JP6060652B2

JP6060652B2 - Solar cell and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP6060652B2
Application number: JP2012259941A
Authority: JP
Inventors: 研一河口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014107441A

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.

自然エネルギーの有効利用に向けて、様々な波長領域で利用可能な高効率の太陽電池が求められている。このような背景から、ＩｎＧａＮ系材料は、ＧａＡｓやＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料では損失の大きい青色から紫外域の光を高効率に光電変換する太陽電池材料として期待されている。 In order to effectively use natural energy, highly efficient solar cells that can be used in various wavelength regions are required. From such a background, an InGaN-based material is expected as a solar cell material that photoelectrically converts light in a blue to ultraviolet region with a large loss in III-V group compound semiconductor materials such as GaAs and InP.

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料については、これまで発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光層への適用を目的とした開発が盛んに行われており、商品化もされている。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤでは、製造しやすさの観点から、（０００１）ｃ面上に、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層、ｐ型半導体層を順次積層した積層構造が採用されている。また、ＬＥＤの場合は、発光層内における輻射性キャリア再結合を促進するために、発光層として機能するＩｎＧａＮ層を、膜厚数ｎｍ程度の薄い量子井戸層により形成している。 As for InGaN / GaN-based materials, development aimed at application to a light emitting layer of a light emitting diode (LED) has been actively conducted and commercialized. In an LED using an InGaN / GaN-based material, a stacked structure in which an n-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the (0001) c-plane is employed from the viewpoint of ease of manufacture. ing. In the case of an LED, an InGaN layer functioning as a light emitting layer is formed by a thin quantum well layer having a thickness of about several nm in order to promote radiation carrier recombination in the light emitting layer.

特開２００２−０５０７９６号公報JP 2002-050796 A 特表２００９−５３７９８７号公報Special table 2009-537987 特表２０１１−５２７８２５号公報Special table 2011-527825 gazette

Karen L. Kavanagh, “Misfit dislocations in nanowire heterostructures”, Semicond. Sci. Technol. Vol. 25, 024006 (2010)Karen L. Kavanagh, “Misfit dislocations in nanowire heterostructures”, Semicond. Sci. Technol. Vol. 25, 024006 (2010)

一方、太陽電池では、太陽光を効率的に吸収するためには、光吸収層であるＩｎＧａＮ層を、ＬＥＤの発光層よりも大幅に厚い１μｍ程度の膜厚で形成することが求められる。しかしながら、ＬＥＤで用いられているｐ−ｉ−ｎ構造を基にして光吸収層の膜厚を厚くしただけでは、高効率の太陽電池を実現することはできなかった。 On the other hand, in a solar cell, in order to efficiently absorb sunlight, it is required to form an InGaN layer that is a light absorption layer with a film thickness of about 1 μm, which is significantly thicker than the light emitting layer of the LED. However, a high-efficiency solar cell could not be realized simply by increasing the thickness of the light absorption layer based on the pin structure used in the LED.

本発明の目的は、青色から紫外域の光を高効率に光電変換しうる太陽電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a solar cell that can photoelectrically convert light in the blue to ultraviolet region with high efficiency.

実施形態の一観点によれば、ｐ型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＡｓ層又はｐ型Ｓｉ層のｐ型半導体層とを有することを特徴とする太陽電池が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、ｐ型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたｐ型ＧａＮ層と、前記ｐ型ＧａＮ層上に形成されたＩｎＧａＮ光吸収層と、前記ＩｎＧａＮ光吸収層上に形成されたｎ型ＧａＮ層とを有する柱状構造体と、前記半導体基板と前記ｐ型ＧａＮ層との間に形成され、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層のｐ型半導体層とを有することを特徴とする太陽電池が提供される。 According to one aspect of the embodiment, a p-type semiconductor substrate, a p-type GaN layer formed on the semiconductor substrate, an InGaN light absorption layer formed on the p-type GaN layer, and the InGaN light absorption A columnar structure having an n-type GaN layer formed on the layer, and a p-type GaAs layer or a p-type Si layer formed between the semiconductor substrate and the p-type GaN layer and having metallic conductivity. A solar cell comprising a p-type semiconductor layer is provided.
According to another aspect of the embodiment, a p-type semiconductor substrate, a p-type GaN layer formed on the semiconductor substrate, an InGaN light absorption layer formed on the p-type GaN layer, A p-type GaP layer formed between a columnar structure having an n-type GaN layer formed on an InGaN light absorption layer and between the semiconductor substrate and the p-type GaN layer and having metallic conductivity. A solar cell comprising a semiconductor layer is provided.

また、実施形態の他の観点によれば、ｐ型の半導体基板上に、開口部を有するマスク膜を形成する工程と、前記マスク膜をマスクとして、前記開口部内の前記半導体基板上に、ｐ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ光吸収層と、ｎ型ＧａＮ層とを（０００１）方向に配向して順次成長し、前記ｐ型ＧａＮ層、前記ＩｎＧａＮ光吸収層及び前記ｎ型ＧａＮ層の積層構造を有する柱状構造体を形成する工程とを有する太陽電池の製造方法が提供される。 According to another aspect of the embodiment, a step of forming a mask film having an opening on a p-type semiconductor substrate, and p on the semiconductor substrate in the opening using the mask film as a mask. A p-type GaN layer, an InGaN light absorption layer, and an n-type GaN layer are oriented in the (0001) direction and grown sequentially to obtain a stacked structure of the p-type GaN layer, the InGaN light absorption layer, and the n-type GaN layer. The manufacturing method of the solar cell which has the process of forming the columnar structure which has is provided.

開示の太陽電池及びその製造方法によれば、ｎ型ＧａＮ層／ＩｎＧａＮ光吸収層／ｐ型ＧａＮ層の積層構造を柱状構造体により形成することにより、良好な結晶性を維持しつつＩｎＧａＮ光吸収層を厚膜化することができる。また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ光吸収層及びｎ型ＧａＮ層を積層することにより、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めが生じることなく、光電流を効率的に取り出すことができる。これにより、高効率の太陽電池を実現することができる。 According to the disclosed solar cell and the manufacturing method thereof, the laminated structure of n-type GaN layer / InGaN light absorption layer / p-type GaN layer is formed by a columnar structure, so that InGaN light absorption is maintained while maintaining good crystallinity. The layer can be thickened. In addition, by stacking a p-type GaN layer, an InGaN light absorption layer, and an n-type GaN layer in order from the substrate side, no carrier confinement occurs at the n-type GaN / InGaN interface and the InGaN / p-type GaN interface. Current can be taken out efficiently. Thereby, a highly efficient solar cell is realizable.

