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JPS6316616A - Silicon thin film and manufacture of the same - Google Patents

Silicon thin film and manufacture of the same

Info

Publication number
JPS6316616A
JPS6316616A JP61089004A JP8900486A JPS6316616A JP S6316616 A JPS6316616 A JP S6316616A JP 61089004 A JP61089004 A JP 61089004A JP 8900486 A JP8900486 A JP 8900486A JP S6316616 A JPS6316616 A JP S6316616A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
silicon thin
silicon
hydrogen
present
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP61089004A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigeru Iijima
茂 飯島
Kazunobu Tanaka
田中 一宜
Akihisa Matsuda
彰久 松田
Mitsuo Matsumura
松村 光雄
Hideo Yamamoto
英雄 山本
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.)
Tonen General Sekiyu KK
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Toa Nenryo Kogyyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology, Toa Nenryo Kogyyo KK filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP61089004A priority Critical patent/JPS6316616A/en
Publication of JPS6316616A publication Critical patent/JPS6316616A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a small electric resistance and a sufficiently large optical forbidden band width of a silicon thin film which is mostly made of silicon atoms and contains at least one type of element among fluorine, chlorine, bromine, iodine and hydrogen by mingling fine crystal particles in an amorphous layer. CONSTITUTION:The silicon thin film of the present invention is a silicon thin film which is mostly made of silicon atoms and contains at least one type of element selected from among fluorine, chlorine, bromine, iodine and hydrogen and an impurity element and the regularity of its atomic arrangement has a specific feature that fine crystal parts are mingled and dispersed in an amorphous layer. When the thin film is manufactured, a system is operated by a main valve 10 and a predetermined pressure is maintained while the degree of vacuum in a vacuum container 9 is being monitored by a vacuum gauge 11. A radio frequency voltage is applied between electrodes 13 and 13' by a radio frequency oscillator 12 to generate a glow discharge. A substrate 15 is placed on a table heated by a heater 14 and is heated to a predetermined temperature by the heater and a doped silicon hydride thin film is formed on the substrate 15.

Description

【発明の詳細な説明】 3、   ・ なう 本発明は、シリコン薄膜およびその製造方法に関し、さ
らに詳しく述べると、任意の基板上にプラズマ雰囲気下
で成膜した低抵抗のシリコン薄膜およびその製造方法に
関する。
[Detailed Description of the Invention] 3. The present invention relates to a silicon thin film and a method for producing the same, and more specifically, a low resistance silicon thin film formed on an arbitrary substrate in a plasma atmosphere and a method for producing the same. Regarding.

シランSiH+にドーパントガスを混合したものを原料
ガスとし、プラズマ雰囲気下で任意の基板上にシリコン
薄膜を製造する方法は周知である。従来のこの種の方法
で成膜したシリコン薄膜は完全な非晶質である。非晶質
膜については、そのX線回折像はハローパターンを示し
、そしてこの非晶質のシリコン薄膜半導体の電気伝導度
は。
A method of manufacturing a silicon thin film on an arbitrary substrate in a plasma atmosphere using a mixture of silane SiH+ and a dopant gas as a raw material gas is well known. The silicon thin film formed by this type of conventional method is completely amorphous. For an amorphous film, its X-ray diffraction pattern shows a halo pattern, and the electrical conductivity of this amorphous silicon thin film semiconductor is.

