JP2001102608A - 太陽電池およびトンネルダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的安価な製造コストで、高い電力変換効
率を有する多接合型太陽電池を提供する。 【解決手段】 Ｇｅからなる基板５の上に、ボトムセル
２と、基板５と格子整合する組成ｙを有するｎ型のＡｌ
_y Ｉｎ_1-y Ｐ層（第１の不純物閉込層）１１と、基板５
と格子整合する組成ｘを有するｎ型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ
層（第１の高不純物密度層）１２と、この組成ｘを有
し、第１の高不純物密度層１２と共にトンネル接合を形
成するｐ型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層（第２の高不純物密度
層）１３と、第１の不純物閉込層１１と同じ組成ｙを有
するｐ型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層（第２の不純物閉込層）
１４と、トップセル１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低コスト化を図っ
た多接合型太陽電池と、太陽電池等の半導体装置に好適
なトンネルダイオードの新規な構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】１つのｐｎ接合だけで構成される単接合
型太陽電池の電力変換効率は、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
そこの電力変換効率以上は得られない。この限界を克服
するために、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電
力変換効率を得ることを目的とする多接合型太陽電池が
考案、開発されている。多接合型太陽電池の中で最も簡
単なものが２接合型太陽電池であり、種々のものが実現
されている。

【０００３】２接合型太陽電池は、光の入射側に設けた
ｐｎ接合を基本部とするトップセルと、反対側にあるｐ
ｎ接合を基本部とするボトムセルとを、電気的に接合し
たものである。一般にトップセルの半導体材料の禁制帯
幅Ｅｇ1 はボトムセルの半導体材料の禁制帯幅Ｅｇ2 よ
りも大きくなるように素材が選択される。これは、トッ
プセルでＥｇ1 よりも大きなエネルギーを持つ（短波長
側の）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（長波長側
の）光子をボトムセルで吸収するという波長分割効果に
より、太陽光をより効率よく利用するためである２接合
型太陽電池において、トップセルとボトムセルとを電気
的に結合するために、トップセルとボトムセルの間にト
ンネル接合を挿入する方法がある。この方法はトップセ
ルの下部とボトムセルの上部を外部的に金属で結ぶ方法
に比べ、結晶成長によって連続的に積層できるので製造
工程が容易であり、好まれている。

【０００４】トンネルダイオードを利用した２接合型太
陽電池は、これまで種々の材料で試作が行われている。
これまでもっとも高い変換効率が得られているものは、
図４に示すようなＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓの
ｐｎ接合からなる太陽電池をボトムセルに、その上部に
形成したＩｎ_xＧａ_1-xＰ（０＜ｘ≦０．５）のｐｎ接合
からなる太陽電池をトップセルにしたもの（２接合型Ｉ
ｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池）である。図４に示す従来
の２接合型太陽電池は、ＧａＡｓ基板６５上に、ＧａＡ
ｓバッファ層６を介して、ＧａＡｓボトムセル２２、Ｇ
ａＡｓトンネル接合層６３、ＩｎＧａＰトップセル１を
この順番で形成したものである。ＩｎＧａＰトップセル
１の禁制帯幅は約１．９ｅＶ、ＧａＡｓボトムセル２２
の禁制帯幅は約１．４ｅＶであり、分光効率のよい組み
合わせとなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】エネルギー危機が深刻
化する中で、太陽電池が化石燃料、原子力エネルギーに
代わる新たなエネルギー源として期待されているにもか
かわらず、実用化が進まない理由は、その価格の高さに
ある。このため、現状では、比較的高い電力変換効率の
III-V族化合物半導体から製造される太陽電池は、宇宙
用等の限定された用途にしか使用されていない。太陽電
池の開発において、低コスト化は最も重要な課題のひと
つである。

【０００６】一方、太陽電池は広い受光面積を持つ構造
が好ましく、生産単価を低減するために安価で大面積の
材料を用いることが望まれるが、電力変換効率とのバラ
ンスを考慮しなければならない。アモルファス太陽電池
は大面積のものが安価に製造されるが、電力変換効率に
劣る。ＧａＡｓなどのIII-V化合物半導体の太陽電池は
電力変換効率が高いが、これに用いるIII-V族化合物半
導体基板の価格は極めて高い。たとえばＧａＡｓ基板
は、サイズにもよるが一枚あたり数万円〜１０万円以上
もする。図４に示すＧａＡｓ基板を用いた従来例では、
製造コストがかかるうえに、基板としての強度にも劣
る。このような問題点にもかかわらず、III-V族化合物
半導体の太陽電池において、ＧａＡｓ基板以外の基板を
用いた例は報告例が少ない。これはＧａＡｓ基板以外の
基板上にIII-V族化合物半導体層を形成する場合、格子
定数を整合させるのが困難だからである。

【０００７】また別の問題点として、図４に示す従来の
２接合ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ太陽電池では、ボトムセル
の分光感度特性が、単接合ＧａＡｓ太陽電池の分光感度
特性と比較して、６００〜８００ｎｍの波長域において
数％低下する。この分光感度の低下は、ＧａＡｓトンネ
ル接合層での光吸収損失による。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ことに起因する。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。

