(57)【要約】【課題】III族窒化物半導体等のウルツ型化合物半導体を用いた高効率な太陽電池を得られるようにする。【解決手段】太陽電池は、主面の面方位が（０００１）面であるウルツ型化合物からなり、ｐ型層にｎ型化領域１０６を有する超格子層１０４と、該超格子層１０４における一の側面上に形成され、ｎ型化領域１０６と接合されたチタンを含むｎ側電極１０７と、超格子層１０４における一の側面と対向する他の側面上に形成され、ｐ型層と接合されると共にニッケルを含むｐ側電極１０８とを有している。ｎ側電極１０７とｐ側電極１０８とを構成する金属の仕事関数は異なる。【選択図】図１
2010186915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の面方位が（０００１）面であるウルツ型化合物からなり、第１導電性領域及び第２導電性領域を有する超格子層と、
前記超格子層における一の側面上に形成され、前記第１導電性領域と接合された第１の金属からなる第１の電極と、
前記超格子層における前記一の側面と対向する他の側面上に形成され、前記第２導電性領域と接合されると共に、前記第１の金属と仕事関数が異なる第２の金属からなる第２の電極とを備えていることを特徴とする太陽電池。
【請求項２】
前記第１導電性領域の電子濃度は、前記第２導電性領域の電子濃度よりも高く、且つ、前記第１の金属の仕事関数は、前記第２の金属の仕事関数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記ウルツ型化合物は、窒化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記窒化物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及びインジウムのうちの少なくとも１つを含むIII族窒化物であり、
前記超格子層は、前記III族窒化物の組成が異なる少なくとも２種類の膜が周期的に積層されて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池。
【請求項５】
前記ウルツ型化合物は、酸化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記酸化物は、酸化亜鉛、酸化亜鉛マグネシウム及び酸化カドミウムのうちの少なくとも１つを含み、
前記超格子層は、前記酸化物の組成が異なる少なくとも２種類の膜が周期的に積層されて形成されていることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池。
【請求項７】
前記第１導電性領域の体積は、前記第２導電性領域の体積よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項８】
前記超格子層は、環状を有し、
前記第１の電極は、前記環状の超格子層の内側の側面に形成され、
前記第２の電極は、前記環状の超格子層の外側の側面に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項９】
前記超格子層における主面と平行な面を保持する基板をさらに備え、
前記基板はグラファイトからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１０】
前記超格子層は、第１の超格子層と、該第１の超格子層の上に形成され、前記第１の超格子層よりも吸収する波長が長い第２の超格子層とを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の太陽電池。
【請求項１１】
前記超格子層と接して形成され、遷移金属元素を含む下地層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関し、特にウルツ型化合物が持つ高い分極特性を利用する太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー化及び環境保全への関心の高まりにより、風力発電や太陽電池等の、化石燃料に頼らないクリーンエネルギー技術が注目を集めている。太陽電池は、電力用デバイスとしての研究が世界に初めて報告されてから既に半世紀が経っており、最近では単結晶シリコンを用いた太陽電池が普及している。
【０００３】
ところで、シリコン（Ｓｉ）は間接遷移型半導体であるため光吸収係数が小さく、厚膜を必要とする。これに対し、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はリン化インジウム（ＩｎＰ）は直接遷移型半導体であり、光吸収係数が大きいことから、薄膜でも高い変換効率を実現することができる。特に近年では、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅからなるセルを接合したタンデム型太陽電池において、４０％を超える高い変換効率を実現している。このタンデム型太陽電池は、各セル間を高濃度のｐ型半導体及びｎ型半導体のトンネル接合により直列接続した構成を採る。しかしながら、化合物半導体を用いた太陽電池にはヒ素（Ａｓ）が必ず含まれているため、住宅の屋根等に設置するには適さず、むしろ薄膜及び軽量を活かして人工衛星の電力用として主に利用されている。
【０００４】
最近では、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物半導体を用いた太陽電池の研究が進められている。III族窒化物半導体は、III族元素として、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）又はインジウム（Ｉｎ）を適当に混合することにより、バンド間遷移波長を約２００ｎｍから約１．９μｍまで変化させることができる。このため、太陽光線の可視光波長領域及びその近傍領域にまで対応できるという特徴がある。さらに、窒化物半導体は有害なＡｓ等を含んでおらず、高温等の過酷な環境に対しての耐性も優れているなどの特徴も利点として上げられる。
【特許文献１】特公昭６３−４８１９７号公報
【非特許文献１】"Applied Physics Letters 91", 132117 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、窒化物半導体を用いた太陽電池を実現するには、以下に挙げる３つの問題がある。
【０００６】
第１に、インジウム（Ｉｎ）組成が高いＩｎＧａＮ結晶の成長工程において、Ｉｎが膜中に均一に分布しない、いわゆる偏析の問題がある。例えば、ＩｎＧａＮ系青紫色半導体レーザ装置におけるＩｎ組成は約１０％であり、これよりも長波長の遷移波長を得るには、より多くのＩｎを導入しなければならない。しかしながら、Ｉｎ組成が高くなるにつれて偏析の影響は大きくなってしまい、バンド間遷移波長の制御は困難となってしまう。
【０００７】
第２に、格子不整合の問題がある。III族窒化物半導体は、III族元素の組成を変えることにより、極めて広い範囲の波長領域に対応することができる。しかしながら、III族窒化物半導体はヒ素（Ａｓ）系又はリン（Ｐ）系の化合物半導体と比べて選択できる元素が少ないこともあり、大きな格子不整合を引き起こしてしまう。例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）との間では約２．４％の格子不整合が存在し、窒化インジウム（ＩｎＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）との間では約１０％の格子不整合が存在する。このように大きな格子不整合が存在する場合は、膜厚が厚いと結晶同士の界面に転位が生じてしまい、変換効率の低下を引き起こしてしまう。このため、光吸収のための十分な膜厚を得ることができない。
【０００８】
第３の問題として、ｐ型のIII族窒化物半導体がある。III族窒化物半導体は、価電子帯が電気陰性度の高い窒素の軌道によって主に構成されており、非常に深いエネルギーに位置している。このため、マグネシウム（Ｍｇ）等の不純物を添加しても活性化エネルギーが大きく、高濃度なｐ型半導体を実現することが難しい。このことは前述のタンデム構造を実現するには非常に不利となる。すなわち、ｐ型領域のフェルミ準位が価電子帯に十分に及ばないため、ｐｎ接合間において余分な電圧降下を引き起こしてしまう。また、ｐ型のIII族窒化物半導体と電極とのコンタクト抵抗の増大も電圧降下の一因となる。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、III族窒化物半導体等のウルツ型化合物半導体を用いた高効率な太陽電池を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は、太陽電池を、超格子層の側面から光起電力を取り出す構成とすると共に、電極を構成する金属の仕事関数を超格子層の導電性に応じて選択する構成とする。
