(57)【要約】【課題】量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物半導体太陽電池を提供する。【解決手段】この窒化物半導体太陽電池１１によれば、III族窒化物半導体層１５の量子井戸１９はｎ型III族窒化物半導体層１３とｐ型III族窒化物半導体層１７との間に設けられており、この量子井戸１９において光を吸収してキャリアが生成される。量子井戸１９におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層１７からｎ型III族窒化物半導体層１３への方向に向くので、量子井戸１９で生成されたキャリアが量子井戸から抜け出す観点で、III族窒化物半導体層１５の量子井戸１９のバンド障壁が低くなる。【選択図】図１
2014120666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体太陽電池であって、
III族窒化物半導体からなる半極性面を有するｎ型III族窒化物半導体層と、
III族窒化物半導体からなる半極性面を有するｐ型III族窒化物半導体層と、
量子井戸を含むIII族窒化物半導体層と、
を備え、
前記III族窒化物半導体層は前記ｎ型III族窒化物半導体層の前記半極性面と前記ｐ型III族窒化物半導体層の前記半極性面との間に設けられて、前記量子井戸におけるピエゾ分極は、前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層への方向に向き、
前記量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造の少なくともいずれかを備える、窒化物半導体太陽電池。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体層は２００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項３】
前記ｎ型III族窒化物半導体層のIII族窒化物のｃ軸は前記ｎ型III族窒化物半導体層の前記半極性面の法線軸に対して傾斜を成しており、
前記傾斜の角度は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲にあり、
前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、半極性ＧａＮ下地面上に設けられており、
前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記半極性ＧａＮ下地面上に順に配列されており、
前記ｎ型III族窒化物半導体層は窒化ガリウム系半導体からなる、請求項１又は請求項２に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項４】
前記量子井戸は、III族構成元素としてインジウムを含むIII族窒化物からなり、
前記量子井戸の前記III族窒化物のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ型III族窒化物半導体層のIII族窒化物のバンドギャップエネルギーより小さく、
前記量子井戸の前記III族窒化物のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ型III族窒化物半導体層のIII族窒化物のバンドギャップエネルギーより小さい、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項５】
III族窒化物からなる主面を有する基板を更に備え、
前記基板の前記III族窒化物はＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかからなり、
前記量子井戸は圧縮歪みを内包し、
前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層、及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面上に搭載されており、
前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層、及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面の法線軸の方向に配列されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項６】
前記基板の前記III族窒化物のｃ軸は前記基板の前記主面の前記法線軸に対して傾斜を成しており、
前記傾斜の角度は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲にある、請求項５に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項７】
前記基板はＩｎＧａＮ基板を含む、請求項５又は請求項６に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項８】
前記基板はＧａＮ基板を含む、請求項５又は請求項６に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項９】
前記傾斜の角度は、６３度以上８０度以下の角度範囲にある、請求項３又は請求項６に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１０】
前記量子井戸は量子井戸構造によって提供され、
前記量子井戸は井戸層を含み、該井戸層はＩｎＧａＮを備え、
前記井戸層は第１障壁層と第２障壁層との間に設けられる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１１】
前記第１障壁層は、０．０５以上０．４以下のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備える、請求項１０に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１２】
前記量子井戸は量子ドットを含み、該量子ドットはＩｎＧａＮ又はＩｎＮを備える、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１３】
前記III族窒化物半導体層は、前記量子井戸に接触を成す０．０５以上０．４以下のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを含む、請求項１２に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１４】
前記ｎ型III族窒化物半導体層と前記III族窒化物半導体層との間に設けられたｎ型ＩｎＧａＮ層を更に備え、
前記ｎ型ＩｎＧａＮ層は、前記ｎ型III族窒化物半導体層と前記ｎ型ＩｎＧａＮ層との界面にミスフィット転位を含む、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１５】
前記ミスフィット転位の密度が５×１０３ｃｍ−１以上である、請求項１４に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１６】
前記ミスフィット転位の密度が５×１０５ｃｍ−１以下である、請求項１４又は請求項１５に記載された窒化物半導体太陽電池。
【請求項１７】
窒化物光−電気変換素子であって、
III族窒化物半導体からなる半極性面を有するｎ型III族窒化物半導体層と、
前記半極性面上に設けられたIII族窒化物半導体層と、
前記半極性面上に設けられたｐ型III族窒化物半導体層と、
を備え、
前記III族窒化物半導体層は量子井戸を含み、前記量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造のいずれかによって提供され、
前記III族窒化物半導体層は前記ｎ型III族窒化物半導体層と前記ｐ型III族窒化物半導体層との間に設けられて、前記量子井戸におけるピエゾ分極は、前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層への方向に向く、窒化物光−電気変換素子。
【請求項１８】
窒化物半導体太陽電池を作製する方法であって、
光吸収のための量子井戸におけるピエゾ分極の向きを見積もるために、III族窒化物半導体からなる基板主面のための一又は複数の傾斜角を選択する工程と、
前記選択された傾斜角を有しIII族窒化物半導体からなる基板主面の基板を準備する工程と、
前記基板の前記基板主面上に、ｎ型III族窒化物半導体層、量子井戸及びｐ型III族窒化物半導体層を形成して、基板生産物を準備する工程と、
前記基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を前記基板生産物にバイアスを印加しながら行って、前記基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る工程と、
前記測定されたバイアス依存性から、前記基板主面の前記選択された傾斜角の各々において前記量子井戸におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う工程と、
前記見積もりに基づき判断して、前記窒化物半導体太陽電池の作製のための成長基板の面方位を選択する工程と、
