JP5892607B2 - 光電変換装置及びその特性検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置及びその特性検査方法に関し、より詳細には、結晶欠陥による特性劣化を抑制することのできる光電変換装置及び光電変換装置に内在する結晶欠陥の検出方法に関する。

半導体による光電変換素子として、発光ダイオードや半導体レーザーなどの発光素子、および太陽電池などの受光素子が知られている。

発光素子の実用化、さらには高性能化に要求される事項は、光出力の高出力化および素子寿命の長寿命化である。一方、受光素子の場合では、変換効率の向上である。しかし、光電変換素子を構成する半導体結晶に内在する結晶欠陥（転位）が、上述した高性能化を阻害し、動作特性を劣化させることは周知の通りである。

半導体結晶における結晶欠陥が、光電変換素子の動作特性を劣化させる様子を、図８を参照して説明する。

図８は一例として、光電変換素子１００の構成を示すブロック図であり、ｎ型半導体層１０１と、前記ｎ型半導体層１０１上に形成される活性層（光電変換部）１０２と、前記活性層１０３上に形成されるｐ型半導体層１０３と、を備えており、これらが周知の半導体製造技術等によって、光電変換装置の基本構造として形成されている。

ここで光電変換素子１００の基本動作について、発光素子を例に簡単に説明する。

光電変換素子１００に電流を注入する場合、ｎ型半導体層１０１からは電子が注入され、ｐ型半導体１０３から正孔が注入される。注入された電子および正孔は、活性層１０２における発光再結合過程により光に変換され、外部へ光を出力する。

ところが光電変換素子には、半導体結晶の構造不完全性から、図８に示すような結晶欠陥（貫通転位）２０１が含まれることがある。図８には光電変換素子１００を構成する半導体結晶に内在する結晶欠陥が模式的に示されており、貫通転位２０１と非発光中心２０２が存在している。例えば、成長基板と成長層との界面で発生し、光電変換素子１００まで下から伝搬してくる貫通転位２０１は、活性層１０２では光電変換を阻害する非発光中心２０２として振る舞うこととなる。

特に、窒化物系半導体では、貫通転位が通常１×１０^８ｃｍ^−２から１×１０^１０ｃｍ^−２の高密度で含まれるため、発光素子の高性能化の大きな障害となっている。

この結晶欠陥の影響を低減するための技術として、例えば下記特許文献１及び２がある。

特開２００６−１３５４７号公報 特開２００６−５０４４号公報

特許文献１および２に記載される結晶欠陥低減技術は、当業者にとってすれば、選択成長もしくは横方向成長と称される結晶成長技術に属する。この横方向成長プロセスには、通常の結晶成長に付随して、マスク形成などの表面加工プロセスが必要となる。このことは、工程数の増加を招くため、歩留まりや製造コストの点で問題が生じることになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、製造工程数を増やすことなく、結晶欠陥による特性劣化を抑制する光電変換装置、および光電変換装置に内在する結晶欠陥の検出方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る光電変換装置は、光電変換部と、光電変換部に含まれる転位不活性部と、を備える。

本発明の第１態様に係る光電変換装置では、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１態様に係る光電変換装置では、転位不活性部は、光電変換機能を有してもよい。

本発明の第１態様に係る光電変換装置は、転位不活性部上に形成される第１伝導部と、転位不活性部下に形成される第２伝導部とを更に備えてもよく、第１伝導部は第１バンドギャップエネルギーを有し、第２伝導部は第２バンドギャップエネルギーを有し、転位不活性部は第３バンドギャップエネルギーを有してもよく、第３バンドギャップエネルギーは第１および第２バンドギャップエネルギーのいずれかよりも小さくてもよい。

また本発明の第２態様に係る光電変換装置は、第１伝導型からなる第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層上に形成されるＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部と、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部上に形成され、第２伝導型からなる第２Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、を備え、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１であり、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部は、ＩｎＮ転位不活性部を有する。

