JPH0447453B2 - - Google Patents

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JPH0447453B2
JPH0447453B2 JP56122874A JP12287481A JPH0447453B2 JP H0447453 B2 JPH0447453 B2 JP H0447453B2 JP 56122874 A JP56122874 A JP 56122874A JP 12287481 A JP12287481 A JP 12287481A JP H0447453 B2 JPH0447453 B2 JP H0447453B2
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amorphous silicon
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light
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manufacturing
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Yoshihiro Hamakawa
Yoshihisa Oowada
Kazunaga Tsushimo
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアモルフアスシリコン系の半導体及び
その製造方法、殊に光起電力素子とその製造方法
に関する。
シラン(SiH4)のプラズマ分解法で得られる
アモルフアスシリコンは、W.E.Spear等によつ
て、PH3やB2H6でドープする事により、その伝
導度を大きく変える事ができる事が発見され
(1976年)、D.E.Carlson等によつてアモルフアス
シリコンを用いた太陽電池が試作(1976年)され
て以来注目を集め、アモルフアスシリコン薄膜太
陽電池の効率を改善する研究が活発に行なわれて
いる。
これまでの研究により、アモルフアスシリコン
薄膜光電素子の構造としてはシヨツトキーバリヤ
ー型、pin型、MIS型、ヘテロ型合型があり、そ
のうち前三者が高効率太陽電池として有望視され
ている。すなわちシヨツトキーバリヤー型で5.5
%(D.E.カールソン他、1977年)、MIS型で4.8%
(J.I.B.ウイルソン他、1978)、pin型で4.5%(浜
川圭弘1978)の変換効率が達成されている。
ところが、このような素子の製膜において、特
にi層の成長速度が1〜2Å/秒と遅く、この成
長速度の遅いことが安価な素子を製造するという
点では大きな阻害要因となつていた。このような
欠点を改善する為に反応条件を変更しようとする
種々の試みがなされてきた。例えば、グロー放電
におけるパワーを増大せしめて成長速度を上げよ
うとする試みがそれである。しかし、パワーを上
げればプラズマによるボンバードメントの影響が
大きくなり、膜質が悪くなつてしまう現状である
〔J.C.Knights:Appl.Phys.Lett.35(3)244(1979)〕。
または、動作圧力を調整したり、基板温度を変更
したりすることによつて、成長速度を上げようと
する試みもなされていたが、いずれも膜質(特に
電気特性)の低下を招いてしまうという欠点を有
していた。
本発明者らは膜質の低下をきたさないで薄膜の
成長速度を増大させることを主眼にして鋭意研究
努力した結果、グロー放電分解に際して、好まし
くは5000Å以下の波長を有する光による光分解反
応を補助的に用いることにより、実用的な成長速
度で、電気的にも光学的にも良質の薄膜が得られ
ることを見い出した。
しかも、驚くべきことに、p型又はn型のアモ
ルフアスシリコン半導体の製膜においては、上記
の光を照射することによりドーピング効率をかな
りの程度まで改善できることをも見い出し、本発
明を完成するに至つた。
以下にその詳細を説明する。
本発明のアモルフアスシリコン系半導体は、シ
リコン化合物の気体又は希釈用ガスと混合された
シリコン化合物の気体を、容量結合法又は誘導結
合法による高周波グロー放電分解又は直流グロー
放電分解するに際して、補助的に後述の如き光分
解反応を用いることにより得られる。シリコン化
合物としてはシラン(SiH4)又はその誘導体、
フツ化シラン(SiH4)又はその誘導体、或はこ
れらの混合物が主に使用される。シリコン化合物
と混合する希釈用ガスとしては、水素、アルゴン
ガス、ヘリウム、又は炭素の水素若しは窒素若し
はフツ素化合物、窒素の水素若しくはフツ素化合
物、或はこれらの混合物が使用される。混合ガス
中のシリコン化合物の濃度は、通常0.5%以上で
