WO2011077735A1 - 半導体基板、半導体基板の製造方法及び光電変換装置の製造方法 - Google Patents

半導体基板、半導体基板の製造方法及び光電変換装置の製造方法 Download PDF

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crystal
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秦　雅彦
山田　永
高田　朋幸
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住友化学株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor substrate, a method for manufacturing a semiconductor substrate, and a method for manufacturing a photoelectric conversion device.
  • Non-Patent Document 1 describes a compound semiconductor solar cell.
  • an InGaP / GaAs / InGaAs (1 eV) structure cell is disclosed as an optimum combination of band gaps in a three-junction structure.
  • Non-Patent Document 1 FY2006-2007 Results Report, New Energy Technology Development Research and Development of Future Technology for Photovoltaic Power Generation Systems Research and Development of Ultra-High Efficiency Multijunction Solar Cells, New Energy and Industrial Technology Development Organization , March 2008
  • each layer of the multijunction solar cell is preferably a good quality crystal.
  • a base substrate a sacrificial layer lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the base substrate, and Si x Ge 1 ⁇ formed on the sacrificial layer are provided.
  • a first crystal layer made of an epitaxial crystal of x (0 ⁇ x ⁇ 1), and an epitaxial crystal of a Group 3-5 compound semiconductor formed on the first crystal layer and having a larger forbidden band than the first crystal layer.
  • a second semiconductor layer is provided.
  • the base substrate is made of single crystal GaAs, for example.
  • the sacrificial layer is, for example, an epitaxial crystal of In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 0.2, 0.8 ⁇ n ⁇ 1, 0.8 ⁇ n + m ⁇ 1) or In 0.5 Al 0.5 P.
  • the sacrificial layer is preferably made of Al n Ga 1-n As (0.8 ⁇ n ⁇ 1) or In 0.48 Al 0.52 P.
  • the semiconductor substrate may further include an intermediate crystal layer made of an epitaxial crystal of a Group 3-5 compound semiconductor formed between the first crystal layer and the second crystal layer.
  • the intermediate crystal layer has, for example, a forbidden band width larger than that of the first crystal layer and a forbidden band width smaller than that of the second crystal layer.
  • the intermediate crystal layer is, for example, In y Ga 1-y As z P 1-z (0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1)
  • the second crystal layer is, for example, Al w In t Ga 1-w—.
  • t As z ′ P 1 ⁇ z ′ (0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1, 0 ⁇ w + t ⁇ 1, 0 ⁇ z ′ ⁇ 1).
  • the semiconductor substrate includes, on the sacrificial layer, a first back surface field layer, a first crystal layer, a first window layer, a first tunnel junction layer, a second back surface field layer, an intermediate crystal layer, a second crystal layer, A window layer, a second tunnel junction layer, a third back surface field layer, a second crystal layer, and a third window layer in this order; a first back surface field layer, a second back surface field layer, The third back surface field layer, the first window layer, the second window layer, and the third window layer are more forbidden than any of the first crystal layer, the intermediate crystal layer, and the second crystal layer.
  • the width may be large.
  • a sacrificial layer lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the base substrate is formed on the base substrate, and Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) the step of epitaxially growing the first crystal layer, the step of epitaxially growing an intermediate crystal layer made of a Group 3-5 compound semiconductor on the first crystal layer, and the first crystal layer on the intermediate crystal layer. And a method for epitaxially growing a second crystal layer made of a Group 3-5 compound semiconductor having a larger forbidden band width.
  • the base substrate is made of single crystal GaAs, for example.
  • an epitaxial crystal layer made of In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 0.2, 0.8 ⁇ n ⁇ 1, 0.8 ⁇ n + m ⁇ 1) Is epitaxially grown.
  • the intermediate crystal layer has a forbidden band width larger than that of the first crystal layer and a forbidden band width smaller than that of the second crystal layer.
  • a tunnel junction layer is further formed between each of the first crystal layer and the intermediate crystal layer and between the intermediate crystal layer and the second crystal layer.
  • the intermediate crystal layer is, for example, In y Ga 1-y As z P 1-z (0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1)
  • the second crystal layer is, for example, Al w In t Ga 1-w—.
  • t As z ′ P 1 ⁇ z ′ (0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1, 0 ⁇ w + t ⁇ 1, 0 ⁇ z ′ ⁇ 1).
  • the semiconductor substrate manufacturing method includes a step of forming a first back surface field layer on a sacrificial layer, a step of forming a first crystal layer on the first back surface field layer, and the first crystal layer. Forming a first window layer on the first window; forming a first tunnel junction layer on the first window layer; and forming a second back surface field layer on the first tunnel junction layer. A step of forming an intermediate crystal layer on the second back surface field layer, a step of forming a second window layer on the intermediate crystal layer, and a second tunnel on the second window layer A step of forming a bonding layer, a step of forming a third back surface field layer on the second tunnel junction layer, and the third back surface field.
  • the width may be large.
  • the step of epitaxially growing the sacrificial layer and the step of epitaxially growing the first crystal layer are performed in different atmospheres, and the step of epitaxially growing the first crystal layer and the intermediate crystal layer are performed.
  • the step of epitaxial growth may be performed in different atmospheres.
  • the semiconductor substrate manufacturing method includes a step of epitaxially growing the sacrificial layer and a step of epitaxially growing the first crystal layer, and a step of epitaxially growing the first crystal layer and a step of epitaxially growing the intermediate crystal layer.
  • the method further comprises the step of replacing the inside of the reaction furnace for carrying out each step with one or more gases selected from hydrogen, nitrogen and argon, or the step of depressurizing the inside of the reaction furnace.
  • the step of epitaxially growing the first crystal layer, the step of epitaxially growing the intermediate crystal layer, and the step of epitaxially growing the second crystal layer may be performed in different reactors.
  • a step of forming a sacrificial layer lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the base substrate on the base substrate, and a forbidden band width larger than the sacrificial layer on the sacrificial layer 3-5 Epitaxially growing a second crystal layer made of a group III compound semiconductor, epitaxially growing an intermediate crystal layer made of a group 3-5 compound semiconductor on the second crystal layer, and Si x Ge on the intermediate crystal layer And a step of epitaxially growing a first crystal layer made of 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the step of preparing the semiconductor substrate according to the first aspect the step of attaching the first support to the second crystal layer, the sacrificial layer is removed, and the first crystal layer And a step of separating the substrate from the base substrate.
  • the manufacturing method includes a step of bonding a second support made of a material of metal, plastic, or ceramic to a separation surface of a first crystal layer separated from a base substrate, and a step of removing the first support And may be further provided.
  • the first support is transparent, and the manufacturing method includes a step of bonding a second support made of any one of a metal, a plastic, and a ceramic to the separation surface of the first crystal layer separated from the base substrate. May be further provided.
  • the separated base substrate may be reused for manufacturing the semiconductor substrate according to the first aspect.
  • the method includes preparing the semiconductor substrate according to claim 1 and forming a plurality of electrodes electrically coupled to the base substrate and the second crystal layer, A method for manufacturing a photoelectric conversion device which is a semiconductor having a p-type or n-type conductivity is provided.
  • the cross section of the photoelectric conversion apparatus 100 is shown.
  • the cross section of the photoelectric conversion apparatus 200 is shown.
  • the cross section of the photoelectric conversion apparatus 300 is shown.
  • the cross section of the photoelectric conversion apparatus 400 is shown.
  • the cross section of the semiconductor substrate 500 is shown.
  • the cross section of the semiconductor substrate 500 is shown.