前記窒化物半導体太陽電池のための半導体積層を前記成長基板の主面上に形成する工程と、
を備え、
前記成長基板の前記主面は前記III族窒化物半導体からなる、窒化物半導体太陽電池を作製する方法。
【請求項１９】
前記量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造の少なくともいずれかを含む、請求項１８に記載された窒化物半導体太陽電池を作製する方法。
【請求項２０】
前記ピエゾ分極の向きの見積もりから、前記ピエゾ分極の正負の符号に応じて前記複数の傾斜角を含む角度範囲の区分けを行う工程を更に備え、
前記判断は、前記区分けに基づき行われる、請求項１８又は請求項１９に記載された窒化物半導体太陽電池を作製する方法。
【請求項２１】
前記判断は、前記量子井戸におけるピエゾ分極が前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層への方向に向むように行われる、請求項１８〜請求項２０のいずれか一項に記載された窒化物半導体太陽電池を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体太陽電池、窒化物光−電気変換素子、及び窒化物半導体太陽電池を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２は、III族窒化物系太陽電池を開示する。非特許文献１は、面方位とピエゾ電界との関係を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−００９７８５号公報
【特許文献２】特開２０１２−００９７８３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Jpn.  J.  Appl.  Phys.  Vol.39  (2000)  413
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、III族窒化物系太陽電池が記載されている。III族窒化物系太陽電池は、第１のIII族窒化物からなる光電変換層を備える。この光電変換層は、（１−１００）配向した第１の導電型の窒化ガリウムからなる第１の導電層上にエピタキシャル成長されている。また、光電変換層上には、第２のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層が設けられている。
【０００６】
特許文献２には、III族窒化物系太陽電池が記載されている。III族窒化物系太陽電池は、ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０＜Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）なる組成を有する第２のIII族窒化物半導体からなり、周期的超格子構造を有する光電変換層を備える。この光電変換層は第１の導電層上に形成される。この光電変換層上には、第３のIII族窒化物からなる第２の導電型の第２の導電層が設けられる。
【０００７】
III族窒化物系物質は、材料としては０．７〜６．２ｅＶ（ＩｎＮ〜ＡｌＮ）の幅広いバンドギャップエネルギーを提供でき、これに対応した幅広いエネルギー帯の光を吸収できる。太陽光の吸収のためには、光電変換層は、可視光域にエネルギー吸収帯を有することを必要とする。光電変換層が量子井戸を備えるとき、光吸収に応答して電子・正孔対が量子井戸内で生成する。発明者の知見によれば、太陽電池の量子効率は、量子井戸からの電子及び正孔を取り出すことにも関係する。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物半導体太陽電池を提供することを目的とし、またこの窒化物半導体太陽電池を作製する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物光−電気変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池は、（ａ）III族窒化物半導体からなる半極性面を有するｎ型III族窒化物半導体層と、（ｂ）III族窒化物半導体からなる半極性面を有するｐ型III族窒化物半導体層と、（ｃ）量子井戸を含むIII族窒化物半導体層とを備え、前記III族窒化物半導体層は前記ｎ型III族窒化物半導体層の前記半極性面と前記ｐ型III族窒化物半導体層の前記半極性面との間に設けられて、前記量子井戸におけるピエゾ分極は、前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層への方向に向き、前記量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造のいずれかを有する。
【００１０】
この窒化物半導体太陽電池によれば、III族窒化物半導体層の量子井戸はｎ型III族窒化物半導体層とｐ型III族窒化物半導体層との間に設けられており、この量子井戸において光を吸収してキャリアが生成される。量子井戸におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くので、量子井戸で生成されたキャリアが量子井戸から抜け出す観点で、III族窒化物半導体層の量子井戸のバンド障壁が低くなる。
【００１１】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記III族窒化物半導体層は２００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。
【００１２】
この窒化物半導体太陽電池によれば、薄いIII族窒化物半導体層は、ｐｎ接合の拡散電位に起因してIII族窒化物半導体層とIII族窒化物半導体層の量子井戸におけるバンド傾斜を大きくすることを可能にする。量子井戸で生成されたキャリアが量子井戸から抜け出すことを容易にする。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記ｎ型III族窒化物半導体層のIII族窒化物のｃ軸は前記ｎ型III族窒化物半導体層の前記半極性面の法線軸に対して傾斜を成しており、前記傾斜の角度は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲にあり、前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、半極性ＧａＮ下地面上に設けられており、前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記半極性ＧａＮ下地面上に順に配列されており、前記ｎ型III族窒化物半導体層は窒化ガリウム系半導体からなることができる。
【００１４】
この窒化物半導体太陽電池によれば、ｎ型III族窒化物半導体層、III族窒化物半導体層及びｐ型III族窒化物半導体層は半極性ＧａＮ下地面上に順に配列されているので、ｎ型III族窒化物半導体層が窒化ガリウム系半導体からなるとき、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲において、量子井戸におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くので、量子井戸からキャリアの抜け出しが容易になる。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記量子井戸は、III族構成元素としてインジウムを含むIII族窒化物からなり、前記量子井戸の前記III族窒化物のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ型III族窒化物半導体層のIII族窒化物のバンドギャップエネルギーより小さく、前記量子井戸の前記III族窒化物のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ型III族窒化物半導体層のIII族窒化物のバンドギャップエネルギーより小さいことができる。
【００１６】
この窒化物半導体太陽電池によれば、III族構成元素としてインジウムを含むIII族窒化物を量子井戸に適用するとき、可視光域にエネルギー吸収感度を有する量子井戸の構成を容易にする。
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池は、III族窒化物からなる主面を有する基板を更に備えることができる。前記基板の前記III族窒化物はＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかからなり、前記量子井戸は圧縮歪みを内包し、前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層、及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面上に搭載されており、前記ｎ型III族窒化物半導体層、前記III族窒化物半導体層、及び前記ｐ型III族窒化物半導体層は、前記基板の前記主面の法線軸の方向に配列されていることができる。
【００１８】
この窒化物半導体太陽電池によれば、ｎ型III族窒化物半導体層、III族窒化物半導体層及びｐ型III族窒化物半導体層は、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかからなる半極性基板主面上に順に配列されているので、量子井戸は主面の面内方向に圧縮歪みを内包して、ピエゾ分極の向きを利用した量子井戸からキャリアの抜け出しが容易になる。
