JP2004047601A - Iron silicide semiconductor thin film and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】β−FeSi2の光・電気特性は、最近詳細に調べられ明らかになってきており、アモルファス鉄シリサイド半導体についてもその光・電気特性が徐々に明かになりつつある中で、今後、それらの特性制御が大きな課題とされている。
【構成】水素化により光学バンドギャップを変化させたことを特徴とする鉄シリサイド半導体薄膜。水素化によりキャリア濃度を制御したことを特徴とする鉄シリサイド半導体薄膜。β−FeSi2又はアモルファスFeSiXの薄膜成長法において、成膜時の雰囲気に水素ガスを流入して成長する薄膜中に水素を混入することによりβ−FeSi2又はアモルファスFeSiXを水素化する鉄シリサイド半導体薄膜の製造方法。
【選択図】 図15[PROBLEMS] The optical and electrical characteristics of β-FeSi 2 have recently been investigated and clarified in detail, and the optical and electrical characteristics of an amorphous iron silicide semiconductor have been gradually clarified. Control of these characteristics is a major issue.
An iron silicide semiconductor thin film characterized in that an optical band gap is changed by hydrogenation. An iron silicide semiconductor thin film wherein the carrier concentration is controlled by hydrogenation. In beta-FeSi 2 or amorphous FeSi thin film growth methods X, iron hydrogenated beta-FeSi 2 or amorphous FeSi X by incorporating hydrogen into thin film to grow by introducing the hydrogen gas into the atmosphere during film formation A method for manufacturing a silicide semiconductor thin film.
[Selection diagram] FIG.
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄シリサイド半導体薄膜及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
次世代の産業材料は資源寿命の心配がなく、低環境負荷型の元素のみから構成されていることが理想である。その候補元素として、資源寿命を考える必要のない大気構成元素(N、O)や、資源寿命の極めて長い元素(Si、Ca、Ga)や、リサイクル率の高い元素(Fe、Cu)が考えられる。
【0003】
以上の考えに沿えば、環境材料としては、例えば、半導体ではGaN、Cu2O、β−FeSi2等の多様なものが考えられる。その中でも、β−FeSi2は、Si基板上にエピタキシャル成長可能である、吸収係数が大きい(可視波長で〜10−5cm−1)、0.85eVのバントギャップを持つ直接遷移型の半導体であることから、次世代の半導体材料として大変注目を集めている。
【0004】
具体的な応用としては高効率太陽電池材料やフォトダイオードや発光ダイオードオなどの光デバイス材料が挙げられ、β−FeSi2薄膜の形成方法に関するもの(特開2001−64099号公報)や太陽電池(特開平11−103080号公報)や、発光素子に関するもの(特開2000−133836号公報、特開2001−127338号公報、特開2002−57368号公報、特開2002−76431号公報、特表2001−502477号公報等)が特許出願されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、先に、レーザーアブレーション法で基板上に堆積したままでβ相のFeSi2薄膜を堆積する方法を開発した(特開2000−178713号公報)。さらに、対向ターゲット式DCスパッタリング法によるβ相のFeSi2薄膜を堆積する方法に関して特許出願した(特願2001−386820)。また、ごく最近、組成比がほぼそのままでアモルファス状態になった場合にも半導体特性を示す膜が得られることを報告し(「第62回応用物理学会学術講演予稿集」1022ページ、2001年9月11日、(「平成13年度応用物理学会九州支部講演会講演予稿集」86ページ、2001年12月1日)、これも同様に注目されており、関連する発明を特許出願(特願2001−386824、特願2001−387341)している。
このような方法で成膜した連続膜はアモルファス状態の膜で0.64〜0.70eVの光学バンドギャップを示し、β−FeSi2膜は0.85〜0.92eVの光学バンドギャップを示した。
【0006】
