JP2001524760A - 高効率ソーラセルとその製造方法 - Google Patents

高効率ソーラセルとその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 理論ＡＭ０でのエネルギー変換効率が約４０％の高効率の３接合式または４接合式のソーラセル１０を、開示する。 【解決手段】 ソーラセル１０は、ｎ−ｐトンネル 接合部２２、２４、２６で分離した、インジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ）、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）、インジウムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）で形成されるｐ−ｎ接合部１４、１６、１８を備える。従って、ＩｎＧａＡｓＮのｐ−ｎ接合部の利用により、従来の多接合式ソーラセルにみられる超禁制帯幅エネルギー損失を克服できる。また、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）による高効率の３接合式または４接合式ソーラセル１０を製造する方法も、開示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、米国空軍、および、米国エネルギー省による契約番号ＤＥ−ＡＣ０
４−９４ＡＬ８５０００に基づいて米国政府により作成されたものである。
【０００２】 本発明は、ソラーセルおよび製造方法に関し、特に、入射光を電気エネルギー
に変換するため高い効率性を提供する半導積層体構造をもつソーラセルに関する
。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
高効率のソーラセルは、商業用および軍用の両方の宇宙発電システムでの利用
において非常に重要である。ソーラセルの効率を高めることは、人工衛星の重量
や発射コストを下げるだけでなく、人工衛星の動作寿命を伸ばすのにも効果があ
る。
【０００４】 従来の人工衛星用宇宙発電システムの大きさ、重量、価格は、基本的に使われ
ているソーラセルの光電エネルギー変換効率に依存するところが大きい。ソーラ
セルの最大限のエネルギー変換効率が求められるのは、ソーラセル配列面積を削
減するためであり、その結果、積載重量を大きくでき、発射価格を低減できるか
らである。例えば、一般的な静止通信衛星の寿命長必要電力量は、１０ｋＷであ
る。宇宙での気団ゼロ（ＡＭ０）の太陽エネルギー光束は１．３５３ｋＷ-ｍ-2 であるため、必要電力量が１０ｋＷの場合、２０％効率のソーラセルを使うと、
約５０ｍ2のソーラセル配列パネルが必要となる。しかしながら、ソーラセルの 効率を４０％まで上げることにより、同じ１０ｋＷの必要電力量でも、ソーラセ
ル配列パネルの面積や重量を半分にできる。
【０００５】 １９６０年代の初め以来、ソーラセル産業界の最も重要な目的とは、ソーラセ
ルのエネルギー変換効率を改善することであった。多接合式ソーラセル開発への
前進は、１９８０年代に最初に報告されている。１９９４年になって、水平線上
４５度の太陽からの入射光線のエネルギー変換効率が２９．５％という双接合式
ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓソーラセルが発表された（Ｋ．Ａ．バートネスらの「効率
２９．５％のＧａＩｎＰ／ＧａＡｓタンデムソーラセル」、応用物理学会報、６
５巻、９８９−９９１ページ、１９９４年を参照）。１９９６年には、ＡＭ０で
の（宇宙太陽スペクトル）エネルギー変換効率が２５．７％の３接合式ＩｎＧａ
Ｐ／ＧａＡｓ／Ｇｅソーラセルが発表されている（Ｐ．Ｋ．チャンらの「宇宙発
電システム用のＧａＩｎＰ２／ＧａＡｓ／Ｇｅ３接合式ソーラセル開発の実験結
果」、ＩＥＥＥ第２５回光電池専門家会議公報、１８３−１８６ページ、１９９
６年を参照）。
【０００６】 前記の３接合式ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅソーラセルは、２つのトンネル接
合で接合された３つのｐ−ｎ接合（各半導体層につき１つのｐ−ｎ接合）を含む
。その結果の構造は、ＩｎＧａＰ層では１．８５電子ボルト（ｅＶ）、ＧａＡｓ
層では１．４２ｅＶ、Ｇｅ層つまり基板では０．６７ｅＶのバンドギャップエネ
ルギーの３層の光吸収層をもつ一体型、直列、格子整合のソーラセルとなる。そ
の３接合式ソーラセルのエネルギー変換効率は、ＧａＡｓとＧｅのバンドギャッ
プエネルギーの比較的大きな差０．７５ｅＶにより制限されてしまい、Ｇｅ層で
の熱という形態での超禁制帯幅損失を起こすことになる。加えて、３接合式ソー
ラセルのエネルギー変換効率は、下方のＧａＡｓ層へ到達するフォトンの数を制
限し、そこで生成される電流を限定するようなＩｎＧａＰ層の比較的低いバンド
ギャップエネルギー(bandgap energy)によっても制限される。ソーラセル内の各
層は直列に接続されているため、ＧａＡｓ層の電流制限値により照射光に応じて
生成されるソーラセル全体の電流値が制限されてしまう。 それゆえ、４接合式ソーラセルの実現が、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅソーラセ
ル内にＩｎＧａＡｓ接合またはＺｎＧｅＡｓ2接合を形成することで試みられて いる。ＩｎＧａＡｓの４接合式ソーラセルの場合、ソーラセル構造の非整合層内
の高い転位密度が問題点である。また、ＺｎＧｅＡｓ2の４接合式ソーラセルの 場合は、ｐ−ｎ接合を作成するためのＺｎＧｅＡｓ2にｎタイプがドープできな いため成功とはいえない。しかし、高効率の４接合式ソーラセルを製造する別の
方法も試みられており、双接合式ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓソーラセル上に
別の双接合式単体ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓソーラセルを機械的に積層している。そ
の結果たる機械的積層の４接合式ソーラセルは、理論的なＡＭ０でのエネルギー
変換効率が約３２−３５％となるが、歩留まり、大型化、製造法などの点で実現
が難しい。
【０００７】 本発明の長所は、従来技術と比べて、超禁制帯幅のエネルギー損失を実質的に
低減できる高効率のソーラセルを提供できることである。
【０００８】 別の長所は、照射光に対する本発明の高効率ソーラセルの各ホモ接合部におい
て、ほぼ同等の電流が生成でき、そのため、電流に対する制限性をなくすことに
より装置効率が高められることである。
【０００９】 本発明の高効率ソーラセルのさらなる長所は、３接合式または４接合式ソーラ
セルとしての本発明の実施例において、約４０％もの高いエネルギー変換効率を
達成できることである。
【００１０】 本発明の方法の前記およびその他の長所も、当業者には明らかになるであろう
。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高効率のソーラセルおよびその製造方法に関する。高効率ソーラセ
ルは、それぞれのｐ−ｎ接合部が単数または複数の異なる半導体合金組成物のエ
ピタキシ成長半導体層内に形成されるような、複数の積層半導体ｐ−ｎ接合部（
本文では、単独の半導体層から形成される場合はホモ接合部と呼び、異なる半導
体合金組成物の１対の層から形成される場合はヘテロ接合部を呼ぶ）から成る。
ｐ−ｎ接合部をもつエピタキシ成長半導体層は、それらのｐ−ｎ接合部とは反対
の極性で配向されたエピタキシ成長半導体トンネル接合部で分離されている（つ
まり、複数のｐ−ｎ接合部が、ｎ−ｐトンネル接合部で分離されている）。
【００１２】 さらに、高効率ソーラセル内の半導体ｐ−ｎ接合部の１つが、インジウムガリ
ウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ）の半導体合金で形成された層か
