーを付与し、電極基板１９表面に入射せしめ、
かくして薄膜半導体である非晶質のシリコン薄膜
を形成させるのである。

しかして本発明における高エネルギーとして
は、運動エネルギーが常温に於て10eVから8KeV
までの範囲のものが好適であり、この様な高エネ
ルギーが付与されたシリコンイオン及びガスイオ
ンが基板１９表面に入射されることにより、半導
体としての性能を有する非晶質のシリコン薄膜が
形成されるのである。又、高エネルギーを付与す
るために基板ホルダー１８に印加される負の直流
電圧は次式を満足するのがよい。

0.01≦｜Va｜≦10.0−１／８４TS （但し、Vaは印加される負の直流電圧（KV）、
TSは基板温度（〓）である。） 本発明の薄膜半導体の製造方法は上述の通りの
方法であり、高真空の条件下でシリコンイオン及
び特定のガスイオンに高エネルギーを付与させて
電極基板状に射突させることにより非晶質シリコ
ンからなる薄膜を形成させることにより、特に太
陽電池としてすぐれた性質の半導体を高品質で簡
単にしかも連続的に得ることが出来、さらに大面
積化も容易なるものである。又、導入ガスの種類
を選択することによつて、ｎ型、Ｐ型等の半導体
を自在に作り分けることが出来、異なつたタイプ
の半導体が積層された積層タイプの半導体を製造
することも簡単に出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法で製造された薄膜半導体
が用いられた太陽電池の一例を示す断面図、第２
図は本発明方法を実施するための装置の一例を示
す説明図である。 １……基材、２……基板端子電極、３……薄膜
半導体層、４……金属薄膜、５……対向端子電
極、６……反射防止膜、１２……真空室、１４…
…電子ビーム蒸発源、１６……ループ状ガス導入
管、１７……電子発生装置、１８……基板ホルダ
ー、１９……電極基板、２０〜２２……電源、２
３〜２５……ボンベ、２６〜２９……バルブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 10^-5トール以下の高真空に排気された真空容
   器内に、８×10^-4トールから１×10^-5トールの範
   囲の分圧を有する様に、水素ガス、水素とジボラ
   ンとの混合ガス、及び水素とホスフインとの混合
   ガスからなる群から選ばれたガスを導入し、該導
   入されたガスと、シリコンを加熱蒸発することに
   より得られるシリコン単原子とに加速電子を衝突
   させて電離若しくは解離させ、かくして生成した
   ガスイオン及びシリコンイオンに電界効果により
   高エネルギーを付与させて電極基板上に射突させ
   て非晶質シリコンから成る薄膜を形成することを
   特徴とする薄膜半導体の製造方法。 ２ ガスイオン及びシリコンイオンに付与される
   高エネルギーが10eVから8KeVの範囲である第１
   項記載の薄膜半導体の製造方法。