N型膜で最大1O−2Ω−1Cs−1程度、P型膜で1
0−3Ω−1c m−1程度であり、電気伝導度の温度
依存性より求めた活性化エネルギーも、P覆膜およびN
型膜ともに0.2eV程度とかなり大きく、金属とのオ
ートミック性が良いフェルミ準位が十分に縮退したP+
型またはN+型膜になっているとはイ覧難い(例えばフ
イロソフイ力ル・マガジン(PHILOSOPHICA
L MAGAZINE) 33.935(1976)参
照)、特にP型膜の場合、高電気伝導度にすればするほ
ど光学的バンドギャップ(光学的禁制帯幅)が大幅に縮
まってくる(例えばフィジカル・レビ!−(PHYSI
CAL REVIEW ) 19.2041(1979
)参照)、このため、特に太陽電池を目的としたP−N
接合半導体素子あるいはP−I−N接合半導体素子を製
造した場合、2層膜についていえばPfi膜の光学的バ
ンドギャップが狭まるため、窓側2層から入射した光が
接合部の活性層(P/NまたはP/I界面)に到達する
前に2層で吸収されてしまうとともに、接合部がへテロ
接合となり、ポテンシャル障壁高さが低くなるため開放
端電圧が下がってしまう、他方Netについていえば、
金層とのオーミック接合が良くないと同時に直列抵抗が
高いためフィルファクター(効率の曲線因子)が下がっ
てしまう、これらのことは、結局、光のエネルギー変換
効率が低下することを意味する。
Maximum of about 1O-2Ω-1Cs-1 for N-type film, 1 for P-type film
0-3Ω-1cm-1, and the activation energy calculated from the temperature dependence of electrical conductivity is also
P+ with a sufficiently degenerate Fermi level that has a fairly large value of about 0.2 eV for both type films and has good atomic properties with metals.
It is difficult to see that it is a type or N+ type film (for example, PHILOSOPHICA
(Refer to L MAGAZINE) 33.935 (1976)), especially in the case of P-type films, the higher the electrical conductivity, the more the optical bandgap (optical forbidden band width) narrows (for example, physical !-(PHYSI
CAL REVIEW ) 19.2041 (1979
), therefore, P-N especially intended for solar cells.
When manufacturing a junction semiconductor device or a P-I-N junction semiconductor device, the optical bandgap of the Pfi film narrows when it comes to two-layer films, so light incident from the two window-side layers is absorbed into the active layer (P/I-N junction semiconductor device) at the junction. Before reaching the N or P/I interface, it is absorbed by the two layers, and the junction becomes a heterojunction, which lowers the potential barrier height and lowers the open circuit voltage.On the other hand, regarding Net ,
The fill factor (fill factor of efficiency) decreases due to poor ohmic contact with the gold layer and high series resistance, which ultimately means that the light energy conversion efficiency decreases.

一方、シランS i H4のCV D (Cheaic
al Yapor Deposition)iによる多
結晶薄膜は、電気伝導度は高いものの光学的バンドギャ
ップ(光学的禁制帯幅)は1.2eV程度であり、太陽
スペクトルに十分適合していない、また、存在する結晶
粒塊界面が電子正孔対の再結合点となるばかりでなく、
電流漏洩の原因ともなる。
On the other hand, the CV D (Cheaic
Although the polycrystalline thin film produced by Al Yapor Deposition)i has high electrical conductivity, its optical bandgap (optical forbidden band width) is about 1.2 eV, which is not well suited to the solar spectrum, and the existing crystal The grain interface not only serves as a recombination point for electron-hole pairs, but also
It also causes current leakage.

それゆえ1本発明の目的は、前述の欠点を除去し、電気
抵抗が小さく、光学的バンドギャップ(光学的禁制帯幅
)が十分大きく、非晶質シリコン薄膜の長所と多結晶シ
リコン薄膜の長所を併有したようなシリコン薄膜を提供
することである。
Therefore, an object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, have a low electrical resistance, a sufficiently large optical bandgap (optical forbidden band width), and achieve the advantages of an amorphous silicon thin film and a polycrystalline silicon thin film. It is an object of the present invention to provide a silicon thin film having the following properties.

本発明の他の目的は、特定の範囲の結晶粒子を有し、電
気伝導度が大きく、かつ光学的バンドギャップ(光学的
禁制帯幅)の大きいシリコン薄膜を提供することである
Another object of the present invention is to provide a silicon thin film that has crystal grains in a specific range, has high electrical conductivity, and has a large optical bandgap (optical forbidden band width).

本発明の他の目的は、従来製造困難であった電気伝導度
が大きく、かつ光学的バンドギャップ(光学的禁制帯幅
)が大きく、しかもドーピング効果の優れたP型シリコ
ン薄膜を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a P-type silicon thin film that has high electrical conductivity, a large optical bandgap (optical forbidden band width), and excellent doping effect, which has been difficult to manufacture in the past. be.

本発明のさらに他の目的は、従来製造困難であった電気
伝導度が大きく、かつドーピング効果の優れたN型シリ
コン薄膜を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide an N-type silicon thin film with high electrical conductivity and excellent doping effect, which has been difficult to manufacture in the past.

本発明のさらに他の目的は、任意の基板上に、プラズマ
雰囲気下で低抵抗で光学的バンドギャップ(光学的禁制
帯幅)の大きいシリコン薄膜を製造する方法を提供する
ことである。
Still another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon thin film with low resistance and a large optical bandgap (optical forbidden band width) on any substrate in a plasma atmosphere.

