WO2011111853A1 - 光電変換装置及びその特性検査方法 - Google Patents

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吉川 明彦
善博 石谷
一秀 草部
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国立大学法人千葉大学
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Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion device and a characteristic inspection method thereof, and more particularly to a photoelectric conversion device capable of suppressing characteristic deterioration due to crystal defects and a method of detecting a crystal defect inherent in the photoelectric conversion device.
  • light-emitting elements such as light-emitting diodes and semiconductor lasers
  • light-receiving elements such as solar cells
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of the photoelectric conversion element 100 as an example, and includes an n-type semiconductor layer 101, an active layer (photoelectric conversion unit) 102 formed on the n-type semiconductor layer 101, and the active layer. And a p-type semiconductor layer 103 formed on the substrate 103, and these are formed as a basic structure of a photoelectric conversion device by a known semiconductor manufacturing technique or the like.
  • the photoelectric conversion element may include a crystal defect (threading dislocation) 201 as shown in FIG. 8 due to the incomplete structure of the semiconductor crystal.
  • FIG. 8 schematically shows a crystal defect inherent in a semiconductor crystal constituting the photoelectric conversion element 100, and a threading dislocation 201 and a non-luminescent center 202 exist.
  • threading dislocations 201 that are generated at the interface between the growth substrate and the growth layer and propagate from below to the photoelectric conversion element 100 behave as non-luminescent centers 202 that inhibit photoelectric conversion in the active layer 102.
  • threading dislocations are usually included at a high density of 1 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 to 1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 , which is a major obstacle to improving the performance of light-emitting elements.
  • Patent Documents 1 and 2 listed below are techniques for reducing the influence of this crystal defect.
  • Patent Documents 1 and 2 belong to a crystal growth technique called selective growth or lateral growth for those skilled in the art.
  • This lateral growth process requires a surface processing process such as mask formation accompanying normal crystal growth. This leads to an increase in the number of processes, which causes problems in terms of yield and manufacturing cost.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a photoelectric conversion device that suppresses deterioration of characteristics due to crystal defects without increasing the number of manufacturing steps, and a method for detecting crystal defects inherent in the photoelectric conversion device.
  • the purpose is to do.
  • the photoelectric conversion device includes a photoelectric conversion unit and a dislocation inactive unit included in the photoelectric conversion unit.
  • the dislocation inactive part may be formed so as to include a crystal defect.
  • the dislocation inactive part may have a photoelectric conversion function.
  • the photoelectric conversion device may further include a first conductive part formed on the dislocation inactive part and a second conductive part formed under the dislocation inactive part.
  • the conducting portion may have a first band gap energy
  • the second conducting portion may have a second band gap energy
  • the dislocation inactive portion may have a third band gap energy
  • the third band gap energy may be It may be smaller than either of the first and second band gap energies.
  • the photoelectric conversion device includes a first In x Ga y Al 1-xy N layer having a first conductivity type and a first In x Ga y Al 1-xy N layer.
  • the In x Ga y Al 1-xy N photoelectric conversion unit and the In x Ga y Al 1-xy N photoelectric conversion unit are formed, and the second In x Ga y Al of the second conductivity type is formed.
  • comprising a 1-x-y N layer, a, x and y range from 0 ⁇ x, a y ⁇ 1, in x Ga y Al 1-x-y N photoelectric conversion unit, an InN transposition inactive portion Have.
  • the InN dislocation inactive part may have a layer thickness of 2 molecular layers or less.
  • the InN dislocation inactive part may be formed so as to include a crystal defect.
  • the method for detecting a crystal defect of a photoelectric conversion device includes a first In x Ga y Al 1-xy N layer having a first conductivity type, a first In x Ga y Al 1-xy
  • the In x Ga y Al 1-xy N photoelectric conversion unit formed on the N layer and the In x Ga y Al 1-xy N photoelectric conversion unit formed of the second conductivity type are formed on the In x Ga y Al 1-xy N photoelectric conversion unit.