【００１１】
この構成により、例えばIII族窒化物半導体からなる超格子層を用いた場合は、比較的に低いＩｎ組成で且つ厚膜化が可能となるため、低抵抗なｐ型領域を有する太陽電池を実現できるので、高い変換効率を得ることができる。
【００１２】
具体的に、本発明に係る太陽電池は、主面の面方位が（０００１）面であるウルツ型化合物からなり、第１導電性領域及び第２導電性領域を有する超格子層と、超格子層における一の側面上に形成され、第１導電性領域と接合された第１の金属からなる第１の電極と、超格子層における一の側面と対向する他の側面上に形成され、第２導電性領域と接合されると共に、第１の金属と仕事関数が異なる第２の金属からなる第２の電極とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の太陽電池によると、超格子層の主面に対して垂直な方向に掛かる分極に関係なく、光起電力を超格子層の側面に設けた電極から取り出すことが可能となる。このため、変換効率が高く、設計自由度が高い太陽電池を実現することができる。
【００１４】
本発明の太陽電池において、第１導電性領域の電子濃度は、第２導電性領域の電子濃度よりも高く、且つ、第１の金属の仕事関数は、第２の金属の仕事関数よりも小さいことが好ましい。
【００１５】
このようにすると、光吸収によって生成された電子を第１の電極に容易に取り出すことができるため、内部電圧降下が小さい効率が高い太陽電池を得ることができる。
【００１６】
本発明の太陽電池において、ウルツ型化合物は窒化物であることが好ましい。
【００１７】
この場合に、窒化物は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム及びインジウムのうちの少なくとも１つを含むIII族窒化物であり、超格子層はIII族窒化物の組成が異なる少なくとも２種類の膜が周期的に積層されて形成されていることが好ましい。
【００１８】
このようにすると、超格子層を、格子定数と遷移波長とを独立に設計することができる。さらに、伝導帯及び価電子帯における障壁層との不連続量も独立に設計することができる。また、格子定数の違いによるピエゾ分極も層ごとに異なるため、超格子層におけるポテンシャル形状を非常に広く自由に設計することが可能となる。これにより、低いインジウム組成においても適度な光吸収係数を保ちつつ、遷移波長を長波長化することができるため、膜厚が小さい高効率な太陽電池を実現できる。
【００１９】
また、本発明の太陽電池において、ウルツ型化合物は酸化物であることが好ましい。
【００２０】
この場合に、酸化物は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛マグネシウム（ＺｎＭｇＯ）及び酸化カドミウム（ＣｄＯ）のうちの少なくとも１つを含み、超格子層は酸化物の組成が異なる少なくとも２種類の膜が周期的に積層されて形成されていることが好ましい。
【００２１】
本発明の太陽電池において、第１導電性領域の体積は、第２導電性領域の体積よりも小さいことが好ましい。
【００２２】
例えば、III族窒化物半導体において、正孔の移動度は電子の移動度と比べて１桁程度小さく、且つ、その拡散長も電子と比べて正孔の方がはるかに短い。このため、光吸収及び生成キャリアの電荷分離後に電極まで電荷を動かす役割は、主に電子が担う。従って、電子濃度が低い第２導電性領域の体積を大きくし、一方、電子濃度が高い第１導電性領域の体積を第２導電性領域よりも小さくすることにより、ポテンシャルの勾配を形成している。このとき、拡散長が大きい電子が主にその勾配を移動するため、電荷の移動を効率良く起こすことができるので、電圧降下が小さい高効率な太陽電池を実現できる。
【００２３】
本発明の太陽電池において、超格子層は環状を有し、第１の電極は環状の超格子層の内側の側面に形成され、第２の電極は環状の超格子層の外側の側面に形成されていてもよい。
【００２４】
本発明の太陽電池においては、超格子層において光生成された電子及び正孔は、それぞれ第１の電極及び第２の電極にたどり着く。ここで、正孔は移動度が小さく拡散長も短いため、第２の電極側の抵抗が大きくなる傾向がある。このため、電極を同心円状に配する場合に、第１の電極を内側とし、第２の電極を外側に設けることにより、第２の電極の側面との接合面積を増やすことが可能となる。これにより、電圧降下が小さい高効率な太陽電池を実現することができる。
【００２５】
本発明の太陽電池は、超格子層における主面と平行な面を保持する基板をさらに備え、基板にはグラファイトを用いることができる。
【００２６】
このように、基板にグラファイトを用いることにより、面積が大きい太陽電池を得ることができる。また、グラファイトは層状物質であるため、グラファイトの上に形成される太陽電池構造を原子オーダで容易に剥離することができる。その結果、太陽電池の薄膜化が容易となるので、軽量の太陽電池を低コストで作製することができる
本発明の太陽電池において、超格子層は、第１の超格子層と、該第１の超格子層の上に形成され、第１の超格子層よりも吸収する波長が長い第２の超格子層とを含んでいてもよい。
【００２７】
このようにすると、タンデム型の太陽電池を実現することができる。
【００２８】
本発明の太陽電池は、超格子層と接して形成され、遷移金属元素を含む下地層をさらに備えていてもよい。
【００２９】
このように、光電変換を担う超格子層と接して、遷移金属元素を導入された高絶縁性の下地層を設けることにより、高い電圧を印加することが可能となる。すなわち、本太陽電池をアバランシェフォトダイオードとして動作させることができる。このとき、耐圧を増すために素子の厚さを増やすことなく、アバランシェフォトダイオードを実現することができるので、本素子を太陽電池のみならず、その他の用途に転用することが容易に可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る太陽電池によると、ウルツ型化合物半導体を用いた高効率な太陽電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池であって、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。
【００３３】
以下、本発明に係る太陽電池を横型太陽電池と呼ぶことにする。
【００３４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、主面の面方位が（０００１）面である高配向グラファイトからなる基板１０１の主面上に、例えば、第１の下地層（バッファ層）として厚さが１５０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１０２と、第２の下地層として厚さが１μｍでルテニウム（Ｒｕ）がドープされたＲｕドープＧａＮ層１０３とが順次結晶成長により形成されている。ここで、グラファイトを基板１０１に用いている理由は、シリコン（Ｓｉ）等からなる既存の半導体基板と比べて容易且つ安価に大面積の基板を得られ、また、グラファイトはｃ軸異方性が非常に高いため、低コストで且つｃ軸配向性が高い良質な基板を得ることができるからである。また、第２の下地層には、高絶縁性を発揮させるために、不純物としてルテニウム（Ｒｕ）を導入している。
【００３５】
ＲｕドープＧａＮ層１０３の上には、超格子構造を有する超格子層１０４が形成されている。超格子層１０４は、組成が互いに異なるIII族窒化物半導体からなる２層を周期構造として構成されている。すなわち、例えば厚さが８ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０４ａと厚さが８ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層１０４ｂとが交互に積層されて形成されている。ここで、ｐ型ＧａＮ層１０４ａにおけるｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）のドーピング濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。一方、アンドープＩｎＧａＮ層１０４ｂにおけるＩｎ組成は１０％であり、バルクにおけるバンド間遷移波長は約４２０ｎｍである。超格子層１０４は、ｐ型ＧａＮ層１０４ａとアンドープＩｎＧａＮ層１０４ｂとが５０ペアで構成されており、このときの全膜厚は８００ｎｍである。
