(57)【要約】【課題】ＧａＡｓ太陽電池は多くの特長を有するが、一方で価格が極めて高いという問題点があった。【解決手段】ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓバッファ層と、ＧａＡｓバッファ層上にエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓバッファ層との界面においてＰ―Ｎ接合部を形成するＧａＡｓ層を有する構成にしたため、高ＥＰＤのＧａＡｓ基板を使用することが可能となり、基板コストだけではなく、製造プロセスコストやアッセンブリコストの低減が可能となる。【選択図】図３
2014075530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均転位密度が１平方ｃｍ当たり１０，０００より大きく且つ１，０００，０００以下のＧａＡｓ基板と、
上記ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長により形成したＧａＡｓバッファー層と、
上記ＧａＡｓバッファー層上に形成され、且つ上記ＧａＡｓバッファー層との界面においてＰ−Ｎ接合を形成するＧａＡｓ層と、
上記ＧａＡｓ層上に形成した窓層と、
上記ＧａＡｓ層または上記窓層上に形成した電極と、
上記ＧａＡｓ基板の裏面に形成した電極と、
を有する化合物半導体太陽電池。
【請求項２】
平均転位密度が１平方ｃｍ当たり１０，０００より大きく且つ１０，０００，０００以下のＧａＡｓ基板と、
上記ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長により形成したＧａＡｓバッファー層と、
上記ＧａＡｓバッファー層上に形成され、且つ上記ＧａＡｓバッファー層との界面においてＰ−Ｎ接合を形成するＧａＡｓ層と、
上記ＧａＡｓ層上に形成した窓層と、
上記ＧａＡｓ層または上記窓層上に形成した電極と、
上記ＧａＡｓ基板の裏面に形成した電極と、
を有する化合物半導体太陽電池であって、
上記ＧａＡｓバッファー層は、三塩化砒素を導入した雰囲気においてエピタキシャル成長により形成されたこと
を特徴とする化合物半導体太陽電池。
【請求項３】
上記ＧａＡｓバッファー層は、液相エピタキシャル法により成長させたこと
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物半導体太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体太陽電池、特にＧａＡｓ太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽光をエネルギー源とし、それを直接電気エネルギーに変換するものであり、燃焼を伴わず、二酸化炭素を発生しないクリーンな発電が可能である。また、放射能汚染等の心配がない安全な発電技術としても注目されている。
【０００３】
特に、ＧａＡｓ等の化合物半導体太陽電池は、（１）高効率である、（２）高温での温度特性が良い、（３）耐放射線性が優れている等、Ｓｉ太陽電池等、他の材料系の太陽電池に比べて優れた特徴を持っている。
例えば、ＧａＡｓのバンドギャップはＳｉのバンドギャップに比べて大きく、そのため、開放電圧Ｖｏｃは、Ｓｉの０．６Ｖに比べて約１．５倍の電圧値を得ることが出来る。通常、太陽電池は直列に接続することで電圧を高くして使用するため、太陽電池のＶｏｃが大きいと、直列につなぐモジュールの数が少なくてすむので、実用上使いやすいというメリットがある。
【０００４】
また、バンドギャップが大きいと、温度上昇に対する出力電圧の低下の割合が小さくなるため、太陽光に直接晒されることで高温になる太陽電池にとって、重要な特徴となる。特に、より高温となる集光型太陽電池としての使用に非常に適した特性である。
ＧａＡｓ太陽電池は宇宙線等の放射線に対しても優れた耐性を持つため、人工衛星など宇宙空間で使用する太陽電池としても優れている。
【０００５】
ＧａＡｓ太陽電池の構成としては、ＧａＡｓ基板を用いるものと、ＳｉやＧｅ基板上にＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させるものが知られている。
【０００６】
ＧａＡｓ基板は様々な仕様のものが市販されており、容易に入手することができる（例えば、非特許文献１  第３ページ左下、非特許文献２から４のＥＰＤ  Ａｖｅｒａｇｅの項目参照）。これらの基板を用いることで、良好な特性の太陽電池を作製することが可能である。
