JP2014060382A - 光電変換素子、光電変換システムおよび光電変換素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高効率の発電が可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】実施の形態の光電変換素子は、ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）が１．５９≦Ａｐ≦３．２６であり、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）のｎ個の発光ピークを有する照明光を受光して光電変換を行う光電変換素子であって、バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）（ただし１≦ｑ≦ｍ、２≦ｍ≦ｎ）を有するｍ個の光電変換層を備え、ｍ個の光電変換層がそれぞれｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光電変換素子、光電変換システムおよび光電変換素子の製造方法に関する。
光電変換素子には、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、太陽電池等、その構成や用途によって幅広い種類がある。そして、再生可能エネルギーの必要性が増す中、太陽電池を用いて発電を行う太陽光発電（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の開発が積極的に進められている。
太陽電池は元来、太陽光を受けて効率的に発電が行われるよう構成されている。一方、携帯情報機器はスマートホンに代表される小型で多機能な情報機器として広く普及している。
例えば、携帯情報機器が多機能・高機能になるにつれ、要求される電力量が増大する。もっとも、電力を蓄電するリチウム電池等の内臓電池の容量には限界がある。このため、携帯情報機器の充電頻度が増大するという問題が生ずる。
そこで、高効率の太陽電池により発電し、使用電力をまかなうことが可能となれば、充電頻度を減らすことが可能となり実用性の高い携帯情報機器が実現可能となる。特に、太陽光よりも光の強度の弱い屋内の照明光で高効率の発電が可能な光電変換素子が実現されれば、携帯情報機器の有用性が増大する。
特許第４１８０６３６号 特開２０１１−１９８９７５
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、高効率の発電が可能な光電変換素子を提供することにある。
実施の形態の光電変換素子は、ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）が１．５９≦Ａｐ≦３．２６であり、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）のｎ個の発光ピークを有する照明光を受光して光電変換を行う光電変換素子であって、バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）（ただし１≦ｑ≦ｍ、２≦ｍ≦ｎ）を有するｍ個の光電変換層を備え、前記ｍ個の光電変換層がそれぞれ前記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。
第１の実施の光電変換素子の断面模式図である。 第１の実施の形態の光電変換素子の構成と作用を説明する図である。 発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）と光電変換層のバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の関係をシミュレーションにより求めた結果である。 第１の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 第１の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 第１の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 第１の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 ＩｎＧａＮ層の１０００℃加熱による劣化を示す図である。 第２の実施の形態の光電変換素子の断面模式図である。 第３の実施の形態の光電変換システムの模式図である。 第５の実施の形態で製造される光電変換素子の断面模式図である。 第５の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 第５の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 第５の実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。 第６の実施の形態で製造される光電変換素子の断面模式図である。 第７の実施の形態の光電変換素子の断面模式図である。
なお、本明細書中、光の発光ピークを特定する際に、ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）またはピーク波長λｐ（ｎｍ）を用いる。両者の関係は、Ａｐ＝１２３９．８／λｐで表すことが可能である。
例えば、ピーク波長３８０ｎｍは、ピークエネルギー３．２６ｅＶであり、ピーク波長７８０ｎｍは、ピークエネルギー１．５９ｅＶである。
以下、図面を用いて実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態の光電変換素子は、ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）が１．５９≦Ａｐ≦３．２６であり、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）のｎ個の発光ピークを有する照明光を受光して光電変換を行う。そして、バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）（ただし１≦ｑ≦ｍ、２≦ｍ≦ｎ）を有するｍ個の光電変換層を備え、上記ｍ個の光電変換層がそれぞれ上記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。
本実施の形態の光電変換素子は、上記構成を有することにより、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた照明装置から発せられる照明光のように、可視光内に複数の波長の発光ピークを備える照明光下において、高効率の光電変換、すなわち高効率の発電を実現することが可能となる。
本実施の形態の光電変換素子は、例えば、発光ピークの波長λ１が４５０ｎｍ（Ａ１＝２．７６ｅＶ）の青色ＬＥＤと、発光ピークの波長λ２が５６０ｎｍ（Ａ２＝２．２１ｅＶ）の黄色ＬＥＤを備える白色照明装置から発せられる照明光に対応する構成となっている。すなわち、ピークエネルギーＡ１＝２．７６ｅＶの第１の発光ピークと、ピークエネルギーＡ２＝２．２１ｅＶの第２の発光ピークの２個の発光ピークを備える照明光を受光して光電変換を行う光電変換素子である。
ここで、第１の発光ピークは半値全幅Ｆ１（ｅＶ）を備え、第２の発光ピークは半値全幅Ｆ２（ｅＶ）を備えるものとする。
本実施の形態の光電変換素子は、光が入射される側に形成されるｎ側電極と、ｎ側電極の下方に形成されるＧａＮ系のｎ型の半導体層と、ｎ型半導体下方に形成されるＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層と、第１の光電変換層下方に形成されるＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層と、第２の光電変換層下方に形成されるＧａＮ系のｐ型の半導体層と、ｐ型の半導体層下方に形成されるｐ側電極と、を備える。
図１は、本実施の形態の光電変換素子の断面模式図である。本実施の形態の光電変換素子は、図中白矢印で示される照明光が入射される側（図１の上側）に、ｎ側電極１０が形成される。ｎ側電極１０は、光電変換により得られる電流を出力する端子である。ｎ側電極１０は、例えば金属電極であり、例えば下層からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）の積層構造を採用することが可能である。
ｎ側電極１０の下方には、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２が形成される。また、第１のｎ＋型ＧａＮ層１２の下方には、第１のｎ−型ＧａＮ層１４が形成される。第１のｎ＋型ＧａＮ層１２および第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第１のｎ＋型ＧａＮ層１２のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。第１のｎ−型ＧａＮ層１４のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第１のｎ−型ＧａＮ層１４の下方には、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６が形成されている。ここで、第１の光電変換層１６は、バンドギャップエネルギーＢ１（ｅＶ）を備える。
第１の光電変換層１６の下方には、第１のｐ−型ＧａＮ層１８が形成される。また、第１のｐ−型ＧａＮ層１８の下方には第１のｐ＋型ＧａＮ層２０が形成される。第１のｐ−型ＧａＮ層１８および第１のｐ＋型ＧａＮ層２０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第１のｐ−型ＧａＮ層１８のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。また、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０のｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の下方には、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２が形成される。また、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２の下方には、第２のｎ−型ＧａＮ層２４が形成される。第２のｎ＋型ＧａＮ層２２および第２のｎ−型ＧａＮ層２４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第２のｎ＋型ＧａＮ層２２のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。第２のｎ−型ＧａＮ層２４のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第２のｎ−型ＧａＮ層２４の下方には、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの第２の光電変換層２６が形成されている。ここで、第２の光電変換層２６は、バンドギャップエネルギーＢ２（ｅＶ）を備える。