ある。勿論、希釈用ガスを使用しなくても差支え
ない。
グロー放電分解の条件は一般に採用されている
のと同様の条件でよく、例えば特開昭52−122471
号公報、特開昭55−68681号公報等に記載されて
いるものが採用できる。
グロー放電分解によりアモルフアスシリコン、
アモルフアスシリコンカーバイド、アモルフアス
シリコンナイトライド又はこれらの混合物から成
る半導体(以下、これらをすべて含めてアモルフ
アスシリコン系半導体という)を製造できる訳で
あるが、周期律表族の元素でドーピングするこ
とによりp型のアモルフアスシリコン系半導体
を、また周期律表族の元素でドーピングするこ
とによりn系のアモルフアスシリコン系半導体を
得ることができる。
本発明ではp層、i層、又はn層のうちの少な
くとも一つの層の成長時において、グロー放電と
ともにシリコン化合物等を分解し得る光(通常
5000Å以下好ましくは4200Å以下の波長で、20m
W/cm2以上好ましくは50W/cm2以上の強度を有す
る光)を照射し、該層の膜の成長速度を大幅に増
大させるものである。また、グロー放電を実施す
る反応器の直前に前室を設け、これに上記の光を
照射するようにしてもよい。
照射する光の波長に関しては5000Å以下又、そ
の強度に関しては20W/cm2以上であるならば、特
に制限はないが、エネルギーコスト等の経済性並
びに光を投入する窓材料の問題等から、波長に関
しては700Å以上、強度に関しては1000W/cm2以
下が好ましい。
本発明の効果は、電気的特性に代表される膜質
を損うことなく成長速度を著しく増大できること
であり、更にドーピング効率をも改善できるとい
うことである。
本発明のアモルフアスシリコン系半導体は通常
のアモルフアスシリコン系半導体と同様に、太陽
電池、光スイツチ、光検出器又は感光体材料等に
適用できる。このうち、光起電力素子である太陽
電池に適用した場合を例にとつて、本発明を詳細
に説明する。
本発明の適用が可能な太陽電池は、p層側から
太陽光を照射するタイプ、例えばガラス/透明電
極/p−i−nアモルフアスシリコン/アルミニ
ウムの構成のもの、又はn層側から太陽光を照射
するタイプ、例えばステンレス/p−i−nアモ
ルフアスシリコン/透明電極の構成のもの等、
種々のものがある。他の例としては、p層と透明
電極との間に薄い絶縁層をつけたり、薄い金属層
をつけた構造のもの、或はシヨツトキーバリヤー
型のもの、MIS型のもの等がある。要は以下に述
べる如く、真性アモルフアスシリコンを活性層と
する太陽電池であればいかなる構成のものであつ
てもよい。
使用する基板としては、透明電極(ITO、
SnO2等)を蒸着したガラスや高分子フイルム、
金属等、通常の太陽電池の構成に用いられるあら
ゆる基板が使用可能である。
シリコン化合物或は希釈用ガスと混合されたシ
リコン化合物をグロー放電分解として得られる約
10-7秒以上のキヤリヤー寿命で約1017cm-2eV-1以
下の局在準位密度及び10-3cm2/V・秒以上の易
動度をもつ真性アモルフアスシリコンをi層と
し、例えばp型ドープ半導体とn型ドープ半導体
で接合したpin接合構造にする。pin接合を用いた
場合の太陽電池としての代表的な構成は透明電
極/p型アモルフアス半導体/i型アモルフアス
半導体/n型アモルフアス半導体/電極の構造
で、透明電極側から光を照射する。透明電極は
ITOやSnO2特にSnO2が好ましく、ガラス基板に
あらかじめ蒸着して用いたりp型アモルフアス半
導体上に直接蒸着してもよい。太陽光を照射する
側のp層の厚みは約30〜300Å好ましくは50〜200
Å、i層の厚みは約2500〜10000Åが用いられる。
n層はオーミツクコンタクトをとる為の層でもあ
り厚みは限定されないが、約150〜600Åが用いら
れる。
もう一つの代表的な構成は 透明電極/n型アモルフアス半導体/i型アモ
ルフアス半導体/p型アモルフアス半導体/電極
の構造で、透明電極側から太陽光を照射する。光
を照射する側のn層の厚みは約30〜300Å好まし
くは50〜200Å、i層の厚みは2500〜10000Åが通
常用いられる。p層の厚みは限定されないが約
150〜600Åが用いられる。透明電極の素材及び蒸
着法については前同様である。
次に、実施例により本発明の効果について説明
するが、本発明は以下の実施例による限定される
ものではない。
対照例 内径11cmの石英反応管を用い基板温度250℃に
て13.56MHzの高周波でグロー放電分解を行つた。
i型アモルフアスシリコンは水素で希釈したシラ
ンを5Torrでグロー放電分解して得られた。n型
アモルフアスシリコンは水素で希釈したシランと
フオスフイン(PH3)(PH3/SiH4=0.5モル%)
を同様にグロー放電分解して得られた。p型アモ