【０００７】
一方、ＳｉやＧｅ基板上にＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させる場合には、ＳｉやＧｅ基板とＧａＡｓ層の間に格子不整合緩和層を設ける。
ＳｉやＧｅは、ＧａＡｓに比べて結晶の格子定数や熱膨張係数が大きく異なる。そのため、結晶の格子定数の違いからエピタキシャル成長層に結晶欠陥が発生したり、また熱膨張係数の違いからエピタキシャル成長後にウエハが反ったり割れたりするという問題が生じる。こういった問題をできるだけ抑える目的で、格子不整合緩和層が用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日立電線の化合物半導体  ［平成２４年９月２０日検索］、インターネット＜http://www.hitachi-cable.co.jp/catalog/B-201.pdf#search='日立電線%20化合物半導体'＞
【非特許文献２】住友電気工業株式会社  半導体事業部  ＧａＡｓ基板  半絶縁性基板  ［平成２４年９月２０日検索］、インターネット＜http://www.sei.co.jp/sc/products/gaas/han.html＞
【非特許文献３】住友電気工業株式会社  半導体事業部  ＧａＡｓ基板  ＬＥＤ用基板  ［平成２４年９月２０日検索］、インターネット＜http://www.sei.co.jp/sc/products/gaas/led.html＞
【非特許文献４】住友電気工業株式会社  半導体事業部  ＧａＡｓ基板  レーザー用基板  ［平成２４年９月２０日検索］、インターネット＜http://www.sei.co.jp/sc/products/gaas/laser.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ＧａＡｓ基板を使った太陽電池はコスト面で大きな問題を有している。これはＧａＡｓ基板自体が非常に高価であるためであり、Ｓｉ太陽電池に比べて、２ケタ程度のコスト差が生じ、ＧａＡｓ基板を使った太陽電池の利用は、宇宙用やソーラーカー用といった特殊な用途に限られていた。
【００１０】
ＧａＡｓ基板が高価である理由は、原料のＧａが希少金属（レアメタル）であることと、ＳｉやＧｅのような単元素ではなく、ＧａとＡｓの二元合金であるため、欠陥の少ない単結晶を作る事が非常に難しいことであった。
【００１１】
ＧａＡｓ基板は、太陽電池以外に、レーザーダイオード、発光ダイオード、あるいは高周波トランジスタ等に用いられる。非特許文献１から４に記載されているように、これらいずれの用途に対しても、平均転位密度（以下、業界において慣習的に用いられている用語「ＥＰＤ」を使用する）は、１平方ｃｍ当たり１０，０００以下の低転位密度の基板しか用いられていなかった。
【００１２】
ＧａＡｓ単結晶の作製には、ボートグローン法、引き上げ法、あるいは縦型ブリッジマン法などの方法による結晶成長を用いる。これらの結晶成長法においては、ＧａとＡｓの組成比や結晶成長時の温度に関して高度な制御が必要となるため、上述のような低転位密度のＧａＡｓ単結晶をインゴット全体に渡って得ることは容易ではない。
【００１３】
そのため、インゴットの大部分は、結晶欠陥密度の多い、いわゆる高転位密度結晶や、面方位の異なる双晶等の結晶粒界のある多結晶となってしまうことが多い。したがって、結晶成長後のインゴットが全て使用できることは極めて稀であり、通常は、結晶の一部又は全てが再生処理されたり、破棄されたりする。単結晶化し、低転位で且つキャリア濃度や抵抗値等が規格内に入ったインゴットの一部分しか半導体デバイス用として使うことができない、というのが現状である。
特に、低転位密度の基板の作製には、極めて高い制御を行ったとしても歩留まり向上が難しく、結果として、低転位密度の基板を作製するためには、大きなコストが必要である。
【００１４】
