〈一般研究課題〉 バッファー層挿入によるナノ結晶 SiC:H/ 結晶 Si
ヘテロ接合素子の特性最適化に関する研究
助 成 研 究 者

名古屋大学

田畑彰守

バッファー層挿入によるナノ結晶SiC:H/結晶Si
ヘテロ接合素子の特性最適化に関する研究
田畑 彰守（名古屋大学）

Study of property optimization of nanocrystalline cubic
SiC:H/c-Si heterojunction diodes by inserting buffer layers
Akimori Tabata(Nagoya University)

Abstract：
Hydrogenated nanocrystalline cubic silicon carbide (nc-3C-SiC:H) has a wide band gap and is themost promising candidate material as an emitter layer for achieving high conversion efficiency ofheterojunction crystalline Si (c-Si) solar cells. In this study, we investigated the effect of inserting
buffer layers into nc-3 C-SiC:H(n)/c-Si(p) interface on the electrical properties of theheterojunction diodes. The ideality factor and the saturation current density was 1.8 and 6×10-7 A/
cm2 , respectively, for the diodes without buffer layer and improved to be 1.7 and 1×10-7 A/cm2 byinserting an intrinsic nc-3C-SiC:H buffer layer of 5nm thickness. They improved further to be 1.5
and 6×10-7 A/cm2 with an increase in the buffer-layer thickness to 10 nm. When amorphous Si:H
(a-Si:H) was employed as a buffer layer, the ideality factor was 1.2. This indicates that the a-Si:Hforms a more favorable interface than nc-3C-SiC:H.
１．はじめに水素化ナノ立方晶炭化シリコン（nc-3C-SiC:H）は、SiC結晶子とアモルファスSiC:H相からなる材料である。ナノサイズではあるがSiC結晶子を含有しているため、バルク3C-SiCと同じような特性を有する。しかし、バルク3C-SiC作製プロセスでは1000℃以上の高温が必要であるが、nc3C-SiC:Hは400℃以下の低温プロセスで形成することができるという利点がある。我々の研究グ－ 67 －ループではこれまでにシラン（SiH4）／メタン（CH4）／水素（H2）ガスを原料にしてホットワイヤー化学気相成長（HW-CVD）法を用いたnc-3C-SiC:H薄膜の構造および膜特性の制御技術を明らかにしてきた[1]。更に、窒素（N 2）ガスをドーピングガスとしてn型nc-3C-SiC:Hの開発にも成功した[2]。
これらの成果をもとに、現在はnc-3C-SiC:Hを用いたデバイス、特に太陽電池への応用を目指した研究を行っている。
用を目指した研究を行っている。
ヘテロ接合結晶Si（c-Si）太陽電池への注目度が近年ますます高くなり、その研究報告が多くなさヘテロ接合結晶 Si（c-Si）太陽電池への注目度が近年ますます高くなり、その研究報告が多くなれている[3]。その理由は、c-Si基板上に薄膜を堆積してpn接合を作製するためホモ接合c-Si太陽電されている[3]。その理由は、c-Si 基板上に薄膜を堆積して pn 接合を作製するためホモ接合 c-Si 太池に比べ製造工程が低温であること、またそのエネルギー変換効率がホモ接合c-Si太陽電池と遜色陽電池に比べ製造工程が低温であること、またそのエネルギー変換効率がホモ接合 c-Si 太陽電池とないためである。現在c-Si基板上に堆積する膜（エミッター層）は水素化アモルファスSi（a-Si:H）が遜色ないためである。
現在 c-Si 基板上に堆積する膜（エミッター層）は水素化アモルファス Si（a-Si:H）