本発明の第２態様に係る光電変換装置では、ＩｎＮ転位不活性部は、層厚が２分子層以下であってもよい。

本発明の第２態様に係る光電変換装置では、ＩｎＮ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態様に係る光電変換装置の結晶欠陥検出方法は、第１伝導型からなる第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層上に形成されるＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部と、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部上に形成され、第２伝導型からなる第２Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、を備える光電変換装置の結晶欠陥検出方法であって、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１であり、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部は、ＩｎＮ転位検出部を有し、ＩｎＮ転位検出部は、結晶欠陥を含むよう形成されており、ＩｎＮ転位検出部からの発光特性に基づいて、結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出方法である。

本発明の第３態様に係る光電変換装置の結晶欠陥検出方法では、ＩｎＮ転位検出部は、層厚が２分子層以下であってもよい。

本発明の第３態様に係る光電変換装置の結晶欠陥検出方法では、ＩｎＮ転位検出部からのカソードルミネッセンスに基づいて、結晶欠陥を検出してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光電変換装置に結晶欠陥が内在している場合でも、製造工程数を増やすことなく、結晶欠陥による特性劣化を抑制することができる。さらに、結晶欠陥の検出を容易にするので、光電変換装置の製品検査を簡便にすることができる。

本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光電変換部の構成を示すブロック図である。 本発明の転位不活性部の作用・効果を示す、カソードルミネッセンス測定による実験データである。 本発明の実施形態に係る光電変換部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。 従来技術の光電変換装置の構成例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］
図１は、本願発明の第１実施形態に係る光電変換装置１０の構成例を示すブロック図である。図１において、光電変換装置１０は、ｎ型窒化ガリウム（以下、「ｎ−ＧａＮ」という。）層１１と、ｎ−ＧａＮ層１１上に形成される光電変換部（Ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）１２と、光電変換部１２上に形成されるｐ型窒化ガリウム（以下、「ｐ−ＧａＮ」という。）層１３と、光電変換部１２に含まれる転位不活性部１４と、を有して構成され、周知の半導体製造技術などで形成される。なお窒化物系半導体では、適当な成長基板が殆ど存在しないことから、光電変換素子１０を構成する場合、ｎ−ＧａＮ層１１と基板（図面省略）との界面から発生する貫通転位などの結晶欠陥２１を１×１０^８ｃｍ^−２から１×１０^１０ｃｍ^−２程度と高密度に含む。

ｎ−ＧａＮ層１１は、電子を輸送するために用いられ、ｐ−ＧａＮ層１３は、正孔を輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＧａＮ層１１及びｐ−ＧａＮ層１３それぞれの抵抗率及び層厚は、キャリア輸送・集率の観点から、それぞれが好適に調整される。

光電変換部１２は、発光素子の場合では、注入された電子−正孔を再結合過程によって光に変換し、受光素子の場合では、吸収した光を電子−正孔に変換する。こ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、光電変換部１２は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、または窒化インジウム（ＩｎＮ）を含んで、ｎ−ＧａＮ層１１およびｐ−ＧａＮ層１３のいずれかよりも小さい禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）を有するように構成されていることが好ましい。

ここで転位不活性部１４について説明する。ここでは、転位不活性部１４がＩｎＮ超薄膜であり、光電変換部１２がＧａＮである例を用いて説明する。

ＩｎＮがＧａＮ上にエピタキシー成長されるとき、例えば、ｃ面成長する場合では、ＩｎＮとＧａＮでは約１１％の格子不整合度を有しているため、結晶成長中に高密度の結晶欠陥を新たに導入してしまう。この結晶欠陥は、光電変換素子における変換効率を著しく劣化させることとなる。しかしながら、ＩｎＮが２分子層（２ＭＬ）以下であれば、結晶欠陥を導入せずに弾性変形を保持し、下地であるＧａＮに対してコヒーレント成長可能であることを本発明者らは見出した。