また、ＧａＡｓより安価なＳｉやＧｅを基板上に格子不整合緩和層を介してＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させた場合、格子不整合緩和層を入れても完全に格子不整合や熱膨張係数を一致させる事は難しく、また格子不整合緩和層を入れることで余分にエピタキシャル層を成長させる必要があるなど、せっかく安価なＳｉやＧｅ基板を使っても低価格化には結びつかず、かえって高価なものになってしまっていた。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、従来よりも安価なＧａＡｓ基板を使用した太陽電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る化合物半導体太陽電池は、平均転位密度が１平方ｃｍ当たり１０，０００より大きく且つ１，０００，０００以下のＧａＡｓ基板と、上記ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長により形成したＧａＡｓバッファー層と、上記ＧａＡｓバッファー層上に形成され、且つ上記ＧａＡｓバッファー層との界面においてＰ−Ｎ接合を形成するＧａＡｓ層と、上記ＧａＡｓ層上に形成した窓層と、上記ＧａＡｓ層または上記窓層上に形成した電極と、上記ＧａＡｓ基板の裏面に形成した電極と、を有するものである。
【００１７】
また、本発明に係る化合物半導体太陽電池は、平均転位密度が１平方ｃｍ当たり１０，０００より大きく且つ１０，０００，０００以下のＧａＡｓ基板と、上記ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長により形成したＧａＡｓバッファー層と、上記ＧａＡｓバッファー層上に形成され、且つ上記ＧａＡｓバッファー層との界面においてＰ−Ｎ接合を形成するＧａＡｓ層と、上記ＧａＡｓ層上に形成した窓層と、上記ＧａＡｓ層または上記窓層上に形成した電極と、上記ＧａＡｓ基板の裏面に形成した電極と、を有する化合物半導体太陽電池であって、上記ＧａＡｓバッファー層は、三塩化砒素を導入した雰囲気においてエピタキシャル成長により形成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る化合物半導体太陽電池は、高転位密度の基板を用いても良好な特性を得ることを可能とし、安価なＧａＡｓ太陽電池を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る化合物半導体太陽電池の積層構造を表す図である。
【図２】低転位密度基板および高転位密度基板を使用した際の太陽電池のＶ−Ｊ特性を表す図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、ＧａＡｓ基板の転位密度と開放電圧の関係を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態２において、三塩化ヒ素を導入あるいは導入せずにエピタキシャル成長を行った際のＶ−Ｊ特性を比較する図である。
【図５】本発明の実施の形態２において、三塩化ヒ素を導入あるいは導入せずにエピタキシャル成長を行った場合のＧａＡｓ基板の転位密度と開放電圧の関係を、さらに記載した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
実施の形態１．
本発明に係るＧａＡｓ基板を用いた化合物半導体太陽電池に関して、以下において、図を用いて説明する。なお、以下においては良好な一例を示すものであり、本発明は以下に示す構成等に限定されるものではない。
【００２１】
まず、図１を用いて、本発明に係る化合物半導体太陽電池の積層構成について説明する。
Ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、エピタキシャル成長させたＮ型ＧａＡｓバッファー層２、Ｐ型ＧａＡｓ層３、さらにＰ型ＡｌＧａＡｓ窓層４が積層される。
次に、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層４の一部をエッチングで除去し、良導体からなるＰ型電極５ａおよび５ｂを形成する。また、Ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にＮ型電極６を形成する。
【００２２】
なお、Ｎ型ＧａＡｓ基板１、Ｎ型ＧａＡｓバッファー層２、Ｐ型ＧａＡｓ層３およびＰ型ＡｌＧａＡｓ窓層４の各層において、ドープする不純物を変えて、Ｎ型層をＰ型層に、Ｐ型層をＮ型層にしても、以下に述べる本発明の効果は同様に得ることが出来る。
【００２３】
次に各層の役割や詳細について述べる。
Ｎ型ＧａＡｓ基板１は、２００から４００マイクロメータ程度の厚さを持つ単結晶または多結晶基板である。本実施の形態においては、ＥＰＤが異なるいくつかの基板を用いて、特性を検討する。
