JP2015041620A - Photoelectric conversion element and method for manufacturing photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element and method for manufacturing photoelectric conversion element Download PDF

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雅芳 角野
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雅芳 角野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a photoelectric conversion element achieving a high power generation efficiency and power generation output in a wide emitter temperature Te range (400°C≤Te≤2,000°C); and a method for manufacturing a photoelectric conversion element.SOLUTION: A photoelectric conversion element has a light absorption layer including at least one pair of a P type light absorption layer and an N type light absorption layer that are adjacent to each other and relaxed in a lattice mismatch. The light absorption layer has a layer thickness d satisfying 0.5 μm≤d≤5 μm, and a lattice constant (a) at room temperature satisfying 5.886Å≤a≤6.058Å.

Description

本発明は、熱光起電力発電に用いられる光電変換素子及び光電変換素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element used for thermophotovoltaic power generation and a method for manufacturing the photoelectric conversion element.

熱光起電力(Thermophotovoltaic;TPV)発電は、熱放射光を光電変換素子で電気に変換して発電する技術である。通常、熱光起電力発電では、エミッタと呼ばれるセラミックや金属を加熱し、当該エミッタから放射される赤外光を電気に変換する。熱光起電力発電は、放射スペクトルを制御することにより高効率な発電が期待できると共に、種々の熱源を利用可能で、エネルギ密度が大きい発電技術として注目されている。非特許文献1では「熱放射スペクトル制御技術の熱光起電力発電への応用」と題して、非特許文献2では「TPV発電システムの現状と選択エミッタ材料技術」と題して、熱光起電力発電が紹介されている。それらの文献で紹介されている熱光起電力発電用の光電変換素子の光吸収層は、Ge、GaSb、InGaAsなどの材料からなる。それらの材料のバンドギャップ波長は1.6μm〜1.8μmであり、それよりバンドギャップ波長の短い光を吸収する。   Thermophotovoltaic (TPV) power generation is a technology for generating heat by converting thermal radiation light into electricity with a photoelectric conversion element. Usually, in thermophotovoltaic power generation, a ceramic or metal called an emitter is heated, and infrared light emitted from the emitter is converted into electricity. Thermophotovoltaic power generation is attracting attention as a power generation technology with high energy density that can be expected to produce highly efficient power by controlling the radiation spectrum, and can use various heat sources. Non-Patent Document 1 entitled "Application of Thermal Radiation Spectrum Control Technology to Thermophotovoltaic Power Generation" and Non-Patent Document 2 entitled "Current Status of TPV Power Generation System and Selected Emitter Material Technology" Power generation is introduced. The light absorption layer of the photoelectric conversion element for thermophotovoltaic power generation introduced in those documents is made of a material such as Ge, GaSb, InGaAs or the like. These materials have a band gap wavelength of 1.6 μm to 1.8 μm, and absorb light having a shorter band gap wavelength.

エミッタの温度はエミッタの材料や寿命の制限を受ける。通常エミッタの温度は800〜1200℃であり、エミッタから放射される光スペクトルのピーク波長は2〜3μmと長い。そのため、関連技術の光電変換素子では放射光の一部しか電流に変換することができず、熱光起電力発電の出力と効率が制限されていた。光電変換素子の光吸収層のバンドギャップ波長は放射光のピーク波長以上に長いことが望ましい。エミッタと光電変換素子の間に光学フィルタを設置すると、光電変換素子の光吸収層のバンドギャップ波長より長い放射光の波長成分をいくらかエミッタに返すことができる。しかしながら、そのような手法では、光電変換素子の効率はいくらか向上するが、電気出力は増加しない。   Emitter temperature is limited by emitter material and lifetime. Usually, the temperature of the emitter is 800 to 1200 ° C., and the peak wavelength of the light spectrum emitted from the emitter is as long as 2 to 3 μm. For this reason, in the photoelectric conversion element of the related art, only a part of the radiated light can be converted into current, and the output and efficiency of thermophotovoltaic power generation are limited. The band gap wavelength of the light absorption layer of the photoelectric conversion element is preferably longer than the peak wavelength of the emitted light. When an optical filter is installed between the emitter and the photoelectric conversion element, some wavelength component of the emitted light longer than the band gap wavelength of the light absorption layer of the photoelectric conversion element can be returned to the emitter. However, with such a technique, the efficiency of the photoelectric conversion element is somewhat improved, but the electrical output is not increased.

金属エミッタの場合、酸化による劣化を減らし、寿命を延ばすためにエミッタ温度を1000℃以下に低く抑えることが多い。エミッタ温度が低くなると、放射光のピ−ク波長が長くなる。そのため、関連技術における光電変換素子では発電効率が著しく低下してしまう。つまり関連技術における光起電力発電用の光電変換素子では、広範囲のエミッタ温度において高効率かつ高出力の熱光起電力発電をすることができなかった。   In the case of a metal emitter, the emitter temperature is often kept below 1000 ° C. in order to reduce deterioration due to oxidation and extend the lifetime. As the emitter temperature decreases, the peak wavelength of the emitted light increases. Therefore, the power generation efficiency is significantly reduced in the photoelectric conversion element in the related art. In other words, the photoelectric conversion element for photovoltaic power generation in the related art cannot perform high-efficiency and high-power thermophotovoltaic power generation in a wide range of emitter temperatures.

例えば、関連技術における光電変換素子のInGaAs光吸収層には、InP基板に格子整合したIn0.53Ga0.47As結晶が用いられている。InXGa1-XAsのバンドギャップエネルギは、In組成Xに対して
Eg(X)=1.42−1.49・X+0.43・X・X ・・・(式1)
と変化する。InPに格子整合するIn0.53Ga0.47Asのバンドギャップ波長は1.65μmである。理論上、InXGa1-XAsのIn組成xを増大させることで、バンドギャップ波長を1.6μm〜3.4μmまで増加させることができる。そうすればより広いエミッタの温度範囲で高効率の熱光起電力発電が可能になる。さらに光学フィルタを用いて素子が吸収できなかった波長成分をエミッタに返せば、変換効率をさらに向上できる。
For example, an In 0.53 Ga 0.47 As crystal lattice-matched to an InP substrate is used for an InGaAs light absorption layer of a photoelectric conversion element in related technology. The band gap energy of In X Ga 1-X As is
Eg (X) = 1.42−1.49 · X + 0.43 · X · X (Formula 1)
And change. The band gap wavelength of In 0.53 Ga 0.47 As lattice-matched to InP is 1.65 μm. Theoretically, the band gap wavelength can be increased from 1.6 μm to 3.4 μm by increasing the In composition x of In X Ga 1-X As. Then, highly efficient thermophotovoltaic power generation becomes possible over a wider emitter temperature range. Furthermore, conversion efficiency can be further improved by returning to the emitter the wavelength component that the element could not absorb using an optical filter.

しかしながら従来のエピタキシャル成長法でInXGa1-XAsのIn組成を増大させると、結晶の格子定数が大きくなり、基板であるInP結晶に対して格子不整合を生じ、ミスフィット転位が生じるために結晶品質が低下してしまう。例えば、吸収波長2μmの光吸収層を得るには、InXGa1-XAsのIn組成を0.68以上にする必要がある。そのときのInPに対するIn0.68Ga0.32Asの格子不整合度は1.0%以上になる。格子不整合度とは基板とエピタキシャル膜の格子定数の差Δaと基板の格子定数aの比Δa/aで定義される。通常、光吸収層の全体の厚さは0.5μm以上かつ5μm以下と厚いので、格子不整合による結晶品質の低下は著しい。 However, when the In composition of In X Ga 1-X As is increased by the conventional epitaxial growth method, the lattice constant of the crystal increases, causing lattice mismatch to the InP crystal as the substrate, resulting in misfit dislocations. Crystal quality will deteriorate. For example, in order to obtain a light absorption layer with an absorption wavelength of 2 μm, the In composition of In X Ga 1-X As needs to be 0.68 or more. At that time, the degree of lattice mismatch of In 0.68 Ga 0.32 As with respect to InP is 1.0% or more. The degree of lattice mismatch is defined by the ratio Δa / a of the lattice constant difference Δa between the substrate and the epitaxial film and the lattice constant a of the substrate. Usually, since the entire thickness of the light absorption layer is as thick as 0.5 μm or more and 5 μm or less, the deterioration of crystal quality due to lattice mismatch is remarkable.

臨界膜厚の実験と理論から、0.1μm厚のInGaAsで良好な結晶が得られる格子不整合度は0.2〜0.3%までである。そのときのInGaAs結晶のIn組成は0.56〜0.575であり、室温でのInGaAsのバンドギャップ波長は1.72〜1.75μmである。格子不整合度0.3%の時のInGaAs結晶のIn組成は0.575で、室温での格子定数は5.886Åである。つまりInP基板に疑似格子整合したInGaAs光吸収層の長波長限界は1.75μmである。つまり従来の光起電力発電用の光電変換素子において、1.75μm以上の波長光を吸収するInGaAs光吸収層は得られなかった。   From the experiments and theories of critical film thickness, the degree of lattice mismatch for obtaining good crystals with 0.1 μm thick InGaAs is 0.2 to 0.3%. The In composition of the InGaAs crystal at that time is 0.56 to 0.575, and the band gap wavelength of InGaAs at room temperature is 1.72 to 1.75 μm. When the lattice mismatch degree is 0.3%, the In composition of the InGaAs crystal is 0.575, and the lattice constant at room temperature is 5.886 mm. In other words, the long wavelength limit of the InGaAs light absorbing layer pseudo-matched to the InP substrate is 1.75 μm. In other words, in the conventional photoelectric conversion element for photovoltaic power generation, an InGaAs light absorption layer that absorbs light having a wavelength of 1.75 μm or more could not be obtained.

近年、一部の電子デバイスの作製にメタモルフィック成長法が用いられている。メタモルフィック成長法は、格子定数を徐々に変化させたメタモルフィック緩和層を用いることで、上部エピタキシャル層の結晶品質を良好に保ちつつ、格子定数を変化させる結晶成長手法である。メタモルフィック成長法を用いると、メタモルフィック緩和層内に転位を網目状に形成し、安定した終端状態を形成できるので、上層の転位密度を低くできる。その手法を用いれば、結晶基板に対する成長層の格子不整合度が3%程度までであれば、高品質の成長層が得られる可能性がある。   In recent years, the metamorphic growth method has been used to fabricate some electronic devices. The metamorphic growth method is a crystal growth technique in which the lattice constant is changed while maintaining a good crystal quality of the upper epitaxial layer by using a metamorphic relaxation layer whose lattice constant is gradually changed. When the metamorphic growth method is used, dislocations are formed in a network shape in the metamorphic relaxation layer, and a stable terminal state can be formed, so that the dislocation density in the upper layer can be lowered. If this method is used, a high-quality growth layer may be obtained if the lattice mismatch of the growth layer to the crystal substrate is up to about 3%.

非特許文献3では、MBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシ)法を用いてGaAs基板上にAlGaInAs緩和層を成長した後、InPに格子整合するInGaAs成長層などを成長させてトランジスタ素子を実現している。AlGaInAs緩和層はIn組成を線形に変化させてGaAsからIn0.52Al0.48Asまで変化させている。 In Non-Patent Document 3, an AlGaInAs relaxation layer is grown on a GaAs substrate using MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, and then an InGaAs growth layer that is lattice-matched to InP is grown to realize a transistor element. ing. The AlGaInAs relaxed layer changes the In composition from linear to GaAs to In 0.52 Al 0.48 As.

非特許文献4では、MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy;有機金属気相エピタキシ)法でGaAs基板上にIn0.12Ga0.88Asのメタモルフィック緩和層を1.6μ厚成長した後、1.3μm帯の半導体レーザを形成している。このInGaAs発光層の格子定数はGaAsよりやや大きく、InPよりかなり小さい。 In Non-Patent Document 4, after growing a metamorphic relaxation layer of In 0.12 Ga 0.88 As on a GaAs substrate by MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) method to a thickness of 1.6 μm, a 1.3 μm band semiconductor A laser is formed. The lattice constant of this InGaAs light emitting layer is slightly larger than that of GaAs and considerably smaller than that of InP.

特許文献1では、GaAs基板上にGaSbメタモルフィック緩和層を成長させた後にアンドープのIn0.15Ga0.85As0.14Sb0.86感光層、あるいはIn0.77Ga0.23As感光層を有する光検出器を形成している。この光検出器は、感光層よりバンドギャップの大きいP型の正孔バリア層とN型の電子バリア層でアンドープの感光層を挟んだPIN型構造を有している。素子に逆バイアスが加えて、感光層を空乏化した状態で受光し、感光層で発生させた光キャリアを電流として取り出す。 In Patent Document 1, after a GaSb metamorphic relaxation layer is grown on a GaAs substrate, a photodetector having an undoped In 0.15 Ga 0.85 As 0.14 Sb 0.86 photosensitive layer or an In 0.77 Ga 0.23 As photosensitive layer is formed. . This photodetector has a PIN-type structure in which an undoped photosensitive layer is sandwiched between a P-type hole barrier layer having a band gap larger than that of the photosensitive layer and an N-type electron barrier layer. A reverse bias is applied to the element to receive light in a state where the photosensitive layer is depleted, and photocarriers generated in the photosensitive layer are taken out as a current.

メタモルフィック成長法は、殆どの場合GaAs基板を用いる。その理由は、従来高価なInP基板上に作製されていた素子構造を、比較的安価で大口径のGaAs基板上に製造できる可能性があるからである。しかしながらGaAs基板とInP成長層の間には、3.8%もの格子不整合があるために、高品質の成長層を得るのは容易ではない。また材料や成長条件にも依存するが、格子不整合度が4%より大きいと、3次元成長が生じやすくなり平坦な成長層が得られ難くなる。従ってInPより格子定数が大きい材料を成長するのは難しい。例えば、In0.68Ga0.32Asは、GaAs基板に対して4.9%の格子不整合度があるので、100nm厚以上の平坦なエピタキシャル膜を得るのは困難である。 The metamorphic growth method almost always uses a GaAs substrate. The reason is that there is a possibility that an element structure which has been conventionally produced on an expensive InP substrate can be produced on a GaAs substrate having a large diameter with a relatively low cost. However, since there is a lattice mismatch of 3.8% between the GaAs substrate and the InP growth layer, it is not easy to obtain a high quality growth layer. Although it depends on the material and growth conditions, if the degree of lattice mismatch is greater than 4%, three-dimensional growth is likely to occur and it becomes difficult to obtain a flat growth layer. Therefore, it is difficult to grow a material having a larger lattice constant than InP. For example, In 0.68 Ga 0.32 As has a lattice mismatch of 4.9% with respect to the GaAs substrate, so that it is difficult to obtain a flat epitaxial film having a thickness of 100 nm or more.

そこで、特許文献2には、InP基板上にInAsP歪超格子バッファー層を形成した後に、格子不整合を緩和したGaInAs吸収層を形成することが開示されている。   Therefore, Patent Document 2 discloses that after forming an InAsP strained superlattice buffer layer on an InP substrate, a GaInAs absorption layer with relaxed lattice mismatch is formed.

また、成長層を基板から剥離して他の支持体に転写するエピタキシャル・リフト・オフ(Epitaxial Lift-Off;ELO)技術がある。これは、基板と成長層の間に被エッチング層である犠牲層を形成し、エッチングで犠牲層を除去することで、成長層を基板から剥離する技術である。基板はエッチングされないので再利用することができる。   In addition, there is an epitaxial lift-off (ELO) technique in which a growth layer is peeled off from a substrate and transferred to another support. In this technique, a sacrificial layer, which is a layer to be etched, is formed between a substrate and a growth layer, and the sacrificial layer is removed by etching to peel the growth layer from the substrate. The substrate is not etched and can be reused.

非特許文献5では、GaAs基板上にIn組成を変化させたInGaAs緩和層 (800nm厚)とInAlAs(100nm厚)とAlAs犠牲層(4nm厚)とIn0.56Al0.44Asバリア層(1.9μm層)が順次積層されたホール素子が示されている。ホール素子部分はInPに近い格子定数をもつ。InGaAs緩和層のIn組成は0.19から0.62まで8段階で変化している。しかしながら格子不整合層であるAlAs犠牲層は非常に薄いため、リフトオフに非常に時間がかかる。そのため大型の基板を用いることが難しいという問題がある。 In Non-Patent Document 5, an InGaAs relaxation layer (800 nm thickness), InAlAs (100 nm thickness), an AlAs sacrificial layer (4 nm thickness), and an In 0.56 Al 0.44 As barrier layer (1.9 μm layer) with varying In composition on a GaAs substrate. The Hall elements are sequentially stacked. The Hall element portion has a lattice constant close to InP. The In composition of the InGaAs relaxation layer changes in 8 steps from 0.19 to 0.62. However, the AlAs sacrificial layer, which is a lattice mismatching layer, is very thin and takes a very long time to lift off. Therefore, there is a problem that it is difficult to use a large substrate.

特許文献3では、InP基板にInPに格子整合したAlAsSbの犠牲層と半導体素子を形成し、ELO法でInPに格子整合した半導体素子薄膜を得ている。こうした転写技術は、成長用基板を再利用することができるので、素子を低価格で製造することができるという利点がある。   In Patent Document 3, an AlAsSb sacrificial layer lattice-matched to InP and a semiconductor element are formed on an InP substrate, and a semiconductor element thin film lattice-matched to InP is obtained by an ELO method. Such a transfer technique has an advantage that the element can be manufactured at a low cost because the growth substrate can be reused.

非特許文献6では、化合物半導体の機械的強度に関する報告がなされている。   Non-Patent Document 6 reports on the mechanical strength of compound semiconductors.

