JP2013062360A - 光電変換素子 - Google Patents

光電変換素子 Download PDF

Info

Publication number
JP2013062360A
JP2013062360A JP2011199604A JP2011199604A JP2013062360A JP 2013062360 A JP2013062360 A JP 2013062360A JP 2011199604 A JP2011199604 A JP 2011199604A JP 2011199604 A JP2011199604 A JP 2011199604A JP 2013062360 A JP2013062360 A JP 2013062360A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nitride semiconductor
type nitride
layer
semiconductor layer
intervening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011199604A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5405545B2 (ja
Inventor
Yuichi Sano
雄一 佐野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2011199604A priority Critical patent/JP5405545B2/ja
Priority to PCT/JP2012/069323 priority patent/WO2013038822A1/ja
Publication of JP2013062360A publication Critical patent/JP2013062360A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5405545B2 publication Critical patent/JP5405545B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
    • H01L31/1848—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P comprising nitride compounds, e.g. InGaN, InGaAlN
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/056—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means the light-reflecting means being of the back surface reflector [BSR] type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/075—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PIN type, e.g. amorphous silicon PIN solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

【課題】フォトキャリアの発生量そのものを増加させることにより短絡電流が大きく光電変換効率が高い光電変換素子を提供すること。
【解決手段】本発明に係る光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層の上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、ｉ型窒化物半導体層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層とがｐｉｎ接合されてなる。この光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層とｉ型窒化物半導体層との間に設けられ、構成元素の種類がｉ型窒化物半導体層とは同一である一方、構成元素の組成比がｉ型窒化物半導体層とは異なる介在層をさらに備えている。介在層のＩｎ組成比は、ｉ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換素子に関し、特に短絡電流を向上させた光電変換素子に関する。
シリコンを素材とする光電変換素子は、シリコンのバンドギャップエネルギーが１．１〜１．８ｅＶであるため、０．５μｍ以下の短波長領域の光に対して感度に優れない。そのため、シリコンを素材とする光電変換素子には、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。
ところが、ＡｌaＩｎbＧａ(1-a-b)Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される窒化物半導体材料は、そのバンドギャップエネルギーが組成比ａ及びｂに対応して０．７ｅＶ〜６．０ｅＶという極めて広い範囲で変化するため、０．５μｍ以下の短波長領域の光に対しても感度に優れる。そのため、窒化物半導体材料は、次世代光電変換素子に活用すべく大変注目されている。
窒化物半導体材料からなる層は、通常、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、分子線気相成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、またはパルスレーザーデポジション（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）法などの気相成長法を用いて、基板上に形成される。
窒化物半導体材料は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）またはレーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの発光素子用の材料として好適であるため、開発が盛んに行われてきた経緯がある。また、窒化物半導体材料は、上述のようにバンドギャップについて解明されたこともあって、次世代光電変換素子として鋭意研究されている。
APPLIED PHYSICS LETTERS vol.89 211907 (2006) PHYSICAL REVIEW B vol.78 pp.233303-1〜233303-4 (2008) Japanese Journal of Applied Physics vol.45 No.22 2006 pp.L549〜L551
光電変換素子は、格子定数が異なる複数の層から構成されている。そのため、それぞれの層の界面に格子欠陥が形成されること、および／または格子定数の差に起因して層に圧縮応力または引っ張り応力が発生することなどの理由から、圧電電界が発生する。圧電電界の発生により内部電界が減少するため、光電変換素子として活用したときには短絡電流が小さくなるおそれがあった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フォトキャリアの発生量そのものを増加させることにより短絡電流が大きく光電変換効率が高い光電変換素子を提供することにある。
本発明に係る光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層の上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、ｉ型窒化物半導体層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層とがｐｉｎ接合されてなる。この光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層とｉ型窒化物半導体層との間に設けられ、構成元素の種類がｉ型窒化物半導体層とは同一である一方、構成元素の組成比がｉ型窒化物半導体層とは異なる介在層をさらに備えている。介在層のＩｎ組成比は、ｉ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも低い。
介在層は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる複数の半導体層が積層されて構成されていても良い。このとき、複数の半導体層は、ｉ型窒化物半導体層からｎ型窒化物半導体層へ向かうにつれてバンドギャップエネルギーが高くなるように配置されていれば良い。
ｉ型窒化物半導体層がＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなるとき、介在層は、ＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（０≦ｘ≦１、０＜ｚ≦１、０＜ｘ＋ｚ≦１、０＜ｚ＜ｙ）からなる単層であっても良いし、ｎ型窒化物半導体層の上にＡｌxＩｎznＧａ(1-x-zn)Ｎ層、ＡｌxＩｎz(n-1)Ｇａ(1-x-z(n-1))Ｎ層、・・・、ＡｌxＩｎz2Ｇａ(1-x-z2)Ｎ層、およびＡｌxＩｎz1Ｇａ(1-x-z1)Ｎ層（０＜ｚｎ＜ｚ（ｎ−１）＜・・・＜ｚ２＜ｚ１＜ｙ、但しｎは自然数であり、ｎ≧４）が順に積層された積層構造を有しても良い。
介在層は、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の単層であっても良いし、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の層が積層された積層構造を有しても良い。
本発明に係る光電変換素子は、ｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設けられ、構成元素の種類がｉ型窒化物半導体層とは同一である一方、構成元素の組成比がｉ型窒化物半導体層とは異なる第２の介在層を備えていることが好ましい。このとき、第２の介在層のＩｎ組成比は、ｉ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも低いことが好ましい。
第２の介在層は、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の第２の半導体層が積層されて構成されていることが好ましい。複数の第２の半導体層は、ｉ型窒化物半導体層からｐ型窒化物半導体層へ向かうにつれてＩｎ組成比が低くなるように配置されていることが好ましい。
第２の介在層は、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の単層であっても良いし、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の層が積層された積層構造を有しても良い。
第２の介在層は、ＡｌxＩｎwＧａ(1-x-w)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｗ≦１、０＜ｘ＋ｗ≦１）からなれば良い。
ｎ型窒化物半導体層のＡｌ組成比は介在層のＡｌ組成比よりも高いことが好ましく、ｎ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は介在層のＩｎ組成比よりも低いことが好ましい。ｎ型窒化物半導体層の絶対屈折率値は、介在層の絶対屈折率値よりも小さいことが好ましい。
ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比は第２の介在層のＡｌ組成比よりも高いことが好ましく、ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は第２の介在層のＩｎ組成比よりも低いことが好ましい。ｐ型窒化物半導体層の絶対屈折率値は、第２の介在層の絶対屈折率値よりも小さいことが好ましい。ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは、第２の介在層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。