  • the xy N photoelectric conversion unit includes an InN dislocation detection unit, and the InN dislocation detection unit is formed so as to include crystal defects, and detects crystal defects based on light emission characteristics from the InN dislocation detection unit. This is a crystal defect detection method.
  • the InN dislocation detection unit may have a layer thickness of two or less molecular layers.
  • the crystal defect may be detected based on cathodoluminescence from the InN dislocation detection unit.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • a photoelectric conversion device 10 includes an n-type gallium nitride (hereinafter referred to as “n-GaN”) layer 11, a photoelectric conversion unit (Active layer) 12 formed on the n-GaN layer 11, and a photoelectric conversion device.
  • n-GaN n-type gallium nitride
  • p-GaN p-type gallium nitride
  • a dislocation inactive unit 14 included in the photoelectric conversion unit 12 are configured and are well-known. It is formed by semiconductor manufacturing technology.
  • nitride-based semiconductors have almost no suitable growth substrate, crystal defects such as threading dislocations generated from the interface between the n-GaN layer 11 and the substrate (not shown) are formed when the photoelectric conversion element 10 is formed. 21 is contained at a high density of about 1 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 to 1 ⁇ 10 10 cm ⁇ 2 .
  • the n-GaN layer 11 is used for transporting electrons
  • the p-GaN layer 13 is used for transporting holes. Therefore, the resistivity and the layer thickness of each of the n-GaN layer 11 and the p-GaN layer 13 are suitably adjusted from the viewpoint of carrier transport / collection.
  • the photoelectric conversion unit 12 converts injected electrons-holes into light through a recombination process, and in the case of a light receiving element, converts the absorbed light into electrons-holes.
  • the photoelectric conversion unit 12 includes, for example, gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), or indium nitride (InN), and includes the n-GaN layer 11.
  • the p-GaN layer 13 is preferably configured to have a forbidden band width (bandgap energy) smaller than any of the p-GaN layer 13.
  • the dislocation inactive part 14 will be described.
  • the dislocation inactive part 14 is an InN ultrathin film
  • the photoelectric conversion part 12 is described using an example of GaN.
  • InN When InN is epitaxially grown on GaN, for example, when c-plane growth is performed, InN and GaN have a lattice mismatch of about 11%, so that high-density crystal defects are newly introduced during crystal growth. Will be introduced. This crystal defect significantly deteriorates the conversion efficiency in the photoelectric conversion element.
  • the present inventors have found that if InN is less than or equal to a bimolecular layer (2 ML), elastic deformation is maintained without introducing crystal defects and coherent growth is possible with respect to GaN as a base.
  • the ultra-thin film InN When the ultra-thin film InN is inserted into the photoelectric conversion unit 12, a quantum well structure having the ultra-thin film InN as a well layer and GaN as a barrier layer is formed. That is, the ultra-thin InN quantum well layer may function as a part of the photoelectric conversion unit 12.
  • FIG. 3 shows a sample in which a quantum well structure composed of an ultra-thin InN (1ML-InN) well layer and a GaN layer whose layer thickness is controlled to a single molecular layer is grown on a GaN underlayer.
  • CL image The result (CL image) of having performed cathodoluminescence (CL) observation of is shown.
  • CL observation refers to irradiating an accelerated electron beam from the sample surface and performing fluorescence spectroscopic measurement from the sample.
  • Vacc of the accelerating electron beam By controlling the acceleration voltage Vacc of the accelerating electron beam, the penetration depth of the electron beam can be controlled, and light emission distribution information of a desired layer structure region (depth position) can be obtained.
  • FIG. 3 shows respective CL images when the observation region is 19 ⁇ 19 ⁇ m 2 and the acceleration voltage Vacc is changed in the same visual field.
  • the acceleration voltages Vacc of 3 kV, 6 kV, 14 kV, and 18 kV correspond to electron beam penetration lengths of 48 nm, 160 nm, 710 nm, and 1100 nm, respectively. That is, when the acceleration voltage Vacc is 3 kV and 6 kV, the emission distribution mainly from the 1ML-InN quantum well is observed, and when the acceleration voltage Vacc is 14 kV and 18 kV, the emission distribution mainly from the GaN underlayer is observed. .
