JP5614532B2 - 半導体基板、光電変換デバイス、半導体基板の製造方法、および光電変換デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体基板、光電変換デバイス、半導体基板の製造方法、および光電変換デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体基板、光電変換デバイス、半導体基板の製造方法、および光電変換デバイスの製造方法に関する。
特許文献１は、タンデムヘテロ光電変換素子の製造方法を開示する。当該製造方法においては、Ｓｉ基板にＶ字型溝を形成した後に、当該Ｓｉ基板にＰＮ接合を形成するとともに、当該Ｓｉ基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させる。特許文献１においては、成長温度が５００℃以下で、かつＩＩＩ族元素に対するＶ族元素の入射フラックス比が１５以上の条件でＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させる方法が開示されている。
（特許文献１）特開平５−３３３２号公報
太陽電池等光電変換デバイスの光電変換効率は、光電変換素子の起電力を発生させる空間電荷領域を有する半導体結晶の結晶性に大きく左右される。特に、化合物半導体結晶をＳｉ基板の上にエピタキシャル成長させる場合には、Ｓｉ基板と化合物半導体との格子定数の差に起因して、化合物半導体の結晶性が低下しやすい。結晶性が低下すると、光電変換デバイスの光電変換効率が低下する。
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、シリコンを含むベース基板と、ベース基板上に形成され、ベース基板の表面を露出する開口を有し、結晶成長を阻害する阻害体と、開口の内部に露出されたベース基板の表面に接して、開口の内部に形成された光吸収構造体と、を備え、光吸収構造体は、第１伝導型第１半導体と、第１伝導型第１半導体の上方に形成され、第１伝導型第１半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第１半導体と、第１伝導型第１半導体と第２伝導型第１半導体との間に形成され、第１伝導型第１半導体および第２伝導型第１半導体よりも有効キャリア濃度が低い低キャリア濃度第１半導体とを含む第１半導体と、第２伝導型第１半導体に格子整合または擬格子整合し、第２伝導型第１半導体と反対の伝導型を有する第１伝導型第２半導体と、第１伝導型第２半導体の上方に形成され、第１伝導型第２半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第２半導体と、第１伝導型第２半導体と第２伝導型第２半導体との間に形成され、第１伝導型第２半導体および第２伝導型第２半導体よりも有効キャリア濃度が低い低キャリア濃度第２半導体とを含む第２半導体とを有する半導体基板を提供する。阻害体は複数の開口を有し、複数の開口内に形成された複数の光吸収構造体を備えてもよい。
半導体基板は、光吸収構造体が、第２伝導型第２半導体に格子整合または擬格子整合する第１伝導型第３半導体と、第１伝導型第３半導体の上方に形成され、第１伝導型第３半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第３半導体と、第１伝導型第３半導体と第２伝導型第３半導体との間に形成され、第１伝導型第３半導体および第２伝導型第３半導体よりも有効キャリア濃度が低い低キャリア濃度第３半導体とを含む第３半導体をさらに有してもよい。当該半導体基板においては、例えば、第１半導体は、第１禁制帯幅を有する材料を有し、第２半導体は、第１禁制帯幅より大きな第２禁制帯幅を有する材料を有し、第３半導体は、第２禁制帯幅より大きな第３禁制帯幅を有する材料を有する。
また、例えば、第１半導体は、Ｃｘ１Ｓｉｙ１Ｇｅｚ１Ｓｎ１−ｘ１−ｙ１−ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、かつ０＜ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）からなり、第２半導体は、Ａｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ａｓｚ２Ｐｗ１Ｎ１−ｚ２−ｗ１（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、かつ０≦ｘ２＋ｙ２≦１，および０≦ｚ２≦１、０≦ｗ１≦１、かつ０≦ｚ２＋ｗ１≦１）からなり、第３半導体は、Ａｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ａｓｚ３Ｐ１−ｚ３（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、かつ０≦ｘ３＋ｙ３≦１）からなる。
一例として、光吸収構造体は、光の照射を受けてキャリアを励起し、ベース基板と第１伝導型第１半導体との間、第２伝導型第１半導体と第１伝導型第２半導体との間、第２伝導型第２半導体と第１伝導型第３半導体との間、および第２伝導型第３半導体の低キャリア濃度第３半導体と接する面と反対の面上の少なくとも一つの位置に、キャリアの再結合を抑制する再結合抑制層を有する。半導体基板は、第２伝導型第１半導体と第１伝導型第２半導体との間、および、第２伝導型第２半導体と第１伝導型第３半導体との間の少なくとも一つの位置に、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたＰ型不純物層およびＮ型不純物が高濃度にドープされたＮ型不純物層を有するトンネル接合層をさらに備えてもよい。半導体基板は、光吸収構造体の側壁に接して形成された、側壁におけるキャリアの再結合を抑制する再結合抑制体をさらに備えてもよい。
また、半導体基板においては、例えば、第１半導体、第２半導体、および第３半導体から選択された１以上の半導体は、第１半導体、第２半導体、および第３半導体のそれぞれにおけるベース基板に平行な面の中心からの距離がより大きな位置において、より大きな禁制帯幅となる組成分布を有する。第１半導体および第２半導体の積層方向におけるベース基板からの距離に応じて第１半導体の組成が変化していてもよい。例えば、第１半導体は、ベース基板からの距離が大きいほどシリコンの割合が少ない組成を有する。
本発明の第２の態様においては、第１の態様の半導体基板を備え、光吸収構造体への入射光を電力に変換する光電変換デバイスを提供する。当該光電変換デバイスは、入射光の少なくとも一部を集光して光吸収構造体に入射する集光部をさらに備えてもよい。集光部は、例えば、入射光が含む第１色領域の光を集光して低キャリア濃度第１半導体に入射し、第１色領域より短波長域の第２色領域の光を集光して低キャリア濃度第２半導体に入射する。
また、当該光電変換デバイスは、光吸収構造体における入射光が入射する面に配置された透明電極と、透明電極に接続された配線とをさらに備え、配線は、入射光が透明電極に入射する経路に重なることなく配置されていてもよい。当該光電変換デバイスは、ベース基板に含まれるシリコンと光吸収構造体とが電気的に結合され、入射光の入射を受けて、透明電極とシリコンとの間に起電力を発生してもよい。当該光電変換デバイスにおいては、ベース基板が、シリコンのバルク領域から電気的に分離されかつ光吸収構造体と電気的に結合しているウェル領域を有し、入射光の入射を受けて、透明電極とウェル領域との間に起電力を発生してもよい。
さらに、当該光電変換デバイスは、集光部の表面を覆い、第１半導体の禁制帯幅に相当する波長より長い波長の光を吸収または反射する光学膜をさらに備えてもよい。当該光電変換デバイスは、入射光が光吸収構造体に入射する経路に配置された重金属を含有する耐放射線膜をさらに備えてもよい。
また、当該光電変換デバイスは、阻害体は複数の開口を有し、複数の開口内に形成された複数の光吸収構造体を有し、複数の光吸収構造体のそれぞれに対応する集光部を備えてもよい。複数の光吸収構造体の各々は、例えば、互いに直列または並列に接続されている。一例として、互いに直列または並列に接続されている複数の光吸収構造体は、他の互いに直列または並列に接続されている複数の光吸収構造体と並列または直列に接続されている。
本発明の第３の態様においては、シリコンを含むベース基板の上方に阻害体を形成する段階と、阻害体に、ベース基板の表面を露出する開口を形成する段階と、開口の内部に、第１伝導型第１半導体を形成する段階と、第１伝導型第１半導体の上方に、低キャリア濃度第１半導体を形成する段階と、低キャリア濃度第１半導体の上方に、第１伝導型第１半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第１半導体を形成する段階と、第２伝導型第１半導体の上方に、第２伝導型第１半導体に格子整合または擬格子整合する第１伝導型第２半導体を形成する段階と、第１伝導型第２半導体の上方に、低キャリア濃度第２半導体を形成する段階と、低キャリア濃度第２半導体の上方に、第１伝導型第２半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第２半導体を形成する段階とを備える半導体基板の製造方法を提供する。
当該低キャリア濃度第１半導体は、第１伝導型第１半導体および第２伝導型第１半導体よりも低い有効キャリア濃度を有し、当該低キャリア濃度第２半導体は、第１伝導型第２半導体および第２伝導型第２半導体よりも低い有効キャリア濃度を有する。第１半導体を形成する段階と、第２半導体を形成する段階との間において、第１半導体を加熱してもよい。
当該製造方法は、例えば、第２伝導型第２半導体の上方に、第１伝導型第３半導体を形成する段階と、第１伝導型第３半導体の上方に、低キャリア濃度第３半導体を形成する段階と、低キャリア濃度第３半導体の上方に、第１伝導型第３半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第３半導体を形成する段階とをさらに備える。
本発明の第４の態様においては、第３の態様の半導体基板の製造方法を適用して、少なくとも第１半導体および第２半導体を有する光吸収構造体を形成する段階と、光吸収構造体を直列または並列に接続する段階とを備える光電変換デバイスの製造方法を提供する。
半導体基板１００の断面の一例を示す。 半導体基板１００の断面の一例を示す。 光電変換デバイス２００の断面の一例を示す。 光電変換デバイス２００の製造過程における断面例を示す。 光電変換デバイス２００の製造過程における断面例を示す。 光電変換デバイス２００の製造過程における断面例を示す。 光電変換デバイス２００の製造過程における断面例を示す。 光電変換デバイス２００の製造過程における断面例を示す。 半導体基板１００における光吸収構造体のエネルギーバンドの一例を示す。 半導体基板１００における第１半導体の組成分布の例を示す。 光電変換デバイス１０００の断面の一例を示す。 色収差を有する集光部材の焦点位置を示す。 光電変換デバイス１２００の断面の一例を示す。 光電変換デバイス１３００の断面の一例を示す。
図１Ａは、一の実施形態である半導体基板１００の断面の一例を示す。半導体基板１００は、ベース基板１０２、阻害体１０４、および光吸収構造体１４０を備える。光吸収構造体１４０は、第１半導体１１０および第２半導体１２０を有する。
