(57)【要約】【課題】窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造すること。【解決手段】光電変換素子の製造方法は、第１の基板上に多孔質層を形成する工程と、パターンエッチングによって多孔質層の一部を除去する工程と、多孔質層および第１の基板上にバッファ層を形成する工程と、バッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、切削工具を用いて第１の基板をバッファ層から除去する工程と、金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、バッファ層を除去する工程と、バッファ層の除去後にｉ型窒化物半導体層の表面部にｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含む。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に多孔質層を形成する工程と、
パターンエッチングによって前記多孔質層の一部を除去する工程と、
前記多孔質層上および前記第１の基板上にバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、
切削工具を用いて前記第１の基板を前記バッファ層から除去する工程と、
前記金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、
前記バッファ層を除去する工程と、
前記バッファ層の除去後に、前記ｉ型窒化物半導体層の表面部にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、光電変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の基板を除去する工程は、前記第１の基板と前記多孔質層との界面近傍を前記切削工具で切削する工程を含む、請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記切削工具は、前記多孔質層および前記バッファ層よりもヌープ硬度が高い材料で構成されている、請求項２に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記パターンエッチングで使用されるマスクには、前記多孔質層を覆う領域または前記多孔質層を露出させる領域が間隔をあけて配置されてなるパターンが形成されており、
前記マスクにおいて前記多孔質層を覆う領域または前記多孔質層を露出する領域が隣り合う間隔は、５μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記マスクから露出する多孔質層の上面の面積の合計は、前記多孔質層の上面の全面積に対して５０％以上９０％以下である請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記バッファ層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＩｎＮの少なくとも１つを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記ｐ型窒化物半導体層を形成する工程は、前記ｉ型窒化物半導体層の前記表面部であって周縁領域以外の領域にｐ型不純物イオンを注入する工程を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記ｉ型窒化物半導体層は、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結晶を含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、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結晶を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の基板の表面のうち前記金属層が貼り付けられた表面とは反対側の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含む、請求項１〜７のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法により製造された光電変換素子であって、
前記第２の基板上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、
前記ｉ型窒化物半導体層の表面部であって周縁領域以外の領域に設けられたｐ型窒化物半導体層とを備えた、光電変換素子。
【請求項１０】
前記第２の基板は、可撓性を有する、請求項９に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の光電変換素子を含む、光電変換素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン系材料からなる光電変換素子は、そのバンドギャップが１．１〜１．８ｅＶであるため、エネルギーの高い０．５μｍ以下の短波長領域の光に対して感度が小さく、太陽光スペクトルの全ての波長領域を有効に活用できないという材料固有の課題が存在していた。
