半导体基板、 光电转换器件、 半导体基板的制造方法和光电 转换器件的制造方法 技术领域 本发明涉及半导体基板、 光电转换器件、 半导体基板的制造方法和光电转换器件 的制造方法。
背景技术 专利文献 1， 公开了串联异质结光电转换元件的制造方法。在该制造方法中， 在 Si 基板形成了 V 字型沟之后， 在该 Si 基板形成 PN 结的同时， 在该 Si 基板上使 III-V 族化合 物半导体外延生长。在专利文献 1 中， 公开了以生长温度为 500℃以下， 且 V 族元素相对于 III 族元素的的入射流量比是 15 以上的条件， 使 III-V 族化合物半导体外延生长的方法。
( 专利文献 1) 特开平 5-3332 号公报
发明内容 发明打算解决的课题
太阳电池等光电转换器件的光电转换效率， 很大程度受具有使发生光电转换元件 的电动势的空间电荷区域的半导体结晶的结晶性所左右。尤其， 在 Si 基板上使化合物半导 体结晶外延生长时， 由于 Si 基板和化合物半导体的晶格常数之差的原因， 化合物半导体的 结晶性容易降低。如果结晶性下降的话， 光电转换器件的光电转换效率下降。
发明内容
为了解决上述课题， 在本发明的第 1 方式中， 提供一种半导体基板， 具有 ： 含硅的 基底基板 ； 和形成在基底基板上的具有露出基底基板表面的开口的用于阻碍结晶生长的阻 碍体 ； 以及与在开口内部被露出的基底基板表面邻接地形成在上述开口内部的光吸收构造 体， 其中， 光吸收构造体具有第 1 半导体和第 2 半导体， 所述第 1 半导体包含， 第 1 传导型第 1 半导体、 形成在第 1 传导型第 1 半导体的上方且具有与第 1 传导型第 1 半导体相反的传导 型的第 2 传导型第 1 半导体、 以及形成在第 1 传导型第 1 半导体和第 2 传导型第 1 半导体 之间， 有效载流子浓度比第 1 传导型第 1 半导体及第 2 传导型第 1 半导体更低的低载流子 浓度第 1 半导体 ； 所述第 2 半导体包含， 与第 2 传导型第 1 半导体晶格匹配或准晶格匹配且 具有与第 2 传导型第 1 半导体相反的传导型的第 1 传导型第 2 半导体、 以及形成在第 1 传 导型第 2 半导体的上方， 具有与第 1 传导型第 2 半导体相反的传导型的第 2 传导型第 2 半 导体、 以及形成在第 1 传导型第 2 半导体和第 2 传导型第 2 半导体之间且有效载流子浓度 比第 1 传导型第 2 半导体及第 2 传导型第 2 半导体更低的低载流子浓度第 2 半导体。阻碍 体可以具有多个开口， 具备在多个开口内形成的多个光吸收构造体。
半导体基板的光吸收构造体可以具有第 3 半导体， 所述第 3 半导体包含 ： 与第 2 传 导型第 2 半导体晶格匹配或准晶格匹配的第 1 传导型第 3 半导体 ； 形成在第 1 传导型第 3 半导体的上方， 具有与第 1 传导型第 3 半导体相反的传导型的第 2 传导型第 3 半导体 ； 以及 形成在第 1 传导型第 3 半导体和第 2 传导型第 3 半导体之间， 有效载流子浓度比第 1 传导
型第 3 半导体及第 2 传导型第 3 半导体更低的低载流子浓度第 3 半导体。在该半导体基板 中， 比如， 第 1 半导体， 包含具有第 1 带隙的材料， 第 2 半导体， 包含具有比第 1 带隙更大的 第 2 带隙的材料， 第 3 半导体， 包含具有比第 2 带隙更大的第 3 带隙的材料。
同时， 比如， 第 1 半导体由 Cx1Siy1Gez1Sn1-x1-y1-z1(0 ≤ x1 ＜ 1， 0 ≤ y1 ≤ 1， 0 ≤ z1 ≤ 1， 且 0 ＜ x1+y1+z1 ≤ 1) 组 成，第 2 半 导 体 由 Alx2Iny2Ga1-x2-y2Asz2Pw1N1-z2-w1(0 ≤ x2 ≤ 1， 0 ≤ y2 ≤ 1， 且 0 ≤ x2+y2 ≤ 1， 和 0 ≤ z2 ≤ 1， 0 ≤ w1 ≤ 1， 且 0 ≤ z2+w1 ≤ 1) 组成， 第3 半导体由 Alx3Iny3Ga1-x3-y3Asz3P1-z3(0 ≤ x3 ≤ 1， 0 ≤ y3 ≤ 1， 0 ≤ z3 ≤ 1， 且 0 ≤ x3+y3 ≤ 1) 组成。
作为一个例子， 光吸收构造体中， 接受光的照射而激发载流子， 在基底基板与第 1 传导型第 1 半导体之间， 第 2 传导型第 1 半导体和第 1 传导型第 2 半导体之间， 第 2 传导型 第 2 半导体和第 1 传导型第 3 半导体之间， 以及与接触第 2 传导型第 3 半导体的低载流子 浓度第 3 半导体的表面相反的表面上中的至少在一个位置， 具有抑制载流子的再结合的再 结合抑制层。在半导体基板中， 在第 2 传导型第 1 半导体和第 1 传导型第 2 半导体之间， 以 及， 在第 2 传导型第 2 半导体和第 1 传导型第 3 半导体之间的至少一个位置， 还可以包含具 有被高浓度掺杂了 P 型杂质的 P 型杂质层及被高浓度掺杂了 N 型杂质的 N 型杂质层的通道 连接层。半导体基板， 还可以具有接触光吸收构造体的侧壁而形成的抑制在侧壁的载流子 的再结合的再结合抑制体。 同时， 在半导体基板中， 比如， 从第 1 半导体、 第 2 半导体、 以及第 3 半导体选择了 的 1 种以上的半导体， 在第 1 半导体、 述第 2 半导体， 和第 3 半导体的各自的距平行于基底 基板的表面中心的距离更大的位置中具有构成更大的带隙的组成分布。第 1 半导体的组成 可以根据第 1 半导体及第 2 半导体的层叠方向中的距基底基板的距离而发生变化。比如， 第 1 半导体， 具有与基底基板的距离越大而硅的比例越小的组成。
在本发明的第 2 方式中， 提供一种光电转换器件， 具有第 1 方式的半导体基板， 用 于将光吸收构造体的入射光转换成电力。该电转换器件， 具备使入射光的至少一部分聚光 并入射至光吸收构造体的聚光部。聚光部， 比如， 将入射光所包含的第 1 色区域的光聚光并 入射到低载流子浓度第 1 半导体， 将比第 1 色区域更短波长域的第 2 色区域的光聚光并入 射至低载流子浓度第 2 半导体。
同时， 该光电转换器件， 还具有， 被配置在光吸收构造体中的入射光入射的面的透 明电极， 被连接在透明电极上的布线 ； 布线， 被配置成不与入射光向透明电极入射的路径重 叠的状态。 该光电转换器件， 基底基板中包含的硅和光吸收构造体被电性地结合， 接受入射 光的入射， 在透明电极和硅之间可以发生电动势。在该光电转换器件中， 基底基板， 具有与 硅的本体区域电性分离且与光吸收构造体电性结合的势阱区域， 接受入射光的入射， 在上 述透明电极和势阱区域之间发生电动势。
并且， 该光电转换器件， 还可与具有覆盖聚光部的表面， 吸收或反射比相当于第 1 半导体的带隙的波长还长的波长的光的光学膜。该光电转换器件， 还可以具有被配置在入 射光入射于光吸收构造体的路径上的含有重金属的耐放射线膜。
同时， 该光电转换器件中还可以是阻碍体具有多个开口， 具有在多个开口内形成 的多个光吸收构造体， 具有与多个光吸收构造体的各个对应的聚光部。多个光吸收构造体 比如分别互相串联或并联连接。 作为一个例子， 互相串联或并联连接的多个光吸收构造体，
与其他的互相串联或并联连接的多个光吸收构造体并联或串联连接。
在本发明的第 3 方式中， 提供半导体基板的制造方法， 包括 ： 在含硅的基底基板上 方形成阻碍体的阶段、 在阻碍体， 形成露出基底基板表面的开口的阶段 ； 在开口内部， 形成 第 1 传导型第 1 半导体的阶段 ； 在第 1 传导型第 1 半导体上方， 形成低载流子浓度第 1 半导 体的阶段 ； 在低载流子浓度第 1 半导体上方， 形成具有与第 1 传导型第 1 半导体相反的传导 型的第 2 传导型第 1 半导体的阶段 ； 在第 2 传导型第 1 半导体上方， 形成与第 2 传导型第 1 半导体晶格匹配或准晶格匹配的第 1 传导型第 2 半导体的阶段 ； 在第 1 传导型第 2 半导体 上方， 形成低载流子浓度第 2 半导体的阶段 ； 以及在低载流子浓度第 2 半导体上方， 形成具 有与第 1 传导型第 2 半导体相反的传导型的第 2 传导型第 2 半导体的阶段。
该低载流子浓度第 1 半导体， 具有比第 1 传导型第 1 半导体及第 2 传导型第 1 半 导体还低的有效载流子浓度， 该低载流子浓度第 2 半导体， 具有比第 1 传导型第 2 半导体及 第 2 传导型第 2 半导体还低的有效载流子浓度。在形成第 1 半导体的阶段和形成第 2 半导 体的阶段之间， 可以加热第 1 半导体。
该制造方法， 比如， 还具有在第 2 传导型第 2 半导体的上方， 形成第 1 传导型第 3 半 导体的阶段、 在第 1 传导型第 3 半导体的上方， 形成低载流子浓度第 3 半导体的阶段、 在低 载流子浓度第 3 半导体的上方， 形成具有与第 1 传导型第 3 半导体相反的传导型的第 2 传 导型第 3 半导体的阶段。 在本发明的第 4 方式中， 提供光电转换器件的制造方法， 具有， 使用第 3 方式的半 导体基板的制造方法， 形成具有至少第 1 半导体和第 2 半导体的光吸收构造体的阶段、 以及 串联或并联连接光吸收构造体的阶段。
附图说明
