JPH04372116A - 堆積膜形成方法 - Google Patents

堆積膜形成方法

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JPH04372116A
JPH04372116A JP15032391A JP15032391A JPH04372116A JP H04372116 A JPH04372116 A JP H04372116A JP 15032391 A JP15032391 A JP 15032391A JP 15032391 A JP15032391 A JP 15032391A JP H04372116 A JPH04372116 A JP H04372116A
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substrate
film
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forming
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Akira Sakai
明 酒井
Isamu Shimizu
勇 清水
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、機能性堆積膜、とりわ
けシリコンを含有する機能性膜、特に半導体デバイス、
TFT、画像入力用のラインセンサー及び太陽電池等の
光起電力素子に使用する堆積膜の形成に好適な堆積膜形
成方法に関する。
【0002】[従来技術の説明]従来の気相エピタキシ
ー技術は、主に水素還元法、熱分解法により形成されて
いる。まず水素還元法では最も良く用いられる原料ガス
はSiCl4であるが、常温では液体であるためバブラ
の中に入れ所定の温度に保持し、H2ガスを導入し、S
iCl4を含むH2ガスを高温の反応管内に導く。Si
Cl4の水素による還元反応により基板温度は1150
〜1300℃の条件下でエピタキシャル成長が可能であ
る。
【0003】熱分解法によるシリコンのエピタキシー技
術は、主としてSiH4の熱分解により水素還元法に比
べ低い温度、即ち900〜1200℃の範囲でエピタキ
シャル成長が可能である。いずれの方法においてもドー
ピングは気相中にドーパントガス、例えばPH3及びB
2H6などをH2などに希釈して反応管に導入するが、
急峻なP−N接合を形成するにはより低温でエピタキシ
ャル成長が可能な熱分解法が優れているが、さらにプロ
セス温度の低温化が切望されている状態である。また、
基体からのオートドーピングを防止するためにもプロセ
ス温度の低温化が望まれている。
【0004】また、結晶成長に関する古典的なモデルは
、コッセルによる基板表面の原子テラス上での飛来する
原子の拡散と、原子ステップでの吸着により成長機構が
説明されている。また、飛来する原子の拡散長が短かく
原子ステップに到達できない環境下では原子テラス上で
2次元核を生成し、この成長した2次元核同志の衝突に
より結晶粒界の発生が指摘されている。これは一般に欠
陥としてエピタキシャル成長膜の電気特性に悪影響を及
ぼし無欠陥の良質のエピタキシャル成長膜を得にくいの
が実状であった。
【0005】先に述べたプロセス温度の低温化とこの原
子ステップによる結晶成長を両立させるための一つの解
決として、成長環境をスーパー・クリーン化し清浄環境
下で飛来する分子及び原子の拡散を助長することで低温
プロセス(基体温度200℃〜300℃)による結晶成
長を実現している。
【0006】しかしながら、実際の結晶成長の堆積速度
は約1Å/Sと低い値に留まり、さらに成長環境のスー
パー・クリーン化に伴う、管理項目の増大、成膜装置の
高コスト化、超高純度原料ガス及びその他のプロセスガ
ス使用による大幅なコスト増加により、工業化には至っ
ていないのが実状である。
【0007】プロセス温度の低温化及び高い堆積速度を
確保できる特徴を有するものとしては、特開昭62−0
40717号公報に開示されているように、基体上に堆
積膜を形成するための成膜空間に、夫々、別々の活性化
空間で生成される堆積膜形成用の原料となる活性種と該
活性種と相互作用する原子状水素との化学反応により、
前記基体上に堆積膜を形成する方法が提案されている。 この方法においては、前記活性種と原子状水素の濃度を
適宜選ぶことにより、堆積膜の構造をアモルファスから
結晶まで制御可能である。
【0008】[発明の目的]本発明は上述した従来技術
の課題を解決すると同時に、低温エピタキシャル成長膜
の形成方法を提供するものである。また別の目的は、形
成される膜の特性,成膜速度,再現性の向上及び膜品質
