(57)【要約】      （修正有）【課題】  化合物半導体素子のエピタキシャル成長に用いる基板１つあたりに製造可能な半導体素子製造数を増加させて、素子を製造するスループットを向上させる。【解決手段】  半導体基板１上に、該半導体基板１と半導体素子層３とを分離するための第一中間層２を形成する工程と、該第一中間層２上に、半導体構造をエピタキシャル成長した半導体素子層３を形成する工程と、該半導体素子層３の上に、半導体素子層３と半導体素子層５を分離するための第二中間層４を形成する工程と、該第二中間層４上に、半導体構造をエピタキシャル成長した半導体素子層５を形成する工程と、前記第二中間層４を形成する工程および前記第二中間層４上に半導体素子層５を形成する工程を少なくとも１回以上実行する工程と、複数の半導体素子を分離するために、第二中間層４を介して半導体素子層３と半導体素子層５とを分離する工程とを有する。【選択図】        図１
2005158787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、該半導体基板と半導体素子層とを分離するための第一中間層を形成する工程と、
該第一中間層上に、半導体構造をエピタキシャル成長させて形成された半導体素子層を形成する工程と、
該半導体素子層の上に、半導体素子層と半導体素子層を分離するための第二中間層を形成する工程と、
該第二中間層上に、半導体構造をエピタキシャル成長させて形成された半導体素子層を形成する工程と、
前記第二中間層を形成する工程および前記第二中間層上に半導体素子層を形成する工程を少なくとも１回以上実行する工程と、
前記半導体素子と半導体素子とを分離するための第二中間層を介して半導体素子層と半導体素子層とを分離する工程と、
を包含する半導体素子の製造方法。
【請求項２】
半導体素子が、化合物半導体素子であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
半導体素子が、太陽電池であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記第一中間層のエッチングに半導体基板を侵食しないエッチング液を用いることで、基板を支持基板として用い、半導体素子層を該第一中間層のエピタキシャル成長面方向の素子から剥がすことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記第一中間層のエッチングに半導体基板を侵食するエッチング液を用いて該基板を侵食させ、該第一中間層のエピタキシャル成長面に支持基板を張り合わせ、基板方向の素子から剥がすことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４および請求項５の中間層のエッチングに使用するエッチング液で侵食しないバリア層を中間層と接する層に形成することを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長された半導体素子を薄膜化する技術において、スループットの向上、コスト低減となる製造方法に関するもので、特に、キャリアの流れが縦方向で動作する発光素子、受光素子および太陽電池を低コスト化するための薄膜半導体素子製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池のようにエピタキシャル膜を大量に必要とする素子の場合、材料コストや素子作製時間が可能な限り小さいことが要求される。このうち、材料コストにおいては、基板のコスト割合が大きいので、素子形成後に基板を薄くしたり、素子から基板を剥離して再利用するなどの手法により、材料コストを低減させるような開発が行なわれている。その中で、最もコスト低減に繋がる方法は基板を素子から剥離して再利用する手法である。
【０００３】
具体的には、下記非特許文献１に記載されているように、基板上に中間層と素子とを１つ形成し、中間層を溶かせて素子を剥離させる技術がある。しかし、この方法では、剥離後の基板を再利用する場合、基板表面をラッピングや、エッチングなどで洗浄化し、その基板を再利用して中間層と素子とを成長させることを繰り返す必要がある。したがって、この手法では、中間層および素子を１回成長させるのに、１回の基板表面処理を行う必要がある。
【０００４】
