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通過對(duì)異種半導(dǎo)體結(jié)（異質(zhì)結(jié)）的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高頻、高輸出電子裝置、發(fā)光、受光元件等各種各樣的功能裝置。由于晶體生長(zhǎng)上的制約，結(jié)晶結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性相同，由晶格常數(shù)更接近的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。如果能夠在沒有這些制約的情況下形成異質(zhì)結(jié)的話，設(shè)計(jì)上的自由度就會(huì)擴(kuò)大，期待實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)狀的高性能裝置。作為打破晶體生長(zhǎng)技術(shù)界限的技術(shù)，異種材料接合（粘接）受到關(guān)注，實(shí)現(xiàn)了晶體生長(zhǎng)中難以實(shí)現(xiàn)的異質(zhì)接合。?
在電荷中性點(diǎn)模型中， 比帶隙內(nèi)的電荷中性點(diǎn)更低能量的界面能級(jí)， 俘獲電子時(shí)為中性， 沒有俘獲電子時(shí)為正電荷（施主式俘獲），根據(jù)電荷中性點(diǎn)和界面的費(fèi)米能級(jí)的上下關(guān)系，界面上會(huì)產(chǎn)生正或者負(fù)電荷。在p型半導(dǎo)體之間的接合中，通常，界面上的費(fèi)米能級(jí)處于比電荷中性點(diǎn)低的位置，因此界面上存在正電荷。其結(jié)果，在接合界面附近形成了耗盡層（負(fù)的空間電荷）即對(duì)空穴的勢(shì)壘，產(chǎn)生界面電阻（圖3(a)）。另一方面，在n型半導(dǎo)體之間的接合中，界面上存在負(fù)電荷。其結(jié)果，在接合界面附近形成了耗盡層（正的空間電荷）即對(duì)電子的勢(shì)壘。因此，與p型半導(dǎo)體之間的接合相同，會(huì)產(chǎn)生界面電阻（圖3(b)）。?
室溫下的I―V特性的熱處理溫度依賴性如圖4(a)和4(b)所示。I―V特性隨著熱處理發(fā)生了很大的變化。這個(gè)結(jié)果意味著在接合界面上形成了勢(shì)壘勢(shì)壘，其高度隨著熱處理發(fā)生了顯著的變化，在電荷中性點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，通過使用以下假設(shè)進(jìn)行定量分析，求得p―Si/p―Si接合界面，n―Si/n―Si接合界面的勢(shì)壘高度，界面能級(jí)密度。
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圖5
分析結(jié)果如圖5所示，正如事先預(yù)測(cè)的那樣，界面能級(jí)密度從1×1013 cm-2eV―1（熱處理前）下降到2×1012 cm-2eV―1（1000:C熱處理后）。我們用同樣的方法評(píng)價(jià)p―GaAs/p―GaAs接合，nGaAs/n―GaAs接合的電氣特性，顯示了在GaAs/GaAs接合中，與Si/Si接合一樣，界面能級(jí)密度通過熱處理下降。通過SAB方法將化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池和Si太陽(yáng)能電池層壓，有望實(shí)現(xiàn)高效率和低成本的多結(jié)太陽(yáng)能電池。為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的高轉(zhuǎn)換效率，降低串聯(lián)電阻是必不可少的。作為多結(jié)太陽(yáng)能電池制造之前的初步研究，我們研究了在Si和化合物半導(dǎo)體的結(jié)中，結(jié)層的雜質(zhì)濃度和結(jié)后的熱處理對(duì)界面電阻降低的影響。
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圖6