  • the cross section in the middle of the manufacturing process of the photoelectric conversion apparatus 200 is shown.
  • the cross section in the middle of the manufacturing process of the photoelectric conversion apparatus 200 is shown.
  • a cross section of a semiconductor substrate 600 is shown.
  • the cross section in the middle of the manufacturing process of the photoelectric conversion apparatus 200 is shown.
  • FIG. 1 shows a cross section of the photoelectric conversion device 100.
  • the photoelectric conversion device 100 includes a support 102, a first crystal layer 104, and a second crystal layer 106.
  • the second crystal layer 106 and the first crystal layer 104 are arranged in this order along the light incident direction.
  • the first crystal layer 104 is a bottom layer formed in a region farthest from the light incident side.
  • the second crystal layer 106 is a top layer to which light first reaches.
  • the photoelectric conversion device 100 may include another layer between the second crystal layer 106 and the first crystal layer 104.
  • the first crystal layer 104 absorbs light and generates an electromotive force.
  • the first crystal layer 104 is an epitaxial crystal layer of Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1), preferably an epitaxial crystal layer of Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 0.2). .
  • the first crystal layer 104 is preferably lattice-matched or pseudo-lattice-matched to single crystal gallium arsenide (GaAs).
  • the first crystal layer 104 preferably includes a stack of an epitaxial crystal layer of p-type Si x Ge 1-x and an epitaxial crystal layer of n-type Si x Ge 1-x .
  • the second crystal layer 106 and other epitaxial crystal layers in this specification are also preferably lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the single crystal gallium arsenide.
  • the second crystal layer 106 absorbs light and generates an electromotive force.
  • the second crystal layer 106 is an epitaxial crystal layer made of a Group 3-5 compound semiconductor having a larger forbidden band width than the first crystal layer 104.
  • Al w In t Ga 1 -w-t As z 'P 1-z' (0 ⁇ w ⁇ 1,0 ⁇ t ⁇ 1,0 ⁇ w + t ⁇ 1,0 ⁇ z ' ⁇ 1 ).
  • In 0.5 Ga 0.5 P is preferable, and In 0.48 Ga 0.52 P is more preferable.
  • the first crystal layer 104 of the bottom layer is an Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) epitaxial crystal layer having a smaller forbidden band width than the second crystal layer 106 of the top layer.
  • Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) can be lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the Group 3-5 compound semiconductor, the crystallinity of the second crystal layer 106 made of the Group 3-5 compound semiconductor is improved. Therefore, the conversion efficiency of the photoelectric conversion device 100 is improved.
  • the support 102 includes one or more materials selected from the group consisting of metals, plastics, and ceramics.
  • the metal include aluminum, copper, and stainless steel.
  • the plastic include polyimide, liquid crystal polymer, cycloolefin polymer, polycarbonate, acrylic resin, and polyolefins.
  • the ceramic include a polycrystalline alumina sintered body, a polycrystalline aluminum nitride sintered body, a polycrystalline silicon carbide sintered body, and polycrystalline silica. As the ceramic, glass (amorphous material) may be used instead of the crystalline material.
  • FIG. 2 shows a cross section of the photoelectric conversion device 200.
  • the photoelectric conversion device 200 is obtained by adding an intermediate crystal layer 108 to the configuration of the photoelectric conversion device 100.
  • the intermediate crystal layer 108 is formed between the first crystal layer 104 and the second crystal layer 106.
  • the intermediate crystal layer 108 absorbs light and generates an electromotive force.
  • the intermediate crystal layer 108 is an epitaxial crystal layer made of a Group 3-5 compound semiconductor.
  • the intermediate crystal layer 108 has a forbidden band width larger than that of the first crystal layer 104 and a forbidden band width smaller than that of the second crystal layer 106.
  • the intermediate crystal layer 108 is, for example, In y Ga 1-y As z P 1-z (0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1).
  • the intermediate crystal layer 108 is preferably In y Ga 1-y As (0 ⁇ y ⁇ 0.1), and more preferably GaAs can be used.
  • the intermediate crystal layer 108 may include a stack of an epitaxial crystal layer of p-type In y Ga 1-y As z P 1-z and an epitaxial crystal layer of n-type In y Ga 1-y As z P 1-z. preferable.
  • the photoelectric conversion device 200 includes the intermediate crystal layer 108, light that is not absorbed by the second crystal layer 106 is absorbed by the intermediate crystal layer 108, and light that is not absorbed by the intermediate crystal layer 108 is absorbed by the first crystal layer 104. Therefore, the conversion efficiency of the photoelectric conversion device 200 is improved more than the conversion efficiency of the photoelectric conversion device 100.
  • FIG. 3 shows a cross section of the photoelectric conversion device 300.
  • the photoelectric conversion device 300 is obtained by adding a tunnel junction layer 110 to the configuration of the photoelectric conversion device 200.
  • the tunnel junction layer 110 is disposed between the first crystal layer 104 and the intermediate crystal layer 108 and between the intermediate crystal layer 108 and the second crystal layer 106.
  • the tunnel junction layer 110 improves the connection at the junction interface among the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106.
  • the tunnel junction layer 110 examples include a PN junction layer in which an N layer doped with a donor impurity at a high concentration and a P layer doped with an acceptor impurity at a high concentration are combined.
  • an N layer an In y Ga 1-y As z P 1-z (0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1) layer or an Al w In t Ga layer having a donor impurity concentration of 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more.
  • 1-wt As z ′ P 1-z ′ (0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1, 0 ⁇ w + t ⁇ 1, 0 ⁇ z ′ ⁇ 1) layer.
  • an In y Ga 1-y As z P 1-z (0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ z ⁇ 1) layer or an Al w In t Ga layer having an acceptor impurity concentration of 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more.
  • 1-wt As z ′ P 1-z ′ (0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1, 0 ⁇ w + t ⁇ 1, 0 ⁇ z ′ ⁇ 1) layer.
  • Donor impurities are, for example, Si, S, Se, Te. Acceptor impurities are, for example, C, Be, Mg, Zn.
  • the thickness of each of the N layer and the P layer is preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less.
  • the N layer and the P layer are preferably lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, or the second crystal layer 106.
  • the tunnel junction layer 110 in contact with the first crystal layer 104 is an N-type Si x Ge 1-x (0 ⁇ 0) doped with a donor impurity at a high concentration (5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more) in addition to the above PN junction layer.
  • the PN junction layer is a combination of an x ⁇ 1) layer and a P-type Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) layer doped with an acceptor impurity at a high concentration (5 ⁇ 10 18 / cm 3 or more). May be.
  • the donor impurity may be P, As or Sb.
  • the acceptor impurity may be B, Al or Ga.
  • the thicknesses of the N-type Si x Ge 1-x layer and the P-type Si x Ge 1-x layer are both preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less. Both the N-type Si x Ge 1-x layer and the P-type Si x Ge 1-x layer are preferably lattice-matched or pseudo-lattice-matched with the first crystal layer 104 or the intermediate crystal layer 108.
  • FIG. 4 shows a cross section of the photoelectric conversion device 400.
  • the photoelectric conversion device 400 is different from the photoelectric conversion device 300 in that a plurality of window layers 112 and a plurality of back surface field layers 114 are added.
  • the photoelectric conversion device 400 includes a back surface field layer 114-1, a first crystal layer 104, a window layer 112-1, a tunnel junction layer 110-1, a back surface field layer 114- 2.
  • An intermediate crystal layer 108, a window layer 112-2, a tunnel junction layer 110-2, a back surface field layer 114-3, a second crystal layer 106, and a window layer 112-3 are provided in this order.
