JP6405784B2 - Photoelectric conversion element - Google Patents

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本発明は、光電変換素子に関するものである。   The present invention relates to a photoelectric conversion element.

昨今の地球温暖化現象や原子力発電所の事故を受け、再生可能エネルギーの活用促進が世界的な潮流となっている。その中でも太陽光を利用した発電は、CO2ガスの排出低減は勿論のこと、携帯機器から大型システムに至るまで構成及び搭載が可能であり、高い汎用性も含めて大きな注目を集めている。また、世界各国でフィードインタリフ等の補助金制度も開始されるなど、化石燃料の代替化を想定したエネルギー政策の一環として国家レベルでの後押しもあり、太陽電池の需要は今後急拡大すると予測されている。 Following the recent global warming phenomenon and accidents at nuclear power plants, the promotion of the use of renewable energy has become a global trend. Among them, power generation using sunlight can be configured and mounted from portable devices to large systems as well as reducing CO 2 gas emission, and has attracted a great deal of attention including high versatility. In addition, subsidy systems such as feed-in tariffs have been started in various countries around the world, and as a part of energy policy that assumes the substitution of fossil fuels, the demand for solar cells is expected to grow rapidly in the future. Has been.

従来、太陽電池の材料にはシリコン(Si)等のIV族半導体が用いられてきた。しかしながら、単一材料の光電変換素子はバンドギャップエネルギーも単一であるため、広い波長範囲を有する太陽光を効率的に電力変換することが困難であった。そこで、相異なるバンドギャップエネルギーを有する材料を複数積層したマルチバンド構造の太陽電池開発が活発となっている。とりわけ、窒化ガリウム(GaN)を母材としたGaN系の化合物半導体材料は、インジウム(In)やアルミニウム(Al)との混晶により広範な波長範囲で所望のバンドギャップエネルギーに調整することが可能である。そのため、適切なバンドギャップ組成を積層することにより、単一材料では為し得ない効率60%超の光電変換が理論上実現できるとされている。   Conventionally, group IV semiconductors such as silicon (Si) have been used as materials for solar cells. However, since a single material photoelectric conversion element also has a single band gap energy, it has been difficult to efficiently convert sunlight into a wide wavelength range. Therefore, development of a solar cell having a multi-band structure in which a plurality of materials having different band gap energies are laminated has been active. In particular, GaN-based compound semiconductor materials based on gallium nitride (GaN) can be adjusted to the desired band gap energy in a wide wavelength range by mixed crystals with indium (In) and aluminum (Al). It is. Therefore, it is said that photoelectric conversion with an efficiency exceeding 60%, which cannot be achieved with a single material, can be theoretically realized by laminating an appropriate band gap composition.

一方、太陽電池等の再生可能エネルギーの発電コストは、化石燃料や原子力と比較して未だ割高であり、十分な競争力を確保するには基本性能の向上に加えて製造コストの低減も重要な課題となる。化合物半導体材料は、所謂バルクと呼ばれる自立膜が高コストであり、且つ大面積化が難しいことから、通常は異なる材質の支持基板上にMOVPE(有機金属気相成長)法等で堆積させるのが一般的である。   On the other hand, the power generation costs of renewable energy such as solar cells are still relatively high compared to fossil fuels and nuclear power, and in addition to improving basic performance, it is important to reduce manufacturing costs in order to ensure sufficient competitiveness. It becomes a problem. A compound semiconductor material is usually deposited on a support substrate of a different material by a MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) method or the like because a so-called “bulk” free-standing film is expensive and difficult to increase in area. It is common.

特開2007−281478号公報JP 2007-281478 A 特開2006−156529号公報JP 2006-156529 A 特開2008−21889号公報JP 2008-21889 A

支持基板として、安価なSi基板を利用することは製造コストの観点から有望である。この場合、GaN系材料とSiとの格子定数が大きく異なるため、格子不整合による反りやクラックが発生し易い。更に、GaはSiと容易に反応してSiを溶融するため、製品品質が劣化するという問題がある。そこで、バッファ層として窒化アルミニウム(AlN)層をSi基板上に堆積し、その直上にGaN系材料を形成することでこれらの問題を回避することが提案されている。   The use of an inexpensive Si substrate as a support substrate is promising from the viewpoint of manufacturing cost. In this case, since the lattice constants of the GaN-based material and Si are greatly different, warpage and cracks due to lattice mismatch are likely to occur. Furthermore, since Ga reacts easily with Si and melts Si, there is a problem that product quality deteriorates. Therefore, it has been proposed to avoid these problems by depositing an aluminum nitride (AlN) layer as a buffer layer on a Si substrate and forming a GaN-based material directly thereon.