【０００８】ＧａＡｓトンネル接合層での光吸収損失の
問題を回避するために、ＧａＡｓトンネル接合層に代え
て、トップセルと同じ材料を用いたＩｎＧａＰトンネル
接合層からなるトンネルダイオードを用いることが考え
られる。この場合、トンネル接合層での光エネルギーの
吸収は防止できるものの、ＩｎＧａＰの禁制帯幅がＧａ
Ａｓのそれより大きいことから、トンネル電流が流れに
くくなる。これを回避するためには、ＩｎＧａＰトンネ
ル接合層の不純物密度を、ＧａＡｓトンネル接合層の場
合に比してさらに高くして、トンネルピークの電流密度
を増大させなければならない。

【０００９】しかしながら実際問題として、太陽電池に
応用されるトンネル接合層へ高濃度のドーピングは、単
独のトンネル接合へドーピングとはまた異なる困難さを
ともなう。たとえば２接合の太陽電池では、トンネル接
合層はトップセルとボトムセルの間に形成される。この
とき、トンネル接合層を形成した後に、高温でトップセ
ルを結晶成長させるため、トンネル接合層に添加した不
純物が熱拡散によってボトムセルあるいはトップセルに
移動してしまう。III-V族結晶中ではｎ型ト゛ーパントで
あるＳｉはあまり拡散しないが、ｐ型ト゛ーパントである
Ｚｎの熱拡散の問題は深刻である。Ｚｎの熱拡散により
不純物プロファイルが変化し、トンネル電流が十分に確
保できなくなる。そのうえ、Ｚｎのトップセルへの熱拡
散は、トップセル下部での少数キャリヤの寿命の低下を
招き、分光感度の低下の原因となるので好ましくない。

【００１０】このようなIII-V族結晶中のII族原子（た
とえばＺｎ等のアクセプタ元素）の拡散は、トンネルダ
イオードの上下にトンネルダイオードを構成する材料よ
り大きな禁制帯幅（Ｅｇ）を有する材料を成長させるこ
とによって抑制できることが知られている。たとえば、
図４に示す従来のＧａＡｓトンネル接合層の場合、その
上下をＡｌＧａＡｓ閉込層で挟んだダブルヘテロ（Ｄ
Ｈ）構造を採用することによってアクセプタ元素の拡散
が押さえられる。結果として、トンネル接合中の不純物
密度（キャリヤ密度）を高く維持して、十分なトンネル
電流を得ることができる。ただし、ＩｎＧａＰ／ＧａＡ
ｓ太陽電池にＧａＡｓトンネルダイオードを用いると、
好ましくない光エネルギーの吸収が起こることは先に述
べたとおりである。

【００１１】また、ＧａＡｓ基板以外の基板上に、Ｇａ
Ａｓに代えてＩｎＧａＰのトンネル接合層を形成したと
しても、基板と格子整合するＩｎＧａＰの最適な組成は
知られていない上に、基板との良好な格子整合を維持
し、かつ接合層からの不純物元素の拡散を有効に防止す
る具体的な構造は知られていない。

【００１２】本発明は上述した問題点を鑑みてなされた
もので、ＧａＡｓ基板以外の基板を用いた多接合型太陽
電池の新規な構造を提供することを目的とする。特に、
安価な基板を用い、機械的強度にすぐれ、高い電力変換
効率を有する多接合型太陽電池を提供することを目的と
する。

【００１３】本発明の他の目的は、ＧａＡｓ基板以外の
安価な基板を用いた多接合型太陽電池において、トンネ
ル接合を構成する高不純物密度の半導体層から、隣接す
る他の半導体層へ不純物が熱拡散するのを有効に阻止
し、かつミスフィット転移等の結晶欠陥の発生を抑制で
きる構成と、それに適した最適な組成を有する半導体材
料の提供にある。

【００１４】本発明のさらに他の目的は、光吸収損失が
少なく、トンネルピーク電流密度が大きいトンネル接合
層を有し、かつ格子不整合に起因するミスフィット転移
等の結晶欠陥の発生を抑制した多接合型太陽電池の具体
的構造を提供することにある。

【００１５】本発明のさらに他の目的は、ＧａＡｓ基板
以外の安価な基板を用いた半導体装置に好適に用いら
れ、十分なトンネルピーク電流密度を確保できるトンネ
ルダイオードを提供することにある。

【００１６】本発明のさらに他の目的は、ＧａＡｓ基板
以外の安価な基板を用いた半導体装置中に形成されるト
ンネルダイオードにおいて、トンネル接合を構成する高
不純物密度半導体層から隣接する他の半導体層への不純
物元素の熱拡散を有効に阻止することが可能で、かつミ
スフィット転移等の結晶欠陥の発生が抑制できる最適な
構造とその材料を提供することである。

【００１７】本発明のさらに他の目的は、ＧａＡｓ基板
以外の安価な基板を用いた半導体装置中に形成されるト
ンネルダイオードにおいて、トンネルピーク電流密度が
大きく、かつミスフィット転移等の結晶欠陥の発生を抑
制できる具体的構造と、その材料としての化合物半導体
の最適な組成を提供することにある。

