(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたシリコンカーバイド層と、
前記シリコンカーバイド層上に積層体を備えた受光部と、
前記シリコン基板の裏面及び前記受光部の表面に電気的に接続された一対の電極と
を含み、
前記積層体は、
第１ｎ型ＩｎＧａＮ層及び第１ｐ型ＩｎＧａＮ層を有する第１積層体と、
前記第１積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第１積層体よりもＩｎ組成率が小さくバンドギャップエネルギーが大きい第２ｎ型ＩｎＧａＮ層及び第２ｐ型ＩｎＧａＮ層を有する第２積層体と、
前記第２積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第２積層体よりもバンドギャップエネルギーが大きいｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を有する第３積層体と
を含むことを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記シリコン基板及び前記シリコンカーバイド層は、共にｎ型の導電型とされていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記シリコンカーバイド層は、３Ｃのポリタイプとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記シリコンカーバイド層は、１０ｎｍ〜５μｍの範囲内の厚みに形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の地球温暖化現象や原子力発電所の事故を受け、再生可能エネルギーの活用促進が世界的な潮流となっている。その中でも太陽光を利用した発電は、ＣＯ2ガスの排出低減は勿論のこと、携帯機器から大型システムに至るまで構成及び搭載が可能であり、高い汎用性も含めて大きな注目を集めている。また、世界各国でフィードインタリフ等の補助金制度も開始されるなど、化石燃料の代替化を想定したエネルギー政策の一環として国家レベルでの後押しもあり、太陽電池の需要は今後急拡大すると予測されている。
【０００３】
従来、太陽電池の材料にはシリコン（Ｓｉ）等のＩＶ族半導体が用いられてきた。しかしながら、単一材料の光電変換素子はバンドギャップエネルギーも単一であるため、広い波長範囲を有する太陽光を効率的に電力変換することが困難であった。そこで、相異なるバンドギャップエネルギーを有する材料を複数積層したマルチバンド構造の太陽電池開発が活発となっている。とりわけ、窒化ガリウム（ＧａＮ）を母材としたＧａＮ系の化合物半導体材料は、インジウム（Ｉｎ）やアルミニウム（Ａｌ）との混晶により広範な波長範囲で所望のバンドギャップエネルギーに調整することが可能である。そのため、適切なバンドギャップ組成を積層することにより、単一材料では為し得ない効率６０％超の光電変換が理論上実現できるとされている。
【０００４】
一方、太陽電池等の再生可能エネルギーの発電コストは、化石燃料や原子力と比較して未だ割高であり、十分な競争力を確保するには基本性能の向上に加えて製造コストの低減も重要な課題となる。化合物半導体材料は、所謂バルクと呼ばれる自立膜が高コストであり、且つ大面積化が難しいことから、通常は異なる材質の支持基板上にＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法等で堆積させるのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８１４７８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５６５２９号公報
【特許文献３】特開２００８−２１８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
支持基板として、安価なＳｉ基板を利用することは製造コストの観点から有望である。この場合、ＧａＮ系材料とＳｉとの格子定数が大きく異なるため、格子不整合による反りやクラックが発生し易い。更に、ＧａはＳｉと容易に反応してＳｉを溶融するため、製品品質が劣化するという問題がある。そこで、バッファ層として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層をＳｉ基板上に堆積し、その直上にＧａＮ系材料を形成することでこれらの問題を回避することが提案されている。
【０００７】
しかしながら、ＡｌＮは６．３ｅＶ程度のバンドギャップを有しており、導電性に乏しく、ドーピングによる低抵抗化も困難である。そのため、ＡｌＮをバッファ層として用いる上記の構造では、ＧａＮ系材料の一部をエッチングで除去して、一対の電極を形成することを要し、製造プロセスが煩雑になる。その結果、製造コストが大幅に増加するという問題がある。
また、バッファ層としてＡｌＮ層を形成した場合、Ｓｉ基板上に成長したＧａＮ系結晶には多くの欠陥が発生するため、光電変換効率を低下させるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の諸問題に鑑みてなされたものであり、安価なＳｉ基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることを可能とし、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な光電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】
