アモルファス・シリコンの中距離構造の制御と光電流増倍効果

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水素化アモルファス・シリコン(a-Si:H)薄膜作成時の表面、および表面近傍における構造形成化学反応プロセスを水素原子、あるいは電子励起希ガス(Ar^*)のような科学活性種にて変調し、シリコン網目構造における中距離構造を制御することによって、a-Si:Hの基本的性質であるバンドギャップ(Eg)を広い範囲(1,5eV-2.1eV)で制御する新しい技術を開発した。SiH_4をプラズマ中で分解し生成したフリーラジカル(SiH_3)を堆積前駆体として1-3nm圧の超薄膜の堆積と、その表面を水素原子にて処理する過程を繰り返すことにより、Eg=2.1eVに達するワイドギャップa-Si:H膜の作製に成功した。また、水素原子の替わりにAr^*による表面処理を行うことにより、Eg=1.52eVのナロ-ギャップa-Si:H膜の作製にも成功した。水素原子処理では、表面近傍のシリコン網目中に水素が浸透することによって、構造緩和が促進され、中距離構造が異なる網目が形成される。一方、Ar^*処理では、表面水素の離脱に起因する網目中水素の拡散・離脱反応が促進され、シリコン網目構造が離密化することを、エリプリメトリーを用いたその場観測結果から推定した。これらのワイドおよびナロ-ギャップa-Si:H膜はいずれも、欠陥濃度が<10^<16>m^<-3>と低く高品質で優れた光伝導を示し、また、原子間距離、結合角などの短距離構造に差異は認められず、バンド端における局在単位の分布にも変化は認められなかった。したがって、キャリア輸送、緩和特性を損なうことなく、a-Si:H膜のバンドギャプを1.5eV-2.1eVまで自由に変調できる新しい製膜法を開発できた。次に高品質ワイドギャップa-Si:H膜を用いて、高電界印加下で誘起されることが期待される光電流の増倍効果(アバランシェ増幅)の実現を目指したデバイス開発研究を行った。まず、n-type a-Si:H/ワイドギャップ膜/p-type a-Si:H/金属の順序に堆積したダイオード構造デバイスを作製した。n/p層の作製条件、膜厚を最適化したデバイスの一次光電流、ダイオード特性の評価から、優れたデバイス性能が得られ、10^5V/cmの電界印可下でも漏れ電流を低い値に保つことに成功した。しかし、それでも>10^5V/cmの印加電界下では、電圧の増加と共に、漏れ電流が指数関数的に増加した。そこで、p-type a-Si:H層の替わりにSb_2S_3薄膜層を堆積したVidicon型撮像デバイスを作製し、ビデオ信号にて測定した。その結果、漏れ電流は印加電界<6x10^5V/cmまで低い値を保持することが出来、また、光電流は低電界印可で飽和する傾向を示し、ワイドギャップa-Si:H膜が優れた光伝導性を示した。ただ、得られたビデオ信号をテレビ画像として再生すると、>4x10^5V/cmの印可電界下では白キズが現われ、電極から局所的に漏れ電流が注入されていることが分かり、さらにプロッキング電極構造の改善が必要であることが明かになった。