ら成り、ＩｎＧａＡｓＮのホモ接合部上に位置する別のｐ−ｎ接合部が、好まし
くは、インジウムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）から成
る。高効率ソーラセルは、複数の半導体層をエピタキシ成長させる工程の前、あ
るいは、最中に、基板の上面の下方に（例えば、１つの極性のドーパントを反対
の極性の基板内に高い温度で熱拡散させる熱拡散処理などにより）形成された（
例えば、ホモ接合である）拡散ｐ−ｎ接合部をオプションで備えた（例えば、ゲ
ルマニウム、または、ガリウムアルセナイドの）半導体基板上にエピタキシ成長
させて作成することが可能である。別の例として、１つの極性の半導体層を反対
極性の基板上にエピタキシ成長させることにより、基板上にｐ−ｎ接合部を形成
しても構わない（例えば、ｐタイプのＧｅ基板上にｎタイプのＧｅ層をエピタキ
シ成長させて、Ｇｅのｐ−ｎホモ接合部を形成する）。最適効率を得るため、Ｉ
ｎＧａＡｓＮのｐ−ｎ接合部をもつＩｎＧａＡｓＮ半導体層の半導体合金組成物
は、約１．０−１．２ｅＶの範囲の好ましくは１．０５ｅＶのバンドギャップエ
ネルギーを出力できるよう選択されたものである。ＩｎＧａＡｌＰのｐ−ｎ接合
部をもつインジウムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）半導
体層を利用する本発明の一実施例において、その半導体層の組成物は、好ましく
は、約２．０ｅＶのバンドギャップエネルギーを出力できるよう選択する。加え
て、各半導体層は、好ましくは、ソーラセルが歪最初値に格子整合できるよう、
基板の格子定数とほぼ同じの格子定数ａ０で形成する。
【００１３】 本発明の別の好適実施例では、その内部に拡散ホモ接合部をもつゲルマニウム
（Ｇｅ）基板を使用する。Ｇｅ基板の上には、１．０−１．２ｅＶの範囲の、最
も好ましくは１．０５ｅＶのバンドギャップエネルギーを出力できるよう選択さ
れた半導体合金組成のインジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡ
ｓＮ）から成る第１のｐ−ｎホモ接合部と、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）
から成る第２のｐ−ｎホモ接合部と、約２．０ｅＶのバンドギャップエネルギー
を出力できるよう選択された半導体合金組成のインジウムガリウムアルミニウム
ホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）から成る第３のｐ−ｎホモ接合部とをエピタキ
シ成長させる。
【００１４】 エピタキシ成長工程中に各対のｐ−ｎホモ接合部の間、および、Ｇｅ基板中に
形成された拡散ホモ接合部と第１のＩｎＧａＡｓＮホモ接合部との間に形成され
た第１のトンネル接合部は、ＧａＡｓトンネル接合、ＩｎＧａＡｓＮトンネル接
合、インジウムガリウムアルミニウムアルセナイドニトライド（Ｉｎ（ＧａＡｌ
）ＡｓＮ）トンネル接合のいずれである。第１のＩｎＧａＡｓＮホモ接合部と第
２のＧａＡｓホモ接合部の間の第２のトンネル接合部は、好ましくはＧａＡｓト
ンネル接合である。第２のＧａＡｓホモ接合部と第３のＩｎＧａＡｌＰホモ接合
部の間の第３のトンネル接合部は、好ましくはアルミニウムガリウムアルセナイ
ド（ＡｌＧａＡｓ）／インジウムガリウムホスファイド（ＩｎＧａＰ）のトンネ
ル接合である。本発明のこの４接合式実施例においては、各半導体層の厚さは、
一般的には１―５ミクロン（μｍ）の範囲であり、好ましくは約３μｍであって
、各トンネル接合部は、一般的におよそ２０−３０ナノメータ（ｎｍ）の厚さを
もつ。
【００１５】 前記の本発明の４接合式実施例は、さらに、ホモ接合部を被膜するようエピタ
キシ成長されたインジウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＡｌＰ）の不活性層
と、その不活性層上にエピタキシ成長されたＧａＡｓのキャップ層とを備える。
その不活性層とキャップ層の両方とも、各ｐ−ｎホモ接合部への光入射に応じて
ソーラセルが生成する電力を伝導するためドープ処理が行われる。本発明の高効
率ソーラセルの好適実施例の製造は、ＧａＡｓキャップ層に単数または複数の窓
部つまり開口を設けるようエッチングにてＧａＡｓキャップ層をパターン形状化
することにより完成する。そのようなキャップ層のパターン形状化により、キャ
ップ層を局所的に除去しない場合に発生する（太陽光などの）入射光の一部の吸
収が防止できる。さらに、パターン形状化された上側電極をキャップ層の上に積
設し、全面の下側電極を基板の下に設ける。入射光の反射損失を低減するため、
前記の露出された不活性層の上に、（例えば、ＳｉＯ2とＴｉＯ2の交互層から成
る）多層反射防止（ＡＲ）膜を配備する。動作するとき、この好適実施例の高効
率ソーラセルは、約４０％の理論エネルギー変換効率で太陽光を電気エネルギー
に変換する。
【００１６】 本発明のその他の実施例では、Ｇｅ基板内の拡散ホモ接合部を省略する。さら
に、本発明の別の実施例として、拡散ホモ接合部や第１のトンネル接合部をもた
ないＧａＡｓ基板上に３接合式ソーラセルを形成できる。拡散ホモ接合部をもた
ない本発明の別の実施例においては、理論エネルギー変換効率の低下が３％を越
えない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のさらなる長所や新規の特徴も、付随図面を伴った下記の詳細な説明を
熟読すれば当業者には明白になるであろう。本発明の長所は、付随の発明の請求
項に特定された装置の手段や組み合わせにより実現かつ獲得できるものである。
【００１８】 図１に示すのは、本発明による高効率ソーラセルの好適実施例の概略である。
図１の好適実施例の高効率ソーラセル１０は、その上面に、複数の異なる半導体
合金組成物のｐ−ｎホモ接合部から成るエピタキシ構造が成長された基板１２を
備える。図１に示すように、ホモ接合部は、その順序でエピタキシ成長させた、
インジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ）の第１ホモ接合
部１４、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）の第２ホモ接合部１６、インジウム
ガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）の第３ホモ接合部１８か
ら成る。
【００１９】 図１の各ホモ接合部は、ホモ接合部の半導体合金組成物の層をエピタキシ成長
させるとき形成されるため、ソーラセル１０の多層つまり積層ホモ接合部構造が
形成される。基板１２は、一般的に、ソーラセル１０に機械的強度を与えるゲル
マニウム（Ｇｅ）で構成される。本発明の別の実施例として、基板材料にＧａＡ
ｓを使っても構わない。
【００２０】 追加されたｐ−ｎホモ接合部２０は、基板１２がＧｅで構成される場合、基板
内または基板上に直接に形成される。例えば、ｐタイプでドープ処理されたゲル
マニウム基板１２を使えば、ｎタイプのドーパントとしての砒素（Ａｓ）を基板
１２の上表面に高温で加熱拡散させることにより拡散ｐ−ｎホモ接合部２０を形
成できる。拡散ホモ接合部２０は、複数の半導体層のエピタキシ成長工程の前に
、あるいは、ピタキシ成長工程中に形成させても構わない。さらに、エピタキシ
成長基板のホモ接合部を、例えば、ｐタイプのＧｅ基板１２上に薄いｎタイプＧ
ｅ層を形成させた拡散ホモ接合部２０に代えることも可能である。
【００２１】 図１の各対のホモ接合部は、エピタキシ成長の半導体トンネル接合（本文では
、逆バイアス条件下でキャリヤをトンネル操作するのに十分な薄さの半導体接合
である）により互いに分離されている。トンネル接合は、ホモ接合部とは反対の
極性に配向されている（つまり、ｎ−ｐトンネル接合によりｐ−ｎホモ接合部が
分離される）。
【００２２】 図１の半導体トンネル接合は、基板１２と第１ホモ接合部１４間に位置する第
