JPH0955522A - トンネルダイオード - Google Patents
トンネルダイオードInfo
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- JPH0955522A JPH0955522A JP7204777A JP20477795A JPH0955522A JP H0955522 A JPH0955522 A JP H0955522A JP 7204777 A JP7204777 A JP 7204777A JP 20477795 A JP20477795 A JP 20477795A JP H0955522 A JPH0955522 A JP H0955522A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光透過特性にすぐれ、かつ大電流を流すこと
が可能なトンネルダイオードを提供する。 【解決手段】 ｐ++ＩｎＧａＰ層１２、ｎ++ＩｎＧａＰ
層１１とからなるトンネル接合層の上下にｐ+ ＡｌＩｎ
Ｐ層８２、ｎ+ ＩｎＧａＰ層８１を設け、ｐ++ＩｎＧａ
Ｐ層１２中のＺｎの外方拡散を抑制し、良好なトンネル
接合層を得る。トンネル型２接合太陽電池のトンネル接
合層として用いれば、変換効率が高く、分光感度特性の
すぐれた太陽電池が実現できる。
が可能なトンネルダイオードを提供する。 【解決手段】 ｐ++ＩｎＧａＰ層１２、ｎ++ＩｎＧａＰ
層１１とからなるトンネル接合層の上下にｐ+ ＡｌＩｎ
Ｐ層８２、ｎ+ ＩｎＧａＰ層８１を設け、ｐ++ＩｎＧａ
Ｐ層１２中のＺｎの外方拡散を抑制し、良好なトンネル
接合層を得る。トンネル型２接合太陽電池のトンネル接
合層として用いれば、変換効率が高く、分光感度特性の
すぐれた太陽電池が実現できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光エネルギー
を高い変換効率で電気エネルギーに変換するための半導
体素子である多接合型太陽電池において、各段の太陽電
池を電気的に接続するために主に用いられるトンネルダ
イオード等の種々のトンネルダイオードの特性を高める
ために工夫されたトンネルダイオードの構造に関する。
を高い変換効率で電気エネルギーに変換するための半導
体素子である多接合型太陽電池において、各段の太陽電
池を電気的に接続するために主に用いられるトンネルダ
イオード等の種々のトンネルダイオードの特性を高める
ために工夫されたトンネルダイオードの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】１つのｐｎ接合で構成される太陽電池
（単接合型太陽電池）の発電効率は、その基本部を形成
する半導体材料の禁制帯幅Ｅｇによって決まるある理論
限界を持ち、どのような半導体材料を用いても地上での
太陽光照射条件下ＡＭ１．５では、室温において３０％
そこそこの発電効率（変換効率）以上は絶対に得られな
いことが判明している。したがって多接合型太陽電池
は、異なる材料からなる２個以上のｐｎ接合を積層する
ことによって、単接合型太陽電池よりも高い発電効率を
得ることを目的として考案された。多接合型太陽電池の
最も簡単なものが２接合太陽電池であり、最近種々のも
のが実現されて来ている。２接合太陽電池は、光の入射
してくる側にあるｐｎ接合を基本部とする太陽電池（ト
ップセル）と反対側にあるｐｎ接合を基本部とする太陽
電池（ボトムセル）の２つの太陽電池が重ねられた構成
を持つが、一般にトップセルの半導体材料の禁制帯幅Ｅ
ｇ1 はボトムセルの半導体材料の禁制帯幅Ｅｇ2 よりも
大きい。トップセルでＥｇ1 よりも大きなエネルギーを
持つ光子を吸収し、トップセルを透過してきた光のうち
Ｅｇ2 とＥｇ1 の間のエネルギーを持つ光子をボトムセ
ルで吸収するという波長分割効果を用いるものである。
Ｅｇ1 とＥｇ2 の組み合わせを適当に選択することによ
り、高い発電効率を実現できる。
（単接合型太陽電池）の発電効率は、その基本部を形成
する半導体材料の禁制帯幅Ｅｇによって決まるある理論
限界を持ち、どのような半導体材料を用いても地上での
太陽光照射条件下ＡＭ１．５では、室温において３０％
そこそこの発電効率（変換効率）以上は絶対に得られな
いことが判明している。したがって多接合型太陽電池
は、異なる材料からなる２個以上のｐｎ接合を積層する
ことによって、単接合型太陽電池よりも高い発電効率を
得ることを目的として考案された。多接合型太陽電池の
最も簡単なものが２接合太陽電池であり、最近種々のも
のが実現されて来ている。２接合太陽電池は、光の入射
してくる側にあるｐｎ接合を基本部とする太陽電池（ト
ップセル）と反対側にあるｐｎ接合を基本部とする太陽
電池（ボトムセル）の２つの太陽電池が重ねられた構成
を持つが、一般にトップセルの半導体材料の禁制帯幅Ｅ
ｇ1 はボトムセルの半導体材料の禁制帯幅Ｅｇ2 よりも
大きい。トップセルでＥｇ1 よりも大きなエネルギーを
持つ光子を吸収し、トップセルを透過してきた光のうち
Ｅｇ2 とＥｇ1 の間のエネルギーを持つ光子をボトムセ
ルで吸収するという波長分割効果を用いるものである。
Ｅｇ1 とＥｇ2 の組み合わせを適当に選択することによ
り、高い発電効率を実現できる。
【０００３】２接合太陽電池の構成としては、トップセ
ルとボトムセルを電気的に独立させた構成と、トップセ
ルとボトムセルを直列に電気接続させた構成がある。前
者は、電極端子数が多くなり、システム構成がしにくい
という欠点を有する。後者は、電極端子数は原則として
２個であり、そのため２端子２接合太陽電池と呼ばれ
る。
ルとボトムセルを電気的に独立させた構成と、トップセ
ルとボトムセルを直列に電気接続させた構成がある。前
者は、電極端子数が多くなり、システム構成がしにくい
という欠点を有する。後者は、電極端子数は原則として
２個であり、そのため２端子２接合太陽電池と呼ばれ
る。
【０００４】２端子２接合太陽電池においては、トップ
セルとボトムセルの電気的接合は、 １）トップセルとボトムセルの間にトンネル接合という
極めて薄い半導体層を挿入することによる方法、 ２）トップセルの下部とボトムセルの上部を金属で結ぶ
方法、 が提案されている。このうち後者の金属でトップセルと
ボトムセルを結ぶ方法は、作成工程が複雑になり、あま
り好ましくない。前者に用いるトンネル接合は、極めて
高濃度にドーピングした薄い半導体層からなるｐｎ接合
であり、量子力学的トンネル電流を利用して、ｐ型半導
体とｎ型半導体の間を小さな抵抗で電気的に接合するも
のである。図３はこのトンネル接合を用いた、太陽電池
の基本構造の一例を示すが、ボトムセル２、トンネル接
合層３、トップセル１をこの順番で基板の上に連続的に
エピタキシャル成長法等を用いて形成させたものであ
り、また作成工程も簡単であるという特徴がある。
セルとボトムセルの電気的接合は、 １）トップセルとボトムセルの間にトンネル接合という
極めて薄い半導体層を挿入することによる方法、 ２）トップセルの下部とボトムセルの上部を金属で結ぶ
方法、 が提案されている。このうち後者の金属でトップセルと
ボトムセルを結ぶ方法は、作成工程が複雑になり、あま
り好ましくない。前者に用いるトンネル接合は、極めて
高濃度にドーピングした薄い半導体層からなるｐｎ接合
であり、量子力学的トンネル電流を利用して、ｐ型半導
体とｎ型半導体の間を小さな抵抗で電気的に接合するも
のである。図３はこのトンネル接合を用いた、太陽電池
の基本構造の一例を示すが、ボトムセル２、トンネル接
合層３、トップセル１をこの順番で基板の上に連続的に
エピタキシャル成長法等を用いて形成させたものであ
り、また作成工程も簡単であるという特徴がある。
【０００５】図３においてトンネル接合層３は上がｐ++
ＧａＡｓ層９２、下がｎ++ＧａＡｓ層９１であるが、Ｇ
ａＡｓボトムセル２およびＩｎＧａＰトップセル１のｐ
ｎ接合は上がｎ+ エミッタ層９，１５、下がｐベース層
８，１４でありｐｎ接合の方向が逆向きになっている。
トンネル接合を利用した２接合太陽電池（トンネル型２
接合太陽電池）は、これまで種々の材料で試作が行なわ
れているが、これまで最も高い発電効率が得られている
ものは、図３に示したようなＩｎx Ｇａ1-x Ｐ（組成ｘ
〜０．５）ｐｎ接合をトップセル１、ＧａＡｓｐｎ接合
をボトムセル２としたものである（ＩｎＧａＰ／ＧａＡ
ｓ２接合太陽電池）。この太陽電池では、Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐの結晶格子定数がＧａＡｓのそれとほとんど等し
くなるように組成ｘが選ばれており、ＧａＡｓ基板５上
に良質のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ結晶を形成できるという利点
を有する。また、この組成のＩｎx Ｇａ1-x Ｐの禁制帯
幅は約１．９ｅＶであり、禁制帯幅１．４ｅＶのＧａＡ
ｓボトムセルに対するトップセル材料として、適切であ
る。
ＧａＡｓ層９２、下がｎ++ＧａＡｓ層９１であるが、Ｇ
ａＡｓボトムセル２およびＩｎＧａＰトップセル１のｐ
ｎ接合は上がｎ+ エミッタ層９，１５、下がｐベース層
８，１４でありｐｎ接合の方向が逆向きになっている。
トンネル接合を利用した２接合太陽電池（トンネル型２
接合太陽電池）は、これまで種々の材料で試作が行なわ
れているが、これまで最も高い発電効率が得られている
ものは、図３に示したようなＩｎx Ｇａ1-x Ｐ（組成ｘ
〜０．５）ｐｎ接合をトップセル１、ＧａＡｓｐｎ接合
をボトムセル２としたものである（ＩｎＧａＰ／ＧａＡ
ｓ２接合太陽電池）。この太陽電池では、Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐの結晶格子定数がＧａＡｓのそれとほとんど等し
くなるように組成ｘが選ばれており、ＧａＡｓ基板５上
に良質のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ結晶を形成できるという利点
を有する。また、この組成のＩｎx Ｇａ1-x Ｐの禁制帯
幅は約１．９ｅＶであり、禁制帯幅１．４ｅＶのＧａＡ
ｓボトムセルに対するトップセル材料として、適切であ
る。
【０００６】なお図３に示すようなｎ型エミッタ層１
５，９およびｐ型ベース層１４，８からなるｐｎ接合に
よるトンネル型２接合太陽電池においては、ｎ型エミッ
タ層１５，９を光入射側とし、その下層のｐ型ベース層
１４，８で吸収された光子は一対の正孔−電子を生成
し、このうち少数キャリヤである電子は拡散で移動し、
ｐ−ｎ界面の空乏層まで到達すると空乏層の大きな電界
によってｎ型エミッタ層１５，９に流れ込み、電流とな
る。ところがｐ型ベース層１４，８で生じた電子のうち
には拡散によってｐ型ベース層１４，８を抜けてｐ+ Ｇ
ａＡｓ基板５側に入り込むものもあり、それらはもはや