【０００３】
一方、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体のバンドギャップは、組成ｘおよびｙに対応して０．７ｅＶ〜６．０ｅＶという極めて広い範囲で変化する。このような窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子用の材料として開発が盛んに行われてきたが、上記の組成を有する窒化物半導体を光電変換素子に用いた場合には、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できるようになることから、このような窒化物半導体は、次世代の光電変換素子用の材料として大変注目されている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた従来の光電変換素子は、光の入射側から、ｐ型不純物がドープされたＧａＮ層の下に、光吸収層として、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の式で表わされる、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどからなるｉ型窒化物半導体層、およびｎ型不純物をドープしたＧａＮ層が設けられた構成を有している。
【０００５】
たとえば特許文献１（特開２００３−３１８４３４号公報）には、図１８の模式的断面図に示すように、サファイア基板１０００の［０００１］面上に、窒化物半導体バッファ層（図示せず）、ｐ型窒化物半導体層６０００、ｉ型窒化物半導体層５０００、およびｎ型窒化物半導体層４０００をこの順序で積層し、素子分離を行ない、保護膜８０００を形成した後、ｎ型窒化物半導体層４０００にパッド電極３０００および支持基板２０００を形成し、サファイア基板１０００側からエキシマレーザー光６０を照射してサファイア基板１０００を除去することによって作製した光電変換素子が開示されている。
【０００６】
このような構成を有する光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層からｐ型窒化物半導体に向かう積層方向を［０００-１］方向に一致させることにより、格子定数の違いから生ずる圧電電界が、ｐ−ｉ界面近傍において光を吸収して発生した電子−正孔対の分離を促進しかつｎ−ｉ界面近傍において伝導帯のヘテロ障壁を低くする方向に発生するため、高い変換効率を発現するとされている。
【０００７】
しかしながら、このような光電変換素子については、大面積のものを作製することが困難であることから、比較的小面積の光電変換素子を多数実装して太陽電池モジュールなどの光電変換素子モジュールを作製する必要があった。
【０００８】
また、たとえば特許文献２（特許第４６７２７５３号公報）には、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層した後、サファイア基板の温度を常温に戻すことによって、窒化物半導体層をサファイア基板から自然に剥離する技術が開示されている。
【０００９】
さらに、たとえば特許文献３（特許第４５９９４４２号公報）には、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる第１のバッファ層、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．８≦ｓ＜１）からなる第２のバッファ層、ＧａＮ層またはＡｌＧａＩｎＮ層からなる半導体層、およびｐ型半導体層をこの順に成膜した後、ＧａＮの禁制帯幅に相当するエネルギーを有する波長よりも波長が短いレーザー光を照射することによって、サファイア基板を剥離する技術が開示されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載のいずれの技術も、太陽電池モジュールなどの光電変換素子モジュールに必要な大面積の光電変換素子の作製に適用できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３１８４３４号公報
【特許文献２】特許第４６７２７５３号公報（特開２００９−７２４１号公報）
【特許文献３】特許第４５９９４４２号公報（特開２０１０−５６２１０号公報）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光電変換素子の製造方法は、第１の基板上に多孔質層を形成する工程と、パターンエッチングによって多孔質層の一部を除去する工程と、多孔質層上および第１の基板上にバッファ層を形成する工程と、バッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、切削工具を用いて第１の基板をバッファ層から除去する工程と、金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、バッファ層を除去する工程と、バッファ層の除去後にｉ型窒化物半導体層の表面部にｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含む。
【００１４】
第１の基板を除去する工程は、第１の基板と多孔質層との界面近傍を切削工具で切削する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
