(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上の主面側に、受光した光を電力に変換する発電層を形成する工程、
（ｂ）前記発電層に接して一方の電極層を形成する工程、
（ｃ）前記発電層に接して、他方の電極層として透光性電極を形成する工程を含む太陽電池の製造方法であって、
透光性電極を形成する工程が、
（ｃ１）発電層に含まれるｐ型半導体層側にアモルファス状のＩＺＯ（インジウム亜鉛オキシド）膜を積層する工程、
（ｃ２）該アモルファス状のＩＺＯ膜をエッチングする工程、
（ｃ３）エッチングされた該アモルファス状のＩＺＯ膜を５００℃より高く８００℃より低い温度での熱処理で結晶化する工程、を含む太陽電池の製造方法。
【請求項２】
アモルファス状のＩＺＯ膜を積層する工程がスパッタリング法によってなされる請求項１に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項３】
受光した光を電力に変換する発電層が、ＩＩＩ族窒化物半導体の窒化ガリウム系化合物半導体からなる請求項１又は２の何れかに記載の太陽電池の製造方法。
【請求項４】
アモルファス状のＩＺＯ膜が、発電層のｐ型半導体層上に積層されている請求項３に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項５】
基板上の主面側に受光した光を電力に変換する発電層を形成する工程が、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファー層と、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を少なくとも含み、バッファー層とｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層からなる群より選ばれた少なくとも一種がスパッタ法によって形成される工程を含む請求項１〜４の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項６】
ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）の何れか一項の層がスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＬＥ法からなる群から選ばれた少なくとも一種の方法で形成する請求項５に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項７】
スパッタ法が、窒素を、プラズマ、ラジカル、原子のうちのいずれかの状態で供給してＩＩＩ族元素と反応させることにより成膜させる請求項５又は６に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項８】
ドーパント元素のみを供給するプロセスと、ＩＩＩ族元素を含む化合物と窒素原料を同時に供給するプロセスを交互に繰り返すことからなる第一の工程を含む請求項５〜７の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項９】
前記第一の工程による成長後であって、前記透光性電極を形成する工程の前に、熱処理を行う第二の工程をさらに有する請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１０】
前記第二の工程の熱処理温度が、３００℃から１２００℃の範囲である請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１１】
水素ガスまたは水素原子を含む化合物のガスを含まない雰囲気中で前記第二の工程の熱処理を行う請求項９または１０に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１２】
ドーパント元素が、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれた少なくとも一種である請求項８〜１１の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
【請求項１３】
ドーパント元素が、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた少なくとも一種である請求項８〜１１のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の製造方法に関し、より詳しくは量産性と特性の両方に優れたＩＩＩ族窒化物半導体（ＩＩＩ族窒化物化合物半導体ともいう）の積層構造体を含む太陽電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電に関する技術開発が始まって以来、約３０年が経過している。この間に世界の各国のエネルギー消費量は急激に拡大した。一方、京都議定書による地球温暖化ガス排出量の削減が一部の国を除く世界的な合意によって進められている。そして、これを契機に自然エネルギー、特に太陽光発電の利用が注目されている。
特に、各国ごとに補助金制度がスタートしてから太陽光発電の市場が急激に拡大した。そして、半導体産業によるシリコンの需要の増大と相まって、太陽光発電の市場向けのシリコン原料の供給に対する不安が問題となってきた。
即ち、現在の主力の商品である多結晶シリコン型の太陽電池の需要が急拡大したことに伴い、結晶シリコン原料の生産が思うように進まず、将来的な供給不安がクローズアップされてきた。これを契機に、シリコン基板の薄膜化の需要が高まってきた。
薄膜型の太陽電池には、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等を用いた太陽光発電システムが知られている。そして、開発面では、Ｃｕ、Ｉｎ、ＳｅをベースとしたＣＩＳ系薄膜やＧａを含むＣＩＧＳ系薄膜の化合物半導体薄膜等を用いた太陽光発電システムが注目されている。
さらには、研究段階として、太陽光発電素子基板のフレキシブル化が可能な、Ｒｕ系色素を含む色素増感型素子や有機薄膜素子を用いた光発電システムも知られている。
【０００３】
一方、太陽光発電の市場が拡大する為の大きな課題には、光変換効率の向上とコストダウンが挙げられる。人工衛星等の電源として既に実用化されているＧａＡｓトンネル接合層を用いたＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系多接合型の太陽電池は、光変換効率がシリコン系の太陽電池よりも格段に優れているものの、製造コストがシリコン系の太陽電池に比べて高くなると言われており、民生的に汎用されていない。
このような化合物半導体を用いた太陽電池の一例としては、ＭＯＣＶＤ法を用いて多接合型の太陽電池に必要な半導体多層構造を堆積して太陽電池を製造する方法（例えば特許文献１）や、同じくＭＯＣＶＤ法を用いて下部セルにＧｅを、上部セルにＧａＡｓ層を積層した３端子型の多接合型太陽電池（例えば特許文献２）、さらにＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅ型の多接合太陽電池セルに集光装置を備えた集光型の太陽光発電装置（例えば特許文献３）等が提案されている。
【０００４】
また、ＧａＮ系材料を用いた多接合タンデム型の太陽電池としては、ＭＢＥ法を用いてＩｎ（１−ｘ）Ｇａ（ｘ）Ｎ系（Ｅｇ  約０．７ｅＶ〜３．４ｅＶ）薄膜を成長させ、複数のｐｎ接合部を備えた構造が開示されているが、製造方法や性能等の詳細は不明である（例えば特許文献４）。
これまでの化合物半導体を用いた太陽光発電システムは、太陽電池素子の薄膜の成長方法が煩雑であり、コストアップの要因となっていた。しかしながら、素子基板の大型化への提案は全くなく、電力コストの点で他のエネルギー源に比べてはるかに巨額となり、また先行する多結晶シリコン系の太陽電池の製造コストに近づけるのは至極困難な問題であった。
【０００５】
一方、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶成長の方法に関しては、発光素子等の製造においてアンモニアと、有機ガリウム、有機インジウム化合物等の有機金属とを高温で反応させるＭＯＣＶＤ法を用いた方法や、ＭＢＥあるいはスパッタ法などを用いた方法も知られている（例えば、特許文献５、非特許文献１および２参照）。しかしながら、ＭＢＥやスパッタ法などによる結晶成長の方法は、化合物半導体の発光素子や太陽電池素子の製造において工業的な方法として利用されていない。
薄膜太陽電池素子に用いられている透明電極材料としては、例えばＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ（インジウムスズオキシド）、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキシド）が知られている（特許文献６）。また、透明電極材料としてＩＺＯを用いた場合、Ｉｎ２Ｏ３が９０ｗｔ％、ＺｎＯが１０ｗｔ％であるターゲットを用いてガラス基板にＩＺＯ膜を成膜すると、アモルファス性の膜となることが知られている（非特許文献３参照））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−４４４５号公報
【特許文献２】特開２００２−３６８２３８号公報
【特許文献３】特開２００６−３１３８１０号公報
【特許文献４】米国特許出願公開２００４−０１１８４５１号公報
【特許文献５】特開昭６０−３９８１９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】牛玖由紀子等、高周波マグネトロンスパッタリング法によるＧａＮ薄膜の成膜（Ｉ）、第２回２１世紀連合シンポジウム−科学技術と人間−（２００３、東京）
【非特許文献２】浅見亮範等、ＵＨＶスパッタリング法によるＳｉ及びＭｇドープＧａＮ単結晶の成長、第６６回応用物理学会学術講演回  講演予稿集（２００５秋  徳島大学）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の問題点を解決し、産業上有益な高効率光変換可能な太陽電池及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、下記の発明を提供する。
（１）基板と、前記基板上の主面側に形成され、受光した光を電力に変換する発電層と、前記発電層に接して形成された透光性電極と、前記発電層に接して形成されたもう一方の電極層と、を具備する太陽電池であって、前記透光性電極が六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３結晶を含むことを特徴とする太陽電池。
（２）前記透光性電極が結晶性ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキシド）を含む透光性電極であり、前記結晶性ＩＺＯのＺｎ含有量が、ＺｎＯ換算として１〜２０質量％である前項１に記載の太陽電池。