図１は、第１実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell according to the first embodiment. 図２は、第１実施形態による太陽電池における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing results obtained by calculating the band structures of the conduction band and the valence band in the solar cell according to the first embodiment. 図３は、第１実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図（その１）である。FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the solar cell according to the first embodiment. 図４は、第１実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図（その２）である。FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the solar cell according to the first embodiment. 図５は、第２実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell according to the second embodiment. 図６は、第２実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図（その１）である。FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the solar cell according to the second embodiment. 図７は、第２実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図（その２）である。FIG. 7 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the solar cell according to the second embodiment. 図８は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤの構造を示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the structure of an LED using an InGaN / GaN-based material. 図９は、図８のＬＥＤにおける伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the results of calculation of the band structures of the conduction band and the valence band in the LED of FIG.

［第１実施形態］
第１実施形態による太陽電池及びその製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。 [First Embodiment]
The solar cell and the manufacturing method thereof according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図１は、本実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。図２は、本実施形態による太陽電池における伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。図３及び図４は、本実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell according to the present embodiment. FIG. 2 is a graph showing results obtained by calculating the band structures of the conduction band and the valence band in the solar cell according to the present embodiment. 3 and 4 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the solar cell according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による太陽電池の構造について図１を用いて説明する。 First, the structure of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

ｐ型の半導体基板１０上には、柱状導電体３０が形成されている。柱状導電体３０は、半導体基板１０側から、ｐ型半導体層３２と、ｐ型ＧａＮ層３４と、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６と、ｎ型ＧａＮ層３８とが順次積層された積層構造を有している。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向している。 A columnar conductor 30 is formed on the p-type semiconductor substrate 10. The columnar conductor 30 has a stacked structure in which a p-type semiconductor layer 32, a p-type GaN layer 34, an i-type InGaN layer 36, and an n-type GaN layer 38 are sequentially stacked from the semiconductor substrate 10 side. Yes. The p-type GaN layer 34, the i-type InGaN layer 36, and the n-type GaN layer 38 are oriented so that the (0001) direction of the crystal of each layer faces the stacking direction of the columnar structure 30 (upward in the drawing).

柱状構造体３０が形成された領域を除く半導体基板１０上には、絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２上に突出する柱状構造体３０の側壁部分には、樹脂層４０が形成されている。柱状構造体３０の頭頂部のｎ型ＧａＮ層３８の少なくとも一部は、樹脂層４０から露出している。 An insulating film 12 is formed on the semiconductor substrate 10 excluding the region where the columnar structures 30 are formed. A resin layer 40 is formed on the side wall portion of the columnar structure 30 protruding on the insulating film 12. At least a part of the n-type GaN layer 38 at the top of the columnar structure 30 is exposed from the resin layer 40.

樹脂層４０上及び樹脂層４０から露出するｎ型ＧａＮ層３８上には、透明電極４２が形成されている。透明電極４２上の柱状構造体３０間の領域には、金属グリッド電極４４が形成されている。こうして、透明電極４２及び金属グリッド電極４４により、ｎ側電極４６が形成されている。また、半導体基板１０の裏面には、ｐ側電極４８が形成されている。 A transparent electrode 42 is formed on the resin layer 40 and on the n-type GaN layer 38 exposed from the resin layer 40. A metal grid electrode 44 is formed in a region between the columnar structures 30 on the transparent electrode 42. Thus, the n-side electrode 46 is formed by the transparent electrode 42 and the metal grid electrode 44. A p-side electrode 48 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 10.

ここで、本実施形態による太陽電池の利点を述べる前に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤについて説明する。 Here, before describing the advantages of the solar cell according to the present embodiment, an LED using an InGaN / GaN-based material will be described.

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤは、例えば図８に示すように、サファイア基板１００の（０００１）ｃ面上に、ｎ型ＧａＮ層１０２、ｉ型ＩｎＧａＮ層１０４、ｐ型ＧａＮ層１０６を順次積層することにより形成されている。ｎ型ＧａＮ層１０２、ｉ型ＩｎＧａＮ層１０４及びｐ型ＧａＮ層１０６は、（０００１）方向が積層方向を向くように配向している。発光層として機能するｉ型ＩｎＧａＮ層１０４は、発光層内における輻射性キャリア再結合を促進するために、膜厚数ｎｍ程度の薄い量子井戸層により形成されている。 For example, as shown in FIG. 8, an LED using an InGaN / GaN-based material includes an n-type GaN layer 102, an i-type InGaN layer 104, and a p-type GaN layer 106 sequentially on the (0001) c plane of the sapphire substrate 100. It is formed by stacking. The n-type GaN layer 102, the i-type InGaN layer 104, and the p-type GaN layer 106 are oriented so that the (0001) direction faces the stacking direction. The i-type InGaN layer 104 functioning as a light emitting layer is formed of a thin quantum well layer having a thickness of about several nanometers in order to promote radiation carrier recombination in the light emitting layer.

ＬＥＤで用いられているこのｐ−ｉ−ｎ構造を基にして太陽電池を形成することを考えた場合、光吸収層となるＩｎＧａＮ層を厚くして太陽光の吸収効率を高めることが求められる。太陽電池の光吸収層としては、膜厚１μｍ程度のＩｎＧａＮ層を用いることが望ましい。 When considering the formation of a solar cell based on this pin structure used in an LED, it is required to increase the absorption efficiency of sunlight by increasing the thickness of the InGaN layer serving as a light absorption layer. . As the light absorbing layer of the solar cell, it is desirable to use an InGaN layer having a thickness of about 1 μm.

