JP2008091697A

JP2008091697A - 光起電力素子

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Publication number: JP2008091697A
Application number: JP2006271972A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Okumura; 健一奥村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】半導体層内で発生した電子及び正孔を裏面の電極へより効率よく移動させ得る光起電力素子を提供する。
【解決手段】光起電力素子１Ａは、受光面１１と裏面１２との間に設けられて入射光Ｌに応じて電子を発生する半導体層２を備えている。半導体層２は、ｎ型半導体領域２１、ｐ型半導体領域２２、及びｉ型半導体領域２３を有する。ｉ型半導体領域２３はｎ型半導体領域２１とｐ型半導体領域２２との間に設けられており、ｉ型半導体領域２３のバンドギャップは、ｎ型半導体領域２１のバンドギャップ及びｐ型半導体領域２２のバンドギャップより小さい。また、ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２のそれぞれとｉ型半導体領域２３とが互いに接合しており、該接合面が受光面１１及び裏面１２と交差する方向に延びている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電力素子に関するものである。

特許文献１に開示された光起電力素子は、半導体層を含む光吸収部の裏面に正電極及び負電極が配置された裏面電極型の構造を備えている。この光起電力素子の半導体層は、受光面と裏面とに亘って延在するｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域と、これらｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域の間に設けられた真性半導体領域とを含んでいる。図５は、この光起電力素子における横方向（ｐ型半導体領域、ｎ型半導体領域、及び真性半導体領域を貫く方向）のエネルギーバンド図である。半導体層内において発生した電子Ａは、図に示すようにｎ型半導体領域に集められたのち、裏面の負電極へ移動する。また、半導体層内において発生した正孔Ｂは、ｐ型半導体領域に集められたのち、裏面の正電極へ移動する。
特開２００６−１７３３８１号公報

しかしながら、ｎ型半導体領域やｐ型半導体領域の内部では、その不純物濃度に応じたイオン化不純物散乱の影響により電子や正孔の移動速度が遅くなる。裏面電極型の光起電力素子の場合、受光面の近くで発生した電子や正孔が裏面へ移動する際にその移動距離が長くなるので、電子や正孔の移動速度が遅いと、電子や正孔が電極に到達する前に消滅し易くなり、発電の高効率化を阻む一因となる。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、半導体層内で発生した電子及び正孔を裏面側の電極へより効率よく移動させ得る光起電力素子を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による光起電力素子は、受光面とは反対側の裏面に正電極及び負電極を備える裏面電極型の光起電力素子であって、受光面と裏面との間に設けられ、光の入射に応じて起電力を発生する半導体層を備え、半導体層が、第１導電型の第１半導体領域と、第２導電型の第２半導体領域と、第１半導体領域と第２半導体領域との間に設けられ、不純物濃度が第１半導体領域及び第２半導体領域より小さい半導体又は真性半導体からなる第３の半導体領域とを有し、第３半導体領域のバンドギャップが、第１半導体領域のバンドギャップ及び第２半導体領域のバンドギャップより小さく、第１半導体領域及び第２半導体領域のそれぞれと第３半導体領域とが互いに接合しており、該接合面が受光面及び裏面と交差する方向に延びていることを特徴とする。

この光起電力素子においては、第３半導体領域が、第１半導体領域及び第２半導体領域より小さい不純物濃度の半導体又は真性半導体からなり、更に、第３半導体領域のバンドギャップが、第１半導体領域及び第２半導体領域のバンドギャップより小さい。これにより、第１半導体領域及び第２半導体領域のそれぞれと第３半導体領域との接合面に沿って二次元キャリアガス（二次元電子ガス、二次元正孔ガス）の層が形成される。そして、この接合面は受光面及び裏面と交差する方向に延びているので、半導体層内で発生した電子や正孔は、二次元キャリアガス層を介して裏面側へより速く移動できる。従って、この光起電力素子によれば、半導体層内で発生した電子及び正孔を裏面側の電極へより効率よく移動させることができる。

また、光起電力素子は、受光面側において第１半導体領域及び第２半導体領域のうち少なくとも一方の半導体領域上に設けられ、該半導体領域を除く半導体領域へ光を反射する光反射部を更に備えることを特徴としてもよい。これにより、バンドギャップが大きい半導体領域へ入射しようとする光を、バンドギャップが小さい半導体領域へ好適に導くことができるので、より多くの光エネルギーを電気エネルギーへ効率よく変換できる。