ベース基板１０２は、シリコンを含む基板である。シリコンを含む基板として表面がシリコンである基板が挙げられる。例えば、ベース基板１０２は、Ｓｉ基板またはＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。ベース基板１０２は、例えばＢドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３のＳｉ基板である。
阻害体１０４は、ベース基板１０２の上に形成されている。阻害体１０４には、ベース基板１０２の表面を露出する開口１０６が形成されている。阻害体１０４は、結晶の成長を阻害する。例えば、エピタキシャル成長法により半導体の結晶を成長させる場合において、阻害体１０４の表面では、半導体の結晶のエピタキシャル成長が阻害されるので、半導体の結晶が開口１０６において選択的にエピタキシャル成長する。
阻害体１０４の厚みは、例えば０．０１μｍ以上５μｍ以下の厚みが好ましい。開口１０６の大きさは、開口１０６の内部に選択成長する半導体を無転位で形成できる大きさであることが好ましい。阻害体１０４は、例えば、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層等、またはこれらを積層した層である。阻害体１０４は、例えば、熱酸化法およびＣＶＤ法等により形成される。
第１半導体１１０は、第１伝導型第１半導体１１４、低キャリア濃度第１半導体１１５、および第２伝導型第１半導体１１６を有する。第１伝導型第１半導体１１４は、Ｐ型またはＮ型の伝導型を有する。
第２伝導型第１半導体１１６は、第１伝導型第１半導体１１４の上方に形成されている。第２伝導型第１半導体１１６は、第１伝導型第１半導体１１４と異なる伝導型を有する。例えば、第１伝導型第１半導体１１４がＰ型の伝導型を有する場合には、第２伝導型第１半導体１１６はＮ型の伝導型を有する。
低キャリア濃度第１半導体１１５は、第１伝導型第１半導体１１４と第２伝導型第１半導体１１６との間に形成されている。低キャリア濃度第１半導体１１５における有効キャリア濃度は、第１伝導型第１半導体１１４および第２伝導型第１半導体１１６における有効キャリア濃度よりも低い。例えば、低キャリア濃度第１半導体１１５は、第１伝導型第１半導体１１４および第２伝導型第１半導体１１６と同じ組成の真性半導体である。低キャリア濃度第１半導体１１５は、第１伝導型第１半導体１１４と第２伝導型第１半導体１１６との間に形成される空間電荷領域であってもよい。
ここで、「空間電荷領域」とは、半導体―半導体界面あるいは半導体―金属界面で、空間的な電荷の偏り（ビルドインポテンシャル）によって半導体内に形成される領域をいう。空間電荷領域は、半導体のＰＮ接合、ＰＩＮ接合、金属と半導体間のショットキー接合、および誘電体と半導体の接合等により形成される。
低キャリア濃度第１半導体１１５は、光の照射を受けると電子および正孔を生成する。低キャリア濃度第１半導体１１５において生成された電子は、第１伝導型第１半導体１１４および第２伝導型第１半導体１１６のうち、Ｎ型の伝導型を有する半導体に移動する。低キャリア濃度第１半導体１１５において生成された正孔は、Ｐ型の伝導型を有する半導体に移動する。その結果、第１半導体１１０は光の照射を受けて電気信号を発生する光電変換デバイスとして機能する。
第１半導体１１０は、一例として、阻害体１０４の開口１０６の内部に露出されたベース基板１０２の表面に接して、開口１０６の内部、または、開口１０６の内部および阻害体１０４の上方に形成される。半導体基板１００は、第１半導体１１０とベース基板１０２との間に他の半導体層を備えてもよい。例えば、半導体基板１００は、第１半導体１１０とベース基板１０２との間に、第１半導体１１０の結晶成長に適したシード結晶面を提供するシード結晶を備えてもよい。
第２半導体１２０は、第１伝導型第２半導体１２４、低キャリア濃度第２半導体１２５、および第２伝導型第２半導体１２６を有する。第１伝導型第２半導体１２４は、Ｐ型またはＮ型の伝導型を有する。第１伝導型第２半導体１２４は、第２伝導型第１半導体１１６に格子整合または擬格子整合する。
本明細書において、「擬格子整合」とは、完全な格子整合ではないが、互いに接する２つの半導体の格子定数の差が小さく、格子不整合による欠陥の発生が顕著でない範囲で、互いに接する２つの半導体を積層できる状態をいう。このとき、各半導体の結晶格子が、弾性変形できる範囲内で変形することで、上記格子定数の差が吸収される。例えば、ＧｅとＧａＡｓとの積層状態は、擬格子整合した状態である。
第２伝導型第２半導体１２６は、第１伝導型第２半導体１２４の上方に形成されている。第２伝導型第２半導体１２６は、第１伝導型第２半導体１２４と異なる伝導型を有する。例えば、第１伝導型第２半導体１２４がＰ型の伝導型を有する場合には、第２伝導型第２半導体１２６はＮ型の伝導型を有する。
低キャリア濃度第２半導体１２５は、第１伝導型第２半導体１２４と第２伝導型第２半導体１２６との間に形成されている。低キャリア濃度第２半導体１２５における有効キャリア濃度は、第１伝導型第２半導体１２４および第２伝導型第２半導体１２６における有効キャリア濃度よりも低い。例えば、低キャリア濃度第２半導体１２５は、第１伝導型第２半導体１２４および第２伝導型第２半導体１２６と同じ組成の真性半導体である。低キャリア濃度第２半導体１２５は、第１伝導型第２半導体１２４と第２伝導型第２半導体１２６との間に形成される空間電荷領域であってもよい。
低キャリア濃度第２半導体１２５は、光の照射を受けると電子および正孔を生成する。低キャリア濃度第２半導体１２５において生成された電子は、第１伝導型第２半導体１２４および第２伝導型第２半導体１２６のうち、Ｎ型の伝導型を有する半導体に移動する。低キャリア濃度第２半導体１２５において生成された正孔は、Ｐ型の伝導型を有する半導体に移動する。その結果、第２半導体１２０は光の照射を受けて電気信号を発生する光電変換デバイスとして機能する。
半導体基板１００は、第１半導体１１０と第２半導体１２０との間に、他の半導体層を備えてもよい。例えば、半導体基板１００は、第１半導体１１０と第２半導体１２０との間に、トンネル接合を形成する半導体層を備える。
第１半導体１１０および第２半導体１２０は、例えば化合物半導体である。第１半導体１１０は、例えばＣｘ１Ｓｉｙ１Ｇｅｚ１Ｓｎ１−ｘ１−ｙ１−ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、かつ０＜ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）である。第１半導体１１０は、非晶質または多結晶のＣｘ１Ｓｉｙ１Ｇｅｚ１Ｓｎ１−ｘ１−ｙ１―ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、かつ０＜ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）であってもよい。例えば、第１半導体１１０は、ＧｅまたはＳｉＧｅである。第１半導体１１０は、Ｇｅおよび組成の異なるＳｉＧｅから構成される複数の半導体層をさらに含んでもよい。
第２半導体１２０は、例えばＡｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ａｓｚ２Ｐｗ１Ｎ１−ｚ２−ｗ１（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、かつ０≦ｘ２＋ｙ２≦１，および０≦ｚ２≦１、０≦ｗ１≦１、かつ０≦ｚ２＋ｗ１≦１）である。第２半導体１２０は、例えばＩｎＧａＡｓである。第２半導体１２０は、複数の半導体層を含んでもよい。
第１半導体１１０および第２半導体１２０は、一例としてエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、化学気相析出法（ＣＶＤ法と称する）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法と称する）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法と称する）、および原子層成長法（ＡＬＤ法と称する）等を例示できる。
例えば、ベース基板１０２の上に熱酸化法により阻害体１０４を形成して、エッチング等のフォトリソグラフィ法により、ベース基板１０２の表面に到達する開口１０６を阻害体１０４に形成する。そして、ＣＶＤ法により、当該開口１０６の内部で第１伝導型第１半導体１１４および第２伝導型第１半導体１１６を順次選択成長させることによって、第１半導体１１０を形成することができる。第１半導体１１０を開口１０６の内部で選択成長させることにより、第１半導体１１０とベース基板１０２との格子定数の相違による格子欠陥の生成を抑制できる。その結果、第１半導体１１０の結晶性が高まるので、第１半導体１１０における光電変換効率を高めることができる。
第１半導体１１０は、結晶成長後に加熱されていることが好ましい。第１半導体１１０の内部には、ベース基板１０２と第１半導体１１０との格子定数の違い等により、転位等の格子欠陥が発生する場合がある。第１半導体１１０が加熱されると、格子欠陥が第１半導体１１０の内部を移動する。当該格子欠陥は、第１半導体１１０の内部を移動して、第１半導体１１０の界面もしくは側壁または第１半導体１１０の内部にあるゲッタリングシンク等に捕捉され、排除される。第１半導体１１０を加熱することにより、第１半導体１１０の欠陥を低減して、第１半導体１１０の結晶性を向上させることができる。
阻害体１０４の開口１０６の大きさを一定の大きさ以下にすることにより、開口１０６内部で選択成長する第１半導体１１０の大きさを制限できる。開口１０６の大きさが、加熱により格子欠陥が第１半導体１１０の表面に移動できる大きさであれば、加熱により、第１半導体１１０内部の格子欠陥が排除され、結晶性が極めて高い第１半導体１１０を製造することができる。
開口１０６の底面積は、好ましくは１ｍｍ２以下であり、より好ましくは２５μｍ２以上２５００μｍ２以下であり、さらに好ましくは１００μｍ２以上１６００μｍ２以下であり、特に好ましくは４００μｍ２以上９００μｍ２以下である。開口の底面積が２５μｍ２より小さいと、光電デバイスを作製する上で、面積が少なく、好ましくない。第１半導体１１０の結晶性を高めることにより、第１半導体１１０の光電変換効率がさらに高まる。
第２半導体１２０は、例えば、開口１０６の内部、または、開口１０６の内部および阻害体１０４の上方に形成される。第２半導体１２０は、第１半導体１１０をシード結晶として結晶成長する。第１半導体１１０が開口１０６の内部で結晶成長した場合には第１半導体１１０が高い結晶性を有するので、第１半導体１１０に格子整合または擬格子整合する第２半導体１２０も高い結晶性を有する。その結果、第２半導体１２０の光電変換効率を高めることができる。
第１半導体１１０は、第１禁制帯幅を有する材料で構成される。第２半導体１２０は、例えば、当該第１禁制帯幅より大きな第２禁制帯幅を有する材料で構成される。光電デバイスは、禁制帯幅に対応するエネルギーを有する光を吸収して電力に変換する。第１半導体１１０は、第１禁制帯に対応するエネルギーを有する光を吸収して、光電変換する。第２半導体１２０は、第１半導体１１０より幅の大きい第２禁制帯を有するので、第１半導体１１０が吸収する光の波長よりも短い波長の光を吸収して、光電変換する。半導体基板１００が上記の二層タンデム構造を有することにより、半導体基板１００は、広い波長範囲に渡って光を有効に吸収できるので、光電変換効率を高めることができる。