しかしながら、ＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造においては、ＧａＮとＩｎＧａＮとの間の格子定数差が大きいため、ＧａＮ層上に成長したＩｎＧａＮ層には結晶歪みが導入される。例えば、ＧａＮとＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとの間には１％程度の格子不整合が存在するため、良好な結晶性を保ちつつＧａＮ層上に成長可能なＩｎＧａＮ層の膜厚は、１００ｎｍ程度に制限される。このため、ＩｎＧａＮ層の膜厚を太陽電池の光吸収層に好適な膜厚まで厚膜化することは困難である。 However, since the lattice constant difference between GaN and InGaN is large in the InGaN / GaN heterostructure, crystal strain is introduced into the InGaN layer grown on the GaN layer. For example, since there is a lattice mismatch of about 1% between GaN and In _0.1 Ga _0.9 N, the thickness of the InGaN layer that can be grown on the GaN layer while maintaining good crystallinity is , Limited to about 100 nm. For this reason, it is difficult to increase the thickness of the InGaN layer to a thickness suitable for the light absorption layer of the solar cell.

また、仮にＩｎＧａＮ層を１μｍ程度の膜厚まで厚膜化できたとしても、太陽電池として十分な特性を得られないことが、本願発明者の検討により初めて明らかとなった。 Moreover, even if the InGaN layer can be thickened to a thickness of about 1 μm, it has been revealed for the first time by the inventor's study that sufficient characteristics as a solar cell cannot be obtained.

図９は、図８に示すＬＥＤのｐ−ｉ−ｎ構造においてＩｎＧａＮ層の膜厚を１μｍとしたときの伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。図中、実線がエネルギー準位を表し、点線がキャリア濃度（電子）を表し、一点鎖線がキャリア濃度（正孔）を表している。計算に当たっては、ＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１とし、ｐ型ＧａＮ及びｎ型ＧａＮの不純物濃度はともに１×１０^１８ｃｍ^−３とした。図では、左側が表面側であり、右側が基板側である。 FIG. 9 is a graph showing results obtained by calculation of the band structures of the conduction band and the valence band when the film thickness of the InGaN layer is 1 μm in the pin structure of the LED shown in FIG. In the figure, the solid line represents the energy level, the dotted line represents the carrier concentration (electrons), and the alternate long and short dash line represents the carrier concentration (holes). In the calculation, the In composition of InGaN was 0.1, and the impurity concentrations of p-type GaN and n-type GaN were both 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . In the figure, the left side is the surface side, and the right side is the substrate side.

図９に示すように、ｐ型ＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層の不純物濃度をともに十分に高くしているにもかかわらず、ＩｎＧａＮ層のバンドが、ｐ−ｎ層の傾斜とは反対向きに大きく傾斜している。この結果、光吸収によって生成されたキャリアのうち、電子はｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面に、正孔はＩｎＧａＮ／ｎ型ＧａＮ界面に、それぞれ閉じ込められてしまい、いずれのキャリアも電極側に引き抜けない構造になることが判明した。この現象は、本願発明者による更なる検討の結果、窒化物半導体特有の強い分極によって引き起こされる（０００１）方向に発生した大きな内部電界が厚いＩｎＧａＮ層の全体に印加されたことで、バンドのトータルの傾斜量が大きくなったためであることが判明した。 As shown in FIG. 9, the band of the InGaN layer is large in the direction opposite to the inclination of the pn layer, although both the impurity concentrations of the p-type GaN layer and the n-type GaN layer are sufficiently high. Inclined. As a result, among the carriers generated by light absorption, electrons are confined at the p-type GaN / InGaN interface and holes are confined at the InGaN / n-type GaN interface, and neither carrier is pulled out to the electrode side. It turned out to be a structure. As a result of further studies by the inventors of the present application, this phenomenon is caused by the fact that a large internal electric field generated in the (0001) direction caused by the strong polarization peculiar to the nitride semiconductor is applied to the entire thick InGaN layer, so that It was found that this was because the amount of inclination of became larger.

このような観点から、本実施形態による太陽電池では、ｎ型ＧａＮ／ｉ型ＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮの積層構造を直径数百ｎｍ程度以下の柱状構造体３０とするとともに、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を積層している。なお、本実施形態による太陽電池の柱状構造体３０のようなナノサイズ（１ｎｍ〜数百ｎｍ程度）の柱状体は、ナノワイヤと呼ばれることもある。 From such a viewpoint, in the solar cell according to the present embodiment, the stacked structure of n-type GaN / i-type InGaN / p-type GaN is a columnar structure 30 having a diameter of about several hundred nm or less, and the p-type structure is sequentially formed from the substrate side. A type GaN layer 34, an i type InGaN layer 36, and an n type GaN layer 38 are stacked. Note that the nano-sized (about 1 nm to several hundred nm) columnar body such as the columnar structure 30 of the solar cell according to the present embodiment may be referred to as a nanowire.

ｎ型ＧａＮ層３８／ｉ型ＩｎＧａＮ層３６／ｐ型ＧａＮ層３４の積層構造を柱状構造体３０により形成することで、異種材料接合部の断面積を小さくすることができる。これにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのような歪み系材料でも良好な結晶性を維持しつつ厚膜化することが可能となる。 By forming the stacked structure of the n-type GaN layer 38 / i-type InGaN layer 36 / p-type GaN layer 34 with the columnar structure 30, the cross-sectional area of the dissimilar material joint can be reduced. Thereby, even a strained material such as InGaN / GaN can be made thick while maintaining good crystallinity.

例えば、ＩｎＧａＮ層３６の組成がＩｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎの場合、ＧａＮに対する格子不整合は１％程度である。歪み１％の材料系に対しては、半径が２００ｎｍ、つまり直径が４００ｎｍ程度が上限となる（例えば非特許文献１を参照）。この場合、ｎ型ＧａＮ層３８／ｉ型ＩｎＧａＮ層３６／ｐ型ＧａＮ層３４の積層構造を直径４００ｎｍ程度以下の柱状構造体３０により形成することにより、良好な結晶性を維持しつつ、太陽電池に好適な膜厚までｉ−ＩｎＧａＮ層３６を厚膜化することができる。 For example, when the composition of the InGaN layer 36 is In _0.10 Ga _0.90 N, the lattice mismatch with respect to GaN is about 1%. For a material system with 1% strain, the upper limit is about 200 nm in radius, that is, about 400 nm in diameter (for example, see Non-Patent Document 1). In this case, the stacked structure of the n-type GaN layer 38 / i-type InGaN layer 36 / p-type GaN layer 34 is formed by the columnar structure 30 having a diameter of about 400 nm or less, so that the solar cell is maintained while maintaining good crystallinity. The i-InGaN layer 36 can be thickened to a thickness suitable for the above.