（３）透光性電極の厚さが３５ｎｍ〜１０μｍである前項１又は２に記載の太陽電池。
（４）前記基板上の主面側に形成され受光した光を電力に変換する発電層が、基板上の主面側にｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を具備する前項１〜３の何れか一項に記載の太陽電池。
（５）前記発電層が、基板上の主面側に、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファー層と、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を具備する太陽電池であって、バッファー層とｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層からなる群より選ばれた少なくとも一種がスパッタ法によって形成された化合物半導体層を有する前項１〜４の何れか一項に記載の太陽電池。
（６）ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）が、前記発電層内で複数含むことを特徴とする前項５に記載の太陽電池。
【００１０】
（７）バッファー層上に形成されたｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層が、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）からなる層であることを特徴とする前項５又は６に記載の太陽電池。
（８）基板が、石英、ガラス、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン及び酸化チタンからなる群から選ばれた少なくとも１種の材料の基板であることを特徴とする前項１〜７の何れか一項に記載の太陽電池。
（９）ｎ型電極及びｐ型電極が、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層の少なくとも一部又は全部の表面上に形成されたことを特徴とする前項１〜８の何れか一項に記載の太陽電池。
（１０）バッファー層が、ＡｌＮ又はＧａＮであることを特徴とする前項１〜９の何れか一項に記載の太陽電池。
（１１）（ａ）基板上の主面側に、受光した光を電力に変換する発電層を形成する工程、（ｂ）前記発電層に接して一方の電極層を形成する工程、（ｃ）前記発電層に接して、他方の電極層として透光性電極を形成する工程を含む太陽電池の製造方法であって、透光性電極を形成する工程が、（ｃ１）発電層に含まれるｐ型半導体層側にアモルファス状のＩＺＯ（インジウム亜鉛オキシド）膜を積層する工程、（ｃ２）該アモルファス状のＩＺＯ膜をエッチングする工程、（ｃ３）エッチングされた該アモルファス状のＩＺＯ膜を５００℃より高く８００℃より低い温度での熱処理で結晶化する工程、を含む太陽電池の製造方法。
（１２）アモルファス状のＩＺＯ膜を積層する工程がスパッタリング法によってなされる
前項１１に記載の太陽電池の製造方法。
【００１１】
（１３）受光した光を電力に変換する発電層が、ＩＩＩ族窒化物半導体の窒化ガリウム系化合物半導体からなる前項１１又は１２の何れかに記載の太陽電池の製造方法。
（１４）アモルファス状のＩＺＯ膜が、発電層のｐ型半導体層上に積層されている前項１
３項に記載の太陽電池の製造方法。
（１５）基板上の主面側に受光した光を電力に変換する発電層を形成する工程が、基板上
にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファー層と、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導
体層（ｐ型層／ｎ型層）を少なくとも含み、バッファー層とｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒
化物半導体層からなる群より選ばれた少なくとも一種がスパッタ法によって形成される工
程を含む前項１１〜１４の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
（１６）ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）の何れか一項の層
がスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＬＥ法からなる群から選ばれた少
なくとも一種の方法で形成する前項１５に記載の太陽電池の製造方法。
【００１２】
（１７）スパッタ法が、窒素を、プラズマ、ラジカル、原子のうちのいずれかの状態で供給してＩＩＩ族元素と反応させることにより成膜させる前項１５又は１６に記載の太陽電池の製造方法。
（１８）ドーパント元素のみを供給するプロセスと、ＩＩＩ族元素を含む化合物と窒素原料を同時に供給するプロセスを交互に繰り返すことからなる第一の工程を含む前項１５〜１７の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
（１９）第一の工程による成長後、熱処理を行う第二の工程をさらに有する前項１８に記載の太陽電池の製造方法。
（２０）熱処理温度が、３００℃から１２００℃の範囲である前項１９に記載の太陽電池の製造方法。
（２１）水素ガスまたは水素原子を含む化合物のガスを含まない雰囲気中で熱処理を行う前項１９または２０に記載の太陽電池の製造方法。
（２２）ドーパント元素が、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれた少なくとも一種である前項１８〜２１の何れか一項に記載の太陽電池の製造方法。
（２３）ドーパント元素が、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた少なくとも一種である前項１８〜２１のいずれか一項に記載の太陽電池の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明において、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶を含む透光性電極は、可視から紫外領域において特に高い光透過率を有する導電型透光性電極とすることができ、受光素子の高光透過性電極の特性が高められる。これにより、優れた発電特性が期待される。さらに、本発明で使用される、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶を含む透光性電極は、基板上の主面側にｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）のいずれか一方の層に接する透光性の優れたオーミック電極として使用される。
また、本発明において、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶を含む透光性電極のうち、結晶性ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキシド）を含む透光性電極は、結晶性ＩＺＯが六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯの透光性電極が良く、エッチング性に優れたアモルファスのＩＺＯ膜を用いて特定形状に加工することができ、さらにその後、熱処理等によりアモルファス状態から結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのＩＺＯ膜よりも透光性の優れた電極に加工することができる。そのため、太陽電池としての透光性電極として優れ、特に紫外線近傍の光を吸収する太陽電池において、格別な効果が得られる。
そのため、本発明は、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む結晶性ＩＺＯの透明導電膜を有する太陽電池又は透明電極として結晶性ＩＺＯを使用する太陽電池が好ましく、本発明は太陽電池の発電層の種類に限定されずに広く適用できる。
特に、本発明において、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファー層と、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を具備する太陽電池であって、バッファー層とｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層からなる群より選ばれた少なくとも一種がスパッタ法によって形成された化合物半導体層を有する太陽電池は、用いる基板の大面積化が可能であり、従来のＭＯＣＶＤのみで製造する方法に比べ、大幅な製造コストの低減が図られる。
さらに、本製造方法は、スパッタ法と他の方法（例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＬＥ法等）との容易に組み合わせることにより、さらに太陽電池の工程を格別スピードアップできる利点が期待できる。
【００１４】
本発明でのスパッタ法の利用により、太陽電池の製造方法においては、窒素を、プラズマ、ラジカル、原子のうちのいずれかの状態で供給してＩＩＩ族元素と反応させることにより容易に成膜することができ、ドーパント元素のみを供給するプロセスと、ＩＩＩ族元素を含む化合物と窒素原料を同時に供給するプロセスを交互に繰り返すことからなる第一の工程を含み、さらに第一の工程による成長後、熱処理を行う第二の工程を実施することにより、優れたＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を形成することができる。
さらに、本発明において、基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファー層又はその上部に形成する下地層をスパッタ法によって形成された化合物半導体層を有する太陽電池は、当該バッファー層や下地層の形成条件を最適化することにより、貫通転位を少なくすることができ、特に、スパッタ法で形成されたバッファー層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されたバッファー層と比較して、膜厚が薄くても面内均一性に優れたものとなり、多結晶（例えば柱状結晶）体から、より単結晶化する。例えば、前記下地層の特性として、（０００２）面のロッキングカーブ半価幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であり、かつ（１０−１０）面のロッキングカーブ半価幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下である下地層を得ることができる。その結果、その上部に形成するｐｎ接合を有する太陽電池の変換効率等にも優れた影響を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１において作製したＧａＮ接合層を具備する太陽電池素子の断面模式図の一例である。