しかしながら、AlNは6.3eV程度のバンドギャップを有しており、導電性に乏しく、ドーピングによる低抵抗化も困難である。そのため、AlNをバッファ層として用いる上記の構造では、GaN系材料の一部をエッチングで除去して、一対の電極を形成することを要し、製造プロセスが煩雑になる。その結果、製造コストが大幅に増加するという問題がある。
また、バッファ層としてAlN層を形成した場合、Si基板上に成長したGaN系結晶には多くの欠陥が発生するため、光電変換効率を低下させるという問題がある。
However, AlN has a band gap of about 6.3 eV, has poor conductivity, and it is difficult to reduce resistance by doping. Therefore, in the above structure using AlN as the buffer layer, it is necessary to remove a part of the GaN-based material by etching to form a pair of electrodes, and the manufacturing process becomes complicated. As a result, there is a problem that the manufacturing cost is greatly increased.
In addition, when an AlN layer is formed as a buffer layer, many defects are generated in the GaN-based crystal grown on the Si substrate, and there is a problem that the photoelectric conversion efficiency is lowered.

本発明は、上記の諸問題に鑑みてなされたものであり、安価なSi基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることを可能とし、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な光電変換素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and can produce a high-quality nitride semiconductor on an inexpensive Si substrate to obtain excellent photoelectric conversion efficiency, and is manufactured with a simple configuration. It aims at providing the highly efficient photoelectric conversion element which suppressed cost.

光電変換素子の一態様は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成されたシリコンカーバイド層と、前記シリコンカーバイド層上に積層体を備えた受光部と、前記シリコン基板の裏面及び前記受光部の表面に電気的に接続された一対の電極とを含み、前記積層体は、第1n型InGaN層及び第1p型InGaN層を有する第1積層体と、前記第1積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第1積層体よりもIn組成率が小さくバンドギャップエネルギーが大きい第2n型InGaN層及び第2p型InGaN層を有する第2積層体と、前記第2積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第2積層体よりもバンドギャップエネルギーが大きいn型GaN層及びp型GaN層を有する第3積層体とを含むOne aspect of the photoelectric conversion element includes a silicon substrate, a silicon carbide layer formed on the silicon substrate, a light receiving unit including a laminate on the silicon carbide layer, a back surface of the silicon substrate, and the light receiving unit. And a pair of electrodes electrically connected to the surface, wherein the stacked body includes a first stacked body having a first n-type InGaN layer and a first p-type InGaN layer, and the silicon substrate from the first stacked body. A second stacked body having a second n-type InGaN layer and a second p-type InGaN layer that are spaced apart and have a smaller In composition ratio and a higher band gap energy than the first stacked body, and the silicon than the second stacked body And a third stacked body having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer that are spaced apart from the substrate and have a larger band gap energy than the second stacked body .

上記した態様によれば、安価なSi基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることが可能となり、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な光電変換素子が実現する。   According to the above-described aspect, it is possible to obtain a high-quality nitride semiconductor on an inexpensive Si substrate to obtain excellent photoelectric conversion efficiency, and a highly efficient photoelectric conversion element that suppresses manufacturing costs with a simple configuration. Is realized.

第1の実施形態による光電変換素子の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the photoelectric conversion element by 1st Embodiment. 第2の実施形態による太陽電池セルの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the photovoltaic cell by 2nd Embodiment.

以下、光電変換素子及びこれを適用した太陽電池の好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a photoelectric conversion element and a solar cell to which the photoelectric conversion element is applied will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
本実施形態では、光電変換素子を開示する。図1は、本実施形態による光電変換素子の概略構成を示す断面図である。
(First embodiment)
In the present embodiment, a photoelectric conversion element is disclosed. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the photoelectric conversion element according to the present embodiment.

−光電変換素子の構成−
この光電変換素子は、Si基板1上に、シリコンカーバイド(SiC)層2を介して、窒化物半導体、ここではGaN系半導体からなる受光部3が形成され、Si基板1の裏面及び受光部3の表面に一対の電極4a,4bが電気的に接続されて構成される。
-Configuration of photoelectric conversion element-
In this photoelectric conversion element, a light receiving portion 3 made of a nitride semiconductor, here a GaN-based semiconductor, is formed on a Si substrate 1 via a silicon carbide (SiC) layer 2, and the back surface of the Si substrate 1 and the light receiving portion 3. A pair of electrodes 4a and 4b are electrically connected to the surface of the substrate.

Si基板1は、汎用性を有する安価な支持基板であり、n型不純物である例えばPが5×1019/cm3程度の濃度にドープされている。Si基板1は、その面方位が(111)とされている。 The Si substrate 1 is a versatile and inexpensive support substrate, and is doped with an n-type impurity such as P at a concentration of about 5 × 10 19 / cm 3 . The plane direction of the Si substrate 1 is (111).