また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を積層することにより、バンド構造上も太陽電池にとって好適となる。 Further, by stacking the p-type GaN layer 34, the i-type InGaN layer 36, and the n-type GaN layer 38 in order from the substrate side, the band structure is also suitable for the solar cell.

図２は、本実施形態による太陽電池の伝導帯及び価電子帯のバンド構造を計算により求めた結果を示すグラフである。図中、実線がエネルギー準位を表し、点線がキャリア濃度（電子）を表し、一点鎖線がキャリア濃度（正孔）を表している。計算に当たっては、ＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１とし、ｐ型ＧａＮ及びｎ型ＧａＮの不純物濃度はともに１×１０^１８ｃｍ^−３とした。図では、左側が表面側であり、右側が基板側である。 FIG. 2 is a graph showing the results of calculating the conduction band and valence band structures of the solar cell according to the present embodiment. In the figure, the solid line represents the energy level, the dotted line represents the carrier concentration (electrons), and the alternate long and short dash line represents the carrier concentration (holes). In the calculation, the In composition of InGaN was 0.1, and the impurity concentrations of p-type GaN and n-type GaN were both 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . In the figure, the left side is the surface side, and the right side is the substrate side.

図２に示すように、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を積層することにより、ｐ−ｎ構造で傾斜するｉ型ＩｎＧａＮ層３６の向きと、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６の内部電界によって傾斜する向きとを一致させることができる。これは、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６の内部電界の向きは、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６の成長する方向に対して常に一定になるからである。これにより、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めが生じることなく、光電流を効率的に取り出すことができる。 As shown in FIG. 2, by sequentially stacking a p-type GaN layer 34, an i-type InGaN layer 36, and an n-type GaN layer 38 from the substrate side, the orientation of the i-type InGaN layer 36 inclined by the pn structure The direction inclined by the internal electric field of the i-type InGaN layer 36 can be matched. This is because the direction of the internal electric field of the i-type InGaN layer 36 is always constant with respect to the growth direction of the i-type InGaN layer 36. As a result, photocurrent can be efficiently extracted without confinement of carriers at the n-type GaN / InGaN interface and the InGaN / p-type GaN interface.

なお、上述のＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたＬＥＤにおいて、ｎ型ＧａＮ層１０２を基板側に配置し、ｐ型ＧａＮ層１０６を表面側に配置しているのは、より良質の積層構造が得られるからである。すなわち、ＧａＮではｎ型不純物のドーピングは比較的容易であり良質のｎ型ＧａＮを得ることができるが、ｐ型ＧａＮではｎ型ＧａＮと比較して結晶性が劣る。ｎ型ＧａＮを基板側に配置して積層構造を形成することにより、ｐ型ＧａＮを基板側に配置にして積層構造を形成する場合と比較して、良質の結晶をエピタキシャル成長することができる。ＬＥＤでは、ＩｎＧａＮ層の膜厚は数ｎｍ程度であり、内部電界による影響もほとんどない。 In the LED using the above-described InGaN / GaN-based material, the n-type GaN layer 102 is disposed on the substrate side and the p-type GaN layer 106 is disposed on the surface side. Because it is. That is, doping of n-type impurities is relatively easy with GaN, and good-quality n-type GaN can be obtained, but p-type GaN has poor crystallinity as compared with n-type GaN. By forming a stacked structure by arranging n-type GaN on the substrate side, it is possible to epitaxially grow a good quality crystal as compared with the case of forming a stacked structure by placing p-type GaN on the substrate side. In the LED, the thickness of the InGaN layer is about several nanometers and is hardly affected by the internal electric field.

この点、本実施形態による太陽電池では、ｎ型ＧａＮ層３８／ｉ型ＩｎＧａＮ層３６／ｐ型ＧａＮ層３４の積層構造を柱状構造体３０により形成しているため、ｐ型ＧａＮを基板側に配置した場合にも、良質の結晶をエピタキシャル成長することができる。ｐ型ＧａＮを基板側に配置することで、光電流を効率的に取り出すことも可能となる。 In this regard, in the solar cell according to the present embodiment, since the stacked structure of the n-type GaN layer 38 / i-type InGaN layer 36 / p-type GaN layer 34 is formed by the columnar structure 30, the p-type GaN is disposed on the substrate side. Even when it is arranged, a high-quality crystal can be epitaxially grown. By arranging p-type GaN on the substrate side, it is possible to efficiently extract the photocurrent.

また、ｐ型ＧａＮ層３４を基板側に配置することには、ｐ側電極の形成に適した半導体積層構造を形成するうえでも効果がある。 In addition, disposing the p-type GaN layer 34 on the substrate side is also effective in forming a semiconductor multilayer structure suitable for forming the p-side electrode.

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料を用いたｐ−ｉ−ｎ構造においては、ｐ型ＧａＮ−金属電極間のコンタクト抵抗が、ｎ型ＧａＮ−金属電極間のコンタクト抵抗よりも桁で大きく、その分は抵抗損失となってしまうため、低コンタクト抵抗の電極構造である方が望ましい。 In a pin structure using an InGaN / GaN-based material, the contact resistance between the p-type GaN and the metal electrode is orders of magnitude greater than the contact resistance between the n-type GaN and the metal electrode, and the corresponding amount is the resistance loss. Therefore, it is desirable that the electrode structure has a low contact resistance.