  • white contrast corresponds to a light emitting region
  • black contrast corresponds to a non-light emitting region (non-light emitting center), that is, a crystal defect 21 is present.
  • the ultrathin film InN is formed in an island shape having a surface coverage of less than 1.
  • the region illustrated by the circular frame as a mark is relatively brighter than the surroundings. It can be understood that the quantum well structure is formed only in the region and the emission intensity is improved. That is, it is considered that the ultrathin film InN is selectively grown so as to include the crystal defect 21 and has an island structure as shown in FIG.
  • the dislocation inactive layer 14 does not necessarily have to be a continuous film having a surface coverage of 1, and even in an island shape including the crystal defects 21, that is, in a configuration with a surface coverage of less than 1, the crystal defects 21.
  • the non-luminous property due to can be eliminated.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the photoelectric conversion device 30 which is an application example 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • a photoelectric conversion device 30 includes an n-type aluminum gallium nitride (hereinafter, n-AlGaN) layer 31, a photoelectric conversion unit (Active layer) 32 formed on the n-AlGaN layer 31, and the photoelectric conversion.
  • n-AlGaN n-type aluminum gallium nitride
  • p-AlGaN p-AlGaN
  • the photoelectric conversion unit 32 is made of, for example, gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), or aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), and more than any of the n-AlGaN layer 31 and the p-AlGaN layer 33. It is preferable to be configured to have a small forbidden bandwidth (band gap energy).
  • the dislocation inactive part 34 is composed of an ultrathin film InN.
  • the n-AlGaN layer 31 is used for transporting electrons.
  • the p-AlGaN layer 33 is used for transporting holes. Therefore, the resistivity and the layer thickness of the n-AlGaN layer 31 and the p-AlGaN layer 33 are each suitably adjusted in order to efficiently transport carriers.
  • the photoelectric conversion unit 32 converts the injected electron-holes into ultraviolet light through a recombination process.
  • the dislocation inactive part 34 suppresses the non-light emission center and increases the efficiency of the ultraviolet LED.
  • the photoelectric conversion unit 32 is AlGaN
  • the emission wavelength of the ultraviolet LED is shortened.
  • the Al composition of AlGaN increases, the difficulty of crystal growth becomes more significant, and the density of crystal defects 21 included in the photoelectric conversion device 30 also increases. Therefore, the light emission efficiency is deteriorated.
  • the ultra-thin film InN is inserted into the photoelectric conversion part 32, as shown in FIG. 3, the non-luminous property due to the crystal defect 21 is reduced. That is, in the photoelectric conversion device 30 that is an ultraviolet LED, the dislocation inactive portion 34 is configured by the ultrathin film InN, so that deterioration of the light emission efficiency accompanying the shortening of the light emission wavelength can be suppressed.
  • the crystal defect 21 is inherent in the photoelectric conversion unit 32 of the photoelectric conversion device 30, the characteristic deterioration due to the crystal defect 21 can be suppressed.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion device 40 which is an application example 2 according to the first embodiment of the present invention.
  • a photoelectric conversion device 40 includes an n-type indium gallium nitride (hereinafter referred to as n-InGaN) layer 41, a photoelectric conversion unit (Active layer) 42 formed on the n-InGaN layer 41, and the photoelectric conversion.
  • the p-type indium gallium nitride (hereinafter referred to as p-InGaN) layer 43 formed on the part 42 and the dislocation inactive part 44 included in the photoelectric conversion part 42 are formed by a known semiconductor manufacturing technique or the like. Is done.
  • the photoelectric conversion unit 42 is made of, for example, indium nitride (InN), indium gallium nitride (InGaN), or aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), and is more than any of the n-InGaN layer 41 and the p-InGaN layer 43. It is preferable to be configured to have a small forbidden bandwidth (band gap energy).
  • the dislocation inactive part 44 is composed of an ultrathin film InN.
  • the n-InGaN layer 41 is used for transporting electrons.
  • the p-InGaN layer 43 is used for transporting holes. Accordingly, the resistivity and the layer thickness of the n-InGaN layer 41 and the p-InGaN layer 43 are each suitably adjusted in order to efficiently transport carriers.
