JP2013033794A - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の変換効率をより向上できるようにする。
【解決手段】第２半導体層１０４は、複数のマスクパターン１０３の間の第１半導体層１０２の上よりエピタキシャル成長させ、かつ表面が平坦な状態となるまでエピタキシャル成長することで形成されている。このように成長させた第２半導体層１０４の上に、引き続いてエピタキシャル成長することで、第３半導体層１０５が形成されている。また、マスクパターン１０３の幅以下で各々のマスクパターン１０３の中央部に配置され、第２半導体層１０４の表面より少なくとも第２半導体層１０４の途中の深さまで形成された複数の溝部１３１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体を用いて作製される太陽電池およびその製造方法に関するものである。

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バンドギャップエネルギー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ＬＥＤ等に応用され、信号機や様々なディスプレイとして広く一般に使われている。また、窒化物半導体のバンドギャップエネルギー範囲は、太陽のスペクトル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うる材料として注目されている。

例えば、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、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のバンドギャップエネルギー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。

また、非特許文献２において、複数の異なるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルを６接合以上組み合わせることにより、５０％を超える高い発電効率を得られることが予測されている。

このように、窒化物半導体は超高効率太陽電池の実現に対する高いポテンシャルを有しており、国内外で開発が進められている。しかしながら、これまでに報告されている窒化物半導体から構成される太陽電池の変換効率は、最も高い報告値でたかだか３％に過ぎない（非特許文献３参照）。

この原因はいくつか考えられるが、最も本質的な原因として、太陽電池を構成する窒化物半導体層内に高密度に存在する貫通転位の存在が挙げられる。通常、窒化物半導体を成長する際に用いられる基板は、サファイア，シリコン，シリコンカーバイドが主だったものであるが、いずれも窒化物半導体とは異なる物質であり、格子定数・熱膨張係数に大きな不整合が存在する。これに起因して、成長した窒化物半導体層内には高密度（１０⁸〜１０¹⁰ｃｍ^-2）に貫通転位が発生する。窒化物半導体層における貫通転位は，光照射により発生した電子・正孔に対する再結合中心となるため、太陽電池動作における変換効率を低減させる方向に作用してしまう。

窒化物半導体層内の貫通転位密度を低減させる手段として、加工基板等を用いた選択再成長技術を応用したものがある。一例として、ＥＬＯＧ（Epitaxial Lateral Overgrowth）と呼ばれる手法がある。図７Ａ〜図７Ｄは、典型的なＥＬＯＧにおける成長の進行と転位の過程を示した断面図である。

ＥＬＯＧでは、まず、図７Ａに示すように、結晶基板７０１の上に、例えば、ＧａＮなどの窒化物半導体からなる半導体層７０２を形成し、半導体層７０２の上に、所定の間隔で、ＳｉＮなどの絶縁材料からなるマスクパターン７０３を形成する。マスクパターン７０３は、例えば、図７Ａの紙面手前より奥に向かって延在するストライプ状の形状である。

次に、ＧａＮをエピタキシャル成長させると、図７Ｂに示すように、複数のマスクパターン７０３の間の半導体層７０２の露出面より、成長層７０４が結晶基板７０１平面の法線方向に選択的に成長する。この成長を継続すると、図７Ｃに示すように、複数のマスクパターン７０３の配列方向（横方向）にも成長層７０４が成長し、マスクパターン７０３の上で横方向に成長してきた成長層７０４が合着する。この過程で、マスクパターン７０３の間より進行してきた転位７１１は、成長層７０４の成長により曲げられて転位７１２として進行し、合着部７１３で対向する成長層７０４に進行してきた転位７１２と結合する。このため、転位７１２は、これより上の層に進行することがない。

このように転位７１２が上層へ成長しない状態で、ＧａＮのエピタキシャル成長を継続すれば、図７Ｄに示すように、貫通転位が形成されない成長層７０５が、平坦化された状態に形成できる。このように、ＥＬＯＧによれば、横方向への成長により形成される合着部７１３より上の層に、転位密度の低い半導体層７０５を形成することが可能となる。実際にＥＬＯＧによって形成された低転位密度の半導体層は、高輝度発光ダイオードなどに応用されている。ただし、合着部７１３は、成長層７０５の成長とともに形成されていくため、合着部７１３には、表面にかけて巨大な欠陥が残る。