從雜質(zhì)濃度，極性不同的各種基板，外延層（Si，GaAs，InGaP）制作pn結(jié)，測(cè)量I―V特性。結(jié)界面的電阻和實(shí)效雜質(zhì)濃關(guān)系如圖6(a)所示（p層的受體濃度，n層的施主濃度）。通過提高結(jié)層的雜質(zhì)濃度，pn結(jié)的耗盡層寬度減少，界面電阻降低。通過將雜質(zhì)濃度在1019 cm-3以上的高濃度層連接，可以實(shí)現(xiàn)0.1Ωcm2左右的低界面電阻。并且，在n+―GaAs（施主濃度1×1019 cm-3）/n+―Si（同2×1019 cm-3）結(jié)中，評(píng)價(jià)了界面電阻的熱處理溫度依賴性。
我們確認(rèn)了Ga 2p3/2光電子光譜也顯示了同樣的傾向,通過有無熱處理，GaAs/Si接合界面的截面TEM像顯示在圖中可以看出，接合時(shí)在界面上形成的遷移層通過熱處理進(jìn)行了再結(jié)晶化,可以認(rèn)為光電子光譜的變化與遷移層的再結(jié)晶化相對(duì)應(yīng),通過氮?dú)夥罩械臍埩粞?，考慮到通過熱處理GaAs基板表面的自然氧化膜的膜厚增加，這次的結(jié)果在GaAs/Si結(jié)界面上形成了高密度的含氧過渡層，這意味著通過熱處理使其變薄。可以認(rèn)為，通過這種熱處理的界面結(jié)晶性的改善帶來了界面電阻的降低。
通過除去陰影損失等寄生因子的效果，推定為大約26%。根據(jù)詳細(xì)平衡的原理，測(cè)定結(jié)果和理想值之間有9個(gè)點(diǎn)的差異。該太陽(yáng)能電池的外部量子效率光譜在圖中，相當(dāng)于Air Mass 1.5 G/1 sun的入射光，將各子單元中產(chǎn)生的電流值一并表示出來。Si底部單元中產(chǎn)生的電流值低于頂部單元、中間單元中產(chǎn)生的電流值。為了使轉(zhuǎn)換效率接近理想值，有必要重新審視Si底部單元的結(jié)構(gòu)，增加在該子單元中產(chǎn)生的電流?？梢哉J(rèn)為該層對(duì)實(shí)現(xiàn)接合起著重要的作用。
我們進(jìn)一步證實(shí)了接合能承受1000幾何C的熱處理。盡管金剛石和Si之間有很大的熱膨脹系數(shù)差，但熱處理后仍能維持接合，熱處理后的界面上形成了厚度為4nm的過渡層。
通過研磨及濕法蝕刻除去金剛石/Si直接接合的Si基板，露出金剛石表面，進(jìn)行其XPS測(cè)量。從未熱處理接合制成的金剛石表面沒有得到Si 2p軌道的信號(hào)，另一方面，從熱處理后的金剛石表面得到來源于Si 2p軌道的XPS信號(hào)。經(jīng)過熱處理后的金剛石表面的XPS光譜在熱處理的接合界面上，這意味著SI―C結(jié)合的存在，可以認(rèn)為熱處理后界面上發(fā)現(xiàn)的遷移層是SiC混晶層。
我們實(shí)現(xiàn)了Al和多晶金剛石基板的接合，并進(jìn)行了耐熱性的驗(yàn)證。接合界面的截面TEM像的熱處理溫度依賴性。從圖可以看出，在Al的熔點(diǎn)（660:C）附近的溫度（600:C）下的熱處理后，接合也被保持，在熱處理前的界面上，與Si/金剛石界面一樣，形成了非晶層，通過高溫下的熱處理，非晶層變薄，實(shí)現(xiàn)了Cu和多晶金剛石底板的接合，確認(rèn)了接合界面的耐熱性。這次，通過展開Si以外的半導(dǎo)體和金剛石的直接接合的研究，期待實(shí)現(xiàn)以導(dǎo)熱性、耐熱性優(yōu)良的金剛石底板為散熱器的“直接接合的元件/金剛石/散熱器模塊”。
在本論文中， 介紹了我們小組正在進(jìn)行的使用SAB的半導(dǎo)體和異種材料的直接接合研究的一端。通過以SAB為代表的直接接合法，可以制作以往難以制作的半導(dǎo)體異質(zhì)接合、半導(dǎo)體/金剛石直接接合。指出了通過接合后的熱處理可以改善直接接合界面的結(jié)晶性、電特性，顯示了直接接合法在實(shí)現(xiàn)低成本的Si上多接合太陽(yáng)能電池上是有用的技術(shù)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Si/金剛石接合界面盡管兩者的熱膨脹系數(shù)差，但仍具有與元件工藝兼容的耐熱性，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了考察。今后，通過直接接合的發(fā)展和元件工藝的低溫化，期待其他方法難以實(shí)現(xiàn)的元件、模塊的實(shí)現(xiàn)。