[其他]含氟的P型摻雜微晶半導體合金

在審

• 申請號: 101985000008047
• 申請日: 1985-11-02
• 公開（公告）號: CN85108047B
• 公開（公告）日: 1988-09-07
• 發明（設計）人: 薩布亨杜·古哈;詹姆斯·庫爾曼;斯坦福·R·奧欣斯基
• 申請（專利權）人: 能源轉換裝置公司
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 吳秉芬;李先春

一種含有充份密集的晶體夾雜物的以顯著改善材料性能的、含氟摻硼Ｐ型硅基半導體微晶合金，以及該合金的制造方法。包含有至少一層暴露于入射光下的這種合金的單個電池或多層電池的光生伏打器件改善了填充因子和轉換效率。

非晶薄膜半導體合金作為一種用以制造電子器件的材料，例如制造光生伏打電池、光敏器件和光電導器件、晶體三極管、二極管、集成電路、存儲器陣列等，已經獲得日益增加的應用。非晶薄膜半導體合金可以以較低的成本進行制造，它具有寬范圍的可以控制的電學性質、光學性質和結構性質，并可以沉積到較大的基面上。最重要的半導體合金材料有硅基合金、鍺基合金和硅-鍺基合金。

如美國專利第4226898中所公開的，引入到非晶硅合金半導體材料中的氟顯著地降低了在其禁帶寬度中的局部缺陷狀態密度，并便于添加其它的合金材料，例如鍺。

高質量的n型摻雜本征非晶半導體合金膜可以很容易制造。但是，制造具有好的電學質量的P型摻雜非晶半導體合金膜就要困難得多。

本發明是關于非晶態的和非晶與晶體混合態的半導體材料。本文中所稱的“非晶”材料是指表現出長程無序的材料，不過它們可以包含短程有序或中程有序，或者甚至可以含有晶體夾雜物。本文中所稱的“微晶”材料是指含有晶體夾雜物的體積比值超過閾值的一類非晶態材料。當超過這個晶體夾雜物閾值體積比值時，某些（關鍵）的材料參數，如電導率、禁帶寬度和吸收常數就會發生顯著變化。這一微晶體材料物理性質發生顯著變化的臨界閾值，取決于特定晶體夾雜物的大小、形狀和取向，但它對于不同導電類型的材料是相對恒定的。雖然有多種材料可以歸類為“微晶體”，但是只有它們的晶體夾雜物體積比值超過了發生顯著變化所必須的閾值時，這些材料才會表現出我們所發現有助于實施本發明的那些性質。晶體夾雜物的形狀對于達到閾值所必需的體積比值是關鍵的。對于予測達到取決于晶體夾雜物形狀的閾值所必需的夾雜物體積比值，有一維模型、二維模型和三維模型。例如，在一維模型中（這一模型可以比喻為載流子通過一根細電線流動），在非晶網中的夾雜物體積比值必須是100%才能達到閾值。在二維模型中（這一模型可以視為貫穿非晶網厚度而延伸的、大體上成園錐形的夾雜物），在非晶網中夾雜物的體積比值必須是約45%才能達到閾值。在三維模型中（這一模型可以視為在非晶態材料的海洋中基本上成球形的夾雜物），夾雜物的體積分數只需要約16-19%即可以達到閾值。因此，非晶材料（甚至那些由本領域的其他人歸類為微晶的材料）可以包含晶體夾雜物而不會成為按本文中所定義的微晶體。

我們已經認識到，微晶半導體合金材料所表現出的特別有益的性質可以通過在硅、氫半導體合金基體中摻雜氟而得到進一步加強，并且，添加氟或沒有添加氟的、按我們所描述的微晶半導體合金材料在制造n-i-p型光生伏打器件中特別有用。

松田等人在一篇題為“高電導率和寬光學禁帶寬度的摻硼Si：H膜”的論文中，描述了一種輝光放電沉積技術，這一技術用來在高功率低壓力的條件下，由乙硼烷、硅烷、和氫的源氣體混合物制造摻硼的含氫微晶硅合金材料的薄膜。據報導，結果得到的P型摻雜半導體合金，其光學禁帶寬度為1.8cV、暗電導率約0.1歐姆^-1厘米^-1、激活能為0.03eV微晶夾雜物在非晶網中的總量為60vol%（體積百分比）。所報導的0.1歐姆^-1厘米^-1的電導率至少比本發明合金的電導率低兩個數量級。Matsuda所報告的禁帶寬度比起相應的本征半導體合金材料的禁帶寬度要窄。Matsuda等人所描述的技術，沒有將氟摻入半導體合金材料，僅僅依賴使用乙硼烷作為P型摻雜的氣體源，并且未能提供最佳的晶體夾雜物體積百分數。乙硼烷是一種與大氣接觸時自燃的相當昂貴的有毒氣體材料，它在輝光放電過程中必然產生不合要求的半導體產物。在輝光放電過程中，乙硼烷趨向于將聚合的和低聚的硼類物質摻入正在沉積的半導體合金材料中，有害地影響了沉積的半導體合金材料的化學性質、光學性質和電學性質。

松田等人制造的薄膜P型摻雜半導體合金材料據說含有接近60Vol%的晶體夾雜物。但這些結果是由薄膜而不是由器件得出的。為了精確地測量薄膜中的晶體夾雜物體積比值，膜必須比較厚，例如100毫微米厚，而松田的膜只有10毫微米厚。此外，由于晶體夾雜物的體積百分數隨厚度而增加，因此松田不可能達到產生如我們所定義的微晶材料的閾值。