图 1A 是半导体基板 100 的剖面的一个例子的图。 图 1B 是半导体基板 100 的剖面的一个例子的图。 图 2 是光电转换器件 200 的剖面的一个例子的图。 图 3 是光电转换器件 200 的制造过程的剖面例子的图。 图 4 是光电转换器件 200 的制造过程的剖面例子的图。 图 5 是光电转换器件 200 的制造过程中的剖面例子的图。 图 6 是光电转换器件 200 制造过程中的剖面例子的图。 图 7 是光电转换器件 200 制造过程中的剖面例子的图。 图 8 是半导体基板 100 中的光吸收构造体的能量带的一个例子的图。 图 9 是半导体基板 100 中的第 1 半导体的组成分布的例子的图。 图 10 是光电转换器件 1000 的剖面的一个例子的图。 图 11 是有色差的聚光部件的焦点位置的图。 图 12 是光电转换器件 1200 的剖面的一个例子的图。 图 13 是光电转换器件 1300 的剖面的一个例子的图。具体实施方式
图 1A， 表示作为一实施方式的半导体基板 100 剖面的一个例子。半导体基板 100，具有基底基板 102、 阻碍体 104、 和光吸收构造体 140。光吸收构造体 140， 具有第 1 半导体 110 及第 2 半导体 120。
基底基板 102 是含硅的基板。作为含硅的基板， 例如， 是表面为硅的基板。比如， 基底基板 102， 是 Si 基板或 SOI(silicon-on-insulator) 基板。基底基板 102， 比如是 B 掺 19 -3 杂量为 2.0×10 cm 的 Si 基板。
阻碍体 104， 形成在基底基板 102 上面。在阻碍体 104 上， 形成露出基底基板 102 表面的开口 106。阻碍体 104， 阻碍结晶的生长。例如， 在根据外延生长法使半导体的结晶 生长中， 在阻碍体 104 的表面， 半导体的结晶的外延生长被阻碍， 所以半导体的结晶在开口 106 中选择性地外延生长。
阻碍体 104 的厚度， 比如优选为 0.01μm 以上 5μm 以下。开口 106 的大小， 优选 是能够无错位地形成在开口 106 内部选择生长的半导体的大小。阻碍体 104， 比如， 是氧化 硅层、 氮化硅层、 氮氧化硅层等， 或将它们层叠而形成的层。 阻碍体 104， 比如， 通过热氧化法 及 CVD 法等形成。
第 1 半导体 110， 具有第 1 传导型第 1 半导体 114、 低载流子浓度第 1 半导体 115、 和第 2 传导型第 1 半导体 116。第 1 传导型第 1 半导体 114， 具有 P 型或 N 型的传导型。
第 2 传导型第 1 半导体 116， 在第 1 传导型第 1 半导体 114 的上方形成。第 2 传导 型第 1 半导体 116， 有与第 1 传导型第 1 半导体 114 不同的传导型。比如， 第 1 传导型第 1 半导体 114 具有 P 型的传导型时， 第 2 传导型第 1 半导体 116 具有 N 型的传导型。
低载流子浓度第 1 半导体 115， 在第 1 传导型第 1 半导体 114 和第 2 传导型第 1 半 导体 116 之间被形成。在低载流子浓度第 1 半导体 115 中的有效载流子浓度， 比第 1 传导 型第 1 半导体 114 及第 2 传导型第 1 半导体 116 中的有效载流子浓度还低。比如， 低载流 子浓度第 1 半导体 115， 是与第 1 传导型第 1 半导体 114 及第 2 传导型第 1 半导体 116 同样 的组成的本征半导体。低载流子浓度第 1 半导体 115， 也可以是第 1 传导型第 1 半导体 114 和第 2 传导型第 1 半导体 116 之间被形成的空间电荷区域。
在这里， 所谓 “空间电荷区域” 是指在半导体 - 半导体界面或者在半导体 - 金属界 面， 通过空间性的电荷偏倾 ( 内建电势 ) 在半导体内形成的区域。空间电荷区域， 通过半导 体的 PN 结， PIN 结， 金属和半导体间的肖特基连接， 以及介电质和半导体的连接等被形成。
低载流子浓度第 1 半导体 115， 接受光的照射时即生成电子及空穴。在低载流子 浓度第 1 半导体 115 中生成的电子， 向第 1 传导型第 1 半导体 114 及第 2 传导型第 1 半导 体 116 之中具有 N 型的传导型的半导体移动。在低载流子浓度第 1 半导体 115 中生成的空 穴， 向具有 P 型的传导型的半导体移动。其结果， 第 1 半导体 110 作为接受光的照射而发生 电信号的光电转换器件而发挥作用。
第 1 半导体 110， 作为一个例子， 接触阻碍体 104 的开口 106 内部所露出的基底基 板 102 的表面， 在开口 106 内部， 或开口 106 内部及阻碍体 104 的上方形成。半导体基板 100， 可以在第 1 半导体 110 和基底基板 102 间具有其他的半导体层。 比如， 半导体基板 100， 可以在第 1 半导体 110 和基底基板 102 之间， 具有提供适合于第 1 半导体 110 结晶生长的 晶种结晶面的晶种结晶。
第 2 半导体 120， 具有第 1 传导型第 2 半导体 124， 低载流子浓度第 2 半导体 125， 和第 2 传导型第 2 半导体 126。第 1 传导型第 2 半导体 124 具有 P 型或 N 型的传导型。第1 传导型第 2 半导体 124， 与第 2 传导型第 1 半导体 116 晶格匹配或准晶格匹配。
在本说明书中， 所谓的 “准晶格匹配” ， 是指虽然不是完全的晶格匹配， 但相互相接 的 2 个半导体的晶格常数之差小， 且晶格失配引起的缺陷的发生在不显著的范围， 能够层 叠相互邻接的 2 个半导体的状态。此时， 各半导体的晶体晶格由于在可弹性变形的范围内 进行变形而吸收上述晶格常数的差。比如， Ge 和 GaAs 的层叠状态， 是准晶格匹配的状态。
第 2 传导型第 2 半导体 126， 被形成在第 1 传导型第 2 半导体 124 的上方。第 2 传 导型第 2 半导体 126， 具有与第 1 传导型第 2 半导体 124 不同的传导型。比如， 在第 1 传导 型第 2 半导体 124 具有 P 型的传导型时， 第 2 传导型第 2 半导体 126 具有 N 型的传导型。
低载流子浓度第 2 半导体 125， 在第 1 传导型第 2 半导体 124 和第 2 传导型第 2 半 导体 126 之间形成。在低载流子浓度第 2 半导体 125 中的有效载流子浓度， 比第 1 传导型 第 2 半导体 124 及第 2 传导型第 2 半导体 126 中的有效载流子浓度还低。比如， 低载流子 浓度第 2 半导体 125， 是与第 1 传导型第 2 半导体 124 及第 2 传导型第 2 半导体 126 同样 的组成的本征半导体。低载流子浓度第 2 半导体 125， 也可以是第 1 传导型第 2 半导体 124 和第 2 传导型第 2 半导体 126 间形成的空间电荷区域。
低载流子浓度第 2 半导体 125， 接受光的照射时生成电子及空穴。 在低载流子浓度 第 2 半导体 125 中生成的电子， 向第 1 传导型第 2 半导体 124 及第 2 传导型第 2 半导体 126 之中具有 N 型的传导型的半导体移动。在低载流子浓度第 2 半导体 125 中生成的空穴， 向 具有 P 型的传导型的半导体移动。其结果， 第 2 半导体 120 作为接受光的照射而发生电信 号的光电转换器件发挥作用。 半导体基板 100， 在第 1 半导体 110 和第 2 半导体 120 之间， 可以具有其他的半导 体层。比如， 半导体基板 100， 具有在第 1 半导体 110 和第 2 半导体 120 间形成沟道连接的 半导体层。
第 1 半导体 110 及第 2 半导体 120， 比如是化合物半导体。 第 1 半导体 110， 比如是 Cx1Siy1Gez1Sn1-x1-y1-z1(0 ≤ x1 ＜ 1， 0 ≤ y1 ≤ 1， 0 ≤ z1 ≤ 1， 且 0 ＜ x1+y1+z1 ≤ 1)。 第 1 半导 体 110， 可以是非晶质或多结晶的 Cx1Siy1Gez1Sn1-x1-y1-z1(0 ≤ x1 ＜ 1， 0 ≤ y1 ≤ 1， 0 ≤ z1 ≤ 1， 且 0 ＜ x1+y1+z1 ≤ 1)。比如， 第 1 半导体 110， 是 Ge 或 SiGe。第 1 半导体 110， 还可以包 含由 Ge 及组成不相同的 SiGe 构成的多个半导体层。
第 2 半导体 120， 比如是 Alx2Iny2Ga1-x2-y2Asz2Pw1N1-z2-w1(0 ≤ x2 ≤ 1， 0 ≤ y2 ≤ 1， 且 0 ≤ x2+y2 ≤ 1， 和 0 ≤ z2 ≤ 1， 0 ≤ w1 ≤ 1， 且 0 ≤ z2+w1 ≤ 1)。第 2 半导体 120， 比如是 InGaAs。第 2 半导体 120， 可以包含多个半导体层。
作为一个例子， 第 1 半导体 110 及第 2 半导体 120 由外延生长法形成。作为外延 生长法， 能例示有 ： 化学气相沉淀法 ( 称 CVD 法 )、 有机金属气相生长法 ( 称 MOCVD 法 )、 和 分子射线外延法 ( 称 MBE 法 ) 以及原子层生长法 ( 称 ALD 法 )。
