(57)【要約】【課題】窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なトンネル接合が形成できるようにする。【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から成る第１導電型の第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成されたアンドープのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から成る第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から成る第２導電型の第３半導体層１０３とを少なくとも備える。加えて、第２半導体層１０２が、第１半導体層１０１と格子定数が異なる、また、第２半導体層１０２が、第１半導体層１０１とバンドギャップエネルギーが異なる、また、第２半導体層１０２が、第３半導体層１０３と格子定数が異なる、また、第２半導体層１０２が、第３半導体層１０３とバンドギャップエネルギーが異なる。【選択図】  図１
2012004283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層と、
この第１半導体層の上に形成されたアンドープのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第２半導体層と、
この第２半導体層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第２導電型の第３半導体層と
を少なくとも備え、
前記第２半導体層は、前記第１半導体層と格子定数が異なる第１条件、
前記第２半導体層は、前記第１半導体層とバンドギャップエネルギーが異なる第２条件、
前記第２半導体層は、前記第３半導体層と格子定数が異なる第３条件、
および
前記第２半導体層は、前記第３半導体層とバンドギャップエネルギーが異なる第４条件、
の少なくとも１つの条件が成立していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１半導体層と前記第３半導体層とは、格子不整合度が０．１％以下とされ、
前記第２半導体層の層厚は、臨界膜厚以下とされている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記第１半導体層および前記第３半導体層は、Ｉｎを含み、
前記第２半導体層は、Ａｌを含む
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第１半導体層および前記第３半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成され、
前記第２半導体層は、ＩｎyＡｌ1-yＮ（０≦ｙ＜１）から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第１半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成され、
前記第２半導体層は、ＩｎyＡｌzＧａ1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０＜ｙ＋ｚ≦１）から構成され、
前記第３半導体層は、ＩｎyＡｌ1-yＮ（０＜ｙ≦１）から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第１半導体層，前記第２半導体層，および前記第３半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで、０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かして発光ダイオード（ＬＥＤ）などの材料として用いられ、信号機や様々なディスプレイに応用されて広く一般に使われている。
【０００３】
また、窒化物半導体のエネルギーギャップ範囲は、太陽光のスペクトル（波長）をほぼ網羅しており、こうしたことから発電効率の高い太陽電池を実現し得る材料として注目されている。たとえば、非特許文献１では、単結晶Ｓｉ系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により、３１％の発電効率が見込めると予測している。また、同文献では、単結晶Ｓｉ系太陽電池セルに２つのＩｎＧａＮ太陽電池セルを組み合わせた３接合セルにおいて、ＩｎＧａＮのエネルギーギャップを適切に選ぶことで３５％の発電効率が見込めると予測している。
【０００４】
また、非特許文献２においては、単結晶Ｓｉ系太陽電池セルとＩｎＡｌＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により、４１％の発電効率が見込めると予測している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】L.Hsu and W.Walukiewicz, "Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, 024507, 2008.
