(57)【要約】【課題】特性を向上することができる光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板と、基板上に設けられた半導体積層体と、半導体積層体上に設けられた導電層とを備え、半導体積層体は、基板側から導電層側にかけて、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層をこの順に含み、ｐ型窒化物半導体層は導電層側の表面に凹凸を有している光電変換素子とその製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた半導体積層体と、
前記半導体積層体上に設けられた導電層と、を備え、
前記半導体積層体は、前記基板側から前記導電層側にかけて、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層をこの順に含み、
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記導電層側の表面に凹凸を有している、光電変換素子。
【請求項２】
前記導電層の前記ｐ型窒化物半導体層側とは反対側の表面の表面粗さＲＭＳが、０．００３μｍ以上０．００５μｍ以下である、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記導電層の厚さが、０．２５μｍ以上０．５μｍ以下である、請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記導電層は、前記ｐ型窒化物半導体層よりも小さい屈折率を有する、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記導電層は、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇからなる群から選択される少なくとも１種を含む単層、または前記単層を複数積層した複数層である、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記基板は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、またはＺｒＢ2の式で表わされる材料を含む、請求項１から５のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記ｐ型窒化物半導体層は、複数層を含む、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記凹凸は、断面形状が台形である凸部を含み、
前記台形の上底の長さが、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、
前記台形の下底の長さが、１μｍ以上１．７μｍ以下であり、
前記台形の高さが、１μｍ以上１．２μｍ以下である、請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記ｐ型窒化物半導体層の前記凹凸を有する前記表面の表面粗さＲＭＳが、０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下である、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記ｎ型窒化物半導体層は、前記基板側の第１のｎ型窒化物半導体層と、前記導電層側の第２のｎ型窒化物半導体層と、の積層体を有しており、
前記第１のｎ型窒化物半導体層と前記第２のｎ型窒化物半導体層との界面が、前記積層体の総厚の２０％以上８０％以下の範囲内に位置する、請求項９に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の光電変換素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記半導体積層体を形成する工程と、
前記半導体積層体上に前記導電層を形成する工程と、を含み、
前記半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって窒化物半導体を気相成長させる工程を含み、
前記気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含む、光電変換素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の成長条件は、前記第１の成長条件よりも前記ＩＩＩ族原料ガスの供給量のみを低減した条件である、請求項１１に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項７または８に記載の光電変換素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記半導体積層体を形成する工程と、
前記半導体積層体上に前記導電層を形成する工程と、を含み、
前記半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって前記ｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程を含み、
前記気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含み、
前記ＩＩＩ族原料ガスは、トリメチルガリウムであり、
前記Ｖ族原料ガスは、アンモニアであって、
前記第２の成長工程においては、前記トリメチルガリウムの供給量Ｍtに対する前記アンモニアの供給量Ｍａの比であるＭａ／Ｍtを４００００以上１０００００以下にするとともに、前記トリメチルガリウムと前記アンモニアをそれぞれ１ｍ／秒以上１．１ｍ／秒以下の流速で供給する、光電変換素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項９または１０に記載の光電変換素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記半導体積層体を形成する工程と、
前記半導体積層体上に前記導電層を形成する工程と、を含み、
前記半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって前記ｎ型窒化物半導体層を気相成長させる工程を含み、
前記気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含み、
前記第１の成長条件における前記ＩＩＩ族原料ガスに対する前記Ｖ族原料ガスの供給量比が２０００以上２１００以下であって、
前記第２の成長条件における前記ＩＩＩ族原料ガスに対する前記Ｖ族原料ガスの供給量比が３８３０以上４２３０以下である、光電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光電変換素子は、シリコン（たとえば、非晶質シリコン、微結晶シリコンまたは多結晶シリコン）により作製されるのが一般的である。しかしながら、シリコンのバンドギャップは１．１ｅＶ〜１．８ｅＶであるため、エネルギの高い０．５μｍ以下の短波長領域の光に対しての感度が小さく、太陽光を有効活用できないという課題があった。
【０００３】
これに対し、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の式で表わされる窒化物半導体のバンドギャップについては長らく議論されてきたが、近年、その組成に対応して、０．７ｅＶ〜６．０ｅＶという極めて広い範囲で変化することが明らかとなった。これは、０．５μｍ以下の短波長領域の光に対しても感度を持たせることができる可能性を示唆するものであるため、窒化物半導体は、次世代の光電変換素子として大変注目されている。
【０００４】
上記の窒化物半導体は、通常、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、またはパルスレーザデポジション法（ＰＬＤ）などの気相成長法を用いて基板上に形成することができる。
【０００５】
上記の窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子用の材料として好適であるため、開発が盛んに行なわれてきた経緯がある。また、近年では上記の窒化物半導体のバンドギャップの解明により、次世代の光電変換素子用の材料として、気相成長法を用いて窒化物半導体を形成する研究が盛んに行なわれている。
【０００６】
光電変換素子では、活性層が光を吸収してフォトキャリアを生成するため、活性層に多くの光を採り入れることが強く望まれる。たとえば、特許文献１〜３には、窒化物半導体を用いた光電変換素子の構造が開示されているが、活性層に多くの光を採り入れることについての議論は存在しない。光電変換素子にとってフォトキャリアを多く生成することは短絡電流を増加させることを意味しているため、光電変換素子の特性を向上させる目的から、窒化物半導体を用いた光電変換素子の活性層でフォトキャリアを多く生成することが要望されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３に記載されているような窒化物半導体を用いた従来の光電変換素子は、格子定数の異なる複数の窒化物半導体層から構成されているため、各々の窒化物半導体層に格子欠陥が形成されることや、圧縮応力または引張応力が発生することに起因する圧電電界により内部電界が減少するため、短絡電流が小さくなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２８８３３４号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０１１８４５１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／７２１７８８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の事情に鑑みて、本発明は、特性を向上することができる光電変換素子および光電変換素子の製造方法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】
【００１０】
本発明は、基板と、基板上に設けられた半導体積層体と、半導体積層体上に設けられた導電層と、を備え、半導体積層体は、基板側から導電層側にかけて、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層をこの順に含み、ｐ型窒化物半導体層は導電層側の表面に凹凸を有している光電変換素子である。
【００１１】