【００１８】

【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の特徴である太陽電池は、Ｇｅからな
る基板と、基板上に配置されたボトムセルと、ボトムセ
ルの上部に配置され、基板と格子整合する組成ｙを有す
る第１導電型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層からなる第１の不純
物閉込層と、第１の不純物閉込層の上に配置され、基板
と格子整合する組成ｘを有する第１の導電型のＩｎ_x Ｇ
ａ_1-x Ｐ層からなる第１の高不純物密度層と、この組成
ｘを有し、第１の高不純物密度層とともにトンネル接合
を形成すべく第１の高不純物密度層の上に配置された第
２導電型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層からなる第２の高不純物
密度層と、第２の高不純物密度層の上に配置され、第１
不純物閉込層と同じ組成ｙを有する第２導電型のＡｌ_y
Ｉｎ_1-y Ｐ層からなる第２の不純物閉込層と、第２の不
純物閉込層の上に配置されたトップセルとを備える。こ
こで第２導電型は第１導電型とは反対の導電型である。
たとえば第１導電型がｐ型であれば、第２導電型はｎ型
である。第１導電型がｎ型であれば、第２導電型はｐ型
である。

【００１９】高不純物密度層を構成するＩｎ_x Ｇａ_1-x
Ｐの組成比ｘは、０．４≦ｘ≦０．６であるのが好まし
く、より好ましくは０．４５≦ｘ≦０．５５である。不
純物閉込層を構成するＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐの組成比ｙは、
０．４≦ｙ≦０．６であるのが好ましく、より好ましく
は０．４５≦ｙ≦０．５５である。

【００２０】このボトムセルのさらに下に、Ｇｅのｐｎ
接合からなる第３のセルを形成し、３接合型太陽電池と
してもよい。この場合、Ｇｅ基板が第１の導電型とする
と、Ｇｅ基板上に第２導伝型のＧｅ層を形成してｐｎ接
合を形成し、第３のセル（基板側セルと称する）として
使用することができる。Ｇｅの禁制帯幅は約０．８ｅＶ
であり、トップセルおよびボトムセルでの光電変換に使
用された波長域よりさらに長波長側の光エネルギーも電
力変換に利用できる。この場合は、基板側セルとボトム
セルを、第１および第２の導電型のＩｎＧａＰ高不純物
密度層からなるトンネル接合で電気接続する。この場合
もＩｎＧａＰトンネル接合の上下を、それよりも禁制帯
幅のやや大きいＡｌＩｎＰの不純物閉込層で挟んで、ト
ンネルダイオードにドープした不純物がボトムセルある
いは基板側に拡散するのを防止することが好ましい。

【００２１】本発明の第２の特徴は、Ｇｅ基板を用いた
半導体装置に好適に用いられるトンネルダイオードに関
する。このトンネルダイオードは、組成ｙが０．４５≦
ｙ≦０．５５である第１導電型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層か
らなる第１の不純物閉込層と、第１の不純物閉込層の上
に配置され、組成ｘが０．４５≦ｘ≦０．５５である第
１の導電型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層からなる第１の高不純
物密度層と、同じ組成ｘを有し、第１の高不純物密度層
とともにトンネル接合を形成すべく第１の高不純物密度
層の上に配置された第２導電型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層か
らなる第２の高不純物密度層と、第２の高不純物密度層
の上に配置され、第１不純物閉込層と同じ組成ｙを有す
る第２導電型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層からなる第２の不純
物閉込層とを備える。ここで本発明の第２の特徴にかか
る「半導体装置」としては、多接合型太陽電池の他、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に適用可能な半導体装置を意
味する。

【００２２】このように本発明の第１の特徴では、Ｇａ
Ａｓ基板以外の安価な基板として、機械的強度が強いＧ
ｅ基板を選択する。Ｇｅ基板上には禁制帯幅のそれぞれ
異なる複数のセルが形成されている。Ｇｅ基板上に積層
された複数のセルは、トンネル接合層によって電気的に
直列接続される。各セルの禁制帯幅をそれぞれ異なるよ
うに設定することによって、異なる波長域の入射光成分
を順次光電変換することができる。したがって、製造コ
ストを低減する一方で、機械的強度にすぐれ、かつ光エ
ネルギーの利用効率の高い太陽電池が実現される。

【００２３】このようなＧｅ基板を用いた多接合型太陽
電池に含まれる複数のセルは、トンネルダイオードによ
って良好に電気接続される。このトンネルダイオードの
ｐｎ接合部（すなわちトンネル接合部）は、Ｇｅ基板と
ほぼ格子整合する組成ｘに最適化されたＩｎ_xＧａ_1-xＰ
の高不純物密度層から構成される。トンネル接合部は、
Ｉｎ_xＧａ_1-xＰよりも禁制帯幅がやや広く、Ｇｅ基板と
ほぼ格子整合する組成ｙに最適化されたＡｌ_yＩｎ_1-yＰ
の不純物閉込層によって挟まれている。このように組成
ｘおよびｙを最適化した構造によれば、トップセルをＩ
ｎ_xＧａ_1-xＰ、あるいはこれとほぼ等しい禁制帯幅を有
するIII-V化合物半導体で構成した場合に、良好な結晶
性を維持しつつ、トンネル接合層での光エネルギーの吸
収損失をなくし、トップセルで光電変換された残りの波
長域成分のほとんどすべてをボトムセルに通すことがで
きる。同時に、Ａｌ_yＩｎ_1-yＰの薄膜によって、トンネ
ル接合部にドープされた不純物キャリヤが熱拡散するの
を防止できるので、トップセルとボトムセルの間に十分
なトンネル電流を確保することができる。