【００１９】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記基板の前記III族窒化物のｃ軸は前記基板の前記主面の前記法線軸に対して傾斜を成しており、前記傾斜の角度は、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲にあることができる。
【００２０】
この窒化物半導体太陽電池によれば、ｎ型III族窒化物半導体層、III族窒化物半導体層及びｐ型III族窒化物半導体層は、半極性基板主面上に順に配列されているので、ｎ型III族窒化物半導体層が窒化ガリウム系半導体からなるとき、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲において、量子井戸におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くので、量子井戸からキャリアの抜け出しが容易になる。
【００２１】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記基板はＩｎＧａＮ基板を含むことができる。この窒化物半導体太陽電池によれば、ＩｎＧａＮ基板を用いることにより、III族窒化物半導体層と基板との格子不整合度を低減して、大きな格子不整合度に起因する新たな欠陥発生を抑えることができる。
【００２２】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記基板はＧａＮ基板を含むことが好ましい。この窒化物半導体太陽電池によれば、低転位（転位密度＜１×１０６ｃｍ−２）のＧａＮ基板を用いることにより、ＧａＮ基板上に成長される半導体層の結晶品質を良好にできる。
【００２３】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記量子井戸はＩｎＮ及びＩｎＧａＮのいずれかを備えることができ、前記傾斜の角度は６３度以上８０度以下の角度範囲にあることが好ましい。
【００２４】
この窒化物半導体太陽電池によれば、上記の範囲ではピエゾ分極が小さいので、波動関数の重なりが大きくなってより効率的に光を吸収できる。また、この角度範囲は、インジウムの均質な取り込みに優れた面方位であり、結晶品質の優れたＩｎＧａＮ又はＩｎＮを成長可能である。
【００２５】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記量子井戸は量子井戸構造によって提供され、前記量子井戸は井戸層を含み、該井戸層はＩｎＧａＮを備え、前記井戸層は第１障壁層と第２障壁層との間に設けられることができる。
【００２６】
この窒化物半導体太陽電池によれば、量子井戸は、第１障壁層及び第２障壁層を備える量子井戸構造を有することができる。
【００２７】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記第１障壁層は、０．０５以上０．４以下のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備えることができる。この窒化物半導体太陽電池によれば、障壁層においても可視光の吸収が可能になり、窒化物半導体太陽電池の吸収効率を向上できる。
【００２８】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記量子井戸は量子ドットを含み、該量子ドットはＩｎＧａＮ又はＩｎＮを備えることができる。この窒化物半導体太陽電池によれば、量子井戸は量子ドットを備えることができる。
【００２９】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記III族窒化物半導体層は、前記量子井戸に接触を成す０．０５以上０．４以下のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを含むことができる。
【００３０】
この窒化物半導体太陽電池によれば、量子井戸に接触するように量子井戸を覆うＩｎＧａＮでも光の吸収を可能にする。ＩｎＧａＮは可視域のエネルギーの光を吸収できるので、窒化物半導体太陽電池の吸収効率を向上できる。
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池は、前記ｎ型III族窒化物半導体層と前記III族窒化物半導体層との間に設けられたｎ型ＩｎＧａＮ層を更に備えることができる。前記ｎ型ＩｎＧａＮ層は、前記ｎ型III族窒化物半導体層と前記ｎ型ＩｎＧａＮ層との界面にミスフィット転位を含むことができる。
【００３２】
窒化物半導体太陽電池が、比較的大きなインジウム組成を有するIII族窒化物半導体層を含む。III族窒化物半導体層がｎ型III族窒化物半導体層の半極性面上に成長されてIII族窒化物半導体層がｎ型III族窒化物半導体層と界面を形成する構造では、この界面にミスフィット転位が形成されると、窒化物半導体太陽電池の変換効率の低下を招く。一方、この窒化物半導体太陽電池によれば、ミスフィット転位は、ｎ型III族窒化物半導体層とｎ型ＩｎＧａＮ層との界面に形成され、ｃ軸の傾斜方向に対して垂直方向に延びる。この界面は、光吸収が生じるIII族窒化物半導体層からｎ型ＩｎＧａＮ層によって隔てられると共に、ｎ型III族窒化物半導体層とｎ型ＩｎＧａＮ層とによって形成される。この構造ではミスフィット転位を含む界面がマジョリティキャリア（電子）の中に存在する。このため、ミスフィット転位に起因する悪影響は小さく、III族窒化物半導体層のインジウム組成の設計自由度を高めることができる。
【００３３】
本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記ミスフィット転位の密度が５×１０３ｃｍ−１以上であることが好ましい。また、本発明に係る窒化物半導体太陽電池では、前記ミスフィット転位の密度が５×１０５ｃｍ−１以下であることが好ましい。この範囲であれば、ミスフィット転位に起因する悪影響を小さくすることができる。
【００３４】
本発明に係る窒化物光−電気変換素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなる半極性面を有するｎ型III族窒化物半導体層と、（ｂ）前記半極性面上に設けられたIII族窒化物半導体層と、（ｃ）前記半極性面上に設けられたｐ型III族窒化物半導体層とを備え、前記III族窒化物半導体層は量子井戸を含み、前記III族窒化物半導体層は前記ｎ型III族窒化物半導体層と前記ｐ型III族窒化物半導体層との間に設けられて、前記量子井戸におけるピエゾ分極は、前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層への方向に向き、前記量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造の少なくともいずれかによって提供される。
【００３５】
この窒化物光−電気変換素子によれば、III族窒化物半導体層の量子井戸はｎ型III族窒化物半導体層とｐ型III族窒化物半導体層との間に設けられており、この量子井戸が光を吸収してキャリアを生成する。量子井戸におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くので、量子井戸で生成されたキャリアが量子井戸から抜け出す観点で、III族窒化物半導体層の量子井戸のバンド障壁が低くなる。
【００３６】
本発明は、窒化物半導体太陽電池を作製する方法に係る。この方法は、（ａ）光吸収のための量子井戸におけるピエゾ分極の向きを見積もるために、III族窒化物半導体からなる基板主面のための一又は複数の傾斜角を選択する工程と、（ｂ）前記選択された傾斜角を有しIII族窒化物半導体からなる基板主面の基板を準備する工程と、（ｃ）前記基板の前記基板主面上に、前記量子井戸並びにｐ型及びｎ型III族窒化物半導体層を形成して、基板生産物を準備する工程と、（ｄ）前記基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を前記基板生産物にバイアスを印加しながら行って、前記基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る工程と、（ｅ）前記測定されたバイアス依存性から、前記基板主面の前記選択された傾斜角の各々において前記量子井戸におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う工程と、（ｆ）前記見積りに基づき判断して、前記窒化物半導体太陽電池の作製のための成長基板の面方位を選択する工程と、（ｇ）前記窒化物半導体太陽電池のための半導体積層を前記成長基板の主面上に形成する工程とを備え、前記成長基板の前記主面は前記III族窒化物半導体からなる。
【００３７】
この窒化物半導体太陽電池を作製する方法によれば、基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行うので、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得ることができる。フォトルミネッセンスのバイアス依存性は、ピエゾ分極の向きに関する情報を含む。ピエゾ分極の向きの見積りに基づき、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を判断できる。この後に、半導体素子の作製のための成長基板の面方位を決定する。この成長基板の主面上に太陽電池のための半導体積層を形成するので、太陽電池の作製において、光吸収領域におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能になる。