光電変換素子の一態様は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたシリコンカーバイド層と、前記シリコンカーバイド層上に積層体を備えた受光部と、前記シリコン基板の裏面及び前記受光部の表面に電気的に接続された一対の電極とを含み、前記積層体は、第１ｎ型ＩｎＧａＮ層及び第１ｐ型ＩｎＧａＮ層を有する第１積層体と、前記第１積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第１積層体よりもＩｎ組成率が小さくバンドギャップエネルギーが大きい第２ｎ型ＩｎＧａＮ層及び第２ｐ型ＩｎＧａＮ層を有する第２積層体と、前記第２積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第２積層体よりもバンドギャップエネルギーが大きいｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を有する第３積層体とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
上記した態様によれば、安価なＳｉ基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることが可能となり、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な光電変換素子が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態による光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】第２の実施形態による太陽電池セルの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、光電変換素子及びこれを適用した太陽電池の好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
本実施形態では、光電変換素子を開示する。図１は、本実施形態による光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【００１４】
−光電変換素子の構成−
この光電変換素子は、Ｓｉ基板１上に、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）層２を介して、窒化物半導体、ここではＧａＮ系半導体からなる受光部３が形成され、Ｓｉ基板１の裏面及び受光部３の表面に一対の電極４ａ，４ｂが電気的に接続されて構成される。
【００１５】
Ｓｉ基板１は、汎用性を有する安価な支持基板であり、ｎ型不純物である例えばＰが５×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされている。Ｓｉ基板１は、その面方位が（１１１）とされている。
【００１６】
Ｓｉ基板１と受光部３との間に挿入されるＳｉＣ層２は、結晶性及び導電性があり、且つＧａＮ系半導体との格子不整合差が小さいバッファ層であって、３Ｃの結晶多形（ポリタイプ）を有する。ＳｉＣ層２は、Ｓｉ基板１と同じ導電型、ここではｎ型不純物であるＮが１×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｎ型とされており、１０ｎｍ程度〜５μｍ程度の範囲内の厚み、例えば１μｍ程度に形成される。ＳｉＣ層２の厚みが１０ｎｍよりも薄いと、ＳｉＣ層２のモフォロジーが悪化して直上に形成するＧａＮ系半導体の欠陥が増加する恐れがある。ＳｉＣ層２の厚みが５μｍよりも厚いと、ＧａＮ系半導体の成長中又は成長後に応力歪みによりＧａＮ系半導体にクラックが発生したり、Ｓｉ基板１に割れが生じる恐れがある。ＳｉＣ層２を１０ｎｍ程度〜５μｍ程度の範囲内の厚みに形成することにより、その直上に形成するＧａＮ系半導体の欠陥発生やクラック発生及びＳｉ基板１の割れが抑止される。
【００１７】
受光部３は、ｎ型窒化物半導体であるｎ型ＩｎＧａＮ層３ａと、ｐ型窒化物半導体であるｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂとが順次積層されて構成されている。ｎ型ＩｎＧａＮ層３ａは、例えば、ｎ型不純物であるＳｉが５×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｎ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。ｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂは、例えば、ｐ型不純物であるＭｇが２×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｐ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。