切削工具は、多孔質層およびバッファ層よりもヌープ硬度が高い材料で構成されていることが好ましい。
【００１６】
パターンエッチングで使用されるマスクには、多孔質層を覆う領域または多孔質層を露出させる領域が間隔をあけて配置されてなるパターンが形成されていることが好ましい。マスクにおいて多孔質層を覆う領域または多孔質層を露出する領域が隣り合う間隔は、５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。マスクから露出する多孔質層の上面の面積の合計は、多孔質層の上面の全面積に対して５０％以上９０％以下であることが好ましい。
【００１７】
バッファ層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＩｎＮの少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００１８】
ｐ型窒化物半導体層を形成する工程は、ｉ型窒化物半導体層の表面部であって周縁領域以外の領域にｐ型不純物イオンを注入する工程を含むことが好ましい。
【００１９】
ｉ型窒化物半導体層は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結晶を含むことが好ましく、ｎ型窒化物半導体層は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結晶を含むことが好ましい。
【００２０】
第２の基板の表面のうち金属層が設けられた表面とは反対側の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２１】
本発明の光電変換素子は、本発明の光電変換素子の製造方法により製造され、第２の基板上に設けられた金属層と、金属層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、ｉ型窒化物半導体層の表面部であって周縁領域以外の領域に設けられたｐ型窒化物半導体層とを備える。
【００２２】
第２の基板は、可撓性を有することが好ましい。
本発明の光電変換素子モジュールは、本発明の光電変換素子を含む。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図２】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図４】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図５】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図７】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図８】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図９】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１０】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１１】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１２】実施の形態の光電変換素子の模式的な断面図である。
【図１３】実施の形態の光電変換素子モジュールの模式的な構成図である。
【図１４】第１の基板上に形成された多孔質層をパターエッチングするときに使用されるマスクの一例を示す模式的な平面図である。
【図１５】第１の基板上に形成された多孔質層をパターエッチングするときに使用されるマスクの別の一例を示す模式的な平面図である。
【図１６】第１の基板上に形成された多孔質層をパターエッチングするときに使用されるマスクの別の一例を示す模式的な平面図である。
【図１７】第１の基板上に形成された多孔質層をパターエッチングするときに使用されるマスクの別の一例を示す模式的な平面図である。
【図１８】特許文献１に記載の光電変換素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を用いて、本発明の光電変換素子の製造方法の一例である実施の形態の光電変換素子の製造方法、本発明の光電変換素子の一例である実施の形態の光電変換素子の構成、および本発明の光電変換素子モジュールの一例である実施の形態の光電変換素子モジュールの構成について説明する。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すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００２６】
図１〜図１１は、実施の形態の光電変換素子の製造方法を工程順に示す模式的な断面図である。まず、図１に示すように、第１の基板１上に多孔質層２を形成する。その後、図２に示すように、パターンエッチングにより多孔質層２の一部を除去する。なお、大面積の第１の基板１の表面としては、たとえば、幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍの表面以上の面積を有する表面を挙げることができる。
【００２７】
