(57)【要約】【課題】単結晶の基板に基板と格子定数の異なる単結晶の薄膜を成長させる際に、薄膜中の格子欠陥を低減するヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法、これを用いたヘテロ接合太陽電池の製造方法、ヘテロエピタキシャル単結晶、ヘテロ接合太陽電池を提供する。【解決手段】基板１０上に形成したマスク層１２に開口部１３を形成することにより、前記開口部１３の底面に前記基板１０が露出した露出面１４を形成し、前記露出面１４に前記基板１０と格子定数が異なるシリコン結晶２０を前記露出面１４の外形に倣って成長させるヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法であって、前記露出面１４の幅寸法を、前記シリコン結晶２０の破壊強度が、前記シリコン結晶２０が前記基板１０から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときの前記露出面１４の幅寸法以下にすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成したマスク層に第１の開口部を形成することにより、前記第１の開口部の底面に前記基板が露出した露出面を形成し、前記露出面に前記基板と格子定数が異なる第１の成長結晶を前記露出面の外形に倣って成長させるヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法であって、
前記露出面の幅寸法を、
前記第１の成長結晶の破壊強度が、前記第１の成長結晶が前記基板から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときの前記露出面の幅寸法以下にすることを特徴とするヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記第１の成長結晶を前記露出面において前記マスク層の上面より高くなるように成長させるとともに、前記第１の成長結晶の前記マスク層の上面より高くなった部分から横方向に成長させて前記第１の成長結晶が前記マスク層を覆うように成長させ、
前記露出面の幅寸法を１μｍ以下にすることを特徴とする請求項１に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項３】
前記マスク層を形成する材料にＰ型またはＮ型のドーパントをドープすることを特徴とする請求項２に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項４】
前記マスク層において、前記第１の開口部と、それ以外のマスク部分と、を交互に複数形成して前記第１の成長結晶を成長させ、
前記マスク部分を除去することにより前記第１の成長結晶に挟まれた第２の露出面を形成し、
前記第２の露出面及び前記第１の成長結晶の上面に前記基板と格子定数の異なる第２の成長結晶を成長させ、
前記露出面の幅寸法を２００μｍ以下にすることを特徴とする請求項１に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項５】
前記マスク層において、前記第１の開口部と、それ以外のマスク部分と、を交互に複数形成して前記第１の成長結晶を成長させ、
前記マスク部分を除去することにより、前記第１の成長結晶に挟まれた第２の露出面を形成し、
前記第１の成長結晶上に第２のマスク層を形成し、前記第２の露出面において前記基板と格子定数の異なる第２の成長結晶を前記第２の露出面の外形に倣って成長させ、
前記露出面の幅寸法を２００μｍ以下にすることを特徴とする請求項１に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項６】
前記基板の両面に前記第１の開口部を有する前記マスク層を形成することにより前記基板の両面の露出面に前記成長結晶を成長させ、
前記成長結晶の材料を前記基板の一方の面と他方の面とで互いに異ならせたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記基板をシリコンとすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項８】
前記基板を、
シリコン基板上に、酸素リッチなシリコン酸化膜を成長させるとともに前記シリコン酸化膜に前記シリコン基板を露出させる第２の開口部を形成し、前記シリコン基板の前記第２の開口部に露出した部分からシリコン結晶を成長させるとともに前記シリコン結晶が前記シリコン酸化膜を覆うように成長させ、前記シリコン結晶の成長中或いは成長後に熱処理を行なってシリコン結晶の前記第２の開口部で成長した初期成長部分を前記シリコン酸化膜が含有する酸素により酸化させることにより、前記シリコン基板、前記シリコン酸化膜、前記シリコン結晶によるシリコン薄膜、の順に積層させて形成し、
前記シリコン薄膜上に前記第１の開口部を有する前記マスク層を形成することにより前記成長結晶を前記シリコン薄膜上に成長させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の成長方法。
【請求項９】
前記熱処理を１０００度以上の温度で行なうことを特徴とする請求項８に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法
【請求項１０】
前記成長結晶成長後の前記シリコン薄膜を前記シリコン基板から剥離するとともに前記シリコン薄膜の剥離面に前記第１の開口部を有する前記マスク層を形成することにより前記成長結晶を前記剥離面に成長させることを特徴とする請求項８に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項１１】
前記シリコン薄膜のいずれか一方の面に成長させた前記成長結晶の材料をＩｎｘＧａ１−ｘＰとし、
他方の面に成長させた前記成長結晶の材料をＧｅとすることを特徴とする請求項１０に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項１２】
前記成長結晶を前記基板に成長する前に、
前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数との間の格子定数を有するバッファー層を前記露出面に形成し、
前記成長結晶を前記バッファー層上に成長させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項１３】
前記基板をサファイアで形成するとともに前記成長結晶をシリコンで形成し、
前記成長結晶を前記基板に成長する前に、
前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数との間の格子定数を有するバッファー層を前記露出面に形成し、
前記成長結晶を前記バッファー層上に成長させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項１４】
前記原料ガスにＰ型またはＮ型のドーパントをドープするとともに、前記成長結晶の成長途中で前記ドーパントをＰ型またはＮ型に相互に切り替えることを特徴とする請求項２乃至１３のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法により製造された前記成長結晶の表面に電極を配置したことを特徴とするヘテロ接合太陽電池の製造方法。
【請求項１６】
基板上に前記基板の格子定数と異なる格子定数を有する第１の成長結晶及び第２の成長結晶が互いに隣接して交互に成長しているヘテロエピタキシャル単結晶であって、
前記成長結晶の幅寸法が２００μｍ以下となっていることを特徴とするヘテロエピタキシャル単結晶。
【請求項１７】
前記第１、第２の成長結晶のうちのいずれか一方の成長結晶は、他方の成長結晶よりも厚く成長しているとともに、他方の成長結晶を覆うように成長していることを特徴とする請求項１６に記載のヘテロエピタキシャル単結晶。
【請求項１８】
前記基板は、
シリコン基板、シリコン酸化膜、シリコン薄膜の順に積層した構造を有し、
前記成長結晶は、前記シリコン薄膜上に成長していることを特徴とする請求項１６または１７に記載のヘテロエピタキシャル単結晶。
【請求項１９】
前記基板と前記成長結晶との間には、前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数の間の格子定数を有するとともに前記成長結晶の外形に倣った外形を有するバッファー層が配置されていることを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶。
【請求項２０】
前記基板は、サファイアであり、
前記成長結晶は、シリコンであり、
前記基板と前記成長結晶との間には、前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数の間の格子定数を有するとともに前記成長結晶の外形に倣った外形を有するバッファー層が配置されていることを特徴とする請求項１６または１７に記載のヘテロエピタキシャル単結晶。
【請求項２１】
請求項１６乃至２０のいずれか１項に記載のヘテロエピタキシャル単結晶の表面に電極が配置されていることを特徴とするヘテロ接合太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法、ヘテロ接合太陽電池の製造方法、ヘテロエピタキシャル単結晶、ヘテロ接合太陽電池に関し、特に基板上に成長した単結晶中の格子欠陥を低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料は、太陽電池や集積回路等の材料として用いられている。太陽電池については、更なる効率向上化のため、半導体の上にバンドギャップの異なる他の半導体を積層させたタンデム型の太陽電池が提案されている。また、集積回路については、寄生容量を低減して高速化を図るため、絶縁体上に集積回路の材料となる半導体を積層させる構造が提案されている。
【０００３】
いずれの提案においても、高品質なデバイスを製造するためには、単結晶の基板上に基板とは異なる材料の結晶からなる薄膜を成長させるヘテロエピタキシャル技術が必要となる。しかし、この場合、基板と薄膜との間では、格子定数が互いに異なる。このため、薄膜成長の際に、薄膜を構成する結晶が基板の結晶から格子歪を受けて、薄膜中に貫通転位等の格子欠陥が発生し、これが高品質化の妨げとなっている。
【０００４】
上述の格子欠陥の問題を解決するため、特許文献１においては、サファイア基板上にＳｉＯ２のマスク層を形成し、サファイア基板の露出した位置からＧａＮをマスク層より高くなるように成長させ、さらにＧａＮのマスク層より高くなった部分を横方向成長させることにより、ＧａＮによる薄膜を、基板全体を覆うように成長させる技術が開示されている。上記方法によれば、ＧａＮの横方向成長部分において転位密度が劇的に低減する。よって、上記特許文献１の技術を太陽電池及び集積回路の製造方法に適用することにより、高品質なデバイスを製造することができるとも思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５１０２２７号公報