第２の光電変換層２６の下方には、第２のｐ−型ＧａＮ層２８が形成される。また、第２のｐ−型ＧａＮ層２８の下方には第２のｐ＋型ＧａＮ層３０が形成される。第２のｐ−型ＧａＮ層２８および第２のｐ＋型ＧａＮ層３０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第２のｐ−型ＧａＮ層２８のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。また、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０のｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第２のｐ＋型ＧａＮ層３０の下方には、例えば金属の反射層３２が形成される。金属の反射層により入射される照射光が反射されることで、光電変換素子の効率が向上する。特に、可視光に対する反射率が高いことから、反射層３２としてＡｇ（銀）を用いることが望ましい。
反射層３２の下方には、ｐ側電極３４が形成される。ｐ側電極３４は、光電変換により得られる電流を出力する端子である。ｐ側電極３４は、例えば金属電極であり、例えば下層からＡｕ（金）／Ｎｉ（ニッケル）の積層構造を採用することが可能である。
ｐ側電極３４の下方には、例えば金属の放熱層３６が形成される。放熱層３６には熱伝導率の高いＣｕ（銅）を用いることが望ましい。
図２は、本実施の形態の光電変換素子の構成と作用を説明する図である。本実施の形態においては、照明光の発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）に対し、光電変換素子にピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）より少し低いバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）を備える光電変換層を設ける。
具体的には、ピークエネルギーＡ１（ｅＶ）を備える第１の発光ピークに対し、ピークエネルギーＡ１（ｅＶ）より少し低いバンドギャップエネルギーＢ１（ｅＶ）を備える第１の光電変換層１６を設ける。これにより、図２（ａ）に示すように、第１の発光ピークと第１の光電変換層１６の受光感度曲線が適当にオーバラップし、第１の光電変換層１６による光電変換効率が向上すると考えられる。
同様に、ピークエネルギーＡ２（ｅＶ）を備える第２の発光ピークに対し、ピークエネルギーＡ２（ｅＶ）より少し低いバンドギャップエネルギーＢ２（ｅＶ）を備える第２の光電変換層２６を設ける。これにより、第２の光電変換層２６による光電変換効率が向上すると考えられる。
なお、第１の光電変換層１６のバンドギャップエネルギーＢ１は、第２の光電変換層２６のバンドギャップエネルギーＢ２よりも高くなっている。すなわち、光電変換層が、照明光の入射する側からバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の大きい順に配置される構成となっている。
このように配置することにより、照明光の中で高エネルギーの部分は大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層で光電変換されることになる。したがって、光電変換時のエネルギーロスがなくなり、高効率の光電変換が実現される。
光電変換層のバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の範囲は、発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）と、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）を用いて、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。本実施の形態においては、Ａ１−Ｆ１＜Ｂ１≦Ａ１、Ａ２−Ｆ２＜Ｂ２≦Ａ２の関係が充足される。
この関係を充足することで、光電変換層における高い光電変換効率が実現される。図２（ｂ）は、第１の発光ピークと第１の光電変換層１６を例に、上記関係を図示している。
図３は、発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）と光電変換層のバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の関係をシミュレーションにより求めた結果である。発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）を２．５ｅＶに固定し、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）を変数とした場合に、光電変換効率が最大となるバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）を求めたものである。
プロットが、光電変換効率が最大となるバンドギャップエネルギーを示す。図から明らかなように、光電変換効率が最大となるバンドギャップエネルギーについて、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係が充足されている。さらに、光電変換効率が最大となるバンドギャップエネルギーがＡｐ−０．９Ｆｐ＜Ｂｑ＜Ａｐ−０．７Ｆｐの関係をも充足する。このことから、バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）について、Ａｐ−０．９Ｆｐ＜Ｂｑ＜Ａｐ−０．７Ｆｐの関係を充足することがより望ましい。
本実施の形態の光電変換素子によれば、照明光の発光ピークのピークエネルギーに、最適化されたバンドギャップエネルギーの光電変換層を備えることで、入射される光エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することが可能となる。特に、ＬＥＤを用いた照明装置が設置された屋内で、高効率な発電を行うことが可能となる。
なお、ここでは発光ピークの数をｎ個、光電変換層の数をｍ個とする場合、それぞれが２個で等しい場合、すなわちｍ＝ｎの場合を例に説明した。ｍ＝ｎとすることが高効率を実現する観点からは望ましい。
しかしながら、例えば、発光ピークの数が３個（ｎ＝３）で光電変換層の数が２個（ｍ＝２）の場合のように、ｍ≠ｎの場合であってもかまわない。例えば、３個の発光ピークのうち、強度の高い２個の発光ピークに最適化した光電変換層を２個設けるような場合も考えられる。
本実施の形態では、単結晶シリコン基板４０上に形成されるＧａＮ系の半導体層の積層平面に対する表面の面方位の傾きが、例えば、０度以上８度以下である。この場合、Ｉｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層１６において０．１≦Ｘ１≦０．２５であり、Ｉｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記される第２の光電変換層２６において０．１５≦Ｘ２≦０．３５であることが望ましい。Ｉｎの組成を上記範囲とすることにより、青色光および黄色光に対する変換効率が最適化される。
もっとも、光電変換効率を向上させる観点からは、単結晶シリコン基板４０上に形成されるＧａＮ系の半導体層の積層平面に対する表面の面方位の傾きが、例えば、１５度以上６５度以下とすることが望ましい。この場合、Ｉｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層１６において０．２≦Ｘ１≦０．４であり、Ｉｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記される第２の光電変換層２６において０．２５≦Ｘ２≦０．６０であることが望ましい。Ｉｎの組成を上記範囲とすることにより、青色光および黄色光に対する変換効率が最適化される。
また、第１または第２の光電変換層１６、２６にＡｌ（アルミニウム）を含有させてもかまわない。Ａｌを含有させることにより、格子の整合性またはバンドギャップエネルギーの調整をすることが可能となる。また、Ａｌを含有させることにより、結晶性を向上させることが可能となる。
また、光電変換層に、ＩｎxＧａｙＡｌＺＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表記される組成以外の材料を適用することも可能である。もっとも、上記組成の材料は可視光領域における光電変換効率が高いことから、ＬＥＤを用いた屋内照明での発電には望ましい材料である。
次に、本実施の形態の光電変換素子の製造方法について説明する。本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、基板上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、ｎ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、第２の光電変換層上にＧａＮ系のｐ型の半導体層を形成し、ｐ型の半導体層上にｐ側電極を形成し、基板を剥離してｎ型の半導体層を露出させ、第１の光電変換層と反対側のｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成する。
図４、図５、図６、図７は、本実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。
まず、例えば、厚さが５００μｍ程度の単結晶シリコン基板４０を準備しＭＯＣＶＤ装置に搬入する。次に、単結晶シリコン基板４０上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔｅｌ Ｏｒｇｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＡｌＮバッファ層１１、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４を形成する。
ＡｌＮバッファ層１１、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、１０００℃〜１１００℃の加熱条件下で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料ガスとして結晶成長させる。ｎ型不純物であるＳｉの導入にはＳｉＨ４（シラン）を用いる。
第１のｎ−型ＧａＮ層１４の形成後に、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を原料ガスに加え、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６を形成する。
第１の光電変換層１６の形成後に、第１のｐ−型ＧａＮ層１８と第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成する。第１のｐ−型ＧａＮ層１８と第１のｐ＋型ＧａＮ層２０は、１０００℃の加熱条件下で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料ガスとして結晶成長させる。ｐ型不純物であるＭｇの導入のためにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる（図４）。