ここで、本発明の光電変換素子において、導電層のｐ型窒化物半導体層側とは反対側の表面の表面粗さＲＭＳは、０．００３μｍ以上０．００５μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の光電変換素子において、導電層の厚さは、０．２５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の光電変換素子において、導電層は、ｐ型窒化物半導体層よりも小さい屈折率を有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明の光電変換素子において、導電層は、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇからなる群から選択される少なくとも１種を含む単層、または単層を複数積層した複数層であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の光電変換素子において、基板は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、またはＺｒＢ2の式で表わされる材料を含むことが好ましい。
【００１６】
また、本発明の光電変換素子において、ｐ型窒化物半導体層は、複数層を含むことが好ましい。
【００１７】
また、本発明の光電変換素子において、凹凸は断面形状が台形である凸部を含み、台形の上底の長さが０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、台形の下底の長さが１μｍ以上１．７μｍ以下であり、台形の高さが１μｍ以上１．２μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の光電変換素子において、ｐ型窒化物半導体層の凹凸を有する表面の表面粗さＲＭＳが０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の光電変換素子において、ｎ型窒化物半導体層は、基板側の第１のｎ型窒化物半導体層と、導電層側の第２のｎ型窒化物半導体層と、の積層体を有しており、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との界面が、積層体の総厚の２０％以上８０％以下の範囲内に位置することが好ましい。
【００２０】
また、本発明は、上記のいずれかの光電変換素子を製造する方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程と、半導体積層体上に導電層を形成する工程と、を含み、半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって窒化物半導体を気相成長させる工程を含み、気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含む、光電変換素子の製造方法である。
【００２１】
ここで、本発明の光電変換素子の製造方法において、第２の成長条件は、第１の成長条件よりもＩＩＩ族原料ガスの供給量のみを低減した条件であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明は、上記の光電変換素子を製造する方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程と、半導体積層体上に導電層を形成する工程と、を含み、半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによってｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程を含み、気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含み、ＩＩＩ族原料ガスは、トリメチルガリウムであり、Ｖ族原料ガスは、アンモニアであって、第２の成長工程においては、トリメチルガリウムの供給量Ｍtに対するアンモニアの供給量Ｍａの比であるＭａ／Ｍtを４００００以上１０００００以下にするとともに、トリメチルガリウムとアンモニアをそれぞれ１ｍ／秒以上１．１ｍ／秒以下の流速で供給する光電変換素子の製造方法である。
【００２３】
さらに、本発明は、上記の光電変換素子を製造する方法であって、基板上に半導体積層体を形成する工程と、半導体積層体上に導電層を形成する工程と、を含み、半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによってｎ型窒化物半導体層を気相成長させる工程を含み、気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含み、第１の成長条件におけるＩＩＩ族原料ガスに対するＶ族原料ガスの供給量比が２０００以上２１００以下であって、第２の成長条件におけるＩＩＩ族原料ガスに対するＶ族原料ガスの供給量比が３８３０以上４２３０以下である光電変換素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、特性を向上することができる光電変換素子および光電変換素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１の光電変換素子の模式的な断面図である。
【図２】実施の形態１の光電変換素子の凹凸近傍の模式的な拡大断面図である。
【図３】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。
【図４】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図５】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図７】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図８】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図９】実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１０】実施の形態２の光電変換素子の模式的な断面図である。
【図１１】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１２】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１３】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１４】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１５】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１６】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１７】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１８】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図１９】実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例の製造工程の他の一部について図解する模式的な断面図である。
【図２０】実施例１において第１のｐ型窒化物半導体層の表面上に形成された第２のｐ型窒化物半導体層の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真である。
【図２１】実施例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面の拡大写真である。
【図２２】比較例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面の拡大写真である。
【図２３】（ａ）は実施例２の光電変換素子のｉ型窒化物半導体層のＸ線回折法による２θωスキャン測定結果であり、（ｂ）は比較例２の光電変換素子のｉ型窒化物半導体層のＸ線回折法による２θωスキャン測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。
【００２７】
＜実施の形態１＞
図１に、本発明の光電変換素子の一例である実施の形態１の光電変換素子の模式的な断面図を示す。実施の形態１の光電変換素子は、基板１と、基板１上に設けられた半導体積層体１２と、半導体積層体１２上に設けられた導電層５と、を備えている。
【００２８】
半導体積層体１２は、基板１側から、ｎ型窒化物半導体層２と、ｉ型窒化物半導体層３と、第１のｐ型窒化物半導体層４と、断面形状が台形の凸部状である第２のｐ型窒化物半導体層９と、がこの順序で積層されたｐｉｎ構造体を有している。ｐｉｎ構造体は、基板１側にｎ型窒化物半導体層２を有し、導電層５側に第１のｐ型窒化物半導体層４を有しており、ｎ型窒化物半導体層２と第１のｐ型窒化物半導体層４との間にｉ型窒化物半導体層３を有している。本実施の形態において、ｐｉｎ構造体は、ｎ型窒化物半導体層２とｉ型窒化物半導体層３とが接するとともに、ｉ型窒化物半導体層３と第１のｐ型窒化物半導体層４とが接することによって構成されている。そして、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面上に断面形状が台形の凸部である第２のｐ型窒化物半導体層９が複数配列して凹凸１１が構成されており、凹凸１１は、第１のｐ型窒化物半導体層４の導電層５側の表面に設けられている。
【００２９】
また、ｎ型窒化物半導体層２の表面上にはｎパッド電極６が形成されているとともに、導電層５の表面上にはｐパッド電極７が形成されている。なお、ｎパッド電極６およびｐパッド電極７はそれぞれ設置しなくてもよいが、設置しておくことが好ましい。
【００３０】
実施の形態１の光電変換素子において、基板１側から光が入射された場合には、基板１側から入射してｉ型窒化物半導体層３および第１のｐ型窒化物半導体層４を透過した光を台形の断面を有する第２のｐ型窒化物半導体層９が複数配列されてなる凹凸１１で多重反射させることができる。これにより、導電層５側に進行する光の少なくとも一部を第１のｐ型窒化物半導体層４側に戻してｉ型窒化物半導体層３内に入射させることができ、ｉ型窒化物半導体層３内での光路長を増加させることができるため、ｉ型窒化物半導体層３での光吸収により発生するフォトキャリアを従来よりも増加させることができる。その結果、高い光電変換効率等の優れた特性を有する光電変換素子を得ることができる。
【００３１】