ここで、隣り合うマスクパターンの間の間隔は、エピタキシャル成長する層厚と同程度とするのが一般的であり、通常は、数ミクロン〜数十ミクロン程度である。従って、合着部も、マスクパターンと同程度の数ミクロン〜数十ミクロン程度の間隔で存在することになる。この合着部は、貫通転位と同様に、電子・正孔対の再結合中心となるため、デバイスの活性領域からは除くことが望ましい。発光ダイオードなどの素子では素子サイズは数ミクロン程度であり、合着部を避けて素子を作製することが可能であり、ＥＬＯＧなどによる転位密度低減の手段が効果的である。

L. Hsu and W. Walukiewicz, "Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, 024507, 2008. A,Yamamoto et al. , "Recent advances in InN-based solar cells: status and challenges in InGaN and InAlN solar cells", Phys. Status Solidi C 7, No.5, pp.1309-1316, 2010. R.Dahal et al. , "InGaN/GaN multiple quantum well concentrator solar cells",Journal of Applied Physics, vol.97, 073115, 2010.

しかしながら、太陽電池では、可能な範囲で大面積に形成することが望まれており、素子サイズは小さくても数ミリ角程度となる。このため、ＥＬＯＧなどによって転位密度を低減させても、数ミクロン〜数十ミクロン間隔の合着部の影響を避けることができず、結果として、変換効率を向上させることが難しいという問題がある。

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、太陽電池の変換効率をより向上できるようにすることを目的とする。

本発明に係る太陽電池は、結晶基板の上に形成された窒化物半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に所定の間隔で配列して形成された絶縁材料からなる複数のマスクパターンと、複数のマスクパターンの間の第１半導体層の上に第１導電型のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）をエピタキシャル成長させて形成した第１導電型の第２半導体層と、第２半導体層の上に形成された第２導電型のＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）からなる第２導電型の第３半導体層と、マスクパターンの幅以下で各々のマスクパターンの中央部に配置され、第２半導体層の表面より少なくとも第２半導体層の途中の深さまで形成された複数の溝部と、第２半導体層および第３半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きな材料から構成されて各々の溝部の側面に接して設けられた障壁層と、第３半導体層に接続する第１電極と、第２半導体層に接続する第２電極とを少なくとも備え、第２半導体層は、表面が平坦な状態になるまでエピタキシャル成長することで形成されている。

上記第２半導体層および第３半導体層はＣ軸方向にエピタキシャル成長されたものであり、マスクパターンは、第１半導体層のＭ面に平行な方向に延在するストライプ形状とされていればよい。

上記太陽電池において、第１電極は、溝の内部に配置されて第２半導体層に接続して形成されていればよい。

また、本発明に係る太陽電池の製造方法は、結晶基板の上に窒化物半導体からなる第１半導体層を形成する第１工程と、第１半導体層の上に所定の間隔で配列する絶縁材料からなる複数のマスクパターンを形成する第２工程と、複数のマスクパターンの間の第１半導体層の上に第１導電型のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）を表面が平坦な状態になるまでエピタキシャル成長させて第１導電型の第２半導体層を形成する第３工程と、第２半導体層の上に第２導電型のＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）からなる第２導電型の第３半導体層を形成する第４工程と、第２半導体層の表面より少なくとも第２半導体層の途中の深さまで複数の溝部をマスクパターンの幅以下で各々のマスクパターンの中央部に配置して形成する第５工程と、第２半導体層および第３半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きな材料の障壁層を各々の溝部の側面に接して形成する第６工程と、第３半導体層に接続する第１電極を形成する第７工程と、第２半導体層に接続する第２電極を形成する第８工程とを少なくとも備える。

上記太陽電池の製造方法において、第２半導体層および第３半導体層はＣ軸方向にエピタキシャル成長し、マスクパターンは、第１半導体層のＭ面に平行な方向に延在するストライプ形状に形成する。

