JP2013138128A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非晶質な絶縁性基板上に粒径の大きなＧｅ層を形成すること。
【解決手段】本発明は、非晶質な絶縁層１０と、前記絶縁層１０上に、互いに離間して形成されＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む結晶化した複数の種層１２と、前記複数の種層１２を覆うように形成された結晶化したＧｅ層１５と、を具備する半導体装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、非晶質な絶縁層上にＧｅ層を形成する半導体装置およびその製造方法に関する。

高効率な太陽電池として、Ｇｅ層、ＩｎＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層を積層したタンデム型太陽電池が知られている。タンデム型太陽電池は、積層された各層において異なる波長の光を電気エネルギーに変換できるため、変換効率が高い。

このように、Ｇｅ層を用いた半導体装置が知られている。Ｇｅ層を用いた半導体装置の低コスト化のため、ガラス等の非晶質な絶縁性基板上にＧｅを成長することが検討されている。例えば、非特許文献１には、ガラス基板上にＧｅを固相成長する技術が記載されている。例えば、非特許文献２には、ガラス基板上にＧｅを気相成長することが記載されている。

Solid State Electronics, 53 (2009) 1159-1164 J. Electrochem. Soc., 157, H371 (2010)

非特許文献１の技術では、ガラス上に形成されるＧｅ層は粒径の小さな多結晶となってしまう。また、非特許文献２の技術では、ガラス上に形成されるＧｅ層は非晶質に近い状態になってしまう。このように、非晶質な絶縁性基板上に粒径の大きなＧｅ層を形成することは難しかった。例えば、タンゲム型の太陽電池のＧｅ層として用いる場合、粒径の小さな多結晶では、光を効率的に電気エネルギーに変換できない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、非晶質な絶縁性基板上に粒径の大きなＧｅ層を形成することを目的とする。

本発明は、非晶質な絶縁層と、前記絶縁層上に、互いに離間して形成されＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む結晶化した複数の種層と、前記複数の種層を覆うように形成された結晶化したＧｅ層と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、非晶質な絶縁性基板上に粒径の大きなＧｅ層を形成することができる。

上記構成において、前記Ｇｅ層は、複数のＧｅ結晶粒を含み、前記複数のＧｅ結晶粒は、それぞれ前記複数の種層に対応し形成されている構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｇｅ層内には、前記複数の種層上を横切る粒界がない構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の種層の結晶方位は同じである構成とすることができる。

上記構成において、前記絶縁層は酸化シリコンを含む構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体装置は太陽電池であり、前記Ｇｅ層は、ｎ型Ｇｅ層とｐ型Ｇｅ層とを含み、前記半導体装置は、前記ｎ型Ｇｅ層に電気的に接続されたｎ電極と、前記ｐ型Ｇｅ層に電気的に接続されたｐ電極と、を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｇｅ層上に形成され、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＧａＡｓ層とを含むＩｎＧａＡｓ層と、前記ＩｎＧａＡｓ層上に形成され、ｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＩｎＧａＰ層とを含むＩｎＧａＰ層と、を具備し、前記ｎ電極および前記ｐ電極のいずれか一方は、前記ＩｎＧａＰ層および前記ＩｎＧａＡｓ層を介し前記ｎ型Ｇｅ層および前記ｐ型Ｇｅ層の対応する一方に電気的に接続する構成とすることができる。

上記構成において、非晶質な絶縁層上に、互いに離間して形成されＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む結晶化した複数の種層を形成する工程と、前記複数の種層を覆うように結晶化したＧｅ層を形成する工程と、を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｇｅ層を形成する工程は、前記複数の種層各々から前記絶縁層の面方向および法線方向にＧｅ結晶が形成されるように前記Ｇｅ層を形成する工程である構成とすることができる。

上記構成において、前記Ｇｅ層は化学気相成長法を用い形成する構成とすることができる。

本発明によれば、非晶質な絶縁性基板上に粒径の大きなＧｅ層を形成することができる。

図１（ａ）から図１（ｄ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図２は、非特許文献１の方法を用い非晶質な絶縁層上にＧｅ層を形成する場合の断面模式図である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例２に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図４は、図３（ｃ）における絶縁層およびＧｅ結晶をＳＥＭ法を用い観察した画像である。 図５（ａ）は、ＳＥＭ画像、図５（ｂ）は、ＥＢＳＤ法を用いた画像である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例３に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）から図１（ｄ）は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図１（ａ）に示すように、非晶質な絶縁層１０を準備する。非晶質な絶縁層１０として、例えば、ガラス基板を用いることができる。絶縁層１０としては例えば酸化シリコンを含んだガラス基板を用いることができる。ガラス基板には、酸化シリコン以外にも金属酸化物等が含まれていてもよい。さらに、絶縁層１０としては、酸化シリコンを主に含むガラス基板を用いることができる。さらに、絶縁層１０として酸化シリコンの非晶質層を用いることができる。