  • Each of the plurality of window layers 112 and the plurality of back surface field layers 114 has a forbidden band width larger than any of the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106. Accordingly, the photocarriers generated in the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106 may be emitted out of the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106. Therefore, the optical carrier can be effectively extracted by the window layer 112 and the back surface field layer 114.
  • a window layer 112 In y Ga 1-y As z P 1-z (0 ⁇ y ⁇ 1,0 ⁇ z ⁇ 1) layer, or Al w In t Ga 1-w -t As z 'P 1-z ' (0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1, 0 ⁇ w + t ⁇ 1, 0 ⁇ z ′ ⁇ 1) layers.
  • a Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) layer can also be used as the window layer 112 in contact with the first crystal layer 104.
  • a Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) layer can also be used as the back surface field layer 114 in contact with the first crystal layer 104.
  • each of the window layer 112 and the back surface field layer 114 is preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less.
  • the window layer 112 and the back surface field layer 114 are doped to the same conductivity type as the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, or the second crystal layer 106 with which the window layer 112 and the back surface field layer 114 are in contact, and the concentration thereof is either P-type or N-type. Also in this case, it is preferably 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more, more preferably 3 ⁇ 10 18 / cm 3 or more.
  • FIG. 5A shows a cross section of the semiconductor substrate 500.
  • the semiconductor substrate 500 includes a first crystal layer 104, an intermediate crystal layer 108, and a second crystal layer 106 on the base substrate 120 instead of the support 102 in FIGS. They are stacked in order.
  • the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106 are the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer included in the photoelectric conversion device 200, the photoelectric conversion device 300, and the photoelectric conversion device 400. 106.
  • the base substrate 120 is made of single crystal gallium arsenide.
  • the semiconductor substrate 500 includes a sacrificial layer 122 between the first crystal layer 104 and the base substrate 120.
  • the sacrificial layer 122 and the base substrate 120 are lattice matched or pseudo lattice matched.
  • the sacrificial layer 122 is made of an epitaxial crystal of In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 1, 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ n + m ⁇ 1).
  • the sacrificial layer 122 may be In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 0.2, 0.8 ⁇ n ⁇ 1, 0.8 ⁇ n + m ⁇ 1).
  • the lattice constant of the sacrificial layer 122 is a size between the lattice constant of the base substrate 120 and the lattice constant of the first crystal layer 104.
  • the semiconductor substrate 500 is suitable for manufacturing the photoelectric conversion device 200.
  • the sacrificial layer 122 is removed from the semiconductor substrate 500, so that the photoelectric conversion device 200 does not have the base substrate 120 and the sacrificial layer 122.
  • FIG. 5B shows another embodiment of the semiconductor substrate 500.
  • the semiconductor substrate 500 includes a first back surface field layer 114-1, a first crystal layer 104, a first window layer 112-1, a tunnel junction layer 110-1, and a second back surface formed on the sacrificial layer 122.
  • Surface field layer 114-2, intermediate crystal layer 108, second window layer 112-2, tunnel junction layer 110-2, third back surface field layer 114-3, second crystal layer 106, and third window layer 112-3 may be provided in this order.
  • the third window layer 112-3 has a larger forbidden band width than any of the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106.
  • FIG. 6 and 7 show a cross section during the manufacturing process of the semiconductor substrate 500.
  • a base substrate 120 made of single-crystal gallium arsenide
  • In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 0.2, 0.8 ⁇ n ⁇ 1, 0
  • the sacrificial layer 122 with .8 ⁇ n + m ⁇ 1) is epitaxially grown.
  • the first crystal layer 104 of Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) is epitaxially grown on the sacrificial layer 122.
  • an intermediate crystal layer 108 made of a Group 3-5 compound semiconductor having a forbidden band width larger than that of the first crystal layer 104 is epitaxially grown on the first crystal layer 104.
  • a second crystal layer 106 made of a Group 3-5 compound semiconductor having a forbidden band width larger than that of the intermediate crystal layer 108 is epitaxially grown on the intermediate crystal layer 108.
  • the step of epitaxially growing the sacrificial layer 122 and the step of epitaxially growing the first crystal layer 104 are preferably performed in different atmospheres. Further, it is preferable that the step of epitaxially growing the first crystal layer 104, the step of epitaxially growing the intermediate crystal layer 108, and the step of epitaxially growing the second crystal layer 106 are performed in different atmospheres.
  • the sacrificial layer 122 is epitaxially grown.
  • the inside of the reactor in which each layer is epitaxially grown is replaced with one or more gases selected from hydrogen, nitrogen and argon.
  • the pressure in the reaction furnace may be reduced.
  • the step of epitaxially growing the first crystal layer 104, the step of epitaxially growing the intermediate crystal layer 108, and the step of epitaxially growing the second crystal layer 106 may be performed in different reactors. As described above, by performing gas replacement or depressurization in the reactor, or by using different reactors in each process, the film formation process between the SiGe epitaxial growth and the GaAs epitaxial growth is clearly separated. Since contamination of impurities and the like can be suppressed, a crystal film with good crystallinity can be formed.
  • the semiconductor substrate 500 can be formed through the above steps.
  • the tunnel junction layer 110, the window layer 112, and the back surface field layer 114 are formed between the step of epitaxially growing the sacrificial layer 122, the step of epitaxially growing the first crystal layer 104, and the step of epitaxially growing the second crystal layer 106. It is preferable to form.
  • the temporary support 130 is attached to the second crystal layer 106 of the semiconductor substrate 500.
  • the sacrificial layer 122 is removed, and the first crystal layer 104, the second crystal layer 106, the intermediate crystal layer 108, and the base substrate 120 are separated.
  • the support 102 is bonded to the separation surface of the first crystal layer 104 in the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106 separated from the base substrate 120.
  • the photoelectric conversion device 200 can be manufactured. If the temporary support 130 is a transparent support, a photoelectric conversion device in which light is incident through the transparent support can be configured.
  • the removed base substrate can be reused for manufacturing another semiconductor substrate.
  • FIG. 8 shows a cross section of the semiconductor substrate 600.
  • the sacrificial layer 122, the second crystal layer 106, the intermediate crystal layer 108, and the first crystal layer 104 are stacked on the base substrate 120 in this order from the side close to the base substrate 120.
  • the positions of the first crystal layer 104 and the second crystal layer 106 are opposite to those of the semiconductor substrate 500 illustrated in FIG. 5A.
  • the first crystal layer 104, the intermediate crystal layer 108, and the second crystal layer 106 are epitaxial crystal layers corresponding to the semiconductor layers included in the photoelectric conversion device 200, the photoelectric conversion device 300, and the photoelectric conversion device 400.
  • the base substrate 120 is made of, for example, single crystal gallium arsenide.
  • the semiconductor substrate 600 has a sacrificial layer 122 between the second crystal layer 106 and the base substrate 120.
  • the sacrificial layer 122 and the base substrate 120 are lattice matched or pseudo lattice matched.
  • the sacrificial layer 122 is an epitaxial crystal of, for example, In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 1, 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ n + m ⁇ 1).
  • the sacrificial layer 122 may be an epitaxial crystal of In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 0.2, 0.8 ⁇ n ⁇ 1, 0.8 ⁇ n + m ⁇ 1).
  • the semiconductor substrate 600 is suitable for manufacturing the photoelectric conversion device 200.
  • FIG. 9 shows a cross-section during the manufacturing process of the semiconductor substrate 600.