また、エピタキシャル成長で素子を作製する場合、従来は、１回の素子成長に基板成長温度までの昇温、降温、および基板の搬出などの工程を必ず１回必要としている。このように中間層および素子を１回成長させるのに、１回の基板表面処理を必要としたり、１回の素子成長に昇温等の工程を必要とすると、半導体素子を作製するのに多大な時間を要し、素子１つあたりのコストが非常に高価になってしまう。
【非特許文献１】「Ｈｉｇｈ  ｒａｔｅ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌｉｆｔ−ｏｆｆ  ｏｆ  ＩｎＧａＰ  ｆｉｌｍｓ  ｆｒｏｍ  ＧａＡｓ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」，Ｊ．Ｊ．Ｓｃｈｅｒｍｅｒ，ｅｔ  ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ７６，Ｎｏ．１５，２１３１頁。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、化合物半導体素子のエピタキシャル成長に用いる基板１つあたりに製造可能な半導体素子製造数を増加させて、素子を製造するスループットを向上させる方法、また、基板上に成長された複数の半導体素子を薄膜化する方法を提供する。具体的には、素子を成長する毎に必要とされる基板表面のラッピングやエッチングなどの清浄、それに起因する基板の再利用回数の制限によるコストの増加、ならびに素子を成長するのに必要とされる工程である基板成長温度までの昇温、降温および基板の搬入搬出の工程の高効率化を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体素子の製造方法によれば、半導体基板上に、該半導体基板と半導体素子層とを分離するための第一中間層を形成する工程と、該第一中間層上に、半導体構造をエピタキシャル成長させて形成された半導体素子層を形成する工程と、該半導体素子層の上に、半導体素子層と半導体素子層を分離するための第二中間層を形成する工程と、該第二中間層上に、半導体構造をエピタキシャル成長させて形成された半導体素子層を形成する工程と、前記第二中間層を形成する工程および前記第二中間層上に半導体素子層を形成する工程を少なくとも１回以上実行する工程と、前記半導体素子と半導体素子とを分離するための第二中間層を介して半導体素子層と半導体素子層とを分離する工程と、を包含する。
【０００７】
好ましくは、半導体素子が、化合物半導体素子であるかまたは太陽電池である。
【０００８】
好ましくは、中間層のエッチングに基板を侵食しないエッチング液を用いることで、基板を支持基板として使用して、エピタキシャル表面方向の素子から剥がすか、または、中間層のエッチングに基板を侵食するエッチング液を用いて基板を侵食させ、エピタキシャル表面に支持基板を張り合わせ、基板方向の素子から剥がす。
【０００９】
好ましくは、上記中間層のエッチングに使用するエッチング液で侵食しないバリア層を中間層と接する層に形成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体素子の製造方法によれば、基板１つあたりに製造可能な半導体素子を増加することができるので、素子を成長する毎に必要とされる基板表面のラッピングやエッチングなどの清浄の回数を減少することができ時間的効率が上昇する。また、上記基板の処理に起因する基板の再利用回数の制限によるコストの増加を抑えることができ、さらに、素子を成長するのに必要とされる工程である基板成長温度までの昇温、降温および基板の搬入搬出の工程も高効率化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の半導体素子の製造方法は、半導体基板上に、該半導体基板と半導体素子層とを分離するための第一中間層を形成する工程と、該第一中間層上に、半導体構造をエピタキシャル成長させて形成された半導体素子層を形成する工程と、該半導体素子層の上に、半導体素子層と半導体素子層を分離するための第二中間層を形成する工程と、該第二中間層上に、半導体構造をエピタキシャル成長させて形成された半導体素子層を形成する工程と、前記第二中間層を形成する工程および前記第二中間層上に半導体素子層を形成する工程を少なくとも１回以上実行する工程と、前記半導体素子と半導体素子とを分離するための第二中間層を介して半導体素子層と半導体素子層とを分離する工程と、を包含する。