図１（ｂ）を参照し、絶縁層１０上に複数の種層１２を形成する。複数の種層１２は、互いに離間している。種層１２は、例えば、スパッタリング法または真空蒸着法等を用い形成することができる。種層１２は、ＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含み結晶化している。すなわち、種層１２としては、例えばＳｉ、ＧｅまたはＳｉとＧｅの混晶であるＳｉＧｅを用いることができる。種層１２には、ＳｉおよびＧｅ以外にも、製造工程において混入する不純物または意図的に添加した元素が含まれていてよい。

図１（ｃ）を参照し、各種層１２を覆うように各Ｇｅ結晶１４を形成する。Ｇｅ結晶１４の形成方法としては、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor
Deposition）法等の化学気相成長法を用いる。Ｇｅ結晶１４を成長する際に、用いる原料ガスとしては、例えばＧｅＨ_４等を用いることができる。Ｇｅ結晶１４は、種層１２の側面および上面から横方向（絶縁層１０の面方向）および縦方向（絶縁層１０の上面の法線方向）に単結晶として成長する。Ｇｅ結晶１４は矢印１８のように、横方向および縦方向に成長する。このように、種層１２としてＳｉ、ＧｅまたはＳｉＧｅを用いることにより、種層１２を種にＧｅ結晶１４を成長することができる。

図１（ｄ）を参照し、隣接する種層１２から成長してきたＧｅ結晶１４同士が接することにより、複数のＧｅ結晶１４（結晶粒）からＧｅ層１５が形成される。このように、複数の種層１２を覆うようにＧｅ層１５が形成される。隣接するＧｅ結晶１４が接した面は粒界１６となる。Ｇｅ層１５の膜厚をｔ、種層１２の間隔をＬ、粒径をＷとする。粒径Ｗと間隔Ｌとはほぼ等しくなる。例えば、Ｇｅ結晶１４の縦方向と横方向の成長速度が同じ場合、膜厚ｔは、間隔Ｌの２倍とすることができる。粒径Ｗは、Ｇｅ結晶１４の縦方向と横方向の成長速度の比により適宜設定できる。結晶粒を大きくする観点から、粒径Ｗは膜厚ｔ以上とすることがこのましい。例えば、膜厚ｔを３μｍとすると粒径Ｗを３μｍ以上とすることができる。

図２は、非特許文献１の方法を用い非晶質な絶縁層上にＧｅ層を形成する場合の断面模式図である。図２に示すように、絶縁層１０上に形成されたＧｅ層１５ａは小さい粒径のＧｅ結晶１４ａから形成される。Ｇｅ結晶１４ａの粒径Ｗａは例えば数１０ｎｍ程度である。図２に示すように、粒径の小さな多結晶構造では、半導体装置としての所望の特性が得られない。このように、非晶質な絶縁層１０上にＧｅ層１５を形成するとＧｅ層１５の粒径が小さくなってしまう。特に、ガラス基板等の酸化シリコンを含む絶縁層、または主に酸化シリコンを含む絶縁層を用いると、Ｇｅ層の粒径が小さくなってしまう。

実施例１においては、結晶化した複数の種層１２を覆うように結晶化したＧｅ層１５を形成することにより、Ｇｅ層１５として粒径が大きな多結晶を形成することができる。ここで、種層１２は結晶化していれば、多結晶でもよく、粒径が小さくてもよい。種層１２内の各結晶粒の結晶方位は互いに同じ方位であることが好ましい。また、複数の種層１２において、絶縁層１０の上面の法線方向の結晶方位は同じであることが好ましい。

図１（ｃ）のように、Ｇｅ層１５を形成する際に、複数の種層１２各々から絶縁層１０の面方向および法線方向にＧｅ結晶１４が形成されるようにＧｅ層１５を形成する。さらに、絶縁層１０の上面には直接Ｇｅ層１５は成長しない。これにより、図１（ｄ）のように、Ｇｅ層１５の粒径を大きくできる。