【００２４】
Ｎ型ＧａＡｓバッファー層２の厚さは、５から３０マイクロメータ程度である。
また、Ｐ型ＧａＡｓ層３の厚さは、０．１マイクロメータ程度とした。
Ｎ型ＧａＡｓバッファー層２とＰ型ＧａＡｓ層３とで構成されるＰ−Ｎ接合部に光が吸収され、電子―正孔対が発生する。
【００２５】
Ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層４は、０．１マイクロメータ程度の厚さであり、光はこの層を透過し、上述のＰ−Ｎ接合部に入射する。窓層４は太陽光の波長域に吸収が無い大きなバンドギャップを持つ半導体であれば良く、ＩｎＧａＡｓ等であっても良い。
【００２６】
Ｐ型電極５ａおよび５ｂは、Ａｌ等の良導体金属でも良いし、光の照射面積を増加させるために酸化インジューム等の透明導電膜を用いても良い。Ｐ型電極５ａおよび５ｂは、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層４上に直接形成しても良いが、ここでは、抵抗率が低いＰ型ＧａＡｓ層３に接触させる構造にした。
【００２７】
Ｎ型電極６としては、Ａｌ等の良導体金属を用いる。
Ｐ型電極５ａおよび５ｂ、Ｎ型電極６により、発生した電子―正孔対を電流として取り出すことができる。
【００２８】
次に、作製した化合物半導体太陽電池の特性を評価する方法について説明する。
図２は、Ｎ型ＧａＡｓ基板１として、良好な基板（ＥＰＤ＝３，０００／平方ｃｍ）および高転位密度の基板（ＥＰＤ＝２，０００，０００／平方ｃｍ）を使用した際の、それぞれの太陽電池のＶ−Ｊ（電圧―電流密度）特性である。Ｖ−Ｊ特性はソーラーシュミレーターを用いて測定した。
【００２９】
Ｎ型ＧａＡｓ基板１として、良好な基板（ＥＰＤ＝３，０００／平方ｃｍ）を使用した太陽電池においては、開放電圧Ｖｏｃ＝０．９８Ｖ、短絡電流密度Ｊｓｃ＝２４ｍＡ／平方ｃｍ、曲線因子ＦＦ＝０．８０、変換効率＝１９％という良好な特性が得られた。
【００３０】
一方、太陽電池、レーザーダイオード、発光ダイオード、あるいは高周波トランジスタ等の基板として通常は使用しない高転位密度の基板（ＥＰＤ＝２，０００，０００／平方ｃｍ）を使用した太陽電池の特性は、Ｖｏｃ＝０．８３Ｖ、Ｊｓｃ＝２４ｍＡ／平方ｃｍ、ＦＦ＝０．５５、変換効率＝１１％と、大きく劣化したものとなった。
ＥＰＤ２，０００，０００／平方ｃｍという高転位密度の基板を使用することで、ＶｏｃはＧａＡｓバンドギャップに相当する０．９８Ｖから０．８３Ｖに大きく低下した。これは基板の結晶欠陥がエピタキシャル層に伝播し、Ｐ−Ｎ接合部に結晶欠陥等が生じ、そこでキャリアの再結合中心を形成したためと考えられる。
【００３１】
次に、上述した良好な基板と高転位密度の基板だけではなく、様々なＥＰＤを持つ複数のＮ型ＧａＡｓ基板１を用いて複数の太陽電池を作製した。Ｎ型ＧａＡｓ基板１のＥＰＤ以外の構成や製造プロセス条件は、すべての太陽電池で同一とした。
【００３２】
これら複数の太陽電池のＶ−Ｊ特性をソーラーシュミレーターを用いて測定した。
Ｎ型ＧａＡｓ基板１のＥＰＤに対して開放電圧Ｖｏｃの値をプロットしたものが図３である。
【００３３】
ＥＰＤが増加するにしたがって、Ｖｏｃは減少する。この減少は、ＥＰＤが１，０００，０００／平方ｃｍまでは非常に緩やかであり、ＥＰＤが１，０００，０００／平方ｃｍの基板においても、開放電圧Ｖｏｃとして０．９４Ｖという良好な値を得ることができた。
一方、ＥＰＤが１，０００，０００／平方ｃｍを越えると、開放電圧Ｖｏｃが急激に低下する。ＥＰＤが２，０００，０００／平方ｃｍの基板においては、開放電圧Ｖｏｃは０．８３Ｖまで大きく低下した。
【００３４】
以上のように、図１に示した構成を有する化合物半導体太陽電池においては、ＧａＡｓ基板のＥＰＤが１，０００，０００／平方ｃｍと大きくても、特性劣化はわずかであり、実用上、特に問題なく使用可能であることを確認できた。
【００３５】
実施の形態２．
本実施の形態に係る化合物半導体太陽電池の構成は、実施の形態１で開示した化合物半導体太陽電池と同様である。異なる点は、Ｎ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長時の雰囲気を三塩化砒素（ＡｓＣｌ３）雰囲気としたことのみであり、以下ではこの相違点について説明する。
【００３６】
