JPH053332A - タンデムヘテロ光電変換素子およびその製造方法 - Google Patents

タンデムヘテロ光電変換素子およびその製造方法

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JPH053332A
JPH053332A JP3152959A JP15295991A JPH053332A JP H053332 A JPH053332 A JP H053332A JP 3152959 A JP3152959 A JP 3152959A JP 15295991 A JP15295991 A JP 15295991A JP H053332 A JPH053332 A JP H053332A
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和浩 望月
Tsuyoshi Uematsu
強志 上松
Teruo Busshu
照夫 物集
Yoko Uchida
陽子 内田
Mitsunori Ketsusako
光紀 蕨迫
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Abstract

(57)【要約】 【目的】V溝を有する基板表面に形成されたタンデムヘ
テロ光電変換素子の光電変換効率の向上を図ることを目
的とする。 【構成】Si基板表面上に{111}面からなるV溝を
形成してpn接合を形成した後に、III−V族化合物半
導体のpn接合をV溝構造を維持したままエピタキシャ
ル成長を行う。この際に、V溝形成方向とSi基板の
(100)面からの傾斜方向を一致させ、エピタキシャ
ル成長温度を500℃以下、III族元素に対するV族元
素の入射フラックス比を15以上とする。 【効果】V溝の平坦化が抑制され、入射光の反射が低減
し、アンチフェイズ境界におけるキャリアの再結合が抑
制されるために、高効率なタンデムヘテロ光電変換素子
を作製することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光電変換素子およびその
製造方法に係り、特にSiを用いた光電変換素子と、II
I−V族化合物半導体を用いた光電変換素子とを、エピ
タキシャル成長により直列接続して得られるタンデムヘ
テロ光電変換素子およびその製造方法に係る。
【0002】
【従来の技術】従来のタンデムヘテロ光電変換素子で
は、例えばテクニカル・ダイジェスト・オブ・インター
ナショナル・PVSEC第5巻(京都、1990年)第
1028頁(Technical Digest of
the International PVSEC−
5(Kyoto, Japan, 1990)p.10
28)に記載のように、ヘテロ接合界面は原子的にほぼ
平坦な構造となっていた。そしてそれは、平坦な表面を
有するSi基板に不純物拡散を行ってpn接合を作製し
た後に、有機金属気相成長法等のエピタキシャル成長法
を用いて、平坦な表面を有するGaAsのpn接合を形
成することにより作製されていた。
【0003】しかし、上記従来技術では、表面に反射防
止膜を形成しても入射光の表面での反射が防ぎ切れない
ために、光電変換効率が期待通りに上がらない問題があ
った。
【0004】そこで、一方、アプライド・フィジックス
・レターズ第48巻(1986年)第215頁から第2
17頁(Applied Physics Lette
rs48(1986)pp.215−217)に記載さ
れているように、表面にV字型の溝(以下、V溝と略記
する)を形成することにより、入射光の反射を減らし、
光電変換効率を上げる方法が用いられていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記第2の従来技術で
は、Si基板表面は(100)ジャスト面で、V溝は
[011]または[01−1]方向に形成されていた。
このような基板上に、上記第1の従来技術を用いてタン
デムヘテロ光電光換素子を作製する場合、以下の2つの
問題が発生する。
【0006】第一は、通常の条件でエピタキシャル成長
を行うと、成長中にV溝が平坦化してしまう問題であ
る。ここで言う通常の条件とは、III−V族化合物半導
体を分子線エピタキシャル成長あるいは有機金属気相エ
ピタキシャル成長する場合、成長温度が530℃以上
で、III族元素に対するV族元素の入射フラックス比が
1−10程度であることを指す。
【0007】第二は、III族元素どうしあるいはV族元
素どうしの結合が存在するアンチフェイズ境界が発生
し、キャリアの再結合中心となるために、キャリアの寿