ここで、半導体素子とは、化合物半導体素子を含み、具体的には、太陽電池（ＧａＡｓ太陽電池、ＩｎＧａＡｓ太陽電池、ＩｎＧａＰ太陽電池、ＡｌＩｎＧａＰ太陽電池、ＩｎＧａＮＡｓ太陽電池等の単一または複数の太陽電池をトンネル接合で繋げた多接合太陽電池）などが挙げられる。また、本発明において、第一中間層とは、半導体基板と半導体素子層とを分離するための中間層をいい、第二中間層とは、半導体素子層と半導体素子層とを分離するための中間層をいう。また、半導体基板および中間層は、製造する半導体素子に応じて、その材料を適宜選択することができる。
【００１２】
図１は、本発明の半導体素子の製造方法において、半導体基板上に半導体素子が２つ形成された構造の断面図を表わす。図１において、半導体基板１上に、当該半導体基板１と半導体素子層３とを分離するための第一中間層２が形成され、当該第一中間層２上に半導体素子層３が形成され、当該半導体素子層３上に、半導体素子と半導体素子とを分離するための第二中間層５が形成された構造である。上記第一および第二中間層ならびに半導体素子層３は、当該分野で公知の方法を用いて形成することができ、具体的には、エピタキシャル成長法であるＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などを用いることができる。
【００１３】
図１の構造において、必要に応じて側面部分をワックスなどで覆い、第二中間層４をエッチングして、半導体素子層５を剥離することができる。次いで、第一中間層２をエッチングして、半導体基板１と半導体素子層３とを分離することができる。
【００１４】
本発明において、第二中間層およびその上に形成された半導体素子層は、半導体基板の上に少なくとも１つ以上形成することができる。このように１つ以上形成することで、半導体素子層を剥離中に、他の半導体素子層を成長させることができ、製造時間効率が大幅に向上し、また、半導体基板１枚あたりの製造可能な半導体素子層の数が上昇し、半導体基板１枚あたりの半導体素子の製造効率は大幅に向上する。
【００１５】
以下、本発明を、半導体素子の例として太陽電池を例にとって具体的に説明するが、これに限定されるわけではない。
【００１６】
図２は、２層に形成された太陽電池素子の断面図である。図２において、ＧａＡｓ材料を用いた半導体基板２１上に、ＡｌＡｓ材料を用いて第一中間層２２形成し、当該第一中間層２２上に半導体素子層としてＩｎＧａＰ材料を用いた太陽電池２３を逆に形成する。さらに、当該太陽電池２３上に、ＡｌＡｓ材料を用いた第二中間層２４を形成し、当該第二中間層２４上に半導体素子層としてＩｎＧａＰ材料を用いた太陽電池２５を形成する。太陽電池２３および２５の構成は、ｎ−ＧａＡｓ層６，１１の上にｎ−ＡｌＩｎＰ層７，１２がそれぞれ形成され、当該ｎ−ＡｌＩｎＰ層７，１２上にｎ−ＩｎＧａＰ層８，１３がそれぞれ形成され、当該ｎ−ＩｎＧａＰ層８，１３上にｐ−ＩｎＧａＰ層９，１４がそれぞれ形成され、当該ｐ−ＩｎＧａＰ層９，１４上にｐ＋−ＩｎＧａＰ層１０，１５がそれぞれ形成された構造である。
【００１７】
上記太陽電池を形成するに際して、エピタキシャル成長する際には有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い、成長温度は７００℃とすることができる。ＧａＡｓ層６，１１の成長には、原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアルシン（ＡｓＨ３）を用いることができる。ＩｎＧａＰ層８，９，１３，１４の成長には、原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧおよびホスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。ＡｌＩｎＰ層７，１２の成長には、原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＩおよびＰＨ３を用いることができる。第一および第二中間層２２，２４の成長には、原料としてＴＭＡとＡｓＨ３とを用いることができる。ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰおよびＡｌＩｎＰ層のすべての成長において、ｎ型層形成のための不純物としては、ＳｉＨ４（モノシラン）を用い、ｐ型層形成のための不純物としてＤＥＺｎを用いることができる。