図１Ｂは、半導体基板１００の断面の他の一例を示す。半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、第３半導体１３０をさらに備える。第３半導体１３０は、第２半導体１２０に格子整合または擬格子整合して、第２半導体１２０の上方に形成されている。
第３半導体１３０は、第１伝導型第３半導体１３４、低キャリア濃度第３半導体１３５、および第２伝導型第３半導体１３６を有する。第１伝導型第３半導体１３４は、Ｐ型またはＮ型の伝導型を有する。第１伝導型第３半導体１３４は、第２伝導型第２半導体１２６に格子整合または擬格子整合する。
第２伝導型第３半導体１３６は、第１伝導型第３半導体１３４の上方に形成されている。第２伝導型第３半導体１３６は、第１伝導型第３半導体１３４と異なる伝導型を有する。低キャリア濃度第３半導体１３５は、第１伝導型第３半導体１３４と第２伝導型第３半導体１３６との間に形成されている。低キャリア濃度第３半導体１３５における有効キャリア濃度は、第１伝導型第３半導体１３４および第２伝導型第３半導体１３６における有効キャリア濃度よりも低い。例えば、低キャリア濃度第３半導体１３５は、第１伝導型第３半導体１３４および第２伝導型第３半導体１３６と同じ組成の真性半導体である。低キャリア濃度第３半導体１３５は、第１伝導型第３半導体１３４と第２伝導型第３半導体１３６との間に形成される空間電荷領域であってもよい。
第３半導体は、例えばＡｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ａｓｚ３Ｐ１−ｚ３（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、かつ０≦ｘ３＋ｙ３≦１）である。第３半導体１３０は、第２半導体１２０が有する第２禁制帯幅よりも大きな第３禁制帯幅を有する材料を含んでもよい。
第１半導体１１０、第２半導体１２０、および第３半導体は、例えば開口１０６の内部に形成される。第１半導体１１０、第２半導体１２０、および第３半導体１３０は、その一部が阻害体１０４の上方に形成されていてもよい。半導体基板１００が、第１半導体１１０、第２半導体１２０、および第３半導体１３０を含む３層タンデム構造を有することにより、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００よりも広い波長範囲に渡って光を有効に吸収できるので、光電変換効率を高めることができる。
図２は、他の実施形態である光電変換デバイス２００の断面の一例を示す。光電変換デバイス２００は、ベース基板２０２、ウェル２０３、阻害体２０４、第１半導体２１０、第２半導体２２０、第３半導体２３０、バッファ層２４２、半導体２４４、半導体２４６、半導体２５４、半導体２５６、コンタクト層２６８、透明電極２７２、パッシベーション層２７４、絶縁膜２７６、および配線２７８を備える。
阻害体２０４は、複数の開口２０６を有する。光電変換デバイス２００は、複数の開口２０６に形成された光吸収構造体Ｃ１および光吸収構造体Ｃ２を備える。光電変換デバイス２００は、さらに多くの光吸収構造体を備えてもよい。光吸収構造体Ｃ１と光吸収構造体Ｃ２は、一例として、同じ構成を有する。以下の光吸収構造体Ｃ１についての説明は、光吸収構造体Ｃ２にも適用できる。
ベース基板２０２は、図１Ａにおけるベース基板１０２に対応し、ベース基板１０２と同じ構成を有する。阻害体２０４は阻害体１０４に対応し、阻害体１０４と同じ構成を有する。
第１半導体２１０は、ＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）２１２、第１伝導型第１半導体２１４、低キャリア濃度第１半導体２１５、第２伝導型第１半導体２１６、およびウインドウ２１８を有する。第１半導体２１０は、例えばＩＶ族化合物半導体である。一例として、第１半導体２１０は、Ｃｘ１Ｓｉｙ１Ｇｅｚ１Ｓｎ１−ｘ１−ｙ１−ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、かつ０＜ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）である。第１半導体２１０は、例えばＧｅまたはＳｉＧｅまたはＣＳｉＧｅである。第１半導体２１０は、ダブルへテロ接合を有してもよい。第１半導体２１０は、第１禁制帯幅を有する材料を含んでもよい。
第１伝導型第１半導体２１４は、図１Ａにおける第１伝導型第１半導体１１４に対応する。第２伝導型第１半導体２１６は、第２伝導型第１半導体１１６に対応する。光吸収構造体Ｃ１は、第１伝導型第１半導体２１４と第２伝導型第１半導体２１６との間に、第１伝導型第１半導体２１４および第２伝導型第１半導体２１６よりも低い有効キャリア濃度を有する低キャリア濃度第１半導体２１５を有する。
第１伝導型第１半導体２１４として、厚さが０．５μｍ以上５０．０μｍ以下のＰ型Ｇｅを例示できる。その一例として、第１伝導型第１半導体２１４は、２．０μｍのＰ型Ｇｅである。低キャリア濃度第１半導体２１５として、厚さが０．３μｍ以上３．０μｍ以下で、キャリア濃度が１．０×１０１６ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下であるＰ型Ｇｅを例示でき、Ｂドーピング量が１．０×１０１６ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下のＰ型Ｇｅを例示できる。その一例として、低キャリア濃度第１半導体２１５は、１．０μｍのＰ型Ｇｅである。
また、第２伝導型第１半導体２１６として、厚さが０．０２μｍ以上５．０μｍ以下で、Ｐ（リン）ドーピング量が１×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下のＮ型Ｇｅを例示できる。一例として、第２伝導型第１半導体２１６は、厚さが０．０５μｍで、Ｐ（リン）ドーピング量が２．０×１０１８ｃｍ−３のＮ型Ｇｅである。上記第１伝導型第１半導体２１４および第２伝導型第１半導体２１６を含む第１半導体２１０は、例えば０．６６ｅＶの第１禁制帯幅を有する。
ＢＳＦ２１２は、電荷の再結合を抑制する再結合抑制体の一例である。ここで、ＢＳＦとは、Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄの略称をいう。また、再結合とは、励起された電子と励起された正孔とが結合して消滅することである。ＢＳＦ２１２は、第１伝導型第１半導体２１４および第２伝導型第１半導体２１６よりも大きい禁制帯幅を有してよい。ＢＳＦ２１２は、ベース基板２０２の上方に形成される。
ＢＳＦ２１２は、ベース基板２０２に格子整合または擬格子整合する半導体である。ＢＳＦ２１２として、厚さが０．０１μｍから０．５μｍで、Ｇａドーピング量が５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下のＰ型ＳｉＧｅを例示できる。一例として、ＢＳＦ２１２は、厚さが０．０２μｍで、Ｇａドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３のＰ型Ｓｉ０．１Ｇｅ０．９である。
ウインドウ２１８は、電荷の再結合を抑制する再結合抑制体の一例である。ウインドウ２１８は、第１伝導型第１半導体２１４および第２伝導型第１半導体２１６よりも大きい禁制帯幅を有してよい。ウインドウ２１８は、第２伝導型第１半導体２１６の上に形成される。ウインドウ２１８は、第２伝導型第１半導体２１６に格子整合または擬格子整合する半導体である。ウインドウ２１８として、厚さが０・０１μｍから０．３μｍで、Ｓｉドーピング量が１×１０１８ｃｍ−３以上４×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＩｎＰを例示できる。一例として、ウインドウ２１８は、厚さが０．０２μｍで、Ｓｉドーピング量が５．０×１０１８ｃｍ−３のＮ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐである。
第１半導体２１０が有する各半導体層は、例えばエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。例えば、まず、前述の方法により、ベース基板２０２の上に、ベース基板２０２の表面を露出する複数の開口２０６を有する阻害体２０４を形成する。そして、ＭＯＣＶＤ法により、当該開口２０６の内部にＢＳＦ２１２、第１伝導型第１半導体２１４、低キャリア濃度第１半導体２１５、第２伝導型第１半導体２１６、およびウインドウ２１８を順次選択成長させることによって、第１半導体２１０を形成することができる。
第１半導体２１０は、阻害体２０４の開口２０６の内部に露出されたベース基板２０２の表面に接して、例えば開口２０６の内部に形成される。第１半導体２１０の一部は、開口２０６からはみ出て阻害体２０４の上方に形成されていてもよい。
バッファ層２４２は、例えばウインドウ２１８の上方に形成される。バッファ層２４２は、例えば、ウインドウ２１８に格子整合または擬格子整合する半導体である。バッファ層２４２は、その上下にある半導体層の相互間の悪影響を低減できる半導体層であってもよい。バッファ層２４２は、例えばエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。
バッファ層２４２として、厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が２．０×１０１８ｃｍ−３以上２．０×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＡｓを例示できる。一例として、バッファ層２４２は、厚さが０．１μｍで、Ｓｉドーピング量が３．０×１０１８ｃｍ−３のＮ型ＧａＡｓである。
半導体２４４および半導体２４６は、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたＰ型半導体、またはＮ型不純物が高濃度にドープされたＮ型半導体である。半導体２４４および半導体２４６は、それぞれ異なる伝導型を有する半導体である。半導体２４４および半導体２４６は、トンネル接合されていてもよい。
例えば、半導体２４４が、Ｎ型不純物が高濃度にドープされたＮ型半導体であって、半導体２４６が、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたＰ型半導体である場合に、半導体２４４と半導体２４６との界面にトンネル接合が形成される。光吸収構造体Ｃ１が当該トンネル接合を有することにより、光電変換によって第１半導体２１０と第２半導体２２０との間で生成する電子または正孔が、第１半導体２１０と第２半導体２２０との間をスムーズに流れる。その結果、光吸収構造体Ｃ１が電流を効率よく出力することができる。