【非特許文献２】R.E. Jones'r, et al. , "HIGH EFFICIENCY InAIN-BASED SOLAR CELLS", in 33rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference, San Diego, California, USA (2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、太陽電池セルの基本構造はダイオード構造であり、複数のセルを接合する場合、接合部分はｐｎ接合となる。この通常のｐｎ接合のバンド構造は、図９の（ａ）に示すように、ｎ型半導体層からｐ型半導体層にかけて変化する。また、接合部の電流・電圧特性は、図９の（ｂ）に示すような整流性を示す。
【０００７】
また、複数の太陽電池セルからなる多接合型太陽電池を形成する場合、各セル間でのエネルギー損失を避けるために、各セルの間の接合部分は十分低抵抗なオーミック性を示すことが重要となる。このためには、各セルの間を、トンネル接合を用いて接続させるのが一般的である。トンネル接合を形成するには、図１０の（ａ）に示すように、セル１とセル２との間を、非常に高濃度にｎ型ドーピングした高濃度ｎ型半導体層と、非常に高濃度にｐ型ドーピングした高濃度ｐ型半導体層とで接続（接合）することが、一般的である。
【０００８】
このような高濃度ｎ型半導体層と高濃度ｐ型半導体層との接合部の電流・電圧特性は、図１０の（ｂ）に示すように良好なオーミック性を示す。これは、高濃度ドーピングによりｎ型層の伝導帯およびｐ型層の価電子帯が縮退し、各々のエネルギーがフェルミ準位を挟んで重なり合うことにより、キャリアのトンネル確率が増大し、トンネル電流が流れるようになるためである。
【０００９】
上述したように、多接合型太陽電池の形成には、トンネル接合の実現が非常に重要となる。このような、ｐ型半導体とｎ型半導体との間のトンネル接合は、重要な技術であるが、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体では、特にｐ型の高濃度層を形成することが容易ではなく、上述したような良好なトンネル接合が形成できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なトンネル接合が形成でき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】
【００１１】
本発明に係る半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層と、この第１半導体層の上に形成されたアンドープのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第２半導体層と、この第２半導体層の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第２導電型の第３半導体層とを少なくとも備え、第２半導体層は、第１半導体層と格子定数が異なる第１条件、第２半導体層は、第１半導体層とバンドギャップエネルギーが異なる第２条件、第２半導体層は、第３半導体層と格子定数が異なる第３条件、および  第２半導体層は、第３半導体層とバンドギャップエネルギーが異なる第４条件、の少なくとも１つの条件が成立している。
【００１２】
上記半導体装置において、第１半導体層と第３半導体層とは、格子不整合度が０．１％以下とされ、第２半導体層の層厚は、臨界膜厚以下とされていればよい。また、第１半導体層および第３半導体層は、Ｉｎを含み、第２半導体層は、Ａｌを含む構成とするとよい。また、第１半導体層および第３半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成し、第２半導体層は、ＩｎyＡｌ1-yＮ（０≦ｙ＜１）から構成するとよい。また、第１半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成し、第２半導体層は、ＩｎyＡｌzＧａ1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０＜ｙ＋ｚ≦１）から構成し、第３半導体層は、ＩｎyＡｌ1-yＮ（０＜ｙ≦１）から構成してもよい。また、第１半導体層，第２半導体層，および第３半導体層は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なトンネル接合が形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、第１半導体層１０１と第３半導体層１０３とが直接接合している場合のバンド構造を示すバンド図である。
【図３】図３は、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6ＮとＡｌＮとの接合におけるバンド構造を示すバンド図である。