第１の基板１の材料は、特に限定されないが、低コストで光電変換素子を作製する観点からは、ＧａＡｓまたはサファイアを用いることが好ましい。
【００２８】
多孔質層２の構成は、特に限定されない。多孔質層２は、たとえばＳＯＧ（Sipn  on  Glass）膜（膜厚がたとえば１〜２μｍである）であることが好ましい。
【００２９】
本明細書において、「パターンエッチング」とは、一部を除去したい膜（本実施の形態では多孔質層２）の上面にマスク（このマスクは所定のパターンを有する）を形成した後、マスクから露出する膜の部分をエッチングにより除去することを意味する。マスクの形成方法としては、特に限定されず、フォトレジストを塗布してパターンを露光するという方法を挙げることができる。また、エッチングの手法としては、特に限定されず、ウエットエッチングまたはドライエッチングを選択することができる。
【００３０】
パターンエッチングで使用されるマスクの構成は特に限定されないが、マスクは多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域が間隔をあけて配置されてなるパターンを有していることが好ましい。多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域は、マスクにおいて、格子状に配置されていても良いし、幅方向または長さ方向に間隔をあけて配置されていても良い。多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域の平面形状は特に限定されず、矩形などの多角形であっても良いし、円形であっても良い。
【００３１】
多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域が隣り合う間隔は、５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは６μｍ以上２０μｍ以下である。多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域の隣り合う間隔が５μｍ未満であれば、パターンの形成が困難となる場合がある。一方、多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域の隣り合う間隔が３０μｍを超えると、第１の基板１と多孔質層２との界面に切削工具４を挿入することが困難となることが予想され、そのため、加工不良の発生を招くことがある。
【００３２】
除去面積比（除去面積比とは、多孔質層２の上面の全面積に対する、マスクから露出する多孔質層２の上面の合計面積の割合である。）は５０％以上９０％以下であることが好ましく、より好ましくは５５％以上８５％以下である。除去面積比が５０％未満であれば、多孔質層２を除去し損なうことがあり、そのため、多孔質層２の削り残しが発生するなどの理由から加工不良の発生を招くことがある。一方、除去面積比が９０％を超えると、多孔質層２が除去される部分が多くなるため、図７に示す工程において第１の基板１の剥離による除去が難しくなることがある。以下では、図１４〜図１７を用いてマスクの具体的な構成を示す。図１４〜図１７は、それぞれ、第１の基板１上に形成された多孔質層２をパターエッチングするときに使用されるマスク１５の一例を示す模式的な平面図である。
【００３３】
図１４に示すマスク１５は、多孔質層２を覆う領域が格子状に配置されてなるパターンを有する。そのため、図１４に示すマスク１５を多孔質層２上に形成してから多孔質層２をエッチングすると、多孔質層２は第１の基板１の上面において格子状に残存することとなる。図１４に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域の隣り合う間隔ｘを０．３μｍとし、多孔質層２を覆う領域の一辺ｙを４．７μｍとした場合、除去面積比は８８％となる。また、図１４に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域の隣り合う間隔ｘを８．５μｍとし、多孔質層２を覆う領域の一辺ｙを２１．５μｍとした場合、除去面積比は５１％となる。なお、どちらの場合においても、多孔質層２の上面の大きさを幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍとして除去面積比を算出した。
【００３４】
図１５に示すマスク１５は、多孔質層２を露出する領域が格子状に配置されて構成されている。そのため、図１５に示すマスク１５を多孔質層２上に形成してから多孔質層２をエッチングすると、多孔質層２には第１の基板１の上面を露出する貫通孔が格子状に形成されることとなる。図１５に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域が隣り合う間隔ｘを５．４μｍとし、多孔質層２を覆う領域の一辺ｙを０．６μｍとした場合、除去面積比は８１％となる。なお、この場合においても、多孔質層２の上面の大きさを幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍとして除去面積比を算出した。
【００３５】