本発明のシリコン薄膜は、フッ素、!!!素、臭素、沃
素および水素の群から選択された少なくとも一種の元素
ならびに不純物元素を含有して大部分がシリコン原子か
らなるシリコン薄膜であるが、その原子配列の規則性、
すなわち薄膜構造に大きな特徴があり、非・品質の層の
中に微結晶部分が混在分散していることが顕著な特徴で
ある。
The silicon thin film of the present invention contains fluorine! ! ! A silicon thin film containing at least one element selected from the group consisting of bromine, bromine, iodine and hydrogen and an impurity element and consisting mostly of silicon atoms, the regularity of its atomic arrangement;
In other words, the thin film structure has a significant feature, and a notable feature is that microcrystalline portions are mixed and dispersed in the non-quality layer.

すなわち、X線回折を行なうと1通常のプラズマ雰囲気
下で製造した非晶質シリコン薄膜は、幅広いなだらかな
ハローパターンを有し、シャープなピークが認められな
い一スペクトルを示し、他方、化学蒸着および高温アニ
ール等で製造した多結晶シリコン薄膜は、シリコンの結
晶格子に由来する明確な強いピークを有するスペクトル
を示す、それに比べて、本発明のシリコンl1iWAは
、ハローパターンの上にシリコン結晶格子に由来すると
推定される微弱なピークを5i(111)または5i(
220)の近傍に示す、本発明のシリコン薄膜中の微結
晶の平均粒径は、前述のピークの半値幅からシェラ−(
5cherrer)の式を用いて計算することができ、
約30大以上約500X以下である。との粒径範囲の微
結晶は、通常の太陽光の波長域では光学上阻害物となる
ことがなく、かつ電気伝導度を上昇させ得るごとき範囲
のものである。
That is, when X-ray diffraction is performed, an amorphous silicon thin film produced in a normal plasma atmosphere exhibits a spectrum with a wide gentle halo pattern and no sharp peaks; A polycrystalline silicon thin film produced by high-temperature annealing etc. shows a spectrum with clear strong peaks originating from the silicon crystal lattice.In comparison, the silicon l1iWA of the present invention has a spectrum originating from the silicon crystal lattice on the halo pattern. Then, the estimated weak peak is expressed as 5i (111) or 5i (
The average grain size of the microcrystals in the silicon thin film of the present invention, shown in the vicinity of 220), is determined by Scherer (
It can be calculated using the formula of
It is about 30 or more and about 500X or less. The microcrystals having a particle size in the range of 2 and 3 are in a range that does not become an optical hindrance in the wavelength range of normal sunlight and can increase electrical conductivity.

本発明のシリコン薄膜においては、前述のごとく非晶質
層中に微細な結晶粒が存在することが、以下に説明する
非晶質としてのシリコン薄膜の長所、すなわち、光学的
バンドギャップ(光学的禁制帯幅)を十分大きく保持し
ていること、および多結晶シリコン薄膜の長所、すなわ
ち電気伝導度が著しく大きいことを合わせ保有すること
に密接に作用しているものと推定される。
In the silicon thin film of the present invention, the presence of fine crystal grains in the amorphous layer as described above is an advantage of the silicon thin film as an amorphous material, which will be explained below, that is, the optical band gap (optical It is presumed that this is closely related to maintaining a sufficiently large forbidden band width and the advantage of a polycrystalline silicon thin film, that is, extremely high electrical conductivity.

本発明のシリコン薄膜において、ドーピングされる不純
物元素として種々のものが使用されるが、それがリン、
ヒ素等の元素周期律表第V族の場合は、N型半導体の特
性を有するシリコン薄膜が得られ、他方、ホウ素、アル
ミニウム等の元素周期律表第m族の場合は、P型半導体
の特性を有するシリコン薄膜が得られる。前者のシリコ
ン薄膜は、電気伝導度が約10−1Ω−’am−’ 〜
10゜Ω−’cm−’に達することが、他方、後者は、
約10−2Ω−’Cm−””約10−10−’cm−’
t、=達することが特徴である。同様のドーピングにお
いて、電気伝導度の活性化エネルギが約0.2eVより
央小さくなり、多くは、約0.1eV以下となり。
In the silicon thin film of the present invention, various impurity elements are used for doping, including phosphorus,
In the case of elements belonging to Group V of the periodic table, such as arsenic, a silicon thin film having the characteristics of an N-type semiconductor is obtained, while in the case of elements belonging to Group M of the periodic table, such as boron and aluminum, the characteristics of a P-type semiconductor are obtained. A silicon thin film having the following properties is obtained. The former silicon thin film has an electrical conductivity of about 10-1 Ω-'am-'
On the other hand, the latter can reach 10°Ω-'cm-'.
Approximately 10-2Ω-'Cm-''''Approx. 10-10-'cm-'
It is characterized by reaching t,=. For similar doping, the activation energy for electrical conductivity is less than about 0.2 eV, and often less than about 0.1 eV.