第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の形成後、上記の第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２から第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成するプロセスと同様のプロセスで、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２、第２のｎ−型ＧａＮ層２４、第２の光電変換層２６、第２のｐ−型ＧａＮ層２８、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０を形成する（図５）。
第２の光電変換層２６は、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎである。第２の光電変換層２６は、第１の光電変換層１６よりも高濃度のＩｎ（インジウム）を含有している。すなわち、第１の光電変換層１６は、第２の光電変換層２６よりも大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層となっている。
第２のｐ＋型ＧａＮ層３０形成後に、単結晶シリコン基板４０をＭＯＣＶＤ装置から搬出する。そして、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０上に反射層３２およびｐ側電極３４を形成する。
反射層３２は、例えばＡｇ（銀）であり、ｐ側電極３４は、例えば、反射層３２からＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の積層膜である。反射層３２およびｐ側電極３４は、例えば、電子ビーム蒸着装置内で電子ビーム蒸着法により形成する。
次に、単結晶シリコン基板４０と同様のサイズを備えるＣｕ（銅）基板３６を準備する。そして、Ｃｕ基板３６上に、例えば、ＳｎＡｇＣｕハンダ（図示せず）を蒸着する。
その後、Ｃｕ基板３６とｐ側電極３４とを、ＳｎＡｇＣｕハンダを挟んで重ねあわせ、真空中で加圧を行いながら、例えば、２７０℃に加熱して貼りあわせる（図６）。
次に、例えば、研磨装置により研磨し、単結晶シリコン基板４０を５０μｍ程度の厚さまで薄くする。その後、ドライエチング装置により、ＣＦ４（四フッ化メタン）ガスをドライエッチングガスとして用いて単結晶シリコン基板４０をすべて除去する。その後、ドライエッチングガスをＣｌ２（塩素）に切り換えてＡｌＮバッファ層１１をエッチングし、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２を露出させる（図７）。
その後、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２の表面をＫＯＨ（水酸化カリウム）によりエッチングして、表面に凹凸を形成する。そして、水洗処理の後に、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２の表面にｎ側電極１０を形成する。ｎ側電極１０は、例えば、例えば第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２側からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）の積層膜である。
以上の工程により、図１に示す光電変換素子を形成することが可能である。
図８は、ＩｎＧａＮ層の１０００℃加熱による劣化を示す図である。試料に紫外線を照射して蛍光を観察し、発光ムラにより結晶性の劣化を評価している。
図８（ａ）が加熱前、図８（ｂ）が加熱後である。加熱前は均一な発光が見られるのに対し、加熱後は発光ムラが顕著になり、ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化していることが分かる。発明者らの検討により、特にＩｎ（インジウム）が高濃度（高組成）の場合に加熱による特性劣化が顕著となることが確認されている。
そして、劣化は加熱温度および加熱時間に依存し、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層の方がより低温、短時間で劣化が進行することが明らかになった。ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化すると、光電変換素子の光電変換効率が低下する。
本実施の形態によれば、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第１の光電変換層１６を先に形成し、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第２の光電変換層２６を形成する。したがって、成膜等の熱処理による光電変換層の劣化を抑制し、高い光電変換効率を実現することが可能となる。
なお、ｐ型ＧａＮ層上へｐ側電極を形成する場合、ｐ側ＧａＮ層表面の結晶性が重要となることが判明している。すなわち、ｐ側ＧａＮ層表面の結晶性が乱れていると、特にｐ側電極が金属の時にｐ側電極のコンタクト抵抗が増大する。このため、特に、ｐ側ＧａＮ層の表面加工にドライエッチング等の加速粒子を用いた加工や、研磨加工を行うとコンタクト抵抗の増大が顕著になるという問題が生じる。
本実施の形態によれば、ｐ型ＧａＮ層上の基板剥離などで、ドライエッチングや研磨加工を行う必要が生じるが、本構造を用いることでこれらを行わずにｐ側電極の形成が可能となる。したがって、低コンタクト抵抗のｐ側電極が実現可能となる。よって、抵抗損失が小さく高効率な光電変換素子を実現することが可能となる。
なお、単結晶シリコン基板にかえてサファイア基板等、基板上の半導体層を形成可能なその他の基板を適用することも可能である。
（第２の実施の形態）
本実施の形態の光電変換素子は、光電変換層を３層備えること以外は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
本実施の形態の光電変換素子は、例えば、発光ピークの波長λ１が４５０ｎｍ（Ａ１＝２．７６ｅＶ）の青色ＬＥＤと、発光ピークの波長λ２が５２０ｎｍ（Ａ２＝２．３８ｅＶ）の緑色ＬＥＤと、発光ピークの波長λ３が６３０ｎｍ（Ａ２＝１．９７ｅＶ）の赤色ＬＥＤとを備える白色照明装置から発せられる照明光に対応する構成となっている。すなわち、ピークエネルギーＡ１＝２．７６ｅＶの第１の発光ピーク、ピークエネルギーＡ２＝２．３８ｅＶの第２の発光ピーク、ピークエネルギーＡ２＝１．９７ｅＶの第３の発光ピークの３個の発光ピークを備える照明光を受光して光電変換を行う光電変換素子である。
ここで、第１の発光ピークは半値全幅Ｆ１（ｅＶ）を備え、第２の発光ピークは半値全幅Ｆ２（ｅＶ）を備え、第３の発光ピークは半値全幅Ｆ３（ｅＶ）を備えるものとする。
本実施の形態の光電変換素子は、照明光が入射される側に形成されるｎ側電極と、ｎ側電極の下方に形成されるＧａＮ系のｎ型の半導体層と、ｎ型半導体層下方に形成されるＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層と、第１の光電変換層下方に形成されるＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層と、第２の光電変換層下方に形成されるＩｎx３Ｇａｙ３ＡｌＺ３Ｎ（０＜ｘ３≦１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≦１）で表記され、ｘ２＜ｘ３である組成を備える第３の光電変換層と、第３の光電変換層下方に形成されるＧａＮ系のｐ型の半導体層と、ｐ型の半導体層下方に形成されるｐ側電極と、を備える。
図９は、本実施の形態の光電変換素子の断面模式図である。本実施の形態の光電変換素子は、図中白矢印で示される照明光が入射される側（図１の上側）に、ｎ側電極１０が形成される。
ｎ側電極１０の下方には、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２が形成される。また、第１のｎ＋型ＧａＮ層１２の下方には、第１のｎ−型ＧａＮ層１４が形成される。第１のｎ＋型ＧａＮ層１２および第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第１のｎ−型ＧａＮ層１４の下方には、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６が形成されている。ここで、第１の光電変換層１６は、バンドギャップエネルギーＢ１（ｅＶ）を備える。
第１の光電変換層１６の下方には、第１のｐ−型ＧａＮ層１８が形成される。また、第１のｐ−型ＧａＮ層１８の下方には第１のｐ＋型ＧａＮ層２０が形成される。第１のｐ−型ＧａＮ層１８および第１のｐ＋型ＧａＮ層２０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の下方には、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２が形成される。また、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２の下方には、第２のｎ−型ＧａＮ層２４が形成される。第２のｎ＋型ＧａＮ層２２および第２のｎ−型ＧａＮ層２４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第２のｎ−型ＧａＮ層２４の下方には、例えば、Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎの第２の光電変換層２６が形成されている。ここで、第２の光電変換層２６は、バンドギャップエネルギーＢ２（ｅＶ）を備える。
第２の光電変換層２６の下方には、第２のｐ−型ＧａＮ層２８が形成される。また、第２のｐ−型ＧａＮ層２８の下方には第２のｐ＋型ＧａＮ層３０が形成される。第２のｐ−型ＧａＮ層２８および第２のｐ＋型ＧａＮ層３０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第２のｐ＋型ＧａＮ層３０の下方には、第３のｎ＋型ＧａＮ層４２が形成される。また、第３のｎ＋型ＧａＮ層４２の下方には、第３のｎ−型ＧａＮ層４４が形成される。第３のｎ＋型ＧａＮ層４２および第３のｎ−型ＧａＮ層４４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第３のｎ−型ＧａＮ層３４の下方には、例えば、Ｉｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎの第３の光電変換層４６が形成されている。ここで、第３の光電変換層４６は、バンドギャップエネルギーＢ３（ｅＶ）を備える。
第３の光電変換層４６の下方には、第３のｐ−型ＧａＮ層４８が形成される。また、第３のｐ−型ＧａＮ層４８の下方には第３のｐ＋型ＧａＮ層５０が形成される。第３のｐ−型ＧａＮ層４８および第３のｐ＋型ＧａＮ層５０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第３のｐ＋型ＧａＮ層５０の下方には、例えば金属の反射層３２が形成される。金属の反射層により入射される照射光が反射されることで、光電変換素子の効率が向上する。特に、可視光に対する反射率が高いことから、反射層３２としてＡｇ（銀）を用いることが望ましい。
