JPH04342172A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH04342172A
JPH04342172A JP3142499A JP14249991A JPH04342172A JP H04342172 A JPH04342172 A JP H04342172A JP 3142499 A JP3142499 A JP 3142499A JP 14249991 A JP14249991 A JP 14249991A JP H04342172 A JPH04342172 A JP H04342172A
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metal
semiconductor
crystal
stress
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Seiji Ochi
越智 誠司
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置に関し、
特に半導体装置の表面電極が該電極下の半導体に対して
与えるストレスを軽減できる半導体装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】図12は従来のSi(シリコン)基板上
GaAs(ガリウム砒素)太陽電池の構造を示す図であ
り、図12(a) は上面図、図12(b) は図12
(a) 中のXIIb−XIIb線における断面図、図
12(c) は図12(a) 中のXIIc−XIIc
線における断面図である。これら図において、4はN型
Si基板であり、N型GaAs層3は基板4上に配置さ
れ、P型GaAs層2はN型GaAs層3上に配置され
る。裏面電極5は基板1裏面上に設けられ、表面電極1
はP型GaAs層2上に設けられる。表面電極1は複数
のグリッド部6と共通のバス部7からなる。グリッド電
極6の幅はwであり、間隔dをもって相互に平行に配置
されている。
【0003】次に、本従来例の動作について説明する。 表面側より太陽電池に入射した太陽光は、GaAs層内
で吸収され、光キャリアを発生する。このキャリアは、
GaAs層内に設けられたP/N接合の働きにより、光
起電力を発生すると共に、表面ならびに裏面に設けられ
た金属電極を通して光電流として外部に取り出される。
【0004】今、表面に設けられた金属電極に注目する
と、その機能はP型GaAs層に生じる光キャリアを太
陽電池全面から収集し、さらに外部に取り出すために1
ヶ所に導くことである。図12のくし型電極構造を持つ
太陽電池においては、グリッド部6がP型GaAs層2
より電流を収集し、くしの根本まで導く役割をする。バ
ス部7は各グリッド部6から集められた電流を、さらに
1ヶ所に集める働きおよび外部に接続するための導線を
取りつける端子としての働きをする。
【0005】一方、金属は光を反射し、透過させないこ
とから表面の金属電極はGaAs層に入射する光の量を
減少させる結果となる。
【0006】以上より、表面電極のパターン形状及びそ
の厚みの設計にあたっては、以下の制約の中で最適化を
行う必要がある。 (1) 金属電極を流れる電流による電圧降下による損
失を少なくするよう電極抵抗を小さくする。 (2) 半導体−金属間の電気抵抗を小さくする。(半
導体−金属の接触面積を大きくする。) (3) GaAs層内を拡散してくるキャリアを効率よ
く収集するために、グリッド電極間隔を最適化する。 (4) 入射光の反射による効率低下を防止するため、
電極面積はできるだけ小さくする。
【0007】2cm×2cmの面積を持つGaAsオン
Si太陽電池について最適化された電極構造の一例は、
図12に示す電極パターンにおいて、グリッド電極幅w
を20μm、グリッド電極間隔dを1mm、電極厚みを
4μmとしたものである。この場合、電極金属は銀であ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のSi基板上Ga
As太陽電池は以上のように構成されており、表面電極
とGaAs層ならびにSi基板の熱膨張係数が異なるこ
とが主因となって、電極下のGaAs層に対し、電極金