ドーピング効率が良く、7工ルミ準位が十分に縮退し、
金属とのオーミック接合性の優れたNfiおよびP型シ
リコン薄膜が得られることも特徴である。また、本発明
のシリコン薄膜は、N型、P型ともに、ドーピングによ
っても光学的バンドギャップ(光学的禁制帯幅)が十分
大きく保持されており、多結品質の約1.2eVに比べ
、約1−3eV〜約1.8eVとかなり大きい値を有し
、また、特にP型薄膜においては、従来得られなかった
高電気伝導度と光学的バンドギャップ(光学的禁制帯幅
)の優れた特性を同時に有するものである。これらの効
果も1本発明のシリコン薄膜が、完全な非晶質でなく、
完全な多結晶でもない新規な結晶構造のシリコン薄膜で
あることを証するものである。
The doping efficiency is good, the 7-luminium level is sufficiently degenerated,
Another feature is that Nfi and P-type silicon thin films with excellent ohmic contact with metal can be obtained. In addition, the silicon thin film of the present invention maintains a sufficiently large optical band gap (optical forbidden band width) even through doping for both N-type and P-type, and has a polycrystalline quality of about 1.2 eV, which is approximately It has a fairly large value of 1-3 eV to about 1.8 eV, and it also has excellent characteristics of high electrical conductivity and optical bandgap (optical forbidden band width), which were previously unobtainable, especially in P-type thin films. It has at the same time. One of these effects is that the silicon thin film of the present invention is not completely amorphous,
This proves that this is a silicon thin film with a new crystal structure that is not completely polycrystalline.

次に、本発明のシリコン薄膜の製造方法について述べる
と、まず、シランSiH,またはハロゲン化シランS 
i H6−3X4−1(X:ハロゲン元素)のいずれか
、またはその21!以上の混合ガスをヘリウム、アルゴ
ン等の希ガスまたは水素ガスで約1=1より大きい高割
合で希釈したものにドーパントガスが所定の割合で混合
されるが、この混合希釈の順序は特に限定されるもので
はない、この混合ガスに約0.2W/crn’より大き
いプラズマ放電電力密度の電力を投入してプラズマ状態
とし、その中におかれた基板(ガラス、プラスチックま
たは金属等)上に成膜すれば、ドーパントである不純物
原子が効果的に4配位でシリコンネットワーク内に組み
込まれ、光学的バンドギャップ(光学的禁制帯幅)を狭
めることなく高電気伝導度のシリコン薄膜が形成される
。こ−でシランSiHヰを水素または希ガスで高割合で
希釈する目的は、通常成膜時に大電力を投入したときに
は、シランSiH+の分解が促進されて成膜速度が大き
くなるため、ドーパントである不純物が効率良く4配位
でシリコンネットワーク中に入り難くなる。そこで、大
電力を投入しても成膜速度が太きくならないように(望
ましくは4ス/ S e C以下)シランSiHヰを水
素または希ガスで希釈するのである。このような条件で
製造した膜のX線回折像は、微結晶粒が非晶質の中に混
在していることが観測され、そしてこのような微細な結
晶粒の存在が、非晶質としての膜の光学的特性を賦与し
ながら電気抵抗を著しく低下させているものと推定され
る。か\る微結晶粒の粒子径は、X線回折像によれば約
30ス〜約500大の範囲のものである。
Next, the method for manufacturing a silicon thin film of the present invention will be described. First, silane SiH or halogenated silane S
i H6-3X4-1 (X: halogen element) or 21! The above mixed gas is diluted with a rare gas such as helium, argon, or hydrogen gas at a high ratio of about 1 = 1, and the dopant gas is mixed at a predetermined ratio, but the order of this mixed dilution is not particularly limited. This mixed gas is heated with a plasma discharge power density of more than about 0.2 W/crn' to bring it into a plasma state, and then the gas is formed on a substrate (glass, plastic, metal, etc.) placed therein. Once formed, the dopant impurity atoms are effectively incorporated into the silicon network in a four-coordinate manner, forming a silicon thin film with high electrical conductivity without narrowing the optical bandgap (optical forbidden band width). . The purpose of diluting silane SiH with a high proportion of hydrogen or rare gas is that normally when a large amount of power is applied during film formation, the decomposition of silane SiH+ will be accelerated and the film formation rate will increase. Impurities are effectively 4-coordinated and difficult to enter the silicon network. Therefore, the silane SiH is diluted with hydrogen or a rare gas so that the film formation rate does not increase (desirably 4 S/S e C or less) even when a large amount of power is applied. In the X-ray diffraction image of the film produced under these conditions, it was observed that microcrystalline grains were mixed in with the amorphous material, and the presence of such microcrystalline grains caused the film to appear as amorphous. It is presumed that the electrical resistance is significantly lowered while imparting the optical properties of the film. The particle diameter of such microcrystalline grains is in the range of about 30 to about 500, according to an X-ray diffraction image.