β−FeSi2の光・電気特性は、最近詳細に調べられ明らかになってきており、アモルファス鉄シリサイド半導体についてもその光・電気特性が徐々に明かになりつつある中で、今後、それらの特性制御が大きな課題とされている。β−FeSi2とアモルファス鉄シリサイド半導体を、今後様々なデバイスへ用いる場合、光及び電気特性の制御が必要となる。特に、キャリア濃度の低減と制御、及びバンドギャップの制御などは必要不可欠である。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鉄シリサイド半導体のβ−FeSi2又はアモルファスFeSiX(xは1〜∞)の水素化により上記の課題が解決できることを見出した。
すなわち、本発明は、水素化により光学バンドギャップを変化させたことを特徴とする鉄シリサイド半導体薄膜である。
また、本発明は、光学バンドギャップが0.6〜1.1eVの範囲のβ−FeSi2からなることを特徴とする上記の鉄シリサイド半導体薄膜である。
また、本発明は、光学バンドギャップが0〜1.85eVの範囲のアモルファスFeSiX(xは1〜∞)からなることを特徴とする上記の鉄シリサイド半導体薄膜である。
また、本発明は、水素化によりキャリア濃度を制御したことを特徴とする鉄シリサイド半導体薄膜である。
また、本発明は、上記の鉄シリサイド半導体薄膜を用いたことを特徴とする光・電子素子である。
【0008】
さらに、本発明は、β−FeSi2又はアモルファスFeSiXの薄膜成長法において、成膜時の雰囲気に水素ガスを流入して成長する薄膜中に水素を混入することによりβ−FeSi2又はアモルファスFeSiX(xは1〜∞)を水素化することを特徴とする上記の鉄シリサイド半導体薄膜の製造方法である。
【0009】
本発明において、水素化とは、薄膜成長時に水素が薄膜内に混入β−FeSi2又はアモルファスFeSiX のSi原子および/またはFe原子と結合することをいう。水素化によりアモルファスFeSiXはFeリッチな場合の約ゼロからSi100%の場合の1.85eVまで0〜1.85eVの範囲で、β−FeSi2は0.6〜1.1eVの範囲でバンドギャップを変化させることができる。よって、バンドギャップの調整により、発受光素子のハイブリッド化や発受する光の波長を最適化できる。
【0010】
また、β−FeSi2又はアモルファスFeSiXを水素化することにより電気抵抗、すなわちキャリア濃度を制御することができる。キャリア濃度制御は発受光素子や回路等のデバイス設計に必要不可欠である。キャリア濃度の制御は、この材料の電子デバイスへの応用を可能とする。キャリア濃度を示す比抵抗は、水素化の度合いが大きくなるとともに、一旦増加した後減少する。β−FeSi2又はアモルファスFeSiXに含有される水素は少量ではFe、Si及びHからなり斜方晶の結晶構造の結晶格中に含まれる非結合電子を終端してキャリア濃度の低減をもたらし、ある程度以上を含まれるとキャリアの発生に寄与していると考えられる。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の鉄シリサイド半導体薄膜は、通常の薄膜成長法、例えば、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法などの物理気相成長法や化学気相成長法を用いて製造できる。400℃を境界とした基板温度の違いにより、水素化β−FeSi2膜又は水素化アモルファスFeSiXを成長することができる。
【0012】
レーザーアブレーション法においては、FeSiXターゲットへのレーザー照射、又はFeとSiターゲットを同時又は交互にレーザー照射、又は加熱されたSi基板の場合のFeターゲットへのレーザー照射を用いた膜成長時の雰囲気に水素ガスを流入して水素ガスの圧力を調整することで、水素含有量の調整されたβ−FeSi2又はアモルファスFeSiXを作製する。
【0013】
また、スパッタリング法においては、FeSiXターゲットのスパッタリング、又はFeとSiターゲットを同時又は交互のスパッタリング、又は加熱されたSi基板の場合のFeターゲットのスパッタリングを用いた膜成長時のスパッタリング用希ガスに水素ガスを流入して、スパッタリング用ガスと水素ガスの流入量の比を調節することで、水素含有量の調整されたβ−FeSi2又はアモルファスFeSiXを作製する。スパッタリング用希ガスには、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれかの成分を含むようにする。
【0014】
薄膜成長時の雰囲気中の水素ガスの圧力を調整することによって、β−FeSi2又はアモルファスFeSiXの薄膜内部に含まれる水素量を制御することで、鉄シリサイド半導体薄膜の光学的バンドギャップを変えることができる。さらに、水素流入量を変化させて膜作製することで、膜の深さ方向に異なる光学バンドギャップの膜を容易に作製可能である。水素化の度合いが大きくなるとともに、光学バンドギャップが増加する。
【0015】
同様に、β−FeSi2又はアモルファスFeSiX薄膜内部に含まれる水素量を制御することで、キャリア濃度を低減させ、又は、キャリア濃度を増加させる効果によって、鉄シリサイド半導体薄膜の電気特性を制御することができる。
キャリア濃度を低減させ、又は、キャリア濃度を増加させる境界の水素含有量は10at%程度であるが、この境界は生成膜の結晶性に依存し、悪い場合は大い方に、良い場合は小さい方にシフトする。
【0016】