上記太陽電池の製造方法において、第１電極は、溝の内部に配置して第２半導体層に接続して形成する。

以上説明したように、本発明によれば、マスクパターンを形成した状態で成長させた第２半導体層および第３半導体層に、マスクパターン上に位置する溝部を形成するようにしたので、太陽電池の変換効率がより向上できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１における太陽電池の平面図である。 図３は、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５から障壁層１０６にかけてのバンド状態を示すバンド図である。 図４は、本発明の実施の形態２における太陽電池の構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２における太陽電池の構成を示す平面図である。 図６は、本発明の実施の形態２における他の太陽電池の構成を示す断面図である。 図７Ａは、典型的なＥＬＯＧにおける成長の進行と転位の過程を示した断面図である。 図７Ｂは、典型的なＥＬＯＧにおける成長の進行と転位の過程を示した断面図である。 図７Ｃは、典型的なＥＬＯＧにおける成長の進行と転位の過程を示した断面図である。 図７Ｄは、典型的なＥＬＯＧにおける成長の進行と転位の過程を示した断面図である。

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。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１および図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池の構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における太陽電池の平面図である。

この太陽電池は、例えば、サファイアなどの結晶基板１０１の上に形成された窒化物半導体（例えばＧａＮ）からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に所定の間隔で配列して形成された絶縁材料からなる複数のマスクパターン１０３と、第１半導体層１０２，マスクパターン１０３の上に形成された第１導電型のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる第１導電型の第２半導体層１０４と、第２半導体層１０４の上に形成された第２導電型のＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）からなる第２導電型の第３半導体層１０５とを備える。第２半導体層１０４および第３半導体層１０５は、Ｃ軸方向にエピタキシャル成長されたものであればよい。

第２半導体層１０４は、複数のマスクパターン１０３の間の第１半導体層１０２の上よりエピタキシャル成長させ、かつ表面が平坦な状態となるまでエピタキシャル成長することで形成されている。このように成長させた第２半導体層１０４の上に、引き続いてエピタキシャル成長することで、第３半導体層１０５が形成されている。第２半導体層１０４は、例えば、シリコンを導入することでｎ型（キャリア濃度1×１０¹⁹ｃｍ^-3）とされたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから構成され、層厚２０００ｎｍ程度に形成されている。また、第３半導体層１０５は、Ｍｇを導入することでｐ型（５×１０¹⁷ｃｍ^-3）とされたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから構成され、層厚２０００ｎｍ程度に形成されている。この場合、第１導電型がｎ型となり、第２導電型がｐ型となる。

また、本実施の形態における太陽電池は、マスクパターン１０３の幅以下で各々のマスクパターン１０３の中央部に配置され、第２半導体層１０４の表面より少なくとも第２半導体層１０４の途中の深さまで形成された複数の溝部１３１を備える。加えて、各々の溝部１３１の側面に接して設けられた、例えばＧａＮから構成された障壁層１０６を備える。障壁層１０６は、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５よりバンドギャップエネルギーの大きな材料から構成されていればよい。

なお、第１電極１０７が、第３半導体層１０５に接続して形成され、第２電極１０８が、第２半導体層１０４に接続して形成されている。例えば、図２に示すように、櫛歯型の第１電極１０７が、第３半導体層１０５の上に形成され、第３半導体層１０５の側より光が入射可能としている。また、一部の第３半導体層１０５を除去することで形成した第２半導体層１０４の露出領域において、第２電極１０８が形成されている。第１電極１０７は、Ｎｉ／Ａｕから構成すればよい。また、第２電極１０８は、Ｔｉ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕから構成すればよい。

また、マスクパターン１０３は、例えば、ＳｉＮから構成され、幅は３０μｍ程度に形成されている。また、隣り合うマスクパターン１０３の間隔は７０μｍとされている。マスクパターン１０３は、例えば、第１半導体層１０２のＭ面に平行な方向に延在するストライプ形状とされていればよい。なお、本実施の形態における太陽電池のセルサイズは、１０ｍｍ角程度である。