一方、ＧａＮは、ＧａＡｓやＳｉなどのバンドギャップエネルギーの小さいIII−Ｖ族やIV族半導体材料に対しては、良好なｐ型コンタクトを形成することが可能である。平板基板上への薄膜成長においてはＧａＮ／ＧａＡｓやＧａＮ／Ｓｉ等の積層構造は歪みの観点から良好な結晶性を保って形成することは難しいが、柱状構造とすることでこのような積層構造も可能となり、低抵抗電極構造を取り入れることが可能となる。 On the other hand, GaN can form a good p-type contact for III-V group and IV group semiconductor materials having a small band gap energy such as GaAs and Si. In thin film growth on a flat substrate, it is difficult to form a laminated structure such as GaN / GaAs or GaN / Si while maintaining good crystallinity from the viewpoint of strain. And a low-resistance electrode structure can be incorporated.

すなわち、ｐ型ＧａＮ層３４の下地に、金属的伝導性を有するＧａＡｓやＳｉ等よりなるｐ型半導体層３２を配置することで、ｐ型ＧａＮ層３４とｐ側電極４８との間のコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。なお、ＧａＡｓやＳｉは、青色から紫外域の光を吸収するが、ｐ型半導体層３２は光の入射方向とは反対の基板側に配置されるため、光電変換効率を阻害することはない。ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間に求められるコンタクト抵抗の値に応じて適宜形成すればよく、必ずしも形成する必要はない。 That is, the contact resistance between the p-type GaN layer 34 and the p-side electrode 48 is provided by disposing the p-type semiconductor layer 32 made of GaAs, Si or the like having metallic conductivity on the base of the p-type GaN layer 34. Can be greatly reduced. GaAs and Si absorb blue to ultraviolet light, but the p-type semiconductor layer 32 is disposed on the side of the substrate opposite to the incident direction of light, and thus does not hinder photoelectric conversion efficiency. The p-type semiconductor layer 32 may be appropriately formed according to the contact resistance value required between the semiconductor substrate 10 and the p-type GaN layer 34, and is not necessarily formed.

次に、本実施形態による太陽電池の製造方法について図３及び図４を用いて説明する。 Next, the method for manufacturing the solar cell according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

まず、ｐ型の半導体基板１０上に、例えばＣＶＤ法により、絶縁膜１２を形成する。半導体基板１０は、その上に（０００１）方向に配向したＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を成長しうるものであればよく、例えば、ｐ型のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を適用することができる。半導体基板１０のアクセプタ濃度は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度であればよい。また、絶縁膜１２は、その後の薄膜成長の際にマスクとなるものであればよく、例えば、シリコン酸化膜を適用することができる。 First, the insulating film 12 is formed on the p-type semiconductor substrate 10 by, eg, CVD. The semiconductor substrate 10 may be any substrate as long as a GaN layer and an InGaN layer oriented in the (0001) direction can be grown thereon. For example, a p-type GaAs (111) B substrate can be applied. The acceptor concentration of the semiconductor substrate 10 may be, for example, about 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . Moreover, the insulating film 12 should just become a mask in the case of subsequent thin film growth, for example, a silicon oxide film can be applied.

次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、絶縁膜１２に、柱状構造体３０の形成予定領域を露出する開口部１４を形成する（図３（ａ））。 Next, an opening 14 exposing a region where the columnar structure 30 is to be formed is formed in the insulating film 12 by photolithography and etching (FIG. 3A).

次いで、絶縁膜１２をマスクとして、開口部１４内の半導体基板１０上に、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｐ型半導体層３２、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を順次成長し、柱状構造体３０を形成する（図３（ｂ））。 Next, with the insulating film 12 as a mask, the p-type semiconductor layer 32, the p-type GaN layer 34, the i-type InGaN layer 36, and the like are formed on the semiconductor substrate 10 in the opening 14 by, for example, MOVPE (metal organic chemical vapor deposition). The n-type GaN layer 38 is sequentially grown to form the columnar structure 30 (FIG. 3B).

各層の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、ｐ型半導体層３２を１００ｎｍ、ｐ型ＧａＮ層３４を３００ｎｍ、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６を１０００ｎｍ、ｎ型ＧａＮ層３８を３００ｎｍとする。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向成長する。 The thickness of each layer is not particularly limited. For example, the p-type semiconductor layer 32 is 100 nm, the p-type GaN layer 34 is 300 nm, the i-type InGaN layer 36 is 1000 nm, and the n-type GaN layer 38 is 300 nm. . The p-type GaN layer 34, the i-type InGaN layer 36, and the n-type GaN layer 38 are oriented and grown so that the (0001) direction of the crystal of each layer faces the stacking direction (upward in the drawing) of the columnar structure 30.

ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間のコンタクト抵抗を低減するための層であり、例えば、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＡｓ層やｐ型Ｓｉ層により形成する。なお、ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間に求められるコンタクト抵抗の値に応じて適宜形成すればよく、必ずしも形成する必要はない。 The p-type semiconductor layer 32 is a layer for reducing contact resistance between the semiconductor substrate 10 and the p-type GaN layer 34, and is formed of, for example, a p-type GaAs layer or a p-type Si layer having metallic conductivity. To do. The p-type semiconductor layer 32 may be appropriately formed according to the contact resistance value required between the semiconductor substrate 10 and the p-type GaN layer 34, and is not necessarily formed.

ｉ型ＩｎＧａＮ層３６のＩｎ組成は、所望の膜厚のＩｎＧａＮ層３６をエピタキシャル成長できる範囲で、太陽電池に求められる吸収端波長に応じて、適宜選択することが望ましく、例えば、０．０５〜０．１５の範囲とする。なお、Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎの吸収端波長は３６３ｎｍ（３．４２ｅＶ）であり、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎの吸収端波長は３８８ｎｍ（３．２０ｅＶ）であり、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎの吸収端波長は４４２ｎｍ（２．８１ｅＶ）である。 The In composition of the i-type InGaN layer 36 is preferably selected as appropriate in accordance with the absorption edge wavelength required for the solar cell within a range in which the InGaN layer 36 having a desired film thickness can be epitaxially grown. .15 range. Note that the absorption edge wavelength of In _0.05 Ga _0.95 N is 363 nm (3.42 eV), the absorption edge wavelength of In _0.10 Ga _0.90 N is 388 nm (3.20 eV), and In ₀ The absorption edge wavelength of _.15 Ga _0.85 N is 442 nm (2.81 eV).