反射層３２の下方には、ｐ側電極３４が形成される。ｐ側電極３４は、光電変換により得られる電流を出力する端子である。
ｐ側電極３４の下方には、例えば金属の放熱層３６が形成される。
なお、第１の光電変換層１６のバンドギャップエネルギーＢ１は、第２の光電変換層２６のバンドギャップエネルギーＢ２よりも高く、第２の光電変換層２６のバンドギャップエネルギーＢ２は、第３の光電変換層４６のバンドギャップエネルギーＢ３よりも高くなっている。すなわち、光電変換層が、照明光の入射する側からバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の大きい順に配置される構成となっている。
このように配置することにより、照明光の中で高エネルギーの部分は大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層で光電変換されることになる。したがって、光電変換時のエネルギーロスがなくなり、高効率の光電変換が実現される。
光電変換層のバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の範囲は、発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）と、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）を用いて、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。この関係を充足することで、光電変換層における高い光電変換効率が実現される。本実施の形態においては、Ａ１−Ｆ１＜Ｂ１≦Ａ１、Ａ２−Ｆ２＜Ｂ２≦Ａ２、Ａ３−Ｆ３＜Ｂ３≦Ａ３の関係が充足される。
本実施の形態の光電変換素子によれば、照明光の３個の発光ピークのピークエネルギーに対して最適化されたバンドギャップエネルギーの３個の光電変換層を備える。したがって、入射される光エネルギーを効率良く変換することが可能となる。特に、ＬＥＤを用いた照明装置が設置された屋内で、高効率な発電を行うことが可能となる。
本実施の形態の光電変換素子は、第１の実施の形態で説明した製造方法と同様の方法で製造することが可能である。
（第３の実施の形態）
本実施の形態の光電変換システムは、ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）が１．５９≦Ａｐ≦３．２６であり、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）のｎ個の発光ピークを有する照明装置と、バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）（ただし１≦ｑ≦ｍ、２≦ｍ≦ｎ）を有するｍ個の光電変換層を有し、上記ｍ個の光電変換層がそれぞれ上記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する光電変換素子を有する電子機器と、を備える。光電変換素子の構成は、第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記載を省略する。
図１０は本実施の形態の光電変換システムの模式図である。本実施の形態の光電変換しシステムは、照明装置６０と、電子機器７０とを備えている。
照明装置６０は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いたオフィスあるいは工場内の照明装置である。例えば、発光ピークの波長λ１が４５０ｎｍ（Ａ１＝２．７６ｅＶ）の青色ＬＥＤと、発光ピークの波長λ２が５６０ｎｍ（Ａ２＝２．２１ｅＶ）の黄色ＬＥＤを備える白色照明装置である。
電子機器７０は、例えば、スマートホン等の携帯情報機器である。電子機器７０は、光電変換素子７２を内蔵する。光電変換素子７２は照明装置６０からの照明光を光電変換し発電する。
光電変換素子７２は、例えば、発光ピークの波長λ１が４５０ｎｍ（Ａ１＝２．７６ｅＶ）の青色ＬＥＤと、発光ピークの波長λ２が５６０ｎｍ（Ａ２＝２．２１ｅＶ）の黄色ＬＥＤを備える白色照明装置から発せられる照明光に対応する構成となっている。すなわち、ピークエネルギーＡ１＝２．７６ｅＶの第１の発光ピークと、ピークエネルギーＡ２＝２．２１ｅＶの第２の発光ピークの２個の発光ピークを備える照明光を受光して光電変換を行う光電変換素子である。
ここで、第１の発光ピークは半値全幅Ｆ１（ｅＶ）を備え、第２の発光ピークは半値全幅Ｆ２（ｅＶ）を備えるものとする。光電変換層のバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の範囲は、発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）と、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）を用いて、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。本実施の形態においては、Ａ１−Ｆ１＜Ｂ１≦Ａ１、Ａ２−Ｆ２＜Ｂ２≦Ａ２の関係が充足される。
本実施の形態によれば、照明装置の発光特性と、電子機器の光電変換素子特性とを最適化することにより高効率の光電変換システムが実現可能となる。したがって、太陽光よりも光の強度の弱い屋内の照明光で高効率の発電が可能となり、例えば、携帯情報機器の有用性が増大する。
以下、本実施形態の実施例について説明する。照明装置６０は、４波長の発光ピークを持っている。この照明装置６０はＬＥＤの半値幅と可視域の波長範囲との関係を適正化することによりもっとも効率の良い照明装置となり得る。発光波長のピークは４５０ｎｍ、５３５ｎｍ、５９０ｎｍ、６０５ｎｍ（２．７６ｅＶ、２．３２ｅＶ、２．１０ｅＶ、２．０５ｅＶ）とする。それぞれピークの半値幅は２０ｎｍとすることで、演色性も良く、高効率な照明が実現できる。理論限界値としては３９０ｌｍ／Ｗが実現できる。この照明を受光して動作する光電変換素子７２のバンドギャップはそれぞれ発光層と同じ２．７６ｅＶ、２．３２ｅＶ、２．１０ｅＶ、２．０５ｅＶとする。同じバンドギャップであるために発光と受光は同じ材料を用いることが出来る。さらに望ましくは光電変換層のバンドギャップを２．６６ｅＶ、２．２５ｅＶ、２．０４ｅＶ、２．００ｅＶとする。これにより、もっとも効率的な発電を行うことが出来る。これはＬＥＤの発光スペクトルの形状と光を吸収する吸収スペクトルの形状の関係によるものである。窒化ガリウム系の材料ではＩｎＧａＮ層を発光層や光電変換層に用いることで、層の内部電界によりバンドギャップがその物性のバンドギャップよりも小さくなる量子閉込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が生ずる。この際には、キャリヤが注入されることによるスクリーニング効果で、発光では吸収より波長が短くなる。また、このＩｎＧａＮ系ではＩｎが均一に混じりにくいため、Ｉｎ組成の高い領域がミクロスケールに局在するために、裾準位が形成される。ＬＥＤではこの裾準位でキャリヤが再結合する場合も、低注入ではある。この際に発光波長はより長波長側にピークをもつ。これら様々な現象が、光電変換素子７２により観測されるが、照明装置の発光ピークと光電変換層のエネルギーバンドギャップの関係はＡｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐ、さらに望ましくはＡｐ−０．９Ｆｐ＜Ｂｑ＜Ａｐ−０．７Ｆｐとすることで高効率な光電変換素子を実現できる。
（第４の実施の形態）
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、基板上の半導体層の形成を、ＭＯＣＶＤ法ではなくＤＣスパッタ法で行うこと以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容の記載は省略する。光電変換素子の構造は第１の実施の形態と同様である。
図４、図５、図６、図７を参照しつつ本実施の形態の製造方法を説明する。
まず、例えば、厚さが５００μｍ程度の単結晶シリコン基板４０を準備しＤＣスパッタ装置に搬入する。次に、単結晶シリコン基板４０上に、ＤＣスパッタ法により、ＡｌＮバッファ層１１、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４を形成する。
ＡｌＮバッファ層１１、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、８００℃〜９００℃の加熱条件下で、ＧａＮ焼結体を原料として結晶成長させる。ｎ型不純物にはＳｉを用いる。
第１のｎ−型ＧａＮ層１４の形成後に、ＧａＮ焼結体、ＩｎＮ焼結体をコスパッタし、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６を形成する。
第１の光電変換層１６の形成後に、第１のｐ−型ＧａＮ層１８と第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成する。第１のｐ−型ＧａＮ層１８と第１のｐ＋型ＧａＮ層２０は、８００℃〜９００℃の加熱条件下で、Ｍｇを含有するＧａＮ焼結体を原料として結晶成長させる（図４）。
第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の形成後、上記の第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２から第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成するプロセスと同様のプロセスで、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２、第２のｎ−型ＧａＮ層２４、第２の光電変換層２６、第２のｐ−型ＧａＮ層２８、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０を形成する（図５）。
第２の光電変換層２６は、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎである。第２の光電変換層２６は、第１の光電変換層１６よりも高濃度のＩｎ（インジウム）を含有している。すなわち、第１の光電変換層１６は、第２の光電変換層２６よりも大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層となっている。
第２のｐ＋型ＧａＮ層３０形成後に、ＤＣスパッタ装置から搬出する。そして、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０上に反射層３２およびｐ側電極３４を形成する。以後の工程は、第１の実施の形態と同様である（図６、図７）。
本実施の形態によれば、第１の実施の形態に比較して、より安価な方法で高効率の光電変換素子を製造することが可能となる。
（第５の実施の形態）