【図４】図４は、第１半導体層１０１，第２半導体層１０２，および第３半導体層１０３を積層したバンド構造を示すバンド図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、実施の形態２の半導体装置における第１太陽電池セルおよび第２太陽電池セルの部分のバンド構造を示すバンド図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】図８は、実施の形態３の半導体装置における第１太陽電池セルおよび第２太陽電池セルの部分のバンド構造を示すバンド図である。
【図９】図９は、通常のｐｎ接合のバンド構造を説明する説明図である。
【図１０】図１０は、トンネル接合のバンド構造を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１６】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第１導電型の第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成されたアンドープのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる第２導電型の第３半導体層１０３とを少なくとも備える。なお、第１導電型がｎ型であり第２導電型がｐ型であってもよく、第１導電型がｐ型であり第２導電型がｎ型であってもよい。
【００１７】
また、この半導体装置は、次に示す第１〜第４の条件の４つの条件の少なくとも１つが成立している。
【００１８】
第１条件は、第２半導体層１０２が、第１半導体層１０１と格子定数が異なる。
【００１９】
第２条件は、第２半導体層１０２が、第１半導体層１０１とバンドギャップエネルギーが異なる。
【００２０】
第３条件は、第２半導体層１０２が、第３半導体層１０３と格子定数が異なる。
【００２１】
第４条件は、第２半導体層１０２が、第３半導体層１０３とバンドギャップエネルギーが異なる。
【００２２】
このように構成した本実施の形態における半導体装置によれば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いた半導体装置で、ｎ型の層とｐ型の層との間で、良好なトンネル接合が形成できるようになる。
【００２３】
以下、一例を挙げて、本実施の形態の半導体装置におけるトンネル接合について説明する。まず、第１半導体層１０１が、ｎ型のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎから構成され、第３半導体層１０３が、ｐ型のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎから構成され、第２半導体層１０２がＡｌＮから構成されている場合を例にする。
【００２４】
まず、第１半導体層１０１と第３半導体層１０３とが直接接合している場合、このバンド構造は、図２に示すように通常のｐｎ接合となる。窒化物半導体においては、ｐ型の高濃度ドーピングは困難であり、一般にｎ型層の方がドーピング濃度は高くできる。これを反映し、上述したｐｎ接合部に形成される空乏層は、第３半導体層１０３の側に大きく広がった状態となる。
【００２５】
次に、ｎ型の第１半導体層１０１と挿入する第２半導体層１０２との関係について説明する。ｎ型のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎに対してＡｌＮは、エネルギーギャップが大きくかつ格子定数は小さい。格子定数が異なることによる窒化物半導体のもつ大きな分極効果、および電子親和力の違いにより、第１半導体層１０１と第２半導体層１０２との界面には２次元電子ガスが形成され、また、バンド構造は、図３の（ａ）に示す構成となる。
【００２６】
次に、挿入する第２半導体層１０２とｐ型の第３半導体層１０３との関係について説明する。この関係においても、ｐ型のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎに対してＡｌＮは、エネルギーギャップが大きくかつ格子定数は小さい。このため、前述同様の分極効果および電子親和力の違いにより、第２半導体層１０２と第３半導体層１０３との界面には、２次元正孔ガスが形成され、また、バンド構造は、図３の（ｂ）に示す構成となる。
【００２７】
本実施の形態における半導体装置は、第１半導体層１０１，第２半導体層１０２，および第３半導体層１０３を積層しており、これら積層構造におけるバンド構造は、図３の（ａ）および（ｂ）を組み合わせた状態となり、図４に示す構成となる。このため、本例の場合、第１半導体層１０１の伝導帯と第３半導体層１０３の価電子帯との間でトンネル電流が流れるトンネル接合が形成されるようになる。
【００２８】
上述の例では、ＩｎＧａＮから構成したｐｎ接合に、ＡｌＮからなる挿入層を挿入する場合を例に説明したが、これに限るものではない。上述したトンネル接合の形成は、ｎ型層と挿入層との界面に２次元電子ガスが形成される条件、およびｐ型層と挿入層との界面に２次元正孔ガスが形成される条件の少なくとも一方が得られていればよい。