【特許文献２】特開２０１２−０５４３６４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｐ．Ｍ．Ｊ．Ｍａｒｅｅ  ｅｔ，ａｌ；Ｊ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．５８（８），１５  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８５；Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｔｒａｉｎｅｄ  ｌａｙｅｒｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎＧａＰ（００１）  ｂｙ  ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ．
【非特許文献２】ＮＡＮＯ  ＬＥＴＴＥＲ，２００６，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．４，６２２−６２５，Ｓａｍｕｅｌ  Ｈｏｆｆｍａｎｎ；Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｂｅｎｄｉｎｇ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｏｆ  Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ  Ｇｒｏｗｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ．
【非特許文献３】Ｎａｍａｚｕ，Ｔ．ｅｔ，ａｌ；Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．２０００，９４５０  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｚｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｂｙ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｂｅｎｄｉｎｇ  Ｔｅｓｔ  Ｕｓｉｎｇ  ＡＦＭ．
【非特許文献４】Ｆ．Ｓｃｈａｆｆｌｅｒ；Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１２．１５１５（１９９７）．
【非特許文献５】応用物理  Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．１，２０１２，ｐ３−ｐ１４．
【非特許文献６】Ｊ．Ｍ．Ｏｌｓｏｎ，ｅｔ．ａｌ，２７．３％ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／ＧａＡｓ  Ｔａｎｄｅｍ  Ｓｏｌａｒ  ｃｅｌｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｌｅｔｔ．５６（７），１２Ｆｅｂ，１９９０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記方法を用いても、基板上で成長した薄膜のうち、基板から直接成長した部分には貫通転位等の格子欠陥が未だ多く存在し、薄膜全体では未だ多くの格子欠陥を有することになるので、基板上に薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた材料を用いたデバイスの高性能化に限界があった。もちろん、上記薄膜のうち、横方向成長成分のみを切り出して用いることも可能であるが、その部分を太陽電池や集積回路等のデバイスが必要とする大きさに形成することは困難である。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点に着目し、単結晶の基板に、その基板と格子定数の異なる単結晶の薄膜を成長させる際に、薄膜中の格子欠陥を低減するヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法、これを用いたヘテロ接合太陽電池の製造方法、ヘテロエピタキシャル単結晶、ヘテロ接合太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係るヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法は、基板上に形成したマスク層に第１の開口部を形成することにより、前記第１の開口部の底面に前記基板が露出した露出面を形成し、前記露出面に前記基板と格子定数が異なる第１の成長結晶を前記露出面の外形に倣って成長させるヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法であって、前記露出面の幅寸法を、前記第１の成長結晶の破壊強度が、前記第１の成長結晶が前記基板から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときの前記露出面の幅寸法以下にすることを特徴とする。
【００１０】
上記構成により、露出面に成長する第１の成長結晶が格子歪に起因して破壊され貫通転位等の格子欠陥が発生することを低減することができる。よって、格子歪を保持しながら格子欠陥の少ないヘテロエピタキシャル単結晶を成長させることができる。
【００１１】
本発明において、前記第１の成長結晶を前記露出面において前記マスク層の上面より高くなるように成長させるとともに、前記第１の成長結晶の前記マスク層の上面より高くなった部分から横方向に成長させて前記第１の成長結晶が前記マスク層を覆うように成長させ、前記露出面の幅寸法を１μｍ以下にすることを特徴とする。
【００１２】
上記構成により、基板と格子不整合の割合が大きな成長結晶を、マスク層から露出した露出面の外形に倣って形成された部分であっても格子欠陥を小さくした状態で形成することができ、基板全体を覆うように格子欠陥の小さな成長結晶による薄膜を形成することができる。
【００１３】
本発明において、前記マスク層を形成する材料にＰ型またはＮ型のドーパントをドープすることを特徴とする。
上記構成により、トンネル接合のためのＰＮ接合形成やマスク層の界面における少数キャリアの再結合を低減することができる。
【００１４】
本発明において、前記マスク層において、前記第１の開口部と、それ以外のマスク部分と、を交互に複数形成して前記第１の成長結晶を成長させ、前記マスク部分を除去することにより前記第１の成長結晶に挟まれた第２の露出面を形成し、前記第２の露出面及び前記第１の成長結晶の上面に前記基板と格子定数の異なる第２の成長結晶を成長させ、前記露出面の幅寸法を２００μｍ以下にすることを特徴とする。
【００１５】
上記構成により、第１の成長結晶と、第２の成長結晶のうち第２の露出面に成長した部分は、バルク状態のときよりも５倍程度高い破壊強度を有することになる。また第２の成長結晶のうち第１の成長結晶上に成長した部分は、第１の成長結晶の格子歪の緩和が進行した上面から成長したものとなっている。したがって、基板上に格子欠陥の少ない第１の成長結晶及び第２の成長結晶を成長させることができる。
【００１６】
本発明において、前記マスク層において、前記第１の開口部と、それ以外のマスク部分と、を交互に複数形成して前記第１の成長結晶を成長させ、前記マスク部分を除去することにより、前記第１の成長結晶に挟まれた第２の露出面を形成し、前記第１の成長結晶上に第２のマスク層を形成し、前記第２の露出面において前記基板と格子定数の異なる第２の成長結晶を前記第２の露出面の外形に倣って成長させ、前記露出面の幅寸法を２００μｍ以下にすることを特徴とする。
【００１７】
上記構成により、基板上には、第１の成長結晶と第２の成長結晶がモザイク状に形成される。そして、第１の成長結晶及び第２の成長結晶は、バルク状態のときよりも５倍程度高い破壊強度を有することになる。したがって、基板上に格子欠陥の少ない第１の成長結晶及び第２の成長結晶を成長させることができる。
【００１８】
本発明において、前記基板の両面に前記第１の開口部を有する前記マスク層を形成することにより前記基板の両面の露出面に前記成長結晶を成長させ、前記成長結晶の材料を前記基板の一方の面と他方の面とで互いに異ならせたことを特徴とする。
上記構成により、３層構造のヘテロエピタキシャル単結晶となり、例えばタンデム型の太陽電池の活性層として用いることができる。
【００１９】
本発明において、前記基板をシリコンとすることを特徴とする。
上記構成により、シリコンを基板としたヘテロエピタキシャル単結晶を形成することができる。
【００２０】
本発明において、前記基板を、シリコン基板上に、酸素リッチなシリコン酸化膜を成長させるとともに前記シリコン酸化膜に前記シリコン基板を露出させる第２の開口部を形成し、前記シリコン基板の前記第２の開口部に露出した部分からシリコン結晶を成長させるとともに前記シリコン結晶が前記シリコン酸化膜を覆うように成長させ、前記シリコン結晶の成長中或いは成長後に熱処理を行なってシリコン結晶の前記第２の開口部で成長した初期成長部分を前記シリコン酸化膜が含有する酸素により酸化させることにより、前記シリコン基板、前記シリコン酸化膜、前記シリコン結晶によるシリコン薄膜、の順に積層させて形成し、前記シリコン薄膜上に前記第１の開口部を有する前記マスク層を形成することにより前記成長結晶を前記シリコン薄膜上に成長させることを特徴とする。
【００２１】
上記構成において、シリコン酸化膜は結合力が小さい。このため、成長結晶によるシリコン薄膜を、シリコン酸化膜を引き裂く態様で（このときフッ酸液を用いてシリコン酸化膜をエッチングしながら）シリコン基板から剥離することができる。よって、シリコン薄膜と成長結晶によるヘテロ接合体を容易に形成することができ、ヘテロ接合体の薄型化を図ることができる。また、剥離後のシリコン基板にシリコン酸化膜を介してシリコン薄膜を成長させることができる。よって、シリコン基板を繰り返し使用することができるので、コストを抑制することができる。
【００２２】
本発明において、前記熱処理を１０００度以上の温度で行なうことを特徴とする。
上記構成により、強度及び絶縁性の高いシリコン酸化膜となるため、高速な応答が可能で省電力な半導体素子用の材料として用いることができる。
【００２３】
本発明において、前記成長結晶成長後の前記シリコン薄膜を前記シリコン基板から剥離するとともに前記シリコン薄膜の剥離面に前記第１の開口部を有する前記マスク層を形成することにより前記成長結晶を前記剥離面に成長させることを特徴とする。
上記構成により、シリコン薄膜の両面にヘテロエピタキシャル成長を行い、タンデム構造の太陽電池の活性層を形成することができる。
【００２４】
本発明において、前記シリコン薄膜のいずれか一方の面に成長させた前記成長結晶の材料をＩｎｘＧａ１−ｘＰとし、他方の面に成長させた前記成長結晶の材料をＧｅとすることを特徴とする。
【００２５】
上記構成により、シリコン薄膜の両面にはシリコンよりも格子定数の大きい成長結晶が成長するため、両面から格子歪による引っ張り応力を受ける。これにより、シリコン薄膜の物性を間接遷移型から直接遷移型に変化させることができ、発電効率を大幅に高めることができる。