【００２４】本発明の第２の特徴においては、Ｇｅ基板
上に形成される半導体装置に好適に用いられるトンネル
ダイオードのトンネル接合部を、組成ｘを０．４５≦ｘ
≦０．５５に設定したＩｎ_xＧａ_1-xＰの高不純物密度層
で構成する。さらにこのトンネル接合部を、組成ｙを
０．４５≦ｘ≦０．５５に設定したＡｌ_yＩｎ_1-yＰの不
純物閉込層で挟み込む。このような組成ｘおよびｙの値
は、それぞれの層の結晶定数がＧｅ基板のそれと最も整
合するように選択されたものであり、Ｇｅ基板上に積層
構造を結晶成長させる場合に、結晶欠陥を最小に押さえ
て良好な電気特性を達成できるものである。同時に、ト
ンネル接合部をそれよりやや禁制帯幅の広いＡｌ_yＩｎ
_1-yＰ不純物閉込層で挟むことにより、トンネル接合部
にドープされた不純物キャリヤの熱拡散を効果的に防止
することができ、このトンネルダイオードが適用された
半導体装置の電気特性を高く維持することができる。

【００２５】本発明の第１および第２の特徴において、
トンネル接合部と、これを挟み込む不純物閉込層の双方
を３元組成（Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ、Ａｌ_yＩｎ_1-yＰ）の混晶
としているので、それぞれの組成ｘ、ｙを選択すること
により、格子定数を比較的大きな自由度で調節できる。
すなわち、それぞれの組成を最適化することにより、Ｇ
ｅ基板ときわめて格子整合性のよいトンネルダイオード
を提供することができる。

【００２６】

【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。

【００２７】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態に係る２接合型太陽電池の構成を示す。

【００２８】この太陽電池は、ｐ型のＧｅ基板５と、Ｇ
ｅ基板５上に形成されたＧａＡｓボトムセル２と、ボト
ムセル２の上部に形成されたｎ⁺ 型ＡｌＩｎＰ層（第１
の不純物閉込層）１１と、ｎ⁺ 型ＩｎＧａＰ層（第１の
高不純物密度層）１２と、ｐ⁺ 型ＩｎＧａＰ層（第２の
高不純物密度層）１３と、ｐ⁺ 型ＡｌＩｎＰ層（第２の
不純物閉込層）１４と、トップセル１を有する。

【００２９】ボトムセル２上に形成されたｎ⁺ 型ＡｌＩ
ｎＰ層１１と、ｎ⁺ 型ＩｎＧａＰ層１２と、ｐ⁺ 型Ｉｎ
ＧａＰ層１３と、ｐ⁺ 型ＡｌＩｎＰ層１４とで、トップ
セル１とボトムセル２を電気的に連結するトンネル接合
層３を構成する。

【００３０】第１の実施の形態では、トンネル接合部を
形成するＩｎ_xＧａ_1-xＰ高不純物密度層１２、１３の組
成ｘを０．４９に設定し（Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ）、Ａｌ
_yＩｎ_1-yＰ不純物閉込層１１、１４の組成ｙを０．５２
に設定する（Ａｌ_0.52Ｉｎ_{0 .48}Ｐ）。

【００３１】ボトムセル２は、ｐ型ＧａＡｓベース層８
とｎ型ＧａＡｓエミッタ層９をその基本部として有す
る。このｐｎ接合の下部に、ＧａＡｓよりやや禁制帯幅
が広く、ＧａＡｓと格子定数がほぼ等しいｐ型のＩｎ
_0.49Ｇａ_0.51ＰのＢＳＦ層７を有し、上部にはｎ型のＩ
ｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐの窓層１０を有する。ｐ型のＩｎ_0.49
Ｇａ_0.51Ｐ層７は、光電変換によってベース層８に生じ
た少数キャリヤがＧｅ基板５側に拡散するのを防ぐ役割
を果たす。ｎ型のＩｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ窓層１０は、ボト
ムセル２の上部に形成されるトンネル接合層３およびト
ップセル１とのよりよい格子整合を図るための調整層で
ある。このような構成のＧａＡｓボトムセル２は、多接
合型太陽電池に入射する光エネルギーの長波長側の成分
を光電変換する。

【００３２】トップセル１は、ボトムセル２よりも禁制
帯幅の広いＩｎＧａＰを材料とする。具体的には、トッ
プセル１はｐ型のＩｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐベース層１６とｎ
型のＩｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐエミッタ層１７を基本部として
有する。このｐｎ接合の下部に、Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐベ
ース層１６より不純物密度のやや高い（２．０×１０¹⁸
ｃｍ^-3）ｐ⁺ 型Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51ＰのＢＳＦ層１３を備
え、上部にはＡｌＩｎＰ窓層１６を有する。トップセル
１の禁制帯幅を、ボトムセル２のそれより広くしたこと
によって、入射光の短波長側の成分を光電変換する。こ
のように、トップセル１とボトムセル２とでそれぞれ波
長域の異なる光成分を光電変換し、光の利用効率を高め
る。