の均一化を図りながら、膜の大面積化を容易に達成する
ことのできる結晶性堆積膜の形成方法を提供することに
ある。
【0009】[発明の構成]本発明者は、従来の化学気
相法による堆積膜形成法における諸問題を解決し、上述
の目的を達成すべく鋭意研究をつづけた結果完成せしめ
たものであり、その骨子とするところは、基体上に堆積
膜を形成するための成膜空間に、周期律表第IV族の元
素及びハロゲンを含む化合物ガス(A)を分解すること
により生成される活性種(A)と、該活性種(A)と化
学相互作用する活性種とを夫々別々に反応空間に導入し
て堆積膜を形成する方法であって、前記基体として、前
記堆積膜のホモエピタキシャル成長、または、ヘテロエ
ピタキシャル成長を可能とせしめる単結晶構造の基体で
あり、且つ、該基体の表面は(001)面が〈110〉
方向に傾斜し、該基体表面に原子ステップを有する傾斜
基体であることを特徴とする堆積膜形成方法であり、さ
らに、前記活性種(A)の流入方向と表面に原子ステッ
プを有する前記傾斜基体の傾斜方向より流入せしめるこ
とにより、原子テラス上での2次元核発生を抑制し、原
子ステップでの前記活性種(A)の反応を助長し、良好
なエピタキシャル成長を可能としたものである。
【0010】本発明において、周期律表第IV族の元素
とハロゲン原子とを含む化合物としては、たとえば鎖状
または環状水素化ケイ素化合物の水素原子の一部または
全部をハロゲン原子で置換した化合物が用いられ、具体
的には、たとえば、SiuY2u+2(uは1以上の整
数、YはF、Cl,BrおよびIより選択された元素で
ある)で示される鎖状ハロゲン化ケイ素、SivY2v
(vは3以上の整数、Yは前述の意味を有する)で示さ
れる環状ハロゲン化ケイ素、SiuHxYy(uおよび
Yは前述の意味を有し、x+y=2uまたは2u+2で
ある)で示される鎖状または環状化合物などが挙げられ
る。
【0011】具体的には、たとえばSiF4,(SiF
2)5,(SiF2)6,(SiF2)4,Si2F6
,Si3F8,Si4F10,SiHF3,SiH2F
2,SiH3F,SiCl4,(SiCl2)5,Si
Br4,(SiBr2)5,Si2Cl6,Si3Cl
8,Si2Br6,Si3Br8,SiHCl3,Si
H2Cl2,SiHBr3,SiH2Br2,SiHI
3,SiH2I2,SiH3F3,SiCl3F3など
の、常温でガス状の、または容易にガス化し得るものが
挙げられる。これらシリコン原子を含む化合物は1種で
用いても、あるいは2種以上を併用してもよい。これら
の原料となる気体をガス(A)と記す。
【0012】本発明で用いられる活性種は、水素ガスお
よび/またはハロゲン化合物(たとえばF2ガス、Cl
2ガス、ガス化したBr2、I2など)が有利に用いら
れる。またこれらのガスに加えて、たとえばヘリウム、
アルゴン、ネオンなどの不活性ガスを用いることもでき
る。これら活性種の複数を用いる場合には、予めこれら
のガスを混合して活性化させてから前駆体と会合させて
も良いし、あるいはそれぞれ独立に複数のガスを活性化
させて前駆体を会合させることもできる。これらの活性
種の原料となる気体をガス(B)と記す。ガス(A)お
よびガス(B)を励起する方法としては、使用される装
置の形式や操作条件を考慮して、マイクロ波,RF,低
周波,直流などの電磁エネルギー、ヒーター加熱、赤外
線加熱などによる熱エネルギー、光エネルギーなどの励
起エネルギーが使用されるが、所望により上記励起エネ
ルギーに加えて、触媒との接触または添加を行っても良
い。前述したシリコン原子とハロゲン原子を含む化合物
に熱,光,放電などの励起エネルギーを加えることによ
り、所望により触媒の作用下で前駆体が形成可能である
【0013】本発明において、成膜空間に導入される前
記ガス(B)と前記ガス(A)との量の割合は、成膜条
件、活性膜の種類などに従って適宜決められるが、好ま
しくは20:1〜1:20(導入流量比)が適当であり
、より好ましくは10:1〜1:10の範囲である。
【0014】また本発明の方法により形成される堆積膜
は、成膜中または成膜後に不純物元素でドーピングする
ことが可能である。使用する不純物元素としては、p型
不純物として、周期律表第III族Aの元素、たとえば
B,Al,Ga,In,Tl等が好適なものとして挙げ
られ、n型不純物としては、周期律表第V族Aの元素、
たとえばP,As,Sb,Bi等が好適なものとして挙
げられるが、特にB,Ga,P,Sb等が最適である。 ドーピングされる不純物の量は、所望される電気的・光
学的特性に応じて適宜決定される。
【0015】このような不純物元素を成分として含む物
質(不純物導入用物質)としては、常温常圧でガス状で
あるか、あるいは少なくとも活性化条件下で気体になり