【００１８】
一対の電極４ａ，４ｂは、４ａは例えばＡｌ−Ｓｉ、４ｂは例えばＮｉを材料として、電極４ａがＳｉ基板１の裏面に直接的に、電極４ｂが受光部３の表面に直接的に形成されている。本実施形態では、Ｓｉ基板１及びＳｉＣ層２が導電性を有する。そのため、Ｓｉ基板１の裏面上の電極４ａがＳｉ基板１及びＳｉＣ層２を介してｎ型ＩｎＧａＮ層３ａと電気的に接続され、受光部３上の電極４ｂがｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂと電気的に接続される。
【００１９】
−光電変換素子の製造方法−
上記の光電変換素子を製造するには、先ずバッファ層として、導電型がｎ型で面方位が（１１１）のＳｉ基板１の表面に、導電型がｎ型で３Ｃのポリタイプを有するＳｉＣ層２を形成する。ＳｉＣ層２は、熱ＣＶＤ法により、シラン（ＳｉＨ4）及びプロパン（Ｃ3Ｈ8）を原料ガスとして、例えば１μｍ程度の厚みに形成される。
【００２０】
続いて、ＳｉＣ層２上にｎ型ＩｎＧａＮ層３ａ及びｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂを順次積層し、受光部３を形成する。
ｎ型ＩｎＧａＮ層３ａ及びｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂは、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により成長する。ＭＯＶＰＥ法の代わりに、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いても良い。
【００２１】
ｎ型ＩｎＧａＮ層３ａの形成は、ＭＯＶＰＥ法により、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、及びＮＨ3を原料ガスとして、ｎ型のドーピングガスとしてＳｉＨ4（Ｓｉがドープされる。）を用いる。成長温度を８００℃、成長圧力を２０ｋＰａとした条件で、ｎ型ＩｎＧａＮを１μｍ程度の厚みに成長する。
【００２２】
ｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂの形成は、ＭＯＶＰＥ法により、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＮＨ3を原料ガスとして、ｐ型のドーピングガスとしてＣｐ2Ｍｇ（Ｍｇがドープされる。）を用いる。成長温度を８００℃、成長圧力を２０ｋＰａとした条件で、ｐ型ＩｎＧａＮを１μｍ程度の厚みに成長する。
【００２３】
続いて、Ｓｉ基板１の裏面に電極４ａを、受光部３（ｐ型ＩｎＧａＮ層３ｂ）の表面に電極４ｂをそれぞれ形成する。電極４ａ，４ｂは、例えば、開口を有するレジストマスクを形成し、蒸着法等により開口を埋め込むようにレジストマスク上に電極材料を堆積した後に、リフトオフによりレジストマスク及びその上の電極材料を除去することで、形成される。
以上により、本実施形態による光電変換素子が形成される。
【００２４】
本実施形態では、ＳｉＣ層２がＳｉ基板１と共に導電性を有するため、一方の電極４ａをＳｉ基板１の裏面に形成することができる。そのため、バッファ層として非導電性のＡｌＮ層を形成した場合のように、電極を形成するべくｐ型ＩｎＧａＮ層の一部をエッチングで除去してｎ型ＩｎＧａＮ層の表面を露出する必要がなく、製造プロセスが簡略化される。
また、ＳｉＣ層２の表面はモフォロジーに優れており、その直上に形成されるＧａＮ系半導体からなる受光部３は欠陥発生が抑制され、光電変換効率が向上する。
【００２５】
−実験例−
以下、本実施形態による光電変換素子の有する諸特性について、比較例との比較に基づいて調べた実験例について説明する。
【００２６】
（１）実験例１
バッファ層のシート抵抗について調べた。
ノンドープで面方位が（１１１）のＳｉ基板を用意し、その直上にバッファ層として３Ｃのポリタイプを有するＳｉＣ層を１μｍ程度の厚みに形成し、下地基板とした。
【００２７】
非接触シート抵抗測定器を用いて、下地基板の表面のシート抵抗を測定したところ、約５０オーム／sq.と低値を示した。支持基板に用いたＳｉ基板は非導電性であるため、当該測定値はＳｉＣ層に起因した値である。
【００２８】
比較例として、ノンドープで面方位が（１１１）のＳｉ基板を用意し、その直上にバッファ層としてＡｌＮ層を形成し、下地基板とした。ＡｌＮ層の形成は、ＭＯＶＰＥ法により、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びＮＨ3を原料ガスとして、成長温度を１０００℃、成長圧力を２０ｋＰａとした条件で、ＡｌＮを２００ｎｍ程度の厚みに成長する。
【００２９】
形成された下地基板について、非接触シート抵抗測定器を用いてシート抵抗を測定したところ、約４００００オーム／sq.と極めて高い値を示した。支持基板に用いたＳｉ基板は非導電性であるために当該シート抵抗値の帰属の特定は難しいが、この結果より、ＡｌＮ層は４００００オーム／sq.以上の高抵抗層であることが判る。
【００３０】
以上のように、実験例１により、Ｓｉ基板上にバッファ層となるＳｉＣ層を設けることにより、バッファ層としてＡｌＮ層を設ける場合とは異なり、シート抵抗が大幅に低減されることが確認された。
【００３１】