【００３３】トップセル１とボトムセル３を電気的に接
続するのが、トンネル接合層３である。トンネル接合層
３は、トップセル１で光電変換に使用された以外の光成
分のほとんどすべてをボトムセル２に通すことのできる
構造であるのが好ましい。そこで、トップセルをＩｎＧ
ａＰで構成した場合に、トンネルダイオードとして光吸
収の起こりにくいＩｎＧａＰを材料として用いる。具体
的には、トンネル電流が流れやすいように高密度（約
１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3）に不純物をドープしたｎ⁺ 型Ｉ
ｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ層１２とｐ⁺ 型Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ層
１３でダイオードを構成し、これをＳｉをドープしたｎ
⁺ 型Ａｌ_0.52Ｇａ_0.48Ｐの不純物閉込層（第１不純物閉
込層）１１と、Ｚｎをドープしたｐ⁺ 型Ａｌ_0.52Ｇａ
_0.48Ｐの不純物閉込層（第２不純物閉込層）１４で挟み
込む。

【００３４】このような構成により、トンネル接合部と
なる高不純物密度層１２および１３にドープされた不純
物が、さらにその上の半導体層を高温で成長するとき
に、上下のセルに熱拡散するのを防止できる。この結
果、太陽電池としての使用時に、トップセルとボトムセ
ルを直列接続するトンネル接合層として十分なトンネル
電流が確保される。たとえば本実施の形態におけるトン
ネルダイオードでは、トンネルピーク電流密度として５
Ａ／ｃｍ²程度が容易に得られ、太陽電池全体の変換効
率Ｅｆｆが向上する。

【００３５】第１の実施の形態にかかる太陽電池は、以
下のようにして製造できる。

【００３６】(1) まず、厚さ約１５０μｍのｐ型Ｇｅ基
板５上に、厚さ約０．３μｍ、不純物密度約７．０×１
０¹⁸ｃｍ^-3のｐ⁺ 型ＧａＡｓバッファ層６を、６００℃
程度の低温でエピタキシャル成長させる。成長方法とし
ては、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、ＣＢＥ法
（ケミカルビームエピタキシー）法、ＭＢＥ（分子ビー
ムエピタキシー）法などが採用可能である。たとえばＭ
ＯＣＶＤ法で成長する場合は、III族原料ガスとして、
トリエチルガリウム（ＴＥＧ）やトリメチルガリウム
（ＴＭＧ）などを、IV族の原料ガスとして、アルシン
（ＡｓＨ₃）などの周知の原料ガスを使用すればよい。

【００３７】(2) 続いて、ＧａＡｓバッファ層６上に、
周知の結晶成長法を用いて、厚さ約０．１μｍ、不純物
密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ⁺ 型ＩｎＧａＰ裏面電
界（ＢＳＦ）層７、厚さ約３．０μｍ、不純物密度約
２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＡｓベース層８、厚さ
約０．１μｍ、不純物密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ
⁺型ＧａＡｓエミッタ層９、厚さ約０．１μｍ、不純物
密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ⁺型Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51
Ｐ層１０を連続エピタキシャル成長して、ＧａＡｓボト
ムセル２を形成する。ＭＯＣＶＤ法の場合で説明する
と、ＢＳＦ層７および窓層１０の原料ガスは、III族原
料ガスとして、たとえばトリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、Ｖ族原料ガス
として、たとえばフォスフィン（ＰＨ₃）を用いること
ができる。また、第１の実施の形態ではｐ型ドーパント
としてＺｎを、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いる。し
たがって、ｎ型ドーパントガスとして、モノシラン（Ｓ
ｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）など、ｐ型ドーパント
ガスとして、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）などを用いるこ
とができる。

【００３８】(3) さらに連続して、ボトムセル２上にト
ンネル接合層３を形成する。すなわち、ボトムセル２の
最上層（窓層）であるｎ⁺ 型ＩｎＧａＰ層１０の上に、
厚さ０．０２５μｍ、不純物密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ
^-3のｎ⁺Ａｌ_0.52Ｉｎ_0.48Ｐ層（第１の不純物閉込層）
１１と、厚さ約０．０１５μｍ、不純物密度約１．０×
１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ層（第２の高不
純物密度層）１２と、厚さ約０．０１５μｍ、不純物密
度約１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ⁺Ｉｎ_0.49Ｇａ_{0.5 1}Ｐ層
（第２の高不純物密度層）１３と、厚さ０．０２５μ
ｍ、不純物密度約１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ⁺Ａｌ_0.52
Ｉｎ_0.48Ｐ層（第1の不純物閉込層）１４を連続して結
晶成長させる。ＭＯＣＶＤで不純物閉込層１１、１４を
形成する際の原料ガスとして、III族原料ガスは、トリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルアミンアラ
ン（ＴＭＡＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、
Ｖ族の原料ガスとしてはフォスフィン（ＰＨ₃）、ター
シャリー・ブチル・フォスフィン（（Ｃ₄Ｈ₉）ＰＨ₂）
などを用いることができる。ドーパントガスの種類は、
ボトムセル形成時に使用したものと同様のものを用いれ
ばよい。

【００３９】(4) 次いで、トンネル接合層３の上部にさ
らに連続して、Ｇｅ基板と実質的に格子整合するＩｎ
_0.49Ｇａ_0.51Ｐでトップセルを形成する。具体的には、
Ｚｎを２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3の密度でドープした厚さ約
０．１μｍのｐ⁺ 型Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ裏面電界層（Ｂ
ＳＦ）１５、厚さ約０．４〜１．０μｍ、不純物密度約
１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ベース層１６、Ｓｉを３．
０×１０¹⁸ｃｍ^-3の密度でドープした厚さ約０．０５μ
ｍのｎ型エミッタ層１７、および厚さ約０．０３μｍ、
不純物密度約２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ⁺ 型Ａｌ_0.52Ｉ
ｎ_0.48Ｐ窓層１８を連続エピタキシャル成長する。ＢＳ
Ｆ層１５、ベース層１６およびエミッタ層１７は、トン
ネルダイオード形成時と同様の種類の原料ガスおよびド
ーパントガスを用いて形成することができる。トップセ
ル窓層１６は、不純物閉込層１１、１４を形成したとき
と同様の種類の原料ガスで形成する。