さらに、この２分子層以下の超薄膜ＩｎＮでは、ＧａＮとの非混和性によって極めて構造完全性に優れた結晶成長が実現される。この結果、自己秩序的かつ自己停止的な形成プロセスが可能となり、原子層オーダで急峻なＩｎＮ／ＧａＮ界面が形成される。

光電変換部１２内に上記超薄膜ＩｎＮを挿入すると、この超薄膜ＩｎＮを井戸層とし、ＧａＮをバリア層とした量子井戸構造が構成される。すなわち、超薄膜ＩｎＮ量子井戸層は、光電変換部１２の一部として機能してもよい。

図２に示すように、結晶欠陥２１が光電変換部１２内部で超薄膜ＩｎＮを貫くと、通常の概念では、これらは非発光中心となり、光電変換部１２での変換効率（量子効率）を低減させると考えられる。しかしながら、超薄膜ＩｎＮは、この常識に反して、結晶欠陥２１によって貫かれているとしても、その貫通点は非発光中心にはならないことを発明者らは見出した。すなわち、超薄膜ＩｎＮは、それ自体が光電変換部１２の一部を構成するだけでなく、結晶欠陥による非発光性を消滅させる転位不活性部１４を構成できることを発明者らは見出した。

この従来の常識から逸脱した転位不活性部１４の作用・効果について、超薄膜ＩｎＮに特有な物性と併せて説明する。

図３は、層厚が１分子層に制御された超薄膜ＩｎＮ（１ＭＬ−ＩｎＮ）井戸層とＧａＮ層とによって構成される量子井戸構造を、ＧａＮ下地層（ＧａＮ ｕｎｄｅｒｌａｙｅｒ）上に成長させた試料のカソードルミネッセンス（ＣＬ）観察を行った結果（ＣＬ像）を示すものである。ＣＬ観察とは、試料表面から加速電子線を照射し、試料からの蛍光分光測定を行うことを指す。加速電子線の加速電圧Ｖａｃｃを制御することで、電子線の侵入深さを制御し、所望の層構造領域（深さ位置）の発光分布情報を得ることができる。

図３は、観察領域を１９×１９ μｍ^２とし、同一視野において加速電圧Ｖａｃｃを変化させた場合のそれぞれのＣＬ像を示している。加速電圧Ｖａｃｃが３ｋＶ、６ｋＶ、１４ｋＶ、１８ｋＶとは、電子線侵入長の４８ｎｍ、１６０ｎｍ、７１０ｎｍ、１１００ｎｍにそれぞれ対応する。すなわち、加速電圧Ｖａｃｃが３ｋＶおよび６ｋＶの場合、主に１ＭＬ−ＩｎＮ量子井戸からの発光分布が観測され、加速電圧Ｖａｃｃが１４ｋＶおよび１８ｋＶの場合、主にＧａＮ下地層からの発光分布が観測される。

ＣＬ像では、白いコントラストは発光領域に対応し、黒いコントラストは非発光領域（非発光中心）、すなわち結晶欠陥２１が存在していることに対応する。

まず、加速電圧Ｖａｃｃが１４ｋＶおよび１８ｋＶのＣＬ像に注目する。幾つかの暗点が観測され、これらはＧａＮ下地層に含まれる結晶欠陥であると考えられる。これらの暗点に、目印としての円形枠を図示してある。

一方図３において、加速電圧Ｖａｃｃが３ｋＶおよび６ｋＶのＣＬ像に注目すると、結晶欠陥に付けた目印である円形枠の領域が、周囲より相対的に明るく光っていることがわかる。従来から、ＧａＮ下地層に結晶欠陥２１が含まれている領域では、その上に成長された量子井戸も、結晶欠陥２１の影響により発光効率は劣化すると考えられてきた。しかし、超薄膜ＩｎＮはこの常識に反して、結晶欠陥２１の存在に関わらず発光効率は劣化しないことが初めて示された。この驚くべき実験事実は、超薄膜ＩｎＮは、それ自体が光電変換部１２の一部を構成するだけでなく、結晶欠陥による非発光性を消滅させる転位不活性部１４を構成できることを明示している。