応用物理第73巻第7号P952(2004)Applied Physics Vol.73, No.7, P952 (2004) 応用物理第76巻第3号P281(2007)Applied Physics Vol.76, No.3, P281 (2007) W. E. Hoke, J. Vac. Sci. Technol. B 17, 1131 (1999)W. E. Hoke, J. Vac. Sci. Technol. B 17, 1131 (1999) M. Arai, Electron Lett., Vol. 44, No. 23, pp. 1359-1360(2008)M. Arai, Electron Lett., Vol. 44, No. 23, pp. 1359-1360 (2008) Y. Jeong, Applied Physics Express 1 (2008) 021201Y. Jeong, Applied Physics Express 1 (2008) 021201 Yonenaga,“Mechanical Properties and Dislocation Dynamics in III−V Compounds”,Journal De Physique III Vol.71435−1450(1997)Yonenaga, “Mechanical Properties and Dislocation Dynamics in III-V Compounds”, Journal De Physique III Vol. 71435-1450 (1997)

特開2012−146806JP2012-146806 特開平06−188447JP 06-188447 A 特開2008−258563JP 2008-258563 A

しかし、特許文献3に記載のフォトダイオードでは、InAsP歪超格子バッファー層内に存在する転移網が多くの光キャリアを消滅させてしまう。そのため、微弱な光しか検知することができなかった。すなわち、非特許文献1乃至6、および特許文献1乃至3に開示されている技術では、広範囲のエミッタ温度において高い発電効率と発電出力が得られる光電変換素子を実現することができなかった。   However, in the photodiode described in Patent Document 3, a transition network existing in the InAsP strained superlattice buffer layer causes many optical carriers to disappear. For this reason, only weak light could be detected. That is, the techniques disclosed in Non-Patent Documents 1 to 6 and Patent Documents 1 to 3 cannot realize a photoelectric conversion element that can obtain high power generation efficiency and power generation output in a wide range of emitter temperatures.

本発明の目的は、上述の課題を解決する光電変換素子及び光電変換素子の製造方法を提供することにある。   The objective of this invention is providing the manufacturing method of the photoelectric conversion element which solves the above-mentioned subject, and a photoelectric conversion element.

本発明の光電変換素子は、少なくとも一組の互いに隣接する格子不整合緩和したP型光吸収層およびN型光吸収層を含む光吸収層を有し、光吸収層の層厚dは0.5μm≦d≦5μmであり、光吸収層の室温での格子定数aが5.886Å≦a≦6.058Åであることを特徴とする。   The photoelectric conversion device of the present invention has a light absorption layer including at least one pair of P-type light absorption layer and N-type light absorption layer which are adjacent to each other and relaxed by lattice mismatch, and the layer thickness d of the light absorption layer is 0.5 μm. ≦ d ≦ 5 μm, and the lattice constant a of the light absorption layer at room temperature is 5.8865.8 ≦ a ≦ 6.058Å.

本発明の光電変換素子の製造方法は、InP基板上にメタモルフィック緩和層を形成する工程と、メタモルフィック緩和層上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上にP型光吸収層およびN型吸収層を含む光吸収層を形成する工程と、エッチング法により犠牲層を除去する工程と、エッチングによりInP基板及びメタモルフィック緩和層を剥離した光吸収層を搬送用基材、ヒートシンク基材またはラミネート基材のいずれか一に転写する工程と、を含む
ことを特徴とする。
The method for producing a photoelectric conversion element of the present invention includes a step of forming a metamorphic relaxation layer on an InP substrate, a step of forming a sacrificial layer on the metamorphic relaxation layer, a P-type light absorption layer and an N on the sacrificial layer. A step of forming a light absorption layer including a mold absorption layer, a step of removing the sacrificial layer by an etching method, and a light absorption layer from which the InP substrate and the metamorphic relaxation layer are peeled off by etching, a transport substrate, a heat sink substrate or And transferring to any one of the laminate substrates.

本発明によれば、広範囲のエミッタ温度Te(400℃≦Te≦2000℃)において高い発電効率と発電出力が得られる光電変換素子及び光電変換素子の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the photoelectric conversion element which can obtain high power generation efficiency and power generation output in the emitter temperature Te (400 degreeC <= Te <= 2000 degreeC) of wide range can be provided.

第1の実施形態にかかる光電変換素子100の断面構造図である。1 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 100 according to a first embodiment. 第1の実施形態にかかる光電変換素子100の製造方法の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the photoelectric conversion element 100 according to the first embodiment. 第1の実施例にかかる光電変換素子200の成長層の断面構造図である。3 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of the photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment. FIG. 第1の実施例にかかる光電変換素子200の断面構造図である。1 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 200 according to a first embodiment. 第1の実施例にかかる光電変換素子200の製造方法の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment. 第1の実施例にかかる光電変換素子200の第2の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the 2nd manufacturing method of the photoelectric conversion element 200 concerning a 1st Example. 第2の実施例にかかる光電変換素子300の成長層の断面構造図である。6 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 300 according to a second embodiment. FIG. 第2の実施例にかかる光電変換素子300の断面構造図である。3 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 300 according to a second embodiment. FIG. 第2の実施例にかかる光電変換素子300のバンド構造の模式図である。6 is a schematic diagram of a band structure of a photoelectric conversion element 300 according to a second embodiment. FIG. 第3の実施例にかかる光電変換素子400の成長層の断面構造図である。6 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 400 according to a third embodiment. FIG. 第3の実施例にかかる光電変換素子400の断面構造図である。6 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 400 according to a third embodiment. FIG. 第3の実施例にかかる光電変換素子400バンド構造の模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a photoelectric conversion element 400 band structure according to a third embodiment. 第4の実施例にかかる光電変換素子500の成長層の断面構造図である。6 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 500 according to a fourth embodiment. FIG. 第4の実施例にかかる光電変換素子500の断面構造図である。FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 500 according to a fourth embodiment. 第5の実施例にかかる光電変換素子600の成長層の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 600 according to a fifth embodiment. 第5の実施例にかかる光電変換素子600の断面構造図である。FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 600 according to a fifth embodiment. 第6の実施例にかかる光電変換素子700の成長層の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 700 according to a sixth embodiment. 第6の実施例にかかる光電変換素子700の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 700 according to a sixth embodiment. 第7の実施例にかかる光電変換素子800の成長層の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 800 according to a seventh embodiment. 第7の実施例にかかる光電変換素子800の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element according to a seventh embodiment. 第8の実施例にかかる光電変換素子900の成長層の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 900 according to an eighth embodiment. 第8の実施例にかかる光電変換素子900の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 900 according to an eighth embodiment. 第9の実施例にかかる光電変換素子1000の成長層の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 1000 according to a ninth embodiment. 第9の実施例にかかる光電変換素子1000の断面構造図である。FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 1000 according to a ninth embodiment. エミッタ温度を変えた時の放射強度の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the radiation intensity when changing emitter temperature. 光吸収層が異なるInGaAs系光電変換素子の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the InGaAs type photoelectric conversion element from which a light absorption layer differs. エミッタ温度を変えた時の光電変換効率のバンドギャップ波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the band gap wavelength dependence of the photoelectric conversion efficiency when changing emitter temperature. エミッタ温度を変えた時の出力密度のバンドギャップ波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the band gap wavelength dependence of the output density when changing emitter temperature. 化合物半導体の伝導体と価電子帯のエネルギの格子定数依存性を示す図である。It is a figure which shows the lattice constant dependence of the conductor of a compound semiconductor, and the energy of a valence band. 化合物半導体の標準生成エンタルピーと融点を示す図である。It is a figure which shows the standard production | generation enthalpy and melting | fusing point of a compound semiconductor. 化合物半導体の臨界せん断応力の逆温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the reverse temperature dependence of the critical shear stress of a compound semiconductor. 特許文献3に記載の光電変換素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photoelectric conversion element of patent document 3. FIG.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態にかかる光電変換素子100の断面構造図である。光電変換素子100は、少なくとも一組の隣接する格子不整合緩和したP型の光吸収層15およびN型の光吸収層14(以下、P型の光吸収層15およびN型の光吸収層14を合わせて光吸収層19とする)を有している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram of a photoelectric conversion element 100 according to the first embodiment. The photoelectric conversion element 100 includes at least a pair of adjacent lattice mismatch relaxed P-type light absorption layer 15 and N-type light absorption layer 14 (hereinafter referred to as P-type light absorption layer 15 and N-type light absorption layer 14). And a light absorption layer 19).

光吸収層19は、InxGa1-xAs(0.58≦x≦1)、InxGa1-xAsyP1-y(0.58≦x≦1、0.8≦y<1)又はInAszP1-z(0.1≦z≦1)のいずれか一を含む。 The light absorption layer 19 is composed of In x Ga 1-x As (0.58 ≦ x ≦ 1), In x Ga 1-x As y P 1-y (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.8 ≦ y <1) or InAs z P 1-z (0.1 ≦ z ≦ 1) is included.

光吸収層19の室温での格子定数aは、5.886Å≦a≦6.058Åである。ここで、5.886Åは、InPとの臨界格子定数差0.3%を考慮した値(5.868×1.003)である。6.058Åは、InAsの室温での格子定数である。   The lattice constant a of the light absorption layer 19 at room temperature is 5.8865.8 ≦ a ≦ 6.058Å. Here, 5.886 mm is a value (5.868 × 1.003) considering a critical lattice constant difference of 0.3% with InP. 6.058Å is the lattice constant of InAs at room temperature.

光吸収層19の層厚dは、0.5μm≦d≦5μmである。成長時間を短縮する観点から、1.0μm以上かつ2.5μm以下であることがより好ましい。光吸収層が薄すぎると入射光を十分吸収しきれない。逆に、光吸収層が厚すぎると拡散するキャリアが光吸収層内で再結合してしまい、その分外部に電流として取り出せないため光電気変換効率が減少する。   The layer thickness d of the light absorption layer 19 is 0.5 μm ≦ d ≦ 5 μm. From the viewpoint of shortening the growth time, it is more preferably 1.0 μm or more and 2.5 μm or less. If the light absorption layer is too thin, the incident light cannot be absorbed sufficiently. On the contrary, if the light absorption layer is too thick, the diffusing carriers are recombined in the light absorption layer, and accordingly, the photoelectric conversion efficiency is reduced because it cannot be taken out as current.

図2は、光電変換素子100の製造方法の説明図である。エピタキシャル層の成長には、MOVPE法あるいはMBE法などを用いる。まず、InP基板11上にメタモルフィック緩和層12を形成する(a)。次いで、メタモルフィック緩和層12上に犠牲層13を形成する(b)。その後、犠牲層13上にN型光吸収層14、P型光吸収層15をこの順に形成する(c)。その後、犠牲層13をエッチングすることにより光吸収層19からメタモルフィック緩和層12及びInP基板11を剥離する(d)。なお、犠牲層上13上にP型光吸収層15、N型光吸収層14をこの順に形成してもよい。   FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the photoelectric conversion element 100. For the growth of the epitaxial layer, the MOVPE method or the MBE method is used. First, the metamorphic relaxation layer 12 is formed on the InP substrate 11 (a). Next, a sacrificial layer 13 is formed on the metamorphic relaxation layer 12 (b). Thereafter, an N-type light absorption layer 14 and a P-type light absorption layer 15 are formed in this order on the sacrificial layer 13 (c). Thereafter, the sacrificial layer 13 is etched to peel the metamorphic relaxation layer 12 and the InP substrate 11 from the light absorption layer 19 (d). Note that the P-type light absorption layer 15 and the N-type light absorption layer 14 may be formed in this order on the sacrificial layer 13.

本実施形態にかかる光電変換素子100によれば、InP基板上にメタモルフィック緩和層12を形成することにより、バンドギャップ波長が1.8μm以上の格子不整合緩和した光吸収層を得ることができる。また、光吸収層19からInP基板11及びメタモルフィック緩和層12を剥離することにより、メタモルフィック緩和層12内に存在する転移網での光キャリアの捕獲がなくなる。この結果、変換効率を向上させることができる。したがって、広範囲のエミッタ温度において高い発電効率と発電出力を実現することができる。   According to the photoelectric conversion element 100 according to the present embodiment, by forming the metamorphic relaxation layer 12 on the InP substrate, it is possible to obtain a light absorbing layer with a band gap wavelength of 1.8 μm or more with a relaxed lattice mismatch. Further, by peeling the InP substrate 11 and the metamorphic relaxation layer 12 from the light absorption layer 19, the capture of optical carriers in the transition network existing in the metamorphic relaxation layer 12 is eliminated. As a result, conversion efficiency can be improved. Therefore, high power generation efficiency and power generation output can be realized in a wide range of emitter temperatures.

[実施例1]
次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。図3に第1の実施例である光電変換素子200の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子200の成長層は、n-InP基板21、層厚300nmのn-InXGa1-XAs(0.53≦X≦0.70)メタモルフィック緩和層22、層厚100nmのn-AlAs0.44Sb0.56 犠牲層23、層厚1.5μmのn-In0.68Ga0.32As 光吸収層24、層厚0.5μmのp-In0.68Ga0.32As 光吸収層25を含んで成る。
[Example 1]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 3 shows a cross-sectional structure diagram of the growth layer of the photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 200 is an n-InP substrate 21, an n-In X Ga 1-X As (0.53 ≦ X ≦ 0.70) metamorphic relaxation layer 22 having a layer thickness of 300 nm, and an n-AlAs 0.44 Sb having a layer thickness of 100 nm. A 0.56 sacrificial layer 23, an n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorbing layer 24 having a layer thickness of 1.5 μm, and a p-In 0.68 Ga 0.32 As light absorbing layer 25 having a layer thickness of 0.5 μm are included.

InGaAs材料は直接遷移材料なので、光の吸収効率は高い。InGaAs光吸収層の厚さは赤外光を吸収するために、例えば0.5μm以上かつ5μm以下とすることができる。成長時間を短縮する観点では、光吸収層の厚さは1.0μm以上かつ2.5μm以下であることが好ましい。光吸収層が薄すぎると、入射光を十分吸収しきれない。光吸収層が厚すぎると効率が減少する。なぜなら拡散するキャリアが光吸収層内で再結合してしまい、その分外部に電流として取り出せないからである。   Since InGaAs material is a direct transition material, light absorption efficiency is high. The thickness of the InGaAs light absorption layer can be, for example, 0.5 μm or more and 5 μm or less in order to absorb infrared light. From the viewpoint of shortening the growth time, the thickness of the light absorption layer is preferably 1.0 μm or more and 2.5 μm or less. If the light absorption layer is too thin, the incident light cannot be absorbed sufficiently. If the light absorbing layer is too thick, the efficiency is reduced. This is because the diffusing carriers are recombined in the light absorption layer and cannot be taken out as current.

また、InxGa1-xAs(0.58≦x≦1)光吸収層の代わりに格子不整合緩和したInxGa1-xAsyP1-y(0.58≦x≦1、0.8≦y<1)あるいは格子不整合緩和したInAszP1-z(0.1≦z<1)を用いることができる。これらの光吸収層の室温における格子定数は、室温でのInPの格子定数5.868Åの1.003倍(臨界格子定数差:0.3%)である5.886Åより大きく、InAsの格子定数6.058Åより小さい。 In addition, In x Ga 1-x As (0.58 ≦ x ≦ 1) light-absorbing layer, In x Ga 1-x As y P 1-y (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.8 ≦ y <) relaxed by lattice mismatch. 1) Or lattice mismatch relaxed InAs z P 1-z (0.1 ≦ z <1) can be used. The lattice constants of these light absorption layers at room temperature are larger than 5.886 mm, which is 1.003 times the critical constant of InP at room temperature (5.868 mm) (critical lattice constant difference: 0.3%), and smaller than the lattice constant of InAs, 6.058 mm.

メタモルフィック緩和層22は、それぞれ層厚50nmのn-In0.53Ga0.47As 220、n-In0.58Ga0.42As 221、n-In0.63Ga0.37As 222、n-In0.68Ga0.32As 223、n-In0.70Ga0.30As 224、n-In0.68Ga0.32As 225の6層を含んで成る。エピタキシャル層の成長には、MOVPE法あるいはMBE法などを用いる。成長温度は、MOVPE法では600℃〜700℃程度、MBE法では450℃〜650℃程度である。成長開始時に成長させる50nm厚のInP層は、図3においてInP基板21に含めて表示した。メタモルフィック緩和層22は、通常の成長温度と同程度の成長温度で成長する。同じ成長温度ではInPの機械的強度よりも、In組成が0.53より大きいInGaAsメタモルフィック緩和層の機械的強度の方が弱い(せん断応力に対する降伏点が低い)ので、ミスフィット転位がInGaAsメタモルフィック緩和層内に閉じ込められる。 The metamorphic relaxation layer 22 includes n-In 0.53 Ga 0.47 As 220, n-In 0.58 Ga 0.42 As 221, n-In 0.63 Ga 0.37 As 222, n-In 0.68 Ga 0.32 As 223, n- It comprises 6 layers of In 0.70 Ga 0.30 As 224 and n-In 0.68 Ga 0.32 As 225. For the growth of the epitaxial layer, the MOVPE method or the MBE method is used. The growth temperature is about 600 ° C. to 700 ° C. for the MOVPE method and about 450 ° C. to 650 ° C. for the MBE method. The InP layer having a thickness of 50 nm to be grown at the start of growth is included in the InP substrate 21 in FIG. The metamorphic relaxation layer 22 grows at a growth temperature similar to the normal growth temperature. At the same growth temperature, the mechanical strength of an InGaAs metamorphic relaxation layer with an In composition greater than 0.53 is weaker than the mechanical strength of InP (lower yield point for shear stress), so misfit dislocations are relaxed in InGaAs metamorphic. Confined in a layer.

本実施例においては、メタモルフィック緩和層22の各層のIn組成は0.53から0.7の範囲であり、基本的にIn組成をステップ状に0.05だけ増加させる。しかし、連続的に増加させてもよい。メタモルフィック緩和層22において、n-In0.68Ga0.32As 光吸収層24のIn組成よりやや高いIn組成を有するn-In0.70Ga0.30As 224を成長させるとメタモルフィック緩和層22に転位網を閉じ込める効果が高くなる。 In this embodiment, the In composition of each layer of the metamorphic relaxation layer 22 is in the range of 0.53 to 0.7, and basically the In composition is increased stepwise by 0.05. However, it may be increased continuously. In the metamorphic relaxation layer 22, when n-In 0.70 Ga 0.30 As 224 having an In composition slightly higher than the In composition of the n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorbing layer 24 is grown, the dislocation network is confined in the metamorphic relaxation layer 22 Increases effectiveness.

n型ドーパントにはSiあるいはSe、p型ド−パントにはBe、Znなどが用いられる。典型的なドーピング濃度は1×1017cm-3〜6×1018cm-3である。電極と接する部分のドーピング濃度を局所的に1×1019cm-3程度に高めることでコンタクト抵抗を低減できる。n-In0.68Ga0.32As 光吸収層24の格子定数は5.928Å、InPの格子定数は5.868Åである。メタモルフィック緩和層22を形成したことにより、n-In0.68Ga0.32As 光吸収層24は、InPに対する格子定数差は1.0%あるが、完全に格子不整合緩和している。 Si or Se is used for the n-type dopant, and Be, Zn or the like is used for the p-type dopant. Typical doping concentrations are 1 × 10 17 cm −3 to 6 × 10 18 cm −3 . Contact resistance can be reduced by locally increasing the doping concentration of the portion in contact with the electrode to about 1 × 10 19 cm −3 . The lattice constant of the n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 24 is 5.928Å, and the lattice constant of InP is 5.868Å. By forming the metamorphic relaxation layer 22, the n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 24 has a lattice constant difference of 1.0% relative to InP, but is completely lattice mismatch relaxed.