【図２】本発明の実施例１において作製した太陽電池素子の電極構造の一例を示す平面図である。
【図３】本発明の実施例２において作製したＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ接合層を具備する太陽電池素子の断面模式図の一例である。
【図４】本発明において、ＧａＮ接合層とＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ接合層の２接合を具備する太陽電池素子の断面模式図の一例である。
【図５】本発明に係るＩＺＯ膜に対する熱処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係るＩＺＯ膜に対する熱処理温度とキャリヤー濃度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係るＩＺＯ膜に対する熱処理温度とキャリヤーの移動度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る、熱処理を施していないＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図９】本発明に係る、３００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る、４００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る、５００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る、６００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る、６５０℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１４】本発明に係る、７００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る、８００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１６】本発明に係る、９００℃の温度で熱処理を施したＩＺＯ膜のＸ線回析データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１７】本発明に係る、熱処理を行なわない場合と、所定温度で熱処理を行なった場合の、ＩＺＯ膜の光透過率と透過波長との関係を示すグラフである。
【図１８】４００℃の温度で熱処理を施したＩＴＯ膜のＸ線回折データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図１９】６００℃の温度で熱処理を施したＩＴＯ膜のＸ線回折データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図２０】熱処理を施していないＩＧＯ膜のＸ線回折データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図２１】２００℃の温度で熱処理を施したＩＧＯ膜のＸ線回折データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図２２】４００℃の温度で熱処理を施したＩＧＯ膜のＸ線回折データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【図２３】６００℃の温度で熱処理を施したＩＧＯ膜のＸ線回折データ（ＸＲＤ）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、基板と、前記基板上の主面側に形成され受光した光を電力に変換する発電層と、前記発電層に接して形成された透光性電極と前記発電層に接して形成されたもう一方の電極層と、を具備する太陽電池であって、前記透光性電極が六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３結晶を含むことを特徴とする太陽電池及びその製造方法を提供する。そして本発明において、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶には、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３に酸化亜鉛を含むＩＺＯ（インジウム・亜鉛系酸化物）、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３に酸化錫を含むＩＴＯ（インジウム・スズ系酸化物）、及び六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３に酸化ガリウムを含むＩＧＯ（インジウム・ガリウム系酸化物）からなる群から選ばれた少なくとも１種を含むものであることが好ましい。
また、本発明は、基板と、前記基板上の主面側に形成され受光した光を電力に変換する発電層と、前記発電層に接して形成された透光性電極と前記発電層に接して形成されたもう一方の電極層と、を具備する太陽電池であって、前記透光性電極が結晶性ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキシド）を含む透光性電極であり、結晶性ＩＺＯが六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むことを特徴とする太陽電池及びその製造方法を提供する。
本発明は、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む結晶性ＩＺＯを含む透明導電膜を有する太陽電池に関し、特に透明電極として前記結晶性ＩＺＯを使用する太陽電池が好ましい。一般に太陽電池にはバルク系と薄膜系に大別されるが、本発明は特に太陽電池の種類に限定されるものではないが、薄膜系太陽電池が好ましく適用できる。
本発明にかかる薄膜系太陽電池において、発電層として、非晶質系、微結晶系、多結晶系の各シリコン材料からなる半導体、シリコン系半導体、ＣｕＩｎＳｅ２（ＣｕＩｎＧａＳｅ２，ＣｕＩｎＧａＳｅを含む）、ＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体、ＩＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体等の化合物半導体、及び有機系薄膜を一種又は複数組み合わせて用いることができる。
本発明においては、結晶性ＩＺＯとして、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯを好ましく用いることができる。また、本発明においては、結晶性ＩＺＯとして、ビックスバイト結晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯを好ましく用いることができる
また、ＩＺＯ膜としては、比抵抗が最も低くなる組成を使用することが好ましい。例えば、ＩＺＯ中のＺｎＯ濃度は１〜２０質量％であることが好ましく、５〜１５質量％の範囲であることが更に好ましい。１０質量％であると特に好ましい。
また、ＩＺＯ膜の膜厚は、低比抵抗、高光透過率を得ることができる３５ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、ＩＺＯ膜の膜厚は１０００ｎｍ（１μｍ）以下であることが好ましい。
【００１７】
以下、発明の実施形態の一例として、基板上の主面側に形成され受光した光を電力に変換する発電層として、基板上の主面側にｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を具備する太陽電池について説明するが、本発明はこのような発電層の構造に限定されず、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む結晶性ＩＺＯを透明導電膜または透明電極に広く使用する太陽電池を提供する。
本発明は、少なくとも基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなるバッファー層と、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）を具備する太陽電池であって、バッファー層とｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層からなる群より選ばれた少なくとも一種がスパッタ法によって形成された化合物半導体層を有することを特徴とする太陽電池及びその製造方法に関する。
さらに本発明においては、バッファー層を形成した後のＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地層や、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）のいずれの層もスパッタ法によって形成された発明を含む。
さらに本発明においては、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、当該接合層は太陽光の入射方向に対して限定されないが、好ましくは入射方向からｎ層／ｐ層の順で形成された半導体多層膜を少なくとも含むものがよく、また同一基板上で前記ｐｎ接合の半導体層を複数含んだタンデム構造の多接合型太陽電池構造を形成してもよい。
【００１８】
本発明においては、バッファー層上に形成されたｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層は、好ましくはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１））からなる層である太陽電池を提供する。なお、上記のＸは、任意の原子比を示すものであり、例えば、後述するＸ１、Ｘ２等を示すものである。以下、同様とする。
バッファー層は、特に限定されないが、好ましくはＧａＮ又はＡｌＮから選ばれる。バッファー層の膜厚は、通常１〜１０００ｎｍの範囲、好ましくは３〜４００ｎｍ、さらの好ましくは５〜２００ｎｍの範囲がよい。
バッファー層を形成した後、バッファー層とｐｎ接合層の間に下地層を形成することができる。下地層はＩＩＩ族窒化物半導体、好ましくはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）からなる層であって、さらに好ましくはＧａＮ層が使用される。
また、本発明において、前記バッファー層をスパッタ法で形成する場合、バッファー層の均一性が優れており、その結果その後に下地層を形成した場合、下地層中の貫通転位を少なくすることができる。特に、スパッタ法で形成されたバッファー層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されたバッファー層と比較して、膜厚が薄くても面内均一性に優れたものとなる。例えば、前記下地層の特性として、（０００２）面のロッキングカーブ半価幅が１００ａｒｃｓｅｃ以下であり、かつ（１０−１０）面のロッキングカーブ半価幅が３００ａｒｃｓｅｃ以下である下地層を得ることができる。