Si基板1と受光部3との間に挿入されるSiC層2は、結晶性及び導電性があり、且つGaN系半導体との格子不整合差が小さいバッファ層であって、3Cの結晶多形(ポリタイプ)を有する。SiC層2は、Si基板1と同じ導電型、ここではn型不純物であるNが1×1019/cm3程度の濃度にドープされてn型とされており、10nm程度〜5μm程度の範囲内の厚み、例えば1μm程度に形成される。SiC層2の厚みが10nmよりも薄いと、SiC層2のモフォロジーが悪化して直上に形成するGaN系半導体の欠陥が増加する恐れがある。SiC層2の厚みが5μmよりも厚いと、GaN系半導体の成長中又は成長後に応力歪みによりGaN系半導体にクラックが発生したり、Si基板1に割れが生じる恐れがある。SiC層2を10nm程度〜5μm程度の範囲内の厚みに形成することにより、その直上に形成するGaN系半導体の欠陥発生やクラック発生及びSi基板1の割れが抑止される。 The SiC layer 2 inserted between the Si substrate 1 and the light receiving portion 3 is a buffer layer having crystallinity and conductivity, and having a small lattice mismatch difference with a GaN-based semiconductor, and a 3C crystal polymorph (Polytype). The SiC layer 2 has the same conductivity type as that of the Si substrate 1, here, N, which is an n-type impurity, is doped to a concentration of about 1 × 10 19 / cm 3 and is n-type, and has a range of about 10 nm to about 5 μm. The inner thickness is formed, for example, about 1 μm. If the thickness of the SiC layer 2 is less than 10 nm, the morphology of the SiC layer 2 may be deteriorated and the defects of the GaN-based semiconductor formed immediately above may increase. If the thickness of the SiC layer 2 is greater than 5 μm, cracks may occur in the GaN-based semiconductor due to stress strain during or after the growth of the GaN-based semiconductor, or cracks may occur in the Si substrate 1. By forming the SiC layer 2 to a thickness in the range of about 10 nm to about 5 μm, the generation of defects and cracks in the GaN-based semiconductor formed immediately above it and the cracking of the Si substrate 1 are suppressed.

受光部3は、n型窒化物半導体であるn型InGaN層3aと、p型窒化物半導体であるp型InGaN層3bとが順次積層されて構成されている。n型InGaN層3aは、例えば、n型不純物であるSiが5×1019/cm3程度の濃度にドープされてn型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。p型InGaN層3bは、例えば、p型不純物であるMgが2×1019/cm3程度の濃度にドープされてp型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。 The light receiving unit 3 is configured by sequentially stacking an n-type InGaN layer 3a that is an n-type nitride semiconductor and a p-type InGaN layer 3b that is a p-type nitride semiconductor. The n-type InGaN layer 3a is, for example, doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of about 5 × 10 19 / cm 3 to be n-type, and has a thickness of, for example, about 1 μm. The p-type InGaN layer 3b is, for example, p-type doped with Mg, which is a p-type impurity, at a concentration of about 2 × 10 19 / cm 3, and has a thickness of, for example, about 1 μm.

一対の電極4a,4bは、4aは例えばAl−Si、4bは例えばNiを材料として、電極4aがSi基板1の裏面に直接的に、電極4bが受光部3の表面に直接的に形成されている。本実施形態では、Si基板1及びSiC層2が導電性を有する。そのため、Si基板1の裏面上の電極4aがSi基板1及びSiC層2を介してn型InGaN層3aと電気的に接続され、受光部3上の電極4bがp型InGaN層3bと電気的に接続される。   The pair of electrodes 4a and 4b are formed such that 4a is made of, for example, Al-Si, 4b is made of, for example, Ni, the electrode 4a is directly formed on the back surface of the Si substrate 1, and the electrode 4b is directly formed on the surface of the light receiving unit 3. ing. In the present embodiment, the Si substrate 1 and the SiC layer 2 have conductivity. Therefore, the electrode 4a on the back surface of the Si substrate 1 is electrically connected to the n-type InGaN layer 3a via the Si substrate 1 and the SiC layer 2, and the electrode 4b on the light receiving unit 3 is electrically connected to the p-type InGaN layer 3b. Connected to.