本発明の水素化鉄シリサイド半導体薄膜を用いて、既存のSiやGaAs系半導体を用いて作製される光電子素子と同様のpn接合型受光素子などの光・電子素子を製造することができる。水素化していないβ−FeSi2又はアモルファスFeSiXではまだpn接合を示す膜は得られていないが、本発明の水素化した鉄シリサイド膜を用いてpn接合膜がはじめて実現できた。シリコンとのpn接合膜を作製したい場合は、例えば、n型Si基板上にp型のβ−FeSi膜を作製すればよい。
【0017】
実験1
以下にレーザーアブレーション法による水素化鉄シリサイド薄膜の製造方法と得られた薄膜の特性について具体的に説明する。
真空チャンバー内をターボ分子ポンプにより2×10−7Torr以下に排気した後、水素を0.1〜10Paの圧力範囲で流入した真空チャンバー内において、ArFエキシマレーザー(波長193nm、FWHM=20ns)を組成比1:2のFeSi2アモルファス合金(99.99%)ターゲットに集光して入射角45°で照射し、50mm離れて対向するSi基板上に膜堆積を行った。ターゲット−基板間には高速回転可能な羽根型回転フィルターを設置してドロップレットの捕獲を行った。レーザーパルスのフルーエンスFは4J/cm2、くり返し周波数は10Hz、基板温度は室温(20℃)と700℃とした。
【0018】
生成膜の評価はSEM観察、X線回折、光吸収スペクトル測定、電気抵抗測定を行った。400℃以下でアモルファスFeSiX が、400℃以上でβ−FeSi2膜が生成するが、雰囲気ガスの水素の圧力を変えることでアモルファスFeSiX 及びβ−FeSi2の水素化を行った。
【0019】
図1に、水素の圧力を0Pa,0.3Pa,3Paにした場合のβ−FeSi2膜のX線回折パターンの変化(aは2θ−θスキャン、bは2θスキャン)を示す。水素の圧力が高くなってもβ−FeSi2からのピークは観測され、水素が薄膜に混入してもβ−FeSi2膜が成長していることが分かる。アモルファスFeSiX が生成した場合は、非晶質のためXRDピークは水素の圧力にかかわらず観測されない。
【0020】
図2に、水素化アモルファスFeSiX の典型的な吸収スペクトルを示す。図3に、水素化β−FeSi2の典型的な吸収スペクトルを示す。ともに、水素フリーの場合に比べて、バンドギャップが増加しており、吸収係数の2乗にフィティング出来ることから直接遷移型となっていることが分かる。
【0021】
図4に、光学バンドギャップ(縦軸:Eg[eV])の水素圧力(横軸:[Pa])に対する依存性を示す。水素圧力の増加、すなわち膜中の水素混入量の増加とともに、光学バンドギャップが増加する。
【0022】
図5に、比抵抗(縦軸:ρs[Ω])の水素圧力(横軸:[Pa])依存性を示す。比抵抗はβ−FeSi2の方がアモルファスFeSiX に比べて1桁大きいが、ともに水素圧力の増加とともに一旦増加した後、減少する。水素が膜中に混入することにより非結合電子が終端されキャリア濃度が減少すること、過度に水素が混入すると水素の非結合電子がキャリアの原因となって電気抵抗を低減させることが分かる。
【0023】
実験2
以下に対向ターゲット式スパッタリング法による水素化鉄シリサイド薄膜の製造方法と得られた薄膜の特性について具体的に説明する。
チャンバー内をターボ分子ポンプを用いて10−4Pa以下まで排気し、Arガスと水素ガスをチャンバー内に流入して全圧を1.33×10−1Paとした。ターゲットには組成比1:2のFeSi2 合金(99.99 %)を使用した。印加電圧,電流をそれぞれ950mV、6.0mAとし、Si基板上に、室温(20℃)と700℃でそれぞれアモルファスFeSiX 及びβ−FeSi2を膜厚約240 nm成膜した。
【0024】
生成膜の評価はSEM観察、X線回折、光吸収スペクトル測定、電気抵抗測定を行った。400℃以下でアモルファスライクなFeSiXが、400℃以上でβ−FeSi2膜が生成するが、アルゴンガスと水素ガスの比を調節することによりアモルファスライクFeSiX及びβ−FeSi2の水素化を行った。
【0025】
図6に、得られた水素化β−FeSi2膜のX線回折パターンを示す。また、図7に、得られた水素化アモルファスFeSiX膜のX線回折パターンを示す。図6に示すように、水素分圧にかかわらずβ−FeSi2の回折ピークが観測され、水素化されたβ−FeSi2が成長している。図7に示すように、室温では水素分圧にかかわらずブロードなピークが観測され、アモルファスFeSiXが成長している。
【0026】
図8に、水素化されていないアモルファスFeSiXの典型的吸収スペクトルを示す。また、図9に、水素化されたFeSiX の典型的吸収スペクトルを示す。吸収スペクトルは縦軸が吸収係数の2乗の場合にほぼ直線にのることから、直接遷移型半導体となっていることが分かる。水素化した薄膜の方がバンドギャップが大きくなっていることが分かる。
【0027】
図10に、無水素β−FeSi2の典型的吸収スペクトルを示す。また、図11に、水素化β−FeSi2の典型的な吸収スペクトルを示す。アモルファスFeSiXと同様に、直接遷移型半導体となっており、また水素化β−FeSi2の方がバンドギャップが大きくなっている。
【0028】
図12に、光学バンドギャップ(縦軸:Eg[eV])の水素分圧(PH2/PAr)に対する変化を示す。水素分圧が高くなるとともに光学バンドギャップは増加しており、薄膜中の水素含有量が大きくなるとともに光学バンドギャップが大きくなることが分かる。
【0029】