本発明による光起電力素子によれば、半導体層内で発生した電子及び正孔を裏面側の電極へより効率よく移動させることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光起電力素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による光起電力素子の第１実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態の光起電力素子１Ａは、いわゆる裏面電極型の光起電力素子（太陽電池）であり、略板状に形成され、一方の板面である受光面１１と、該受光面１１とは反対側の他方の板面である裏面１２とを有する。光起電力素子１Ａは、入射光Ｌを吸収して起電力を発生する半導体層２と、半導体層２から起電力を取り出すための正電極３及び負電極４と、半導体層２の表面を保護すると共に半導体層２を周囲から電気的に隔離する絶縁性の保護膜５ａ及び５ｂと、受光面１１における入射光Ｌの反射を低減するための反射防止膜６とを備えている。

半導体層２は、受光面１１と裏面１２との間に設けられ、入射光Ｌの光量に応じた数の電子及び正孔を発生する。半導体層２は、ｎ型（第１導電型）の半導体からなるｎ型半導体領域（第１半導体領域）２１、ｐ型（第２導電型）の半導体からなるｐ型半導体領域（第２半導体領域）２２、及び、ｎ型半導体領域２１とｐ型半導体領域２２との間に設けられたｉ型半導体領域２３を有する。また、半導体層２は、受光面１１寄りの領域に受光面１１に沿って形成された高濃度拡散層２４と、裏面１２寄りの領域に裏面１２に沿って交互に形成された高濃度ｎ型半導体領域２５及び高濃度ｐ型半導体領域２６とを有する。

ｎ型半導体領域２１は、ｎ型不純物が添加されたガリウム砒素系半導体などの半導体からなる。ｎ型半導体領域２１は、高濃度ｎ型半導体領域２５から高濃度拡散層２４に亘って形成されている。また、ｐ型半導体領域２２は、ｐ型不純物が添加されたガリウム砒素系半導体などの半導体からなる。ｐ型半導体領域２２は、高濃度ｐ型半導体領域２６から高濃度拡散層２４に亘って形成されている。また、ｉ型半導体領域２３は、例えば、不純物が添加されていないガリウム砒素系半導体などの真性半導体からなる。なお、ｉ型半導体領域２３には、ｐ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２と比較して極めて低濃度であれば、ｎ型不純物またはｐ型不純物が添加（または拡散）されていてもよい。ｉ型半導体領域２３は、高濃度ｎ型半導体領域２５と高濃度ｐ型半導体領域２６との隙間から高濃度拡散層２４に亘って形成されている。これらｎ型半導体領域２１、ｐ型半導体領域２２、及びｉ型半導体領域２３は、入射光Ｌを吸収して電子及び正孔を発生する光吸収部として機能する。

また、ｉ型半導体領域２３は、ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２の双方と接合しており、その接合面（ヘテロ接合面）は受光面１１及び裏面１２と交差する方向（本実施形態では半導体層２の厚さ方向）に延びている。接合面の一端は高濃度拡散層２４に達しており、接合面の他端は高濃度ｎ型半導体領域２５または高濃度ｐ型半導体領域２６に達している。

また、ｉ型半導体領域２３のバンドギャップは、ｎ型半導体領域２１のバンドギャップ及びｐ型半導体領域２２のバンドギャップよりも小さい。一例としては、ｉ型半導体領域２３がＧａＡｓによって構成される場合には、ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２はＧａＡｓよりバンドギャップが大きいＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（０＜Ｘ＜１）等によって構成されるとよい。また、他の例としては、ｉ型半導体領域２３がＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ（０＜Ｙ＜１）によって構成される場合には、ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２はＩｎ_ＺＡｌ_１−ＺＡｓ（０＜Ｚ＜１）によって構成されるとよい。なお、ｎ型半導体領域２１のバンドギャップとｐ型半導体領域２２のバンドギャップとは、互いに異なってもよく、同じでもよい。

高濃度拡散層２４は、結晶欠陥が多い半導体層２の受光面１１側の表面へ電子及び正孔が接近するのを防ぐための層（ポテンシャル障壁）である。高濃度拡散層２４は、ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２よりも高い不純物濃度を有するｎ型半導体またはｐ型半導体からなる。この高濃度拡散層２４により、半導体層２の受光面１１側の表面近傍における電子及び正孔の再結合確率が低減される。この高濃度拡散層２４の表面は保護膜５ａにより被覆されており、更にその表面に反射防止膜６が形成されている。

高濃度ｎ型半導体領域２５および高濃度ｐ型半導体領域２６は、それぞれ負電極４および正電極３とオーミック接合を成すための領域であり、不純物拡散により形成されている。高濃度ｎ型半導体領域２５は半導体層２において電子収集領域として機能し、高濃度ｐ型半導体領域２６は半導体層２において正孔収集領域として機能する。