【００３６】
基板１０１の上に結晶成長した超格子層１０４は、面方位の（０００１）面を主面として形成されている。これはグラファイトからなる基板１０１の（０００１）面を反映することと、下地のＡｌＮ層１０２が元来（０００１）面に配向しやすいためである。なお、超格子層１０４の主面の面方位は（０００１）面に限られず、（１−１０１）面であってもよく、III族窒化物半導体における極性面であればなおよい。この場合、主面の面方位が（１−１０１）面のグラファイト基板は現実的でない。従って、一例として、例えば（００１）面の主面を持つシリコン基板に、斜面の面方位が（１１１）面となるＶ字状溝を形成し、形成した斜面にIII族窒化物半導体を選択的に結晶成長することによって、（１−１０１）面を主面とする基板１０１を作製することができる。また、（１−１０１）面を主面とするグラファイト基板が実現できれば、このグラファイト基板を用いることによっても達成できる。なお、本願明細書において、面方位のミラー指数に付した負符号”−”は該負符号に続く一のミラー指数の反転を便宜的に表している。
【００３７】
超格子層１０４は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、周辺部と中央部とがエッチングされて環状に形成されている。超格子層１０４の内側の周縁部には、ｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）が注入されてなるｎ型化領域１０６が形成されている。また、内側の側面上には、超格子層１０４側から順次形成された、例えば厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが１００ｎｍの白金（Ｐｔ）及び厚さが２０００ｎｍの金（Ａｕ）からなるｎ側電極１０７が形成されている。また、超格子層１０４の外側の側面上には、超格子層１０４側から順次形成された、例えば厚さが５０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）、厚さが１００ｎｍの白金（Ｐｔ）及び厚さが２０００ｎｍの金（Ａｕ）からなるｐ側電極１０８が形成されている。
【００３８】
以下、前記のように構成された太陽電池の製造方法について図２を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition:ＭＯＣＶＤ）法により、主面の面方位が（０００１）面であるグラファイトからなる基板１０１の上に、前述のIII族窒化物半導体を層状に結晶成長する。III族源のうちアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）には、それぞれトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。窒素源にはアンモニア（ＮＨ３）を用い、ｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）源には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。また、ルテニウム（Ｒｕ）源には、ビスエチルシクロペンタジエニルルテニウム（Ｒｕ（ＥｔＣｐ）２）を用いる。また、キャリアガスには主に水素（Ｈ２）を用い、インジウムを含む層には窒素（Ｎ２）を用いている。
【００４０】
具体的には、基板１０１の主面上に、厚さが１５０ｎｍの第１の下地層であるＡｌＮ層１０２、続いて厚さが１μｍの第２の下地層であるＲｕドープＧａＮ層１０３を順次結晶成長する。このときの成長温度は１０００℃であり、成長時の圧力は２００×１３３．３Ｐａとしている。また、ＲｕドープＧａＮ層１０３のＲｕ濃度は１×１０１６ｃｍ−３である。ＲｕはＧａＮの禁制帯中において、４ｄ軌道に起因するトラップ準位を数本形成するため、転位や欠陥等に起因する残留キャリアをトラップ捕獲によって全てなくすことができる。また、上記のＲｕ原料は常温で液体であるため、よく知られているＦｅ原料のフェロセン等に比べてメモリ効果が小さいという特徴を持つ。
【００４１】
続いて、ＲｕドープＧａＮ層１０３の上に、厚さが８ｎｍのｐ型ＧａＮ層１０４ａ及び厚さが８ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層１０４ｂからなる周期層を５０ペア積層した超格子層１０４を結晶成長により形成する。
【００４２】
次に、プラズマ気相成膜法により、超格子層１０４の上に、例えばＳｉＯ２からなる第１のマスク膜（図示せず）を堆積する。続いて、リソグラフィ法によるパターニングと緩衝弗化水素酸を用いたウェットエッチングとにより、第１のマスク膜の平面形状を環状とする。続いて、環状の第１のマスク膜をマスクとして、塩素（Ｃｌ２）ガスにより超格子層１０４をドライエッチングする。これにより、超格子層１０４の中央部には第１の凹部１０５ａが形成され、その周辺部には第２の凹部１０５ｂが形成される。ここで、第１のマスク膜のパターニングに緩衝弗化水素酸を用いるのは、パターン転写後の第１のマスク膜における側面の勾配をなだらかにするためである。従って、側面に勾配を持つ第１のマスク膜のパターン形状をその下側の超格子層１０４にドライエッチングにより転写すると、超格子層１０４へのパターンの転写と共に第１のマスク膜の周縁部が徐々に後退していく。このため、超格子層１０４の側壁を基板１０１の主面に対して斜めにすることができる。すなわち、超格子層１０４における第１のマスク膜の側壁からの露出面積を大きくすることができ、各電極１０７、１０８との接触面積が増えるため、さらに素子としての低抵抗化が可能となる。続いて、第１の凹部１０５ａ及び第２の凹部１０５ｂの各側壁への塩素イオンによるダメージを回復するため、超格子層１０４に対して８００℃の窒素ガス雰囲気で３０分間のアニーリング処理を行う。その後、第１のマスク膜を除去して、図２（ｂ）に示す構造を得る。
【００４３】
後述するように、第２の凹部１０５ｂにはｐ側電極１０８が形成される。このとき、第２の凹部１０５ｂの側壁と共に底部のＲｕドープＧａＮ層１０３にもｐ側電極１０８が接合されることになる。このような場合、第２の下地層が通常のアンドープ層である場合は、該第２の下地層を介したリーク電流が生じることが懸念されるが、第１の実施形態においては、第２の下地層にＲｕドープＧａＮ層１０３として、高絶縁性を実現するための不純物であるルテニウム（Ｒｕ）を添加しているため、リーク電流を極力減らすことができる。
【００４４】
次に、再度プラズマ気相成膜法によって、例えばＳｉＯ２からなる第２のマスク膜（図示せず）を、超格子層１０４を含むＲｕドープＧａＮ層１０３の上に堆積する。続いて、第２のマスク膜に対してリソグラフィ法によるパターニング及び緩衝弗化水素酸によるパターン転写を行って、第２のマスク膜から第１の凹部１０５ａとその近傍部分を露出する。続いて、超格子層１０４における第２のマスク膜から露出する部分に、ｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）イオンをイオン注入する。イオンの注入条件は、加速電圧が２５０ｋｅＶで、ドーズ量が１×１０１５ｃｍ−２である。このとき、Ｓｉイオンの注入深さは約０．２μｍとなり、平均して約３×１０１９ｃｍ−３のＳｉ濃度となる。その後、ＲＴＡ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理を行って、注入されたＳｉイオンを活性化する。ここでは、１０００℃の窒素雰囲気において１２０秒間加熱する。超格子層１０４のイオン注入により結晶性が乱れた領域は、このＲＴＡ処理によって再結晶化し、且つＳｉ原子がIII族サイトに収まることによってＳｉ原子がドナーとして活性化する。これにより、超格子層１０４における第１の凹部１０５ａの近傍部分に、Ｓｉ注入によってｎ型化したｎ型化領域１０６が形成される。その後、緩衝弗化水素酸によって第２のマスク膜を除去することにより、図２（ｃ）に示す構造を得る。
【００４５】