図13に、比抵抗(縦軸:ρs[Ω])の水素分圧(PH2/PAr)に対する変化を示す。比抵抗は水素の圧力の増加とともに一旦増加した後、減少する。水素が薄膜中に混入することにより非結合電子が終端されキャリア濃度が減少すること、過度に水素が混入すると水素の非結合電子がキャリアの原因となって電気抵抗を低減させることが分かる。
【0030】
【実施例】
実施例1
既存のSiやGaAs系半導体を用いて作製される光電子素子と同様の素子を対向ターゲット式DCスパッタリング方により成膜した水素化β−FeSi2を用いて作製した。ターゲットには、P(リン)を1019cm−1ドープさせた組成比1:2のFeSi2 合金(99.99 %)とB(ボロン)を1015cm−1ドープさせた組成比1:2のFeSi2 合金(99.99 %)を使用した。チャンバー内はターボ分子ポンプを用いて10−4 Pa以下まで排気した後、Arガスに15sccmの水素ガスを加えて流入して、チャンバー内の全圧を1.33×10−1 Paとして成膜を行った。
【0031】
基板には絶縁性の石英ガラスを用い、基板温度は600℃とした。基板上にまずPがドープされたターゲットを用いてp型水素化β−FeSi2を5μm、その後Bがドープされたターゲットを用いてn型水素化β−FeSi2を30 nm積層した。
【0032】
図14に、水素化β−FeSi2を用いて絶縁性の石英ガラス基板1上にp型水素化β−FeSi2薄膜2を成膜し、その上にさらにn型水素化β−FeSi2薄膜3を成膜し、p型水素化β−FeSi2薄膜2とn型水素化β−FeSi2薄膜3のそれぞれに電極4を形成したpn接合型受光素子の構造を模式的に示す。
【0033】
図15に、該素子のI−V特性を示す。Siを用いたp−n接合素子と同様に、光を照射しない場合と、照射した場合とでpn接合に典型的なI−V特性が観測された。光照射時のV軸、I軸の切片がそれぞれ開放電圧、短絡電流とよばれ、これらの積が光電変換素子として考えた場合に取り出しうる最大電力に相当する。明白な開放電圧、短絡電流が存在し、光電素子として機能していることが分かり、β−FeSi2でpn結合膜が実現できたことが確認された。
【0034】
【発明の効果】
本発明の鉄シリサイド半導体薄膜は、様々なデバイスへ用いる場合に、所望のバンドギャップを持たせることにより光及び電気特性の制御を可能とするとともに、同一素子上で異なる光感度をもつ光電変換素子を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実験1において作製された水素化β−FeSi2膜のX線回折パターンである。
【図2】実験1において作製された水素化アモルファス膜(水素圧力0.3Pa)の典型的な吸収スペクトルである。
【図3】実験1において作製された水素化β−FeSi2膜(水素圧力0.3 Pa)の典型的な吸収スペクトルである。
【図4】実験1において作製された水素化アモルファス膜及びβ−FeSi2の水素圧力に対する光学バンドギャップの変化を示すグラフである。
【図5】実験1において作製された水素化アモルファス膜及びβ−FeSi2の水素圧力に対する比抵抗の変化を示すグラフである。
【図6】実験2において作製された水素化β−FeSi2膜のX線回折パターンである。
【図7】実験2において作製された水素化アモルファスFeSiX膜のX線回折パターンである。
【図8】実験2において作製された水素化されていないアモルファスFeSiX膜の典型的な吸収スペクトルである。
【図9】実験2において作製された水素化アモルファスFeSiX膜の典型的な吸収スペクトルである。
【図10】実験2において作製された水素化されていないβ−FeSi2膜の吸収スペクトルである。
【図11】実験2において作製された水素化β−FeSi2膜の典型的な吸収スペクトルである。
【図12】実験2において作製された水素化アモルファスFeSi2(700℃)とβ−FeSi2(30℃)の水素化に伴う光学バンドギャップの変化を示すグラフである。
【図13】実験2において作製された水素化β−FeSi2(700℃)とアモルファスFeSi2(30℃)の水素化に伴う比抵抗の変化を示すグラフである。
【図14】実施例1において作製された水素化β−FeSi2を用いたpn接合型受光素子の構造の模式図である。
【図15】実施例1において作製された水素化β−FeSi2を用いたpn接合型受光素子のI−V特性を示すグラフである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an iron silicide semiconductor thin film and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Ideally, next-generation industrial materials are made of only low environmental load elements without concern about resource life. As the candidate elements, atmospheric constituent elements (N, O) that do not need to consider resource life, elements with extremely long resource life (Si, Ca, Ga), and elements with high recycling rates (Fe, Cu) are considered. .