半導体２４４として、厚さが０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、Ｓｉドーピング量が３．０×１０１８ｃｍ−３以上２．０×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＡｓを例示できる。半導体２４４は、例えば、厚さが０．０１５μｍであり、Ｓｉドーピング量が１．０×１０１９ｃｍ−３以上のＮ型ＧａＡｓである。また、半導体２４６として、厚さが０．０１μｍ以上０．２μｍ以下で、Ｃドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３以上１．０×１０２１ｃｍ−３以下のＰ型ＧａＡｓを例示できる。半導体２４６は、例えば、厚さが０．０１５μｍであり、Ｃドーピング量が１．０×１０２０ｃｍ−３以上のＰ型ＧａＡｓである。
半導体２４４および半導体２４６は、バッファ層２４２の上方に形成されている。半導体２４４および半導体２４６は、バッファ層２４２に格子整合または擬格子整合する半導体である。半導体２４４および半導体２４６は、エピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、バッファ層２４２の上方に、半導体２４４および半導体２４６を順次選択成長させることができる。
第２半導体２２０は、ＢＳＦ２２２、第１伝導型第２半導体２２４、第２伝導型第２半導体２２６、およびウインドウ２２８を有する。第２半導体２２０は、例えば化合物半導体である。第２半導体２２０は、例えばＡｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ａｓｚ２Ｐｗ１Ｎ１−ｚ２−ｗ１（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、かつ０≦ｘ２＋ｙ２≦１，および０≦ｚ２≦１、０≦ｗ１≦１、かつ０≦ｚ２＋ｗ１≦１）である。第２半導体２２０は、ＩｎＧａＡｓであってよい。第２半導体２２０は、ダブルへテロ接合を有してもよい。第２半導体２２０は、第１半導体２１０が有する第１禁制帯幅よりも大きな第２禁制帯幅を有する材料を含んでもよい。
第１伝導型第２半導体２２４は、図１Ａにおける第１伝導型第２半導体１２４に対応する。第２伝導型第２半導体２２６は、第２伝導型第２半導体１２６に対応する。光吸収構造体Ｃ１は、第１伝導型第２半導体２２４と第２伝導型第２半導体２２６との間に、第１伝導型第２半導体２２４および第２伝導型第２半導体２２６よりも低い有効キャリア濃度を有する低キャリア濃度第２半導体２２５を有する。
第１伝導型第２半導体２２４として、厚さが０．３μｍ以上３．０μｍ以下で、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１７ｃｍ−３以上１．０×１０２０ｃｍ−３以下のＰ型ＩｎＧａＡｓを例示できる。第１伝導型第２半導体２２４は、例えば、厚さが０．０５μｍであり、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１９ｃｍ−３のＰ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓである。低キャリア濃度第２半導体２２５として、厚さが０．３μｍ以上３．０μｍ以下で、キャリア濃度が１．０×１０１６ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下のＰ型ＩｎＧａＡｓを例示でき、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１６ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下のＰ型ＩｎＧａＡｓを例示できる。例えば、厚さが１．０μｍであり、キャリア濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３であり、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１７ｃｍ−３のＰ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓが挙げられる。
また、第２伝導型第２半導体２２６として、厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が５．０×１０１７ｃｍ−３以上６．０×１０１８ｃｍ−３以下のＮ型ＩｎＧａＡｓを例示できる。第２伝導型第２半導体２２６は、例えば、厚さが０．０５μｍであり、Ｓｉドーピング量が２．０×１０１８ｃｍ−３のＮ型Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓである。第１伝導型第２半導体２２４および第２伝導型第２半導体２２６を有する第２半導体２２０は、例えば１．３９ｅＶの第２禁制帯幅を有する。
ＢＳＦ２２２は、電荷の再結合を抑制する再結合抑制体の一例である。ＢＳＦ２２２は、第１伝導型第２半導体２２４および第２伝導型第２半導体２２６よりも大きい禁制帯幅を有してよい。ＢＳＦ２２２は、半導体２４６の上方に形成されてよい。ＢＳＦ２２２は、半導体２４６に格子整合または擬格子整合する半導体である。ＢＳＦ２２２として、厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下で、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１８ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下のＰ型ＧａＩｎＰを例示できる。ＢＳＦ２２２は、例えば、厚さが０．０２μｍで、Ｚｎドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３のＰ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐである。
ウインドウ２２８は、電荷の再結合を抑制する再結合抑制体の一例である。ウインドウ２２８は、第１伝導型第２半導体２２４および第２伝導型第２半導体２２６よりも大きい禁制帯幅を有してよい。ウインドウ２２８は、例えば第２伝導型第２半導体２２６の上方に形成される。ウインドウ２２８は、第２伝導型第２半導体２２６に格子整合または擬格子整合する半導体である。ウインドウ２２８として、厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が１．０×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＩｎＰを例示できる。その一例として、ウインドウ２２８は、厚さが０．０２μｍで、Ｓｉドーピング量が５．０×１０１８ｃｍ−３であるＮ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐである。
第２半導体２２０に含まれる各半導体層は、例えばエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、半導体２４６の上にＢＳＦ２２２、第１伝導型第２半導体２２４、低キャリア濃度第２半導体２２５、第２伝導型第２半導体２２６、およびウインドウ２２８を順次選択成長させることによって、第２半導体２２０を形成することができる。第２半導体２２０は、阻害体２０４の開口２０６の内部に形成されてよく、開口２０６からはみ出て阻害体２０４の上に、その一部が形成されてもよい。
半導体２５４および半導体２５６は、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたＰ型半導体、またはＮ型不純物が高濃度にドープされたＮ型半導体である。半導体２５４および半導体２５６は、異なる伝導型を有する半導体である。半導体２５４と半導体２５６とが、トンネル接合されていてもよい。例えば、半導体２５４が、Ｎ型不純物が高濃度にドープされたＮ型半導体であって、半導体２５６が、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたＰ型半導体である場合に、半導体２５４と半導体２５６との界面にトンネル接合が形成される。光吸収構造体Ｃ１が当該トンネル接合を有することにより、光電変換によって第２半導体２２０と第３半導体２３０に形成される電子または正孔が、第２半導体２２０と第３半導体２３０の間をスムーズに流れる。その結果、光吸収構造体Ｃ１が電流を効率よく出力することができる。
半導体２５４として、厚さが０．０１μｍ以上０．２μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が３．０×１０１８ｃｍ−３以上２．０×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＡｓを例示できる。半導体２５４は、例えば、厚さが０．０１５μｍで、Ｓｉドーピング量が１．０×１０１９ｃｍ−３以上のＮ型ＧａＡｓである。また、半導体２５６として、厚さが０．０１μｍ以上０．２μｍ以下で、Ｃドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３以上１．０×１０２１ｃｍ−３以下のＰ型ＧａＡｓを例示できる。半導体２５６は、例えば、厚さが０．０１５μｍで、Ｃドーピング量が１．０×１０２０ｃｍ−３以上のＰ型ＧａＡｓである。
半導体２５４および半導体２５６は、ウインドウ２２８の上方に形成されてよい。半導体２５４および半導体２５６は、ウインドウ２２８に格子整合または擬格子整合する半導体である。半導体２５４および半導体２５６は、例えばエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、ウインドウ２２８の上方に、半導体２５４および半導体２５６を順次選択成長させることができる。
第３半導体２３０は、ＢＳＦ２３２、第１伝導型第３半導体２３４、低キャリア濃度第３半導体２３５、第２伝導型第３半導体２３６、およびウインドウ２３８を有する。第３半導体２３０は、例えば化合物半導体である。第３半導体２３０は、例えばＡｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ａｓｚ３Ｐ１−ｚ３（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、かつ０≦ｘ３＋ｙ３≦１）である。第３半導体２３０は、ＧａＩｎＰであってよい。第３半導体は、第３空間電荷領域を有してよい。第３半導体２３０は、ダブルへテロ接合を有してもよい。第３半導体は、上記第２禁制帯幅より大きな第３禁制帯幅を有する材料を含んでもよい。
ＢＳＦ２３２は、電荷の再結合を抑制する再結合抑制体の一例である。ＢＳＦ２３２は、第１伝導型第３半導体２３４および第２伝導型第３半導体２３６より大きい禁制帯幅を有する。ＢＳＦ２３２は、半導体２５６の上に形成されてもよい。例えば、ＢＳＦ２３２は、半導体２５６に格子整合または擬格子整合する半導体である。ＢＳＦ２３２として、厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下で、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１８ｃｍ−３以上５．０×１０１９ｃｍ−３以下のＰ型ＡｌＧａＩｎＰを例示できる。ＢＳＦ２３２は、例えば、厚さが０．０２μｍで、Ｚｎドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３であるＰ型Ａｌ０．１Ｇａ０．４Ｉｎ０．５Ｐである。