複数の種層１２の結晶方位を同じとしておく。これにより、形成されるＧｅ結晶１４の結晶方位を揃えることができる。例えば、絶縁層１０の法線方向の結晶方位を［１００］とする。これにより、Ｇｅ結晶１４は種層１２から縦方向および横方向に成長しやすくなる。Ｇｅ層１５の形成には、化学気相成長法以外の方法を用いることができるが、化学気相成長法を用いることにより、図１（ｃ）のように、Ｇｅ結晶１４は種層１２から縦方向および横方向に成長しやすくなる。なお、Ｇｅ層１５を形成する際の成長温度は、高い方が好ましいが、絶縁層１０の融点より低いことが好ましい。例えば、一般的なガラス基板の融点は５５０℃であり、成長温度は５００℃以下が好ましい。

図１（ｄ）のように、このように成長したＧｅ層１５内には、複数の種層１２上を横切る粒界は生成されない。よって、Ｇｅ層１５の縦方向の伝導性を良好に保つことができる。さらに、Ｇｅ層１５内の複数のＧｅ結晶１４は、それぞれ複数の種層１２に対応し形成されている。例えば、Ｇｅ結晶１４（結晶粒）内には、１つの種層１２が設けられている。

種層１２はＧｅ層１５の膜厚ｔに比べ十分薄いことが好ましい。種層１２の膜厚ｔ０（図１（ｂ）参照）は、例えば１００ｎｍ以下が好ましい。１０ｎｍ以下にすることもできる。種層１２の格子定数よりは大きいことが好ましい。種層１２の幅ｗ０（図１（ｂ）参照）は小さいことが好ましい。種層１２の幅は、例えば１μｍ以下が好ましい。１００ｎｍ以下とすることもできる。

実施例２は、非晶質な酸化シリコン層上にＧｅ層を形成した例である。図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例２に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon
on Insulator）基板２２を準備した。ＳＯＩ基板においては、シリコン単結晶基板２０上に非晶質な絶縁層１０として酸化シリコン膜、絶縁層１０上に単結晶シリコン膜１１が形成されている。絶縁層１０は、シリコン基板２０を熱酸化法により酸化させることにより形成する。シリコン膜１１は、絶縁層１０上にシリコン単結晶基板を貼り付けることにより形成する。その後、シリコン膜１１の上面を研磨する。絶縁層１０の膜厚は約２００ｎｍ、シリコン膜１１の膜厚は３０ｎｍである。シリコン膜１１の上面は（００１）面である。

図３（ｂ）を参照し、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い、シリコン膜１１から種層１２を形成する。エッチング法としてはＡｒイオンミリング法を用いる。種層１２の膜厚ｔ０は３０ｎｍ、種層１２の幅ｗ０は１μｍ、種層１２の間隔Ｌは５μｍである。

図３（ｃ）を参照し、基板２０をチャンバ内に導入する。チャンバ内を真空にし、５００℃に昇温する。５００℃の温度において、５分間保持する。チャンバ内にＧｅＨ_４ガスを５ｓｃｃｍの流量で２時間導入する。このように熱ＣＶＤ法を用い、種層１２の上面および側面にＧｅ結晶１４を成長させる。Ｇｅ結晶１４の膜厚は約５００ｎｍである。

図４は、図３（ｃ）における絶縁層１０およびＧｅ結晶１４をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）法を用い観察した画像である。図４のように、絶縁層１０上にはＧｅは成長しておらず、種層１２の上面および側面にＧｅ結晶１４が成長している。

図５（ａ）は、ＳＥＭ画像、図５（ｂ）は、ＥＢＳＤ（Electron Backscatter diffraction）法を用いた画像である。図５（ａ）および図５（ｂ）において用いた試料は、図４に用いた試料より種層１２の幅が大きい。図５（ａ）のように、図４と同様に、絶縁層１０上にはＧｅは成長しておらず、種層１２の上面および側面にＧｅ結晶１４が成長している。図５（ｂ）は、図５（ａ）と同じ試料をＥＢＳＤ観察したものである。図５（ｂ）を参照し、実際のＥＢＳＤ画像においては、（００１）面を赤、（１０１）面を緑、（１１１）面を青で表している。図５（ｂ）は、白黒のため確認できないが、実際の画像では、Ｇｅ結晶１４の上面は全面赤色である。すなわち、Ｇｅ結晶１４は上面が（００１）面となるように単結晶に成長している。なお、図５（ａ）において、Ｇｅ結晶１４の上面に凹凸が観測されるが、Ｇｅ結晶１４をさらに成長することにより、Ｇｅ結晶の上面はより平坦になる。