以下図面を参照して、本発明によるシリコン薄膜の諸特
性および当該シリコン薄膜の製造方法の実施例について
説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Examples of the characteristics of the silicon thin film and the method for manufacturing the silicon thin film according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図において、混合容器1を含めた全装置系を油回転
ポンプ2および油拡散ポンプ3を使って約10−’to
rrの真空度まで真空にし、つぎにシランポンベ4およ
び水素ポンベ5.さらにドーパントガスポンベ6または
7よりガスを混合容器lに所要の割合で導入し、混合す
る。混合されたガスを流量計8を通して真空容器9中に
一定流量で導入する。メインバルブlOで操作して真空
容器9中の真空度を真空計11で監視しながら所要の圧
力に維持する。高周波発振器12で電極13および13
′間に高周波電圧を印加してグロー放電を発生させる。
In FIG. 1, the entire equipment system including the mixing vessel 1 is pumped approximately 10-'to
Vacuum to the vacuum degree of rr, then silane pump 4 and hydrogen pump 5. Further, gas is introduced into the mixing container 1 at a required ratio from the dopant gas pump 6 or 7 and mixed. The mixed gas is introduced into the vacuum vessel 9 through the flow meter 8 at a constant flow rate. The main valve IO is operated to maintain the required pressure while monitoring the degree of vacuum in the vacuum container 9 with a vacuum gauge 11. High frequency oscillator 12 with electrodes 13 and 13
A high-frequency voltage is applied between ′ to generate glow discharge.

基板15はヒーター14で加熱された基台上に載置され
、ヒーターで所要の温度に加熱されており、この基板1
5上にドープされた水素化シリコン薄膜が成膜される。
The substrate 15 is placed on a base heated by the heater 14 and heated to a required temperature by the heater.
A thin film of doped hydrogenated silicon is deposited over 5.

if表に本発明による製造方法の実施例および生成され
た膜の特性を従来の製造法との対比においてまとめた。
The if table summarizes examples of the manufacturing method according to the present invention and the characteristics of the produced films in comparison with conventional manufacturing methods.

この表で、No、1〜No、3は従来の方法により製造
したP型シリコン薄膜であり、それについての成膜条件
と膜特性が示されている。No、4およびNo、5が本
発明により製造したP型シ−リコン薄膜の実施例である
。このNO64およびN005においては、SiH4が
水素ガスで30倍に希釈され、O、aWおよび1.6W
の高電力がそれぞれ投入されている。No、6〜No、
9およびNo、11は従来の方法により製造したN型シ
リコン薄膜であり、No、10およびNo、12が本発
明により製造したN型シリコン薄膜の実施例である。こ
のNo、10およびNo、12においては、SiH斗が
水素ガスによって10倍に希釈され、O,aWおよび1
.6Wの電力が投入されている。
In this table, No. 1 to No. 3 are P-type silicon thin films manufactured by the conventional method, and the film forming conditions and film characteristics thereof are shown. Examples No. 4 and No. 5 are examples of P-type silicone thin films manufactured according to the present invention. In NO64 and N005, SiH4 is diluted 30 times with hydrogen gas, O, aW and 1.6W.
High power is applied to each. No, 6~No,
9 and No. 11 are N-type silicon thin films manufactured by a conventional method, and No. 10 and No. 12 are examples of N-type silicon thin films manufactured according to the present invention. In No. 10 and No. 12, SiH diluted 10 times with hydrogen gas, O, aW and 1
.. 6W power is applied.