[0003]
According to the above idea, various environmental materials such as GaN, Cu 2 O, β-FeSi 2 and the like can be considered as semiconductors. Among them, β-FeSi 2 is a direct transition type semiconductor that can be epitaxially grown on a Si substrate, has a large absorption coefficient ((10 −5 cm −1 at visible wavelength), and has a band gap of 0.85 eV. For this reason, it is attracting much attention as a next-generation semiconductor material.
[0004]
Specific applications include high-efficiency solar cell materials and optical device materials such as photodiodes and light-emitting diodes, such as those relating to a method for forming a β-FeSi 2 thin film (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-64099) and solar cells ( JP-A-11-103080) and those relating to light-emitting elements (JP-A-2000-133836, JP-A-2001-127338, JP-A-2002-57368, JP-A-2002-76431, JP-T-2001) No. 504277) has been applied for a patent.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have previously developed a method of depositing a β-phase FeSi 2 thin film while being deposited on a substrate by a laser ablation method (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-178713). Further, a patent application was filed for a method of depositing a β-phase FeSi 2 thin film by a facing target type DC sputtering method (Japanese Patent Application No. 2001-386820). Also, very recently, it has been reported that a film exhibiting semiconductor characteristics can be obtained even when the amorphous state is maintained while the composition ratio remains almost unchanged ("The 62nd Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics", p. 1022, September 2001). On March 11, 2001 ("The 2001 Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Kyushu Section Lectures", page 86, December 1, 2001), this is also drawing attention, and related inventions have been patented (Japanese Patent Application 2001). -386824, and Japanese Patent Application No. 2001-388341).
The continuous film formed by such a method was an amorphous film and exhibited an optical band gap of 0.64 to 0.70 eV, and the β-FeSi 2 film exhibited an optical band gap of 0.85 to 0.92 eV. .
[0006]
The optical and electrical properties of β-FeSi 2 have recently been investigated and clarified in detail, and the optical and electrical properties of amorphous iron silicide semiconductors have been gradually clarified. Control is a major challenge. When β-FeSi 2 and an amorphous iron silicide semiconductor are used in various devices in the future, it is necessary to control optical and electrical characteristics. In particular, reduction and control of the carrier concentration and control of the band gap are indispensable.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has found that the above problem can be solved by hydrogenating β-FeSi 2 or amorphous FeSi X (x is 1 to ∞) of an iron silicide semiconductor.
That is, the present invention is an iron silicide semiconductor thin film characterized in that the optical band gap is changed by hydrogenation.
Further, the present invention is the above-mentioned iron silicide semiconductor thin film, which is made of β-FeSi 2 having an optical band gap in a range of 0.6 to 1.1 eV.
Further, the present invention is the above-mentioned iron silicide semiconductor thin film, wherein the thin film is made of amorphous FeSi x (x is 1 to ∞) having an optical band gap of 0 to 1.85 eV.
Further, the present invention is an iron silicide semiconductor thin film wherein the carrier concentration is controlled by hydrogenation.
Further, the present invention is an optical / electronic device using the above-mentioned iron silicide semiconductor thin film.
[0008]
Furthermore, the present invention, beta-FeSi 2 or amorphous FeSi in the thin film growth methods X, by incorporating hydrogen in the thin film during the growing by flowing hydrogen gas atmosphere during deposition beta-FeSi 2 or amorphous FeSi X (x is 1 to ∞) is hydrogenated, wherein the iron silicide semiconductor thin film is manufactured as described above.