次に、リソグラフィ法により、超格子層１０４の第２の凹部１０５ｂを露出する開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、スパッタ法又は真空蒸着法等により、第２の凹部１０５ｂを含む第１のレジストパターンの上に、ニッケル、白金及び金を順次成膜し、第１のレジストパターンを除去する、いわゆるリフトオフ法により、第２の凹部１０５ｂにニッケル、白金及び金からなるｐ側電極１０８を形成する。同様に、超格子層１０４における第１の凹部１０５ａを露出する開口部を有する第２のレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、スパッタ法又は真空蒸着法等により、第１の凹部１０５ａを含む第２のレジストパターンの上に、チタン、白金及び金を順次成膜し、第２のレジストパターンを除去することにより、第１の凹部１０５ａにチタン、白金及び金からなるｎ側電極１０７を形成する。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０７の形成順序は特に問われない。これにより、図２（ｄ）に示す構造を得る。
【００４６】
このように、超格子層１０４における互いに対向する側面には  チタンを含むｎ側電極１０７と、ニッケルを含むｐ側電極１０８とにより、互いに異なる仕事関数を持つ金属を含む電極が形成される。
【００４７】
また、図１（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る太陽電池は、環状の超格子層１０４の内側の側面にｎ側電極１０７が形成され、その外側の側面にｐ側電極１０８が形成されている。このようにすると、ｐ側電極１０８の超格子層１０４に対するコンタクト抵抗を低減することができる。すなわち、ｐ側電極１０８を外側に配置することにより、超格子層１０４との接触面積を内側のｎ側電極１０７と比べて大きくすることができるため、ｐ側電極１０８のコンタクト抵抗を低減することができる。
【００４８】
なお、第１の実施形態においては、超格子層１０４に、ウルツ型化合物であるIII族窒化物を用いたが、これに限られず、同じウルツ型化合物の酸化物、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛マグネシウム（ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ）（但し、０＜ｘ＜１）又は酸化カドミウム（ＣｄＯ）を用いてもよい。さらには、超格子層に分極が生じる結晶構造をもつ材料であればよい。
【００４９】
また、第１の実施形態においては、超格子層１０４の傾斜した側面にｎ側電極１０７及びｐ側電極１０８が設けられるように、超格子層１０４に凹部１０５ａ、１０５ｂを設けたが、側壁が傾斜した凹部１０５ａ、１０５ｂは必ずしも設ける必要はない。例えば、超格子層１０４に、側壁が基板１０１の主面に垂直となる溝を設けることにより、互いに対向する側面を形成してもよい。また、超格子層１０４を基板１０１の主面に垂直な方向に分割してもよい。
【００５０】
以下、第１の実施形態に係る横型太陽電池の動作原理について図面を参照しながら説明する。
【００５１】
図３（ａ）はIII族窒化物半導体からなり、超格子層１０４と対応する超格子層２０１のバンドダイヤグラムである。図３（ａ）において、障壁層２０１ａ及び井戸層２０１ｂはそれぞれアンドープのＧａＮ及びＩｎＧａＮにより構成している。ウルツ型結晶構造であるIII族窒化物半導体は結晶軸の＜０００１＞方向にIII族元素と窒素原子とが規則正しく並んだ構造を採る。従って、各原子における重心位置はIII族元素の種類及び組成によって異なっている。その結果、III族窒化物半導体はIII族元素によって異なる分極を有する。このため、超格子層２０１における障壁層２０１ａ及び井戸層２０１ｂのバンド端は水平とはならず、図３（ａ）に示すように傾斜する。
【００５２】
エネルギーバンドが傾斜すると、超格子層２０１の井戸層２０１ｂにおける電子及び正孔の存在は、量子閉じ込めシュタルク効果によって偏る。図３（ａ）には、第１準位における電子及び正孔の波動関数をそれぞれ２０２ａ及び２０２ｂとして模式的に表している。図３（ａ）に示すように、電子の波動関数２０２ａは図３の左側に偏っており、逆に、正孔の波動関数２０２ｂは図３の右側に偏っていることが分かる。また、エネルギーバンドが傾斜することにより、第１準位における電子及び正孔の遷移エネルギーは小さくなり、すなわちその波長は長波長化する。一方、光吸収係数αは電子及び正孔の波動関数のカップリングによって決まり、バンド傾斜によって電子及び正孔が空間的に分離されてしまうため、光吸収係数αは減少する。この様子を図３（ｂ）に模式的に表している。
【００５３】
図３（ｂ）の実線で示したように、吸収端エネルギーは、分極によるバンド傾斜がない場合（破線）と比べて長波長化しつつ、光吸収係数αが減少している。一方、第２準位以上の電子及び正孔の波動関数は第１準位と比べて空間的に広がっているため、分極がない場合と比べて全体的に長波長化しつつも、光吸収係数αの減少は少ない。
【００５４】
このように、III族窒化物半導体の分極に伴う超格子のバンド傾斜は、第１準位の吸収端エネルギーの長波長化と電子及び正孔の効果的な空間分離をもたらす。一方、第２準位の吸収端エネルギーも同様の長波長化を受けるが、波動関数が空間的に広がっているため、光吸収係数αは比較的減少しない。
【００５５】
以下、上記の事実に基づいて、図１に示した本実施形態に係る横型太陽電池の動作原理について説明する。
【００５６】
図４はIII族窒化物半導体からなる超格子構造による光起電力の発生メカニズムを模式的に表している。図４において、符号３０２はｐ型超格子層であって、図１の超格子層１０４におけるｎ型化領域１０６を除く部分と対応する。符号３０３は図１の超格子層１０４におけるｎ型化領域１０６と対応する。
【００５７】
ｐ型超格子層３０２及びｎ型化領域３０３に対して、波状の線分で表した光（光子）３０６が、結晶軸の＜０００１＞方向に平行に入射される。なお、図４の奥行き方向は＜０００１＞方向に直行する結晶方位であって、例えば結晶軸の＜１−１００＞方向に相当する。一方、図４の上下方向はエネルギー軸を表している。ここで、図１（ｂ）に示した太陽電池では、上方から光が入射し、図１（ｂ）の左右方向が図４における奥行き方向と対応している。
【００５８】
ここで、系は熱平衡状態であるため、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０７のフェルミ準位３０５は一致する。ｐ側電極１０８の仕事関数はエネルギー的に低い、すなわちｐ側電極１０８の方がｎ側電極１０７よりも仕事関数が大きいため、図４に示すように、ｐ側電極１０８はｐ型超格子層３０２とオーミック接合が形成される。一方、ｎ側電極１０７の仕事関数はエネルギー的に高い、すなわちｎ側電極１０７の方がｐ側電極１０８よりも仕事関数が小さいため、ｎ側電極１０７はｎ型化領域３０３とオーミック接合が形成される。
【００５９】
このような状態の超格子構造に光３０６が入射すると、井戸層において光吸収される。その際、矢印３０７で示すように、価電子帯Ｅｖから電子３０８が伝導帯Ｅｃへ１つ励起される。ここでは、ｐ型超格子層３０２で電子３０８が発生したと仮定する。図４においては、符号３０８を伝導帯Ｅｃに励起された電子とし、符号３０９を価電子帯Ｅｖで空席となった正孔として表している。電子３０８及び正孔３０９は、超格子構造の内部にあるバンド傾斜によって、互いに反対側へ移動し始める。この機構は図３（ａ）を用いて説明した通りである。その結果、超格子構造の井戸層の内部において、電子及び正孔は効率良く空間分離される。また、電子及び正孔は、井戸層内において障壁層の壁面に張り付くため、散乱等による影響が抑制される結果、バルクと比べて面内方向に対する移動度及び拡散長が向上する。特に電子は、その移動度が正孔よりも大きいため、井戸層内を面内方向（図４の奥行き方向で手前側）に移動する。やがて、電子３０８はｎ型化領域３０３に近づくと、ｐｎ接合による電場の勾配により伝導帯Ｅｃの傾斜を転がり落ちて行き、やがてｎ型化領域３０３に到達する。さらに電子３０８はオーミック接合されたｎ側電極１０７に移ることによって電力として取り出される。その後、電子３０８は外部負荷３１０を通過することによって仕事を行ない、正孔３０７と再結合することにより、その役割を終える。
【００６０】
このように、バンド傾斜がある超格子構造の内部において、効率良く電荷の分離が行われ、仕事関数が異なる双方の電極１０７、１０８へ電荷を輸送することにより、本実施形態の太陽電池は光起電力を得ている。前述した通り、分極によって吸収端波長が長波長化するため、超格子層を構成するIII族窒化物半導体は、より小さいインジウム組成においても長波長光に対して対応が可能となる。このとき、光吸収係数が減少してしまうが、これは厚膜化により解消される。また、III族窒化物半導体は、結晶の歪み量が増えると、該結晶に転位又はクラックが入らないようにするための臨界膜厚が指数関数的に減少してしまう。しかしながら、本実施形態においては、III族窒化物半導体の分極を利用することによってインジウム組成を下げ、長波長化と共に歪み量をも低減している。このため、臨界膜厚による制限を緩和させることができる。また、超格子構造は多層構造であるため、その臨界膜厚は単層膜（バルク）と比べて１桁程度大きくなる。これにより、超格子構造においては、単層膜と比べて膜の設計自由度を飛躍的に向上することも可能である。