属が熱ストレスを与える。このストレスが原因となって
、GaAs層にクラック(割れ)が発生し効率が低下し
たり、結晶品質の低下によって効率が低下する問題があ
った。又、ストレスが原因となって素子の変形が生じる
という問題もあった。
【0009】Si基板上GaAs太陽電池は高効率,軽
量である特色を生かし、宇宙用(人工衛星用)太陽電池
として有望であるが、宇宙環境では温度変化が大きく、
一般に+60℃〜−150℃の範囲で熱サイクルにさら
されると考えられている。このような環境下では、上記
の熱ストレスによる問題は特に重要となる。実際に、+
150°〜−190℃の熱サイクル試験を行った結果、
温度変化に起因する熱ストレスにより上記の効率の劣化
や太陽電池の変形等が問題となることが確認されている
【0010】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、電極からの熱ストレスによる
素子の変形を防止すると共に、変形に伴って生じるクラ
ックの発生を防止することを目的とする。
【0011】また、この発明は、GaAs層が電極から
受けるストレス量を減らすことにより、半導体結晶の劣
化を防止すると共に、ストレスにより発生するクラック
を防止することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置は、一体の半導体結晶上に形成された金属電極を有す
るものにおいて、上記金属電極が、上記半導体結晶表面
内において、該結晶表面と電気的に接する領域と、上記
結晶表面と分離し電極金属形状が容易に変形できる形状
を有する領域とを周期的に備えたものである。
【0013】また、この発明に係る半導体装置は、一体
の半導体結晶上に形成された金属電極を有するものにお
いて、上記金属電極が、半導体結晶表面上に接して敷設
された薄膜状の金属と、断面積の大きな電極金属と、こ
れら薄膜状の金属と電極金属とを電気的に接続する上記
薄膜状金属の幅に比べ細い幅を持つ形状の金属部とを備
えたものである。
【0014】
【作用】この発明においては、一体の半導体結晶上に形
成された金属電極が、上記半導体結晶表面内において、
該結晶表面と電気的に接する領域と、上記半導体結晶表
面と分離し電極金属形状が容易に変形できる形状を有す
る領域とを周期的に備えた構成としたから、電極金属に
生じる応力は半導体表面より離れた電極金属部の変形に
より吸収され、素子の変形を防止できる。
【0015】また、この発明においては、一体の半導体
結晶上に形成された金属電極が、上記半導体結晶表面上
に接して敷設された薄膜状の金属と、断面積の大きな電
極金属と、これら薄膜状の金属と電極金属とを電気的に
接続する薄膜状金属の幅に比べ細い幅を持つ形状の金属
部とを備えた構成としたから、温度変化等により半導体
部と金属電極部の変形量のちがいが生じた場合、薄膜状
の金属と電極金属とを電気的に接続する細い金属部が歪
みを吸収し、半導体中に発生する電極金属から受ける応
力を低減できる。
【0016】
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。図1(a) は本発明の第1の実施例による半導体
装置であるGaAsオンSi太陽電池を示す平面図であ
り、図1(b) ,図1(c) ,及び図1(d) は
それぞれ図1(a) のIb−Ib断面,Ic−Ic断
面,及びId−Id断面を示す図である。これら図にお
いて、4はN型Si基板であり、N型GaAs層3は基
板4上に配置され、P型GaAs層2はN型GaAs層
3上に配置される。裏面電極5は基板1裏面上に設けら
れ、表面電極1はP型GaAs層2上に設けられる。表
面電極1は複数のグリッド部6と共通のバス部7からな
る。グリッド電極6の幅はwであり、間隔dをもって相
互に平行に配置されている。また、11は表面電極1が
半導体層2に物理的,電気的に接続された部分、12は
表面電極1が半導体層2から物理的,電気的に分離され
た部分である。
【0017】本第1の実施例の作用について従来例と比
較して説明する。図5は太陽電池の断面形状を室温及び
液体窒素温度に冷却した場合について、特に表面電極の
効果に着目して表した模式図である。図5(a) は本