[0009]
In the present invention, the term “hydrogenation” means that hydrogen is bonded to Si atoms and / or Fe atoms of β-FeSi 2 or amorphous FeSi X mixed in the thin film during the growth of the thin film. Due to hydrogenation, amorphous FeSi X has a band gap in the range of 0 to 1.85 eV from about zero in the case of Fe-rich to 1.85 eV in the case of 100% Si, and β-FeSi 2 has a band gap in the range of 0.6 to 1.1 eV. Can be changed. Therefore, by adjusting the band gap, it is possible to optimize the hybrid of the light emitting and receiving elements and the wavelength of the light to be transmitted and received.
[0010]
Further, the electrical resistance, that is, the carrier concentration can be controlled by hydrogenating β-FeSi 2 or amorphous FeSi X. Carrier concentration control is indispensable for device design of light emitting and receiving elements and circuits. Controlling the carrier concentration allows the application of this material to electronic devices. As the degree of hydrogenation increases, the specific resistance indicating the carrier concentration increases once and then decreases. A small amount of hydrogen contained in β-FeSi 2 or amorphous FeSi X is composed of Fe, Si and H, and terminates non-bonded electrons contained in the crystal structure of the orthorhombic crystal structure to reduce the carrier concentration, It is considered that the inclusion of a certain amount or more contributes to the generation of carriers.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The iron silicide semiconductor thin film of the present invention can be manufactured by a normal thin film growth method, for example, a physical vapor growth method such as a laser ablation method, a sputtering method, a vapor deposition method, or an ion plating method, or a chemical vapor deposition method. A hydrogenated β-FeSi 2 film or a hydrogenated amorphous FeSi X can be grown depending on the difference in substrate temperature around 400 ° C.
[0012]
In the laser ablation method, an atmosphere during film growth using laser irradiation on an FeSi X target, laser irradiation on a Fe and Si target simultaneously or alternately, or laser irradiation on an Fe target in the case of a heated Si substrate. To adjust the pressure of the hydrogen gas to produce β-FeSi 2 or amorphous FeSi X having a controlled hydrogen content.
[0013]
Further, in the sputtering method, sputtering of a FeSi X target, or simultaneous or alternate sputtering of an Fe and Si target, or a rare gas for sputtering during film growth using sputtering of an Fe target in the case of a heated Si substrate. By flowing hydrogen gas and adjusting the ratio of the flow rates of the sputtering gas and the hydrogen gas, β-FeSi 2 or amorphous FeSi X having a controlled hydrogen content is produced. The rare gas for sputtering contains any component of neon, argon, krypton, and xenon.
[0014]
The optical band gap of the iron silicide semiconductor thin film is changed by controlling the amount of hydrogen contained in the thin film of β-FeSi 2 or amorphous FeSi X by adjusting the pressure of hydrogen gas in the atmosphere during the growth of the thin film. be able to. Further, by forming a film by changing the amount of inflow of hydrogen, a film having an optical band gap different in the depth direction of the film can be easily formed. As the degree of hydrogenation increases, the optical band gap increases.
[0015]
Similarly, by controlling the amount of hydrogen contained in the β-FeSi 2 or amorphous FeSi X thin film, the electrical characteristics of the iron silicide semiconductor thin film are controlled by the effect of reducing the carrier concentration or increasing the carrier concentration. be able to.
The hydrogen content at the boundary where the carrier concentration is reduced or the carrier concentration is increased is about 10 at%, but this boundary depends on the crystallinity of the formed film. Shift toward
[0016]
By using the iron hydride silicide semiconductor thin film of the present invention, an optoelectronic device such as a pn junction light receiving device similar to an optoelectronic device manufactured using an existing Si or GaAs-based semiconductor can be manufactured. Although a film showing a pn junction has not yet been obtained with β-FeSi 2 or amorphous FeSi X that has not been hydrogenated, a pn junction film was first realized using the hydrogenated iron silicide film of the present invention. When it is desired to form a pn junction film with silicon, for example, a p-type β-FeSi film may be formed on an n-type Si substrate.
[0017]
Hereinafter, a method for producing an iron hydride silicide thin film by a laser ablation method and characteristics of the obtained thin film will be specifically described.