ベース層１４，８に戻ることはできず、いずれ多数キャ
リヤである正孔と結合し消滅して、電流とはならない。
このような裏面再結合損失を防ぐために、図３において
は、ベース層１４，８で生じた少数キャリヤ（電子）を
なるべくｐ+ ＧａＡｓ基板側に近付けないように裏面電
界（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ；以下「Ｂ
ＳＦ」という）層１３，７とよばれる層をベース層１
４，８の下に設けている。ＢＳＦ層１３，７はベース層
１４，８で生じた少数キャリヤに対してバンド障壁とし
て作用する。ＢＳＦ層としては、 １）ベース層と同じ材料でドーピング濃度を高くして少
数キャリヤに対して障壁となるようにしたもの、 ２）他の半導体材料でベース層材料よりも禁制帯幅が大
きく、同じく少数キャリヤに対して障壁となるようにし
たもの、 が用いられる。図３においてトップセル１は、たとえ
ば、厚み０．１〜０．５μｍ、不純物密度２．０×１０
18ｃｍ-3のｐ+ Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ−ＢＳＦ層１３、こ
のＢＳＦ層１３の上に厚み０．７〜１．５μｍ、不純物
密度１．５×１０17ｃｍ-3のｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐベ
ース層１４、このベース層１４の上に厚み５０ｎｍ、不
純物密度３×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐエ
ミッタ層１５、さらにこの上に厚み３０ｎｍ、不純物密
度５×１０17〜２×１０18ｃｍ-3のｎ−ＡｌＩｎＰ窓層
１６が形成された構造である。すなわち、図３のトンネ
ル接合層３のｐ++ＧａＡｓ層９２とトップセル１のｐＩ
ｎＧａＰベース層１４の間に、ベース層１４よりも高濃
度にドープされたｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＢＳＦ層１５
を設けて、光電効果によってトップセル１のｐＩｎＧａ
Ｐベース層１４に発生した少数キャリヤ（伝導電子）
が、ＧａＡｓトンネル接合３に落ち込むことを防ぐため
の防壁として作用させているのである。
５，９およびｐ型ベース層１４，８からなるｐｎ接合に
よるトンネル型２接合太陽電池においては、ｎ型エミッ
タ層１５，９を光入射側とし、その下層のｐ型ベース層
１４，８で吸収された光子は一対の正孔−電子を生成
し、このうち少数キャリヤである電子は拡散で移動し、
ｐ−ｎ界面の空乏層まで到達すると空乏層の大きな電界
によってｎ型エミッタ層１５，９に流れ込み、電流とな
る。ところがｐ型ベース層１４，８で生じた電子のうち
には拡散によってｐ型ベース層１４，８を抜けてｐ+ Ｇ
ａＡｓ基板５側に入り込むものもあり、それらはもはや
ベース層１４，８に戻ることはできず、いずれ多数キャ
リヤである正孔と結合し消滅して、電流とはならない。
このような裏面再結合損失を防ぐために、図３において
は、ベース層１４，８で生じた少数キャリヤ（電子）を
なるべくｐ+ ＧａＡｓ基板側に近付けないように裏面電
界（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ；以下「Ｂ
ＳＦ」という）層１３，７とよばれる層をベース層１
４，８の下に設けている。ＢＳＦ層１３，７はベース層
１４，８で生じた少数キャリヤに対してバンド障壁とし
て作用する。ＢＳＦ層としては、 １）ベース層と同じ材料でドーピング濃度を高くして少
数キャリヤに対して障壁となるようにしたもの、 ２）他の半導体材料でベース層材料よりも禁制帯幅が大
きく、同じく少数キャリヤに対して障壁となるようにし
たもの、 が用いられる。図３においてトップセル１は、たとえ
ば、厚み０．１〜０．５μｍ、不純物密度２．０×１０
18ｃｍ-3のｐ+ Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ−ＢＳＦ層１３、こ
のＢＳＦ層１３の上に厚み０．７〜１．５μｍ、不純物
密度１．５×１０17ｃｍ-3のｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐベ
ース層１４、このベース層１４の上に厚み５０ｎｍ、不
純物密度３×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐエ
ミッタ層１５、さらにこの上に厚み３０ｎｍ、不純物密
度５×１０17〜２×１０18ｃｍ-3のｎ−ＡｌＩｎＰ窓層
１６が形成された構造である。すなわち、図３のトンネ
ル接合層３のｐ++ＧａＡｓ層９２とトップセル１のｐＩ
ｎＧａＰベース層１４の間に、ベース層１４よりも高濃
度にドープされたｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＢＳＦ層１５
を設けて、光電効果によってトップセル１のｐＩｎＧａ
Ｐベース層１４に発生した少数キャリヤ（伝導電子）
が、ＧａＡｓトンネル接合３に落ち込むことを防ぐため
の防壁として作用させているのである。
【０００７】同様にボトムセル２のｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｐ−ＢＳＦ層７もｐ+ ＧａＡｓバッファ層６を介してｐ
+ ＧａＡｓ基板５に少数キャリヤが抜けることを防止し
ているのである。ここでｐ+ ＧａＡｓ基板はＺｎドープ
の不純物密度１×１０19ｃｍ-3のものであり、厚さ０．
３μｍ、不純物密度７．０×１０18ｃｍ-3程度のｐ+Ｇ
ａＡｓバッファ層６を介して厚さ０．１μｍ、不純物密
度２×１０18ｃｍ-3のｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＢＳＦ層
７が形成されている。ボトムセル２のｐＧａＡｓベース
層８は厚さ３．０μｍ、不純物密度２．０×１０17ｃｍ
-3、ｎ+ ＧａＡｓエミッタ層９は厚さ０．１μｍ、不純
物密度２．０×１０18ｃｍ-3で、その上に厚さ０．１μ
ｍ、不純物密度２．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐ窓層が形成されている。
Ｐ−ＢＳＦ層７もｐ+ ＧａＡｓバッファ層６を介してｐ
+ ＧａＡｓ基板５に少数キャリヤが抜けることを防止し
ているのである。ここでｐ+ ＧａＡｓ基板はＺｎドープ
の不純物密度１×１０19ｃｍ-3のものであり、厚さ０．
３μｍ、不純物密度７．０×１０18ｃｍ-3程度のｐ+Ｇ
ａＡｓバッファ層６を介して厚さ０．１μｍ、不純物密
度２×１０18ｃｍ-3のｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＢＳＦ層
７が形成されている。ボトムセル２のｐＧａＡｓベース
層８は厚さ３．０μｍ、不純物密度２．０×１０17ｃｍ
-3、ｎ+ ＧａＡｓエミッタ層９は厚さ０．１μｍ、不純
物密度２．０×１０18ｃｍ-3で、その上に厚さ０．１μ
ｍ、不純物密度２．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐ窓層が形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示したような従来のトンネル型２接合ＩｎＧａＰ／Ｇａ
Ａｓ太陽電池を作製した場合のそのボトムセル２の分光
感度特性と単接合ＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性とを
比較したところ、６００〜８００ｎｍの波長域におい
て、従来型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池のボト
ムセル２の場合の方が数％分光感度が低下していること
がわかった。図５に３００ｎｍ〜９００ｎｍの波長にお
ける太陽電池の分光感度特性を示すが、（ａ），（ｂ）
は単接合ＧａＡｓ太陽電池の場合で、（ｃ）が図３に示
した従来のトンネル型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽
電池のボトムセルの場合の分光感度特性である。
示したような従来のトンネル型２接合ＩｎＧａＰ／Ｇａ
Ａｓ太陽電池を作製した場合のそのボトムセル２の分光
感度特性と単接合ＧａＡｓ太陽電池の分光感度特性とを
比較したところ、６００〜８００ｎｍの波長域におい
て、従来型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池のボト
ムセル２の場合の方が数％分光感度が低下していること
がわかった。図５に３００ｎｍ〜９００ｎｍの波長にお
ける太陽電池の分光感度特性を示すが、（ａ），（ｂ）
は単接合ＧａＡｓ太陽電池の場合で、（ｃ）が図３に示
した従来のトンネル型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽
電池のボトムセルの場合の分光感度特性である。
【０００９】図５の曲線（ｂ）はＩｎＧａＰのフィルタ
を付けた場合のＧａＡｓ単接合セルの分光感度特性を示
すが、従来のトンネル型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太
陽電池の分光感度特性が低下していることがわかる。
を付けた場合のＧａＡｓ単接合セルの分光感度特性を示
すが、従来のトンネル型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太
陽電池の分光感度特性が低下していることがわかる。
【００１０】詳細な分析の結果、この分光感度低下は、
ＧａＡｓトンネル接合層３での光吸収損失にあることが
判明した。つまり、トップセルを透過した光の一部
（１．４ｅＶと１．９ｅＶの間のエネルギーを持つ光子
の一部）がトンネル接合層で吸収されてしまい、ボトム
セルに到達しないためであることがわかった。このトン
ネル接合層で吸収された光は発電に寄与せず、熱になっ
て失われてしまうという問題点が判明したのである。
ＧａＡｓトンネル接合層３での光吸収損失にあることが
判明した。つまり、トップセルを透過した光の一部
（１．４ｅＶと１．９ｅＶの間のエネルギーを持つ光子
の一部）がトンネル接合層で吸収されてしまい、ボトム
セルに到達しないためであることがわかった。このトン
ネル接合層で吸収された光は発電に寄与せず、熱になっ
て失われてしまうという問題点が判明したのである。
【００１１】このＧａＡｓトンネル接合での光吸収損失
の問題を回避するために、図４に示すようにＧａＡｓト
ンネル接合３の代わりにＩｎx Ｇａ1-x Ｐトンネル接合
３１を用いる構造を検討した。この場合には、１．４ｅ
Ｖと１．９ｅＶの間のエネルギーを有する光子のほとん
どすべてが、トンネル接合層で吸収されずにボトムセル
に到達し、ボトムセルによる発電に寄与すると考えられ