ｐ型窒化物半導体層の上面上には、透明導電膜が設けられていることが好ましい。透明導電膜は、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＭｇのうちの少なくとも１つを含む単層であっても良いし、当該単層が積層された積層構造を有していても良い。また、透明導電膜は、２．３よりも小さな絶対屈折率値を有していれば良く、２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚を有していれば良い。
ｎ型窒化物半導体層、ｉ型窒化物半導体層、およびｐ型窒化物半導体層は、この順で基板の上面上に結晶成長されていれば良い。基板は、ＡｌpＩｎqＧａ(1-p-q)Ｎ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、およびＺｒＢ2のいずれかからなれば良い。
基板の下面上には、光反射層が設けられていることが好ましい。光反射層は、Ａｇからなる単層であれば良く、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜厚を有していれば良い。
本発明に係る光電変換素子では、フォトキャリアの発生量そのものが増加するため、短絡電流が大きくなり、また光電変換効率が高くなる。
本発明の一実施形態に係る光電変換素子の側面図である。 本発明の一実施形態に係る光電変換素子のエネルギーバンド図である。 本発明の一実施形態に係る光電変換素子に生じる応力および電界の向きを示す図である。 ｉ型窒化物半導体層の規格化されたＰＬ（photo luminesence）スペクトルを示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る光電変換素子のエネルギーバンド図である。 本発明の別の実施形態に係る光電変換素子のエネルギーバンド図である。 オージェ電子分光法によるＩｎ濃度の深さ方向分布を示すグラフである。 波長に対する光反射層の反射率の関係を示すグラフである。
以下、本発明の光電変換素子について図面を用いて説明する。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。さらに、本発明は、以下に示す事項に限定されない。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光電変換素子１の側面図である。図２は、本実施形態に係る光電変換素子１におけるエネルギーバンド図（ｎ側）である。図３は、本実施形態に係る光電変換素子１に生じる応力および電界の向きを示す図である。図４は、ｉ型窒化物半導体層の規格化されたＰＬスペクトルを示すグラフである。図５は、本実施形態に係る光電変換素子１におけるエネルギーバンド図（ｐ側）である。なお、図２および図３では、第２の介在層１９を図示していない。
＜光電変換素子の構成＞
本実施形態に係る光電変換素子１は、ｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７とｐ型窒化物半導体層２１とがｐｉｎ接合されてなる。具体的には、図１に示すように、光電変換素子１では、基板１１の上面上に、ｎ型窒化物半導体層１３、介在層１５、ｉ型窒化物半導体層１７、第２の介在層１９、ｐ型窒化物半導体層２１、および透明導電膜２３がこの順に積層されており、基板１１の下面上に光反射層２５が設けられている。このような光電変換素子１では、光（たとえば太陽光）１０１がｐ型窒化物半導体層２１側から入射され、この入射光１０１がｉ型窒化物半導体層１７で吸収される。これにより、フォトキャリア（電子および正孔）が形成され、電子はｎ型窒化物半導体層１３の伝導帯へ拡散し、正孔はｐ型窒化物半導体層２１の価電子帯へ拡散する。
＜基板＞
基板１１は、その材料に特に限定されないが、たとえば、ＡｌpＩｎqＧａ(1-p-q)Ｎ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、およびＺｒＢ2のいずれかからなれば良く、好ましくはＡｌpＩｎqＧａ(1-p-q)Ｎからなることである。基板１１は、その膜厚に特に限定されないが、たとえば０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の膜厚を有していれば良い。
＜ｎ型窒化物半導体層＞
ｎ型窒化物半導体層１３は、ｉ型窒化物半導体層１７および介在層１５のそれぞれよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していれば良く、その材料に特に限定されない。ｎ型窒化物半導体層１３は、たとえばＳｉ、Ｐ、Ａｓ、またはＳｂなどのｎ型不純物がＡｌsＩｎtＧａ(1-s-t)Ｎ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、０＜ｓ＋ｔ≦１）層にドーピングされた層であれば良く、好ましくはＳｉがＧａＮ層にドーピングされた層である。ｎ型窒化物半導体層１３におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されないが、１×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であれば良い。
＜ｉ型窒化物半導体層＞
ｉ型窒化物半導体層１７は、光電変換素子１に入射された光（入射光）１０１を吸収してフォトキャリア（電子および正孔）を発生させる。このようなｉ型窒化物半導体層１７は、介在層１５およびｎ型窒化物半導体層１３のそれぞれよりも小さなバンドギャップエネルギーを有していれば良く、その材料に特に限定されない。ｉ型窒化物半導体層１７は、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層からなる単層であっても良いし、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ層を発光層とするＭＱＷ（多重量子井戸）構造であっても良いし、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ層を発光層とするＳＱＷ（単一量子井戸）構造であっても良い。
ｉ型窒化物半導体層１７の膜厚は、特に限定されない。しかし、この膜厚が大きすぎると、ｎ型窒化物半導体層１３とｐ型窒化物半導体層２１とで作られる内部電界がｉ型窒化物半導体層１７に十分に印加されない場合がある。そのため、ｉ型窒化物半導体層１７の膜厚は、たとえば４００ｎｍ以下が好ましい。
＜ｐ型窒化物半導体層＞
ｐ型窒化物半導体層２１は、ｉ型窒化物半導体層１７よりも第２の介在層１９よりも大きなバンドギャップエネルギーを有していれば良く、その材料に特に限定されない。ｐ型窒化物半導体層２１は、たとえばＢｅまたはＭｇなどのｐ型不純物がＡｌuＩｎvＧａ(1-u-v)Ｎ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０＜ｕ＋ｖ≦１）層にドーピングされた層であれば良く、好ましくはＭｇがＧａＮ層にドーピングされた層である。ｐ型窒化物半導体層２１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１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下であれば良い。
＜介在層＞
介在層１５は、構成元素の種類がｉ型窒化物半導体層１７と同一である一方、構成元素の組成比がｉ型窒化物半導体層１７とは異なるように構成されている。介在層１５のバンドギャップエネルギーＥｇzは、図２に示すように、ｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギーＥｇyよりも大きく、ｎ型窒化物半導体層１３のバンドギャップエネルギーＥｇ0よりも小さい。窒化物半導体層のＩｎ組成比が高くなるとそのバンドギャップエネルギーが小さくなることを考慮すれば、ｎ型窒化物半導体層１３がｎ−ＡｌsＩｎtＧａ(1-s-t)Ｎ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、０＜ｓ＋ｔ≦１）層であり、かつｉ型窒化物半導体層１７がＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層であるときには、介在層１５はＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１、０＜ｘ＋ｚ≦１、０＜ｔ＜ｚ＜ｙ）層であれば良い。
介在層１５が存在しない場合、ｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギー（Ｅｇy）がｎ型窒化物半導体層１３のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ0）よりも低いため、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（特に電子）から見てポテンシャル障壁Ｖ（ｅＶ）が形成される。ポテンシャル障壁Ｖ（ｅＶ）は比較的大きいため、電子の移動が妨げられる。たとえばｎ型窒化物半導体層１３のＩｎ組成が０であれば、つまりｎ型窒化物半導体層１３が（ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１））からなれば、ｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ〜６．０ｅＶとなるため、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（特に電子）から見たポテンシャル障壁Ｖ（ｅＶ）は非常に大きくなる。よって、電子の移動の妨げが顕著となる。
それだけでなく、介在層１５が存在しなければ、ｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７とはヘテロ接合されることとなるため、ｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７との格子不整合（格子定数が異なること）の度合いは大きい。したがって、ｉ型窒化物半導体層１７においてミスフィット転位が形成されるおそれがある。これにより、ｉ型窒化物半導体層１７において生成されたフォトキャリアがｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７との界面近傍で消失するおそれがある。
一方、介在層１５が設けられていれば、図２に示すように、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（特に電子）から見て、ポテンシャル障壁Ｖ’（Ｖ’＝Ｅｇz−Ｅｇy＜Ｖ）が形成される。そのため、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（特に電子）は、階段状のポテンシャル障壁に沿ってｎ型窒化物半導体層１３へ移動できる。よって、電子の移動の妨げを防止することができる。
また、介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７とでは、構成元素の種類が同一である。そのため、介在層１５が設けられていれば、ｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７との格子不整合の度合いが低減する。よって、ｉ型窒化物半導体層１７におけるミスフィット転位の形成を防止できるので、より多くのフォトキャリア（電子）をｎ型窒化物半導体層１３の伝導帯へ拡散させることができる。これにより、短絡電流が向上するので、介在層１５を設けることは光電変換素子にとって非常に好ましい。
介在層１５のＩｎ組成比ｚについて記す。介在層のＩｎ組成比ｚが０である場合、すなわち介在層がＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）からなる場合、介在層のバンドギャップエネルギーは３．４ｅＶ〜６．０ｅＶとなり、介在層１５がＩｎを含む場合のバンドギャップエネルギーよりも大きくなる。そのため、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリアから見たポテンシャル障壁は介在層１５がＩｎを含む場合よりも非常に大きくなり、電子の移動が妨げられる。