図4に光電変換素子200の断面構造図を示す。光電変換素子200は、ヒ−トシンク31、金属層32、P電極33、p-In0.68Ga0.32As光吸収層25、n-In0.68Ga0.32As光吸収層24、N電極34、反射防止膜35を含んで成る。InGaAs層に接する電極としては、N電極にAu0.88Ge0.12(200nm)Ni(50nm)/Au(350nm)、P電極にはAu0.8Zn0.2(200nm)Ni(50nm)/Au(350nm)を用いることができる。あるいは両電極にTi/Pt/Auを用いてもよい。 FIG. 4 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 200. The photoelectric conversion element 200 includes a heat sink 31, a metal layer 32, a P electrode 33, a p-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 25, an n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 24, an N electrode 34, and an antireflection film. Comprising 35. As the electrode in contact with the InGaAs layer, Au 0.88 Ge 0.12 (200 nm) Ni (50 nm) / Au (350 nm) is used for the N electrode, and Au 0.8 Zn 0.2 (200 nm) Ni (50 nm) / Au (350 nm) is used for the P electrode. be able to. Alternatively, Ti / Pt / Au may be used for both electrodes.

反射防止膜35は、SiO2とSi3N4あるいはSiO2とTiO2など屈折率の異なる誘電体を交互に積層した層構造を有する。反射防止膜35は、1〜2μmの波長帯の放射光を高い透過率で透過し、波長2μm以上の光をできるだけ高い反射率で反射する特性であることが望ましい。反射防止膜35の透過率特性T(λ)は、1μm≦λ1≦λかつλ≦λ2<5μmとした場合に0≦T(λ2)<0.5<T(λ1)<1の条件を満たすことが望ましい。λは、バンドギャップ波長である。 The antireflection film 35 has a layer structure in which dielectrics having different refractive indexes such as SiO 2 and Si 3 N 4 or SiO 2 and TiO 2 are alternately laminated. It is desirable that the antireflection film 35 has a characteristic of transmitting radiated light having a wavelength band of 1 to 2 μm with a high transmittance and reflecting light having a wavelength of 2 μm or more with the highest possible reflectance. The transmittance characteristic T (λ) of the antireflection film 35 is 0 ≦ T (λ 2 ) <0.5 <T (λ 1 ) <1 when 1 μm ≦ λ 1 ≦ λ g and λ g ≦ λ 2 <5 μm. It is desirable to satisfy the following conditions. λ g is a band gap wavelength.

ヒートシンク31には、窒化アルミニウム(AlN)基板、サファイア基板、セラミックス基板等の絶縁体基板を用いることができる。特に、窒化アルミニウム基板は、熱膨張係数数がエピタキシャル層に近いので、貼り合わせによって生じるにウェハの応力を低減することができる。また低温焼成セラミックス(Low temperature co-fired ceramic;LTCC)基板を用いることも可能である。   As the heat sink 31, an insulator substrate such as an aluminum nitride (AlN) substrate, a sapphire substrate, or a ceramic substrate can be used. In particular, since the aluminum nitride substrate has a thermal expansion coefficient number close to that of an epitaxial layer, it is possible to reduce the stress of the wafer caused by bonding. It is also possible to use a low temperature co-fired ceramic (LTCC) substrate.

光電変換素子200の製造方法について述べる。図5に光電変換素子200の製造方法の説明図を示す。まず成長したウェハ表面に真空蒸着法でP電極33を形成する。その後、例えば350℃、10分間、窒素中で加熱しオーミック接合を得る(図5(1))。次に、ヒートシンク31上に形成された金属層32にP電極33を280℃程度で融着接合する。融着材には例えばAuSnなどの融着材を使う。ヒートシンク31側をワックスで保護した後、ウェハを数時間エッチング液に浸し、犠牲層23を選択的にエッチングして、InP基板21を持ち去る(リフトオフ)する(図5(2))。   A method for manufacturing the photoelectric conversion element 200 will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the photoelectric conversion element 200. First, the P electrode 33 is formed on the surface of the grown wafer by vacuum deposition. Thereafter, for example, heating is performed in nitrogen at 350 ° C. for 10 minutes to obtain an ohmic junction (FIG. 5 (1)). Next, the P electrode 33 is fusion-bonded to the metal layer 32 formed on the heat sink 31 at about 280 ° C. For example, a fusion material such as AuSn is used as the fusion material. After the heat sink 31 side is protected with wax, the wafer is immersed in an etching solution for several hours, the sacrificial layer 23 is selectively etched, and the InP substrate 21 is removed (lifted off) (FIG. 5B).

n-AlAs0.44Sb0.56犠牲層23の選択エッチング溶液には、40%程度の濃度のHF(フッ化水素)を用いる。あるいはエッチング速度を上げるためにフッ酸系溶液(HF:H2O2=1:1)を水で希釈したものでもよい。希釈液には希薄な硝酸水、塩酸水、アンモニア水、リン酸などを用いることもできる。HFおよびフッ酸系溶液は優れた選択エッチングが可能である。すなわちそれらは、Sbを含む層のみをエッチングし、Sbを含まないInGaAs、InP、InAsP、InAlGaAs、InGaAsPなどの層はエッチングしない。希釈液にメチルアルコールやエチレングリコールが用いることもできる。エチレングリコールを用いた場合には、エッチング速度が遅くなるが、Sb系化合物半導体に対して鏡面性の高いエッチングができる。 As a selective etching solution for the n-AlAs 0.44 Sb 0.56 sacrificial layer 23, HF (hydrogen fluoride) having a concentration of about 40% is used. Alternatively, a hydrofluoric acid solution (HF: H 2 O 2 = 1: 1) diluted with water may be used to increase the etching rate. Diluted nitric acid water, hydrochloric acid water, ammonia water, phosphoric acid, etc. can also be used for the diluent. HF and hydrofluoric acid-based solutions can be excellently etched selectively. That is, they etch only the layer containing Sb and do not etch layers such as InGaAs, InP, InAsP, InAlGaAs, and InGaAsP that do not contain Sb. Methyl alcohol or ethylene glycol can also be used for the diluent. When ethylene glycol is used, the etching rate is slow, but etching with high specularity can be performed on the Sb-based compound semiconductor.

リフトオフに要する時間は犠牲層の厚さに依存する。ウェハ面に平行な水平方向のエッチング速度は犠牲層23の層厚が50nmの場合は8mm/h、100nm厚の場合は16mm/hである。よって、4インチサイズのInP基板の場合(直径10cm)でも3時間から6時間程度の実用的な時間でリフトオフできる。従って犠牲層23の層厚d2は、20nm≦d2≦200nmであればよく、より好ましくは70nm≦d2≦120nmである。   The time required for lift-off depends on the thickness of the sacrificial layer. The etching rate in the horizontal direction parallel to the wafer surface is 8 mm / h when the thickness of the sacrificial layer 23 is 50 nm, and 16 mm / h when the thickness is 100 nm. Therefore, even in the case of a 4-inch InP substrate (diameter 10 cm), it can be lifted off in a practical time of about 3 to 6 hours. Therefore, the layer thickness d2 of the sacrificial layer 23 may be 20 nm ≦ d2 ≦ 200 nm, and more preferably 70 nm ≦ d2 ≦ 120 nm.

犠牲層のエッチング溶液としてフッ酸を用いたが、犠牲層とエピタキシャル層の構成材料間のエッチング選択比を高くとることができる薬品であれば、如何なるエッチング溶液も用いることができる。例えば、フッ酸にアンモニア水や燐酸を混合したエッチング溶液を用いることもできる。   Although hydrofluoric acid is used as the etching solution for the sacrificial layer, any etching solution can be used as long as it is a chemical that can achieve a high etching selectivity between the constituent materials of the sacrificial layer and the epitaxial layer. For example, an etching solution in which ammonia water or phosphoric acid is mixed with hydrofluoric acid can also be used.

ウェハを薄いテフロン(登録商標)性の搬送基材に接合し、治具に取り付けた状態でフッ酸系エッチング液に浸し、回転させながらエッチングする。搬送基材に荷重をかけると、剥離する隙間にエッチャントが入りやすくなるために、リフトオフ時間を短くできる。   The wafer is bonded to a thin Teflon (registered trademark) carrier, immersed in a hydrofluoric acid-based etching solution while being attached to a jig, and etched while rotating. When a load is applied to the transport substrate, the etchant easily enters the gap to be peeled off, so that the lift-off time can be shortened.

有機洗浄でワックスを除去した後、N型光吸収層24上の一部にN電極34を形成する。ウェハを400℃で10分程度加熱してN電極34のオーミック接合を得る。その後、CVD法などでN電極34が形成されていないウェハ表面に反射防止膜35を形成する。次に、表面をレジストなどで保護し、ウエットエッチングあるいはドライエッチングを用いて、1cm角程度の大きさに素子分離を行う。エッチングはP電極33と接続した金属層32が露出するまで行う。   After removing the wax by organic cleaning, an N electrode 34 is formed on a part of the N-type light absorption layer 24. The wafer is heated at 400 ° C. for about 10 minutes to obtain an ohmic junction of the N electrode 34. Thereafter, an antireflection film 35 is formed on the wafer surface where the N electrode 34 is not formed by CVD or the like. Next, the surface is protected with a resist or the like, and element isolation is performed to a size of about 1 cm square using wet etching or dry etching. Etching is performed until the metal layer 32 connected to the P electrode 33 is exposed.

InGaAsエピタキシャル層をエッチングする場合、リン酸系のエッチング溶液(H3PO4:H2O2:H2O=3:1:500)等が用いられる。これはInPに対してInGaAsを選択的にエッチングできる。InAlAs に対してInGaAsを選択的にエッチングするにはクエン酸系のエッチング溶液(クエン酸:H2O2:H2O=50g:50cc:50cc)等を用いることができる。この場合、室温でエピ方向のInGaAsのエッチング速度は180nm/min、エピ方向のInAlAsのエッチング速度は6nm/minであり、選択比は30程度である。あるいはエキシマランプの光を照射しながらエッチングする光エッチング法ではより高い選択比が得られる。例えば、80℃、120torrの10sccmで供給されるHBr液に浸して光エッチングを行った場合、エピ方向のInGaAsのエッチング速度は6nm/min、InAlAsのエッチング速度は0.06nm/minであり、選択比は100となる。エッチングを行う際には、ウェハを溶液に浸けるだけでなく、ウェハに溶液を噴霧して供給してもよい。   When etching an InGaAs epitaxial layer, a phosphoric acid-based etching solution (H3PO4: H2O2: H2O = 3: 1: 500) or the like is used. This can selectively etch InGaAs with respect to InP. In order to selectively etch InGaAs with respect to InAlAs, a citric acid-based etching solution (citric acid: H 2 O 2: H 2 O = 50 g: 50 cc: 50 cc) or the like can be used. In this case, the etching rate of InGaAs in the epi direction at a room temperature is 180 nm / min, the etching rate of InAlAs in the epi direction is 6 nm / min, and the selection ratio is about 30. Alternatively, a higher selectivity can be obtained by a photoetching method in which etching is performed while irradiating light from an excimer lamp. For example, when photoetching is performed by immersing in an HBr solution supplied at 10 sccm at 80 ° C. and 120 torr, the etching rate of InGaAs in the epi direction is 6 nm / min, the etching rate of InAlAs is 0.06 nm / min, and the selection ratio Becomes 100. When performing etching, not only the wafer may be immersed in the solution but also the solution may be sprayed and supplied to the wafer.

リフトオフ完了後、ウエハ上のAu残留物は、エッチング(エッチング液タイプTFA、Transene社製)により除去される。InP基板を再利用するには、InP基板についているメタモルフィック緩和層を選択的に除去しなければならない。メタモルフィック緩和層がInGaAsやInAsPの場合は、リン酸系のエッチング溶液を用いる。H3PO4:HCl(1:3)、H2SO4:H2O2:H2O(1:1:10)、クエン酸:H2O2(20:1)を順に行いInGaAs残滓を除去する。メタモルフィック緩和層がAlAsSbやInPSbの場合は、フッ酸系エッチング液を用いる。エチレングリコ−ルで希釈したフッ酸系エッチング液を用いると鏡面性の高いエッチングができる。新しく露出したInP基板表面は、加熱したトリクロロエチレン、アセトン、および加熱したイソプロパノールに順次浸漬して脱脂し、UV/オゾンに10分間曝すことにより意図的に酸化物を生成させた。 After the lift-off is completed, the Au residue on the wafer is removed by etching (etching solution type TFA, manufactured by Transene). In order to reuse the InP substrate, the metamorphic relaxation layer on the InP substrate must be selectively removed. When the metamorphic relaxation layer is InGaAs or InAsP, a phosphoric acid based etching solution is used. H 3 PO 4 : HCl (1: 3), H 2 SO 4 : H 2 O 2 : H 2 O (1: 1: 10), citric acid: H 2 O 2 (20: 1) in that order, and the InGaAs residue Remove. When the metamorphic relaxation layer is AlAsSb or InPSb, a hydrofluoric acid etching solution is used. When a hydrofluoric acid-based etchant diluted with ethylene glycol is used, etching with high specularity can be performed. The newly exposed InP substrate surface was degreased by sequential immersion in heated trichlorethylene, acetone, and heated isopropanol, and an oxide was intentionally generated by exposure to UV / ozone for 10 minutes.

光電変換素子200は、上記の製造方法に限らず、リフトオフを用いる他の方法でも製造できる。   The photoelectric conversion element 200 can be manufactured not only by the above manufacturing method but also by other methods using lift-off.

図6に光電変換素子200の第2の製造方法の説明図を示す。第2の製造方法では、エピウェハの表面にP型電極33とN型電極34、反射防止膜35を形成した後、表面を保護ワックス219で覆い、搬送基板210に固定する(図6(1))。この状態でウェハの犠牲層23をエッチングして、InP基板21をリフトオフする(図6(2))。ウェハのリフトオフした面を基材212に接着剤211で接着する(図6(2))。ウェハを加熱して保護ワックス219を溶かして搬送基板210を除去した後、有機洗浄でウェハ表面の保護ワックス219を除去すると、基材210上に形成された光電変換素子が得られる。   FIG. 6 shows an explanatory diagram of the second manufacturing method of the photoelectric conversion element 200. In the second manufacturing method, the P-type electrode 33, the N-type electrode 34, and the antireflection film 35 are formed on the surface of the epi-wafer, and then the surface is covered with the protective wax 219 and fixed to the transfer substrate 210 (FIG. 6 (1)). ). In this state, the sacrificial layer 23 of the wafer is etched to lift off the InP substrate 21 (FIG. 6B). The lifted surface of the wafer is bonded to the base material 212 with the adhesive 211 (FIG. 6 (2)). After the wafer is heated to melt the protective wax 219 and the transfer substrate 210 is removed, the protective wax 219 on the wafer surface is removed by organic cleaning, whereby a photoelectric conversion element formed on the base 210 is obtained.

上述の製造方法において、リフトオフ以外の製造工程では、ウエットエッチングに限らず、反応性イオン等を用いたドライエッチングを用いても良い。   In the above manufacturing method, in the manufacturing process other than lift-off, not only wet etching but dry etching using reactive ions or the like may be used.

第1の実施例にかかる光電変換素子200の第1の特徴は、n-In0.68Ga0.32As 光吸収層24のバンドギャップが0.61eV、すなわちバンドギャップ波長が2.0μmであることである。これはエミッタ温度が1200℃以上の比較的高い場合に適している。第2の特徴は、メタモルフィック緩和層22に光吸収層と同じ材料系を用いていることである。これにより、必要な材料の種類が少なくて済む。第3の特徴は、n-AlAs0.44Sb0.56犠牲層23がn-In0.68Ga0.32As 光吸収層24と格子整合していることである。そのためn-AlAs0.44Sb0.56犠牲層23の厚さを大きくすることができるので、リフトオフ時間を短くすることができる。この結果、基板のサイズが大きい場合に作製時間を短くすることができる。第4の特徴は、InP基板21に対して比較的格子定数が近い無歪のn-In0.68Ga0.32As 光吸収層24を用いていることである。これによって高品質の光吸収層が得られる。第5の特徴は、光吸収層からInP基板21とメタモルフィック緩和層22を除去したことである。これにより、転位網でのキャリアの捕獲がないこと、及び光吸収層で生じた熱をヒートシンクに放熱しやすいことにより、光電変換効率が向上する。第6の特徴は、素子構造が単純なために、光吸収層で発生したキャリアが電極まで拡散する間にエネルギポテンシャルの障壁がないことである。これによって低抵抗な素子が得られる。 The first characteristic of the photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment is that the band gap of the n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 24 is 0.61 eV, that is, the band gap wavelength is 2.0 μm. This is suitable when the emitter temperature is relatively high at 1200 ° C. or higher. The second feature is that the same material system as the light absorption layer is used for the metamorphic relaxation layer 22. This reduces the number of necessary materials. The third feature is that the n-AlAs 0.44 Sb 0.56 sacrificial layer 23 is lattice-matched with the n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 24. Therefore, since the thickness of the n-AlAs 0.44 Sb 0.56 sacrificial layer 23 can be increased, the lift-off time can be shortened. As a result, the manufacturing time can be shortened when the size of the substrate is large. A fourth feature is that an unstrained n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer 24 having a lattice constant relatively close to that of the InP substrate 21 is used. Thereby, a high-quality light absorption layer can be obtained. The fifth feature is that the InP substrate 21 and the metamorphic relaxation layer 22 are removed from the light absorption layer. Thereby, there is no capture of carriers in the dislocation network, and heat generated in the light absorption layer is easily radiated to the heat sink, thereby improving the photoelectric conversion efficiency. The sixth feature is that since the element structure is simple, there is no energy potential barrier while carriers generated in the light absorption layer diffuse to the electrode. Thereby, a low resistance element is obtained.

以下の実施例では、第1の実施形態及び実施例1にて説明した製造方法と同様の方法により光電変換素子を作成することができる。   In the following examples, a photoelectric conversion element can be produced by a method similar to the manufacturing method described in the first embodiment and Example 1.