  • the photoelectric conversion unit 42 converts the injected electron-holes into light through a recombination process.
  • the dislocation-inactive portion 44 suppresses the non-emission center and increases the efficiency of the green laser and the red-infrared wavelength region LED.
  • the photoelectric conversion unit 42 is InGaN
  • the emission wavelengths of the green laser and the red-infrared wavelength region LED are lengthened.
  • the In composition of InGaN increases, the difficulty of crystal growth becomes more remarkable, and the density of crystal defects 21 included in the photoelectric conversion device 40 also increases. Therefore, the light emission efficiency is deteriorated.
  • the ultra-thin film InN is inserted into the photoelectric conversion unit 42, as shown in FIG. 3, the non-luminous property due to the crystal defect 21 is reduced. That is, in the photoelectric conversion device 40 that is a green laser and a red-infrared wavelength region LED, the dislocation inactive portion 44 is configured by the ultrathin film InN, thereby suppressing the deterioration of the light emission efficiency due to the longer emission wavelength. be able to.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a photoelectric conversion device 50 which is an application example 3 according to the first embodiment of the present invention.
  • a photoelectric conversion device 50 includes an n-type aluminum indium gallium nitride (hereinafter referred to as n-AlInGaN) layer 51, a photoelectric conversion unit (Depletion layer) 52 formed on the n-AlInGaN layer 51, and the photoelectric conversion device.
  • n-AlInGaN n-type aluminum indium gallium nitride
  • p-AlInGaN p-AlInGaN
  • the photoelectric conversion unit 52 is made of, for example, gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum indium nitride (AlInN), or aluminum indium gallium nitride (AlInGaN), and the n-AlInGaN layer 51 and p-AlInGaN.
  • the layer 53 is preferably configured to have a forbidden band width (band gap energy) smaller than any of the layers 53.
  • the dislocation inactive part 54 is composed of the ultrathin film InN.
  • the n-AlInGaN layer 51 is used for transporting electrons.
  • the p-AlInGaN layer 53 is used for transporting holes. Therefore, the resistivity and the layer thickness of the n-AlInGaN layer 51 and the p-AlInGaN layer 53 are each suitably adjusted from the viewpoint of carrier transport and concentration.
  • the photoelectric conversion unit 52 converts the absorbed light into electron-holes.
  • the dislocation inactive portion 54 improves the junction characteristics of the solar cell and increases the efficiency of the nitride solar cell.
  • the photoelectric conversion unit 52 is InGaN
  • the dislocation inactivation effect due to the crystal defects 21 is exhibited as shown in FIG. That is, in the photoelectric conversion device 50 that is a solar cell, the dislocation inactive portion 54 is configured by the ultrathin film InN, so that a decrease in conversion efficiency due to deterioration of the junction characteristics of the solar cell can be suppressed.
  • the growth mechanism of ultra-thin InN is a self-ordered and self-stopping process by supplying excess InN than the designed film thickness and evaporating / desorbing on the growth surface.
  • InN is pinned in the region where the crystal defect exists, it is considered that the evaporation / desorption rate is suppressed as compared with the region not including the crystal defect.
  • the ultra-thin film InN is grown as a fractional layer InN only in a region where crystal defects exist.
  • the fractional layer InN means that the surface coverage is 1 or less.
  • the 0.5 molecular layer is an island structure having a one-layer thickness and a surface coverage of 50%, that is, a quantum disk structure.
  • observation means by a transmission electron microscope or pit (etch pit) detection by an etching process is known. Is also complicated.
  • C cathodoluminescence
  • the ultrathin film InN is formed so as to include the crystal defect 21 by inserting the ultrathin film InN into the photoelectric conversion unit 12 in the photoelectric conversion device 10, and the dislocation detection unit exhibits the light emission characteristics. 15 can be used.
  • the crystal defect 21 is inherent in the photoelectric conversion unit 12 of the photoelectric conversion device 10, the crystal defect 21 is easily detected by observing the dislocation detection unit 15.