図１４に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域の平面形状は矩形に限定されず、多角形であっても良いし、図１６に示すように円形であっても良い。図１６に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域の隣り合う間隔ｘを５μｍとし、多孔質層２を覆う領域の直径φを２０μｍとした場合、除去面積比は５０％となる。なお、この場合においても、多孔質層２の上面の大きさを幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍとして除去面積比を算出した。
【００３６】
図１４に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域の配置形態は格子状に限定されない。多孔質層２を覆う領域は、たとえば、多孔質層２の長さ方向に間隔をあけて配置されていても良いし、図１７に示すように多孔質層２の幅方向に間隔をあけて配置されていても良い。図１７に示すマスク１５において、多孔質層２を覆う領域の隣り合う間隔ｘを５μｍとし、多孔質層２を覆う領域を構成する辺のうち多孔質層２を覆う領域が配置される方向（図１７の横方向）における辺の長さｙを１５μｍとした場合、除去面積比は７５％となる。なお、この場合においても、多孔質層２の上面の大きさを幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍとして除去面積比を算出した。
【００３７】
なお、図１５に示すマスク１５においても、多孔質層２を露出する領域の平面形状は矩形に限定されず、多角形であっても良いし、円形であっても良い。また、図１５に示すマスク１５においても、多孔質層２を露出する領域の配置形態は格子状に限定されない。多孔質層２を露出する領域は、多孔質層２の長さ方向に間隔をあけて配置されていても良いし、多孔質層２の幅方向に間隔をあけて配置されていても良い。
【００３８】
次に、図３に示すように、多孔質層２及び第１の基板１の上にバッファ層６００を形成する。バッファ層６００は、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）法によって形成することができる。
【００３９】
バッファ層６００を構成する材料としては、特に限定されないが、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＩｎＮから選択される少なくとも１種類を用いることができる。また、バッファ層６００の厚さは、たとえば、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【００４０】
次に、図４に示すように、バッファ層６００上にｉ型窒化物半導体層５００を形成する。ｉ型窒化物半導体層５００は、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、バッファ層６００上に形成することができる。
【００４１】
ｉ型窒化物半導体層５００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結晶を含むことが好ましい。ｉ型窒化物半導体層５００は、窒化物半導体結晶のＭＱＷ（多重量子井戸）構造またはＳＱＷ（単一量子井戸）構造を有していることが好ましい。
【００４２】
ｉ型窒化物半導体層５００の厚さは、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。ｉ型窒化物半導体層５００の厚さが２０ｎｍ以上である場合には、ｉ型窒化物半導体層５００が太陽光などの光を十分に吸収してフォトキャリアを十分に発生させることができる。ｉ型窒化物半導体層５００の厚さが４００ｎｍ以下である場合には、ｉ型窒化物半導体層５００が厚くなりすぎないため、後述するｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とによって形成される内部電界がｉ型窒化物半導体層５００に十分に印加される傾向にある。
【００４３】
ｉ型窒化物半導体層５００のより具体的な例としては、たとえば、厚さ４５ｎｍのノンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜が挙げられる。ノンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜は、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を１０μｍｏｌ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を５４μｍｏｌ、およびＮＨ3（アンモニア）を４２０ｍｍｏｌの供給量でＭＯＣＶＤ装置の反応炉に供給するによって形成することができる。
【００４４】
ｉ型窒化物半導体層５００のより具体的な他の例としては、たとえば、バッファ層６００上に、厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる量子井戸層と、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構造が挙げられる。なお、この場合に量子井戸層と障壁層との交互積層数は６層に限定されないことは言うまでもない。
【００４５】