図３（ｄ）を参照し、さらにＧｅ結晶１４を成長させることにより、Ｇｅ結晶１４同士が接することにより、Ｇｅ結晶１４同士の界面が粒界１６となる。このように、結晶粒の大きなＧｅ層１５を成長できる。なお、図３（ｃ）の実験において用いた熱ＣＶＤ装置はＧｅ層の成長速度を大きくできなかったが、ＧｅＨ_４ガス等の原料ガスの流量を大きくできる装置を用いることにより、図３（ｄ）のように、Ｇｅ層１５を形成できる。

実施例３は、実施例１を太陽電池に用いる例である。図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例３に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。図６（ａ）に示すように、実施例１の図１（ａ）から図１（ｄ）の方法を用い、絶縁層１０上にＧｅ層１５を形成する。絶縁層１０としては、安価なガラス基板を用いる。Ｇｅ層１５は、絶縁層１０上に形成されたｎ型Ｇｅ層５０とｎ型Ｇｅ層５０上に形成されたｐ型Ｇｅ層５２とを含む。ｎ型Ｇｅ層５０とｐ型Ｇｅ層５２とはｐｎ接合を形成する。

図６（ｂ）に示すように、Ｇｅ層１５上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic CVD）法を用いＩｎＧａＡｓ層５８を形成する。ＩｎＧａＡｓ層５８は、Ｇｅ層１５上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓ層５４とｎ型ＩｎＧａＡｓ層５４上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓ層５６とを含む。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層５４とｐ型ＩｎＧａＡｓ層５６とはｐｎ接合を形成する。ＩｎＧａＡｓ層５８上に、ＭＯＣＶＤ法を用いＩｎＧａＰ層６４を形成する。ＩｎＧａＰ層６４は、ＩｎＧａＡｓ層５８上に形成されたｎ型ＩｎＧａＰ層６０とｎ型ＩｎＧａＰ層６０上に形成されたｐ型ＩｎＧａＰ層６２とを含む。ｎ型ＩｎＧａＰ層６０とｐ型ＩｎＧａＰ層６２とはｐｎ接合を形成する。

図６（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＰ層６４、ＩｎＧａＡｓ層５８およびＧｅ層１５の一部領域をｎ型Ｇｅ層５０が露出するまでエッチングする。ｐ型ＩｎＧａＰ層６２上に透明でｐ型ＩｎＧａＰ層６２と電気的に接続するｐ電極６６を形成する。ｎ型Ｇｅ層５０上にｎ型Ｇｅ層５０と電気的に接続するｎ電極６８を形成する。以上により太陽電池１００が製造できる。

太陽電池１００においては、ＩｎＧａＰ層６４において、６６０ｎｍ以下の光を電気エネルギーに変換する。ＩｎＧａＡｓ層５８において、６６０ｎｍから８９０ｎｍの光を電気エネルギーに変換する。Ｇｅ層１５において、８９０ｎｍから２０００ｎｍの光を電気エネルギーに変換する。このように、太陽電池１００は、広範囲の波長の光を電気エネルギーに変換できるため、変換効率が高い。

Ｇｅ層１５において、十分に光を電気エネルギーに変換するためには、Ｇｅ層１５の膜厚は３μｍ以上であることが好ましい。さらに、太陽電池１００においては縦方向（絶縁層１０の上面の法線方向）に電界が加わる。このため、Ｇｅ層１５の縦方向は１つの結晶粒となっていることが好ましい。すなわち、Ｇｅ層１５には横方向の粒界が存在しないことが好ましい。実施例１の方法によれば、Ｇｅ層１５内には、複数の種層１２上を横切る粒界は生成されにくい。よって、太陽電池１００の変換効率を高めることができる。さらに、太陽電池１００において、Ｇｅ基板を用いずに、ガラス基板を用いＧｅ層１５を形成するため、大幅に材料コストを削減できる。

以上のように、実施例３に係る太陽電池１００は、Ｇｅ層１５として、ｎ型Ｇｅ層５０とｐ型Ｇｅ層５２とを含み、ｎ型Ｇｅ層に電気的に接続されたｎ電極６８と、ｐ型Ｇｅ層に電気的に接続されたｐ電極６６と、を備える。これにより、変換効率が高く、低コストな太陽電池を提供できる。