Ｎ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長は、液相成長法により行った。液相成長法を用いる理由は、エピタキシャル成長層の結晶性を良好にするためであり、特に高ＥＰＤ基板上の成長層については、結晶欠陥の伝播を多少なりとも緩和する効果があると考えられる。
次に、エピタキシャル成長の具体的なプロセスを説明する。
カーボンボートの中にＮ型ＧａＡｓ基板１及びＧａ−Ａｓ融液をチャージする。成長雰囲気にＨ２ガスを導入し、合わせて別のＨ２流量計でＡｓＣｌ３のバブラーにＨ２ガスを導入し、成長雰囲気をＡｓＣｌ３雰囲気にする。エピタキシャル成長温度まで温度を上昇後、一定時間保持した後、Ｎ型ＧａＡｓ基板１とＧａ−Ａｓ融液とをメルトコンタクトさせる。そして温度を徐冷することで、Ｎ型ＧａＡｓ基板１上にＮ型ＧａＡｓバッファー層２がエピタキシャル成長する。
ここで、ＡｓＣｌ３バブラーはメルトコンタクトまで流しておけば、その後のエピタキシャル成長中は停止し、Ｈ２雰囲気のみにしてもよい。
その後、実施の形態１と同様に、上述のエピタキシャル成長したＮ型ＧａＡｓバッファー層２の上に、Ｐ型ＧａＡｓ層３およびＰ型ＡｌＧａＡｓ窓層４を形成した。
【００３７】
上記のように、ＡｓＣｌ３雰囲気においてＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池のＪ−Ｖ特性を測定した。なお、比較のために、ＡｓＣｌ３を導入せずにＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池も作製し、その太陽電池についてもＪ−Ｖ特性を測定した。いずれの太陽電池においても、Ｎ型ＧａＡｓ基板１のＥＰＤは、２，０００，０００／平方ｃｍのものを使用した。
【００３８】
この２つの太陽電池のＪ−Ｖ特性を第４図に示す。
ＡｓＣｌ３を導入せずにＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池の特性は、Ｖｏｃ＝０．８３Ｖ、Ｊｓｃ＝２４ｍＡ／平方ｃｍ、ＦＦ＝０．５５、変換効率＝１１％であった。
これに対し、ＡｓＣｌ３雰囲気中でＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池の特性は、Ｖｏｃ＝０．９５Ｖ、Ｊｓｃ＝２４．５ｍＡ／平方ｃｍ、ＦＦ＝０．７７、変換効率＝１８％となり、いずれの特性も大きく改善された。この特性は、第２図に示した太陽電池特性で、ＥＰＤが３，０００／平方ｃｍである良好なＮ型ＧａＡｓ基板１を使用した時の、Ｖｏｃ＝０．９８Ｖ、Ｊｓｃ＝２４ｍＡ／平方ｃｍ、ＦＦ＝０．８０、変換効率＝１９％と比べても、実用上、遜色の無い特性である。
【００３９】
ＡｓＣｌ３雰囲気導入の効果が、どの程度の高ＥＰＤ基板まで有効かを確認するため、さらに、ＥＰＤが５，０００，０００／平方ｃｍおよび１０，０００，０００／平方ｃｍのＮ型ＧａＡｓ基板１を使用して、上記と同様に太陽電池を作製して特性を確認した。
ＥＰＤが５，０００，０００／平方ｃｍのＮ型ＧａＡｓ基板１を使用した時には、ＡｓＣｌ３雰囲気中でＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池のＶｏｃ＝０．９３Ｖであり、ＡｓＣｌ３を導入せずにＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池のＶｏｃ＝０．７１Ｖとなった。
また、ＥＰＤが１０，０００，０００／平方ｃｍのＮ型ＧａＡｓ基板１を使用した時には、ＡｓＣｌ３雰囲気中でＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池のＶｏｃ＝０．９２Ｖであり、ＡｓＣｌ３を導入せずにＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池のＶｏｃ＝０．６１Ｖとなった。
【００４０】
また、ＥＰＤが３，０００／平方ｃｍである良好なＮ型ＧａＡｓ基板１上にＡｓＣｌ３雰囲気中でＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池も作製し、その特性を測定した。Ｊ−Ｖ特性から得られた値は、Ｖｏｃ＝０．９８Ｖ、Ｊｓｃ＝２４ｍＡ／平方ｃｍ、ＦＦ＝０．８０、変換効率＝２０％となり、改善効果としては小さく見えるが、この値はＧａＡｓ単一接合の太陽電池としては、ほぼ理論限界の特性であり、低ＥＰＤ基板でも高ＥＰＤ基板と同様に、特性改善効果があることが確認できた。