また、ｎ型半導体領域２１とｉ型半導体領域２３との接合面は高濃度ｎ型半導体領域２５に達し、該接合面と高濃度ｎ型半導体領域２５とが互いに接触している。ｐ型半導体領域２２とｉ型半導体領域２３との接合面は高濃度ｐ型半導体領域２６に達し、該接合面と高濃度ｐ型半導体領域２６とが互いに接触している。換言すれば、高濃度ｎ型半導体領域２５はｎ型半導体領域２１及びｉ型半導体領域２３の双方と接しており、高濃度ｐ型半導体領域２６はｐ型半導体領域２２及びｉ型半導体領域２３の双方と接している。

なお、このような構成を有する半導体層２は、種々の製造方法により製造可能である。例えば、半導体基板上にｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２をｉ型半導体領域２３を挟んで順にエピタキシャル成長させることにより、容易に実現できる。

正電極３は、半導体層２の高濃度ｐ型半導体領域２６上に形成されており、例えばＡｕ−Ｚｎといった金属からなる。また、負電極４は、半導体層２の高濃度ｎ型半導体領域２５上に形成されており、例えばＡｕ−Ｓｎといった金属からなる。なお、半導体層２の裏面１２側の表面のうち正電極３及び負電極４の何れも設けられていない領域は、保護膜５ｂにより被覆されている。

以上の構成を備える光起電力素子１Ａによる作用および効果について説明する。図２は、光起電力素子１Ａにおける横方向（ｎ型半導体領域２１、ｐ型半導体領域２２、及びｉ型半導体領域２３を貫く方向）のエネルギーバンド図である。

光起電力素子１Ａでは、上述したように、ｉ型半導体領域２３が、ｎ型半導体領域２１より小さい不純物濃度の半導体又は真性半導体からなり、更に、ｉ型半導体領域２３のバンドギャップがｎ型半導体領域２１のバンドギャップより小さい。従って、図２に示すように、ｎ型半導体領域２１とｉ型半導体領域２３との接合面に沿って、ｉ型半導体領域２３の内部に二次元電子ガス層Ｃが形成される。また、ｉ型半導体領域２３が、ｐ型半導体領域２２より小さい不純物濃度の半導体又は真性半導体からなり、更に、ｉ型半導体領域２３のバンドギャップがｐ型半導体領域２２のバンドギャップより小さい。従って、図２に示すように、ｐ型半導体領域２２とｉ型半導体領域２３との接合面に沿って、ｉ型半導体領域２３の内部に二次元正孔ガス層Ｄが形成される。

半導体層２のｎ型半導体領域２１、ｐ型半導体領域２２、及びｉ型半導体領域２３へ入射光Ｌが到達すると、各領域２１〜２３において当該領域のバンドギャップを超えるエネルギを有する波長成分が吸収され、各領域２１〜２３において電子−正孔対が発生する。そして、発生した電子Ａは、ｎ型半導体領域２１とｉ型半導体領域２３との接合面へ向けて移動し、二次元電子ガス層Ｃに集められる。電子Ａは、当該接合面に沿って二次元電子ガス層Ｃを高速で移動し、高濃度ｎ型半導体領域２５を通過して負電極４に達する。また、発生した正孔Ｂは、ｐ型半導体領域２２とｉ型半導体領域２３との接合面へ向けて移動し、二次元正孔ガス層Ｄに集められる。正孔Ｂは、当該接合面に沿って二次元正孔ガス層Ｄを高速で移動し、高濃度ｐ型半導体領域２６を通過して正電極３に達する。

このように、本実施形態の光起電力素子１Ａによれば、半導体層２の内部で発生した電子や正孔が、二次元電子ガス層Ｃや二次元正孔ガス層Ｄといった二次元キャリアガス層を介して裏面１２側へより速く移動できる。従って、半導体層２の内部で発生した電子及び正孔の消滅を抑え、これらを裏面１２側の負電極４及び正電極３へより効率よく移動させることができる。