実施例を、図5(b) は従来例を示す。また図6は図
5において素子を冷却した際に半導体層2及び上部電極
1にかかる応力を模式的に示す図であり、図6(a) 
は従来例を、図6(b) は本実施例を示す。
【0018】表面電極が銀電極の場合、その熱膨張係数
は室温付近で、20×10−6/kであるのに対して、
電極下のGaAs層では5.7×10−6/kと1/3
以下である。従って、室温で平坦である従来の構造の素
子を冷却すると、図5(b) に示すように、電極の縮
みの方が大きいために素子に反りを生じる。これを応力
の点から説明する。GaAs基板2上にAg電極1が形
成されている場合を考える。図6(a) に示すように
Ag電極が基板面全面に付着している場合は、素子を室
温から冷却した場合には、AgはGaAsに比べてより
縮もうとするために、変形量の少ないGaAsに引っ張
られる形でAg中には引っ張り応力が生じる。一方、電
極下のGaAsはAgの変形によって縮められるため、
圧縮力がかかる。この応力の大きさは、基板の厚み方向
に電極から離れるに従って小さくなり、基板裏面では引
っ張り応力になる。この基板厚さ方向の応力分布の結果
、素子は電極側からみて、凹面状に変形する。
【0019】一方、本実施例による電極構造を持つ素子
においては、図6(b) に示すように、素子の温度変
化により金属電極中に発生する応力の一部は、半導体か
ら離れた部分12の電極の長さ方向に変形できる部分1
6が変形することによって穏和される。このため、電極
から離れた部分12の下の半導体層には応力がかからな
い。 このように、応力のかからない領域を周期的に配するこ
とによって、半導体層にかかる応力を低減できるととも
に、素子の変形を穏和することができる。従って、室温
で平坦である本実施例の素子を冷却した場合、図5(a
) に示すように、変形量は少ない。素子の変形を穏和
する効果は、電極の全体の長さに対する半導体表面から
離れた部分12の割合を増した方がより効果的である。 従来例で示した太陽電池の場合には、半導体と金属の接
触抵抗の制約により、半導体表面から離れた部分12の
電極のグリッド部に占める割合の上限が決まるが、その
値は素子特性を損なうことなく70%程度にまでするこ
とができ、素子の変形防止に効果的である。また、この
効果によりSi基板上GaAs太陽電池においては応力
と素子の変形によって生じるクラックを防止できる。
【0020】次に本実施例の製造工程について説明する
。図2は図1に示す太陽電池の表面電極の形成方法の一
例を示す断面斜視工程図であり、図において、図1と同
一符号は同一又は相当部分である。また42,43はレ
ジスト、44は表面電極となるAg膜である。
【0021】まず、N型Si基板4上にN型GaAs層
3,及びP型GaAs層2を順次形成した後、P型Ga
As層2上の図1中の表面電極1が半導体層2から物理
的,電気的に分離された部分12に相当する領域に、図
2(a) に示すようにレジスト42のパターンを形成
する。ここでレジスト42の厚みは1ミクロン程度とす
る。次に、図2(b) に示すように、表面電極を形成
しようとする部分以外の領域にレジスト43のパターン
を形成する。ここでレジスト43の厚みは5ミクロン程
度と比較的厚くする。このようにレジストパターンを形
成したウエハ上にAgを約4ミクロンの厚みに蒸着する
。このように蒸着を行った場合、Ag電極は約1ミクロ
ン厚のレジスト42を完全にカバーする一方、約5ミク
ロン厚のレジスト43の段差部分に対してはそのエッジ
部で切れをおこしている。この状態でレジスト剥離を行
うと、約5ミクロン厚のレジスト43上のAg膜はレジ
ストとともにリフトオフされ、図2(c) に示すよう
な表面電極パターンを得ることができる。ここで、図2
(c) に示すようにグリッド電極下にはレジスト42
が残留しているが、レジストは応力により容易に変形す
るので、本実施例の効果を損なうものではない。また、
さらに強力なレジスト除去をおこなうことでレジスト4
2を除去することも可能である。
【0022】なお、上記製造工程において、約1ミクロ
ン厚のレジスト42のパターンは、図2(a) に示す
ように離散的に配置したパターンの他、図3に示すよう