る。このため、ＩｎxＧａ1-x Ｐトンネル接合３１の方
がＧａＡｓトンネル接合３よりも材料的には優れている
と言える。しかし、太陽光シミュレータによる光照射の
もとで図４の構造の太陽電池の電流−電圧特性を測定し
たところ、正常な太陽電池特性は得られなかった。調査
の結果、この原因はＩｎＧａＰトンネル接合３１を流れ
得る最大のトンネル電流の大きさが３ｍＡ／ｃｍ2 程度
であり、太陽電池に発生が期待される光電流の１５ｍＡ
／ｃｍ2 よりも小さいという問題点が判明した。すなわ
ち、この問題点はトンネル接合におけるトンネル電流の
大きさは、ドーピング濃度と材料の禁制帯幅に極めて敏
感であり、ドーピング濃度が大きく禁制帯幅が狭い方
が、トンネル電流が流れやすいということに起因してい
る。具体的には、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐトンネル接合では、
ＧａＡｓトンネル接合と比べてより高濃度にドーピング
しなければ、十分なトンネル電流が得られないというよ
うな、トンネル接合の作製上の困難があるのである。特
に太陽電池へ応用する場合には、トンネル接合への高濃
度ドーピングは、単独のトンネル接合を作製する場合以
上の困難を伴う。すなわち、太陽電池作成に際しては、
図３および図４に示したような多層エピタキシャル成長
が必要であるがＩｎx Ｇａ1-x Ｐトンネル接合層３１形
成後にその上にＩｎx Ｇａ1-x Ｐトップセルに必要なＢ
ＳＦ層１３，ベース層１４，…，等所定の各層を気相エ
ピタキシャル成長法で結晶成長する際の高温状態におい
て、せっかくトンネル層に高濃度に混入させた不純物が
熱拡散によって拡散し、トップセル１の各層成長後には
トンネル接合のｐ−ｎ界面における初期のドーパント濃
度が設計値以下に減少し、十分なトンネル電流が得られ
なくなるという製造プロセス上の重大な問題点が生じる
のである。たとえば、Ｉｎx Ｇａ1-xＰトンネル接合層
３１のｎ型ドーパントとしてＳｉ、ｐ型ドーパントとし
てＺｎを用いた場合、ドーピング濃度設計値を約１×１
０19ｃｍ-3として作製したトンネル接合を、トンネル接
合形成後の熱アニールを行うことによってトンネル電流
が極端に減少することを実験的に示すことができる。II
I −Ｖ族結晶中では、ｎ型ドーパントのＳｉはあまり拡
散しないことが知られており、上記トンネル電流の減少
は、主にｐ型ドーパントであるＺｎの拡散に起因した不
純物ドーピングプロファイルの変化によるものと思われ
る。
の問題を回避するために、図４に示すようにＧａＡｓト
ンネル接合３の代わりにＩｎx Ｇａ1-x Ｐトンネル接合
３１を用いる構造を検討した。この場合には、１．４ｅ
Ｖと１．９ｅＶの間のエネルギーを有する光子のほとん
どすべてが、トンネル接合層で吸収されずにボトムセル
に到達し、ボトムセルによる発電に寄与すると考えられ
る。このため、ＩｎxＧａ1-x Ｐトンネル接合３１の方
がＧａＡｓトンネル接合３よりも材料的には優れている
と言える。しかし、太陽光シミュレータによる光照射の
もとで図４の構造の太陽電池の電流−電圧特性を測定し
たところ、正常な太陽電池特性は得られなかった。調査
の結果、この原因はＩｎＧａＰトンネル接合３１を流れ
得る最大のトンネル電流の大きさが３ｍＡ／ｃｍ2 程度
であり、太陽電池に発生が期待される光電流の１５ｍＡ
／ｃｍ2 よりも小さいという問題点が判明した。すなわ
ち、この問題点はトンネル接合におけるトンネル電流の
大きさは、ドーピング濃度と材料の禁制帯幅に極めて敏
感であり、ドーピング濃度が大きく禁制帯幅が狭い方
が、トンネル電流が流れやすいということに起因してい
る。具体的には、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐトンネル接合では、
ＧａＡｓトンネル接合と比べてより高濃度にドーピング
しなければ、十分なトンネル電流が得られないというよ
うな、トンネル接合の作製上の困難があるのである。特
に太陽電池へ応用する場合には、トンネル接合への高濃
度ドーピングは、単独のトンネル接合を作製する場合以
上の困難を伴う。すなわち、太陽電池作成に際しては、
図３および図４に示したような多層エピタキシャル成長
が必要であるがＩｎx Ｇａ1-x Ｐトンネル接合層３１形
成後にその上にＩｎx Ｇａ1-x Ｐトップセルに必要なＢ
ＳＦ層１３，ベース層１４，…，等所定の各層を気相エ
ピタキシャル成長法で結晶成長する際の高温状態におい
て、せっかくトンネル層に高濃度に混入させた不純物が
熱拡散によって拡散し、トップセル１の各層成長後には
トンネル接合のｐ−ｎ界面における初期のドーパント濃
度が設計値以下に減少し、十分なトンネル電流が得られ
なくなるという製造プロセス上の重大な問題点が生じる
のである。たとえば、Ｉｎx Ｇａ1-xＰトンネル接合層
３１のｎ型ドーパントとしてＳｉ、ｐ型ドーパントとし
てＺｎを用いた場合、ドーピング濃度設計値を約１×１
０19ｃｍ-3として作製したトンネル接合を、トンネル接
合形成後の熱アニールを行うことによってトンネル電流
が極端に減少することを実験的に示すことができる。II
I −Ｖ族結晶中では、ｎ型ドーパントのＳｉはあまり拡
散しないことが知られており、上記トンネル電流の減少
は、主にｐ型ドーパントであるＺｎの拡散に起因した不
純物ドーピングプロファイルの変化によるものと思われ
る。
【００１２】本発明は上述した問題点を鑑みてなされた
もので、分光感度特性および変換効率の高いトンネル型
２接合太陽電池等に応用することの可能な新規な構造ト
ンネル接合層を提供することを目的とする。
もので、分光感度特性および変換効率の高いトンネル型
２接合太陽電池等に応用することの可能な新規な構造ト
ンネル接合層を提供することを目的とする。
【００１３】より具体的には本発明の目的は高温熱処理
工程に対しても拡散が抑制され、高不純物密度かつ急峻
な初期不純物プロファイルが維持可能であり、したがっ
て良好なトンネル接合特性を示すことが可能なトンネル
ダイオードを実現するための新規な構造を提供すること
である。
工程に対しても拡散が抑制され、高不純物密度かつ急峻
な初期不純物プロファイルが維持可能であり、したがっ
て良好なトンネル接合特性を示すことが可能なトンネル
ダイオードを実現するための新規な構造を提供すること
である。
【００１４】本発明のさらに別の目的は光透過特性に優
れ、しかも１５０ｍＡ／ｃｍ2 以上の大電流を流すこと
が可能なトンネルダイオードを提供することである。
れ、しかも１５０ｍＡ／ｃｍ2 以上の大電流を流すこと
が可能なトンネルダイオードを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の特徴は、図１に示すようなｐ型不純
物を高濃度にドープしたｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２
と、ｎ型不純物を高濃度にドープしたｎ++Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐ層１１とからなるｐｎ接合部を具備するトンネル
ダイオードであって、ｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２の上
部およびｎ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１の下部にＡｌy Ｉ
ｎ1-y Ｐ層８１，８２をそれぞれ設けたことである。好
ましくは図１に示すｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２、ｎ++
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１の組成ｘおよび、Ａｌy Ｉｎ
1-y Ｐ層８１，８２の組成ｙはそれぞれＧａＡｓと実質
的に格子整合する値に選定されていることである。実質
的に格子整合とは格子不整合が０．１％以内となること
をいい、ｘおよびｙはほぼ０．５であることが好まし
い。
に、本発明の第１の特徴は、図１に示すようなｐ型不純
物を高濃度にドープしたｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２
と、ｎ型不純物を高濃度にドープしたｎ++Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐ層１１とからなるｐｎ接合部を具備するトンネル
ダイオードであって、ｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２の上
部およびｎ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１の下部にＡｌy Ｉ
ｎ1-y Ｐ層８１，８２をそれぞれ設けたことである。好
ましくは図１に示すｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２、ｎ++
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１の組成ｘおよび、Ａｌy Ｉｎ
1-y Ｐ層８１，８２の組成ｙはそれぞれＧａＡｓと実質
的に格子整合する値に選定されていることである。実質
的に格子整合とは格子不整合が０．１％以内となること
をいい、ｘおよびｙはほぼ０．５であることが好まし
い。
【００１６】さらに好ましくは図１に示すｐ++Ｉｎx Ｇ
ａ1-x Ｐ層１２の不純物はＺｎであり、５×１０18ｃｍ
-3以上１×１０19ｃｍ-3以下の不純物密度の値にドープ
されていることである。
ａ1-x Ｐ層１２の不純物はＺｎであり、５×１０18ｃｍ
-3以上１×１０19ｃｍ-3以下の不純物密度の値にドープ
されていることである。
【００１７】このような本発明の第１の特徴に示す構成
により、すなわち薄いＡｌy Ｉｎ1- y Ｐ層をＩｎx Ｇａ
1-x Ｐトンネル接合の上下に設けることにより、トンネ
ル接合からのドーパントの拡散を抑えられ、高温熱工程
の後においても不純物プロファイルのだれが少なくな
り、良好なトンネル特性を維持することができる。
により、すなわち薄いＡｌy Ｉｎ1- y Ｐ層をＩｎx Ｇａ
1-x Ｐトンネル接合の上下に設けることにより、トンネ
ル接合からのドーパントの拡散を抑えられ、高温熱工程
の後においても不純物プロファイルのだれが少なくな
り、良好なトンネル特性を維持することができる。
【００１８】本発明の第２の特徴は、図２に示すような
ＧａＡｓボトムセル２と、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐトップセル
１とを接合してトンネル型多接合太陽電池を構成するた
めのトンネル接合層３１となるトンネルダイオードであ