【００２６】
本発明において、前記成長結晶を前記基板に成長する前に、前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数との間の格子定数を有するバッファー層を前記露出面に形成し、前記成長結晶を前記バッファー層上に成長させることを特徴とする。
【００２７】
上記構成により、基板と格子不整合の割合が大きい成長結晶を、格子欠陥を低減させて製造することができる。特にバッファー層もマスク層で区画された露出面の外形に合わせて形成されるので、バッファー層の破壊強度もバルク状態のときよりも増大し、貫通転位等の格子欠陥の発生を抑制することができる。よって、成長結晶において、バッファー層中の格子欠陥に起因した格子欠陥の発生を低減することができる。
【００２８】
本発明において、前記基板をサファイアで形成するとともに前記成長結晶をシリコンで形成し、前記成長結晶を前記基板に成長する前に、前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数との間の格子定数を有するバッファー層を前記露出面に形成し、前記成長結晶を前記バッファー層上に成長させることを特徴とする。
【００２９】
上記構成により、絶縁体であるサファイア上に格子不整合の割合の大きいシリコンを、格子欠陥を小さくした状態でバッファー層を介して成長することができ、集積回路等の高速な応答が要求されるデバイスの材料として用いることができる。
【００３０】
本発明において、前記原料ガスにＰ型またはＮ型のドーパントをドープするとともに、前記成長結晶の成長途中で前記ドーパントをＰ型またはＮ型に相互に切り替えることを特徴とする。
上記構成により、成長結晶の厚み方向でＰＮ接合を形成することができる。
【００３１】
また、本発明に係るヘテロ接合太陽電池の製造方法は、前述のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法により製造された前記成長結晶の表面に電極を配置したことを特徴とする。
上記構成により、タンデム型であって高効率な太陽電池を製造することができる。
【００３２】
一方、本発明に係るヘテロエピタキシャル単結晶は、基板上に前記基板の格子定数と異なる格子定数を有する第１の成長結晶及び第２の成長結晶が互いに隣接して交互に成長しているヘテロエピタキシャル単結晶であって、前記成長結晶の幅寸法が２００μｍ以下となっていることを特徴とする。
【００３３】
上記構成により、基板上には、第１の成長結晶と第２の成長結晶がモザイク状に形成される。そして、第１の成長結晶及び第２の成長結晶は、バルク状態のときよりも５倍程度高い破壊強度を有することになる。したがって、基板上に格子欠陥の少ない第１の成長結晶及び第２の成長結晶が成長したヘテロエピタキシャル単結晶となる。
【００３４】
また、本発明において、前記第１、第２の成長結晶のうちのいずれか一方の成長結晶は、他方の成長結晶よりも厚く成長しているとともに、他方の成長結晶を覆うように成長していることを特徴とする。
【００３５】
上記構成により、一方の成長結晶と、他方の成長結晶のうち露出面に直接成長した部分は、バルク状態のときよりも高い破壊強度を有することになる。また他方の成長結晶のうち一方の成長結晶上に成長した部分は、一方の成長結晶の格子歪の緩和が進行した上面から成長したものとなっている。したがって、基板上に格子欠陥の少ない第１の成長結晶及び第２の成長結晶を成長させたヘテロエピタキシャル単結晶となる。
【００３６】
本発明において、前記基板は、シリコン基板、シリコン酸化膜、シリコン薄膜の順に積層した構造を有し、前記成長結晶は、前記シリコン薄膜上に成長していることを特徴とする。
【００３７】
上記構成により、シリコン薄膜は、シリコン基板から剥離可能となっている。そして、シリコン基板をシリコン薄膜の成長に対し繰り返し使用することができるのでコストを抑制することができる。
【００３８】
本発明において、前記基板と前記成長結晶との間には、前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数の間の格子定数を有するとともに前記成長結晶の外形に倣った外形を有するバッファー層が配置されていることを特徴とする。
【００３９】
上記構成により、基板と格子不整合の割合が大きい結晶を、基板上で格子欠陥を低減させた状態で成長させたヘテロエピタキシャル単結晶となっている。特に、バッファー層は、第１の成長結晶の外形、及び第２の成長結晶の基板に接合する部分の外形に合わせてモザイク状に形成されているので、破壊強度がバルク状態のときよりも増大し、貫通転位等の格子欠陥の発生が抑制されている。よって、成長させた結晶において、バッファー層中の格子欠陥に起因した格子欠陥の発生を低減させたヘテロエピタキシャル単結晶となる。
【００４０】
本発明において、前記基板は、サファイアであり、前記成長結晶は、シリコンであり、前記基板と前記成長結晶との間には、前記基板の格子定数と前記成長結晶の格子定数の間の格子定数を有するとともに前記成長結晶の外形に倣った外形を有するバッファー層が配置されていることを特徴とする。
【００４１】
上記構成により、絶縁体であるサファイア上にバッファー層を介して格子不整合の割合の大きいシリコンを、格子欠陥を小さくした状態で成長することができ、集積回路等の高速な応答が要求されるデバイスの材料として用いることができる。
【００４２】
一方、本発明に係るヘテロ接合太陽電池は、前述のヘテロエピタキシャル単結晶の表面に電極が配置されていることを特徴とする。
上記構成により、高効率な太陽電池となる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明に係るヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法、ヘテロエピタキシャル単結晶によれば、格子欠陥の少ない高品質なヘテロ接合を構築することができ、これを利用したヘテロ接合太陽電池の製造方法、ヘテロ接合太陽電池によれば、高効率な太陽電池を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶を製造するための配置図である。
【図２】第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶を製造するための基板の断面図である。
【図３】成長結晶の幅寸法を変化させた場合の破壊強度と、破壊強度に対応する応力を印加することになる格子歪の関係を表すグラフである。
【図４】第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（初期段階）の断面図である。
【図５】第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（横方向成長段階初期）の断面図である。
【図６】第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（横方向成長終了時）の断面図である。
【図７】第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（最終段階）の断面図である。
【図８】第２実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（マスク層形成後）の断面図である。
【図９】第２実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第１の成長結晶成長後）の断面図である。
【図１０】第２実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第２の露出面形成時）の断面図である。
【図１１】第２実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第２の成長結晶成長後）の断面図である。
【図１２】第３実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第２のマスク層成長後）の断面図である。
【図１３】第３実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第２の成長結晶成長後）の断面図である。
【図１４】第３実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（エッチング後）の断面図である。
【図１５】第４実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（マスク層及び第１のバッファー層成長後）の断面図である。
【図１６】第４実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第１の成長結晶成長後）の断面図である。
【図１７】第４実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第２のマスク層及び第２のバッファー層形成後）の断面図である。
【図１８】第４実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（第２の成長結晶成長後）の断面図である。
【図１９】第４実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階（エッチング後）の断面図である。
【図２０】第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の基板の製造工程（成長初期）の断面図である。
【図２１】第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の基板の製造工程（成長終了時）の断面図である。
【図２２】第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造工程（剥離前）の断面図である。
【図２３】第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造工程（剥離後）の断面図である。
【図２４】第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造工程（剥離面へのヘテロエピタキシャル成長後）断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００４６】
本実施形態に係るヘテロエピタキシャル単結晶を製造するための配置図を図１に示す。図１に示すように、真空チャンバであるエピタキシャル成長炉１００の中に設置された設置台１０６の上に基板１０を設置し、この基板１０をエピタキシャル成長炉１００の外側に設けたヒーター１０８により所望の温度に加熱する。エピタキシャル成長炉１００の原料ガス入口１０２から原料ガス１８を導入し、これを基板１０の表面上で化学反応させ、シリコン結晶２０（図４）をエピタキシャル成長させ、これにより基板１０上にシリコン結晶２０等によるシリコン薄膜２４（図７）を成膜させる。そして余剰の原料ガス１８はエピタキシャル成長炉１００の原料ガス出口１０４から排出される。