用いられている。エミッター層にa-Si:Hよりもワイドなバンドギャップを有する材料を用いることが用いられている。エミッター層に a-Si:H よりもワイドなバンドギャップを有する材料を用いるこにより更なる変換効率の向上を図ることができることが理論的に分かっている。nc-3C-SiC:Hはエとにより更なる変換効率の向上を図ることができることが理論的に分かっている。nc-3C-SiC:H はミッター層材料として最も有望な候補の一つである。
エミッター層材料として最も有望な候補の一つである。
これまでに、様々なH2 ガス流量にてn型nc-3C-SiC:H薄膜をp型c-Si 基板上に堆積させたnc-3Cこれまでに、様々な H2 ガス流量にて n 型 nc-3C-SiC:H 薄膜を p 型 c-Si 基板上に堆積させた
SiC:H/c-Siヘテロ接合素子の作製およびその素子特性評価を行い、H2 ガス流量が素子特性に与えnc-3C-SiC:H/c-Si ヘテロ接合素子の作製およびその素子特性評価を行い、H2 ガス流量が素子特性にる影響について調べた。H2 ガス流量の増加に伴い、nc-3C-SiC:H薄膜自体の結晶性や電気的特性は与える影響について調べた。H2 ガス流量の増加に伴い、nc-3C-SiC:H 薄膜自体の結晶性や電気的特向上するにもかかわらず、素子特性は低下した。この原因の一つとして、nc-3C-SiC:H薄膜作製時性は向上するにもかかわらず、素子特性は低下した。この原因の一つとして、nc-3C-SiC:H 薄膜作に生成されるHラジカルが考えられる。Hラジカルは材料表面を改善する場合もあるが、材料表面製時に生成される H ラジカルが考えられる。H ラジカルは材料表面を改善する場合もあるが、材料のエッチングによる表面劣化を引き起こす場合もある。H 2 ガス流量の増加に伴ってより高密度のH表面のエッチングによる表面劣化を引き起こす場合もある。H2 ガス流量の増加に伴ってより高密度ラジカルが生成され、nc-3C-SiC:H薄膜堆積初期にc-Si基板表面が高密度Hラジカルによって荒らの H ラジカルが生成され、nc-3C-SiC:H 薄膜堆積初期に c-Si 基板表面が高密度 H ラジカルによってされる。このことがヘテロ接合素子の素子特性を劣化させたと考えられる。この結果はnc-3C荒らされる。このことがヘテロ接合素子の素子特性を劣化させた と考えられる。この結果は
SiC:H/c-Siヘテロ界面の制御の必要性を指摘しており、改善法としてヘテロ界面へのバッファー
nc-3C-SiC:H/c-Si ヘテロ界面の制御の必要性を指摘しており、改善法としてヘテロ界面へのバッファ層の挿入がある。本研究では、バッファー層挿入によるnc-3C-SiC:H/c-Siヘテロ接合の素子特性ー層の挿入がある。本研究では、バッファー層挿入による nc-3C-SiC:H/c-Si ヘテロ接合の素子特性の改善に関する研究を行った。の改善に関する研究を行った。
２．実験方法
２．実験方法n型nc-3C-SiC:H薄膜はHW-CVD法を用いて作製した。SiH4、CH4、H2 およびN2 ガス流量はそれ
n 型 nc-3C-SiC:H 薄膜は HW-CVD 法を用いて作製した。SiH4、CH4、H2 および N2 ガス流量はそれぞれ、1sccm、1sccm、1000sccmおよび50sccm、ガス圧は4Torr、ワイヤー温度は1800℃、基板ホぞれ、1sccm、1sccm、1000sccm および 50sccm、ガス圧は 4Torr、ワイヤー温度は 1800℃、基板ホルルダー温度は300℃とした。c-Si 基板は、nc-3C-SiC:H薄膜堆積前にフッ酸に浸して表面の自然酸ダー温度は 300℃とした。c-Si 基板は、nc-3C-SiC:H 薄膜堆積前にフッ酸に浸して表面の自然酸化膜化膜を除去した。nc-3C-SiC:H薄膜堆積後に、両面に電極としてアルミニウムを真空蒸着した。
を除去した。nc-3C-SiC:H 薄膜堆積後に、両面に電極としてアルミニウムを真空蒸着した。
nc-3C-SiC:H薄膜の構造は、赤外吸収スペクトルの波数800cm-1-1 のSi-C伸縮振動（Si-C(st））によ
nc-3C-SiC:H 薄膜の構造は、赤外吸収スペクトルの波数 800cm の Si-C 伸縮振動（Si-C(st））によるピークを用いて評価した。Si-C(st)ピークの波形がローレンツの場合にはSiC結晶が成長しているピークを用いて評価した。Si-C(st)ピークの波形がローレンツの場合には SiC 結晶が成長しているることを示す。また、ピーク強度はSiC結晶相の量を、ピークの半値全幅はSiC結晶相の構造秩序ことを示す。また、ピーク強度は SiC 結晶相の量を、ピークの半値全幅は SiC 結晶相の構造秩序をを反映した量である。ピーク強度が強いほど結晶相量が多く、半値全幅が小さいほどSiC結晶の構反映した量である。ピーク強度が強いほど結晶相量が多く、半値全幅が小さいほど SiC 結晶の構造造秩序が良いことを示す。
秩序が良いことを示す。