図２に、実施の形態１の光電変換素子の凹凸１１近傍の模式的な拡大断面図を示す。ここで、断面形状が台形状の凸部である第２のｐ型窒化物半導体層９の上底の長さＷ１は、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であることが好ましい。第２のｐ型窒化物半導体層９の上底の長さＷ１が０．３μｍ以上０．７μｍ以下である場合には、半導体積層体１２から導電層５側に進行する光の凹凸１１における多重反射を促進して半導体積層体１２内における光閉じ込めをさらに有効にすることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００３２】
第２のｐ型窒化物半導体層９の下底の長さＷ２は、１μｍ以上１．７μｍ以下であることが好ましい。第２のｐ型窒化物半導体層９の下底の長さＷ２が１μｍ以上１．７μｍ以下である場合には、半導体積層体１２から導電層５側に進行する光の凹凸１１における多重反射を促進して半導体積層体１２内における光閉じ込めをさらに有効にすることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００３３】
第２のｐ型窒化物半導体層９の高さＨは、１μｍ以上１．２μｍ以下であることが好ましい。第２のｐ型窒化物半導体層９の高さＨが１μｍ以上１．２μｍ以下である場合には、半導体積層体１２から導電層５側に進行する光の凹凸１１における多重反射を促進して半導体積層体１２内における光閉じ込めをさらに有効にすることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００３４】
第２のｐ型窒化物半導体層９の上底の長さＷ１は、第２のｐ型窒化物半導体層９の下底の長さＷ２よりも小さいことが好ましい。この場合にも、半導体積層体１２側から導電層５側に進行する光の凹凸１１における多重反射を促進してｉ型窒化物半導体層３内における光閉じ込めをさらに有効にすることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００３５】
凹凸１１の形状および大きさは、光電変換素子内の電界強度や漏れ電流成分と相関があるが、以下の（ａ）〜（ｄ）のすべての条件を満たす第２のｐ型窒化物半導体層９を有する凹凸１１は、半導体積層体１２側から導電層５側に進行する光の多重反射に適している。特に、第２のｐ型窒化物半導体層９が（ｄ）の条件を満たすことにより、第２のｐ型窒化物半導体層９の表面を平坦にすることができる傾向にあることから、第２のｐ型窒化物半導体層９の表面の平坦性により、光電変換素子の開放電圧の低下および曲線因子（Ｆ．Ｆ）の低下を抑制して光電変換効率を高くすることができる傾向にある。
（ａ）第２のｐ型窒化物半導体層９の上底の長さＷ１が、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であること。
（ｂ）第２のｐ型窒化物半導体層９の下底の長さＷ２が、１μｍ以上１．７μｍ以下であること。
（ｃ）第２のｐ型窒化物半導体層９の高さＨが、１μｍ以上１．２μｍ以下であること。
（ｄ）第２のｐ型窒化物半導体層９の上底の長さＷ１が、第２のｐ型窒化物半導体層９の下底の長さＷ２よりも小さいこと。
【００３６】
また、第２のｐ型窒化物半導体層９を含む凹凸１１は、半導体積層体１２と導電層５とが接する面積を増加させ、これらの層の界面における密着性を向上させることができることから、Ｆ．Ｆの低下を抑制することができる。この観点からも、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００３７】
なお、第２のｐ型窒化物半導体層９の上底の長さＷ１、下底の長さＷ２および高さＨの測定方法はそれぞれ特に限定されないが、たとえば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ:Atomic Force Microscopy）を用いた測定、または接触式段差測定器を用いた測定などを用いることができる。
【００３８】
導電層５の第２のｐ型窒化物半導体層９側と反対側の表面５ａの表面粗さＲＭＳ（平均二乗誤差）は、０．００３μｍ以上０．００５μｍ以下であることが好ましい。導電層５の表面５ａの表面粗さＲＭＳが０．００３μｍ以上０．００５μｍ以下である場合には、導電層５に入射する入射光の表面５ａにおける散乱を抑制して導電層５内に入射する入射光量を増大させることができるため、ｉ型窒化物半導体層３内で発生するフォトキャリア量を多くすることできる。これにより、短絡電流量を増大させることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００３９】
なお、導電層５の表面５ａの表面粗さＲＭＳは、表面５ａにおける１辺４０μｍの任意の正方形の領域を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより算出することができる。
【００４０】
導電層５の厚さｔは、０．２５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。導電層５の厚さｔが０．２５μｍ以上０．５μｍ以下である場合には、導電層５が第２のｐ型窒化物半導体層９の凹凸１１側の表面と良好なオーミック接触を形成することができるため、Ｆ．Ｆ（フィルファクタ）の低下を抑制して、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。また、導電層５の厚さｔが０．２５μｍ以上０．５μｍ以下である場合には、０．４μｍ以上０．５μｍ以下の短波長領域の光に対する感度の増大と、上述の凹凸１１における多重反射による光閉じ込め効果の増大との相乗効果により、ｉ型窒化物半導体層３内で発生するフォトキャリア量を多くすることできる。これにより、短絡電流量を増大させることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００４１】
導電層５は、第２のｐ型窒化物半導体層９よりも小さい屈折率を有することが好ましい。導電層５の屈折率が第２のｐ型窒化物半導体層９の屈折率よりも小さい場合には、導電層５から入射する光の導電層５と第２のｐ型窒化物半導体層９との界面における反射量を低減して、第２のｐ型窒化物半導体層９内への入射量を増大させることができるため、ｉ型窒化物半導体層３内で発生するフォトキャリア量を多くすることできる。これにより、短絡電流量を増大させることができるため、光電変換素子の光電変換効率等の特性をより高くすることができる傾向にある。
【００４２】
第２のｐ型窒化物半導体層９の屈折率がたとえば２．３である場合には、導電層５としては屈折率が２．３よりも小さい材料を用いることが好ましい。なお、本明細書において、屈折率は、絶対屈折率のことを意味する。
【００４３】
以下、図３〜図９の模式的断面図を参照して、実施の形態１の光電変換素子の製造方法の一例について説明する。
【００４４】
まず、図３に示すように、基板１を用意する。基板１としては、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、またはＺｒＢ2の式で表わされる材料を少なくとも表面に有する基板を用いることが好ましい。この場合には、基板１の表面上に、ｎ型窒化物半導体層２との格子不整合を緩和するためのバッファ層を形成した後に、ｎ型窒化物半導体層２、ｉ型窒化物半導体層３、第１のｐ型窒化物半導体層４および第２のｐ型窒化物半導体層９を気相成長させることによって結晶欠陥の少ない良好な結晶性を有する半導体積層体１２を形成することができる。
【００４５】
次に、図４に示すように、基板１の表面上にｎ型窒化物半導体層２を積層する。ｎ型窒化物半導体層２は、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などによって積層することができる。ｎ型窒化物半導体層２は、たとえば０．１μｍ以上４μｍ以下の厚さで積層することができる。
【００４６】
ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体にｎ型ドーパントをドープさせたものなどを用いることができる。ｎ型ドーパントとしては、たとえば、シリコンなどを用いることができる。
【００４７】
次に、図５に示すように、ｎ型窒化物半導体層２の表面上にｉ型窒化物半導体層３を積層する。ｉ型窒化物半導体層３は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法などによって積層することができる。ｉ型窒化物半導体層３は、たとえば０．００１μｍ以上０．３μｍ以下の厚さで積層することができる。
【００４８】
ｉ型窒化物半導体層３としては、たとえば、ＳＱＷ（Single Quantum Well）構造またはＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を有するものを用いることができる。ＭＱＷ構造を有するｉ型窒化物半導体層３としては、たとえば、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体からなる井戸層と、Ａｌx3Ｉｎy3Ｇａz3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の式で表わされる窒化物半導体からなる障壁層と、が交互に積層されてなるものを用いることができる。なお、井戸層および／または障壁層には、ｎ型ドーパントおよび／またはｐ型ドーパントがドープされていてもよい。また、井戸層の厚さはたとえば０．００１μｍ以上０．０２μｍ以下とすることができ、障壁層の厚さはたとえば０．００１μｍ以上０．０１μｍ以下とすることができる。
【００４９】
次に、図６に示すように、ｉ型窒化物半導体層３の表面上に第１のｐ型窒化物半導体層４を積層する。第１のｐ型窒化物半導体層４は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法などによって積層することができる。第１のｐ型窒化物半導体層４は、たとえば０．０５μｍ以上４μｍ以下の厚さで積層することができる。
【００５０】
第１のｐ型窒化物半導体層４としては、たとえば、Ａｌx4Ｉｎy4Ｇａz4Ｎ（０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４≦１、０≦ｚ４≦１、ｘ４＋ｙ４＋ｚ４≠０）の式で表わされる窒化物半導体にｐ型ドーパントをドープさせたものなどを用いることができる。なお、ｐ型ドーパントとしては、たとえば、マグネシウムなどを用いることができる。
【００５１】
次に、図７に示すように、第１のｐ型窒化物半導体層４の表面上に断面形状が台形の第２のｐ型窒化物半導体層９を成長させて凹凸１１を形成する。