【００４７】
このような配置のもと、第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法は、基板１０上に形成したマスク層１２に開口部１３（第１の開口部）を形成することにより、開口部１３の底面に基板１０が露出した露出面１４を形成している。そして、露出面１４に基板１０と格子定数が異なるシリコン結晶２０（第１の成長結晶）を開口部１３の外形に倣って成長させている（図４）。
【００４８】
そして、開口部１３の幅寸法を、シリコン結晶２０の破壊強度が、シリコン結晶２０が基板１０から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときの開口部１３の幅寸法以下とすることを特徴としている。より具体的には、開口部１３（露出面１４）の幅の下限を０．００１μｍとし、開口部１３（露出面１４）の幅の上限を、シリコン結晶２０の幅寸法（断面寸法）で決定されるシリコン結晶２０の破壊強度(単位面積当たりの破壊強度)が、シリコン結晶２０が基板１０から受ける格子歪に伴う応力（単位面積当たりの応力）と等しくなる値（図３参照）以下とすることを特徴としている。
【００４９】
詳細は後述するが、上記構成により、露出面１４に成長するシリコン結晶２０が格子歪に起因して破壊され貫通転位等の格子欠陥が発生することを低減することができる。よって、格子歪を保持しながら格子欠陥の少ないヘテロエピタキシャル単結晶を成長させることができる。
【００５０】
図２に、第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶を製造するための基板の断面図を示す。本実施形態では、ヘテロエピタキシャル成長させる薄膜（成長結晶）としてシリコンを例にとって説明する。図２に示す基板１０は、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＰ等の単結晶が用いられる。もちろん、成長させる薄膜（成長結晶）がシリコンでない場合には、基板１０としてシリコンを用いることができる。
【００５１】
また基板１０上には、基板１０上での分解反応が活性となるシリコン用の原料ガス１８（図１）が供給される。しかし、基板１０上には、予め、その原料ガス１８の分解反応が不活性となるマスク層１２（例えばＳｉＯ２）が選択的に配置されている。よって基板１０上には、マスク層１２に形成された開口部１３の底面となる露出面１４と、マスク層１２の開口部１３以外のマスク部分の上面となるマスク面１６が配置される。すなわち、一次元方向の配置のみを考えれば、露出面１４とマスク面１６が基板１０上で交互に配置され、二次元方向の配置を考えれば、露出面１４とマスク面１６が市松模様を形成するように交互に配置されることになる。
【００５２】
露出面１４及びマスク面１６の製造工程としては、例えば、基板１０全面にマスク層１２（ＳｉＯ２）を堆積させ、マスク層１２にレジスト膜（不図示）を塗布し、レジスト膜を露出面１４のパターニングに合わせて感光し、レジスト膜の感光した部分を除去し、マスク層１２のレジスト膜から露出した部分を（ＨＦ等を用いて）エッチングして除去し、最後にレジスト膜を除去すればよい。
【００５３】
ここで、エピタキシャル成長に使われる原料ガス１８は、水素等のキャリアガスにシリコン結晶２０の原料であるシリコン化合物を所定の割合で含有させたものであり、所定の温度及び流量でエピタキシャル成長炉１００（図１）に供給される。原料ガス１８としては、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）等が挙げられる。
【００５４】
気相エピタキシャル成長機構には、原料ガス１８の輸送現象と化学反応（気相分解反応、表面分解反応）が伴う。特にエピタキシャル成長がなされる高い温度においては、律速反応として気相分解反応と表面分解反応を考慮する必要がある。本実施形態においては、後述のように横方向成長を行なうため、気相分解反応の割合が表面分解反応の割合より極めて小さく、表面分解反応が支配的となるガスを選択する必要がある。よって、上記原料ガス１８のうち、モノシラン（ＳｉＨ４）は気相分解反応の割合が大きいため好適ではなく、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）などの塩素系ガスが好適となる。これによりシリコン結晶２０がシリコン酸化膜で形成されたマスク面１６で直接堆積することを抑制することができ、後述のように、露出面１４から直接成長してきたシリコン結晶２０（シリコン柱２２）からの横方向成長によりマスク面１６を覆うことができる。成長例としては、基板温度９００℃〜１０００℃、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス（１．５g／ｍｉｎ）、Ｈ２ガス（５５ｃｃ／ｍｉｎ）、ＨＣｌガス（８ｃｃ／ｍｉｎ）の条件で、０．５μｍ／ｍｉｎの速度でシリコン結晶２０が成長する。
【００５５】
基板１０の格子定数の異なる格子定数を有する成長結晶をエピタキシャル成長させる場合、その成長結晶は基板１０との界面において引張応力（または圧縮応力）を受ける。このとき成長結晶がその成長結晶が有する破壊強度（弾性限界強度）を超えると、それを解消するために転位が発生する。この破壊強度は成長させる成長結晶の固有の物性で決定される。例えば、非特許文献１では、ＧａＰの基板上にシリコン単結晶を成長させた場合、シリコンは厚みが０．１３μｍ未満の成長段階では、成長結晶中に格子歪が存在するものの転位は発生せず、０．１３μｍ以上に成長させると転位が発生することが詳細に記載されている。
【００５６】
通常、ヘテロエピタキシャル成長を行なった場合、基板１０全面に薄膜を成長させるため、基板１０を構成する結晶と、薄膜を構成する成長結晶との間の格子不整合に起因して薄膜が受ける応力は基板１０全面に連なっている。このとき、この応力を逃がす（緩和する）自由表面は薄膜の成長面（最上面だけ）に限られ、面内方向に緩和することはできない。すなわち、応力を緩和する方向が１次元に限られる。
【００５７】
しかし、成長結晶の幅寸法（断面寸法）を小さくすることにより、成長結晶の基板１０から受ける応力を上面のみならず、側面２方向にも緩和させることができ、応力を緩和する方向が３次元となる。よって、格子不整合に起因して成長結晶が基板１０から（基板１０面内方向に）受けた引張（圧縮）応力を３次元方向に緩和して転位の発生を低減若しくは防止することができる。
【００５８】
図３に、成長結晶の幅寸法を変化させた場合の破壊強度と、破壊強度に対応する応力を印加することになる格子歪の関係を表すグラフを示す。図３において、横軸はログスケールになっている。本願発明者は、成長結晶の幅寸法と、成長結晶の破壊強度（弾性限界強度）と、破壊強度に対応する応力を印加する成長結晶に対する格子歪と、の関係について調査した。非特許文献３では、成長結晶をシリコンとし、シリコンの幅寸法を変化させたサンプルを用いてその曲げ強度（破壊確率が６３．２％になる値）について報告している。
【００５９】
また非特許文献３では、シリコンの幅寸法を１μｍ以下にすると曲げ強度が劇的に増大するとともに、長手方向に大きな伸展性が表れる旨報告している。非特許文献２では、いずれの材料を問わず、材料の幅寸法を微小化すると曲げ強度は増加し、その極限において、その材料のヤング率をＥとすると、Ｅ／１０に近づく旨報告している。また非特許文献３では、ヤング率Ｅは材料の幅寸法に係らず一定である旨報告している。なお、曲げによる応力の方向と格子歪に起因する応力の方向は、いずれも材料の長手方向（成長する方向）に直交する面内の方向（断面方向）となるので、材料の曲げ強度と、格子歪に対する強度はほぼ同様である。上記知見から、本願発明者は、成長結晶の幅寸法と、その幅寸法における成長結晶の曲げ強度（破壊強度）に対応する応力を印加することになる格子歪との関係を示すプロット及び曲線を導出した。
【００６０】
図３では、プロットＡ１〜Ａ６が曲げ強度を表し、プロットＢ１〜Ｂ６が格子歪を表している。バルク状態を表すプロットＡ１からプロットＡ３までは曲げ強度がなだらかに上昇し、結晶の幅寸法が、サブミクロンオーダー（１μｍ未満）となるプロットＡ４、Ａ５、Ａ６と向かう方向で曲げ強度は急激に上昇している。プロットＢ１〜Ｂ６は、ヤング率Ｅ（１８６ＧＰａ、非特許文献３参照）から容易に算出することができる。そしてプロットＢ６では、１０％を超えている（１０．４％）ので、成長結晶の幅寸法が０．１μｍ以下では、これ以上の上昇はなく、プロットＢ１〜Ｂ６を通過する曲線は飽和していると考えられる。
【００６１】
図３の曲線は、成長結晶の幅寸法で決定される結晶の曲げ強度（破壊強度）が、成長結晶が基板から受ける格子歪に伴う応力と等しくなる条件を示すことになる。よって、例えば、成長結晶の幅寸法と、基板との格子歪との関係を示すプロットが図の曲線より下側の領域に存在する場合には、その成長結晶をヘテロエピタキシャル成長しても貫通転移等の格子欠陥が発生しない（または格子欠陥が高密度で発生する可能性が低い）ことを示している。逆に、前述のプロットが図３の曲線より上側の領域に存在する場合には、その成長結晶をヘテロエピタキシャル成長した場合に格子欠陥が発生する（または格子欠陥が高密度で発生する可能性が高い）ことを示している。また、格子歪が１０％を超える場合は、成長結晶の幅寸法をどのように設計してもヘテロエピタキシャル成長した際に、成長結晶に格子欠陥が発生する（または格子欠陥が高密度で発生する可能性が高い）ことを示している。
【００６２】
よって、基板１０上に格子欠陥の少ない薄膜を成長させるためには、成長結晶（露出面１４）の幅寸法を、その成長結晶の破壊強度が、その成長結晶が基板１０から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときの成長結晶（露出面１４）の幅寸法以下にする必要がある。すわわち、基板１０（単結晶）と基板１０上に成長する薄膜（成長結晶）を選択した場合、その基板１０と薄膜の格子定数の差（格子歪）を算出し、格子歪と幅寸法からなるプロットが図３の曲線よりも下側の領域となるように、幅寸法の大きさを設計することにより、基板１０上に格子欠陥の少ない薄膜を成長させることができる。例えば、図３の曲線から分かるように、成長結晶の幅寸法を２００μｍとした場合、曲線上の格子歪は１．５％程度であるが、プロットＡ１（バルク状態、格子歪０．３１％）よりは５倍程度強度が向上していることがわかる。よって成長結晶の幅寸法（開口部１３及び露出面１４の幅寸法）を２００μｍとしても格子欠陥の低減の効果が期待できる。このように、成長結晶の幅寸法と曲げ強度との関係に関する知見を用いて格子欠陥を低減するためのヘテロエピタキシャル成長の条件の最適化を図ることができる。
【００６３】
図３に示すように、成長結晶の幅寸法を小さくするほど曲げ強度は増加することが分かる。しかし、成長結晶は前述のようにマスク層１２の間の基板１０の開口部１３（露出面１４）の外形に倣って成長させるので、開口部１３（露出面）の幅が０．００１μｍ以下では正常なエピタキシャル成長は不可能になると思われる。また、格子歪が１０％を超える場合は、基板１０の格子定数と、薄膜（成長結晶）の格子定数との間の格子定数を有するバッファー層を基板１０上に成長させ、そのバッファー層上に薄膜を成長させればよい。