[実施例2]
図7に第2の実施例である光電変換素子300の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子300の成長層は、n-InP基板21、層厚400nmのInXGa1-XAs(0≦X≦0.77)メタモルフィック緩和層42、層厚100nmのp-AlAs0.38Sb0.62犠牲層43、層厚50nmのp-In0.68Ga0.27Al0.05As キャリア再結合防止層44、層厚2μmのp-In0.75Ga0.25As 光吸収層45、層厚0.6μmのn-In0.75Ga0.25As光吸収層46を含んでなる。アンドープのInXGa1-XAs(0.53≦X≦0.77)メタモルフィック緩和層42は、それぞれの層厚が50nmのIn0.53Ga0.47As 420、In0.58Ga0.42As 421、In0.63Ga0.37As 422、In0.68Ga0.32As 423、In0.72Ga0.28As 424、In0.75Ga0.25As 425、In0.77Ga0.23As 426、In0.75Ga0.25As 427を含んで成る。
[Example 2]
FIG. 7 is a cross-sectional structure diagram of the growth layer of the photoelectric conversion element 300 according to the second embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 300 is an n-InP substrate 21, an In X Ga 1-X As (0 ≦ X ≦ 0.77) metamorphic relaxation layer 42 having a layer thickness of 400 nm, and a p-AlAs 0.38 Sb 0.62 layer having a layer thickness of 100 nm. Layer 43, p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As carrier recombination prevention layer 44 with a layer thickness of 50 nm, p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45 with a layer thickness of 2 μm, n-In 0.75 Ga 0.25 with a layer thickness of 0.6 μm As light absorption layer 46 is included. The undoped In X Ga 1-X As (0.53 ≦ X ≦ 0.77) metamorphic relaxation layer 42 includes In 0.53 Ga 0.47 As 420, In 0.58 Ga 0.42 As 421, and In 0.63 Ga 0.37 As 422, each having a thickness of 50 nm. In 0.68 Ga 0.32 As 423, In 0.72 Ga 0.28 As 424, In 0.75 Ga 0.25 As 425, In 0.77 Ga 0.23 As 426, and In 0.75 Ga 0.25 As 427.

図8に、第2の実施例の光電変換素子300の断面構造図を示す。第2の実施例の光電変換素子は、ヒートシンク31、金属層 32、N電極34、n-In0.75Ga0.25As光吸収層46、p-In0.75Ga0.25As光吸収層45、p-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層44、P電極33、反射防止膜57を含んで成る。 FIG. 8 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 300 of the second embodiment. The photoelectric conversion element of the second embodiment includes a heat sink 31, a metal layer 32, an N electrode 34, an n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 46, a p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45, and a p-In 0.68. It includes a Ga 0.27 Al 0.05 As carrier recombination prevention layer 44, a P electrode 33, and an antireflection film 57.

図9に光電変換素子300のバンド構造模式図を示す。光照射時に最適な順方向バイアス電圧+V 65がかかるように素子に外部抵抗Rが接続されている。反射防止膜57を透過した放射光66は、主に表面側のp-In0.75Ga0.25As光吸収層45において、伝導帯61に電子、価電子帯62に正孔を生成する。電子と正孔は、PN接合の内部電界によって反対方向に移動し、それぞれN電極34とP電極33に吸収され、光電流Iphを生じる。光電流が外部抵抗に流れるので抵抗で消費される順方向バイアスV 65が素子にかかる。その結果PN接合部のキャリア障壁が減少するので、キャリアが障壁を乗り越える方向に拡散し、逆方向飽和電流Is(V)が流れる。結局、正孔流64による全電流はI=Iph−Is(V)となる。全電流がゼロになる電圧は開放端電圧Voc、外部抵抗ゼロ(電圧ゼロ)の時の電流は短絡電流Iscと呼ばれる。 FIG. 9 shows a schematic diagram of a band structure of the photoelectric conversion element 300. An external resistor R is connected to the element so that an optimum forward bias voltage + V 65 is applied during light irradiation. The emitted light 66 that has passed through the antireflection film 57 generates electrons in the conduction band 61 and holes in the valence band 62 mainly in the p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45 on the surface side. Electrons and holes move in opposite directions by the internal electric field of the PN junction and are absorbed by the N electrode 34 and the P electrode 33, respectively, to generate a photocurrent Iph. Since the photocurrent flows to the external resistor, a forward bias V 65 consumed by the resistor is applied to the element. As a result, the carrier barrier at the PN junction decreases, so that carriers diffuse in the direction over the barrier and reverse saturation current Is (V) flows. Eventually, the total current due to the hole flow 64 is I = Iph−Is (V). The voltage at which the total current becomes zero is called the open circuit voltage Voc, and the current when the external resistance is zero (voltage zero) is called the short-circuit current Isc.

図29に化合物半導体の伝導体と価電子帯のエネルギの格子定数依存性を示す。p-In0.75Ga0.25As 光吸収層45とp-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層44の伝導帯のエネルギ差ΔEcと価電子帯のエネルギ差ΔEvを比べると、ΔEcの方が4倍程度大きいことが分かる。ΔEcは70meV〜80meVである。正孔はΔEvが小さいので、p-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層を通過し、p電極に吸収される。一方、p-In0.75Ga0.25As光吸収層45で発生した電子は、N電極に向かって移動するが、p-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層44によって妨げられる。またキャリア再結合防止層44は薄いために、電子はキャリア再結合防止層44の表面に殆ど存在しない。そのためにキャリア再結合防止層44の表面で電子と正孔が再結合しないので、電流損失が殆ど生じない。 FIG. 29 shows the lattice constant dependence of the compound semiconductor conductor and valence band energy. Comparing the energy difference ΔEc of the conduction band between the p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45 and the p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As carrier recombination prevention layer 44 and the energy difference ΔEv of the valence band, ΔEc is more It can be seen that it is about 4 times larger. ΔEc is 70 meV to 80 meV. Since holes have small ΔEv, they pass through the p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As carrier recombination prevention layer and are absorbed by the p electrode. On the other hand, electrons generated in the p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45 move toward the N electrode, but are blocked by the p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As carrier recombination prevention layer 44. Further, since the carrier recombination prevention layer 44 is thin, almost no electrons are present on the surface of the carrier recombination prevention layer 44. For this reason, electrons and holes do not recombine on the surface of the carrier recombination prevention layer 44, so that almost no current loss occurs.

第2の実施例にかかる光電変換素子300は基本的に第1の実施例にかかる光電変換素子200と同様の特徴を有しているが、光電変換素子300の第1の特徴は、無歪のp-In0.75Ga0.25As 光吸収層45のバンドギャップが0.54eV、すなわちバンドギャップ波長が2.3μmであることである。そのため光電変換素子300によれば、光電変換素子200よりも高い出力と効率が得ることができる。第2の特徴は、p-AlAs0.38Sb0.62犠牲層43がp-In0.75Ga0.25As光吸収層45と格子整合していることである。そのためp-AlAs0.38Sb0.62犠牲層43の厚さを大きくすることができるので、リフトオフ時間を短くすることができる。第3の特徴は、p-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層44を有していることである。これによって、素子抵抗を増加させずにキャリアの表面再結合を防止できるので、光電変換効率が増加する。 The photoelectric conversion element 300 according to the second embodiment basically has the same characteristics as the photoelectric conversion element 200 according to the first embodiment, but the first characteristic of the photoelectric conversion element 300 is that there is no distortion. The p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45 has a band gap of 0.54 eV, that is, a band gap wavelength of 2.3 μm. Therefore, according to the photoelectric conversion element 300, higher output and efficiency than the photoelectric conversion element 200 can be obtained. The second feature is that the p-AlAs 0.38 Sb 0.62 sacrificial layer 43 is lattice-matched with the p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 45. Therefore, since the thickness of the p-AlAs 0.38 Sb 0.62 sacrificial layer 43 can be increased, the lift-off time can be shortened. The third feature is that the p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As carrier recombination preventing layer 44 is provided. As a result, the surface recombination of carriers can be prevented without increasing the element resistance, so that the photoelectric conversion efficiency increases.

[実施例3]
図10に第3の実施例である光電変換素子400の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子400の成長層は、InP基板71、層厚520nmのInAsXP1-X(0≦X≦0.50)メタモルフィック緩和層72、層厚100nmのn-AlAs0.38Sb0.62犠牲層73、層厚50nmのn-InAs0.47P0.53再結合防止層74、層厚2μmのn-In0.75Ga0.25As光吸収層75、層厚0.6μmのp-In0.75Ga0.25As光吸収層76を含んで成る。
[Example 3]
FIG. 10 shows a cross-sectional structure diagram of the growth layer of the photoelectric conversion element 400 according to the third embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 400 includes an InP substrate 71, an InAs X P 1-X (0 ≦ X ≦ 0.50) metamorphic relaxation layer 72 having a layer thickness of 520 nm, an n-AlAs 0.38 Sb 0.62 sacrificial layer 73 having a layer thickness of 100 nm, Includes n-InAs 0.47 P 0.53 anti-recombination layer 74 with a layer thickness of 50 nm, n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 75 with a layer thickness of 2 μm, and p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 76 with a layer thickness of 0.6 μm It consists of

InAsXP1-X(0≦X≦0.50)メタモルフィック緩和層72は、それぞれ層厚が50nmのInP 720、InAs0.05P0.95 721、InAs0.10P0.90 722、InAs0.15P0.85 723、InAs0.20P0.80 724、InAs0.25P0.85 725、InAs0.30P0.70 726、InAs0.35P0.65 727、InAs0.40P0.60 728、InAs0.45P0.55 729、InAs0.50P0.50 730、InAs0.47P0.53 731を含んで成る。InAsXP1-XはAs組成が増えると機械的強度が小さくなるので、InPにはミスフィット転位が発生しにくい。InAsXP1-X(0≦X≦0.50)メタモルフィック緩和層72の成長温度はIn0.75Ga0.25As光吸収層の成長温度より50℃程度高い温度で成長する。メタモルフィック緩和層の成長温度を高くすることで機械的強度が下がるので、転位の閉じ込め効果が高くなる。 InAs X P 1-X (0 ≤ X ≤ 0.50) metamorphic relaxation layer 72 is 50 nm thick InP 720, InAs 0.05 P 0.95 721, InAs 0.10 P 0.90 722, InAs 0.15 P 0.85 723, InAs 0.20 P 0.80 724, InAs 0.25 P 0.85 725, InAs 0.30 P 0.70 726, InAs 0.35 P 0.65 727, InAs 0.40 P 0.60 728, InAs 0.45 P 0.55 729, InAs 0.50 P 0.50 730, InAs 0.47 P 0.53 731. InAs X P 1-X decreases in mechanical strength as the As composition increases, so misfit dislocations are unlikely to occur in InP. The growth temperature of the InAs X P 1-X (0 ≦ X ≦ 0.50) metamorphic relaxation layer 72 grows at a temperature about 50 ° C. higher than the growth temperature of the In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer. Since the mechanical strength is lowered by increasing the growth temperature of the metamorphic relaxation layer, the dislocation confinement effect is enhanced.

図11に光電変換素子400の断面構造図を示す。光電変換素子400は、ヒートシンク31、金属層32、P電極83、p-In0.75Ga0.25As光吸収層76、n-In0.75Ga0.25As光吸収層75、n-InAs0.47P0.53再結合防止層74、N電極84、反射防止膜87を含んで成る。 FIG. 11 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 400. The photoelectric conversion element 400 includes a heat sink 31, a metal layer 32, a P electrode 83, a p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 76, an n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 75, and an n-InAs 0.47 P 0.53 recombination prevention. It includes a layer 74, an N electrode 84, and an antireflection film 87.

図12に光電変換素子400のバンド構造模式図を示す。光照射時に最適な順方向バイアス電圧+V 95がかかるように素子に外部抵抗Rが接続されている。反射防止膜87を透過した放射光66は、主に表面側のn-In0.75Ga0.25As 光吸収層75において、伝導帯91に電子、価電子帯92に正孔を生成する。電子と正孔は、PN接合の内部電界によって反対方向に移動し、それぞれN電極84とP電極83に吸収され、光電流Iphを生じる。光電流が外部抵抗に流れるので抵抗で消費される順方向バイアスV 65が素子にかかる。 FIG. 12 is a schematic diagram of a band structure of the photoelectric conversion element 400. An external resistor R is connected to the element so that an optimum forward bias voltage + V 95 is applied during light irradiation. The radiation 66 transmitted through the antireflection film 87 generates electrons in the conduction band 91 and holes in the valence band 92 mainly in the n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 75 on the surface side. Electrons and holes move in opposite directions by the internal electric field of the PN junction and are absorbed by the N electrode 84 and the P electrode 83, respectively, to generate a photocurrent Iph. Since the photocurrent flows to the external resistor, a forward bias V 65 consumed by the resistor is applied to the element.

図29の化合物半導体の伝導体と価電子帯のエネルギの格子定数依存性を見ると、n-In0.75Ga0.25As光吸収層75とn-InAs0.47P0.53再結合防止層74の伝導帯のエネルギ差ΔEcと価電子帯のエネルギ差ΔEvを比べると、ΔEcが殆どゼロなのに対して、ΔEvの値が大きいことが分かる。実施例のΔEvは100meV〜130meVであり、室温の熱エネルギ26meVより十分大きい。電子はΔEcが殆どゼロなので、n-InAs0.47P0.53再結合防止層74を通過し、N電極84に吸収される。一方、n-In0.75Ga0.25As光吸収層75で発生した正孔は、P電極83に向かって移動するが、同時にn-InAs0.47P0.53再結合防止層74によって表面への正孔拡散が妨げられる。またキャリア再結合防止層74は薄いために、正孔はキャリア再結合防止層74の表面に殆ど存在しない。そのためにキャリア再結合防止層74の表面で電子と正孔が再結合しないので、電流損失が殆ど生じない。 Looking at the lattice constant dependence of the energy of the compound semiconductor conductor and valence band in FIG. 29, the conduction bands of the n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 75 and the n-InAs 0.47 P 0.53 recombination prevention layer 74 are shown. Comparing the energy difference ΔEc with the energy difference ΔEv of the valence band, it can be seen that ΔEc is almost zero while ΔEv is large. The ΔEv in the example is 100 meV to 130 meV, which is sufficiently larger than the room temperature thermal energy of 26 meV. Since ΔEc is almost zero, the electron passes through the n-InAs 0.47 P 0.53 recombination preventing layer 74 and is absorbed by the N electrode 84. On the other hand, the holes generated in the n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer 75 move toward the P electrode 83, but at the same time, the n-InAs 0.47 P 0.53 recombination prevention layer 74 prevents the hole diffusion to the surface. Be disturbed. Further, since the carrier recombination prevention layer 74 is thin, almost no holes are present on the surface of the carrier recombination prevention layer 74. For this reason, electrons and holes do not recombine on the surface of the carrier recombination prevention layer 74, so that almost no current loss occurs.

第3の実施例にかかる光電変換素子400は基本的に第2の実施例にかかる光電変換素子300と同様の特徴を有している。光電変換素子400の第1の特徴は光吸収層のバンドギャップ波長が2.3μmであることである。そのため光電変換素子300と同様に高い出力と効率が得られる。第2の特徴は、InAsXP1-X(0≦X≦0.50)メタモルフィック緩和層72を有することである。InAsXP1-X(0≦X≦0.50)メタモルフィック緩和層72においては、Pの原料であるPH3の流量に対して、Asの原料であるAsH3の流量を増やしていくことで比較的容易にステップ構造を形成することができる。第3の特徴は、n-InAs0.47P0.53再結合防止層74を有していることである。これによって表面側の光吸収層がn型の場合でも、抵抗の増加なしに再結合防止層を形成できるので高い光電変換効率が得られる。 The photoelectric conversion element 400 according to the third embodiment basically has the same characteristics as the photoelectric conversion element 300 according to the second embodiment. The first feature of the photoelectric conversion element 400 is that the band gap wavelength of the light absorption layer is 2.3 μm. Therefore, high output and efficiency can be obtained as in the photoelectric conversion element 300. The second characteristic is to have a InAs X P 1-X (0 ≦ X ≦ 0.50) metamorphic relieving layer 72. InAs X P 1-X (0 ≤ X ≤ 0.50) metamorphic relaxation layer 72, comparison is made by increasing the flow rate of AsH 3 as an As raw material relative to the flow rate of PH 3 as a P raw material A step structure can be formed easily. The third feature is that the n-InAs 0.47 P 0.53 recombination preventing layer 74 is provided. As a result, even when the light absorption layer on the surface side is n-type, the recombination prevention layer can be formed without increasing the resistance, so that high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

[実施例4]
図13に第4の実施例である光電変換素子500の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子500の成長層はp-InP基板100、層厚350nmのp-AlAs1-XSbX(0.44≦X≦0.69)メタモルフィック緩和層102、層厚100nmのp-AlAs0.33Sb0.67犠牲層103、層厚50nmのp-In0.81Ga0.15Al0.04Asキャリア再結合防止層104、層厚2μmの無歪のp-In0.81Ga0.19As 光吸収層105、層厚0.7μmのn-In0.81Ga0.19As光吸収層106、層厚100nmのn-InAs0.6P0.4エッチング停止層107、層厚2μmのn-In0.81Ga0.19As導電層108を含んで成る。メタモルフィック緩和層102のpドーピング濃度は5×1018cm-3である。
[Example 4]
FIG. 13 shows a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 500 according to the fourth embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 500 is a p-InP substrate 100, p-AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ X ≦ 0.69) metamorphic relaxation layer 102 with a thickness of 350 nm, p-AlAs 0.33 Sb 0.67 with a thickness of 100 nm Layer 103, p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 104 with a layer thickness of 50 nm, unstrained p-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer 105 with a layer thickness of 2 μm, n-In with a layer thickness of 0.7 μm A 0.81 Ga 0.19 As light absorbing layer 106, an n-InAs 0.6 P 0.4 etching stop layer 107 having a layer thickness of 100 nm, and an n-In 0.81 Ga 0.19 As conductive layer 108 having a layer thickness of 2 μm are included. The p doping concentration of the metamorphic relaxation layer 102 is 5 × 10 18 cm −3 .