【００５２】
ここで、凹凸１１は、たとえば、第１のｐ型窒化物半導体層４を気相成長させた後に、第１のｐ型窒化物半導体層４の成長条件（第１の成長条件）よりもＩＩＩ族原料ガスの供給量のみを低減した第２の成長条件で第２のｐ型窒化物半導体層９を気相成長させることによって形成することができる。
【００５３】
第２のｐ型窒化物半導体層９の気相成長用の成長ガスとして、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ｖ族原料ガスにアンモニア（ＮＨ3）を用いた場合には、第２の成長条件においては、ＴＭＧの供給量Ｍtに対するＮＨ3の供給量Ｍａの比であるＭａ／Ｍtを４００００以上１０００００以下にするとともに、ＴＭＧの結晶成長装置内への供給量は０．００５ｓｌｍ以下であり、ＮＨ3の結晶成長装置内への供給量は１０ｓｌｍ以下であり、キャリアガスの結晶成長装置内への供給量は２０ｓｌｍ以下であって、ＴＭＧとＮＨ3とキャリアガスとの混合ガスを１ｍ／秒以上１．１ｍ／秒以下の流速で結晶成長装置内に供給することが好ましい。この場合には、上記の（ａ）〜（ｄ）のすべての条件を満たす第２のｐ型窒化物半導体層９を有する凹凸１１を再現性良く形成することができる傾向にある。なお、ＴＭＧの供給量ＭtおよびＮＨ3の供給量Ｍａは、それぞれ、結晶成長装置内に供給される単位時間当たりのモル数を意味しており、それぞれの供給量の単位は、たとえば、ｍｏｌ／ｍｉｎで表わされる。また、キャリアガスとしては、たとえば、水素、窒素、または水素と窒素との混合ガスなどを用いることができる。また、ｓｌｍは、１ａｔｍ、０℃における１分間当たりの流量をリットルで表示した単位である。なお、第２のｐ型窒化物半導体層９を含む凹凸１１の形成方法は上記の方法に限定されないことは言うまでもない。
【００５４】
第２のｐ型窒化物半導体層９としては、たとえば、Ａｌx5Ｉｎy5Ｇａz5Ｎ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１、ｘ５＋ｙ５＋ｚ５≠０）の式で表わされる窒化物半導体にｐ型ドーパントをドープさせたものなどを用いることができる。なお、ｐ型ドーパントとしては、たとえば、マグネシウムなどを用いることができる。
【００５５】
次に、図８に示すように、第２のｐ型窒化物半導体層９の表面上に導電層５を形成する。導電層５の形成方法は特に限定されないが、たとえば、マグネトロンスパッタ法などのスパッタ法、真空蒸着法、またはイオンプレーティング法などの方法により形成することができる。
【００５６】
導電層５の形成方法としては、なかでも、マグネトロンスパッタ法を用いることが好ましい。マグネトロンスパッタ法を用いて導電層５を形成した場合には、導電層５の第２のｐ型窒化物半導体層９側とは反対側の表面５ａをより平坦にすることができる傾向にある。
【００５７】
導電層５としては、導電性を有する材料を用いることができ、導電層５側から光を入射させる場合には入射光を透過させることができる材料を用いることが好ましい。なかでも、導電層５としては、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇからなる群から選択される少なくとも１種を含む単層、または単層を複数積層した複数層を用いることが好ましい。この場合には、導電層５を透過する透過光量を増大することができる傾向にある。
【００５８】
なお、Ｚｎを含む単層としては、たとえば、ＺｎＯにＡｌがドープされたＡＺＯ、およびＺｎＯにＧａがドープされたＧＺＯなどが挙げられる。また、Ｉｎを含む単層およびＳｎを含む単層としては、たとえば、ＩｎとＳｎの複合酸化物であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などが挙げられる。また、Ｍｇを含む単層としては、たとえば、炭素（Ｃ）がドープされたＭｇＯＨ2などが挙げられる。たとえば、ＡｌがドープされたＺｎＯターゲットを用いて、酸素とアルゴンとの分圧（Ｏ2／Ａｒ）が３％〜１０％の条件でマグネトロンスパッタ法によって形成されたＡＺＯは、導電率および光の透過率に優れた導電層５とすることができる。
【００５９】
次に、図９に示すように、ｎ型窒化物半導体層２の表面が露出するまで、ｎ型窒化物半導体層２、ｉ型窒化物半導体層３、第１のｐ型窒化物半導体層４、第２のｐ型窒化物半導体層９および導電層５のそれぞれの一部をエッチングにより除去する。
【００６０】
その後、図１に示すように、ｎ型窒化物半導体層２の露出した表面および導電層５の表面にそれぞれｎパッド電極６およびｐパッド電極７を形成することによって実施の形態１の光電変換素子を製造することができる。
【００６１】
以上のような実施の形態１の光電変換素子の製造方法によれば、真空チャンバなどの閉鎖系の結晶成長装置から基板１を取り出すことなく、第１のｐ型窒化物半導体層４および第２のｐ型窒化物半導体層９を連続して形成することが可能であるため、光電変換素子のタクトタイムおよびコスト等を低減することが可能となる。
【００６２】
また、上記の実施の形態１の光電変換素子の製造方法においては、結晶成長装置から基板１を取り出すことなく第１のｐ型窒化物半導体層４の表面に凹凸１１を形成することができるため、結晶成長装置から取り出して外気環境下に置くことによる第１のｐ型窒化物半導体層４の表面の汚染や基板１の温度低下による反りを抑えることができる。そのため、光電変換素子のＦ．Ｆの低下を抑制することができる。また、上記の実施の形態１の光電変換素子の製造方法は、製造時間の短縮にもなるため、生産技術としても優れている。
【００６３】
なお、上記においては、半導体積層体１２がｐｉｎ構造体を１つ含む場合について説明したが、半導体積層体１２はｐｉｎ構造体を２つ以上含んでいてもよい。
【００６４】
また、上記の各層の間には他の層が含まれていてもよい。たとえば、基板１側から光を入射させる場合には、導電層５の凹凸１１側とは反対側の表面に導電層５からの光を反射するための金属層を備えていてもよい。また、たとえば、基板１とｎ型窒化物半導体層２との間に基板１とｎ型窒化物半導体層２との格子不整合を緩和するためのバッファ層、ｎ型窒化物半導体層２とｉ型窒化物半導体層３との間および／またはｉ型窒化物半導体層３と第１のｐ型窒化物半導体層４との間および／または第１のｐ型窒化物半導体層４と第２のｐ型窒化物半導体層９との間に半導体層間の格子不整合を緩和するためのバッファ層、ならびに第２のｐ型窒化物半導体層９と導電層５との間のオーミック接触を得るためのコンタクト層などを含んでいてもよい。ｎ型窒化物半導体層２とｉ型窒化物半導体層３との間のバッファ層としては、たとえば、厚さ２ｎｍ未満のＩｎxＧａ1-xＮ（ｘ＜０．１）からなる井戸層と、厚さ２ｎｍ未満のＧａＮからなる障壁層とが交互に２０層ずつ積層されたバッファ層などを用いることができる。なお、バッファ層およびコンタクト層は窒化物半導体以外の半導体からなっていてもよい。
【００６５】
また、上記においては、ｎ型とｐ型の導電型を入れ替えてもよいことは言うまでもない。
【００６６】
さらに、１つの光電変換素子のｐパッド電極７と他の光電変換素子のｎパッド電極６とを電気的に接続して光電変換モジュールを形成してもよい。また、導電層５の表面上にｐパッド電極７を形成しない場合には、１つの光電変換素子の導電層５と他の光電変換素子のｎパッド電極６とを電気的に接続して光電変換モジュールを形成してもよい。
【００６７】
＜実施の形態２＞
図１０に、本発明の光電変換素子の他の一例である実施の形態２の光電変換素子の模式的な断面図を示す。実施の形態２の光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層２とｉ型窒化物半導体層３との間にバッファ層１０が形成されているとともに、ｐ型窒化物半導体層４の導電層５側の表面に基板１側からの入射光が多重反射される凹凸１１が形成されていることを特徴としている。
【００６８】
実施の形態２の光電変換素子において、基板１側から光が入射された場合には、基板１側から入射してｉ型窒化物半導体層３およびｐ型窒化物半導体層４を透過した光を凹凸１１で多重反射させることができる。これにより、導電層５側に進行する光の少なくとも一部を第１のｐ型窒化物半導体層４側に戻してｉ型窒化物半導体層３内に入射させることができ、ｉ型窒化物半導体層３内での光路長を増加させることができるため、ｉ型窒化物半導体層３での光吸収により発生するフォトキャリアを従来よりも増加させることができる。その結果、高い光電変換効率等の優れた特性を有する光電変換素子を得ることができる。
【００６９】
ここで、ｐ型窒化物半導体層４の凹凸１１を有する表面の表面粗さＲＭＳが０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下であることが好ましい。この場合には、ｐ型窒化物半導体層４の凹凸１１が光閉じ込め効果を有するのに効果的な凹凸となるため、光電変換素子の凹凸形状として特に好ましくなる傾向にある。
【００７０】
なお、ｐ型窒化物半導体層４の凹凸１１を有する表面の表面粗さＲＭＳは、ｐ型窒化物半導体層４の当該表面における１辺４０μｍの任意の正方形の領域を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより算出することができる。
【００７１】
また、ｐ型窒化物半導体層４の凹凸１１を有する表面の高低差（凹凸１１の最高点と最低点との間の高さ方向の差）は、０．５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。上記の高低差が０．５μｍ以上３μｍ以下である場合には、０．５μｍ以下の短波長領域の光に対する光閉じ込めに有効であるとともに、ｐ型窒化物半導体層４の段差部分の被膜状態が悪くなることに起因する光電変換素子の特性の低下を抑制することができる。また、上記の高低差が１μｍ以上３μｍ以下である場合には、ｐ型窒化物半導体層４の表面のステップカバレッジに優れることから、光電変換素子のＦ．Ｆの低下を抑制することができる。また、この場合には、凹凸１１の凹部を起点としたｐ型窒化物半導体層４の欠陥の発生も抑制することができるため、光電変換素子の開放電圧の低下が起こりにくくなる傾向にある。
【００７２】
上記の高低差の測定手法は、特に限定されるものではないが、たとえば、原子間力顕微鏡を用いた測定または接触式段差測定器を用いた測定などを挙げることができる。
【００７３】
以下、図１１〜図１９の模式的断面図を参照して、実施の形態２の光電変換素子の製造方法の一例について説明する。
【００７４】