  • a base substrate 120 made of single crystal gallium arsenide, In m Al n Ga 1-mn As (0 ⁇ m ⁇ 0.2, 0.8 ⁇ n ⁇ 1, 0.8 ⁇ n + m ⁇ 1).
  • a sacrificial layer 122 made of is epitaxially grown.
  • the second crystal layer 106 made of a Group 3-5 compound semiconductor is epitaxially grown on the sacrificial layer 122.
  • an intermediate crystal layer 108 made of a Group 3-5 compound semiconductor having a forbidden band width smaller than that of the second crystal layer 106 is epitaxially grown on the second crystal layer 106.
  • the first crystal layer 104 made of Si x Ge 1-x (0 ⁇ x ⁇ 1) and having a forbidden band width smaller than that of the intermediate crystal layer 108 is epitaxially grown on the intermediate crystal layer 108.
  • the step of epitaxially growing the sacrificial layer 122, the step of epitaxially growing the second crystal layer 106, the step of epitaxially growing the intermediate crystal layer 108, and the step of epitaxially growing the first crystal layer 104 are performed in different atmospheres. Is preferred.
  • the reaction furnace in which each layer is epitaxially grown is selected from hydrogen, nitrogen, and argon. Replace with the above gas.
  • the pressure in the reaction furnace may be reduced.
  • the step of epitaxially growing the sacrificial layer 122 and the step of epitaxially growing the first crystal layer 104 may be performed in different reactors. As described above, by performing gas replacement or decompression, or by using different reactors in each process, the film formation process of SiGe-based epitaxial growth and GaAs-based epitaxial growth is clearly separated, and impurities such as Since mixing can be suppressed, a crystal film with good crystallinity can be formed.
  • tunnel junction layer 110 the window layer 112, and the back surface field layer 114 are preferably formed.
  • epitaxial growth it is possible to clearly separate the film formation process between SiGe-based epitaxial growth and GaAs-based epitaxial growth, and to suppress the incorporation of impurities and the like, thereby forming a crystal film with good crystallinity. .
  • the plurality of epitaxial crystal layers including the first crystal layer 104, the second crystal layer 106, and the intermediate crystal layer 108 of the semiconductor substrate 600 are supported by one or more materials selected from the group consisting of metals, plastics, and ceramics.
  • the photoelectric conversion device 200 can be manufactured by bonding the body 102, removing the sacrificial layer 122, and separating the plurality of epitaxial crystal layers and the base substrate 120.
  • the ceramic may be glass.
  • another transparent support is bonded to the second crystal layer 106 to constitute a photoelectric conversion device. You can also.
  • a plurality of electrodes electrically coupled to the base substrate 120 and the epitaxial crystal layer can be formed without removing the base substrate 120 from the semiconductor substrate.
  • the base substrate 120 is a semiconductor having p-type or n-type conductivity having the same conductivity type as the epitaxial crystal layer in contact with the base substrate 120, the base substrate 120 is used as a common electrode, and a photoelectric conversion device is used. The area efficiency can be increased.
  • This semiconductor is preferably a low-resistance semiconductor, and specifically has a resistivity of 10 ⁇ 1 ⁇ cm or less.
  • the support 102 made of one or more materials selected from the group consisting of metals, plastics, and ceramics is bonded to the epitaxial crystal layer or the base substrate 120
  • the epitaxial crystal layer is preliminarily bonded to the bonding surface of the epitaxial crystal layer.
  • An electrode electrically coupled to the layer or base substrate 120 may be formed in advance.
  • a wiring that can be electrically coupled to the epitaxial crystal layer or the electrode that is electrically coupled to the base substrate 120 may be formed in advance on the bonding surface. Good.
  • photoelectric conversion device 102 support, 104 first crystal layer, 106 second crystal layer, 108 intermediate crystal layer, 110 tunnel junction layer, 112 window layer, 114 back surface field layer, 120 base substrate, 122 sacrificial layer, 130 Temporary support, 200 photoelectric conversion device, 300 photoelectric conversion device, 400 photoelectric conversion device, 500 semiconductor substrate, 600 semiconductor substrate

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Abstract

　ベース基板と、ベース基板と格子整合又は擬格子整合している犠牲層と、犠牲層上に形成されたＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）のエピタキシャル結晶からなる第１結晶層と、第１結晶層上に形成された、第１結晶層よりも禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体のエピタキシャル結晶からなる第２結晶層とを備える半導体基板を提供する。ベース基板は、例えば単結晶ＧａＡｓからなる。犠牲層は、例えばＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０＜ｎ≦１、０＜ｎ＋ｍ≦１）のエピタキシャル結晶からなる。

Description

半導体基板、半導体基板の製造方法及び光電変換装置の製造方法