また、このような優れた下地層を形成できるので、その上部に形成するｐｎ接合を有する太陽電池特性にも優れたものを作ることができる。また、下地層を形成しない場合でもその上部に形成する、ｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層（ｐ型層／ｎ型層）の特性も優れたものを作ることができる。
【００１９】
また、スパッタ装置のチャンバ内に基板を配置し、バッファー層を形成する前にスパッタするなどの方法によって前処理を行ってもよい。具体的には、チャンバ内において、基板をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝す事によって表面を洗浄する前処理を行なうことができる。ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板の表面に作用させることで、基板表面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。この場合、ターゲットにパワーを印加せずに、基板とチャンバとの間に電圧を印加すれば、プラズマ粒子が効率的に基板に作用する。
基板に前処理を行なった後、基板上に、スパッタ法によって、図１に示すバッファー層２を成膜する。
また、一般的に、スパッタ法は基板の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板を用いた場合でも、基板１にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
また、本発明において、バッファー層は結晶性についても特に制限なく使用することができ、多結晶（例えば柱状結晶）であっても単結晶であってもよく、好ましくは単結晶がよい。
下地層には、必要に応じて、ｎ型不純物をドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）とすることもでき、アンドープの方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。
また、下地層にドーパントをドープして導電性とすることにより、ｐｎ接合素子の上下に電極を形成することができる。
下地層の厚みは、特に限定されないが、通常０．０１〜３０μｍの範囲、好ましくは０．０５〜２０μｍ、さらの好ましくは０．１〜１０μｍの範囲がよい。
この際、複数のｐｎ接合からなるＩＩＩ族窒化物半導体層は、トンネル接合又はオーミック電極で接続された構造をとってもよい。
【００２０】
本発明において、基板はＩＩＩ族窒化物半導体からなる基板又は基板上に結晶成長させる材料と異なる基板（異種基板）であってもよい。例えば異種基板としては、石英、ガラス、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン及び酸化チタンからなる群から選ばれた一種の材料基板が好ましく挙げることができ、さらに好ましくは石英、ガラス、サファイア、ＳｉＣ、シリコンからなる群から選ばれた少なくとも一種の材料基板がよく、さらに望ましくは石英、ガラス又はサファイアが良い。
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、図面は模式的なものであり、各層の厚みや平面寸法との関係等は現実のものとは異なる。
以下、当該構造を含む太陽電池について説明するが、太陽電池の入射方向は、図１、図３、図４に限定されず、図面に示す方向の反対側でもよい。
図１は、ＧａＮからなるｐｎ接合を有する太陽電池素子の縦方向断面図の一例を表す。ここで、ｐｎ接合を有するｐ型／ｎ型のＧａＮ層（５０、５１）は、石英基板１上のＡｌＮバッファー層２、アンドープＧａＮ下地層３を介して積層され、ｐｎ接合を有する半導体層上には集電電極としてオーミック電極６０のＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）が積層されている。電極表面は、必要に応じて保護膜６１で被覆されている。保護膜６１は、オーミック電極を保護できるものなら何でも良い。太陽光の入射する側の表面には、公知な反射防止膜（例えばＭｇＦ２／ＺｎＳ２膜など）が使用される。
【００２２】
図３は、図１中の、ｐｎ接合を有するｐ型／ｎ型のＧａＮ層（５０、５１）の替わりにＩｎｘ１Ｇａ（１−Ｘ１）Ｎなるｐｎ接合を有するｐ型／ｎ型のＩｎＧａＮ層（７０、７１）を具備する太陽電池素子の縦方向断面図の一例を表す。
さらに本発明においては、ｐｎ接合を有する化合物半導体層を基板上に複数形成したものであってもよく、その場合接合層間はトンネルピーク電流密度の高いトンネル接合層で形成される。
図４は、ｐｎ接合を有する化合物半導体層を基板上に２接合を具備する太陽電池素子の縦方向断面図の一例を表す。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層においてＶ族分子が表面から蒸発する温度は、約４００℃程度以上で行うのが一般的であることから、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）からなるトンネル接合層は、約４００℃〜約８００℃の比較的高い熱処理温度で短い熱処理時間（数秒程度）で熱処理を行うことにより、５０ｍＡ／ｃｍ２以上のトンネルピーク電流密度を得ることができる。しかし、約３００℃〜４００℃の比較的低い熱処理温度では、数１０分以上の熱処理を行うこともできる。トンネル接合層においても光吸収されて光吸収損失が生じので、トンネル接合層の厚さは十分なトンネル接合特性が得られる薄い薄膜がよく、好ましくは１０ｎｍ以下とするのがよい。
【００２３】
図１及び図３において、ｐ型ＧａＮ層５１又はｐ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層７１の片面にはオーミック・コンタクト電極（オーミック電極）６０となるＩＴＯやＡｕ電極等が形成されている。ｎ型ＧａＮ層５０やｎ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層７０は、それ自体をコンタクト層として化合物半導体表面の一部を公知なフォトリソグラフィー及びエッチング手法（ドライエッチング工程を含む）で素子加工してパッド電極が形成され、パッド電極としてはＣｒ，Ｔｉ，Ａｕ等が使用される。
図１及び図３のＡｌＮバッファー層は、石英基板上にスパッタ法で形成された一例を示しており、この場合、ＡｌＮバッファー層以外の半導体層は基本的にはＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長されて作製される。
【００２４】
図４は、ｐｎ接合を有するｐ型／ｎ型のＧａＮ積層物（５０、５１）とｐ型／ｎ型のＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ積層物（８０、８１）を具備する太陽電池素子の縦方向断面図の一例を表す。図４の化合物半導体の積層構造も、上述の図１及び図３に説明に準じて作成できる。
本発明におけるｎ型半導体は、ｎ型ドーパント元素として太陽電池の効果を有する元素であれば特に限定されないが、好ましくはＳｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を含むものがよい。またｐ型半導体は、ｐ型ドーパント元素として太陽電池の効果を有する元素であれば特に限定されないが、好ましくは、ＭｇおよびＺｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を含むものがよい。
【００２５】
本発明において、接合セルは太陽電池の効果を有する範囲であって特に限定されないが、例えば、厚み０．１〜３μｍであり、またＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）で表されるｎ型層及びｐ型層の厚みは、それぞれ２０ｎｍ〜１．５μｍ、不純物濃度は４×１０１７〜４×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましい。
次に、本発明の太陽電池素子を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造物は、例えば、以下の方法で形成することができる。
本発明において前述したように、基板上にスパッタ法でＡｌＮ層を形成した後、スパッタ法又はＭＯＣＶＤ法または他の方法で下地層を形成したのち、上部にｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する。
本発明において、スパッタ法を使用してｐｎ接合を有するＩＩＩ族窒化物半導体層のドーピング層を形成する場合、ドーパント原子の層とアンドープのＩＩＩ族窒化物半導体の層を交互に積層し、ドーピングすることができる。
ＭＯＣＶＤなどの化学気相成膜法の場合は、ガスを混合することでドーピングが可能であるが、前述の場合このような方法をとる必要はなく、ＭＯＣＶＤなどの生産性や再現性の問題を改善することができる。
スパッタ法による物理的な結晶成膜法では、窒素をプラズマ化、ラジカル化または原子化して供給する。ドーパント原子と窒素との反応を防ぐためには、ドーパント原子を供給するプロセスでは窒素をチャンバ内に供給しないことが望ましい。
【００２６】
本発明においては、ドーパントのみを供給するプロセスと窒素を用いてＩＩＩ族窒化物半導体を成膜するプロセスを交互に繰り返す成膜法も提供する。この方法によって成膜された積層構造体は、ドーパントのみからなる層とアンドープのＩＩＩ族窒化物半導体からなる層が交互に積層された構造となる。交互に積層する過程で、ドーパント層を構成するドーパント原子の一部がＩＩＩ族窒化物半導体層に拡散している場合もあるが、この段階ではドーパント原子のみからなる層が必ず存在する。
層を成すドーパントは、ｐ型のドーパントでも良いし、ｎ型のドーパントでも良い。ＩＩＩ族窒化物半導体に対するドーパントとしては、ｐ型ドーパントであればＭｇやＺｎ、ｎ型ドーパントとしてはＳｉ、ＧｅおよびＳｎ等が知られている。中でも、ｎ型ドーパントしてＳｉ、ｐ型ドーパントとしてＭｇが、ドーピング効率、活性化率共に高く、結晶性の低下も少ないので、最も好適である。
層を成すＩＩＩ族窒化物半導体結晶としては、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）構造が適している。
【００２７】
ドーパント層がＩＩＩ族窒化物半導体層を完全に覆ってしまうと、結晶格子定数が異なるため、エピタキシャルな関係が成立しなくなり、結晶性の低下を招く。このためドーパント層は、完全な層を成さずに島状に表面に散在するように形成することが望ましい。このような形態をとることで、ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は露出した面を起点としてエピタキシャル成長し、横方向成長によって面を完全に埋め尽くすことが可能である。