、適宜の気化装置で容易に気化し得る化合物を選択する
のが好ましい。この様な化合物としては、PH3,P2
H4,PF3,PF5,PCl3,AsH3,AsF3
,AsF5,AsCl3,SbH3,SbF5,BF3
,BCl3,BBr3,B2H6,B4H10,B3H
9,B5H11,B6H10,B6H12,AlCl,
あるいはP(CH3)3,P(C2H5)3,As(C
H3)3,As(C2H5)3,B(CH3)3,B(
C2H5)3,Al(CH3)3,Al(C2H5)3
等の有機化合物等を挙げることができる。 不純物元素を含む化合物は、1種で用いても、2種以上
を併用してもよい。
【0016】不純物導入用物質は、活性化空間(A)お
よび(または)活性化空間(B)に、活性種および前駆
体のそれぞれを生成する物質と共に導入して活性化して
も良いし、あるいは活性化空間(A)および活性化空間
(B)とは別の第3の活性化空間(C)において活性化
しても良い。
【0017】本発明における前記傾斜基体としては、堆
積する膜がエピタキシャル成長及びホモエピタキシャル
成長を可能せしめるものであって、単一主成分元素より
構成されるものは、周期律表第IV族の元素からなるダ
イヤモンド構造をとる単結晶基体は、カーボン,シリコ
ン,ゲルマニウム,灰色スズの各元素からなる単一元素
より構成される単結晶であり、適宜その伝導型の制御の
ためのドーピングが施されていても構わず、また、その
格子定数を適宜調整するための不純物元素を混入してい
ても構わない。
【0018】主成分元素が2種以上で構成される化合物
の単結晶基体としては、せん亜鉛鉱構造をとるCaF2
,CuCl,ZnS,ZnSe,CdS,AlP,Ga
As,SiCがあげられる。
【0019】本発明において反応空間圧力は、前記活性
種(A)が気相での2次反応に寄与することなく基体表
面に導入されることが望ましい。このため反応空間圧力
は前記活性種(A)の流れが分子線流となる条件であり
、その平均自由行程λAは活性種(A)の原料である周
期律表IV族の元素及びハロゲンを含む化合物が会合空
間に導入される位置から基体表面までの距離Lに等しい
かまたはそれよりも長いことが必要である。
【0020】このために反応空間圧力はこの平均自由行
程λAと反比例関係にあることより適宜選択する必要が
あり、一般の成膜装置では、
【0021】
【外1】 とすると反応空間圧力は10−4(Torr)程度の値
となる。
【0022】本発明において、先に述べた基体表面の原
子ステップの存在が結晶成長に重要な働きを担っている
と考えられるため前記傾斜基体に対して周期律表第IV
族の元素とハロゲンを含む化合物を分解することにより
生成される活性種(A)の流入方向を原子ステップの対
向する方向より導入することで原子ステップでの結晶成
長を助長し、原子テラス上で発生する2次元核の成長を
抑制することが可能である。ここで前記傾斜基体の傾き
及び前記活性種(A)の流入方向は、次の様に定義する
。即ち、基体表面の(001)面の〈110〉方向への
オフセット角をβとし傾斜基体の傾きとする(図3参照
)。
【0023】このオフセット角βはオフセットがかかる
前の結晶面と、オフセットがかかった後の結晶面とのな
す角度であり、本発明におけるオフセット角βは0.1
°から30°までの範囲がエピキシャル成長に適切であ
り、より好適には0.2°から25°までの範囲が有効
である。
【0024】また、前記活性種(A)の流入方向は、前
記傾斜前基体の〈110〉方向との為す角αとしラジカ
ル入射角αと定義する(図2参照)。
【0025】また、本発明においてエピタキシャル成長
はラジカル入射角αは傾斜基体のオフセット角βと強い
相関をもつことが我々の実験結果より判明した。次に具
体的な実施態様例に基づき本発明の特徴となるオフセッ
ト角β及び活性種(A)の流入方向であるラジカル入射
角αとの関係について述べることにする。
【0026】(実施態様例)図1は本発明の実施態様を
示す実験装置の略図である。同図で1は周期律表第IV
族の元素とハロゲンを含むガス原料を導入するガス導入
管で低圧プラズマを誘起するためにステンレス製として
ある。2は水素ガスを導入するガス導入管、3は基体、
4は基体3を保持するホルダーであり、基体温度を適宜
設定できる様ヒーターが内蔵されている。ガス導入管1
及び2より導入される各ガスのうち成膜に利用されなか
った残余ガスは未反応、または反応生成物を含め真空ポ
ンプ(図示せず)で排気される。ガス導入管1より導入
される周期律表第IV族の元素とハロゲンを含む原料ガ
スは、高周波電力発生装置の制御により、一部または全
てが分解され会合空間5へ導入される。一方、ガス導入
