JP6923900B2 - 希薄窒化物犠牲層を用いた化合物半導体薄膜の製造方法 - Google Patents
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Description
次に、半導体基板と異なる材料から成る支持基板を半導体素子層上に貼り付ける。その後、AlAs犠牲層をエッチングし、半導体基板から半導体素子層を分離する。これにより半導体素子層は支持基板に転写される。たとえば、AlAs犠牲層のエッチング液としてはフッ酸水溶液が用いられる。半導体素子層が太陽電池素子層であれば、安価な太陽電池素子が実現できる。
本発明は、GaAsP/GaAsPN系材料を用いた太陽電池素子などの受光素子を安価なポリカーボネート基板上などに貼り付ける手段を提供することを目的とする。
(a)半導体基板上に緩衝層を介して、当該半導体基板に格子整合する犠牲層を形成する工程と、(b)当該犠牲層上に当該犠牲層に格子整合する半導体材料からなる受光層を形成する工程とを含み、前記犠牲層はN元素を含むIII-V-N混晶からなり、前記緩衝層は前記半導体基板と前記犠牲層との反応生成物の生成を抑制することを特徴とする。
第1の局面において望ましい材料の選択を示す。半導体基板はSi半導体基板、緩衝層はGaP緩衝層が望ましい。犠牲層はAlPN犠牲層が望ましく、エピタキシャルリフトオフ法で適切とされる膜厚10nm〜20nmに設定することが望ましい。Si半導体基板の格子定数は0.5431nmであり、AlPN犠牲層の格子定数は、N元素の組成比によって変化し、N組成比(x)が1〜5%の範囲で、0.5456nm〜0.5411nmの範囲をとる。Si半導体基板と等しい格子定数となるN組成比はほぼ3%である。
(a)半導体基板上に緩衝層を介して、当該半導体基板に格子整合する犠牲層を形成する工程と、
(b)当該犠牲層上に当該犠牲層に格子整合する半導体材料からなる受光層を形成する工程と、
(c)前記受光層上に前記半導体基板と異なる支持基板を貼り付ける工程と、
(d)前記犠牲層のエッチングにより、前記半導体基板と前記支持基板を分離する工程と
を含み、
前記犠牲層はN元素を含むIII-V-N混晶からなり、前記緩衝層は前記半導体基板と前記犠牲層との反応生成物の生成を抑制することを特徴とする。
第3の局面において望ましい材料の選択を示す。半導体基板はSi半導体基板、緩衝層はGaP緩衝層が望ましい。犠牲層はAlPN犠牲層が望ましく、エピタキシャルリフトオフ法で適切とされる膜厚10nm〜20nmに設定することが望ましい。Si半導体基板の格子定数は0.5431nmであり、AlPN層の格子定数は、各元素の組成比によって変化し、N組成比1〜5%の範囲で、0.5456nm〜0.5411nmまでの範囲をとる。Si半導体基板と等しい格子定数となるN組成比は約3%である。
AlPN犠牲層の望ましいN組成比を示す。Si半導体基板は格子定数が0.5431nmであり、AlP(1-x)Nx犠牲層のN組成比(x)の範囲を1〜5%とすると、格子定数は0.5456nm〜0.5411nmの範囲となる。希薄窒化物半導体のN組成比として一般的な範囲である。
Si半導体基板への緩衝層、犠牲層、受光層のエピタキシャル成長にはMBE法を用いる。MBE法による結晶成長装置の結晶成長室は基板設置台の他、材料元素の発生源となるセルを複数有し、それぞれに温度を設定できる。基板設置台直下の温度は成長温度と称し、重要な結晶成長条件となる。成長で使用される温度範囲は約300℃〜750℃が一般的である。なお、本実施形態ではMBE法を用いたが、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いてもよい。
P及びAs元素の発生源にはバルブドクラッカーセルを用いる。充填する材料は赤リン及び金属状Asであり、P2分子線とAs2分子線を発生させる。バルブドクラッカーセルは比較的蒸気圧の高い材料の発生源として用いられ、材料供給量が高精度に制御できるという特徴がある。
図1を参照して、積層半導体基板の製造方法を説明する。結晶方向[110]方位に4度傾斜した面方位(001)のSi半導体基板1にGaP緩衝層2、AlPN犠牲層3、GaAsPN受光層10を結晶成長させた。
Si半導体基板1の前処理として、硝酸、フッ酸、アンモニア+過酸化水素水の混合液、フッ酸の順に浸液させた。その後、塩酸と過酸化水素水の混合液を用いてSi半導体基板1上に保護酸化膜を形成した。なお、この手順に基づく前処理はIshizaka法と呼ばれている。形成した保護酸化膜は結晶成長の直前に除去するので1nm程度の薄膜が望ましい。