−光電変換素子の製造方法−
上記の光電変換素子を製造するには、先ずバッファ層として、導電型がn型で面方位が(111)のSi基板1の表面に、導電型がn型で3Cのポリタイプを有するSiC層2を形成する。SiC層2は、熱CVD法により、シラン(SiH4)及びプロパン(C38)を原料ガスとして、例えば1μm程度の厚みに形成される。
-Manufacturing method of photoelectric conversion element-
In order to manufacture the above photoelectric conversion element, first, as a buffer layer, an SiC layer having a polytype of n type conductivity type and 3C type on the surface of the Si substrate 1 having n type conductivity and (111) plane orientation. 2 is formed. The SiC layer 2 is formed by a thermal CVD method to a thickness of, for example, about 1 μm using silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as source gases.

続いて、SiC層2上にn型InGaN層3a及びp型InGaN層3bを順次積層し、受光部3を形成する。
n型InGaN層3a及びp型InGaN層3bは、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により成長する。MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。
Subsequently, the n-type InGaN layer 3 a and the p-type InGaN layer 3 b are sequentially stacked on the SiC layer 2 to form the light receiving unit 3.
The n-type InGaN layer 3a and the p-type InGaN layer 3b are grown by, for example, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method. Instead of the MOVPE method, a molecular beam epitaxy (MBE) method or the like may be used.

n型InGaN層3aの形成は、MOVPE法により、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)、及びNH3を原料ガスとして、n型のドーピングガスとしてSiH4(Siがドープされる。)を用いる。成長温度を800℃、成長圧力を20kPaとした条件で、n型InGaNを1μm程度の厚みに成長する。 Formation of n-type InGaN layer 3a, by MOVPE, trimethylgallium (TMG), trimethylindium (TMI), and NH 3 as source gases, SiH 4 as n-type doping gas of a (. which Si is doped) Use. Under the conditions of a growth temperature of 800 ° C. and a growth pressure of 20 kPa, n-type InGaN is grown to a thickness of about 1 μm.

p型InGaN層3bの形成は、MOVPE法により、TMG、TMI、及びNH3を原料ガスとして、p型のドーピングガスとしてCp2Mg(Mgがドープされる。)を用いる。成長温度を800℃、成長圧力を20kPaとした条件で、p型InGaNを1μm程度の厚みに成長する。 The p-type InGaN layer 3b is formed by MOVPE using TMG, TMI, and NH 3 as source gases and Cp 2 Mg (Mg doped) as a p-type doping gas. Under the conditions of a growth temperature of 800 ° C. and a growth pressure of 20 kPa, p-type InGaN is grown to a thickness of about 1 μm.

続いて、Si基板1の裏面に電極4aを、受光部3(p型InGaN層3b)の表面に電極4bをそれぞれ形成する。電極4a,4bは、例えば、開口を有するレジストマスクを形成し、蒸着法等により開口を埋め込むようにレジストマスク上に電極材料を堆積した後に、リフトオフによりレジストマスク及びその上の電極材料を除去することで、形成される。
以上により、本実施形態による光電変換素子が形成される。
Subsequently, the electrode 4a is formed on the back surface of the Si substrate 1, and the electrode 4b is formed on the surface of the light receiving unit 3 (p-type InGaN layer 3b). For the electrodes 4a and 4b, for example, a resist mask having an opening is formed, an electrode material is deposited on the resist mask so as to fill the opening by vapor deposition or the like, and then the resist mask and the electrode material thereon are removed by lift-off. By that, it is formed.
Thus, the photoelectric conversion element according to the present embodiment is formed.

本実施形態では、SiC層2がSi基板1と共に導電性を有するため、一方の電極4aをSi基板1の裏面に形成することができる。そのため、バッファ層として非導電性のAlN層を形成した場合のように、電極を形成するべくp型InGaN層の一部をエッチングで除去してn型InGaN層の表面を露出する必要がなく、製造プロセスが簡略化される。
また、SiC層2の表面はモフォロジーに優れており、その直上に形成されるGaN系半導体からなる受光部3は欠陥発生が抑制され、光電変換効率が向上する。
In the present embodiment, since the SiC layer 2 has conductivity together with the Si substrate 1, one electrode 4 a can be formed on the back surface of the Si substrate 1. Therefore, unlike the case where a non-conductive AlN layer is formed as a buffer layer, it is not necessary to remove a part of the p-type InGaN layer by etching to expose the surface of the n-type InGaN layer in order to form an electrode, The manufacturing process is simplified.
Moreover, the surface of the SiC layer 2 is excellent in morphology, and the light-receiving part 3 made of a GaN-based semiconductor formed immediately above the surface is suppressed from generating defects, and the photoelectric conversion efficiency is improved.

−実験例−
以下、本実施形態による光電変換素子の有する諸特性について、比較例との比較に基づいて調べた実験例について説明する。
-Experimental example-
Hereinafter, experimental examples in which various characteristics of the photoelectric conversion element according to the present embodiment are examined based on comparison with the comparative examples will be described.