After the inside of the vacuum chamber is evacuated to 2 × 10 −7 Torr or less by a turbo molecular pump, an ArF excimer laser (wavelength: 193 nm, FWHM = 20 ns) is supplied to the vacuum chamber into which hydrogen flows in a pressure range of 0.1 to 10 Pa. The light was focused on an FeSi 2 amorphous alloy (99.99%) target having a composition ratio of 1: 2 and irradiated at an incident angle of 45 °, and a film was deposited on a facing Si substrate at a distance of 50 mm. A blade-type rotary filter capable of high-speed rotation was provided between the target and the substrate to capture droplets. The fluence F of the laser pulse was 4 J / cm 2 , the repetition frequency was 10 Hz, and the substrate temperature was room temperature (20 ° C.) and 700 ° C.
[0018]
The resulting film was evaluated by SEM observation, X-ray diffraction, light absorption spectrum measurement, and electrical resistance measurement. An amorphous FeSi X film is formed at 400 ° C. or less, and a β-FeSi 2 film is formed at 400 ° C. or more. Amorphous FeSi X and β-FeSi 2 were hydrogenated by changing the pressure of hydrogen in the atmosphere gas.
[0019]
FIG. 1 shows changes in the X-ray diffraction pattern of the β-FeSi 2 film when the hydrogen pressure is set to 0 Pa, 0.3 Pa, and 3 Pa (a is 2θ-θ scan, b is 2θ scan). The peak from β-FeSi 2 is observed even when the pressure of hydrogen is increased, and it can be seen that the β-FeSi 2 film is growing even when hydrogen is mixed into the thin film. When amorphous FeSi X is generated, the XRD peak is not observed regardless of the hydrogen pressure due to the amorphous state.
[0020]
Figure 2 shows a typical absorption spectrum of the hydrogenated amorphous FeSi X. FIG. 3 shows a typical absorption spectrum of hydrogenated β-FeSi 2 . In both cases, the band gap is increased as compared with the case of hydrogen-free, and fitting can be performed to the square of the absorption coefficient.
[0021]
FIG. 4 shows the dependence of the optical band gap (vertical axis: Eg [eV]) on the hydrogen pressure (horizontal axis: [Pa]). As the hydrogen pressure increases, that is, as the amount of hydrogen mixed in the film increases, the optical band gap increases.
[0022]
FIG. 5 shows the dependency of the specific resistance (vertical axis: ρs [Ω]) on the hydrogen pressure (horizontal axis: [Pa]). The specific resistance of β-FeSi 2 is one order of magnitude greater than that of amorphous FeSi X , but both increase once as the hydrogen pressure increases and then decrease. It can be seen that the incorporation of hydrogen into the film terminates non-bonded electrons and reduces the carrier concentration, and that if hydrogen is excessively mixed, non-bonded electrons of hydrogen cause carriers to reduce the electric resistance.
[0023]
Hereinafter, the method for producing the iron hydride silicide thin film by the opposed target sputtering method and the characteristics of the obtained thin film will be specifically described.
The chamber was evacuated to 10 −4 Pa or less using a turbo molecular pump, and Ar gas and hydrogen gas were introduced into the chamber to a total pressure of 1.33 × 10 −1 Pa. An FeSi 2 alloy (99.99%) having a composition ratio of 1: 2 was used as a target. The applied voltage and current were 950 mV and 6.0 mA, respectively, and amorphous FeSi X and β-FeSi 2 were deposited on the Si substrate at room temperature (20 ° C.) and 700 ° C., respectively, to a thickness of about 240 nm.
[0024]
The resulting film was evaluated by SEM observation, X-ray diffraction, light absorption spectrum measurement, and electrical resistance measurement. At 400 ° C. or lower, amorphous-like FeSi X is formed, and at 400 ° C. or higher, a β-FeSi 2 film is formed. By adjusting the ratio of argon gas to hydrogen gas, hydrogenation of amorphous-like FeSi X and β-FeSi 2 is performed. went.
[0025]
FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern of the obtained hydrogenated β-FeSi 2 film. FIG. 7 shows an X-ray diffraction pattern of the obtained hydrogenated amorphous FeSi X film. As shown in FIG. 6, a diffraction peak of β-FeSi 2 is observed regardless of the hydrogen partial pressure, and hydrogenated β-FeSi 2 grows. As shown in FIG. 7, at room temperature, a broad peak is observed regardless of the hydrogen partial pressure, and amorphous FeSi X grows.
[0026]
FIG. 8 shows a typical absorption spectrum of non-hydrogenated amorphous FeSi X. FIG. 9 shows a typical absorption spectrum of hydrogenated FeSi X. The absorption spectrum is almost a straight line when the vertical axis is the square of the absorption coefficient, which indicates that the semiconductor is a direct transition type semiconductor. It can be seen that the hydrogenated thin film has a larger band gap.