また、介在層１５のＩｎ組成比ｚがｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙ以上であれば（ｚ≧ｙ）、介在層１５のバンドギャップエネルギー（Ｅｇz）はｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギー（Ｅｇy）以下となる。この場合、介在層１５はｎ型窒化物半導体層１３のポテンシャル障壁とｉ型窒化物半導体層１７のポテンシャル障壁とに挟まれ、ｎ型窒化物半導体層１３と介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７とでＳＱＷ構造が形成されることとなる。そのため、生成されたフォトキャリアが介在層１５に閉じ込められるという不具合を招く。
しかし、介在層１５のＩｎ組成比ｚが０よりも高くｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも低ければ（０＜ｚ＜ｙ）、電子はｎ型窒化物半導体層１３へスムーズに拡散し、また生成されたフォトキャリアが介在層１５に閉じ込められるという不具合を防止できる。介在層１５のＩｎ組成比ｚは、ｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも例えば１％でも低ければ良く、ｎ型窒化物半導体層１３のＩｎ組成比ｙの０．０２倍以上０．９９倍以下であることが好ましい。
介在層１５の膜厚ｄは特に限定されないが、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。フォトキャリアである電子は、介在層１５のポテンシャル障壁に沿ってｎ型窒化物半導体層１３へ拡散するが、その電子の一部は、トンネル効果によりｎ型窒化物半導体層１３へ拡散する。トンネル効果が生じる確率、つまりトンネル確率Ｐは、介在層１５のバンドギャップエネルギーＥｇzとｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギーＥｇyとの差（つまりポテンシャル障壁Ｖ’の大きさ）と介在層１５の膜厚ｄとに大きく依存する。介在層１５の膜厚ｄが５ｎｍよりも大きい場合、フォトキャリアである電子と正孔とがトンネル中で再結合する時間（再結合寿命）が短いため、トンネル確率Ｐは小さくなることがある。一方、介在層１５の膜厚ｄが１ｎｍ未満である場合、トンネル確率Ｐは大きくなるが、介在層１５の膜厚が薄すぎるためにｎ型窒化物半導体層１３の表面におけるカバレッジ（被覆率）が不十分になる傾向があるため、生産技術面での制御が困難となることがある。一方、介在層１５の膜厚ｄが１ｎｍ以上５ｎｍ以下であれば、トンネル確率Ｐが最適化され、またｎ型窒化物半導体層１３の表面におけるカバレッジを十分確保することができる。よって、フォトキャリアを多く取り出すことができるので、短絡電流が向上する。したがって、介在層１５の膜厚ｄが１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることは、光電変換素子にとって好ましい。なお、ｃ面上に成長したＩｎＧａＮにおける電子と正孔との再結合寿命に関しては、例えば、非特許文献１で議論されている。
ｎ型窒化物半導体層の上に形成される窒化物半導体層（以下では「ｎ型窒化物半導体層の直上層」または単に「直上層」と記す）については、その構成元素の種類またはその構成元素の組成比とその膜厚とに相関があることが知られている。ｎ型窒化物半導体層の直上層の結晶の品質を決定付ける要因の１つに、不純物を添加したＡｌsＩｎtＧａ(1-s-t)Ｎからなるｎ型窒化物半導体層とその直上層との格子不整合の度合いが挙げられる。たとえば、ｎ型窒化物半導体層のＩｎ組成比ｔが０であるとき、つまりｎ型窒化物半導体層がＡｌsＧａ(1-s)Ｎ（０≦ｓ≦１）からなるとき、ｎ型窒化物半導体層とその直上層とはヘテロ接合されるため、ｎ型窒化物半導体層のＡｌ組成比ｓまたは直上層のＩｎ組成比が高くなるに伴い上記格子不整合の度合いも大きくなる。よって、ｎ型窒化物半導体層の直上層には、圧縮応力または引っ張り応力が働く。この歪に起因するエネルギーを緩和するため、ｎ型窒化物半導体層の直上層にはミスフィット転位が生じる。ミスフィット転位が形成される格子不整合の度合いは、ｎ型窒化物半導体層の直上層の膜厚によって異なる（ミスフィット転移が形成されない最大の膜厚を臨界膜厚と記す）。ｎ型窒化物半導体層の直上層の膜厚が厚くなるほど、ヘテロ構造全体にかかる応力が増加するため、ミスフィット転位がｎ型窒化物半導体層の直上層に形成されやすい。ｎ型窒化物半導体層の直上層のＩｎ組成比が高くなることに伴う臨界膜厚の減少については、たとえば非特許文献２で詳細に議論されている。また、ｎ型窒化物半導体層の直上層の膜厚が臨界膜厚に到達したときに当該直上層に形成される欠陥とそのメカニズムとについては、たとえば非特許文献３で詳細に議論されている。
非特許文献２には、ｎ型窒化物半導体層の直上層がＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（ｘ＝０、ｚ＝０．２５）からなるときに、当該直上層の臨界膜厚は５ｎｍであると開示されている。つまりｘ＝０であり、且つｚ＞０．２５であるとき、ｎ型窒化物半導体層の直上層の膜厚を５ｎｍ未満としなければ、上記歪みが緩和されてｎ型窒化物半導体層の直上層にミスフィット転位が形成されることになる。生産技術面から、ＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（ｘ＝０、ｚ＝０．２５）からなるｎ型窒化物半導体層の直上層の形成は困難である。非特許文献２で議論されているようにｎ型窒化物半導体層の直上層のＩｎ組成比ｚが高くなると当該直上層の臨界膜厚が減少することを考慮すれば、介在層１５（本実施形態では、ｎ型窒化物半導体層の直上層は介在層１５である）の膜厚ｄを１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすれば、ミスフィット転位が形成されない高品質な介在層１５を形成できると期待でき、生成されたフォトキャリア（電子）が介在層１５のポテンシャル障壁に沿ってｎ型窒化物半導体層１３へ拡散すると期待できる。これにより、フォトキャリアを多く取り出せることができるので、短絡電流が向上する。よって、介在層１５の膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることは、光電変換素子１にとって非常に好ましい。
非特許文献２には、ｎ型窒化物半導体層の直上層がＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（ｘ＝０、ｚ＝０．４０）からなるとき、当該直上層の臨界膜厚は凡そ３ｎｍであること、およびｎ型窒化物半導体層の直上層がＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（ｘ＝０、ｚ＝０．５０）からなるとき、当該直上層の臨界膜厚は凡そ２ｎｍであることが記載されている。このようにｎ型窒化物半導体層の直上層のＩｎ組成比ｚが高くなるにつれて当該直上層の臨界膜厚が薄くなるので、介在層１５のＩｎ組成比ｚの値に応じて介在層１５の膜厚ｄを１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲で適宜設定することが好ましい。
介在層１５のＩｎ組成比ｚがｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも低く、且つ介在層１５の膜厚ｄが１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい理由をさらに示す。介在層１５が設けられていない場合、ｎ型窒化物半導体層とｉ型窒化物半導体層との格子不整合の度合いは大きい。よって、ｉ型窒化物半導体層は圧縮応力を受ける。図３に示すように、この圧縮応力が内部電界とは逆向きの圧電電界を生じさせるため、内部電界を弱めてしまう。
しかし、介在層１５の膜厚ｄが１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲であり、且つ介在層１５のＩｎ組成比ｚがｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも低ければ、ｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７との格子不整合の度合いを小さくできる。その理由は、介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７とでは、構成元素の組成比は異なるが構成元素の種類は同一であるため格子定数の差を小さく抑えることができるからであり、また、介在層１５が薄いのでｉ型窒化物半導体層１７は介在層１５との界面での格子の連続性を保って成長するからである。よって、ｉ型窒化物半導体層１７におけるミスフィット転位の形成を阻止できる。また、介在層１５を設けることにより上記格子不整合の度合いが小さくなるため、介在層１５は当該介在層１５にコヒーレントに成長したｉ型窒化物半導体層１７の緩衝層として働く。これらのことから、ｎ型窒化物半導体層１３から受ける圧縮応力が緩和されるので、圧電電界が減少する。したがって、内部電界が弱くなることを防止できるので、フォトキャリアを多く取り出せることとなり、短絡電流が向上する。以上のことから、介在層１５の膜厚ｄが１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲であり、且つ介在層１５のＩｎ組成比ｚがｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも低いことは、光電変換素子にとって非常に好ましい。
結晶欠陥の少ない高品質なｉ型窒化物半導体層を形成するためには、一般に、ｉ型窒化物半導体層との界面の平坦性の向上が求められる。これが求められる理由は、ｉ型窒化物半導体層の成長中に、原子（原子は気相より供給される）の衝突などで形成される核形成からの三次元島の形成が抑制されるからであるということが挙げられる。三次元島の形成を抑制するためには、ｎ型窒化物半導体層の表面エネルギーＥs、ｎ型窒化物半導体層とｉ型窒化物半導体層との界面における界面エネルギーＥi、およびｉ型窒化物半導体層の成長エネルギー（ｉ型窒化物半導体層の成長エネルギー＝ｉ型窒化物半導体層の表面エネルギー＋ｉ型窒化物半導体層の歪エネルギー＋ｉ型窒化物半導体層の内部エネルギー）ＥfがＥs＞Ｅi＋Ｅfを満たしていれば良い。ここで、介在層１５がｎ型窒化物半導体層１３とｉ型窒化物半導体層１７との格子不整合の度合いを小さくする緩衝層として機能するので、ｉ型窒化物半導体層１７の歪のエネルギーを小さくすることができる。よって、ｉ型窒化物半導体層１７の成長エネルギーＥfが小さくなるので、Ｅｓ＞Ｅｉ＋Ｅｆを維持でき、高品質なｉ型窒化物半導体層１７を形成できる。このことは、図４から明らかである。図４中のＬ１は介在層１５を形成しなかった場合のｉ型窒化物半導体層のＰＬスペクトルであり、図４中のＬ２は介在層１５を形成した場合のｉ型窒化物半導体層１７のＰＬスペクトルであり、どちらのスペクトルも規格化されている。ＰＬスペクトルの半値全幅については、Ｌ１ではｄ1＝２１４ｍｅＶであったが、Ｌ２ではｄ2＝１７４ｍｅＶであり、介在層１５を設けると減少した。また、介在層１５を設けると、低エネルギー領域におけるスペクトルの強度が低下した。これらの結果は、介在層１５を設けると高品質なｉ型窒化物半導体層が形成されることを意味している。よって、介在層１５を設けると、フォトキャリアを多く取り出せることになり、したがって、短絡電流が向上する。このことからも、介在層１５を設けることは光電変換素子にとって非常に好ましい。
なお、図４に示すＰＬスペクトルは、ｉ型窒化物半導体層１７を６周期のＧａＮ／ＩｎＧａＮで構成し、介在層１５をｎ型窒化物半導体層１３からｉ型窒化物半導体層１７へ向かうにつれて膜厚が２ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ層と膜厚が２ｎｍのＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ層と膜厚が２ｎｍのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ層との順に積層して、得たものである。