(1)実験例1
バッファ層のシート抵抗について調べた。
ノンドープで面方位が(111)のSi基板を用意し、その直上にバッファ層として3Cのポリタイプを有するSiC層を1μm程度の厚みに形成し、下地基板とした。
(1) Experimental example 1
The sheet resistance of the buffer layer was examined.
A non-doped Si substrate having a (111) plane orientation was prepared, and a SiC layer having a 3C polytype was formed as a buffer layer on the Si substrate with a thickness of about 1 μm as a base substrate.

非接触シート抵抗測定器を用いて、下地基板の表面のシート抵抗を測定したところ、約50オーム/sq.と低値を示した。支持基板に用いたSi基板は非導電性であるため、当該測定値はSiC層に起因した値である。   When the sheet resistance of the surface of the base substrate was measured using a non-contact sheet resistance measuring device, it showed a low value of about 50 ohm / sq. Since the Si substrate used for the support substrate is non-conductive, the measured value is a value resulting from the SiC layer.

比較例として、ノンドープで面方位が(111)のSi基板を用意し、その直上にバッファ層としてAlN層を形成し、下地基板とした。AlN層の形成は、MOVPE法により、トリメチルアルミニウム(TMA)及びNH3を原料ガスとして、成長温度を1000℃、成長圧力を20kPaとした条件で、AlNを200nm程度の厚みに成長する。 As a comparative example, a non-doped Si substrate having a plane orientation of (111) was prepared, and an AlN layer was formed as a buffer layer directly thereon to form a base substrate. The AlN layer is formed by MOVPE, using trimethylaluminum (TMA) and NH 3 as source gases, with a growth temperature of 1000 ° C. and a growth pressure of 20 kPa, and AlN is grown to a thickness of about 200 nm.

形成された下地基板について、非接触シート抵抗測定器を用いてシート抵抗を測定したところ、約40000オーム/sq.と極めて高い値を示した。支持基板に用いたSi基板は非導電性であるために当該シート抵抗値の帰属の特定は難しいが、この結果より、AlN層は40000オーム/sq.以上の高抵抗層であることが判る。   When the sheet resistance of the base substrate thus formed was measured using a non-contact sheet resistance measuring device, it showed an extremely high value of about 40000 ohm / sq. Since the Si substrate used as the support substrate is non-conductive, it is difficult to specify the attribution of the sheet resistance value. From this result, it can be seen that the AlN layer is a high resistance layer of 40000 ohm / sq. Or more.

以上のように、実験例1により、Si基板上にバッファ層となるSiC層を設けることにより、バッファ層としてAlN層を設ける場合とは異なり、シート抵抗が大幅に低減されることが確認された。   As described above, it was confirmed from Experimental Example 1 that the sheet resistance is significantly reduced by providing the SiC layer serving as the buffer layer on the Si substrate, unlike the case of providing the AlN layer as the buffer layer. .

(2)実験例2
受光部の結晶性及び表面状態について調べた。
上記した本実施形態の製造方法により、n型で面方位が(111)のSi基板上に、3Cのポリタイプを有するSiC層を介してn型InGaN層及びp型InGaN層を順次積層して受光部を形成した。
(2) Experimental example 2
The crystallinity and surface state of the light receiving part were examined.
By the manufacturing method of the present embodiment described above, an n-type InGaN layer and a p-type InGaN layer are sequentially stacked on an n-type Si substrate having a (111) plane orientation via an SiC layer having a 3C polytype. A light receiving part was formed.

形成された受光部について、X線回折装置(XRD)を用いてロッキングカーブ法により結晶性の指標となる半値幅を評価したところ、(002)方位が370arcsec、(102)方位が710arcsec.と転位性欠陥の少ない良好な結晶性を示した。
また、形成された受光部について、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて表面形状を観察したところ、中心線平均粗さ(Ra)が0.2と平滑な表面であることが判った。
For the formed light-receiving part, the half-value width as an index of crystallinity was evaluated by the rocking curve method using an X-ray diffractometer (XRD). As a result, the (002) orientation was 370 arcsec and the (102) orientation was 710 arcsec. It showed good crystallinity with few defects.
Further, when the surface shape of the formed light receiving part was observed using an atomic force microscope (AFM), it was found that the center line average roughness (Ra) was 0.2 and a smooth surface.

比較例として、ノンドープで面方位が(111)のSi基板上に、AlN層を介してn型InGaN層及びp型InGaN層を順次積層して受光部を形成した。   As a comparative example, a light receiving portion was formed by sequentially laminating an n-type InGaN layer and a p-type InGaN layer via an AlN layer on a non-doped Si substrate having a (111) plane orientation.