１トンネル接合２２と、第１ホモ接合部１４と第２ホモ接合部１６間に位置する
第２トンネル接合２４と、第２ホモ接合部１６と第３ホモ接合部１８間に位置す
る第３トンネル接合２６とから成る。
【００２３】 図１の好適実施例の高効率ソーラセル１０のエピタキシ構造は、さらに、第３
ホモ接合部１８上にエピタキシ成長させた不活性層２８と、その不活性層２８上
にエピタキシ成長させたキャップ層３０とを備える。不活性層２８は、照射光に
ほぼ透明性を有しており、例えば、インジウムアルミニウムホスファイド（Ｉｎ
ＡｌＰ）で作成される。
【００２４】 前記のキャップ層３０は、一般的に、複数の窓部つまり開口３２を設けるため
エッチングでパターン形成されたＧａＡｓである。ＧａＡＳキャップ層３０のパ
ターン形成により、ＧａＡｓ層３０内で起こる照射光の吸収を防止している。キ
ャップ層３０の上に上側電極３４を蒸着し、パターン形成されたキャップ層３０
のエッチング形状に整合するようパターン形成する。基板１２の下面上には、下
側全面電極３６を蒸着する。
【００２５】 ４接合式のソーラセル１０は、下記のような方法を使って製造できる。ソーラ
セル１０の積層構造をエピタキシ成長させる好適な方法は、金属有機化学蒸着法
（ＭＯＣＶＤ）、特に、約６０Torrの周囲圧での低圧ＭＯＣＶＤに基づく方法で
ある。しかしながら、本発明はＭＯＣＶＤ成長法に限定されるものではなく、分
子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ）や液相エピタキシ法（ＬＰＥ）などのその他の
成長法も本発明に従って利用可能である。
【００２６】 ＭＯＣＶＤによるソーラセル１０の製造においての重要課題は、（基礎的な欠
陥や残留ストレスのない）高材質の背面電界層（図１には図示しない）や、ｐ−
ｎ接合およびｎ−ｐトンネル接合のエピタキシ成長である。それぞれのホモ接合
部１４、１６、１８が異なる半導体合金組成物の半導体層内で形成されるため、
利用できるエピタキシ成長法は、エピタキシ成長中における、特に温度に対する
相溶性限度を考慮する必要がある。さらに、ホモ接合部１４、１６、１８をもつ
各層は、厚さがせいぜい約５ミクロンまでである。その結果、半導体層は、Ｇｅ
（あるいはＧａＡｓ）基板１２と格子整合するような半導体合金組成物で成長さ
せねばならない。ここでいう格子整合とは、ホモ接合部１４、１６、１８を含む
各半導体層の格子定数ａ０が、基板１２の格子定数にほぼ等しいことを意味する
。 第１ホモ接合部層１４を含むＩｎＧａＡｓＮ半導体層の成長温度は、基板のＧｅ
のＩｎＧａＡｓＮへの拡散、および、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮ、または、イン
ジウムガリウムアルミニウムアルセナイドニトライド（Ｉｎ（ＧａＡｌ）ＡｓＮ
）から成る下側の第１トンネル接合２２への拡散の可能性があるゆえに特に重要
である。加えて、ＩｎＧａＡｓＮ層やトンネル接合２２からの砒素（Ａｓ）の下
方へ基板１２への拡散も起こり得る。そのような拡散は温度に依存するため、Ｉ
ｎＧａＡｓＮ層のエピタキシ成長は約７００℃以下の温度に制限されてしまう。
前記の下側の第１トンネル接合２２は、ＧａＡｓで構成される場合、６４０−７
５０℃の範囲の温度で成長できる。第１トンネル接合２２は厚さがほぼ２０―３
０ナノメータに過ぎないため、ＧｅとＡｓの相互拡散にとっては高温の成長温度
は問題ではなく、図１の各半導体層の一般的な成長速度は毎時約２―４ミクロン
の範囲であるため、ほぼ１分間で成長が達成できる。水素（Ｈ２）をキャリヤガ
スとして使ってＧａＡｓの第１トンネル接合２２を成長させるためには、原料ガ
スとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアルシン（ＡｓＨ3）とを使うこと ができる。
【００２７】 第１トンネル接合２２のエピタキシ成長処理中に、第１トンネル接合２２の基
板側を約３ｘ１０19ｃｍ-3濃度でドープ処理するために四塩化炭素 （ＣＣｌ4）または四臭化炭素（ＣＢｒ4）をｐタイプのドーパントとして使い、
第１トンネル接合２２の他方側を約６ｘ１０18ｃｍ-3濃度でドープ処理するため
にジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）をｎタイプのドーパントとして使う。ＧａＡｓは、ｎタ
イプとｐタイプの自由キャリヤの約１０19ｃｍ-3の高い濃度でドープ処理できる
ため、第一トンネル接合２２を形成するにはＧａＡｓを使うが好ましい。第１ト
ンネル接合２２を形成するのに、ＩｎＧａＡｓＮやＩｎ（ＧａＡｌ）ＡｓＮなど
のその他の半導体合金組成物を使うことも可能である。第１トンネル接合２２を
形成するのにＩｎＧａＡｓＮを使う場合、ＩｎＧａＡｓＮ半導体合金内のインジ
ウム（Ｉｎ）と窒素（Ｎ）の組成物を、トンネル接合２２のバンドギャップエネ
ルギーが第１ホモ接合部１４よりもわずかに高くなるよう、上側ＩｎＧａＡｓＮ
第１ホモ接合部１４内の組成物よりも少なくする必要がある。さらに、ＩｎＧａ
ＡｓＮとＩｎ（ＧａＡｌ）ＡｓＮは一般的に５００−６８０℃の範囲の温度で成
長するが、下記にもっと詳細に説明する。
【００２８】 約３０ナノメータの厚さのＧａＡｓから成る第１背面電界（ＢＳＦ）層（図１
には図示なし）は、６００−７５０℃の範囲の成長温度で第１トンネル接合２２
上にエピタキシ成長させる。このＢＳＦ層を、約２ｘ１０18ｃｍ-3濃度でｎタイ
プの（Ｓｉ2Ｈ6を使って）ドープ処理を行う。第１ＢＳＦ層は、下側の第１ホモ
接合部１４よりも高いバンドギャップエネルギーをもち、入射光の一部の吸収に
応じて第１ホモ接合部１４内で生成されるキャリヤ（つまり、電子と正孔）が下
方へ第１トンネル接合２２に拡散するのを防止する機能をもつ。
【００２９】 前記の第１ホモ接合部１４のためのＩｎＧａＡｓＮ（および、その同じ素材で
形成された下側トンネル接合２２）の成長は、５００−６８０℃の範囲の温度で
行うのが好ましい。低圧力ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシ成長では、ＩｎＧａＡ
ｓＮの第１ホモ接合部１４は、キャリヤガスとして水素（Ｈ2）、供給源ガスと してトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、ア
ルシン（ＡｓＨ4）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を使って成長させる。エ ピタキシ成長工程中にＩｎＧａＡｓＮ層を選択的にドープ処理して生成される第
１ホモ接合部１４が形成されたＩｎＧａＡｓＮ層は、厚さがせいぜい数ミクロン
（例えば、１−５μｍ）である。四塩化炭素（ＣＣｌ4）または四臭化炭素（Ｃ Ｂｒ4）からの炭素は、ｐ−ｎホモ接合部１４の片側を形成できるよう、１ｘ１ ０19ｃｍ-3の濃度の自由キャリヤでＩｎＧａＡｓＮ層の一部をｐタイプのドープ
処理をするのに有効である。また、利用可能なｎタイプのドーパントとして、Ｓ
ｉ2Ｈ6、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ4）、シリコンテトラブロマイド （ＳｉＢｒ4）からのシリコン、ジエチルテルリウム（ＤＥＴｅ）からのテルリ ウムなどがある。ＳｉＣｌ4またはＳｉＢｒ4からは、５ｘ１０16ｃｍ-3から５ｘ
１０18ｃｍ-3の範囲の自由キャリヤ濃度が得られるため、ｎタイプのドーパント
供給源としての利用が好ましい。ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）は、ＤＭＨｙと気相反応
を起こしやすいため、ｎタイプのドーパントの供給源ガスとしての利用はあまり
好ましくない。ＤＥＴｅの研究結果からは、ＤＥＴｅとＤＭＨｙ間で非常に強い
反応が起こるため、その供給源ガスは、ＩｎＧａＡｓＮ層のためのｎタイプのド
ーパント供給源としては適切でないことが判明している。
【００３０】 Ｇｅ基板１２（あるいは、ＧａＡｓ基板１２）の格子整合のための、第１ホモ