【００６１】
図５に第１の実施形態に係る横型太陽電池の電流電圧（Ｉ−Ｖ)特性を示す。図５に示すように、波長が３５０ｎｍの輝線を持つ紫外線ランプを光源に用いて測定している。波長が３５０ｎｍの近傍の光パワー密度は、約１０Ｗ／ｃｍ２であり、今回試作した横型太陽電池の受光部の面積は約５００００μｍ２である。このとき、全ての入射光が受光部で吸収され、光電流として出力された場合は、得られる電流値は約６ｍＡに相当する。
【００６２】
図５からは、光照射によって電流電圧曲線が下方にシフトしていることが分かる。電圧が−１Ｖ近傍において平坦な領域があり、このときの電流値は約−０．１ｍＡである。この電流値は先の概算値と比べると、光電流としての変換効率は約６％となる。変換効率がこのように低い原因には、入射光が受光部表面で反射する等の影響が考えられるが、これは本質的なことではない。光照射時に、グラフの第４象限（原点より右下側）に曲線が掛かっており、これは本実施形態に係る横型太陽電池構造に光起電力が生じている証拠である。このように、本願発明者らは、III族窒化物半導体からなる横型太陽電池構造において、世界で初めて光起電力を確認することに成功した。
【００６３】
前述したように、本実施形態に係る横型太陽電池構造は、超格子構造による分極効果を積極的に利用することにより、電荷の効率的な空間分離、量子閉じ込めシュタルク効果による吸収端の長波長化、及び多層構造による設計自由度（トレランス）の拡大を同時に満たすことが可能となる。また、キャリアの面内方向への移動度及び拡散長の増大により、さらなる低抵抗化も可能としている。
【００６４】
（第１の実施形態の一変形例）
ところで、III族窒化物半導体におけるインジウム組成を抑えつつ、さらなる長波長化を目指すには、高い歪みを導入することによってエネルギーバンドの傾斜を強くする方法がある。但し、この場合は超格子構造の内部における電圧降下が大きくなり、また、光吸収係数がかなり低下してしまうため、あまり得策ではない。これを克服する方法として、多層構成による超格子構造を用いる方法がある。超格子構造は、通常、障壁層と井戸層との２層を１単位とする周期構造であり、これに第３層を導入するか、又は３層以上の多層構造を１周期とすることにより、各サブバンド間ごとの遷移確率を制御したり、光吸収係数の低下を抑制したりして、長波長化を図ることが可能となる。
【００６５】
図６は第１層及び第２層を含む超格子構造に第３層を導入した多層構成の超格子構造の一例である。第１の実施形態においては、超格子層１０４をｐ型ＧａＮ層１０４ａとアンドープＩｎＧａＮ層１０４ｂとの２層構成とした。本変形例においては、図６に示すように、ＧａＮからなる障壁層５０１とＩｎＧａＮからなる井戸層５０２との間に、比較的に高いインジウム組成を持つＩｎＧａＮからなる電子輸送層５０３を配している。従って、本変形例に係る超格子層５０６は、障壁層５０１、電子輸送層５０３及び井戸層５０２を１周期とした多周期構造により構成されている。
【００６６】
図６に示す多周期構造の場合、電子及び正孔はそれぞれ異なったポテンシャル構造によって閉じ込めを受ける。各キャリアに対する第１準位及び第２準位の波動関数を図６に示している。ここで、第１準位の電子の波動関数５０４ａは、電子輸送層５０３側に引き寄せられるため、電子輸送層５０３の内部にほぼ局在することになる。その結果、層方向（基板に垂直な方向）への散乱が抑制されるため、２次元電子ガスとなる。このとき、電子の移動度はバルクと比べて数倍高い、例えば１０００ｃｍ２／Ｖｓ以上の値を持たせることが可能である。第２準位の電子波動関数５０５ａは、第１準位よりも高エネルギー側に位置している。このため、電子輸送層５０３のみでは閉じ込められず、井戸層５０２と電子輸送層５０３の全体に分布することになる。
【００６７】
一方、図６からは、分極とバンドの不連続量の差とによる非対称性のため、価電子帯Ｅｖは伝導帯Ｅｃとは全く異なった形状を有している。このため、正孔の閉じ込めは電子に比べると弱まると予想される。しかしながら、正孔の有効質量は電子と比べて１桁近くも重いため、第１準位の正孔の波動関数５０４ｂはこのようなバンドダイヤグラムでも十分に閉じ込められていることになる。これに対し、第２準位の正孔の波動関数５０５ｂは、運動エネルギーが高く、且つ閉じ込めが弱いため、全体に分布した形状となる。
【００６８】
次に、これらの準位による光吸収係数について考える。光吸収係数は、各準位における電子及び正孔の波動関数のカップリングの２乗にほぼ比例する。すなわち、ｎ及びｍを準位の番号とし、φｃｎ及びφｖｍをそれぞれ各準位における電子及び正孔の波動関数とすると、各準位間の光吸収係数は、波動関数の内積である＜φｃｎ｜φｖｍ＞の２乗に比例するということである。この波動関数の内積は、各波動関数の類似性を求めることに他ならない。図６において、第１準位における電子及び正孔の波動関数５０４ａ及び５０４ｂは空間的に著しく分離しているため、内積はほぼ０となる。しかしながら、第１準位における電子は非常に強く閉じ込められているため、面内方向の移動度を飛躍的に向上させることが可能となる。一方、第２準位における電子及び正孔の波動関数５０５ａ及び５０５ｂでは、波動関数の形状が似通っているため、内積は１に近い値となり、高い光吸収係数を実現することができる。このように、本実施形態に係る太陽電池は、エネルギーバンドの第２準位間で積極的な光吸収を行い、バンド内緩和によって第１準位へ電子及び正孔を遷移させた後、特に電子の高い移動度を用いて、ｎ側電極から光のエネルギーを光電流として効率良く取り出すことが可能となる。
【００６９】
以上のように、第１の実施形態の一変形例によると、超格子構造を３層以上の多層構成にすることにより、各準位の役割をさらに明確化し、さらに高機能化することが可能となる。
【００７０】
なお、本実施形態及びその変形例に係る横型太陽電池は、光起電力による発電を目的としているが、本素子は太陽電池に限られない。例えば、本素子に逆バイアス電圧を印加することにより、フォトダイオード又はアバランシェフォトダイオードとして利用することができる。
【００７１】
特に、本素子には、超格子層１０４の下地層（第２下地層）として絶縁性が高いＲｕドープＧａＮ層１０３を導入しているため、該下地層を介したリーク電流は極めて少ない。このため、超格子層１０４の厚さは素子として大きくないにも拘わらず、電極間に高い電圧を印加することが可能となる。すなわち、電子なだれによる電流増幅現象を積極的に利用したアバランシェフォトダイオードを容易に実現できる。
【００７２】
さらに、基板１０１の主面から垂直に延びる貫通転位に対して電圧の印加方向が直交するため、超格子層１０４において転位に沿ったリーク電流も少なくなるという効果も有する。なお、ＲｕドープＧａＮ層１０３に添加されるルテニウム（Ｒｕ）に代えて鉄（Ｆｅ）を不純物として用いても、絶縁性を高める効果が損なわれることはない。
【００７３】
また、図１（ａ）及び（ｂ）に示す横型太陽電池は、超格子層１０４の上面に電極を設けていない。これは図１（ｂ）の上方から光が入射されることを想定しているからである。一方、超格子層１０４の下側から光を入射させる場合は、基板１０１にサファイア等の透明材料を用いる必要がある。
【００７４】
なお、基板１０１の下側から光を入射させる場合は、超格子層１０４の上に金属膜又は誘電体多層膜を設けてもよい。このようにすると、超格子層１０４を通過した光はその上の金属膜又は誘電体多層膜で反射されて超格子層１０４に戻るため、変換効率をさらに向上することができる。
【００７５】
また、本実施形態に係る横型太陽電池は、製造プロセスの最後までグラファイトからなる基板１０１の上に保持させているが、基板１０１はプロセスの途中又は最後に剥離してもよい。グラファイトは層状物質であり、グラファイトのπ電子とIII族窒化物半導体層とは化学結合しにくいことが、本願発明者らの第一原理計算によって立証されている。このため、基板１０１からその上のIII族窒化物半導体層を原子オーダで容易に剥離することができる。この場合は、基板１０１が不用となるため、さらなる軽量化及び薄膜化を実現することができる。
【００７６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係るIII族窒化物半導体からなるタンデム型太陽電池であって、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面構成を示し、（ｃ）は等価回路を示している。