管2より水素ガスを導入し、高周波電力発生装置により
プラズマ分解され活性化された原子状水素を生成し会合
空間5へ導入される。会合空間5にて周期律表第IV族
の元素とハロゲンを含む原料ガスの分解生成物である活
性種(A)とこれと化学反応する原子状水素は化学反応
をすると共に基体3へと輸送され、基板表面反応を経て
堆積膜を形成する。
【0027】(実験1)結晶薄膜の形成について具体的
な実験例により本発明の特徴を説明する。本実験例では
周期律表第IV族の元素とハロゲンを含む化合物として
SiF4ガスをまたこれと化学反応する物質として水素
ガスを用いて説明する。
【0028】下記の第1表の条件は結晶シリコン薄膜が
形成できる典型的なものである。
【0029】
【表1】 高周波電力  2.45GHz  440w基体温度 
 300℃ 成膜空間圧力  0.4mTorr ラジカル入射角度α  0°
【0030】本条件でSi(100)結晶基板上に作製
される結晶は、反射型高速電子線回折よりストリークの
確認できる表面性の良好な単結晶である。
【0031】また、Ratherford  Back
  Scattering(RBS)を測定し、反跳原
子のアライン(収率)とランダム収率の比からチャンネ
リング収率Xminとし算出したところXminは8(
%)であった。
【0032】なお、測定はHeイオンを2MeVの加速
条件で行なった。
【0033】次に基体3として(100)シリコン単結
晶であり、〈110〉方向へ22°オフセットをかけた
ものを用いた。基板の洗浄は一般的なRCA洗浄の後に
HF溶液(5wt%)に30秒間浸漬しホルダー4にセ
ットする。真空ポンプで排気した後基体温度を300℃
に保持する。なおバックグランドの真空度は2×10−
6Torr程度である。ガス導入管1よりSiF4ガス
をガス導入管2よりH2ガス及びArガスを第1表に記
した流量でそれぞれ導入し、会合空間5の圧力を0.4
mTorrに調整し、マイクロ液発振器(図示せず)の
マグネトロンに通電する。マイクロ波プラズマ発生装置
の発生出力を440wに調整し、数十秒後にプラズマが
発生する。
【0034】ラジカル入射角αを0°から90°まで設
定を変えてエピタキシャル成長を行なった。その結果を
図4に示す。同図においてラジカル入射角αに対してR
BS測定のチャンネリング収率Xminの関係を示した
ものであり、オフセット角β22°の場合、ラジカル入
射角αが75°以下ではXminは3.5%と程バルク
値と同じとなり良好な単結晶であることがわかる。また
、α>75°においてはXminは4〜6%と悪化して
いるのがわかる。この臨界となるラジカル入射角αをα
0とする。
【0035】次に、オフセット角βの異なるシリコン(
100)基体を用いこれに対し、ラジカル入射角αを変
えたときの結果を図5に示す。同図においてチャンネリ
ング収率Xminがバルク値に近い3.5(%)となる
のは斜線部である。その他の領域ではXminは4〜6
(%)となり結晶性の悪化をもたらしているのがわかる
。これは、基体のオフセットが小さくなると原子ステッ
プ密度の減少,原子テラス面の拡大に継がるが原子ステ
ップに到達させ、ステップでの成長を誘起させるために
はラジカル入射角αを減少させることが効果的であるこ
とがわかる。そしてこの場合入射角αを大きくすると入
射ラジカルが原子ステップに到達せず、原子テラス上で
2次元核を生成し、これらの成長核同志がぶつかり合っ
たとき欠陥を発生し、エピタキシャル成長の結晶性の悪
化をもたらしていると考えている。
【0036】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的
に説明する。
【0037】(実施例1)前述の実施態様例と同様の実
験装置を用いて、基体としてシリコン(100)、基板
(Bドープト、抵抗率0.1Ωcm、傾斜角β=2°)
を用いてPH3をドーピングしてエピタキシャル成長を
行ないダイオードを作製した。PH3ガスはSiF4ガ
スに混合し、その体積濃度を5(ppm)とし、その他
の作製条件は第1表に記したものと同一にした。ラジカ
ル入射角αを0°から90°まで変えてそれぞれエピタ
キシャル成長を行ないP−N接合ダイオードをそれぞれ
作製したところ、ラジカル入射角αが0°から5°の範
囲ではダイオードのV−I特性の順方向特性より求めら
れるn値は1と理想ダイオード曲線となっていた。
【0038】(比較例)ラジカル入射角が6°から90
°の範囲でかつその他の実験条件は全て同じとしてダイ
オード特性を測定したところ、n値は1.2〜1.4と
理想ダイオード曲線から外れていた。これはエピタキシ
ャル成長界面の再結合準位の増加によるものと考えられ
る。