比如， 在基底基板 102 上面， 通过热氧化法形成阻碍体 104， 通过蚀刻法等的光刻 法， 在阻碍体 104 形成到达基底基板 102 表面的开口 106。并且， 通过 CVD 法， 在该开口 106 内部使第 1 传导型第 1 半导体 114 及第 2 传导型第 1 半导体 116 选择生长， 形成第 1 半导 体 110。通过在开口 106 内部使第 1 半导体 110 选择生长， 能抑制由于第 1 半导体 110 和基 底基板 102 的晶格常数的不同生成的晶格缺陷。其结果， 第 1 半导体 110 结晶性提高， 因此 能提高在第 1 半导体 110 的光电转换效率。
第 1 半导体 110， 优选在结晶生长后被加热。第 1 半导体 110 内部， 由于基底基板 102 和第 1 半导体 110 的晶格常数的差异等， 有时发生错位等晶格缺陷。如果第 1 半导体 110 被加热， 晶格缺陷即在第 1 半导体 110 内部移动。该晶格缺陷， 在第 1 半导体 110 内部 移动， 被第 1 半导体 110 界面或侧壁或第 1 半导体 110 内部的收集槽等捕捉， 排除。通过加 热第 1 半导体 110， 能降低第 1 半导体 110 的缺陷， 使之提高第 1 半导体 110 结晶性。
通过把阻碍体 104 开口 106 的大小设定为一定的大小以下， 能限制在开口 106 内 部选择生长的第 1 半导体 110 的大小。开口 106 的大小， 如果是通过加热晶格缺陷在第 1 半导体 110 的表面能移动的大小的话， 通过加热， 第 1 半导体 110 内部的晶格缺陷被排除， 制造结晶性极高的第 1 半导体 110。
开口 106 底面积， 优选是 1mm2 以下， 更优选是 25μm2 以上 2500μm2 以下， 最优选 2 2 2 2 是 100μm 以上 1600μm 以下， 特别优选 400μm 以上 900μm 以下。如果开口底面积比 2 25μm 小， 则在制造光电器件的基础上， 面积少， 不为优选。通过提高第 1 半导体 110 的结 晶性， 第 1 半导体 110 光电转换效率进一步提高。
第 2 半导体 120， 比如， 形成在开口 106 内部， 或， 开口 106 内部及阻碍体 104 上方。 第 2 半导体 120， 作为晶种结晶而结晶生长第 1 半导体 110。在第 1 半导体 110 在开口 106 的内部结晶生长时， 第 1 半导体 110 具有高结晶性， 所以与第 1 半导体 110 的晶格匹配或准 晶格匹配的第 2 半导体 120 也具有高结晶性。其结果， 能提高第 2 半导体 120 的光电转换 效率。 第 1 半导体 110， 用具有第 1 带隙的材料构成。第 2 半导体 120， 比如， 用具有比该 第 1 带隙更大的第 2 带隙的材料构成。光电器件， 吸收具有与带隙对应的能量的光， 转换成 电力。第 1 半导体 110， 吸收具有与第 1 禁带对应的能量的光， 并进行光电转换。第 2 半导 体 120， 因为有比第 1 半导体 110 幅度更大的第 2 禁带， 所以吸收比第 1 半导体 110 所吸收 的光的波长还短的波长的光， 并进行光电转换。由于半导体基板 100 具有上述的二层串联 构造， 半导体基板 100， 能够在宽的波长范围内有效地吸收光， 所以能提高光电转换效率。
图 1B， 表示半导体基板 100 的剖面的其他一个例子。 该半导体基板 100， 与图 1A 所 示的半导体基板 100 相比， 增加了第 3 半导体 130。第 3 半导体 130， 对第 2 半导体 120 晶 格匹配或准晶格匹配， 形成在第 2 半导体 120 上方。
第 3 半导体 130， 具有第 1 传导型第 3 半导体 134， 低载流子浓度第 3 半导体 135， 和第 2 传导型第 3 半导体 136。第 1 传导型第 3 半导体 134， 具有 P 型或 N 型的传导型。第 1 传导型第 3 半导体 134， 与第 2 传导型第 2 半导体 126 晶格匹配或准晶格匹配。
第 2 传导型第 3 半导体 136， 在第 1 传导型第 3 半导体 134 的上方形成。第 2 传导 型第 3 半导体 136， 有与第 1 传导型第 3 半导体 134 不同的传导型。低载流子浓度第 3 半导 体 135， 在第 1 传导型第 3 半导体 134 和第 2 传导型第 3 半导体 136 之间形成。低载流子 浓度第 3 半导体 135 中的有效载流子浓度， 比第 1 传导型第 3 半导体 134 及第 2 传导型第 3 半导体 136 中的有效载流子浓度还低。比如， 低载流子浓度第 3 半导体 135， 是和第 1 传 导型第 3 半导体 134 及第 2 传导型第 3 半导体 136 同样的组成的本征半导体。低载流子浓 度第 3 半导体 135， 可以是在第 1 传导型第 3 半导体 134 和第 2 传导型第 3 半导体 136 间形 成的空间电荷区域。
第 3 半导体， 比如是 Alx3Iny3Ga1-x3-y3Asz3P1-z3(0 ≤ x3 ≤ 1， 0 ≤ y3 ≤ 1， 0 ≤ z3 ≤ 1，
且 0 ≤ x3+y3 ≤ 1)。第 3 半导体 130， 可以含比第 2 半导体 120 具有的第 2 带隙还大的第 3 带隙的材料。
第 1 半导体 110、 第 2 半导体 120、 和第 3 半导体， 比如在开口 106 内部形成。第 1 半导体 110、 第 2 半导体 120、 和第 3 半导体 130， 其一部可以在阻碍体 104 上方形成。半导 体基板 100， 由于具有包含第 1 半导体 110、 第 2 半导体 120、 和第 3 半导体 130 的 3 层串联 构造， 半导体基板 100， 在比图 1A 表示的半导体基板 100 还宽的波长范围内能有效地吸收 光， 所以光电转换效率能够提高。
图 2， 表示其他实施方式涉及的光电转换器件 200 的剖面的一个例子。 光电转换器 件 200， 具有基底基板 202、 势阱 203、 阻碍体 204、 第 1 半导体 210、 第 2 半导体 220、 第3半 导体 230、 缓冲层 242、 半导体 244、 半导体 246、 半导体 254、 半导体 256、 接触层 268、 透明电 极 272、 钝化层 274、 绝缘膜 276、 和布线 278。
阻碍体 204， 具有多个开口 206。光电转换器件 200， 具有在多个开口 206 上形成 的光吸收构造体 C1 及光吸收构造体 C2。光电转换器件 200， 也可以还具有多个光吸收构造 体。作为一个例子， 光吸收构造体 C1 和光吸收构造体 C2， 有同样的构成。关于以下的光吸 收构造体 C1 的说明， 也能适用于光吸收构造体 C2。 基底基板 202， 与图 1A 的基底基板 102 对应， 有基底基板 102 同样的构成。阻碍体 204 与阻碍体 104 对应， 有阻碍体 104 同样的构成。
第 1 半导体 210， 具有 BSF(Back Surface Field)212、 第 1 传导型第 1 半导体 214、 低载流子浓度第 1 半导体 215、 第 2 传导型第 1 半导体 216、 和窗口 218。第 1 半导体 210， 比如是 IV 族化合物半导体。作为一个例子， 第 1 半导体 210 是 Cx1Siy1Gez1Sn1-x1-y1-z1(0 ≤ x1 ＜ 1， 0 ≤ y1 ≤ 1， 0 ≤ z1 ≤ 1， 且 0 ＜ x1+y1+z1 ≤ 1)。第 1 半导体 210， 比如是 Ge 或 SiGe 或 CSiGe。第 1 半导体 210， 可以有双异质结连接。第 1 半导体 210， 可以含具有第 1 带隙的 材料。
第 1 传导型第 1 半导体 214， 与图 1A 中的第 1 传导型第 1 半导体 114 对应。第 2 传导型第 1 半导体 216， 与第 2 传导型第 1 半导体 116 对应。光吸收构造体 C1， 在第 1 传导 型第 1 半导体 214 和第 2 传导型第 1 半导体 216 之间， 包含具有比第 1 传导型第 1 半导体 214 及第 2 传导型第 1 半导体 216 还低的有效载流子浓度的低载流子浓度第 1 半导体 215。
作为第 1 传导型第 1 半导体 214， 能例示厚度为 0.5μm 以上 50.0μm 以下的 P 型 Ge。作为其一个例子， 第 1 传导型第 1 半导体 214， 是 2.0μm 的 P 型 Ge。作为低载流子浓 度第 1 半导体 215， 能例示厚度为 0.3μm 以上 3.0μm 以下， 载流子浓度为 1.0×1016cm-3 以 上 1.0×1018cm-3 以下的 P 型 Ge， B 掺杂剂量能例示为 1.0×1016cm-3 以上 1.0×1018cm-3 以下 的 P 型 Ge。作为其一个例子， 低载流子浓度第 1 半导体 215， 是 1.0μm 的 P 型 Ge。
同时， 作为第 2 传导型第 1 半导体 216， 能例示厚度是 0.02μm 以上 5.0μm 以下， 18 -3 20 -3 P( 磷 ) 掺杂剂量 1×10 cm 以上 5×10 cm 以下的 N 型 Ge。作为一个例子， 第 2 传导型第 18 -3 1 半导体 216， 厚度是 0.05μm， P( 磷 ) 掺杂剂量是 2.0×10 cm 的 N 型 Ge。包含上述第 1 传导型第 1 半导体 214 及第 2 传导型第 1 半导体 216 的第 1 半导体 210， 比如具有 0.66eV 的第 1 带隙。