　本発明は、半導体基板、半導体基板の製造方法及び光電変換装置の製造方法に関する。
　非特許文献１には、化合物半導体太陽電池が記載されている。当該文献には、３接合構造でバンドギャップの組み合わせが最適と考えられるものとして、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ（１ｅＶ）構造セルが開示されている。
　非特許文献１　平成１８年度～平成１９年度成果報告書、新エネルギー技術開発　太陽光発電システム未来技術研究開発　超高効率多接合型太陽電池の研究開発、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、平成２０年３月
　多接合型太陽電池においては、多接合型太陽電池の各層を構成する材料のバンドギャップの相違を最適化して、光－電気変換効率の向上を目指している。しかし、より高い変換効率を達成するには、長波長側での光吸収係数に優れた材料を用いる必要があり、かつ、当該材料の製造が容易であることが好ましい。さらに、多接合型太陽電池の各層は良質な結晶であることが好ましい。
　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、ベース基板と、ベース基板と格子整合又は擬格子整合している犠牲層と、犠牲層上に形成されたＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）のエピタキシャル結晶からなる第１結晶層と、第１結晶層上に形成された、第１結晶層よりも禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体のエピタキシャル結晶からなる第２結晶層とを備える半導体基板を提供する。ベース基板は、例えば単結晶ＧａＡｓからなる。
　犠牲層は、例えばＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）のエピタキシャル結晶またはＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなる。犠牲層は、ＡｌｎＧａ１－ｎＡｓ（０．８≦ｎ≦１）またはＩｎ０．４８Ａｌ０．５２Ｐからなることが好ましい。
　半導体基板は、第１結晶層と第２結晶層との間に形成された３－５族化合物半導体のエピタキシャル結晶からなる中間結晶層をさらに備えてもよい。中間結晶層は、例えば、第１結晶層より禁制帯幅が大きく、第２結晶層より禁制帯幅が小さい。中間結晶層は、例えばＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）であり、第２結晶層は、例えばＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）である。
　当該半導体基板は、犠牲層上に、第１のバックサーフェイスフィールド層、第１結晶層、第１のウィンドウ層、第１のトンネル接合層、第２バックサーフェイスフィールド層、中間結晶層、第２のウィンドウ層、第２のトンネル接合層、第３のバックサーフェイスフィールド層、第２結晶層、及び第３のウィンドウ層をこの順に備え、第１のバックサーフェイスフィールド層、第２のバックサーフェイスフィールド層、第３のバックサーフェイスフィールド層、第１のウィンドウ層、第２のウィンドウ層、及び、第３のウィンドウ層が、第１結晶層、中間結晶層及び第２結晶層のいずれの層よりも禁制帯幅が大きくてもよい。
　本発明の第２の態様においては、ベース基板上に、ベース基板と格子整合又は擬格子整合する犠牲層を形成する工程と、当該犠牲層上に、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、当該第１結晶層上に、３－５族化合物半導体からなる中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、当該中間結晶層上に、第１結晶層より禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを備える半導体基板の製造方法を提供する。
　ベース基板は、例えば単結晶ＧａＡｓからなる。犠牲層をエピタキシャル成長させる工程においては、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）からなるエピタキシャル結晶層をエピタキシャル成長させる。
　中間結晶層は、第１結晶層より禁制帯幅が大きく、第２結晶層より禁制帯幅が小さい。第１結晶層と中間結晶層との間、及び、中間結晶層と第２結晶層との間の各々にトンネル接合層をさらに形成することが好ましい。中間結晶層は、例えばＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）であり、第２結晶層は、例えばＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）である。
　当該半導体基板の製造方法は、犠牲層上に第１のバックサーフェイスフィールド層を形成する工程と、当該第１のバックサーフェイスフィールド層上に第１結晶層を形成する工程と、当該第１結晶層上に第１のウィンドウ層を形成する工程と、当該第１のウィンドウ層上に第１のトンネル接合層を形成する工程と、当該第１のトンネル接合層上に第２バックサーフェイスフィールド層を形成する工程と、第２バックサーフェイスフィールド層上に中間結晶層を形成する工程と、当該中間結晶層上に第２のウィンドウ層を形成する工程と、当該第２のウィンドウ層上に第２のトンネル接合層を形成する工程と、当該第２のトンネル接合層上に第３のバックサーフェイスフィールド層を形成する工程と、当該第３のバックサーフェイスフィールド層上に前記第２結晶層を形成する工程と、当該第２結晶層上に第３のウィンドウ層を形成する工程とを備え、第１のバックサーフェイスフィールド層、第２のバックサーフェイスフィールド層、第３のバックサーフェイスフィールド層、第１のウィンドウ層、第２のウィンドウ層、及び、第３のウィンドウ層が、第１結晶層、中間結晶層及び第２結晶層のいずれの層よりも禁制帯幅が大きくてもよい。
　当該半導体基板の製造方法においては、犠牲層をエピタキシャル成長させる工程と第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施し、かつ、第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施してもよい。例えば、当該半導体基板の製造方法は、犠牲層をエピタキシャル成長させる工程と第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程との間、及び、第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程との間において、それぞれの工程を実施する反応炉内を、水素、窒素及びアルゴンから選択された１以上のガスで置換する工程、又は、反応炉内を減圧する工程をさらに備える。
　当該半導体基板の製造方法においては、第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程及び第２結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる反応炉で実施してもよい。
　本発明の第３の態様においては、ベース基板上に、ベース基板と格子整合又は擬格子整合する犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に、当該犠牲層より禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、当該第２結晶層上に、３－５族化合物半導体からなる中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、当該中間結晶層上に、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを備える半導体基板の製造方法を提供する。
　本発明の第４の態様においては、第１の態様に係る半導体基板を準備する工程と、第２結晶層に第１の支持体を取り付ける工程と、犠牲層を除去して、第１結晶層をベース基板から分離する工程とを備える光電変換装置の製造方法を提供する。当該製造方法は、ベース基板から分離した第１結晶層の分離面に、金属、プラスチック及びセラミックのいずれかの材料からなる第２の支持体を接着させる工程と、第１の支持体を取り外す工程と、をさらに備えてもよい。第１の支持体が透明であり、当該製造方法は、ベース基板から分離した第１結晶層の分離面に、金属、プラスチック及びセラミックのいずれかの材料からなる第２の支持体を接着させる工程をさらに備えてもよい。分離されたベース基板は、第１の態様に係る半導体基板の製造に再利用してよい。
　本発明の第５の態様においては、請求項１に記載の半導体基板を準備し、ベース基板及び第２結晶層に電気的に結合される複数の電極を形成する工程を有し、ベース基板が、ｐ型又はｎ型の伝導型を有する半導体である光電変換装置の製造方法を提供する。
光電変換装置１００の断面を示す。 光電変換装置２００の断面を示す。 光電変換装置３００の断面を示す。 光電変換装置４００の断面を示す。 半導体基板５００の断面を示す。 半導体基板５００の断面を示す。 光電変換装置２００の製造工程途中の断面を示す。 光電変換装置２００の製造工程途中の断面を示す。 半導体基板６００の断面を示す。 光電変換装置２００の製造工程途中の断面を示す。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。図１は、光電変換装置１００の断面を示す。光電変換装置１００は、支持体１０２、第１結晶層１０４及び第２結晶層１０６を有する。第２結晶層１０６及び第１結晶層１０４は、光の入射方向に沿ってこの順に配置されている。第１結晶層１０４は、光が入射する側から最も離れた領域に形成されたボトム層である。第２結晶層１０６は、光が最初に届くトップ層である。光電変換装置１００は、第２結晶層１０６と第１結晶層１０４との間に他の層を備えてもよい。
　第１結晶層１０４は、光を吸収して起電力を発生する。第１結晶層１０４は、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）のエピタキシャル結晶層であり、好ましくはＳｉｘＧｅ１－ｘ（０＜ｘ＜０．２）のエピタキシャル結晶層である。第１結晶層１０４は、単結晶ガリウム砒素（ＧａＡｓ）に格子整合または擬格子整合することが好ましい。第１結晶層１０４は、ｐ型ＳｉｘＧｅ１－ｘのエピタキシャル結晶層とｎ型ＳｉｘＧｅ１－ｘのエピタキシャル結晶層との積層を含むことが好ましい。なお、第２結晶層１０６、及び、本明細書における他のエピタキシャル結晶層も単結晶ガリウム砒素に格子整合または擬格子整合することが好ましい。