（２）実験例２
受光部の結晶性及び表面状態について調べた。
上記した本実施形態の製造方法により、ｎ型で面方位が（１１１）のＳｉ基板上に、３Ｃのポリタイプを有するＳｉＣ層を介してｎ型ＩｎＧａＮ層及びｐ型ＩｎＧａＮ層を順次積層して受光部を形成した。
【００３２】
形成された受光部について、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いてロッキングカーブ法により結晶性の指標となる半値幅を評価したところ、（００２）方位が３７０arcsec、（１０２）方位が７１０arcsec.と転位性欠陥の少ない良好な結晶性を示した。
また、形成された受光部について、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて表面形状を観察したところ、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．２と平滑な表面であることが判った。
【００３３】
比較例として、ノンドープで面方位が（１１１）のＳｉ基板上に、ＡｌＮ層を介してｎ型ＩｎＧａＮ層及びｐ型ＩｎＧａＮ層を順次積層して受光部を形成した。
【００３４】
形成された受光部について、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いてロッキングカーブ法により結晶性の指標となる半値幅を評価したところ、（００２）方位が６００arcsec、（１０２）方位が９５０arcsec.と転位性欠陥が相対的に多いことを示唆する結晶性を示した。
また、形成された受光部について、ＡＦＭを用いて表面形状を観察したところ、Ｒａが０．２と平滑な表面であることが判った。
【００３５】
以上のように、実験例２により、Ｓｉ基板上にバッファ層としてＳｉＣ層を介してｎ型及びｐ型ＩｎＧａＮ層からなる受光部を形成することにより、バッファ層をＡｌＮ層とする場合とは異なり、受光部が優れた結晶性を示すことが確認された。受光部の表面平坦性については、いずれのバッファ層でも問題のない良好な状態が得られることが確認された。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、安価なＳｉ基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることが可能となり、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な光電変換素子が実現する。
【００３７】
（第２の実施形態）
本実施形態では、ｎ型窒化物半導体及びｐ型窒化物半導体の積層体を複数備えた光電変換素子を開示する。この光電変換素子は、太陽電池セルとして用いられる。図２は、本実施形態による太陽電池セルの概略構成を示す断面図である。なお、第１の実施形態の図１で示した構成部材と同様のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３８】
この太陽電池セルは、Ｓｉ基板１上に、バッファ層であるＳｉＣ２を介して、窒化物半導体、ここではＧａＮ系半導体からなる受光部１０が形成され、Ｓｉ基板１の裏面及び受光部１０の表面に一対の電極４ａ，４ｂが電気的に接続されて構成される。
【００３９】
受光部１０は、ｎ型窒化物半導体であるｎ型ＩｎxＧａ1-xＮ及びｐ型窒化物半導体であるｐ型ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の積層体１１，１２，１３が順次積層されて構成されている。
積層体１１は、Ｉｎの組成率が３０％、Ｇａの組成率が７０％であるｎ型Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１１ａとｐ型Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１１ｂとが順次積層されて構成されている。
積層体１２は、Ｉｎの組成率が積層体１１よりも小さい１０％、Ｇａの組成率が積層体１１よりも大きい９０％であるｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１２ａとｐ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３ｂとが順次積層されて構成されている。
積層体１３は、Ｉｎの組成率が積層体１２よりも小さい０％、Ｇａの組成率が積層体１２よりも大きい１００％であるｎ型ＧａＮ層１３ａとｐ型ＧａＮ層１３ｂとが順次積層されて構成されている。
【００４０】
ｎ型Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１１ａは、例えば、ｎ型不純物であるＳｉが５×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｎ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。ｐ型Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層１１ｂは、例えば、ｐ型不純物であるＭｇが２×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｐ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。