＜第２の介在層＞
第２の介在層１９は、構成元素の種類がｉ型窒化物半導体層１７と同一である一方、構成元素の組成比がｉ型窒化物半導体層１７とは異なるように構成されている。第２の介在層１９のバンドギャップエネルギーＥｇwは、図５に示すように、ｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギーＥｇyよりも大きく、ｐ型窒化物半導体層２１のバンドギャップエネルギーＥｇ0よりも小さい。窒化物半導体層のＩｎ組成比が高くなるとそのバンドギャップエネルギーが小さくなることを考慮すれば、ｐ型窒化物半導体層２１がｐ−ＡｌuＩｎvＧａ(1-u-v)Ｎ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０＜ｕ＋ｖ≦１）層であり、かつｉ型窒化物半導体層１７がＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）層であるときに、第２の介在層１９はＡｌxＩｎwＧａ(1-x-w)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｗ≦１、０＜ｘ＋ｗ≦１、０＜ｖ＜ｗ＜ｙ）層であれば良い。
光電変換素子１への光１０１の入射によりｉ型窒化物半導体層１７で生成した電子の中には、図５に示すように、ｐ型窒化物半導体層２１の伝導帯に拡散しようとするものが存在する。しかし、第２の介在層１９のバンドギャップエネルギーがｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギーよりも大きいため、その電子をｎ型窒化物半導体層１３の伝導帯に追い返すことができる。よって、ｎ型窒化物半導体層１３の伝導帯へ拡散する電子の数を増やすことができ、短絡電流が向上する。
また、第２の介在層１９とｉ型窒化物半導体層１７とでは、構成元素の種類が同一である。そのため、第２の介在層１９が設けられていれば、ｉ型窒化物半導体層１７とｐ型窒化物半導体層２１との格子不整合の度合いが低減する。よって、ｉ型窒化物半導体層１７とｐ型窒化物半導体層２１との界面におけるミスフィット転位の形成を防止することができる。ここで、ｉ型窒化物半導体層１７で生成した電子のうちｐ型窒化物半導体層２１の伝導帯に拡散しようとした電子は、第２の介在層１９がなければ、ｐ型窒化物半導体層２１とｉ型窒化物半導体層１７との界面におけるミスフィット転位に起因する界面準位に捕らえられて消滅する。しかし、第２の介在層１９が設けられていれば、ｐ型窒化物半導体層２１とｉ型窒化物半導体層１７との界面におけるミスフィット転位の形成を防止できるので、電子がｐ型窒化物半導体層２１とｉ型窒化物半導体層１７との界面まで拡散したとしてもミスフィット転位に捕らえられて消滅することを防止できる。これらのことからも、第２の介在層１９を設けることは光電変換素子にとって好ましい。
第２の介在層１９の膜厚は特に限定されないが、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層２１とｉ型窒化物半導体層１７との間にＡｌxＩｎwＧａ(1-x-w)Ｎ（０＜ｗ＜ｙ）からなる第２の介在層１９が存在すれば、第２の介在層１９のバンドギャップエネルギー（Ｅｇw）はｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギー（Ｅｇy）よりも大きくなり（Ｅｇy＜Ｅｇw）、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（正孔）から見てポテンシャル障壁Ｖ’（ｅＶ）が形成される（図５）。たとえばｐ型窒化物半導体層２１のＩｎ組成比ｚが０であるとき、つまりｐ型窒化物半導体層２１がｐ−ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ（０≦ｘ≦１）層であるとき、ｐ型窒化物半導体層２１のバンドギャップエネルギーＥｇ0は３．４ｅＶ〜６．０ｅＶと大きい。しかし、ｉ型窒化物半導体層１７で生じた正孔は、第２の介在層１９の形成により生じたポテンシャル障壁Ｖ’に沿って、またはトンネル効果により第２の介在層１９内を通って、ｐ型窒化物半導体層２１の価電子帯へ拡散することが出来る。正孔がトンネル効果により第２の介在層１９を通ってｐ型窒化物半導体層２１の価電子帯へ移動するとき、第２の介在層１９を通過中の正孔は、ｐ型窒化物半導体層２１の伝導帯に拡散しようとする電子を感じると、第２の介在層１９内で電子と再結合を起こして消失する。したがって、第２の介在層１９の膜厚は、正孔が再結合寿命以内に通過できる膜厚であることが望まれる。再結合寿命に関しては例えば非特許文献１で詳細に議論されており、その議論によれば第２の介在層１９の膜厚は５ｎｍ以下が好ましい。一方、第２の介在層１９の膜厚を１ｎｍ未満に制御することは生産技術的に困難を伴うことがある。
第２の介在層１９の臨界膜厚については、介在層１５と同様のことが言える。つまり、非特許文献２には、第２の介在層１９がＡｌxＩｎwＧａ(1-x-w)Ｎ（ｘ＝０、ｗ＝０．４０）からなるとき第２の介在層１９の臨界膜厚は凡そ３ｎｍであること、および第２の介在層１９がＡｌxＩｎwＧａ(1-x-w)Ｎ（ｘ＝０、ｗ＝０．５０）からなるとき第２の介在層１９の臨界膜厚は凡そ２ｎｍであることが記載されている。このように第２の介在層１９のＩｎ組成比ｗが高くなるにつれて第２の介在層１９の臨界膜厚が薄くなるので、第２の介在層１９のＩｎ組成比ｗの値に応じて第２の介在層１９の膜厚を１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲で適宜設定することが好ましい。
＜窒化物半導体材料のＡｌ組成比およびＩｎ組成比と絶対屈折率値との関係＞
窒化物半導体層のＩｎ組成比が高くなると当該窒化物半導体層の絶対屈折率値が大きくなることが知られている。
介在層１５のＩｎ組成比ｚはｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも低い。よって、介在層１５の絶対屈折率ｎzはｉ型窒化物半導体層１７の絶対屈折率値ｎyよりも小さくなる（ｎz＜ｎｙ）。
また、ｎ型窒化物半導体層１３のＩｎ組成比ｔは介在層１５のＩｎ組成比ｚよりも低いことが好ましく、ｎ型窒化物半導体層１３のＡｌ組成比ｓは介在層１５のＡｌ組成比ｘよりも高いことが好ましい。これにより、ｎ型窒化物半導体層１３の絶対屈折率ｎnは介在層１５の絶対屈折率ｎzよりも小さくなり（ｎn＜ｎz）、本発明が対象とする０．４μｍ〜０．５μｍの領域では２．３〜２．６となる。
第２の介在層１９のＩｎ組成比ｗはｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比ｙよりも低い。よって、第２の介在層１９の絶対屈折率ｎwはｉ型窒化物半導体層１７の絶対屈折率ｎyよりも小さくなる（ｎw＜ｎy）。
また、ｐ型窒化物半導体層２１のＩｎ組成比ｖは第２の介在層１９のＩｎ組成比ｗよりも低いことが好ましく、ｐ型窒化物半導体層２１のＡｌ組成比ｕは第２の介在層１９のＡｌ組成比ｘよりも高いことが好ましい。これにより、ｐ型窒化物半導体層２１の絶対屈折率ｎpは第２の介在層１９の絶対屈折率ｎwよりも小さくなり（ｎp＜ｎw）、本発明が対象とする０．４μｍ〜０．５μｍの領域では２．３〜２．６となる。
＜透明導電膜＞
透明導電膜２３は、その材料に特に限定されないが、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＭｇのうちの少なくとも１つを含む単層であっても良いし、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＭｇのうちの少なくとも１つを含む層が積層されて構成されていても良い。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（aluminum doped zinc oxide）層、ＺｎＯにＧａがドープされたＧＺＯ（gallium doped zinc oxide）層、ＺｎＯにＭｇがドープされたＭＺＯ（magnesium doped zinc oxide）層、またはＺｎＯにＩｎがドープされたＩＺＯ（indium doped zinc oxide）層などが挙げられる。また、Ｍｇを含む単層としては、たとえば、ＣがドープされたＭｇ（ＯＨ）2層などが挙げられる。また、透明導電膜２３として、たとえば、Ａｌ濃度の異なるＺｎＯターゲットを用いて厚さ方向にＡｌ濃度の異なるＡＺＯ膜を形成しても良く、ＧＺＯ層とＩＴＯ層などとを積層させて形成しても良い。
透明導電膜２３は、その膜厚に特に限定されないが、２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚を有することが好ましい。透明導電膜２３の膜厚が２５０ｎｍ未満であれば、ｐ型窒化物半導体層２１と透明導電膜２３との最適なオーミック接触を形成できない傾向があり、Ｆ．Ｆが低下する傾向がある。透明導電膜２３の膜厚は、ｐ型窒化物半導体層２１の膜厚に応じて適宜変更することが好ましい。しかし、透明導電膜２３の絶対屈折率値が１．５より大きく２．３より小さく、且つ透明導電膜２３の膜厚が２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるとき、０．４〜０．５μｍの短波長領域に対して透明導電膜２３の透過率が高くなり、よって、ｉ型窒化物半導体層１７に多くの光が入るため、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されるフォトキャリアが多くなる。これにより、光電変換素子１の短絡電流がさらに向上し、曲線因子もさらに向上する。したがって、透明導電膜２３の絶対屈折率値が１．５より大きく２．３より小さく、且つ透明導電膜２３の膜厚が２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることは、光電変換素子にとって非常に好ましい。
＜光反射層＞
光反射層２５は、光を反射させる層になり得るならばその材料に特に限定されない。しかし、光を反射させる金属元素のうち入手が容易で且つ反射率が大きいという点では、光反射層２５は、Ａｌ単層またはＡｇ単層であることが好ましい。０．５μｍ以下の短波長領域の光に対して優れた感度が要求される本実施形態では、光反射層２５は、短波長側の反射率が大きいＡｇ単層であることがより好ましい。光反射層２５は、その膜厚に特に限定されないが、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜厚を有することが好ましい。光反射層２５の膜厚がこの範囲外であれば、光反射層２５が基板１１の下面から剥がれやすい傾向にある。そして、本実施形態に係る光電変換素子１が光反射層２５を備えていれば、下記（光閉じ込め効果５）を得ることができる。
＜光電変換素子での光路＞
本実施形態に係る光電変換素子１では、ｐ型窒化物半導体層２１側から入射された光１０１は、介在層１５と第２の介在層１９とによってｉ型窒化物半導体層１７に閉じ込められる（光閉じ込め効果１）。これにより、ｉ型窒化物半導体層１７での光路長が増加するので、フォトキャリアが多く生成され、よって、光電変換素子の短絡電流が向上する。
詳細には、光閉じ込め効果１は、介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７との界面、およびｉ型窒化物半導体層１７と第２の介在層１９との界面における絶対屈折率値の不連続により生じる。上記＜窒化物半導体材料のＡｌ組成比およびＩｎ組成比と絶対屈折率値との関係＞で示したように、ｎｗ＜ｎｙであり、ｎｚ＜ｎｙである。一般に、光は、絶対屈折率値の低い層から絶対屈折率値の高い層へ透過可能であるが、絶対屈折率値の高い層から絶対屈折率値の低い層へ透過し難い。よって、光１０１をｐ型窒化物半導体層２１側から入射すると、その入射光１０１はｐ型窒化物半導体層２１から第２の介在層１９を通ってｉ型窒化物半導体層１７へ入射される。ここで、ｎｚ＜ｎｙであるので、入射光１０１はｉ型窒化物半導体層１７と介在層１５との界面で反射して反射光１０２となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻り、ｉ型窒化物半導体層１７に吸収される。反射光１０２のうちｉ型窒化物半導体層１７で吸収されなかった光は第２の介在層１９へ向かって拡散する。ここで、ｎｗ＜ｎｙであるので、この光はｉ型窒化物半導体層１７と第２の介在層１９との界面で反射して反射光１０３となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻り、ｉ型窒化物半導体層１７に吸収される。このように、ｎｚ＜ｎｙであり且つｎｗ＜ｎｙであるので、光閉じ込め効果１が得られる。