命が短くなり、光電変換素子の効率が低下する問題であ
る。以下、これを図8および図9により説明する。
【0008】一般に、Si(100)ジャスト基板表面
上には、図8に示すような1原子層高さの原子ステップ
(以下、1原子層ステップと略記する)108が存在す
る。このような基板にV溝を、長手方向が[011]に
なるように形成した場合を図8(a)、長手方向が[0
1−1]になるように形成した場合を図8(b)に示
す。この状態でGaAsを1分子層程度成長した場合の
断面構造が図7である。Si1原子層ステップ108付
近およびSi(100)面とV溝側面であるSi{11
1}面103との交線付近に、Ga−GaあるいはAs
−Asといった同種元素の結合107が発生することが
わかる。これはアンチフェイズ境界と呼ばれ、キャリア
の再結合中心となり、光電変換効率の劣化を引き起こ
す。Si基板上のGaAsの成長を続けるに従い、アン
チフェイズ境界は成長方向に伸びていくので、その発生
の抑制はGaAsの成長初期に行う必要がある。
【0009】本発明の目的は、Si基板上のIII−V族
化合物半導体のエピタキシャル成長を利用したタンデム
ヘテロ光電変換素子において、入射光の反射を少なくし
て、アンチフェイズ境界の発生を抑制した高効率光電変
換素子を提供することである。本発明の他の目的は、V
溝を形成したSi基板上にIII−V族化合物半導体をエ
ピタキシャル成長する際に、V溝形状変化の少ない高効
率光電変換素子の製造方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、Si基板上のIII−V族化合物半導体のエピタキシ
ャル成長を利用したタンデムヘテロ光電変換素子におい
て、Si基板表面上にV溝を形成し、V溝の長手方向と
Si基板の(100)面からの傾斜方向とを一致させた
ものである。さらに、上記他の目的を達成するために、
V溝を形成したSi基板上にIII−V族化合物半導体を
エピタキシャル成長する際の条件を、成長温度が500
℃以下かつIII族元素に対するV族元素の入射フラック
ス比が15以上としたもである。
【0011】
【作用】光電変換素子の表面にV溝を形成することによ
り、入射光の反射が抑えられる。また、Si基板表面を
(100)面から[011]または[01−1]方向に
2度ないし5度傾斜し、該傾斜方向と同一方向に長手方
向を有するV溝を形成することで、上記基板上に成長し
たGaAs層におけるアンチフェイズ境界の発生を抑え
ることができる。これを図5から図7により説明する。
【0012】Si基板を(100)面から[011]ま
たは[011]方向に2度ないし5度傾けると、ジャパ
ニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
第26巻(1987年)第L114頁から第L116頁
(Japanese Journal of Appl
ied Physics 26(1987)pp.L1
14−L116)に報告されているように、表面の1原
子ステップが超高真空中での1000℃以上の加熱によ
り2原子層高さの原子ステップ(以下、2原子ステップ
と略記する)に変わる。この効果により、少くとも(1
00)面上でのアンチフェイズ境界の発生は抑制でき
る。次に、図5に示すように、Si(100)基板上に
[011]方向に平行に並ぶV溝を形成する場合を考え
る。この時、基板の傾斜方向が[01−1]方向、すな
わち原子ステップ列とV溝の長手方向とが平行な場合
(図5(a))と、基板の傾斜方向が[011]方向、
すなわち原子ステップ列とV溝の長手方向とが垂直な場
合(図5(b))の2通りがある。このようなV溝を形
成したSi基板を超高真空中で1000℃で10分程度
加熱すると、図6に示すように2原子ステップ構造が表
面に現れる。ただし、表面での原子の再配列構造の図示
は省略してある。図6(a)は図5(a)の場合で、図
6(b)は図5(b)の場合である。図6(b)の場
合、2原子ステップは紙面に平行に並んでいる。このよ
うな状態のSi基板にGaAsを成長する場合を以下に
考える。
【0013】図7は2原子ステップが形成されたSi基
板上に、分子線エピタキシー法により、GaAsを1分
子層分成長した場合の断面構造図である。基板温度50
0℃以上でAsを照射すると、Asは表面のSi原子と
結合を作り、余分なAs原子は再蒸発する。Asフラッ
クスを照射した状態で、1原子層分のGaを供給する
と、GaAs1分子層分の成長が行われる。図ではSi
{111}面上に存在する原子ステップの図示を省略し
たが、それらはいずれも2原子ステップであり、{11