また、図３に示されている実験結果を、別の視点で解釈を与えると、超薄膜ＩｎＮは表面被覆率が１未満のアイランド状に形成されているとも考えられる。

以下では、このアイランド状超薄膜ＩｎＮ形成とその作用・効果について説明する。

図３において、加速電圧Ｖａｃｃが３ｋＶおよび６ｋＶのＣＬ像、すなわち、１ＭＬ−ＩｎＮ量子井戸領域の発光分布像では、目印としての円形枠で図示された領域が周囲より相対的に明るいことは、この領域にのみ量子井戸構造が形成されて、発光強度が向上したとも理解できる。すなわち、超薄膜ＩｎＮが結晶欠２１を含むように選択的に成長されており、図４に示すようなアイランド構造になっていると考えられる。

すなわち、転位不活性層１４は、必ずしも表面被覆率が１である連続膜である必要はなく、結晶欠陥２１を含むようなアイランド状、すなわち、表面被覆率が１未満の構成でも、結晶欠陥２１による非発光性を消滅させることができる。

以上述べたように、第１実施形態により、光電変換装置１０の光電変換部１２に結晶欠陥２１が内在している場合でも、結晶欠陥２１による特性劣化を抑制することができる。

［応用例１］
窒化物半導体による光電変換素子の第１の応用として、紫外波長域での発光ダイオード（ＬＥＤ）が注目されている。特に、ＧａＮのバンド端波長である３６５ｎｍより短波長領域では、発光波長の短波長化に伴い、発光効率が急激に劣化する。ここでは、超薄膜ＩｎＮの非発光中心抑制効果による、紫外ＬＥＤの高効率化について説明する。

図５は、本願発明の第１実施形態に係る応用例１である光電変換装置３０の構成例を示すブロック図である。図５において、光電変換装置３０は、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（以下、ｎ−ＡｌＧａＮ）層３１と、前記ｎ−ＡｌＧａＮ層３１上に形成される光電変換部（Ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）３２と、前記光電変換部３２上に形成されるｐ型窒化アルミニウムガリウム（以下、ｐ−ＡｌＧａＮ）層３３と、転位不活性部３４を含む光電変換部３２と、を有して構成され、周知の半導体製造技術などで形成される。

光電変換部３２は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、または窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などによって構成され、ｎ−ＡｌＧａＮ層３１およびｐ−ＡｌＧａＮ層３３のいずれかよりも小さい禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）を有するように構成されていることが好ましい。転位不活性部３４は、超薄膜ＩｎＮによって構成される。

ｎ−ＡｌＧａＮ層３１は、電子を輸送するために用いられる。ｐ−ＡｌＧａＮ層３３は、正孔を輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＡｌＧａＮ層３１およびｐ−ＡｌＧａＮ層３３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る。光電変換部３２は、注入された電子−正孔を再結合過程によって紫外光に変換する。

次に、転位不活性部３４によって、非発光中心が抑制され、紫外ＬＥＤが高効率化されることについて説明する。ここでは、光電変換部３２がＡｌＧａＮである場合について説明する。

ｎ−ＡｌＧａＮ層３１、ｐ−ＡｌＧａＮ層３３、および光電変換部３２をそれぞれ構成するＡｌＧａＮのＡｌ組成を増加させることで、紫外ＬＥＤの発光波長が短波長化される。しかし、一般にＡｌＧａＮのＡｌ組成が増加すると、結晶成長の困難性がより顕著となり、光電変換装置３０に含まれる結晶欠陥２１の密度も増大する。そのため、発光効率が劣化する。

ところが、光電変換部３２に超薄膜ＩｎＮを挿入すると、図３で示したように、結晶欠陥２１による非発光性が低減される。すなわち、紫外ＬＥＤである光電変換装置３０において、転位不活性部３４を超薄膜ＩｎＮによって構成することによって、発光波長の短波長化に伴う発光効率の劣化を抑制することができる。