BSF212， 是抑制电荷的再结合的再结合抑制体的一个例子。 在这里， 所谓的 BSF， 是 Back Surface Field 的略称。 同时， 所谓的再结合， 是被激励的电子和被激励的空穴结合后
消灭。BSF212， 可以具有比第 1 传导型第 1 半导体 214 及第 2 传导型第 1 半导体 216 还大 的带隙。BSF212， 在基底基板 202 上方被形成。
BSF212， 是在基底基板 202 晶格匹配或准晶格匹配的半导体。 作为 BSF212， 能例示 18 -3 20 -3 厚度 0.01μm 以 0.5μm， Ga 掺杂剂量 5×10 cm 以上 5×10 cm 以下的 P 型 SiGe。作为 一个例子， BSF212， 是厚度 0.02μm， Ga 掺杂剂量 2.0×1019cm-3 的 P 型 Si0.1Ge0.9。
窗口 218， 是抑制电荷的再结合的再结合抑制体的一个例子。窗口 218， 可以具有 比第 1 传导型第 1 半导体 214 及比第 2 传导型第 1 半导体 216 大的带隙。窗口 218， 在第 2 传导型第 1 半导体 216 上形成。窗口 218， 是与第 2 传导型第 1 半导体 216 晶格匹配或 准晶格匹配的半导体。作为窗口 218， 能例示是厚度为 0.01μm 到 0.3μm， Si 掺杂剂量为 18 -3 19 -3 1×10 cm 以上 4×10 cm 以下的 N 型 GaInP。 作为一个例子， 窗口 218， 是厚度为 0.02μm， 18 -3 Si 掺杂剂量 5.0×10 cm 的 N 型 Ga0.5In0.5P。
第 1 半导体 210 所具有的各半导体层， 比如通过外延生长法而形成。作为外延生 长法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。比如， 首先， 根据前述的方法， 在基底 基板 202 上面， 形成具有露出基底基板 202 表面的多个开口 206 的阻碍体 204。并且， 根据 MOCVD 法， 能够在该开口 206 内部按照 BSF212、 第 1 传导型第 1 半导体 214、 低载流子浓度第 1 半导体 215、 第 2 传导型第 1 半导体 216、 和窗口 218 的顺序， 形成第 1 半导体 210。
第 1 半导体 210， 接触在阻碍体 204 的开口 206 内部被露出的基底基板 202 表面， 比如被形成在开口 206 内部。第 1 半导体 210 的一部分， 可以从开口 206 露出， 被形成阻碍 体 204 上方。
缓冲层 242， 比如被形成在窗口 218 上方。缓冲层 242， 比如， 是与窗口 218 晶格匹 配或准晶格匹配的半导体。 缓冲层 242， 也可以是能降低位于其上下的半导体层的互相间的 坏影响的半导体层。缓冲层 242， 比如通过外延生长法形成。作为外延生长法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。
作 为 缓 冲 层 242， 能例示 ： 厚 度 为 0.01μm 以 上 0.5μm 以 下， Si 掺 杂 剂 量 为 18 -3 19 -3 2.0×10 cm 以上 2.0×10 cm 以下的 N 型 GaAs。作为一个例子， 缓冲层 242， 是厚度为 18 -3 0.1μm， Si 掺杂剂量是 3.0×10 cm 的 N 型 GaAs。
半导体 244 及半导体 246， 是高浓度添加了 P 型杂质的 P 型半导体， 或高浓度添加 了 N 型杂质的 N 型半导体。半导体 244 及半导体 246， 是具有各自不同的传导型的半导体。 半导体 244 及半导体 246， 可以被通道连接。
比如， 半导体 244， 是被高浓度添加了 N 型杂质的 N 型半导体， 半导体 246， 是被高 浓度添加了 P 型杂质的 P 型半导体时， 在半导体 244 和半导体 246 的界面形成通道连接。 由 于光吸收构造体 C1 具有该通道连接， 通过光电转换在第 1 半导体 210 和第 2 半导体 220 之 间生成的电子或空穴， 在第 1 半导体 210 和第 2 半导体 220 之间顺畅地流动。其结果， 光吸 收构造体 C1 能高效率地输出电流。
作为半导体 244， 可以例示， 厚度是 0.01μm 以上 0.2μm 以下， Si 掺杂剂量是 18 -3 19 -3 3.0×10 cm 以上 2.0×10 cm 以下的 N 型 GaAs。 半导体 244， 比如， 厚度 0.015μm， Si 掺杂 19 -3 剂量是 1.0×10 cm 以上的 N 型 GaAs。 同时， 作为半导体 246， 比如， 能例示是厚度 0.01μm 19 -3 21 -3 以上以 0.2μm 以下， C 掺杂剂量 2.0×10 cm 以上 1.0×10 cm 以下的 P 型 GaAs。半导 体 246， 比如是， 厚度为 0.015μm， C 掺杂剂量是 1.0×1020cm-3 以上的 P 型 GaAs。半导体 244 及半导体 246， 在缓冲层 242 上方形成。半导体 244 及半导体 246， 是 与缓冲层 242 晶格匹配或准晶格匹配的半导体。 半导体 244 及半导体 246， 能够通过外延生 长法形成。作为外延生长法， 能例示有 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。比如， 根据 MOCVD 法， 在缓冲层 242 上方， 依次按照半导体 244 及半导体 246 的顺序选择性生长。
第 2 半导体 220， 具有 BSF222、 第 1 传导型第 2 半导体 224、 第 2 传导型第 2 半导体 226、 和窗口 228。第 2 半导体 220， 比如是化合物半导体。第 2 半导体 220， 比如是 Alx2Iny2G a1-x2-y2Asz2Pw1N1-z2-w1(0 ≤ x2 ≤ 1， 0 ≤ y2 ≤ 1， 且 0 ≤ x2+y2 ≤ 1， 和 0 ≤ z2 ≤ 1， 0 ≤ w1 ≤ 1， 且 0 ≤ z2+w1 ≤ 1)。第 2 半导体 220 可以是 InGaAs。第 2 半导体 220， 可以具有双异质接 结连接。第 2 半导体 220， 可以包含具有比第 1 半导体 210 具有的第 1 带隙更大的第 2 带隙 的材料。
第 1 传导型第 2 半导体 224， 与图 1A 中的第 1 传导型第 2 半导体 124 对应。第 2 传导型第 2 半导体 226， 与第 2 传导型第 2 半导体 126 对应。光吸收构造体 C1， 在第 1 传导 型第 2 半导体 224 和第 2 传导型第 2 半导体 226 之间， 具有含比第 1 传导型第 2 半导体 224 及第 2 传导型第 2 半导体 226 更低的有效载流子浓度的低载流子浓度第 2 半导体 225。
作为第 1 传导型第 2 半导体 224， 能例示厚度为 0.3μm 以上， 3.0μm 以下， Zn 掺杂 17 -3 20 -3 剂量为 1.0×10 cm 以上 1.0×10 cm 以下的 P 型 InGaAs。第 1 传导型第 2 半导体 224， 比如， 厚度 0.05μm， Zn 掺杂剂量是 1.0×1019cm-3P 型 In0.01Ga0.99As。
作为低载流子浓度第 2 半导体 225， 能例示厚度为 0.3μm 以上， 3.0μm 以下， 16 -3 18 -3 载流子浓度 1.0×10 cm 以上 1.0×10 cm 以下的 P 型 InGaAs， Zn 掺杂剂量能例示为 16 -3 18 -3 1.0×10 cm 以上 1.0×10 cm 以下的 P 型 InGaAs。比如， 能例举 ： 厚度是 1.0μm， 载流子 17 -3 17 -3 浓度是 1.0×10 cm ， Zn 掺杂剂量是 1.0×10 cm 的 P 型 In0.01Ga0.99As。
同时， 作为第 2 传导型第 2 半导体 226， 能例示厚度 0.01μm 以上 1μm 以下， Si 17 -3 18 -3 掺杂剂量是 5.0×10 cm 以上 6.0×10 cm 以下的 N 型 InGaAs。第 2 传导型第 2 半导体 226， 比如， 是厚度为 0.05μm， Si 掺杂剂量为 2.0×1018cm-3 的 N 型 In0.01Ga0.99As。具有第 1 传导型第 2 半导体 224 及第 2 传导型第 2 半导体 226 的第 2 半导体 220， 比如有 1.39eV 的 第 2 带隙。
BSF222， 是抑制电荷的再结合的再结合抑制体的一个例子。BSF222， 可以有比第 1 传导型第 2 半导体 224 及第 2 传导型第 2 半导体 226 更大的带隙。BSF222， 可以在半导体 246 上方形成。BSF222， 是与半导体 246 晶格匹配或准晶格匹配的半导体。作为 BSF222， 能 18 -3 19 -3 例示厚度 0.01μm 以上 1μm 以下， Zn 掺杂剂量 1.0×10 cm 以上 5.0×10 cm 以下的 P 型 GaInP。BSF222， 比如， 厚度为 0.02μm， Zn 掺杂剂量是 2.0×1019cm-3 的 P 型 Ga0.5In0.5P。