入射光１０１の大部分は反射光１０２となるが、入射光１０１の一部が反射光１０２となり得ず介在層１５に入射することがある。本実施形態に係る光電変換素子１では、上記＜窒化物半導体材料のＡｌ組成比およびＩｎ組成比と絶対屈折率値との関係＞で示したように２．３≦ｎn＜ｎｚ＜ｎｙであるので、介在層１５に入射した光はｎ型窒化物半導体層１３と介在層１５との界面で反射して反射光１０４となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻る（光閉じ込め効果２）。これにより、フォトキャリアがさらに多く生成されるので、光電変換素子の短絡電流がさらに向上する。
反射光１０３となり得なかった光が第２の介在層１９に入射することがある。本実施形態に係る光電変換素子１では、上記＜窒化物半導体材料のＡｌ組成比およびＩｎ組成比と絶対屈折率値との関係＞で示したように２．３≦ｎp＜ｎw＜ｎｙであるので、第２の介在層１９に入射した光は第２の介在層１９とｐ型窒化物半導体層２１との界面で反射して反射光１０５となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻る（光閉じ込め効果３）。これにより、フォトキャリアがさらに多く生成され、光電変換素子の短絡電流がさらに向上する。
それだけでなく、図５に示すように、ｐ型窒化物半導体層２１のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ0）と第２の介在層１９のバンドギャップエネルギー（Ｅｇw）とｉ型窒化物半導体層１７のバンドギャップエネルギー（Ｅｇy）とは、Ｅｇy＜Ｅｇw＜Ｅｇ0を満たしているので、ｐ型窒化物半導体層２１および第２の介在層１９による入射光の吸収が抑制され、よって、ｉ型窒化物半導体層１７に多くの光を入射させることができる。さらに、入射光１０１は絶対屈折率値が小さいｐ型窒化物半導体層２１から絶対屈折率値が大きい第２の介在層１９を透過するので、反射による光強度の損失を阻止できる。これらのことからも光電変換素子１の短絡電流は向上するので、光電変換素子１にとっては好ましい。
反射光１０３となり得なかった光の一部が反射光１０５ともなり得ずｐ型窒化物半導体層２１に入射することがある。本実施形態に係る光電変換素子１では、透明導電膜２３の絶対屈折率値が２．３未満であるので、透明導電膜２３の絶対屈折率値はｐ型窒化物半導体層２１の絶対屈折率値よりも小さい。よって、ｐ型窒化物半導体層２１へ入射した光は、ｐ型窒化物半導体層２１と透明導電膜２３との界面で反射して反射光１０６となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻る（光閉じ込め効果４）。これにより、フォトキャリアがさらに多く生成されるので、光電変換素子の短絡電流がさらに向上する。
反射光１０２となり得なかった光の一部が反射光１０４ともなり得ずｎ型窒化物半導体層１３および基板１１を透過することがある。本実施形態に係る光電変換素子では、光反射層２５が設けられているので、基板１１を透過した光は、基板１１と光反射層２５との界面で反射して反射光１０７となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻る（光閉じ込め効果５）。これにより、フォトキャリアがさらに多く生成されるので、光電変換素子の短絡電流がさらに向上する。
なお、介在層の構成は、図２に示す構成に限定されず、下記第１の変形例で示す構成であっても良い。
＜第１の変形例＞
図６は、第１の変形例に係る光電変換素子におけるエネルギーバンド図（ｎ側）である。なお、図６では、第２の介在層１９を図示していない。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。
本変形例に係る光電変換素子では、介在層３５は、３層の半導体層３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃで構成されている。なお、３層の半導体層３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃを区別するため、ｉ型窒化物半導体層１７からｎ型窒化物半導体層１３へ向かう順に第１の層３５Ａ、第２の層３５Ｂ、および第３の層３５Ｃと記す。第１の層３５Ａは、ｉ型窒化物半導体層１７の直下に設けられており、ｉ型窒化物半導体層１７よりも大きなバンドギャップエネルギー（Ｅｇz1）を有している。第２の層３５Ｂは、第１の層３５Ａの直下に設けられており、第１の層３５Ａよりも大きなバンドギャップエネルギー（Ｅｇz2）を有している。第３の層３５Ｃは、第２の層３５Ｂとｎ型窒化物半導体層１３との間に設けられており、第２の層３５Ｂよりも大きく且つｎ型窒化物半導体層１３よりも小さなバンドギャップエネルギー（Ｅｇz3）を有している。このように、第１の層３５Ａと第２の層３５Ｂと第３の層３５Ｃとは、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有し、ｉ型窒化物半導体層１７からｎ型窒化物半導体層１３へ向かうにつれてバンドギャップエネルギーが順次大きくなるように配置されている（Ｅｇz1＜Ｅｇz2＜Ｅｇz3）。このようにバンドギャップエネルギーがｉ型窒化物半導体層１７からｎ型窒化物半導体層１３へ向かうにつれて階段状に大きくなるため、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（電子）から見て階段状のポテンシャル障壁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、およびＶ４が順に形成され、電子は階段状のポテンシャル障壁に沿ってｎ型窒化物半導体層１３の伝導帯へ拡散する。これにより、多くのフォトキャリアを取り出せることとなり、よって、短絡電流が向上する。
具体的には、第１の層３５ＡはＡｌxＩｎz1Ｇａ(1-x-z1)Ｎからなり、第２の層３５ＢはＡｌxＩｎz2Ｇａ(1-x-z2)Ｎからなり、第３の層３５ＣはＡｌxＩｎz3Ｇａ(1-x-z3)Ｎからなり、０＜ｚ３＜ｚ２＜ｚ１＜ｙ（ただし、ｙはｉ型窒化物半導体層１７のＩｎ組成比である）を満たしている。
第１の層３５Ａ、第２の層３５Ｂおよび第３の層３５Ｃのそれぞれの膜厚ｄは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であれば良い。これにより、ｉ型窒化物半導体層１７で生成されたフォトキャリア（電子）は、階段状のポテンシャル障壁に沿ってｎ型窒化物半導体層１３の伝導帯へ拡散できる。その上、ｉ型窒化物半導体層１７の結晶性の悪化を防止できる。
介在層３５を構成する半導体層の層数は特に限定されない。複数の半導体層は、Ｉｎ組成比が互いに異なるように構成されていれば良く、ｉ型窒化物半導体層１７からｎ型窒化物半導体層１３へ向かうにつれてＩｎ組成比が低くなるように配置されていれば良い。具体的には、ｎ型窒化物半導体層１３の上には、ＡｌxＩｎznＧａ(1-x-zn)Ｎ層、ＡｌxＩｎz(n-1)Ｇａ(1-x-z(n-1))Ｎ層、・・・、ＡｌxＩｎz2Ｇａ(1-x-z2)Ｎ層、およびＡｌxＩｎz1Ｇａ(1-x-z1)Ｎ層（０＜ｚｎ＜ｚ（ｎ−１）＜・・・＜ｚ２＜ｚ１＜ｙ、但しｎは自然数であり、ｎ≧４）が順に積層されていれば良い。
以上、本発明に係る光電変換素子を第１の実施形態および第１の変形例で示したが、本発明に係る光電変換素子は第１の実施形態および第１の変形例の記載に限定されない。たとえば、バンドギャップエネルギーの大きさおよび絶対屈折率値のそれぞれを調整する方法はＩｎ組成比の制御に限定されない。
また、金属層が透明導電膜を挟んでｐ型窒化物半導体層の上に設けられていても良い。
また、介在層は、層内（つまり、ｉ型窒化物半導体層との界面およびｎ型窒化物半導体層との界面以外の部分）においては、Ｉｎ濃度が不均一であっても良く、よって、絶対屈折率値が不均一であっても良い。このことは、第２の介在層についても言える。
また、第２の介在層が第１の変形例における介在層３５と略同一の構成を有していれば良い。具体的には、第２の介在層は、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の第２の半導体層が積層されて構成されており、複数の第２の半導体層は、ｉ型窒化物半導体層からｐ型窒化物半導体層へ向かうにつれてＩｎ組成比が低くなるように配置されていれば良い。これにより、複数の第２の半導体層は、ｉ型窒化物半導体層からｐ型窒化物半導体層へ向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように配置されることとなる。よって、ｉ型窒化物半導体層で生成されたフォトキャリア（正孔）から見て階段状のポテンシャル障壁が順に形成されるので、正孔は階段状のポテンシャル障壁に沿ってｐ型窒化物半導体層の価電子帯へ拡散する。これにより、多くのフォトキャリアを取り出せることとなり、よって、短絡電流が向上する。
このとき、第２の介在層を構成する複数の半導体層のそれぞれの膜厚は１ｎｍ以上５ｎｍ以下であれば良い。これにより、ｉ型窒化物半導体層で生成されたフォトキャリア（正孔）が階段状のポテンシャル障壁に沿ってｐ型窒化物半導体層の価電子帯へ拡散できるだけでなく、ｐ型窒化物半導体層の結晶性の悪化を防止できる。
＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１に係る光電変換素子１の側面図である。本実施例に係る光電変換素子１は、ＭＯＣＶＤ法により製造されたものであり、透明導電膜２３の表面から基板１１側に向かって入射光１０１を入射させることにより作動される。
本実施例では、基板１１として、４７％フッ化水素で表面洗浄を施したＧａＮ基板を用いた。該ＧａＮ基板１１を１１００℃まで加熱、より好ましくは１１２０℃まで加熱し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri−methyl Gallium）を１２５μｍｏｌ用い、アンモニア（ＮＨ3）を２７０ｍｍｏｌ用いて、膜厚１．５μｍのｎ型窒化物半導体層１３を形成した。該ｎ型窒化物半導体層１３は、Ｓｉを２×１０18個/ｃｍ3ドープしたＧａＮ層である。ｎ型不純物ガスとして、供給量が２ｍｍｏｌのモノシラン（ＳｉＨ4）を用いた。該ｎ型窒化物半導体層１３は、たとえば０．１μｍ以上４μｍ以下の膜厚にすることができる。
ｎ型窒化物半導体層１３を形成後、８００℃まで降温させ、より好ましくは７５０℃まで降温させ、膜厚が２ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、膜厚が２ｎｍのＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ層、および膜厚が２ｎｍのＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ層の順に積層された３層から成る介在層１５を形成した（図１では、介在層１５を１層として記載している）。Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層は、ＴＭＧを１０μｍｏｌ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri−methyl Indium）を２９μｍｏｌ、およびＮＨ3を４２０ｍｍｏｌ用いて形成された。Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ層は、ＴＭＧを１０μｍｏｌ、ＴＭＩを３３μｍｏｌ、およびＮＨ3を４２０ｍｍｏｌ用いて形成された。Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎ層は、ＴＭＧを１０μｍｏｌ、ＴＭＩを３８μｍｏｌ、およびＮＨ3を４２０ｍｍｏｌ用いて形成された。