実施例３においては、Ｇｅ層１５上にＩｎＧａＡｓ層５８およびＩｎＧａＰ層６４を形成した太陽電池を例に説明したが、Ｇｅ層１５上には、半導体層が設けられず、Ｇｅ層１５単層の太陽電池でもよい。また、Ｇｅ層１５上にＩｎＧａＡｓ層５８およびＩｎＧａＰ６４以外の層が形成された太陽電池でもよい。さらに、実施例３においては、絶縁層１０側がｎ型半導体、上側がｐ型半導体の例を説明したが、ｎ型およびｐ型は逆でもよい。すなわち、ｎ電極６８およびｐ電極６６のいずれか一方は、ＩｎＧａＰ層６４およびＩｎＧａＡｓ層５８を介しｎ型Ｇｅ層５０および前記ｐ型Ｇｅ層５２の対応する一方に電気的に接続されていればよい。さらに、Ｇｅ層１５、ＩｎＧａＡｓ層５８およびＩｎＧａＰ層６４は、上記以外の層を含んでもよい。

実施例１の方法は、Ｇｅ層を用いる他の半導体装置に用いることもできる。例えばガラス基板上に形成されたＧｅ層を用いるＴＦＴ（Thin Film
Transistor）を形成することができる。Ｇｅは、移動度が高いためＴＦＴであっても高速動作が可能である。よって、例えばガラス基板上に形成された表示装置と、高速動作可能なＣＰＵ（Central
Processing Unit）とを同一ガラス基板上に集積化することができる。

例えば、シリコン基板を用いた集積回路チップ上に光配線層を形成することもできる。光配線層の形成は、集積回路チップ上に非晶質な酸化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜上に実施例１の方法を用いＧｅ層を形成する。Ｇｅ層から発光素子および受光素子を形成する。発光素子および受光素子を光導波路を用い接続する。以上により、集積回路上に光配線層を形成することができる。Ｇｅ層から形成された発光素子は発光強度が小さい。Ｇｅ層上に直接遷移型のＧａＡｓ等の半導体層を形成し、この半導体層から発光素子を形成することができる。これにより、発光素子の発光強度を大きくすることもできる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 絶縁層
１２ 種層
１４ Ｇｅ結晶
１５ Ｇｅ層
１６ 粒界
５０ ｎ型Ｇｅ層
５２ ｐ型Ｇｅ層
５４ ｎ型ＩｎＧａＡｓ層
５６ ｐ型ＩｎＧａＡｓ層
５８ ＩｎＧａＡｓ層
６０ ｎ型ＩｎＧａＰ層
６２ ｐ型ＩｎＧａＰ層
６４ ＩｎＧａＰ層
６６ ｐ電極
６８ ｎ電極

Claims (10)

1. 非晶質な絶縁層と、
   前記絶縁層上に、互いに離間して形成されＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む結晶化した複数の種層と、
   前記複数の種層を覆うように形成された結晶化したＧｅ層と、
   を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 前記Ｇｅ層は、複数のＧｅ結晶粒を含み、前記複数のＧｅ結晶粒は、それぞれ前記複数の種層に対応し形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記Ｇｅ層内には、前記複数の種層上を横切る粒界がないこと特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記複数の種層の結晶方位は同じであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
5. 前記絶縁層は酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
6. 前記半導体装置は太陽電池であり、
   前記Ｇｅ層は、ｎ型Ｇｅ層とｐ型Ｇｅ層とを含み、
   前記半導体装置は、前記ｎ型Ｇｅ層に電気的に接続されたｎ電極と、前記ｐ型Ｇｅ層に電気的に接続されたｐ電極と、を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置。
7. 前記Ｇｅ層上に形成され、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＧａＡｓ層とを含むＩｎＧａＡｓ層と、
   前記ＩｎＧａＡｓ層上に形成され、ｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＩｎＧａＰ層とを含むＩｎＧａＰ層と、
   を具備し、
   前記ｎ電極および前記ｐ電極のいずれか一方は、前記ＩｎＧａＰ層および前記ＩｎＧａＡｓ層を介し前記ｎ型Ｇｅ層および前記ｐ型Ｇｅ層の対応する一方に電気的に接続することを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
8. 非晶質な絶縁層上に、互いに離間して形成されＳｉおよびＧｅの少なくとも一方を主に含む結晶化した複数の種層を形成する工程と、
   前記複数の種層を覆うように結晶化したＧｅ層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記Ｇｅ層を形成する工程は、前記複数の種層各々から前記絶縁層の面方向および法線方向にＧｅ結晶が形成されるように前記Ｇｅ層を形成する工程であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記Ｇｅ層は化学気相成長法を用い形成することを特徴とする請求項８または９記載の半導体装置の製造方法。

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