上記の島状ドーパント層の各島状塊の間隔は、幅２ｎｍから１００ｎｍの範囲であることが望ましい。これよりも間隔が小さいと、ＩＩＩ族化合物半導体結晶がその隙間を基点としてエピタキシャル成長することが難しくなり、これよりも大きいと、ドーパントが充分行き渡らず、素子とした場合に駆動電圧の上昇を招く。更に望ましくは、幅１０ｎｍから５０ｎｍの範囲である。
【００２８】
島状ドーパント層の各島状塊の合計面積の、全領域に対する比は、０．００１以上０．９以下であることが望ましい。これよりも大きいと、ＩＩＩ族化合物半導体結晶が各島状塊の隙間を基点としてエピタキシャル成長することが難しくなり、これよりも小さいと、ドーパントが充分行き渡らず、素子とした場合に駆動電圧の上昇を招く。更に望ましくは、０．００５から０．５である。
島状を成すドーパント層の個々の島状塊の直径（円相当直径）は、０．５ｎｍから１００ｎｍの間の値であることが望ましい。これよりも小さいと、ドーパントが充分行き渡らず、素子とした場合に駆動電圧の上昇を招き、これよりも大きいとＩＩＩ族化合物半導体結晶の結晶性が低下する。更に望ましくは、１ｎｍから１０ｎｍである。
【００２９】
以上のような島状ドーパント層における各島状塊の直径や間隔は、断面を露出した試料を用いた透過型電子顕微鏡による観察などによって測定可能である。また、各島状塊の合計面積の全領域に対する比は、上記直径および間隔をランダムに例えば１０点測定し、それらの平均値から算出することができる。
ドーパント層を、上記のような島状の塊として形成するためには、成膜の条件を工夫すると良い。ドーパント層はＩＩＩ族窒化物半導体層とは格子整合していないので、マイグレーションを活発に起こす条件とすることで、島状の結晶塊を形成することができる。
一例を挙げると、基板温度を６００℃以上、成膜時のチャンバ圧力を０．３Ｐａ以下、成膜速度を０．５ｎｍ／ｓｅｃ以下とすることができる。ドーパントのみからなる層の膜厚は、０．１ｎｍから１０ｎｍであることが望ましい。これよりも薄いと、ドーパントが充分にいきわたらない可能性があり、これよりも厚いと、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が横方向成長しても埋め込むことが困難になる。更に望ましくは０．５ｎｍから５ｎｍ程度である。
【００３０】
ＩＩＩ族窒化物半導体層の膜厚は、１ｎｍから５００ｎｍであることが望ましい。これよりも厚いと、ドーパントが充分にいきわたらない可能性があり、これよりも薄いと、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が横方向成長によっても埋め込むことが困難になる。更に望ましくは１０ｎｍから１００ｎｍ程度である。
また、両層の厚みの比（ＩＩＩ族窒化物半導体層／ドーパント層）は、１０から１０００であることが望ましい。これ以下だと、ドーパントが多くドープされすぎてＩＩＩ族窒化物化合物半応対結晶の結晶性の低下を生じる。これ以上だと、ドーパントが充分に行きわたらず、積層構造体の抵抗率の上昇を招き、駆動電圧の上昇を招く。
第一の工程で形成されたＩＩＩ族窒化物半導体層とドーパント層の繰り返し回数は、１回から２００回の間であることが望ましい。２００回以上の繰り返しを行ったとしても素子の機能には大きな違いが生じず、かえって結晶性の低下を招くのみである。
窒素原料をプラズマやラジカルとして供給する手法としては、スパッタ、ＰＬＤ、ＰＥＤおよびＣＶＤなどが知られている。中でも、スパッタ法が最も簡便で量産にも適しているため、好適な手法である。ＤＣスパッタではターゲット表面のチャージアップを招き、成膜速度が安定しない可能性が高いので、パルスＤＣにするか、ＲＦスパッタ法とすることが望ましい。
【００３１】
本発明において、プラズマ化またはラジカル化した窒素を発生するための原料としては、一般に知られている化合物をなんら問題なく用いることができるが、特にアンモニアと窒素は取り扱いも楽で比較的安価で入手可能であり望ましい。アンモニアは分解の効率も良く、高い成長速度で成膜することが可能であるが、反応性や毒性が高く、除害設備やガス検知器を必要とし、反応装置に使用する部材の材料を安定性の高いものにする必要があるなど、工夫を要する。逆に窒素を原料として用いると装置が簡便で済む代わりに、高い反応速度は得られない。窒素を電界や熱などにより分解してから装置に導入する方法ではアンモニアには劣るが利用可能な程度の成膜速度を得ることができ、装置コストとの兼ね合いを考えると、最も好適な窒素源である。
【００３２】
スパッタを用いて成膜する場合、重要なパラメーターは、基板温度および炉内の圧力と窒素分圧である。基板温度は、一般に室温〜１２００℃である。１２００℃以上では結晶の分解が発生する。好ましくは２００℃〜９００℃である。
炉内の圧力は０．３Ｐａ以上であることが望ましい。これ以下の圧力では、窒素の存在量が少なく、スパッタされた金属が窒化物とならずに付着する。圧力の上限は特に定めるものではないが、プラズマを発生させることができる程度の低圧が必要なことは言うまでもない。窒素とアルゴンの流量に対する窒素流量の比は、体積％で窒素が２０％以上１００％以下であることが望ましい。２０％以下の流量比ではスパッタ金属が金属のまま付着する。特に望ましくは５０％以上９０％以下である。９０％以上の流量比ではアルゴンの量が少なく、スパッタ速度が低下する傾向にある。
成膜速度は、０．０１ｎｍ／秒から１０ｎｍ／秒とすることが望ましい。これ以上の速度では膜が結晶体とならずに非晶質となる。これ以下の成膜速度では、膜は層とならずに島状に成長してしまい、基板の表面を覆うことができない。
【００３３】
一方、ドーパント層は単一成分の層であるので、リアクティブスパッタではない。このため、スパッタ装置としてはＲＦスパッタとＤＣスパッタの両方を利用することができる。ＤＣスパッタを用いる場合には、ターゲットが帯電しないように導電性を持たせるのが良い。例えばＳｉの場合など、純度の高いＳｉのターゲットを用いると絶縁性でありチャージアップが考えられるので、ＢやＰをドープしたものを用いるのが良い。しかし、交互に積層する際にウエーハをチャンバ間で行き来させるのは無駄に時間を掛けることになるので、ＩＩＩ族窒化物半導体と同じチャンバで積層することが望ましく、結局、ＲＦスパッタを用いることが望ましいことになる。
炉内圧力や基板温度に関しても、ＩＩＩ族窒化物半導体と同じ条件で実施することが同じ理由で望ましい。成膜速度はＩＩＩ族窒化物半導体に比較して遅く成膜することが薄い膜厚を適正に制御しやすいので、０．００１ｎｍ／秒から１ｎｍ／秒とすることが望ましい。
【００３４】
ドーパント層とＩＩＩ族窒化物半導体層を交互に積層した構造を形成した後、第二の工程として熱処理を行なうことが望ましい。この熱処理により、ドーパントをＩＩＩ族窒化物半導体結晶中に拡散することができ、より均一なドーピングの状態にすることが可能である。
熱処理の温度としては、３００℃以上が望ましい。上限は特に設けないが、マトリクス結晶が分解してしまう温度を超えない必要があることは言うまでもない。多くのＩＩＩ族窒化物半導体結晶は、１２００℃くらいの温度で分解する。
熱処理時間は特に制限されないが、一般に３０秒〜１時間が好ましい。３０秒以下では効果が十分でなく、１時間以上では効果に変化がなく、いたずらに時間を要するのみである。
【００３５】
また、熱処理中の雰囲気に関して、特にｐ型のドーパント層を形成してｐ型を示す積層構造体を作製したい場合、水素ガスおよび分子中に水素原子を含む化合物のガスを用いないことが望ましい。特に、Ｈ２ガスや高温で分解してＨ２ガスを生成することが知られているＮＨ３ガスなどを用いないことが望ましい。
熱処理後の積層構造体は、熱処理時間および温度によって、ドーパント層の痕跡としてドーパントの塊を内包する場合もあるし、ドーパントの塊は拡散して消失するものの、ドーパント濃度は高濃度の層と低濃度の層の繰り返しとなって残存する場合もあるし、ドーパントが拡散して完全に均一なドーピング層となる場合もある。
従って、熱処理後の積層構造体は、コンタクト層として機能する。当然ながら、ｐ型ドーパント層を用いた場合にはｐコンタクト層、ｎ型ドーパント層を用いた場合にはｎコンタクト層として用いることが可能である。
コンタクト層には、電流を流通させるための電極を形成する。電極材料としては、一般に知られたものをなんら問題なく用いることが可能である。例えば、ｎ電極材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、などであり、ｐ電極材料としてはＮｉ、Ａｕ、Ｐｔなどである。また、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＩＺＯなどの導電性の酸化物を用いることも可能である。
特に、入射光側に透明電極を用いる場合、本発明では、前記六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む結晶性ＩＺＯを含む透光性電極を用いることが特に好ましく、例えば、ｐ型半導体層上の全域に、アモルファス状態のＩＺＯ膜を形成する。
ＩＺＯ膜の成膜方法としては、アモルファス状態のＩＺＯ膜を形成することが可能な方法であれば、薄膜の成膜に使用される周知の如何なる方法を用いても良い。例えば、スパッタ法や真空蒸着法などの方法を用いて成膜することができるが、真空蒸着法に比べて、成膜時に発生するパーティクルやダストなどが少ないスパッタ法を用いるとさらに良い。
スパッタ法を用いる場合、Ｉｎ２Ｏ３ターゲットとＺｎＯターゲットをＲＦマグネトロンスパッタ法により公転成膜することで成膜することが可能であるが、より成膜速度を高くするためには、ＩＺＯターゲットをＤＣマグネトロンスパッタ法にて成膜すると良い。また、ｐ型半導体層へのプラズマによるダメージを軽減するために、スパッタの放電出力は１０００Ｗ以下であることが好ましい。
【００３６】
このようにして成膜されたアモルファス状態のＩＺＯ膜は、ｐ型半導体層上の正極を形成する領域である正極形成領域を除く領域が、周知のフォトリソグラフィー法及びエッチングを用いることにより取り除かれてパターニングされ、例えば、図２に示すように、正極形成領域にのみ形成された状態となる。
【００３７】
ＩＺＯ膜のパターニングは、後述の熱処理工程を行なう前に行なうことが望ましい。熱処理により、アモルファス状態のＩＺＯ膜は結晶化されたＩＺＯ膜となるため、アモルファス状態のＩＺＯ膜と比較してエッチングが難しくなる。これに対し、熱処理前のＩＺＯ膜は、アモルファス状態であるため、周知のエッチング液を用いて容易に精度良くエッチングすることが可能である。例えば、ＩＴＯ−０７Ｎエッチング液（関東化学社製）を使用した場合、およそ４０ｎｍ／ｍｉｎのエッチング速度でエッチングすることができ、バリやオーバーエッチングはほとんど生じない。
また、アモルファス状態のＩＺＯ膜のエッチングは、ドライエッチング装置を用いて行なっても良い。このとき、エッチングガスにはＣｌ２、ＳｉＣｌ４、ＢＣｌ３等を用いることができる。
【００３８】