本実施形態による光起電力素子１Ａの実施例（材質等）について以下に示す。
ｎ型半導体領域２１：ＡｌＧａＡｓ、不純物濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、半導体層２の層厚方向における厚さ３μｍ、ｉ型半導体領域２３との接合面間の距離（横幅）１０μｍ
ｐ型半導体領域２２：ＡｌＧａＡｓ、不純物濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、半導体層２の層厚方向における厚さ３μｍ、ｉ型半導体領域２３との接合面間の距離（横幅）１０μｍ
ｉ型半導体領域２３：ＧａＡｓ、不純物濃度１．１×１０^１１ｃｍ^−３以下、半導体層２の層厚方向における厚さ３μｍ、ｎ型半導体領域２１との接合面、及びｐ型半導体領域２２との接合面の間の距離（横幅）１０μｍ
高濃度拡散層２４：ＡｌＧａＡｓ、不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．１μｍ
高濃度ｎ型半導体領域２５：ＧａＡｓ、不純物濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ０．３μｍ
高濃度ｐ型半導体領域２６：ＧａＡｓ、不純物濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ０．３μｍ
正電極３：Ａｕ−Ｚｎ、膜厚１μｍ
負電極４：Ａｕ−Ｓｎ、膜厚１μｍ
保護膜５ａ，５ｂ：ＳｉＮ_Ｘ、膜厚（５ａ）１０ｎｍ、膜厚（５ｂ）０．１μｍ
反射防止膜６：ＭｇＦ_２／ＺｎＳ二層膜、膜厚１１０ｎｍ（ＭｇＦ_２）／５０ｎｍ（ＺｎＳ）

（第２の実施の形態）
図３は、本発明による光起電力素子の第２実施形態の構成を示す側面断面図である。本実施形態の光起電力素子１Ｂと上記第１実施形態の光起電力素子１Ａ（図１参照）との相違点は、光反射部の有無である。すなわち、本実施形態の光起電力素子１Ｂは、受光面１１側の半導体層２上（本実施形態では保護膜５ａ上）に光反射部７を備えている。なお、光反射部７以外の光起電力素子１Ｂの構成については、第１実施形態の光起電力素子１Ａの構成と同様なので説明を省略する。

光反射部７は、ｎ型半導体領域２１上及びｐ型半導体領域２２上に、高濃度拡散層２４及び保護膜５ａを挟んで設けられている。光反射部７は、半導体層２の厚さ方向と略平行に（すなわち受光面１１に対して略垂直に）ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２へ入射しようとする入射光Ｌを、ｉ型半導体領域２３へ向けて反射する。なお、光反射部７は、ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２のうち何れか一方の半導体領域上にのみ設けられても良い。この場合、光反射部７は、光反射部７が設けられた半導体領域へ入射しようとする入射光Ｌを、該半導体領域を除く他の半導体領域へ向けて反射する。ｎ型半導体領域２１及びｐ型半導体領域２２のバンドギャップが互いに異なる場合には、光反射部７は、バンドギャップが大きい方の半導体領域上に少なくとも設けられることが好ましい。

光反射部７は、例えばアルミニウムなどの金属材料からなる。光反射部７の側面は、半導体層２の厚さ方向に対して斜めに形成されており、入射光Ｌを反射する光反射面７ａとなっている。ここで、図４（ａ）は、光反射部７を拡大して示す図である。図４（ａ）に示すように、受光面１１に対して略垂直に入射する入射光Ｌは光反射面７ａで反射し、半導体層２においてバンドギャップが最も小さいｉ型半導体領域２３へ入射する。もし仮に光反射部７が無い場合、受光面１１に対して略垂直に入射した入射光Ｌはｎ型半導体領域２１（またはｐ型半導体領域２２）しか通過しないので、ｎ型半導体領域２１（またはｐ型半導体領域２２）のバンドギャップを超えるエネルギを有する波長成分しか吸収されない。これに対し、光反射部７を設けると、このような入射光Ｌは受光面１１に対して斜めに入射することとなり、ｉ型半導体領域２３を通過することができる。これにより、ｎ型半導体領域２１（またはｐ型半導体領域２２）のバンドギャップ以下のエネルギを有する波長成分であっても、ｉ型半導体領域２３のバンドギャップを超えるエネルギを有していれば、好適に吸収される。

このように、本実施形態の光起電力素子１Ｂによれば、バンドギャップが大きい半導体領域（ｎ型半導体領域２１、ｐ型半導体領域２２、またはその両方）へ入射しようとする光Ｌを、バンドギャップが小さいｉ型半導体領域２３へ好適に導くことができるので、比較的長い波長成分を効率よく吸収することができ、より多くの光エネルギーを電気エネルギーへ効率よく変換できる。

また、光反射面７ａと受光面１１とのなす角αが過大であると、図４（ｂ）に示すように、受光面１１に対して略垂直に入射した入射光Ｌの反射角が小さくなり、入射光Ｌは半導体層２へ入射しない。受光面１１に対して略垂直に入射した入射光Ｌは、光反射面７ａと受光面１１とのなす角α（図４（ａ）参照）が１３５°である場合に、光反射面７ａと平行な方向に反射する。従って、角αは１３５°より小さく設定されることが好ましい。これにより、図４（ａ）に示すように、入射光Ｌをｉ型半導体領域２３へ好適に導くことができる。