【００４０】(5) トップセル１の上に、厚さ約０．３μ
ｍのｎ⁺ＧａＡｓコンタクト層１９をトップセルから連
続してエピタキシャル成長させる。

【００４１】(6) この後、多層構造を堆積したＧｅ基板
を反応室から取り出し、周知の方法で表面電極２０と裏
面電極４を形成する。たとえば、フォトリソグラフィー
によるフォトレジストのパターニング後にＡｕ−Ｇｅ／
Ｎｉ／Ａｕ膜２０ａを真空蒸着法などで順次形成し、そ
の後、フォトレジストを除去する、いわゆる「リフトオ
フ法」を用いて電極形状にパターニングする。そしてそ
の上に、電界メッキ法などでＡｕメッキ層２０ｂを形成
して表面電極２０を完成する。この表面電極２０をマス
クとして、コンタクト層１９をエッチングしてｎ⁺Ａｌ
ＩｎＰ窓層１９を露出させる。露出したｎ⁺ＡｌＩｎＰ
層１８上にＭｇＦ₂／ＺｎＳ反射防止膜２１をスパッタ
リング法などで形成する。最後にＧｅ基板５の裏面に裏
面電極４を電界メッキ法などで形成して多接合型太陽電
池が完成する。

【００４２】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２の実施の形態にかかる太陽電池の断面構成を示す。第
２の実施形態では、ボトムセル２２のベース層およびエ
ミッタ層を、ＧａＡｓに代えてＩｎ_ZＧａ_1-ZＡｓで形成
する。具体的には、ボトムセル２２は、その基本部とし
て厚さ約３μｍのｐ型Ｉｎ_0.005Ｇａ_0.995Ａｓベース層
２８と、厚さ約０．１μｍのｎ型Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ａｓ
エミッタ層２９を有する。その他の構成要素に関して
は、第１の実施形態と同様であり、同一符号を付してあ
る。

【００４３】Ｉｎ_ZＧａ_1-ZＡｓの組成比ｚは、膜厚が１
μｍ以下であるならば、ｚ＝０．０１程度でＧｅ基板と
の格子不整合を±０．０５％以内に押さえることがで
き、格子欠陥による影響をほとんど無視することができ
る。膜厚が２〜３μｍになる場合は、ｚの値を０．００
５程度に低減すれば、１μｍ以下の膜厚さのときとほぼ
同程度の格子整合が得られる。ＩｎＧａＡｓを用いる最
大のメリットは、ＧａＡｓに比べ、禁制帯幅が小さいに
もかかわらず、ミスフィット転移が著しく減少している
ため、太陽電池全体として考えると、結果的に太陽電池
の開放電圧を向上できる点にある。

【００４４】具体的には、太陽電池の曲線因子ＦＦは８
５．３％程度になり、変換効率Ｅｆｆは３０．９％程度
の高い値を達成できる。また、この多接合型太陽電池の
開放電圧Ｖocは２．３８５Ｖ程度であり、短絡電流Iｓ
ｃは１５．２ｍＡ／ｃｍ²程度にまで改善される。

【００４５】さらに、Ｉｎをわずかに添加したことによ
り、熱膨張率をＧｅ基板に近づけることができる。その
結果、層成長時にＧｅ基板とよりよい整合を図ることが
できる。

【００４６】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３の実施の形態にかかる太陽電池の断面構成を示す。第
３の実施の形態では、３つのセルを２つのトンネル接合
部で接続した３接合型太陽電池を構成する。すなわち、
この３接合型太陽電池は、トップセル３１、ボトムセル
３２、基板側セル３３、上側トンネル層３４、および基
板側トンネル層３５を備える。３つのセルの禁制帯幅
は、トップセル３１、ボトムセル３２、基板側セル３３
の順で狭くなるように構成する。入射光を３つの異なる
波長域で順次光電変換するため、第２の実施の形態に比
べて分光効率がさらに向上する。

【００４７】トップセル３１は４元半導体化合物のｐ型
ＩｎＧａＡｌＰ（Ｉｎ_a（Ｇａ_bＡｌ_1ーb）_1-aＰ（０．４
５≦ａ≦０．５５、０．９０≦ｂ≦１．０）以下同様）
ベース層５２とｎ型ＩｎＧａＡｌＰエミッタ層５３を基
本部とする。３接合になった分、太陽電池全体を通して
の格子整合性を維持するためにトップセル１の基本部分
を４元半導体化合物で形成して、格子整合の自由度をよ
り高めている。トップセルの最下層のＰ⁺型ＩｎＧａＡ
ｌＰ層５１は、ベース層５２で発生した少数キャリヤの
拡散を止めるＢＳＦ層である。