ここで、製造方法について簡単に説明すると、まず、結晶基板１０１の上に、公知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの結晶成長法により、第１半導体層１０２を形成する。第１半導体層１０２は、この表面が平坦な状態になるまで形成すればよい。

次に、例えばスパッタ法などにより、第１半導体層１０２の上にＳｉＮ膜を形成し、このＳｉＮ膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、マスクパターン１０３を形成する。次に、上述同様に結晶成長法により、マスクパターン１０３の間の第１半導体層１０２の上に、第２半導体層１０４を選択成長させる。この選択成長においては、第２半導体層１０４の表面が平坦な状態となるまで行う。

次に、上述同様の結晶成長法により、第２半導体層１０４の上に第３半導体層１０５をエピタキシャル成長して形成する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、溝部１３１を形成する。本実施の形態では、例えば、マスクパターン１０３に到達する溝部１３１を形成する。なお、溝部１３１は、マスクパターン１０３に到達するまで形成する必要ない。

次に、溝部１３１以外の領域の第３半導体層１０５の上に、例えば、ＳｉＮからなる選択成長マスクを形成する。この状態で、溝部１３１に、上述同様の結晶成長法によりＧａＮを成長させ、溝部１３１を充填するように障壁層１０６を形成する。障壁層１０６を形成したら、選択成長マスクは除去する。なお、障壁層１０６は、溝部１３１の側壁など、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５が溝部１３１の内部で露出しない状態に形成すればよく、充填する必要はない。

この後、蒸着法およびリフトオフ法により第１電極１０７を形成する。また、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により一部の第３半導体層１０５を除去して一部の第２半導体層１０４を露出させ、この露出領域に第２電極１０８を形成する。

上述した本実施の形態における太陽電池では、第２半導体層１０４を、マスクパターン１０３を用いた選択成長により第１半導体層１０２の上にエピタキシャル成長させているところに第１の特徴がある。

加えて、本実施の形態では、マスクパターン１０３の上部に溝部１３１を備えているところに第２の特徴がある。

まず、第１の特徴により、前述したＥＬＯＧによるエピタキシャル成長と同様に、第２半導体層１０４の成長初期段階の部分において、第１半導体層１０２との界面より成長する転位（貫通転位）が、マスクパターン１０３上への横成長とともに基板平面方向に進行するものとなり、これより上の層に成長していくことが抑制されるようになる。この結果、表面が平坦な状態となるまでエピタキシャル成長することで形成された第２半導体層１０４においては、上層部分には貫通転位が存在しない状態となる。この結果、貫通転位の存在による太陽電池の変換効率の低下が抑制できるようになる。

しかしながら、ＥＬＯＧの説明においても示したように、マスクパターン１０３上への横方向成長により、マスクパターン１０３の上の中央部には、合着部が形成され、貫通転位と同様に太陽電池の変換効率の低下を招く原因となる。これに対し、第２の特徴により、マスクパターン１０３の上に溝部１３１を形成しているので、合着部が除去されるようになる。この結果、合着部の存在による太陽電池の変換効率の低下が抑制できるようになる。なお、このように、合着部を除去することが溝部１３１の目的であり、溝部１３１の形成によりマスクパターン１０３の上に形成される合着部が除去できればよい。従って、溝部１３１は、マスクパターン１０３の幅方向には、全域に形成する必要はない。

加えて、本実施の形態では、溝部１３１の側面に障壁層１０６を接して設けている。このため、図３のバンド図に示すように、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５からなるｐｎ接合部で光照射により発生した電子および正孔対が、障壁層１０６の側には移動することができない状態となる。この結果、光照射により発生した光励起キャリアは、溝部１３１の側に侵入することがなく、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５に留まることになる。この結果、溝部１３１の表面が露出している場合に、この表面に形成される準位に光励起キャリアがトラップされることなどが抑制できるようになる。

[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における太陽電池の構成を示す断面図である。

この太陽電池は、例えば、サファイアなどの結晶基板４０１の上に形成された窒化物半導体（例えばＧａＮ）からなる第１半導体層４０２と、第１半導体層４０２の上に所定の間隔で配列して形成された絶縁材料からなる複数のマスクパターン４０３と、第１半導体層４０２，マスクパターン４０３の上に形成された第１導電型のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる第１導電型の第２半導体層４０４と、第２半導体層４０４の上に形成された第２導電型のＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）からなる第２導電型の第３半導体層４０５とを備える。実施の形態２においても、第２半導体層４０４および第３半導体層４０５は、Ｃ軸方向にエピタキシャル成長されたものであればよい。