【００３８】
本発明に係る作製方法では、前記量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造の少なくともいずれかを含むことができる。
【００３９】
本発明に係る作製方法は、前記ピエゾ分極の向きの見積もりから、前記ピエゾ分極の正負の符号に応じて前記複数の傾斜角を含む角度範囲の区分けを行う工程を更に備えることができる。前記判断は、前記区分けに基づき行われることができる。
【００４０】
本発明に係る作製方法では、前記判断は、前記量子井戸におけるピエゾ分極が前記ｐ型III族窒化物半導体層から前記ｎ型III族窒化物半導体層への方向に向むように行われることができる。
【発明の効果】
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物半導体太陽電池が提供される。また、本発明によれば、この窒化物半導体太陽電池を作製する方法が提供される。さらに、本発明によれば、量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物光−電気変換素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物光−電気変換素子の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、窒化ガリウム系半導体におけるピエゾ分極及びピエゾ電界の向きを模式的に示す図面である。
【図３】図３は、ｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くピエゾ分極（負のピエゾ分極）におけるバンド構造を示す図面である。
【図４】図４は、ｎ型III族窒化物半導体層からｐ型III族窒化物半導体層への方向に向くピエゾ分極（正のピエゾ分極）におけるバンド構造を示す図面である。
【図５】図５は、ピエゾ分極とｃ軸傾斜角との関係を概略的に示す図面である。
【図６】図６は、ミスフィット転位を生成する可能性のある接合を示す図面である。
【図７】図７は、ｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くピエゾ分極（負のピエゾ分極）におけるバンド構造における技術的寄与を示す図面である。
【図８】図８は、実施例１で作成される素子構造を概略的に示す図面である。
【図９】図９は、フォトルミネッセンススペクトルの測定及びフォトルミネッセンススペクトルのバイアス依存性を模式的に示す図面である。
【図１０】図１０は、バイアス印加ＰＬの測定におけるＰＬスペクトルのバイアス依存性を示す図面である。
【図１１】図１１は、（２０−２１）面ＧａＮ面上に成長された太陽電池構造及び（２０−２−１）面ＧａＮ面上に成長された太陽電池構造におけるＰＬ強度の印加バイアス依存性を示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例１及び実施例２の素子構造におけるＰＬ強度のバイアス依存性を示す図面である。
【図１３】図１３は、窒化物光−電気変換素子（例えば窒化物半導体太陽電池）を作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図１４】図１４は、バルク及び量子井戸の光吸収層を有する太陽電池におけるキャリア生成を模式的に示す図面である。
【図１５】図１５は、光−電気変換素子及び半導体太陽電池のIII族窒化物を潜在的に適用可能な光波長領域を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体太陽電池、窒化物光−電気変換素子、窒化物半導体太陽電池を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４４】
図１は、本実施の形態に係る窒化物光−電気変換素子の構造を概略的に示す図面である。本実施の形態では、窒化物光−電気変換素子として窒化物半導体太陽電池を説明する。しかしながら、窒化物光−電気変換素子は窒化物半導体太陽電池に限定されることなく、光センサー、アップコンバージョン素子等を含むことができる。
【００４５】
窒化物半導体太陽電池１１は、ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５、及びｐ型III族窒化物半導体層１７を備える。ｎ型III族窒化物半導体層１３は、III族窒化物半導体からなる第１面１３ａ及び第２面１３ｂを有しており、第１面１３ａは第２面１３ｂの反対側にある。第１面１３ａは半極性を示し、III族窒化物半導体からなる半極性面を有する。第２面１３ｂは半極性を示すことができる。ｐ型III族窒化物半導体層１７は、III族窒化物半導体からなる第１面１７ａ及び第２面１７ｂを有しており、第１面１７ａは第２面１７ｂの反対側にある。第１面１７ａは、半極性を示し、またIII族窒化物半導体からなる半極性面を有する。第２面１７ｂは半極性を示すことができる。
【００４６】
III族窒化物半導体層１５は、ｎ型III族窒化物半導体層１３の半極性面１３ａ上に設けられており、III族窒化物半導体層１５のIII族窒化物は半極性面１３ａに応じた配向を有する。III族窒化物半導体層１５は量子井戸１９を含み、量子井戸１９は量子井戸構造２１及び量子ドット構造２３のいずれかによって提供される。量子井戸１９も、III族窒化物半導体層１５のIII族窒化物は半極性面１３ａに応じた配向を有する。量子井戸１９は歪みを内包し、この歪みは半極性面において圧縮方向に作用することが好ましい。III族窒化物半導体層１５は、半極性の第１面１３ａと半極性の第２面１７ｂとの間に設けられる。
【００４７】
ｎ型III族窒化物半導体層１３は、量子井戸のIII族窒化物のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有するIII族窒化物を備える。これにより、ｎ型III族窒化物半導体層１３が、量子井戸によって吸収される光の波長帯の一部又は全部を遮蔽することを避けることができる。ｎ型III族窒化物半導体層１３は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。
【００４８】
ｐ型III族窒化物半導体層１７は、量子井戸のIII族窒化物のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有するIII族窒化物を備える。ｐ型III族窒化物半導体層１７は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。これにより、ｐ型III族窒化物半導体層１７が、量子井戸によって吸収される光の波長帯の一部又は全部を遮蔽することを避けることができる。
【００４９】
III族窒化物半導体層１５はｎ型III族窒化物半導体層１３とｐ型III族窒化物半導体層１７との間に設けられて、量子井戸１９におけるピエゾ分極ＰＰＺはｐ型III族窒化物半導体層１７からｎ型III族窒化物半導体層１３への方向に向く。図２は、ピエゾ分極とピエゾ電界との関係を示す。ピエゾ分極の向きはピエゾ電界と逆向きであり、半極性面ではｃ軸の傾斜に応じてピエゾ分極の向きと大きさが変化する。
【００５０】
この窒化物半導体太陽電池（及び窒化物光−電気変換素子）１１によれば、III族窒化物半導体層１５の量子井戸１９はｎ型III族窒化物半導体層１３とｐ型III族窒化物半導体層１７との間に設けられており、この量子井戸１９において光を吸収してキャリアが生成される。量子井戸１９におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層１７からｎ型III族窒化物半導体層１３への方向に向くので、量子井戸１９で生成されたキャリアが量子井戸から抜け出す観点で、III族窒化物半導体層１５の量子井戸１９のバンド障壁が低くなる。
【００５１】
窒化物半導体太陽電池１１では、量子井戸１９は、III族構成元素としてインジウムを含むIII族窒化物からなり、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＮ等がなることができる。この窒化物半導体太陽電池１１によれば、III族構成元素としてインジウムを含むIII族窒化物を量子井戸１９に適用するとき、圧縮歪みを内包することになるので、量子井戸１９からキャリアの抜け出しを容易にするバンド構造を量子井戸に提供できる。
【００５２】
量子井戸１９は量子井戸構造２１及び量子ドット構造２３の少なくともいずれかを含む。
【００５３】
量子井戸１９が量子井戸構造２１によって提供されるとき、量子井戸構造２１は、量子井戸１９を対応する井戸層２７ａを含み、井戸層２７ａは第１障壁層と第２障壁層との間に設けられることができる。これ故に、量子井戸構造２１は、井戸層２７ａを隔てる障壁層２７ｂを含む。井戸層２７ａ及び障壁層２７ｂは交互に配列されていることができる。井戸層２７ａはＩｎＧａＮ、ＩｎＮ等がなることができる。障壁層２７ｂはＧａＮ又はＩｎＧａＮ等がなることができる。障壁層２７ｂがＩｎＧａＮからなるとき、障壁層２９ｂが光吸収して電子・正孔対を生成できる。障壁層２７ｂはＩｎＧａＮを備えることができる。障壁層２７ｂのＩｎ組成は例えば０．０５以上０．４以下程度の範囲であることができる。障壁層２７ｂのＩｎ組成が０．２以上であることができ、０．４以下であることを有するとき、障壁層２７ｂの伝導帯に励起された電子が伝導帯の下端にエネルギー緩和する際に生じる熱損失を低減することができる。障壁層２７ｂのＩｎ組成は井戸層２７ａのＩｎ組成より小さい。