　第２結晶層１０６は、光を吸収して起電力を発生する。第２結晶層１０６は、第１結晶層１０４より禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなるエピタキシャル結晶層である。第２結晶層１０６として、ＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）が挙げられる。第２結晶層１０６として、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐが好ましく、Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐがさらに好ましい。第２結晶層１０６は、ｐ型ＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'のエピタキシャル結晶層とｎ型ＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ' のエピタキシャル結晶層との積層を含むことが好ましい。
　光電変換装置１００においては、ボトム層の第１結晶層１０４が、トップ層の第２結晶層１０６よりも禁制帯幅が小さいＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）のエピタキシャル結晶層なので、第２結晶層１０６で吸収できなかった長波長域の光を吸収して、光電変換装置１００の変換効率を向上できる。また、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）は３－５族化合物半導体と格子整合あるいは擬格子整合できるので、３－５族化合物半導体からなる第２結晶層１０６の結晶性が向上するので、光電変換装置１００の変換効率が向上する。
　なお、第１結晶層１０４及び第２結晶層１０６は、支持体１０２に支持される。支持体１０２として、金属、プラスチック及びセラミックからなる群から選択された１以上の材料が挙げられる。金属として、アルミニウム、銅、ステンレス鋼が挙げられる。プラスチックとしては、ポリイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリオレフィン類が挙げられる。セラミックとして、多結晶アルミナ焼結体、多結晶窒化アルミニウム焼結体、多結晶炭化シリコン焼結体、多結晶シリカ等が挙げられる。セラミックは、結晶体ではなくガラス（非晶質体）を用いてもよい。
　図２は、光電変換装置２００の断面を示す。光電変換装置２００は、光電変換装置１００の構成に中間結晶層１０８を付加したものである。中間結晶層１０８は、第１結晶層１０４と第２結晶層１０６との間に形成されている。中間結晶層１０８は、光を吸収して起電力を発生する。中間結晶層１０８は、３－５族化合物半導体からなるエピタキシャル結晶層である。中間結晶層１０８は、第１結晶層１０４より禁制帯幅が大きく、第２結晶層１０６より禁制帯幅が小さい。中間結晶層１０８は、例えばＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）である。中間結晶層１０８は好ましくはＩｎｙＧａ１－ｙＡｓ（０≦ｙ＜０．１）であり、より好ましくはＧａＡｓを用いることができる。中間結晶層１０８は、ｐ型ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚのエピタキシャル結晶層とｎ型ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚのエピタキシャル結晶層との積層を含むことが好ましい。
　光電変換装置２００が中間結晶層１０８を有することにより、第２結晶層１０６で吸収されない光が中間結晶層１０８で吸収され、また中間結晶層１０８で吸収されない光は第１結晶層１０４で吸収されるので、光電変換装置２００の変換効率は、光電変換装置１００の変換効率よりも向上する。
　図３は、光電変換装置３００の断面を示す。光電変換装置３００は、光電変換装置２００の構成にトンネル接合層１１０を付加したものである。トンネル接合層１１０は、第１結晶層１０４と中間結晶層１０８との間及び中間結晶層１０８と第２結晶層１０６との間の各々に配置される。トンネル接合層１１０により、第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６のそれぞれの間の接合界面での接続が良好になる。
　トンネル接合層１１０として、ドナー不純物を高濃度にドープしたＮ層と、アクセプター不純物を高濃度にドープしたＰ層とを組み合わせたＰＮ接合層が挙げられる。Ｎ層として、ドナー不純物の濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上のＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）層またはＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）層が挙げられる。Ｐ層として、アクセプター不純物の濃度が５×１０１８／ｃｍ３以上のＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）層またはＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）層が挙げられる。
　ドナー不純物は、例えばＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅである。アクセプター不純物は、例えばＣ、Ｂｅ、Ｍｇ，Ｚｎである。Ｎ層及びＰ層の厚さは、いずれも好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下である。Ｎ層及びＰ層は、いずれも第１結晶層１０４、中間結晶層１０８または第２結晶層１０６と格子整合または擬格子整合していることが好ましい。
　第１結晶層１０４に接するトンネル接合層１１０は、上記のＰＮ接合層の他、ドナー不純物を高濃度（５×１０１８／ｃｍ３以上）にドープしたＮ型ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）層と、アクセプター不純物を高濃度（５×１０１８／ｃｍ３以上）にドープしたＰ型ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）層とを組み合わせたＰＮ接合層であってもよい。この場合、ドナー不純物は、Ｐ、ＡｓまたはＳｂであってよい。アクセプター不純物は、Ｂ、ＡｌまたはＧａであってよい。
　Ｎ型ＳｉｘＧｅ１－ｘ層及びＰ型ＳｉｘＧｅ１－ｘ層の厚さは、いずれも好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下である。Ｎ型ＳｉｘＧｅ１－ｘ層及びＰ型ＳｉｘＧｅ１－ｘ層は、いずれも第１結晶層１０４または中間結晶層１０８と格子整合または擬格子整合していることが好ましい。
　図４は、光電変換装置４００の断面を示す。光電変換装置４００は、複数のウィンドウ層１１２及び複数のバックサーフェイスフィールド層１１４が付加されている点で光電変換装置３００と異なる。具体的には、光電変換装置４００は、支持体１０２上に、バックサーフェイスフィールド層１１４－１、第１結晶層１０４、ウィンドウ層１１２－１、トンネル接合層１１０－１、バックサーフェイスフィールド層１１４－２、中間結晶層１０８、ウィンドウ層１１２－２、トンネル接合層１１０－２、バックサーフェイスフィールド層１１４－３、第２結晶層１０６、及びウィンドウ層１１２－３をこの順に備える。
　複数のウィンドウ層１１２及び複数のバックサーフェイスフィールド層１１４の各々は、第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６の何れの層よりも禁制帯幅が大きい。したがって、第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６で生成された光キャリアが、第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６の外に放出されることが抑制されるので、ウィンドウ層１１２及びバックサーフェイスフィールド層１１４により、光キャリアを効果的に取り出すことができる。
　ウィンドウ層１１２として、ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）層、またはＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）層が挙げられる。第１結晶層１０４に接するウィンドウ層１１２として、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）層を用いることもできる。
　バックサーフェイスフィールド層１１４として、ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）層、またはＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）層が挙げられる。第１結晶層１０４に接するバックサーフェイスフィールド層１１４として、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）層を用いることもできる。
　ウィンドウ層１１２及びバックサーフェイスフィールド層１１４の厚さは、いずれも好ましくは５０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下である。ウィンドウ層１１２及びバックサーフェイスフィールド層１１４は、各々が接する第１結晶層１０４、中間結晶層１０８または第２結晶層１０６と同一導電型にドープされており、その濃度はＰ型、Ｎ型いずれの場合も好ましくは１×１０１８／ｃｍ３以上であり、より好ましくは３×１０１８／ｃｍ３以上である。
　図５Ａは、半導体基板５００の断面を示す。半導体基板５００は、図１から図４における支持体１０２に代えて、ベース基板１２０上に、第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６が、ベース基板１２０に近い側からこの順で積層されている。第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６は、光電変換装置２００、光電変換装置３００、光電変換装置４００に含まれる第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６に対応する。
　ベース基板１２０は、単結晶ガリウム砒素からなる。また、半導体基板５００は、第１結晶層１０４とベース基板１２０との間に犠牲層１２２を有する。犠牲層１２２とベース基板１２０とは、格子整合または擬格子整合している。犠牲層１２２は、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０＜ｎ≦１、０＜ｎ＋ｍ≦１）のエピタキシャル結晶からなる。犠牲層１２２は、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）であってもよい。一例として、犠牲層１２２の格子定数は、ベース基板１２０の格子定数と第１結晶層１０４の格子定数の間の大きさである。
　半導体基板５００は、光電変換装置２００の製造に適している。光電変換装置２００を製造する場合には、半導体基板５００から犠牲層１２２を除去することにより、光電変換装置２００は、ベース基板１２０及び犠牲層１２２を有しない。