[0027]
FIG. 10 shows a typical absorption spectrum of hydrogen-free β-FeSi 2 . FIG. 11 shows a typical absorption spectrum of hydrogenated β-FeSi 2 . Like amorphous FeSi X , it is a direct transition semiconductor, and hydrogenated β-FeSi 2 has a larger band gap.
[0028]
FIG. 12 shows a change in the optical band gap (vertical axis: Eg [eV]) with respect to the hydrogen partial pressure (P H2 / P Ar ). As the hydrogen partial pressure increases, the optical band gap increases, indicating that the optical band gap increases as the hydrogen content in the thin film increases.
[0029]
FIG. 13 shows a change in the specific resistance (vertical axis: ρs [Ω]) with respect to the hydrogen partial pressure (P H2 / P Ar ). The resistivity once increases with an increase in hydrogen pressure and then decreases. It can be understood that non-bonded electrons are terminated by mixing hydrogen into the thin film and the carrier concentration is reduced, and that if hydrogen is mixed excessively, non-bonded electrons of hydrogen cause carriers to reduce electric resistance.
[0030]
【Example】
Example 1
An element similar to an optoelectronic element manufactured using existing Si or GaAs-based semiconductors was manufactured using hydrogenated β-FeSi 2 formed by a facing target type DC sputtering method. The target was composed of a FeSi 2 alloy (99.99%) having a composition ratio of 1: 2 doped with P (phosphorus) at 10 19 cm −1 and a composition ratio of 1:15 doped with B (boron) at 10 15
[0031]
Insulating quartz glass was used for the substrate, and the substrate temperature was 600 ° C. First, p-type hydrogenated β-FeSi 2 was deposited to a thickness of 5 μm on a substrate using a P-doped target, and then n-type hydrogenated β-FeSi 2 was deposited to a thickness of 30 nm using a B-doped target.
[0032]
14, insulating quartz on a
[0033]
FIG. 15 shows the IV characteristics of the device. Similar to a pn junction element using Si, IV characteristics typical of a pn junction were observed when light was not irradiated and when light was irradiated. The intercepts of the V axis and the I axis at the time of light irradiation are called open-circuit voltage and short-circuit current, respectively, and their product corresponds to the maximum power that can be taken out when considered as a photoelectric conversion element. It was found that a clear open-circuit voltage and a short-circuit current were present, and that the device functioned as a photoelectric device. It was confirmed that a pn-bonded film was realized with β-FeSi 2 .
[0034]
【The invention's effect】
When the iron silicide semiconductor thin film of the present invention is used for various devices, it is possible to control light and electric characteristics by giving a desired band gap, and a photoelectric conversion element having different photosensitivity on the same element. Can also be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an X-ray diffraction pattern of a hydrogenated β-FeSi 2 film produced in
FIG. 2 is a typical absorption spectrum of a hydrogenated amorphous film (hydrogen pressure: 0.3 Pa) produced in
FIG. 3 is a typical absorption spectrum of a hydrogenated β-FeSi 2 film (hydrogen pressure: 0.3 Pa) produced in
FIG. 4 is a graph showing a change in an optical band gap with respect to a hydrogen pressure of a hydrogenated amorphous film and β-FeSi 2 produced in
FIG. 5 is a graph showing a change in specific resistance to hydrogen pressure of a hydrogenated amorphous film and β-FeSi 2 produced in
FIG. 6 is an X-ray diffraction pattern of a hydrogenated β-FeSi 2 film produced in
FIG. 7 is an X-ray diffraction pattern of a hydrogenated amorphous FeSi X film produced in
FIG. 8 is a typical absorption spectrum of a non-hydrogenated amorphous FeSi X film produced in
FIG. 9 is a typical absorption spectrum of a hydrogenated amorphous FeSi X film produced in
FIG. 10 is an absorption spectrum of a non-hydrogenated β-FeSi 2 film produced in
FIG. 11 is a typical absorption spectrum of a hydrogenated β-FeSi 2 film produced in
FIG. 12 is a graph showing a change in an optical band gap accompanying hydrogenation of hydrogenated amorphous FeSi 2 (700 ° C.) and β-FeSi 2 (30 ° C.) produced in
FIG. 13 is a graph showing a change in specific resistance accompanying hydrogenation of hydrogenated β-FeSi 2 (700 ° C.) and amorphous FeSi 2 (30 ° C.) produced in
FIG. 14 is a schematic diagram of a structure of a pn junction type light receiving element using hydrogenated β-FeSi 2 manufactured in Example 1.
FIG. 15 is a graph showing IV characteristics of a pn junction type light receiving element using hydrogenated β-FeSi 2 manufactured in Example 1.
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