【００２９】
ここで、ｎ型層と挿入層との界面に２次元電子ガスが形成されるためには、ｎ型層と挿入層とのバンドギャップエネルギーが異なっている第１条件、およびｎ型層と挿入層との格子定数が異なっている第２条件の少なくとも一方の条件が成立していればよい。
【００３０】
なお、結晶成長の成長面をＣ面として各層をエピタキシャル成長してｎ型層の上に挿入層を形成する場合、ｎ型層に対して挿入層の方が格子定数が小さい条件、およびｎ型層に対して挿入層の方がバンドギャップエネルギーが大きい条件の少なくとも１つの条件とすることが重要となる。これは、言い換えると、ｎ型層，挿入層，ｐ型層の順にエピタキシャル成長する場合である。
【００３１】
一方、結晶成長の成長面をＣ面として各層をエピタキシャル成長して挿入層の上にｎ型層を形成する場合、ｎ型層に対して挿入層の方が格子定数が大きい条件、およびｎ型層に対して挿入層の方がバンドギャップエネルギーが小さい条件の少なくとも１つの条件とすることが重要となる。これは、言い換えると、ｐ型層，挿入層，ｎ型層の順にエピタキシャル成長する場合である。以上のことは、ｃ軸方向への結晶成長の場合の、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の特性である。
【００３２】
また、ｐ型層の挿入層との界面に２次元正孔ガスが形成されるためには、ｐ型層と挿入層とのバンドギャップエネルギーが異なっている第３条件、およびｐ型層と挿入層との格子定数が異なっている第４条件の少なくとも一方の条件が成立していればよい。
【００３３】
なお、結晶成長の成長面をＣ面として各層をエピタキシャル成長して挿入層の上にｐ型層を形成する場合、ｐ型層に対して挿入層の方が格子定数が小さい条件、およびｐ型層に対して挿入層の方がバンドギャップエネルギーが大きい条件の少なくとも１つの条件とすることが重要となる。これは、言い換えると、ｎ型層，挿入層，ｐ型層の順にエピタキシャル成長する場合である。
【００３４】
一方、結晶成長の成長面をＣ面として各層をエピタキシャル成長してｐ型層の上に挿入層を形成する場合、ｐ型層に対して挿入層の方が格子定数が大きい条件、およびｐ型層に対して挿入層の方がバンドギャップエネルギーが小さい条件の少なくとも１つの条件とすることが重要となる。これは、言い換えると、ｐ型層，挿入層，ｎ型層の順にエピタキシャル成長する場合である。以上のことは、ｃ軸方向への結晶成長の場合の、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の特性である。
【００３５】
以上のことをまとめると、第１導電型の第１半導体層１０１，第２半導体層１０２，および第２導電型の第３半導体層１０３の積層構造において、「第２半導体層１０２が、第１半導体層１０１と格子定数が異なる」第１条件、「第２半導体層１０２が、第１半導体層１０１とバンドギャップエネルギーが異なる」第２条件、「第２半導体層１０２が、第３半導体層１０３と格子定数が異なる」第３条件、および「第２半導体層１０２が、第３半導体層１０３とバンドギャップエネルギーが異なる」第４条件、の少なくとも１つの条件が成立していれば、本実施の形態における半導体装置のトンネル接合が得られる。
【００３６】
ここで、たとえば、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３をＩｎＧａＮから構成し、第２半導体層１０２をＡｌＮから構成した場合、「第２半導体層１０２は、第１半導体層１０１より格子定数が小さい（第１条件）」、「第２半導体層１０２は、第１半導体層１０１よりバンドギャップエネルギーが大きい（第２条件）」、「第２半導体層１０２は、第３半導体層１０３より格子定数が小さい（第３条件）」、および「第２半導体層１０２は、第３半導体層１０３よりバンドギャップエネルギーが大きい（第４条件）」の、第１〜第４条件の全ての条件を満たしていることになる。なお、これは、結晶成長の成長面をＣ面とし、第１導電型をｎ型として第１半導体層１０１、第２半導体層１０２、第３半導体層１０３の順に積層した場合である。
【００３７】
また、たとえば、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３をＩｎＧａＮから構成し、第２半導体層１０２をＩｎＮから構成した場合、「第２半導体層１０２は、第１半導体層１０１より格子定数が大きい（第１条件）」、「第２半導体層１０２は、第１半導体層１０１よりバンドギャップエネルギーが小さい（第２条件）」、「第２半導体層１０２は、第３半導体層１０３より格子定数が大きい（第３条件）」、および「第２半導体層１０２は、第３半導体層１０３よりバンドギャップエネルギーが小さい（第４条件）」の、第１〜第４条件の全ての条件を満たしていることになる。なお、これは、結晶成長の成長面をＣ面とし、第１導電型をｐ型として第１半導体層１０１、第２半導体層１０２、第３半導体層１０３の順に積層した場合である。
【００３８】