【００４８】ボトムセル３２は、ｐ型ＩｎＧａＡｓベー
ス層４５とｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層４６を基本部分
とし、ベース層４５の下にＩｎＧａＡｓよりも禁制帯幅
がわずかに広いＩｎＧａＰのＢＳＦ層４４を設けること
によって、ベース層４５で発生した少数キャリヤが基板
側に落ち込むのを防止する。上述したように、ＩｎＧａ
Ａｓを用いることにより、ＧａＡｓの場合に比べてミス
フィット転移の発生が少ない上に、Ｇｅと熱膨張率が近
い。３接合にする場合、ボトムセルの材料をＩｎＧａＰ
にすることによって、太陽電池全体としての格子整合性
を維持し、電力変換率の向上に寄与させる。

【００４９】基板側セル３３は、ｐ型Ｇｅ基板３７を利
用し、その上にｎ型Ｇｅ層３８を形成することによって
実現される。Ｇｅの禁制帯幅はボトムセルを構成するＩ
ｎＧａＡｓよりさらに狭く（約０．８ｅＶ）、より長波
長側の光成分を光電変換できる。したがって、太陽電池
全体として、より広い波長域での光電変換が可能にな
り、生成される電力が増加する。

【００５０】トップセル３１とボトムセル３２を電気接
続するために、上側トンネル接合部３４は、ＩｎＧａＡ
ｌＰと禁制帯幅の近いｎ⁺ 型Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ層（高
不純物密度層）４８とｐ⁺ 型Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｐ層（高
不純物密度層）４９とで形成されるトンネル接合部を有
する。このトンネル接合部の上下に、禁制帯幅がトンネ
ルダイオードのいずれの層よりもやや広く、かつＧｅ基
板とほぼ格子整合するＡｌ_0.52Ｉｎ_0.48Ｐ不純物閉込層
４７、５０を設ける。これによって、トンネル接合部に
高密度にドープされた不純物が層成長過程でトップセル
３１またはボトムセル３２へ熱拡散するのを防止し、太
陽電池使用時に十分なトンネル電流を確保することがで
きる。

【００５１】同様に、ボトムセル３２と基板側セル３３
とを電気接続する基板側トンネル接合部３５は、ボトム
セルと同素材の（すなわち禁制帯幅の等しい）ｎ⁺ 型Ｉ
ｎ_{0. 01}Ｇａ_0.99Ｐ層４１とＰ⁺ 型Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｐ層
４２とからなるトンネル接合部を有する。これによっ
て、基板側トンネル接合部での光吸収を回避して、残り
の光成分をすべて基板側セル３３に通すことができる。
さらに、このｐｎ接合をＩｎＧａＡｓよりも禁制帯幅が
広く、かつＧｅ基板とほぼ格子整合するｎ型およびｐ型
のＡｌ_0.52Ｉｎ_0.48Ｐ不純物閉込層４０および４３で挟
み込むことによって、トンネル接合部に高密度にドープ
された不純物元素がボトムセル３２または基板側セル３
３に拡散してトンネル電流が低下するのを防止すること
ができる。

【００５２】Ｇｅ基板の裏面にはＡｕの裏面電極３６
が、またトップセル３１の上部にはｎ型ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層５５を介してＡｕの表面電極５６が形成され
る。

【００５３】このように、第３の実施の形態では、多接
合型太陽電池に含まれるセルを３段に増やし、それぞれ
を異なる禁制帯幅の半導体素材で形成したので、入射光
の成分を効率良く活用できる。これによって電力変換効
率がさらに向上した太陽電池が実現される。

【００５４】また、それぞれのセルを直列接続するトン
ネル接合部を、ひとつ上のセルと禁制帯幅がほぼ等し
く、かつＧｅ基板とほぼ格子整合する最適な組成のIII-
V化合物半導体で形成することによって、トンネルダイ
オードでの光吸収損失を最小限に押さえることができ
る。さらに、トンネル接合部をそれよりやや広い禁制帯
幅を有し、かつＧｅ基板とほぼ格子整合する半導体薄膜
で挟み込んだことにより、高密度にドープされた不純物
の熱拡散を防止して、十分なトンネル電流を確保するこ
とができる。

【００５５】このように、トンネル接合を構成する高不
純物密度半導体層から隣接する他の半導体層への不純物
元素の熱拡散を有効に阻止し、かつミスフィット転移等
の結晶欠陥の発生が抑制されるので、本発明の構造は、
高温の熱工程が連続する３接合以上の多接合型太陽電池
の構造として採用することが有効である。すなわち、４
接合以上の多接合を有した多接合型になればなるほど、
本発明の提供する技術はその有効性を増大する。

【００５６】以上の第１〜第３の実施の形態において
は、本発明を多接合型太陽電池に基づいて説明したが、
本発明のトンネルダイオードは多接合型太陽電池以外の
種々の半導体装置に適用可能である。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トンネル注入を用いた走行時間
効果素子等の種々のトンネル効果素子、量子デバイス等
をＧｅ基板上に形成する場合に有効である。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればＧ
ｅ基板を用いているので、機械的強度にすぐれた太陽電
池を、比較的安価に製造することができる。

【００５８】すなわち、ＧａＡｓ基板と比較して機械的
強度が大きいため、例えば４''φ基板において、ＧａＡ
ｓ基板では６００μｍ以上必要とするものが、Ｇｅ基板
では約１５０μｍ程度と薄くでき、太陽電池を軽くする
ことができる。なお、太陽電池パネルの重量低減は、打
ち上げコストおよび姿勢制御用燃料の低減をもたらすた
め、宇宙用途には非常に重要である。