ＧａＡｓ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮのＧａ原料としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いることができる。ＧａＡｓのＡｓ原料としては、例えば、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いることができる。ＧａＮ及びＩｎＧａＮの窒素原料としては、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）を用いることができる。ＩｎＧａＮのＩｎ原料としては、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることができる。 For example, trimethylgallium (TMGa) can be used as a Ga material for GaAs, GaN, and InGaN. For example, arsine (AsH ₃ ) can be used as the GaAs As raw material. As a nitrogen raw material of GaN and InGaN, for example, ammonia (NH ₃ ) can be used. As an In raw material of InGaN, for example, trimethylindium (TMI) can be used.

ｐ型のドーパントとしては、ＧａＡｓに対しては例えば亜鉛（Ｚｎ）を、ＧａＮに対しては例えばマグネシウム（Ｍｇ）を用いることができる。Ｚｎの原料としては、例えば、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用いることができる。Ｍｇの原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いることができる。ｐ型不純物濃度は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度であればよい。 As the p-type dopant, for example, zinc (Zn) can be used for GaAs, and for example, magnesium (Mg) can be used for GaN. As a raw material for Zn, for example, diethyl zinc (DEZn) can be used. As a raw material of Mg, for example, biscyclopentadienyl magnesium (Cp2Mg) can be used. The p-type impurity concentration may be, for example, about 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

ｎ型のドーパントとしては、例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。Ｓｉの原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を用いることができる。ｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度であればよい。 For example, silicon (Si) can be used as the n-type dopant. As a Si raw material, for example, disilane (Si ₂ H ₆ ) can be used. The n-type impurity concentration may be, for example, about 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

柱状構造体３０の直径は、歪み材料に対して良好な結晶成長が行えるサイズを上限とする。例えば、ＩｎＧａＮ層３６の組成がＩｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎの場合、ＧａＮに対する格子不整合は１％程度である。歪み１％の材料系に対しては、半径が２００ｎｍ、つまり直径が４００ｎｍ程度が上限となる（例えば非特許文献１を参照）。 The diameter of the columnar structure 30 is limited to a size that allows good crystal growth with respect to the strained material. For example, when the composition of the InGaN layer 36 is In _0.10 Ga _0.90 N, the lattice mismatch with respect to GaN is about 1%. For a material system with 1% strain, the upper limit is about 200 nm in radius, that is, about 400 nm in diameter (for example, see Non-Patent Document 1).

一方、柱状構造体３０の好適な直径ｄ（ｎｍ）の値は、吸収光波長をλ（ｎｍ）、屈折率をｎとすると、吸収光波長λと、光学距離に換算した柱状構造体３０の直径ｎ×ｄとが等しいときが下限となる。ＩｎＧａＮの吸収波長付近における屈折率ｎは約３．２であるから、吸収光波長λが４００ｎｍであると仮定すると、
ｄ＝λ／ｎ＝４００／３．２＝１２５（ｎｍ）
となる。 On the other hand, the preferable value of the diameter d (nm) of the columnar structure 30 is that the absorption light wavelength λ and the refractive index n are the absorption light wavelength λ and the columnar structure 30 converted into the optical distance. The lower limit is when the diameter n × d is equal. Since the refractive index n near the absorption wavelength of InGaN is about 3.2, assuming that the absorption light wavelength λ is 400 nm,
d = λ / n = 400 / 3.2 = 125 (nm)
It becomes.

次いで、例えばスピンコート法により、柱状構造体３０のｎ型ＧａＮ層３８部分が露出するように、透明な樹脂を塗布し、樹脂層４０を形成する（図３（ｃ））。 Next, a transparent resin is applied by, for example, spin coating so that the n-type GaN layer 38 portion of the columnar structure 30 is exposed to form the resin layer 40 (FIG. 3C).

次いで、ｎ型ＧａＮ層３８及び樹脂層４０上に、例えばＩＴＯ等の透明導電膜を堆積し、透明電極４２を形成する（図４（ａ））。 Next, a transparent conductive film such as ITO is deposited on the n-type GaN layer 38 and the resin layer 40 to form a transparent electrode 42 (FIG. 4A).

次いで、透明電極４４上に、グリッド状の金属グリッド電極４４を形成し、透明電極４２及び金属電極４４よりなるｎ側電極４６を形成する。また、半導体基板１０の裏面に、ｐ側電極４８を形成する（図４（ｂ））。 Next, a grid-like metal grid electrode 44 is formed on the transparent electrode 44, and an n-side electrode 46 including the transparent electrode 42 and the metal electrode 44 is formed. Further, the p-side electrode 48 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 10 (FIG. 4B).

こうして、本実施形態による太陽電池を完成する。 Thus, the solar cell according to the present embodiment is completed.

このように、本実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ／ｉ型ＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮの積層構造を柱状構造体により形成するので、良好な結晶性を維持しつつ光吸収層であるｉ型ＩｎＧａＮを厚膜化することができる。また、基板側から順に、ｐ型ＧａＮ層、ｉ型ＩｎＧａＮ層及びｎ型ＧａＮ層を積層するので、ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ界面及びＩｎＧａＮ／ｐ型ＧａＮ界面におけるキャリアの閉じ込めを防止することができる。これにより、光吸収層における光吸収効率を向上するとともに光電流を効率的に取り出すことができ、高効率の太陽電池を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, since the stacked structure of n-type GaN / i-type InGaN / p-type GaN is formed by the columnar structure, i-type InGaN that is a light absorption layer while maintaining good crystallinity. Can be thickened. In addition, since the p-type GaN layer, the i-type InGaN layer, and the n-type GaN layer are stacked in this order from the substrate side, carrier confinement at the n-type GaN / InGaN interface and the InGaN / p-type GaN interface can be prevented. Thereby, while improving the light absorption efficiency in a light absorption layer, a photocurrent can be taken out efficiently and a highly efficient solar cell can be implement | achieved.