第２半導体層４０４は、複数のマスクパターン４０３の間の第１半導体層４０２の上よりエピタキシャル成長させ、かつ表面が平坦な状態となるまでエピタキシャル成長することで形成されている。このように成長させた第２半導体層４０４の上に、引き続いてエピタキシャル成長することで、第３半導体層４０５が形成されている。第２半導体層１０４は、例えば、シリコンを導入することでｎ型（キャリア濃度1×１０¹⁹ｃｍ^-3）とされたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから構成され、層厚２０００ｎｍ程度に形成されている。また、第３半導体層４０５は、Ｍｇを導入することでｐ型（５×１０¹⁷ｃｍ^-3）とされたＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから構成され、層厚２０００ｎｍ程度に形成されている。この場合、第１導電型がｎ型となり、第２導電型がｐ型となる。

また、実施の形態２における太陽電池は、マスクパターン４０３の幅以下で各々のマスクパターン４０３の中央部に配置され、第２半導体層４０４の表面より少なくとも第２半導体層４０４の途中の深さまで形成された複数の溝部４３１を備える。また、各々の溝部４３１の側面に接して設けられた、酸化シリコンかなる障壁層４０６を備える。障壁層４０６は、第２半導体層４０４および第３半導体層４０５よりバンドギャップエネルギーの大きな材料から構成されていればよい。

また、一部の障壁層４０６を除去することで第２半導体層４０４に接続させて形成した第２電極４０７を備える。また、障壁層４０６の内側の溝領域４３２を充填する絶縁層４０８を備える。絶縁層４０８は、例えば、ポリイミドなどの樹脂から構成することが可能である。なお、第２電極４０７は、Ｔｉ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕから構成すればよい。

なお、第１電極４０９が、第２半導体層４０４に接続して形成されている。第１電極４０９は、Ｎｉ／Ａｕから構成すればよい。実施の形態２では、図５の平面図に示すように、第３半導体層４０５の内側の所定の領域に、第１電極４０９が形成されている。また、上述したように、各々の溝部４３１に配置した複数の第２電極４０７は、図５に示すように、太陽電池４００の側部４７１に引き出して外部に接続すればよい。実施の形態２においては、結晶基板４０１の側より光が入射する構成としている。実施の形態２における太陽電池のセルサイズは、１０ｍｍ角程度である。

また、マスクパターン４０３は、例えば、ＳｉＮから構成され、幅は３０μｍ程度に形成されている。また、隣り合うマスクパターン４０３の間隔は７０μｍとされている。マスクパターン４０３は、例えば、第１半導体層４０２のＭ面に平行な方向に延在するストライプ形状とされていればよい。

ここで、製造方法について簡単に説明すると、まず、結晶基板４０１の上に、公知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの結晶成長法により、第１半導体層４０２を形成する。第１半導体層４０２は、この表面が平坦な状態になるまで形成すればよい。

次に、例えばスパッタ法などにより、第１半導体層４０２の上にＳｉＮ膜を形成し、このＳｉＮ膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、マスクパターン４０３を形成する。次に、上述同様に結晶成長法により、マスクパターン４０３の間の第１半導体層４０２の上に、第２半導体層４０４を選択成長させる。この選択成長においては、第２半導体層４０４の表面が平坦な状態となるまで行う。

次に、上述同様の結晶成長法により、第２半導体層４０４の上に第３半導体層４０５をエピタキシャル成長して形成する。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、溝部４３１を形成する。実施の形態２では、例えば、第２半導体層４０４の層厚方向に途中まで溝部４３１を形成する。この場合、溝部４３１の下部には、合着部（不図示）が残ることになる。