以上、応用例１により、光電変換装置３０の光電変換部３２に結晶欠陥２１が内在している場合でも、結晶欠陥２１による特性劣化を抑制することができる。

［応用例２］
窒化物半導体による光電変換素子の第２の応用として、緑色レーザーおよび赤色−赤外波長域での発光ダイオード（ＬＥＤ）が注目されている。特に、５００
ｎｍより長波長領域では、発光波長の長波長化に伴い、発光効率が急激に劣化する。ここでは、超薄膜ＩｎＮの非発光中心抑制効果による、緑色レーザーおよび赤色−赤外波長域ＬＥＤの高効率化について説明する。

図６は、本願発明の第１実施形態に係る応用例２である光電変換装置４０の構成例を示すブロック図である。図６において、光電変換装置４０は、ｎ型窒化インジウムガリウム（以下、ｎ−ＩｎＧａＮ）層４１と、前記ｎ−ＩｎＧａＮ層４１上に形成される光電変換部（Ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）４２と、前記光電変換部４２上に形成されるｐ型窒化インジウムガリウム（以下、ｐ−ＩｎＧａＮ）層４３と、前記光電変換部４２に含まれる転位不活性部４４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。

光電変換部４２は、例えば、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、または窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などによって構成され、ｎ−ＩｎＧａＮ層４１およびｐ−ＩｎＧａＮ層４３のいずれかよりも小さい禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）を有するように構成されていることが好ましい。転位不活性部４４は、超薄膜ＩｎＮによって構成される。

ｎ−ＩｎＧａＮ層４１は、電子を輸送するために用いられる。ｐ−ＩｎＧａＮ層４３は、正孔を輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＩｎＧａＮ層４１およびｐ−ＩｎＧａＮ層４３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る。光電変換部４２は、注入された電子−正孔を再結合過程によって光に変換する。

次に、転位不活性部４４によって、非発光中心が抑制され、緑色レーザーおよび赤色−赤外波長域ＬＥＤが高効率化されることについて説明する。ここでは、光電変換部４２がＩｎＧａＮである場合について説明する。

ｎ−ＩｎＧａＮ層４１、ｐ−ＩｎＧａＮ層４３、および光電変換部４２をそれぞれ構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を増加させることで、緑色レーザーおよび赤色−赤外波長域ＬＥＤの発光波長が長波長化される。しかし、一般にＩｎＧａＮのＩｎ組成が増加すると、結晶成長の困難性がより顕著となり、光電変換装置４０に含まれる結晶欠陥２１の密度も増大する。そのため、発光効率が劣化する。

ところが、光電変換部４２に超薄膜ＩｎＮを挿入すると、図３で示したように、結晶欠陥２１による非発光性が低減される。すなわち、緑色レーザーおよび赤色−赤外波長域ＬＥＤである光電変換装置４０において、転位不活性部４４を超薄膜ＩｎＮによって構成することによって、発光波長の長波長化に伴う発光効率の劣化を抑制することができる。

以上、応用例２により、光電変換装置４０の光電変換部４２に結晶欠陥２１が内在している場合でも、結晶欠陥２１による特性劣化を抑制することができる。

［応用例３］
窒化物半導体による光電変換素子の第３の応用として、広い太陽光スペクトルに対応する太陽電池が注目されている。特に、窒化物半導体は、高密度の結晶欠陥を含むため、太陽電池の接合特性が粗悪である。ここでは、超薄膜ＩｎＮの転位不活性効果による、窒化物太陽電池の高効率化について説明する。

図７は、本願発明の第１実施形態に係る応用例３である光電変換装置５０の構成例を示すブロック図である。図７において、光電変換装置５０は、ｎ型窒化アルミニウムインジウムガリウム（以下、ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ）層５１と、前記ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層５１上に形成される光電変換部（Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）５２と、前記光電変換部５２上に形成されるｐ型窒化アルミニウムインジウムガリウム（以下、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ）層５３と、前記光電変換部５２に含まれる転位不活性部５４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。