な、表面電極1が半導体層2に物理的,電気的に接続さ
れる部分のみに開口を設けたパターンとしてもよい。
【0023】図4は図1に示す太陽電池の上部電極の形
成方法の他の例を示す断面斜視工程図であり、図におい
て、図2と同一符号は同一または相当部分である。また
45は給電層となるAg膜、51はレジスト、46はメ
ッキ層である。
【0024】まず、N型Si基板4上にN型GaAs層
3,及びP型GaAs層2を順次形成した後、図4(a
) に示すように、表面電極1が半導体層2に物理的,
電気的に接続される部分のみに開口を設けたレジスト4
2のパターンを形成する。ここでレジスト42の厚みは
2〜3ミクロンとする。このようなパターンを形成した
ウエハ上に、図4(b) に示すように、0.5ミクロ
ン程度の厚みのAg給電層45をスパッタ法により形成
する。ここでスパッタ法は蒸着に比して段差のカバレッ
ジ特性に優れているため、レジストの段差で切れを生じ
ることなく給電層45を形成することができる。次に、
図4(c) に示すように、表面電極が形成される部分
を除く領域にメッキ工程時のマスクとして用いるレジス
トパターン51を形成する。この後、電解メッキを行っ
て、レジストパターン51の開口部に露出した給電層4
5上にAgメッキ層46を約4ミクロンの厚みに形成す
る(図4(d) )。次いでレジスト51を除去し、イ
オンミリング法によりAg給電層45を除去する。ここ
で、イオンミリングにより、電極となるAgメッキ層4
6もその膜厚が減少するが、減少後のAg電極の膜厚は
約4ミクロンであるので、太陽電池の動作上なんら問題
とはならない。 また、イオンミリングに際し、電極パターン上にミリン
グ防止用のレジストパターンを形成しておけば、上記の
膜厚減少を防止することも可能である。この後、最初に
設けたレジスト42を除去することにより図4(e) 
に示すような表面電極パターンを得ることができる。こ
こで、図4(e) に示すようにグリッド電極下にはレ
ジスト42が残留しているが、レジストは応力により容
易に変形するので、本実施例の効果を損なうものではな
い。また、さらに強力なレジスト除去をおこなうことで
レジスト42を除去することも可能である。
【0025】次に本発明の第2の実施例について説明す
る。図7(a) は本発明の第1の実施例による半導体
装置であるGaAsオンSi太陽電池を示す平面図であ
り、図7(b) は図7(a) のVIIb−VIIb
断面を示す図である。 これら図において、図1と同一符号は同一又は相当部分
である。本実施例では表面電極1は、半導体上に物理的
,電気的に接続された薄膜部分15,電流を流す部分1
3,及び薄膜部分15と電流を流す部分13を接続する
部分14により構成されている。図7(c) は表面電
極1の一部を示す斜視図である。
【0026】次に、本実施例の効果について説明する。 半導体上に帯状の形状をした金属が形成された場合、半
導体層が金属から受ける応力は、電極のエッジ部で非常
に大きくなることが知られている。ジャーナル  オブ
  アプライド  フィジクス,50巻7号(J.Ap
pl.Phys.50(7);p4567 〜p457
9(1979))に示されているように、この応力の大
きさは電極金属中の応力の大きさσと金属の厚さdの積
,σ×dに比例している。文献の例では膜を帯状に除去
した場合を示しているが、これは帯状の膜が付いている
場合と等価である。応力の大きさσは電極金属の種類や
形成方法に依存すると共に、素子の温度が変化する場合
には接合している金属と半導体の熱膨張率や硬さのちが
いに依存する量である。電極から受けるストレスが電極
のエッジ部に集中し、この応力が半導体層の結晶性を劣
化させる例を図11に示す。図11は図12に示した従
来例と同一の電極構造を持つGaAs基板上GaAs太
陽電池について、応力による結晶欠陥の発生を示したも
のである。図11(a) は太陽電池の電極を含む一部
分を示した平面図、図11(b) は図11(a)と同
一位置について電極金属をエッチング除去した後、KO
Hエッチングを行ったもので、転位に対応したエッチピ
ットの分布を示した平面図である。図において、2はG
aAs結晶、1は結晶表面に形成された電極、30は転