　図５Ｂは、半導体基板５００の他の実施形態を示す。半導体基板５００は、犠牲層１２２上に形成された、第１のバックサーフェイスフィールド層１１４－１、第１結晶層１０４、第１のウィンドウ層１１２－１、トンネル接合層１１０－１、第２バックサーフェイスフィールド層１１４－２、中間結晶層１０８、第２のウィンドウ層１１２－２、トンネル接合層１１０－２、第３のバックサーフェイスフィールド層１１４－３、第２結晶層１０６及び第３のウィンドウ層１１２－３をこの順に備えてもよい。第１のバックサーフェイスフィールド層１１４－１、第２のバックサーフェイスフィールド層１１４－２、第３のバックサーフェイスフィールド層１１４－３、第１のウィンドウ層１１２－１、第２のウィンドウ層１１２－２、及び、第３のウィンドウ層１１２－３は、例えば、第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６のいずれの層よりも禁制帯幅が大きい。
　図６及び図７は、半導体基板５００の製造工程途中の断面を示す。まず、図６に示すように、単結晶ガリウム砒素からなるベース基板１２０上に、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）である犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる。次に、犠牲層１２２上に、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）である第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる。続いて、第１結晶層１０４上に、第１結晶層１０４よりも禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなる中間結晶層１０８をエピタキシャル成長させる。さらに、中間結晶層１０８上に、中間結晶層１０８よりも禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなる第２結晶層１０６をエピタキシャル成長させる。
　犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる工程と第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施することが好ましい。また、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程と中間結晶層１０８をエピタキシャル成長させる工程及び第２結晶層１０６をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施することが好ましい。
　例えば、犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる工程の後であって、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程の前、及び、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程の後であって、犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる工程の前において、それぞれの層をエピタキシャル成長させる反応炉内を、水素、窒素及びアルゴンから選択された１以上のガスで置換する。反応炉内の圧力を低減させてもよい。
　第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程と、中間結晶層１０８をエピタキシャル成長させる工程及び第２結晶層１０６をエピタキシャル成長させる工程とを異なる反応炉で実施してもよい。以上のように、反応炉内のガス置換または減圧を行ったり、それぞれの工程で異なる反応炉を用いたりすることにより、ＳｉＧｅ系のエピタキシャル成長とＧａＡｓ系のエピタキシャル成長との成膜プロセスを明確に区切って、不純物等の混入を抑制することができるので、結晶性の良い結晶膜を形成することができる。
　以上の工程を経て半導体基板５００を形成することができる。なお、犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる工程、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程及び第２結晶層１０６をエピタキシャル成長させる工程のそれぞれの間において、トンネル接合層１１０、ウィンドウ層１１２及びバックサーフェイスフィールド層１１４を形成することが好ましい。
　続いて、半導体基板５００の第２結晶層１０６に仮支持体１３０を取り付ける。そして図７に示すように、犠牲層１２２を除去して、第１結晶層１０４、第２結晶層１０６及び中間結晶層１０８とベース基板１２０とを分離する。ベース基板１２０から分離した第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６における第１結晶層１０４の分離面に、支持体１０２を接着する。その後に仮支持体１３０を取り外すことにより、光電変換装置２００を製造することができる。なお、仮支持体１３０を透明支持体にすれば、透明支持体を通して光が入射される光電変換装置を構成することができる。取り外したベース基板は、別の半導体基板の製造に再利用できる。
　図８は、半導体基板６００の断面を示す。半導体基板６００は、ベース基板１２０上に、犠牲層１２２、第２結晶層１０６、中間結晶層１０８及び第１結晶層１０４がベース基板１２０に近い側からこの順で積層されている。半導体基板６００は、図５Ａに示した半導体基板５００に対して、第１結晶層１０４及び第２結晶層１０６の位置が逆になっている。第１結晶層１０４、中間結晶層１０８及び第２結晶層１０６は、光電変換装置２００、光電変換装置３００、光電変換装置４００に含まれる半導体層に対応するエピタキシャル結晶層である。
　ベース基板１２０は、例えば単結晶ガリウム砒素からなる。半導体基板６００は、第２結晶層１０６とベース基板１２０との間に犠牲層１２２を有する。犠牲層１２２とベース基板１２０とは、格子整合または擬格子整合している。犠牲層１２２は、例えばＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０＜ｎ≦１、０＜ｎ＋ｍ≦１）のエピタキシャル結晶である。犠牲層１２２は、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）のエピタキシャル結晶であってもよい。半導体基板６００は、光電変換装置２００の製造に適している。
　図９は、半導体基板６００の製造工程途中の断面を示す。まず、単結晶ガリウム砒素からなるベース基板１２０上に、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）からなる犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる。次に、犠牲層１２２上に、３－５族化合物半導体からなる第２結晶層１０６をエピタキシャル成長させる。続いて、第２結晶層１０６上に、第２結晶層１０６よりも禁制帯幅が小さい３－５族化合物半導体からなる中間結晶層１０８をエピタキシャル成長させる。さらに、中間結晶層１０８上に、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）からなり、中間結晶層１０８よりも禁制帯幅が小さい第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる。
　ここで犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる工程、第２結晶層１０６をエピタキシャル成長させる工程及び中間結晶層１０８をエピタキシャル成長させる工程と、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施することが好ましい。
　例えば、中間結晶層１０８をエピタキシャル成長させる工程の後であって、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程の前において、それぞれの層をエピタキシャル成長させる反応炉内を、水素、窒素及びアルゴンから選択された１以上のガスで置換する。反応炉内の圧力を低減させてもよい。
　犠牲層１２２をエピタキシャル成長させる工程と、第１結晶層１０４をエピタキシャル成長させる工程とを異なる反応炉で実施してもよい。以上のように、ガス置換または減圧を行ったり、それぞれの工程で異なる反応炉を用いたりすることにより、ＳｉＧｅ系のエピタキシャル成長とＧａＡｓ系のエピタキシャル成長との成膜プロセスを明確に区切って、不純物等の混入を抑制することができるので、結晶性の良い結晶膜を形成することができる。
　なお、トンネル接合層１１０、ウィンドウ層１１２及びバックサーフェイスフィールド層１１４を形成することが好ましい。このような異なる反応炉でのエピタキシャルの実施により、ＳｉＧｅ系のエピタキシャル成長とＧａＡｓ系のエピタキシャル成長との成膜プロセスを明確に区切って、不純物等の混入を抑制し、結晶性の良い結晶膜が形成できる。
　さらに、半導体基板６００の第１結晶層１０４、第２結晶層１０６及び中間結晶層１０８を含む複数のエピタキシャル結晶層に、金属、プラスチック及びセラミックからなる群から選択された１以上の材料からなる支持体１０２を接着させ、犠牲層１２２を除去して、複数のエピタキシャル結晶層とベース基板１２０とを分離すれば、光電変換装置２００が製造できる。当該セラミックはガラスであってもよい。また、犠牲層１２２を除去して、複数のエピタキシャル結晶層とベース基板１２０とを分離したあとで、第２結晶層１０６に透明の別の支持体を接着することにより、光電変換装置を構成することもできる。
　なお、ベース基板１２０を半導体基板から取り外さずに、ベース基板１２０及びエピタキシャル結晶層に電気的に結合される複数の電極を形成することができる。ここで、ベース基板１２０を、ベース基板１２０が接するエピタキシャル結晶層と同一伝導型を有するｐ型またはｎ型の伝導型を有する半導体とすれば、ベース基板１２０を共通電極に用いて、光電変換装置の面積効率を高めることができる。この半導体は、低抵抗半導体であることが好ましく、具体的には抵抗率が１０－１Ωｃｍ以下あることが好ましい。
　当該エピタキシャル結晶層またはベース基板１２０に、金属、プラスチック及びセラミックからなる群から選択された１以上の材料からなる支持体１０２を接着させるに際しては、当該エピタキシャル結晶層の接着面に予め、当該エピタキシャル結晶層またはベース基板１２０に電気的に結合される電極を予め形成しておいてもよい。支持体１０２が絶縁性材料である場合には、その接着面に予め、当該エピタキシャル結晶層またはベース基板１２０に電気的に結合される電極と電気的に結合可能な配線を形成しておいてもよい。
　請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置及び方法における動作、手順、及び工程等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