作製したヘテロ接合素子は、電流密度－電圧（J-V）特性を測定し、その結果を作製したヘテロ接合素子は、電流密度－電圧（J-V）特性を測定し、その結果を(1)⑴を用いて評価した。ここで、n は理想因子、J0 は逆方向飽和電流密度、R0 は逆方向飽和電流密度、Rs は直列抵抗、Rsh はシャンを用いて評価した。ここで、nは理想因子、Jsは直列抵抗、Rshはシャント抵抗、q は電気素量、kB はボルツマン定数、T は絶対温度を表す。
３．実験結果および考察－ 68 －

３．１．低 + 希釈で作製した QF&6L&+ バッファー層の効果ト抵抗、qは電気素量、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度を表す。
３．実験結果および考察
３．１．低H2 希釈で作製したnc-3C-SiC:Hバッファー層の効果
図1は、(a)c-Si基板上に直接n型nc-3C-SiC:H薄膜を堆積したバッファー層なしの素子および(b)バッファー層をc-Si基板上に堆積した後にn型nc-3C-SiC:H薄膜を堆積した素子の赤外吸収スペクトルを示す。バッファー層作製条件は、SiH 4、CH 4 およびH 2 ガス流量をそれぞれ1、1および20sccmとし、他の成膜パラメータはn型nc-3C-SiC:H作製条件と同じとした。どの素子においても、800cm-1 にローレンツ型のピークが観測された。また、そのピーク強度および半値全幅はばらつきの範囲でほとんど同じであった。これは、バッファー層上でもc-Si基板上に直接堆積した場合と同様の構造および結晶性を持ってnc-3C-SiC:H薄膜が成長をしていることを示す。このことにより、以下で考察する電気的特性についてはn型nc-3C-SiC:Hの違いによる影響を考慮する必要な無く、バッファー層の影響について考察すればよいことが分かった。
図2は、(a)バッファー層なし、および(b)バッファー層ありのnc-3C-SiC:H/c-Siヘテロ接合素子のJ-V特性を示す。実線は測定曲線であり、破線は式(1)をもとにカーブフィッティングした曲線である。バッファー層なしの素子の理想因子nは1.8であったが、5nm程度のバッファー層を挿入することにより、理想因子nは1.7に低下した。10nm程度のバッファー層を持つ素子では理想因子nは1.551.0x10w/o buff.

-10.8

Absorption coefficient [cm ]-1

Absorption coefficient [cm ]1.0x100.60.40.20.0
400 600 800 1000 1200 1400
-150.80.60.40.20.0
400 600 800 1000 1200 1400
-1

Wave number [cm ]
(a)

(a)

バッファー層なし
図 1 (a)w buff.