第１伝導型第３半導体２３４は、Ｐ型またはＮ型の伝導型を有する。第２伝導型第３半導体２３６は、第１伝導型第３半導体２３４と異なる伝導型を有する。例えば、第１伝導型第３半導体２３４がＰ型半導体であって、第２伝導型第３半導体２３６がＮ型半導体である場合には、第１伝導型第３半導体２３４と第２伝導型第３半導体２３６との間の低キャリア濃度第３半導体２３５に空間電荷領域が形成される。第３半導体２３０は、当該空間電荷領域に光が入射すると電子および正孔を生成する。第３半導体２３０において生成された電子が、第１伝導型第３半導体２３４および第２伝導型第３半導体２３６のうちのＮ型半導体側に移動し、正孔がＰ型半導体側に移動する。その結果、第３半導体２３０は、光電変換デバイスとして機能する。
第１伝導型第３半導体２３４として、厚さが０．３μｍ以上３．０μｍ以下で、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１７ｃｍ−３以上１．０×１０２０ｃｍ−３以下のＰ型ＧａＩｎＰを例示できる。その一例として、第１伝導型第３半導体２３４は、厚さが０．０５μｍで、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１９ｃｍ−３のＰ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐである。低キャリア濃度第３半導体２３５として、厚さが０．３μｍ以上３．０μｍ以下で、キャリア濃度が１．０×１０１６ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下のＰ型ＧａＩｎＰを例示でき、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１６ｃｍ−３以上１．０×１０１８ｃｍ−３以下のＰ型ＧａＩｎＰを例示できる。その一例として、低キャリア濃度第３半導体２３５は、厚さが１．０μｍで、キャリア濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３であり、Ｚｎドーピング量が１．０×１０１７ｃｍ−３のＰ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐである。
また、第２伝導型第３半導体２３６として、厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が５．０×１０１７ｃｍ−３以上６．０×１０１８ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＩｎＰを例示できる。その一例として、第２伝導型第３半導体２３６は、厚さが０．０５μｍで、Ｓｉドーピング量が２．０×１０１８ｃｍ−３のＮ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐである。第３半導体２３０は、例えば１．８０ｅＶの第３禁制帯幅を有する。
ウインドウ２３８は、電荷の再結合を抑制する再結合抑制体の一例である。ウインドウ２３８は、第１伝導型第３半導体２３４および第２伝導型第３半導体２３６よりも大きい禁制帯幅を有する。ウインドウ２３８は、第２伝導型第３半導体２３６の上方に形成されている。ウインドウ２３８は、第２伝導型第３半導体２３６に格子整合または擬格子整合する半導体である。ウインドウ２３８として、厚さが０．０１μｍ以上１μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が１．０×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＡｌＧａＩｎＰを例示できる。その一例として、ウインドウ２３８は、厚さが０．０２μｍで、Ｓｉドーピング量が５．０×１０１８ｃｍ−３であるＮ型Ａｌ０．１Ｇａ０．４Ｉｎ０．５Ｐである。
第３半導体２３０に含まれる各半導体層は、例えばエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、半導体２５６の上にＢＳＦ２３２、第１伝導型第３半導体２３４、低キャリア濃度第３半導体２３５、第２伝導型第３半導体２３６およびウインドウ２３８を順次選択成長させることによって、第３半導体２３０を形成することができる。第３半導体２３０は、例えば阻害体２０４の開口２０６の内部に形成される。第３半導体２３０は、開口２０６からはみ出て阻害体２０４の上に、その一部が形成されてもよい。
コンタクト層２６８は、その上に形成される透明電極２７２と第３半導体２３０との電気的伝導性を確保するために設けられた半導体である。コンタクト層２６８は、ウインドウ２３８と同一の伝導型を有してよい。コンタクト層２６８は、ウインドウ２３８の上に形成されている。コンタクト層２６８は、ウインドウ２３８に格子整合または擬格子整合する半導体である。コンタクト層２６８として、厚さが０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下で、Ｓｉドーピング量が３．０×１０１８ｃｍ−３以上２．０×１０１９ｃｍ−３以下のＮ型ＧａＡｓを例示できる。その一例として、コンタクト層２６８は、厚さが０．１０μｍで、Ｓｉドーピング量が６．０×１０１８ｃｍ−３のＮ型ＧａＡｓである。あるいは厚さが０．１０μｍで、Ｔｅドーピング量が２．０×１０１９ｃｍ−３のＮ型ＧａＡｓである。
コンタクト層２６８は、例えばエピタキシャル成長法により形成される。エピタキシャル成長法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、ウインドウ２３８の上にコンタクト層２６８を選択成長させることができる。
パッシベーション層２７４は、光吸収構造体Ｃ１の側壁に形成され、当該側壁における電荷の再結合を抑制する。パッシベーション層２７４の材料として、ＩｎＧａＰを例示できる。パッシベーション層２７４の形成方法として、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、およびＡＬＤ法等を例示できる。
絶縁膜２７６は、各光吸収構造体を電気的に分離する。絶縁膜２７６の材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｒＯ２等を例示できる。絶縁膜２７６は、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタ法、ＣＶＤ法、およびＭＯＣＶＤ法等を使用して形成できる。
透明電極２７２は、例えばコンタクト層２６８に接して形成される。透明電極２７２は、光吸収構造体Ｃ１から外部に電力を出力する。透明電極２７２は、導電性を有し、光吸収構造体Ｃ１に入射する光を遮断しない材料を有する。透明電極２７２の材料として、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等を例示できる。透明電極２７２の形成方法としては、スパッタ法等を例示できる。
ウェル２０３は、ベース基板２０２に含まれるシリコンに形成され、光吸収構造体Ｃ１の第１半導体と電気的に結合されている。ウェル２０３は、当該シリコンのバルク領域からは電気的に分離されている。例えば、ウェル２０３が当該シリコンと異なる伝導型を有する場合には、ウェル２０３と当該シリコンとの間にＰＮ接合が形成されるので、ウェル２０３と当該シリコンとが電気的に分離される。光吸収構造体Ｃ１が発生する電力は、ウェル２０３と透明電極２７２との間の起電力として取り出すことができる。
ウェル２０３は、イオン注入法あるいは熱拡散法により形成される。例えば、エッチング等フォトリソグラフィ法により、ベース基板２０２の上に、ウェル２０３が形成される予定位置に開口が形成されたマスクを形成してから、イオン注入してウェル２０３を形成することができる。例えば、Ｎ型Ｓｉベース基板２０２に、Ｂを注入または拡散することにより、Ｐ型ウェル２０３を形成することができる。
配線２７８は、透明電極２７２に接続され、透明電極２７２を介して光吸収構造体Ｃ１から取り出された電力を外部回路に出力する。本実施形態では、配線２７８が、光吸収構造体Ｃ２の透明電極２７２を光吸収構造体Ｃ１のウェル２０３に接続することにより、二つの光吸収構造体が直列的に接続されている。配線２７８の材料として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ等を例示できる。配線２７８の形成方法としては、ＣＶＤ法、真空蒸着法、およびスパッタ法等を例示できる。
光電変換デバイス２００は、第１半導体２１０、第２半導体２２０、および第３半導体２３０を含む３層タンデム構造を有する。光電変換デバイス２００が３層タンデム構造を有することにより、光電変換デバイス２００は広い波長範囲に渡って光を有効に吸収できるので、光電変換効率を高めることができる。
図３から図７は、光電変換デバイス２００の製造過程における断面例を示す。以下、図面を用いて光電変換デバイス２００の製造方法について説明する。光電変換デバイス２００の製造方法は、ウェルを形成する段階、阻害体を形成する段階、第１半導体を形成する段階、第１半導体を加熱する段階、第２半導体を形成する段階、第３半導体を形成する段階、パッシベーション処理する段階、および光吸収構造体を直列または並列に接続する段階を備える。
ウェルを形成する段階においては、ベース基板２０２にウェル２０３を形成する。例えば、Ｎ型シリコン基板のベース基板２０２にＰ型ウェル２０３を形成する場合には、エッチング等フォトリソグラフィ法により、ベース基板２０２の上に、ウェル２０３が形成される予定位置に開口を有するマスクを形成してから、Ｂイオンを注入してウェル２０３を形成する。
阻害体を形成する段階においては、図３に示すように、ベース基板２０２の上に、ベース基板２０２の表面を露出する開口２０６を有する阻害体２０４を形成する。阻害体２０４の形成は、例えば、熱酸化法によって、まずベース基板２０２の全面に酸化シリコン膜を形成する。エッチング等のフォトリソグラフィ法により、酸化シリコン膜に、ベース基板２０２の表面を露出する複数の開口２０６を形成することにより、阻害体２０４を形成する。
第１半導体を形成する段階においては、図４に示すように、開口２０６の内部に、選択エピタキシャル成長法により第１半導体２１０を形成する。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｐ型ＳｉＧｅのＢＳＦ２１２、Ｐ型Ｇｅの第１伝導型第１半導体２１４、低キャリア濃度第１半導体２１５、Ｎ型Ｇｅの第２伝導型第１半導体２１６、およびＮ型ＧａＩｎＰのウインドウ２１８を有する第１半導体２１０をエピタキシャル成長させる。
具体的には、まず、開口２０６を有する阻害体２０４が形成されたＳｉベース基板２０２を、減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉の加熱台上に載置する。次に、炉内を高純度水素で十分置換した後、ベース基板２０２の加熱を開始する。結晶成長時の基板温度は、５００℃から８００℃である。ベース基板２０２が適切な温度に安定したところで、炉内にＳｉ原料を導入し、続いてＧｅ原料を導入して、Ｐ型ＳｉＧｅのＢＳＦ２１２をエピタキシャル成長させる。