移に対応して形成されたエッチピットである。図11(
b) のエッチピット30の分布から、電極エッジ位置
において転位が多く発生していることがわかる。結晶中
に転位が発生し結晶品質が低下すると、リーク電流が増
大し変換効率の低下を招く。
【0027】図11に示す例では電極は蒸着法により形
成された後、GaAsとオーミックコンタクトをとるた
めに400℃,15分間の熱処理を行っており、この時
電極がGaAs層に与える熱応力によって、電極エッジ
部のGaAs層に転位を生じたものである。これより、
電極エッジ部の応力を穏和することが結晶品質の劣化を
防止する上で重要であることがわかる。
【0028】ここで、電極から受ける熱応力(特にエッ
ジ部)を低減させるには、応力の大きさが電極の厚みd
に比例することから、この電極の厚みdを極めて小さく
すれば良いことが理解される。
【0029】本第2の実施例では電極の断面構造が図7
(b) に示すように、半導体と電気的接続を行う部分
15が薄膜状であるために、素子に温度変化が生じた場
合にも、電極厚みを極めて薄くした効果により、エッジ
部に生じる熱応力を極めて小さくすることができる。こ
の部分は、金属と半導体間での接触抵抗による効率の低
下を招かないような面積を有する。従って、GaAs層
に発生した光電流を収集することができる。この電流は
、細くくびれた部分14を通じて断面積の大きな電流を
流す部分13に導かれ、グリッド部6を流れて、バス部
7に集められる。また、素子に温度変化が生じた場合、
電流を流す部分13とGaAs層2の間には熱膨張率の
差によって変形量に差を生じるが、この差は細くくびれ
た部分14が機械的変形に対して自由度が高い、即ち、
力が加わると、グリッドの長辺方向に容易に変形するた
めに、この部分で吸収される。従って、図7に示すよう
な電極構造においては、電極が半導体層に及ぼす応力を
最小限におさえ、かつ半導体−金属間接触抵抗が小さく
、かつグリッドの長さ方向の電気抵抗の小さい電極が実
現できる。このため、電極下の半導体層に転位を発生さ
せ結晶を劣化させることもなく、又素子の温度変化に対
する素子の反り(変形)を小さくできる。
【0030】次に本第2の実施例の製造工程について説
明する。図8は図7に示す太陽電池の電極形成工程を示
す図であり、図において、21は光電変換層が形成され
た太陽電池基板である。また22a,22b,22cは
レジストパターン、23a,23bは金属膜、24は金
属メッキ層である。
【0031】まず、図8(a) に示すように、基板2
1上にレジストパターン22aを形成する。次に、図8
(b) に示すように、レジストパターン22aをマス
クとして金属膜23aを約0.1ミクロンの厚さに蒸着
法により形成する。この後、レジストを除去することに
より図8(c) に示すように、図7中の半導体と電気
的接続を行う部分15に相当する電極金属が形成される
。次に、図8(d) に示すように、電極金属23aが
露出するストライプ状の開口を有するレジストパターン
22bを形成する。そして、図8(e)に示すように、
電極金属23aに電気的に接続した金属膜23bをウエ
ハ全面に蒸着法により形成する。次にレジストパターン
22aと同じ開口パターンを有するレジストパターン2
2cを金属膜23b上に形成し、金属膜23bを給電層
として電解メッキを行い、図8(f) に示すように、
厚さ約4ミクロンの金属メッキ層24を形成する。この
後、レジストパターン22cを除去し、露出した金属膜
23bをイオンミリング等により除去し、さらにレジス
トパターン22bを除去して図8(g) に示す上部電
極の形状を得る。
【0032】このようにして得られた電極においては、
半導体と電気的接続を行う部分15に相当する電極金属
の厚みを0.1μmと従来の約40分の1にしたことに
より、電極エッジ部における応力は、40分の1程度ま
で小さくできる。
【0033】なお、図7に示す実施例では、電流を流す
部分と半導体と電気接続を行う部分の両者を接続する部
分14を連続的に設けたが、これは、図9に示すように
周期的に設けた構造でもよい。さらに、図10に示すよ
うに本発明の第1の実施例と第2の実施例を組み合わせ
たような構造とすれば両実施例の相乗効果が期待される