窗口 228， 是抑制电荷的再结合的再结合抑制体的一个例子。窗口 228， 可以具有 比第 1 传导型第 2 半导体 224 及比第 2 传导型第 2 半导体 226 更大的带隙。窗口 228， 比如 被形成在第 2 传导型第 2 半导体 226 的上方。窗口 228， 是与第 2 传导型第 2 半导体 226 晶 格匹配或准晶格匹配的半导体。作为窗口 228， 能例示厚度 0.01μm 以上 1μm 以下， Si 掺 18 -3 19 -3 杂剂量 1.0×10 cm 以上 1.0×10 cm 以下的 N 型 GaInP。作为其一个例子， 窗口 228， 是 18 -3 厚度 0.02μm， Si 掺杂剂量 5.0×10 cm 的 N 型 Ga0.5In0.5P。
第 2 半导体 220 中包含的各半导体层， 比如根据外延生长法被形成。 作为外延生长 法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。比如， 根据 MOCVD 法， 通过在半导体 246上面依次使 BSF222、 第 1 传导型第 2 半导体 224、 低载流子浓度第 2 半导体 225、 第 2 传导型 第 2 半导体 226、 和窗口 228 选择生长， 从而得以形成第 2 半导体 220。第 2 半导体 220， 可 以被形成阻碍体 204 开口 206 内部， 从开口 206 露出在阻碍体 204 上面， 形成其一部分。
半导体 254 及半导体 256， 是高浓度添加了 P 型杂质的 P 型半导体， 或是高浓度添 加了 N 型杂质的 N 型半导体。半导体 254 及半导体 256， 是具有不同的传导型的半导体。半 导体 254 和半导体 256， 可以被通道连接。比如， 当半导体 254 是被高浓度地添加了 N 型杂 质的 N 型半导体， 半导体 256 是被高浓度地添加了 P 型杂质的 P 型半导体 P 型半导体时， 半 导体 254 和半导体 256 的界面形成通道连接。由于光吸收构造体 C1 具有该通道连接， 而根 据光电转换被形成第 2 半导体 220 和第 3 半导体 230 的电子或空穴， 在第 2 半导体 220 和 第 3 半导体 230 间顺畅地流动。其结果， 光吸收构造体 C1 能高效率地输出电流。
作 为 半 导 体 254， 能 例 示 是 厚 度 0.01μm 以 上 以 0.2μm 以 下， Si 掺 杂 剂 量 为 18 -3 19 -3 3.0×10 cm 以上 2.0×10 cm 以下的 N 型 GaAs。半导体 254， 比如， 是厚度 0.015μm， Si 19 -3 掺杂剂量是 1.0×10 cm 以上的 N 型 GaAs。 同时， 作为半导体 256， 能例示是， 厚度 0.01μm 19 -3 21 -3 以上 0.2μm 以下， C 掺杂量 2.0×10 cm 以上 1.0×10 cm 以下的 P 型 GaAs。 半导体 256， 20 -3 比如， 是厚度 0.015μm， C 掺杂剂量是 1.0×10 cm 以上的 P 型 GaAs。 半导体 254 及半导体 256， 可以被形成在窗口 228 的上方。半导体 254 及半导体 256， 是在窗口 228 晶格匹配或准晶格匹配的半导体。 半导体 254 及半导体 256， 比如由外延 生长法形成。作为外延生长法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。比如， 能够通 过 MOCVD 法， 在窗口 228 上方， 使半导体 254 及半导体 256 依次选择生长。
第 3 半导体 230， 具有 BSF232、 第 1 传导型第 3 半导体 234、 低载流子浓度第 3 半 导体 235、 第 2 传导型第 3 半导体 236、 和窗口 238。第 3 半导体 230， 比如是化合物半导体。 第 3 半 导 体 230 例 如 是 Alx3Iny3Ga1-x3-y3Asz3P1-z3(0 ≤ x3 ≤ 1， 0 ≤ y3 ≤ 1， 0 ≤ z3 ≤ 1， 且 0 ≤ x3+y3 ≤ 1)。第 3 半导体 230 可以是 GaInP。第 3 半导体可以具有第 3 空间电荷区域。 第 3 半导体 230 可以具有双异质结。第 3 半导体可以含有具有比上述第 2 带隙大的第 3 带 隙的材料。
BSF232， 是抑制电荷的再结合的再结合抑制体的一个例子。BSF232， 具有比第 1 传 导型第 3 半导体 234 及第 2 传导型第 3 半导体 236 更大的带隙。BSF232， 可以被形成在半 导体 256 的上面。比如， BSF232， 是对半导体 256 晶格匹配或准晶格匹配的半导体。作为 BSF232， 能例示厚度 0.01μm 以上 1μm 以下， Zn 掺杂量 1.0×1018cm-3 以上 5.0×1019cm-3 以 下 的 P 型 AlGaInP。BSF232， 比 如， 厚 度 0.02μm， Zn 掺 杂 量 为 2.0×1019cm-3 的 P 型 Al0.1Ga0.4In0.5P。
第 1 传导型第 3 半导体 234， 具有 P 型或有 N 型的传导型。第 2 传导型第 3 半导体 236， 具有与第 1 传导型第 3 半导体 234 不同的传导型。比如， 第 1 传导型第 3 半导体 234 是 P 型半导体， 第 2 传导型第 3 半导体 236 为 N 型半导体时， 在第 1 传导型第 3 半导体 234 和 第 2 传导型第 3 半导体 236 之间的低载流子浓度第 3 半导体 235 上形成空间电荷区域。第 3 半导体 230， 如果光入射到该空间电荷区域则生成电子及空穴。在第 3 半导体 230 中被生 成的电子， 向第 1 传导型第 3 半导体 234 及第 2 传导型第 3 半导体 236 中的 N 型半导体侧 移动， 空穴向 P 型半导体侧移动。其结果， 第 3 半导体 230， 作为光电转换器件而发挥作用。
作为第 1 传导型第 3 半导体 234， 能例示厚度 0.3μm 以上 3.0μm 以下， Zn 掺杂
量 1.0×1017cm-3 以上 1.0×1020cm-3 以下的 P 型 GaInP。作为其一个例子， 第 1 传导型第 3 19 -3 半导体 234， 是厚度 0.05μm， Zn 掺杂量 1.0×10 cm 的 P 型 Ga0.5In0.5P。作为低载流子浓 度第 3 半导体 235， 能例示是厚度 0.3μm 以上 3.0μm 以下， 载流子浓度 1.0×1016cm-3 以上 1.0×1018cm-3 以下的 P 型 GaInP， 能例示 Zn 掺杂量 1.0×1016cm-3 以上 1.0×1018cm-3 以下的 P 型 GaInP。作为其一个例子， 低载流子浓度第 3 半导体 235， 是厚度 1.0μm， 载流子浓度 17 -3 17 -3 1.0×10 cm ， Zn 掺杂量 1.0×10 cm 的 P 型 Ga0.5In0.5P。
同时， 作为第 2 传导型第 3 半导体 236， 能例示是厚度 0.01μm 以上 1μm 以下， Si 17 -3 18 -3 掺杂量 5.0×10 cm 以上 6.0×10 cm 以下的 N 型 GaInP。作为其一个例子， 第 2 传导型 18 -3 第 3 半导体 236， 是厚度 0.05μm， Si 掺杂量 2.0×10 cm 的 N 型 Ga0.5In0.5P。第 3 半导体 230， 比如具有 1.80eV 的第 3 带隙。
窗口 238， 是抑制电荷的再结合的再结合抑制体的一个例子。 窗口 238， 具有比第 1 传导型第 3 半导体 234 及第 2 传导型第 3 半导体 236 大的带隙。窗口 238， 被形成在第 2 传 导型第 3 半导体 236 的上方。窗口 238， 是与第 2 传导型第 3 半导体 236 晶格匹配或准晶格 匹配的半导体。 作为窗口 238， 能例示厚度 0.01μm 以上 1μm 以下， Si 掺杂量 1.0×1018cm-3 以上 1.0×1019cm-3 以下的 N 型 AlGaInP。作为其一个例子， 窗口 238， 厚以 0.02μm， Si 掺 -3 杂量作为 5.0×10cm 的 N 型 Al0.1Ga0.4In0.5P。 第 3 半导体 230 中包含的各半导体层， 比如通过外延生长法被形成。 作为外延生长 法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。比如， 根据 MOCVD 法， 通过在半导体 256 上面依次使 BSF232、 第 1 传导型第 3 半导体 234、 低载流子浓度第 3 半导体 235、 第 2 传导型 第 3 半导体 236 及窗口 238 选择生长、 能够形成第 3 半导体 230。第 3 半导体 230， 比如被 形成在阻碍体 204 开口 206 内部。第 3 半导体 230， 可以从开口 206 露出其一部形成在阻碍 体 204 上面。