【００４１】
本実施の形態において特性評価を行った結果を、実施の形態１において得られた結果である図３に追加してプロットしたものが図５である。この図において、ＡｓＣｌ３雰囲気中でＮ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長を行った太陽電池のＶｏｃは、黒丸で示した。
図５より、ＡｓＣｌ３の導入効果は明白であり、ＥＰＤが１０，０００，０００／平方ｃｍの基板を使用した時であっても、実用上十分な特性が得られる。
【００４２】
なお本実施の形態２では、ＡｓＣｌ３雰囲気について述べたが、成長雰囲気はＡｓＨ３や金属ＡｓやＨＣｌガスを単独又は混合して導入してもよい。また本発明は結晶性のよい液相成長法を例に述べたが、ＭＯＣＶＤなど気相成長法でも改善の効果がある。さらに本発明はＧａＡｓの単一の接合を持つ太陽電池で説明したが、タンデイム構造でも改善の効果がある。さらに本発明は、太陽電池について述べたが、半導体レーザ、ＬＥＤ、ホトダイオード、高周波デバイスなどに対しても応用可能である。
【００４３】
また、ＥＰＤが１０，０００，０００／平方ｃｍよりも高転位密度の基板については、今回は検討を行わなかった。ＧａＡｓ基板の製造において、特にＥＰＤを低減する工夫を行わなくても得られる基板のＥＰＤ値が１０，０００，０００／平方ｃｍ程度であり、それ以上の高転位密度の基板は、意図的に転位を発生させて作製しなければ得ることができない。本発明の目的を考慮すれば、意図的に転位を発生させなければ得られないような高転位密度基板についてまで検討する必要はないためである。
【００４４】
以上のように、図１に示した構成を有する化合物半導体太陽電池において、Ｎ型ＧａＡｓバッファー層２のエピタキシャル成長時の雰囲気を三塩化砒素雰囲気とすることで、ＧａＡｓ基板のＥＰＤが１０，０００，０００／平方ｃｍと非常に大きくても、実用上、特に問題なく使用可能であることを確認できた。
また、ＥＰＤが小さい良好な基板を使用する際にも、変換効率等の特性改善効果があることが分かった。
【００４５】
実施の形態１および実施の形態２で開示した内容を以下にまとめるとともに、得られた結果について考察を加える。
まず、本発明の有する効果について述べる。
【００４６】
ＧａＡｓ基板は、太陽電池、レーザーダイオード、発光ダイオード、あるいは高周波トランジスタ等の基板として広く使用されているが、これらいずれの用途に対しても、ＥＰＤが１平方ｃｍ当たり１０，０００以下の低転位密度の基板しか用いられてこなかった。
この理由は、高転位密度の基板を用いた場合に、特性の劣化や信頼性の低下が生じるためである。結晶欠陥は、キャリアの再結合中心となるため、高転位密度の基板においては、キャリア寿命が短くなることが特性劣化の原因と考えられる。また、電流が欠陥に集中することで、欠陥周囲への損傷が生じることが信頼性低下の原因と考えられる。
【００４７】
低転位密度のＧａＡｓ基板を製造するために数々の工夫がなされているものの、十分に歩留まりを上げることは難しく、ＧａＡｓ基板が高価であることの主因をなしていた。
本発明においては、図１に開示した比較的シンプルな構成の太陽電池において、これまでは不良品として使用されなかった高転位密度の基板を使用できることが分かった。今まで再生処理されたり破棄されていた基板を使用できるため、基板コストを非常に安価に抑えることが可能となったことが、本発明の直接的な効果である。
【００４８】
さらに、結晶欠陥密度の多い基板でも良いと言うことであれば、結晶成長する際に結晶成長に要する時間を大幅に短縮することも可能である。例えば、ボートグローン法、引き上げ法、あるいは縦型ブリッジマン法等でインゴットを一本結晶成長するのには、溶かしたＧａ−Ａｓ融液の温度をゆっくりと徐冷し、約１週間もかけて結晶成長を行う。しかし、高転位密度の基板であれば、ゆっくりと徐冷する必要はなく、結晶成長に要する時間を大幅に短縮できる。その結果、インゴットの製造コストをさらに低く抑えることも可能である。
【００４９】
また、一般に使用されるＧａＡｓ基板は２インチ径であるのに対して、Ｓｉ基板は１２インチ径、あるいはそれ以上の大きな径の基板が使用される。そのため、現在のＧａＡｓ太陽電池セルの大きさは２０×４０ｍｍ角程度であるのに対し、Ｓｉ太陽電池セルは約１５０×１５０ｍｍ角であり、ＧａＡｓ太陽電池のセルサイズはＳｉ太陽電池セルに比べて、面積比で約３０分の１と非常に小さい。これは、低転位密度で大口径のＧａＡｓ結晶インゴットを結晶成長することが困難なためである。