【００６４】
ヘテロエピタキシャル成長をさせるには、気相エピタキシャル法、液相エピタキシャル法、固相エピタキシャル法、又はそれらを援助するための例えばプラズマやイオンビームを利用した成長方法等各種の成長方法が存在する。しかし、それらの成長方法の選択は、基板１０と、基板１０上にエピタキシャル成長させる薄膜（成長結晶）の材料の特性とその目的によって、最適な成長方法が採用される。
【００６５】
本実施形態に供される、エピタキシャル成長に採用されるヘテロエピタキシャル方法あるいはマスク層１２の材料やその利用方法は、基板１０と成長させる薄膜材料に最適なエピタキシャル方法をとればよく、本実施形態の為に特別に成長方法の変更を促すものではない。本実施形態では、エピタキシャル成長を誘導するためにマスク層１２を利用するがその材料（例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜）等も特に限定するもので無く、各成長方法に最適な材料を選択すれば良い。但し本実施形態では、基板１０上にマスク層１２を選択的に形成し、マスク層１２に挟まれることにより形成される（または基板１０全面にマスク層１２を形成しマスク層１２の一部をエッチングして形成された開口部１３の底面として形成される）基板１０の露出面１４を用いることが唯一の制限であり、露出面１４で成長した成長結晶に微少結晶の成長を誘導して該エピタキシャル膜の物性に変化を促すものである。
【００６６】
即ち、既存のヘテロエピタキシャル成長法を用い、基板１０上のマスク層１２により、幅が０．００１μｍから２００μｍの範囲にある開口部１３（露出面１４）を選択的に形成すること事だけで転位のない（または少ない）単結晶の薄膜（成長結晶）が得られる。特に、格子歪が大きい（例えば６％以上）場合には、幅が０．００１μｍから１μｍの範囲にある露出面１４を選択的に形成することにより、伸展性を獲得し転位のない（または少ない）単結晶の薄膜（成長結晶）が得られる。
【００６７】
なお、本実施形態は、開口部１３（露出面１４）の幅寸法（成長結晶の幅寸法）以外、例えばヘテロエピタキシャルの各種成長方法、マスク層１２の材料、ヘテロエピタキシャル成長させる成長結晶の材料、成長元素の化学種（原子又は分子）、成長温度等いずれについても制限されるものではない。
【００６８】
次に本実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造工程について説明する。まず、図１、図２に示すように、シリコン薄膜２４を成長するための基板１０をエピタキシャル成長炉１００の中の設置台１０６に設置する。このとき、基板１０上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２、モノシランガスの酸化による）を用いたマスク層１２を成長させ、前述のように、基板１０上において基板１０が露出した露出面１４（開口部１３）とマスク層１２で覆われたマスク面１６を予め形成しておく。
【００６９】
そして、基板１０を、シリコン薄膜２４を成長させるための温度まで基板１０を昇温し、原料ガス１８を所定の流量及び温度により基板１０に供給する。なお、原料ガス１８には塩化水素（ＨＣｌ）ガスを混合させ、成長を促進させる。
【００７０】
図４乃至図７に、第１実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階の断面図を示す。図４に示すように、エピタキシャル成長の初期の比較的低温（例えば９００℃から１０００℃の温度）では、基板１０の露出面１４で原料ガス１８の表面分解反応が起こり、開口部１３（露出面１４）の外径に倣った断面を有するシリコン柱２２（シリコン結晶２０）の成長が始まる。しかし前記のように選択された原料ガス１８では、シリコン酸化膜で形成されたマスク面１６上の領域では表面分解反応が抑制され、分解が起こらない。一方、露出面１４から成長したシリコン柱２２は原料ガス１８の供給によりヘテロエピタキシャル成長していく。
【００７１】
図５に示すように、ヘテロエピタキシャル成長が進行し、やがて露出面１４で成長したシリコン結晶２０（シリコン柱２２）がマスク面１６を形成するマスク層１２の厚さにまで成長すると、その後はシリコン結晶２０がマスク面１６上にも横方向に成長し始める。
【００７２】
このとき、横方向に成長した部分からもシリコン薄膜２４の厚み方向に成長することになる。そして、シリコン薄膜２４の厚み方向の成長速度と横方向の成長速度はほぼ同じなる。よって、図５に示すように、マスク面１６上では、シリコン結晶２０は、横方向成長と厚み方向の成長が進行する。
【００７３】
図６に示すように、成長がさらに進むとシリコン結晶２０がマスク面１６全体を覆い、シリコン結晶２０がマスク面１６上で連なるので、基板１０の全面がシリコン薄膜２４で覆われることになる。その後は、速度を速めるため原料ガス１８への塩化水素ガスの混入を停止し、且つ基板１０の温度を上げて必要なエピタキシャル厚さに達するまで成長を続行し、図７に示すシリコン薄膜２４が形成される。
【００７４】
このように形成されたシリコン薄膜２４は、露出面１４上のシリコン柱２２を核として成長した成長結晶であるから、露出面１４上のシリコン結晶２０（シリコン柱２２）もマスク面１６上のシリコン結晶２０も共に基板１０の結晶構造を引き継いでいる。しかし、基板１０の格子定数とシリコン結晶２０の格子定数とは互いに異なる。よって、シリコン結晶２０の格子定数が基板１０の格子定数よりも大きい場合には、シリコン結晶２０は圧縮応力による格子歪を受け、逆に小さい場合は引張応力による格子歪を受けている。
【００７５】
しかし、本実施形態では上述のように開口部１３（露出面１４）の幅が０．００１μｍから２００μｍ（または１μｍ）の範囲となるように形成され、シリコン柱２２（シリコン結晶２０）は開口部１３（露出面１４）の外形に倣った幅寸法（断面寸法）を有しているため、上述の格子歪を保持しながら貫通転位等の格子欠陥の発生が無い（または低減された）シリコン柱２２（シリコン結晶２０）となっている。よって、本実施形態によれば、シリコン薄膜２４は、横方向成長した部分のみならず、露出面１４から直接成長した部分（シリコン柱２２）においても格子欠陥の発生が無い（または低減された）ものとなっている。したがって基板１０全面を用いて格子欠陥の低減されたシリコン薄膜２４を成長させることができる。
【００７６】
よって、本実施形態では、基板１０上にマスク層１２が形成されるとともにマスク層１２に形成した開口部１３の底面には基板１０の露出面１４が形成され、基板１０と格子定数が異なるシリコン結晶２０が露出面１４から成長してマスク層１２を覆っているヘテロエピタキシャル単結晶が形成されている。そして、開口部１３の幅寸法は、シリコン結晶２０の開口部１３の外形に倣って成長した部分の破壊強度が、シリコン結晶２０が基板１０から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときの開口部１３の幅寸法以下となっている。
【００７７】
本実施形態において、露出面１４上では、基板１０とシリコン結晶２０との原子的結合がなされている。一方、マスク層１２を形成しているシリコン酸化膜とシリコン薄膜２４とは、マスク面１６において冶金学的な結合をしているのみであって、規則的な原子的結合はない。よって、シリコン薄膜２４の横方向成長部分は、マスク層１２との格子定数の差に起因した格子歪を受けることはない。マスク層１２は一般的に絶縁体（たとえば酸化膜、窒化膜）なので、基板１０とシリコン薄膜２４は露出面１４のところで電気的に接続しているが、他のところは電気的に絶縁している。よって、このマスク層１２を有効に利用する事が可能である。
【００７８】
例えば、本実施形態を太陽電池に適用する場合は、露出面１４では成長したシリコン結晶２０と基板１０とが電気的に接続されているが、横方向成長成分の下には絶縁膜となるマスク層１２が挿入されている。このマスク層１２による電気抵抗増加により太陽電池の効率が低下する場合は、基板１０上の露出面１４の面積比率を増やすなどの対策が必要である。
【００７９】
また基板１０とシリコン薄膜２４の横方向成長成分との間のマスク層１２は、短波長光の反射による光の再利用又は長波長光が透過しやすい物質を選択する事などで太陽電池の効率向上にも利用の可能性がある。しかし、基板１０とマスク層１２との界面やシリコン薄膜２４とマスク層１２との界面に対して、少数キャリアの再結合中心を緩和する処置が同時に必要である。
【００８０】
そのためにはマスク層１２に不純物（ｐ型又はｎ型）をあらかじめドープしたマスク層１２を使うことや、あらかじめ基板１０表面に再結合中心緩和処置を施す、あるいはヘテロエピタキシャル成長時にｐ型あるいはｎ型の不純物を導入などの措置を必要に応じて施すことが出来る。
【００８１】
従来のエピタキシャル技術を利用して、基板１０上に基板１０と材料の異なる成長結晶をエピタキシャル成長させる場合、基板１０と成長結晶との間の境界において、エピタキシャル成長中に相互拡散が必ず発生する。すなわち成長結晶中には下地の基板１０の原子が拡散し、基板１０中に成長結晶の原子が拡散する。
【００８２】
しかし、本実施形態では、シリコン薄膜２４の基板１０の露出面１４から直接成長した部分を除き、シリコン薄膜２４の横方向成長した部分は、マスク層１２の介在によって基板１０との間の相互拡散を回避して成膜が可能であることが特徴となっている。
【００８３】
また本実施形態では、シリコン薄膜２４の成長後にシリコン薄膜２４上に前述同様にシリコン酸化膜によるマスク層１２を形成してシリコン薄膜２４の露出面（不図示）とマスク面（不図示）を形成し、シリコン薄膜２４上にシリコン結晶２０の原料ガス１８（または、シリコンと格子定数の異なる他の結晶材料の原料ガス）を供給して基板１０上に薄膜の２層構造（薄膜の上に新たな薄膜を１層あるいは２層以上積み上げても良い）を形成することが可能である。そして、上述同様の理由により、２層目の薄膜においても１層目のシリコン薄膜２４との相互拡散を回避することができる。よって、本実施形態を用いることにより、各層を構成する材料の各層間の相互拡散を低減した高品質なタンデム型太陽電池等を形成することができる。
【００８４】
第１実施形態ではマスク層１２上に直接シリコンの多結晶が堆積することを回避するため、表面分解反応を利用したヘテロエピタキシャル成長を行なった。この場合、成長温度が、成長させる結晶の原料ガス１８（シリコン塩化物ガスの化学種（ＳｉＣｌ２）の化学的性質により決定される成長温度に原則的に拘束される。
【００８５】
一方、気相分解反応は、表面分解反応（９００℃〜１０００℃、）よりも低い温度（５７０℃、非特許文献１参照）で実施することができるので、エピタキシャル成長温度を下げるための手段の選択（例えば元素を電磁的に加速する手段等）の幅を拡げることができる。さらに表面分解反応よりも低い温度で成長させることができるので、基板１０と薄膜（成長結晶）の熱膨張係数の相違に起因した薄膜に対する熱歪の影響を、表面分解反応を用いた場合よりも緩和させることができる。また結晶成長後の基板１０を結晶成長時の温度から室温に低下させると、前述の熱歪により基板１０に対して反りが発生するが、気相分解反応では成長温度が抑制されるので、反りを低減することができる。そこで、マスク層１２上にシリコン結晶２０の横方向成長は行わない後述の第２実施形態、第３実施形態では、気相分解反応を利用したヘテロエピタキシャル成長を適用する。