光電変換部５２は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、または窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）などによって構成され、ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層５１およびｐ−ＡｌＩｎＧａＮ層５３のいずれかよりも小さい禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）を有するように構成されていることが好ましい。転位不活性部５４は、前記超薄膜ＩｎＮによって構成される。

ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層５１は、電子を輸送するために用いられる。ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ層５３は、正孔を輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層５１およびｐ−ＡｌＩｎＧａＮ層５３の抵抗率および層厚はキャリア輸送・集率の観点から、それぞれが好適に調整される。光電変換部５２は、吸収した光を電子−正孔に変換する。

次に、転位不活性部５４によって、太陽電池の接合特性が改善され、窒化物太陽電池が高効率化されることについて説明する。ここでは、光電変換部５２がＩｎＧａＮである場合について説明する。

ｎ−ＡｌＩｎＧａＮ層５１、ｐ−ＡｌＩｎＧａＮ層５３、および光電変換部５２をそれぞれ構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を増加させることで、太陽光スペクトルのほぼ全域をカバーする太陽電池が構成される。しかし、一般にＡｌＩｎＧａＮおよびＩｎＧａＮのＩｎ組成が増加すると、結晶成長の困難性がより顕著となり、光電変換装置５０に含まれる結晶欠陥２１の密度も増大する。そのため、太陽電池の接合特性が劣化し、太陽電池の変換効率も低減される。

ところが、光電変換部５２に超薄膜ＩｎＮを挿入すると、図３で示したように、結晶欠陥２１による転位不活性効果が発現される。すなわち、太陽電池である光電変換装置５０において、転位不活性部５４を超薄膜ＩｎＮによって構成することによって、太陽電池の接合特性劣化に伴う変換効率の低下を抑制することができる。

以上、応用例３により、光電変換装置５０の光電変換部５２に結晶欠陥２１が内在している場合でも、結晶欠陥２１による特性劣化を抑制することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、超薄膜ＩｎＮによる転位不活性部の作用・効果について述べた。ところで、図３に示されている実験結果を、別の視点で解釈を与えると、超薄膜ＩｎＮは転位検出部１５として利用できることがわかる。以下、超薄膜ＩｎＮによる転位検出部１５の作用・効果について説明する。

超薄膜ＩｎＮの成長メカニズムとは、設計膜厚より過剰なＩｎＮを供給し、成長表面での蒸発・脱離による自己秩序的かつ自己停止的なプロセスである。ところが、結晶欠陥が存在する領域ではＩｎＮがピン止めされるために、結晶欠陥を含まない領域に対して、蒸発・脱離レートが抑制されていると考えられる。

そのため、図４で示されるように、超薄膜ＩｎＮは結晶欠陥が存在する領域のみに分数層ＩｎＮとして成長されていると解釈される。分数層ＩｎＮ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、すなわち、量子ディスク構造であることに対応する。

一般に、結晶転位の検出するためには、透過型電子顕微鏡による観察手段、もしくは、エッチング処理によるピット（エッチピット）検出が知られているが、いずれの手法も試料の破壊検査に属し、その工程も複雑となる。

ところが、カソードルミネッセンス（ＣＬ）観察は、基本的に非破壊検査に属し、かつ試料に対しての事前処理は必要ない。そのため、結晶欠陥の検出が容易となるので、光電変換装置の製品検査を簡便にすることができる。

また、従来のＣＬ観察では、結晶欠陥をＣＬ像における暗点として評価していた。これは、発光効率の高い試料では、暗点とのコントラスト比が高く取れるので問題はないが、発光効率の低い試料、すなわち、転位検出の必要性が高い場合では、比較的暗い視野の中に暗点が存在することになり、ＣＬ像の明暗コントラストが十分に得られない。

ところが、本実施形態では、光電変換装置１０における光電変換部１２に超薄膜ＩｎＮを挿入することで、超薄膜ＩｎＮが結晶欠陥２１を含むよう形成され、なおかつ発光特性を示すことから、転位検出部１５として利用できる。