まず、図１１に示すように、基板１を用意する。次に、図１２に示すように、基板１上にｎ型窒化物半導体層２を積層する。ここで、ｎ型窒化物半導体層２は、ＭＯＣＶＤ装置などの結晶成長装置内に、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって基板１上に気相成長させて積層することができる。
【００７５】
図１２に示す例においては、まず、第１の成長条件として、ＩＩＩ族原料ガスの供給量に対するＶ族原料ガスの供給量の比（Ｖ族原料ガスの供給量／ＩＩＩ族原料ガスの供給量）（以下、「Ｖ／ＩＩＩガス供給量比」という。）を２０００以上２１００以下とした条件で、基板１上に第１のｎ型窒化物半導体層２ａを気相成長させる。Ｖ族原料ガスとしては、たとえばＮＨ3を用いることができ、ＩＩＩ族原料ガスとしては、たとえばＴＭＧを用いることができる。
【００７６】
次に、第２の成長条件として、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を３８３０以上４２３０以下とした条件で、第１のｎ型窒化物半導体層２ａ上に第２のｎ型窒化物半導体層２ｂを気相成長させる。
【００７７】
このように、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２０００以上２１００以下とした第１の成長条件で基板１上に第１のｎ型窒化物半導体層２ａを気相成長させ、その後、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を３８３０以上４２３０以下とした第２の成長条件で第１のｎ型窒化物半導体層２ａ上に第２のｎ型窒化物半導体層２ｂを気相成長させてｎ型窒化物半導体層２を積層することによって、半導体積層体１２から導電層５側に進行する光の多重反射を促進して半導体積層体１２内における光閉じ込めを効果的に行なうことができる凹凸１１を容易に形成することができる傾向にある。
【００７８】
ｎ型窒化物半導体層２の気相成長中にＶ／ＩＩＩガス供給量比を変更することにより、ｎ型窒化物半導体層２の表面が平面が段差を有して重なる構造となって、ｎ型窒化物半導体層２上に積層されるｐ型窒化物半導体層４の表面が荒れることなく凹凸１１が形成される効果があると考えられる。ｐ型窒化物半導体層４の表面がこのような凹凸１１を有する場合には、ｐ型窒化物半導体層４と導電層５の密着性を向上して漏れ電流を抑止することができる。そのため、光電変換素子のＦ．Ｆの低下を抑制し、光電変換素子のｐ型窒化物半導体層４の表面の凹凸形状として特に好ましくなるものと考えられる。
【００７９】
第１のｎ型窒化物半導体層２ａと第２のｎ型窒化物半導体層２ｂとの界面２ｃが、ｎ型窒化物半導体層２の総厚Ｔの２０％以上８０％以下の範囲内に位置することが好ましい。この場合には、ｐ型窒化物半導体層４の凹凸１１が光閉じ込め効果を有するのに効果的な凹凸となるため、高い光電変換効率等の優れた特性を有する光電変換素子を得ることができる傾向にある。
【００８０】
なお、図１２に示す例においては、第１の成長条件として、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして第１のｎ型窒化物半導体層２ａを１．２μｍの厚さに気相成長させた後、ＩＩＩ族原料ガスの供給量を減少させ、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして第２のｎ型窒化物半導体層２ｂを０．３μｍの厚さに気相成長させている。したがって、この例においては、ｎ型窒化物半導体層２の総厚Ｔの８０％の領域を、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして成長させ、残る２０％の領域を、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして気相成長させている。
【００８１】
なお、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比におけるＶ族原料ガスの供給量およびＩＩＩ族原料ガスの供給量は、それぞれ、結晶成長装置内に供給される単位時間当たりのモル数を意味しており、それぞれの供給量の単位は、たとえば、ｍｏｌ／ｍｉｎで表わされる。
【００８２】
図１３に、基板１上にｎ型窒化物半導体層２を積層する工程の他の一例を図解する模式的な断面図を示す。図１３に示す例においては、第１の成長条件として、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして第１のｎ型窒化物半導体層２ａを０．７５μｍの厚さに気相成長させた後、ＩＩＩ族原料ガスの供給量を減少させ、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして第２のｎ型窒化物半導体層２ｂを０．７５μｍの厚さに気相成長させている。したがって、この例においては、ｎ型窒化物半導体層２の総厚Ｔの５０％の領域を、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして成長させ、残る５０％の領域を、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして気相成長させている。
【００８３】
図１４に、基板１上にｎ型窒化物半導体層２を積層する工程の他の一例を図解する模式的な断面図を示す。図１４に示す例においては、第１の成長条件として、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして第１のｎ型窒化物半導体層２ａを０．３μｍの厚さに気相成長させた後、ＩＩＩ族原料ガスの供給量を減少させ、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして第２のｎ型窒化物半導体層２ｂを１．２μｍの厚さに気相成長させている。したがって、この例においては、ｎ型窒化物半導体層２の総厚Ｔの２０％の領域を、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして成長させ、残る８０％の領域を、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして気相成長させている。
【００８４】
次に、図１５に示すように、ｎ型窒化物半導体層２上にバッファ層１０を積層する。バッファ層１０は、たとえばＭＯＣＶＤ法などによってｎ型窒化物半導体層２上に気相成長する。バッファ層１０は、ｎ型窒化物半導体層２とｉ型窒化物半導体層３との間の格子不接合を緩和するために設けられる。バッファ層１０としては、たとえば、厚さ２ｎｍ未満のＩｎxＧａ1-xＮ（ｘ＜０．１）からなる井戸層と、厚さ２ｎｍ未満のＧａＮからなる障壁層とが交互に２０層ずつ積層されたバッファ層などを用いることができる。
【００８５】
次に、図１６に示すように、バッファ層１０の表面上にｉ型窒化物半導体層３を積層する。その後、図１７に示すように、ｉ型窒化物半導体層３の表面上に、凹凸１１を表面に有するｐ型窒化物半導体層４を積層する。ｉ型窒化物半導体層３およびｐ型窒化物半導体層４は、それぞれ、たとえばＭＯＣＶＤ法などによって気相成長させることにより形成することができる。
【００８６】
次に、図１８に示すように、ｐ型窒化物半導体層４の表面上に導電層５を形成する。その後、図１９に示すように、導電層５、ｐ型窒化物半導体層４、ｉ型窒化物半導体層３およびバッファ層１０のそれぞれの一部をエッチングにより除去することによってｎ型窒化物半導体層２の表面を露出させる。
【００８７】
その後、図１０に示すように、ｎ型窒化物半導体層２の露出した表面および導電層５の表面にそれぞれｎパッド電極６およびｐパッド電極７を形成することによって実施の形態２の光電変換素子を製造することができる。
【００８８】
以上のような実施の形態２の光電変換素子の製造方法によれば、真空チャンバなどの閉鎖系の結晶成長装置内から基板１を取り出すことなく、ｐ型窒化物半導体層４の表面の凹凸１１を形成することが可能となる。そのため、別の加工工程を設けてｐ型窒化物半導体層４の表面に凹凸１１を形成する必要がないことから、ｐ型窒化物半導体層４の表面の汚染および加工過程でのダメージの発生を防止することができる。したがって、光電変換素子のＦ．Ｆの低下を抑制することができる。また、上記の実施の形態２の光電変換素子の製造方法は、光電変換素子の製造時間の短縮にもなるため、生産技術としても優れている。
【００８９】
本実施の形態における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、その説明については省略する。
【実施例】
【００９０】
＜実施例１＞
まず、サファイア基板のｃ面上にノンドープＧａＮからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板を用意した。そして、ＭＯＣＶＤ装置内にテンプレート基板を設置し、テンプレート基板を１１００℃〜１１２０℃まで加熱し、その状態でテンプレート基板の表面上に、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法により気相成長させた。ここで、ｎ型窒化物半導体層は、Ｓｉが２×１０18個／ｃｍ3の濃度でドープされたｎ型ＧａＮ層であった。
【００９１】
次に、テンプレート基板の温度を７５０℃〜８００℃まで低下させた後、ｎ型窒化物半導体層の表面上に、厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる井戸層と、厚さ６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とを交互に６層ずつ積層したＭＱＷ構造を有するｉ型窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法により気相成長させた。
【００９２】
次に、テンプレート基板の温度を１０００℃〜１０７０℃まで上昇させた後、ｉ型窒化物半導体層の表面上に、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮ層からなる第１のｐ型窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法により気相成長させた。ここで、第１のｐ型窒化物半導体層の気相成長条件は、ＩＩＩ族原料ガスとして供給量Ｍtが１２５（μｍｏｌ／ｍｉｎ）のＴＭＧを用い、Ｖ族原料ガスとして供給量Ｍａが２７０（ｍｍｏｌ／ｍｉｎ）のＮＨ3を用いて、ｐ型不純物ガスとして供給量が０．２６（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の供給量のＣＰ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。そして、これらのガスをそれぞれＭＯＣＶＤ装置の製膜室内に１．１ｍ／秒以下の流速で供給する条件（（Ｍａ／Ｍt）＝２８００００）で供給した。これにより、Ｍｇが４×１０19個／ｃｍ3の濃度でドープされたｐ型ＧａＮ層からなる第１のｐ型窒化物半導体層を気相成長させた。