接触层 268， 是为了确保在其上面形成的透明电极 272 和第 3 半导体 230 的电传导 性而设置的半导体。接触层 268， 可以具有和窗口 238 同样的传导型。接触层 268， 被形成 在窗口 238 上面。接触层 268， 是与窗口 238 晶格匹配或准晶格匹配的半导体。作为接触层 268， 能例示厚度 0.01μm 以上 0.05μm 以下， Si 掺杂量 3.0×1018cm-3 以上 2.0×1019cm-3 以 下的 N 型 GaAs。作为其一个例子， 接触层 268， 是厚度 0.10μm， Si 掺杂量是 6.0×1018cm-3 的 N 型 GaAs。或是厚度 0.10μm， Te 掺杂量是 2.0×1019cm-3 的 N 型 GaAs。
接触层 268， 比如通过外延生长法而形成。作为外延生长法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。比如， 通过 MOCVD 法， 能使接触层 268 在窗口 238 上面选择生长。
钝化层 274， 被形成在光吸收构造体 C1 的侧壁， 抑制在该侧壁中的电荷的再结合。 作为钝化层 274 的材料， 能例示 InGaP。作为钝化层 274 的形成方法， 能例示 CVD 法、 MOCVD 法、 MBE 法、 和 ALD 法等。
绝缘膜 276， 将各光吸收构造体电性地分离。 作为绝缘膜 276 的材料， 能例示 Al2O3、 SiO2、 Si3N4、 ZrO2 等。绝缘膜 276 能使用等离子 CVD 法、 离子镀法、 溅射法、 CVD 法、 MOCVD 法 等形成。
透明电极 272， 比如邻接接触层 268 形成。透明电极 272， 从光吸收构造体 C1 向外 部输出电力。透明电极 272， 具有导电性， 具有不遮断入射于光吸收构造体 C1 的光的材料。 作为透明电极 272 的材料， 能例示 ITO(Indium Tin Oxide)、 ZnO、 TiO2 等。作为透明电极
272 的形成方法， 能例示溅射法等。
势阱 203， 被形成于基底基板 202 中包含的硅中， 与光吸收构造体 C1 的第 1 半导体 电性结合。势阱 203， 从该硅的本体区域被电性地分离。比如， 在势阱 203 具有和该硅不同 的传导型时， 在势阱 203 与该硅之间形成 PN 结， 因此势阱 203 与该硅被电性地分离。光吸 收构造体 C1 所发生的电力， 能够作为势阱 203 和透明电极 272 之间的电动势取出。
势阱 203， 由离子注入法或热扩散法形成。 比如， 根据蚀刻法等光刻法， 在基底基板 202 的上方， 形成在形成势阱 203 的预定位置形成有开口的掩膜之后， 通过注入离子能够形 成势阱 203。比如， 在 N 型 Si 基底基板 202 中通过注入或扩散 B 而能够形成 P 型势阱 203。
布线 278， 被连接于透明电极 272， 介由透明电极 272 将从光吸收构造体 C1 取出的 电力输出到外部电路。本实施方式中， 通过布线 278 将光吸收构造体 C1 势阱 203 连接于光 吸收构造体 C2 的透明电极 272， 使二个光吸收构造体被串联连接。 作为布线 278 的材料， 能 例示 Cu、 Ag、 Al 等。作为布线 278 的形成方法， 能例示 CVD 法、 真空蒸发法、 和溅射法等。
光电转换器件 200， 具有包含第 1 半导体 210、 第 2 半导体 220、 和第 3 半导体 230 的 3 层串联构造。由于光电转换器件 200 具有 3 层串联构造， 使光电转换器件 200 在很宽 广的波长范围内有效地吸收光， 所以能提高光电转换效率。
图 3 到图 7， 表示在光电转换器件 200 制造过程中的剖面例。以下， 采用附图说明 关于光电转换器件 200 的制造方法。光电转换器件 200 制造方法， 包括 ： 形成势阱的阶段， 形成阻碍体的阶段， 形成第 1 半导体的阶段， 加热第 1 半导体的阶段， 形成第 2 半导体的阶 段， 形成第 3 半导体的阶段， 钝化处理的阶段， 以及串联或并联连接光吸收构造体的阶段。
在形成势阱的阶段中， 基底基板 202 形成势阱 203。比如， 在 N 型硅基板的基底基 板 202 上形成 P 型势阱 203 时， 通过蚀刻等光刻法， 在基底基板 202 上面， 形成在形成势阱 203 的预定位置形成有开口的掩膜之后， 注入 B 离子形成势阱 203。
在形成阻碍体的阶段中， 如图 3 所示， 在基底基板 202 上面， 形成具有露出基底基 板 202 表面的开口 206 的阻碍体 204。阻碍体 204 的形成， 比如， 通过热氧化法， 首先在基底 基板 202 的整面中形成氧化硅膜。通过蚀刻等的光刻法， 通过在氧化硅膜上形成露出基底 基板 202 表面的多个开口 206， 而形成阻碍体 204。
在形成第 1 半导体的阶段中， 如图 4 所示， 在开口 206 内部， 根据选择外延生长法 形成第 1 半导体 210。比如， 用 MOCVD 法， 使具有 P 型 SiGe 的 BSF212、 P 型 Ge 的第 1 传导 型第 1 半导体 214、 低载流子浓度第 1 半导体 215、 N 型 Ge 的第 2 传导型第 1 半导体 216， 和 N 型 GaInP 的窗口 218 的第 1 半导体 210 外延生长。
具体， 首先， 在减压桶型 MOCVD 炉的加热台上载置形成了具有开口 206 的阻碍体 204 的 Si 基底基板 202。 其次， 用高纯度氢充分将炉内置换之后， 开始基底基板 202 的加热。 结晶生长时的基板温度， 是 500℃至 800℃。基底基板 202 稳定在适当的温度时， 向炉内导 入 Si 原料， 接着导入 Ge 原料， 使 P 型 SiGe 的 BSF212 外延生长。
作为 Si 的原料， 能例示氯硅烷、 二氯甲硅烷、 三氯硅烷、 四氯硅烷、 硅烷或乙硅烷。 作为 Ge 的原料， 能例示锗烷， 四甲基锗 ((CH3)4Ge) 等。受体杂质原子为 Ga， 作为 P 型掺杂 可以用三甲基镓 (TMG)。同时， 作为其他的受体杂质可以用 B、 Al。作为掺杂剂可以使用三 甲基硼 (TMB)、 三甲基铝 (TMA)。
依次在 BSF212 上面使 P 型 Ge 的第 1 传导型第 1 半导体 214、 N 型 Ge 的第 2 传导型第 1 半导体 216、 和 N 型 GaInP 的窗口 218 外延生长。作为 In 的原料， 能例示三甲基铟 (TMI)。作为 P 的原料， 能例示磷化氢 (PH3)。同时， 施主杂质设为 P， 作为 N 型掺杂可以用磷 化氢。 同时， 能用作为其他的施主杂质可以使用 As。 作为掺杂剂可以使用三氢化砷 (AsH3)。
作为外延生长条件的一个例子， 能举出反应炉内压力 0.1atm， 生长温度 650℃， 生 长速度 1 ～ 3μm/hr。作为原料的载气， 能使用高纯度氢。关于后述的各半导体的形成方 法， 也能够使用同样的 MOCVD 法， 通过调整原料气体、 炉内压力、 生长温度、 生长时间等的参 数而外延生长。
在加热第 1 半导体 210 的阶段中， 通过加热第 1 半导体 210， 来降低在第 1 半导体 210 内部， 由于基底基板 202 和第 1 半导体 210 的晶格常数的差异等发生错位等晶格缺陷， 使第 1 半导体 210 的结晶性提高。也可以分成多段加热第 1 半导体 210。比如， 以没达到 第 1 半导体 210 熔点的温度实施了高温退火之后， 以更低于高温退火的温度的低温实施低 温退火。可以重复数次这样的 2 级退火。
作为一个例子， 在全部形成了第 1 半导体 210 各半导体层之后， 加热第 1 半导体 210。形成第 1 半导体中包含的一部分半导体之后， 可以加热第 1 半导体 210。比如， 可以在 只形成了 P 型 SiGe 的 BSF212 之后， 加热第 1 半导体 210。此时， 高温退火的温度及时间， 比 如， 是在 850 ～ 900℃下实施 2 ～ 10 分种。低温退火的温度及时间， 比如， 在 650 ～ 780℃ 下实施 2 ～ 10 分种。比如可以反复 10 次这样的 2 级退火。
在形成第 2 半导体 220 的阶段中， 如图 5 所示， 通过外延生长法， 依次形成缓冲层 242、 半导体 244、 半导体 246、 和第 2 半导体 220。比如， 采用 MOCVD 法， 首先， 接触窗口 218 外延生长 N 型 GaAs 的缓冲层 242。此后， 在缓冲层 242 的上方， 依次使 N 型 GaAs 的半导体 244、 P 型 GaAs 的半导体 246、 P 型 GaInP 的 BSF222、 P 型 InGaAs 的第 1 传导型第 2 半导体 224、 低载流子浓度第 2 半导体 225、 N 型 InGaAs 的第 2 传导型第 2 半导体 226， 和 N 型 GaInP 的窗口 228 外延生长。
作为 As 的原料， 能例示三氢化砷 (AsH3)。作为受体杂质， 还能够例示 C、 Zn 等。作 为施主杂质， 还能例示 Si、 Se、 Ge、 Sn、 Te、 及 S 等。