【００１８】
図２のように形成したエピタキシャル膜の側面部分をワックス１８で覆い、フォトリソグラフィー法により所定のパターンを形成した後、上部太陽電池２５のＧａＡｓ層１１をアルカリ溶液を用いてエッチングし、ＩｎＧａＰ層１３〜１５およびＡｌＩｎＰ層１２を酸溶液でエッチングして、第二中間層２４の面を露出させる。当該ワックスとしては、アピエゾンワックスを用いることができる。
【００１９】
次いで、半導体素子２５としての上部ＩｎＧａＰ太陽電池に裏面電極１６を形成し、ワックスで支持基板１７を張り合わせて図３の構造のようにすることができる。図３は、上部太陽電池に支持基板が取りつけられた太陽電池素子の断面図である。
【００２０】
次いで、１０％ＨＦ溶液を用いて、第二中間層２４を側面からエッチングすることにより、半導体素子２５としての上部ＩｎＧａＰ太陽電池を剥離して、図４の構造にすることができる。図４は、剥離された上部太陽電池素子の断面図である。
【００２１】
また同様に、半導体素子２３として下部ＩｎＧａＰ太陽電池についても同様にして、ＧａＡｓ材料からなる半導体基板２１から剥離する。
【００２２】
上記のようにして、半導体素子２３および２５としての太陽電池をそれぞれ剥離した後、当該それぞれの太陽電池についてフォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極を形成する。さらに、ＥＢ蒸着法により表面に反射防止膜として、ＴｉＯ２膜およびＭｇＦ２膜を連続して形成する。当該ＴｉＯ２膜およびＭｇＦ２膜の膜厚は、たとえばそれぞれ５５ｎｍおよび１００ｎｍとすることができる。
【００２３】
このようにして得られたＩｎＧａＰ太陽電池について、１×１ｃｍの寸法に調製したものを評価した結果を図５に示す。図５は、本発明における太陽電池のＩ−Ｖ特性を、グラフを用いて表わす図である。ここで、横軸Ｘは、電圧（Ｖ）を示し、縦軸Ｙは、電流（Ａ）である。図５からわかるように、本発明に従うＩｎＧａＰ太陽電池は、従来のｐ型ＧａＡｓ基板上に作製したＩｎＧａＰ太陽電池とほぼ同等の特性を示す。
【００２４】
本発明において、素子最上層または素子最下層の材料にＡｌＡｓを含む化合物を用いる場合、中間層の材料がＡｌＡｓであるために、中間層をエッチングする際に中間層を選択的にエッチングすることができず、上記ＡｌＡｓを含む化合物からなる素子層をもエッチングしてしまう。したがって、このような場合には、素子とＡｌＡｓ材料からなる中間層との間にＩｎＧａＰなどの層を挿入することで、当該ＩｎＧａＰ層がストッパー層の役割を果たし、中間層をエッチングするとき、素子の侵食を防止することができる。
【００２５】
（効率）
通常、ＩｎＧａＰ太陽電池をエピタキシャル成長させるＭＯＣＶＤ装置は、２インチφ×１枚炉を有する。当該装置を用いてエピタキシャル成長させた場合、ＩｎＧａＰ太陽電池を１枚作製するために必要な時間は３時間である。この時間は、実際の成長時間が約３０分、基板を装置に設置して、搬送、真空引き、成長温度までの昇温などの成長以外に必要な時間が約２．５時間であり、これらの時間を合計したものである。
【００２６】
本発明において、基板から太陽電池を剥離する時間は、ＡｌＡｓ中間層を溶解させる速度が約１ｃｍ／時であるので、半径２．５ｃｍの２インチφ基板を剥がす場合、基板の端から中央までの距離が２．５ｃｍで約２．５時間必要とする。また、裏面電極形成には約０．５時間かかる。したがって、本発明において、裏面電極を形成する時間および基板から剥離する時間を合わせた時間（約３時間）が、エピタキシャル成長する時間と略同一であるので、エピタキシャル成長中に１つの太陽電池を剥離することができる。
【００２７】
具体的には、ＩｎＧａＰ太陽電池１０枚をエピタキシャル成長する場合において、通常の成長方法では、上述したとおり１枚の成長時間が３時間であるので１０枚分の成長に要する時間は３０時間であり、当該成長後の太陽電池１０枚のそれぞれについて、一緒に裏面電極を形成して基板から剥がすと、図３に示される構造を作製するのに要する時間は約３３時間であり、この際に使用する基板は約１０枚である。
【００２８】