次に、スパッタ法およびリフトオフ法により、溝部４３１の側部および底部に選択的に酸化シリコンの層を形成することで、障壁層４０６を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、溝部４３１の底部の障壁層４０６に、貫通孔を形成する。次に、スパッタ法およびリフトオフ法により、上記貫通孔の底部の第２半導体層４０４に接続する第２電極４０７を形成する。

次に、障壁層４０６の内側の溝領域４３２に、ポリイミド樹脂を充填することで、絶縁層４０８を形成する。例えば、ポジ型の感光性を有するポリイミド樹脂を塗布して樹脂膜を形成し、溝領域４３２以外の樹脂膜に光を照射する露光を行い、この後、樹脂膜を現像すれば、溝領域４３２に樹脂膜を残すことができる。この後、加熱して樹脂膜を硬化させれば、絶縁層４０８が形成できる。この後、蒸着法およびリフトオフ法により第１電極４０９を形成する。

上述した実施の形態２における太陽電池でも、第２半導体層４０４を、マスクパターン４０３を用いた選択成長により第１半導体層４０２の上にエピタキシャル成長させているところに第１の特徴がある。

加えて、実施の形態２でも、マスクパターン４０３の上部に溝部４３１を備えているところに第２の特徴がある。

まず、第１の特徴により、前述したＥＬＯＧによるエピタキシャル成長と同様に、第２半導体層４０４の成長初期段階の部分において、第１半導体層４０２との界面より成長する転位（貫通転位）が、マスクパターン４０３上への横成長とともに基板平面方向に進行するものとなり、これより上の層に成長していくことが抑制されるようになる。この結果、表面が平坦な状態となるまでエピタキシャル成長することで形成された第２半導体層４０４においては、上層部分には貫通転位が存在しない状態となる。この結果、貫通転位の存在による太陽電池の変換効率の低下が抑制できるようになる。

しかしながら、ＥＬＯＧの説明においても示したように、マスクパターン４０３上への横方向成長により、マスクパターン４０３の上の中央部には、合着部が形成され、貫通転位と同様に太陽電池の変換効率の低下を招く原因となる。これに対し、第２の特徴により、マスクパターン４０３の上に溝部４３１を形成しているので、合着部が除去されるようになる。この結果、合着部の存在による太陽電池の変換効率の低下が抑制できるようになる。

加えて、実施の形態２でも、溝部４３１の側面に障壁層４０６を接して設けている。このため、前述した実施の形態１と同様に、第２半導体層４０４および第３半導体層４０５からなるｐｎ接合部で光照射により発生した電子および正孔対が、障壁層４０６の側には移動することができない状態となる。この結果、光照射により発生した光励起キャリアは、溝部４３１の側に侵入することがなく、第２半導体層４０４および第３半導体層４０５に留まることになる。この結果、溝部４３１の表面が露出している場合に、この表面に形成される準位に光励起キャリアがトラップされることなどが抑制できるようになる。

また、実施の形態２では、電極が形成されていない結晶基板４０１より光を入射させるので、より多くの光を導入することが可能となる。

ところで、第１半導体層４０２の側より光を導入する構成では、結晶基板４０１に透光性がない場合、第２半導体層４０４および第３半導体層４０５よりなる光電変換部（太陽電池構造）に光を入射させることができない状態となる。例えば、結晶基板４０１をシリコンから構成する場合である。このような場合、図６に示すように、第１電極４０９を形成してある側に，ガラスなどからなる支持基板４１０を接着する構成とすればよい。この構成とすれば、第１半導体層４０２を成長させるために用いた結晶基板を除去することができ、光透過性が低い結晶基板であっても用いることが可能となる。

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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、ｐ型のＩｎＧａＮの層とｎ型のＩｎＧａＮの層との２層で太陽電池構造を形成しているが、これに限るものではなく、２つの層の間にアンドープＩｎＡｌＧａＮを備える構成としてもよい。アンドープの層としては、ｐ型の層およびｎ型の層と同じ材料、もしくはバンドギャップエネルギーの小さい材料から構成すればよい。また、第１半導体層は、第２半導体層と同じ窒化物半導体から構成してもよい。