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、基板上にＧａＮ系の第１のｐ型の半導体層を形成し、上記第１のｐ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、上記第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、上記第２の光電変換層上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、上記ｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成し、上記基板を剥離して上記第１のｐ型の半導体層を露出させ、上記第１の光電変換層と反対側の上記第１のｐ型の半導体層上に、さらに第２のｐ型の半導体層を形成し、上記第１の光電変換層と反対側の上記第２のｐ型の半導体層上にｐ側電極を形成する。
図１１は、本実施の形態で製造される光電変換素子の断面模式図である。図１で示した第１の実施の形態の光電変換素子に対し、照明光が入射される側にｐ側電極が形成される構成となる点で異なっている。
すなわち、本実施の形態の光電変換素子は、例えば、発光ピークの波長λ１が４５０ｎｍ（Ａ１＝２．７６ｅＶ）の青色ＬＥＤと、発光ピークの波長λ２が５６０ｎｍ（Ａ２＝２．２１ｅＶ）の黄色ＬＥＤを備える白色照明装置から発せられる照明光に対応する構成となっている。すなわち、ピークエネルギーＡ１＝２．７６ｅＶの第１の発光ピークとピークエネルギーＡ２＝２．２１ｅＶの第２の発光ピークの２個の発光ピークを備える照明光を受光して光電変換を行う光電変換素子である。
ここで、第１の発光ピークは半値全幅Ｆ１（ｅＶ）を備え、第２の発光ピークは半値全幅Ｆ２（ｅＶ）を備えるものとする。
本実施の形態の光電変換素子は、図中白矢印で示される照明光が入射される側（図１１の上側）に、ｐ側電極３４が形成される。ｐ側電極３４は、光電変換により得られる電流を出力する端子である。ｐ側電極３４は、例えば金属電極であり、例えば半導体層側からＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の積層構造を採用することが可能である。
ｐ側電極３４の下方には、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０が形成される。また、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の下方には、第１のｐ−型ＧａＮ層１８が形成される。第１のｐ＋型ＧａＮ層２０および第１のｐ−型ＧａＮ層１８は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第１のｐ−型ＧａＮ層１８のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。また、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０のｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第１のｐ−型ＧａＮ層１８の下方には、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６が形成されている。ここで、第１の光電変換層１６は、バンドギャップエネルギーＢ１（ｅＶ）を備える。
第１の光電変換層１６の下方には、第１のｎ−型ＧａＮ層１４が形成される。また、第１のｎ−型ＧａＮ層１４の下方には第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２が形成される。第１のｎ＋型ＧａＮ層１２および第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第１のｎ＋型ＧａＮ層１２のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。第１のｎ−型ＧａＮ層１４のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第１のｎ＋型ＧａＮ層１２の下方には、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０が形成される。また、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０の下方には、第２のｐ−型ＧａＮ層２８が形成される。第２のｐ＋型ＧａＮ層３０および第２のｐ−型ＧａＮ層２８は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第２のｐ−型ＧａＮ層２８のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。また、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０のｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第２のｐ−型ＧａＮ層２８の下方には、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎの第２の光電変換層２６が形成されている。ここで、第２の光電変換層２６は、バンドギャップエネルギーＢ２（ｅＶ）を備える。
第２の光電変換層２６の下方には、第２のｎ−型ＧａＮ層２４が形成される。また、第２のｎ−型ＧａＮ層２４の下方には第２のｎ＋型ＧａＮ層２２が形成される。第２のｎ＋型ＧａＮ層２２および第２のｎ−型ＧａＮ層２４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第２のｎ＋型ＧａＮ層２２のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。第２のｎ−型ＧａＮ層２４のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１×０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
第２のｎ＋型ＧａＮ層２２の下方には、例えば金属の反射層３２が形成される。金属の反射層により入射される照射光が反射されることで、光電変換素子の効率が向上する。特に、可視光に対する反射率が高いことから、反射層３２としてＡｇ（銀）を用いることが望ましい。
反射層３２の下方には、ｎ側電極１０が形成される。ｎ側電極１０は、光電変換により得られる電流を出力する端子である。ｎ側電極１０は、例えば金属電極であり、例えば反射層３２側からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）の積層構造を採用することが可能である。
ｎ側電極１０の下方には、例えば金属の放熱層３６が形成される。放熱層３６には熱伝導率の高いＣｕ（銅）を用いることが望ましい。特に集光器を用いていわゆる集光型太陽電池のような形態で用いる場合には、単位面積当たりの熱量が大きいため、熱伝導の高いものが望ましい。コストの面からはアルミでも良く、多少コストは高くなるがダイヤモンド基板を用いることでさらに集光倍率を上げた場合でも熱による効率低下や劣化を抑えることができる。
なお、第１の光電変換層１６のバンドギャップエネルギーＢ１は、第２の光電変換層２６のバンドギャップエネルギーＢ２よりも高くなっている。すなわち、光電変換層が、照明光の入射する側からバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の大きい順に配置される構成となっている。
このように配置することにより、照明光の中で高エネルギーの部分は大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層で光電変換されることになる。したがって、光電変換時のエネルギーロスがなくなり、高効率の光電変換が実現される。
光電変換層のバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の範囲は、発光ピークのピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）と、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）を用いて、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する。本実施の形態においては、Ａ１−Ｆ１＜Ｂ１≦Ａ１、Ａ２−Ｆ２＜Ｂ２≦Ａ２の関係が充足される。
この関係を充足することで、光電変換層における高い光電変換効率が実現される。
本実施の形態で製造される光電変換素子によれば、照明光の発光ピークに、最適化されたバンドギャップエネルギーの光電変換層を備えることで、入射される光エネルギーを効率良く変換することが可能となる。特に、ＬＥＤを用いた照明装置が設置された屋内で、高効率な発電を行うことが可能となる。
次に、本実施の形態の光電変換素子の製造方法について説明する。図１２、図１３、図１４は、本実施の形態の光電変換素子の製造方法を示す断面模式図である。
まず、例えば、厚さが５００μｍ程度の単結晶シリコン基板４０を準備しＭＯＣＶＤ装置に搬入する。次に、単結晶シリコン基板４０上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔｅｌ Ｏｒｇｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＡｌＮバッファ層１１、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０と第１のｐ−型ＧａＮ層１８を形成する。
ＡｌＮバッファ層１１、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０と第１のｐ−型ＧａＮ層１８は、例えば、１０００℃〜１１００℃の加熱条件下で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料ガスとして結晶成長させる。ｐ型不純物であるＭｇの導入のためにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる
第１のｐ−型ＧａＮ層１８の形成後に、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を原料ガスに加え、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６を形成する。
第１の光電変換層１６の形成後に、第１のｎ−型ＧａＮ層１４と第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２を形成する。第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、１０００℃〜１１００℃の加熱条件下で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料ガスとして結晶成長させる。ｎ型不純物であるＳｉの導入にはＳｉＨ４（シラン）を用いる。