Ｓｉの原料として、クロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、テトラクロロシラン、シラン、またはジシランを例示できる。Ｇｅの原料として、ゲルマン、およびテトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）等を例示できる。アクセプタ不純物をＧａにして、Ｐ型ドーパントとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いてもよい。また、他のアクセプタ不純物としてＢ、Ａｌを用いることができる。ドーパントとしてトリメチルホウ素（ＴＭＢ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができる。
Ｐ型Ｇｅの第１伝導型第１半導体２１４、Ｎ型Ｇｅの第２伝導型第１半導体２１６、およびＮ型ＧａＩｎＰのウインドウ２１８を、順次ＢＳＦ２１２の上にエピタキシャル成長させてもよい。Ｉｎの原料として、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を例示できる。Ｐの原料として、ホスフィン（ＰＨ３）を例示できる。また、ドナー不純物をＰにして、Ｎ型ドーパントとしてホスフィンを用いてもよい。また、他のドナー不純物としてＡｓを用いることができる。ドーパントとしてアルシン（ＡｓＨ３）を用いることができる。
エピタキシャル成長条件の一例として、反応炉内圧力０．１ａｔｍ、成長温度６５０℃、成長速度１〜３μｍ／ｈｒが挙げられる。原料のキャリアガスとして、高純度水素を用いることができる。後述の各半導体の形成方法についても、同じＭＯＣＶＤ法を用いて、原料ガス、炉内圧力、成長温度、成長時間等のパラメータを調整することによって、エピタキシャル成長することができる。
第１半導体２１０を加熱する段階においては、第１半導体２１０を加熱することにより、第１半導体２１０の内部に、ベース基板２０２と第１半導体２１０との格子定数の違い等により発生した転位等の格子欠陥を低減して、第１半導体２１０の結晶性を向上させる。複数段階に分けて第１半導体２１０を加熱してもよい。例えば、第１半導体２１０の融点に達しない温度での高温アニールを実施した後、高温アニールの温度より低い温度での低温アニールを実施する。このような２段階のアニールを、複数回繰り返してもよい。
一例として、第１半導体２１０の各半導体層を全て形成した後で、第１半導体２１０を加熱する。第１半導体に含まれる一部の半導体を形成してから、第１半導体２１０を加熱してもよい。例えば、Ｐ型ＳｉＧｅのＢＳＦ２１２だけを形成した後、第１半導体２１０を加熱してもよい。この場合に、高温アニールの温度および時間は、例えば、８５０〜９００℃で２〜１０分間である。低温アニールの温度および時間は、例えば、６５０〜７８０℃で２〜１０分間である。このような２段階アニールを、例えば１０回繰り返してもよい。
第２半導体２２０を形成する段階においては、図５に示すように、エピタキシャル成長法により、バッファ層２４２、半導体２４４、半導体２４６、および第２半導体２２０を順次形成する。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、まず、ウインドウ２１８に接して、Ｎ型ＧａＡｓのバッファ層２４２をエピタキシャル成長させる。その後、バッファ層２４２の上方に、順次Ｎ型ＧａＡｓの半導体２４４、Ｐ型ＧａＡｓの半導体２４６、Ｐ型ＧａＩｎＰのＢＳＦ２２２、Ｐ型ＩｎＧａＡｓの第１伝導型第２半導体２２４、低キャリア濃度第２半導体２２５、Ｎ型ＩｎＧａＡｓの第２伝導型第２半導体２２６、およびＮ型ＧａＩｎＰのウインドウ２２８をエピタキシャル成長させてもよい。
Ａｓの原料として、アルシン（ＡｓＨ３）を例示できる。アクセプタ不純物として、更にＣ、Ｚｎ等を例示できる。ドナー不純物として、更にＳｉ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｔｅ、およびＳ等を例示できる。
第３半導体を形成する段階においては、図６に示すように、エピタキシャル成長法により、半導体２５４、半導体２５６、第３半導体、およびコンタクト層２６８を順次形成する。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、まず、ウインドウ２２８に接して、Ｎ型ＧａＡｓの半導体２５４をエピタキシャル成長させる。その後、半導体２５４の上に、順次Ｐ型ＧａＡｓの半導体２５６、Ｐ型ＡｌＧａＩｎＰのＢＳＦ２３２、Ｐ型ＧａＩｎＰの第１伝導型第３半導体２３４、低キャリア濃度第３半導体２３５、Ｎ型ＧａＩｎＰの第２伝導型第３半導体２３６、Ｎ型ＡｌＧａＩｎＰのウインドウ２３８、およびＮ型ＧａＡｓのコンタクト層２６８をエピタキシャル成長させる。
パッシベーション処理する段階においては、図７に示すように、光吸収構造体Ｃ１および光吸収構造体Ｃ２の側壁にパッシベーション層２７４および絶縁膜２７６を形成した後に、透明電極２７２を形成する。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、光吸収構造体Ｃ１および光吸収構造体Ｃ１の側面に、ＩｎＧａＰのパッシベーション層２７４をエピタキシャルに形成する。例えば、ＺｒＯ２膜をスパッタ法により形成することにより、絶縁膜２７６を得ることができる。
次に、エッチング等フォトリソグラフィ法により、透明電極を形成する位置の絶縁膜２７６を部分的に除去して開口を形成して、コンタクト層２６８を露出する。続いて、透明電極２７２を形成する位置に開口が形成されたマスクを形成してから、スパッタ法により、例えばＩＴＯからなる透明電極膜を形成する。その後、マスクをリフトオフすることにより、図７に示すように、透明電極２７２を形成する。
光吸収構造体を直列または並列に接続する段階においては、図２に示すように、配線２７８を形成して、光吸収構造体Ｃ１と光吸収構造体Ｃ２とを接続する。例えば、配線２７８を形成する位置に開口が形成されたマスクを形成してから、真空蒸着法により、たとえばＡｌからなる金属膜を蒸着する。その後、マスクをリフトオフすることにより、配線２７８を形成することができる。
図２に示した光電変換デバイス２００においては、配線２７８によって、光吸収構造体Ｃ２の透明電極２７２を光吸収構造体Ｃ１のウェル２０３に接続して、二つの光吸収構造体が直列に接続されていた。光電変換デバイス２００においては、配線２７８によって、光吸収構造体Ｃ１および光吸収構造体Ｃ２が並列に接続してもよい。例えば、伝導性を有するＳｉベース基板２０２に、ウェル２０３を形成することなく、光吸収構造体Ｃ１および光吸収構造体Ｃ２をベース基板２０２に接して形成すれば、二つの光吸収構造体の第１半導体２１０はベース基板２０２を通じて接続される。この状態で、光吸収構造体Ｃ１と光吸収構造体Ｃ２の透明電極を配線によって接続すれば、二つの光吸収構造体が並列に接続される。
並列接続する場合、並列接続する２つ以上の光吸収構造体を形成する２つ以上の開口は、結晶性を損なわない範囲で接続されていてよい。開口が接続されていると、その間にデバイスと同様の構造が形成されるので、配線を形成する際に、段差の影響を受けなくなり、好ましい。例えば、２０μｍ四方の開口を互いに孤立させずに、隣接する開口との間を、例えば３μｍ程度の細い開口でつなぐ。それによって、上側の配線は段差の影響を受けずに容易に接続ができる。
図８は、半導体基板１００における光吸収構造体のエネルギーバンドの一例を示す。図８の上部は、半導体基板１００の断面を示す。図８の下部は、第１半導体１１０または第２半導体１２０のエネルギーバンドを示す。横軸は、第１半導体１１０または第２半導体１２０におけるベース基板１０２に平行する面内位置を示す。縦軸は、第１半導体１１０または第２半導体１２０のエネルギーバンドを示す。下の曲線は、価電子帯の上端を示し、上の曲線は、伝導帯の下端を示す。上の曲線と下の曲線との間隔は禁制帯幅を示す。
第１半導体１１０または第２半導体１２０は、例えば、ベース基板１０２に平行する面内において、ベース基板１０２に平行な面の中心からの距離がより大きな位置において、より大きな禁制帯幅となる組成分布を有する。つまり、第１半導体１１０または第２半導体１２０は、中心部に比較して周辺部の禁制帯幅が大きくなるような組成分布を有する。
例えば、第１半導体１１０または第２半導体１２０は、図８に示すように、第１半導体１１０の中心部にＥｇ１の禁制帯幅を有し、周辺部にＥｇ１より大きいＥｇ２の禁制帯幅を有する。第１半導体１１０がＳｉＧｅである場合に、中心部から周辺部に向かって徐々にＳｉの組成を増やすことにより、図８に示すように禁制帯幅が変化する。第２半導体１２０がＩｎＧａＡｓである場合に、中心部から周辺部に向かって徐々にＩｎの組成を減らし、Ｇａの組成を増やすことにより、図８に示すように禁制帯幅の変化が得られる。
第１半導体１１０または第２半導体１２０の周辺部が、中心部より広い禁制帯幅Ｅｇ２を有することによって、光電変換によって発生したキャリアが周辺部において再結合することを抑制することができる。上記の光電変換デバイス２００における第１半導体２１０、第２半導体２２０、および第３半導体２３０の何れかにおいて、ベース基板２０２に平行する面内において、図８に示すように変化する禁制帯幅を有してよい。
図９は、半導体基板１００における第１半導体の組成分布の例を示す。図９（ａ）は、半導体基板１００の断面を示す。図９（ｂ）から図９（ｅ）は、第１半導体１１０に含まれる第１伝導型第１半導体１１４の組成分布を示す。第１半導体１１０および第２半導体１２０の積層方向におけるベース基板１０２からの距離に応じて、第１半導体１１０の組成が変化している。
例えば、第１半導体１１０がＳｉＧｅであって、第２半導体１２０がＧｅである場合に、第１半導体１１０のベース基板１０２に接する面から第２半導体に向かう方向において、シリコンの割合が減少する。Ｓｉの組成の変化は、（ｂ）から（ｄ）に示す例のように、連続的に変化してよい。Ｓｉの組成の変化は、（ｅ）に示すように段階的に変化してもよい。
第１半導体１１０におけるＳｉの組成は、第１伝導型第１半導体１１４において変化し、低キャリア濃度第１半導体１１５および第２伝導型第１半導体１１６においては変化しないことが好ましい。その結果、第１伝導型第１半導体１１４がベース基板１０２と格子整合するとともに、第２伝導型第１半導体１１６と第１伝導型第２半導体１２４とが格子整合する。
Ｓｉを含むベース基板１０２に近い部位に高いＳｉ組成を有し、Ｇｅの第２半導体１２０に近い部位に高いＧｅ組成を有することにより、ベース基板１０２と第１半導体１１０および第２半導体１２０の格子定数の違いにより発生する内部応力を緩和することができる。その結果、内部応力により生成する転位等の格子欠陥を低減して、結晶性を向上させることができる。
図１０は、光電変換デバイス１０００の断面の一例を示す。光電変換デバイス１０００は、ベース基板１００２、透明電極１０７２、配線１０７８、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、光吸収構造体Ｃ３、集光部材１０８２、および封止部材１０８４を備える。ベース基板１００２は、光電変換デバイス２００におけるベース基板２０２に対応する。透明電極１０７２は透明電極２７２に対応する。配線１０７８は配線２７８に対応する。光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３は、光電変換デバイス２００における光吸収構造体Ｃ１に対応して、同じ構成を有してよい。
