JPS63211774A - 化合物半導体装置 - Google Patents

化合物半導体装置

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JPS63211774A
JPS63211774A JP62045637A JP4563787A JPS63211774A JP S63211774 A JPS63211774 A JP S63211774A JP 62045637 A JP62045637 A JP 62045637A JP 4563787 A JP4563787 A JP 4563787A JP S63211774 A JPS63211774 A JP S63211774A
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JP
Japan
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gaas
layer
doped
type
crystal substrate
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JP62045637A
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Toshio Murotani
室谷 利夫
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、シリコン単結晶(以下シリコンをSiと称
す)を基板結晶材料として、GaAs系結晶層を成長さ
せた化合物半導体装置に関するものである。
〔従来の技術] 第4図は従来のGaAs太陽電池を示す断面図である。
この図において、1はn形GaAs結晶基板、2〜5は
このn形GaAs結晶基板1上に順次エピタキシャル成
長された各層で、2はn形G’ a A s層、3はp
形GaAs層、4はp形AlGaAs層、5はp形Ga
As層である。また、6は反射防止膜、7はグツリド状
のp電極、8は裏面n電極である。
次に動作について説明する。
p電極7側より入射した太陽光によって、p形GaAs
層3.n形GaAs層2の各半導体層中に光励起された
電子と正孔が発生し、電子はn形GaAs層2の方へ、
正孔はp形GaAs層3の方へそれぞれ逆方向に拡散し
、pn接合により正負の電荷が分離されて光起電力が発
生する。ここで、p形AlGaAs層4の役割はGaA
sよりバンドギャップの大きい半導体をペテロ接合する
ことによりp形GaAs層3で発生した電子が表面再結
合により消滅してしまうことを防ぐためのものであり、
p形GaAs層5はp電極7との良好なオーミック接触
を得るためのものである。また、反射防止膜6は太陽光
が半導体表面より反射されることを防いで有効に光を半
導体層中に入射させることを助けるためのものである。
上記のGaAs太陽電池の典型的な変換効率は17、’
5%である。“すなわち宇宙空間での太陽光エネルギー
密度135 、3 mW/cm2に対して23.7mV
/cm2の出力が得られる。ちなみにSt太陽電池の変
換効率は13%であり、GaAsのバンドギャップや直
接遷移型のバンド構造であるというGaAsの材料特性
のすばらしさがデバイス特性に活かされている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のような従来のGaAs太陽電池は、衛星に搭載す
る宇宙用太陽電池として実用化の段階にあるが、このG
aAs太陽電池は重いという欠点がある。なぜなら、G
aAsの比重は5゜32であり、Siの比重の2.33
と比べて2倍以上である。さらに、GaAsは襞間性が
あるため、ウェハ割れを生じ易い欠点がある。このGa
As結晶の重さともろさのゆえにウェハの大口径化が難
しく、また、製造工程中のウェハ割れで歩留り向上が図
れない。さらに、GaAs基板は高価で、St基板の1
0倍以上であり、コスト低減がなされない等多くの問題
点がある。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、Siを基板結晶材料として用い、このSi
結晶基板上にGaAs系結晶層を形成することで、軽量
で高効率のGaAs太陽電池を歩留りよく、安価に得る
ことを目的とする。
ところで、上記のようにSi結晶基板上にGaAs層を
エピタキシャル成長して高品質のGaAs層を得ること
は容易ではない。なぜなら、SlとGaAsとは格子定
数が4%も違うため、高密度の結晶欠陥が導入されるた
めである。  −第3図は格子定数差の大きいヘテロエ