接合部１４をもつＩｎＧａＡｓＮ層の組成は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮyで示すも
のが選択できるが、ただし、ｘとｙの組成値の関係は、ｘの組成値がｙの組成値
の３倍と等しくなるような関係である（つまり、ｘ＝３ｙ）。そのような格子整
合は、ＩｎＧａＡｓＮ層のｘ線回析曲線から確認できる。
【００３１】 前記のＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy層は、インジウム（Ｉｎ）組成値ｘが約１０％
以下、窒素（Ｎ）組成値ｙが約３％以下で成長形成できる。高効率のソーラセル
１０を製造するには、第１ホモ接合部１４をもつＩｎＧａＡｓＮ層のバンドギャ
ップエネルギーを、好ましくは１．０−１．２ｅＶの範囲にする必要があり、約
１．０５ｅＶにするのが最も好ましい。現在のところ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy の材料システムがよく理解されていないため、禁制帯幅の半導体合金組成物との
正確な相関関係が問題となっている。しかしながら、第１ホモ接合部１４をもつ
ＩｎＧａＡｓＮ層のバンドギャップエネルギーは、室温吸収スペクトル測定値（
図２を参照）から確認でき、バンドギャップエネルギーの測定値は、ＩｎＧａＡ
ｓＮ層を形成するのに使うＭＯＣＶＤ法のエピタキシ成長パラメータと相関して
いる。
【００３２】 第１ホモ接合部１４をもつＩｎＧａＡｓＮ層の材料品質を改善するのに、約７
００−８００℃の高い温度で普通は５−１０分間アニール処理を行う。このアニ
ール処理工程は、窒素とアルシンの雰囲気（総圧力が約６０Ｔｏｒｒ）下でＭＯ
ＣＶＤ成長装置（現場）内で行うのが好ましい。アニール処理により形成された
第１ホモ接合部１４とＩｎＧａＡｓＮ層の品質における改善は、フォトルミネセ
ンス（ＰＬ）測定値から観察でき、アニール処理したＩｎＧａＡｓＮ層は、アニ
ール処理しないＩｎＧａＡｓＮ層と比べて、ＰＬ値の増加における次数が３程度
である。
【００３３】 前記の第１ホモ接合部１４をもつＩｎＧａＡｓＮ層の品質における改善は、図
２に示す室温での吸収スペクトル図からも観察できる。図２のアニール処理しな
いＩｎＧａＡｓＮ層では、その不純物のせいで、バンドギャップエネルギーの１
．０５ｅＶ以下ではかなり吸収がみられる。アニール処理の後では、不純物から
の吸収が低減されて、ＩｎＧａＡｓＮ層の１．０５ｅＶの禁制帯幅端が明確に表
れている。
【００３４】 前記のＩｎＧａＡｓＮ層で形成される第１ホモ接合部１４の電気特性を評価す
るため、トンネル接合や別の半導体層を形成せずにＮ＋ＧａＡｓ基板１２上にそ
の層を成長させた。この電気特性テストのため成長させたＩｎＧａＡｓＮ層の厚
さは１．１μｍであり、層の最初の０．８μｍの厚さにはｎタイプを約１０17ｃ
ｍ-3濃度でドープし、層の残りの０．３μｍの厚さにはｐタイプを約４ｘ １０18ｃｍ-3濃度でドープし、その結果、第１のｐ−ｎホモ接合部１４が形成さ
れた。ＩｎＧａＡｓＮ層の禁制帯幅エネルギーは１．０５ｅＶであった。
【００３５】 前記のＩｎＧａＡｓＮ層をパターン形状エッチング用マスクで覆って、Ｈ3Ｐ Ｏ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏのウェットエッチング剤を使って５０ミクロンから１ミリメ
ータの範囲の直径をもつ複数の円形メサをエッチング形成することにより、その
ＩｎＧａＡｓＮ層から円形ダイオードを作成した。ＩｎＧａＡｓＮ層の上面およ
びＧａＡｓ基板の下面とに電極を形成し、ＩｎＧａＡｓＮ層上の上側電極はＡｕ
／Ｂｅ金属膜パターン形状で形成し、ＧａＡｓ基板の下側電極はＡｕ／Ｇｅ／Ｎ
ｉ全面金属膜により形成した。図３には、そのＩｎＧａＡｓＮ層内に形成された
直径１ｍｍのｐ−ｎホモ接合部１４で測定した電流／電圧（Ｉ−Ｖ）特性曲線が
図示されている。
【００３６】 図４には、ダイオードの理想的係数とゼロバイアスのリーク電流を測定する対
数スケールでの複数の１ｍｍ径ダイオード（つまりｐ−ｎホモ接合部１４）の順
バイアスＩ−Ｖ特性曲線が図示されている。図４の曲線に沿った点線の傾斜線は
、製造されたダイオードが理想係数１．８をもつ場合を示す。この理想係数の値
は、ダイオード内のキャリヤ移動時にはキャリヤ拡散とキャリヤ再結合の両方の
作用が関与することを示している。キャリヤの再結合は不要であるが、ＩｎＧａ
ＡｓＮ層１４を（不活性層などで）不活性化することにより低減できる。図４の
点線のゼロ電圧に対する外挿は、製造されたダイオードの最良のものが５ｘ１０ -10 程度の低いゼロバイアスリーク電流になること示している。このことは、Ｉ ｎＧａＡｓＮの第１ホモ接合部１４の電気特性が非常に高いことを意味する。 さらに、Ｎ+ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＮ層から作成した１ｃｍ ｘ１ｃｍダイオードの光電池特性を、２５倍ソーラシミュレータを使って実施し
た。それらの測定値はＩｎＧａＡｓＮ層とその内部の第１ホモ接合部１４の光電
池作用を示すものであり、第１ホモ接合部１４は入射光に対して約０．４Ｖの開
回路電圧を発生させた。
【００３７】 図１の４接合式ソーラセル１０（または、拡散Ｇｅホモ接合部２０と第１トン
ネル接合２２をもたない３接合式ソーラセル）に利用する場合、第１ホモ接合部
１４をもつＩｎＧａＡｓＮ層は、例えば、３．１５μｍの厚さであり、ＩｎＧａ
ＡｓＮ層の最初の３μｍの厚さにはＳｉＣｌ4かＳｉＢｒ4のｎタイプを約１０17 ｃｍ-3濃度でドープし、ＩｎＧａＡｓＮ層の残りの０．１５μｍの厚さにはＣＣ
ｌ４のｐタイプを約３ｘ１０18ｃｍ-3濃度でドープする。第１ホモ接合部１４を
もつＩｎＧａＡｓＮ層上に、ＧａＡｓ層をエピタキシ成長させて第２のトンネル
接合２４を形成する。このＧａＡｓ層の厚さは約４０ｎｍで、層の下半分には（
ＣＣｌ4またはＣＢｒ4からの）炭素で約３ｘ１０19ｃｍ-3濃度でｐタイプドープ
し、層の残りの部分は（Ｓｉ2Ｈ4からの）シリコンで約６ｘ１０18ｃｍ-3濃度で
ｎタイプドープする。第２トンネル接合２４をもつＧａＡｓ層は、６４０−７５
０℃の範囲の温度で成長させることができる。
【００３８】 前記の第２トンネル接合２４の上に、ＭＯＣＶＤ法で第２の背面電界（ＢＳＦ
）層（図１には図示しない）をエピタキシ成長させて３０ｎｍ厚のＡｌ0.2Ｇａ0 .8 Ａｓ層を形成する。この第２ＢＳＦ層は、約７５０℃の成長温度で供給源ガス
としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、ＴＭＧａ、ＡｓＨ3を使って成 長させることができる。第２ＢＳＦ層は、（Ｓｉ2Ｈ6からの）シリコンで約３ｘ
１０18ｃｍ-3濃度でｎタイプドープする。第２ＢＳＦ層のバンドギャップエネル
ギーは１．６ｅＶとなり、前述した第１ＢＳＦ層と同じ機能をする。
【００３９】 前記の第２ＢＳＦ層の上に、ＭＯＣＶＤ法で第２のホモ接合部１６をエピタキ
シ成長させる。この第２ホモ接合部１６は、例えば、３．１５μｍの厚さのＧａ
Ａｓ層内に形成でき、ＧａＡｓ層の最初の３μｍには（Ｓｉ2Ｈ6からの）シリコ
ンで約１０17ｃｍ-3濃度でｎタイプドープし、ＧａＡｓ層の残りの部分は（ＣＣ
ｌ4またはＣＢｒ4からの）炭素で約３ｘ１０18ｃｍ-3濃度でｐタイプドープする
。このＧａＡｓ層は、６４０−７５０℃の範囲の温度で成長させることができる
。ＧａＡＳ層のバンドギャップエネルギーは１．４２ｅＶとなる。
【００４０】 前記の第２ホモ接合部１６上に、ＭＯＣＶＤ法により第３のトンネル接合２６
を形成する。この第３トンネル接合２６は、最初に（ＣＣｌ4またはＣＢｒ4から
の）炭素で約３ｘ１０19ｃｍ-3濃度でｐタイプドープした２０ｎｍ厚のＡｌＧａ
Ａｓ層（例えば、Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ）を形成し、次に、（Ｓｉ2Ｈ6からの）
シリコンで約６ｘ１０18ｃｍ-3濃度でｎタイプドープした２０ｎｍ厚のＩｎＧａ