介在層１５を形成後、Ｉｎ0.10Ｇａ0.90Ｎからなるｉ型窒化物半導体層１７を形成した。Ｉｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ層の臨界膜厚を実験的に求めるために、オージェ電子分光法でＩｎの深さ方向分布を得た。その結果を図７に示す。図７に示す地点ＸがＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ層の成長開始地点を示す。膜厚が５１ｎｍ（図７の横軸における８４ｎｍ付近）までＩｎ濃度を９％に保ちながら成長した後、図７に示す地点Ｙから以降急峻にＩｎ濃度が１１％になった。このことは、Ｉｎ濃度９％のＩｎＧａＮの臨界膜厚が５０ｎｍ程度であることを示している。臨界膜厚よりも厚くなるとＩｎ濃度が急峻に増加する理由としては、断定できないが、刃状転位を形成して格子間隔が異なることに起因する歪を緩和させる際、転位が形成された表面には未結合手が多く存在することになるため、その表面には多くのＩｎが吸着されることになるからである、と考えられる。本実施例の成長条件で形成されるＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ層の臨界膜厚を実験的に得た後、膜厚４５ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ層をｉ型窒化物半導体層１７として形成した。ｉ型窒化物半導体層１７は、ＴＭＧを１０μｍｏｌ、ＴＭＩを５４μｍｏｌ、およびＮＨ3を４２０ｍｍｏｌ用いて形成された。
ｉ型窒化物半導体層１７を形成後、膜厚が２ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる第２の介在層１９を形成した。第２の介在層１９は、ＴＭＧを１０μｍｏｌ、ＴＭＩを３８μｍｏｌ、およびＮＨ3を４２０ｍｍｏｌ用いて、形成された。
介在層１５および第２の介在層１９は、入射光１０１をｉ型窒化物半導体層１７に閉じ込める役割を果たす（光閉じ込め効果１）。光閉じ込め効果１は、介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７との界面、およびｉ型窒化物半導体層１７と第２の介在層１９との界面における絶対屈折率値の不連続により生じる。入射光１０１は、まずｉ型窒化物半導体層１７で吸収される。ｉ型窒化物半導体層１７で吸収し切れずに介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７との界面に到達した入射光１０１は、その界面で反射して反射光１０２となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻されて当該ｉ型窒化物半導体層１７で吸収される（光閉じ込め効果１）。介在層１５とｉ型窒化物半導体層１７との界面で反射されずに介在層１５を透過して介在層１５とｎ型窒化物半導体層１３との界面まで到達した入射光１０１は、その界面で反射して反射光１０４となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻されて当該ｉ型窒化物半導体層１７で吸収される（光閉じ込め効果２）。これら反射光１０２および反射光１０４は、ｉ型窒化物半導体層１７で吸収されてフォトキャリアの生成に寄与する。
ｉ型窒化物半導体層１７で吸収し切れなかった反射光１０２および反射光１０４がｉ型窒化物半導体層１７と第２の介在層１９との界面に到達したとき、反射光１０２および反射光１０４はその界面で反射して反射光１０３となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻されて当該ｉ型窒化物半導体層１７で吸収される（光閉じ込め効果１）。また、ｉ型窒化物半導体層１７と第２の介在層１９との界面で反射されずに（反射光１０３にならずに）第２の介在層１９を透過した光は、第２の介在層１９とｐ型窒化物半導体層２１との界面で反射して反射光１０５となってｉ型窒化物半導体層１７へ再び戻されて当該ｉ型窒化物半導体層１７に吸収される（光閉じ込め効果３）。この光閉じ込め効果１、２、および３により、ｉ型窒化物半導体層１７では多くのフォトキャリアが生成される。
第２の介在層１９を形成後、１０００℃まで昇温、より好ましくは１０７０℃まで昇温してから、ＴＭＧを１２５μｍｏｌおよびＮＨ3を２７０ｍｍｏｌ用いて膜厚が５０ｎｍのｐ型窒化物半導体層２１を形成した。該ｐ型窒化物半導体層２１は、Ｍｇを２×１０19個/ｃｍ3ドープしたＧａＮ層である。ｐ型不純物ガスとして、０．３μｍｏｌの供給量のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を用いた。該ｐ型窒化物半導体層２１は、たとえば５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の膜厚にすることができる。
アニール炉を用いてｐ型窒化物半導体層２１に対して熱処理を行なった。熱処理温度を８００℃とし、５分間保持した。熱処理の気相の雰囲気は、窒素のみで構成した。
ｐ型窒化物半導体層２１に熱処理を施した後、マグネトロンスパッタを用いて、Ａｌ濃度２％のＺｎＯターゲットから、膜厚０．３２μｍのＡＺＯ透明導電膜２３を形成した。基板温度を１８０℃とし、製膜時の分圧をＯ2／Ａｒ＝３．８％で行った。なお、透導電率および透過率の向上のためには、分圧を３．０％〜１０．０％で変化させてＡｌ濃度が異なるＺｎＯターゲットから形成したＡＺＯ膜を透明導電膜２３としても良い。また、同様の目的のために、ドーパントをＧａとしたＧＺＯ膜またはＩＴＯ膜などのＡＺＯとは異なる組成の膜を透明導電膜２３としても良い。
透明導電膜２３を形成後、結晶性および密着性向上のために、アニール炉を用いて熱処理をした。熱処理温度を６００℃とし、１０分間保持した。熱処理の気相の雰囲気を酸素分圧２．０％の真空中で構成した。
透明導電膜２３の絶対屈折率値は、２．３よりも小さい。そのため、第２の介在層１９とｐ型窒化物半導体層２１との界面で反射されずにｐ型窒化物半導体層２１と透明導電膜２３との界面まで到達した光はその界面で反射されて反射光１０６となってｉ型窒化物半導体層１７へ戻される（光閉じ込め効果４）。この光閉じ込め効果４により、より多くのフォトキャリアがｉ型窒化物半導体層１７で生成される。
透明導電膜２３に熱処理を施した後、図１に示すように、基板１１の裏面上に、マグネトロンスパッタを用いて、Ａｇ純度９９．９％のＡｇターゲットから膜厚１５０ｎｍの光反射層２５を形成した。なお、本実施例ではＡｇの単膜としたが、光を反射し得る金属ならば、たとえばＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、ＴｉまたはＰｔの単膜を用いても良いし、これを積層したものを用いても良い。本実施例では、マグネトロンスパッタで該光反射層２５を形成したが、光反射層２５の製膜装置は限定されるものでなく、たとえば真空蒸着法またがイオンプレーティング法による製膜装置であっても良い。
図８には光反射層２５の反射率を示す。Ｌ３はＡｇ膜の反射率の波長依存性を示し、Ｌ４はＡｌ膜の反射率の波長依存性を示す。Ｌ３とＬ４とを比較すると、短波長側（０．３５μｍ以上０．５μｍ以下）ではＡｇ膜の方が反射率が高い。そのため、光電変換素子１の光反射層２５としては、Ａｇ膜を用いることが好ましいことが分かる。なお、市販の光学素子測定装置の自動測定で光反射層２５の反射率を測定した。反射率の導出としてはフレネルの式を用いた。
光反射層２５は、入射光１０１のうちｉ型窒化物半導体層１７およびｎ型窒化物半導体層１３で吸収されなかった光を反射させる。その反射光１０７は、ｎ型窒化物半導体層１３を再び透過して、ｉ型窒化物半導体層１７に再び入射される（光閉じ込め効果５）。この光閉じ込め効果５により、さらに多くのフォトキャリアがｉ型窒化物半導体層１７で生成される。
透明導電膜２３に熱処理を施した後、表面に所定の形状のマスクを形成してからエッチング装置でマスクの上からエッチングし、ｎ型窒化物半導体層１３の一部を露出させた。
ｐ型窒化物半導体層２１およびｎ型窒化物半導体層１３の上面上に所定のパターンを有するマスク（レジストマスク）を形成し、そのマスクの上にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る金属膜を蒸着法によって順に積層し、リフトオフ法により当該金属膜からなるパッド電極（不図示）を形成した。
次いで、ランプアニール装置にて４００〜６００℃で熱処理を施し、基板を研削および研磨し、次いで剥離の工程を経て、得られた基板を所定の箇所で分割した。これにより、本実施例に係る光電変換素子を得た。
得られた光電変換素子におけるパッド電極を金線でリードフレームへ接続し、リードフレームの正極と負極とにプローブを接触させて電流および電圧測定用の回路を形成した。分光分布ＡＭ１．５、エネルギー密度１００ｍＷ／ｃｍ2の１ＳＵＮ疑似太陽光を光電変換素子に照射して、雰囲気温度と光電変換素子の温度とを２５℃の環境下で、光電変換素子１の出力特性を測定した。
＜比較例＞
介在層１５および第２の介在層１９を形成しなかったことを除いては上記実施例１と同様の方法にしたがって、比較例における光電変換素子を作製した。上記実施例１で記載の方法にしたがって、得られた光電変換素子の出力特性を測定した。
比較例における光電変換素子では、開放端電圧Ｖocは１．７３Ｖであり、短絡電流Ｊscは０．８０ｍＡ／ｃｍ2であり、曲線因子Ｆ．Ｆは０．４１であり、光変換効率は０．５７％であった。一方、図１に示す実施例１に係る光電変換素子では、開放端電圧Ｖocは１．８５Ｖであり、短絡電流Ｊscは１．８５ｍＡ／ｃｍ2であり、曲線因子Ｆ．Ｆは０．６０であり、光変換効率は２．０５％であった。このように実施例１では、比較例に比べて短絡電流が向上し、且つ曲線因子が向上した。
＜実施例２＞
ｉ型窒化物半導体層１７の構成が異なることを除いては上記実施例１と同様の方法にしたがって、実施例２に係る光電変換素子を作製した。以下では上記実施例１とは異なる点を主に示す。
介在層１５を形成後、介在層１５の上に膜厚３．５ｎｍのＩｎ0.20Ｇａ0.80Ｎからなる井戸層と膜厚６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とが交互に６層積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造のｉ型窒化物半導体層１７を形成した。なお、本実施例では、介在層１５を井戸層と障壁層とが６層積層されたＭＱＷ構造としたが、井戸層と障壁層との積層数は６層より多くても良いし、介在層１５は単一量子井戸構造であっても良い。また、ｎ型窒化物半導体層１３と介在層１５との格子不整合を緩和する緩衝層が形成されていても良い。この緩衝層は、たとえば、膜厚２ｎｍ未満のＩｎxＧａ1-xＮ（ｘ＜０．１）からなる井戸層と膜厚２ｎｍ未満のＧａＮからなる障壁層とが交互に２０層積層されたＭＱＷ構造であれば良い。
その後、上記実施例１と同様の方法にしたがって、第２の介在層１９、ｐ型窒化物半導体層２１、透明導電膜２３、光反射層２５、およびパッド電極を形成した。このようにして実施例２に係る光電変換素子を得た。上記実施例１と同様の方法にしたがって、得られた光電変換素子の出力特性を測定した。
比較例における光電変換素子では、開放端電圧Ｖocは１．７３Ｖであり、短絡電流Ｊscは０．８０ｍＡ／ｃｍ2であり、曲線因子Ｆ．Ｆは０．４１であり、光変換効率は０．５７％であった。一方、実施例２に係る光電変換素子では、開放端電圧Ｖocは２．２１Ｖであり、短絡電流Ｊscは１．９７ｍＡ／ｃｍ2であり、曲線因子Ｆ．Ｆは０．６６であり、光変換効率は２．８７％であった。このように実施例２では、比較例に比べて短絡電流が向上し、且つ曲線因子が向上した。
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。
１ 光電変換素子、１１ 基板、１３ ｎ型窒化物半導体層、１５ 介在層、１７ ｉ型窒化物半導体層、１９ 第２の介在層、２１ ｐ型窒化物半導体層、２３ 透明導電膜、２５ 光反射層、３５ 介在層、３５Ａ 第１の層、３５Ｂ 第２の層、３５Ｃ 第３の層、１０１ 入射光、１０２ 反射光、１０３ 反射光、１０４ 反射光、１０５ 反射光、１０６ 反射光、１０７ 反射光。