1}面上でアンチフェイズ境界の発生が問題となること
はない。我々は、Si(100)基板の傾斜方向を考慮
することにより、従来Si(100)面とSi{11
1}面との境界付近に発生していたアンチフェイズ境界
を消滅させることができることを新たに見い出した。図
7(a)はSi基板が[01−1]方向に傾斜している
場合で、図7(b)はSi基板が[011]方向に傾斜
している場合である。図7(a)では、Si(100)
面101とSi{111}面103の界面付近にアンチ
フェイズ境界107が発生するが、図7(b)ではアン
チフェイズ境界が発生しないことがわかった。一方、V
溝が[01−1]方向に形成されている場合は、Si
(100)基板を[011]方向に傾斜するとアンチフ
ェイズ境界が発生するが、Si(100)基板を[01
−1]方向に傾斜すればアンチフェイズ境界が発生しな
いことがわかった。
【0014】以上より、Si基板表面上にV溝を形成
し、V溝の長手方向とSi基板の(100)面からの傾
斜方向とを一致させることにより、入射光の反射を低減
し、アンチフェイズ境界におけるキャリアの再結合を抑
制することができるために、高効率なタンデムヘテロ光
電変換素子を作製することが出来る。
【0015】一方、V溝を形成したSi基板上にIII−
V族化合物半導体をエピタキシャル成長する際の条件を
検討した結果、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以上で
あれば、成長表面におけるIII族元素の表面拡散距離が
低減し、V溝の平坦化現象を抑制できることがわかっ
た。よって、上記条件でSi基板上にIII−V族化合物
半導体のエピタキシャル成長を行うことにより、該Si
基板に形成したV溝の形状をIII−V族化合物半導体表
面まで維持することができる。
【0016】
【実施例】〔実施例1〕 以下、本発明に係るタンデムヘテロ光電変換素子の第一
の構造およびその製造方法を図1により説明する。
【0017】図1は光電変換素子の製造方法を示す縦断
面構造図で、紙面に垂直方向が[011]である。ま
ず、図1(a)に示す様に、n型Si(100)基板
(厚さ300μm、抵抗率2Ω・cm、[011]方向
に3度傾斜)121を酸素100%の雰囲気中で900
℃に加熱し、表面および裏面に厚さ100nmのSiO
2膜122を形成する。裏面のSiO2膜をフッ酸により
除去し、裏面にn型不純物拡散領域(P(リン)濃度:
0.5−1×1020/cm3、厚さ200nm)123
を作製する。
【0018】続いて、図1(b)の様に、裏面にSiO
2膜122を堆積した後に、ホトリソグラフィーおよび
エッチングにより、[01−1]方向の幅10μm、
[011]方向の長さ10mmのSiO2膜を間隔36
0μmで残し、それをマスクにしてKOH溶液またはヒ
ドラジン溶液によりSiのエッチングを行った。この
際、垂直深さ240μmまでSiのエッチングを行った
が、エッチングは異方的に進みV溝となるSi{11
1}面103が現れた。
【0019】その後、表面のSiO2膜を除去し、図1
(c)の様に表面側にp型拡散領域(B濃度:0.5−
1×1020/cm3、厚さ200nm)124を形成
し、裏面のSiO2膜を除去する。
【0020】続いて、試料を分子線エピタキシー装置に
いれ、表面の自然酸化膜を除去した後に、580℃にお
いてAsフラックスを照射後、成長温度500℃、入射
As/Gaフラックス比15、成長速度1μm/hで、
図2(a)に示すように、高ドープp型GaAs層(B
e濃度:1×1020/cm3、膜厚10nm)125、
高ドープn型GaAs層(Si濃度:1×1019/cm
3、膜厚10nm)126、n型GaAs層(Si濃
度:5×1016/cm3、膜厚3μm)127、p型G
aAs層(Be濃度:1×1019/cm3、膜厚10n
m)128の4層を順次成長した。ここで、層125お
よび126はGaAs光電変換素子とSi光電変換素子
とをつなぐトンネル接合ダイオードをなしている。
【0021】最後に、試料を分子線エピタキシー装置か
ら取り出し、図2(b)に示すように、裏面にn型オー
ミック電極129を、表面にp型オーミック電極130
を形成して、GaAs/Siタンデムヘテロ光電変換素
子とした。
【0022】本実施例によれば、アンチフェイズ境界の
発生なしに、タンデムヘテロ光電変換素子の表面側に、
V溝を形成することができるので、キャリアの寿命を減
少させずに入射光の反射を低減できるため、光電変換素
子の効率を高めることが出来る。
【0023】なお、本実施例では[011]方向に傾斜
したSi(100)基板を用いたが、[01−1]方向