ピタキシーで、通常、用いられている二段階温度成長法
を用いてSt基板上に成長したGaAs層の転位密度分
布を電子顕微鏡と溶融KOHのエツチングによるEPD
観察により測定した結果である。
測定結果が示すようにSt基板との界面で10120、
−2もの高密度で存在する転位は成長するに従い著しく
減少するもののGaAs表面近くでは依然として10 
’cm−2の高密度で存在する。これに対してGaAs
基板の転位密度は10’〜10’cm”−2であり、両
者にはまだ相当なひらきがある。
この発明は、上記の点にかんがみて、Inドープのエピ
タキシャル成長により転位密度の低減を実現したSi結
晶基板上へのGaAs系結晶層の形成を可能としたもの
である。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る化合物半導体装置は、Si結晶基板上に
GaAsのエピタキシャル成長の際にIII族のInを
I X 10”〜2X 10cm−’の濃度でドープす
ることにより、Si結晶基板上にGaAs系結晶層を形
成したものである。
〔作用〕
この発明においては、Si結晶基板上にInをドープし
たGaAs系結晶層をエピタキシャル成長したことから
、InをドープしないGaAs層に比べ著しく転位密度
が低減される。
(実施例) 以下、この発明の一実施例を第1図について説明する。
第1図はこの発明の一実施例を示すGaAs太陽電池の
断面図である。
第1図において、11はn形St結晶基板で、この上に
Si1.xGe、のバッファ層12を介してGaAsの
各層が形成される。すなわち、13はInドープのn形
GaAs層、14はInドープのp形GaAs層、15
はInドープのp形AlGaAs層、16はInドープ
のp形GaAs層であり、6は反射防止膜、7はグリッ
ド状のp電極、8は裏面n電極である。
次に動作について説明する。
p電極7側より入射した太陽光により、Inドープのp
形GaAs層14.Inドープのn形GaAs層13の
各半導体層中に光励起された電子と正孔が発生し、電子
はInドープのn形GaAs層13の方へ、正孔はIn
ドープのp形GaAs層14の方へそれぞれ逆方向に拡
散し、pn接合により正負の電荷が分離されて光起電力
が発生する。ここでInドープのp形AlGaAs15
の役割はInドープのp形GaAs層14で発生した電
子が表面再結合により消滅してしまうことを防ぐための
ものであり、Inドープのp形GaAs層16はp電極
7との良好なオーミック接触を得るためのものである。
このn形St結晶基板11上のInドープのGaAs層
を用いて得たGaAs太陽電池の変換効率は従来のGa
As基板上のGaAs太陽電池のそれと同等の性能であ
った。n形Si結晶基板11上のInドープをしないG
aAs層を用いて得たGaAs太陽電池の場合には、そ
の変換効率は10%以下の極めて低い値であった。これ
らはInをドープしない場合、108cm−2と極めて
高い転位密度がInをドープすることで105〜10 
’ cm−2に転位密度が低減された結果、GaAs基
板のものと性能が同等になつたものである。さらに軽く
て丈夫なn形Si結晶基板11を用いたことで軽量、効
高率なGaAs太陽電池が実現できた。
上記のようなn形St結晶基板11上にInドープのG
aAs層を形成した化合物半導体装置は、以下のように
して評価した。
すなわち、(100)面方位のn形Si結晶基板11上
にInをドープしたGaAsエピタキシャル成長層の成
長実験を有機金属を用いた気相成長法(M OCV D
 : Metel Chemical Vapor D
epo−sition)で行い転位密度を評価した。
MOCVD法では、トリメチルガリウム(Ga(C1(
s)s  とアルシン(AsH3)をH2ガスで輸送し
、清浄処理し°たn形Si結晶基板11上で熱分解させ
GaAsを堆積させる。反応式は、Ga (CH3) 
3 + AJ3    ””’    GaAs層 3
 CH4↑である。ドーパントとしてトリメチルインジ
ウム(I n (CH3)3)を昇華させ、ドーピング
の濃度は、I n (CHs )s)の容器の温度とこ
れを通過するH2ガスの流量で調整した。また、成長の
始めは通常の二段階温度成長法を採用した。
得られたGaAs成長層の転位密度を溶融に0Hによる
EPD測定で評価した。その結果を第2図に示す。縦軸
はn形Si結晶基板11より3μm@れたInドープの
GaAs成長層の転位密度である。I X 1019”
2X 10”cm−”のInドープにより転位密度は1
0  ’ cm−’より10!1〜10 ’cm−”に
低減された。
近年、GaAs I C用基板として知られるGaAs