って、このトンネルダイオードは、ＧａＡｓボトムセル
２の上部に形成された第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１、
第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１の上部に形成された第１
のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１、第１のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層
１１の上部に形成された第２のＩｎx Ｇａ1-xＰ層１
２、第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２の上部に形成された
第２のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２から構成され、第２のＡ
ｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２の上部にＩｎx Ｇａ1-x Ｐトップ
セル１が形成されていることである。図２に示すように
第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１はｎ+ ＡｌＩｎＰ層、第
２のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２はｐ+ＡｌＩｎＰ層、第１
のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１はｎ++ＩｎＧａＰ層、第２の
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２はｐ++ＩｎＧａＰ層でよいが、
この導電型、すなわちｐ型とｎ型を全部逆にしてもよい
ことは勿論である。
ＧａＡｓボトムセル２と、Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐトップセル
１とを接合してトンネル型多接合太陽電池を構成するた
めのトンネル接合層３１となるトンネルダイオードであ
って、このトンネルダイオードは、ＧａＡｓボトムセル
２の上部に形成された第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１、
第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１の上部に形成された第１
のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１、第１のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層
１１の上部に形成された第２のＩｎx Ｇａ1-xＰ層１
２、第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２の上部に形成された
第２のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２から構成され、第２のＡ
ｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２の上部にＩｎx Ｇａ1-x Ｐトップ
セル１が形成されていることである。図２に示すように
第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１はｎ+ ＡｌＩｎＰ層、第
２のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２はｐ+ＡｌＩｎＰ層、第１
のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１はｎ++ＩｎＧａＰ層、第２の
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２はｐ++ＩｎＧａＰ層でよいが、
この導電型、すなわちｐ型とｎ型を全部逆にしてもよい
ことは勿論である。
【００１９】好ましくは図２に示すＧａＡｓボトムセル
２はｐ型ＧａＡｓ基板５上に形成され、第１および第２
のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１，８２の組成ｙ、および第１
および第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１，１２の組成ｘ
は、ｐ型ＧａＡｓ基板５の格子定数と実質的に格子整合
する値に選定されたことを特徴とする。実質的に格子整
合とは格子不整合が０．１％以内を意味し、具体的には
ｘ≒０．５，ｙ≒０．５であることが好ましい。さらに
好ましくは第１または第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層のいず
れか一方の不純物は亜鉛（Ｚｎ）であり、この亜鉛（Ｚ
ｎ）はＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層に５×１０18ｃｍ-3以上１×
１０19ｃｍ-3以下の不純物密度にドープされていること
である。
２はｐ型ＧａＡｓ基板５上に形成され、第１および第２
のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８１，８２の組成ｙ、および第１
および第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１，１２の組成ｘ
は、ｐ型ＧａＡｓ基板５の格子定数と実質的に格子整合
する値に選定されたことを特徴とする。実質的に格子整
合とは格子不整合が０．１％以内を意味し、具体的には
ｘ≒０．５，ｙ≒０．５であることが好ましい。さらに
好ましくは第１または第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層のいず
れか一方の不純物は亜鉛（Ｚｎ）であり、この亜鉛（Ｚ
ｎ）はＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層に５×１０18ｃｍ-3以上１×
１０19ｃｍ-3以下の不純物密度にドープされていること
である。
【００２０】本発明の第２の特徴によれば、図２のよう
な薄いＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層をＩｎxＧａ1-x Ｐトンネル
接合の上下に設けた構造のトンネルダイオードでトップ
セルとボトムセルを結びつけているので、トップセルの
長波長分光感度を損なうことなく、良好なトンネル特性
を維持することができる。すなわち、図２に示すように
トンネルダイオード作成後さらに、ｐ+ ＩｎＧａＰ層１
３、ｐＩｎＧａＰ層１４、ｎ+ ＩｎＧａＰ層１５、ｎ+
ＡｌＩｎＰ層１６、およびｎ+ ＧａＡｓ層１７という連
続多層エピタキシャル成長の高温熱過程を経ても、トン
ネル接合を構成するドーパントである亜鉛（Ｚｎ）の外
方拡散が抑えられる。したがってトンネル型多接合太陽
電池に必要なトンネル接合の所望の不純物プロファイル
が設計通りに実現できる。さらに、このＡｌy Ｉｎ1-y
Ｐ層の禁制帯幅はトップセルのベース層の材料であるＩ
ｎx Ｇａ1-x Ｐの禁制帯幅よりも大きく、光電効果によ
りベース層に生じた少数キャリヤ（伝導電子）がトンネ
ル接合側に拡散するのを防ぐ効果も合わせ持つため、太
陽電池の変換効率が高いものとなる。
な薄いＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層をＩｎxＧａ1-x Ｐトンネル
接合の上下に設けた構造のトンネルダイオードでトップ
セルとボトムセルを結びつけているので、トップセルの
長波長分光感度を損なうことなく、良好なトンネル特性
を維持することができる。すなわち、図２に示すように
トンネルダイオード作成後さらに、ｐ+ ＩｎＧａＰ層１
３、ｐＩｎＧａＰ層１４、ｎ+ ＩｎＧａＰ層１５、ｎ+
ＡｌＩｎＰ層１６、およびｎ+ ＧａＡｓ層１７という連
続多層エピタキシャル成長の高温熱過程を経ても、トン
ネル接合を構成するドーパントである亜鉛（Ｚｎ）の外
方拡散が抑えられる。したがってトンネル型多接合太陽
電池に必要なトンネル接合の所望の不純物プロファイル
が設計通りに実現できる。さらに、このＡｌy Ｉｎ1-y
Ｐ層の禁制帯幅はトップセルのベース層の材料であるＩ
ｎx Ｇａ1-x Ｐの禁制帯幅よりも大きく、光電効果によ
りベース層に生じた少数キャリヤ（伝導電子）がトンネ
ル接合側に拡散するのを防ぐ効果も合わせ持つため、太
陽電池の変換効率が高いものとなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
に係るトンネルダイオードの構造の概略を示す断面図で
ある。ｐ++ＩｎＧａＰ層１２およびｎ++ＩｎＧａＰ層１
１からなるＩｎＧａＰトンネル接合層の上下に薄いｐ+
Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２およびｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層
８１を設けたトンネルダイオードである。具体的にはＳ
ｉドープの不純物密度２．０×１０18ｃｍ-3程度のｎ+
ＧａＡｓ基板５５の上に、厚み０．３μｍ、不純物密度
２×１０18ｃｍ-3のｎ+ ＧａＡｓ層５６、厚み２５ｎ
ｍ、不純物密度３×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-y
Ｐ層８１および厚み１５ｎｍ、不純物密度１×１０19ｃ
ｍ-3程度のｎ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１からなるカソー
ド領域が形成されている。このカソード領域の上に、厚
み１５ｎｍ、不純物密度６×１０18ｃｍ-3のｐ++Ｉｎx
Ｇａ1-x Ｐ層１２、厚み２５ｎｍ、不純物密度１×１０
17ｃｍ-3のｐ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２、厚み２５ｎ
ｍ、不純物密度２×１０18ｃｍ-3のｐ+Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｐ層５７、および厚み１．５μｍ、不純物密度１．５×
１０17ｃｍ-3のｐＩｎＧａＰ層５８からなるアノード領
域が形成され、さらにその上に厚み０．３μｍ、不純物
密度１×１０19ｃｍ-3のｐ+ ＧａＡｓオーミックコンタ
クト層５９が形成されている。アノード電極８８、カソ
ード電極５４は厚み１〜２μｍのＡｕ等の金属を用いて
いる。
施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