【0039】(実施例2)前述の実験装置を用い、基体
CaF2単結晶上のシリコンのヘテロエピタキシャル成
長を行なった。基体はCaF2(100)単結晶で表面
は光学研磨処理したものである。真空装置にセットする
前に、トリクレン,アセトン,アルコールによる有機洗
浄を行なっている。傾斜角βは〈110〉方向へ10°
オフセットのかかったものを用い、ヘテロエピタキシャ
ル成長条件は第1表に記したものと同一にした。ラジカ
ル入射角αを0°から90°まで変えてそれぞれエピタ
キシャル成長を行ない、RBSのチャンネリング収率X
minを測定したところ、ラジカル入射角αが0°から
20°の範囲ではXminは4%と良好なヘテロエピタ
キシャル成長が実現できていることがわかった。
【0040】(比較例)20°を越え90°以下の範囲
ではXminは5%〜10%と悪化し、ヘテロエピタキ
シャル成長でも傾斜角βとラジカル入射角αを適宜選ぶ
ことにより、良好なヘテロエピタキシャル成長が可能で
あることがわかる。
【0041】(実施例3)基体としてシリコン(100
)、基板(Pドープト,抵抗率5Ωcm,厚さ100μ
m,傾斜角β=4°)を用いて太陽電池を作製した。 P型のドーピングガスとしてBF3をSiF4の原料ガ
スに混合し、その体積濃度を100(ppm)とし、そ
の他の作製条件は第1表と同じとし、P型シリコン層を
3000(Å)堆積させた。図6に本実施例の太陽電池
の構造を模式的に示すが、同図において401はN型基
体、402はP型エピタキシャル層、403は透明導電
層、404は集電電極、405は裏面電極である。P層
を成長した後、真空装置より取り出し透明導電層403
としてインジウム,スズの酸化膜を真空蒸着により形成
し、集電電極404及び裏面電極405をAlの真空蒸
着により形成し太陽電池を作製した。このようにして作
製される太陽電池を太陽光シミュレーターAM1.5、
照射強度100(mw/cm2)の下で変換効率、FF
を測定したところラジカル入射角αが0°から8°まで
の場合には78%〜79%と良好な値となっていること
がわかった。
【0042】(比較例)同様にラジカル入射角αが9°
以上90°以下の場合にはFFは70〜76%と充分な
値となっていないことがわかった。このようにラジカル
入射角α及び、オフセット角βを適宜選ぶことにより良
好な特性を有する太陽電池を作製することが可能である
【0043】
【発明の効果】以上述べたように本発明により単結晶基
体上に300℃程度の低温で良質の単結晶シリコン結晶
が得られるようになりこれによってダイオード特性改善
、太陽電池の変換効率の向上が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施するに有用な成膜装置の一例を示
す模式図。
【図2】ラジカル入射角αを説明する模式図。
【図3】ラジカル入射角α及び基体オフセット角βの説
明のための模式図。
【図4】本発明にしたがって作製されたホモエピタキシ
ャルシリコンのラジカル入射角αとXminの関係を示
すグラフ。
【図5】本発明にしたがって作製されたホモエピタキシ
ャルシリコンのオフセット角βとラジカル入射角αの関
係を示すグラフ。
【図6】本発明にしたがって作製された太陽電池の構造
を示す模式図。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  基体上に堆積膜を形成するための成膜
    空間に、周期律表第IV族の元素及びハロゲンを含む化
    合物ガス(A)を分解することにより生成される活性種
    (A)と、該活性種(A)と化学相互作用する活性種と
    を夫々別々に反応空間に導入して堆積膜を形成する方法
    であって、前記基体として、前記堆積膜のホモエピタキ
    シャル成長、または、ヘテロエピタキシャル成長を可能
    とせしめる単結晶の基体であり、且つ、該基体の表面は
    (001)面が〈110〉方向に傾斜し、該基体表面に
    原子ステップを有する傾斜基体であることを特徴とする
    堆積膜形成方法。
  2. 【請求項2】  前記活性種(A)の平均自由行程LA
    が周期律表第IV族の元素及びハロゲンを含む化合物を
    反応空間に導入される位置から前記基体表面までの距離
    に等しいか、あるいは大きい請求項1に記載の堆積膜形
    成方法。
  3. 【請求項3】  前記活性種(A)と表面に原子ステッ
    プを有する前記傾斜基体に対し〈110〉方向より0°
    以上80°以下の範囲の流入角で導入せしめる請求項1
    に記載の堆積膜形成方法。
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