第2図は、本発明よりなるシリコン薄膜の電気伝導度を
ドーパントガス濃度の関数として示すものである。第2
図中曲線16および17は従来の製造方法によるもので
、陰極側プラズマ放電電力密度(投入プラズマ放1!電
力/陰極側電極面積)にして約0.IW/cゴで成膜し
たときのP型およびN型シリコン薄膜の電気伝導度を示
す0点18.19は、本発明よりなるP型シリコン薄膜
の電気伝導度で、成膜条件は、シランSiHヰを水素で
30倍に希釈し、すなわちSiH4:H2=1:30の
混合ガスを用い、ドーパントとしてジポランB、Hbを
SiH+に対して2%(体積基準)混合したものを原料
ガスとして、プラズマ放″7ft電力密度をそれぞれ0
.8W/crn’およびl。
FIG. 2 shows the electrical conductivity of a silicon thin film according to the invention as a function of dopant gas concentration. Second
Curves 16 and 17 in the figure are based on the conventional manufacturing method, and the cathode side plasma discharge power density (input plasma discharge 1! power/cathode side electrode area) is approximately 0. The 0 point 18.19, which indicates the electrical conductivity of P-type and N-type silicon thin films when deposited using IW/c, is the electrical conductivity of the P-type silicon thin film according to the present invention, and the deposition conditions were silane. Dilute SiH 30 times with hydrogen, that is, use a mixed gas of SiH4:H2 = 1:30, and use a mixture of Diporane B and Hb as dopants at 2% (volume basis) with respect to SiH + as a raw material gas, Plasma emission"7ft power density 0 respectively
.. 8W/crn' and l.

6 W / c rrr′としたものである0点20.
21は本発明よりなるN型シリコン薄膜の電気伝導度で
6 W/c rrr' 0 points 20.
21 is the electrical conductivity of the N-type silicon thin film according to the present invention.

成膜条件は、シランを水素で10倍に希釈し、すなわち
SiH+  :H2=1 : 10の混合ガスを用い、
ドーパントとして点20は五フッ化リンPF5を1%(
体積基準)混合したもの1点21はホスフィンPH3を
4500ppm(体積基樅)混合したものを原料ガスと
し、電力密度をそれぞれ0.8W/crrI′および1
.6W/crn’としたものである。第2図から、本発
明のシリコン薄膜の電気伝導度が従来の製造法によるも
のに比べ少なくとも2桁高くなっていることが分る。
The film formation conditions were as follows: silane was diluted 10 times with hydrogen, using a mixed gas of SiH+:H2=1:10.
As a dopant, point 20 contains 1% phosphorus pentafluoride PF5 (
For point 21, a mixture of 4500 ppm (volume basis) of phosphine PH3 was used as the raw material gas, and the power density was 0.8 W/crrI' and 1, respectively.
.. 6W/crn'. It can be seen from FIG. 2 that the electrical conductivity of the silicon thin film of the present invention is at least two orders of magnitude higher than that produced by the conventional manufacturing method.

第3図は、本発明のシリコン薄膜の電気伝導度の活性化
エネルギーをドーパントガス濃度の関数として示すもの
である。第3図中曲線22.23は従来の製造方法によ
るもので、第2図の曲線16.17に対応するものであ
る0点24.25゜26および27は本発明によるもの
で、成膜条件は、それぞれ第2図中の点18,19.2
0および21に対応する。第3図は1本発明のシリコン
薄膜の電気伝導度の活性化エネルギーが十分小さく、金
属とのオーミック性の良いフェルミ準位が縮退したP+
型またはN+型膜であることを証明している。
FIG. 3 shows the activation energy of electrical conductivity of a silicon thin film of the present invention as a function of dopant gas concentration. Curves 22.23 in FIG. 3 are based on the conventional manufacturing method, and points 24.25, 26 and 27, which correspond to curves 16.17 in FIG. 2, are based on the present invention. are points 18 and 19.2 in Figure 2, respectively.
Corresponds to 0 and 21. Figure 3 shows 1. The activation energy of the electrical conductivity of the silicon thin film of the present invention is sufficiently small, and the Fermi level with good ohmic properties with metal is degenerated.
This proves that it is a type or N+ type film.

第4図は、本発明よりなるシリコン薄膜中のホウ素濃度
およびリン濃度をそれぞれSIMS法、EDMA法によ
り測定し、ドーパントガス濃度の関数として示すもので
ある。第4図中曲線2B。
FIG. 4 shows the boron concentration and phosphorus concentration in the silicon thin film according to the present invention measured by the SIMS method and the EDMA method, respectively, as a function of the dopant gas concentration. Curve 2B in Figure 4.