【００５４】
量子ドット構造２３は、量子井戸１９に対応する量子ドット２９ａを含み、また量子ドット２９ａを覆う母材層２９ｂを含む。量子ドット２９ａは、例えばＩｎＮ又はＩｎＧａＮ等がなることができる。量子ドット２９ａのサイズは例えば径２０ｎｍ以上程度の範囲であることができ、また径８０ｎｍ以下程度の範囲であることができ、量子ドット２９ａのＩｎ組成は例えば０．１５程度に等しいか或いはより大きいことができ、１程度に等しいか或いはより小さいことができる。母材層２９ｂはＧａＮ又はＩｎＧａＮ等がなることができる。量子ドット構造２３は多段となるように繰り返しても良い。母材層２９ｂがＩｎＧａＮからなるとき、母材層２９ｂが光吸収して電子・正孔対を生成できる。母材層２９ｂのＩｎ組成は例えば０．０５以上０．４以下程度の範囲であることができる。母材層２９ｂのＩｎ組成が０．２以上であることができ、０．４以下であることを有するとき、母材層２９ｂの伝導帯に励起された電子が伝導帯の下端にエネルギー緩和する際に生じる熱損失を低減することができる。母材層２９ｂのＩｎ組成は量子ドット２ａのＩｎ組成より小さい。
【００５５】
この窒化物半導体太陽電池１１によれば、量子井戸１９に接触するＩｎＧａＮでも光の吸収を可能にする。ＩｎＧａＮは可視域のエネルギーの光を吸収できるので、窒化物半導体太陽電池１１の吸収効率を向上できる。
【００５６】
図３及び図４を参照しながら、量子井戸１９からのキャリアの抜け出し易さとピエゾ分極の向きとの関係を説明する。図３は、ｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くピエゾ分極（以下、「負のピエゾ分極」として参照する）におけるバンド構造を示す図面である。図４は、ｎ型III族窒化物半導体層からｐ型III族窒化物半導体層への方向に向くピエゾ分極（以下、「正のピエゾ分極」として参照する）におけるバンド構造を示す図面である。
【００５７】
図３を参照すると、３つの井戸層２７ａ（量子井戸１９）とこれらを隔てる５つの障壁層２７ｂを含む。ある一つの量子井戸（最もｎ領域に近い量子井戸）１９に着目するとき、伝導帯においてｎ側障壁ＢＥＮ（ｎ）はｐ側障壁ＢＥＮ（ｐ）より小さい。これ故に、この量子井戸１９において光吸収により電子・正孔対が生成されると、電子Ｅはより低いｎ側障壁ＢＥＮ（ｎ）を越えてｎ型III族窒化物半導体層１３に流れる。ここで、ｎ側障壁ＢＥＮ（ｎ）は、電子の擬フェルミレベルＦＥ（ｎ）からｎ側の障壁層の伝導帯までの障壁により規定され、ｐ側障壁ＢＥＮ（ｐ）は、電子の擬フェルミレベルＦＥ（ｎ）からｐ側の障壁層の伝導帯までの障壁により規定される。また、価電子帯における量子井戸のバンドオフセットは伝導帯における量子井戸のバンドオフセットより小さいので、量子井戸１９において光吸収により電子・正孔対が生成されると、正孔Ｈは比較的容易に量子井戸１９から抜け出してｐ型III族窒化物半導体層１７に流れる。価電子帯においてｐ側障壁ＢＨＮ（ｐ）はｎ側障壁ＢＥＮ（ｎ）より小さい。
【００５８】
図４を参照すると、３つの量子井戸１８とこれらを隔てる４つの障壁層２４を含む。ある一つの量子井戸（最もｎ領域に近い量子井戸）１８に着目するとき、伝導帯においてｎ側障壁ＢＥＰ（ｐ）はｐ側障壁ＢＥＰ（ｎ）より大きい。これ故に、この量子井戸１８において光吸収により電子・正孔対が生成されると、電子Ｅはより高いｎ側障壁ＢＥＰ（ｎ）を越えてｎ型III族窒化物半導体層に流れる。ここで、ｎ側障壁ＢＥＰ（ｎ）及びｐ側障壁ＢＥＰ（ｐ）は、電子の擬フェルミレベルから伝導帯までの障壁により規定される。
【００５９】
既に説明したように、窒化物半導体太陽電池１１によれば、III族窒化物半導体層１５はｎ型III族窒化物半導体層１３とｐ型III族窒化物半導体層１７との間に設けられており、III族窒化物半導体層１５の量子井戸１９において光を吸収して電子・正孔対が生成される。量子井戸１９においてピエゾ分極が負であるので、正のピエゾ分極のバンド構造に比べて、電子・正孔対の電子が量子井戸１９から容易に抜け出すことを可能にする。伝導帯に関して、III族窒化物半導体層１５の量子井戸１９のバンド障壁が低くなる。図３に示されたバンド構造は、光−電気変換に有利である。図３及び図４を参照した上記説明は、量子井戸構造２１のバンド構造を示しているけれども、この説明は量子ドット構造２３にも適用される。
【００６０】
窒化物半導体太陽電池１１では、III族窒化物半導体層１５は２００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。薄いIII族窒化物半導体層１５は、ｐｎ接合の拡散電位に起因してIII族窒化物半導体層１５とIII族窒化物半導体層１５の量子井戸１９におけるバンド傾斜を大きくすることを可能にする。量子井戸１９で生成されたキャリア（電子、正孔）が量子井戸１９から抜け出すことを容易にする。
【００６１】
図５は、ピエゾ分極とｃ軸傾斜角との関係を概略的に示す図面である。窒化物半導体太陽電池１１におけるピエゾ分極の向き（縦方向のピエゾ分極）は、図５に概略的に示されるけれども、ピエゾ分極が、結晶に内包される歪みに係る現象であるので、負のピエゾ分極を実現する厳格な角度範囲を一般的なものとして実際には決定しがたい場合がある、角度範囲の一例を示せば、角度は５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあることができる。この角度範囲に関しては、ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５及びｐ型III族窒化物半導体層１７は半極性ＧａＮ下地面上に設けられていると共に、ｎ型III族窒化物半導体層１３は窒化ガリウム系半導体からなることができる。この角度は、ｎ型III族窒化物半導体層１３のIII族窒化物のｃ軸Ｃｘ（［０００１］軸）がｎ型III族窒化物半導体層１３の半極性面１３ａの法線軸ＮＶに対して成す傾斜角として規定される。図１に示される傾斜の角度ＴＨは、例えば５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲にあることができる。この角度範囲では量子井戸からキャリアの抜け出しが容易になる。
【００６２】
図５を参照すると、負のピエゾ分極を実現できる角度範囲は、概略的には５０度以上８０度以下の角度範囲（第１範囲）、及び１３０度以上１７０度以下の角度範囲（第２範囲）に分けられる。第１範囲及び第２範囲のいずれの範囲においても、ピエゾ分極がバンドオフセットを下げるように作用する。第１範囲においては、電子の波動関数ＷＦ（ｎ）及び正孔の波動関数ＷＦ（ｐ）が量子井戸１９において良好に重なり合って、電子正孔対の生成に有利である。図５の（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるように、量子井戸１９における電子の波動関数ＷＦ（ｎ）及び正孔の波動関数ＷＦ（ｐ）の重なりに関して、第１範囲は、第２範囲に比べて電子正孔対の生成に有利である。
【００６３】
ＩｎＧａＮ及びＩｎＮの結晶成長の観点で、量子井戸１９がＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかを備えるとき、傾斜度ＴＨはｃ軸からｍ軸への方向に規定された６３度以上８０度以下の角度範囲にあることが好ましい。この角度範囲は、インジウムの均質な取り込みに優れた面方位であり、優れた結晶品質のＩｎＧａＮ又はＩｎＮを成長可能である。また、上記の範囲におけるピエゾ分極の極大値が第１範囲において小さいので、波動関数の重なりが大きくなりより効率的に光を吸収できる。
【００６４】
負のピエゾ分極は、例えば結晶成長する基板の面方位により実現できる。再び図１を参照すると、窒化物半導体太陽電池１１は、基板３１を更に備えることができ、基板３１は、III族窒化物からなる主面３１ａを有する。基板３１のIII族窒化物のｃ軸Ｃｘは基板３１の主面３１ａの法線軸ＮＶに対して傾斜を成しており、この傾斜角ＴＨが５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲にある様にしても良い。ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５、及びｐ型III族窒化物半導体層１７は半極性の主面３１ａの法線軸ＮＶの方向に配列される。
【００６５】
この窒化物半導体太陽電池１１によれば、ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５及びｐ型III族窒化物半導体層１７は、半極性基板主面３１ａ上に順に配列されているので、窒化物半導体層１３、１５、１７の表面の面方位は、個々の半導体層の下地の面方位を引き継ぎ、下地の面方位を反映したものとなる。このため、窒化物半導体層１３、１５、１７の表面の面方位は、それぞれの半導体材料の格子定数差に起因する歪みによる微差を除いて、例えばｎ型III族窒化物半導体層１３が窒化ガリウム系半導体からなるとき、５０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の角度範囲において量子井戸１９からキャリアの抜け出しが容易になる。