形成された受光部について、X線回折装置(XRD)を用いてロッキングカーブ法により結晶性の指標となる半値幅を評価したところ、(002)方位が600arcsec、(102)方位が950arcsec.と転位性欠陥が相対的に多いことを示唆する結晶性を示した。
また、形成された受光部について、AFMを用いて表面形状を観察したところ、Raが0.2と平滑な表面であることが判った。
When the half-width, which is an index of crystallinity, was evaluated by the rocking curve method using an X-ray diffractometer (XRD), the formed light-receiving portion was dislocated with a (002) orientation of 600 arcsec and a (102) orientation of 950 arcsec. The crystallinity suggests that there are relatively many sex defects.
Further, when the surface shape of the formed light receiving part was observed using AFM, it was found that Ra was a smooth surface of 0.2.

以上のように、実験例2により、Si基板上にバッファ層としてSiC層を介してn型及びp型InGaN層からなる受光部を形成することにより、バッファ層をAlN層とする場合とは異なり、受光部が優れた結晶性を示すことが確認された。受光部の表面平坦性については、いずれのバッファ層でも問題のない良好な状態が得られることが確認された。   As described above, according to Experimental Example 2, unlike the case where the buffer layer is an AlN layer by forming a light receiving portion including an n-type and a p-type InGaN layer via a SiC layer as a buffer layer on the Si substrate. It was confirmed that the light-receiving part showed excellent crystallinity. Regarding the surface flatness of the light receiving portion, it was confirmed that a good state with no problem can be obtained with any buffer layer.

以上説明したように、本実施形態によれば、安価なSi基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることが可能となり、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な光電変換素子が実現する。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a high-quality nitride semiconductor on an inexpensive Si substrate to obtain excellent photoelectric conversion efficiency, and suppress the manufacturing cost with a simple configuration. A highly efficient photoelectric conversion element is realized.

(第2の実施形態)
本実施形態では、n型窒化物半導体及びp型窒化物半導体の積層体を複数備えた光電変換素子を開示する。この光電変換素子は、太陽電池セルとして用いられる。図2は、本実施形態による太陽電池セルの概略構成を示す断面図である。なお、第1の実施形態の図1で示した構成部材と同様のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a photoelectric conversion element including a plurality of stacked bodies of n-type nitride semiconductors and p-type nitride semiconductors is disclosed. This photoelectric conversion element is used as a solar battery cell. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the solar battery cell according to the present embodiment. In addition, about the same thing as the structural member shown in FIG. 1 of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and detailed description is abbreviate | omitted.

この太陽電池セルは、Si基板1上に、バッファ層であるSiC2を介して、窒化物半導体、ここではGaN系半導体からなる受光部10が形成され、Si基板1の裏面及び受光部10の表面に一対の電極4a,4bが電気的に接続されて構成される。   In this solar cell, a light receiving portion 10 made of a nitride semiconductor, here a GaN-based semiconductor, is formed on a Si substrate 1 via SiC 2 as a buffer layer, and the back surface of the Si substrate 1 and the front surface of the light receiving portion 10 are formed. A pair of electrodes 4a and 4b are electrically connected to each other.

受光部10は、n型窒化物半導体であるn型InxGa1-xN及びp型窒化物半導体であるp型InxGa1-xN(0≦x≦1)の積層体11,12,13が順次積層されて構成されている。
積層体11は、Inの組成率が30%、Gaの組成率が70%であるn型In0.3Ga0.7N層11aとp型In0.3Ga0.7N層11bとが順次積層されて構成されている。
積層体12は、Inの組成率が積層体11よりも小さい10%、Gaの組成率が積層体11よりも大きい90%であるn型In0.1Ga0.9N層12aとp型In0.1Ga0.9N層13bとが順次積層されて構成されている。
積層体13は、Inの組成率が積層体12よりも小さい0%、Gaの組成率が積層体12よりも大きい100%であるn型GaN層13aとp型GaN層13bとが順次積層されて構成されている。
The light receiving unit 10 includes an n-type In x Ga 1-x N that is an n - type nitride semiconductor and a p-type In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) stack 11 that is a p-type nitride semiconductor. 12 and 13 are sequentially laminated.
The stacked body 11 is formed by sequentially stacking an n-type In 0.3 Ga 0.7 N layer 11a and a p-type In 0.3 Ga 0.7 N layer 11b having an In composition ratio of 30% and a Ga composition ratio of 70%. Yes.
The stacked body 12 includes an n-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 12a and a p-type In 0.1 Ga 0.9 in which the In composition ratio is 10% smaller than that of the stacked body 11 and the Ga composition ratio is 90% larger than that of the stacked body 11. The N layer 13b is sequentially stacked.
The stacked body 13 is formed by sequentially stacking an n-type GaN layer 13a and a p-type GaN layer 13b in which the In composition ratio is 0% smaller than that of the stacked body 12 and the Ga composition ratio is 100% larger than that of the stacked body 12. Configured.