【００９３】
次に、第１のｐ型窒化物半導体層の形成後のテンプレート基板の温度を保持した状態で、ＴＭＧの供給量Ｍtのみを１２５（μｍｏｌ／ｍｉｎ）から６（μｍｏｌ／ｍｉｎ）まで減少させた（（Ｍａ／Ｍt）＝４５０００）。これにより、断面形状が台形の凸部であるｐ型ＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層を第１のｐ型窒化物半導体層の表面上に成長させて凹凸を形成した。
【００９４】
なお、第２のｐ型窒化物半導体層の成長時のＴＭＧの製膜室内への供給量は０．００５ｓｌｍ以下であり、ＮＨ3の製膜室内への供給量は１０ｓｌｍ以下であり、キャリアガスの製膜室内への供給量は２０ｓｌｍ以下であって、ＴＭＧとＮＨ3とキャリアガスとの混合ガスを１ｍ／秒以上１．１ｍ／秒以下の流速で製膜室内に供給した。
【００９５】
図２０に、第１のｐ型窒化物半導体層の表面上に成長した第２のｐ型窒化物半導体層の断面のＳＥＭ写真を示す。断面形状が台形の凸部であるｐ型ＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層の表面の凹凸は｛１１−２２｝ファセット面を有していた。
【００９６】
また、第２のｐ型窒化物半導体層の凸部の断面形状である台形の上底の長さは０．３〜０．７μｍであり、下底の長さは１μｍ〜１．７μｍであって、高さは１μｍ〜１．２μｍであった。また、第２のｐ型窒化物半導体層の凸部の断面形状である台形の上底の長さは下底の長さよりも短かった。
【００９７】
次に、第２のｐ型窒化物半導体層の成長後のテンプレート基板をアニール炉内に設置して、第１のｐ型窒化物半導体層および第２のｐ型窒化物半導体層の熱処理を行なった。熱処理は、８００℃の窒素雰囲気中に第２のｐ型窒化物半導体層の成長後のテンプレート基板を５分間保持することにより行なった。
【００９８】
次に、熱処理後のテンプレート基板をアニール炉から取り出し、テンプレート基板およびＡｌ濃度が２原子％でドープされたＺｎＯターゲットをマグネトロンスパッタ装置内に設置した。そして、テンプレート基板の温度を１８０℃まで上昇させた後、マグネトロンスパッタ装置内に酸素とアルゴンとの分圧（Ｏ2／Ａｒ）が３．８％となるように酸素とアルゴンとを導入した。そして、上記のターゲットを用いたマグネトロンスパッタ法によって、第２のｐ型窒化物半導体層の表面上に厚さ０．３２μｍのＡＺＯからなる導電層を形成した。なお、ＡＺＯからなる導電層の屈折率は２．０であり、第２のｐ型窒化物半導体層の屈折率は２．３であるため、ＡＺＯからなる導電層は、第２のｐ型窒化物半導体層よりも小さい屈折率を有していた。
【００９９】
次に、テンプレート基板をマグネトロンスパッタ装置から取り出し、アニール炉内に設置して、導電層の結晶性、導電層と第２のｐ型窒化物半導体層との密着性、および導電層と第２のｐ型窒化物半導体層とのコンタクト性の向上を図ることを目的として、導電層の熱処理を行なった。熱処理は、６００℃の酸素分圧２％の真空雰囲気中に導電層形成後のテンプレート基板を１０分間保持することにより行なった。
【０１００】
次に、熱処理後のテンプレート基板をアニール炉から取り出し、導電層の表面上に所定の形状のマスクを設置してエッチング装置内に設置した。エッチング装置において、マスクの上方から、導電層、第２のｐ型窒化物半導体層、第１のｐ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層のそれぞれの一部をエッチングしてｎ型窒化物半導体層の表面を露出させた。
【０１０１】
次に、エッチング後のテンプレート基板をエッチング装置から取り出し、導電層の表面およびｎ型窒化物半導体層の露出した表面にそれぞれ所定の形状の開口部を有するレジストマスクを形成した後に真空蒸着装置内に設置した。そして、レジストマスクが形成された導電層およびｎ型窒化物半導体層のそれぞれの表面上に、Ｎｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜をこの順序で堆積した後にリフトオフによりレジストマスクを除去した。これにより、導電層およびｎ型窒化物半導体層のそれぞれの表面上に、Ｎｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜がこの順序で積層されたｐパッド電極およびｎパッド電極が形成された。
【０１０２】
その後、ｐパッド電極およびｎパッド電極の形成後のテンプレート基板を真空蒸着装置から取り出し、ランプアニール装置内に設置した。そして、ランプアニール装置でｐパッド電極およびｎパッド電極を４００℃〜６００℃で熱処理を行ない、テンプレート基板を所定の箇所で分割することによって、実施例１の光電変換素子を得た。
【０１０３】
実施例１の光電変換素子の導電層の第２のｐ型窒化物半導体層側と反対側の表面の表面粗さＲＭＳを測定したところ、０．００４μｍであった。なお、表面粗さＲＭＳは、実施例１の光電変換素子の導電層の第２のｐ型窒化物半導体層側と反対側の表面における１辺４０μｍの任意の正方形の領域を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより算出した。
【０１０４】
実施例１の光電変換素子のｐパッド電極およびｎパッド電極をそれぞれ、金線でリードフレームに電気的に接続し、リードフレームの正極と負極にそれぞれプローブを接触して電流および電圧測定用の回路を形成した。
【０１０５】
そして、ソーラシミュレータを用いてＡＭ１．５の擬似太陽光を１００ｍＷ／ｃｍ2のエネルギ密度で２５℃のもとで導電層側から照射することによって実施例１の光電変換素子のＩ−Ｖ曲線を求め、そのＩ−Ｖ曲線から実施例１の光電変換素子の開放電圧（Ｖoc）、短絡電流密度（Ｊsc）、曲線因子（Ｆ．Ｆ）および光電変換効率（Ｅff）を算出した。
【０１０６】
その結果、実施例１の光電変換素子のＶocは１．８４Ｖであり、Ｊscは１．３６ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．５２であり、Ｅffは１．３％であった。
【０１０７】
＜比較例１＞
第１のｐ型窒化物半導体層の表面上に第２のｐ型窒化物半導体層を成長させなかったこと以外は実施例１と同様にして比較例１の光電変換素子を作製した。
【０１０８】
そして、実施例１と同様にして、比較例１の光電変換素子のＶoc、Ｊsc、Ｆ．ＦおよびＥffを算出した。
【０１０９】
その結果、比較例１の光電変換素子のＶocは１．８０Ｖであり、Ｊscは０．９９ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．４７であり、Ｅffは０．８４％であった。
【０１１０】
＜分析＞
上記のとおり、実施例１の光電変換素子は、比較例１の光電変換素子と比べて、Ｖoc、Ｊsc、Ｆ．ＦおよびＥffのすべての点で優れていた。これは、実施例１の光電変換素子は、第２のｐ型窒化物半導体層側から導電層側に進行する光を第２のｐ型窒化物半導体層の凹凸表面で多重反射させることによって、ｉ型窒化物半導体層内により多くの光を閉じ込めることができたことが大きな要因の１つであると考えられる。
【０１１１】
＜実施例２＞
まず、サファイア基板のｃ面上にノンドープＧａＮからなるバッファ層が形成されたテンプレート基板を用意した。そして、ＭＯＣＶＤ装置内にテンプレート基板を設置し、テンプレート基板を１１００℃〜１１２０℃まで加熱し、その状態でテンプレート基板の表面上に、ｎ型ＧａＮ層からなる第１のｎ型窒化物半導体層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）をＭＯＣＶＤ法により気相成長させた。
【０１１２】
ここで、ＩＩＩ族原料ガスとして２７０ｍｍｏｌ（ミリモル）のＮＨ3を供給するとともに、Ｖ族原料ガスとして１２５μｍｏｌ（マイクロモル）のＴＭＧを供給し、さらにＳｉＨ4からなるドーピングガスと、キャリアガスと、を供給して、厚さ１．２μｍの第１のｎ型窒化物半導体層を成長させた。第１のｎ型窒化物半導体層の成長時におけるＶ／ＩＩＩガス供給量比は２１００であった。
【０１１３】
次に、ＴＭＧの供給量を６２μｍｏｌまで減少させることによりＶ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして、第１のｎ型窒化物半導体層の表面上に厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＮ層からなる第２のｎ型窒化物半導体層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）を成長させて、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との積層体からなるｎ型窒化物半導体層を成長させた。
【０１１４】
これにより、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との界面が、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との積層体の総厚の８０％に位置するｎ型窒化物半導体層を成長させた。
【０１１５】
次に、テンプレート基板の温度を７５０℃〜８００℃まで降温させ、そのテンプレート基板の温度状態でｎ型窒化物半導体層の表面上に、厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.11Ｇａ0.79Ｎからなる井戸層と、厚さ６ｎｍのＧａＮからなる障壁層と、が交互に６層積層されたＭＱＷ構造を有するｉ型窒化物半導体層を成長させた。
【０１１６】
次に、テンプレート基板の温度を１０００℃〜１０７０℃まで昇温し、ｉ型窒化物半導体層の表面上に、Ｍｇが４×１０19個/ｃｍ3でドープされたｐ型ＧａＮからなる厚さ０．０５μｍのｐ型窒化物半導体層を成長させた。
【０１１７】
次に、ｐ型窒化物半導体層の成長後のテンプレート基板をアニール炉内に設置して、ｐ型窒化物半導体層の熱処理を行なった。熱処理は、８００℃の窒素雰囲気中にｐ型窒化物半導体層の成長後のテンプレート基板を５分間保持することにより行なった。
【０１１８】