【００５０】
結晶成長中のＧａ−Ａｓ融液内の温度分布や組成が不均一になると、結晶成長中に結晶内に欠陥が多数発生し、高転位密度の結晶になってしまうため、高精度の温度分布制御が不可欠である。この制御は小径のインゴットに対しても困難な制御であり、これがインゴットの大口径化を妨げる要因になっている。
したがって、高転位密度のＧａＡｓ基板であれば、大口径のインゴットの作製も比較的容易である。
【００５１】
一般に半導体デバイスは、大口径の方が量産性が良く、歩留やチップ収率もよくなるため、大口径化が進められている。ＧａＡｓ太陽電池も同様であり、大口径でセルサイズを大きくした方がウエハプロセスにかかる費用は少なくなり、セルの電気的、光学的な特性評価も少ない枚数ですむ。さらにアセンブリも小さなセルを何枚も配線するより大口径のセルの方が少ない枚数ですむので、アセンブリ費用も当然安くなる。
また、プロセス時には、基板を装置にチャッキングするため、基板の周囲は、太陽電池として使用できない。基板全面積に対する使用不可能な面積の比率は、径が大きくなるほど小さくなるため、基板面積の利用効率からも大口径化は有利である。
【００５２】
すなわち、ＥＰＤが大きくても特性の良い太陽電池ができるのであれば、ＧａＡｓ基板は大口径化が進み、基板コストのさらなる低減、太陽電池セルの製造コストの低減、基板面積利用率の向上、さらにアッセンブリコストの低減が可能となるため、現在に比べて、大幅に低廉なＧａＡｓ太陽電池を供給できる。
また、ＡｓＣｌ３雰囲気においてＧａＡｓバッファー層のエピタキシャル成長を行うことで、さらに大きなＥＰＤの基板であっても使用できるため、より低廉なＧａＡｓ太陽電池の供給が可能となる。
【００５３】
次に、図１に開示した比較的シンプルな構成の太陽電池において、高転位密度の基板を使用できる理由について考察する。
まず、太陽電池の場合、他のデバイスに比較して電流密度が小さく、欠陥への損傷がほとんど生じないことも寄与していると考えられる。さらに直流デバイスであることも、高転位密度を許容する原因だと思われる。
また、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓバッファー層が、結晶欠陥の伝播を抑制する効果を有することが一因と考えている。
【００５４】
特に、ＧａＡｓバッファー層のエピタキシャル成長中にＡｓＣｌ３を導入することで、結晶欠陥の伝播の抑制効果はさらに強まる。抑制効果を高めることについては、２つの要因があると考えている。
【００５５】
第一に、ＧａＡｓ基板とＧａ−Ａｓ融液がメルトコンタクトされるまでの間、ＧａＡｓ基板はＡｓＣｌ３雰囲気に晒されている。ＡｓＣｌ３は、高温の反応管内において、ＨＣｌとＡｓ４に分解した状態となっている。その為、ＧａＡｓ基板とＧａ−Ａｓ融液がメルトコンタクトされるまでの間に、ＡｓＣｌ３から分解したＨＣｌは、ＧａＡｓ基板を気相エッチングとして作用する。すなわち、ＧａＡｓ基板はＧａ−Ａｓ融液とメルトコンタクトされる直前に気相エッチングでクリーニングされ、きれいな表面上にＧａＡｓバッファー層がエピタキシャル成長することで、結晶欠陥の伝播が抑制される。
【００５６】
第２に、ＡｓＣｌ３から分離したＡｓ４は、ＧａＡｓ基板から蒸気圧の高いＡｓを抜けることを防止し、Ａｓ圧をかける作用がある。Ａｓ圧によりＡｓ空孔（Ａｓ−Ｖａｃａｎｃｙ）による結晶欠陥を修復するので、メルトコンタクト後のエピタキシャル層の結晶性が向上する効果がある。
以上のふたつの要因により、形成されたＰ−Ｎ接合にはキャリアの再結合中心等になる結晶欠陥の伝播が抑制され、良質の接合が得られたものと考えられる。
【符号の説明】
【００５７】
１  Ｎ型ＧａＡｓ基板
２  Ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３  Ｐ型ＧａＡｓ層
４  Ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層
５ａ、５ｂ  Ｐ型電極
６  Ｎ型電極
【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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