［第２実施形態］
第２実施形態による太陽電池及びその製造方法について図５乃至図７を用いて説明する。図１乃至図４に示す第１実施形態による太陽電池及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。 [Second Embodiment]
A solar cell and a method for manufacturing the solar cell according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. Components similar to those of the solar cell and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

図５は、本実施形態による太陽電池の構造を示す概略断面図である。図６及び図７は、本実施形態による太陽電池の製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the solar cell according to the present embodiment. 6 and 7 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the solar cell according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による太陽電池の構造について図５を用いて説明する。 First, the structure of the solar cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

ｐ型の半導体基板２０上には、柱状導電体３０が形成されている。柱状導電体３０は、半導体基板１０側から、ｐ型半導体層３２と、ｐ型ＧａＮ層３４と、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６と、ｎ型ＧａＮ層３８とが順次積層された積層構造を有している。ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８は、各層の結晶の（０００１）方向が柱状構造体３０の積層方向（図面において上方向）を向くように配向している。 A columnar conductor 30 is formed on the p-type semiconductor substrate 20. The columnar conductor 30 has a stacked structure in which a p-type semiconductor layer 32, a p-type GaN layer 34, an i-type InGaN layer 36, and an n-type GaN layer 38 are sequentially stacked from the semiconductor substrate 10 side. Yes. The p-type GaN layer 34, the i-type InGaN layer 36, and the n-type GaN layer 38 are oriented so that the (0001) direction of the crystal of each layer faces the stacking direction of the columnar structure 30 (upward in the drawing).

柱状構造体３０が形成された領域を除く半導体基板２０上には、絶縁膜１２が形成されている。絶縁膜１２上に突出する柱状構造体３０の側壁部分には、樹脂層４０が形成されている。柱状構造体３０の頭頂部のｎ型ＧａＮ層３８の少なくとも一部は、樹脂層４０から露出している。 An insulating film 12 is formed on the semiconductor substrate 20 excluding the region where the columnar structures 30 are formed. A resin layer 40 is formed on the side wall portion of the columnar structure 30 protruding on the insulating film 12. At least a part of the n-type GaN layer 38 at the top of the columnar structure 30 is exposed from the resin layer 40.

樹脂層４０上及び樹脂層４０から露出するｎ型ＧａＮ層３８上には、ｎ側電極４６が形成されている。また、半導体基板２０の裏面の柱状構造体３０間の領域には、グリッド状のｐ側電極４８が形成されている。 An n-side electrode 46 is formed on the resin layer 40 and on the n-type GaN layer 38 exposed from the resin layer 40. A grid-shaped p-side electrode 48 is formed in a region between the columnar structures 30 on the back surface of the semiconductor substrate 20.

第１実施形態による太陽電池はｎ側電極４６側を太陽光に向けて使用するタイプの太陽電池であるのに対し、本実施形態による太陽電池はｐ側電極４８側を太陽光に向けて使用するタイプの太陽電池である。 The solar cell according to the first embodiment is a type of solar cell that uses the n-side electrode 46 side toward sunlight, whereas the solar cell according to the present embodiment uses the p-side electrode 48 side toward sunlight. Type of solar cell.

このような観点から、本実施形態による太陽電池の半導体基板２０としては、その上に（０００１）方向に配向したＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を成長することができ、且つ、青色から紫外域の光を吸収しない材料の半導体基板を用いる。このような半導体基板２０としては、例えば、ｐ型の（１１１）ＳｉＣ基板を適用することができる。 From such a viewpoint, as the semiconductor substrate 20 of the solar cell according to the present embodiment, a GaN layer and an InGaN layer oriented in the (0001) direction can be grown thereon, and light from blue to ultraviolet region can be grown. A semiconductor substrate of a material that does not absorb is used. As such a semiconductor substrate 20, for example, a p-type (111) SiC substrate can be applied.

ｐ型半導体層３２は、半導体基板２０とｐ型ＧａＮ層３４との間のコンタクト抵抗を低減するための層であり、例えば、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層を適用することができる。なお、ｐ型半導体層３２による光吸収が懸念される場合には、ｐ型半導体層３２を薄くし或いは省略してもよい。 The p-type semiconductor layer 32 is a layer for reducing contact resistance between the semiconductor substrate 20 and the p-type GaN layer 34. For example, a p-type GaP layer having metallic conductivity can be applied. If there is a concern about light absorption by the p-type semiconductor layer 32, the p-type semiconductor layer 32 may be thinned or omitted.

本実施形態による太陽電池は、半導体基板２０の裏面側を太陽光に向けて使用するため、半導体基板２０の裏面側に配置するｐ側電極４８をグリッド状とする。半導体基板２０の表面側の透明電極４２は不要である。 Since the solar cell according to the present embodiment uses the back surface side of the semiconductor substrate 20 toward sunlight, the p-side electrode 48 disposed on the back surface side of the semiconductor substrate 20 has a grid shape. The transparent electrode 42 on the surface side of the semiconductor substrate 20 is not necessary.

次に、本実施形態による太陽電池の製造方法について図６及び図７を用いて説明する。 Next, the method for manufacturing the solar cell according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

まず、図３（ａ）に示す第１実施形態による太陽電池の製造法と同様にして、ｐ型の半導体基板２０上に、柱状構造体３０の形成予定領域を露出する開口部１４を有する絶縁膜１２を形成する。半導体基板２０は、その上に（０００１）方向に配向したＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を成長することができ、且つ、青色から紫外域の光を吸収しない材料であればよく、例えば、ｐ型のＳｉＣ（１１１）基板を適用することができる。半導体基板２０のアクセプタ濃度は、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度であればよい。 First, in the same manner as in the method for manufacturing the solar cell according to the first embodiment shown in FIG. 3A, an insulation having an opening 14 exposing a region where a columnar structure 30 is to be formed is formed on a p-type semiconductor substrate 20. A film 12 is formed. The semiconductor substrate 20 may be any material that can grow a GaN layer and an InGaN layer oriented in the (0001) direction on the semiconductor substrate 20 and does not absorb blue to ultraviolet light. For example, p-type SiC A (111) substrate can be applied. The acceptor concentration of the semiconductor substrate 20 may be, for example, about 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

次いで、絶縁膜１２をマスクとして、開口部１４内の半導体基板２０上に、例えばＭＯＶＰＥ法により、ｐ型半導体層３２、ｐ型ＧａＮ層３４、ｉ型ＩｎＧａＮ層３６及びｎ型ＧａＮ層３８を順次成長し、柱状構造体３０を形成する（図６（ａ））。 Next, using the insulating film 12 as a mask, the p-type semiconductor layer 32, the p-type GaN layer 34, the i-type InGaN layer 36, and the n-type GaN layer 38 are sequentially formed on the semiconductor substrate 20 in the opening 14 by, for example, MOVPE. Growing to form the columnar structure 30 (FIG. 6A).