に係るトンネルダイオードの構造の概略を示す断面図で
ある。ｐ++ＩｎＧａＰ層１２およびｎ++ＩｎＧａＰ層１
１からなるＩｎＧａＰトンネル接合層の上下に薄いｐ+
Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２およびｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層
８１を設けたトンネルダイオードである。具体的にはＳ
ｉドープの不純物密度２．０×１０18ｃｍ-3程度のｎ+
ＧａＡｓ基板５５の上に、厚み０．３μｍ、不純物密度
２×１０18ｃｍ-3のｎ+ ＧａＡｓ層５６、厚み２５ｎ
ｍ、不純物密度３×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-y
Ｐ層８１および厚み１５ｎｍ、不純物密度１×１０19ｃ
ｍ-3程度のｎ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１１からなるカソー
ド領域が形成されている。このカソード領域の上に、厚
み１５ｎｍ、不純物密度６×１０18ｃｍ-3のｐ++Ｉｎx
Ｇａ1-x Ｐ層１２、厚み２５ｎｍ、不純物密度１×１０
17ｃｍ-3のｐ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２、厚み２５ｎ
ｍ、不純物密度２×１０18ｃｍ-3のｐ+Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｐ層５７、および厚み１．５μｍ、不純物密度１．５×
１０17ｃｍ-3のｐＩｎＧａＰ層５８からなるアノード領
域が形成され、さらにその上に厚み０．３μｍ、不純物
密度１×１０19ｃｍ-3のｐ+ ＧａＡｓオーミックコンタ
クト層５９が形成されている。アノード電極８８、カソ
ード電極５４は厚み１〜２μｍのＡｕ等の金属を用いて
いる。
【００２２】図１に示した本発明の第１の実施の形態の
構造では、ＩｎＧａＰトンネル接合を流れうる最大のト
ンネル電流の大きさとして１５０ｍＡ／ｃｍ2 が得ら
れ、従来のＩｎＧａＰトンネル接合で得られた値（３ｍ
Ａ／ｃｍ2 ）と比べて非常に大きい値が得られ、また光
透過特性も良好である。したがって２接合ＩｎＧａＰ／
ＧａＡｓ太陽電池に十分適用可能である。
構造では、ＩｎＧａＰトンネル接合を流れうる最大のト
ンネル電流の大きさとして１５０ｍＡ／ｃｍ2 が得ら
れ、従来のＩｎＧａＰトンネル接合で得られた値（３ｍ
Ａ／ｃｍ2 ）と比べて非常に大きい値が得られ、また光
透過特性も良好である。したがって２接合ＩｎＧａＰ／
ＧａＡｓ太陽電池に十分適用可能である。
【００２３】図２は本発明の第２の実施の形態に係るト
ンネル接合型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池の断
面の概略図であり、ＩｎＧａＰトップセル１とＧａＡｓ
ボトムセル２との間にＩｎy Ｇａ1-y Ｐトンネル接合層
３１を挿入し、両者を電気的に接続し、その両側を薄い
Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２，８１で挟んでいる。
ンネル接合型２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池の断
面の概略図であり、ＩｎＧａＰトップセル１とＧａＡｓ
ボトムセル２との間にＩｎy Ｇａ1-y Ｐトンネル接合層
３１を挿入し、両者を電気的に接続し、その両側を薄い
Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２，８１で挟んでいる。
【００２４】詳細に述べるとＧａＡｓボトムセル２はＺ
ｎドープのｐ+ ＧａＡｓ基板５（ｐ＜１×１０19ｃ
ｍ-3）の上部に形成された厚み０．３μｍ、不純物密度
７．０×１０18ｃｍ-3のｐ+ ＧａＡｓバッファ層６の上
に形成されている。そしてＧａＡｓボトムセル２はｐ+
ＧａＡｓバッファ層６の上に形成された厚み０．１μｍ
で、不純物密度２．０〜３．０×１０18ｃｍ-3のｐ+ Ｉ
ｎＧａＰのＢＳＦ層７、その上部に設けられた厚み３μ
ｍ、不純物密度２．０×１０17ｃｍ-3のｐＧａＡｓベー
ス層８、その上部に設けられた厚み０．１μｍ、不純物
密度２．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ ＧａＡｓエミッタ層
９、さらにその上部の厚み０．１μｍ、不純物密度２．
０×１０18ｃｍ-3のｎ+ ＩｎＧａＰ窓層１０とから構成
されている。エミッタ層９とベース層８の間にｐｎ接合
が形成されている。ＩｎＧａＰトンネル接合層３３は下
部セル（ＧａＡｓボトムセル）２の最上層であるｎ+ Ｉ
ｎＧａＰ窓層１０の上部に形成された厚み２５ｎｍ、不
純物密度２．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ
層８１を介して、その上に厚み１５ｎｍ、不純物密度５
×１０18ｃｍ-3以上好ましくは１×１０19ｃｍ-3のｎ++
Ｉｎy Ｇａ1-y Ｐ層１１と、厚み１５ｎｍ、不純物密度
６×１０18ｃｍ-3のｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２とから
構成されている。ｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２の上に
は、厚み２５ｎｍ、不純物密度１×１０18ｃｍ-3のｐ+
Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２が形成されている。そしてこの
上部には厚み０．１〜０．７μｍで不純物密度、１〜６
×１０18ｃｍ-3のｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ ＢＳＦ層１３
が形成されている。ＢＳＦ層１３の組成ｘはＧａＡｓ基
板とほぼ格子整合する値、たとえばＩｎ0.5 Ｇａ0.5 層
１３とする。
ｎドープのｐ+ ＧａＡｓ基板５（ｐ＜１×１０19ｃ
ｍ-3）の上部に形成された厚み０．３μｍ、不純物密度
７．０×１０18ｃｍ-3のｐ+ ＧａＡｓバッファ層６の上
に形成されている。そしてＧａＡｓボトムセル２はｐ+
ＧａＡｓバッファ層６の上に形成された厚み０．１μｍ
で、不純物密度２．０〜３．０×１０18ｃｍ-3のｐ+ Ｉ
ｎＧａＰのＢＳＦ層７、その上部に設けられた厚み３μ
ｍ、不純物密度２．０×１０17ｃｍ-3のｐＧａＡｓベー
ス層８、その上部に設けられた厚み０．１μｍ、不純物
密度２．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ ＧａＡｓエミッタ層
９、さらにその上部の厚み０．１μｍ、不純物密度２．
０×１０18ｃｍ-3のｎ+ ＩｎＧａＰ窓層１０とから構成
されている。エミッタ層９とベース層８の間にｐｎ接合
が形成されている。ＩｎＧａＰトンネル接合層３３は下
部セル（ＧａＡｓボトムセル）２の最上層であるｎ+ Ｉ
ｎＧａＰ窓層１０の上部に形成された厚み２５ｎｍ、不
純物密度２．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ
層８１を介して、その上に厚み１５ｎｍ、不純物密度５
×１０18ｃｍ-3以上好ましくは１×１０19ｃｍ-3のｎ++
Ｉｎy Ｇａ1-y Ｐ層１１と、厚み１５ｎｍ、不純物密度
６×１０18ｃｍ-3のｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２とから
構成されている。ｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２の上に
は、厚み２５ｎｍ、不純物密度１×１０18ｃｍ-3のｐ+
Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８２が形成されている。そしてこの
上部には厚み０．１〜０．７μｍで不純物密度、１〜６
×１０18ｃｍ-3のｐ+ Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ ＢＳＦ層１３
が形成されている。ＢＳＦ層１３の組成ｘはＧａＡｓ基
板とほぼ格子整合する値、たとえばＩｎ0.5 Ｇａ0.5 層
１３とする。
【００２５】そしてこの上に続けて、厚み０．７〜１．
５μｍ、不純物密度１．５×１０17ｃｍ-3のｐＩｎ0.5
Ｇａ0.5 Ｐベース層１４；厚み５０ｎｍ、不純物密度
３．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐエミッ
タ層１５；および厚み３０ｎｍ、不純物密度２×１０18
ｃｍ-3のｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６がこの順に堆積された
Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル１が形成されている。Ｉ
ｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル１の上部の一部にはオーミ
ックコンタクト用の厚み０．３μｍのｎ+ ＧａＡｓ層１
７が形成され、その上部にはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層
２３およびその上のＡｕ層２４からなる上部金属電極層
（表面電極層）１８が形成されている。ｐ+ ＧａＡｓ基
板５の裏面には下部金属電極層（裏面電極層）４として
Ａｕ層が形成されている。Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセ
ル１のｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６の表面においてｎ+ Ｇａ
Ａｓ層１７およびその上の上部金属電極層１８が形成さ
れている部分以外の領域には、ＺｎＳ層２０、ＭｇＦ2
層２１からなる反射防止膜１９が形成されている。な
お、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル１のｐ+ Ｉｎ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｐ−ＢＳＦ層１３の不純物密度は２〜３×１０18
ｃｍ-3とするのがより望ましく、さらにその厚みは０．
１〜０．５μｍとすることが望ましい。ｐ+ Ｉｎ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｐ−ＢＳＦ層１３の厚みを０．７μｍ以上とする
と光が吸収されて効率が下がるので望ましくない。図１
におけるドーパントはｐ+ ＧａＡｓバッファ層６、ｐ+
ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層７、ｐＧａＡｓベース層８、ｐ++
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２、ｐ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８
２、ｐ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ−ＢＳＦ層１３、ｐＩｎＧ
ａＰベース層１４に対してはＺｎを用いるのが望まし
く、ｎ+ＧａＡｓエミッタ層９、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5
Ｐ窓層１０、ｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-yＰ層８１、ｎ++Ｉｎx
Ｇａ1-x Ｐ層１１、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇ0.5 Ｐエミッタ層１
５、ｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６、ｎ+ ＧａＡｓ層１７には
Ｓｉを用いることが望ましいが、他のドーパントでも同
様な効果は得られる。
５μｍ、不純物密度１．５×１０17ｃｍ-3のｐＩｎ0.5
Ｇａ0.5 Ｐベース層１４；厚み５０ｎｍ、不純物密度
３．０×１０18ｃｍ-3のｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐエミッ
タ層１５；および厚み３０ｎｍ、不純物密度２×１０18
ｃｍ-3のｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６がこの順に堆積された
Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル１が形成されている。Ｉ
ｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル１の上部の一部にはオーミ
ックコンタクト用の厚み０．３μｍのｎ+ ＧａＡｓ層１
７が形成され、その上部にはＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層
２３およびその上のＡｕ層２４からなる上部金属電極層
（表面電極層）１８が形成されている。ｐ+ ＧａＡｓ基
板５の裏面には下部金属電極層（裏面電極層）４として
Ａｕ層が形成されている。Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセ
ル１のｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６の表面においてｎ+ Ｇａ
Ａｓ層１７およびその上の上部金属電極層１８が形成さ
れている部分以外の領域には、ＺｎＳ層２０、ＭｇＦ2
層２１からなる反射防止膜１９が形成されている。な
お、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル１のｐ+ Ｉｎ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｐ−ＢＳＦ層１３の不純物密度は２〜３×１０18
ｃｍ-3とするのがより望ましく、さらにその厚みは０．
１〜０．５μｍとすることが望ましい。ｐ+ Ｉｎ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｐ−ＢＳＦ層１３の厚みを０．７μｍ以上とする
と光が吸収されて効率が下がるので望ましくない。図１
におけるドーパントはｐ+ ＧａＡｓバッファ層６、ｐ+
ＩｎＧａＰ−ＢＳＦ層７、ｐＧａＡｓベース層８、ｐ++
Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層１２、ｐ+ Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ層８
２、ｐ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ−ＢＳＦ層１３、ｐＩｎＧ
ａＰベース層１４に対してはＺｎを用いるのが望まし
く、ｎ+ＧａＡｓエミッタ層９、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5
Ｐ窓層１０、ｎ+ Ａｌy Ｉｎ1-yＰ層８１、ｎ++Ｉｎx
Ｇａ1-x Ｐ層１１、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇ0.5 Ｐエミッタ層１
５、ｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６、ｎ+ ＧａＡｓ層１７には
Ｓｉを用いることが望ましいが、他のドーパントでも同
様な効果は得られる。
【００２６】本発明の第２の実施の形態においては、Ｉ
ｎＧａＰトンネル接合層３１の上下にＡｌＩｎＰ層８
１，８２を設けているので、トンネル接合に必要な所望
の不純物プロファイルが安定かつ確実に形成され、Ｉｎ
ＧａＰトンネル接合層３１を流れうる最大のトンネル電
流の大きさとして１５０ｍＡ／ｃｍ2 が得られ、従来の
ＩｎＧａＰトンネル接合で得られた値（３ｍＡ／ｃ
ｍ2 ）と比べて非常に大きく２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡ
ｓ太陽電池の変換効率が向上する。
ｎＧａＰトンネル接合層３１の上下にＡｌＩｎＰ層８
１，８２を設けているので、トンネル接合に必要な所望
の不純物プロファイルが安定かつ確実に形成され、Ｉｎ
ＧａＰトンネル接合層３１を流れうる最大のトンネル電
流の大きさとして１５０ｍＡ／ｃｍ2 が得られ、従来の
ＩｎＧａＰトンネル接合で得られた値（３ｍＡ／ｃ
ｍ2 ）と比べて非常に大きく２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡ
ｓ太陽電池の変換効率が向上する。
【００２７】また本発明の第２の実施の形態のＧａＡｓ
ボトムセル２の分光感度は、ＧａＡｓトンネル接合を用
いた従来型の２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池のボ
トムセル分光感度と比べて、７００〜８００ｎｍの波長
領域において、２％から５％程度増加した。
ボトムセル２の分光感度は、ＧａＡｓトンネル接合を用
いた従来型の２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池のボ
トムセル分光感度と比べて、７００〜８００ｎｍの波長
領域において、２％から５％程度増加した。
【００２８】本実施の形態では２セル積層型太陽電池に
ついて述べたが、３セル以上の積層型太陽電池において
も本発明のトンネルダイオードが有効であることは明ら
かであろう。本発明の図２に示したトンネル型２接合太
陽電池は以下に示すような製造方法で製造できる。すな
わち、 （ａ）まず有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ＣＢ
Ｅ（ＣｈｅｍｉｃａｌＢｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、
ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘ
ｙ）法、ＭＬＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｅ
ｐｉｔａｘｙ）法等を用いて、ｐ+ ＧａＡｓ基板５の上
にｐ+ ＧａＡｓ層６、ＧａＡｓボトムセル２、ＩｎＧａ
Ｐトンネル接合３１、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル
１、ｎ+ＧａＡｓ層１７を連続エピタキシャル成長す
る。より具体的にはＧａＡｓボトムセル２はｐ+ ＩｎＧ
ａＰ−ＢＳＦ層７、ｐＧａＡｓベース層８、ｎ+ ＧａＡ
ｓエミッタ層９、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ窓層１０の多
層エピタキシャル成長層であり、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐト
ップセル１は、ｐＩｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＢＳＦ層１３、ｐ
Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐベース層１４、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ
0.5 Ｐエミッタ層１５、ｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６の順に
積層した多層エピタキシャル成長層であり、さらに、Ｉ
ｎＧａＰトンネル接合はボトムセル２との界面にｎ+ Ａ
ｌＩｎＰ層８１を形成し、その上にｎ++ＩｎＧａＰ層１
１、ｐ++ＩｎＧａＰ層１２およびｐ+ ＡｌＩｎＰ層８２
からなる連続エピタキシャル成長層である。ＭＯＣＶＤ
は常圧ＭＯＣＶＤでも減圧ＭＯＣＶＤでも可能である
が、望ましくは、たとえば６．７〜１０ｋＰａに保持さ
れた減圧ＭＯＣＶＤ法、さらに望ましくは縦型減圧ＭＯ
ＣＶＤ法によるのがよい。III 族の原料ガスとしてはト
リエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリ
メチルアミンアラン（ＴＭＡＡｌ）など、Ｖ族の原料ガ
スとしてはホスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（Ａｓ
Ｈ3 ）などを用いる。あるいはターシャリー・ブチル・
フォスフィン（（Ｃ4 Ｈ9 ）ＰＨ2 ；ＴＢＰ）、ターシ
ャリー・ブチル・アルシン（（Ｃ4 Ｈ9 ）ＡｓＨ2 ；Ｔ
ＢＡ）などを用いてもよい。ｎ型のドーパントガスとし
ては、モノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ
2 Ｈ6 ）、あるいはジエチルセレン（ＤＥＳｅ）、ジエ
チルテルル（ＤＥＴｅ）等を用いればよいが、モノシラ
ンが好ましい。ｐ型のドーパントガスとしてはジエチル
亜鉛（ＤＥＺｎ）あるいはトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）を用いてもよい。これらの原料ガスおよびドーパン
トガスはマスフローコントローラ等を用いて６．７ｋＰ
ａ〜１０ｋＰａの減圧に制御された反応管中に導入され
る。Ｖ族の原料ガスとIII 族の原料ガスとの比、いわゆ