以上述べたように、第２実施形態により、光電変換装置１０の光電変換部１２に結晶欠陥２１が内在している場合に、転位検出部１５を観測することで、容易に結晶欠陥２１を検出でき、光電変換装置１０の製品検査を簡便にすることができる。

なお、上述した各実施形態では、超薄膜ＩｎＮが１層で構成される例について述べたが、これだけに限定されず、例えば、多数層挿入された構成も可能である。

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。

また、上記の実施形態から明らかなように、光電変換部を挟み込む窒化物を含む層は伝導性を有しており、それぞれ第１伝導部と第２伝導部として表現することができ、材料に着目すると、第１伝導部と第２伝導部はそれぞれＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層として表現することができ、特に第１伝導部を第１伝導型Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層、第２伝導部を第２伝導型Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と表現することができる。なお、それらにおけるｘ，ｙは同じであっても異なっていても良く、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１であっても良い。

また、上記実施形態から明らかなように、上記光電変換部はＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層として表現することができる。

また、上記実施形態から明らかなように、上記第１伝導部、第２伝導部及び光電変換部はそれぞれバンドギャップエネルギーを有しており、第３伝導部のバンドギャップエネルギー（第３バンドギャップエネルギー）は第１伝導部のバンドギャップエネルギー（第１バンドギャップエネルギー）および第２伝導部のバンドギャップエネルギー（第１バンドギャップエネルギー）のいずれかよりも小さいことが好ましい。

本発明に係る光電変換装置は、紫外−赤外光に対応する発光素子および受光素子、特に太陽電池に利用が可能である。

１０，３０，４０，５０，１００…光電変換装置 １１…ｎ型ＧａＮ層 １３…ｐ型ＧａＮ層 １２，３２，４２，５２，１０２…光電変換部 １４，３４，４４，５４…転位不活性部 １５…転位検出部 ３１…ｎ型ＡｌＧａＮ層 ３３…ｐ型ＡｌＧａＮ層 ４１…ｎ型ＩｎＧａＮ層 ４３…ｐ型ＩｎＧａＮ層 ５１…ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層 ５３…ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層 １０１…ｎ型半導体層 １０３…ｐ型半導体層 ２１，２０１…結晶欠陥 ２０２…非発光中心

Claims (3)

1. 第１伝導型からなり第１バンドギャップエネルギーを有する第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、
   前記第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層上に形成され、第３バンドギャップエネルギーを有するＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部と、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部上に形成され、第２伝導型からなり第２バンドギャップエネルギーを有する第２Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、を備える光電変換装置であって、
   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であり、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部は、コヒーレント構造であるＩｎＮ転位不活性部を有し、
   前記第３バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーのいずれかよりも小さく、
   前記ＩｎＮ転位不活性部は、層厚が２分子層以下かつ被覆率が１未満のアイランド構造であり、
   前記アイランドは結晶欠陥を含むように形成される光電変換装置。
2. 第１伝導型からなり第１バンドギャップエネルギーを有する第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、
   前記第１Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層上に形成され、第３バンドギャップエネルギーを有するＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部と、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部上に形成され、第２伝導型からなり第２バンドギャップエネルギーを有する第２Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層と、を備える光電変換装置の結晶欠陥検出方法であって、
   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であり、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ光電変換部は、コヒーレント構造であるＩｎＮ転位検出部を有し、
   前記第３バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーのいずれかよりも小さく、
   前記ＩｎＮ転位検出部は、層厚が２分子層以下かつ被覆率が１未満のアイランド構造であり、そのアイランドが結晶欠陥を含むよう形成され、
   前記ＩｎＮ転位検出部からの発光特性に基づいて、結晶欠陥を検出する結晶欠陥検出方法。
3. 前記ＩｎＮ転位検出部からのカソードルミネッセンスに基づいて、結晶欠陥を検出する
   請求項２に記載の結晶欠陥検出方法。