に傾斜したSi(100)基板を用いても、V溝の長手
方向を[01−1]方向とすれば、同様な効果が得られ
る。また、本実施例では、基板の(100)面からの傾
斜角を3度としたが、2−5度程度ならば同様の効果が
得られる。また、本実施例では、GaAs成長時の成長
温度を500℃、入射As/Gaフラックス比を15と
したが、成長温度はさらに低く、フラックス比はさらに
大きくてもよい。さらに本実施例では、III−V族化合
物半導体としてGaAsの例を示したが、AlGaAs
等他の化合物半導体およびそれらの混晶であってもよい
のはもちろんであり、そのエピタキシャル成長法も分子
線エピタキシー法以外に、有機金属気相成長法や液相エ
ピタキシー法等を用いてもよいのはもちろんである。
【0024】〔実施例2〕以下、本発明の実施例である
タンデムヘテロ光電変換素子の第二の構造およびその製
造方法を図3および図4により説明する。
【0025】図3は光電変換素子の製造方法を示す縦断
面構造図で、紙面に垂直方向が[011]である。初め
に、図3(a)に示す様に、n型Si(100)基板
(厚さ300μm、抵抗率2Ω・cm、[011]方向
に3度傾斜)121を酸素100%の雰囲気中で900
℃に加熱し、表面および裏面に厚さ100nmのSiO
2膜122を形成する。続いて、ホトリソグラフィーお
よびエッチングにより、[01−1]方向の幅10μ
m、[011]方向の長さ10mmのSiO2膜を36
0μm間隔で残し、それをマスクにしてKOH溶液また
はヒドラジン溶液によりSiのエッチングを行った。こ
の際、垂直深さ240μmまでSiのエッチングを行っ
たが、エッチングは異方的に進み、Si{111}面1
03が現れた。その後、表面のSiO2膜を除去し、p
型拡散領域(B濃度:0.5−1×1020/cm3、厚
さ200nm)124を形成し、裏面のSiO2膜を除
去した。続いて、試料を分子線エピタキシー装置にい
れ、表面の自然酸化膜を除去した後に、580℃におい
てAsフラックスを照射後、成長温度500℃、入射A
s/Gaフラックス比15、成長速度1μm/hで、図
3(c)に示すように、高ドープp型GaAs層(Be
濃度:1×1020/cm3、膜厚10nm)125、高
ドープn型GaAs層(Si濃度:1×1019/c
3、膜厚10nm)126、n型GaAs層(Si濃
度:5×1016/cm3、膜厚3μm)127、p型G
aAs層(Be濃度:1×1019/cm3、膜厚10n
m)128の4層を順次成長した。ここで、層125お
よび126はGaAs光電変換素子とSi光電変換素子
とをつなぐトンネル接合ダイオードをなしている。
【0026】試料を分子線エピタキシー装置から取り出
し、表面および裏面にSiO2膜を堆積し、図4(a)
に示すように、ホトリソグラフィーおよびエッチングに
より、表面側のV溝パタンに合わせて、[01−1]方
向の幅10μm、[011]方向の長さ10mmのSi
2膜を残し、それをマスクにしてKOH溶液またはヒ
ドラジン溶液により、垂直深さ240μmまでSiの異
方性エッチングを行い、Si{111}面103を出現
させた。その後、裏面のSiO2膜を除去し、n型拡散
領域(P(リン)濃度:0.5−1×1020/cm3
厚さ200nm)123を形成し、表面のSiO2膜を
除去した。
【0027】裏面にn型オーミック電極129を、表面
にp型オーミック電極130を形成して、GaAs/S
iタンデムヘテロ光電変換素子とした(図4(b))。
【0028】本実施例によれば、アンチフェイズ境界の
発生なしに、タンデムヘテロ光電変換素子の表面側およ
び裏面側に、V溝を形成することができるので、キャリ
アの寿命を減少させずに、表面での入射光の反射および
裏面からの出射光を低減できるため、光電変換素子の効
率を高めることが出来る。
【0029】なお、本実施例では[011]方向に傾斜
したSi(100)基板を用いたが、[01−1]方向
に傾斜したSi(100)基板を用いても、V溝の長手
方向を[01−1]方向とすれば、同様な効果が得られ
る。また本実施例では、基板の(100)面からの傾斜
角を3度としたが、2−5度程度ならば同様の効果が得
られる。また、本実施例では、GaAs成長時の成長温
度を500℃、入射As/Gaフラックス比を15とし
たが、成長温度はさらに低く、フラックス比はさらに大
きくてもよい。さらに本実施例では、III−V族化合物
半導体としてGaAsの例を示したが、AlGaAs等
他の化合物半導体およびそれらの混晶であってもよいの
はもちろんであり、そのエピタキシャル成長法も分子線
エピタキシー法以外に、有機金属気相成長法や液相エピ