第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２の形成後、上記の第１のｐ＋型ＧａＮ層２０から第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２を形成するプロセスと同様のプロセスで、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０、第２のｐ−型ＧａＮ層２８、第２の光電変換層２６、第２のｎ−型ＧａＮ層２４、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２を形成する（図１２）。
第２の光電変換層２６は、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎである。第２の光電変換層２６は、第１の光電変換層１６よりも高濃度のＩｎ（インジウム）を含有している。すなわち、第１の光電変換層１６は、第２の光電変換層２６よりも大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層となっている。
第２のｎ＋型ＧａＮ層２２形成後に、単結晶シリコン基板４０をＭＯＣＶＤ装置から搬出する。そして、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２上に反射層３２およびｎ側電極１０を形成する。
反射層３２は、例えばＡｇ（銀）であり、ｎ側電極１０は、例えば反射層３２側からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）の積層膜である。反射層３２およびｎ側電極１０は、例えば、電子ビーム蒸着装置内で電子ビーム蒸着法により形成する。
次に、単結晶シリコン基板４０と同様のサイズを備えるＣｕ（銅）基板３６を準備する。そして、Ｃｕ基板３６上に、例えば、ＳｎＡｇＣｕハンダ（図示せず）を蒸着する。
その後、Ｃｕ基板３６とｎ側電極１０とを、ＳｎＡｇＣｕハンダを挟んで重ねあわせ、真空中で加圧を行いながら、例えば、２７０℃に加熱して貼りあわせる（図１３）。
次に、例えば、研磨装置により研磨し、単結晶シリコン基板４０を５０μｍ程度の厚さまで薄くする。その後、ドライエチング装置により、ＣＦ４（四フッ化メタン）ガスをドライエッチングガスとして用いて単結晶シリコン基板４０をすべて除去する。その後、ドライエッチングガスをＣｌ２（塩素）に切り換えてＡｌＮバッファ層１１をエッチングし、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を露出させる（図１４）。
その後、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法により、第３のｐ＋型ＧａＮ層（図示せず：第２のｐ型の半導体層）を形成する。その後、第３のｐ＋型ＧａＮ層の表面に、ｐ側電極３４を形成する。ｐ側電極３４は、例えば金属電極であり、例えば半導体層側からＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の積層構造を採用することが可能である。
以上の工程により、図１１に示す光電変換素子を製造することが可能である。
本実施の形態によれば、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第１の光電変換層１６を先に形成し、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第２の光電変換層２６を形成する。したがって、光電変換層の劣化を抑制し、高い光電変換効率を実現することが可能となる。
なお、上述のように、ｐ型ＧａＮ層上へｐ側電極を形成する場合、ｐ側ＧａＮ層表面の結晶性が重要となることが判明している。本実施の形態によれば、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０から単結晶シリコン基板４０を剥離した後、さらにＭＯＣＶＤ法により第３のｐ＋型ＧａＮ層（第２のｐ型の半導体層）を形成する。
このように、第３のｐ＋型ＧａＮ層の表面に、ドライエッチング等の加速粒子を用いた加工や、研磨加工を行うことなくｐ側電極３４を形成する。したがって、ｐ型ＧａＮ層の表面の結晶性の乱れが少ない状態で、ｐ側電極３４が形成することが可能となる。したがって、低コンタクト抵抗のｐ側電極が実現可能となる。よって、抵抗損失が小さく高効率な光電変換素子を製造することが可能となる。
（第６の実施の形態）
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、基板上にＧａＮ系のｐ型の半導体層を形成し、上記ｐ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、上記第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、上記第２の光電変換層上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、上記ｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成し、上記基板を剥離してｐ型の半導体層を露出させ、上記第１の光電変換層と反対側の上記ｐ型の半導体層上に、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）またはＺｎＯ（酸化亜鉛）のｐ側電極を形成する。
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、第２のｐ型の半導体層を形成することなく、ＩＴＯまたはＺｎＯのｐ側電極を形成する点以外は第５の実施の形態と同様である。したがって、第５の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
図１５は、本実施の形態で製造される光電変換素子の断面模式図である。第１のｐ＋型ＧａＮ層２０上に形成されるｐ側電極８０が、ＩＴＯまたはＺｎＯの透明半導体電極である点で、図１１に示す第５の実施の形態の光電変換素子と異なっている。
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を露出させる（図１４）工程までは、第５の実施の形態と同様である。
その後、例えば、スパッタ法によりＩＴＯ（酸化インジウムスズ）またはＺｎＯ（酸化亜鉛）のｐ側電極を形成する。
例えば、ＩＴＯの場合は、ＩＴＯをターゲットとしＲＦスパッタにより形成する。例えば、酸素雰囲気中、ＲＦパワー２００Ｗ、基板温度２５℃でＩＴＯの堆積を行う。ＩＴＯ堆積後に、例えば、酸素雰囲気中で、４００℃、３分間のアニールを行うことで、ＩＴＯの透明性と導電性を両立させることが可能となる。
本実施の形態によれば、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第１の光電変換層１６を先に形成し、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第２の光電変換層２６を形成する。したがって、光電変換層の劣化を抑制し、高い光電変換効率を実現することが可能となる。
そして、ＩＴＯおよびＺｎＯはｎ型半導体である。そして、ＩＴＯまたはＺｎＯと第１のｐ＋型ＧａＮ層２０（ｐ型の半導体層）との界面はトンネル接合となり、コンタクト抵抗の低減が可能となる。
したがって、低コンタクト抵抗のｐ側電極が実現可能となり、抵抗損失が小さく高効率な光電変換素子を製造することが可能となる。
（第７の実施の形態）
光が入射される側に形成されるｎ側電極と、上記電極の下方に形成されるＧａＮ系のｎ型の半導体層と、上記半導体層下方に形成されるＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層と、上記の光電変換層下方に形成されるＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層と、上記第２の光電変換層下方に形成されるＩｎx３Ｇａｙ３ＡｌＺ３Ｎ（０＜ｘ３≦１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≦１）で表記され、ｘ２＜ｘ３である組成を備える第３の光電変換層と、上記第３の光電変換層下方に形成されるＧａＮ系のｐ型の半導体層と、上記ｐ型の半導体層下方に形成されるｐ側電極と、を備える。
本実施の形態の光電変換素子は、上記構成を備えることにより、例えば、太陽光を入射光として発電する光電変換素子において、高い光電変換効率を容易な製造方法で実現することが可能である。
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、基板上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、上記ｎ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、上記第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、上記第２の光電変換層上にＩｎx３Ｇａｙ３ＡｌＺ３Ｎ（０＜ｘ３≦１、０≦ｙ３＜１、０≦ｚ３＜１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≦１）で表記され、ｘ２＜ｘ３である組成を備える第３の光電変換層を形成し、上記第３の光電変換層上にＧａＮ系のｐ型の半導体層を形成し、上記ｐ型の半導体層上にｐ側電極を形成し、上記基板を剥離して上記ｎ型の半導体層を露出させ、上記第１の光電変換層と反対側の上記ｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成する。
本実施の形態の光電変換素子の製造方法は、例えば、太陽光を入射光として発電する光電変換素子の光電変換効率を高効率化することが可能である。
図１６は、本実施の形態の光電変換素子の断面模式図である。本実施の形態の光電変換素子は、図中白矢印で示される太陽光が入射される側（図１６の上側）に、ｎ側電極１０が形成される。ｎ側電極１０は、例えば金属電極であり、例えば下層からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）の積層構造を採用することが可能である。
ｎ側電極１０の下方には、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２が形成される。また、第１のｎ＋型ＧａＮ層１２の下方には、第１のｎ−型ＧａＮ層１４が形成される。第１のｎ＋型ＧａＮ層１２および第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第１のｎ−型ＧａＮ層１４の下方には、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６が形成されている。ここで、第１の光電変換層１６は、バンドギャップエネルギーＢ１（ｅＶ）を備える。
第１の光電変換層１６の下方には、第１のｐ−型ＧａＮ層１８が形成される。また、第１のｐ−型ＧａＮ層１８の下方には第１のｐ＋型ＧａＮ層２０が形成される。第１のｐ−型ＧａＮ層１８および第１のｐ＋型ＧａＮ層２０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の下方には、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２が形成される。また、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２の下方には、第２のｎ−型ＧａＮ層２４が形成される。第２のｎ＋型ＧａＮ層２２および第２のｎ−型ＧａＮ層２４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第２のｎ−型ＧａＮ層２４の下方には、例えば、Ｉｎ０．４０Ｇａ０．６０Ｎの第２の光電変換層２６が形成されている。ここで、第２の光電変換層２６は、バンドギャップエネルギーＢ２（ｅＶ）を備える。
第２の光電変換層２６の下方には、第２のｐ−型ＧａＮ層２８が形成される。また、第２のｐ−型ＧａＮ層２８の下方には第２のｐ＋型ＧａＮ層３０が形成される。第２のｐ−型ＧａＮ層２８および第２のｐ＋型ＧａＮ層３０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第２のｐ＋型ＧａＮ層３０の下方には、第３のｎ＋型ＧａＮ層４２が形成される。また、第３のｎ＋型ＧａＮ層４２の下方には、第３のｎ−型ＧａＮ層４４が形成される。第３のｎ＋型ＧａＮ層４２および第３のｎ−型ＧａＮ層４４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）をｎ型不純物として含有する。
第３のｎ−型ＧａＮ層４４の下方には、例えば、Ｉｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｎの第３の光電変換層４６が形成されている。ここで、第３の光電変換層４６は、バンドギャップエネルギーＢ３（ｅＶ）を備える。
第３の光電変換層４６の下方には、第３のｐ−型ＧａＮ層４８が形成される。また、第３のｐ−型ＧａＮ層４８の下方には第３のｐ＋型ＧａＮ層５０が形成される。第３のｐ−型ＧａＮ層４８および第３のｐ＋型ＧａＮ層５０は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）をｐ型不純物として含有する。
第３のｐ＋型ＧａＮ層５０の下方には、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）のｐ側電極９０が形成される。ｐ側電極９０は、光電変換により得られる電流を出力する端子である。
ｐ側電極９０の下方にＳｉ（シリコン）基板１００が設けられている。Ｓｉ（シリコン）基板１００は、光電変換層として機能する。光電変換層として機能するＳｉ基板の構造は通常の単結晶シリコン基板太陽電池と同じ構造であり、ｎ＋Ｓｉ層、ｎＳｉ層、ｐＳｉ層、ｐ＋Ｓｉ層、ｐ側電極となっている。電極はＩＴＯ部分を側面より引き出して独立して、動作させても良く、この場合にはＩＴＯ電極からも電極を引き出した先にＳｉ基板用とＧａＮとで別回路とする必要があり、構造が複雑となる。また、ＩＴＯから電極を引き出さずにＳｉ基板１００のｐ側電極から引き出しても良い。この際には電流が等しくなるように各層の発電電流量を設計することで動作が安定する。
なお、本実施の形態にいては、第１、第２、第３の光電変換層を挟んで、ｐ型半導体層側はいわゆる裏面電界層に相当する層を設け、ｎ型半導体層側はいわゆる窓層相当する層を設けることで、キャリア収集効率を向上させている。
なお、第１の光電変換層１６のバンドギャップエネルギーＢ１は、第２の光電変換層２６のバンドギャップエネルギーＢ２よりも高く、第２の光電変換層２６のバンドギャップエネルギーＢ２は、第３の光電変換層４６のバンドギャップエネルギーＢ３よりも高くなっている。すなわち、光電変換層が、照明光の入射する側からバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の大きい順に配置される構成となっている。
このように配置することにより、照明光の中で高エネルギーの部分は大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層で光電変換されることになる。したがって、光電変換時のエネルギーロスがなくなり、高効率の光電変換が実現される。
次に、本実施の形態の光電変換素子の製造方法について説明する。
まず、例えば、厚さが５００μｍ程度の単結晶シリコン基板を準備しＭＯＣＶＤ装置に搬入する。次に、単結晶シリコン基板４０上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔｅｌ Ｏｒｇｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＡｌＮバッファ層（図示せず）、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４を形成する。
ＡｌＮバッファ層、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２と第１のｎ−型ＧａＮ層１４は、例えば、１０００℃〜１１００℃の加熱条件下で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料ガスとして結晶成長させる。ｎ型不純物であるＳｉの導入にはＳｉＨ４（シラン）を用いる。
第１のｎ−型ＧａＮ層１４の形成後に、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を原料ガスに加え、例えば、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（窒化インジウムガリウム）の第１の光電変換層１６を形成する。
第１の光電変換層１６の形成後に、第１のｐ−型ＧａＮ層１８と第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成する。第１のｐ−型ＧａＮ層１８と第１のｐ＋型ＧａＮ層２０は、１０００℃の加熱条件下で、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を原料ガスとして結晶成長させる。ｐ型不純物であるＭｇの導入のためにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。
第１のｐ＋型ＧａＮ層２０の形成後、上記の第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２から第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成するプロセスと同様のプロセスで、第２のｎ＋型ＧａＮ層２２、第２のｎ−型ＧａＮ層２４、第２の光電変換層２６、第２のｐ−型ＧａＮ層２８、第２のｐ＋型ＧａＮ層３０を形成する。
第２の光電変換層２６は、例えば、Ｉｎ０．４０Ｇａ０．６０Ｎである。第２の光電変換層２６は、第１の光電変換層１６よりも高濃度のＩｎ（インジウム）を含有している。すなわち、第１の光電変換層１６は、第２の光電変換層２６よりも大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層となっている。
第２のｐ＋型ＧａＮ層３０の形成後、上記の第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２から第１のｐ＋型ＧａＮ層２０を形成するプロセスと同様のプロセスで、第３のｎ＋型ＧａＮ層４２、第３のｎ−型ＧａＮ層４４、第３の光電変換層４６、第３のｐ−型ＧａＮ層４８、第３のｐ＋型ＧａＮ層５０を形成する。
第３の光電変換層４６は、例えば、Ｉｎ０．４５Ｇａ０．５５Ｎである。第３の光電変換層４６は、第２の光電変換層２６よりも高濃度のＩｎ（インジウム）を含有している。すなわち、第２の光電変換層２６は、第３の光電変換層２６よりも大きいバンドギャップエネルギーを備える光電変換層となっている。
第３のｐ＋型ＧａＮ層５０形成後に、単結晶シリコン基板をＭＯＣＶＤ装置から搬出する。そして、第３のｐ＋型ＧａＮ層５０上にＩＴＯ（酸化インジウムスズ）のｐ側電極９０を形成する。ｐ側電極９０の形成は、例えば、電子ビーム蒸着装置内で電子ビーム蒸着法により行う。
次に、単結晶シリコン基板と同様のサイズを備えるシリコン基板を準備する。そして、シリコン基板上に、例えば、ＩＴＯ膜を蒸着する。
その後、単結晶シリコン基板のｐ側電極のＩＴＯと、シリコン基板のＩＴＯ膜とが接触するように重ねあわせ、真空中で加圧を行いながら、例えば、２７０℃に加熱して貼りあわせる。
次に、例えば、研磨装置により研磨し、ＧａＮ系の半導体層の成長に用いた単結晶シリコン基板を５０μｍ程度の厚さまで薄くする。その後、ドライエチング装置により、ＣＦ４（四フッ化メタン）ガスをドライエッチングガスとして用いて単結晶シリコン基板４０をすべて除去する。その後、ドライエッチングガスをＣｌ２（塩素）に切り換えてＡｌＮバッファ層をエッチングし、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２を露出させる。
その後、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２の表面をＫＯＨ（水酸化カリウム）によりエッチングして、表面に凹凸を形成する。そして、水洗処理の後に、第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２の表面にｎ側電極１０を形成する。ｎ側電極１０は、例えば、例えば第１のｎ＋型ＧａＮ（窒化ガリウム）層１２側からＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）の積層膜である。
以上の工程により、図１６に示す光電変換素子を形成することが可能である。
上述のように、発明者らの検討により、特にＩｎ（インジウム）が高濃度（高組成）の場合に加熱による特性劣化が顕著となることが確認された。
そして、劣化は加熱温度および加熱時間に依存し、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層の方がより低温、短時間で劣化が進行することが明らかになった。ＩｎＧａＮ層の結晶性が劣化すると、光電変換素子の光電変換効率が低下する。
本実施の形態によれば、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第１の光電変換層１６を先に形成し、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第２の光電変換層２６を形成する。さらに、より高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層である第３の光電変換層４６を形成する。したがって、成膜等の熱処理による光電変換層の劣化を抑制し、大きい光電変換効率を実現することが可能となる。
なお、ｐ型ＧａＮ層上へｐ側電極を形成する場合、ｐ側ＧａＮ層表面の結晶性が重要となることが判明している。すなわち、ｐ側ＧａＮ層表面の結晶性が乱れていると、ｐ側電極のコンタクト抵抗が増大する。このため、特に、ｐ側ＧａＮ層の表面加工にドライエッチング等の加速粒子を用いた加工や、研磨加工を行うとコンタクト抵抗の増大が顕著である。
本実施の形態によれば、ｐ型ＧａＮ層上の基板剥離などのドライエッチングや研磨加工を行わずにｐ側電極の形成が可能となる。したがって、低コンタクト抵抗のｐ側電極が実現可能となる。よって、抵抗損失が小さく高効率な光電変換素子を実現することが可能となる。
そして、光電変換素子の各層の積層順序を、図１６に示す本実施の形態の構成とすることにより、ｐ型ＧａＮ層上の基板剥離などのドライエッチングや研磨加工を行わずにｐ側電極の形成することが容易となる。
本実施の形態においては、ＩｎＧａＮ層の光電変換層が３層の場合を例に説明したが、製造コストや光電変換効率を考慮して、２層、あるいは、４層以上のＩｎＧａＮ層の光電変換層を備えることも可能である。
また、光電変換層として機能するＳｉ基板は必ずしも備えなくてもよい。Ｓｉ基板を備えない場合は、長波長の光の吸収効率を高めるために、例えば、光電変換層の組成をＩｎ組成が低い方から、Ｉｎ０．４０Ｇａ０．６０Ｎ、Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ｎ、ＩｎＮとすることも可能である。
なお、単結晶シリコン基板にかえてサファイア基板等、基板上の半導体層を形成可能なその他の基板を適用することも可能である。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、各実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもかまわない。
そして、実施の形態の説明においては、光電変換素子、光電変換システムおよび光電変換素子の製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる光電変換素子、光電変換システムおよび光電変換素子の製造方法に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
例えば、基板、半導体層または電極等の間に、適宜、特性や製造方法を容易にする層を挿入することも可能である。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての光電変換素子、光電変換システムおよび光電変換素子の製造方法は、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
１０ ｎ側電極
１２ 第１のｎ＋型ＧａＮ層
１４ 第１のｎ−型ＧａＮ層
１６ 第１の光電変換層
１８ 第１のｐ−型ＧａＮ層
２０ 第１のｐ＋型ＧａＮ層
２２ 第２のｎ＋型ＧａＮ層
２４ 第２のｎ−型ＧａＮ層
２６ 第２の光電変換層２６
２８ 第２のｐ−型ＧａＮ層
３０ 第２のｐ＋型ＧａＮ層
３２ 反射層
３４ ｐ側電極
３６ 放熱層
４０ 単結晶シリコン基板
６０ 照明装置
７０ 電子機器

Claims (20)

  1. ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）が１．５９≦Ａｐ≦３．２６であり、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）のｎ個の発光ピークを有する光を受光して光電変換を行う光電変換素子であって、
    バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）（ただし１≦ｑ≦ｍ、２≦ｍ≦ｎ）を有するｍ個の光電変換層を備え、
    前記ｍ個の光電変換層がそれぞれ前記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、
    Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足することを特徴とする光電変換素子。
  2. 前記ｍ個の光電変換層が、前記光の入射する側からバンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）の大きい順に配置されることを特徴とする請求項１記載の光電変換素子。
  3. ｍ＝ｎであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光電変換素子。
  4. 前記ｍ個の光電変換層がそれぞれ前記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、
    Ａｐ−０．９Ｆｐ＜Ｂｑ＜Ａｐ−０．７Ｆｐの関係を充足することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の光電変換素子。
  5. 前記ｍ個の光電変換層が、ＩｎxＧａｙＡｌＺＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表記される組成を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の光電変換素子。
  6. ピークエネルギーＡｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）が１．５９≦Ａｐ≦３．２６であり、半値全幅Ｆｐ（ｅＶ）（ただし１≦ｐ≦ｎ、２≦ｎ）のｎ個の発光ピークを有する照明装置と、
    バンドギャップエネルギーＢｑ（ｅＶ）（ただし１≦ｑ≦ｍ、２≦ｍ≦ｎ）を有するｍ個の光電変換層を有し、前記ｍ個の光電変換層がそれぞれ前記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、Ａｐ−Ｆｐ＜Ｂｑ≦Ａｐの関係を充足する光電変換素子を有する電子機器と、
    を備えることを特徴とする光電変換システム。
  7. ｍ＝ｎであることを特徴とする請求項６記載の光電変換システム。
  8. 前記ｍ個の光電変換層がそれぞれ前記ｎ個の発光ピークのいずれか１個に対し、
    Ａｐ−０．９Ｆｐ＜Ｂｑ＜Ａｐ−０．７Ｆｐの関係を充足することを特徴とする請求項６または請求項７記載の光電変換システム。
  9. 前記ｍ個の光電変換層が、ＩｎxＧａｙＡｌＺＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表記される組成を備えることを特徴とする請求項６ないし請求項８いずれか一項記載の光電変換システム。
  10. 前記電子機器が携帯情報端末であることを特徴とする請求項６ないし請求項９いずれか一項記載の光電変換システム。
  11. 光が入射される側に形成されるｎ側電極と、
    前記ｎ側電極の下方に形成されるＧａＮ系のｎ型の半導体層と、
    前記ｎ型半導体層下方に形成されるＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層と、
    前記第１の光電変換層下方に形成されるＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層と、
    前記第２の光電変換層下方に形成されるＧａＮ系のｐ型の半導体層と、
    前記ｐ型の半導体層下方に形成されるｐ側電極と、
    を備えることを特徴とする光電変換素子。
  12. 前記ｐ側電極の下方に銅（Ｃｕ）の放熱層を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の光電変換素子。
  13. 前記ｐ側電極と前記ｐ型の半導体層との間に銀（Ａｇ）の反射層を更に備えることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載の光電変換素子。
  14. 基板上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、
    前記ｎ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、
    前記第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、
    前記第２の光電変換層上にＧａＮ系のｐ型の半導体層を形成し、
    前記ｐ型の半導体層上にｐ側電極を形成し、
    前記基板を剥離して前記ｎ型の半導体層を露出させ、
    前記第１の光電変換層と反対側の前記ｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成することを特徴とする光電変換素子の製造方法。
  15. 前記ｐ側電極上に銅（Ｃｕ）の放熱層を形成することを特徴とする請求項１４記載の光電変換素子の製造方法。
  16. 前記ｐ型の半導体層と前記ｐ側電極との間に、銀（Ａｇ）の反射層を形成することを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の光電変換素子の製造方法。
  17. 前記ｎ型の半導体層、前記第１の光電変換層、前記第２の光電変換層、前記ｐ型の半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により形成されることを特徴とする請求項１４ないし請求項１６いずれか一項記載の光電変換素子の製造方法。
  18. 基板上にＧａＮ系の第１のｐ型の半導体層を形成し、
    前記第１のｐ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、
    前記第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、
    前記第２の光電変換層上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、
    前記ｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成し、
    前記基板を剥離して前記第１のｐ型の半導体層を露出させ、
    前記第１の光電変換層と反対側の前記第１のｐ型の半導体層上に、さらに第２のｐ型の半導体層を形成し、
    前記第１の光電変換層と反対側の前記第２のｐ型の半導体層上にｐ側電極を形成することを特徴とする光電変換素子の製造方法。
  19. 基板上にＧａＮ系のｐ型の半導体層を形成し、
    前記ｐ型の半導体層上にＩｎx１Ｇａｙ１ＡｌＺ１Ｎ（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１）で表記される組成を備える第１の光電変換層を形成し、
    前記第１の光電変換層上にＩｎx２Ｇａｙ２ＡｌＺ２Ｎ（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０≦ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≦１）で表記され、ｘ１＜ｘ２である組成を備える第２の光電変換層を形成し、
    前記第２の光電変換層上にＧａＮ系のｎ型の半導体層を形成し、
    前記ｎ型の半導体層上にｎ側電極を形成し、
    前記基板を剥離して前記ｐ型の半導体層を露出させ、
    前記第１の光電変換層と反対側の前記ｐ型の半導体層上に、ＩＴＯまたはＺｎＯのｐ側電極を形成することを特徴とする光電変換素子の製造方法。
  20. 前記ＩＴＯまたはＺｎＯがスパッタ法により形成されることを特徴とする請求項１９記載の光電変換素子の製造方法。
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