Claims (13)

  1. ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、前記ｉ型窒化物半導体層の上に設けられたｐ型窒化物半導体層とがｐｉｎ接合されてなる光電変換素子であって、
    前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｉ型窒化物半導体層との間に設けられ、構成元素の種類が前記ｉ型窒化物半導体層とは同一である一方、構成元素の組成比が前記ｉ型窒化物半導体層とは異なる介在層をさらに備え、
    前記介在層のＩｎ組成比は、前記ｉ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも低い光電変換素子。
  2. 前記介在層は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる複数の半導体層が積層されて構成されており、
    前記複数の半導体層は、前記ｉ型窒化物半導体層から前記ｎ型窒化物半導体層へ向かうにつれてバンドギャップエネルギーが高くなるように配置されている請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 前記ｉ型窒化物半導体層は、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなり、
    前記介在層は、ＡｌxＩｎzＧａ(1-x-z)Ｎ（０≦ｘ≦１、０＜ｚ≦１、０＜ｘ＋ｚ≦１、０＜ｚ＜ｙ）からなる単層である、または前記ｎ型窒化物半導体層の上にＡｌxＩｎznＧａ(1-x-zn)Ｎ層、ＡｌxＩｎz(n-1)Ｇａ(1-x-z(n-1))Ｎ層、・・・、ＡｌxＩｎz2Ｇａ(1-x-z2)Ｎ層、およびＡｌxＩｎz1Ｇａ(1-x-z1)Ｎ層（０＜ｚｎ＜ｚ（ｎ−１）＜・・・＜ｚ２＜ｚ１＜ｙ、但しｎは自然数であり、ｎ≧４）が順に積層された積層構造を有する請求項１または２に記載の光電変換素子。
  4. 前記介在層は、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の単層である、または膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の層が積層された積層構造を有する請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換素子。
  5. 前記ｉ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設けられ、構成元素の種類が前記ｉ型窒化物半導体層とは同一である一方、構成元素の組成比が前記ｉ型窒化物半導体層とは異なる第２の介在層を備え、
    前記第２の介在層のＩｎ組成比は、前記ｉ型窒化物半導体層のＩｎ組成比よりも低い請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換素子。
  6. 前記第２の介在層は、Ｉｎ組成比が互いに異なる複数の第２の半導体層が積層されて構成されており、
    前記複数の第２の半導体層は、前記ｉ型窒化物半導体層から前記ｐ型窒化物半導体層へ向かうにつれてＩｎ組成比が低くなるように配置されている請求項５に記載の光電変換素子。
  7. 前記第２の介在層は、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の単層である、または膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の層が積層された積層構造を有する請求項５または６に記載の光電変換素子。
  8. 前記第２の介在層は、ＡｌxＩｎwＧａ(1-x-w)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｗ≦１、０＜ｘ＋ｗ≦１）からなる請求項５〜７のいずれかに記載の光電変換素子。
  9. 前記ｎ型窒化物半導体層のＡｌ組成比は、前記介在層のＡｌ組成比よりも高く、
    前記ｎ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は、前記介在層のＩｎ組成比よりも低く、
    前記ｎ型窒化物半導体層の絶対屈折率値は、前記介在層の絶対屈折率値よりも小さい請求項１〜８のいずれかに記載の光電変換素子。
  10. 前記ｐ型窒化物半導体層のＡｌ組成比は、前記第２の介在層のＡｌ組成比よりも高く、
    前記ｐ型窒化物半導体層のＩｎ組成比は、前記第２の介在層のＩｎ組成比よりも低く、
    前記ｐ型窒化物半導体層の絶対屈折率値は、前記第２の介在層の絶対屈折率値よりも小さく、
    前記ｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２の介在層のバンドギャップエネルギーよりも大きい請求項５〜８のいずれかに記載の光電変換素子。
  11. 前記ｐ型窒化物半導体層の上面上には、透明導電膜が設けられており、
    前記透明導電膜は、
    Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、およびＭｇのうちの少なくとも１つを含む単層である、または当該単層が積層された積層構造を有し、
    ２．３よりも小さな絶対屈折率値を有し、
    ２５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚を有する請求項１〜１０のいずれかに記載の光電変換素子。
  12. 前記ｎ型窒化物半導体層、前記ｉ型窒化物半導体層、および前記ｐ型窒化物半導体層は、この順で基板の上面上に結晶成長され、
    前記基板は、ＡｌpＩｎqＧａ(1-p-q)Ｎ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ3、ＬｉＧａＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、およびＺｒＢ2のいずれかからなる請求項１〜１１のいずれかに記載の光電変換素子。
  13. 前記基板の下面上には、光反射層が設けられており、
    前記光反射層は、Ａｇからなる単層であり、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜厚を有する請求項１２に記載の光電変換素子。
JP2011199604A 2011-09-13 2011-09-13 光電変換素子 Expired - Fee Related JP5405545B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011199604A JP5405545B2 (ja) 2011-09-13 2011-09-13 光電変換素子
PCT/JP2012/069323 WO2013038822A1 (ja) 2011-09-13 2012-07-30 光電変換素子