また、障壁層を構成する材料としては、アンドープのＧａＮおよび酸化シリコンを用いているが、これに限るものではなく、第２半導体層および第３半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体（例えばＡｌＧａＮなど）、また、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁材料から構成してもよい。また、絶縁基板は、シリコンカーバイド基板、ＧａＮ基板であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。なお、サファイア基板以外の導電性の結晶基板を用いる場合、マスクパターンの上に形成する溝部は、マスクパターンおよび第１半導体層を貫通して結晶基板にまで達するようにしてもよい。

また、上述では、結晶基板の側にｎ型の半導体層を配置するようにしたが、これに限るものではなく、結晶基板の側にｐ型の半導体層を配置するようにしてもよい。この場合、第１導電型がｐ型となり、第２導電型がｎ型となる。

１０１…結晶基板、１０２…第１半導体層、１０３…マスクパターン、１０４…第２半導体層、１０５…第３半導体層、１０６…障壁層、１０７…第１電極、１０８…第２電極、１３１…溝部。

Claims (6)

1. 結晶基板の上に形成された窒化物半導体からなる第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に所定の間隔で配列して形成された絶縁材料からなる複数のマスクパターンと、
   複数の前記マスクパターンの間の前記第１半導体層の上に第１導電型のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）をエピタキシャル成長させて形成した第１導電型の第２半導体層と、
   前記第２半導体層の上に形成された第２導電型のＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）からなる第２導電型の第３半導体層と、
   前記マスクパターンの幅以下で各々の前記マスクパターンの中央部に配置され、前記第２半導体層の表面より少なくとも前記第２半導体層の途中の深さまで形成された複数の溝部と、
   前記第２半導体層および前記第３半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きな材料から構成されて各々の前記溝部の側面に接して設けられた障壁層と、
   前記第３半導体層に接続する第１電極と、
   前記第２半導体層に接続する第２電極と
   を少なくとも備え、
   前記第２半導体層は、表面が平坦な状態になるまでエピタキシャル成長することで形成されている
   ことを特徴とする太陽電池。
2. 請求項１記載の太陽電池において、
   前記第２半導体層および前記第３半導体層はＣ軸方向にエピタキシャル成長されたものであり、
   前記マスクパターンは、前記第１半導体層のＭ面に平行な方向に延在するストライプ形状とされていることを特徴とする太陽電池。
3. 請求項１または２記載の太陽電池において、
   前記第１電極は、前記溝の内部に配置されて前記第２半導体層に接続して形成されていることを特徴とする太陽電池。
4. 結晶基板の上に窒化物半導体からなる第１半導体層を形成する第１工程と、
   前記第１半導体層の上に所定の間隔で配列する絶縁材料からなる複数のマスクパターンを形成する第２工程と、
   複数の前記マスクパターンの間の前記第１半導体層の上に第１導電型のＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）を表面が平坦な状態になるまでエピタキシャル成長させて第１導電型の第２半導体層を形成する第３工程と、
   前記第２半導体層の上に第２導電型のＩｎ_x'Ａｌ_y'Ｇａ_1-x'-y'Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦１，０≦ｘ’＋ｙ’≦１）からなる第２導電型の第３半導体層を形成する第４工程と、
   前記第２半導体層の表面より少なくとも前記第２半導体層の途中の深さまで複数の溝部を前記マスクパターンの幅以下で各々の前記マスクパターンの中央部に配置して形成する第５工程と、
   前記第２半導体層および前記第３半導体層よりバンドギャップエネルギーの大きな材料の障壁層を各々の前記溝部の側面に接して形成する第６工程と、
   前記第３半導体層に接続する第１電極を形成する第７工程と、
   前記第２半導体層に接続する第２電極を形成する第８工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする太陽電池の製造方法。
5. 請求項４記載の太陽電池の製造方法において、
   前記第２半導体層および前記第３半導体層はＣ軸方向にエピタキシャル成長し、
   前記マスクパターンは、前記第１半導体層のＭ面に平行な方向に延在するストライプ形状に形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。
6. 請求項４または５記載の太陽電池の製造方法において、
   前記第１電極は、前記溝の内部に配置して前記第２半導体層に接続して形成することを特徴とする太陽電池の製造方法。