在形成第 3 半导体的阶段中， 如图 6 所示， 通过外延生长法， 依次形成半导体 254、 半导体 256、 第 3 半导体、 和接触层 268。比如， 采用 MOCVD 法， 首先， 邻接窗口 228， 使N型 GaAs 的半导体 254 外延生长。此后， 在半导体 254 上面， 依次使 P 型 GaAs 的半导体 256、 P 型 AlGaInP 的 BSF232、 P 型 GaInP 的第 1 传导型第 3 半导体 234、 低载流子浓度第 3 半导体 235、 N 型 GaInP 的第 2 传导型第 3 半导体 236、 N 型 AlGaInP 的窗口 238、 ， 和 N 型 GaAs 的接 触层 268 外延生长。
在钝化处理的阶段中， 如图 7 所示， 在光吸收构造体 C1 及光吸收构造体 C2 侧壁形 成钝化层 274 及绝缘膜 276 之后， 形成透明电极 272。比如， 采用 MOCVD 法， 在光吸收构造 体 C1 及光热吸收构造体 C1 的侧面， 外延形成 InGaP 的钝化层 274。比如， 通过溅射法形成 ZrO2 膜， 从而得到绝缘膜 276。
其次， 根据蚀刻法等光刻法， 部分地除去形成透明电极的位置的绝缘膜 276， 形成 开口， 露出接触层 268。 继续， 在形成透明电极 272 的位置形成具有开口的掩膜之后， 根据溅 射法， 形成比如由 ITO 组成的透明电极膜。此后， 通过剥离掩膜， 如图 7 所示， 形成透明电极 272。在串联或并联连接光吸收构造体的阶段中， 如图 2 所示， 形成布线 278， 连接光吸 收构造体 C1 和光吸收构造体 C2。比如， 形成在形成布线 278 的位置形成有开口的掩膜之 后， 通过真空蒸镀法， 比如蒸镀由 Al 组成的金属膜。 此后， 能够通过剥离掩膜形成配线 278。
在如图 2 所示的光电转换器件 200 中， 根据布线 278， 将光吸收构造体 C2 的透明 电极 272 连接到光吸收构造体 C1 的势阱 203 上， 二个光吸收构造体被串联连接。在光电转 换器件 200 中， 由布线 278， 可以将光吸收构造体 C1 及光吸收构造体 C2 并联连接。比如， 如果在有传导性的 Si 基底基板 202 上， 不形成势阱 203， 光吸收构造体 C1 及光吸收构造体 C2 与基底基板 202 接触形成， 二个光吸收构造体的第 1 半导体 210 通过基底基板 202 被连 接。如果以该状态， 由布线连接光吸收构造体 C1 和光吸收构造体 C2 的透明电极的话， 则两 个光吸收构造体被并联连接。
如果并联连接时， 形成并联连接的 2 个以上的光吸收构造体的 2 个以上的开口， 可 以在不损坏结晶性的范围被连接。 如果连接开口， 则在其之间形成与器件同样的构造， 所以 在形成布线的时候， 变得不受高低差的影响， 因而是优选的。比如， 使 20μm 四方的开口互 相不孤立地， 与邻接的开口之间以比如 3μm 左右小的开口连接。因此， 上侧的布线不受高 低差的影响容易形成连接。
图 8， 表示在半导体基板 100 中的光吸收构造体的能量带的一个例子。图 8 上部， 表示半导体基板 100 的剖面。图 8 下部， 表示第 1 半导体 110 或第 2 半导体 120 的能量带。 横轴， 表示平行于第 1 半导体 110 或在第 2 半导体 120 中的基底基板 102 的面内位置。纵 轴， 表示第 1 半导体 110 或第 2 半导体 120 能量带。下曲线表示价电子带的上端， 上面的曲 线表示传导带的下端。上曲线和下曲线的间隔表示带隙。
第 1 半导体 110 或第 2 半导体 120， 比如， 在与基底基板 102 平行的面内中， 在与基 底基板 102 并行的面的中心距离更大的位置， 具有构成更大的带隙的组成分布。也就是， 第 1 半导体 110 或第 2 半导体 120， 可以具有与中心部位相比， 在周边部的带隙变大的组成分 布。
比如， 第 1 半导体 110 或第 2 半导体 120， 如图 8 所示， 在第 1 半导体 110 中心部位 具有 Eg1 带隙， 周边部有比 Eg1 大的 Eg2 带隙。在第 1 半导体 110 是 SiGe 时， 从中心部向周 边部慢慢增加 Si 的组成， 从而如图 8 所示的带隙发生变化。在第 2 半导体 120 为 InGaAs 时， 从中心部向周边部慢慢减少 In 的组成， 增加 Ga 的组成， 从而得到如图 8 所示的带隙变 化。
第 1 半导体 110 或第 2 半导体 120 的周边部， 由于比中心部位具有更宽的带隙 Eg2， 所以能够抑制因光电变换而发生的载流子在周边部中的再结合。在上述的光电转换器件 200 中的第 1 半导体 210、 第 2 半导体 220、 和第 3 半导体 230 的任何中， 也可以在与基底基 板 202 并行的面内中， 具有如图 8 所述变化的带隙。
图 9， 表示半导体基板 100 中的第 1 半导体的组成分布的例子。图 9(a)， 表示半导 体基板 100 的剖面。图 9(b) 到图 9(e)， 表示第 1 半导体 110 中包含的第 1 传导型第 1 半导 体 114 组成分布。根据在第 1 半导体 110 及第 2 半导体 120 层叠方向上的距基底基板 102 的距离， 第 1 半导体 110 的组成发生变化。
比如， 第 1 半导体 110 是 SiGe， 第 2 半导体 120 为 Ge 时， 从接触第 1 半导体 110 的 基底基板 102 的面朝向第 2 半导体的方向中， 硅的比例减少。Si 的组成的变化， 如 (b) 到(d) 所示的例子一样， 可以连续性地变化。 Si 的组成的变化， 如 (e) 所示可以阶段性地变化。
在第 1 半导体 110 中的 Si 的组成， 在第 1 传导型第 1 半导体 114 中变化， 在低载 流子浓度第 1 半导体 115 及在第 2 传导型第 1 半导体 116 中最好不变化。其结果， 第1传 导型第 1 半导体 114 与基底基板 102 晶格匹配的同时， 第 2 传导型第 1 半导体 116 和第 1 传导型第 2 半导体 124 晶格匹配。
在靠近含有 Si 的基底基板 102 的部位具有高的 Si 组成， 在靠近 Ge 的第 2 半导体 120 的部位， 具有高 Ge 组成， 由此， 能够缓和基底基板 102 与第 1 半导体 110 及第 2 半导体 120 的晶格常数的差异而发生的内部应力。 其结果， 能降低因为内部应力而生成的错位等的 晶格缺陷， 提高结晶性。
图 10， 表示光电转换器件 1000 的剖面的一个例子。光电转换器件 1000， 具有基 底基板 1002、 透明电极 1072、 布线 1078、 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 光吸收构造体 C3、 聚光部件 1082、 和密封部件 1084。基底基板 1002， 与光电转换器件 200 中的基底基板 202 对应。透明电极 1072 与透明电极 272 对应。布线 1078 与布线 278 对应。光吸收构造 体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3， 与光电转换器件 200 中的光吸收构造体 C1 对 应， 可以具有同样的构成。
聚光部件 1082 进行聚光， 以使入射的光的至少一部分光入射到光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 或光吸收构造体 C3 中。 聚光部件 1082， 比如是光学透镜。 聚光部件 1082， 可以由透过光的材料构成， 比如像玻璃、 塑料等。聚光部件 1082， 是具有能够聚合光的透镜 效果的部件。光电转换器件 1000， 也可以具有与光吸收构造体的各自对应的多个聚光部件 1082。多个聚光部件 1082， 如图 10 所示可以一体压制成形。
聚光部件 1082， 被设置在所聚合的光对光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 或光 吸收构造体 C3 进行入射的位置。聚光部件 1082， 比如， 与入射光的第 1 色区域， 以及， 比该 第 1 色区域短波长域的第 2 色区域， 并且， 与比该第 2 色区域短波长域的第 3 色区域对应， 具有焦点距离相异的色差。
图 11， 表示具有色差的聚光部件的焦点位置。图 11， 是将图 10 中的光吸收构造体 C1 部分扩大后的附图。光吸收构造体 C1， 与光电转换器件 200 中的光吸收构造体 C1 对应， 具有同样的构成。在图 11 中， 省略了一部分构成部分的说明。
光吸收构造体 C1， 具有包含第 1 半导体 1010、 第 2 半导体 1020、 和第 3 半导体 1030 的 3 层串联构造。半导体 1014、 半导体 1016、 半导体 1024、 半导体 1026、 半导体 1034、 和半 导体 1036， 与各自的光电转换器件 200 中的第 1 传导型第 1 半导体 214、 第 2 传导型第 1 半 导体 216、 第 1 传导型第 2 半导体 224、 第 2 传导型第 2 半导体 226、 第 1 传导型第 3 半导体 234、 和第 2 传导型第 3 半导体 236 分别对应。