29は従来の製造法によるもので、第2図中の曲線16
.17に対応するものである6点30,31.32およ
び33は本発明によるもので、成膜条件はそれぞれ第2
図中の点1B、19.20および21に対応する。第4
図は1本発明よりなるシリコン薄膜中のホウ素濃度およ
びリン濃度が従来の製造方法で成膜したものに比べて少
ないことを示しており1本発明の物質がきわめて優れた
特性を有し、本発明による製造法がきわめてドーピング
効率の良い方法であることを証明している。
29 is produced by the conventional manufacturing method, and curve 16 in FIG.
.. Six points 30, 31, 32, and 33 corresponding to point 17 are according to the present invention, and the film forming conditions are the same as those of the second method.
Corresponds to points 1B, 19.20 and 21 in the figure. Fourth
The figure shows that the boron concentration and phosphorus concentration in the silicon thin film made by the present invention are lower than those formed by conventional manufacturing methods. It has been proven that the manufacturing method according to the invention is an extremely efficient method for doping.

第5図は、本発明よりなるP型シリコン薄膜の光学的バ
ンドギャップ(光学的禁制帯幅)をドーパントガス濃度
の関数として示した。ご覧で光学的バンドギャップ(光
学的禁制帯幅)は5T7α(hυ −Eo)より求めた
ものである。こ−で、αは光吸収係数、hυは入射光子
エネルギー(ev)、Eoは光学的バンドギャップ(光
学的禁制帯幅)である、第5図中の曲線34は従来の製
造法によるもので、第2図中の曲線16に対応したもの
であり、ホウ素濃度の増加とともに光学的バンドギャッ
プが減少していく、−力点35.36は本発明よりなる
シリコン膜についての測定値で、成膜条件はそれぞれ第
2図中の点18.19に対応している。第5図は、本発
明によるPy!1シリコン薄膜が、光学的バンドギャッ
プ(光学的禁制帯幅)が縮まることなく高電気伝導度を
有するということを示している。
FIG. 5 shows the optical bandgap (optical forbidden band width) of a P-type silicon thin film according to the present invention as a function of dopant gas concentration. As you can see, the optical bandgap (optical forbidden band width) was determined from 5T7α (hυ −Eo). Here, α is the optical absorption coefficient, hυ is the incident photon energy (ev), and Eo is the optical band gap (optical forbidden band width).Curve 34 in FIG. 5 is due to the conventional manufacturing method. , corresponds to curve 16 in FIG. 2, and the optical bandgap decreases as the boron concentration increases. - Point 35.36 is the measured value for the silicon film of the present invention, The conditions correspond to points 18 and 19 in FIG. 2, respectively. FIG. 5 shows Py! according to the present invention! 1 silicon thin film has high electrical conductivity without narrowing the optical bandgap (optical forbidden band width).

第6図゛は、本発明によるシリコン薄膜(膜厚的lpm
)のX線(CuKα)回折像の一例である。
FIG. 6 shows a silicon thin film (film thickness lpm) according to the present invention.
) is an example of an X-ray (CuKα) diffraction image.

図中の曲線37は本発明よりなる試料の代表例であり、
5i(ill)および5t(220)付近にピークが観
測される。このピークの半値幅より結晶粒径を推算する
と、約100X程度と計算される。他方、第6図中の曲
線38は、従来の方法により製造したシリコン薄膜であ
り、曲線37のようなピークは観測されない、なお1図
中のハローパターンは基板に用いたガラスからのもので
、非晶質シリコン薄膜からのハローパターンは、膜が薄
いためはっきりとは観測されていない。
Curve 37 in the figure is a representative example of a sample made of the present invention,
Peaks are observed near 5i (ill) and 5t (220). Estimating the crystal grain size from the half width of this peak, it is calculated to be about 100X. On the other hand, curve 38 in FIG. 6 is a silicon thin film manufactured by a conventional method, and no peaks like curve 37 are observed.The halo pattern in FIG. 1 is from glass used as a substrate. The halo pattern from the amorphous silicon thin film is not clearly observed because the film is thin.

以上説明のように1本発明によればドーピング効率が高
く、高電気伝導度を有するP型シリコン薄膜またはN型
シリコン薄膜を提供でき、その応用範囲はきわめて広く
、特にP型シリコン薄膜は、光学的バンドギャップ(光
学的禁制帯幅)を縮めることなく高導電性を有するもの
が得られるので、太陽電池等に用いるときわめて有用で
ある。それゆえ、本発明は電子産業に利用してその効果
はすこぶる大きい。
As explained above, according to the present invention, a P-type silicon thin film or an N-type silicon thin film having high doping efficiency and high electrical conductivity can be provided, and its application range is extremely wide.In particular, the P-type silicon thin film is suitable for optical It is extremely useful for use in solar cells and the like because it can provide high conductivity without reducing the optical bandgap (optical forbidden band width). Therefore, the present invention can be applied to the electronic industry with great effect.