メタモルフィック緩和層102は、それぞれの層厚が50nmのp-AlAs0.56Sb0.44 1020、p-AlAs0.51Sb0.49 1021、p-AlAs0.46Sb0.54 1022、p-AlAs0.41Sb0.59 1023、p-AlAs0.36Sb0.64 1024、p-AlAs0.31Sb0.69 1025、p-AlAs0.33Sb0.67 1026を含んで成る。無歪p-In0.81Ga0.19As 光吸収層105のInPに対する格子不整合度は1.9%である。p-AlAs0.33Sb0.67犠牲層103と p-In0.81Ga0.15Al0.04Asキャリア再結合防止層104は無歪p-In0.81Ga0.19As 光吸収層105と格子整合している。 The metamorphic relaxation layer 102 is composed of p-AlAs 0.56 Sb 0.44 1020, p-AlAs 0.51 Sb 0.49 1021, p-AlAs 0.46 Sb 0.54 1022, p-AlAs 0.41 Sb 0.59 1023, p-AlAs 0.36 each having a thickness of 50 nm. Sb 0.64 1024, p-AlAs 0.31 Sb 0.69 1025, p-AlAs 0.33 Sb 0.67 1026. The degree of lattice mismatch with respect to InP of the unstrained p-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer 105 is 1.9%. The p-AlAs 0.33 Sb 0.67 sacrificial layer 103 and the p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 104 are lattice-matched with the unstrained p-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer 105.

図14に光電変換素子500の断面構造図を示す。光電変換素子500は、ヒ−トシンク111、絶縁層112、n-In0.81Ga0.19As導電層108、n-InAs0.6P0.4エッチング停止層107、n-In0.81Ga0.19As光吸収層106、p-In0.81Ga0.19As光吸収層105、p-In0.81Ga0.15Al0.04Asキャリア再結合防止層104、N電極113、P電極114、反射防止膜117を含んで成る。反射防止膜117は波長1〜2.7μmの光を透過し、波長2.7μm以上の光をできるだけ反射するように設計する。 FIG. 14 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 500. The photoelectric conversion element 500 includes a heat sink 111, an insulating layer 112, an n-In 0.81 Ga 0.19 As conductive layer 108, an n-InAs 0.6 P 0.4 etching stop layer 107, an n-In 0.81 Ga 0.19 As light absorbing layer 106, p. -In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer 105, p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 104, N electrode 113, P electrode 114, and antireflection film 117. The antireflection film 117 is designed to transmit light having a wavelength of 1 to 2.7 μm and reflect light having a wavelength of 2.7 μm or more as much as possible.

第4の実施例にかかる光電変換素子500の第1の特徴は、光吸収層のバンドギャップ波長が2.7μmであることである。そのため800℃〜1400℃の広い温度範囲で最高の発電出力と発電効率が得られる。第2の特徴は、成長層が層厚350nm のp-AlAs1-XSbX(0.44≦X≦0.69)メタモルフィック緩和層102を有していることである。p-AlAs1-XSbX層はInPバッファー層より高い温度で成長させる。成長温度が上がるとp-AlAs1-XSbX層が柔らかくなり、転位網をp-AlAs1-XSbX層に閉じ込める効果が高くなる。さらにメタモルフィック緩和層102に高濃度のp型ドーピングを行うと、p-AlAs1-XSbX層の機械的強度が下がる。その結果、メタモルフィック緩和層102上に成長した結晶の品質が高まる効果がある。またAlAs1-XSbXメタモルフィック緩和層102はp-AlAs0.33Sb0.67犠牲層103と同様に、リフトオフ時にエッチングされるので、リフトオフ時間が短縮される。第3の特徴は、p-In0.81Ga0.15Al0.04Asキャリア再結合防止層104があるため、抵抗を増加させずに光電変換効率をあげることができる。第4の特徴は、n-InAs0.6P0.4エッチング停止層107があることである。これによって、エッチング停止層が電子流の障壁にならずに、安価なウエットエッチングを用いて、片側の表面にP電極とN電極を有する光電変換素子を作製することができる。 The first feature of the photoelectric conversion element 500 according to the fourth embodiment is that the band gap wavelength of the light absorption layer is 2.7 μm. Therefore, the highest power generation output and power generation efficiency can be obtained over a wide temperature range of 800 ° C to 1400 ° C. The second feature is that the growth layer has a p-AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ X ≦ 0.69) metamorphic relaxation layer 102 having a layer thickness of 350 nm. The p-AlAs 1-X Sb X layer is grown at a higher temperature than the InP buffer layer. As the growth temperature rises, the p-AlAs 1-X Sb X layer becomes softer, and the effect of confining the dislocation network in the p-AlAs 1-X Sb X layer increases. Further, if the metamorphic relaxation layer 102 is doped with a high concentration of p-type, the mechanical strength of the p-AlAs 1-X Sb X layer decreases. As a result, there is an effect that the quality of the crystal grown on the metamorphic relaxation layer 102 is improved. Further, since the AlAs 1-X Sb X metamorphic relaxation layer 102 is etched at the time of lift-off similarly to the p-AlAs 0.33 Sb 0.67 sacrificial layer 103, the lift-off time is shortened. The third feature is that since the p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 104 is provided, the photoelectric conversion efficiency can be increased without increasing the resistance. A fourth feature is that there is an n-InAs 0.6 P 0.4 etching stop layer 107. As a result, a photoelectric conversion element having a P electrode and an N electrode on the surface of one side can be manufactured using inexpensive wet etching without the etching stop layer being a barrier for electron flow.

[実施例5]
図15に第5の実施例である光電変換素子600の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子600の成長層は、n-InP基板121、層厚280nmのn-AlAs1-XSbX(0.44≦X≦0.69)メタモルフィック緩和層122、層厚80nmのn-AlAs0.33Sb0.67犠牲層123、層厚50nmのn-InAs0.6P0.4キャリア再結合防止層124、層厚2μmのn-In0.81Ga0.19As 光吸収層125、層厚0.7μmのp-In0.81Ga0.19As光吸収層126、層厚100nmのp-In0.81Ga0.15Al0.04Asエッチング停止層127、層厚1.5μmのp-In0.81Ga0.19As導電層128を含んで成る。メタモルフィック緩和層122のnドーピング濃度は5×1018cm-3である。n-AlAs1-XSbX(0.44≦X≦0.69)メタモルフィック緩和層122は、それぞれの層厚が40nmのn-AlAs0.56Sb0.44 1220、n-AlAs0.51Sb0.49 1221、n-AlAs0.46Sb0.54 1222、n-AlAs0.41Sb0.59 1223、n-AlAs0.36Sb0.64 1224、n-AlAs0.31Sb0.69 1225、n-AlAs0.33Sb0.67 1226を含んで成る。
[Example 5]
FIG. 15 shows a cross-sectional structure diagram of a growth layer of a photoelectric conversion element 600 according to the fifth embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 600 is an n-InP substrate 121, an n-AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ X ≦ 0.69) metamorphic relaxation layer 122 having a layer thickness of 280 nm, and an n-AlAs 0.33 Sb 0.67 having a layer thickness of 80 nm. Sacrificial layer 123, n-InAs 0.6 P 0.4 carrier recombination prevention layer 124 with a layer thickness of 50 nm, n-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer 125 with a layer thickness of 2 μm, p-In 0.81 Ga 0.19 As light with a layer thickness of 0.7 μm It includes an absorption layer 126, a p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As etching stop layer 127 with a layer thickness of 100 nm, and a p-In 0.81 Ga 0.19 As conductive layer 128 with a layer thickness of 1.5 μm. The n doping concentration of the metamorphic relaxation layer 122 is 5 × 10 18 cm −3 . n-AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ X ≦ 0.69) metamorphic relaxation layer 122 is n-AlAs 0.56 Sb 0.44 1220, n-AlAs 0.51 Sb 0.49 1221, n-AlAs 0.46 Sb 0.54 1222, n-AlAs 0.41 Sb 0.59 1223, n-AlAs 0.36 Sb 0.64 1224, n-AlAs 0.31 Sb 0.69 1225, n-AlAs 0.33 Sb 0.67 1226.

図16に光電変換素子600の断面構造図を示す。光電変換素子600は、ヒ−トシンク111、絶縁層112、p-In0.81Ga0.19As導電層128、p-In0.81Ga0.15Al0.04Asエッチング停止層127、n-In0.81Ga0.19As光吸収126、p-In0.81Ga0.19As光吸収125、p-In0.81Ga0.15Al0.04Asキャリア再結合防止層124、N電極135、P電極138、反射防止膜137を含んで成る。 FIG. 16 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 600. The photoelectric conversion element 600 includes a heat sink 111, an insulating layer 112, a p-In 0.81 Ga 0.19 As conductive layer 128, a p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As etching stop layer 127, and an n-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption 126. P-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption 125, p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 124, N electrode 135, P electrode 138, and antireflection film 137.

第5の実施例にかかる光電変換素子600は、第4の実施例にかかる光電変換素子500と同様光吸収層のバンドギャップ波長が2.7μmの表面PN電極型の光電変換素子である。入射光が入る表面側の光吸収層が、光電変換素子500ではP型であるのに対し、光電変換素子600ではN型である。光電変換素子600の特徴は、キャリア再結合防止層にp-In0.81Ga0.15Al0.04As、エッチング停止層には正孔の障壁にならないp-In0.81Ga0.15Al0.04Asを用いていることである。これらの層は緩和したn-In0.81Ga0.19As光吸収126に格子整合している。そのため、これらの層厚を変えても結晶品質が保たれる。その他、光電変換素子600によれば、光電変換素子500と同様の優れた効果が得られる。 A photoelectric conversion element 600 according to the fifth example is a surface PN electrode type photoelectric conversion element having a band gap wavelength of a light absorption layer of 2.7 μm, similar to the photoelectric conversion element 500 according to the fourth example. The light-absorbing layer on the surface side where incident light enters is P-type in the photoelectric conversion element 500, but N-type in the photoelectric conversion element 600. Wherein the photoelectric conversion element 600, by p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As the carrier recombination preventing layer, the etch stop layer is used p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As which is not the hole of the barrier is there. These layers are lattice matched to relaxed n-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption 126. Therefore, the crystal quality is maintained even when these layer thicknesses are changed. In addition, according to the photoelectric conversion element 600, excellent effects similar to those of the photoelectric conversion element 500 can be obtained.

[実施例6]
図17に第6の実施例である光電変換素子700の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子700の成長層は、Fe-InP基板141、層厚400nmのInP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層142、層厚100nmのp-InP0.74Sb0.26 犠牲層143、層厚50nmのp-In0.92Ga0.04Al0.04Asキャリア再結合防止層144、層厚2μmのp-In0.92Ga0.08As光吸収層145、層厚0.6μmのn-In0.92Ga0.08As光吸収層146を含んで成る。
[Example 6]
FIG. 17 is a sectional structural view of a growth layer of a photoelectric conversion element 700 according to the sixth embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 700 includes an Fe-InP substrate 141, a 400 nm thick InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) metamorphic relaxation layer 142, a 100 nm thick p-InP 0.74 Sb 0.26 sacrificial layer 143, p-in 0.92 Ga 0.04 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 144 having a thickness of 50nm, p-in 0.92 Ga 0.08 As light-absorbing layer 145 having a thickness of 2 [mu] m, the layer thickness 0.6μm n-in 0.92 Ga 0.08 As A light absorbing layer 146 is included.

InP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層142は、それぞれ層厚が50nmのInP 1420、InP0.95Sb0.05 1421、InP0.90Sb0.10 1422、InP0.85Sb0.15 1423、InP0.80Sb0.20 1424、InP0.75Sb0.25 1425、InP0.72Sb0.28 1426、InP0.74Sb0.26 1427を含んで成る。メタモルフィック緩和層142は、成長時に供給するPH3に対し、Sbの原料であるSbH3あるいはTMSb(トリメチルアンチモン)の供給流量をステップ状に徐々に増加させることにより形成することができる。メタモルフィック緩和層142にp型ド-ピングしてもよい。 InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) Metamorphic relaxation layer 142 has InP 1420, InP 0.95 Sb 0.05 1421, InP 0.90 Sb 0.10 1422, InP 0.85 Sb 0.15 1423, InP 0.80 Sb 0.20 1424, InP 0.75 Sb 0.25 1425, InP 0.72 Sb 0.28 1426, InP 0.74 Sb 0.26 1427. The metamorphic relaxation layer 142 can be formed by gradually increasing the supply flow rate of SbH 3 or TMSb (trimethylantimony), which is a raw material of Sb, stepwise with respect to PH 3 supplied during growth. The metamorphic relaxation layer 142 may be p-type doped.

図18に光電変換素子700の断面構造図を示す。光電変換素子700は、厚さ50μmから100μmの高分子フィルム151、厚さ50μmの金属フィルム152、合金層153、N電極154、P電極155、n-In0.92Ga0.08As光吸収層146、p-In0.92Ga0.08As光吸収層145、p-In0.92Ga0.04Al0.04Asキャリア再結合防止層144、反射防止膜157を含んで成る。 FIG. 18 is a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 700. The photoelectric conversion element 700 includes a polymer film 151 having a thickness of 50 μm to 100 μm, a metal film 152 having a thickness of 50 μm, an alloy layer 153, an N electrode 154, a P electrode 155, an n-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 146, p -In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 145, p-In 0.92 Ga 0.04 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer 144, and antireflection film 157.

反射防止膜157は1〜3μmの光を透過させ、3μm以上の光をできるだけ反射するように設計されている。高分子フィルム151は金属フィルム152で圧着(ラミネート)されている。金属フィルム152には、アルミニウム、銅、ステンレスなどの材料を用いることができる。高分子フィルム151には、耐熱性の高い高分子材料であるポリアミドやポリイミド、ポリエ−テルサルフォン、ポリエステル、アクリルブタジエンスチレンなどが適用できる。あるいは透明性の高い高分子材料であるポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレートも適用できる。ラミネートフィルム基材は柔軟であるため、例えば、円筒上の内壁を有するアルミ製ヒートシンクの内壁に張り付けることができる。エミッタを円筒の中央部に設置することで、放射状に放射される放射光を漏らすことなく円筒上の内壁に張り付けられた光電変換素子に照射させることができる。   The antireflection film 157 is designed to transmit light of 1 to 3 μm and reflect light of 3 μm or more as much as possible. The polymer film 151 is pressure-bonded (laminated) with a metal film 152. For the metal film 152, materials such as aluminum, copper, and stainless steel can be used. For the polymer film 151, polyamide, polyimide, polyethersulfone, polyester, acrylic butadiene styrene, or the like, which is a high heat resistant polymer material, can be applied. Alternatively, polycarbonate, polymethyl methacrylate, polyethylene naphthalate, and polyethylene terephthalate, which are highly transparent polymer materials, can also be applied. Since the laminate film substrate is flexible, it can be attached to the inner wall of an aluminum heat sink having an inner wall on a cylinder, for example. By installing the emitter in the center of the cylinder, the photoelectric conversion element attached to the inner wall on the cylinder can be irradiated without leaking the radiation light radiated radially.

第6の実施例にかかる光電変換素子700の第1の特徴は、バンドギャップ波長が3.0μmの光吸収層を用いていることである。これによってエミッタ温度が800℃〜1000℃と比較的低い場合において、光電変換素子の最大の出力と効率が実現できる。第2の特徴は、InP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層142を用いていることである。これによって高品質なn-In0.92Ga0.08As光吸収層146が得られる。またメタモルフィック緩和層142はp-InP0.74Sb0.26犠牲層143と共にリフトオフ時にエッチングされるので、リフトオフ時間が短縮される。第3の特徴は、ラミネ−トフィルム基材を用いていることである。これによって光電変換素子を、エミッタを取り巻くように曲面状に配置できるため、効率よく放射光を受光できる。またフィルム基材は軽いので、発電装置を軽量化する。 The first feature of the photoelectric conversion element 700 according to the sixth embodiment is that a light absorption layer having a band gap wavelength of 3.0 μm is used. Thus, when the emitter temperature is relatively low, 800 ° C. to 1000 ° C., the maximum output and efficiency of the photoelectric conversion element can be realized. The second feature is that the InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) metamorphic relaxation layer 142 is used. As a result, a high-quality n-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 146 is obtained. Further, since the metamorphic relaxation layer 142 is etched together with the p-InP 0.74 Sb 0.26 sacrificial layer 143 at the time of lift-off, the lift-off time is shortened. The third feature is that a laminated film substrate is used. As a result, the photoelectric conversion element can be arranged in a curved shape so as to surround the emitter, so that the radiated light can be received efficiently. Moreover, since the film base is light, the power generation device is reduced in weight.

第2の特徴について詳しく述べる。InGaAsのIn組成が大きい場合には、メタモルフィック緩和層にInP1-XSbXを用いた方が、AlAs1-XSbXを用いるより、高品質なn-In0.92Ga0.08As光吸収層146が得られる。 The second feature will be described in detail. When the In composition of InGaAs is large, it is better to use InP 1-X Sb X for the metamorphic relaxation layer than to use AlAs 1-X Sb X for higher quality n-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 146 is obtained.

図30に化合物半導体の標準生成エンタルピーと融点を示す。標準生成エンタルピーと融点はほぼ比例関係にある。これは結晶が固くなると、標準生成エンタルピーと融点が大きくなるためである。図30から分かるように、本発明で用いるInGaAsの融点は950℃〜1100℃、InPSbの融点は850℃〜1000℃、AlAsSbの融点は1250℃〜1350℃である。つまり融点は、AlAsSb、InGaAs、InPSbの順番で低くなる。転位は結晶強度の小さい層で発生するので、結晶強度の小さいInPSbは転位網を閉じ込める効果が高い。   FIG. 30 shows the standard generation enthalpy and melting point of a compound semiconductor. The standard enthalpy of formation and the melting point are approximately proportional. This is because the standard formation enthalpy and melting point increase as the crystal becomes harder. As can be seen from FIG. 30, the melting point of InGaAs used in the present invention is 950 ° C. to 1100 ° C., the melting point of InPSb is 850 ° C. to 1000 ° C., and the melting point of AlAsSb is 1250 ° C. to 1350 ° C. That is, the melting point decreases in the order of AlAsSb, InGaAs, and InPSb. Since dislocation occurs in a layer with low crystal strength, InPSb with low crystal strength has a high effect of confining the dislocation network.