【００７８】
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、主面の面方位が（０００１）面である、例えば、厚さが１５０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層６０２と厚さが１μｍでアンドープＧａＮ層６０３とからなる下地層の上には、環状で且つ同心円状の第１の超格子層６０４、第２の超格子層６０６及び第３の超格子層６０８が順次形成されている。第１の超格子層６０４と第２の超格子層６０６との間、及び第２の超格子層６０６と第３の超格子層６０８との間には、それぞれ厚さが２００ｎｍで互いのキャリアの障壁層となるＧａＮからなる第１のスペーサ層６０５とＩｎＧａＮからなる第２のスペーサ層６０７とが形成されている。第２のスペーサ層６０７のＩｎ組成は７％に設定されており、ここでは低温での結晶成長を行うために、ＧａＮではなくＩｎＧａＮを用いている。
【００７９】
第１の超格子層６０４の内側の周縁部には、Ｓｉが注入されてなる第１のｎ型化領域６１２ａが形成され、第２の超格子層６０６の外側の周縁部には、Ｓｉが注入されてなる第２のｎ型化領域６１２ｂが形成されている。さらに、第３の超格子層６０８の内側の周縁部には、Ｓｉが注入されてなる第３のｎ型化領域６１２ｃが形成されている。
【００８０】
また、第１の超格子層６０４における外側の側面には、例えばＮｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるｐ側電極６１４が形成されており、第３の超格子層６０８における内側の側面には、例えばＴｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるｎ側電極６１５が形成されている。
【００８１】
第１の超格子層６０４の内側の側面にはＴｉ膜が設けられ、第２の超格子層６０６の内側の側面にはＮｉ膜が設けられ、さらにＴｉ膜及びＮｉ膜の上にはこれらを導通させるためのＰｔ膜及びＡｕ膜が順次成膜されて第１の側面電極６１３が形成されている。また、第２の超格子層６０６の外側の側面にはＴｉが設けられ、第３の超格子層６０８の外側の側面にはＮｉ膜が設けられ、さらにＴｉ膜及びＮｉ膜の上にこれらを導通させるためのＰｔ膜及びＡｕ膜が順次成膜されて第２の側面電極６１６が形成されている。
【００８２】
第１の超格子層６０４は、２層の周期構造として構成されている。すなわち、厚さが８ｎｍのｐ型ＧａＮ層６０４ａと厚さが８ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層６０４ｂとから構成される。ここで、ｐ型ＧａＮ層６０４ａのＭｇドーピング濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。一方、アンドープＩｎＧａＮ層６０４ｂのＩｎ組成は５％であり、バルクにおけるバンド間遷移波長は約４００ｎｍである。第１の超格子層６０４は、ｐ型ＧａＮ層６０４ａとアンドープＩｎＧａＮ層６０４ｂとが４０ペアで構成されており、このときの総膜厚は厚さ６４０ｎｍである。
【００８３】
第２の超格子層６０６は、第１の超格子層６０４と同様に２層の周期構造として構成されている。すなわち、厚さが４ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層６０６ａと厚さが４ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ層６０６ｂとから構成される。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ層６０６ａのＡｌ組成は７％であり、Ｍｇのドーピング濃度は２×１０１９ｃｍ−３である。一方、アンドープＩｎＧａＮ層６０６ｂのＩｎ組成は１２％であり、バルクにおけるバンド間遷移波長は約４３０ｎｍである。第２の超格子層６０６における障壁層及び井戸層の厚さは、第１の超格子層６０４のそれらと比べて薄くしている。これは、井戸層のＩｎ組成が大きくなるに従って、その歪み量が大きくなるためであり、歪み量が大きくなるに従って各層における臨界膜厚が小さくなっていくためである。このため、各層を薄くすることにより、転位の発生及びクラックの発生を抑制している。第２の超格子層６０６は、第１の超格子層６０４と比べて分極が大きく掛かるため、比較的少ないＩｎ組成であるにも拘わらず、遷移波長は長波長化し、その遷移波長は４６０ｎｍ程度となる。しかしながら、吸収係数が低下するため、第２の超格子層６０６においてはｐ型ＡｌＧａＮ層６０６ａとアンドープＩｎＧａＮ層６０６ｂとを１２０ペアで構成している。従って、このときの総膜厚は９６０ｎｍと比較的厚くしている。このような厚膜であっても、ｐ型ＡｌＧａＮ層６０６ａの引っ張り歪みとアンドープＩｎＧａＮ層６０６ｂの圧縮歪みとが釣り合うため、転位を発生させることなく、厚く結晶成長させることが可能となる。
【００８４】
第３の超格子層６０８は、４層の周期構造として構成されている。すなわち、厚さが４ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層６０８ａ、厚さが０．５ｎｍのアンドープＡｌＮ層６０８ｂ、厚さが３．５ｎｍの第１のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｃ、及び厚さが０．５ｎｍの第２のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｄとから構成される。ｐ型ＡｌＧａＮ層６０８ａのＡｌ組成は９％であり、そのＭｇのドーピング濃度は２×１０１９ｃｍ−３である。アンドープＡｌＮ層６０８ｂは単分子層である。これは、厚膜化すると、この層のみでも転位及びクラックが発生してしまうためである。アンドープＡｌＮ層６０８ｂは、後述する２種類のＩｎＧａＮ層における圧縮歪みを補償する効果と、ＩｎＧａＮ層の価電子帯における正孔誘起を促進する効果とを有する。第１のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｃのＩｎ組成は２２％であり、遷移波長は約５２０ｎｍである。この層において主に光吸収が起こり、電子正孔対が生成される。また、第２のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｄは、さらにＩｎ組成が高く３０％に設定されている。しかしながら、第２のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｄはその膜厚が０．５ｎｍとかなり薄いために光吸収に関してはあまり寄与しない。第２のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｄは、伝導帯のエネルギー不連続量が大きいため、ここに２次元電子ガスを生成する。すなわち、第１のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｃで生成された電子正孔対のうち、電子は第２のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｄに移動する。移動した電子はそこで成長軸方向（＜０００１＞方向）に対して強く閉じ込められるため、運動エネルギーは強い量子化を受けることになる。すなわち、面内方向への散乱要因が減るため、電子の移動度を向上させることができる。このような高歪み構造では、バンドの傾きによってさらに遷移波長は長波長化（遷移波長約５５０ｎｍ）するものの、光吸収係数はさらに低下してしまう。このため、第３の超格子層６０８は２００周期で構成されており、このときの総膜厚は１７００ｎｍとかなり厚く形成されている。このような厚膜であっても、ｐ型ＡｌＧａＮ層６０８ａ及びＡｌＮ層６０８ｂの引っ張り歪みと、第１のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｃ及び第２のアンドープＩｎＧａＮ層６０８ｄとの圧縮歪みが釣り合うため、転位を発生させることなく、厚く結晶成長させることが可能となる。
【００８５】