本発明においては、たとえば、ＩｎＧａＰ太陽電池１０枚をエピタキシャル成長させる場合、まず、１つの基板上にＩｎＧａＰ太陽電池を４層成長させる。この成長に要する時間は４．５時間であり、この時間は、実際の成長時間が０．５時間×４層で２時間であり、成長以外に要する時間が２．５時間であり、これらを合計した時間である。次に、別の基板を用いてＩｎＧａＰ太陽電池を３層成長させる。この成長に要する時間は、成長時間が０．５時間×３層で１．５時間であり、成長以外に要する時間が２．５時間で、合計すると４時間である。この太陽電池３層を成長させている間に、すでに太陽電池を４層成長させたＩｎＧａＰ太陽電池のうち１層の太陽電池に裏面電極を形成しかつ基板から剥離する。太陽電池１層についての裏面電極形成時間および剥離時間の合計は上述したように３時間であるので、別の太陽電池３層を成長させている間に、裏面電極形成および基板からの剥離を行なうことができるからである。
【００２９】
次に、別の基板を用いてＩｎＧａＰ太陽電池２層を成長させる。この成長に要する時間は、０．５時間×２層で１時間と、成長以外に要する時間が２．５時間で３．５時間である。当該成長中に、上述と同様にして、３層のＩｎＧａＰ太陽電池のうち１層をそれぞれ裏面電極形成および基板からの剥離を行う。ここで、当該３層のＩｎＧａＰ太陽電池には、４層に形成したＩｎＧａＰ太陽電池のうち１層が剥離されて３層になったものと、３層に形成したＩｎＧａＰ太陽電池との２つの太陽電池を含むものである。
【００３０】
次いで、また別の基板上にＩｎＧａＰ太陽電池１層を成長させる。当該成長に要する時間は、成長時間が０．５時間×１層で０．５時間であり、その他に要する時間が２．５時間で合計３時間である。当該成長中に、２層のＩｎＧａＰ太陽電池の１層をそれぞれ剥離する。ここで、２層のＩｎＧａＰ太陽電池には、４層に形成したＩｎＧａＰ太陽電池のうち２層が剥離されて２層になったものと、３層に形成されたＩｎＧａＰ太陽電池のうち１層が剥離されて２層になったものと、２層に形成されたＩｎＧａＰ太陽電池とが含まれるものである。
【００３１】
最後に、１層のＩｎＧａＰ太陽電池を基板からそれぞれ剥離する。当該剥離に要する時間は、上述したように３時間である。当該１層のＩｎＧａＰ太陽電池には、４層に形成されたＩｎＧａＰ太陽電池のうち３層が剥離されて１層になたものと、３層に形成されたＩｎＧａＰ太陽電池のうち２層が剥離されて１層になったものと、２層に形成されたＩｎＧａＰ太陽電池のうち１層が剥離されて１層になったものとの、１層に形成されたＩｎＧａＰ太陽電池の4つのＩｎＧａＰ太陽電池が含まれる。
【００３２】
このようにして形成されたＩｎＧａＰ太陽電池は、１０枚であり、必要とした時間は１８時間である。したがって、本発明の薄膜半導体素子の製造方法を用いることにより、通常の太陽電池の製造方法より時間を約半分に短縮することができる。また、使用した基板を４枚であり、通常の半導体素子の製造方法は１０枚であることから、約半分以下まで低減することができる。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
【００３３】
本発明の範囲は添付の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の半導体素子の製造方法において、半導体基板上に半導体素子が２つ形成された構造の断面図である。
【図２】２層に形成された太陽電池素子の断面図である。
【図３】上部ＩｎＧａＰ太陽電池に支持基板が取りつけられた太陽電池素子の断面図である。
【図４】剥離された上部太陽電池素子の断面図である。
【図５】本発明における太陽電池のＩ−Ｖ特性を、グラフを用いて表わす図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  半導体基板、２  第一中間層、３，５，２３，２５  半導体素子、４  第二中間層、６，１１  ｎ−ＧａＡｓ層、７，１２  ｎ−ＡｌＩｎＰ層、８，１３  ｎ−ＩｎＧａＰ層、９，１４  ｐ−ＩｎＧａＰ層、１０，１５  ｐ＋−ＩｎＧａＰ層、１６  裏面電極、１７  支持基板、１８  ワックス。
【図１】
2005158787.tif 000003
【図２】
2005158787.tif 000004
【図３】
2005158787.tif 000005
【図４】
2005158787.tif 000006
【図５】
2005158787.tif 000007