アモルファス状態のＩＺＯ膜は、前述のフォトリソグラフィー法とエッチングを用いてＩＺＯ膜表面に凹凸加工を形成することが可能である。例えば、ＩＴＯ−０７Ｎエッチング液を使用した場合、１分間のエッチング時間で４０ｎｍの深さの凹凸を形成することができる。
ＩＺＯ膜の凹凸加工は、ＩＺＯ膜のパターニングと同様に、後述の熱処理工程を行なう前に行なうことが望ましい。
【００３９】
アモルファス状態のＩＺＯ膜は、例えば５００℃〜１０００℃の熱処理を行ない、条件を制御することで六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯ膜にすることができる。特に、３８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域において、光透過率の向上が極めて大きく、そのため、太陽電池としての透光性電極として性能に優れ、紫外線近傍の光を吸収する太陽電池において格別な効果が得られる。
六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯ膜は前述したようにエッチングし難いので、上述のエッチング処理の後に熱処理することが好ましい。
【００４０】
また、ＩＺＯ膜の熱処理は、Ｏ２を含まない雰囲気で行なうことが望ましく、Ｏ２を含まない雰囲気としては、Ｎ２雰囲気などの不活性ガス雰囲気や、またはＮ２などの不活性ガスとＨ２の混合ガス雰囲気などを挙げることができ、Ｎ２雰囲気、またはＮ２とＨ２の混合ガス雰囲気とすることが望ましい。
ＩＺＯ膜の熱処理をＮ２雰囲気、またはＮ２とＨ２の混合ガス雰囲気中で行なうと、ＩＺＯ膜を六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む膜に結晶化させるとともに、ＩＺＯ膜のシート抵抗を効果的に減少させることが可能である。特に、ＩＺＯ膜のシート抵抗を減少させたい場合は、ＩＺＯ膜の熱処理をＮ２とＨ２の混合ガス雰囲気中で行なうと良い。混合ガス雰囲気中におけるＮ２とＨ２の比率は、１００：１〜１：１００が好ましい。
【００４１】
ＩＺＯ膜の熱処理温度は、５００℃〜１０００℃が好ましい。５００℃未満の温度で熱処理を行なった場合、ＩＺＯ膜を十分に結晶化できない恐れが生じ、ＩＺＯ膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。１０００℃を超える温度で熱処理を行なった場合には、ＩＺＯ膜は結晶化されているが、ＩＺＯ膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。また、１０００℃を超える温度で熱処理を行なった場合、ＩＺＯ膜の下にある半導体層を劣化させる恐れもある。
【００４２】
また、アモルファス状態のＩＺＯ膜を結晶化させた場合、成膜条件や熱処理条件などが異なるとＩＺＯ膜中の結晶構造が異なる。
ＩＺＯ膜中に六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むためにはＩＺＯ膜に熱処理を行なうと良いが、熱処理の条件はＩＺＯ膜の成膜方法や組成によって異なる。例えば、ＩＺＯ膜中の亜鉛（Ｚｎ）濃度を減らすと結晶化温度が低くなるため、より低温の熱処理で六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯ膜とすることができる。
【００４３】
なお、本実施形態においては、ＩＺＯ膜を、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む膜に結晶化させるために熱処理を用いているが、本発明の太陽電池素子においては、ＩＺＯ膜を六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む膜に結晶化させることができれば如何なる方法を用いてもよく、例えば、ＲＴＡアニール炉を用いる方法、レーザーアニールを行なう方法、電子線照射を行なう方法などを用いても構わない。また、本発明においては、結晶性ＩＺＯとして、ビックスバイト結晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯであってよい。
【００４４】
また、熱処理によって結晶化したＩＺＯ膜は、アモルファス状態のＩＺＯ膜に比べて、ｐ型半導体層や正極との密着性が良いため、太陽電池素子の製造過程等における剥がれによる収率低下も防ぐことができる。また、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含む膜に結晶化されたＩＺＯ膜は、アモルファス状態のＩＺＯ膜と比べて、空気中の水分との反応が少なく、酸などの耐薬品性に優れるため、長時間の耐久試験での特性劣化も小さく、好ましい。
特に、本発明においては、用いられるＩＺＯ膜の特性として、膜内におけるキャリヤーの移動度が３０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上であることが好ましい。さらには、キャリヤーの移動度が３５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上であることがより好ましく、３８ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上であることが最も好ましい。またさらに、ＩＺＯ膜内におけるキャリヤーの移動度は、３０〜１００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃの範囲であることが好ましい。
ＩＺＯ膜を、膜内におけるキャリヤーの移動度が上記範囲となるように制御した構成とすることにより、特に、可視から紫外領域において特に優れた光透過率を有する電極が得られ、ひいては太陽電池素子の特性が向上する。
なお、本発明において説明する移動度とは、電界のもとで荷電粒子、即ちキャリヤーが移動する際、その移動速度を電界の強さで割った量である。
【００４５】
また、本発明においては、ＩＺＯ膜のキャリヤー濃度は特に限定されないが、１×１０２０〜５×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましい。
さらに、本発明においては、ＩＺＯ膜のシート抵抗は、電流を効率良く拡散するためには、５０Ω／ｓｑ以下であることが好ましく、２０Ω／ｓｑ以下であることがより好ましい。
【００４６】
Ｉｎ２Ｏ３なる組成を有する結晶は、ビクスバイト構造の立方晶構造と、六方晶構造の２種類の構造が知られている。本発明において用いられるＩＺＯ膜においても、六方晶構造のＩｎ２Ｏ３や立方晶構造のＩｎ２Ｏ３を含む構成とすることが可能となる。
【００４７】
また、本発明において用いられるＩＺＯ膜は、Ｉｎ２Ｏ３と酸化亜鉛との複合酸化物であるアモルファスのＩＺＯを、５００〜８００℃の温度範囲で保持時間を制御しながら熱処理を行なうことにより、主として六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含み、膜内におけるキャリヤーの移動度が３０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上の特性を有する結晶度の高いＩＺＯ膜として得られるものである。
【００４８】
本発明者等が鋭意実験したところ、アモルファスのＩＺＯ膜は、詳細を後述する熱処理工程における条件（温度、保持時間等）を最適化することにより、主として六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を多く含む組成に制御することができ、このようなＩＺＯ膜を透明電極に用いることで、太陽電池素子の特性が格段に向上することを見出した。
一方、本発明者等が鋭意実験したところによれば、上述のようなＩＺＯ膜は、加熱条件が適性でない場合は、六方晶構造からビクスバイト（立方晶）構造への転移が起こり、結果的にシート抵抗の上昇が発生し、透光性電極としての特性が低下してしまうことが明らかとなった。また、ＩＺＯ膜は、熱処理条件によっては、Ｚｎのマイグレーション（移動）によるＩＺＯ組成の不均一化が起こることも明らかとなった。
本発明に係る化合物半導体発光素子に備えられる正極は、上記構成を有し、また、詳細を後述する熱処理工程の条件を適正に制御することにより、優れた光透過率を有する透光性電極となる。
【００４９】
また、ＩＺＯ膜の膜厚は、低シート抵抗、高光透過率を得ることができる３５ｎｍ〜１００００ｎｍ（１０μｍ）の範囲であることが好ましい。さらに、生産コストの観点から、正極１５の膜厚は１０００ｎｍ（１μｍ）以下であることが好ましい。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明を試験例及び実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００５１】
（実施例１）
本実施例では、太陽電池素子を構成するＩＩＩ族窒化物半導体積層構造体の製造方法の一例について説明する。
本実施例で作製した積層構造体の断面図を図１に示す。市販の石英ガラス基板（１）上に、厚さ３０ｎｍのＡｌＮバッファー層（２）、厚さ０．１μｍのアンドープＧａＮ層（３）、島状の結晶塊からなるＳｉを含むドーパント層（厚さ２ｎｍ）とアンドープのＧａＮ層（厚さ１００ｎｍ）を４０回交互に積層して熱処理して形成した約０．５μｍのｎ型ＧａＮ層（５０）、同様に形成した厚さ約０．５μｍの、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層（５１）を積層した構造物を作製した。なおｎ型及びｐ型ドーピング層の作成方法は後述する。ｎ型ＧａＮ層（５０）のキャリヤー濃度は約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ｐ型ＧａＮ層のキャリヤー濃度は約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。スパッタ成膜は、全てＲＦマグネトロンスパッタを用いて行った。
【００５２】
用いたスパッタ機は、ターゲットとカソードの距離が５０ｍｍのものを使用した。成膜時の基板温度は７５０℃とし、成膜時の圧力は０．６Ｐａとした。石英ガラス基板としては、市販品（光学用）３０ｃｍのものを用いた。
作製した前記積層物に、公知のフォトリソグラフィー技術によってｐ型ＧａＮ層（５１）の表面上に、ＩＺＯからなるオーミック電極層６０を形成し、さらにその上に表面側から順にチタン、アルミニウムおよび金を積層して裏面電極を形成した。
更にその後積層物を裏面電極側から公知なエッチング法（ドライエッチングなど）を行い、ｎ型ＧａＮ層（５０）のｎ側電極を形成する部分を露出させ、露出した部分にＮｉ、Ａｌ、ＴｉおよびＡｕの４層よりなるｎ側電極を作製した。ＩＺＯ膜は、８００℃、Ｎ２雰囲気中で１分間熱処理し、ＩＺＯ膜中に六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯ電極を形成した。これらの作業により、太陽電池素子を作製した。