また、ｉ型窒化物半導体層５００は、後述するｎ型窒化物半導体層との格子不整合を緩和するための緩衝層を有していてもよい。緩衝層としては、たとえば、厚さ２ｎｍ未満のＩｎsＧａ1-sＮ（ｓ＜０．１）からなる量子井戸層と、厚さ２ｎｍ未満のＧａＮから成る障壁層とが交互に２０層積層されたＭＱＷ構造が挙げられる。
【００４６】
次に、図５に示すように、ｉ型窒化物半導体層５００上にｎ型窒化物半導体層４００を形成する。ｎ型窒化物半導体層４００は、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、ｉ型窒化物半導体層５００上に形成することができる。
【００４７】
ｎ型窒化物半導体層４００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結晶にｎ型不純物をドープしたものを用いることができる。ｎ型不純物としては、たとえば、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどが挙げられる。なお、ｎ型窒化物半導体層４００とｉ型窒化物半導体層５００とは同一の組成の窒化物半導体結晶を用いてもよく、異なる組成の窒化物半導体結晶を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４８】
ｎ型窒化物半導体層４００としては、なかでも、ＳｉがＧａＮ結晶にドープされたｎ型ＧａＮ層を用いることが好ましい。
【００４９】
ｎ型窒化物半導体層４００は、ｉ型窒化物半導体層５００よりも大きなバンドギャップエネルギーを有していることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体層４００によって吸収される光強度の減少を最小限にすることができ、ｉ型窒化物半導体層５００に入射する光の光強度が大きくなるため、多くのフォトキャリアが発生する傾向にある。
【００５０】
ｎ型窒化物半導体層４００におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されないが、１×１０18個／ｃｍ3以上１×１０20個／ｃｍ3以下であることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体層４００の導電率を高くすることができるとともに、ｎ型窒化物半導体層４００の表面が荒れることなく、ｉ型窒化物半導体層５００の結晶性を向上することができる傾向にある。
【００５１】
次に、図６に示すように、ｎ型窒化物半導体層４００上に金属層３００を形成する。金属層３００は、たとえばスパッタ法またはメッキ法によって、ｎ型窒化物半導体層４００上に形成することができる。なお、本実施の形態においては、金属層３００は、ｎ型窒化物半導体層４００の上面だけでなく、ｎ型窒化物半導体層４００、ｉ型窒化物半導体層５００、バッファ層６００、多孔質層２および第１の基板１のそれぞれの側面にも形成されている。
【００５２】
このような金属層３００の具体的な例としては、厚さ４０ｎｍのＮｉ層、厚さ２００ｎｍのＰｔ層およびＡｕ層、ならびに厚さ８０ｎｍのＡｇ層をこの順序に積層した構成が挙げられる。
【００５３】
次に、図７に示すように、切削工具４を用いて第１の基板１を除去する。第１の基板１の除去は、たとえば第１の基板１と多孔質層２との界面近傍に切削工具４を押し当てて、当該界面近傍を切削工具４で切削することにより行なうことができる。切削工具４としては、たとえばタングステンカーバイトなどからなる切削工具を用いることができる。
【００５４】
多孔質層２はバッファ層６００よりヌープ硬度が低く、切削工具４は、バッファ層６００及び多孔質層２よりもヌープ硬度が高いことが好ましい。この場合には、切削工具４で多孔質層２を容易に削り取ることができるため、第１の基板１の剥離による除去が容易となる傾向にある。
【００５５】
ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、サファイアのヌープ硬度は、それぞれ、８５０ｋｇ／ｍｍ2、７３０ｋｇ／ｍｍ2、４３０〜５２０ｋｇ／ｍｍ2、および１５００〜１８００ｋｇ／ｍｍ2である。ＳＯＧ膜のヌープ硬度は孔の密度に依存する疎な膜質であり、４００ｋｇ／ｍｍ2以下である。したがって、たとえば、第１の基板１がサファイアからなり、多孔質層２がＳＯＧ膜であり、バッファ層６００がＧａＮまたはＡｌＧａＡｓからなる場合には、第１の基板１と多孔質層２との界面近傍にタングステンカーバイトからなる切削工具４を押し当てて、多孔質層２を削り取ることができる。
【００５６】
より具体的には、ダイプラ・ウィンテス社製ＳＡＩＣＡＳ(表面および界面切削加工装置)で、幅５ｍｍの切削工具を用いて、多孔質層２を幅５ｍｍ×長さ５ｍｍの大きさに削り取ることができる。なお、幅のより広い切削工具を用いた場合には、幅５ｍｍ以上の多孔質層２を削り取ることができる。
【００５７】
ここで、ヌープ硬度の測定方法は特に限定されないが、たとえばヌープかたさ試験機(Knoop  hardness)を用いてヌープ硬度を測定することができる。
【００５８】
次に、図８に示すように、金属層３００に第２の基板２００を貼り付ける。第２の基板２００は、たとえば銀ペーストなどを用いて金属層３００に貼り付けることができる。
【００５９】