【0034】また上記実施例ではSi基板上GaAs太
陽電池の例について説明したが、素子の種類は他の素材
の太陽電池でもよく、又フォトダイオード,レーザ等の
他の光デバイス、さらにIC,LSI等の電子デバイス
においても同様の効果が得られる。
【0035】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、一体
の半導体結晶上に形成された金属電極が、上記半導体結
晶表面内において、該結晶表面と電気的に接する領域と
、上記半導体結晶表面と分離し電極金属形状が容易に変
形できる形状を有する領域とを周期的に備えたので、該
電極が電極下の半導体に対して与えるストレスを軽減で
き、半導体素子の熱応力による変形を防止し、素子の特
性劣化を防止できる効果がある。
【0036】また、この発明によれば、一体の半導体結
晶上に形成された金属電極が、上記半導体結晶表面上に
接して敷設された薄膜状の金属と、断面積の大きな電極
金属と、これら薄膜状の金属と電極金属とを電気的に接
続する薄膜状金属の幅に比べ細い幅を持つ形状の金属部
とを備えた構成とし、電極の半導体に接する部分の厚み
を極めて薄くしたので、電極エッジ部が半導体に与える
応力を低減し、結晶の劣化を防止し、素子の特性劣化を
防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による半導体装置である
Si基板上GaAs太陽電池を示す図である。
【図2】図1の実施例によるSi基板上GaAs太陽電
池の上部電極の形成方法の一例を示す断面斜視工程図で
ある。
【図3】図2(a) の工程で用いるレジストパターン
の他の例を示す図である。
【図4】図1の実施例によるSi基板上GaAs太陽電
池の上部電極の形成方法の他の例を示す断面斜視工程図
である。
【図5】素子を冷却した場合の変形の様子を図1の実施
例及び従来例とで比較した素子の断面図である。
【図6】電極金属及び半導体層に働く応力の分布を図1
の実施例及び従来例で比較した断面図である。
【図7】本発明の第2の実施例による半導体装置である
Si基板上GaAs太陽電池を示す図である。
【図8】図2の実施例によるSi基板上GaAs太陽電
池の上部電極の形成方法の一例を示す断面斜視工程図で
ある。
【図9】本発明の第2の実施例による半導体装置である
Si基板上GaAs太陽電池の変形例を示す図である。
【図10】本発明の第2の実施例による半導体装置であ
るSi基板上GaAs太陽電池の変形例を示す図である
【図11】太陽電池素子の表面電極形状と転位分布を示
す平面図である。
【図12】従来のSi基板上GaAs太陽電池の構造を
示す図である。
【符号の説明】
1    表面電極 2    P型GaAs層 3    N型GaAs層 4    N型Si基板 5    裏面電極 6    表面電極のグリッド部 7    表面電極のバス部分 11  表面電極が半導体層に接する部分12  表面
電極が半導体層から物理的,電気的に分離された部分 13  電流を流す部分 14  13及び15を電気的に接続する部分15  
半導体と電気接続を行う部分

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  一体の半導体結晶上に形成された金属
    電極を有する半導体装置において、上記金属電極は、上
    記半導体結晶表面内において、該結晶表面と電気的に接
    する領域と、上記結晶表面と分離し電極金属形状が容易
    に変形できる形状を有する領域とを周期的に備えたもの
    であることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】  一体の半導体結晶上に形成された金属
    電極を有する半導体装置において、上記金属電極は、半
    導体結晶表面上に接して敷設された薄膜状の金属と、断
    面積の大きな電極金属と、これら薄膜状の金属と電極金
    属とを電気的に接続する上記薄膜状金属の幅に比べ細い
    幅を持つ形状の金属部とを備えたものであることを特徴
    とする半導体装置。
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