タキシー法等を用いてもよいのはもちろんである。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、Si基板表面上にV溝
を形成し、V溝の長手方向とSi基板の(100)面か
らの傾斜方向を[011]または[01−1]のどちら
かとし、III−V族化合物半導体の成長温度を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以上の条件で行うことにより、V溝の平坦
化が抑制され、入射光の反射が低減し、アンチフェイズ
境界におけるキャリアの再結合が抑制されるために、高
効率なタンデムヘテロ光電変換素子を作製することが出
来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係るタンデムヘテロ光電変
換素子の製造工程を示す断面図である。
【図2】本発明の実施例1に係るタンデムヘテロ光電変
換素子の製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の実施例2に係るタンデムヘテロ光電変
換素子の製造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施例2に係るタンデムヘテロ光電変
換素子の製造工程を示す断面図である。
【図5】Si(100)表面上の原子ステップ列の方向
とV溝方向との関係を示す模式図である。
【図6】超高真空中での高温アニール後のSi(10
0)基板の縦断面構造図である。
【図7】Si(100)基板上へGaAsを1分子層分
成長した後の縦断面構造図である。
【図8】従来技術を用いて形成されたSi(100)ジ
ャスト基板上へのV溝形成時の縦断面構造図である。
【図9】V溝が形成されたSi(100)ジャスト基板
上へGaAsを1分子層分成長した時の縦断面構造図で
ある。
【符号の説明】
101…Si(100)面、102…Si2原子層原子
ステップ、 103…Si{111}面、104…GaAs(10
0)面、 105…GaAs原子ステップ、106…GaAs{1
11}A面、 107…アンチフェイズ境界、121…n型Si(10
0)基板、 122…SiO2膜、123…n型不純物拡散領域、 124…p型不純物拡散領域、125…高ドープp型G
aAs層、 126…高ドープn型GaAs層、127…n型GaA
s層、 128…p型GaAs層、129…n型オーミック電
極、 130…p型オーミック電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 陽子 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 蕨迫 光紀 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】{111}面からなるV字型溝を少なくと
    も表面側に有するSi光電変換素子と、{111}面か
    らなるV字型溝を表面および裏面に有するIII−V族化
    合物半導体光電変換素子とが、直列に接続され、隣合う
    該V字型溝の間に(100)面から[011]あるいは
    [01−1]方向に2度ないし5度傾斜した面が存在
    し、該隣合うV字型溝の間に存在する面の(100)面
    からの傾斜方向と、上記V字型溝の長手方向とが一致す
    ることを特徴とするタンデムヘテロ光電変換素子。
  2. 【請求項2】(100)面から[011]あるいは[0
    1−1]方向に2度ないし5度傾斜した表面を有するS
    i基板に、該Si基板の(100)面からの傾斜方向と
    同一方向に長手方向を有するV字型溝を形成後、該Si
    基板へのpn接合の形成および該Si基板上へのIII−
    V族化合物半導体のエピタキシャル成長を行うことを特
    徴とするタンデムヘテロ光電変換素子の製造方法。
  3. 【請求項3】上記III−V族化合物半導体のエピタキシ
    ャル成長を、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
    件で行うことを特徴とする請求項2記載のタンデムヘテ
    ロ光電変換素子の製造方法。
JP3152959A 1991-06-25 1991-06-25 タンデムヘテロ光電変換素子の製造方法 Expired - Fee Related JPH0793452B2 (ja)

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