るＶ／III 比は、たとえば１２０〜１７０程度で行えば
よい。成長時の基板温度はたとえば６５０℃〜７００℃
とすればよく、ＧａＡｓボトムセル２の成長は７００℃
が好ましい。
ついて述べたが、３セル以上の積層型太陽電池において
も本発明のトンネルダイオードが有効であることは明ら
かであろう。本発明の図２に示したトンネル型２接合太
陽電池は以下に示すような製造方法で製造できる。すな
わち、 （ａ）まず有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ＣＢ
Ｅ（ＣｈｅｍｉｃａｌＢｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、
ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘ
ｙ）法、ＭＬＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｌａｙｅｒ Ｅ
ｐｉｔａｘｙ）法等を用いて、ｐ+ ＧａＡｓ基板５の上
にｐ+ ＧａＡｓ層６、ＧａＡｓボトムセル２、ＩｎＧａ
Ｐトンネル接合３１、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐトップセル
１、ｎ+ＧａＡｓ層１７を連続エピタキシャル成長す
る。より具体的にはＧａＡｓボトムセル２はｐ+ ＩｎＧ
ａＰ−ＢＳＦ層７、ｐＧａＡｓベース層８、ｎ+ ＧａＡ
ｓエミッタ層９、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ窓層１０の多
層エピタキシャル成長層であり、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐト
ップセル１は、ｐＩｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＢＳＦ層１３、ｐ
Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐベース層１４、ｎ+ Ｉｎ0.5 Ｇａ
0.5 Ｐエミッタ層１５、ｎ+ ＡｌＩｎＰ窓層１６の順に
積層した多層エピタキシャル成長層であり、さらに、Ｉ
ｎＧａＰトンネル接合はボトムセル２との界面にｎ+ Ａ
ｌＩｎＰ層８１を形成し、その上にｎ++ＩｎＧａＰ層１
１、ｐ++ＩｎＧａＰ層１２およびｐ+ ＡｌＩｎＰ層８２
からなる連続エピタキシャル成長層である。ＭＯＣＶＤ
は常圧ＭＯＣＶＤでも減圧ＭＯＣＶＤでも可能である
が、望ましくは、たとえば６．７〜１０ｋＰａに保持さ
れた減圧ＭＯＣＶＤ法、さらに望ましくは縦型減圧ＭＯ
ＣＶＤ法によるのがよい。III 族の原料ガスとしてはト
リエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム
（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリ
メチルアミンアラン（ＴＭＡＡｌ）など、Ｖ族の原料ガ
スとしてはホスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（Ａｓ
Ｈ3 ）などを用いる。あるいはターシャリー・ブチル・
フォスフィン（（Ｃ4 Ｈ9 ）ＰＨ2 ；ＴＢＰ）、ターシ
ャリー・ブチル・アルシン（（Ｃ4 Ｈ9 ）ＡｓＨ2 ；Ｔ
ＢＡ）などを用いてもよい。ｎ型のドーパントガスとし
ては、モノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ
2 Ｈ6 ）、あるいはジエチルセレン（ＤＥＳｅ）、ジエ
チルテルル（ＤＥＴｅ）等を用いればよいが、モノシラ
ンが好ましい。ｐ型のドーパントガスとしてはジエチル
亜鉛（ＤＥＺｎ）あるいはトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）を用いてもよい。これらの原料ガスおよびドーパン
トガスはマスフローコントローラ等を用いて６．７ｋＰ
ａ〜１０ｋＰａの減圧に制御された反応管中に導入され
る。Ｖ族の原料ガスとIII 族の原料ガスとの比、いわゆ
るＶ／III 比は、たとえば１２０〜１７０程度で行えば
よい。成長時の基板温度はたとえば６５０℃〜７００℃
とすればよく、ＧａＡｓボトムセル２の成長は７００℃
が好ましい。
【００２９】（ｂ）次に、このように連続エピタキシャ
ル成長した多層構造のウェハを反応管より取り出し、リ
フトオフのためのフォトレジストを塗布し、フォトリソ
グラフィーにより所定のパターンを形成し、その上から
Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜２３を真空蒸着する。たとえ
ば１００ｎｍのＡｕ−Ｇｅ（１２ｗｔ％）、２０ｎｍの
Ｎｉ、７０ｎｍのＡｕ膜をＥＢ蒸着法にて形成する。そ
の後フォトレジストを除去すれば、櫛状のストライプ等
所望の平面パターン形状の上部金属電極層２３が形成さ
れる。リフトオフ法を用いず、通常のフォトリソグラフ
ィーで、ＫＩ／Ｉ2 溶液等のエッチャントでエッチング
しても同様なパターンは得られるが、リフトオフ法の方
が簡便である。その後、Ｈ2 雰囲気中あるいはＮ2 等の
不活性ガス雰囲気中で３６０〜４５０℃の基板温度で電
極のシンタリングを行う。３６０℃で２秒程度のシンタ
リングが好ましい。
ル成長した多層構造のウェハを反応管より取り出し、リ
フトオフのためのフォトレジストを塗布し、フォトリソ
グラフィーにより所定のパターンを形成し、その上から
Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜２３を真空蒸着する。たとえ
ば１００ｎｍのＡｕ−Ｇｅ（１２ｗｔ％）、２０ｎｍの
Ｎｉ、７０ｎｍのＡｕ膜をＥＢ蒸着法にて形成する。そ
の後フォトレジストを除去すれば、櫛状のストライプ等
所望の平面パターン形状の上部金属電極層２３が形成さ
れる。リフトオフ法を用いず、通常のフォトリソグラフ
ィーで、ＫＩ／Ｉ2 溶液等のエッチャントでエッチング
しても同様なパターンは得られるが、リフトオフ法の方
が簡便である。その後、Ｈ2 雰囲気中あるいはＮ2 等の
不活性ガス雰囲気中で３６０〜４５０℃の基板温度で電
極のシンタリングを行う。３６０℃で２秒程度のシンタ
リングが好ましい。
【００３０】（ｃ）次にエピタキシャル成長層表面をフ
ォトレジスト等でカバーしｐ+ ＧａＡｓ基板５の裏面を
ブロム（Ｂｒ2 ）系のエッチャントを用いて約６μｍエ
ッチング後、その表面に約１μｍ程度の裏面電極層４の
Ａｕメッキをする。続いてエピタキシャル成長層表面の
所定の平面パターンを有するＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜
２３の上部表面部分のみフォトリソグラフィーを用いて
約１μｍのＡｕメッキ膜２４をメッキし、上部金属電極
層１８の平面パターン形状を得る。
ォトレジスト等でカバーしｐ+ ＧａＡｓ基板５の裏面を
ブロム（Ｂｒ2 ）系のエッチャントを用いて約６μｍエ
ッチング後、その表面に約１μｍ程度の裏面電極層４の
Ａｕメッキをする。続いてエピタキシャル成長層表面の
所定の平面パターンを有するＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜
２３の上部表面部分のみフォトリソグラフィーを用いて
約１μｍのＡｕメッキ膜２４をメッキし、上部金属電極
層１８の平面パターン形状を得る。
【００３１】（ｄ）次に、たとえば１０ｍｍ×１０ｍｍ
等所望の平面寸法の受光面および上部電極層からなる素
子の主領域をフォトレジストでカバーし、カバーされて
いない他のエピタキシャル成長層の表面を約３０μｍ〜
５０μｍの幅で約１μｍの深さにメサエッチングし、メ
サを形成する。続いて、上部金属電極層１８の平面パタ
ーンをマスクとして、上部電極層１８の下のｎ+ ＧａＡ
ｓ層１７のみを残して、他の部分のｎ+ ＧａＡｓ層１７
をエッチングにより除去する。
等所望の平面寸法の受光面および上部電極層からなる素
子の主領域をフォトレジストでカバーし、カバーされて
いない他のエピタキシャル成長層の表面を約３０μｍ〜
５０μｍの幅で約１μｍの深さにメサエッチングし、メ
サを形成する。続いて、上部金属電極層１８の平面パタ
ーンをマスクとして、上部電極層１８の下のｎ+ ＧａＡ
ｓ層１７のみを残して、他の部分のｎ+ ＧａＡｓ層１７
をエッチングにより除去する。
【００３２】（ｅ）次に、再びリフトオフ法を用いてＺ
ｎＳ膜２０、ＭｇＦ2 膜２１からなる反射防止膜１９を
スパッタリングもしくは真空蒸着により形成する。
ｎＳ膜２０、ＭｇＦ2 膜２１からなる反射防止膜１９を
スパッタリングもしくは真空蒸着により形成する。
【００３３】（ｆ）次に、（ｄ）で説明した幅３０μｍ
〜５０μｍのメサラインを利用してへき開等により１０
×１０ｍｍのセルを切り出して図２に示す形状のトンネ
ル型２接合太陽電池が完成する。
〜５０μｍのメサラインを利用してへき開等により１０
×１０ｍｍのセルを切り出して図２に示す形状のトンネ
ル型２接合太陽電池が完成する。
【００３４】なお、トップセル及びボトムセルの構造の
細部については、本発明の第２の実施の形態である図２
の構造は単に例示であり、その他の構造のものについて
も本発明は有効である。たとえば、反射防止膜、窓層、
裏面電界層の材料、構造が図２のものと異なってもさし
つかえない。
細部については、本発明の第２の実施の形態である図２
の構造は単に例示であり、その他の構造のものについて
も本発明は有効である。たとえば、反射防止膜、窓層、
裏面電界層の材料、構造が図２のものと異なってもさし
つかえない。
【００３５】本発明の第２の実施の形態ではトンネルダ
イオードをトンネル型２接合太陽電池に用いる場合につ
いて説明したが、本発明は太陽電池への応用に限られ
ず、たとえば、トンネルダイオードを用いたイメージセ
ンサ、共鳴トンネルトランジスタ、トンネル注入型トラ
ンジスタ、あるいはタンネットダイオード等の走行時間
効果素子等の種々のトンネル効果素子，量子デバイス等
に用いることも可能である。
イオードをトンネル型２接合太陽電池に用いる場合につ
いて説明したが、本発明は太陽電池への応用に限られ
ず、たとえば、トンネルダイオードを用いたイメージセ
ンサ、共鳴トンネルトランジスタ、トンネル注入型トラ
ンジスタ、あるいはタンネットダイオード等の走行時間
効果素子等の種々のトンネル効果素子，量子デバイス等
に用いることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＩｎＧａＰトンネル接合を流れうる最大のトンネル電流
の大きさとして１５０ｍＡ／ｃｍ2 が得られ、従来のＩ
ｎＧａＰトンネル接合で得られた値（３ｍＡ／ｃｍ2 ）
と比べて非常に大きな値であり、大電流が必要な種々の
トンネル型デバイスに適用可能となる。