　１００　光電変換装置、１０２　支持体、１０４　第１結晶層、１０６　第２結晶層、１０８　中間結晶層、１１０　トンネル接合層、１１２　ウィンドウ層、１１４　バックサーフェイスフィールド層、１２０　ベース基板、１２２　犠牲層、１３０　仮支持体、２００　光電変換装置、３００　光電変換装置、４００　光電変換装置、５００　半導体基板、６００　半導体基板

Claims (25)

  1. 　ベース基板と、
    　前記ベース基板と格子整合又は擬格子整合している犠牲層と、
    　前記犠牲層上に形成されたＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）のエピタキシャル結晶からなる第１結晶層と、
    　前記第１結晶層上に形成され、前記第１結晶層よりも禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体のエピタキシャル結晶からなる第２結晶層と
    　を備える半導体基板。
  2. 　前記ベース基板が単結晶ＧａＡｓからなる請求項１に記載の半導体基板。
  3. 　前記犠牲層が、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）のエピタキシャル結晶からなる
    　請求項２に記載の半導体基板。
  4. 　前記第１結晶層と前記第２結晶層との間に形成され、３－５族化合物半導体のエピタキシャル結晶からなる中間結晶層をさらに備える請求項１に記載の半導体基板。
  5. 　前記中間結晶層が、前記第１結晶層より禁制帯幅が大きく、前記第２結晶層より禁制帯幅が小さい
    　請求項４に記載の半導体基板。
  6. 　前記第１結晶層と前記中間結晶層との間、及び、前記中間結晶層と前記第２結晶層との間の各々に形成されたトンネル接合層をさらに有する
    　請求項４に記載の半導体基板。
  7. 　前記中間結晶層が、ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）であり、
    　前記第２結晶層が、ＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）である
    　請求項４に記載の半導体基板。
  8. 　前記中間結晶層が、ＧａＡｓであり、
    　前記第２結晶層が、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐである
    　請求項４に記載の半導体基板。
  9. 　前記犠牲層上に、第１のバックサーフェイスフィールド層、前記第１結晶層、第１のウィンドウ層、第１のトンネル接合層、第２のバックサーフェイスフィールド層、前記中間結晶層、第２のウィンドウ層、第２のトンネル接合層、第３のバックサーフェイスフィールド層、前記第２結晶層、及び第３のウィンドウ層をこの順に備え、
    　前記第１のバックサーフェイスフィールド層、前記第２のバックサーフェイスフィールド層、前記第３のバックサーフェイスフィールド層、前記第１のウィンドウ層、前記第２のウィンドウ層、及び、前記第３のウィンドウ層が、前記第１結晶層、前記中間結晶層及び前記第２結晶層のいずれの層よりも禁制帯幅が大きい請求項４に記載の半導体基板。
  10. 　ベース基板上に、前記ベース基板と格子整合又は擬格子整合する犠牲層を形成する工程と、
    　前記犠牲層上に、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、
    　前記第１結晶層上に、３－５族化合物半導体からなる中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、
    　前記中間結晶層上に、前記第１結晶層より禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長させる工程と
    　を備える半導体基板の製造方法。
  11. 　ベース基板上に、前記ベース基板と格子整合又は擬格子整合する犠牲層を形成する工程と、
    　前記犠牲層上に、前記犠牲層より禁制帯幅が大きい３－５族化合物半導体からなる第２結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、
    　前記第２結晶層上に、３－５族化合物半導体からなる中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、
    　前記中間結晶層上に、ＳｉｘＧｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）からなる第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と
    　を備える半導体基板の製造方法。
  12. 　前記ベース基板が単結晶ＧａＡｓからなる請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
  13. 　前記犠牲層をエピタキシャル成長させる工程において、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０＜ｎ≦１、０＜ｎ＋ｍ≦１）からなるエピタキシャル結晶層をエピタキシャル成長させる
    　請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
  14. 　前記犠牲層をエピタキシャル成長させる工程において、ＩｎｍＡｌｎＧａ１－ｍ－ｎＡｓ（０≦ｍ＜０．２、０．８≦ｎ≦１、０．８＜ｎ＋ｍ≦１）からなるエピタキシャル結晶層をエピタキシャル成長させる
    　請求項１３に記載の半導体基板の製造方法。
  15. 　前記中間結晶層が、前記第１結晶層より禁制帯幅が大きく、前記第２結晶層より禁制帯幅が小さい
    　請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
  16. 　前記第１結晶層と前記中間結晶層との間、及び、前記中間結晶層と前記第２結晶層との間の各々にトンネル接合層をさらに形成する
    　請求項１５に記載の半導体基板の製造方法。
  17. 　前記中間結晶層が、ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓｚＰ１－ｚ（０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１）であり、
    　前記第２結晶層が、ＡｌｗＩｎｔＧａ１－ｗ－ｔＡｓｚ'Ｐ１－ｚ'（０≦ｗ≦１、０≦ｔ≦１、０≦ｗ＋ｔ≦１、０≦ｚ'≦１）である
    　請求項１５に記載の半導体基板の製造方法。
  18. 　前記犠牲層上に第１のバックサーフェイスフィールド層を形成する工程と、
    　前記第１のバックサーフェイスフィールド層上に前記第１結晶層を形成する工程と、
    　前記第１結晶層上に第１のウィンドウ層を形成する工程と、
    　前記第１のウィンドウ層上に第１のトンネル接合層を形成する工程と、
    　前記第１のトンネル接合層上に第２のバックサーフェイスフィールド層を形成する工程と、
    　前記第２のバックサーフェイスフィールド層上に前記中間結晶層を形成する工程と、
    　前記中間結晶層上に第２のウィンドウ層を形成する工程と、
    　前記第２のウィンドウ層上に第２のトンネル接合層を形成する工程と、
    　前記第２のトンネル接合層上に第３のバックサーフェイスフィールド層を形成する工程と、
    　前記第３のバックサーフェイスフィールド層上に前記第２結晶層を形成する工程と、
    　前記第２結晶層上に第３のウィンドウ層を形成する工程と
    　を備え、
    　前記第１のバックサーフェイスフィールド層、前記第２のバックサーフェイスフィールド層、前記第３のバックサーフェイスフィールド層、前記第１のウィンドウ層、前記第２のウィンドウ層、及び、前記第３のウィンドウ層が、前記第１結晶層、前記中間結晶層及び前記第２結晶層のいずれの層よりも禁制帯幅が大きい請求項１５に記載の半導体基板の製造方法。
  19. 　前記犠牲層をエピタキシャル成長させる工程と前記第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施し、かつ、
    　前記第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と前記中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる雰囲気内で実施する
    　請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
  20. 　前記犠牲層をエピタキシャル成長させる工程と前記第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程との間、及び、前記第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と前記中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程との間において、それぞれの工程を実施する反応炉内を、水素、窒素及びアルゴンから選択された１以上のガスで置換する工程、又は、反応炉内を減圧する工程をさらに備える
    　請求項１９に記載の半導体基板の製造方法。
  21. 　前記第１結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、前記中間結晶層をエピタキシャル成長させる工程及び前記第２結晶層をエピタキシャル成長させる工程とを、それぞれ異なる反応炉で実施する
    　請求項１９に記載の半導体基板の製造方法。
  22. 　請求項１に記載の半導体基板を準備する工程と、
    　前記第２結晶層に第１の支持体を取り付ける工程と、
    　前記犠牲層を除去して、前記第１結晶層を前記ベース基板から分離する工程と
    　を備える光電変換装置の製造方法。
  23. 　前記ベース基板から分離した前記第１結晶層の分離面に、金属、プラスチック及びセラミックのいずれかの材料からなる第２の支持体を接着させる工程と、
    　前記第１の支持体を取り外す工程と、
    　をさらに備える請求項２２に記載の光電変換装置の製造方法。
  24. 　前記第１の支持体が透明であり、
    　前記ベース基板から分離した前記第１結晶層の分離面に、金属、プラスチック及びセラミックのいずれかの材料からなる第２の支持体を接着させる工程をさらに備える請求項２２に記載の光電変換装置の製造方法。
  25. 　請求項１に記載の半導体基板を準備し、前記ベース基板及び前記第２結晶層に電気的に結合される複数の電極を形成する工程を有し、
    　前記ベース基板が、ｐ型又はｎ型の伝導型を有する半導体である
    　光電変換装置の製造方法。
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