Ｐ層（例えば、Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ）を形成することにより、ヘテロ接合として
作成することができる。ＡｌＧａＡｓ層の成長に使う供給源ガスは、ＴＭＡｌ、
ＴＭＧａ、ＡｓＨ3であり、ホスフィン（ＰＨ3）の場合、ＩｎＧａＰ層の成長に
使う供給源ガスはＴＭＩｎとＴＭＧａである。それら各層は、６５０−７５０℃
の範囲の温度で成長させることができる。第３トンネル接合２６の禁制帯幅エネ
ルギーは、約１．８５ｅＶとなる。
【００４１】 前記の第３トンネル２６上に、ＭＯＣＶＤ法により第３のＢＳＦ層（図１に図
示しない）を形成する。この第３ＢＳＦ層は、例えば、約２．２ｅＶの禁制帯幅
エネルギーを出力するようなＩｎ0.5Ｇａ0.35Ａｌ0.15Ｐの組成をもつ３０ｎｍ 厚のインジウムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）層から成
る。このＩｎＧａＡｌＰ層は、Ｓｉ2Ｈ6からのシリコンで約４ｘ１０18ｃｍ-3濃
度でｎタイプドープする。第３ＢＳＦ層のバンドギャップエネルギーは下側の第
３トンネル接合２６より高く、上側のホモ接合部（つまり、図１の第３ホモ接合
部１８）内で生成されたキャリヤが、第３トンネル接合２６へ向けて下方へ拡散
されるのを防止する機能をもつ。ＩｎＧａＡｌＰの第３ＢＳＦ層を成長させるた
めの供給源ガスは、第３トンネル接合２６内の層を成長させるのに使ったものと
同じである。
【００４２】 前記の第３ＢＳＦ層の上に、ＭＯＣＶＤ法で、ＩｎＧａＡｌＰ層である第３の
ホモ接合部１８をエピタキシ成長させるが、好ましくは、ｚがアルミニウム組成
物である半導体合金Ｉｎ0.5（Ｇａ1-zＡｌz）0.5Ｐ、最も好ましくは、禁制帯幅
エネルギーが２．０ｅＶのＩｎ0.5Ｇａ0.45Ａｌ0.05Ｐから成る。このＩｎＧａ ＡｌＰ層は厚さが約３．１μｍであって、層の最初の３μｍの厚さには（Ｓｉ2 Ｈ6からの）シリコンで約１ｘ１０17ｃｍ-3濃度でｎタイプドープし、残りの０ ．１μｍの厚さはジメチルジンク（ＤＭＺｎ）からの亜鉛で約３ｘ１０18ｃｍ-3 濃度でｐタイプドープする。この第３ホモ接合部１８をもつＩｎＧａＡｌＰ層は
、７００−７５０℃の範囲の温度で成長させることができる。
【００４３】 前記のＩｎＧａＡｌＰの第３ホモ接合部１８のバンドギャップエネルギーは、
従来の多接合ソーラセル内のＩｎＧａＰホモ接合部よりも高い。このＩｎＧａＡ
ｓＮの第１ホモ接合部１４と組み合わされた第３ホモ接合部１８のバンドギャッ
プエネルギーの増加により、従来の多接合ソーラセルと比べて、本発明のソーラ
セル１０の全体のエネルギー変換効率が高められるのである。その理由として、
本発明によれば、全部のｐ−ｎホモ接合部１４、１６、１８、および、２０（形
成された場合）は、入射光に応じて基本的に同じ量の短絡電流を発生させるので
、従来の多接合ソーラセルに見られるような電流欠乏（ボトルネックとも呼ぶ）
を防止できるのである。
【００４４】 その電流欠乏つまりボトルネックの問題は、入射光に対して異なるホモ接合部
内で発生した短絡電流が同じでないため、従来の多整合ソーラセルでは起こり得
る。異なるホモ接合部は直列に電気的接続されているので、最小の短絡電流値を
発生するホモ整合が、ソーラセルから入力できる全体電流を制限してしまう。こ
のことは、ソーラセルの全エネルギー変換効率を限定してしまうため、欠点とな
る。その結果、従来の多整合ソーラセルの効率は、今までせいぜい３０％程度に
すぎなかったのである。
【００４５】 本発明によれば、各ホモ接合部で発生する短絡電流Ｉｓｃは、表１で示すとお
りである。その値は、本発明の高効率ソーラセル１０の性能を最適にし、結果と
して、全エネルギー変換効率の改善をするものである。
【００４６】 不活性層２８を、ＭＯＣＶＤ法によりＩｎＧａＡｌＰ層の第３ホモ接合部１８
上にエピタキシ成長させる。不活性層２８は、ＤＭＺｎからの亜鉛を約８ｘ１０ 18 ｃｍ-3濃度でｐタイプドープした約３０ｎｍ厚のＩｎＡｌＰ（例えば、Ｉｎ0. 5 Ａｌ0.5Ｐ）層から成る。ＩｎＡｌＰ不活性層２８は、約７５０℃の温度で成長
させることができ、そのバンドギャップエネルギーは約２．５ｅＶとなる。
【００４７】 前記の不活性層２８の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ソーラセル１０を電気的接
続させるのに使うＧａＡｓキャップ層３０をエピタキシ成長させる。ＧａＡＳキ
ャップ層３０は、厚さが約３０ｎｍで、約３ｘ１０19ｃｍ-3濃度でｐタイプドー
プする。そのｐタイプのドーパントは、（ＣＣｌ4またはＣＢｒ4からの）炭素で
ある。ＧａＡｓキャップ層３０は、一般的に約６４０℃で成長させることができ
る。そして、ソーラセルのエピタキシ成長工程が完了する。
【００４８】 前記の複数の半導体層を備えた基板１２は、図１に示すように、不活性層２８
まで延長したＧａＡＳキャップ層３０内の単数または複数の窓部つまり開口３２
が設けられるよう、パターン化およびエッチング処理される。それら開口３２に
より、起こり得るＧａＡｓキャップ層３０への入射光の吸収をなくすことができ
る。
【００４９】 前記のキャップ層３０の上に、上側電極３４（例えば、Ａｕ／Ｂｅ金属膜）を
積層し、パターン形状にする。上側電極３４は、図１に概略的に示すように、く
し構造をもち、キャップ層３０のエッチング処理してない部分に整合している。
また、形成されるソーラセル１０の規定のサイズや適用例によっては、その他の
電極構成を利用することも可能である（例えば、ソーラセル１０と組み合わせて
ソーラ集光器を使う）。基板１２の下面（つまり裏面）には、全面下側電極３６
（例えば、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ）を積層する。
【００５０】 そして、高効率ソーラセル１０を完成させるため、開口３２内の露出した不活
性層２８上にＡＲ膜（図１には図示しない）を被膜する。ＡＲ膜（例えば、Ｓｉ
Ｏ2とＴｉＯ2の交互の層）により、起こり得る入射光の表面反射が低減できる。
照射光があたると、図１の４接合ソーラセル１０は、推定のＡＭ０でのエネルギ
ー変換効率が約４０％またはそれ以上で電力を発生することができる。
【００５１】 表１は、前述した図１の４接合式の高効率ソーラセル１０の計算特性を示すも
のである。表１には、バンドギャップエネルギー、開回路電圧Ｖｏｃ、短絡電流
Ｉｓｃ、曲線因子、ホモ接合部光電エネルギー変換効率に関する各ホモ接合部の
算定値が表示されている。表１に表示されたｐ−ｎ接合のバンドギャップエネル
ギー値の組み合わせは、直列接続された各ホモ接合部の短絡電流値に良好に整合
しており、超禁制帯幅のフォトン熱化損失を最小限にしている。表１の４接合式
の高効率ソーラセル１０の理論演算値では、４２．３％の全体ＡＭ０エネルギー
変換効率を示している。 表１ ───────┬────┬─────┬────┬─────┬──────ホモ 接合部組成 │禁制帯幅│開回路電圧│短絡電流│曲線因子 │エネルギー │ エネルキ゛ー │ （ｅＶ）│ （Ｖ）│(mA/cm2) │変換効率 │ │ │ │ │理論値 │ │ │ │ │（％） ───────┼────┼─────┼────┼─────┼────── InGaAlP │２．００│１．５９ │１８．６│０．９１８│０．２０１ ───────┼────┼─────┼────┼─────┼────── ＧａＡｓ │１．４２│１．０２ │１８．６│０．８８４│０．１２４ ───────┼────┼─────┼────┼─────┼────── InGaAsN │１．０５│０．６４ │１８．６│０．８３５│０．０７４ ───────┼────┼─────┼────┼─────┼────── Ｇｅ │０．６７│０．２５ │１８．６│０．６８９│０．０２４ ───────┴────┴─────┴────┴─────┴────── 本発明の他の実施例として、基板１２内の拡散ホモ接合部と第１トンネル接合２