n型In0.3Ga0.7N層11aは、例えば、n型不純物であるSiが5×1019/cm3程度の濃度にドープされてn型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。p型In0.3Ga0.7N層11bは、例えば、p型不純物であるMgが2×1019/cm3程度の濃度にドープされてp型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。 The n-type In 0.3 Ga 0.7 N layer 11a is, for example, doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of about 5 × 10 19 / cm 3 to be n-type, and has a thickness of, for example, about 1 μm. Yes. The p-type In 0.3 Ga 0.7 N layer 11b is, for example, p-type doped with Mg, which is a p-type impurity, at a concentration of about 2 × 10 19 / cm 3, and has a thickness of, for example, about 1 μm. Yes.

n型In0.1Ga0.9N層12aは、例えば、n型不純物であるSiが5×1019/cm3程度の濃度にドープされてn型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。p型In0.1Ga0.9N層13bは、例えば、p型不純物であるMgが2×1019/cm3程度の濃度にドープされてp型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。 The n-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 12a is, for example, doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of about 5 × 10 19 / cm 3 to be n-type, and has a thickness of, for example, about 1 μm. Yes. The p-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 13b is, for example, p-type doped with Mg, which is a p-type impurity, at a concentration of about 2 × 10 19 / cm 3, and has a thickness of, for example, about 1 μm. Yes.

n型GaN層13aは、例えば、n型不純物であるSiが5×1019/cm3程度の濃度にドープされてn型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。p型GaN層13bは、例えば、p型不純物であるMgが2×1019/cm3程度の濃度にドープされてp型とされており、例えば1μm程度の厚みに形成されている。 The n-type GaN layer 13a is, for example, doped with Si, which is an n-type impurity, at a concentration of about 5 × 10 19 / cm 3 to be n-type, and has a thickness of, for example, about 1 μm. The p-type GaN layer 13b is, for example, p-type doped with Mg, which is a p-type impurity, at a concentration of about 2 × 10 19 / cm 3, and has a thickness of, for example, about 1 μm.

積層体11,12,13は、第1の実施形態で説明した製造方法と同様にして形成される。InGaNについて、In及びGaの各組成比は、原料ガスにおいてTMG及びTMIの各流量を調節することで制御する。   The laminates 11, 12, and 13 are formed in the same manner as the manufacturing method described in the first embodiment. For InGaN, the composition ratios of In and Ga are controlled by adjusting the flow rates of TMG and TMI in the source gas.

受光部10では、Si基板1から離間した積層体ほど、バンドギャップエネルギーが大きい。本実施形態では、積層体12は積層体11よりも、積層体13は積層体12よりもバンドギャップエネルギーが大きい材料から形成されている。このように構成することにより、例えば、積層体13では紫外光を、積層体12では可視光を、積層体11では赤外光をそれぞれ受光することができる。   In the light receiving unit 10, the band gap energy is larger as the stacked body is separated from the Si substrate 1. In the present embodiment, the laminated body 12 is formed of a material having a band gap energy larger than that of the laminated body 11, and the laminated body 13 is larger than that of the laminated body 12. With this configuration, for example, the laminated body 13 can receive ultraviolet light, the laminated body 12 can receive visible light, and the laminated body 11 can receive infrared light.

本実施形態によれば、安価なSi基板上に高品質な窒化物半導体を形成して優れた光電変換効率を得ることが可能となり、簡素な構成で製造コストを抑制した高効率な太陽電池セルが実現する。   According to this embodiment, it is possible to form a high-quality nitride semiconductor on an inexpensive Si substrate to obtain excellent photoelectric conversion efficiency, and a highly efficient solar cell with a simple configuration and reduced manufacturing cost Is realized.

以下、光電変換素子の諸態様について、付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the photoelectric conversion element are collectively described as supplementary notes.

(付記1)シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたシリコンカーバイド層と、
前記シリコンカーバイド層上に、n型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層を有する積層体を少なくとも一層備えた受光部と、
前記シリコン基板の裏面及び前記受光部の表面に電気的に接続された一対の電極と
を含むことを特徴とする光電変換素子。
(Appendix 1) a silicon substrate;
A silicon carbide layer formed on the silicon substrate;
A light-receiving unit including at least one layered body including an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer on the silicon carbide layer;
A photoelectric conversion element comprising: a back surface of the silicon substrate; and a pair of electrodes electrically connected to the surface of the light receiving portion.