【００６６】
また、基板３１のIII族窒化物はＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかからなることが好ましい。量子井戸１９は主面の面内方向に圧縮歪みを内包するように、ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５、及びｐ型III族窒化物半導体層１９は基板主面３１ａ上に搭載されている。
【００６７】
この窒化物半導体太陽電池１１によれば、ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５、及びｐ型III族窒化物半導体層１７は、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのいずれかからなる半極性の基板主面の法線軸の方向に配列されているので、量子井戸１９は主面の面内方向に圧縮歪みを内包して、ピエゾ分極の向きを利用した量子井戸からキャリアの抜け出しが容易になる。一実施例では、基板３１はＩｎＧａＮ基板を含むことができる。窒化物半導体太陽電池１１がＩｎＧａＮ基板を用いることにより、III族窒化物半導体層１５と基板３１との格子不整合度を低減して、大きな格子不整合度に起因する新たな欠陥の発生を抑えることができる。別の実施例では、窒化物半導体太陽電池１１がＧａＮ基板を含むことが好ましい。低転位（例えば転位密度＜１×１０６ｃｍ−２）のＧａＮ基板を用いることにより、ＧａＮ基板上に成長される半導体層の結晶品質を良好にできる。
【００６８】
窒化物半導体太陽電池１１では、III族窒化物半導体層１５がｐ型III族窒化物半導体層１７に接触を成すことができる。また、ｎ型III族窒化物半導体層１３がIII族窒化物半導体層１５に接触を成すことができる。
【００６９】
窒化物半導体太陽電池１１は、ｎ型ＩｎＧａＮ層３３を更に備えることができる。ｎ型ＩｎＧａＮ層３３はｎ型III族窒化物半導体層１３とIII族窒化物半導体層１５との間に設けられる。ｎ型ＩｎＧａＮ層３３は、ｎ型III族窒化物半導体層１３とｎ型ＩｎＧａＮ層３３との界面にミスフィット転位を含むことができる。ｎ型ＩｎＧａＮ層３３の厚さは例えば５０ｎｍ以上であることができ、適切な範囲のミスフィット転位を導入することができる。ｎ型ＩｎＧａＮ層３３の厚さは例えば５００ｎｍ以下であることができ、過度にミスフィット転位が導入されることを防ぐことができる。また、ｎ型ＩｎＧａＮ層３３のＩｎ組成は例えば０．０２以上であることができ、適切な範囲のミスフィット転位を導入することができる。ｎ型ＩｎＧａＮ層３３のＩｎ組成は例えば０．４以下であることができ、III族窒化物半導体層１５に対して下地としての良好な結晶性を損なわないようにすることができる。
【００７０】
これらの範囲であれば量子井戸における光吸収の性能を低下させることなくミスフィット転位の導入が可能である。また、ミスフィット転位を導入する界面を太陽電池の特性に影響を及ぼさない素子領域に隔てることができる。なお、ｎ型ＩｎＧａＮ層３３のＩｎ組成は量子井戸のＩｎ組成よりは小さいことが好ましい。
【００７１】
窒化物半導体太陽電池１１が、比較的大きなインジウム組成の半導体を備えるIII族窒化物半導体層１５を含む。III族窒化物半導体層１５がｎ型III族窒化物半導体層１３の半極性面１３ａ上に成長されてIII族窒化物半導体層１５がｎ型III族窒化物半導体層１３と界面を形成する構造では、この界面にミスフィット転位が形成される場合には窒化物半導体太陽電池の変換効率の低下を招く可能性がある。一方、窒化物半導体太陽電池１１によれば、ｎ型ＩｎＧａＮ層３３の追加により、ｎ型ＩｎＧａＮ層３３とIII族窒化物半導体層１５との界面Ｊ２におけるミスフィット転位の生成を避けると共に、ｎ型III族窒化物半導体層１３とｎ型ＩｎＧａＮ層３３との界面Ｊ１にミスフィット転位を形成させることを可能にする。ミスフィット転位は界面Ｊ１においてｃ軸の傾斜方向に対して垂直方向に延びる。この界面Ｊ１は、光吸収が生じるIII族窒化物半導体層１５からｎ型ＩｎＧａＮ層３３によって隔てられると共に、ｎ型III族窒化物半導体層１３とｎ型ＩｎＧａＮ層３３とによって形成される。この構造ではミスフィット転位を含む界面Ｊ１がマジョリティキャリア（電子）の中に存在する。このため、ミスフィット転位に起因する悪影響は小さい。しかし、図６に示されるように、光吸収に係るIII族窒化物半導体層に接する半導体層の接合（２つの界面）のうち、このIII族窒化物半導体層に近い接合近傍にミスフィット転位ＭＦ１が生成されるとき、この接合界面の近傍には電子及び正孔の両方が存在するので、これらのキャリアが非発光性再結合を引き起こし、太陽電池の効率を低減させる。ところが、上記の接合界面から離れた位置に生成されるミスフィット転位ＭＦ２は、図６に示されるように、多数の電子をマジョリティキャリアとして含む半導体領域中に位置するので、非発光再結合の可能性は低い。この知見から、ミスフィット転位の生成は、III族窒化物半導体層１５の無歪み格子定数（インジウム組成の大きさ）と半導体層１３、１７の無歪み格子定数との差に関係しており、常にミスフィット転位が形成されることにならない。
【００７２】
接合Ｊ１におけるミスフィット転位密度が５×１０３ｃｍ−１以上であることが好ましい。この窒化物半導体太陽電池によれば、III族窒化物半導体層１５のインジウム組成の設計自由度を高めることができる。接合Ｊ１におけるミスフィット転位密度が５×１０５ｃｍ−１以下であることが好ましい。この窒化物半導体太陽電池によれば、ミスフィット転位に起因する悪影響を小さくすることができる。
【００７３】
図１に示されるように、基板３１上には半導体積層３５が設けられており、半導体積層３５は、ｎ型III族窒化物半導体層１３、III族窒化物半導体層１５及びｐ型III族窒化物半導体層１７を備え、また必要な場合にｎ型ＩｎＧａＮ層３３を更に備えることができる。基板３１のIII族窒化物はｎ導電性を有することができる。基板３１の裏面３１ｂには電極３７が設けられ、電極３７は裏面３１ｂに良好なオーミック接触を成すことが好ましい。電極３７は例えばＴｉ／Ａｌ等であることができる。半導体積層３５の上面３５ａには全面を覆うように電極３９が設けられ、電極３９は上面３５ａに良好なオーミック接触を成すことが好ましい。また、電極３９は光Ｌを受け入れるために透明電極（例えばＩＴＯ、ＺｎＯ）、半透明電極（例えばＮｉ／Ａｕ）等であることができる。電極３９上には、パッド電極４１を設けることができる。必要な場合には、電極３９が開口を有することができ、この開口を介してパッド電極４１が半導体積層３５の上面３５ａに接触を成すことができる。本実施例では、半導体積層３５の上面３５ａにはｐ型III族窒化物半導体層１７が現れており、電極３９は上面３５ａに接触を成している。本実施例では、パッド電極４１が半導体素子の中央付近に位置しているけれども、パッド電極４１の位置は必要に応じて変更可能である。
【００７４】
図７に示されるように、III族窒化物半導体層１５内の最もｐ領域に近い量子井戸１９において光吸収により電子・正孔対が生じる。この電子がこの量子井戸１９とｎ型III族窒化物半導体層１３との間に位置する別の量子井戸１９に落ち込むことがある。落ち込んだ電子は、量子井戸１９の低い障壁ＢＥＮ（ｎ）の作用により再び障壁層の伝導帯に戻ることが容易になる。これと同様に、III族窒化物半導体層１５内の最もｎ領域に近い量子井戸において光吸収により電子・正孔対が生じる。この正孔が、この量子井戸１９とｐ型III族窒化物半導体層１７との間に位置する別の量子井戸１９に落ち込むことがある。落ち込んだ正孔は、量子井戸１９の低い障壁ＢＨＮ（ｐ）の作用により再び障壁層の価電子帯に戻ることが容易になる。ピエゾ分極による障壁ＢＥＮ（ｎ）及び障壁ＢＨＮ（ｐ）の低減効果は、量子ドットにおいても寄与することがある。
【００７５】
ピエゾ分極の寄与はＧａＡｓ等のIII−Ｖ化合物半導体を用いる太陽電池ではない。
【００７６】
（実施例１）
図８は、実施例１で作成される素子構造を概略的に示す図面である。図８に示されるように、２枚の（２０−２１）面ＧａＮ基板を準備する。ＧａＮ基板の主面の法線軸は、このＧａＮのｃ軸に対してｃ軸（［０００１］軸）とｍ軸とにより規定される基準面内でｃ軸からｍ軸の方向に７５度の角度で傾斜している。このＧａＮ基板では、（０００１）面はガリウム面（Ｇａ面）であり、この面は基板主面に対して７５度の角度を成す。一方のＧａＮ基板にはその主面上に結晶成長を行い、他方のＧａＮ基板にはその裏面に結晶成長を行う。（０００−１）面は窒素面（Ｎ面）であり、この面は基板裏面に対して７５度の角度を成す。
【００７７】