ＩｎＧａＰトンネル接合を流れうる最大のトンネル電流
の大きさとして１５０ｍＡ／ｃｍ2 が得られ、従来のＩ
ｎＧａＰトンネル接合で得られた値（３ｍＡ／ｃｍ2 ）
と比べて非常に大きな値であり、大電流が必要な種々の
トンネル型デバイスに適用可能となる。
【００３７】また本発明によれば、良好なトンネル特性
を有するＩｎＧａＰトンネル接合を形成することがで
き、トンネル接合内での光吸収による損失もほとんどな
いので、変換効率の高い２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太
陽電池や３接合以上の多接合太陽電池が得られる。
を有するＩｎＧａＰトンネル接合を形成することがで
き、トンネル接合内での光吸収による損失もほとんどな
いので、変換効率の高い２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太
陽電池や３接合以上の多接合太陽電池が得られる。
【００３８】また、本発明のトンネルダイオードを太陽
電池に応用した場合においてはＩｎx Ｇａ1-x Ｐトンネ
ル接合の上下に、ＧａＡｓと格子整合する薄いＡｌy Ｉ
ｎ1- y Ｐ層（ｙ〜０．５）を設けているのでトンネル接
合を形成するのに必要なＺｎの拡散が抑えられるととも
に、このＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層の禁制帯幅はトップセルの
ベース層の材料であるＩｎx Ｇａ1-x Ｐの禁制帯幅より
も大きく、光電効果によりベース層に生じた少数キャリ
ヤ（伝導電子）がトンネル接合側に拡散するのを防ぐた
めに開放電圧Ｖoc、短絡電流Ｉscが増大し、変換効率
（発電効率）が極めて高くなる。
電池に応用した場合においてはＩｎx Ｇａ1-x Ｐトンネ
ル接合の上下に、ＧａＡｓと格子整合する薄いＡｌy Ｉ
ｎ1- y Ｐ層（ｙ〜０．５）を設けているのでトンネル接
合を形成するのに必要なＺｎの拡散が抑えられるととも
に、このＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層の禁制帯幅はトップセルの
ベース層の材料であるＩｎx Ｇａ1-x Ｐの禁制帯幅より
も大きく、光電効果によりベース層に生じた少数キャリ
ヤ（伝導電子）がトンネル接合側に拡散するのを防ぐた
めに開放電圧Ｖoc、短絡電流Ｉscが増大し、変換効率
（発電効率）が極めて高くなる。
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るトンネルダイ
オードの断面構造を示す図である。
オードの断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る２接合ＩｎＧ
ａＰ／ＧａＡｓ太陽電池の断面構造を示す図である。
ａＰ／ＧａＡｓ太陽電池の断面構造を示す図である。
【図３】従来型の２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池
の断面構造を示す図である。
の断面構造を示す図である。
【図４】本発明を完成するに至る直前に検討を加えた２
接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池の断面構造である。
接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池の断面構造である。
【図５】従来型２接合太陽電池のボトムセル（ｃ）の分
光感度特性をＧａＡｓ単接合セル（ａ）、およびＩｎＧ
ａＰフィルタ付ＧａＡｓ単接合セル（ｂ）の分光感度特
性と比較するための図である。
光感度特性をＧａＡｓ単接合セル（ａ）、およびＩｎＧ
ａＰフィルタ付ＧａＡｓ単接合セル（ｂ）の分光感度特
性と比較するための図である。
１ ＩｎＧａＰトップセル ２ ＧａＡｓボトムセル ３ ＧａＡｓトンネル接合層 ４ 裏面電極 ５ ＧａＡｓ基板 ６ ｐ+ ＧａＡｓバッファ層 ７ ボトムセルＢＳＦ層 ８ ボトムセルベース層 ９ ボトムセルエミッタ層 １０ ボトムセル窓層 １１ ｎ++ＩｎＧａＰ層 １２ ｐ++ＩｎＧａＰ層 １３ トップセルＢＳＦ層 １４ トップセルベース層 １５ トップセルエミッタ層 １６ トップセル窓層 １７ 表面電極オーミックコンタクト層 １８ 表面電極 １９ 反射防止膜 ２０ ＺｎＳ層 ２１ ＭｇＦ2 層 ２３ Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層 ２４ Ａｕメッキ層 ３１ ＩｎＧａＰトンネル接合層 ５４ カソード電極 ５５ ｎ+ ＧａＡｓ基板 ５６ ｎ+ ＧａＡｓ層 ５７ ｐ+ ＩｎＧａＰ層 ５８ ｐＩｎＧａＰ層 ５９ ｐ+ ＧａＡｓオーミックコンタクト層 ８１ ｎ+ ＡｌＩｎＰ層 ８２ ｐ+ ＡｌＩｎＰ層 ８８ アノード電極
Claims (8)
- 【請求項１】 ｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ++Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ｐ層と、ｎ型不純物を高濃度にドープした
ｎ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層とからなるｐｎ接合部を具備す
るトンネルダイオードであって、 該ｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層の上部および該ｎ++Ｉｎx Ｇ
ａ1-x Ｐ層の下部にＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層をそれぞれ設け
たことを特徴とするトンネルダイオード。 - 【請求項２】 前記ｐ++Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ層、ｎ++Ｉｎ
x Ｇａ1-x Ｐ層の組成ｘおよび、前記Ａｌy Ｉｎ1-y Ｐ
層の組成ｙはそれぞれＧａＡｓと実質的に格子整合する
値に選定されたことを特徴とする請求項１記載のトンネ
ルダイオード。 - 【請求項３】 前記ｐ型不純物は亜鉛（Ｚｎ）であるこ
とを特徴とする請求項１または２記載のトンネルダイオ
ード。 - 【請求項４】 前記亜鉛（Ｚｎ）は前記ｐ++Ｉｎx Ｇａ
1-x Ｐ層に５×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下
の不純物密度にドープされていることを特徴とする請求
項３記載のトンネルダイオード。 - 【請求項５】 ＧａＡｓボトムセルとＩｎx Ｇａ1-x Ｐ
トップセルとを接合してトンネル型多接合太陽電池を構
成するためのトンネルダイオードであって、 該トンネルダイオードは、該ＧａＡｓボトムセルの上部
に形成された第１のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層、該第２のＡｌ
y Ｉｎ1-y Ｐ層の上部に形成された第１のＩｎx Ｇａ
1-x Ｐ層、該第１のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ層の上部に形成さ
れた第２のＩｎxＧａ1-x Ｐ層、該第２のＩｎx Ｇａ
1-x Ｐ層の上部に形成された第２のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ
層、から構成され、 該第２のＡｌy Ｉｎ1-y Ｐ層の上部に該Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｐトップセルが形成されていることを特徴とするトンネ
ルダイオード。 - 【請求項６】 前記ＧａＡｓボトムセルはｐ型ＧａＡｓ
基板上に形成され、前記第１および第２のＡｌy Ｉｎ
1-y Ｐ層の組成ｙ、および前記第１および第２のＩｎx
Ｇａ1-x Ｐ層の組成ｘは、該ｐ型ＧａＡｓ基板の格子定
数と実質的に格子整合する値に選定されたことを特徴と
する請求項５記載のトンネルダイオード。 - 【請求項７】 前記第１または第２のＩｎx Ｇａ1-x Ｐ
層のいずれか一方の不純物は亜鉛（Ｚｎ）であることを
特徴とする請求項５又は６記載のトンネルダイオード。 - 【請求項８】 前記亜鉛（Ｚｎ）は前記Ｉｎx Ｇａ1-x
Ｐ層に５×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下の不
純物密度にドープされていることをを特徴とする請求項
７記載のトンネルダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7204777A JPH0955522A (ja) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | トンネルダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7204777A JPH0955522A (ja) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | トンネルダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0955522A true JPH0955522A (ja) | 1997-02-25 |
Family
ID=16496182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7204777A Pending JPH0955522A (ja) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | トンネルダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0955522A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1447892A1 (en) * | 2003-02-13 | 2004-08-18 | Agilent Technologies, Inc. | InP based VCSEL with zinc-doped tunnel-junction and diffusion blocking layer |
| US6812070B2 (en) * | 1999-09-17 | 2004-11-02 | Hrl Laboratories, Llc | Epitaxially-grown backward diode |
| JP2012504331A (ja) * | 2008-09-29 | 2012-02-16 | クアンタソル リミテッド | 光電池 |
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