２を省略することにより、３接合式ソーラセル１０が作成できる。Ｇｅ基板１２
またはＧａＡｓ基板１２を基礎にしたそれら実施例においては、表１から判るよ
うにエネルギー変換効率の理論値は約４０％であるが、Ｇｅ拡散ホモ接合部２０
のエネルギー変換効率は２．４％にすぎない。そのような３接合式ソーラセル１
０も、特定の条件下では、特に、Ｇｅ拡散ホモ接合部２０の開回路電圧値が表１
に示す値よりも下がるようなソーラセル１０が高い温度（例えば、１００℃）で
動作する場合などでは、ソーラセル１０の全エネルギー変換効率に対する影響が
少なくなるため、長所をもつことになる。そのような適用例では、Ｇｅ拡散ホモ
接合部をもたない３接合式ソーラセル１０は、製造が簡単なため、４接合式ソー
ラセル１０と同様の性能を発揮できる。 上記の記述と付随図面とで示した内容は、説明のためのものであって、それらに
制限されるものではない。前記の高効率ソーラセルおよびその製造方法のその他
の適用例や変更例が可能なのも、当業者には明白であろう。本発明のいくつかの
実施例において、ホモ接合部１４、１６、１８のうちの１つまたはそれ以上をヘ
テロ接合に代替しても構わない。例えば、ＧａＡｓの第２ホモ接合部１６をＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓのヘテロ接合に代えることができる。さらに、高効率ソーラ
セルをｎタイプ基板１２で形成するような場合には、ホモ接合部、トンネル接合
、ＢＳＦ層のそれぞれの極性を反対にする。本発明の実際の範囲は、従来技術を
基にした検知からみた下記の発明の請求項内に定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
本発明の本明細書に編成されその一部を形成する付随図面は、本発明のいくつか
の様態を説明文と共に示し、本発明の主旨を説明するためのものである。図面は
、本発明の好適実施例を説明するためのものであって、本発明を限定するもので
はない。
【図１】 本発明に従って作成された高効率ソーラセルの概略図である。
【図２】 本発明に従って形成されたインジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧ
ａＡｓＮ）層の、現場アニール処理の有無に対する室温吸収スペクトル図である
。
【図３】 本発明に従って、インジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ
）層内に形成された直径１ｍｍのｐ−ｎホモ接合部から測定された電流／電圧（
Ｉ−Ｖ）特性の曲線グラフである。
【図４】 ゼロバイアスのリーク電流（点線のｙ軸横切線で示す）と測定値曲線に適する傾
斜（点線）で示すホモ接合部の理想的係数１．８を表示する、対数スケールでの
１ｍｍ径のＩｎＧａＡｓＮのホモ接合部の順バイアスＩ−Ｖ曲線グラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 レインハート，キット，シー． アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 87111，アルバカーキ，ノースイースト， テニーソン ストリート 6601，アパート メント 3104 Ｆターム(参考） 5F051 AA08 CB08 CB12 DA03 DA19

Claims (61)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高効率ソーラセルであって、複数の積層された半導体ｐ−ｎ
    接合部から成り、前記の各ｐ−ｎ接合部は異なる組成のエピタキシ成長半導体層
    内に形成され、前記のｐ−ｎ接合部の各対はエピタキシ成長半導体のトンネル接
    合部で分離されており、前記のｐ−ｎ接合部の１つがインジウムガリウムアルセ
    ナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ）の半導体合金から成る半導体層内に形成さ
    れていることを特徴とする、高効率ソーラセル。
  2. 【請求項２】 前記の複数の積層された半導体ｐ−ｎ接合部が、半導体基板
    上に形成されることを特徴とする、請求項１記載の高効率ソーラセル。
  3. 【請求項３】 前記の各半導体層の格子定数が、基板の格子定数とほぼ同じ
    であることを特徴とする、請求項２記載の高効率ソーラセル。
  4. 【請求項４】 前記の半導体基板が、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成ることを
    特徴とする、請求項２記載の高効率ソーラセル。
  5. 【請求項５】 前記のゲルマニウム基板が、ｐタイプまたはｎタイプでドー
    プ処理されることを特徴とする、請求項４記載の高効率ソーラセル。
  6. 【請求項６】 前記のインジウムガリウムアルセナイドニトライドの半導体
    層が、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮyから成ることを特徴とする、請求項１記載の高効
    率ソーラセル。
  7. 【請求項７】 前記のｘとｙの組成値が、組成値ｘが組成値ｙのほぼ３倍に
    等しい関係にあることを特徴とする、請求項６記載の高効率ソーラセル。
  8. 【請求項８】 前記のＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy半導体層のバンドギャップエ
    ネルギー(bandgap energy)が、およそ１．０ｅＶから１．２ｅＶの範囲であるこ
    とを特徴とする、請求項６記載の高効率ソーラセル。
  9. 【請求項９】 前記の各半導体層が、１−５ミクロンの範囲の厚さであるこ
    とを特徴とする、請求項１記載の高効率ソーラセル。
  10. 【請求項１０】 前記の各半導体トンネル接合部が、およそ２０−３０ナノ
    メータの厚さの層であることを特徴とする、請求項９記載の高効率ソーラセル。
  11. 【請求項１１】 前記の半導体ｐ−ｎ接合部が、エピタキシ成長で形成され
    ており、 第１のｐ−ｎ接合部はインジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡ
    ｓＮ）の層から成り、 第２のｐ−ｎ接合部はガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）の層から成り、 第３のｐ−ｎ接合部はインジウムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａ
    ＡｌＰ）の層から成ることを特徴とする、請求項１記載の高効率ソーラセル。
  12. 【請求項１２】 前記のｐ−ｎ接合部が、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板上にエ
    ピタキシ成長されることを特徴とする、請求項１１記載の高効率ソーラセル。
  13. 【請求項１３】 前記のＧｅ基板が、さらに、基板の上面下方に形成された
    拡散ｐ−ｎ接合部を含むことを特徴とする、請求項１２記載の高効率ソーラセル
    。
  14. 【請求項１４】 前記のＧｅ基板と第１のｐ−ｎ接合部を分離する前記の半
    導体トンネル接合部が、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）、インジウムガリウ
    ムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ）、インジウムガリウムアルミニウ
    ムアルセナイドニトライド（Ｉｎ（ＧａＡｌ）ＡｓＮ）のグループから選択され
    る半導体合金から成ることを特徴とする、請求項１３記載の高効率ソーラセル。
  15. 【請求項１５】 前記の第１のｐ−ｎ接合部と第３のｐ−ｎ接合部の半導体
    合金組成物が、入射光に応じて生成されるほぼ等しい短絡電流を出力できるよう