次に、熱処理後のテンプレート基板をアニール炉から取り出し、テンプレート基板およびＡｌ濃度が２原子％でドープされたＺｎＯターゲットをマグネトロンスパッタ装置内に設置した。そして、テンプレート基板の温度を１８０℃まで上昇させた後、マグネトロンスパッタ装置内に酸素とアルゴンとの分圧（Ｏ2／Ａｒ）が３．８％となるように酸素とアルゴンとを導入した。そして、上記のターゲットを用いたマグネトロンスパッタ法によって、ｐ型窒化物半導体層の表面上に厚さ０．３２μｍのＡＺＯからなる導電層を形成した。なお、ＡＺＯからなる導電層の屈折率は２．０であり、ｐ型窒化物半導体層の屈折率は２．３であるため、ＡＺＯからなる導電層は、ｐ型窒化物半導体層よりも小さい屈折率を有していた。
【０１１９】
次に、テンプレート基板をマグネトロンスパッタ装置から取り出し、アニール炉内に設置して、導電層の結晶性、導電層とｐ型窒化物半導体層との密着性、および導電層とｐ型窒化物半導体層とのコンタクト性の向上を図ることを目的として、導電層の熱処理を行なった。熱処理は、６００℃の酸素分圧２％の真空雰囲気中に導電層形成後のテンプレート基板を１０分間保持することにより行なった。
【０１２０】
次に、熱処理後のテンプレート基板をアニール炉から取り出し、導電層の表面上に所定の形状のマスクを設置してエッチング装置内に設置した。エッチング装置において、マスクの上方から、導電層、ｐ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層のそれぞれの一部をエッチングしてｎ型窒化物半導体層の表面を露出させた。
【０１２１】
次に、エッチング後のテンプレート基板をエッチング装置から取り出し、導電層の表面およびｎ型窒化物半導体層の露出した表面にそれぞれ所定の形状の開口部を有するレジストマスクを形成した後に真空蒸着装置内に設置した。そして、レジストマスクが形成された導電層およびｎ型窒化物半導体層のそれぞれの表面上に、Ｎｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜をこの順序で堆積した後にリフトオフによりレジストマスクを除去した。これにより、導電層およびｎ型窒化物半導体層のそれぞれの表面上に、Ｎｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜がこの順序で積層されたｐパッド電極およびｎパッド電極が形成された。
【０１２２】
その後、ｐパッド電極およびｎパッド電極の形成後のテンプレート基板を真空蒸着装置から取り出し、ランプアニール装置内に設置した。そして、ランプアニール装置でｐパッド電極およびｎパッド電極を４００℃〜６００℃で熱処理を行ない、テンプレート基板を所定の箇所で分割することによって、実施例２の光電変換素子を得た。
【０１２３】
＜実施例３＞
Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして厚さ０．７５μｍのｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）からなる第１のｎ型窒化物半導体層を気相成長させた後、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして厚さ０．７５μｍのｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）からなる第２のｎ型窒化物半導体層を気相成長させて、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との界面が、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との積層体の総厚の５０％に位置するｎ型窒化物半導体層を成長させたこと以外は上記と同様にして実施例３の光電変換素子を得た。
【０１２４】
＜実施例４＞
Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）からなる第１のｎ型窒化物半導体層を気相成長させた後、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４２００にして厚さ１．２μｍのｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）からなる第２のｎ型窒化物半導体層を気相成長させて、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との界面が、第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との積層体の総厚の２０％に位置するｎ型窒化物半導体層を成長させたこと以外は上記と同様にして実施例４の光電変換素子を得た。
【０１２５】
実施例２〜４の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の凹凸を有する表面の表面粗さＲＭＳは０．０１５μｍであった。なお、表面粗さＲＭＳは、実施例２〜４の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の凹凸を有する表面における１辺４０μｍの任意の正方形の領域を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより算出した。
【０１２６】
また、実施例２〜４の光電変換素子の導電層のｐ型窒化物半導体層側と反対側の表面の表面粗さＲＭＳを測定したところ、０．００４μｍであった。なお、表面粗さＲＭＳは、実施例２〜４の光電変換素子の導電層の第２のｐ型窒化物半導体層側と反対側の表面における１辺４０μｍの任意の正方形の領域を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより算出した。
【０１２７】
実施例２〜４の光電変換素子のｐパッド電極およびｎパッド電極をそれぞれ、金線でリードフレームに電気的に接続し、リードフレームの正極と負極にそれぞれプローブを接触して電流および電圧測定用の回路を形成した。
【０１２８】
そして、ソーラシミュレータを用いてＡＭ１．５の擬似太陽光を１００ｍＷ／ｃｍ2のエネルギ密度で２５℃のもとで導電層側から照射することによって実施例２〜４の光電変換素子のＩ−Ｖ曲線を求め、そのＩ−Ｖ曲線から実施例２〜４の光電変換素子のＶoc、Ｊsc、Ｆ．ＦおよびＥffを算出した。
【０１２９】
その結果、実施例２〜４の光電変換素子のＶocは１．６３Ｖであり、Ｊscは１．１４ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．５２であり、Ｅffは０．９７％であった。
【０１３０】
＜比較例２＞
第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との２層からなるｎ型窒化物半導体層の代わりに、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を２１００にして、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）からなる１層のｎ型窒化物半導体層を形成したこと以外は実施例２〜４の光電変換素子と同様にして比較例２の光電変換素子を作製した。
【０１３１】
そして、実施例２〜４の光電変換素子と同様にして、比較例２の光電変換素子のＶoc、Ｊsc、Ｆ．ＦおよびＥffを算出した。
【０１３２】
その結果、比較例２の光電変換素子のＶocは１．５９Ｖであり、Ｊscは０．８４ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．４７であり、Ｅffは０．６３％であった。
【０１３３】
＜比較例３＞
第１のｎ型窒化物半導体層と第２のｎ型窒化物半導体層との２層からなるｎ型窒化物半導体層の代わりに、Ｖ／ＩＩＩガス供給量比を４３００にして、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度：２×１０18個／ｃｍ3）からなる１層のｎ型窒化物半導体層を形成したこと以外は実施例２〜４の光電変換素子と同様にして比較例３の光電変換素子を作製した。
【０１３４】
そして、実施例２〜４の光電変換素子と同様にして、比較例３の光電変換素子のＶoc、Ｊsc、Ｆ．ＦおよびＥffを算出した。
【０１３５】
その結果、比較例３の光電変換素子のＶocは１．０９Ｖであり、Ｊscは０．５５ｍＡ／ｃｍ2であり、Ｆ．Ｆは０．３６であり、Ｅffは０．２２％であった。
【０１３６】
＜分析＞
上記のとおり、実施例２〜４の光電変換素子は、比較例２および３の光電変換素子と比べて、Ｖoc、Ｊsc、Ｆ．ＦおよびＥffのすべての点で優れていた。これは、実施例２〜４の光電変換素子は、ｐ型窒化物半導体層側から導電層側に進行する光をｐ型窒化物半導体層の凹凸表面で多重反射させることによって、ｉ型窒化物半導体層内により多くの光を閉じ込めることができたことが大きな要因の１つであると考えられる。
【０１３７】
図２１に、実施例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面の拡大写真を示す。この拡大写真は、実施例２の光電変換素子の作製途中でｐ型窒化物半導体層の表面を光学顕微鏡を用いて１００倍の倍率で取得したものである。
【０１３８】
図２１に示す拡大写真を分析した結果、実施例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面は、粒径が０．０５μｍ〜０．１μｍの鱗状の粒状の凹凸により形成されていることが確認された。また、実施例３および４の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面についても同様の観測をしたところ、実施例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面と同様の凹凸が形成されていることが確認された。
【０１３９】
図２２に、比較例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面の拡大写真を示す。この拡大写真は、比較例２の光電変換素子の作製途中でｐ型窒化物半導体層の表面を光学顕微鏡を用いて１００倍の倍率で取得したものである。
【０１４０】
図２２に示す拡大写真を分析した結果、比較例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の表面には鋭角な凹凸が形成されていた。
【０１４１】
したがって、以上の結果から、実施例２〜４の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の凹凸表面は、比較例２の光電変換素子のｐ型窒化物半導体層の凹凸表面と比べて、光閉じ込め効果に優れていると考えられる。
【０１４２】