ところで、２次元電子ガスおよび２次元正孔ガスを、最も効果的に形成できる条件は、第２半導体層１０２がＡｌを含んだＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から構成され、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３が、Ｉｎを含んだＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体から構成されている場合である。これは、ＡｌＮおよびＩｎＮなどが備えている分極効果や電子親和力の違いによるものである。
【００３９】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図５は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ｐ型のシリコン層５０１，ｎ型のシリコン層５０２，アンドープＡｌＮからなるバッファ層５０３，ｐ型のＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる第１ｐ型層５０４，ｎ型のＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる第１ｎ型層（第１半導体層）５０５，アンドープＩｎ0.5Ａｌ0.5Ｎからなる挿入層（第２半導体層）５０６，ｐ型のＩｎ0.67Ａｌ0.33Ｎからなる第２ｐ型層（第３半導体層）５０７，およびｎ型のＩｎ0.67Ｇａ0.33Ｎからなる第２ｎ型層５０８を、これらの順に積層して備えている。
【００４０】
この半導体装置は、ｐ型のシリコン層５０１およびｎ型のシリコン層５０２からなるＳｉ太陽電池の上に、第１ｐ型層５０４および第１ｎ型層５０５からなる第１太陽電池セル、第２ｐ型層５０７および第２ｎ型層５０８からなる第２太陽電池セルを積層した、タンデム型太陽電池である。この実施の形態における半導体装置では、上述した第１太陽電池セルと第２太陽電池セルとの接合を、挿入層５０６を用いてトンネル接合としている。
【００４１】
なお、発明者らは、シリコン太陽電池の上に、バンドギャップエネルギーが１．４〜１．６ｅＶとなるＩｎＧａＮのｐｎ接合（第１太陽電池セル）、およびバンドギャップエネルギーが１．８８〜２．０８ｅＶとなるＩｎＡｌＮのｐｎ接合（第２太陽電池セル）を積層し、ＩｎＧａＮの層は、ＡｌＮの層を介してシリコン層の上に形成することで、高い光電変換効率が得られるようにしたタンデム型太陽電池を提案している。
【００４２】
第１太陽電池セルでは、バンドギャップエネルギーが１．５ｅＶ程度のＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎを用い、第２太陽電池セルでは、Ｉｎ0.67Ａｌ0.33Ｎを用いている。Ｉｎ0.67Ａｌ0.33ＮおよびＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎは、ともに格子定数が０．３４０ｎｍであり、格子整合している。また、挿入層５０６を構成しているＩｎ0.5Ａｌ0.5Ｎは、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4ＮおよびＩｎ0.67Ａｌ0.33Ｎのいずれに対しても格子定数が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい。本実施の形態では、このＩｎ0.5Ａｌ0.5Ｎからなる挿入層５０６を、臨界膜厚以下として用いている。なお、本実施の形態では、第１ｎ型層（第１半導体層）５０５と第２ｐ型層（第３半導体層）５０７とは、格子不整合度が０．１％以下となっている。
【００４３】
本実施の形態における半導体装置は、例えば、シリコン基板に、よく知られた不純物導入技術によりｐ型のシリコン層５０１およびｎ型のシリコン層５０２を形成し、このシリコン基板の上に、バッファ層５０３を介し、第１ｐ型層５０４，第１ｎ型層５０５，挿入層５０６，第２ｐ型層５０７，および第２ｎ型層５０８を順次にエピタキシャル成長することで形成できる。これらのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体による各層は、例えば、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）および分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）などの、半導体の結晶成長技術により形成することができる。
【００４４】
ここで、本実施の形態では、各結晶層の成長面をＣ面とし、挿入層５０６を中心としたトンネル接合部では、ｎ型の第１ｎ型層５０５の上に挿入層５０６を形成し、挿入層５０６の上にｐ型の第２ｐ型層５０７を形成している。従って、第１ｎ型層５０５に対して挿入層５０６の方が格子定数が小さい条件（第１条件）、第１ｎ型層５０５に対して挿入層５０６の方がバンドギャップエネルギーが大きい条件（第２条件），第２ｐ型層５０７に対して挿入層５０６の方が格子定数が小さい条件（第３条件），および第２ｐ型層５０７に対して挿入層５０６の方がバンドギャップエネルギーが大きい条件（第４条件）の少なくとも１つの条件とすることが重要となる。この実施の形態では、これら４つの条件を全て満たしている。