また、Ga原子線、P2分子線およびAs2分子線の圧力は各々1.81×10-5 Pa、7.06×10-5 Paおよび1.71×10-5 Paとなるように各セルの温度を制御した。N源はRFプラズマセルであり、RF電力400 W、N2流量0.3sccmの条件とした。
本発明の第1の局面から第5の局面において、Nを含んだIII-V-N混晶からなる犠牲層を用いている。特許文献1、2、3には、例えば、AlP犠牲層が用いられているが、AlP犠牲層より格子定数の小さいSi半導体基板とは格子整合が得られない。AlP(1-x)Nx犠牲層3はN組成比(x)を変えることによりSi半導体基板1の格子定数と一致させることができる。これにより、AlPN犠牲層3とSi半導体基板1の格子整合を得ることができる。そして、Si半導体基板1とAlPN犠牲層3との間に形成されるGaP緩衝層2は、Si半導体基板1の格子定数を保持する程度の膜厚である。
非特許文献3はSi半導体基板上にGaPN層を形成する場合、Si-N生成物が生成され易いためにGaPN層の結晶成長が阻害されることが示されている。Si半導体基板上にAlPN犠牲層を形成する場合も同等の現象が生じると考えられる。そこで、GaP緩衝層を形成し、その後AlPN犠牲層を形成することで、AlPN犠牲層の結晶成長を可能とした。
図2を参照して、受光素子基板の製造方法を説明する。AlPN犠牲層3をエッチングにより除去することで、支持基板9に貼り付けたGaAsPN受光層10をSi半導体基板1から剥離させて受光素子基板101を作製した。Si半導体基板1上に成長したGaAsPN受光層10をSi半導体基板1と異なる支持基板9に転写する手順を示す。
Si半導体基板1(格子定数0.5431nm)、GaP緩衝層2(格子定数0.5451nm)、AlPN犠牲層3の格子定数の差を利用して受光層の結晶性を改善することができる。例えば、AlP(1-x)Nx犠牲層3のN組成比(x)を5%とする。すなわち、AlP0.95N0.05犠牲層3の格子定数は0.5411nmとなる。
また、本実施形態ではGaAsPN受光層10を用いているが、Si半導体基板1に格子整合する材料として、GaPNまたはInGaPN受光層を用いてもよい。
2 GaP緩衝層
3 AlPN犠牲層
4 n型GaPキャップ層
5 n型GaAsPN層
6 無添加GaAsPN層
7 p型GaAsPN層
8 p型GaP層
9 支持基板
10 GaAsPN受光層
100 積層半導体基板
101 受光素子基板
Claims (6)
- 半導体基板上に緩衝層を介して、当該半導体基板に格子整合する犠牲層を形成し、当該犠牲層上に当該犠牲層に格子整合する半導体材料からなる受光層を形成する工程と当該犠牲層をエッチングにより除去する工程を含み、前記犠牲層は、N元素を含むIII-V-N混晶からなり、当該III-V-N混晶がN元素を含まない場合の格子定数は当該半導体基板の格子定数よりも大きいものであることを特徴とする積層半導体基板の形成方法。
- 前記半導体基板はSi半導体基板であり、前記緩衝層はGaP緩衝層であり、前記犠牲層はAlPN犠牲層であり、前記受光層はGa、P、N元素を含む混晶層からなることを特徴とする請求項1記載の積層半導体基板の形成方法。
- 前記AlPN犠牲層のN元素の混晶比が1〜5%であることを特徴とする請求項2記載の積層半導体基板の形成方法。
- 半導体基板上に緩衝層を介して、当該半導体基板に格子整合する犠牲層を形成し、当該犠牲層上に当該犠牲層に格子整合する半導体材料からなる受光層を形成する工程と、前記半導体基板と異なる材料から成る支持基板を貼り合わせる工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去することにより前記半導体基板と前記受光層を分離する工程を含み、前記犠牲層は、N元素を含むIII-V-N混晶からなり、当該III-V-N混晶がN元素を含まない場合の格子定数が当該半導体基板の格子定数よりも大きいものであることを特徴とする受光素子基板の形成方法。
- 前記半導体基板はSi基板であり、前記緩衝層はGaP緩衝層であり、前記犠牲層はAlPN犠牲層であり、前記受光層はGa、P、N元素を含む混晶層からなることを特徴とする請求項4記載の受光素子基板の形成方法。
- 前記AlPN犠牲層のN元素の混晶比が1〜5%であることを特徴とする請求項5記載の受光素子基板の形成方法。
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