また、図２３（ａ）に実施例２の光電変換素子のｉ型窒化物半導体層のＸ線回折法による２θωスキャン測定結果を示し、図２３（ｂ）に比較例２の光電変換素子のｉ型窒化物半導体層のＸ線回折法による２θωスキャン測定結果を示す。図２３（ａ）および図２３（ｂ）は、それぞれ、実施例２および比較例２と同様にして作製したｉ型窒化物半導体層についてＸ線回折法による測定を行なって取得された２θωスキャン測定結果である。
【０１４３】
図２３（ａ）と図２３（ｂ）との比較から明らかなように、実施例２の光電変換素子のｉ型窒化物半導体層は、比較例２の光電変換素子のｉ型窒化物半導体層と比べて、井戸層と障壁層との周期性が保たれていることが確認された。なお、井戸層と障壁層との繰り返し構造を有するｉ型窒化物半導体層にＸ線を入射した場合には、井戸層と障壁層との界面で干渉が起こるため、井戸層と障壁層との周期性が確保されているかどうかを確認することができる。
【０１４４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明は、光電変換素子および光電変換素子の製造方法に利用することができ、特に窒化物半導体を用いた太陽電池およびその製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【０１４６】
１  基板、２  ｎ型窒化物半導体層、２ａ  第１のｎ型窒化物半導体層、２ｂ  第２のｎ型窒化物半導体層、２ｃ  界面、３  ｉ型窒化物半導体層、４  第１のｐ型窒化物半導体層、５  導電層、５ａ  表面、６  ｎパッド電極、７  ｐパッド電極、９  第２のｐ型窒化物半導体層、１０  バッファ層、１１  凹凸、１２  半導体積層体。
【図１】
2012164701.tif 000003
【図２】
2012164701.tif 000004
【図３】
2012164701.tif 000005
【図４】
2012164701.tif 000006
【図５】
2012164701.tif 000007
【図６】
2012164701.tif 000008
【図７】
2012164701.tif 000009
【図８】
2012164701.tif 000010
【図９】
2012164701.tif 000011
【図１０】
2012164701.tif 000012
【図１１】
2012164701.tif 000013
【図１２】
2012164701.tif 000014
【図１３】
2012164701.tif 000015
【図１４】
2012164701.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2012164701.tif 000019
【図１８】
2012164701.tif 000020
【図１９】
2012164701.tif 000021
【図２３】
2012164701.tif 000022
【図２０】
2012164701.tif 000023
【図２１】
2012164701.tif 000024
【図２２】
2012164701.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月22日(2012.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、基板と、基板上に設けられた半導体積層体と、半導体積層体上に設けられた導電層と、を備え、半導体積層体は、基板側から導電層側にかけて、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層をこの順に含み、ｐ型窒化物半導体層は導電層側の表面に凹凸を有しており、導電層のｐ型窒化物半導体層側とは反対側の表面の表面粗さＲＭＳが、０．００３μｍ以上０．００５μｍ以下であって、ｐ型窒化物半導体層の凹凸を有する表面の表面粗さＲＭＳが、０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下である光電変換素子である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
ここで、本発明の光電変換素子において、凹凸は、断面形状が台形である凸部を含み、台形の上底の長さが、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、台形の下底の長さが、１μｍ以上１．７μｍ以下であり、台形の高さが、１μｍ以上１．２μｍ以下であることが好ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた半導体積層体と、
前記半導体積層体上に設けられた導電層と、を備え、
前記半導体積層体は、前記基板側から前記導電層側にかけて、ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層をこの順に含み、
前記ｐ型窒化物半導体層は、前記導電層側の表面に凹凸を有しており、
前記導電層の前記ｐ型窒化物半導体層側とは反対側の表面の表面粗さＲＭＳが、０．００３μｍ以上０．００５μｍ以下であって、
前記ｐ型窒化物半導体層の前記凹凸を有する前記表面の表面粗さＲＭＳが、０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下である、光電変換素子。
【請求項２】
前記凹凸は、断面形状が台形である凸部を含み、
前記台形の上底の長さが、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、
前記台形の下底の長さが、１μｍ以上１．７μｍ以下であり、
前記台形の高さが、１μｍ以上１．２μｍ以下である、請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記導電層の厚さが、０．２５μｍ以上０．５μｍ以下である、請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記導電層は、前記ｐ型窒化物半導体層よりも小さい屈折率を有する、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記導電層は、Ｚｎ、Ｉｎ、ＳｎおよびＭｇからなる群から選択される少なくとも１種を含む単層、または前記単層を複数積層した複数層である、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記基板は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、またはＺｒＢ2の式で表わされる材料を含む、請求項１から５のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記ｐ型窒化物半導体層は、複数層を含む、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記凹凸は、断面形状が台形である凸部を含み、
前記台形の上底の長さが、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、
前記台形の下底の長さが、１μｍ以上１．７μｍ以下であり、
前記台形の高さが、１μｍ以上１．２μｍ以下である、請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記ｎ型窒化物半導体層は、前記基板側の第１のｎ型窒化物半導体層と、前記導電層側の第２のｎ型窒化物半導体層と、の積層体を有しており、
前記第１のｎ型窒化物半導体層と前記第２のｎ型窒化物半導体層との界面が、前記積層体の総厚の２０％以上８０％以下の範囲内に位置する、請求項１から８のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の光電変換素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記半導体積層体を形成する工程と、
前記半導体積層体上に前記導電層を形成する工程と、を含み、
前記半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって窒化物半導体を気相成長させる工程を含み、
前記気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含む、光電変換素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の成長条件は、前記第１の成長条件よりも前記ＩＩＩ族原料ガスの供給量のみを低減した条件である、請求項１０に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれかに記載の光電変換素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記半導体積層体を形成する工程と、
前記半導体積層体上に前記導電層を形成する工程と、を含み、
前記半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって前記ｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程を含み、
前記気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含み、
前記ＩＩＩ族原料ガスは、トリメチルガリウムであり、
前記Ｖ族原料ガスは、アンモニアであって、
前記第２の成長工程においては、前記トリメチルガリウムの供給量Ｍtに対する前記アンモニアの供給量Ｍａの比であるＭａ／Ｍtを４００００以上１０００００以下にするとともに、前記トリメチルガリウムと前記アンモニアをそれぞれ１ｍ／秒以上１．１ｍ／秒以下の流速で供給する、光電変換素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１から９のいずれかに記載の光電変換素子を製造する方法であって、
前記基板上に前記半導体積層体を形成する工程と、
前記半導体積層体上に前記導電層を形成する工程と、を含み、
前記半導体積層体を形成する工程は、少なくともＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとを供給することによって前記ｎ型窒化物半導体層を気相成長させる工程を含み、
前記気相成長させる工程は、第１の成長条件による第１の成長工程と、前記第１の成長条件とは異なる第２の成長条件による第２の成長工程と、を含み、
前記第１の成長条件における前記ＩＩＩ族原料ガスに対する前記Ｖ族原料ガスの供給量比が２０００以上２１００以下であって、
前記第２の成長条件における前記ＩＩＩ族原料ガスに対する前記Ｖ族原料ガスの供給量比が３８３０以上４２３０以下である、光電変換素子の製造方法。