ＡｌＮバッファー層（２）を成膜するプロセスにおいては、アルゴンと窒素の混合ガスをチャンバ内に導入して、電場をかけてプラズマ化した窒素を窒素源として利用した。一方でプラズマ化したアルゴンによってＡｌのターゲットを叩いて金属原子を叩き出し、窒素と反応させて基板上に成膜させた。
【００５３】
アンドープＧａＮ下地層（３）を積層するプロセスにおいては、ＡｌＮ製膜と同様に、アルゴンと窒素の混合ガスをチャンバ内に導入して、プラズマ化した窒素を窒素源として利用し、アルゴンプラズマでＧａのターゲットからＧａを叩き出し、窒素と反応させて基板上に成膜させた。
ｎ型ドープ層を形成する層は、アンドープＧａＮ層とＳｉの層を交互に積層するプロセスにおいては、アンドープＧａＮは上記アンドープＧａＮ下地層（３）と同一手順で成膜し、Ｓｉ層の成膜時には、チャンバ内に導入するガスをアルゴンのみとして、Ｓｉ製のターゲットから叩き出した原子をそのまま基板へ積層した。
【００５４】
以上のような工程で作製した基板を、スパッタ機から取り出し、アニール炉を用いて熱処理した。熱処理温度は１１００℃とし、１０分間保持した。熱処理時の気相の雰囲気は窒素のみで構成した。
なお、アニール前と後で、ｎ型ＧａＮ層（５０）を断面方向から透過式電子顕微鏡で観察した。アニール前の積層構造体には、２ｎｍのＳｉ層と１００ｎｍのアンドープのＧａＮ層を４０回交互に積層した構造が見られた。Ｓｉ層は所々で途切れて完全な層を成してはおらず、島状であった。各島状塊の円相当直径は１ｎｍ程度であり、各島状塊の間隔は約５０ｎｍ程度であった。従って、ドーパント層の総面積の比率は、全体の領域に対して０．０２程度であった。アニール後のｎ型ＧａＮ層（５０）には、明らかな層構造は見られず、ドーパント層を構成するＳｉ原子が拡散して、ＧａＮ層に均一にドープされたものと思われた。
このようにして作製した太陽電池素子基板を便宜上１ｃｍ角の正方形基板に切断し、当該電極に金線でリードフレームへ結線して電池素子とした。
このように作製した太陽電池素子の電極構造の平面図の一例を図２に示す。
【００５５】
（実施例２）
さらに図１の積層構造体の別な方法として説明する。石英基板（１）上に、ＲＦマグネトロンスパッタを用いて厚さ３０ｎｍのＡｌＮバッファー層（２）を形成し、スパッタ機から取り出しアニール炉内で熱処理温度は１１００℃、窒素下で１０分間保持して熱処理した。ついでＭＯＣＶＤ炉に導入し、実施例１と同様な積層物になるようにＭｇをドープしたｐ型ＧａＮ層（５１）までの積層構造物を作製した。ＭＯＣＶＤ法は、形成時の温度、圧力、使用ガス、などは一般的な公知な方法で行った。ｎ型ＧａＮ層（５０）のキャリヤー濃度は約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ｐ型ＧａＮ層（５１）のキャリヤー濃度は約２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
作製した前記積層物は、実施例１に記載の方法で太陽電池素子を作製した。このようにして作製した太陽電池素子基板を１ｃｍ角の正方形基板に切断し、当該電極に金線でリードフレームへ結線して電池素子とした。
【００５６】
（実施例３）
本実施例で作製した積層構造体の断面図を図３に示す。石英基板（１）上に、ＲＦマグネトロンスパッタを用いて厚さ３０ｎｍのＡｌＮバッファー層（２）を形成し、スパッタ機から取り出しアニール炉内で熱処理温度は１１００℃、窒素下で１０分間保持して熱処理した。ついで当該基板をＭＯＣＶＤ炉に導入し公知なＭＯＣＶＤ法による手法（温度、圧力、使用ガスなど）で厚さ６μｍのアンドープＧａＮ層（３）、厚さ０．１ｎｍのｎ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（Ｘ１＝０．０９）（７０）、厚さ０．２μｍのＭｇをドープしたｐ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（Ｘ１＝０．０９）（７１）を積層した構造物を作製した。ｎ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（７０）のキャリヤー濃度は約３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、ｐ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（７１）のキャリヤー濃度は約３×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。用いたスパッタ機や当該積層物は、実施例１に記載の方法で太陽電池素子を作製した。
このようにして作製した太陽電池素子基板を１ｃｍ角の正方形基板に切断し、当該電極に金線でリードフレームへ結線して電池素子とした。
【００５７】
（実施例４）
本例においては、まず、サファイアからなる基板のｃ面上に、バッファー層としてＲＦスパッタ法を用いてＡｌＮからなる単結晶の層を形成し、下地層として、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ（ＩＩＩ族窒化物化合物半導体）からなる層を以下の方法で形成した後、各層を積層した。
まず、表面を鏡面研磨した直径２インチの（０００１）ｃ面サファイアからなる基板を、チャンバ中へ導入した。この際、高周波式のスパッタ装置を用い、ターゲットとしては、金属Ａｌからなるものを用いた。
そして、チャンバ内で基板を５００℃まで加熱し、窒素ガスを導入した後、基板側に高周波バイアスを印加し、窒素プラズマに晒すことによって基板表面を洗浄した。
次いで、基板の温度はそのままに、スパッタ装置内にアルゴン及び窒素ガスを導入した。そして、高周波バイアスを金属Ａｌターゲット側に印加し、炉内の圧力を０．５Ｐａに保ち、Ａｒガスと窒素ガスを所定量流通させ、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる単結晶のバッファー層を成膜した。
【００５８】
そして、予め測定した成膜速度に従い、規定した時間の処理により、４０ｎｍのＡｌＮ（バッファー層）を成膜後、プラズマ動作を停止し、基板温度を低下させた。
そして、基板上に形成したバッファー層のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を、Ｘ線測定装置（スペクトリス社製、型番：Ｘ‘ｐｅｒｔ  Ｐｒｏ  ＭＲＤ）を用いて測定した結果、バッファー層のＸＲＣ半値幅は０．１°と優れた特性を示しており、バッファー層が良好に配向していることが確認できた。この測定は、ＣｕＫα線Ｘ線発生源を光源として用いて行なった。
次に、ＡｌＮが成膜された基板を、スパッタ装置内から取り出してＭＯＣＶＤ装置内に搬送し、バッファー層上に、以下の手順でＧａＮからなる下地層を成膜した。
まず、当該基板を反応炉（ＭＯＣＶＤ装置）内に導入した。次いで、反応炉内に窒素ガスを流通させた後、ヒータを作動させて、基板温度を室温から５００℃に昇温した。そして、基板の温度を５００℃に保ったまま、ＮＨ３ガスおよび窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を９５ｋＰａとした。続いて、基板温度を１０００℃まで昇温させ、基板の表面をサーマルクリーニング（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｌｅａｎｉｎｇ）した。なお、サーマルクリーニングの終了後も、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を継続させた。
【００５９】
その後、アンモニアガスの流通を続けながら、水素雰囲気中で基板の温度を１１００℃に昇温させるとともに、反応炉内の圧力を４０ｋＰａとした。基板温度が１１００℃で安定するのを確認した後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）の、気相成長反応炉内への供給を開始し、バッファー層上に下地層を構成するＩＩＩ族窒化物化合物半導体（ＧａＮ）を成膜する工程を開始した。このようにしてＧａＮを成長させた後、ＴＭＧの配管のバルブを切り替え、原料の反応炉への供給を終了してＧａＮの成長を停止した。
以上の工程により、基板上に成膜された単結晶組織のＡｌＮからなるバッファー層の上に、アンドープで８μｍの膜厚のＧａＮからなる下地層を成膜した。
その後は、実施例１の記載の方法と同様に実施して、例えば島状の結晶塊からなるＳｉを含むドーパント層（厚さ２ｎｍ）とアンドープのＧａＮ層（厚さ１００ｎｍ）を４０回交互に積層して熱処理して形成した約０．５μｍのｎ型ＧａＮ層（５０）、同様に形成した厚さ約０．５μｍの、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層（５１）を積層した構造物を作製し、太陽電池素子を作製した。ＩＺＯ膜は、８００℃、Ｎ２雰囲気中で１分間熱処理し、ＩＺＯ膜中に六方晶構造のＩｎ２Ｏ３結晶を含むＩＺＯ電極を形成した。
【００６０】
（実施例５）
本例においては、実施例３に記載のｎ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（Ｘ１＝０．０９）とｐ型Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（Ｘ１＝０．０９）におけるＸ１をそれぞれ０．０６にした以外は、同じ操作を行い、太陽電池素子を作製した。
【００６１】
（実施例６）
実施例１〜５に記載の方法で作製した太陽電池素子基板を１ｃｍ角の正方形基板に切断し、当該電極に金線でリードフレームへ結線して電池素子とした。リードフレームに結線された１ｃｍ２の電池素子を試料ステージに固定し、リードフレームの正極と負極にプローブを接触させ、電流及び電圧測定用の回路を形成した。スペクトル分布ＡＭ１．５、エネルギー密度１００ｍＷ／ｃｍ２の１ＳＵＮ擬似太陽光（ソーラーシミュレーター：山下電装製）を照射し、雰囲気温度と太陽電池の温度を２５±１℃のもとで出力特性を測定した。その結果を表１にまとめた。
なお、上記実施例においては基板側から光を入射させたが、本発明においては透明オーミック電極を備えているため、電極側から光を入射させても太陽電池として機能する。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
［試験例１］（ＩＺＯ膜の熱処理温度とシート抵抗との関係）
試験例１においては、ＩＺＯ膜の熱処理（アニール処理）温度と、熱処理後のＩＺＯ膜のシート抵抗との関係を以下のような手順で調べた。
即ち、サファイア基板上にアモルファス状態のＩＺＯ膜（厚さ２５０ｎｍ）を形成し、得られたＩＺＯ膜を、３００℃〜９００℃の各温度で、Ｎ２雰囲気中で熱処理した場合のシート抵抗を測定し、結果を下記表２及び図５のグラフに示した。なお、ＩＺＯ膜のシート抵抗は、四探針法の測定装置（三菱化学社製：Ｌｏｒｅｓｔａ  ＭＰ  ＭＣＰ−Ｔ３６０）を用いて測定した。
【００６４】
【表２】
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【００６５】