図31に化合物半導体の臨界せん断応力の逆温度依存性を示す。臨界せん断応力は材料の機械的強度を表す。温度が高くなる程、臨界せん断応力が低下する。成長時にはエピ層は同じ温度になるので、同じ温度で臨界せん断応力を比較する。本発明のメタモルフィック緩和層に用いるInPSbあるいはInPAsは、本発明で用いるIn組成が0.58より大きいIn+GaAsと同程度の機械的強度を有する。一方 AlAsSbはIn+GaAsより機械的強度が大きい。そのため、InPSbあるいはInPAsは、AlAsSbより機械的強度が小さいので、転位網をInP1-XSbX内あるいはInP1-XAsX内に閉じ込める効果が大きい。関連技術におけるGaAs基板上のIn-GaAs成長では、顕著な問題にならなかったが、本発明のInP基板上のIn+GaAs成長では、高品質の光吸収層を得るために、メタモルフィック層にInPSbあるいはInPAsを用いることが必要である。 FIG. 31 shows the inverse temperature dependence of the critical shear stress of a compound semiconductor. Critical shear stress represents the mechanical strength of a material. The higher the temperature, the lower the critical shear stress. Since the epilayer is at the same temperature during growth, the critical shear stress is compared at the same temperature. InPSb or InPAs used in the metamorphic relaxation layer of the present invention has the same mechanical strength as In + GaAs having an In composition greater than 0.58 used in the present invention. On the other hand, AlAsSb has higher mechanical strength than In + GaAs. Therefore, since InPSb or InPAs has a lower mechanical strength than AlAsSb, the effect of confining the dislocation network in InP 1-X Sb X or InP 1-X As X is great. In - GaAs growth on a GaAs substrate in the related technology did not become a significant problem, but in In + GaAs growth on the InP substrate of the present invention, in order to obtain a high-quality light absorption layer, a metamorphic layer was used. It is necessary to use InPSb or InPAs.

[実施例7]
図19に第7の実施例である光電変換素子800の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子800の成長層は、Fe-InP基板161、層厚400nmのInP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層162、層厚100nmのn-InP0.74Sb0.26 犠牲層163、層厚50nmのn-InAs0.83P0.17キャリア再結合防止層164、層厚2μmの緩和したn-In0.92Ga0.08As 光吸収層165、層厚0.6μmのp-In0.92Ga0.08As光吸収層166を含んで成る。InP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層162は、それぞれ層厚が50nmのInP 1620、InP0.95Sb0.05 1621、InP0.90Sb0.10 1622、InP0.85Sb0.15 1623、InP0.80Sb0.20 1624、InP0.75Sb0.25 1625、InP0.72Sb0.28 1626、InP0.74Sb0.26 1627を含んで成る。メタモルフィック緩和層162にn型ド-ピングを施してもよい。
[Example 7]
FIG. 19 is a cross-sectional structure diagram of the growth layer of the photoelectric conversion element 800 according to the seventh embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 800 includes an Fe-InP substrate 161, a 400 nm thick InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) metamorphic relaxation layer 162, and a 100 nm thick n-InP 0.74 Sb 0.26 sacrificial layer. 163, n-InAs 0.83 P 0.17 carrier recombination prevention layer 164 with a layer thickness of 50 nm, relaxed n-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 165 with a layer thickness of 2 μm, p-In 0.92 Ga 0.08 As light with a layer thickness of 0.6 μm An absorbent layer 166 is included. InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) Metamorphic relaxation layer 162 has InP 1620, InP 0.95 Sb 0.05 1621, InP 0.90 Sb 0.10 1622, InP 0.85 Sb 0.15 1623, InP 0.80 Sb, each having a thickness of 50 nm. 0.20 1624, InP 0.75 Sb 0.25 1625, InP 0.72 Sb 0.28 1626, InP 0.74 Sb 0.26 1627. The metamorphic relaxation layer 162 may be subjected to n-type doping.

図20に光電変換素子800の断面構造図を示す。光電変換素子800は、厚さ50μmから100μmの高分子フィルム151、厚さ50μmの金属フィルム152、合金層153、N電極174、P電極175、p-In0.92Ga0.08As光吸収層166、n-In0.92Ga0.08As 光吸収層165、n-InAs0.83P0.17キャリア再結合防止層164、反射防止膜177、から成る。反射防止膜177は波長1〜3μmの光を透過し、波長3μm以上の光をできるだけ反射するように設計されている。 FIG. 20 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 800. The photoelectric conversion element 800 includes a polymer film 151 having a thickness of 50 μm to 100 μm, a metal film 152 having a thickness of 50 μm, an alloy layer 153, an N electrode 174, a P electrode 175, a p-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 166, n -In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer 165, n-InAs 0.83 P 0.17 carrier recombination prevention layer 164, and antireflection film 177. The antireflection film 177 is designed to transmit light having a wavelength of 1 to 3 μm and reflect light having a wavelength of 3 μm or more as much as possible.

第7の実施例にかかる光電変換素子800は、第6の実施例にかかる光電変換素子700と同様光吸収層のバンドギャップ波長が3.0μmである。光電変換素子700では放射面側の光吸収層がP型であるのに対して、光電変換素子800では放射面側の光吸収層がN型である。また、光電変換素子700ではキャリア再結合防止層がp-In0.92Ga0.04Al0.04Asであるのに対して、光電変換素子800ではキャリア再結合防止層がn-InAs0.83P0.17である点が異なる。 In the photoelectric conversion element 800 according to the seventh example, the band gap wavelength of the light absorption layer is 3.0 μm, like the photoelectric conversion element 700 according to the sixth example. In the photoelectric conversion element 700, the light absorption layer on the emission surface side is P-type, whereas in the photoelectric conversion element 800, the light absorption layer on the emission surface side is N-type. Further, in the photoelectric conversion element 700, the carrier recombination prevention layer is p-In 0.92 Ga 0.04 Al 0.04 As, whereas in the photoelectric conversion element 800, the carrier recombination prevention layer is n-InAs 0.83 P 0.17. Different.

[実施例8]
図21に第8の実施例である光電変換素子900の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子900の成長層は、InP基板181、層厚450nmのInP1-XSbX(0≦X≦0.35)メタモルフィック緩和層182、層厚100nmのn-InP0.68Sb0.32犠牲層183、層厚10nmのn-InAs0.90P0.10歪キャリア再結合防止層184、層厚2μmのn-InAs 光吸収層185、層厚0.5μmのp-InAs光吸収層186を含んで成る。InP1-XSbX(0≦X≦0.35)メタモルフィック緩和層182は、それぞれの層厚が50nmのInP 1820、InP0.95Sb0.05 1821、InP0.90Sb0.10 1822、InP0.85Sb0.15 1823、InP0.80Sb0.20 1824、InP0.75Sb0.25 1825、InP0.70Sb0.301826、InP0.65Sb0.35 1827、InP0.68Sb0.32 1828を含んでなる。高品質のInAs光吸収層を実現するにはInP1-XSbX(0≦X≦0.35)メタモルフィック緩和層182を用いることが好ましい。メタモルフィック緩和層182にnド-ピングを施してもよい。
[Example 8]
FIG. 21 is a cross-sectional structure diagram of the growth layer of the photoelectric conversion element 900 according to the eighth embodiment. The growth layer of the photoelectric conversion element 900 includes an InP substrate 181, an InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.35) metamorphic relaxation layer 182 having a layer thickness of 450 nm, an n-InP 0.68 Sb 0.32 sacrificial layer 183 having a layer thickness of 100 nm, It includes an n-InAs 0.90 P 0.10 strain carrier recombination preventing layer 184 having a layer thickness of 10 nm, an n-InAs light absorption layer 185 having a layer thickness of 2 μm, and a p-InAs light absorption layer 186 having a layer thickness of 0.5 μm. InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.35) metamorphic relaxation layer 182 is 50 nm thick InP 1820, InP 0.95 Sb 0.05 1821, InP 0.90 Sb 0.10 1822, InP 0.85 Sb 0.15 1823, InP 0.80 Sb 0.20 1824, InP 0.75 Sb 0.25 1825, InP 0.70 Sb 0.30 1826, InP 0.65 Sb 0.35 1827, InP 0.68 Sb 0.32 1828. In order to realize a high-quality InAs light absorption layer, it is preferable to use the InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.35) metamorphic relaxation layer 182. The metamorphic relaxation layer 182 may be n-doped.

図22に光電変換素子900の断面構造図を示す。光電変換素子900、厚さ50μmから100μmの高分子フィルム151、厚さ50μmの金属フィルム152、合金層153、P電極194、N電極195、p-InAs光吸収層186、n-InAs光吸収層185、n-InAs0.90P0.10歪キャリア再結合防止層184、反射防止膜197を含んで成る。反射防止膜197は、波長1.4〜3.4μmの光を透過し、波長3.4μm以上の光をできるだけ反射するように設計されている。 FIG. 22 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 900. Photoelectric conversion element 900, polymer film 151 having a thickness of 50 μm to 100 μm, metal film 152 having a thickness of 50 μm, alloy layer 153, P electrode 194, N electrode 195, p-InAs light absorption layer 186, n-InAs light absorption layer 185, an n-InAs 0.90 P 0.10 strain carrier recombination preventing layer 184, and an antireflection film 197. The antireflection film 197 is designed to transmit light having a wavelength of 1.4 to 3.4 μm and reflect light having a wavelength of 3.4 μm or more as much as possible.

第8の実施例にかかる光電変換素子900はInAs光吸収層のバンドギャップ波長が3.4μmである。これにより、エミッタ温度が800℃程度と低い温度に対して、高い出力と効率を得ることができる薄膜の光電変換素子を実現することができる。   In the photoelectric conversion element 900 according to the eighth embodiment, the band gap wavelength of the InAs light absorption layer is 3.4 μm. Thereby, it is possible to realize a thin film photoelectric conversion element capable of obtaining a high output and efficiency with respect to a low emitter temperature of about 800 ° C.

[実施例9]
図23に本発明の第9の実施例である光電変換素子1000の成長層の断面構造図を示す。光電変換素子1000の成長層は、InP基板220、InP1-XSbX(0≦X≦0.30)メタモルフィック緩和層221、n-InP0.75Sb0.25犠牲層223、n-InAs0.90P0.10光吸収層224、p-InGaAsP光吸収層225を含んで成る。InP1-XSbX(0≦X≦0.30)メタモルフィック緩和層221は、9層を含み、それぞれの層厚が50nmである。メタモルフィック緩和層221内においては、Sb組成が0.05ステップで0.30まで増加し、最後に0.25に戻る。n-InP0.75Sb0.25犠牲層223、n-InAs0.90P0.10光吸収層224、p-InGaAsP光吸収層225はお互いに格子整合している。n-InAs0.90P0.10光吸収層224の室温のバンドギャップ波長は2.2μmである。
[Example 9]
FIG. 23 is a cross-sectional structure diagram of the growth layer of the photoelectric conversion element 1000 according to the ninth embodiment of the present invention. The growth layer of the photoelectric conversion element 1000 includes an InP substrate 220, an InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.30) metamorphic relaxation layer 221, an n-InP 0.75 Sb 0.25 sacrificial layer 223, and an n-InAs 0.90 P 0.10 light absorption. The layer 224 includes a p-InGaAsP light absorption layer 225. The InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.30) metamorphic relaxation layer 221 includes nine layers, each having a thickness of 50 nm. In the metamorphic relaxation layer 221, the Sb composition increases to 0.30 in 0.05 steps and finally returns to 0.25. The n-InP 0.75 Sb 0.25 sacrificial layer 223, the n-InAs 0.90 P 0.10 light absorption layer 224, and the p-InGaAsP light absorption layer 225 are lattice-matched to each other. The room temperature band gap wavelength of the n-InAs 0.90 P 0.10 light absorption layer 224 is 2.2 μm.

図24に光電変換素子1000の断面構造図を示す。光電変換素子1000は、高分子フィルム151、金属フィルム152、合金層153、P電極194、p-InGaAsP光吸収層225、n-InAs0.90P0.10光吸収層224、N電極195、反射防止膜227を含んで成る。反射防止膜227は波長1μm〜2.2μmの光を透過し、波長2.2μm以上の光をできるだけ反射するように設計されている。 FIG. 24 shows a cross-sectional structure diagram of the photoelectric conversion element 1000. The photoelectric conversion element 1000 includes a polymer film 151, a metal film 152, an alloy layer 153, a P electrode 194, a p-InGaAsP light absorption layer 225, an n-InAs 0.90 P 0.10 light absorption layer 224, an N electrode 195, and an antireflection film 227. Comprising. The antireflection film 227 is designed to transmit light having a wavelength of 1 μm to 2.2 μm and reflect light having a wavelength of 2.2 μm or more as much as possible.

第9の実施例にかかる光電変換素子1000の第1の特徴は、主要な光吸収層のバンドギャップ波長が2.2μmであることである。この吸収波長は広範囲のエミッタ温度で高い出力と効率を実現する。第2の特徴は、光吸収層にInxGa1-xAsyP1-y(0.58≦x≦1、0.8≦y<1)混晶あるいはInAszP1-z(0.1≦z≦1)混晶を用いていることである。すなわち、光電変換素子の光吸収層にはInGaAs以外にもSbを含まない化合物半導体材料を用いることができる。
[発明の効果]
第1の実施形態及び実施例1乃至9と同様の方法により作成した光電変換素子2000による実験結果を用いて、本発明の効果について説明する。光電変換素子2000では、光吸収層としてIn0.80Ga0.20As光吸収層を用いた。また、比較のため特許文献3に記載の光電変換素子3000を作製した。図32に光電変換素子3000の構造とその製造方法を示す。まず、エピタキシャル成長技術によって、InP基板1上に基板と格子整合するAlAs0.56Sb0.44犠牲層2を形成する。次いで、上記犠牲層2上に、n型InP層3、n型In0.53Ga0.47As層4、p型In0.53Ga0.47As層5を順に積層する。その後、図示はしないが、各層を加工してフォトダイオ−ド(PD)を形成する。次いで、PDを被覆する絶縁膜を形成した後、PDの各素子に接続する電極を形成する。一方、PDの電極に対応した電極を形成した支持基板を用意する。そして、PDの電極と支持基板に形成された電極同士とが接合するように支持基板を上記基板側に接着もしくは接合する。その後、犠牲層2をエッチングにより除去し、基板1をn型InP層3より剥離する。特許文献3においてはInPに格子整合したInGaAs系PD素子を形成し、ELO法でPD素子薄膜を形成する。得られたPD素子は、太陽電池と異なり、逆バイアスをかけた状態で受光する。
The first feature of the photoelectric conversion element 1000 according to the ninth embodiment is that the band gap wavelength of the main light absorption layer is 2.2 μm. This absorption wavelength provides high power and efficiency over a wide range of emitter temperatures. The second feature is that In x Ga 1-x As y P 1-y (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.8 ≦ y <1) mixed crystal or InAs z P 1-z (0.1 ≦ z ≦ 1) ) Mixed crystals are used. That is, a compound semiconductor material containing no Sb other than InGaAs can be used for the light absorption layer of the photoelectric conversion element.
[Effect of the invention]
The effects of the present invention will be described using experimental results of the photoelectric conversion element 2000 created by the same method as in the first embodiment and Examples 1 to 9. In the photoelectric conversion element 2000, an In 0.80 Ga 0.20 As light absorption layer was used as the light absorption layer. For comparison, a photoelectric conversion element 3000 described in Patent Document 3 was manufactured. FIG. 32 shows a structure of the photoelectric conversion element 3000 and a manufacturing method thereof. First, an AlAs 0.56 Sb 0.44 sacrificial layer 2 that is lattice-matched with the substrate is formed on the InP substrate 1 by an epitaxial growth technique. Next, an n-type InP layer 3, an n-type In 0.53 Ga 0.47 As layer 4, and a p-type In 0.53 Ga 0.47 As layer 5 are sequentially stacked on the sacrificial layer 2. Thereafter, although not shown, each layer is processed to form a photodiode (PD). Next, after forming an insulating film covering the PD, an electrode connected to each element of the PD is formed. On the other hand, a support substrate on which electrodes corresponding to PD electrodes are formed is prepared. Then, the support substrate is bonded or bonded to the substrate side so that the electrodes of the PD and the electrodes formed on the support substrate are bonded to each other. Thereafter, the sacrificial layer 2 is removed by etching, and the substrate 1 is peeled off from the n-type InP layer 3. In Patent Document 3, an InGaAs-based PD element lattice-matched to InP is formed, and a PD element thin film is formed by the ELO method. Unlike the solar cell, the obtained PD element receives light with a reverse bias applied.

図25にエミッタ温度を変えた時の放射強度の波長依存性を示す。エミッタの放射特性は黒体放射で近似した。図25において、光電変換素子3000にて用いられているIn0.53Ga0.47Asのバンドギャップ波長1.65μmと、光電変換素子2000に用いられたIn0.80Ga0.20Asのバンドギャップ波長2.7μmを同時に図示した。エミッタ温度1400℃、1200℃、1000℃、800℃に対する放射スペクトルのピ−ク波長はそれぞれ1.7μm、2.0μm、2.3μm、2.8μmである。エミッタ温度が下がると、放射強度が低下し、かつ放射スペクトルのピ−ク波長が増大する。InGaAs光吸収層はバンドギャップ波長より短い波長の放射光を吸収する。光電変換素子2000は光電変換素子3000より吸収できる放射スペクトルの面積が大きいことが分かる。エミッタ温度が1000℃以下になると、光電変換素子3000のバンドギャップ波長では吸収できる放射スペクトルの面積が極めて小さくなってしまう。 FIG. 25 shows the wavelength dependence of the radiation intensity when the emitter temperature is changed. The emitter radiation characteristics are approximated by blackbody radiation. In FIG. 25, the band gap wavelength of 1.65 μm of In 0.53 Ga 0.47 As used in the photoelectric conversion element 3000 and the band gap wavelength of 2.7 μm of In 0.80 Ga 0.20 As used in the photoelectric conversion element 2000 are shown simultaneously. . The peak wavelengths of the emission spectra for the emitter temperatures of 1400 ° C., 1200 ° C., 1000 ° C., and 800 ° C. are 1.7 μm, 2.0 μm, 2.3 μm, and 2.8 μm, respectively. As the emitter temperature decreases, the radiation intensity decreases and the peak wavelength of the emission spectrum increases. The InGaAs light absorption layer absorbs radiation having a wavelength shorter than the band gap wavelength. It can be seen that the photoelectric conversion element 2000 has a larger radiation spectrum area than the photoelectric conversion element 3000 can absorb. When the emitter temperature is 1000 ° C. or less, the area of the radiation spectrum that can be absorbed at the band gap wavelength of the photoelectric conversion element 3000 becomes extremely small.