聚光部件 1082 有色差， 如图 11 所示， 与各波长的光对应的焦点， 如 F01、 F02 及以 F03 所表示的那样在一定的范围内分布。聚光部件 1082 相对于具有与第 1 半导体 1010 的 带隙对应的能量的光的焦点位置 F01， 位于第 1 半导体 1010 中的第 1 空间电荷区域的位置， 即位于低载流子浓度半导体 1015 上。聚光部件 1082 相对于具有与第 2 半导体 1020 的带 隙对应的能量的光的焦点位置 F02， 位于第 2 半导体 1020 中的第 2 空间电荷区域的位置， 即 位于低载流子浓度半导体 1025 上。
聚光部件 1082 相对于具有与第 3 半导体 1030 带隙对应的能量的光的焦点位置 F03， 位于第 3 半导体 1030 中的第 3 空间电荷区域的位置， 即位于低载流子浓度半导体 1035。因为与聚光部件 1082 的各个光相对的焦点位置， 与第 1 空间电荷区域的位置， 第2 空间电荷区域的位置， 及， 第 3 空间电荷区域的位置相等， 所以光吸收构造体 C1， 能够高效 率地吸收分别具有与第 1 半导体 1010、 第 2 半导体 1020 及第 3 半导体 1030 的带隙对应的 波长的光。因此， 能够提高光电转换器件 1000 的光电转换效率。
聚光部件 1082， 还可以含有覆盖其表面地， 吸收或反射比相当于第 1 半导体 1010 带隙的波长更长的长波长的光的光学膜。光电转换器件 1000， 还可以具有含重金属的耐射 线膜， 选择性地被配置在被聚光部件 1082 聚光后的光中的， 对光吸收构造体 C1 等入射的光 的路径上。比如， 可以在透明电极 1072 上部， 设置含有重金属的耐射线膜。
密封部件 1084， 如图 10 所示， 将光电转换器件 1000 一体密封封装。密封部件 1084， 可以由玻璃、 塑料等一类的透明材料构成。密封部件 1084， 可以一体形成聚光部件 1082。聚光部件 1082， 可以由密封部件 1084 保持。
布线 1078， 与光电转换器件 200 中的布线 278 对应。 布线 1078， 与被配置在入射光 入射一侧的光吸收构造体 C1 等上的透明电极 1072 连接。如图 10 所示， 与入射光入射至透 明电极 1072 的路径不重合地配置布线 1078。即， 可以配置在由于用聚光部件 1082 将入射 光聚光所产生的影子的部分。具体， 可以被配置图 10 所示的虚线的下方的影子的区域中。 根据上述配置， 因为被聚光部件 1082 聚集的光不会被布线遮断地入射于光吸收构造体中， 使光电转换器件 1000 更高效率地进行光电转换。
图 12， 表示光电转换器件 1200 一个例子。图 12 上部， 表示光电转换器件 1200 的 剖面。图 12 下部， 表示光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3 的连接状况 的对应电路图。光电转换器件 1200， 具有基底基板 1202、 势阱 1203、 阻碍体 1204、 透明电极 1272、 布线 1278、 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2， 和光吸收构造体 C3。
基底基板 1202， 与在光电转换器件 200 中的基底基板 202 对应。势阱 1203 与势阱 203 对应。透明电极 1272 与透明电极 272 对应。布线 1278 与布线 278 对应。光吸收构造 体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3、 与在光电转换器件 200 中的光吸收构造体 C1 对应。
如图 12 所示， 在光电转换器件 1200 中， 光吸收构造体 C3 的透明电极 1272， 被布 线 1278 连接到在光吸收构造体 C2 下部形成的势阱 1203 上， 光吸收构造体 C2 的透明电极 1272， 被布线 1278 连接到在光吸收构造体 C1 下部形成的势阱 1203 上。即， 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3， 如图 12 下部的对应电路图所示， 被串联连接。此 时， 光电转换器件 1200 所发生的电力， 作为在光吸收构造体 C1 中的透明电极 1272 与光吸 收构造体 C3 中的势阱 120 之间的电动势输出。 在图 12， 表现了三个光吸收构造体被串联连 接的例子， 不过， 可以串联连接更多的光吸收构造体。
图 13， 表示光电转换器件 1300 的一个例子。图 13 上部， 表示光电转换器件 1300 的剖面。图 13 下部， 表示光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3 连接状况 的对应电路图。光电转换器件 1300、 具有基底基板 1302、 势阱 1303、 阻碍体 1304、 透明电极 1372、 布线 1378、 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3。
基底基板 1302， 与在光电转换器件 200 中的基底基板 202 对应。势阱 1303 与势阱 203 对应。透明电极 1372 与透明电极 272 对应。布线 1378 与布线 278 对应。光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2 及光吸收构造体 C3， 与在光电转换器件 200 中的光吸收构造体 C1 对应。
如图 13 所示， 在光电转换器件 1300 中， 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光 吸收构造体 C3 的透明电极 1272， 被布线 1278 互相连接。同时， 在光电转换器件 1300 中， 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2、 和光吸收构造体 C3， 被在其下部形成的势阱 1303 互相 电性连接。即， 光吸收构造体 C1、 光吸收构造体 C2 及光吸收构造体 C3， 如图 13 下部的对应 电路图所示， 被并联连接。光电转换器件 1300 发生的电力， 可以作为透明电极 1372 和势阱 1303 之间的电动势输出。在图 13 中例示了三个光吸收构造体被并联连接的例子， 不过， 可 以并联连接更多的光吸收构造体。
如上所述， 互相被串联或并联连接的多个光吸收构造体， 还可以与其他的被互相 串联或并联连接的多个光吸收构造体进一步并联或串联连接。
在以上的实施方式中， 在含 Si 的基板上面， 形成具有开口的阻碍体， 该开口内选 择性地让第 1 半导体， 第 2 半导体及到第 3 半导体外延生长。这样， 能够降低由于 Si 和化 合物半导体的晶格常数不同而造成的晶格缺陷， 形成了结晶性高的串联构造的光吸收构造 体。因为提高了光吸收体的结晶性， 所以能得到高的光电转换效率的光电转换器件。同时， 通过组合聚光部件， 得以会聚高效率的光并将光入射至光吸收体， 从而能够进一步提高光 电转换器件的光电转换效率。 符号的说明
100 半导体基板， 102 基底基板， 104 阻碍体， 106 开口， 110 第 1 半导体， 114 第 1 传 导型第 1 半导体， 115 低载流子浓度第 1 半导体， 116 第 2 传导型第 1 半导体， 120 第 2 半导 体， 124 第 1 传导型第 2 半导体， 125 低载流子浓度第 2 半导体， 126 第 2 传导型第 2 半导体， 130 第 3 半导体， 134 第 1 传导型第 3 半导体， 135 低载流子浓度第 3 半导体， 136 第 2 传导 型第 3 半导体， 140 光吸收构造体， 200 光电转换器件， 202 基底基板， 203 势阱， 204 阻碍体， 206 开口， 210 第 1 半导体， 212 BSF， 214 第 1 传导型第 1 半导体， 215 低载流子浓度第 1 半 导体， 216 第 2 传导型第 1 半导体， 218 窗口， 220 第 2 半导体， 222BSF， 224 第 1 传导型第 2 半导体， 225 低载流子浓度第 2 半导体， 226 第 2 传导型第 2 半导体， 228 窗口， 230 第 3 半 导体， 232 BSF， 234 第 1 传导型第 3 半导体， 235 低载流子浓度第 3 半导体， 236 第 2 传导型 第 3 半导体， 238 窗口， 242 缓冲层， 244 半导体， 246 半导体， 254 半导体， 256 半导体， 268 接 触层， 272 透明电极， 274 钝化层， 276 绝缘膜， 278 布线， 1000 光电转换器件， 1002 基底基板， 1025 低载流子浓度半导体， 1035 1010 第 1 半导体， 1014 半导体， 1015 低载流子浓度半导体， 低载流子浓度半导体， 1016 半导体， 1020 第 2 半导体， 1024 半导体， 1026 半导体， 1030 第 3 半导体， 1034 半导体， 1036 半导体， 1072 透明电极， 1078 布线， 1082 聚光部件， 1084 密封部 件， 1200 光电转换器件， 1202 基底基板， 1203 势阱， 1204 阻碍体， 1272 透明电极， 1278 布线， 1300 光电转换器件， 1302 基底基板， 1303 势阱， 1304 阻碍体， 1372 透明电极， 1378 布线。