(付記2)前記シリコン基板及び前記シリコンカーバイド層は、共にn型の導電型とされていることを特徴とする付記1に記載の光電変換素子。   (Additional remark 2) The said silicon substrate and the said silicon carbide layer are both made into n-type conductivity type, The photoelectric conversion element of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.

(付記3)前記シリコンカーバイド層は、3Cのポリタイプとされていることを特徴とする付記1又は2に記載の光電変換素子。   (Supplementary note 3) The photoelectric conversion element according to supplementary note 1 or 2, wherein the silicon carbide layer is a 3C polytype.

(付記4)前記n型窒化物半導体層及び前記p型窒化物半導体層は、InxGa1-xN(0≦x≦1)で形成されていることを特徴とする付記1〜3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 (Supplementary Note 4) The n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer, according to Note 1 to 3, characterized in that it is formed by In x Ga 1-x N ( 0 ≦ x ≦ 1) The photoelectric conversion element of any one.

(付記5)前記シリコン基板は、その面方位が(111)であることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の光電変換素子。   (Appendix 5) The photoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 4, wherein the silicon substrate has a plane orientation of (111).

(付記6)前記シリコンカーバイド層は、10nm〜5μmの範囲内の厚みに形成されていることを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の光電変換素子。   (Additional remark 6) The said silicon carbide layer is formed in the thickness within the range of 10 nm-5 micrometers, The photoelectric conversion element of any one of Additional remark 1-5 characterized by the above-mentioned.

(付記7)前記受光部は、複数の前記積層体を備えており、
前記積層体は、前記シリコン基板から離間したものほど、バンドギャップが大きいことを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の光電変換素子。
(Additional remark 7) The said light-receiving part is provided with the said some laminated body,
The photoelectric conversion element according to any one of appendices 1 to 6, wherein the stacked body has a larger band gap as it is separated from the silicon substrate.

1 Si基板
2 SiC層
3,10 受光部
3a n型InGaN層
3b p型InGaN層
4a,4b 電極
11,12,13 積層体
11a n型In0.3Ga0.7N層
11b p型In0.3Ga0.7N層
12a n型In0.1Ga0.9N層
12b p型In0.1Ga0.9N層
13a n型GaN層
13b p型GaN層
1 Si substrate 2 SiC layer 3,10 light receiving portion 3a n-type InGaN layer 3b p-type InGaN layer 4a, 4b electrode 11, 12, 13 laminate 11a n-type In 0.3 Ga 0.7 N layer 11b p-type In 0.3 Ga 0.7 N layer 12a n-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 12b p-type In 0.1 Ga 0.9 N layer 13a n-type GaN layer 13b p-type GaN layer

Claims (4)

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたシリコンカーバイド層と、
前記シリコンカーバイド層上に積層体を備えた受光部と、
前記シリコン基板の裏面及び前記受光部の表面に電気的に接続された一対の電極と
を含み、
前記積層体は、
第1n型InGaN層及び第1p型InGaN層を有する第1積層体と、
前記第1積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第1積層体よりもIn組成率が小さくバンドギャップエネルギーが大きい第2n型InGaN層及び第2p型InGaN層を有する第2積層体と、
前記第2積層体よりも前記シリコン基板から離間しており、前記第2積層体よりもバンドギャップエネルギーが大きいn型GaN層及びp型GaN層を有する第3積層体と
を含むことを特徴とする光電変換素子。
A silicon substrate;
A silicon carbide layer formed on the silicon substrate;
A light receiving portion comprising a laminate on the silicon carbide layer;
A pair of electrodes electrically connected to the back surface of the silicon substrate and the front surface of the light receiving unit,
The laminate is
A first stack having a first n-type InGaN layer and a first p-type InGaN layer;
A second stacked body having a second n-type InGaN layer and a second p-type InGaN layer that are further away from the silicon substrate than the first stacked body and have a smaller In composition ratio and a larger band gap energy than the first stacked body. When,
A third stacked body having an n-type GaN layer and a p-type GaN layer that are separated from the silicon substrate than the second stacked body and have a larger band gap energy than the second stacked body;
A photoelectric conversion element comprising:
前記シリコン基板及び前記シリコンカーバイド層は、共にn型の導電型とされていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the silicon substrate and the silicon carbide layer are both of an n-type conductivity type. 前記シリコンカーバイド層は、3Cのポリタイプとされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換素子。   The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the silicon carbide layer is a 3C polytype. 前記シリコンカーバイド層は、10nm〜5μmの範囲内の厚みに形成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光電変換素子。 It said silicon carbide layer includes a photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is formed to a thickness in the range of 10 nm to 5 [mu] m.
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