ルフアスシリコンは水素で希釈したシランとジボ
ラン(B2H6)(B2H6/SiH4=0.2モル%)を同様
にグロー放電分解して得られた。i層の成長速度
は1.8Å/秒であつた。また、p層及びn層の20
℃における暗電気伝導度はそれぞれ4×10-3
(Ω・cm)-1、2×10-2(Ω・cm)-1であつた。
太陽電池の構成は、25Ω/□のSnO2の薄膜の
ついたガラス基板のSnO2面上にアモルフアスシ
リコンをp型、i型、n型の順に成長せしめ最後
に3.3mm2のアルミニウムを蒸着し成るものであつ
た。次に、AM−1(100mW/cm2)のソーラーシ
ユミレーターを用いて太陽電池特性を調べた。p
層が135Å、i層が500Å、n層が500Åの厚みを
有する上記構成に係る太陽電池の特性は短絡電流
Jsc=10.3mA/cm2、開放電圧Voc=0.75volts、
変換効率η=4.6%であつた。
実施例 1 対照例と同じ反応管の一部にCaF2の窓を設け、
光源から光線を、基板の上面に基板面と平行に導
入できるようにした。1500〜2000Åの波長範囲で
連続光を有する低圧キセノンランプを光源とし、
前記CaF2の窓から50mW/cm2の強度で入射させ
た。他の条件は、対照例と同様にした。
i層の成長速度は7Å/秒、p層及びn層の20
℃における暗電気伝導度はそれぞれ8×10-3
(Ω・cm)-1、5×10-2(Ω・cm)-1であつた。
また、この製造方法により、対照例と同じ厚み
を有する太陽電池を製造した。該太陽電池の特性
は、 Jsc=11.9mA/cm2、Voc=0.79volts、η=5.7% であつた。
このように、i層の成長速度は光を照射しない
場合の約4倍となつた。またp層及びn層の20℃
における暗電気伝導度はいずれも2倍程度向上し
た。これらにより太陽電池の性能は24%も改善さ
れた。
実施例 2 光源を高圧キセノンランプとし、5000Å以上の
波長部分をフイルターにより除去した後、前記
CaF2の窓から20mW/cm2の強度で光線を入射さ
せた他は、すべて実施例1と同様にした。
i層の成長速度は4Å/秒となり、光を照射し
ない場合の約2倍の速度を得た。
実施例 3 光分解反応を実施するための前室をグロー放電
分解反応器の直前に設置し、これにLiFの窓を設
け、このLiFの窓から、1200〜1800Åの波長範囲
で連続光を有する低圧クリプトンランプを光源と
する30mW/cm2の強度の光を入射させた。他の条
件は対照例と同じであつた。
i層の成長速度は10Å/秒、p層及びn層の20
℃における暗電気伝導度はそれぞれ2.5×10-2
(Ω・cm)-1、7×10-2(Ω・cm)-1となり、成長速
度及びドーピング効率が大きく向上した。
実施例 4 実施例3で用いた光源を使用し、実施例1で用
いた装置の窓材料のみをLiFに変更した装置に、
水素で希釈したシラン、シボラン、メタン
(CH4)をSiH4/CH4=1、B2H6/(SiH4+
CH4)=0.2モル%の流量比で導入する以外は実施
例1と同様にした。得られたp層の暗電気伝導度
(20℃)は、4×10-5(Ω・cm)-1であつた。なお、
他の条件を同じにして光を照射しない場合に得ら
れたp層の暗電気伝導度は、20℃で5×10-6
(Ω・cm)-1であつた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 少くともi層製膜時に5000Å以下の波長の光
    による光分解反応を補助的に施して、シリコン化
    合物をプラズマ分解することによりアモルフアス
    シリコン系半導体のpin接合を有する光起電力装
    置の製造方法。 2 前記プラズマ分解に際し、周期律表族又は
    族の元素でドーピングすることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の光起電力装置の製造方
    法。 3 前記アモルフアスシリコン系半導体はアモル
    フアスシリコン、アモルフアスシリコンカーバイ
    ド(a−SiC)、アモルフアスシリコンナイトラ
    イド(a−SiN)又はそれらの混合物であること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記
    載の光起電力装置の製造方法。 4 光分解反応に用いる光の強度が20mw/cm2以
    上であることを特徴とする特許請求の範囲第1項
    又は第2項記載の光起電力装置の製造方法。
JP56122874A 1981-08-04 1981-08-04 アモルフアスシリコン系半導体 Granted JPS5823434A (ja)

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