Wave number [cm ]図１ 赤外吸収スペクトル

バッファー層なし(b)バッファー層あり
図 1 (b)(b)バッファー層あり
図２ 電流密度－電圧（J-V）特性－ 69 －まで減少した。それに伴い、逆方向飽和電流密度J0 は、6×10-7 A/cm2 からそれぞれ1×10-7 A/cm2、3×10-8 A/cm 2 に減少した。これらの結果、特に理想因子nが1に近づいたことは、欠陥を介した再結合電流が減少し、理想的なpn接合電流である拡散電流が支配的になってきたことを示す。前に述べたように、n型nc-3C-SiC:Hの構造はバッファー層によって変化していない。理想因子nおよび逆方向飽和電流密度J0 の低下は、バッファー層挿入によるnc-3C-SiC:H/c-Si界面の改善、すなわち界面欠陥の低下が要因になっていると考えられる。
直列抵抗Rsは、バッファー層なし、および5nm程度のバッファー層ありの素子では0.1Ωcm2 程度であったが、10nm程度のバッファー層ありの素子では1Ωcm2 程度と大きくなった。これは電気伝導度の低いnc-3C-SiC:Hをバッファー層として用いているためである。直流抵抗Rsの観点からからみると、バッファー層の厚さを5nm程度までにしておきたいが、素子特性には理想因子nや逆方向飽和電流の方が大きく影響J 0 を与えるので、バッファー層の厚さとして10nm程度が良いと考えられる。
シャント抵抗Rshは、バッファー層の有無、バッファー層の厚さに関わらず1×103 Ωcm 2 程度であった。この値より１桁以上大きい方が素子特性としては好ましい。本研究ではシャント抵抗は変わらなかったので、バッファー層以外の要因を調べていかなければならい。
３．２．a-Si:Hバッファー層の効果
バッファー層として用いられているa-Si:Hについても調べた。ただし、a-Si:H作製には200℃程度の基板温度が好ましいので、a-Si:Hバッファー層およびn型nc-3C-SiC:Hエミッター層とも基板ホルダー温度を200℃として作製を行った。前述のn型nc-3C-SiC:H作製の基板温度より低い条件
ではあるが、Si-C(st)ピークのピーク強度および半値全幅はほとんど変わらなかったので、ｎ型nc3C-SiC:Hエミッター層の影響は考慮しなくてもよい。J-V特性から評価した理想因子nは1.2、逆方向飽和電流密度J 0 は1×10-8 A/cm2 と優れた値を示した。c-Siとの優れた界面、すなわちc-Si基板の表面欠陥を減らすためには、nc-3C-SiC:Hよりa-Si:Hの方が優れていることを示している。これはa-Si:Hの構造がアモルファスであるためと考えられる。しかし、直列抵抗は6Ωcm2 程度と大きな値となった。これは、a-Si:Hの電気伝導度が低いためであり、改善する必要がある。
４．まとめ
バッファー層を挿入したnc-3C-SiC:H/c-Siヘテロ接合素子を作製し、バッファー層挿入によるヘテロ接合素子特性に与える影響を調べた。以下に本研究で得られた結果をまとめる。
⑴ バッファー層を挿入することによりヘテロ接合素子の再結合電流が低減された。
⑵ nc-3C-SiC:Hバッファー層では、厚さ5nmより10nmの方が素子特性は改善された。
⑶ バッファー層としてa-Si:Hの方が、低H2 希釈で作製したnc-3C-SiC:Hよりも優れている。
以上より、バッファー層の挿入はnc-3C-SiC:H/c-Siヘテロ接合素子特性の改善には有効であることが分かった。また、用いるバッファー層の構造およびその層厚の制御が重要であることが分かった。
参考文献[1] A. Tabata, Y. Komura, T. Narita, A. Kondo, Thin Solid Films 517 (2009) 3516.

－ 70 －[2] A. Tabata, Y. Hoshide, A. Kondo, Mater. Sci. Eng. B 175 (2010) 201.
[3]W. G. J. H. M. van Sark, L. Korte, F. Roca,“Physical and Technology of AmorphousCrystalline Heterojunction Silicon Solar Cells”(Springer, 2012)－ 71 －

－ 72 －