これらのＧａＮ基板を成長炉に配置して、有機金属気相成長法により、太陽電池構造のための半導体層の結晶成長を行う。有機金属原料としてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡを用い、ドーパントのためにＣｐ２Ｍｇ、ＳｉＨ４を用いる。成長炉において、ＧａＮ表面のサーマルクリーニングを行う。このサーマルクリーニングの条件は、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含む雰囲気、摂氏１０５０度、及び１０分間である。次いで、ＧａＮ表面上にｎ−ＧａＮ層を摂氏１０５０度の温度で成長し、この厚さは２μｍであり、ｎ型ドーパント濃度は２×１０１８ｃｍ−３である。ｎ−ＧａＮ層上に、本実施例では摂氏８４０度の温度でｎ−ＩｎＧａＮ層を成長する。このｎ−ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は０．０２であり、ｎ型ドーパント濃度は２×１０１８ｃｍ−３である。このｎ−ＩｎＧａＮ層上に光電変換層を成長する。光電変換層は、例えば３周期の多重量子井戸構造を有する。多重量子井戸構造は、井戸層（Ｉｎ組成０．３及び厚さ３ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ）及び母材層（厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ）を備える。ＩｎＧａＮの成長温度は摂氏７９０度であり、母材層の成長温度は摂氏８４０度である。光電変換層上にｐ−ＧａＮ層を摂氏１０００度の温度で成長し、この厚さは５０ｎｍであり、ｐ型ドーパント濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。これらの工程により、エピタキシャル基板が作製される。
【００７８】
ｐ−ＧａＮ層上にｐ側電極を蒸着し、ｐ側電極はＮｉ／Ａｕからなる半透明電極である。蒸着において、Ｎｉ層の厚さは例えば５ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは例えば１０ｎｍである。ｐ側電極上にはパッド電極を蒸着する。パッド電極はＴｉ／Ａｕからなる。ｐ側電極とパッド電極のパターン形成のための加工にはフォトリソグラフィを適用する。ＧａＮ基板の裏面にｎ側電極を蒸着し、ｎ側電極はＴｉ／Ａｌからなる。これらの工程により、基板生産物が作製される。
【００７９】
これらの窒化物光−電気変換素子の井戸層における内部電界の向きを決定する。この内部電界の測定により、ピエゾ分極の向きに関する情報を得ることができる。内部電界は、厳密には自発分極及びピエゾ分極の両成分を含む。基板生産物を半導体チップに分離して、このチップを実装する。
【００８０】
内部電界の向きの決定は、図９の（ａ）部に示されるように、バイアス印加フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルの測定により行われる。バイアス印加ＰＬスペクトルは、素子に外部電圧を加えながら、励起光をＮｉ／Ａｕ電極上に照射して、これに応答するＰＬスペクトルを検出する。ＰＬスペクトルのための励起光源からの励起光としてＡｒＳＨＧ（２４４ｎｍ）を用いると共に、測定環境の温度として、室温より低い温度、例えば絶対温度１００ケルビン（Ｋ）を用いる。バイアス印加ＰＬの測定により、ＰＬスペクトルのバイアス依存性により、ピエゾ分極の向きに関する情報を得ることができる。井戸層のピエゾ分極が正であるときは、図９の（ｂ）部に示されるように、順バイアスを印加するときにＰＬスペクトルはレッドシフトを示す。井戸層のピエゾ分極が負であるときは、図９の（ｃ）部に示されるように、順バイアスを印加するときにＰＬスペクトルはブルーシフトを示す。
【００８１】
図１０は、バイアス印加ＰＬの測定におけるＰＬスペクトルのバイアス依存性を示す。図１０の（ａ）部に示されるように、（２０−２１）面ＧａＮ面上に成長された太陽電池構造におけるバイアス印加ＰＬの測定から、印加バイアスの増加に従ってＰＬスペクトルはブルーシフトを示す。よって、（２０−２１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造の量子井戸におけるピエゾ分極は負である。図１０の（ｂ）部に示されるように、（２０−２−１）面ＧａＮ面上に成長された太陽電池構造におけるバイアス印加ＰＬの測定から、印加バイアスの増加に従ってＰＬスペクトルはレッドシフトを示す。よって、（２０−２−１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造の量子井戸におけるピエゾ分極は正である。
【００８２】
図１１は、（２０−２１）面ＧａＮ面上に成長された太陽電池構造及び（２０−２−１）面ＧａＮ面上に成長された太陽電池構造におけるＰＬ強度の印加バイアス依存性を示す。ＰＬ強度は、井戸層からのキャリアの逃げにくさを反映している。測定は、絶対温度１００Ｋで行われる。この温度における測定により、非発光再結合はある程度抑制されている。印加バイアスが小さいか又は負であるとき、（２０−２１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造が、（２０−２−１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造に比べて、低いＰＬ強度を示す。これは、（２０−２−１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造に比べて、（２０−２１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造においてキャリアが逃げやすいことを示す。井戸層のピエゾ分極が負であることに起因して、井戸層で生成されたキャリアが量子井戸から容易に抜け出していることを示す。この観点において、太陽電池の光電変換層として（２０−２１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造は、（２０−２−１）面ＧａＮ面上の太陽電池構造に比べて優れる。
【００８３】
（実施例２）
実施例１における多重量子井戸構造は、井戸層（Ｉｎ組成０．３及び厚さ３ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ）及び母材層（厚さ１５ｎｍのアンドープＧａＮ）を備える。実施例２における多重量子井戸構造は、井戸層（Ｉｎ組成０．３及び厚さ３ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ）及び母材層（厚さ３ｎｍのアンドープＧａＮ）を備える。
【００８４】
図１２は、実施例１及び実施例２の素子構造におけるＰＬ強度のバイアス依存性を示す図面である。実施例２の太陽電池構造におけるＰＬ強度は実施例１の太陽電池構造に比べてさらに低い。実施例２の多重量子井戸構造は、実施例１に比べて、障壁の高さを変えずに障壁の厚さを変更している。これは、実施例２の太陽電池構造が、キャリアの放出に関して容易な多重量子井戸構造を有することを示す。
【００８５】
実施例２の太陽電池構造では、多重量子井戸構造を有する光電変換層（ｉ層）の厚さが薄くなったことにより、ｐｎ接合の拡散電位によって光電変換層における電界が強まり量子井戸のバンド曲がりの傾きを大きくできることに起因している。バンド曲がりの傾きを大きくできることに加えて、光電変換層の電界を大きくできるので、量子井戸からのキャリアの取り出しが向上される。太陽電池では、光吸収量を稼ぐために光電変換層の厚みを厚くすることが良いけれども、ピエゾ分極の向きを制御した上で量子井戸で吸収させる本実施例では、光電変換層の厚さを薄くすることに技術的寄与がある。
【００８６】
（実施例３）
量子ドットを成長するために、以下の成長条件を用いる。ｎ−ＧａＮ層の半極性面上に、摂氏７９０度の温度、ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成０．３の成膜条件）ＩｎＧａＮを１〜２モノレイヤを成長する時間で、有機Ｇａ原料（例えばＴＭＧ）、有機Ｉｎ原料（例えばＴＭＩ）及び窒素原料（例えばアンモニア）を成長炉に供給して、所望のモノレイヤを成長する。有機Ｇａ原料供給を止める一方で、有機Ｉｎ原料（例えばＴＭＩ）及び窒素原料（例えばアンモニア）を成長炉に供給しながら、成長炉の温度を摂氏８４０度に上昇させる。この成長中断中に歪みがドライビングフォースとなって量子ドットが自己形成される。この量子ドットを形成した後に、母材層を成長する。母材層は例えばＩｎＧａＮであることができ、この実施例では、母材層の厚さは２０ｎｍである。量子ドットの密度、形状はＴＭＩ流量、中断時間、昇温温度、昇温レートなどで制御できる。太陽電池に好適な条件は、十分な光吸収を実現するために、量子ドットの面密度１×１０１０〜１×１０１２ｃｍ−２、量子ドットの直径２０〜８０ｎｍ、量子ドットの高さ２〜１０ｎｍである。量子ドットにおけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向くとき、本実施例の量子ドットにおいても吸収したキャリアの取り出しを容易にできる。必要な場合には、量子ドットの形成及び母材層の成長を繰り返すことができる。
【００８７】
引き続き、窒化物光−電気変換素子（例えば窒化物半導体太陽電池）を作製する方法を説明する。図１３は、窒化物光−電気変換素子（例えば窒化物半導体太陽電池）を作製する方法における主要な工程を示す図面である。この作製方法において理解を容易にするために、可能な場合には図１に合わせた参照符号を用いる。
【００８８】