4、      なτ 第1図は本発明のシリコン薄膜およびその製造方法を実
施する装置を示す概略線図、第2〜5図は本発明の、シ
リコン薄膜の緒特性を示すグラフ、第6図は本発明のシ
リコン薄膜のX線回折像を表わす線図である。
4. τ Fig. 1 is a schematic diagram showing the silicon thin film of the present invention and an apparatus for carrying out the manufacturing method thereof, Figs. 2 to 5 are graphs showing the characteristics of the silicon thin film of the present invention, and Fig. 6 is a FIG. 2 is a diagram showing an X-ray diffraction image of the silicon thin film of the present invention.

1:混合容器 2:油回転ポンプ 3:油拡散ポンプ 4ニジランボンベ 5:水素ボンベ 6.7:ドーパントガスポンベ 8:流量計 9:真空容器 lO:メインバルブ 11:真空計 12:高周波発振器 13.13′:電極 14:ヒータ 15:基 板 I!INの浄書(内容に変更なし) 第3図 B2H4/si H4PF5又はPH3/SiH4第5
図 1σ310−2 BzHs /Si H4 手続補正書(方式)
1: Mixing container 2: Oil rotary pump 3: Oil diffusion pump 4 Nijiran cylinder 5: Hydrogen cylinder 6.7: Dopant gas pump 8: Flow meter 9: Vacuum container IO: Main valve 11: Vacuum gauge 12: High frequency oscillator 13.13 ': Electrode 14: Heater 15: Substrate I! IN engraving (no change in content) Fig. 3 B2H4/si H4PF5 or PH3/SiH4 No. 5
Figure 1 σ310-2 BzHs /Si H4 procedural amendment (method)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)フッ素、塩素、臭素、沃素および水素の群から選択
された少なくとも1種の元素を含有し、大部分がシリコ
ン原子からなるシリコン薄膜であつて、非晶質層中に微
結晶粒が混在することを特徴とするシリコン薄膜。 2)前記シリコン薄膜の光学的バンドキャップ(光学的
禁制帯幅)が約1.3eV以上である特許請求の範囲第
1項記載のシリコン薄膜。 3)前記シリコン薄膜の電気伝導度の活性化エネルギが
約0.2eV以下である特許請求の範囲第1項又は第2
項記載のシリコン薄膜。 4)シランSiH_4またはハロゲン化シランSiH_
0_〜_3X_4_〜_1(X:ハロゲン元素)のいず
れか、又はその2種以上の混合ガスを原料ガスとしプラ
ズマ雰囲気下で任意の基板上にシリコン薄膜を製造する
方法において、成膜速度を十分に制御し結晶、非晶質混
合層を生成する目的で、前記混合ガスを、ヘリウム、ネ
オン、アルゴン等の希ガスまたは水素等で約1対1より
大きい割合で希釈するとともに、約0.2W/cm^2
以上のプラズマ放電電力密度の電力を投入しながら成膜
することを特徴とするシリコン薄膜の製造方法。
[Scope of Claims] 1) A silicon thin film containing at least one element selected from the group of fluorine, chlorine, bromine, iodine and hydrogen, the majority of which is composed of silicon atoms, in an amorphous layer. A silicon thin film characterized by a mixture of microcrystalline grains. 2) The silicon thin film according to claim 1, wherein the silicon thin film has an optical band gap (optical forbidden band width) of about 1.3 eV or more. 3) Claim 1 or 2, wherein the activation energy of the electrical conductivity of the silicon thin film is about 0.2 eV or less.
Silicon thin film described in Section 2. 4) Silane SiH_4 or halogenated silane SiH_
A method for producing a silicon thin film on any substrate in a plasma atmosphere using any one of 0_~_3X_4_~_1 (X: halogen element) or a mixture of two or more of them as a raw material gas, in which the film formation rate is sufficiently increased. For the purpose of controlling and producing a crystalline and amorphous mixed layer, the mixed gas is diluted with a rare gas such as helium, neon, argon, etc. or hydrogen in a ratio greater than about 1:1, and about 0.2 W/ cm^2
A method for producing a silicon thin film, characterized in that the film is formed while applying power with a plasma discharge power density of the above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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