【００８６】
図８乃至図１１に、第２実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階の断面図を示す。第２実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法は、開口部１３（露出面１４）及びマスク面１６（第２の露出面２６）の幅の上限を２００μｍとし、シリコン結晶２０（第１の成長結晶）を残してマスク層１２を除去することによりシリコン結晶２０（第１の成長結晶）に隣接した第２の露出面２６を形成する。そして、基板１０上に原料ガス１８を供給してシリコン結晶２０（第１の成長結晶）の上面及び第２の露出面２６にシリコン結晶２８（第２の成長結晶）を成長させるものである。
【００８７】
図８に示すように、第１実施形態と同様に、基板１０上にマスク層１２を選択的に堆積させて基板１０上に露出面１４（開口部１３）とマスク面１６を形成する。このとき、露出面１４（開口部１３）及びマスク面１６は、幅が０．００１μmから２００μmの範囲となるように形成されている。
【００８８】
図９に示すように、基板１０上に原料ガス１８（図１、モノシランガス）を供給して露出面１４にシリコン結晶２０（第１の成長結晶）を成長させる。このとき、シリコン結晶２０は、露出面１４（開口部１３）の外形に倣った幅寸法を有して成長しているが、基板１０から格子歪を受けている。しかし、その幅寸法が２００μm以下に設計され、その幅寸法により決定されるシリコン結晶２０の破壊強度が、シリコン結晶２０に対する格子歪みに対応する応力よりも大きな値となっているため、貫通転位等の格子欠陥が抑制されている。一方、マスク面１６上にはシリコン多結晶３０が堆積している。
【００８９】
図１０に示すように、シリコン多結晶３０及びマスク層１２をエッチングにより除去する。この場合、シリコン結晶２０（露出面１４）の外形に倣って形成されたフォトレジストを形成し、フォトレジストから露出したシリコン多結晶３０及びマスク層１２をエッチングにより除去する。これにより、基板１０上には基板１０が露出した第２の露出面２６が形成される。
【００９０】
図１１に示すように、基板１０上に再び原料ガス１８（図１）を供給し、第２の露出面２６及びシリコン結晶２０（第１の成長結晶）上にシリコン結晶２８（第２の成長結晶）を成長させる。シリコン結晶２８（第２の成長結晶）の第２の露出面２６から直接成長した部分は、前述同様に、第２の露出面２６の外形に倣った幅寸法を有して成長しているが、基板１０から格子歪を受けている。しかし、その幅寸法が２００μm以下に設計され、その幅寸法により決定されるシリコン結晶２８の破壊強度が、シリコン結晶２８に対する格子歪みに対応する応力よりも大きな値となっているため、貫通転位等の格子欠陥が抑制されている。また、シリコン結晶２８（第２の成長結晶）のシリコン結晶２０（第１の成長結晶）から直接成長した部分は、シリコン結晶２０の格子歪みが緩和された部分からホモエピタキシャル成長したものであるので、格子歪は小さく、格子欠陥も低減されている。
【００９１】
したがって、上記製造工程を経ることにより、本実施形態では、基板１０上に基板１０の格子定数と異なる格子定数を有するシリコン結晶２０及びシリコン結晶２８が互いに隣接して交互に成長しているヘテロエピタキシャル単結晶となっている。そして、シリコン結晶２０（２８）の幅寸法は、シリコン結晶２０（２８）の破壊強度が、シリコン結晶２２（２８）が基板１０から受ける格子歪に伴う応力と等しくなるときのシリコン結晶２０（２８）の幅寸法以下となっている。さらに、シリコン結晶２８は、シリコン結晶２０よりも厚く成長しているとともに、シリコン結晶２０を覆うように成長したものとなっている。
【００９２】
ここで、シリコン結晶２０及び第２の露出面２６の幅の下限が０．００１μｍであり、シリコン結晶２０及び第２の露出面２６の幅の上限が２００μｍとなっている。そして、シリコン結晶２８は、第２の露出面２６の外形に倣った幅寸法を有するので、シリコン結晶２８の幅の下限が０．００１μｍであり、上限が２００μｍとなっている。
【００９３】
なお、シリコン結晶２０とシリコン結晶２８との間には転位（境界）が発生する場合があるが、格子歪に起因して発生する貫通転位等よりは十分密度の小さな転位となっている。また、本実施形態では、シリコン結晶２８を露出面１４に成長させ、その後、シリコン結晶２０を第２の露出面２６に成長させるとともにシリコン結晶２０がシリコン結晶２８を覆うように成長させてもよい。
【００９４】
図１２乃至図１４に、第３実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階の断面図を示す。第３実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法は、前述同様に、基板１０上に配置される露出面１４及びマスク面１６（第２の露出面２６）の幅の上限を２００μｍとしている。そして、シリコン結晶２０を残してマスク層１２を除去し、シリコン結晶２０上に第２のマスク層３２を形成してシリコン結晶２０に隣接した第２の露出面２６を形成する。最後に、原料ガス１８を基板１０に供給して第２の露出面２６においてシリコン結晶２８を成長させるものである。
【００９５】
まず、第２実施形態に倣って、基板１０上に、シリコン結晶２０を成長させる（図１０参照）とともに、図１２に示すようにシリコン結晶２０上に第２のマスク層３２を形成する。図１３に示すように、基板１０に原料ガス１８（図１）を供給して第２の露出面２６にシリコン結晶２８（第２の成長結晶）を成長させる。このとき第２のマスク層３２上にはシリコン多結晶３０が堆積している。そして、図１４に示すように、シリコン多結晶３０及び第２のマスク層３２をエッチングにより除去する。上記工程を経ることにより、基板１０上に基板１０の格子定数と異なる格子定数を有するシリコン結晶２０及びシリコン結晶２８が互いに隣接して交互に形成されたヘテロエピタキシャル単結晶が形成される。このとき、基板１０上にはシリコン結晶２０及びシリコン結晶２８がモザイク状（市松模様）に形成されるが、それぞれの幅の下限が０．００１μｍであり、上限が２００μｍとなっている。
【００９６】
なお、本実施形態では、シリコン結晶２０とシリコン結晶２８は、あらかじめ計算された成長速度により同じ厚さに成長させることが可能であるが、意図的に互いに異なる厚みに成長させて段差を形成させることも可能である。これにより、シリコン薄膜２４表面の光の反射率を低下させることができるので、シリコン薄膜２４を太陽電池として用いる場合は、光の吸収効率を高め、発電効率を高めることができる。
【００９７】
なお、第２実施形態、第３実施形態において、前述の反りを低減させる方法としては、シリコン結晶２８を成長させる際に、基板１０に配置する第２のマスク層３２を利用して基板１０上にはエピタキシャル成長をさせない部分を必要な間隔で（基板１０に格子線状）に施す。すなわち、例えば、平面視で矩形形状となるシリコン結晶２８（シリコン薄膜）をアレイ状に複数並べて基板１０上に成長させることにより基板１０の反りを軽減することができる。また第２実施形態、第３実施形態では、気相分解反応を利用してシリコン結晶２０，２８を成長させたが、第１実施形態のように表面分解反応を利用してシリコン結晶２０，２８を成長させてもよい。
【００９８】
第１実施形態乃至第３実施形態のうちのいずれかの製造方法を用いて、３層構造のヘテロエピタキシャル単結晶を製造することができる。すなわち、基板１０の片面のみならず、基板１０の両面に開口部１３を有するマスク層１２を形成し、上述の実施形態に倣って成長結晶を基板１０の両面に成長させることができる。このとき、成長結晶の材料を基板１０の一方の面と他方の面とで互いに異ならせることができる。例えば、３層構造のタンデム型の太陽電池の活性層を製造する場合、基板１０をシリコンとし、基板１０の一方の面に成長させる成長結晶をシリコンよりバンドギャップの大きい材料（例えば後述のＩｎｘＧａ１−ｘＰ）とし、他方の面に成長させる成長結晶をシリコンよりバンドギャップの小さい材料（例えば後述のＧｅ）とすることができる。第１実施形態の製造方法であればマスク層１２が残るが、マスク層１２をバンドギャップの大きいＳｉＯ２で形成することにより光吸収のロスを低減することができる。
【００９９】
図１５乃至図１９に、第４実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の成長段階の断面図を示す。本実施形態は、シリコン結晶２０，２８を基板１０に成長する前に、基板１０の格子定数とシリコン結晶２０，２８の格子定数との間の格子定数を有するバッファー層（第１のバッファー層３４、第２のバッファー層３６）を基板１０の露出面（露出面１４、第２の露出面２６）に形成し、シリコン結晶２０，２８をバッファー層上に成長するものである。本実施形態は、基板１０と、基板１０上に成長させる結晶との格子不整合の割合が大きく（例えば１０％以上）、貫通転位等の格子欠陥が高密度に発生してしまう場合に適用することにより、格子欠陥を低減することができる。なお、本実施形態は第３実施形態を例にして説明するが、他の実施形態にも適用可能である。
【０１００】
図１５に示すように、基板１０上にマスク層１２を形成して、露出面１４（開口部１３）とマスク面１６を形成するともに、露出面１４にマスク層１２よりも厚みの薄い第１のバッファー層３４を形成する。図１６に示すように、第１のバッファー層３４上にシリコン結晶２０を成長させる。なお、図１６以降において、マスク層１２上に堆積するシリコン多結晶３０を省略している。
【０１０１】
図１７に示すように、マスク層１２をエッチングにより除去して基板１０上に第２の露出面２６を形成し、シリコン結晶２０上に第２のマスク層３２を形成するとともに、第２の露出面２６にシリコン結晶２０よりも厚みの薄い第２のバッファー層３６を形成する。図１８に示すように、第２のバッファー層３６上にシリコン結晶２８を成長させ、図１９に示すように、第２のマスク層３２をエッチングにより除去する。
【０１０２】
上記工程を経ることにより、基板１０とシリコン結晶２０との間には、基板１０の格子定数とシリコン結晶２０の格子定数の間の格子定数を有するとともにシリコン結晶２０の外形に倣った外形を有する第１のバッファー層３４が配置されている。基板１０とシリコン結晶２８の基板１０と接合する部分との間には、基板１０の格子定数とシリコン結晶２８の格子定数の間の格子定数を有するとともにシリコン結晶２０の外形に倣った外形を有する第２のバッファー層３６が配置されている。
【０１０３】
上記構成により、シリコン結晶２０，２８は、バッファー層上で成長しているので、格子歪みが緩和され、格子欠陥の発生が抑制されたヘテロエピタキシャル単結晶となっている。またバッファー層（第１のバッファー層３４、第２のバッファー層３６）もその外径が露出面（露出面１４、第２の露出面２６）の外径（幅の下限が０．００１μm、上限が２００μｍ）に倣って形成されているのでバッファー層においても、格子歪を保持しつつ貫通転位等の格子欠陥が抑制されることになる。