集光部材１０８２は、入射する光の少なくとも一部の光が光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、または光吸収構造体Ｃ３に入射するように光を集束する。集光部材１０８２は、例えば光学レンズである。集光部材１０８２は、ガラス、プラスチック等のように、光を透過する材料によって構成されてよい。集光部材１０８２は、光を集束するレンズ効果を有する部材である。光電変換デバイス１０００は、光吸収構造体のそれぞれに対応する複数の集光部材１０８２を有してもよい。複数の集光部材１０８２は、図１０に示すように一体に成型されてもよい。
集光部材１０８２は、集束する光が光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、または光吸収構造体Ｃ３に入射する位置に設けられている。集光部材１０８２は、例えば、入射光の第１色領域、および、当該第１色領域より短波長域の第２色領域、更に、当該第２色領域より短波長域の第３色領域に対応して、焦点距離が相違する色収差を有する。
図１１は、色収差を有する集光部材の焦点位置を示す。図１１は、図１０における光吸収構造体Ｃ１の部分を拡大した図面である。光吸収構造体Ｃ１は、光電変換デバイス２００における光吸収構造体Ｃ１に対応して、同じ構成を有する。図１１においては、説明に一部の構成部分を省略している。
光吸収構造体Ｃ１は、第１半導体１０１０、第２半導体１０２０、および第３半導体１０３０を含む３層タンデム構造を有する。半導体１０１４、半導体１０１６、半導体１０２４、半導体１０２６、半導体１０３４、および半導体１０３６は、それぞれ光電変換デバイス２００における第１伝導型第１半導体２１４、第２伝導型第１半導体２１６、第１伝導型第２半導体２２４、第２伝導型第２半導体２２６、第１伝導型第３半導体２３４、および第２伝導型第３半導体２３６に対応する。
集光部材１０８２は、色収差を有して、図１１に示すように、各波長の光に対応する焦点が、Ｆ０１、Ｆ０２およびＦ０３で示すように、一定の範囲に渡って分布する。第１半導体１０１０の禁制帯幅に対応するエネルギーを持つ光に対する集光部材１０８２の焦点位置Ｆ０１は、第１半導体１０１０における第１空間電荷領域の位置、即ち低キャリア濃度半導体１０１５に位置する。第２半導体１０２０の禁制帯幅に対応するエネルギーを持つ光に対する集光部材１０８２の焦点位置Ｆ０２は、第２半導体１０２０における第２空間電荷領域の位置、即ち低キャリア濃度半導体１０２５に位置する。
第３半導体１０３０の禁制帯幅に対応するエネルギーを持つ光に対する集光部材１０８２の焦点位置Ｆ０３は、第３半導体１０３０における第３空間電荷領域の位置、即ち低キャリア濃度半導体１０３５に位置する。集光部材１０８２のそれぞれの光に対する焦点位置が第１空間電荷領域の位置、第２空間電荷領域の位置、および、第３空間電荷領域の位置に等しいので、光吸収構造体Ｃ１が、それぞれ第１半導体１０１０、第２半導体１０２０および第３半導体１０３０の禁制帯幅に対応する波長を有する光を効率よく吸収できる。従って、光電変換デバイス１０００の光電変換効率を高めることができる。
集光部材１０８２は、その表面を覆うように、第１半導体１０１０の禁制帯幅に相当する波長より長波長の光を吸収または反射する光学膜をさらに含んでもよい。光電変換デバイス１０００は、集光部材１０８２で集光された光のうち、光吸収構造体Ｃ１等に入射する光の経路に選択的に配置された、重金属を含有する耐放射線膜、をさらに含んでよい。例えば、透明電極１０７２の上部に、さらに重金属を含有する耐放射線膜を設置してよい。
封止部材１０８４は、図１０に示すように、光電変換デバイス１０００を一体に封止する。封止部材１０８４は、ガラス、プラスチック等のような透明な材料によって構成されてよい。封止部材１０８４は、集光部材１０８２と一体で形成されてもよい。集光部材１０８２が、封止部材１０８４により保持されてもよい。
配線１０７８は、光電変換デバイス２００における配線２７８に対応する。配線１０７８は、入射光が入射する側の光吸収構造体Ｃ１等に配置された透明電極１０７２に接続される。配線１０７８は、図１０に示すように、入射光が透明電極１０７２に入射する経路に重なることなく配置される。つまり、入射光が集光部材１０８２で集光されることにより生じる影の部分に配置されてよい。具体的には、図１０に示した破線より下方の影の領域に配置されてよい。上記配置により、集光部材１０８２によって集束される光が配線により遮断されることはなく光吸収構造体に入射するので、光電変換デバイス１０００は効率よく光電変換ができる。
図１２は、光電変換デバイス１２００の一例を示す。図１２の上部は、光電変換デバイス１２００の断面を示す。図１２の下部は、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３の接続状況の対応回路図を示す。光電変換デバイス１２００は、ベース基板１２０２、ウェル１２０３、阻害体１２０４、透明電極１２７２、配線１２７８、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３を備える。
ベース基板１２０２は、光電変換デバイス２００におけるベース基板２０２に対応する。ウェル１２０３はウェル２０３に対応する。透明電極１２７２は透明電極２７２に対応する。配線１２７８は配線２７８に対応する。光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３は、光電変換デバイス２００における光吸収構造体Ｃ１に対応する。
図１２に示すように、光電変換デバイス１２００においては、光吸収構造体Ｃ３の透明電極１２７２が、配線１２７８によって、光吸収構造体Ｃ２の下部に形成されたウェル１２０３に接続され、光吸収構造体Ｃ２の透明電極１２７２が、配線１２７８によって、光吸収構造体Ｃ１の下部に形成されたウェル１２０３に接続されている。即ち、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３は、図１２の下部の対応回路図に示すように、直列に接続されている。この場合に、光電変換デバイス１２００が発生する電力は、光吸収構造体Ｃ１における透明電極１２７２と光吸収構造体Ｃ３におけるウェル１２０３との間の起電力として取り出すことができる。図１２には三つの光吸収構造体が直列に接続される例を示すが、より多くの光吸収構造体を直列に接続してよい。
図１３は、光電変換デバイス１３００の一例を示す。図１３の上部は、光電変換デバイス１３００の断面を示す。図１３の下部は、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３の接続状況の対応回路図を示す。光電変換デバイス１３００は、ベース基板１３０２、ウェル１３０３、阻害体１３０４、透明電極１３７２、配線１３７８、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３を備える。
ベース基板１３０２は、光電変換デバイス２００におけるベース基板２０２に対応する。ウェル１３０３はウェル２０３に対応する。透明電極１３７２は透明電極２７２に対応する。配線１３７８は配線２７８に対応する。光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２および光吸収構造体Ｃ３は、光電変換デバイス２００における光吸収構造体Ｃ１に対応する。
図１３に示すように、光電変換デバイス１３００においては、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３の透明電極１２７２が、配線１２７８によって互いに接続されている。また、光電変換デバイス１３００においては、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２、および光吸収構造体Ｃ３が、その下部に形成されたウェル１３０３によって、互いに電気的に接続されている。即ち、光吸収構造体Ｃ１、光吸収構造体Ｃ２および光吸収構造体Ｃ３は、図１３の下部の対応回路図に示すように、並列に接続されている。光電変換デバイス１３００が発生する電力は、透明電極１３７２とウェル１３０３との間の起電力として取り出すことができる。図１３には三つの光吸収構造体が並列に接続される例を示すが、より多くの光吸収構造体を並列に接続してよい。
上記のように、互いに直列または並列に接続されている複数の光吸収構造体は、他の互いに直列または並列に接続されている複数の光吸収構造体と更に並列または直列に接続されてよい。
以上の実施態様において、Ｓｉを含む基板の上に、開口を有する阻害体を形成して、当該開口内に選択的に第１半導体、第２半導体および第３半導体をエピタキシャルに成長させた。これにより、Ｓｉと化合物半導体との格子定数の相違に起因する格子欠陥を低減し、結晶性の高いタンデム構造の光吸収構造体が形成できた。光吸収体の結晶性を高めたので、高い光電変換効率の光電変換デバイスが得られた。また、集光部材を組み合わせることによって、効率よく光を集束して光吸収体に光を入射でき、光電変換デバイスの光電変換効率をさらに高めることができた。
１００ 半導体基板、１０２ ベース基板、１０４ 阻害体、１０６ 開口、１１０ 第１半導体、１１４ 第１伝導型第１半導体、１１５ 低キャリア濃度第１半導体、１１６ 第２伝導型第１半導体、１２０ 第２半導体、１２４ 第１伝導型第２半導体、１２５ 低キャリア濃度第２半導体、１２６ 第２伝導型第２半導体、１３０ 第３半導体、１３４ 第１伝導型第３半導体、１３５ 低キャリア濃度第３半導体、１３６ 第２伝導型第３半導体、１４０ 光吸収構造体、２００ 光電変換デバイス、２０２ ベース基板、２０３ ウェル、２０４ 阻害体、２０６ 開口、２１０ 第１半導体、２１２ ＢＳＦ、２１４ 第１伝導型第１半導体、２１５ 低キャリア濃度第１半導体、２１６ 第２伝導型第１半導体、２１８ ウインドウ、２２０ 第２半導体、２２２ ＢＳＦ、２２４ 第１伝導型第２半導体、２２５ 低キャリア濃度第２半導体、２２６ 第２伝導型第２半導体、２２８ ウインドウ、２３０ 第３半導体、２３２ ＢＳＦ、２３４ 第１伝導型第３半導体、２３５ 低キャリア濃度第３半導体、２３６ 第２伝導型第３半導体、２３８ ウインドウ、２４２ バッファ層、２４４ 半導体、２４６ 半導体、２５４ 半導体、２５６ 半導体、２６８ コンタクト層、２７２ 透明電極、２７４ パッシベーション層、２７６ 絶縁膜、２７８ 配線、１０００ 光電変換デバイス、１００２ ベース基板、１０１０ 第１半導体、１０１４ 半導体、１０１５ 低キャリア濃度半導体、１０２５ 低キャリア濃度半導体、１０３５ 低キャリア濃度半導体、１０１６ 半導体、１０２０ 第２半導体、１０２４ 半導体、１０２６ 半導体、１０３０ 第３半導体、１０３４ 半導体、１０３６ 半導体、１０７２ 透明電極、１０７８ 配線、１０８２ 集光部材、１０８４ 封止部材、１２００ 光電変換デバイス、１２０２ ベース基板、１２０３ ウェル、１２０４ 阻害体、１２７２ 透明電極、１２７８ 配線、１３００ 光電変換デバイス、１３０２ ベース基板、１３０３ ウェル、１３０４ 阻害体、１３７２ 透明電極、１３７８ 配線