図26に光吸収層が異なるInGaAs系光電変換素子の電流電圧特性を示す。光吸収層として、特許文献3にかかるIn0.53Ga0.47Asを用いた素子(In0.53Ga0.47As素子)と本発明にかかるIn0.80Ga0.20Asを用いた素子(In0.80Ga0.20As素子)を作製し、典型的なエミッタ温度1200℃における電流電圧特性を室温で測定した。素子が受けとる光強度は、反射防止膜を透過した光強度を推定し補正して求めた。 FIG. 26 shows current-voltage characteristics of InGaAs photoelectric conversion elements having different light absorption layers. As a light absorption layer, an element using In 0.53 Ga 0.47 As according to Patent Document 3 (In 0.53 Ga 0.47 As element) and an element using In 0.80 Ga 0.20 As according to the present invention (In 0.80 Ga 0.20 As element) are used. The current-voltage characteristics at a typical emitter temperature of 1200 ° C. were measured at room temperature. The light intensity received by the element was obtained by estimating and correcting the light intensity transmitted through the antireflection film.

In0.53Ga0.47As素子の開放端電圧は0.51(V)、短絡電流密度は4.2(A/cm2)、充填因子は80%、出力密度は1.75(W/cm2)であった。一方In0.80Ga0.20As素子の開放端電圧は0.26(V)、短絡電流密度は19.6(A/cm2)、充填因子は70%、出力密度は3.52(W/cm2)であった。In0.80Ga0.20As素子においても、格子整合系の結晶と同程度の高い結晶品質のInGaAs系光電変換素子が得られた。In0.80Ga0.20As素子において、高結晶品質のInGaAs層が得られたのは基板と成長層との格子不整合度がGaAs基板より小さいInP基板を用いたためである。高結晶品質のInGaAs層では、低品質のものに較べ、キャリアの拡散長が数10μmと大きいために、逆飽和電流の値が一桁小さくなり、開放端電圧Vocが0.1V以上大きくなるため、出力が向上する。 The open circuit voltage of the In 0.53 Ga 0.47 As element was 0.51 (V), the short-circuit current density was 4.2 (A / cm 2 ), the filling factor was 80%, and the output density was 1.75 (W / cm 2 ). On the other hand, the open-circuit voltage of the In 0.80 Ga 0.20 As element was 0.26 (V), the short-circuit current density was 19.6 (A / cm 2 ), the filling factor was 70%, and the output density was 3.52 (W / cm 2 ). Even in the In 0.80 Ga 0.20 As device, an InGaAs photoelectric conversion device having a crystal quality equivalent to that of a lattice-matched crystal was obtained. In the In 0.80 Ga 0.20 As device, the high crystal quality InGaAs layer was obtained because an InP substrate having a smaller lattice mismatch between the substrate and the growth layer was used. In the high crystal quality InGaAs layer, since the carrier diffusion length is as large as several tens of μm compared to the low quality, the reverse saturation current value is reduced by an order of magnitude, and the open-circuit voltage Voc is increased by 0.1 V or more. Output is improved.

In0.53Ga0.47As素子に較べて、In0.80Ga0.20As素子はバンドギャップが小さいために開放端電圧は半減したが、短絡電流密度は4倍になった。この結果、出力密度は2倍になった。結局、典型的なエミッタ温度1200℃において、本発明にかかるInGaAs系光電変換素子では、特許文献3にかかる光電変換素子の2倍の出力が得られた。 Compared with the In 0.53 Ga 0.47 As element, the In 0.80 Ga 0.20 As element has a small band gap, so the open-circuit voltage is halved, but the short-circuit current density is quadrupled. As a result, the power density doubled. As a result, at a typical emitter temperature of 1200 ° C., the InGaAs-based photoelectric conversion element according to the present invention provided an output twice that of the photoelectric conversion element according to Patent Document 3.

図27にエミッタ温度を変えた時の光電変換効率のバンドギャップ波長依存性を示す。光電変換効率は、エミッタからの放射光のすべての波長の放射エネルギ密度に対する素子からの出力密度によって定義した。曲線は素子特性から計算した値を表す。黒丸はエミッタ温度1200℃のとき、白丸はエミッタ温度800℃のときの実験値である。   FIG. 27 shows the bandgap wavelength dependence of the photoelectric conversion efficiency when the emitter temperature is changed. The photoelectric conversion efficiency was defined by the output density from the device with respect to the radiant energy density of all wavelengths of the emitted light from the emitter. A curve represents a value calculated from device characteristics. The black circle is the experimental value when the emitter temperature is 1200 ° C, and the white circle is the experimental value when the emitter temperature is 800 ° C.

エミッタ温度1400℃、1200℃、1000℃、800℃に対する効率のピークバンドギャップ波長はそれぞれ2.6μm、2.7μm、3.0μm、3.2μmである。最適なバンドギャップ波長はエミッタ温度に依存する。エミッタ温度が下がると、効率のピークバンドギャップ波長は増大する。エミッタ温度800℃〜1400℃において、適切なバンドギャップ波長は2.0μm〜3.4μm、より適切なバンドギャップ波長は2.5μm〜3.2μmであった。エミッタ温度1200℃では、In0.53Ga0.47As素子の効率は6.5%、In0.80Ga0.20As素子の効率は13.2%であった。エミッタ温度800℃では、In0.53Ga0.47As素子の効率は1.4%、In0.80Ga0.20As素子の効率は5.9%であった。本発明にかかる素子構造により、光電変換効率が2倍〜4倍になる効果が得られた。 The peak band gap wavelengths of the efficiency for the emitter temperatures of 1400 ° C., 1200 ° C., 1000 ° C., and 800 ° C. are 2.6 μm, 2.7 μm, 3.0 μm, and 3.2 μm, respectively. The optimum bandgap wavelength depends on the emitter temperature. As the emitter temperature decreases, the peak bandgap wavelength of efficiency increases. At an emitter temperature of 800 ° C. to 1400 ° C., a suitable band gap wavelength was 2.0 μm to 3.4 μm, and a more suitable band gap wavelength was 2.5 μm to 3.2 μm. At an emitter temperature of 1200 ° C., the efficiency of the In 0.53 Ga 0.47 As element was 6.5%, and the efficiency of the In 0.80 Ga 0.20 As element was 13.2%. At an emitter temperature of 800 ° C., the efficiency of the In 0.53 Ga 0.47 As element was 1.4%, and the efficiency of the In 0.80 Ga 0.20 As element was 5.9%. With the element structure according to the present invention, an effect of increasing the photoelectric conversion efficiency by 2 to 4 times was obtained.

エミッタ温度400℃での効率のピーク波長は3.2μmであり、第8の実施例の素子構造によれば、エミッタ温度400℃でも高い変換効率が得られる。エミッタ温度2000℃での効率のピーク波長は2.3μmであり、第1の実施例の素子構造によれば、エミッタ温度2000℃でも高い変換効率が得られる。従って高温エミッタと光電変換素子を含む熱光起電力発電装置において、本発明によれば、広範囲のエミッタ温度Te(400℃≦Te≦2000℃)において最大の発電効率を実現する光電変換素子を提供することができる。   The peak wavelength of efficiency at an emitter temperature of 400 ° C. is 3.2 μm. According to the element structure of the eighth embodiment, high conversion efficiency can be obtained even at an emitter temperature of 400 ° C. The peak wavelength of efficiency at an emitter temperature of 2000 ° C. is 2.3 μm. According to the element structure of the first embodiment, high conversion efficiency can be obtained even at an emitter temperature of 2000 ° C. Accordingly, in a thermophotovoltaic power generation apparatus including a high-temperature emitter and a photoelectric conversion element, according to the present invention, a photoelectric conversion element that realizes the maximum power generation efficiency in a wide range of emitter temperatures Te (400 ° C. ≦ Te ≦ 2000 ° C.) is provided. can do.

図28にエミッタ温度を変えた時の出力密度のバンドギャップ波長依存性を示す。曲線は素子特性から計算した値を表す。黒丸はエミッタ温度1200℃のとき、白丸はエミッタ温度800℃のときの実験値である。   FIG. 28 shows the band gap wavelength dependence of the output density when the emitter temperature is changed. A curve represents a value calculated from device characteristics. The black circle is the experimental value when the emitter temperature is 1200 ° C, and the white circle is the experimental value when the emitter temperature is 800 ° C.

エミッタ温度1400℃、1200℃、1000℃、800℃に対する出力のピ−クバンドギャップ波長はそれぞれ2.6μm、2.7μm、3.0μm、3.2μmであり、効率のピ−クバンドギャップ波長とほぼ一致した。エミッタ温度1200℃では、In0.53Ga0.47As素子の効率は1.75(W/cm2)、In0.80Ga0.20As素子の効率は3.52(W/cm2)であった。エミッタ温度800℃では、In0.53Ga0.47As素子の効率は0.11(W/cm2)、In0.80Ga0.20As素子の効率は0.44(W/cm2)であった。本発明にかかる素子構造により、光電変換後の出力密度が2倍〜4倍になる効果が得られた。特に低いエミッタ温度では、本発明にかかる素子構造により、特許文献3にかかる光電変換素子の4倍の効率と出力が得られた。 The output peak band gap wavelengths for emitter temperatures of 1400 ° C, 1200 ° C, 1000 ° C, and 800 ° C are 2.6 μm, 2.7 μm, 3.0 μm, and 3.2 μm, respectively, which are almost the same as the peak bandgap wavelength of efficiency. . At an emitter temperature of 1200 ° C., the efficiency of the In 0.53 Ga 0.47 As element was 1.75 (W / cm 2 ), and the efficiency of the In 0.80 Ga 0.20 As element was 3.52 (W / cm 2 ). At an emitter temperature of 800 ° C., the efficiency of the In 0.53 Ga 0.47 As element was 0.11 (W / cm 2 ), and the efficiency of the In 0.80 Ga 0.20 As element was 0.44 (W / cm 2 ). With the element structure according to the present invention, an effect of increasing the output density after photoelectric conversion by 2 to 4 times was obtained. In particular, at a low emitter temperature, the device structure according to the present invention provided four times the efficiency and output of the photoelectric conversion device according to Patent Document 3.

エミッタ温度400℃での出力のピーク波長は3.2μmであり、第8の実施例の素子構造によれば、エミッタ温度400℃でも最大の出力が得られる。エミッタ温度2000℃での出力のピーク波長は2.2μmであり、第1の実施例の素子構造により、エミッタ温度2000℃でもほぼ最大の出力が得られる。従って高温エミッタと光電変換素子を含む熱光起電力発電装置において、本発明によれば、広範囲のエミッタ温度Te(400℃≦Te≦2000℃)において最大の発電出力を実現する光電変換素子を提供することができる。   The peak wavelength of output at an emitter temperature of 400 ° C. is 3.2 μm. According to the element structure of the eighth embodiment, the maximum output can be obtained even at an emitter temperature of 400 ° C. The peak wavelength of the output at an emitter temperature of 2000 ° C. is 2.2 μm, and the maximum output can be obtained even at an emitter temperature of 2000 ° C. by the element structure of the first embodiment. Therefore, in a thermophotovoltaic power generation apparatus including a high temperature emitter and a photoelectric conversion element, according to the present invention, a photoelectric conversion element that realizes the maximum power generation output in a wide range of emitter temperatures Te (400 ° C. ≦ Te ≦ 2000 ° C.) is provided. can do.

ドーピングされたInP基板は、エミッタからの赤外光成分を吸収するので、素子温度を増加させ、発電効率を低下させる。本発明にかかる素子構造によれば、InP基板を除去したことにより放熱に優れた光電変換素子が得られる。本発明ではメタモルフィック緩和層を除去するので、緩和層内に存在する転位網による電流損失が生じない。また、本発明にかかる製造方法では、リフトオフ後のInP基板を再利用することができるので、素子の製造コストを低減することができる。転写する基板には、柔軟な高分子基材など様々な材料を選択することができる。エミッタを囲むように光電変換素子を配置することで、エミッタからの放射光を受ける素子の面積を増大することができる。また、反射防止膜、あるいは光電変換素子とエミッタ間に設置した多層膜フィルタに理想的な構成を選択することにより、さらに高効率かつ高出力の熱光起電力発電を実現することができる。   The doped InP substrate absorbs the infrared light component from the emitter, thereby increasing the element temperature and reducing the power generation efficiency. According to the element structure of the present invention, a photoelectric conversion element excellent in heat dissipation can be obtained by removing the InP substrate. In the present invention, since the metamorphic relaxation layer is removed, current loss due to the dislocation network existing in the relaxation layer does not occur. Moreover, in the manufacturing method according to the present invention, since the InP substrate after lift-off can be reused, the manufacturing cost of the element can be reduced. Various materials such as a flexible polymer base material can be selected for the substrate to be transferred. By disposing the photoelectric conversion element so as to surround the emitter, the area of the element that receives the emitted light from the emitter can be increased. Further, by selecting an ideal configuration for the antireflection film or the multilayer filter disposed between the photoelectric conversion element and the emitter, it is possible to realize thermoelectric power generation with higher efficiency and higher output.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて他の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, It cannot be overemphasized that another modification and an application example are included unless it deviates from the meaning of this invention.

上記の実施形態の一部又は全部は、以下のようにも記載されうるが、以下には限られない。   Part or all of the above embodiments can be described as follows, but is not limited to the following.

(付記1)
少なくとも一組の互いに隣接する格子不整合緩和したP型光吸収層およびN型光吸収層を含む光吸収層有し、
前記光吸収層の層厚dは0.5μm≦d≦5μmであり、
前記光吸収層の室温での格子定数aが5.886Å≦a≦6.058Åであることを特徴とする光電変換素子。
(Appendix 1)
A light absorption layer comprising at least a pair of adjacent lattice mismatch relaxed P-type light absorption layer and N-type light absorption layer;
The thickness d of the light absorbing layer is 0.5 μm ≦ d ≦ 5 μm,
The photoelectric conversion element, wherein the light absorption layer has a lattice constant a at room temperature of 5.886Å ≦ a ≦ 6.058Å.

(付記2)
前記光吸収層は、InxGa1-xAs(0.58≦x≦1)、InxGa1-xAsyP1-y(0.58≦x≦1、0.8≦y<1)又はInAszP1-z(0.1≦z≦1)のいずれか一を含む、付記1に記載の光電変換素子。
(Appendix 2)
The light absorption layer is made of In x Ga 1-x As (0.58 ≦ x ≦ 1), In x Ga 1-x As y P 1-y (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.8 ≦ y <1) or InAs z P The photoelectric conversion element according to appendix 1, including any one of 1-z (0.1 ≦ z ≦ 1).

(付記3)
前記P型光吸収層と格子整合したP型InxGa1-x-wAlwAs(0.58≦x≦1、0.02≦w≦0.2)層が前記P型光吸収層に隣接して形成され、又は
前記N型光吸収層に格子整合したN型InAsuP1-u(0.1≦u≦0.9)層が前記N型光吸収層に隣接して形成されている、付記1又は2に記載の光電変換素子。
(Appendix 3)
A P-type In x Ga 1-xw Al w As (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.02 ≦ w ≦ 0.2) layer lattice-matched with the P - type light absorption layer is formed adjacent to the P-type light absorption layer, or The photoelectric according to appendix 1 or 2, wherein an N-type InAs u P 1-u (0.1 ≦ u ≦ 0.9) layer lattice-matched to the N - type light absorption layer is formed adjacent to the N-type light absorption layer. Conversion element.

(付記4)
前記光吸収層上に設けられ誘電体からなる反射防止膜をさらに有し、
前記反射防止膜の透過率特性T(λ)は、光吸収層のバンドギャップ波長λ(μm)に対して0≦T(λ2)<0.5<T(λ1)<1かつ1μm≦λ1≦λかつλ≦λ2<5μmの条件を満たす、付記1乃至3のいずれか一項に記載の光電変換素子。
(Appendix 4)
Further comprising an antireflection film made of a dielectric provided on the light absorption layer,
The transmittance characteristic T (λ) of the antireflection film is 0 ≦ T (λ 2 ) <0.5 <T (λ 1 ) <1 and 1 μm ≦ λ with respect to the band gap wavelength λ g (μm) of the light absorption layer. The photoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 3, wherein the conditions of 1 ≦ λ g and λ g ≦ λ 2 <5 μm are satisfied.

(付記5)
InP基板上にメタモルフィック緩和層を形成する工程と、
前記メタモルフィック緩和層上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上にP型光吸収層およびN型吸収層を含む光吸収層を形成する工程と、
エッチング法により前記犠牲層を除去する工程と、
前記エッチングにより前記InP基板及び前記メタモルフィック緩和層を剥離した前記光吸収層を搬送用基材、ヒートシンク基材またはラミネート基材のいずれか一に転写する工程と、を含むことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
(Appendix 5)
Forming a metamorphic relaxation layer on the InP substrate;
Forming a sacrificial layer on the metamorphic relaxation layer;
Forming a light absorption layer including a P-type light absorption layer and an N-type absorption layer on the sacrificial layer;
Removing the sacrificial layer by an etching method;
Transferring the light absorbing layer from which the InP substrate and the metamorphic relaxation layer have been peeled off by the etching to any one of a transport base, a heat sink base, and a laminate base. A method for manufacturing a conversion element.

(付記6)
前記メタモルフィック緩和層における格子定数のすくなくとも一部が、InPの格子定数から前記光吸収層における格子定数までステップ状あるいは連続に増加する、付記5に記載の光電変換素子の製造方法。
(Appendix 6)
The method for producing a photoelectric conversion element according to appendix 5, wherein at least a part of the lattice constant in the metamorphic relaxation layer increases stepwise or continuously from the lattice constant of InP to the lattice constant of the light absorption layer.

(付記7)
前記メタモルフィック緩和層は、InXGa1-XAs(0.53≦x≦1)、InAsyP1-y(0≦y≦1)、AlAs1-XSbX(0.44≦x≦0.84)又はInP1-ySb(0≦y≦0.32)の少なくともいずれか一を含む、付記5又は6に記載の光電変換素子の製造方法。
(Appendix 7)
The metamorphic relaxation layer is made of In X Ga 1-X As (0.53 ≦ x ≦ 1), InAs y P 1-y (0 ≦ y ≦ 1), AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ x ≦ 0.84) or The method for producing a photoelectric conversion element according to appendix 5 or 6, including at least one of InP 1-y Sb y (0 ≦ y ≦ 0.32).

(付記8)
前記犠牲層が前記光吸収層と格子整合している、付記5乃至7のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
(Appendix 8)
The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to any one of appendices 5 to 7, wherein the sacrificial layer is lattice-matched to the light absorption layer.