このように構成されたタンデム型のIII族窒化物半導体からなる横型太陽電池は、アンドープＧａＮ層６０３から上方に向けて各超格子層６０４、６０６及び６０８の各Ｉｎ組成が高くなっている。これはＩｎ組成が高くなるほど、ＩｎＧａＮの成長温度を低くする必要があるからである。従って、本素子に種々の波長を含む光を入射させて動作させる場合は、遷移波長が短波長側である面（ＡｌＮ層６０２側）から入射させなければならない。すなわち、本素子では図７（ｂ）の下方からの光を入射させる構成を採る。このとき、各超格子層６０４、６０６及び６０８の成長用の基板は除去されている必要がある。従って、後述するように、剥離が容易なグラファイトを成長用基板に用いることは、太陽電池のタンデム化の実現において非常に有利となる。
【００８６】
具体的には、第１の超格子層６０４の下側から種々の波長を含む光を入射した場合、紫外領域から波長が４００ｎｍまでの光は第１の超格子層６０４で吸収されて、光電変換される。次に、第１の超格子層６０４を透過した光のうち、波長が４００ｎｍから４６０ｎｍまでの光は第２の超格子層６０６により光電変換される。さらに、第２の超格子層６０６を透過した光のうち、波長が４６０ｎｍから５６０ｎｍまでの光は第３の超格子層６０８により光電変換される。
【００８７】
各超格子層６０４、６０６及び６０８において光電変換された電子及び正孔は、各側面に形成された電極６１３、６１４、６１５及び６１６にそれぞれ移動する。各超格子層６０４、６０６及び６０８は直列に接続されているため、各超格子層６０４、６０６及び６０８における禁制帯幅の和が出力電圧としてｐ側電極６１４及びｎ側電極６１５の間に出力されることになる。
【００８８】
また、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る太陽電池は、３種類の超格子層６０４、６０６及び６０８が同心円状に配置されている。さらに、ｐ側電極６１４が外側に配置され、内側に配置されたｎ側電極６１５と比べて接触面積が大きくなるため、コンタクト抵抗が低減する。
【００８９】
図７（ｃ）に示す等価回路において、図７（ａ）及び（ｂ）と対応する構成部材部材には同一の符号を付している。本実施形態に係る太陽電池は、超格子層６０４、６０６及び６０８における各層が１つのダイオードと対応するため、例えば８０ペアからなる第１の超格子層６０４は、８０個のダイオードが並列接続された構成となる。第２の超格子層６０６及び第３の超格子層６０８も同様に、ダイオードがそれぞれ１２０ぺア及び２００周期分並列接続された構成となる。さらに、各側面電極６１３、６１６の形成により、各並列ダイオードのアノード及びカソードは互いに接続されている。図３（ｃ）において、中段のダイオードの向きだけが左右反対になっているが、これはＳｉの拡散部位が第１の超格子層６０４及び第３の超格子層６０８とは異なるためである。
【００９０】
このように、分極及び歪み量を適当に制御することにより、高性能なIII族窒化物半導体からなるタンデム型横型太陽電池を実現することが可能となる。
【００９１】
以下、前記のように構成されたタンデム型横型太陽電池の製造方法について図８及び図９を参照しながら説明する。
【００９２】
まず、図８（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にＭＯＣＶＤ法により、主面の面方位が（０００１）面である高配向のグラファイトからなる基板６０１の上に、III族窒化物半導体を層状に結晶成長する。ここで、原料のIII族源、窒素源及びＭｇ源は、第１の実施形態と同様である。
【００９３】
すなわち、グラファイト基板６０１の主面上に、上述したＡｌＮ層６０２、アンドープＧａＮ層６０３、第１の超格子層６０４、ＧａＮからなる第１のスペーサ層６０５、第２の超格子層６０６、ＩｎＧａＮからなる第２のスペーサ層６０７及び第３の超格子層６０８を順次結晶成長させる。ここで、下地層であるＡｌＮ層６０２から第１のスペーサ層６０５までの成長温度は１０００℃に設定している。また、第２の超格子層６０６から第２のスペーサ層６０７までの成長温度は８００℃に、第３の超格子層６０８の成長温度は７００℃に設定している。成長時の圧力は２００×１３３．３Ｐａとしている。キャリアガスは、第１のスペーサ層６０５までは主に水素（Ｈ２）とし、それ以上の層ではキャリアガスに窒素（Ｎ２）を用いている。
【００９４】
次に、図８（ｂ）に示すように、第３の超格子層６０８を環状にパターニングする。すなわち、リソグラフィ法及び緩衝弗化水素酸を用いたウェットエッチング法により、第３の超格子層６０８の上に、該第３の超格子層６０８の環状の平面形状（底面形状）を決定するパターンを有する、例えばＳｉＯ２からなる第１のマスク膜（図示せず）を形成する。緩衝弗化水素酸を用いることにより、パターン転写後の第１のマスク膜の側面の勾配がなだらかとなる。その後、第１のマスク膜を用いて塩素ガスにより、第３の超格子層６０８をドライエッチングする。このとき、第１のマスク膜はその周縁部が徐々に後退していくため、第３の超格子層６０８の側壁を基板６０１の主面に対して斜めにすることができる。これにより、第３の超格子層６０８には、内側に第１の凹部６０９ａが形成され、外側には第２の凹部６０９ｂが形成される。さらに、各凹部６０９ａ、６０９ｂの側壁の露出面積が大きくなって、電極との接触面積が増大することにより低抵抗化することができる。続いて、塩素イオンによる側壁へのダメージを回復するため、８００℃の窒素ガス雰囲気で３０分間だけアニーリング処理を行う。その後、第１のマスク膜を除去する。
【００９５】
次に、図８（ｃ）に示すように、第２のスペーサ層６０７及び第２の超格子層６０６を環状にパターニングする。すなわち、リソグラフィ法及び緩衝弗化水素酸を用いたウェットエッチング法により、第３の超格子層６０８を含め第２のスペーサ層６０７の上に、第２の超格子層６０６の環状の平面形状（底面形状）を決定するパターンを有する、例えばＳｉＯ２からなる第２のマスク膜（図示せず）を形成する。その後、第２のマスク膜を用いて塩素ガスにより、第２の超格子層６０６をドライエッチングする。このとき、第２のマスク膜はその周縁部が徐々に後退していくため、第２の超格子層６０６の側壁を基板６０１の主面に対して斜めとなる。これにより、第２の超格子層６０６には、内側に第３の凹部６１０ａが形成され、外側には第４の凹部６１０ｂが形成される。続いて、塩素イオンによる側壁へのダメージを回復するため、８００℃の窒素ガス雰囲気で３０分間だけアニーリング処理を行う。その後、第２のマスク膜を除去する。
【００９６】
次に、図８（ｄ）に示すように、第１のスペーサ層６０５及び第１の超格子層６０４を環状にパターニングする。すなわち、リソグラフィ法及び緩衝弗化水素酸を用いたウェットエッチング法により、第３の超格子層６０８及び第２の超格子層６０６を含め第１のスペーサ層６０５の上に、第１の超格子層６０４の環状の平面形状（底面形状）を決定するパターンを有する、例えばＳｉＯ２からなる第３のマスク膜（図示せず）を形成する。その後、第３のマスク膜を用いて塩素ガスにより、第１の超格子層６０４をドライエッチングする。このとき、第３のマスク膜はその周縁部が徐々に後退していくため、第１の超格子層６０４の側壁を基板６０１の主面に対して斜めとなる。これにより、第１の超格子層６０６には、内側に第５の凹部６１１ａが形成され、外側には第６の凹部６１１ｂが形成される。続いて、塩素イオンによる側壁へのダメージを回復するため、８００℃の窒素ガス雰囲気で３０分間だけアニーリング処理を行う。その後、第３のマスク膜を除去する。以上の３回のドライエッチング工程により、３つの段差が形成されることが分かる。
【００９７】
次に、リソグラフィ法及び緩衝弗化水素酸を用いたウェットエッチング法により、第１の超格子層６０４における第５の凹部６１１ａ、第２の超格子層６０６における第４の凹部６１０ｂの側壁及び第３の超格子層６０８における第１の凹部６０９ａの側壁を露出する、例えばＳｉＯ２からなる第４のマスク膜（図示せず）を形成する。続いて、第４のマスク膜を用いて、ｎ型ドーパントであるＳｉを各超格子層６０４、６０６及び６０８にそれぞれイオン注入する。注入条件は加速電圧が２５０ｋｅＶで、ドーズ量が１×１０１５ｃｍ−２である。このとき、Ｓｉイオンの注入深さは約０．２μｍとなり、平均して約３×１０１９ｃｍ−３のＳｉ濃度となる。この後、Ｓｉイオンを活性化するためのＲＴＡ処理を行う。このときの活性化のアニール処理は、各超格子層６０４、６０６及び６０８の超格子構造を崩さないために、第４のマスク膜を除去せずに、該第４のマスク膜を覆うように全面に厚さが４００ｎｍのＳｉ膜を蒸着した後、１０００℃の酸素雰囲気中で１５分間だけ実施する。
【００９８】