【０１０４】
ところで、サファイアとシリコンの格子不整合の割合は約１２．５％である。よって、サファイア基板上に直接シリコン結晶を成長させてもシリコン結晶中にはまだ貫通転位が残るためデバイス用としては不向きである。しかし、上述のようにバッファー層を予めサファイア基板上に形成してバッファー層（例えば格子定数が４．９８Åの立方晶のＩｎＮ）上にシリコン結晶を成長させることによりシリコン結晶中の格子欠陥を低減することができる。これにより、サファイアとシリコンからなる積層構造を利用して、高速な応答が可能な集積回路等を構築することができる。なお、シリコン結晶を成長させる基板としてＳｉＣを用いた場合も上述同様に行なうことができ、逆に基板をシリコンにしてＳｉＣを成長させる場合にも上述同様に行なうことができる。
【０１０５】
図２０、図２１に第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の基板の製造工程の断面図を示す。第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法は、上述の第１実施形態乃至第４実施形態のいずれの形態と同様である。しかし、基板１０は、以下のように形成される。シリコン基板３８上に、酸素リッチなシリコン酸化膜４０を選択的に成長させる。すなわち、シリコン酸化膜４０にシリコン基板３８が露出する開口部４１（第２の開口部）を形成することにより、開口部４１の底面に前記シリコン基板３８の露出面４２を形成する。このとき露出面４２（開口部４１）の幅が０．００１μｍから０．４５μｍ（特許文献２参照）の範囲となるように露出面４２（開口部４１）を形成する。
【０１０６】
次に、露出面４２にシランガスを供給して露出面４２からシリコン結晶４４を成長させ、シリコン結晶４４によるシリコン薄膜４６を、前記シリコン基板３８を覆うように成長させる。そして、シリコン薄膜４６の成長中或いは成長後に熱処理を行なってシリコン結晶４４の露出面４２（開口部４１）で成長した初期成長部分をシリコン酸化膜４０が含有する酸素により酸化させる。これにより、シリコン基板３８とシリコン薄膜４６との結合をシリコン酸化膜４０により遮断し、シリコン基板３８、シリコン酸化膜４０、シリコン薄膜４６の三層構造の基板１０が形成される。最後に、シリコン薄膜４６上にマスク層１２及び第１の成長結晶（シリコン結晶２０とは材料が異なる異種結晶）等を成長させる。
【０１０７】
シリコン薄膜４６（シリコン結晶４４）の露出面４２（開口部４１）に成長した初期成長部分の酸化は、シリコン薄膜４６の成長時とその後の熱処理によって行なわれる。例えば、上述の方法を用いて、シリコン薄膜４６を最初に１０００℃でシリコン基板３８（シリコン酸化膜４０）を覆うように成長させる。その後、１２００℃に昇温して厚さが２０μｍになるまでシリコン薄膜４６（成長速度１．５μｍ／ｍｉｎ，成長時間１３．３ｍｉｎ）を成長させる。このとき、開口部４１（露出面４２）の幅を０．２３μｍ以下に設計することにより、シリコン薄膜４６の成長とともに初期成長部分も酸化される。
【０１０８】
シリコン薄膜４６の厚みを１μｍとする場合には、シリコン薄膜４６の厚みが１μｍにまで成長した段階でシランガスの供給を停止し、熱処理により初期成長部分の酸化を促進させる。この場合、開口部４１は２μｍ以下の間隔で形成する必要がある。また、シリコン薄膜４６を１μｍよりも十分厚い厚みで成長させ、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により１μｍの厚みに形成してもよい。この場合、開口部４１の形成間隔はある程度自由に設計できる。
【０１０９】
上記方法において、シリコン薄膜４６は、強度の低いシリコン酸化膜４０を引き裂く態様で(このときフッ酸液によりシリコン酸化膜４０をエッチングしながら)シリコン基板３８から剥離可能である。このとき、シリコン薄膜４６の端部をシリコン基板３８から剥離し、粘着テープを貼り付けた部分から引き剥がす態様でシリコン薄膜４６全体をシリコン基板３８から剥離することができる。よって、ヘテロエピタキシャル単結晶を、シリコン薄膜４６を土台として形成して全体の薄膜化を図ることができるとともに、シリコン基板３８は表面を研磨することにより繰り返し使用できるのでコストを抑制することができる。以下、本実施形態の製造工程について説明する。
【０１１０】
まず、シリコン基板３８に酸素リッチなシリコン酸化膜４０を形成する。シリコン酸化膜４０は、シリコン基板３８を３００℃に加熱し、モノシランと酸素（化学量論よりリッチな酸素）の混合ガスをシリコン基板３８に供給する、或いは、Ｓｉ（ＯＨ）４をシリコン基板３８上に塗布してスピンナー乾燥させることにより化学量論的に酸素リッチなシリコン酸化膜４０を形成する。次に、シリコン基板３８表面が露出した露出面４２（その幅の下限が０．００１μｍ、上限が０．４５μｍ）のパターニングに倣ってシリコン酸化膜４０をエッチングし、シリコン基板３８上にシリコン酸化膜４０の開口部４１の底面であってシリコン基板３８が露出した露出面４２とシリコン酸化膜４０によるマスク面４８を形成する。
【０１１１】
そして、図２０に示すように、シリコン基板３８に原料ガス１８（図１）を供給して露出面４２からシリコン結晶４４を成長させる。シリコン結晶４４は、その厚みがシリコン酸化膜４０よりも厚くなると横方向成長していくが、シリコン結晶４４の露出面４２から直接成長した部分（シリコン柱５０）の周縁には、隣接する化学量論的に酸素リッチなシリコン酸化膜４０中の酸素が供給されて酸化し、その酸化がシリコン柱５０の中心に向かって徐々に進行することにより、シリコン酸化膜４０がシリコン柱５０内に形成されていく。
【０１１２】
図２１に示すように、シリコン結晶４４の横方向成長が終了し、ある程度の厚みを有するシリコン薄膜４６が形成された段階で、シリコン柱５０（図２０）は、ほぼ酸化されて消失してシリコン酸化膜４０に変質する。これによりシリコン基板３８とシリコン薄膜４６との結合がシリコン酸化膜４６により遮断され、シリコン基板３８、シリコン酸化膜４０、シリコン薄膜４６による三層構造の基板１０が形成される。シリコン酸化膜４０とシリコン基板３８及びシリコン薄膜４６との接合強度は小さく、またシリコン酸化膜４０自体の強度も小さいので、後述のようにシリコン薄膜４６をシリコン基板３８から剥離することができる。
【０１１３】
ところで、上述の基板１０を１０００度以上の温度で熱処理することにより、基板１０中のシリコン酸化膜４０を緻密かつ強固で絶縁性の高い酸化膜にすることができる。この場合、シリコン薄膜４６をシリコン基板３８から剥離することはできなくなるが、シリコン基板３８、シリコン酸化膜４０、シリコン薄膜４６により、ＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ）構造と類似する強固な積層構造を有する基板１０となる。一方、シリコン薄膜４６には集積回路等のパターンを配置することが可能である、よって、この基板１０を、高速で省電力な半導体素子の材料として使用することができる。もちろん、この基板１０上に、第１実施形態等と同様に、基板１０と格子定数の異なる成長結晶を成長させてもよい。
【０１１４】
図２２乃至図２４に、第５実施形態のヘテロエピタキシャル単結晶の製造工程の断面図を示す。図２２に示すように、シリコン薄膜４６上に第１実施形態乃至第４実施形態の方法を用いてシリコンと異なる材料（異なる格子定数を有する材料）の異種結晶５２（例えば、後述のＧｅ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ）をヘテロエピタキシャル成長させる。ここで、シリコン薄膜４６表面に図２１に示すような凹凸がある場合には、表面を事前に鏡面研磨しておく。また異種結晶５２の原料ガスには、異種結晶５２を構成する元素（半導体）を包含する有機化合物等が用いられる。
【０１１５】
そして、ヘテロエピタキシャル成長後のシリコン薄膜４６の端部にシリコン薄膜４６がシリコン基板３８から剥がれる方向に物理的な応力を印加する。これにより、シリコン薄膜４６の端部にあるシリコン酸化膜４０のシリコン基板３８に接合する部分、シリコン酸化膜４０のシリコン薄膜４６に接合する部分、シリコン酸化膜４０の厚み方向の中央部のいずれかでシリコン酸化膜４０を破断させる。これにより、粘着テープを貼り付けた部分から引き剥がす態様で、シリコン薄膜４６をシリコン基板３８から剥離させることができ、図２３に示すようにシリコン薄膜４６とシリコンとは異なる結晶による異種結晶５２からなるヘテロエピタキシャル単結晶を構築することができる。その際、シリコン基板３８とシリコン薄膜４６との剥離部分にフッ酸等を供給してシリコン酸化膜４０をエッチングすることにより、剥離を容易に行うことができる。また、シリコン基板３８は、シリコン薄膜４６の剥離後に表面を研磨することにより、シリコン薄膜４６の成長に対し繰り返し使用することができるのでコストを抑制することができる。
【０１１６】
図２４に示すように、シリコン薄膜４６の剥離面に、前述同様に、第１実施形態乃至第４実施形態の方法を用いてシリコンと異なる材料（異なる格子定数を有する材料）の異種結晶５４をヘテロエピタキシャル成長させる。ここで、シリコン薄膜４６の剥離面の凹凸は、必要に応じて事前に鏡面研磨しておいてもよい。これによりシリコン薄膜４６の両面にシリコンとは異なる結晶による異種結晶５２，５４が成長したヘテロエピタキシャル単結晶となる。このとき、シリコン薄膜４６上に成長した異種結晶５２，５４は、第１実施形態乃至第４実施形態の方法により成長させているので、格子歪みを保持しつつ格子欠陥が少ない状態となっている。これにより、シリコン薄膜４６も異種結晶５２，５４から格子歪が印可されることになる。
【０１１７】
なお、第１実施形態の方法を用いて、シリコン薄膜４６にマスク層１２を形成し、シリコン薄膜４６のマスク層１２から露出した部分に異種結晶５２（５４）を成長させるとともに異種結晶５２（５４）がマスク層１２を覆うように成長させ、シリコン薄膜４６をシリコン基板３８から剥離したのち、シリコン薄膜４６の剥離面にマスク層１２を形成し、剥離面のマスク層１２から露出した部分に異種結晶５４（５２）を成長させるとともに異種結晶５４（５２）が剥離面のマスク層１２を覆うように成長させてもよい。
【０１１８】
シリコン太陽電池の効率の観点から最適なバンドギャップの組み合わせとしては、１．８ｅＶ／１．１ｅＶ／０．６６ｅＶで、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ／Ｓｉ／Ｇｅ（０＜ｘ＜１）の３接合セルなどが有力視されている。本実施形態は上記タンデム型のシリコン太陽電池を実現することができる。すなわち、例えば、図２２に示す段階において、シリコン薄膜４６の表面に異種結晶５２であるＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）を成長させ、図２４に示す段階において、シリコン薄膜４６の剥離面に異種結晶５４であるＧｅを成長することにより実現できる。太陽電池の機能を発揮するには、このような構造をとりながら表裏面への電極形成、シリコン薄膜４６と異種結晶５２，５４との界面に必要な処理が加えられる。