【００４１】
ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１２ａは、例えば、ｎ型不純物であるＳｉが５×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｎ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。ｐ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１３ｂは、例えば、ｐ型不純物であるＭｇが２×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｐ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。
【００４２】
ｎ型ＧａＮ層１３ａは、例えば、ｎ型不純物であるＳｉが５×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｎ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。ｐ型ＧａＮ層１３ｂは、例えば、ｐ型不純物であるＭｇが２×１０19／ｃｍ3程度の濃度にドープされてｐ型とされており、例えば１μｍ程度の厚みに形成されている。
【００４３】
積層体１１，１２，１３は、第１の実施形態で説明した製造方法と同様にして形成される。ＩｎＧａＮについて、Ｉｎ及びＧａの各組成比は、原料ガスにおいてＴＭＧ及びＴＭＩの各流量を調節することで制御する。
【００４４】
受光部１０では、Ｓｉ基板１から離間した積層体ほど、バンドギャップエネルギーが大きい。本実施形態では、積層体１２は積層体１１よりも、積層体１３は積層体１２よりもバンドギャップエネルギーが大きい材料から形成されている。このように構成することにより、例えば、積層体１３では紫外光を、積層体１２では可視光を、積層体１１では赤外光をそれぞれ受光することができる。
【００４５】
本実施形態によれば、安価なＳｉ基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることが可能となり、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な太陽電池セルが実現する。
【００４６】
以下、光電変換素子の諸態様について、付記としてまとめて記載する。
【００４７】
（付記１）シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたシリコンカーバイド層と、
前記シリコンカーバイド層上に、ｎ型窒化物半導体層及びｐ型窒化物半導体層を有する積層体を少なくとも一層備えた受光部と、
前記シリコン基板の裏面及び前記受光部の表面に電気的に接続された一対の電極と
を含むことを特徴とする光電変換素子。
【００４８】
（付記２）前記シリコン基板及び前記シリコンカーバイド層は、共にｎ型の導電型とされていることを特徴とする付記１に記載の光電変換素子。
【００４９】
（付記３）前記シリコンカーバイド層は、３Ｃのポリタイプとされていることを特徴とする付記１又は２に記載の光電変換素子。
【００５０】
（付記４）前記ｎ型窒化物半導体層及び前記ｐ型窒化物半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で形成されていることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【００５１】
（付記５）前記シリコン基板は、その面方位が（１１１）であることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【００５２】
（付記６）前記シリコンカーバイド層は、１０ｎｍ〜５μｍの範囲内の厚みに形成されていることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【００５３】
（付記７）前記受光部は、複数の前記積層体を備えており、
前記積層体は、前記シリコン基板から離間したものほど、バンドギャップが大きいことを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【符号の説明】
【００５４】
１  Ｓｉ基板
２  ＳｉＣ層
３，１０  受光部
３ａ  ｎ型ＩｎＧａＮ層
３ｂ  ｐ型ＩｎＧａＮ層
４ａ，４ｂ  電極
１１，１２，１３  積層体
１１ａ  ｎ型Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層
１１ｂ  ｐ型Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ層
１２ａ  ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
１２ｂ  ｐ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
１３ａ  ｎ型ＧａＮ層
１３ｂ  ｐ型ＧａＮ層
【図１】
0006405784.tif 000002
【図２】
0006405784.tif 000003