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011199604A JP5405545B2 (ja) 2011-09-13 2011-09-13 光電変換素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013062360A true JP2013062360A (ja) 2013-04-04
JP5405545B2 JP5405545B2 (ja) 2014-02-05

Family

ID=47883061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011199604A Expired - Fee Related JP5405545B2 (ja) 2011-09-13 2011-09-13 光電変換素子

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5405545B2 (ja)
WO (1) WO2013038822A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015095648A (ja) * 2013-11-08 2015-05-18 財團法人工業技術研究院Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ヘテロ接合型太陽電池の構造
JP5876562B1 (ja) * 2014-11-27 2016-03-02 日本電信電話株式会社 太陽電池の製造方法
JP2017034189A (ja) * 2015-08-05 2017-02-09 富士通株式会社 光電変換素子
JP2017534182A (ja) * 2014-11-13 2017-11-16 アーティラックス インコーポレイテッドＡｒｔｉｌｕｘ Ｉｎｃ． 光吸収装置
US10026860B2 (en) 2006-06-02 2018-07-17 Solaero Technologies Corp. Metamorphic layers in multijunction solar cells
US10074677B2 (en) 2014-11-13 2018-09-11 Artilux Inc. Light absorption apparatus

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07288334A (ja) * 1994-04-18 1995-10-31 Nichia Chem Ind Ltd 窒化ガリウム系化合物半導体受光素子
JP2003204122A (ja) * 2001-12-28 2003-07-18 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子
JP2009059797A (ja) * 2007-08-30 2009-03-19 Sharp Corp 窒化物半導体レーザ素子
JP2010129676A (ja) * 2008-11-26 2010-06-10 Sharp Corp 窒化物半導体レーザ素子とその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07288334A (ja) * 1994-04-18 1995-10-31 Nichia Chem Ind Ltd 窒化ガリウム系化合物半導体受光素子
JP2003204122A (ja) * 2001-12-28 2003-07-18 Nichia Chem Ind Ltd 窒化物半導体素子
JP2009059797A (ja) * 2007-08-30 2009-03-19 Sharp Corp 窒化物半導体レーザ素子
JP2010129676A (ja) * 2008-11-26 2010-06-10 Sharp Corp 窒化物半導体レーザ素子とその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6012037487; Ｍ．Ｊ．Ｊｅｎｇ: '"Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ＩｎｘＧａ１-ｘＮ／ＧａＮ　ｐ-ｉ-ｎ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ"' Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４９，　Ｎｏ．１２　（２０１０）, １２８００１ *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10026860B2 (en) 2006-06-02 2018-07-17 Solaero Technologies Corp. Metamorphic layers in multijunction solar cells
US10553740B2 (en) 2006-06-02 2020-02-04 Solaero Technologies Corp. Metamorphic layers in multijunction solar cells
JP2015095648A (ja) * 2013-11-08 2015-05-18 財團法人工業技術研究院Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ヘテロ接合型太陽電池の構造
JP2017534182A (ja) * 2014-11-13 2017-11-16 アーティラックス インコーポレイテッドＡｒｔｉｌｕｘ Ｉｎｃ． 光吸収装置
US10074677B2 (en) 2014-11-13 2018-09-11 Artilux Inc. Light absorption apparatus
US10128303B2 (en) 2014-11-13 2018-11-13 Artilux Inc. Light absorption apparatus
US10861884B2 (en) 2014-11-13 2020-12-08 Artilux, Inc. Light absorption apparatus
JP5876562B1 (ja) * 2014-11-27 2016-03-02 日本電信電話株式会社 太陽電池の製造方法
JP2017034189A (ja) * 2015-08-05 2017-02-09 富士通株式会社 光電変換素子

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013038822A1 (ja) 2013-03-21
JP5405545B2 (ja) 2014-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108140695B (zh) 包含二维空穴气体的紫外发光器件
US8093606B2 (en) Nitride semiconductor light emitting device
US11201261B2 (en) Deep ultraviolet light emitting element and method of manufacturing the same
JP2006332205A (ja) 窒化物半導体発光素子
JP5405545B2 (ja) 光電変換素子
JP2009545865A (ja) Ｌｅｄ半導体基体
US8772800B2 (en) Semiconductor light-emitting device
TWI786248B (zh) 發光元件
KR20090115322A (ko) 그룹 3족 질화물계 반도체 소자
US20150236197A1 (en) Semiconductor light emitting device and method for manufacturing the same
JP4285837B2 (ja) 窓層を備えたＡｌＧａＩｎＰ発光素子
KR101459770B1 (ko) 그룹 3족 질화물계 반도체 소자
JP5931653B2 (ja) 光電変換素子
JP5265742B2 (ja) 光電変換素子
JP2007150075A (ja) 窒化物半導体発光素子
JP2014120666A (ja) 窒化物半導体太陽電池、窒化物光−電気変換素子、窒化物半導体太陽電池を作製する方法
JP7413599B1 (ja) Ｉｉｉ－ｖ族化合物半導体発光素子及びｉｉｉ－ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法
US20230369538A1 (en) High efficiency ultraviolet light-emitting devices incorporating a novel multilayer structure
WO2013024632A1 (ja) 光電変換素子
JPWO2012073941A1 (ja) 光電変換素子
JP5367780B2 (ja) 光電変換素子
JP5367781B2 (ja) 光電変換素子
JP2024014794A (ja) 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法
WO2012090636A1 (ja) 光電変換素子および光電変換素子の製造方法
JP2014229656A (ja) 光電変換素子

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130528

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130614

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131008

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131030

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees