JP2016111317A - 光電変換素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便かつ効果的に接合リーク電流を減少させることのできる光電変換素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一観点に係る光電変換素子は、第１伝導型からなる第１半導体層と、第１半導体層上に形成される活性層と、活性層上に形成され、第２伝導型からなる第２半導体層と、を備える光電変換素子であって、第１半導体層および活性層および第２半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を有する。また他の一観点に係る光電変換素子の製造方法は、上記第１半導体層を形成する第１工程と、上記第２半導体層を形成する第２工程と、上記活性層を形成する第３工程と、上記転位不活性部を形成する第４工程と、を有する。【選択図】図９

Description

本発明は、紫外線から赤外線までの広い波長領域をカバーする光電変換装置およびその製造方法に関するものであり、特に、結晶欠陥による特性劣化を抑制する光電変換装置およびその製造方法に関する。
本願は、２０１４年１２月１日に出願された特願２０１４-２４２７０９号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、温室ガスによる地球温暖化に対する懸念から、エネルギー問題への取り組みの重要性は高まっている。特に、化石燃料への依存体質からの脱却は急務である。このような状況下において、太陽光エネルギーの光電変換により発電する光電変換素子、いわゆる太陽電池は、上記問題解決を解決する重要な一技術である。

現在、ほとんどの太陽電池はシリコン（Ｓｉ）を原料としている。一方で、人工衛星搭載などの高い光電変換効率が要求される用途では、太陽光スペクトルとの整合性から化合物半導体である砒化ガリウム（ＧａＡｓ）を用いた太陽電池が実用化されている。

太陽電池の公知の技術として、量子構造によって構成される太陽電池が提案されている。例えば、特許文献１に記載の太陽電池は、量子井戸もしくは量子ドット構造を有する太陽電池であり、その構成について図１８を参照して説明する。図１８は一例として、太陽電池５００の構成を示すブロック図であり、基板５０１と、前記基板５０１上に形成されるｎ型半導体層５０２と、前記ｎ型半導体層５０２上に形成される量子構造層５０３と、前記量子構造層５０３上に形成されるp型半導体層５０４と、の周知の構成からなり、これらが周知の半導体製造技術などによって単一セルとして形成されている。

特開２００２−１４１５３１号公報

上記特許文献１等に記載される太陽電池の構成では、変換効率の向上のために太陽光スペクトルの利用波長域を広げることが望まれることから、量子構造層の混晶組成、および量子井戸層厚や量子ドットサイズの適切な制御が必要となる。

ところが、上記特許文献１に明確に記載されているように、太陽光スペクトルの適合波長域を広げようとすると、量子構造層の混晶組成変化、さらにヘテロ構造の導入などによって実際には格子欠陥、結晶欠陥、もしくは転位が多数導入されることになり、かえって太陽電池特性が劣化することが知られている。すなわち、これらの不活性化または終端化（パッシベーション）技術の開拓こそが、高効率太陽電池を実現するための必須条件である。

ところで、広い太陽光スペクトルのほぼ全域を唯一カバーできることから、窒化物半導体を高効率太陽電池に応用することが期待されている。しかし、適当な商用基板が入手困難であることに加えて、窒化物半導体は格子不整合系であるために、現時点での最高水準の技術を持ってしても１０^６ｃｍ^−２以上の高密度な貫通転位が存在することになる。

さらに、格子欠陥、結晶欠陥、および転位の問題は窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）ではより深刻となり、Ｉｎ組成を増大させることに伴い、混晶の非混和性などによって更に欠陥・転位密度が大幅に増大される。この欠陥・転位は、太陽電池の接合漏れ電流（リーク電流）を劇的に増大させるために、これらの不活性化または終端化（パッシベーション）技術が真に求められている。

そこで本発明は、上記課題を考慮し、簡便かつ効果的に、接合リーク電流を減少させることのできる光電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様である光電変換素子は、第一の伝導層と、光吸収層と、第二の伝導層と、を順次積層した光電変換素子であって、前記光吸収層は、窒化インジウム層が複数積層された構造を備え、前記窒化インジウム層上のいずれかに、転位又は欠陥を覆うパッチが形成されていることを特徴とする。

本発明の第１態様では、前記パッチは、酸化物、窒化物、及び酸窒化物の少なくともいずれかであってもよい。

本発明の第１態様では、前記パッチは、前記窒化インジウム層の転位又は粒界の周囲を選択的に覆う一方、前記窒化インジウム層の転位又は粒界のない領域を覆わないよう形成されてもよい。

本発明の第２態様である光電変換素子の製造方法では、第一の伝導層を形成する工程と、光吸収層を形成する工程と、第二の伝導層を形成する工程とを有し、前記光吸収層を形成する工程は、窒化インジウム層を形成する工程と、前記窒化インジウム層上にパッチを形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の第２態様では、前記パッチを形成する工程は、窒化インジウム層上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程を含んでもよい。

本発明の第２態様では、前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程は、前記金属膜を酸化又は窒化処理することで、生成された金属酸化膜又は金属窒化膜を、前記窒化インジウム層に生じた転位又は粒界を自己組織的に覆うパッチとして形成してもよい。

本発明の第２態様では、前記パッチを形成する工程は、複数の窒化インジウム層上において行われてもよい。

本発明の第３態様である光電変換素子は、第１伝導型からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成され、第２伝導型からなる第２半導体層と、を備える光電変換素子であって、前記第１半導体層および前記活性層および前記第２半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を有することを特徴とする。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、結晶欠陥を含むように形成されてもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、結晶欠陥上に形成されてもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部の膜厚は、２分子層以下であってもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部の膜厚は、１分子層以下であってもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部の表面被覆率は、１未満であってもよい。

本発明の第３態様では、前記第１半導体層は第１バンドギャップエネルギーを有し、前記第２半導体層は第２バンドギャップエネルギーを有し、前記活性層は第３バンドギャップエネルギーを有し、前記転位不活性部は第４バンドギャップエネルギーを有し、前記第４バンドギャップエネルギーは、前記第１バンドギャップエネルギーおよび前記第２バンドギャップエネルギーおよび前記第３バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも大きくてもよい。

本発明の第３態様では、前記第３バンドギャップエネルギーは、前記第１バンドギャップエネルギーおよび前記第２バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも小さくてもよい。

本発明の第３態様では、前記第１半導体層は第１抵抗率を有し、前記第２半導体層は第２抵抗率を有し、前記活性層は第３抵抗率を有し、前記転位不活性部は第４抵抗率を有し、前記第４抵抗率は、前記第１抵抗率および前記第２抵抗率および前記第３抵抗率の少なくともいずれかよりも大きくてもよい。

本発明の第３態様では、前記活性層は第３伝導型を有し、前記転位不活性部は第４伝導型を有し、前記第４伝導型は、前記第１伝導型および前記第１伝導型および前記第３伝導型の少なくともいずれかと異なってもよい。

本発明の第３態様では、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかは、窒化物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎであってもよく、前記ｘおよびｙの範囲は、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１である。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの構成元素と異価数元素を含んでもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの構成元素よりも電気陰性度が大きい元素を含んでもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、酸素および窒素の少なくともいずれかを含んでもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、アルミニウムおよびホウ素およびシリコンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含んでもよい。

本発明の第３態様では、前記転位不活性部は、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの結晶構造と異なる結晶構造を有してもよい。

本発明の第３態様では、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層および前記転位不活性部の少なくともいずれかの結晶構造は、多結晶もしくはアモルファスであってもよい。

本発明の第４態様である光電変換素子の製造方法は、第１伝導型からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成され、第２伝導型からなる第２半導体層と、前記第１半導体層および前記活性層および前記第２半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を備える光電変換素子の製造方法であって、前記第１半導体層を形成する第１工程と、前記第２半導体層を形成する第２工程と、前記活性層を形成する第３工程と、前記転位不活性部を形成する第４工程と、を有することを特徴とする。

本発明の第４態様では、前記第４工程が、第１原料を供給する工程と、第２原料を供給する工程とを有してもよい。

本発明の第４態様では、前記第４工程が、前記第１原料を除去する工程と、前記第２原料を凝縮させる工程とを有してもよい。

本発明の第４態様では、前記第４工程が、第３原料を供給する工程を有してもよい。

本発明の第４態様では、前記第１原料と前記第２原料とが非混和系であってもよい。

本発明の第４態様では、前記第１原料を供給する前記工程で、前記第１原料の供給量が、２分子層以上となるよう制御されてもよい。

本発明の第４態様では、前記第４工程が、前記第１原料もしくは前記第２原料の少なくともいずれかの融点よりも高温で行われてもよい。

本発明の第４態様では、前記第１原料が、ガリウムもしくはインジウムの少なくともいずれかであってもよく、前記第２原料がアルミニウムであってもよい。

本発明の第４態様では、前記第３原料が、窒素もしくは酸素の少なくともいずれかであってもよい。

本発明の第４態様では、前記第３原料が、水もしくは亜酸化窒素の少なくともいずれかであってもよい。

以上、本発明によると簡便かつ効果的に、接合リーク電流を減少させることのできる光電変換素子または非発光中心の抑制された発光素子、さらにその製造方法を提供することができる。

第１実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略図である。 第１実施形態に係る太陽電池の各セルの構成を示す概略図である。 第１実施形態に係るＧａＮ層上にＩｎＮ層を堆積した場合の、分光エリプソメトリその場観察から得られた擬誘電関数虚部の時間推移であり、横軸がプロセス経過時間であり、縦軸がＧａＮ表面上に堆積したＩｎＮ膜厚に対応する。 第１実施形態に係る太陽電池の構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る太陽電池のエネルギーバンド図であり、素子動作電流とキャリア輸送について示している。 第１実施形態に係る太陽電池の構成を示す平面図である。 第１実施形態に係る製造一工程のイメージ図である。 第１実施形態に係る製造一工程のイメージ図である。 第２実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略図である。 第２実施形態に係る太陽電池のエネルギーバンド図である。 第２実施形態に係る転位終端部の構成を示す概略図である。 第２実施形態に係る転位終端部の構成を示す概略図である。 第２実施形態に係る転位終端部の構成を示すエネルギーバンド図である。 第２実施形態に係る太陽電池の製造工程を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る結晶成長様式を示すであり、分光エリプソメトリから得られた擬誘電関数虚部の時間推移と対応する表面状態を図示している。 第３実施形態に係る太陽電池の構成を示す概略図である。 第４実施形態に係る紫外発光素子の構成を示す概略図である。 従来例による太陽電池の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。但し、この実施例の記載は、本発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

［第１実施形態］
第１実施形態では、本発明の光電変換素子の一例である太陽電池について、図１〜図８を参照しながら述べる。

図１は、本実施形態に係る太陽電池１（以下「本電池」という。）の構造の概略図である。本図で示すように、太陽電池１は、複数のセル１１を備えて構成されている。図２は、セル内の層構造の概略を示す図である。

本電池において複数のセル１１は、それぞれが光電変換性能を有し、単独でも光電変換素子としての機能を有するものではある。具体的にセル１１は、第一の伝導層１１１と、光吸収層１１２と、第二の伝導層１１３と、を順次積層した光電変換素子となっている。

本実施形態に係るセル（以下「本セル」という。）における第一の伝導層１１１、第二の伝導層１１３は一対で構成され、光吸収層１１２を挟み、光吸収層１１２によって励起された電子又は正孔（キャリア）を輸送するために用いられるものである。本実施形態において第一の伝導層１１１、第二の伝導層１１３それぞれは、キャリア輸送を効率よく行うためにそれぞれ好適に調整することができる。第一の伝導層１１１及び第二の伝導層１１３のそれぞれの材料は、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層を用いることができ、一方の伝導層がｎ型半導体層であれば他方の伝導層はｐ型半導体層である。なおｎ型半導体のより具体的な例としては限定されるわけではないがｎ型窒化ガリウム（以下「ｎ−ＧａＮ」という。）、ｐ型半導体としては具体的にはｐ型窒化ガリウム（以下「ｐ−ＧａＮ」という。）を例示することができる。

本セルにおいて光吸収層１１２は、光を吸収する遷移過程による光電変換のために用いられる層である。本セルにおける光吸収層１１２は、超薄膜の窒化インジウム（以下「ＩｎＮ」）層と、超薄膜の窒化ガリウム（以下「ＧａＮ」）層が交互に積層される量子井戸構造、もしくは擬似混晶構造となっている。なおここでＩｎＮ層の厚さとしては量子井戸構造を形成することが可能で、光吸収層としての機能を奏することができる限りにおいて特に限定されるわけではないが、例えば１分子層以上１０分子層以下であることが好ましく、より好ましくは５分子層以下、さらに好ましくは２分子層以下であるが、上記範囲において分数分子層であってもよい。なお発明者らは、ＧａＮ層上にＩｎＮ層を堆積させた場合において、分光エリプソメトリでその場観察を行ったときにおいて、図３で示すように、２分子層で飽和していることを見出しており、２分子層以下、分子分数層以下であることが好ましい。また本実施形態において、ＧａＮ層においても特に制限はなく、１分子層以上１０分子層以下である。なお、ＩｎＮ層とＧａＮ層は層の厚さを調整することで、ガリウムとインジウムの組成比を調整することができる。

また、本実施形態において、光吸収層１１２は、窒化インジウム層のいずれかに、転位又は欠陥を覆うパッチが形成されている。本セルは、ＩｎＧａＮ三次元混晶系の太陽電池のインジウム組成について、２０％程度までにとどまっている現状を打破しより高い割合のインジウム組成を達成しようとしているところ、インジウムを高い割合で含ませると上記したように格子不整合から、ｐｎ接合の空乏層の電界を打ち消すほどの大きなピエゾ電界、ｐｎ接合の特性を悪化させ太陽電池としての動作を不可能とするほどの大きな漏れ電流が発生してしまうおそれが生ずる。より具体的には、貫通転位、ナノパイプ・マイクロパイプ、空乏層内の巨大捕獲断面積を有する高密度点欠陥（群・集合・凝集体）が生じてしまう。そこで、本実施形態では、光吸収層において、この格子不整合により生ずる転位又は欠陥にパッチを形成することで上記の問題を飛躍的に改善することが可能となる。この構造イメージを図４に、図５にバンド図を、図６に、本実施形態によって設けられるパッチのイメージ（平面図）について示しておく。

本実施形態においてパッチの材料としては特に限定されるわけではないが、金属の酸化物若しくは窒化物又は酸窒化物であることが好ましい。このようにすることで漏れ電流を遮断、終端化することが可能となるといった本来の効果を発揮するともに、製造工程において、転位又は欠陥（粒界）のあるＩｎＮ層上に金属膜が形成された後酸化、窒化又は酸窒素化することで転位又は欠陥のある位置に選択的にパッチを形成することができるといった製造上の効果も発揮することができる。この場合において、金属としては、上記機能を奏することができる限りにおいて限定されるわけではないが、アルミニウムを含むことが好ましく、更にガリウムを含ませることでセル中にもともと存在する材料を用いることで格子不整合を緩和させることが可能となるとともに融点を下げることが可能となり好ましい。

本実施形態においてパッチの厚さとしては、上記機能を有する限りにおいて限定されないが、例えば１分子層以上５分子層以下であることが好ましい。

ここで、本実施形態に係る太陽電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る他いうよう電池の製造方法は、複数のセルを積層する工程を複数回行うことで構成されている。

また本実施形態において、セルの製造方法は、上記のとおり第一の伝導層を形成する工程、光吸収層を形成する工程、第二の伝導層を形成する工程を備えた光電変換素子の製造方法であって、光吸収層を形成する工程は、窒化インジウム層を形成する工程と、窒化インジウム層上にパッチを形成する工程と、を含む。

本実施形態において、第一の伝導層を形成する工程は特に限定されず公知の方法を採用することができ、ＭＢＥ、ＭＯＶＰＥ、スパッタリング法等を用いることができるがこれに限定されない。

本実施形態では、第一の伝導層を形成した後、光吸収層を形成する。光吸収層の形成は特に限定されるわけではないが、上記のとおりＩｎＮ層とＧａＮ層を交互に形成する工程を複数回繰り返すことが好ましい。このＩｎＮ層とＧａＮ層の形成についても上記のとおり、ＭＢＥ、ＭＯＶＰＥ等公知の方法を採用することができる。

ところで、ＩｎＮ層の形成とＧａＮ層の形成を複数回行うと、上記で示したように格子不整合に由来する転位や欠陥が生ずることとなる。そこで、本実施形態では転位や欠陥が生じた場合、適宜、パッチを形成する工程を挟ませる。具体的には、ＩｎＮ層又はＧａＮ層上に金属膜を形成する工程と、この金属膜を酸化及び窒化の少なくともいずれかを行う工程を含ませる。

金属膜を形成する工程は、上記のように公知の方法によってＩｎＮ層又はＧａＮ層上に均一に金属膜を形成する工程で十分である。この場合のイメージ図を図７に示しておく。

そして、次に、この金属膜に対し、酸素又は窒素を供給することで、金属を酸化又は窒化し、金属窒化物、金属酸化物又は金属酸窒化物からなるパッチとすることができる。本実施形態によると、金属膜を酸化又は窒化処理することで、生成された金属酸化膜又は金属窒化膜を、窒化インジウム層に生じた転位又は粒界を自己組織的に覆うパッチとして形成することができる。すなわち、転位や欠陥がない位置の金属は除去され、転位や欠陥の位置に選択的にパッチとして残る。この場合のイメージ図を図８に示しておく。これにより光電変換性能を阻害することなく、上記の問題を飛躍的に改善することが可能となる。

そして本実施形態では、上記十分に光吸収層を形成した後、上記第一の伝導層と同様に第二の伝導層を形成する。これにより、セルを構成することができ、この工程を複数繰り返すことで上記の太陽電池を形成することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、光電変換素子中に含まれる格子欠陥、結晶欠陥、転位などが引き起こす漏れ（リーク）電流の問題を、これら欠陥および転位を不活性化もしくは終端化（パッシベーション）することで解決する本発明の特徴について、窒化物半導体太陽電池を例に挙げ、図９〜図１５を参照しながら述べる。

但し、本実施形態の記載は、本発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図９は、本実施形態に係る太陽電池２００の構成例を示すブロック図である。図９において、太陽電池２００は、ｎ型窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）層２０１と、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１上に形成される活性層２０３と、活性層２０３上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）層２０２と、活性層２０３に含まれる転位終端部２０４と、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２に電気的に接続される図示しないｐ型電極と、によって構成され、周知の半導体製造技術などで形成される。転位終端部２０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２のいずれかに挿入されても良い。

また、窒化物系半導体では、適当な成長基板が無いこと、３元混晶が全て格子不整合系であること、さらに非混和・相分離の組成領域が存在することなどによって、太陽電池２００を構成する場合、線欠陥、面欠陥、および点欠陥の集合体などからなる結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９を高密度に含む。

ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、電子をｎ型電極に輸送するために用いられる。ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、正孔をｐ型電極に輸送するために用いられる。従って、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１およびｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２の抵抗率および層厚は、キャリア輸送を効率よく行うために、それぞれが好適に調整され、それらの混晶組成比（ｘ，ｙ）についても、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１の範囲で適宜調整される。ｎ型電極およびｐ型電極は、発生した光起電力を外部に取り出すために用いられる。

活性層２０３は、太陽光スペクトルを有効に光電変換するために、ｐｎ接合を形成する窒化インジウムガリウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）の禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した波長域のみならず、より長波長の波長域の太陽光を光電変換できるよう設計される。このため、活性層２０３の実効バンドギャップエネルギーは、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１およびｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２のバンドギャップエネルギーのいずれかよりも小さくなるよう調整される。この条件を満たす活性層２０３の構成として、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）量子構造、ＩｎＧａＮ／窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）量子構造、窒化インジウム（ＩｎＮ）／ＧａＮ量子構造、ＩｎＮ／ＧａＮ擬似混晶、などが挙げられる。

次に、本願発明の最も重要な構成要件である転位終端部２０４の物性および作用効果について説明する。光電変換素子などの光デバイスにおいて、「転位終端部」という用語は一般的ではない。これは、本発明の特徴が極めて斬新であり、その実体を表す適当な用語が認知されていないためである。そのため、その効果である「転位（結晶欠陥、格子欠陥）の影響を終端化させる」ことを表現するために名付けられたものである。

光デバイスに内在する結晶欠陥（格子欠陥、転位）は、素子の動作性能を劣化させることが広く知られている。例えば、光学特性については、発光素子や受光素子の光電変換効率（量子効率）を著しく低減させ、一方、電気特性については、電荷単体（キャリア）の捕獲（トラップ）・発生、散乱、さらに漏れ（リーク）電流の主要因になる。そのため、光デバイスの高性能化とは、性能劣化の主要因となる結晶欠陥の密度低減化に集約されてきた。

そのために、光デバイスの基本設計指針として、高品質バルク結晶から供給される成長基板を利用すること、これに格子整合する同一材料系とすること、さらに格子定数差だけでなく成長基板と成長層との熱膨張係数差が小さいこと、などが求められ、これらの制約の範疇で、結晶欠陥（格子欠陥、転位）が極力発生しないように素子作製条件が最適化されてきた。

太陽電池の高性能化には、紫外域〜赤外域に渡る太陽光スペクトルのできるだけ広い範囲に対して、素子の吸収端エネルギー（バンドギャップエネルギー）を適切に整合させ電力に変換することが肝要であり、窒化物半導体はそれを可能とする唯一の単一材料系である。しかし、その実際の素子設計・作製には、上記の素子作製上の制約を敢えて逸脱することが必然的に伴うことになる。

その理由は、広い太陽光スペクトルに窒化物半導体の物性を適合させるために、特にインジウム（Ｉｎ）を多く含む混晶組成域を利用する必要がある。例えば、太陽電池２００の活性層２０３がＩｎＧａＮで構成される場合を例に挙げれば、３元混晶ＩｎＧａＮを構成する２元ＩｎＮおよびＧａＮが１１％にも及ぶ格子不整合度を有し、最適成長温度も１００℃以上異なり、さらに両者の非混和が強く現れ、適当な成長基板が入手できないことも相まって、太陽電池２００には結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９が高密度に含まれる。この問題は、４元混晶である窒化インジウムガリウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）でも本質的に同じことであり、窒化物半導体で高効率太陽電池を構成する場合には避けて通ることができない。

続いて、窒化物半導体による太陽電池２００に含まれる結晶欠陥２０９による素子特性劣化について、より詳細に説明する。

太陽電池の素子特性を劣化させる主要因が接合漏れ電流であるが、窒化物半導体ではこの問題は極めて深刻であり、接合漏れ電流密度が予想を数桁超えたレベルで存在する。このために、窒化物半導体での太陽電池では、設計通りの動作特性の実証および性能向上が大きく阻まれている。この傾向は、太陽電池２００を構成するｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２、および活性層２０３の実効Ｉｎ組成が増加するにつれて顕在化し、実効Ｉｎ組成が２０％を超えると特に顕著となる。

この接合漏れ電流の起源について、発明者は実験および理論検討の双方から、通常の点欠陥での再結合電流では全く説明できず、巨大漏れ電流を誘起する欠陥群が素子作製中に導入されていることを初めて見出した。

一例として、４タンデム構造で最適設計された実効Ｉｎ組成５０％に相当するサブセルにおいて接合漏れ抵抗＝１ｋΩｃｍ^２を仮定すると、開放端電圧＝約１Ｖが予想される。しかし、実際に発生する開放端電圧は１００ｍＶ以下にまで容易に低下し、さらに接合漏れ抵抗は２桁程度低くなる。この素子特性は、仮にキャリア再結合寿命を数１００ｆｓｅｃと極限的に短寿命化させても、点欠陥を経由した再結合電流値からは説明できない。

すなわち、窒化物半導体での太陽電池２００における接合漏れ電流は、既存概念で説明・理解されるものではなく、上述した理由にて素子中に導入された結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９によるものであるが、残念ながら、その欠陥密度の低減化は材料特性に阻まれ、本質的に不可能であることを発明者は明らかにした。

このように、結晶欠陥２０９による接合漏れ電流を抑制することができなければ、窒化物半導体による太陽電池２００が設計通りの素子性能を示すことは極めて困難であると言わざるを得ない。この問題を解決するために、例えば、太陽電池２００に半絶縁性の高抵抗層をただ単に導入するだけでは、仮に接合漏れ電流を抑制できたとしても、その対価の代償として光電流の輸送経路までもが遮断されることになり、結果として太陽電池の素子特性が向上することはない。すなわち、必要とされる要素技術とは、太陽電池２００の実効Ｉｎ組成が２０％を超えるような構成であっても、光電流の輸送を阻害することなく、接合漏れ電流のみを選択的に抑制することであることを発明者は見出した。

続いて、窒化物半導体による太陽電池２００を構成する転位終端部２０４の物性について説明する。また、転位終端部２０４の製造方法についてはそれ以降に述べる。

上述した通り、実効Ｉｎ組成を増やした窒化物半導体において、欠陥密度を低減させることは極めて困難性が高い。しかし、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９の物性を制御・変更することは実は可能である。しかも、結晶の健全部分の物性はそのまま維持させつつ、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９の領域のみ選択的に物性を制御・変更させることで、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９を経由する電流成分、すなわち、接合漏れ電流、のみを選択的に遮断する手段を発明者は見出した。

結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９を経由する電流成分を選択的に遮断するためには、その物性の制御・変更に主に２つの方針がある。前者は実効バンドギャップエネルギーの増大であり、一方、後者は欠陥領域が有するエネルギー構造（深い準位の状態密度、またはその捕獲断面積）の変更である。両者は独立した作用ではなく、互いに相関があり共存することもある。これら２点について、以下に詳しく説明する。

転位終端部２０４の構成について、図１０〜図１２を参照しながら述べる。図１０は、本実施形態に係る太陽電池２００のエネルギーバンド図であり、図９の構成と比較するために、転位終端部２０４が活性層２０３に含まれる構成としている。図１１は、本実施形態に係る太陽電池２００の転位終端部２０４の構成を示している。転位終端部２０４は、面内を一様に覆うことなく不連続なアイランド形状を有しており、その被覆率は１未満となっている。さらに、そのアイランド（ディスク）は、結晶欠陥２０９を含むように選択的に形成され、もしくは結晶欠陥２０９にパッチを張るように形成される。これにより、結晶欠陥２０９の一部は、転位終端部２０４によって終端化されることがある。

図１２は、本実施形態に係る太陽電池２００の転位終端部２０４の構成を示しているが、図１１で示される構成とは若干異なり、結晶欠陥２０９の転位芯を含むように形成される例を示している。図１１および図１２の構成で共通しているのは、転位終端部２０４がアイランド（ディスク）状の不連続被覆の形状を有していることで、結晶欠陥２０９の存在する局所エリアに選択的に形成され、結晶の健全部分には形成されていない領域が存在することである。これにより、光電変換によって生成された電荷担体（キャリア）の輸送経路が阻害されずに、効率よく光電流が取り出すことができる。

欠陥終端部２０４の実効バンドギャップエネルギーは、それを含むマトリクス材料の実効バンドギャップエネルギーよりも大きくなるように構成される。図１０に示される例では、欠陥終端部２０４の実効バンドギャップエネルギーは、活性層２０３の実効バンドギャップエネルギーより大きくなり、そのエネルギー差は３００ｍｅＶ以上あることが好ましく、さらには５００ｍｅＶ以上あることが好ましい。

一方、欠陥終端部２０４がｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２の少なくともいずれかに含まれるような構成である場合は、同様に、欠陥終端部２０４の実効バンドギャップエネルギーは、それを含むｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２の少なくともいずれかの実効バンドギャップエネルギーより大きくなるように構成される。そのエネルギー差は３００ｍｅＶ以上あることが好ましく、さらには５００ｍｅＶ以上あることが好ましい。

欠陥終端部２０４の構成にも示されているが、欠陥終端部２０４とは、結晶欠陥２０９それ自体の物性が制御・変更され、その実効バンドギャップが増大されたものでもよいし、結晶欠陥２０９に選択的に付加されるものであってもよい。

欠陥領域の実効バンドギャップエネルギーを増大させる効果について説明する。欠陥終端部２０４の実効バンドギャップエネルギーは、活性層２０３の実効バンドギャップエネルギーより大きくなることで、欠陥領域のキャリアを空乏化させることができ、実質的な抵抗率を増加させることができる。すなわち、欠陥終端部２０４の抵抗率は、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２もしくは活性層２０３の各抵抗率の少なくともいずれかより大きくなるように構成される。

活性層２０３での光電変換によって生成された電荷担体（キャリア）は、相対的に抵抗率の低い、もしくは実効バンドギャップの小さい結晶の健全部分のみを選択的に流れることになり、キャリアは結晶欠陥２０９を常に迂回し近寄ることは無い。すなわち、結晶欠陥２０９が高密度に存在していたとしても、キャリアはその実質的にその存在を感じること無く、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９が終端化された状態と見なすことができる。その結果、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９を経由する電流成分、すなわち、接合漏れ電流、のみが選択的に遮断されることになる。

また、電流注入などで、結晶欠陥２０９を既に流れる漏れ電流成分が存在する場合でも、その結晶欠陥に沿って移動するキャリアは、欠陥終端部２０４に必ず巡り会い、直ちにキャリアは結晶欠陥２０９を迂回し始める。そのため、太陽電池２００のｎ型電極からｐ型電極間に流れる電流全体の中から、漏れ電流成分のみが遮断された特性を示すことが可能となる。

以上、転位終端部２０４の作用効果について述べたが、接合漏れ電流を適切に遮断するために、転位終端部２０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２のいずれかに挿入されても良い。

このように、接合漏れ電流が遮断され大幅に低減されることによって、実効Ｉｎ組成が２０％を超える窒化物半導体による太陽電池２００においても、設計通りの素子性能を示すことができるようになる。

次に、転位終端部２０４の実効バンドギャップエネルギーをどのようにして増大させるのか、その手法について述べる。

本実施形態に係る太陽電池２００は、前述した通り窒化物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎによって構成されている。この物性を制御・変更し、実効バンドギャップエネルギーを増大させるためには、転位終端部２０４のみの混晶組成（ｘ、ｙ）を選択的に変化させる、もしくは構成元素と異なる元素を選択的に取り込ませる必要がある。

転位終端部２０４の選択的な混晶組成変化について述べる。窒化物半導体の結晶成長では、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法もしくは分子線エピタキシ−（ＭＢＥ）法が一般的である。しかし、これらの結晶成長技術は成長表面に一様に原料供給することはできるが、結晶欠陥２０９のみに選択的な原料供給することは簡単ではない。

ところが、発明者は分光エリプソメトリなどによる成長表面その場観察を通じて、この選択的な原料供給を可能とする手段を見出した。この原料供給プロセスの詳細は後に述べるが、原料の過剰供給、余剰原料の蒸発・脱離、蒸発中の表面吸着原料の泳動（マイグレーション）の各素過程を制御することで、結晶欠陥２０９が健全部分に比べて強い原料吸着効果を発現することを巧み利用する。その結果として、意図した原料を凝集させ、結晶欠陥２０９のみに選択的に取り込ませることができる。

この原料吸着効果によって、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくはホウ素（Ｂ）を結晶欠陥２０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、ＡｌもしくはＢが凝集している領域のみの実効バンドギャップエネルギーが増大され抵抗率が上がるために、欠陥終端部２０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を結晶欠陥２０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、Ｍｇが凝集している領域のみｎ型伝導性が補償され高抵抗化し欠陥終端部２０４として機能する、または、Ｍｇが凝集している領域のみｐ型伝導性を示し空乏層が形成され、欠陥終端部２０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、酸素を結晶欠陥２０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、酸素が凝集している領域のみ実効バンドギャップエネルギーが増大されたＩＩＩ族酸化物もしくはＩＩＩ族酸窒化物が形成され、欠陥終端部２０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥２０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらのいずれかが凝集している領域のみ実効バンドギャップエネルギーが増大された酸化物もしくは酸窒化物が形成され、欠陥終端部２０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥２０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらが凝集している領域のみ窒化物半導体とは異なる結晶構造となり高抵抗化し、欠陥終端部２０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥２０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらが凝集している領域のみアモルファス構造もしくは多結晶・微結晶となり高抵抗化し、欠陥終端部２０４として機能することを、発明者は見出した。

続いて、転位終端部２０４が、結晶欠陥２０９が有するエネルギー構造（深い準位の状態密度、またはその捕獲断面積）を変更させる作用効果について、図１３を参照しながら述べる。図１３は、本実施形態に係る太陽電池２００のエネルギーバンド図であり、結晶欠陥２０９が活性層２０３の禁制帯（バンドギャップ）中に深い準位（ディープレベル）を形成している構成を示している。

この深い準位の物性について述べる。活性層２０３に含まれる結晶欠陥２０９は、その密度が高いだけでなく、図１３に示される深い準位の状態密度が大きく、もしくはそのキャリア捕獲断面積が極めて大きい。そのため、深い準位に多数のキャリアが流れ込みやすいために、実効的な抵抗率が低いと見なせる電流経路が形成され、そこを流れる漏れ電流の問題が顕在化する。

上述した欠陥終端部２０４の実効バンドギャップの増大とは、この深い準位へのキャリアの流れ込みを阻止する狙いがあったが、結晶欠陥２０９のエネルギー構造を制御・変更するもう一つ方針によっても、漏れ電流経路を遮断することができることを、発明者は明らかにした。

結晶欠陥（格子欠陥、転位）とは、母体材料の構成元素が結晶としての周期性が乱された構造（転位構造）である。それは、配位関係および未結合手などの組み合わせ構造からなる複数候補の中から、安定構造のものから優先的に形成され、それら転位構造を反映した物性を示すことになる。この転位構造の決定に大きく影響を与えるのが、構成元素が有する電気陰性度である。

結晶欠陥２０９が有するエネルギー構造を制御・変更させるためには、結晶欠陥２０９自体の転位構造を変更（修飾）する必要がある。そのためには、構成元素よりも大きな電気陰性度を有する異価数元素を添加・導入することで、異なる転位構造が新たに安定化され、結晶欠陥２０９が有するエネルギー構造が変調されることを、発明者は見出した。

窒化物半導体を構成する窒素は、電気陰性度が大きくポーリングの電気陰性度では約３．０４である。すなわち、これより大きな電気陰性度を有する元素が、転位構造を修飾する添加剤の候補となりうる。上述した欠陥終端部２０４の実効バンドギャップの増大の効果を併せ持つことも考慮すると、ポーリングの電気陰性度が約３．４４である酸素が最も適した添加剤であることを、発明者は見出した。

この転位構造の修飾によって、結晶欠陥２０９の深い準位のエネルギー構造（深い準位の状態密度、またはその捕獲断面積）が制御・変更され、その状態密度やキャリア捕獲断面積が空間的に不連続化されることになる。これによって、深い準位にキャリアが流れ込みやすい状況であったとしても、漏れ電流経路は遮断されているために深い準位はキャリアに占有された状態となり、キャリアはその実質的にその存在を感じること無く、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９が終端化された状態と見なすことができる。その結果、結晶欠陥（格子欠陥、転位）２０９を経由する電流成分、すなわち、接合漏れ電流、のみが選択的に遮断されることになる。

以上、転位終端部２０４の作用効果について述べたが、接合漏れ電流を適切に遮断するために、転位終端部２０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２のいずれかに挿入されても良い。

このように接合漏れ電流が遮断され大幅に低減されることによって、実効Ｉｎ組成が２０％を超える窒化物半導体による太陽電池２００においても、設計通りの素子性能を示すことができるようになる。

［第２実施形態の太陽電池の製造方法］
第２実施形態の太陽電池２００の製造方法について、図１４および図１５を参照して説明する。なお、ここでは分子線エピタキシ−（ＭＢＥ）法を例にとって説明するが、結晶成長技術はこれだけに限定されず、その他の周知の半導体製造技術でも同様である。図１４は、本実施形態に係る太陽電池２００の製造方法を示すフロ−チャートである。特に、欠陥終端部２０４の形成方法と、その前後のプロセスとについて示してある。その他、基板処理や下地層形成などの図示しない前工程、および表面層形成、電極形成、微細加工などの図示しない後工程は、周知の半導体製造技術によって行われる。図１５は、本実施形態に係る太陽電池を製造する際の結晶成長様式を示している。

まず、図１４に示される各ステップについて順を追って説明する。上述した前工程が済んだ試料の表面状態観察を開始する（ステップＳ１１）。この表面状態観察は、例えば、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）や分光エリプソメトリ（ＳＥ）によって行われる。これによって、各層成長中ならびに成長前後における試料成長表面の物理的または化学的状態を、実時間で観察する。

次に、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１の成長を行う（ステップＳ１２）。それに続き、活性層２０３および欠陥終端部２０４の形成プロセスを行う（ステップＳ２０）。その後に、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２の成長を行う（ステップＳ１９）。

ステップＳ２０は、成長温度の設定（ステップＳ１３）と、活性層２０３の成長（ステップＳ１４）と、欠陥終端部２０４の形成プロセス（ステップＳ１５〜ステップＳ１８）と、を具備してなる。ここでは、欠陥終端部２０４の形成プロセスの一例として、第１の原料であるインジウム（Ｉｎ）の供給（ステップＳ１５）と、第２の原料であるアルミニウム（Ａｌ）の供給（ステップＳ１６）と、成長中断（ステップＳ１７）と、第３の原料である酸素原料（Ｏ）または窒素原料（Ｎ）の供給（ステップＳ１８）を示している。

成長温度の設定（ステップＳ１３）では、活性層２０３の成長に適した基板温度に設定する必要がある。例えば、活性層２０３がＩｎＧａＮである場合、ＭＢＥ法での基板温度は５００℃〜７００℃の間となり、その温度に対応した実効的Ｉｎ組成が決定される。ところが、欠陥終端部２０４の形成には、原料の選択的な凝集（泳動）効果を発現させる必要がある。原料の成長表面での泳動を促進するためには、対象となる原料が成長表面上で液相として振る舞えると好ましい。そのために、第１の原料は凝集効果を促進させるサーファクタントとしての役割があり、基板温度は第１の原料と第２の原料の少なくともどちらかの融点より高く設定することが好ましい。

図１４には、第１の原料としてインジウム（Ｉｎ）が一例に挙げられており、その融点は約１５６．５℃である。別の例として、第１の原料としてガリウム（Ｇａ）を用いるならば、その融点は２９．８℃となる。上述の通り、活性層２０３がＩｎＧａＮであるならば、第１の原料の候補であるＩｎおよびＧａのいずれかの融点よりも高温に自動的に設定される。

また、図１４には、第２の原料としてアルミニウム（Ａｌ）が一例に挙げられており、その融点は約６６０．２℃である。これより低温ではＡｌが固相化する懸念があるが、第１の原料（ＩｎまたはＧａ）との共晶（化合物）が一部液相化しているのでＡｌの凝集（泳動）は実際には可能となる。さらに、第１の原料がＩｎであれば、ＡｌとＩｎは非混和状態が現れる組成・温度領域が存在するために、よりＡｌの凝集（泳動）は容易に起こりえる。

さらに、欠陥終端部２０４を構成する第２の原料の凝集（泳動）を促進するために、成長表面状態を原子層厚レベルで制御することが好ましい。成長表面状態は、ステップＳ１１から分光エリプソメトリなどによって常時把握されている。図１５に示すように、下地層の影響を除去できる観測波長を選ぶことで、分光エリプソメトリから導出される擬誘電関数の虚部は、成長表面上の吸着層もしくは吸着原料を０〜２分子層の間を極めて精度良く反映できることを、発明者は見出した。

窒化物半導体の表面での成長様式について、図１５を参照しながら述べる。通常の窒化物半導体成長では、（０００１）面（＋ｃ面）成長されるが、その表面には２分子層（２ＭＬ）相当の原料吸着を許容する安定状態が存在する。図１５の例では、ＧａＮ表面上に、ＩｎＮの成長可能上限温度５００℃を越えた６１０℃においても、２分子層（２ＭＬ）のＩｎＮ超薄膜が形成されていることを示しており、別の例では、ＧａＮ表面上に、Ｇａ原子が２分子層（２ＭＬ）まで安定に吸着する。この吸着２分子層は、下地からの強い吸着効果によって固相的に振る舞い、それより多く供給された余剰原料は、下地からの吸着効果を感じること無く、表面上で泳動可能な液相的に振る舞う。

すなわち、第１の原料（ＩｎまたはＧａ）を２分子層（２ＭＬ）以上供給することで、その後に供給される第２の原料（Ａｌ）はより容易に凝集（泳動）することができるようになる。そのため、ステップＳ１５では、第１の原料を２分子層（２ＭＬ）以上供給する。

ステップＳ１６では、欠陥終端部２０４を構成する第２の原料を供給するが、欠陥終端部２０４は太陽電池の光電流輸送を阻害させないために、面内被覆率を１未満にする必要がある。そのために、第２の原料の供給量は１分子層（１ＭＬ）未満とする。

ステップＳ１６が済んだ状態では、ステップＳ１４で形成された活性層２０３表面上に、第１の原料（ステップＳ１５）と第２の原料（ステップＳ１６）が堆積したままになっており、この時点では欠陥終端部２０４の選択的形成は実行されていない。原料の凝集・泳動は成長中断時に行われる（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７は成長中断であるが、その間に成長表面上に堆積した第１の原料（Ｉｎ）と第２の原料（Ａｌ）の蒸発・脱離・泳動・凝集の各素過程を分光エリプソメトリ（ＳＥ）によって把握し制御するためのインターバルとなる。ＩｎとＡｌでは、平衡蒸気圧はＩｎの方が大きく、表面吸着係数はＡｌの方が大きい。そのため、ステップＳ１７では、Ｉｎの蒸発・脱離が優先的に起こり、表面上のＩｎ堆積量は、２分子層以上→２分子層→１分子層→分数分子層と減少していく。この過程は図１５に示すように、極めて精度良く把握することができ、秒〜分オーダーの時間スケールで推移するので、意図した通りの制御が可能である。分数分子層とは表面被覆率が１以下であることを意味し、例えば０．５分子層とは、１分層厚かつ表面被覆率が５０％であるアイランド構造を指す。

分数分子層のアイランドとは、上述したように結晶欠陥２０９が健全部分に比べて強い原料吸着効果を発現するために、結晶欠陥２０９を取り囲むように、もしくは結晶欠陥２０９にパッチを張るように、Ｉｎの蒸発・脱離に伴いアイランド径は減少していく。一方、Ａｌは蒸発・脱離すること無く、Ｉｎアイランド径の減少に伴い、自己組織的に結晶欠陥２０９に向かって凝集する。アイランド径のサイズは、分光エリプソメトリ（ＳＥ）の複数波長に対する各擬誘電関数を解析することで把握することができるために、Ａｌ供給量に応じた適当なアイランドサイズになった際に、ＩｎおよびＡｌを結晶化させる第３の原料（ＮまたはＯ）を供給し、欠陥終端部２０４が形成される（ステップＳ１８）。

この場合の欠陥終端部２０４とは、分数分子層Ｉｎと分数分子層Ａｌを元にした１〜２分子層厚ＩｎＡｌＯＮアイランドが結晶欠陥２０９を取り囲むように、もしくはパッチを張るように構成されている。一方、ステップＳ１７にてＩｎを完全に蒸発・除去させることで、欠陥終端部２０４は、分数分子層Ａｌを元にした１分子層厚ＡｌＯＮアイランドが結晶欠陥２０９を取り囲むように、もしくはパッチを張るように構成することもできる。

ステップＳ１８で酸素を供給する場合、装置汚染や過剰な酸素源供給によって意図しない物性変化や素子特性劣化に対する細心の注意が必要である。そのために、第３の原料には、微量供給が可能であり汚染源になりにくいとの観点で、蒸気圧水分のバブリング供給もしくは亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）が適している。

ステップＳ１６で供給される第２の原料として、図１６ではアルミニウム（Ａｌ）を例に挙げたが、それ以外にホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、およびマグネシウム（Ｍｇ）のいずれかであっても良い。これらは、容易に酸化物を形成するので、転位終端部２０４には選択的に酸素を凝集させることができる。また、結晶欠陥２０９自体も酸素吸着しやすい性質があるので、同様に、転位終端部２０４には選択的に酸素を凝集させることができる。

もし、欠陥終端部２０４を多層構造とする場合には、ステップＳ２０を所望の回数だけ繰り返せば良い。また、欠陥終端部２０４をｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０１内に形成する場合には、ステップＳ１２とステップＳ２０を所望の回数だけ繰り返せば良く、欠陥終端部２０４をｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層２０２内に形成する場合には、ステップＳ２０とステップＳ１９を所望の回数だけ繰り返せば良い。ステップＳ１９が終了した後に、上述の後工程を経ると、本実施形態の太陽電池２００が得られる。

［第３実施形態］
第３実施形態では、光電変換素子中に含まれる格子欠陥、結晶欠陥、転位などが引き起こす漏れ電流の問題を、それらを不活性化もしくは終端化（パッシベーション）することで解決する本発明の特徴について、格子緩和させた窒化物半導体太陽電池を例に挙げ、図１６を参照しながら述べる。

但し、本実施形態の記載は、本発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１６は、本実施形態に係る太陽電池３００の構成例を示すブロック図である。図１６において、太陽電池３００は、格子緩和したｎ型窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）層３０１と、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１上に形成される格子緩和した活性層３０３と、活性層３０３上に形成される格子緩和したｐ型窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）層３０２と、活性層３０３に含まれる転位終端部３０４と、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２に電気的に接続される図示しないｐ型電極と、によって構成され、周知の半導体製造技術などで形成される。転位終端部３０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２のいずれかに挿入されても良い。

窒化物系半導体は（０００１）面（＋ｃ面）成長されることが多く、コヒーレント成長させるとヘテロ界面に圧電分極や自発分極が発生する。この分極はｐｎ接合の内在電位を打ち消すほどの規模であり、太陽電池のキャリア輸送を大幅に阻害する。そのため、意図的に各層を格子緩和させ分極効果を抑制する必要が生じる。

しかし、格子緩和させることは、その対価の代償として、太陽電池３００を構成する場合、線欠陥、面欠陥、および点欠陥の集合体などからなる結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９を高密度に含む。または、太陽電池３００を構成する各層のいずれかが、アモルファス構造、微結晶・多結晶構造となりうる。

ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、電子をｎ型電極に輸送するために用いられる。ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２は、光電変換によって生成された電子・正孔対を分離し、正孔をｐ型電極に輸送するために用いられる。従って、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１およびｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２の抵抗率および層厚は、キャリア輸送を効率よく行うために、それぞれが好適に調整され、それらの混晶組成比（ｘ，ｙ）についても、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１の範囲で適宜調整される。ｎ型電極およびｐ型電極は、発生した光起電力を外部に取り出すために用いられる。

活性層３０３は、太陽光スペクトルを有効に光電変換するために、ｐｎ接合を形成する窒化インジウムガリウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）の禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）に対応した波長域のみならず、より長波長の波長域の太陽光を光電変換できるよう設計される。このため、活性層３０３の実効バンドギャップエネルギーは、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１およびｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２のバンドギャップエネルギーのいずれかよりも小さくなるよう調整される。この条件を満たす活性層３０３の構成として、格子緩和した窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、格子緩和した窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）、格子緩和した窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）量子構造、格子緩和したＩｎＧａＮ／窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）量子構造、格子緩和した窒化インジウム（ＩｎＮ）／ＧａＮ量子構造、格子緩和したＩｎＮ／ＧａＮ擬似混晶、などが挙げられる。

次に、本願発明の最も重要な構成要件である転位終端部３０４の物性および作用効果について説明する。光電変換素子などの光デバイスにおいて、「転位終端部」という用語は一般的ではない。これは、本発明の特徴が極めて斬新であり、その実体を表す適当な用語が認知されていないためである。そのため、その効果である「転位（結晶欠陥、格子欠陥）の影響を終端化させる」ことを表現するために名付けられたものである。

光デバイスに内在する結晶欠陥（格子欠陥、転位）は、素子の動作性能を劣化させることが広く知られている。例えば、光学特性については、発光素子や受光素子の光電変換効率（量子効率）を著しく低減させ、一方、電気特性については、電荷単体（キャリア）の捕獲（トラップ）・発生、散乱、さらに漏れ（リーク）電流の主要因になる。そのため、光デバイスの高性能化とは、性能劣化の主要因となる結晶欠陥の密度低減化に集約されてきた。

そのために、光デバイスの基本設計指針として、高品質バルク結晶から供給される成長基板を利用すること、これに格子整合する同一材料系とすること、さらに格子定数差だけでなく成長基板と成長層との熱膨張係数差が小さいこと、などが求められ、これらの制約の範疇で、結晶欠陥（格子欠陥、転位）が極力発生しないように素子作製条件が最適化されてきた。

太陽電池の高性能化には、紫外域〜赤外域に渡る太陽光スペクトルのできるだけ広い範囲に対して、素子の吸収端エネルギー（バンドギャップエネルギー）を適切に整合させ電力に変換することが肝要であり、窒化物半導体はそれを可能とする唯一の単一材料系である。しかし、その実際の素子設計・作製には、上記の素子作製上の制約を敢えて逸脱する格子緩和系であることが必然的に伴うことになる。

その理由は、広い太陽光スペクトルに窒化物半導体の物性を適合させるために、特にインジウム（Ｉｎ）を多く含む混晶組成域を利用する必要がある。それに伴い、圧電分極効果を抑制させるために、各層は無歪で積層される方が好ましい。そのため、意図的に格子緩和構造を採用するために、太陽電池３００には結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９が高密度に含まれる。

続いて、窒化物半導体による太陽電池３００に含まれる結晶欠陥３０９による素子特性劣化について説明する。

太陽電池の素子特性を劣化させる主要因が接合漏れ電流であるが、格子緩和系の窒化物半導体ではこの問題は極めて深刻であり、結晶欠陥３０９に起因する接合漏れ電流密度が予想を数桁超えたレベルで存在する。このために、窒化物半導体での太陽電池では、設計通りの動作特性の実証および性能向上が大きく阻まれている。

続いて、窒化物半導体による太陽電池３００を構成する転位終端部３０４の物性について説明する。

上述した通り、格子緩和させた窒化物半導体において、欠陥密度を低減させることは極めて困難性が高い。しかし、結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９の物性を制御・変更することは実は可能である。しかも、結晶の健全部分の物性はそのまま維持させつつ、結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９の領域のみ選択的に物性を制御・変更させることで、結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９を経由する電流成分、すなわち、接合漏れ電流、のみを選択的に遮断する手段を発明者は見出した。

結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９を経由する電流成分を選択的に遮断するためには、その物性の制御・変更に主に次の方針がある。それは実効バンドギャップエネルギーの増大である。

転位終端部３０４は、面内を一様に覆うことなく不連続なアイランド形状を有しており、その被覆率は１未満となっている。さらに、そのアイランド（ディスク）は、結晶欠陥３０９を含むように選択的に形成され、もしくは結晶欠陥３０９にパッチを張るように形成される。これにより、結晶欠陥３０９の一部は、転位終端部３０４によって終端化されることがある。

また、転位終端部３０４がアイランド（ディスク）状の不連続被覆の形状を有していることで、結晶欠陥３０９の存在する局所エリアに選択的に形成され、結晶の健全部分には形成されていない領域が存在することである。これにより、光電変換によって生成された電荷担体（キャリア）の輸送経路が阻害されずに、効率よく光電流が取り出すことができる。

欠陥終端部３０４の実効バンドギャップエネルギーは、それを含むマトリクス材料の実効バンドギャップエネルギーよりも大きくなるように構成される。例えば、欠陥終端部３０４の実効バンドギャップエネルギーは、活性層３０３の実効バンドギャップエネルギーより大きくなり、そのエネルギー差は３００ｍｅＶ以上あることが好ましく、さらには５００ｍｅＶ以上あることが好ましい。

一方、欠陥終端部３０４がｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２の少なくともいずれかに含まれるような構成である場合は、同様に、欠陥終端部３０４の実効バンドギャップエネルギーは、それを含むｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２の少なくともいずれかの実効バンドギャップエネルギーより大きくなるように構成される。そのエネルギー差は３００ｍｅＶ以上あることが好ましく、さらには５００ｍｅＶ以上あることが好ましい。

欠陥終端部３０４の構成にも示されているが、欠陥終端部３０４とは、結晶欠陥３０９それ自体の物性が制御・変更され、その実効バンドギャップが増大されたものでもよいし、結晶欠陥３０９に選択的に付加されるものであってもよい。

欠陥領域の実効バンドギャップエネルギーを増大させる効果について説明する。欠陥終端部３０４の実効バンドギャップエネルギーは、活性層３０３の実効バンドギャップエネルギーより大きくなることで、欠陥領域のキャリアを空乏化させることができ、実質的な抵抗率を増加させることができる。すなわち、欠陥終端部３０４の抵抗率は、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２もしくは活性層３０３の各抵抗率の少なくともいずれかより大きくなるように構成される。

活性層３０３での光電変換によって生成された電荷担体（キャリア）は、相対的に抵抗率の低い、もしくは実効バンドギャップの小さい結晶の健全部分のみを選択的に流れることになり、キャリアは結晶欠陥３０９を常に迂回し近寄ることは無い。すなわち、結晶欠陥３０９が高密度に存在していたとしても、キャリアはその実質的にその存在を感じること無く、結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９が終端化された状態と見なすことができる。その結果、結晶欠陥（格子欠陥、転位）３０９を経由する電流成分、すなわち、接合漏れ電流、のみが選択的に遮断されることになる。

また、電流注入などで、結晶欠陥３０９を既に流れる漏れ電流成分が存在する場合でも、その結晶欠陥に沿って移動するキャリアは、欠陥終端部３０４に必ず巡り会い、直ちにキャリアは結晶欠陥３０９を迂回し始める。そのため、太陽電池３００のｎ型電極からｐ型電極間に流れる電流全体の中から、漏れ電流成分のみが遮断された特性を示すことが可能となる。

以上、転位終端部３０４の作用効果について述べたが、接合漏れ電流を適切に遮断するために、転位終端部３０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２のいずれかに挿入されても良い。

このように、接合漏れ電流が遮断され大幅に低減されることによって、実効Ｉｎ組成が２０％を超える窒化物半導体による太陽電池３００においても、設計通りの素子性能を示すことができるようになる。

次に、転位終端部３０４の実効バンドギャップエネルギーをどのようにして増大させるのか、その手法について述べる。

本実施形態に係る太陽電池３００は、前述した通り窒化物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎによって構成されている。この物性を制御・変更し、実効バンドギャップエネルギーを増大させるためには、転位終端部３０４のみの混晶組成（ｘ、ｙ）を選択的に変化させる、もしくは構成元素と異なる元素を選択的に取り込ませる必要がある。

転位終端部３０４の選択的な混晶組成変化について述べる。窒化物半導体の結晶成長では、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法もしくは分子線エピタキシ−（ＭＢＥ）法が一般的である。しかし、これらの結晶成長技術は成長表面に一様に原料供給することはできるが、結晶欠陥３０９のみに選択的な原料供給することは簡単ではない。

ところが、発明者は分光エリプソメトリなどによる成長表面その場観察を通じて、この選択的な原料供給を可能とする手段を見出した。この原料供給プロセスの詳細は後に述べるが、原料の過剰供給、余剰原料の蒸発・脱離、蒸発中の表面吸着原料の泳動（マイグレーション）の各素過程を制御することで、結晶欠陥３０９が健全部分に比べて強い原料吸着効果を発現することを巧み利用する。その結果として、意図した原料を凝集させ、結晶欠陥３０９のみに選択的に取り込ませることができる。

この原料吸着効果によって、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくはホウ素（Ｂ）を結晶欠陥３０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、ＡｌもしくはＢが凝集している領域のみの実効バンドギャップエネルギーが増大され抵抗率が上がるために、欠陥終端部３０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を結晶欠陥３０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、Ｍｇが凝集している領域のみｎ型伝導性が補償され高抵抗化し欠陥終端部３０４として機能する、または、Ｍｇが凝集している領域のみｐ型伝導性を示し空乏層が形成され、欠陥終端部３０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、酸素を結晶欠陥３０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、酸素が凝集している領域のみ実効バンドギャップエネルギーが増大されたＩＩＩ族酸化物もしくはＩＩＩ族酸窒化物が形成され、欠陥終端部３０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥３０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらのいずれかが凝集している領域のみ実効バンドギャップエネルギーが増大された酸化物もしくは酸窒化物が形成され、欠陥終端部３０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥３０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらが凝集している領域のみ窒化物半導体とは異なる結晶構造となり高抵抗化し、欠陥終端部３０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥３０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらが凝集している領域のみアモルファス構造もしくは多結晶・微結晶となり高抵抗化し、欠陥終端部３０４として機能することを、発明者は見出した。

以上、転位終端部３０４の作用効果について述べたが、接合漏れ電流を適切に遮断するために、転位終端部３０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層３０２のいずれかに挿入されても良い。

このように接合漏れ電流が遮断され大幅に低減されることによって、格子緩和している窒化物半導体による太陽電池３００においても、設計通りの素子性能を示すことができるようになる。

［第４実施形態］
第４実施形態では、光電変換素子中に含まれる格子欠陥、結晶欠陥、転位などが引き起こす素子特性劣化の問題を、それらを不活性化もしくは終端化（パッシベーション）することで解決する本発明の特徴について、窒化物半導体紫外発光素子を例に挙げ、図１７を参照しながら述べる。

但し、本実施形態の記載は、本発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１７は、本実施形態に係る紫外発光素子４００の構成例を示すブロック図である。図１７において、紫外発光素子４００は、ｎ型窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）層４０１と、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１上に形成される活性層４０３と、活性層４０３上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）層４０２と、活性層４０３に含まれる転位終端部４０４と、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１に電気的に接続される図示しないｎ型電極と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２に電気的に接続される図示しないｐ型電極と、によって構成され、周知の半導体製造技術などで形成される。転位終端部４０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２のいずれかに挿入されても良い。

また、窒化物系半導体では、適当な成長基板が無いこと、３元混晶が全て格子不整合系であること、さらに非混和・相分離の組成領域が存在することなどによって、紫外発光素子４００を構成する場合、線欠陥、面欠陥、および点欠陥の集合体などからなる結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９を高密度に含む。

ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１は、光電変換に要される電子を活性層４０３に輸送するために用いられる。ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２は、光電変換に要される正孔を活性層４０３に輸送するために用いられる。従って、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１およびｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２の抵抗率および層厚は、キャリア輸送を効率よく行うために、それぞれが好適に調整され、それらの混晶組成比（ｘ，ｙ）についても、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１の範囲で適宜調整される。ｎ型電極およびｐ型電極は、外部から電力を注入するために用いられる。

活性層４０３は、キャリア閉じ込め紫外線に光電変換するために、活性層４０３の実効バンドギャップエネルギーは、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１およびｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２のバンドギャップエネルギーのいずれかよりも小さくなるよう調整される。この条件を満たす活性層４０３の構成として、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）／窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）量子構造、窒化ガリウム（ＧａＮ）／窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）量子構造、ＧａＮ／窒化アルムニウム（ＡｌＮ）量子構造、ＧａＮ／ＡｌＮ擬似混晶、などが挙げられる。

次に、本願発明の最も重要な構成要件である転位終端部４０４の物性および作用効果について説明する。光電変換素子などの光デバイスにおいて、「転位終端部」という用語は一般的ではない。これは、本発明の特徴が極めて斬新であり、その実体を表す適当な用語が認知されていないためである。そのため、その効果である「転位（結晶欠陥、格子欠陥）の影響を終端化させる」ことを表現するために名付けられたものである。

光デバイスに内在する結晶欠陥（格子欠陥、転位）は、素子の動作性能を劣化させることが広く知られている。例えば、光学特性については、発光素子や受光素子の光電変換効率（量子効率）を著しく低減させ、一方、電気特性については、電荷単体（キャリア）の捕獲（トラップ）・発生、散乱、さらに漏れ（リーク）電流の主要因になる。そのため、光デバイスの高性能化とは、性能劣化の主要因となる結晶欠陥の密度低減化に集約されてきた。

そのために、光デバイスの基本設計指針として、高品質バルク結晶から供給される成長基板を利用すること、これに格子整合する同一材料系とすること、さらに格子定数差だけでなく成長基板と成長層との熱膨張係数差が小さいこと、などが求められ、これらの制約の範疇で、結晶欠陥（格子欠陥、転位）が極力発生しないように素子作製条件が最適化されてきた。

紫外発光素子の高性能化には、素子の発光エネルギー（バンドギャップエネルギー）を適切に整合させることが肝要であり、窒化物半導体は紫外発光を可能とする唯一の材料系である。しかし、その実際の素子設計・作製には、上記の素子作製上の制約を敢えて逸脱することが必然的に伴うことになる。

続いて、窒化物半導体による紫外発光素子４００に含まれる結晶欠陥４０９による素子特性劣化について、より詳細に説明する。

紫外発光素子の素子特性を劣化させる主要因が非発光中心であるが、紫外域対応の窒化物半導体ではこの問題は極めて深刻であり、非発光中心が予想を数桁超えたレベルで存在する。このために、窒化物半導体での紫外発光素子では、設計通りの動作特性の実証および性能向上が大きく阻まれている。この傾向は、紫外発光素子４００を構成するｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２、および活性層４０３の実効Ａｌ組成が増加するにつれて顕在化する。

この非発光中心の起源について、発明者は実験および理論検討の双方から、欠陥群が素子作製中に導入され非発光中心として働くことを見出した。

このように、結晶欠陥４０９による非発光中心を抑制することができなければ、窒化物半導体による紫外発光素子４００が設計通りの素子性能を示すことは極めて困難であると言わざるを得ない。

続いて、窒化物半導体による紫外発光素子４００を構成する転位終端部４０４の物性について説明する。

上述した通り、実効Ａｌ組成を増やした窒化物半導体において、欠陥密度を低減させることは極めて困難性が高い。しかし、結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９の物性を制御・変更することは実は可能である。しかも、結晶の健全部分の物性はそのまま維持させつつ、結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９の領域のみ選択的に物性を制御・変更させることで、結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９を経由する光電変換過程のみを選択的に遮断する手段を発明者は見出した。

結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９を経由する光電変換過程を選択的に遮断するためには、その物性の制御・変更には次の方針がある。それは実効バンドギャップエネルギーの増大である。

転位終端部４０４は、面内を一様に覆うことなく不連続なアイランド形状を有しており、その被覆率は１未満となっている。さらに、そのアイランド（ディスク）は、結晶欠陥４０９を含むように選択的に形成され、もしくは結晶欠陥４０９にパッチを張るように形成される。これにより、結晶欠陥４０９の一部は、転位終端部４０４によって終端化されることがある。

転位終端部４０４がアイランド（ディスク）状の不連続被覆の形状を有していることで、結晶欠陥４０９の存在する局所エリアに選択的に形成され、結晶の健全部分には形成されていない領域が存在することである。これにより、電荷担体（キャリア）の輸送経路が阻害されずに、効率よく電流注入することができる。

欠陥終端部４０４の実効バンドギャップエネルギーは、それを含むマトリクス材料の実効バンドギャップエネルギーよりも大きくなるように構成される。例えば、欠陥終端部４０４の実効バンドギャップエネルギーは、活性層４０３の実効バンドギャップエネルギーより大きくなり、そのエネルギー差は３００ｍｅＶ以上あることが好ましく、さらには５００ｍｅＶ以上あることが好ましい。

一方、欠陥終端部４０４がｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２の少なくともいずれかに含まれるような構成である場合は、同様に、欠陥終端部４０４の実効バンドギャップエネルギーは、それを含むｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２の少なくともいずれかの実効バンドギャップエネルギーより大きくなるように構成される。そのエネルギー差は３００ｍｅＶ以上あることが好ましく、さらには５００ｍｅＶ以上あることが好ましい。

欠陥終端部４０４の構成にも示されているが、欠陥終端部４０４とは、結晶欠陥４０９それ自体の物性が制御・変更され、その実効バンドギャップが増大されたものでもよいし、結晶欠陥４０９に選択的に付加されるものであってもよい。

欠陥領域の実効バンドギャップエネルギーを増大させる効果について説明する。欠陥終端部４０４の実効バンドギャップエネルギーは、活性層４０３の実効バンドギャップエネルギーより大きくなることで、欠陥領域のキャリアを空乏化させることができ、実質的な抵抗率を増加させることができる。すなわち、欠陥終端部４０４の抵抗率は、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１もしくはｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２もしくは活性層４０３の各抵抗率の少なくともいずれかより大きくなるように構成される。

活性層４０３に注入された電荷担体（キャリア）は、相対的に抵抗率の低い、もしくは実効バンドギャップの小さい結晶の健全部分のみに選択的に流れ混むことになり、キャリアは結晶欠陥４０９を常に迂回し近寄ることは無い。すなわち、結晶欠陥４０９が高密度に存在していたとしても、キャリアはその実質的にその存在を感じること無く、結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９が終端化された状態と見なすことができる。その結果、結晶欠陥（格子欠陥、転位）４０９を経由する光電変換過程のみが選択的に遮断されることになる。

また、電流注入などで、結晶欠陥４０９を既に流れる漏れ電流成分が存在する場合でも、その結晶欠陥に沿って移動するキャリアは、欠陥終端部４０４に必ず巡り会い、直ちにキャリアは結晶欠陥４０９を迂回し始める。そのため、紫外発光素子４００のｎ型電極からｐ型電極間に流れる電流全体の中から、結晶欠陥４０９を流れる電流成分のみが遮断された特性を示すことが可能となる。

以上、転位終端部４０４の作用効果について述べたが、結晶欠陥４０９を介した光電変換過程を適切に遮断するために、転位終端部４０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２のいずれかに挿入されても良い。

このように、結晶欠陥４０９を介した光電変換過程が遮断され大幅に低減されることによって、実効Ａｌ組成が２０％を超える窒化物半導体による紫外発光素子４００においても、設計通りの素子性能を示すことができるようになる。

次に、転位終端部４０４の実効バンドギャップエネルギーをどのようにして増大させるのか、その手法について述べる。

本実施形態に係る紫外発光素子４００は、前述した通り窒化物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎによって構成されている。この物性を制御・変更し、実効バンドギャップエネルギーを増大させるためには、転位終端部４０４のみの混晶組成（ｘ、ｙ）を選択的に変化させる、もしくは構成元素と異なる元素を選択的に取り込ませる必要がある。

転位終端部４０４の選択的な混晶組成変化について述べる。窒化物半導体の結晶成長では、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法もしくは分子線エピタキシ−（ＭＢＥ）法が一般的である。しかし、これらの結晶成長技術は成長表面に一様に原料供給することはできるが、結晶欠陥４０９のみに選択的な原料供給することは簡単ではない。

ところが、発明者は分光エリプソメトリなどによる成長表面その場観察を通じて、この選択的な原料供給を可能とする手段を見出した。この原料供給プロセスの詳細は後に述べるが、原料の過剰供給、余剰原料の蒸発・脱離、蒸発中の表面吸着原料の泳動（マイグレーション）の各素過程を制御することで、結晶欠陥４０９が健全部分に比べて強い原料吸着効果を発現することを巧み利用する。その結果として、意図した原料を凝集させ、結晶欠陥４０９のみに選択的に取り込ませることができる。

この原料吸着効果によって、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくはホウ素（Ｂ）を結晶欠陥４０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、ＡｌもしくはＢが凝集している領域のみの実効バンドギャップエネルギーが増大され抵抗率が上がるために、欠陥終端部４０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を結晶欠陥４０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、Ｍｇが凝集している領域のみｎ型伝導性が補償され高抵抗化し欠陥終端部４０４として機能する、または、Ｍｇが凝集している領域のみｐ型伝導性を示し空乏層が形成され、欠陥終端部４０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、酸素を結晶欠陥４０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、酸素が凝集している領域のみ実効バンドギャップエネルギーが増大されたＩＩＩ族酸化物もしくはＩＩＩ族酸窒化物が形成され、欠陥終端部４０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥４４０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらのいずれかが凝集している領域のみ実効バンドギャップエネルギーが増大された酸化物もしくは酸窒化物が形成され、欠陥終端部４０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥４０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらが凝集している領域のみ窒化物半導体とは異なる結晶構造となり高抵抗化し、欠陥終端部４０４として機能することを、発明者は見出した。

また、この原料吸着効果によって、例えば、Ａｌと酸素、Ｍｇと酸素、またはシリコン（Ｓｉ）と酸素を結晶欠陥４０９に選択的に凝集・吸着させることによって、それに続く結晶成長の結果、これらが凝集している領域のみアモルファス構造もしくは多結晶・微結晶となり高抵抗化し、欠陥終端部４０４として機能することを、発明者は見出した。

以上、転位終端部４０４の作用効果について述べたが、結晶欠陥４０９を介した光電変換過程を適切に遮断するために、転位終端部４０４は複数挿入されても良いし、ｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０１と、ｐ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層４０２のいずれかに挿入されても良い。

このように、結晶欠陥４０９を介した光電変換過程が遮断され大幅に低減されることによって、実効Ａｌ組成が２０％を超える窒化物半導体による紫外発光素子４００においても、設計通りの素子性能を示すことができるようになる。

［変形例］
以上述べた本発明の特徴である欠陥終端部によって、素子中に含まれる格子欠陥、結晶欠陥、転位などが引き起こす素子性能劣化の問題を、それらを不活性化もしくは終端化（パッシベーション）することで解決することができる。この作用効果は、光電変換素子のみならず、例えば、高耐圧ダイオード、パワートランジスター、アモルファス透明ＴＦＴにも適用することができる。

以上、本実施形態により、簡便かつ効果的に、接合リーク電流を減少させることのできる光電変換素子及び非発光中心を抑制した発光素子、さらにそれらの製造方法を提供することができる。

また、本願発明は、上記実施形態によって限定されるものではなく、発明の意図から逸脱しない範囲での、変形、置換、省略がなされてもよいものとする。

本発明は、太陽電池、紫外発光素子の光電変換素子、高耐圧ダイオード、パワートランジスター、さらにアモルファス透明ＴＦＴとして産業上の利用可能性がある。

Claims (34)

1. 第一の伝導層と、光吸収層と、第二の伝導層と、
   を順次積層した光電変換素子であって、
   前記光吸収層は、窒化インジウム層が複数積層された構造を備え、
   前記窒化インジウム層上のいずれかに、転位又は欠陥を覆うパッチが形成されてなる
   光電変換素子。
2. 前記パッチは、酸化物、窒化物、及び酸窒化物の少なくともいずれかである
   請求項１記載の光電変換素子。
3. 前記パッチは、前記窒化インジウム層の転位又は粒界の周囲を選択的に覆う一方、前記窒化インジウム層の転位又は粒界のない領域を覆わないよう形成されている
   請求項１記載の光電変換素子。
4. 第一の伝導層を形成する工程と、光吸収層を形成する工程と、第二の伝導層を形成する工程と、
   を備えた光電変換素子の製造方法であって、
   前記光吸収層を形成する工程は、
   窒化インジウム層を形成する工程と、
   前記窒化インジウム層上にパッチを形成する工程と、
   を含む光電変換素子の製造方法。
5. 前記パッチを形成する工程は、さらに、窒化インジウム層上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程を含む、
   請求項４記載の光電変換素子の製造方法。
6. 前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程は、前記金属膜を酸化又は窒化処理することで、生成された金属酸化膜又は金属窒化膜を、前記窒化インジウム層に生じた転位又は粒界を自己組織的に覆うパッチとして形成する
   請求項５記載の光電変換素子の製造方法。
7. 前記パッチを形成する工程は、複数の窒化インジウム層上において行われる
   請求項４記載の光電変換素子の製造方法。
8. 第１伝導型からなる第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に形成される活性層と、
   前記活性層上に形成され、第２伝導型からなる第２半導体層と、
   を備える光電変換素子であって、
   前記第１半導体層および前記活性層および前記第２半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を有する
   光電変換素子。
9. 前記転位不活性部は、結晶欠陥を含むように形成される
   請求項８に記載の光電変換素子。
10. 前記転位不活性部は、結晶欠陥上に形成される
    請求項８に記載の光電変換素子。
11. 前記転位不活性部の膜厚は、２分子層以下である
    請求項８に記載の光電変換素子。
12. 前記転位不活性部の前記膜厚は、１分子層以下である
    請求項１１に記載の光電変換素子。
13. 前記転位不活性部の表面被覆率は、１未満である
    請求項８に記載の光電変換素子。
14. 前記第１半導体層は第１バンドギャップエネルギーを有し、
    前記第２半導体層は第２バンドギャップエネルギーを有し、
    前記活性層は第３バンドギャップエネルギーを有し、
    前記転位不活性部は第４バンドギャップエネルギーを有し、
    前記第４バンドギャップエネルギーは、前記第１バンドギャップエネルギーおよび前記第２バンドギャップエネルギーおよび前記第３バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも大きい
    請求項８に記載の光電変換素子。
15. 前記第３バンドギャップエネルギーは、前記第１バンドギャップエネルギーおよび前記第２バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも小さい
    請求項１４に記載の光電変換素子。
16. 前記第１半導体層は第１抵抗率を有し、
    前記第２半導体層は第２抵抗率を有し、
    前記活性層は第３抵抗率を有し、
    前記転位不活性部は第４抵抗率を有し、
    前記第４抵抗率は、前記第１抵抗率および前記第２抵抗率および前記第３抵抗率の少なくともいずれかよりも大きい
    請求項８に記載の光電変換素子。
17. 前記活性層は第３伝導型を有し、
    前記転位不活性部は第４伝導型を有し、
    前記第４伝導型は、前記第１伝導型および前記第１伝導型および前記第３伝導型の少なくともいずれかと異なる
    請求項８に記載の光電変換素子。
18. 前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかは、窒化物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎであり、
    前記ｘおよびｙの範囲は、０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１かつ０≦ｘ＋ｙ≦１である
    請求項８に記載の光電変換素子。
19. 前記転位不活性部は、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの構成元素と異価数元素を含む
    請求項８に記載の光電変換素子。
20. 前記転位不活性部は、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの構成元素よりも電気陰性度が大きい元素を含む
    請求項８に記載の光電変換素子。
21. 前記転位不活性部は、酸素および窒素の少なくともいずれかを含む
    請求項８に記載の光電変換素子。
22. 前記転位不活性部は、アルミニウムおよびホウ素およびシリコンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含む
    請求項８に記載の光電変換素子。
23. 前記転位不活性部は、前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの結晶構造と異なる結晶構造を有する
    請求項８に記載の光電変換素子。
24. 前記第１半導体層および前記第２半導体層および前記活性層および前記転位不活性部の少なくともいずれかの結晶構造は、多結晶もしくはアモルファスである
    請求項８に記載の光電変換素子。
25. 第１伝導型からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成され、第２伝導型からなる第２半導体層と、前記第１半導体層および前記活性層および前記第２半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を備える光電変換素子の製造方法であって、
    前記第１半導体層を形成する第１工程と、
    前記第２半導体層を形成する第２工程と、
    前記活性層を形成する第３工程と、
    前記転位不活性部を形成する第４工程と、
    を有する光電変換素子の製造方法。
26. 前記第４工程が、
    第１原料を供給する工程と、
    第２原料を供給する工程と、
    を有する請求項２５に記載の光電変換素子の製造方法。
27. 前記第４工程が、
    前記第１原料を除去する工程と、
    前記第２原料を凝縮させる工程と、
    を有する請求項２６に記載の光電変換素子の製造方法。
28. 前記第４工程が、第３原料を供給する工程
    を有する請求項２５に記載の光電変換素子の製造方法。
29. 前記第１原料と前記第２原料とが非混和系である
    請求項２６に記載の光電変換素子の製造方法。
30. 前記第１原料を供給する前記工程で、
    前記第１原料の供給量が、２分子層以上となるよう制御された
    請求項２６に記載の光電変換素子の製造方法。
31. 前記第４工程が、前記第１原料もしくは前記第２原料の少なくともいずれかの融点よりも高温で行われる
    請求項２６に記載の光電変換素子の製造方法。
32. 前記第１原料が、ガリウムもしくはインジウムの少なくともいずれかであり、
    前記第２原料がアルミニウムである
    請求項２６に記載の光電変換素子の製造方法。
33. 前記第３原料が、窒素もしくは酸素の少なくともいずれかである
    請求項２８に記載の光電変換素子の製造方法。
34. 前記第３原料が、水もしくは亜酸化窒素の少なくともいずれかである
    請求項２８に記載の光電変換素子の製造方法。