このように、酸素雰囲気でアニールすることにより、蒸着したＳｉ膜の表面は緻密なＳｉＯ２膜となるため、各超格子層６０４、６０６及び６０８の表面からのＳｉの目減りとIII族窒化物半導体からの窒素抜けを防止することができる。また、イオン注入により結晶性が乱れた領域は、このＲＴＡ処理によって再結晶化し、且つＳｉ原子がIII族サイトに収まることによりドナーとして活性化する。これにより、図９（ａ）に示すように、第１の超格子層６０４の第５の凹部６１１ａの側壁には第１のｎ型化領域６１２ａが形成され、第２の超格子層６０６の第４の凹部６１０ｂの側壁には第２のｎ型化領域６１２ｂが形成される。さらに、第３の超格子層６０８の第１の凹部６０９ａの側壁には第３のｎ型化領域６１２ｃが形成される。ＲＴＡ処理の後は、弗化水素酸と過酸化水素との混合溶液によって、表面に蒸着したＳｉＯ２膜及びＳｉ膜並びに第４のマスク膜を除去する。
【００９９】
次に、図９（ｂ）に示すように、ｐ側電極６１４、ｎ側電極６１５、第１の側面電極６１３及び第２の側面電極６１６をそれぞれリフトオフ法により形成する。ここで、ｐ側電極６１４は、例えば厚さが５０ｎｍのＮｉ、厚さが１００ｎｍのＰｔ及び厚さが２０００ｎｍのＡｕにより形成する。また、ｎ側電極６１５は、例えば厚さが５０ｎｍのＴｉ、厚さが１００ｎｍのＰｔ及び厚さが２０００ｎｍのＡｕにより形成する。また、第１の側面電極６１３は、第１の超格子層６０４における第１のｎ型化領域６１２ａと接触する部位に例えば厚さが１０ｎｍのＴｉ膜を形成し、且つ、ｐ型の第２の超格子層６０６と接触する部位には厚さが１０ｎｍのＮｉ膜を形成する。さらに、これらのＴｉ膜及びＮｉ膜を覆うように、例えば厚さが１００ｎｍのＰｔ膜及び厚さが３００ｎｍのＡｕ膜を順次積層する。同様に、第２の側面電極６１６は、第２の超格子層６０６における第２のｎ型化領域６１２ｂと接触する部位に例えば厚さが１０ｎｍのＴｉ膜を形成し、且つ、ｐ型の第３の超格子層６０８と接触する部位には厚さが１０ｎｍのＮｉ膜を形成する。さらに、これらのＴｉ膜及びＮｉ膜を覆うように、例えば厚さが１００ｎｍのＰｔ膜及び厚さが３００ｎｍのＡｕ膜を順次積層する。
【０１００】
続いて、グラファイトからなる基板６０１をＡｌＮ層６０２から剥離する。グラファイトはIII族窒化物半導体との密着性が悪いことが、本願発明者らの実験及び第一原理計算から判明している。グラファイトの上にIII族原子又は窒素原子を吸着させた場合、吸着エネルギーは正値となっている。すなわち、容易に解離しやすいことを示している。このため、基板６０１上のIII族窒化物半導体層を除去する場合は、粘着シートへの転写等を行うことにより、極めて容易に基板６０１を除去することができる。
【０１０１】
なお、第２の実施形態においては、遷移波長が異なる３種類の超格子層６０４、６０６及び６０８を積層してタンデム型を構成したが、超格子層のスタック数は３層に限られない。例えば２層でもよく、また４層以上でも構わない。
【０１０２】
また、第２の実施形態においても、超格子層１０４に、ウルツ型化合物であるIII族窒化物を用いたが、これに限られず、同じウルツ型化合物の酸化物、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛マグネシウム（ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ）（但し、０＜ｘ＜１）又は酸化カドミウム（ＣｄＯ）を用いてもよい。さらには、超格子層に分極が生じる結晶構造をもつ材料であればよい。
【０１０３】
この場合に、複数のバンド間遷移波長を得るには、ウルツ型酸化物半導体におけるII族元素の組成比、すなわち、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）及びカドミウム（Ｃｄ）の各含有率を超格子層ごとに変化させればよい。
【０１０４】
また、第２の実施形態においては、各超格子層６０４、６０６及び６０８の傾斜した側面にｎ側電極６１５等が設けられるように、各超格子層６０４、６０６及び６０８にそれぞれ凹部６０９ａ等を設けたが、側壁が傾斜した凹部６０９ａ等は必ずしも設ける必要はない。例えば、積層した超格子層６０４、６０６及び６０８に、側壁が基板６０１の主面に垂直となる溝を設けることにより、互いに対向する側面を形成してもよい。また、超格子層６０４、６０６及び６０８を基板６０１の主面に垂直な方向に分割してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明に係る太陽電池は、ウルツ型化合物半導体を用いた高効率な太陽電池を得ることができ、無害且つ高効率であることから、屋外発電用太陽電池等として用いることができる。また、III族窒化物半導体を用いた場合は耐放射線性に優れ、且つ薄膜軽量であることから、例えば人工衛星用のパワープラント等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池を構成するIII族窒化物半導体からなる超格子構造におけるバンド図である。（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る太陽電池を構成するIII族窒化物半導体からなる超格子構造における吸収係数スペクトルを表すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る太陽電池を構成するIII族窒化物半導体からなる超格子構造による光起電力の発生機構を説明するための模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る太陽電池の電流電圧特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態の一変形例に係る太陽電池を構成するIII族窒化物半導体からなる超格子構造におけるバンド図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る太陽電池を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における断面図であり、（ｃ）は等価回路図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す工程順の断面図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１０１    基板
１０２    ＡｌＮ層
１０３    ＲｕドープＧａＮ層
１０４    超格子層
１０４ａ  ｐ型ＧａＮ層
１０４ｂ  アンドープＩｎＧａＮ層
１０５ａ  第１の凹部
１０５ｂ  第２の凹部
１０６    ｎ型化領域
１０７    ｎ側電極
１０８    ｐ側電極
２０１    超格子層
２０１ａ  障壁層
２０１ｂ  井戸層
２０２ａ  第１準位における電子の波動関数
２０２ｂ  第１準位における正孔の波動関数
３０２    ｐ型超格子
３０３    ｎ型化領域
３０５    フェルミ準位
３０６    光（光子）
３０７    電子正孔対の光励起
３０８    電子
３０９    正孔
３１０    外部負荷
５０１    障壁層
５０２    井戸層
５０３    電子輸送層
５０４ａ  第１準位における電子の波動関数
５０４ｂ  第１準位における正孔の波動関数
５０５ａ  第２準位における電子の波動関数
５０５ｂ  第３準位における正孔の波動関数
６０１    基板
６０２    ＡｌＮ層
６０３    アンドープＧａＮ層
６０４    第１の超格子層
６０４ａ  ｐ型ＧａＮ層
６０４ｂ  アンドープＩｎＧａＮ層
６０５    第１のスペーサ層
６０６    第２の超格子層
６０６ａ  ｐ型ＡｌＧａＮ層
６０６ｂ  アンドープＩｎＧａＮ層
６０７    第２のスペーサ層
６０８    第３の超格子層
６０８ａ  ｐ型ＡｌＧａＮ層
６０８ｂ  アンドープＡｌＮ層
６０８ｃ  第１のアンドープＩｎＧａＮ層
６０８ｄ  第２のアンドープＩｎＧａＮ層
６０９ａ  第１の凹部
６０９ｂ  第２の凹部
６１０ａ  第３の凹部
６１０ｂ  第４の凹部
６１１ａ  第５の凹部
６１１ｂ  第６の凹部
６１２ａ  第１のｎ型化領域
６１２ｂ  第２のｎ型化領域
６１２ｃ  第３のｎ型化領域
６１３    第１の側面電極
６１４    ｐ側電極
６１５    ｎ側電極
６１６    第２の側面電極
【図１】
2010186915.tif 000003
【図２】
2010186915.tif 000004
【図３】
2010186915.tif 000005
【図４】
2010186915.tif 000006
【図５】
2010186915.tif 000007
【図６】
2010186915.tif 000008
【図７】
2010186915.tif 000009
【図８】
2010186915.tif 000010
【図９】
2010186915.tif 000011