(付記9)
前記犠牲層の層厚d2は、20nm≦d2≦200nmである、付記5乃至8のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
(Appendix 9)
The method of manufacturing a photoelectric conversion element according to any one of appendices 5 to 8, wherein a layer thickness d2 of the sacrificial layer is 20 nm ≦ d2 ≦ 200 nm.

(付記10)
前記犠牲層は、AlAs1-XSbX(0.48≦x≦0.84)又はInP1-ySb(0.05≦y≦0.32)の少なくともいずれか一を含む、付記5乃至9のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。
(Appendix 10)
The sacrificial layer includes any one of AlAs 1-X Sb X (0.48 ≦ x ≦ 0.84) and InP 1-y Sb y (0.05 ≦ y ≦ 0.32), according to any one of appendices 5 to 9. The manufacturing method of the photoelectric conversion element of description.

(付記11)
InP基板と、
前記InP基板上に形成されたメタモルフィック緩和層と、
前記メタモルフィック緩和層上に形成された犠牲層と、
前記犠牲層上に形成された光吸収層と、を有し、
前記光吸収層は、P型InGaAs層及びN型InGaAs光吸収層を含むことを特徴とする、半導体素子。
(Appendix 11)
An InP substrate,
A metamorphic relaxation layer formed on the InP substrate;
A sacrificial layer formed on the metamorphic relaxation layer;
A light absorption layer formed on the sacrificial layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the light absorption layer includes a P-type InGaAs layer and an N-type InGaAs light absorption layer.

1、11、21、71、100、121、141、161、181、220 InP基板
33、83、114、138、155、175、194 P電極
34、84、113、135、154、174、195 N電極
35、57、87、117、137、157、177、197、217、227 反射防止膜
2 AlAs0.56Sb0.44犠牲層
3 n型InP層
4 n型In0.53Ga0.47As層
5 p型In0.53Ga0.47As層
12 メタモルフィック緩和層
13 犠牲層
14 N型光吸収層
15 P型光吸収層
16 エミッタ
19 光吸収層
22 n-InXGa1-XAs(0.53≦X≦0.70)メタモルフィック緩和層
23 n-AlAs0.44Sb0.56犠牲層
24 n-In0.68Ga0.32As光吸収層
25 p-In0.68Ga0.32As光吸収層
220 n-In0.53Ga0.47As
221 n-In0.58Ga0.42As
222 n-In0.63Ga0.37As
223 n-In0.68Ga0.32As
224 n-In0.70Ga0.30As
225 n-In0.68Ga0.32As
31 ヒ−トシンク
32 金属層
203 犠牲層
219 保護ワックス
210 搬送基板
212 基材
211 接着剤
42 InXGa1-XAs(053≦X≦0.77)メタモルフィック緩和層
43 p-AlAs0.38Sb0.62犠牲層
44 p-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層
45 p-In0.75Ga0.25As光吸収層
46 層厚0.6μmのn-In0.75Ga0.25As光吸収層
420 In0.53Ga0.47As
421 In0.58Ga0.42As
422 In0.63Ga0.37As
423 In0.68Ga0.32As
424 In0.72Ga0.28As
425 In0.75Ga0.25As
426 In0.77Ga0.23As
427 In0.75Ga0.25As
46 n-In0.75Ga0.25As光吸収層
45 p-In0.75Ga0.25As光吸収層
44 p-In0.68Ga0.27Al0.05Asキャリア再結合防止層
72 InAsXP1-X(0≦X≦0.50)メタモルフィック緩和層
73 n-AlAs0.38Sb0.62犠牲層
74 n-InAs0.47P0.53再結合防止層
75 n-In0.75Ga0.25As光吸収層
76 p-In0.75Ga0.25As光吸収層
721 InAs0.05P0.95
722 InAs0.10P0.90
723 InAs0.15P0.85
724 InAs0.20P0.80
725 InAs0.25P0.85
726 InAs0.30P0.70
727 InAs0.35P0.65
728 InAs0.40P0.60
729 InAs0.45P0.55
730 InAs0.50P0.50
731 InAs0.47P0.53
95 順方向バイアス電圧+V
66 放射光
91 伝導帯
92 価電子帯
102 AlAs1-XSbX(0.44≦X≦0.69)メタモルフィック緩和層
103 p-AlAs0.33Sb0.67犠牲層
104 p-In0.81Ga0.15Al0.04Asキャリア再結合防止層
105 p-In0.81Ga0.19As光吸収層
106 n-In0.81Ga0.19As光吸収層
107 n-InAs0.6P0.4エッチング停止層
108 n-In0.81Ga0.19As導電層
1020、1220 AlAs0.56Sb0.44
1021、1221 AlAs0.51Sb0.49
1022、1222 AlAs0.46Sb0.54
1023、1223 AlAs0.41Sb0.59
1024、1224 AlAs0.36Sb0.64
1025、1225 AlAs0.31Sb0.69
1026、1226 AlAs0.33Sb0.67
111 ヒートシンク
112 絶縁層
122 AlAs1-XSbX(0.44≦X≦0.69)メタモルフィック緩和層
123 n-AlAs0.33Sb0.67犠牲層
124 n-InAs0.6P0.4キャリア再結合防止層
125 n-In0.81Ga0.19As光吸収層
126 p-In0.81Ga0.19As光吸収層
127 p-In0.81Ga0.15Al0.04Asエッチング停止層
128 p-In0.81Ga0.19As導電層
142 InP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層
143 p-InP0.74Sb0.26犠牲層
144 p-In0.92Ga0.04Al0.04Asキャリア再結合防止層
145 p-In0.92Ga0.08As光吸収層
146 n-In0.92Ga0.08As光吸収層
151 高分子フィルム
152 金属フィルム
153 合金層
162 InP1-XSbX(0≦X≦0.28)メタモルフィック緩和層
163 n-InP0.74Sb0.26犠牲層
164 n-InAs0.83P0.17キャリア再結合防止層
165 n-In0.92Ga0.08As光吸収層
166 p-In0.92Ga0.08As光吸収層
720、1420、1620、1820 InP
1421、1621、1821 InP0.95Sb0.05
1422、1622、1822 InP0.90Sb0.10
1423、1623、1823 InP0.85Sb0.15
1424、1624、1824 InP0.80Sb0.20
1425、1625、1825 InP0.75Sb0.25
1426、1626、1826 InP0.72Sb0.28
1427、1627、1827 InP0.74Sb0.26
182 InP1-XSbX(0≦X≦0.35)メタモルフィック緩和層
183 n-InP0.68Sb0.32犠牲層
184 n-InAs0.90P0.10歪キャリア再結合防止層
185 n-InAs光吸収層
186 p-InAs光吸収層
1828 InP0.68Sb0.32
221 InP1-XSbX(0≦X≦0.30)メタモルフィック緩和層
223 n-InP0.75Sb0.25犠牲層
224 n-InAs0.90P0.10光吸収層
225 p-InGaAsP光吸収層
1, 11, 21, 71, 100, 121, 141, 161, 181, 220 InP substrate
33, 83, 114, 138, 155, 175, 194 P electrode
34, 84, 113, 135, 154, 174, 195 N electrode
35, 57, 87, 117, 137, 157, 177, 197, 217, 227 Antireflection film
2 AlAs 0.56 Sb 0.44 sacrificial layer
3 n-type InP layer
4 n-type In 0.53 Ga 0.47 As layer
5 p-type In 0.53 Ga 0.47 As layer
12 Metamorphic relaxation layer
13 Sacrificial layer
14 N-type absorber layer
15 P-type light absorption layer
16 emitter
19 Light absorption layer
22 n-In X Ga 1-X As (0.53 ≦ X ≦ 0.70) metamorphic relaxation layer
23 n-AlAs 0.44 Sb 0.56 sacrificial layer
24 n-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer
25 p-In 0.68 Ga 0.32 As light absorption layer
220 n-In 0.53 Ga 0.47 As
221 n-In 0.58 Ga 0.42 As
222 n-In 0.63 Ga 0.37 As
223 n-In 0.68 Ga 0.32 As
224 n-In 0.70 Ga 0.30 As
225 n-In 0.68 Ga 0.32 As
31 Heat sink
32 metal layers
203 Sacrificial layer
219 Protective wax
210 Transfer board
212 Substrate
211 Adhesive
42 In X Ga 1-X As (053 ≦ X ≦ 0.77) metamorphic relaxation layer
43 p-AlAs 0.38 Sb 0.62 sacrificial layer
44 p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As Carrier recombination prevention layer
45 p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer
46 n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer with a layer thickness of 0.6μm
420 In 0.53 Ga 0.47 As
421 In 0.58 Ga 0.42 As
422 In 0.63 Ga 0.37 As
423 In 0.68 Ga 0.32 As
424 In 0.72 Ga 0.28 As
425 In 0.75 Ga 0.25 As
426 In 0.77 Ga 0.23 As
427 In 0.75 Ga 0.25 As
46 n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer
45 p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer
44 p-In 0.68 Ga 0.27 Al 0.05 As Carrier recombination prevention layer
72 InAs X P 1-X (0 ≦ X ≦ 0.50) metamorphic relaxation layer
73 n-AlAs 0.38 Sb 0.62 sacrificial layer
74 n-InAs 0.47 P 0.53 Anti-recombination layer
75 n-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer
76 p-In 0.75 Ga 0.25 As light absorption layer
721 InAs 0.05 P 0.95
722 InAs 0.10 P 0.90
723 InAs 0.15 P 0.85
724 InAs 0.20 P 0.80
725 InAs 0.25 P 0.85
726 InAs 0.30 P 0.70
727 InAs 0.35 P 0.65
728 InAs 0.40 P 0.60
729 InAs 0.45 P 0.55
730 InAs 0.50 P 0.50
731 InAs 0.47 P 0.53
95 Forward bias voltage + V
66 Synchrotron radiation
91 conduction band
92 Valence band
102 AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ X ≦ 0.69) metamorphic relaxation layer
103 p-AlAs 0.33 Sb 0.67 sacrificial layer
104 p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As carrier recombination prevention layer
105 p-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer
106 n-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer
107 n-InAs 0.6 P 0.4 Etching stop layer
108 n-In 0.81 Ga 0.19 As conductive layer
1020, 1220 AlAs 0.56 Sb 0.44
1021, 1221 AlAs 0.51 Sb 0.49
1022, 1222 AlAs 0.46 Sb 0.54
1023, 1223 AlAs 0.41 Sb 0.59
1024, 1224 AlAs 0.36 Sb 0.64
1025, 1225 AlAs 0.31 Sb 0.69
1026, 1226 AlAs 0.33 Sb 0.67
111 heat sink
112 Insulation layer
122 AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ X ≦ 0.69) metamorphic relaxation layer
123 n-AlAs 0.33 Sb 0.67 sacrificial layer
124 n-InAs 0.6 P 0.4 Carrier recombination prevention layer
125 n-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer
126 p-In 0.81 Ga 0.19 As light absorption layer
127 p-In 0.81 Ga 0.15 Al 0.04 As etch stop layer
128 p-In 0.81 Ga 0.19 As conductive layer
142 InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) metamorphic relaxation layer
143 p-InP 0.74 Sb 0.26 sacrificial layer
144 p-In 0.92 Ga 0.04 Al 0.04 As Carrier recombination prevention layer
145 p-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer
146 n-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer
151 polymer film
152 Metal film
153 Alloy layer
162 InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.28) metamorphic relaxation layer
163 n-InP 0.74 Sb 0.26 sacrificial layer
164 n-InAs 0.83 P 0.17 Carrier recombination prevention layer
165 n-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer
166 p-In 0.92 Ga 0.08 As light absorption layer
720, 1420, 1620, 1820 InP
1421, 1621, 1821 InP 0.95 Sb 0.05
1422, 1622, 1822 InP 0.90 Sb 0.10
1423, 1623, 1823 InP 0.85 Sb 0.15
1424, 1624, 1824 InP 0.80 Sb 0.20
1425, 1625, 1825 InP 0.75 Sb 0.25
1426, 1626, 1826 InP 0.72 Sb 0.28
1427, 1627, 1827 InP 0.74 Sb 0.26
182 InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.35) metamorphic relaxation layer
183 n-InP 0.68 Sb 0.32 sacrificial layer
184 n-InAs 0.90 P 0.10 Strain carrier recombination prevention layer
185 n-InAs light absorption layer
186 p-InAs light absorption layer
1828 InP 0.68 Sb 0.32
221 InP 1-X Sb X (0 ≦ X ≦ 0.30) metamorphic relaxation layer
223 n-InP 0.75 Sb 0.25 sacrificial layer
224 n-InAs 0.90 P 0.10 Light absorption layer
225 p-InGaAsP light absorption layer

Claims (10)

少なくとも一組の互いに隣接する格子不整合緩和したP型光吸収層およびN型光吸収層を含む光吸収層を有し、
前記光吸収層の層厚dは0.5μm≦d≦5μmであり、
前記光吸収層の室温での格子定数aが5.886Å≦a≦6.058Åであることを特徴とする光電変換素子。
Having a light absorption layer including at least one pair of lattice mismatch relaxed P-type light absorption layer and N-type light absorption layer adjacent to each other;
The thickness d of the light absorbing layer is 0.5 μm ≦ d ≦ 5 μm,
The photoelectric conversion element, wherein the light absorption layer has a lattice constant a at room temperature of 5.886Å ≦ a ≦ 6.058Å.
前記光吸収層は、InxGa1-xAs(0.58≦x≦1)、InxGa1-xAsyP1-y(0.58≦x≦1、0.8≦y<1)又はInAszP1-z(0.1≦z≦1)のいずれか一を含む、請求項1に記載の光電変換素子。 The light absorption layer is made of In x Ga 1-x As (0.58 ≦ x ≦ 1), In x Ga 1-x As y P 1-y (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.8 ≦ y <1) or InAs z P The photoelectric conversion element according to claim 1, comprising any one of 1-z (0.1 ≦ z ≦ 1). 前記P型光吸収層と格子整合したP型InxGa1-x-wAlwAs(0.58≦x≦1、0.02≦w≦0.2)層が前記P型光吸収層に隣接して形成され、又は
前記N型光吸収層に格子整合したN型InAsuP1-u(0.1≦u≦0.9)層が前記N型光吸収層に隣接して形成されている、請求項1又は2に記載の光電変換素子。
A P-type In x Ga 1-xw Al w As (0.58 ≦ x ≦ 1, 0.02 ≦ w ≦ 0.2) layer lattice-matched with the P - type light absorption layer is formed adjacent to the P-type light absorption layer, or The N-type InAs u P 1-u (0.1 ≦ u ≦ 0.9) layer lattice-matched to the N - type light absorption layer is formed adjacent to the N-type light absorption layer. Photoelectric conversion element.
前記光吸収層上に設けられ誘電体からなる反射防止膜をさらに有し、
前記反射防止膜の透過率特性T(λ)は、光吸収層のバンドギャップ波長λ(μm)に対して0≦T(λ2)<0.5<T(λ1)<1かつ1μm≦λ1≦λかつλ≦λ2<5μmの条件を満たす、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光電変換素子。
Further comprising an antireflection film made of a dielectric provided on the light absorption layer,
The transmittance characteristic T (λ) of the antireflection film is 0 ≦ T (λ 2 ) <0.5 <T (λ 1 ) <1 and 1 μm ≦ λ with respect to the band gap wavelength λ g (μm) of the light absorption layer. The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein the conditions of 1 ≦ λ g and λ g ≦ λ 2 <5 μm are satisfied.
InP基板上にメタモルフィック緩和層を形成する工程と、
前記メタモルフィック緩和層上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上にP型光吸収層およびN型吸収層を含む光吸収層を形成する工程と、
エッチング法により前記犠牲層を除去する工程と、
前記エッチングにより前記InP基板及び前記メタモルフィック緩和層を剥離した前記光吸収層を搬送用基材、ヒートシンク基材またはラミネート基材のいずれか一に転写する工程と、を含むことを特徴とする光電変換素子の製造方法。
Forming a metamorphic relaxation layer on the InP substrate;
Forming a sacrificial layer on the metamorphic relaxation layer;
Forming a light absorption layer including a P-type light absorption layer and an N-type absorption layer on the sacrificial layer;
Removing the sacrificial layer by an etching method;
Transferring the light absorbing layer from which the InP substrate and the metamorphic relaxation layer have been peeled off by the etching to any one of a transport base, a heat sink base, and a laminate base. A method for manufacturing a conversion element.
前記メタモルフィック緩和層における格子定数のすくなくとも一部が、InPの格子定数から前記光吸収層における格子定数までステップ状あるいは連続に増加する、請求項5に記載の光電変換素子の製造方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 5, wherein at least a part of the lattice constant in the metamorphic relaxation layer increases stepwise or continuously from the lattice constant of InP to the lattice constant in the light absorption layer. 前記メタモルフィック緩和層は、InXGa1-XAs(0.53≦x≦1)、InAsyP1-y(0≦y≦1)、AlAs1-XSbX(0.44≦x≦0.84)又はInP1-ySb(0≦y≦0.32)の少なくともいずれか一を含む、請求項5又は6に記載の光電変換素子の製造方法。 The metamorphic relaxation layer is made of In X Ga 1-X As (0.53 ≦ x ≦ 1), InAs y P 1-y (0 ≦ y ≦ 1), AlAs 1-X Sb X (0.44 ≦ x ≦ 0.84) or The method for producing a photoelectric conversion element according to claim 5, comprising at least one of InP 1-y Sb y (0 ≦ y ≦ 0.32). 前記犠牲層が前記光吸収層と格子整合している、請求項5乃至7のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。 The method for manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 5, wherein the sacrificial layer is lattice-matched to the light absorption layer. 前記犠牲層の層厚d2は、20nm≦d2≦200nmである、請求項5乃至8のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。 9. The method of manufacturing a photoelectric conversion element according to claim 5, wherein the sacrificial layer has a layer thickness d 2 of 20 nm ≦ d 2 ≦ 200 nm. 前記犠牲層は、AlAs1-XSbX(0.48≦x≦0.84)又はInP1-ySb(0.05≦y≦0.32)の少なくともいずれか一を含む、請求項5乃至9のいずれか一項に記載の光電変換素子の製造方法。 The sacrificial layer includes at least one of AlAs 1-X Sb X (0.48 ≦ x ≦ 0.84) or InP 1-y Sb y (0.05 ≦ y ≦ 0.32). The manufacturing method of the photoelectric conversion element of description.
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