の引き上げ(CZ)結晶でもInをドープしてGaAs
基板の低転位化が進められている。
GaAsの引き上げ結晶成長では100℃/cmもの大
きな温度勾配があり、このため結晶内の熱応力により、
すべり転位が発生するが、Inをドープすることで結晶
が硬くなり、転位発生が抑えられる。
GaAs引き上げ結晶成長との類推では、気相−エピタ
キシャルでは温度勾配は少なく、また、成長温度も低い
ので、Inドープによる結晶硬化は転位低減には効果は
ないはずである。なぜInドープのエピタキシャル成長
で転位が低減するか現在のところ解明されていない。
なお、上記実施例ではn形St結晶基板11とInドー
プのn形GaAs層との間にバッファ層12を介在させ
た例をしめしたが、これは必ずしも必要ではなく:バッ
ファ層がない場合でも第2図に示すように低転位化は実
現できる。
また、上記実施例ではn形St結晶基板11上にInド
ープのGaAs層を形成し、GaAs太陽電池を構成し
た化合物半導体装置の例を示したが、このn形St結晶
基板11上の化合物半導体結晶のエピタキシャル結晶を
用いた化合物半導体装置として半導体レーザや発光ダイ
オードなどの光デバイスや高周波トランジスタ、超高速
GaAsIC,さらには5iLSIの電子デバイスと光
デバイスをモノリシックに集積した0EIC(opto
−electronic IC)でも良く、上記実施例
と同様、高性能で低価格の化合物半導体装置を提供でき
るものである。
また、上記実施例におけるp、nの導電形はこれを入れ
替えても同様の効果を奏する。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明は、Si結晶基板上にI
nドープのGaAs系結晶層をエピタキシャル成長によ
り形成したので、低転位で高品質の化合物半導体が形成
でき、高性能の化合物半導体装置を安価に提供ヤきる効
果がある。
また、Si集積回路と化合物半導体装置をモノリシック
に集積化することでこれまでにない新しい機能を持った
半導体装置を提供でき、工業的に極めて大きな効果を有
するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示すGaAs太陽電池の
断面図、第2図はこの発明によるSi結晶基板上のIn
ドープのGaAs系結晶層の転位密度の測定結果を示す
図、第3図はSi結晶基板上に成長したInをドープし
ないGaAs層の転位密度分布を示す図、第4図は従来
のGaAs太陽電池の断面図である。 図において、6は反射防止膜、7はp電極、8は裏面n
電極、11はn形St結晶基板、12はバッファ層、1
3はInドープのn形GaAs層、14はInドープの
p形GaAs層、15はInドープのp形AJlGaA
s層、16はInドープのp形GaAs層である。 なお、各図中の同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人 大 岩 増 雄    (外2名)1疼藝百− ど 第3図 第4図 手続補正書(自発) 昭和  年  月  日

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)シリコン結晶基板上に1×10^1^9〜2×1
    0^2^0cm^−^3の濃度のInをドープしたGa
    As系結晶層をエピキタシャル成長により形成したこと
    を特徴とする化合物半導体装置。
  2. (2)シリコン結晶基板とGaAs系結晶層との間にバ
    ッファ層を介在させたことを特徴とする特許請求の範囲
    第(1)項記載の化合物半導体装置。
JP62045637A 1987-02-27 1987-02-27 化合物半導体装置 Pending JPS63211774A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5145793A (en) * 1990-04-13 1992-09-08 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Manufacturing a gallium arsenide solar cell on a silicon substrate
CN105938856A (zh) * 2016-06-27 2016-09-14 山东浪潮华光光电子股份有限公司 一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构及其制备方法

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