第２の基板２００の材料は、特に限定されないが、たとえば、アルミナ系または酸化チタン系のセラミックであっても良いし、セラミックよりも軽量である雲母であっても良い。なかでも、第２の基板２００としては、耐熱性樹脂等の可撓性を有する基板を用いることが好ましい。第２の基板２００が耐熱性樹脂等の可撓性を有する基板であれば、可撓性を有する光電変換素子を作製することができる。
【００６０】
第２の基板２００の表面のうち金属層３００が貼り付けられた面とは反対側に位置する面（図８における第２の基板２００の下面）にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。この場合には、後述する工程においてバッファ層６００を王水で除去する場合に、Ａｇを含む金属膜を第２の基板２００の保護膜として用いることができる。たとえば、第２の基板２００の表面にＡｇ膜を形成した場合には、王水によってＡｇ膜の表面にＡｇＣｌの保護膜が形成されるので、第２の基板２００を除去せずに残すことができる傾向にある。また、第２の基板２００の表面にＡｇを含む金属膜が形成された場合には、後述するように、光電変換素子をモジュール化する場合に、当該金属膜を配線の接続部とすることができる。
【００６１】
次に、図９に示すように、バッファ層６００を除去する。バッファ層６００は、たとえば王水またはプラズマエッチングなどによって除去することができる。
【００６２】
次に、図１０に示すように、バッファ層６００の除去後に、ｉ型窒化物半導体層５００にｐ型窒化物半導体層５０２を形成する。ここで、ｐ型窒化物半導体層５０２は、たとえば、ｉ型窒化物半導体層５００の周縁領域をマスクするパターンを有するマスク５をイオン注入マスクとして、ｐ型不純物のイオン６をｉ型窒化物半導体層５００にイオン注入し、その後、ｉ型窒化物半導体層５００をアニールすることによって形成することができる。これにより、たとえば図１１に示すように、ｉ型窒化物半導体層５００の表面部であって周縁領域以外の領域に、ｐ型窒化物半導体層５０２を形成することができる。これにより、光電変換素子の端面部での電流リークを回避することができる。ここで、ｉ型窒化物半導体層５００の表面部とは、ｎ型窒化物半導体層４００が形成されているｉ型窒化物半導体層５００の表面側とは反対側を意味する。
【００６３】
ｐ型不純物のイオン６としては、たとえばマグネシウムのイオンなどを用いることができる。また、ｐ型不純物のイオン６の加速エネルギーは、たとえば３０ｋｅＶとすることができる。また、ｐ型窒化物半導体層５０２におけるｐ型不純物濃度は、特に限定されないが、たとえば１×１０17個／ｃｍ3以上２×１０19個／ｃｍ3以下とすることが好ましい。
【００６４】
また、ｉ型窒化物半導体層５００のアニールは、たとえば、８００℃の窒素雰囲気で、５分間行なうことが好ましい。
【００６５】
より具体的には、ｉ型窒化物半導体層５００の表面部であって周縁領域以外の領域に、約３０ｋｅＶの加速エネルギーでｐ型不純物のイオン６としてのマグネシウムイオンをイオン注入し、窒素雰囲気中、８００℃で５分間アニールを行なう。これにより、ｐ型不純物であるマグネシウム濃度が１×１０19個／ｃｍ3程度のｐ型窒化物半導体層５０２を形成することができる。
【００６６】
次に、図１１に示すように、ｐ型窒化物半導体層５０２上に透明電極層７００を形成する。透明電極層７００は、たとえばマグネトロンスパッタ法またはイオンプレーティング法によって、ｐ型窒化物半導体層５０２上に形成することができる。
【００６７】
透明電極層７００の材料は、特に限定されないが、亜鉛、インジウム、錫およびマグネシウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属の酸化物からなる単層または複数層の積層体を用いることが好ましい。
【００６８】
透明電極層７００の具体的な例としては、厚さ３２０ｎｍの２％のアルミニウムがドープされた酸化亜鉛が挙げられる。
【００６９】
なお、透明電極層７００上に集電電極を形成してもよい。集電電極としては、たとえば、ニッケル、白金、金および銀からなる群から選択された少なくとも１種からなる櫛形状の集電電極などを形成することができる。
【００７０】
以上により、本発明の光電変換素子の一例である実施の形態の大面積の光電変換素子１００を作製することができる。
【００７１】
このようにして作製された光電変換素子１００は、図１２に示すように、第２の基板２００と、第２の基板２００上に設けられた金属層３００と、金属層３００上に設けられたｎ型窒化物半導体層４００と、ｎ型窒化物半導体層４００上に設けられたｉ型窒化物半導体層５００と、ｉ型窒化物半導体層５００の表面部であって周縁領域以外の領域に設けられたｐ型窒化物半導体層５０２と、ｐ型窒化物半導体層５０２上に設けられた透明電極層７００とを備えている。なお、図１２は、実施の形態の光電変換素子１００の構成を示す模式的な断面図である。
【００７２】
光電変換素子１００においては、透明電極層７００側から入射し、透明電極層７００およびｐ型窒化物半導体層５０２を透過して、ｉ型窒化物半導体層５００に到達した光は、光吸収層としてのｉ型窒化物半導体層５００で吸収される。そして、ｉ型窒化物半導体層５００で発生したキャリアは、金属層３００および透明電極層７００から、光電変換素子１００の外部に取り出すことができる。なお、金属層３００は、ｎ型窒化物半導体層４００を透過してきた光をｉ型窒化物半導体層５００側に反射する反射層として機能させることができる。