【０１１９】
非特許文献６において、成長温度７００℃で有機金属気相成長法によりＧａＡｓ基板にＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）薄膜をヘテロエピタキシャル成長させ、基板と薄膜との間の格子不整合をＸ線回折により求めている。ＧａＡｓ基板上に成長するＩｎｘＧａ１−ｘＰの組成比（ｘ）は成長方法により変化し、ｘの変化によりエネルギーギャップ（Ｅｇ）及び格子不整合が変化すると報告している。そして、ｘの変化により、ＧａＡｓに対して引張歪（最大０．３％）を与える場合や、圧縮歪（最大０．４２％）を与える場合があると報告している。
【０１２０】
ここで、シリコン（格子定数：５．４３Å）とＧａＡｓ（格子定数：５．６５Å）との格子不整合の割合は約４．０％である。よって、シリコン薄膜４６にＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）を成長させた場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＰは、３．５８％（（４．０−０．４２）％）〜４．３％（（４．０＋０．３）％）の格子歪（圧縮歪）を受けると考えられる。
【０１２１】
ところで、図３に示す特性は、上述の非特許文献２の記載により、材料によらず（圧縮、引張によらず）ほぼ同様と考えられる。よって、図３により、ＩｎｘＧａ１−ｘＰに対して上述の４．３％の格子不整合がある場合には、ＩｎｘＧａ１−ｘＰの幅寸法を１０μｍオーダー以下に設計すればよい。これによりＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）は、格子歪（圧縮歪）を受けつつも貫通転位等の無い（または少ない）結晶とすることができる。
【０１２２】
同様に、シリコン（格子定数：５．４３Å）とＧｅ（格子定数：５．６８Å）の格子不整合の割合は、約４．６０％である。よって、図３により、シリコン薄膜にＧｅを成長させる場合は、Ｇｅの幅寸法も１０μｍオーダー以下に設計することにより、Ｇｅは格子歪（圧縮歪）を受けつつ格子欠陥の無い（または少ない）結晶とすることができる。
【０１２３】
したがって、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）及びＧｅは、それぞれ格子歪（圧縮歪）の反作用として、シリコン薄膜４６に対して格子歪（引張歪）を印加することができ、シリコン薄膜４６は、両面から格子歪（引張歪）を受けることになる。なお、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）及びＧｅの幅寸法を１０μｍオーダー以上に設計する場合には、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ）及びＧｅを成長する前に、シリコン基板上にバッファー層を形成しておけばよい。
【０１２４】
従来のタンデム型の太陽電池の製造においては、エネルギーギャップが１．８ｅＶで、且つ格子定数がシリコンの格子定数に近く転位による効率の劣化が防げる程度の格子不整合の割合となる材料を探す必要があった。しかし、本実施形態のエピタキシャル成長を行うことにより、格子定数の合致条件を緩和させてエネルギーギャップの最適材料の開発を行えばよい事になり、材料選択の自由度が格段に向上する。
【０１２５】
シリコン基板３８から剥離されたシリコン薄膜４６（図２３）は、エピタキシャル成長で得られたものであるから用途によって厚さは自由にコントロールされる。コスト面からは、今までの半導体用シリコンウエーハはＣＺ法により結晶成長及び基板（ウェーハ）に加工するためのワイヤソー等による切断が必須であり、産業上大きなコスト及び環境負担が伴う。本実施形態では、シリコン基板３８は使うものの再使用することが可能となりコスト及び環境への負担が軽減される。
【０１２６】
産業上広く利用されている半導体としてシリコン半導体はスケーリングに基づいた微細化を推し進めることによって発展してきた。しかし、ここに至り、半導体産業はシリコン微細化の限界による半導体技術発展の停滞が見え始めており、それに変わる新しい技術開発が求められている。半導体材料のヘテロエピタキシャルにより、半導体材料に歪を与えてキャリアの移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）を大きくしてデバイスの機能（高速化等）を上げる試みは古くから試みられている（非特許文献４参照）。
【０１２７】
また、非特許文献５によると、Ｇｅ半導体にＳｎ元素を固溶させＳｎ元素の含率が１０％程度でＧｅ半導体が、間接遷移型から直接遷移型に変わることが報告されている。同様なことが間接遷移型の結晶に２軸性伸張歪を加えることによっても可能で、非特許文献４では、Ｇｅに対して１．４％程度の伸張歪を与えることにより直接遷移型になることが予想される旨報告されている。Ｇｅと同じグループに属し、同じダイヤモンド原子構造を持ち、且つエネルギーバンド構造が近似しているシリコン結晶にも２軸性伸張歪を加えることにより間接遷移型から直接遷移型に変化することが期待される。
【０１２８】
図２３において、シリコン薄膜４６上に成長させた異種結晶５２，５４がシリコン結晶４４よりも格子定数が大きい場合は、シリコン薄膜４６上に成長させた異種結晶５２からシリコン薄膜４６は２軸性伸張歪を受ける。したがって歪の大きさが間接遷移型から直接遷移型に変わるに十分な値であればシリコン薄膜４６中のシリコン結晶４４が直接遷移型の半導体に変化することが期待される。したがってキャリア（電子、正孔）の移動度の増大も期待される。
【０１２９】
また、図２４の場合は、シリコン薄膜４６は、その表面にはシリコン結晶４４と格子定数の異なる結晶からなる異種結晶５２が、その剥離面にはシリコン結晶４４と格子定数の異なる結晶からなる異種結晶５４が、それぞれヘテロエピタキシャル成長されている。よって、異種結晶５２，５４がそれぞれ、シリコン薄膜４６よりも格子定数が大きな結晶で構成されている場合には、シリコン薄膜４６は、表裏両面から２軸性伸張歪を受ける。したがってシリコン薄膜４６は直接遷移型の半導体の性質を具備可能となる。Ｇｅ（ゲルマニウム）元素を例に取ると、Ｇｅはシリコンよりも格子定数が大きく、その格子不整合の割合は４．２％である。よって、シリコン薄膜４６と異種結晶Ｇｅとのヘテロエピタキシャルを構築した場合、シリコン薄膜４６中のシリコン結晶４４が直接遷移型の半導体に変化できると考えられる。
【０１３０】
尚、第２実施形態及び第３実施形態の同様の構成で、シリコン薄膜にシリコン薄膜以外の異種結晶をヘテロエピタキシャル成長させる場合を考える。この場合、シリコン薄膜がヘテロエピタキシャル層から格子歪を受ける場合には、第２の露出面２６の幅を極めて小さく（例えば１００ｎｍ以下）する事により露出面１４での１回目の異種結晶の成長でシリコン薄膜に十分な歪を与えることが可能となり、太陽電池応用などに適したコスト低減方法となる。
【０１３１】
太陽電池応用に関して、２軸性伸張歪を受けることにより直接遷移型に変化したシリコン薄膜は太陽光吸収と透過の特性が変化し、シリコン薄膜１０は、間接遷移型の特性を有するシリコンが必要とする太陽光を吸収するための厚みより薄くすることが可能になり、その上に太陽光で発生したキャリアの移動度の増大で変換効率の増大が期待される。
【０１３２】
非特許文献１によると、シリコン薄膜に対する格子歪は、その大きさが格子歪を受けるシリコン薄膜の表面から１００ｎｍより深くなると減衰するが、４００ｎｍの深さで表面の半分の値の格子歪を測定により確認している。このことから、５００ｎｍから８００ｎｍの深さまでは格子歪が残存するものと推定される。よって、図２４に示すように、シリコン薄膜４６が異種結晶５２，５４に挟まれた態様の場合、シリコン薄膜４６の厚みを１６００ｎｍ（１．６μｍ）以下にすることにより、シリコン薄膜４６の厚み方向の全域で格子歪を発生させることができ、その厚みの範囲において直接遷移型に変化させることができると期待される。
【０１３３】
さらに直接遷移型になることにより、シリコンのバンド端近傍の吸収係数が１０５ｃｍ―１程度になれば、シリコン薄膜４６を、その厚みが１μｍ程度となるように成長させるのみで、直接遷移型となったシリコン薄膜４６の厚み方向の全域で光吸収を無駄なく有効に行うことができる。
【０１３４】
本実施形態で、ヘテロエピタキシャル成長した異種結晶５２，５４は、シリコン薄膜２４と格子定数差が必ず存在しているから歪（圧縮、伸張）が残されている状態で単結晶化されている。伸長性歪みを起させるためには、格子定数差（大小の）選択と露出面の大きさの選択、この２者の組み合わせにより、目的とする半導体の性質（移動度の増加やエネルギーバンド構造の変化）を替えることができる。上述の実施形態ではシリコン薄膜２４の一方の面にＩｎｘＧａ１−ｘＰを成長させ、他方の面にＧｅを成長させているが、他の材料による異種結晶をシリコン薄膜２４に成長させてもよい。
【０１３５】
なお、いずれの実施形態においても、基板１０上に結晶のヘテロエピタキシャル成長を行う際、結晶の原料ガス（原料ガス１８）にｐ型或いはｎ型のドーパントをドープして、成長途中でドーパントの種類を相互に切り替えて、成長させた結晶による薄膜において、その厚み方向でＰＮ接合を形成することができる。また、第２実施形態、第３実施形態等において、第１の成長結晶、第２の成長結晶をそれぞれシリコン結晶としたが、両者は互いに異なる材料を用いてもよい。また、いずれの実施形態においても、成長させた結晶の表面にＩＴＯ等の電極を配置することにより、活性層が他の層とヘテロ接合した太陽電池を構築可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
格子欠陥の少ない高品質なヘテロ接合を構築することが可能なヘテロエピタキシャル単結晶の製造方法、ヘテロエピタキシャル単結晶、これを利用したヘテロ接合太陽電池の製造方法、ヘテロ接合太陽電池として利用できる。
【符号の説明】
【０１３７】
１０………基板、１２………マスク層、１３………開口部、１４………露出面、１６………マスク面、１８………原料ガス、２０………シリコン結晶、２２………シリコン柱、２４………シリコン薄膜、２６………第２の露出面、２８………シリコン結晶、３０………シリコン多結晶、３２………第２のマスク層、３４………第１のバッファー層、３６………第２のバッファー層、３８………シリコン基板、４０………シリコン酸化膜、４１………開口部、４２………露出面、４４………シリコン結晶、４６………シリコン薄膜、４８………マスク面、５０………シリコン柱、５２………異種結晶、５４………異種結晶、１００………エピタキシャル成長炉、１０２………原料ガス入口、１０４………原料ガス出口、１０６………設置台、１０８………ヒーター。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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