表２及び図５に示す結果より、Ｎ２雰囲気中でＩＺＯ膜をアニール処理した場合、処理温度が７００℃程度まではシート抵抗が１０Ω／ｓｑ前後であり、非常に良好な特性を示すことがわかる。これに対し、処理温度を８００℃としてアニール処理を行なった場合には、シート抵抗が上昇し始め、処理温度が９００℃では、シート抵抗が５３．２Ω／ｓｑとなった。この結果より、アニール時の処理温度が８００℃を超えて高くなるのに伴い、シート抵抗も急激に上昇することが明らかとなった。なお、アニール処理前における、２５０ｎｍの厚さを有したアモルファス状態のＩＺＯ膜のシート抵抗は１５Ω／ｓｑであった。
【００６６】
［試験例２］（ＩＺＯ膜の熱処理温度とキャリヤー濃度及び移動度との関係）
試験例２においては、上記試験例１で作製したＩＺＯ膜のキャリヤー濃度及び移動度を、ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法により測定し、キャリヤー濃度を上記表２及び図６のグラフに示した。
【００６７】
表２に示す結果より、Ｎ２雰囲気中でＩＺＯ膜をアニール処理した場合、処理温度が７００℃ではキャリヤー濃度が４．７×１０２０ｃｍ−３であり、また、処理温度が８００℃ではキャリヤー濃度が３×１０２０ｃｍ−３であった。一方、処理温度を９００℃としてアニール処理を行なった場合は、ＩＺＯ膜のキャリヤー濃度が１．５×１０２０ｃｍ−３となった。この結果より、アニール時の処理温度が高くなるのに伴い、キャリヤー濃度が減少することがわかる。
【００６８】
また、表２に示す結果より、Ｎ２雰囲気中でＩＺＯ膜をアニール処理した場合のＩＺＯ膜のキャリヤー移動度は、処理温度が４００℃では３０．９ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであり、処理温度が６００℃では３８．７ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであり、処理温度が７００℃では４９．５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。また、ＩＺＯ膜のキャリヤーの移動度は、アニール時の処理温度が８００℃では３５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃとなり、処理温度が９００℃では３０．９ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃとなった。この結果より、アニール処理時の処理温度が概ね７００℃前後、例えば６５０〜７５０℃程度の場合にキャリヤー移動度が最も高くなり、また、処理温度が８００℃を超えて高くなるのに伴い、キャリヤーの移動度が急激に低下することがわかる。
【００６９】
［試験例３］（ＩＺＯ膜の熱処理温度と結晶化との関係）
試験例３においては、ＩＺＯ膜の熱処理温度と、ＩＺＯ膜の結晶化との関係を以下のような手順で調べた。
即ち、ＧａＮエピタキシャルウェーハ上にアモルファス状態のＩＺＯ膜（厚さ２５０ｎｍ）を形成し、得られた熱処理なしのＩＺＯ膜のＸ線回析データを、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法を用いて測定した。また、同様にして、ＧａＮエピタキシャルウェーハ上に形成したアモルファス状態のＩＺＯ膜に対して、３００℃〜９００℃の各温度で、Ｎ２雰囲気中で１分間の熱処理を行なった場合のＸ線回析データを測定し、結果を図８〜１６のグラフに示した。上述のようなＸ線回析データは、ＩＺＯ膜の結晶性の指標となる。
【００７０】
図８〜１６は、ＩＺＯ膜のＸ線回折データ示すグラフであり、横軸は回折角（２θ（°））を示し、縦軸は回析強度（ｓ）を示している。
図８〜１０に示すように、熱処理前のＩＺＯ膜及び３００℃又は４００℃の温度で熱処理を行なったＩＺＯ膜においては、アモルファス状態を表すブロードなＸ線のピークが観察された。この観察結果より、熱処理前のＩＺＯ膜及び４００℃以下の温度で熱処理を行なったＩＺＯ膜がアモルファス状態であることがわかる。
また、図１１〜１５に示すように、５００〜８００℃の温度で熱処理を行なったＩＺＯ膜においては、結晶化ピークを示すＸ線のピークが観察された。この観察結果より、５００〜８００℃の温度で熱処理を行なったＩＺＯ膜が結晶化されていることがわかる。また、図１２〜１４に示すように、特に６００℃〜６５０℃〜７００℃の熱処理温度において、非常に高いＸ線のピーク強度が観察されることから、この範囲の温度で熱処理を行なうことにより、ＩＺＯ膜が、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶を含む膜となることがわかる。
また、図１６に示すように、９００℃の温度で熱処理を行なったＩＺＯ膜においては、８００℃以下の熱処理温度では見られなかったビクスバイト構造のピークが観察された。この観察結果より、９００℃の温度で熱処理を行なったＩＺＯ膜中の結晶構造が、六方晶構造からビクスバイト構造に転位していることがわかる。
【００７１】
［試験例４］（ＩＺＯ膜の熱処理温度と光透過率との関係）
試験例４においては、ＩＺＯ膜の熱処理温度と、ＩＺＯ膜の光透過率との関係を以下のような手順で調べた。
即ち、サファイア基板上にアモルファス状態のＩＺＯ膜（厚さ２５０ｎｍ）を形成し、得られた熱処理なしのＩＺＯ膜、及び、５００℃、７００℃、９００℃の各温度で熱処理したＩＺＯ膜の光透過率を測定し、図１７のグラフに示した。なお、ＩＺＯ膜の光透過率測定には、島津製作所社製の紫外可視分光光度計ＵＶ−２４５０を用い、また、光透過率の値は、サファイア基板のみの光透過率を測定して得られた光透過ブランク値を差し引いて算出した。
【００７２】
図１７はＩＺＯ膜の光透過率を示したグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光透過率（％）を示している。
図１７に示すように、７００℃の温度でＩＺＯ膜を熱処理した場合、熱処理なしのＩＺＯ膜やその他の温度で熱処理したＩＺＯ膜に比べて光透過率が高くなっていることがわかる。特に、７００℃の温度でＩＺＯ膜を熱処理した場合には、４００ｎｍ付近の紫外発光領域において光透過率が高く、また、４６０ｎｍ付近の青色発光領域においても光透過率が高くなっていることが認められる。
一方、９００℃の温度でＩＺＯ膜を熱処理した場合、ＩＺＯ膜の光透過率が充分に高められていないことがわかる。従って、ＩＺＯ膜の熱処理温度は５００〜８００℃の範囲であることが好ましく、６５０〜７００℃の範囲であることがより好ましいことが明らかである。
【００７３】
［試験例５］
試験例３に準じて、ＩＴＯ膜（スパッタリング法による形成、膜厚約２５０ｎｍ）の熱処理温度と結晶化との関係を調べた。
即ち、ＧａＮエピタキシャルウェーハ上にアモルファス状態のＩＴＯ膜（厚さ２５０ｎｍ）を形成し、形成されたアモルファス状態のＩＴＯ膜に対して、４００℃の温度、または６００℃の温度で、Ｎ２雰囲気中で１分間の熱処理を行なった場合のＸ線回析データを測定し、結果を図１８〜１９のグラフに示した。上述のようなＸ線回析データは、ＩＴＯ膜の結晶性の指標となる。
【００７４】
図１８〜１９は、ＩＴＯ膜のＸ線回折データ示すグラフであり、横軸は回折角（２θ（°））を示し、縦軸は回析強度（ｓ）を示している。
図１８〜１９に示すように、４００℃の温度または６００℃の温度で熱処理を行なったＩＴＯ膜においては、六方晶構造のピークとＩｎ２Ｏ３ビックスバイト構造のピークとが観察された。この観察結果より、４００℃〜６００℃の温度で熱処理を行うことにより、ＩＴＯ膜中の結晶構造は、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶を含むものになることがわかる。但し、この膜厚におけるＩＴＯ膜のシート抵抗は１５Ω／ｓｑであった。
【００７５】
［試験例６］
試験例５に準じて、ＩＧＯ膜（スパッタリング法による形成、膜厚約２５０ｎｍ）熱処理温度と結晶化との関係を調べた。
即ち、ＧａＮエピタキシャルウェーハ上にアモルファス状態のＩＧＯ膜（厚さ２５０ｎｍ）を形成し、得られた熱処理なしのＩＧＯ膜のＸ線回析データを、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法を用いて測定した。また、同様にして、ＧａＮエピタキシャルウェーハ上に形成したアモルファス状態のＩＧＯ膜に対して、２００℃、４００℃、６００℃の各温度で、Ｎ２雰囲気中で１分間の熱処理を行なった場合のＸ線回析データを測定し、結果を図２０〜２３のグラフに示した。上述のようなＸ線回析データは、ＩＧＯ膜の結晶性の指標となる。
【００７６】
図２０〜２３は、ＩＧＯ膜のＸ線回折データ示すグラフであり、横軸は回折角（２θ（°））を示し、縦軸は回析強度（ｓ）を示している。
図２０および図２１に示すように、熱処理前のＩＧＯ膜及び２００℃の温度で熱処理を行なったＩＧＯ膜においては、アモルファス状態を表すブロードなＸ線のピークが観察された。また、図２２〜２３に示すように、４００℃または６００℃の温度で熱処理を行なったＩＧＯ膜においては、六方晶構造のピークとＩｎ２Ｏ３ビックスバイト構造のピークとが観察された。この観察結果より、４００℃〜６００℃の温度で熱処理を行うことにより、ＩＧＯ膜中の結晶構造は、六方晶構造を有するＩｎ２Ｏ３なる組成の結晶を含むものになることがわかる。なお、ＩＧＯ膜のシート抵抗は４０Ω／ｓｑであった。
上述のＩＺＯ膜、ＩＴＯ膜及びＩＧＯ膜は、太陽電池用の電極、特に透光性電極（透明電極）材料に好ましく使用することができることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の製造方法及び素子の利用により、太陽電池基板の大面積化が可能となり、大幅な製造コストの低減が図られる一方、集光器との組み合わせにより大型なエネルギー発電用の太陽電池を提供することが可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１…石英基板、２…ＡｌＮバッファー層、３…アンドープＧａＮ下地層、１０…ｎ側電極、１１…ｎ型ＧａＮ層のｎ側電極を形成する部分、１２…ｐ電極ボンディングパッド、１３…オーミック電極（ＩＴＯ）、５０…ｎ型ＧａＮ層、５１…ｐ型ＧａＮ層、６０…オーミック電極、６１…保護膜、７０…ｎ型ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、７１…ｐ型ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層、８０…ｎ型ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層、８１…ｐ型ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層、９０…トンネル接合層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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