【００７３】
たとえば図１３に示すように、上記のようにして作製された大面積の光電変換素子１００の複数を電気的に接続することによって、光電変換素子モジュール１０１を作製することができる。図１３は、実施の形態の光電変換素子モジュール１０１の構成を示す模式的な断面図である。
【００７４】
図１３に示す光電変換素子モジュール１０１は、背面板１１を備えた枠体１０と、枠体１０内にアレイ状に配列された複数の光電変換素子１００と、光電変換素子１００が電気的に直列または並列に接続された配線１２と、を備えている。また、枠体１０は、光電変換素子１００と配線１２とを外部環境および外部衝撃から保護するための封止材１３および保護材１４を備えている。
【００７５】
なお、光電変換素子モジュール１０１における光電変換素子１００の直列数および並列数は、光電変換素子モジュール１０１の定格電圧および定格電流に応じて定めることができる。
【００７６】
また、枠体１０の平面形状は、特に限定されず、たとえば、上記の四角形状以外にも、多角形状、円形状または楕円形状等の形状であってもよい。
【００７７】
また、第２の基板２００の材料に可撓性を有する材料を用いた場合には、車体等の曲面に光電変換素子１００を実装して軽量化した光電変換素子モジュール１０１を構成することができる。
【００７８】
上記の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１の作製においては、ｉ型窒化物半導体層５００およびｎ型窒化物半導体層４００の成長に用いた大面積の第１の基板１の除去を、従来のようにレーザー光の照射および基板の温度変化によって行なうのではなく、切削工具４を用いて行なっている。そのため、第１の基板１として大面積の基板を用いた場合でも、第１の基板１の除去を従来よりも容易に、かつ低コストで行なうことができることから、大面積の光電変換素子１００およびそれを用いた光電変換素子モジュール１０１を低コストで製造することができる。
【００７９】
また、上記の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１の作製においては、第１の基板１の上に多孔質層２を設けているので、切削工具４で多孔質層２を容易に削り取ることができる。つまり、第１の基板１の上に多孔質層２を設けることにより、第１の基板１の剥離による除去が容易となる。よって、第１の基板１として大面積の基板を用いた場合でも、第１の基板１の除去を従来よりも容易に、かつ低コストで行なうことができる。したがって、大面積の光電変換素子１００およびそれを用いた光電変換素子モジュール１０１を低コストで製造することができる。この効果は、多孔質層２およびバッファ層６００の各ヌープ硬度が切削工具４のヌープ硬度よりも低い場合に、顕著となる。
【００８０】
また、多孔質層２をパターンエッチングにより形成するときに使用されるマスクにおいては、多孔質層２を覆う領域または多孔質層２を露出する領域が隣り合う間隔は５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、除去面積比は５０％以上９０％以下であることが好ましい。これにより、多孔質層２の形成が容易となり、切削工具４による多孔質層２の削り取りがさらに容易となる。よって、第１の基板１の剥離による除去がさらに容易となる。したがって、第１の基板１として大面積の基板を用いた場合でも、第１の基板１の除去を従来よりもさらに容易且つ低コストで行なうことができる。
【００８１】
また、第１の基板１として、高価な窒化物半導体基板ではなく、再利用可能であって比較的安価なサファイア基板を用いた場合には、大面積の光電変換素子１００をさらに低コストで製造することができる。
【００８２】
さらに、実施の形態の光電変換素子１００には、光吸収層として、窒化物半導体結晶からなるｉ型窒化物半導体層５００を用いていることから、Ｓｉ等に比べ光吸収率が非常高く、光電変換素子１００を従来よりも薄く形成することができる。そのため、第２の基板２００の選択の自由度が向上し、可撓性を有し、かつ軽量の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１を形成することができる。
【００８３】
今回開示された実施の形態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。
【符号の説明】
【００８４】
１  第１の基板、２  多孔質層、４  切削工具、５  マスク、６  ｐ型不純物イオン、１０  枠体、１１  背面板、１２  配線、１３  封止材、１４  保護材、１５  マスク、６０  エキシマレーザー光、１００  光電変換素子、１０１  光電変換素子モジュール、２００  第２の基板、３００  金属層、４００，４０００  ｎ型窒化物半導体層、５００，５０００  型窒化物半導体層、５０２，６０００  ｐ型窒化物半導体層、６００  バッファ層、７００  透明電極層、１０００  サファイア基板、２０００  支持基板、３０００  パッド電極、８０００  保護膜。
【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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