【００４５】
図６は、本実施の形態の半導体装置における第１太陽電池セルおよび第２太陽電池セルの部分のバンド構造を示すバンド図である。挿入層５０６は、第１ｎ型層５０５および第２ｐ型層５０７に対し、格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。このため、図３および図４を用いた説明と同様に、第１ｎ型層５０５と挿入層５０６との界面には、２次元電子ガスが形成され、挿入層５０６と第２ｐ型層５０７との界面には、２次元正孔ガスが形成され、第１ｎ型層５０５の伝導帯と第２ｐ型層５０７の価電子帯との間でトンネル電流が流れるトンネル接合が形成されるようになる。
【００４６】
ここで、挿入層（第２半導体層）５０６を臨界膜厚以下とし、また、第１ｎ型層（第１半導体層）５０５と第２ｐ型層（第３半導体層）５０７とを、格子不整合度が０．１％以下とすることについて説明する。本実施の形態では、トンネル接合を形成するために、格子定数の違いによる分極効果を発現させるようにしているが、このためには、つぎの２つの条件が重要となる。第１に、挿入する第２半導体層が、「第１半導体層の格子定数の影響を受けて格子歪みを内包ししている」ことが条件となる。この条件のために、第２半導体層を臨界膜厚以下としている。臨界膜厚を超えて厚くすると、たとえばミスフィット転位などが形成されるようになり、歪みが解放されてしまい分極効果が得られなくなる。
【００４７】
第２に、上述したように第１半導体層による影響で格子歪みを内包している第２半導体層の格子定数の影響を受け、「第３半導体層が格子歪みを内包している」ことが条件となる。この条件のためには、第３半導体層も上述同様に、臨界膜厚以下に形成すればよいことになる。しかしながら、実用性を考慮した場合、たとえば、太陽電池に適用する場合、第３半導体層は、太陽電池セルを構成する一部となり、より厚い膜厚で形成することが要求される。この要求に対し、第１半導体層と第３半導体層との格子不整合度を０．１％以下とすれば、たとえば、第３半導体層の厚さを２００ｎｍ程度としても、「歪みを内包している」という上述した第２の条件が満たされるようになる。また、第３半導体層の厚さが２００ｎｍ程度であれば、作製の容易性を含め、太陽電池セルとしての実用性を確保することができる。
【００４８】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ｎ型のシリコン層７０１，ｐ型のシリコン層７０２，アンドープＡｌＮからなるバッファ層７０３，ｎ型のＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる第１ｎ型層７０４，ｐ型のＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎからなる第１ｐ型層（第１半導体層）７０５，アンドープＩｎ0.8Ａｌ0.2Ｎからなる挿入層（第２半導体層）７０６，ｎ型のＩｎ0.4Ａｌ0.6Ｎからなる第２ｎ型層（第３半導体層）７０８，およびｐ型のＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる第２ｐ型層７０９を、これらの順に積層して備えている。
【００４９】
また、本実施の形態では、格子不整合を緩和するために、挿入層７０６と第２ｎ型層７０８との間に、挿入層７０６から第２ｎ型層７０８にかけてＩｎの組成比が０．６から０．４まで変化する、ｎ型のＩｎＧａＮからなる組成遷移層７０７を備えている。
【００５０】
この半導体装置は、ｎ型のシリコン層７０１およびｐ型のシリコン層７０２からなるＳｉ太陽電池の上に、第１ｎ型層７０４および第１ｐ型層７０５からなる第１太陽電池セル、第２ｐ型層７０９および第２ｐ型層７０９からなる第２太陽電池セルを積層した、タンデム型太陽電池である（非特許文献１参照）。この実施の形態における半導体装置では、上述した第１太陽電池セルと第２太陽電池セルとの接合を、挿入層７０６を用いてトンネル接合としている。
【００５１】
本実施の形態において、第１太陽電池セルでは、バンドギャップエネルギーが１．５ｅＶ程度のＩｎ0.6Ｇａ0.4Ｎを用い、第２太陽電池セルでは、バンドギャップエネルギーが１．９５ｅＶ程度のＩｎ0.4Ａｌ0.6Ｎを用いている。このように構成することで、発電効率３５％が見込めるものとされている。
【００５２】