Claims (23)

  1. シリコンを含むベース基板と、
    前記ベース基板上に形成され、前記ベース基板の表面を露出する開口を有し、結晶成長を阻害する阻害体と、
    前記開口の内部に露出された前記ベース基板の表面に接して、前記開口の内部に形成され、第１半導体、第２半導体および第３半導体を有する光吸収構造体と、
    を備え、
    前記第１半導体が、
    第１伝導型第１半導体と、
    前記第１伝導型第１半導体の上方に形成され、前記第１伝導型第１半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第１半導体と、
    前記第１伝導型第１半導体と前記第２伝導型第１半導体との間に形成され、前記第１伝導型第１半導体および前記第２伝導型第１半導体よりも有効キャリア濃度が低い低キャリア濃度第１半導体と、を含み、
    前記第２半導体が、
    前記第２伝導型第１半導体に格子整合または擬格子整合し、前記第２伝導型第１半導体と反対の伝導型を有する第１伝導型第２半導体と、
    前記第１伝導型第２半導体の上方に形成され、前記第１伝導型第２半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第２半導体と、
    前記第１伝導型第２半導体と前記第２伝導型第２半導体との間に形成され、前記第１伝導型第２半導体および前記第２伝導型第２半導体よりも有効キャリア濃度が低い低キャリア濃度第２半導体と、を含み、
    前記第３半導体が、
    前記第２伝導型第２半導体に格子整合または擬格子整合する第１伝導型第３半導体と、
    前記第１伝導型第３半導体の上方に形成され、前記第１伝導型第３半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第３半導体と、
    前記第１伝導型第３半導体と前記第２伝導型第３半導体との間に形成され、前記第１伝導型第３半導体および前記第２伝導型第３半導体よりも有効キャリア濃度が低い低キャリア濃度第３半導体と、を含み、
    前記第１半導体、前記第２半導体、および前記第３半導体から選択された１以上の半導体は、前記第１半導体、前記第２半導体、および前記第３半導体のそれぞれにおける前記ベース基板に平行な面の中心からの距離がより大きな位置において、より大きな禁制帯幅となる組成分布を有する
    半導体基板。
  2. 前記第１半導体は、第１禁制帯幅を有する材料を有し、
    前記第２半導体は、前記第１禁制帯幅より大きな第２禁制帯幅を有する材料を有し、
    前記第３半導体は、前記第２禁制帯幅より大きな第３禁制帯幅を有する材料を有する請求項１に記載の半導体基板。
  3. 前記第１半導体は、Ｃｘ１Ｓｉｙ１Ｇｅｚ１Ｓｎ１−ｘ１−ｙ１−ｚ１（０≦ｘ１＜１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、かつ０＜ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）からなり、
    前記第２半導体は、Ａｌｘ２Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ａｓｚ２Ｐｗ１Ｎ１−ｚ２−ｗ１（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、かつ０≦ｘ２＋ｙ２≦１，および０≦ｚ２≦１、０≦ｗ１≦１、かつ０≦ｚ２＋ｗ１≦１）からなり、
    前記第３半導体は、Ａｌｘ３Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ａｓｚ３Ｐ１−ｚ３（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、かつ０≦ｘ３＋ｙ３≦１）からなる請求項２に記載の半導体基板。
  4. 前記光吸収構造体は、光の照射を受けてキャリアを励起し、
    前記ベース基板と前記第１伝導型第１半導体との間、前記第２伝導型第１半導体と前記第１伝導型第２半導体との間、前記第２伝導型第２半導体と前記第１伝導型第３半導体との間、および前記第２伝導型第３半導体の前記低キャリア濃度第３半導体と接する面と反対の面上の少なくとも一つの位置に、前記キャリアの再結合を抑制する再結合抑制層を有する請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体基板。
  5. 前記光吸収構造体の側壁に接して形成された、前記側壁における前記キャリアの再結合を抑制する再結合抑制体をさらに備える請求項４に記載の半導体基板。
  6. 前記第２伝導型第１半導体と前記第１伝導型第２半導体との間、および、前記第２伝導型第２半導体と前記第１伝導型第３半導体との間の少なくとも一つの位置に、Ｐ型不純物が高濃度にドープされたＰ型不純物層およびＮ型不純物が高濃度にドープされたＮ型不純物層を有するトンネル接合層をさらに備える請求項１から請求項５の何れか一項に記載の半導体基板。
  7. 前記第１半導体および前記第２半導体の積層方向における前記ベース基板からの距離に応じて前記第１半導体の組成が変化している請求項１から請求項６の何れか一項に記載の半導体基板。
  8. 前記第１半導体は、前記ベース基板からの距離が大きいほどシリコンの割合が少ない組成を有する請求項７に記載の半導体基板。
  9. 前記阻害体は複数の前記開口を有し、前記複数の開口内に形成された複数の前記光吸収構造体を備える請求項１から請求項８の何れか一項に記載の半導体基板。
  10. 請求項１から請求項９の何れか一項に記載の半導体基板を備え、前記光吸収構造体への入射光を電力に変換する光電変換デバイス。
  11. 前記入射光の少なくとも一部を集光して前記光吸収構造体に入射する集光部をさらに備える請求項１０に記載の光電変換デバイス。
  12. 前記集光部は、前記入射光が含む第１色領域の光を集光して前記低キャリア濃度第１半導体に入射し、前記第１色領域より短波長域の第２色領域の光を集光して前記低キャリア濃度第２半導体に入射する請求項１１に記載の光電変換デバイス。
  13. 前記光吸収構造体における前記入射光が入射する面に配置された透明電極と、
    前記透明電極に接続された配線と
    をさらに備え、
    前記配線は、前記入射光が前記透明電極に入射する経路に重なることなく配置されている請求項１１または請求項１２に記載の光電変換デバイス。
  14. 前記ベース基板に含まれる前記シリコンと前記光吸収構造体とが電気的に結合され、前記入射光の入射を受けて、前記透明電極と前記シリコンとの間に起電力を発生する
    請求項１３に記載の光電変換デバイス。
  15. 前記ベース基板が、前記シリコンのバルク領域から電気的に分離されかつ前記光吸収構造体と電気的に結合しているウェル領域を有し、
    前記入射光の入射を受けて、前記透明電極と前記ウェル領域との間に起電力を発生する請求項１３に記載の光電変換デバイス。
  16. 前記集光部の表面を覆い、前記第１半導体の禁制帯幅に相当する波長より長い波長の光を吸収または反射する光学膜をさらに備える請求項１１から請求項１５の何れか一項に記載の光電変換デバイス。
  17. 前記入射光が前記光吸収構造体に入射する経路に配置された重金属を含有する耐放射線膜をさらに備える請求項１１から請求項１６の何れか一項に記載の光電変換デバイス。
  18. 前記阻害体は複数の前記開口を有し、
    前記複数の開口内に形成された複数の前記光吸収構造体を有し、
    前記複数の光吸収構造体のそれぞれに対応する前記集光部を備える請求項１１から請求項１７の何れか一項に記載の光電変換デバイス。
  19. 前記複数の光吸収構造体の各々は、互いに直列または並列に接続されている請求項１８に記載の光電変換デバイス。
  20. 前記互いに直列または並列に接続されている前記複数の光吸収構造体は、他の互いに直列または並列に接続されている複数の光吸収構造体と並列または直列に接続されている請求項１９に記載の光電変換デバイス。
  21. シリコンを含むベース基板の上方に阻害体を形成する段階と、
    前記阻害体に、前記ベース基板の表面を露出する開口を形成する段階と、
    前記開口の内部に、第１伝導型第１半導体を形成する段階と、
    前記第１伝導型第１半導体の上方に、低キャリア濃度第１半導体を形成する段階と、
    前記低キャリア濃度第１半導体の上方に、前記第１伝導型第１半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第１半導体を形成する段階と、
    前記第２伝導型第１半導体の上方に、前記第２伝導型第１半導体に格子整合または擬格子整合する第１伝導型第２半導体を形成する段階と、
    前記第１伝導型第２半導体の上方に、低キャリア濃度第２半導体を形成する段階と、
    前記低キャリア濃度第２半導体の上方に、前記第１伝導型第２半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第２半導体を形成する段階と、
    前記第２伝導型第２半導体の上方に、前記第２伝導型第２半導体に格子整合または擬格子整合する第１伝導型第３半導体を形成する段階と、
    前記第１伝導型第３半導体の上方に、低キャリア濃度第３半導体を形成する段階と、
    前記低キャリア濃度第３半導体の上方に、前記第１伝導型第３半導体と反対の伝導型を有する第２伝導型第３半導体を形成する段階と、
    を備え、
    前記低キャリア濃度第１半導体は、前記第１伝導型第１半導体および前記第２伝導型第１半導体よりも低い有効キャリア濃度を有し、
    前記低キャリア濃度第２半導体は、前記第１伝導型第２半導体および前記第２伝導型第２半導体よりも低い有効キャリア濃度を有し、
    前記低キャリア濃度第３半導体は、前記第１伝導型第３半導体および前記第２伝導型第３半導体よりも低い有効キャリア濃度を有し、
    前記第１伝導型第１半導体、前記低キャリア濃度第１半導体および前記第２伝導型第１半導体を含む第１半導体と、前記第１伝導型第２半導体、前記低キャリア濃度第２半導体および前記第２伝導型第２半導体を含む第２半導体と、前記第１伝導型第３半導体、前記低キャリア濃度第３半導体および前記第２伝導型第３半導体を含む第３半導体とから選択された１以上の半導体を、前記第１半導体、前記第２半導体、および前記第３半導体のそれぞれにおける前記ベース基板に平行な面の中心からの距離がより大きな位置において、より大きな禁制帯幅となるよう組成分布を形成する
    半導体基板の製造方法。
  22. 前記第１半導体を形成する段階と、前記第２半導体を形成する段階との間において、前記第１半導体を加熱する請求項２１に記載の半導体基板の製造方法。
  23. 請求項２１または請求項２２に記載の半導体基板の製造方法を適用して、少なくとも前記第１半導体および前記第２半導体を有する光吸収構造体を形成する段階と、
    前記光吸収構造体を直列または並列に接続する段階と
    を備える光電変換デバイスの製造方法。
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