工程Ｓ１０１では、光吸収のための量子井戸１９におけるピエゾ分極の向きを見積もるために、III族窒化物半導体からなる基板主面のための一又は複数の傾斜角を選択する。例えば実施例１では、（２０−２１）面を選択している。工程Ｓ１０２では、選択された傾斜角を有しIII族窒化物半導体からなる基板主面の基板を準備する。例えば図５の横軸に示された角度範囲のいずれかの角度を選択できる。工程Ｓ１０３では、基板の基板主面上に、量子井戸並びにｐ型及びｎ型III族窒化物半導体層を形成して、基板生産物（又はエピタキシャル基板）を準備する。この準備は、例えば実施例１及び実施例３に示されるように、太陽電池１１の半導体積層構造を模擬してエピタキシャル積層を形成する。工程Ｓ１０４では、基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行って、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得る。例えば図９に示されるような測定系を用いてＰＬスペクトルを測定できる。工程Ｓ１０５では、測定されたバイアス依存性から、基板主面の選択された傾斜角の各々において量子井戸におけるピエゾ分極の向きの見積もりを行う。例えば図１０に示されるＰＬスペクトルのバイアス依存性から、ピエゾ分極の向きの見積もりが可能である。工程Ｓ１０６では、ピエゾ分極の向きの見積もりに基づき、窒化物半導体太陽電池１１の作製のための成長基板３１の面方位を選択する。面方位の選択については、例えば基板主面３１ａに対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を見積りに基づき判断するようにしてもよい。また、図５の横軸に示された角度範囲のいずれかの角度を選択できる。工程Ｓ１０７では、窒化物半導体太陽電池１１のための半導体積層３５を成長基板３１の主面３１ａ上に形成する。この成長は、例えば実施例１、実施例２及び実施例３のように行われることができる。この後の工程において、半導体積層３５上に電極３９、４１を形成すると共に成長基板３１の裏面３１ｂに電極３７を形成する。これら一連の工程により、窒化物半導体太陽電池１１のアレイを含む太陽電池基板生産物が完成される。続く工程では、太陽電池基板生産物を個々の半導体素子に分離することができる。
【００８９】
この方法において、見積もり用基板の主面及び成長基板の主面はIII族窒化物半導体（例えばＧａＮ）からなる。好適には、見積もり用基板及び成長基板はIII族窒化物半導体基板からなる。面方位を規定する傾斜角は、例えば基板主面とIII族窒化物半導体の（０００１）面との成す角度によって規定されることができ、或いは例えば基板主面３１ａの法線軸ＮＶとｃ軸Ｃｘとの成す角度によって規定されることができる。半導体積層３５は、実施例や実施形態に開示されるように、第１III族窒化物半導体領域１３、量子井戸１９を含むIII族窒化物半導体層１５及び第２III族窒化物半導体領域１７を備え、また更にＩｎＧａＮ層３３を備えることができる。ここで、III族窒化物半導体層１５は、第１III族窒化物半導体領域１３と第２III族窒化物半導体領域１７との間に設けられる。量子井戸１９、２７ａ及び母材層（又は障壁層）２７ｂの各々はIII族窒化物半導体のｃ軸Ｃｘに延びる基準軸に直交する面から傾斜した基準平面Ｓｃに沿って延びている。量子井戸１９は歪みを内包し、例えば量子井戸１９がＧａＮ上に設けられたＩｎＧａＮ及びＩｎＮの少なくともいずれかを備えるとき、量子井戸１９は主面の面内方向に圧縮歪みを内包する。第１III族窒化物半導体領域１３は一又は複数のｎ型III族窒化物半導体層を含むことができ、第２III族窒化物半導体領域１７は一又は複数のｐ型III族窒化物半導体層を含むことができる。量子井戸は量子井戸構造及び量子ドット構造の少なくともいずれかを含むことができる。
【００９０】
この作製方法によれば、基板生産物のフォトルミネッセンスの測定を基板生産物にバイアスを印加しながら行うので、基板生産物のフォトルミネッセンスのバイアス依存性を得ることができる。フォトルミネッセンスのバイアス依存性は、ピエゾ分極の向きに関する情報を含む。ピエゾ分極の向きの見積りに基づき、基板主面に対応する傾斜角及び基板主面の裏面に対応する傾斜角のいずれかの使用を判断できる。この後に、半導体素子の作製のための成長基板３１の面方位を選択する。この成長基板３１の主面上３１ａに太陽電池１１のための半導体積層３５を形成するので、太陽電池１１の作製において、光吸収領域におけるピエゾ分極の向きを適切な方向に選択可能になる。
【００９１】
この作製方法は、ピエゾ分極の向きの見積もりから、ピエゾ分極の正負の符号に応じて複数の傾斜角を含む角度範囲の区分けを行う工程を備えることができる。好適な実施例では、作製方法における判断は、量子井戸におけるピエゾ分極がｐ型III族窒化物半導体層からｎ型III族窒化物半導体層への方向に向むように行われることができる。
【００９２】
この作製方法では、傾斜角の見積もりと共に、障壁層の厚さ、ＩｎＧａＮ層３３の厚さの少なくともいずれかを変更して、ＰＬスペクトルから、傾斜角の見積もり結果に加えて障壁層の厚さ及び／又はＩｎＧａＮ層３３の厚さに関する評価結果を得ることができる。ＩｎＧａＮ層３３の厚さに関しては、ミスフィット転位密度は例えばカソードルミネッセンスや透過電子顕微鏡によって測定される。また、この作製方法では、傾斜角の見積もりと共に、ＰＬスペクトルから、量子ドットの成長条件、ＩｎＧａＮ層３３の厚さの少なくともいずれかを変更して、傾斜角の見積もり結果に加えて量子ドットの特性及び／又はＩｎＧａＮ層３３の厚さに関する評価結果を得ることができる。更には、傾斜角の見積もりに替えて、ＰＬスペクトルから、障壁層の厚さ、及びＩｎＧａＮ層３３の厚さの少なくともいずれかを変更して、障壁層の厚さ及び／又はＩｎＧａＮ層３３の厚さに関する評価結果を得ることができる。また、この作製方法では、傾斜角の見積もりに替えて、ＰＬスペクトルから、量子ドットの成長条件、ＩｎＧａＮ層３３の厚さの少なくともいずれかを変更して、傾斜角の見積もり結果に加えて量子ドットの特性及び／又はＩｎＧａＮ層３３の厚さに関する評価結果を得ることができる。したがって、ＰＬスペクトルを利用して、量子井戸からキャリアを効率的に取り出す構造を得ることができる。
【００９３】
図１４の（ａ）部は、ｐｉｎ型のバルク光電変換層を有する太陽電池のバンド構造を示す図面である。ｐｉｎ型の太陽電池では、外部からの光がバルクｉ層で吸収されて、電子・正孔対が生成される。電子がｎ側半導体へ、正孔がｐ側半導体へ移動することで電流が流れる。図１４の（ｂ）部は、量子井戸の光電変換層を示す図面である。III族窒化物太陽電池では、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ厚膜をＧａＮ下地層上に成長することは、ＩｎＧａＮとＧａＮとの大きな格子不整合に起因して困難である。このため、III族窒化物太陽電池では、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ薄膜を含む量子井戸構造を作製する。この量子井戸では、光吸収によって生じた電子と正孔を障壁層の個々の伝導バンド（伝導帯及び価電子帯）まで取り出して光電流を取り出す。光電流を効率良く取り出せないときには、ある量子井戸内で生成された電子・正孔が、同一又は他の量子井戸内で再結合して、光又は熱に変換されてしまう（光の場合は発光再結合、熱の場合は非発光再結合）。以上説明した本実施の形態では、III族窒化物太陽電池におけるキャリア取り出しを容易にできる。
【００９４】
また、III族窒化物太陽電池では、例えばＩｎＧａＮのバンドギャップでは、そのＩｎ組成（０〜１）に応じて３．４エレクトロンボルト（ｅＶ）のＧａＮから０．７エレクトロンボルト（ｅＶ）のＩｎＮまで制御可能である。これは、図１５に示されるように、波長換算で３６５ｎｍ〜１７７１ｎｍに対応する。光の吸収はバンドギャップエネルギー以上（つまり、バンドギャップ波長以下）の光に対して生じる。ＧａＮ系半導体を受光層として太陽光を対象にすると、Ｉｎ組成の高いＩｎＧａＮ及び／又はＩｎＮとすることで高い効率が得られることが分かる。
【００９５】
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物半導体太陽電池が提供される。また、本実施の形態によれば、この窒化物半導体太陽電池を作製する方法が提供される。さらに、本実施の形態によれば、量子井戸からの電子及び正孔の取り出しを改善できる窒化物光−電気変換素子が提供される。
【符号の説明】
【００９７】
１１…窒化物半導体太陽電池、１３…ｎ型III族窒化物半導体層、１５…III族窒化物半導体層、１７…ｐ型III族窒化物半導体層、１３ａ…半極性面、１９…量子井戸、２１…量子井戸構造、２３…量子ドット構造、２７ａ…井戸層、２７ｂ…障壁層、３１…基板、３３…ＩｎＧａＮ層、３５…半導体積層、３７…裏面電極、３９…光透過性電極、４１…パッド電極、Ｌ…入射光、ＰＰＺ…ピエゾ分極。
【図１】
2014120666.tif 000003
【図２】
2014120666.tif 000004
【図３】
2014120666.tif 000005
【図４】
2014120666.tif 000006
【図５】
2014120666.tif 000007
【図６】
2014120666.tif 000008
【図７】
2014120666.tif 000009
【図８】
2014120666.tif 000010
【図９】
2014120666.tif 000011
【図１０】
2014120666.tif 000012
【図１１】
2014120666.tif 000013
【図１２】
2014120666.tif 000014
【図１３】
2014120666.tif 000015
【図１４】
2014120666.tif 000016
【図１５】
2014120666.tif 000017