    選択されたものであることを特徴とする、請求項１１記載の高効率ソーラセル。
  16. 【請求項１６】 前記の入射光に応じて各ｐ−ｎ接合部により生成される短
    絡電流が、ほぼ等しいことを特徴とする、請求項１５記載の高効率ソーラセル。
  17. 【請求項１７】 前記の第１のｐ−ｎ接合部と第２のｐ−ｎ接合部を分離す
    る前記の半導体トンネル接合部が、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）から成る
    ことを特徴とする、請求項１１記載の高効率ソーラセル。
  18. 【請求項１８】 前記の第２のｐ−ｎ接合部と第３のｐ−ｎ接合部を分離す
    る前記の半導体トンネル接合部が、アルミニウムガリウムアルセナイド（ＡｌＧ
    ａＡｓ）とインジウムガリウムホスファイド（ＩｎＧａＰ）の積層から成ること
    を特徴とする、請求項１１記載の高効率ソーラセル。
  19. 【請求項１９】 さらに、前記の第３のｐ−ｎ接合部上にエピタキシ成長さ
    せた導電不活性層を備えることを特徴とする、請求項１１記載の高効率ソーラセ
    ル。
  20. 【請求項２０】 前記の不活性層が、インジウムアルミニウムホスファイド
    （ＩｎＡｌＰ）から成ることを特徴とする、請求項１９記載の高効率ソーラセル
    。
  21. 【請求項２１】 さらに、前記の不活性層上にエピタキシ成長させ、不活性
    層を露出させるための複数の開口を設けるようエッチングでパターン形状化され
    たキャップ層を備えることを特徴とする、請求項１９記載の高効率ソーラセル。
  22. 【請求項２２】 前記のキャップ層が、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）
    から成ることを特徴とする、請求項２１記載の高効率ソーラセル。
  23. 【請求項２３】 さらに、入射光に応じてソーラセルより生成された電力を
    送電するため、前記のパターン化キャップ層の上方、および、前記の半導体ｐ−
    ｎ接合部の下方の電極を備えることを特徴とする、請求項２１記載の高効率ソー
    ラセル。
  24. 【請求項２４】 高効率ソーラセルであって、 その上に複数の半導体ｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させた半導体基板から成り
    、前記のｐ−ｎ接合部は、 インジウムガリウムアルセナイドニトライド（ＩｎＧａＡｓＮ）の層から成る第
    １のｐ−ｎ接合部と、 ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）の層から成る第２のｐ−ｎ接合部と、 インジウムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）の層から成る
    第３のｐ−ｎ接合部から成り、 それぞれの隣接する１対のｐ−ｎ接合部は、エピタキシ成長半導体トンネル接合
    部により分離されていることを特徴とする、高効率ソーラセル。
  25. 【請求項２５】 前記の半導体基板が、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成ること
    を特徴とする、請求項２４記載の高効率ソーラセル。
  26. 【請求項２６】 前記の半導体基板が、さらに、その上に複数のｐ−ｎ接合
    部を積設した基板の上面下方に形成した拡散ｐ−ｎ接合部を含むことを特徴とす
    る、請求項２５記載の高効率ソーラセル。
  27. 【請求項２７】 さらに、前記の第３のｐ−ｎ接合部上にエピタキシ成長さ
    せた不活性層を備えることを特徴とする、請求項２４記載の高効率ソーラセル。
  28. 【請求項２８】 前記の不活性層が、インジウムアルミニウムホスファイド
    （ＩｎＡｌＰ）から成ることを特徴とする、請求項２７記載の高効率ソーラセル
    。
  29. 【請求項２９】 さらに、前記の不活性層上にエピタキシ成長されたガリウ
    ムアルセナイド（ＧａＡｓ）から成り、そこに複数の開口を設けるようパターン
    形状化されたキャップ層を備えることを特徴とする、請求項２７記載の高効率ソ
    ーラセル。
  30. 【請求項３０】 さらに、ソーラセルへの入射光に応じて発生する電力を送
    電するため、前記の複数の半導体層の上方、および、前記の基板の下方に積設さ
    れた電極を備えることを特徴とする、請求項２４記載の高効率ソーラセル。
  31. 【請求項３１】 前記の各複数のｐ−ｎ接合部が、入射光に応じて発生する
    ほぼ同じ短絡電流を出力することを特徴とする、請求項２４記載の高効率ソーラ
    セル。
  32. 【請求項３２】 前記の第１のｐ−ｎ接合部の半導体合金組成物が、約１．
    ０−１．２ｅＶの範囲のバンドギャップエネルギー(bandgap energy)を出力でき
    るよう選択されたものであることを特徴とする、請求項２４記載の高効率ソーラ
    セル。
  33. 【請求項３３】 前記の第１のｐ−ｎ接合部のバンドギャップエネルギー(b
    andgap energy)が、約１．０５ｅＶであることを特徴とする、請求項３２記載の
    高効率ソーラセル。
  34. 【請求項３４】 前記の第３のｐ−ｎ接合部のバンドギャップエネルギー(b
    andgap energy)が、約２．０ｅＶであることを特徴とする、請求項２４記載の高
    効率ソーラセル。
  35. 【請求項３５】 高効率ソーラセルを製造する方法であって、 それら半導体ｐ−ｎ接合部の１つがインジウムガリウムアルセナイドニトライド
    （ＩｎＧａＡｓＮ）の層から成るような、半導体基板上に複数の半導体ｐ−ｎ接
    合部をエピタキシ成長させる工程と、 各トンネル接合部が前記の１対のｐ−ｎ接合部間に位置するような、複数の半導
    体トンネル接合部をエピタキシ成長させる工程とから成る高効率ソーラセルの製
    造方法。
  36. 【請求項３６】 前記の半導体基板が、さらに、基板の上面下方に形成され
    た拡散ｐ−ｎ接合部を含むことを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセ
    ルの製造方法。
  37. 【請求項３７】 前記の拡散ｐ−ｎ接合部が、高い温度でドーパントを基板
    に熱拡散する工程により基板内に形成されることを特徴とする、請求項３６記載
    の高効率ソーラセルの製造方法。
  38. 【請求項３８】 前記の基板が、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成ることを特徴
    とする、請求項３６記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  39. 【請求項３９】 前記の複数の半導体ｐ−ｎ接合部の別の１つが、インジウ
    ムガリウムアルミニウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）の層から成ることを特
    徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  40. 【請求項４０】 前記のインジウムガリウムアルミニウムホスファイド（Ｉ
    ｎＧａＡｌＰ）の層が、前記のインジウムガリウムアルセナイドニトライド（Ｉ
    ｎＧａＡｓＮ）の層上にエピタキシ成長されることを特徴とする、請求項３９記
    載の高効率ソーラセルの製造方法。
  41. 【請求項４１】 前記のｐ−ｎ接合部とトンネル接合部をエピタキシ成長さ
    せる工程が、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）のエピタキシ成長装置を使って
    行われることを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  42. 【請求項４２】 前記のインジウムガリウムアルセナイドニトライドの半導