なお、本実施形態の光反射部７は、種々の製造方法により製造可能である。例えば、保護膜５ａ上に金属膜を形成したのち、該金属膜に機械加工を施すことにより、容易に実現できる。

本実施形態による光起電力素子１Ｂの実施例（材質等）について以下に示す。
ｎ型半導体領域２１：ＩｎＡｌＡｓ、不純物濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、半導体層２の層厚方向における厚さ３μｍ、ｉ型半導体領域２３との接合面間の距離（横幅）１０μｍ
ｐ型半導体領域２２：ＩｎＡｌＡｓ、不純物濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、半導体層２の層厚方向における厚さ３μｍ、ｉ型半導体領域２３との接合面間の距離（横幅）１０μｍ
ｉ型半導体領域２３：ＩｎＧａＡｓ、不純物濃度１．１×１０^１１ｃｍ^−３以下、半導体層２の層厚方向における厚さ３μｍ、ｎ型半導体領域２１との接合面、及びｐ型半導体領域２２との接合面の間の距離（横幅）１０μｍ
高濃度拡散層２４：ＩｎＡｌＡｓ、不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、拡散深さ０．１μｍ
高濃度ｎ型半導体領域２５：ＩｎＧａＡｓ、不純物濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ０．３μｍ
高濃度ｐ型半導体領域２６：ＩｎＧａＡｓ、不純物濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、拡散深さ０．３μｍ
正電極３：Ａｕ−Ｚｎ、膜厚１μｍ
負電極４：Ａｕ−Ｓｎ、膜厚１μｍ
保護膜５ａ，５ｂ：ＳｉＮ_Ｘ、膜厚（５ａ）１０ｎｍ、膜厚（５ｂ）０．１μｍ
反射防止膜６：ＭｇＦ_２／ＺｎＳ二層膜、膜厚１１０ｎｍ（ＭｇＦ_２）／５０ｎｍ（ＺｎＳ）
光反射部７：Ａｌ、膜厚６μｍ

本発明は、上述した各実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態ではｎ型半導体領域２１の半導体材料とｐ型半導体領域２２の半導体材料とが同一の材料とされているが、これらの領域は互いに異なる半導体材料により構成されてもよい。また、半導体層４における半導体材料の組み合わせとしてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓを例に挙げているが、これら以外の半導体材料からなる化合物系やシリコン系の光起電力素子にも本発明を適用できる。

本発明による光起電力素子の第１実施形態の構成を示す側面断面図である。第１実施形態の光起電力素子における横方向のエネルギーバンド図である。本発明による光起電力素子の第２実施形態の構成を示す側面断面図である。（ａ）反射部を拡大して示す図である。（ｂ）光反射面と受光面とのなす角が過大である場合を示す図である。特許文献１に示された光起電力素子における横方向のエネルギーバンド図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…光起電力素子、２…半導体層、３…正電極、４…負電極、５ａ，５ｂ…保護膜、６…反射防止膜、７…光反射部、１１…受光面、１２…裏面、２１…ｎ型半導体領域、２２…ｐ型半導体領域、２３…ｉ型半導体領域、２４…高濃度拡散層、２５…高濃度ｎ型半導体領域、２６…高濃度ｐ型半導体領域、Ａ…電子、Ｂ…正孔、Ｃ…二次元電子ガス層、Ｄ…二次元正孔ガス層。

Claims

受光面とは反対側の裏面に正電極及び負電極を備える裏面電極型の光起電力素子であって、
前記受光面と前記裏面との間に設けられ、光の入射に応じて起電力を発生する半導体層を備え、
前記半導体層が、
第１導電型の第１半導体領域と、
第２導電型の第２半導体領域と、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に設けられ、不純物濃度が前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域より小さい半導体又は真性半導体からなる第３の半導体領域と
を有し、
前記第３半導体領域のバンドギャップが、前記第１半導体領域のバンドギャップ及び前記第２半導体領域のバンドギャップより小さく、
前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域のそれぞれと前記第３半導体領域とが互いに接合しており、該接合面が前記受光面及び前記裏面と交差する方向に延びていることを特徴とする、光起電力素子。
前記受光面側において前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域のうち少なくとも一方の半導体領域上に設けられ、該半導体領域を除く半導体領域へ光を反射する光反射部を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の光起電力素子。