【００５９】さらに本発明によれば、不純物閉込層とし
てのＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層の組成ｙを最適化しているの
で、ミスフィット転移等の結晶欠陥の発生を極力押さえ
た太陽電池を提供することができる。また、このような
不純物閉込層によって、トンネル接合を構成している高
不純物密度半導体層から、隣接する半導体層への不純物
元素の熱拡散を有効に阻止した太陽電池を提供すること
ができる。

【００６０】さらに本発明によれば、トンネル接合を形
成するＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層の組成ｘを最適化しているの
で、ミスフィット転移等の結晶欠陥の発生が抑制された
太陽電池を提供することができる。

【００６１】さらに本発明によれば、トンネル接合部の
Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｐの組成ｘと、それを挟むＡｌ_y Ｉｎ
_1-y Ｐの組成ｙを最適に選んでいるので、Ｇｅ基板を用
いる半導体装置中でのミスフィット転移などの結晶欠陥
の発生を最小にしたトンネルダイオードを提供すること
ができる。

【００６２】また、トンネル接合部を不純物閉込層で挟
み込んでいるので、高不純物密度にしても不純物の熱拡
散が抑制され、種々の半導体装置に適用可能な、十分な
トンネルピーク電流密度を有したトンネルダイオードを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る２接合型太陽
電池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接合型太陽
電池の断面構造を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る３接合型太陽
電池の断面構造を示す図である。

【図４】従来の２接合型太陽電池の断面構造を示す図で
ある。

【符号の説明】

１、３１ トップセル ２、３２ ボトムセル ３、３４、３５ トンネル接合層 ４、３６ 裏面電極 ５、３７ Ｇｅ基板 ６、３９ 低温ＧａＡｓバッファ層 ７、４４ ｐ型ＩｎＧａＰ裏面電界層 ８ ｐ型ＧａＡｓベース層 ９ ｎ型ＧａＡｓエミッタ層 １０ ｎ型ＩｎＧａＰ窓層 １１、４０、４７ ｎ⁺ＡｌＩｎＰ不純物閉込層（第１
の不純物閉込層） １２、４８ ｎ⁺ＩｎＧａＰ層（第１の高不純物密度
層） １３、４９ ｐ⁺ＩｎＧａＰ層（第２の高不純物密度
層） １４、４３、５０ ｐ⁺ＡｌＩｎＰ不純物閉込層（第２
の不純物閉込層） １５、４４ ｐ⁺型ＩｎＧａＰ裏面電界層 １６ ｐ型ＩｎＧａＰベース層 １７ ｎ⁺型ＩｎＧａＰエミッタ層 １９、５５ コンタクト層 ２０、５６ 表面電極 ２８ ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層 ２９ ｎ⁺型ＩｎＧａＡｓエミッタ層 ３３ 基板側セル ４１ ｎ⁺型ＩｎＧａＰ層 ４２ ｐ⁺型ＩｎＧａＰ層 ４５ ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層 ４６ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタ層 ５１ ｐ⁺型ＩｎＧａＡｌＰ裏面電界層 ５２ ｐ型ＩｎＧａＡｌＰベース層 ５３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＰエミッタ層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｇｅからなる基板と、 前記基板上に配置されたボトムセルと、 前記ボトムセルの上部に配置され、前記基板と格子整合
   する組成ｙを有する第１導電型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層か
   らなる第１の不純物閉込層と、 前記第１の不純物閉込層の上に配置され、前記基板と格
   子整合する組成ｘを有する第１の導電型のＩｎ_x Ｇａ
   _1-x Ｐ層からなる第１の高不純物密度層と、 前記組成ｘを有し、前記第１の高不純物密度層の上に、
   前記第１の高不純物密度層と共にトンネル接合を形成す
   べく配置された前記第１の導電型とは反対の導電型の第
   ２導電型のＩｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層からなる第２の高不純物
   密度層と、 前記第２の高不純物密度層の上に配置され、前記組成ｙ
   を有する前記第２導電型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層からなる
   第２の不純物閉込層と、 前記第２の不純物閉込層の上に配置されたトップセルと
   を備える太陽電池。
2. 【請求項２】 前記組成ｘは０．４５≦ｘ≦０．５５で
   あり、前記組成ｙは、０．４５≦ｙ≦０．５５であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
3. 【請求項３】 Ｇｅ基板上に形成される半導体装置に用
   いられるトンネルダイオードであって、 組成ｙが０．４５≦ｙ≦０．５５である第１導電型のＡ
   ｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層からなる第１の不純物閉込層と、 前記第１の不純物閉込層の上に配置され、組成ｘが０．
   ４５≦ｘ≦０．５５である第１の導電型のＩｎ_x Ｇａ
   _1-x Ｐ層からなる第１の高不純物密度層と、 前記組成
   ｘを有し、前記第１の高不純物密度層とともにトンネル
   接合を形成すべく第１の高不純物密度層の上に配置され
   た、前記第１の導電型とは反対の導電型の第２導電型の
   Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ｐ層からなる第２の高不純物密度層と、 前記第２の高不純物密度層の上に配置され、前記組成ｙ
   を有する第２導電型のＡｌ_y Ｉｎ_1-y Ｐ層からなる第２
   の不純物閉込層とを備えるトンネルダイオード。