    体層が、５００−６８０℃の範囲の温度でエピタキシ成長されることを特徴とす
    る、請求項４１記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  43. 【請求項４３】 さらに、前記のインジウムガリウムアルセナイドニトライ
    ドの半導体層を７００℃以上の温度で現場アニール処理する工程とから成ること
    を特徴とする、請求項４２記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  44. 【請求項４４】 前記の複数の半導体ｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させる
    工程が、それぞれの半導体合金組成物が基板の格子定数とほぼ同じ格子定数をも
    つ半導体層を形成できるよう選択されるような、異なる半導体合金組成物で各ｐ
    −ｎ接合部を形成することを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセルの
    製造方法。
  45. 【請求項４５】 前記のインジウムガリウムアルセナイドニトライドの半導
    体層の半導体合金組成物が、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮyから成ることを特徴とする
    、請求項４４記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  46. 【請求項４６】 前記のｘとｙの組成値が、組成値ｘが組成値ｙのほぼ３倍
    に等しい関係にあることを特徴とする、請求項４５記載の高効率ソーラセルの製
    造方法。
  47. 【請求項４７】 前記のＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＮy半導体層の禁制帯幅エネル
    ギーが、およそ１．０ｅＶから１．２ｅＶの範囲であることを特徴とする、請求
    項４５記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  48. 【請求項４８】 前記のインジウムガリウムアルミニウムホスファイド（Ｉ
    ｎＧａＡｌＰ）層のバンドギャップエネルギー(bandgap energy)が、約２．０ｅ
    Ｖであることを特徴とする、請求項３９記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  49. 【請求項４９】 前記の複数のｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させる工程が
    、１−５ミクロンの範囲の厚さをもつ半導体層内に各ｐ−ｎ接合部を形成するこ
    とを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  50. 【請求項５０】 前記の複数の半導体トンネル接合部をエピタキシ成長させ
    る工程が、約２０−３０ナノメータの厚さの各半導体トンネル接合部を形成する
    ことを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  51. 【請求項５１】 さらに、前記の複数の半導体層の上に不活性層をエピタキ
    シ成長させる工程から成ることを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセ
    ルの製造方法。
  52. 【請求項５２】 前記の不活性層が、インジウムアルミニウムホスファイド
    （ＩｎＡｌＰ）から成ることを特徴とする、請求項５１記載の高効率ソーラセル
    の製造方法。
  53. 【請求項５３】 さらに、前記の不活性層の上にキャップ層をエピタキシ成
    長させる工程から成ることを特徴とする、請求項５１記載の高効率ソーラセルの
    製造方法。
  54. 【請求項５４】 前記のキャップ層が、ガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）
    から成ることを特徴とする、請求項５３記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  55. 【請求項５５】 さらに、前記のキャップ層をエッチングによりパターン形
    状化して、前記の不活性層を露出させるためキャップ層に複数の開口を設ける工
    程とから成ることを特徴とする、請求項５３記載の高効率ソーラセルの製造方法
    。
  56. 【請求項５６】 さらに、前記のキャップ層の上に上側電極を積設してパタ
    ーン形状化し、前記の基板の下に下側電極を積設する工程とから成ることを特徴
    とする、請求項５３記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  57. 【請求項５７】 前記の半導体基板が、ゲルマニウム（Ｇｅ）から成り、前
    記の複数の半導体ｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させる工程が、 前記のゲルマニウム基板の上にインジウムガリウムアルセナイドニトライド（Ｉ
    ｎＧａＡｓＮ）のｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させる工程と、 前記のインジウムガリウムアルセナイドニトライドのｐ―ｎ接合部の上にガリウ
    ムアルセナイド（ＧａＡｓ）のｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させる工程と、 前記のガリウムアルセナイドのｐ−ｎ接合部の上にインジウムガリウムアルミニ
    ウムホスファイド（ＩｎＧａＡｌＰ）のｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長させる工
    程とから成ることを特徴とする、請求項３５記載の高効率ソーラセルの製造方法
    。
  58. 【請求項５８】 前記のＩｎＧａＡｓＮのｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長さ
    せる工程が、約１．０５ｅＶのバンドギャップエネルギー(bandgap energy)をも
    つＩｎＧａＡｓＮ半導体合金組成物からＩｎＧａＡｓＮのｐ−ｎ接合部を形成す
    ることを特徴とする、請求項５７記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  59. 【請求項５９】 前記のＩｎＧａＡｌＰのｐ−ｎ接合部をエピタキシ成長さ
    せる工程が、約２．０ｅＶのバンドギャップエネルギー(bandgap energy)をもつ
    ＩｎＧａＡｌＰ半導体合金組成物からＩｎＧａＡｌＰのｐ−ｎ接合部を形成する
    ことを特徴とする、請求項５７記載の高効率ソーラセルの製造方法。
  60. 【請求項６０】 前記のＩｎＧａＡｓＮのｐ−ｎ接合部とＧａＡｓのｐ−ｎ
    接合部の間に前記の半導体トンネル接合部をエピタキシ成長させる工程が、Ｇａ
    ＡＳのトンネル接合部を形成することを特徴とする、請求項５７記載の高効率ソ
    ーラセルの製造方法。
  61. 【請求項６１】 前記のＩｎＧａＡｓのｐ−ｎ接合部とＩｎＧａＡｌＰのｐ
    −ｎ接合部の間に前記の半導体トンネル接合部をエピタキシ成長させる工程が、
    アルミニウムガリウムアルセナイド（ＡｌＧａＡｓ）とインジウムガリウムホス
    ファイド（ＩｎＧａＰ）の積層から成るトンネル接合部を形成することを特徴と
    する、請求項５７記載の高効率ソーラセルの製造方法。
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