また、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ｎの格子定数は０．３４０ｎｍであり、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎの格子定数は０．３３３ｎｍであり、これらの間の格子不整合度は２％程度ある。これに対し、挿入層７０６を構成しているＩｎ0.8Ａｌ0.2Ｎは、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4ＮおよびＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎのいずれに対しても格子定数が大きく、かつ、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、このＩｎ0.8Ａｌ0.2Ｎからなる挿入層７０６を、臨界膜厚以下として用いている。また、上述したＩｎ0.6Ｇａ0.4ＮとＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎとの格子不整合が、挿入層７０６によるトンネル接合部の形成の阻害とならないように、第２ｎ型層７０８にかけてＩｎ組成が徐々に低減する組成遷移層７０７を用いている。
【００５３】
本実施の形態における半導体装置は、例えば、シリコン基板に、よく知られた不純物導入技術によりｎ型のシリコン層７０１およびｐ型のシリコン層７０２を形成し、このシリコン基板の上に、バッファ層７０３を介し、第１ｎ型層７０４，第１ｐ型層７０５，挿入層７０６，組成遷移層７０７，第２ｎ型層７０８，および第２ｐ型層７０９を順次にエピタキシャル成長することで形成できる。これらのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体による各層は、例えば、有機金属気相成長法および分子線エピタキシー法などの、半導体の結晶成長技術により形成することができる。
【００５４】
ここで、本実施の形態では、各結晶層の成長面をＣ面とし、挿入層７０６を中心としたトンネル接合部では、ｐ型の第１ｐ型層７０５の上に挿入層７０６を形成し、挿入層７０６の上にｎ型の第２ｎ型層７０８（組成遷移層７０７）を形成している。従って、第１ｐ型層７０５に対して挿入層７０６の方が格子定数が大きい条件（第１条件）、第１ｐ型層７０５に対して挿入層７０６の方がバンドギャップエネルギーが小さい条件（第２条件），第２ｎ型層７０８に対して挿入層７０６の方が格子定数が大きい条件（第３条件），および第２ｎ型層７０８に対して挿入層７０６の方がバンドギャップエネルギーが小さい条件（第４条件）の少なくとも１つの条件とすることが重要となる。この実施の形態では、これら４つの条件を全て満たしている。
【００５５】
図８は、本実施の形態の半導体装置における第１太陽電池セルおよび第２太陽電池セルの部分のバンド構造を示すバンド図である。挿入層７０６は、第１ｐ型層７０５および第２ｎ型層７０８に対し、格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい。このため、本実施の形態では、第１ｐ型層７０５と挿入層７０６との界面には、２次元正孔ガスが形成され、挿入層７０６と組成遷移層７０７（第２ｎ型層７０８）との界面には、２次元電子ガスが形成され、第１ｐ型層７０５の価電子帯と組成遷移層７０７（第２ｎ型層７０８）の伝導帯との間でトンネル電流が流れるトンネル接合が形成されるようになる。
【００５６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。たとえば、上述した実施の形態では、本発明の半導体装置を、太陽電池に適用した場合を例にして説明したが、これに限るものではなく、本発明の半導体装置は、たとえば、トンネル接合ダイオードにも適用可能であることはいうまでもない。
【００５７】
また、第１半導体層および第３半導体層を、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成し、第２半導体層を、ＩｎyＡｌ1-yＮ（０≦ｙ＜１）から構成すれば、第２半導体層を、第１半導体層および第３半導体層に対して、格子定数が大きく、バンドギャップエネルギーが小さいものとすることができる。
【００５８】
また、第１半導体層を、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成し、第２半導体層を、ＩｎyＡｌzＧａ1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、０＜ｙ＋ｚ≦１）から構成し、第３半導体層は、ＩｎyＡｌ1-yＮ（０＜ｙ≦１）から構成すれば、第２半導体層を、第１半導体層および第３半導体層に対して、格子定数が小さく、バンドギャップエネルギーが大きいものとすることができる。
【００５９】
また、第１半導体層，第２半導体層，および第３半導体層を、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から構成し、各層におけるＩｎの組成比を適宜に設定することで、上述した第１〜第４の条件に適合させることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…第１半導体層、１０２…第２半導体層、１０３…第３半導体層。
【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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