ｐ型半導体層３２は、半導体基板１０とｐ型ＧａＮ層３４との間のコンタクト抵抗を低減するための層であり、例えば、金属的伝導性を有するｐ型ＧａＰ層により形成する。なお、ｐ型半導体層３２は、必ずしも形成する必要はない。 The p-type semiconductor layer 32 is a layer for reducing contact resistance between the semiconductor substrate 10 and the p-type GaN layer 34, and is formed of, for example, a p-type GaP layer having metallic conductivity. Note that the p-type semiconductor layer 32 is not necessarily formed.

次いで、例えばスピンコート法により、柱状構造体３０のｎ型ＧａＮ層３８部分が露出するように、透明な樹脂を塗布し、樹脂層４０を形成する（図６（ｂ））。 Next, a transparent resin is applied by, for example, spin coating so that the n-type GaN layer 38 portion of the columnar structure 30 is exposed to form the resin layer 40 (FIG. 6B).

次いで、ｎ型ＧａＮ層３８及び樹脂層４０上に、ｎ側電極４６を形成する（図７（ａ））。また、半導体基板２０の裏面に、グリッド状のｐ側電極４８を形成する（図７（ｂ））。 Next, an n-side electrode 46 is formed on the n-type GaN layer 38 and the resin layer 40 (FIG. 7A). Further, a grid-like p-side electrode 48 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 20 (FIG. 7B).

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。 [Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.

例えば、上記実施形態では、柱状構造体３０の断面形状について特に記載していないが、円形や多角形などの対称な形状だけでなく、楕円形状などの形状としてもよい。 For example, in the above embodiment, the cross-sectional shape of the columnar structure 30 is not particularly described, but it may be not only a symmetrical shape such as a circle or a polygon but also an elliptical shape.

また、上記実施形態では、太さが一定の柱状構造体３０を示したが、柱状構造体３０の太さは必ずしも一定である必要はない。例えば、半導体基板１０／２０側から離間するにつれて太さが徐々に狭まる錐台形状の柱状構造体としてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the columnar structure 30 with constant thickness was shown, the thickness of the columnar structure 30 does not necessarily need to be constant. For example, a frustum-shaped columnar structure whose thickness gradually decreases as the distance from the semiconductor substrate 10/20 side increases.

また、上記実施形態に記載した太陽電池の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。 In addition, the structure, constituent materials, manufacturing conditions, and the like of the solar cell described in the above embodiment are merely examples, and can be appropriately modified or changed according to technical common sense of those skilled in the art.

１０，２０…半導体基板
１２…絶縁膜
１４…開口部
３０…柱状構造体
３２…ｐ型半導体層
３４…ｐ型ＧａＮ層
３６…ｉ型ＩｎＧａＮ層
３８…ｎ型ＧａＮ層
４０…樹脂層
４２…透明電極
４４…金属グリッド電極
４６…ｎ側電極
４８…ｐ側電極
１００…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧａＮ層
１０４…ｉ型ＩｎＧａＮ層
１０６…ｐ型ＧａＮ層
１０８…ｎ側電極
１１０…ｐ側電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 ... Semiconductor substrate 12 ... Insulating film 14 ... Opening 30 ... Columnar structure 32 ... P-type semiconductor layer 34 ... P-type GaN layer 36 ... i-type InGaN layer 38 ... N-type GaN layer 40 ... Resin layer 42 ... Transparent Electrode 44 ... Metal grid electrode 46 ... n-side electrode 48 ... p-side electrode 100 ... sapphire substrate 102 ... n-type GaN layer 104 ... i-type InGaN layer 106 ... p-type GaN layer 108 ... n-side electrode 110 ... p-side electrode

Claims

a p-type semiconductor substrate;
A columnar structure having a p-type GaN layer formed on the semiconductor substrate, an InGaN light absorption layer formed on the p-type GaN layer, and an n-type GaN layer formed on the InGaN light absorption layer When,
A solar cell comprising a p-type GaAs layer or a p-type Si layer of a p-type Si layer formed between the semiconductor substrate and the p-type GaN layer and having metallic conductivity.

a p-type semiconductor substrate;
A columnar structure having a p-type GaN layer formed on the semiconductor substrate, an InGaN light absorption layer formed on the p-type GaN layer, and an n-type GaN layer formed on the InGaN light absorption layer When,
A solar cell comprising: a p-type semiconductor layer of a p-type GaP layer formed between the semiconductor substrate and the p-type GaN layer and having metallic conductivity.

The solar cell according to claim 1 or 2,
The p-type GaN layer, the InGaN light absorption layer, and the n-type GaN layer are oriented in the (0001) direction.

In claim 1 Symbol placement of the solar cell,
The solar cell is characterized in that the semiconductor substrate is a GaAs (111) substrate.

The solar cell according to claim 2,
The said semiconductor substrate is a SiC (111) substrate. The solar cell characterized by the above-mentioned.

The solar cell according to any one of claims 1 to 5,
The columnar structure has a diameter of 125 nm to 400 nm.

The solar cell according to any one of claims 1 to 6,
A p-side electrode connected to the semiconductor substrate;
And a n-side electrode connected to the n-type GaN layer.

forming a mask film having an opening on a p-type semiconductor substrate;
Using the mask film as a mask, a p-type GaN layer, an InGaN light absorption layer, and an n-type GaN layer are sequentially grown in the (0001) direction on the semiconductor substrate in the opening, and the p-type is grown. Forming a columnar structure having a laminated structure of a GaN layer, the InGaN light absorption layer, and the n-type GaN layer.