  • product inspection of the photoelectric conversion device 10 can be simplified.
  • the ultra-thin film InN is composed of one layer.
  • the present invention is not limited to this.
  • a configuration in which multiple layers are inserted is also possible.
  • the layer including nitride sandwiching the photoelectric conversion portion has conductivity, and can be expressed as a first conductive portion and a second conductive portion, respectively.
  • the first conductive portion and the second conductive portion can be expressed as In x Ga y Al 1-xy N layers, respectively.
  • the first conductive portion is represented by the first conductive type In x Ga y Al 1-1.
  • the xy N layer and the second conductive part can be expressed as a second conductivity type In x Ga y Al 1-xy N layer.
  • x and y may be the same or different, and the ranges of x and y may be 0 ⁇ x and y ⁇ 1.
  • the photoelectric conversion unit can be expressed as an In x Ga y Al 1-xy N layer.
  • each of the first conduction unit, the second conduction unit, and the photoelectric conversion unit has band gap energy, and the band gap energy (third band gap energy) of the third conduction unit. ) Is preferably smaller than either the band gap energy of the first conduction part (first band gap energy) or the band gap energy of the second conduction part (first band gap energy).
  • the photoelectric conversion device can be used for light-emitting elements and light-receiving elements corresponding to ultraviolet-infrared light, particularly solar cells.

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Abstract

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。そのため、本発明に係る光電変換装置は、光電変換部と、前記光電変換部に含まれる転位不活性部と、を備える。

Description

光電変換装置及びその特性検査方法
 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1×10cm-2から1×1010cm-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1InGaAl1-x-yN層と、第1InGaAl1-x-yN層上に形成されるInGaAl1-x-yN光電変換部と、InGaAl1-x-yN光電変換部上に形成され、第2伝導型からなる第2InGaAl1-x-yN層と、を備え、xおよびyの範囲は0≦x,y≦1であり、InGaAl1-x-yN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1InGaAl1-x-yN層と、第1InGaAl1-x-yN層上に形成されるInGaAl1-x-yN光電変換部と、InGaAl1-x-yN光電変換部上に形成され、第2伝導型からなる第2InGaAl1-x-yN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、InGaAl1-x-yN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1×10cm-2から1×1010cm-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InGaAl1-x-yN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InGaAl1-x-yN層、第2伝導部を第2伝導型InGaAl1-x-yN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InGaAl1-x-yN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 (10)

  1.  光電変換部と、
     前記光電変換部に含まれる転位不活性部と、を備える光電変換装置。
  2.  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1に記載の光電変換装置。
  3.  前記転位不活性部は、光電変換機能を有する請求項1に記載の光電変換装置。
  4.  前記転位不活性部上に形成される第1伝導部と、
     前記転位不活性部下に形成される第2伝導部と
    を備え、
     前記第1伝導部は第1バンドギャップエネルギーを有し、
     前記第2伝導部は第2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3バンドギャップエネルギーを有し、
     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い請求項1に記載の光電変換装置。
  5.  第1伝導型からなる第1InGaAl1-x-yN層と、
     前記第1InGaAl1-x-yN層上に形成されるInGaAl1-x-yN光電変換部と、
     前記InGaAl1-x-yN光電変換部上に形成され、第2伝導型からなる第2InGaAl1-x-yN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,y≦1であり、
    前記InGaAl1-x-yN光電変換部は、InN転位不活性部を有する光電変換装置。
  6.  前記InN転位不活性部は、層厚が2分子層以下である請求項5に記載の光電変換装置。
  7.  前記InN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5に記載の光電変換装置。
  8.  第1伝導型からなる第1InGaAl1-x-yN層と、
     前記第1InGaAl1-x-yN層上に形成されるInGaAl1-x-yN光電変換部と、
     前記InGaAl1-x-yN光電変換部上に形成され、第2伝導型からなる第2InGaAl1-x-yN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,y≦1であり、
    前記InGaAl1-x-yN光電変換部は、InN転位検出部を有し、
     前記InN転位検出部は、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。
  9.  前記InN転位検出部は、層厚が2分子層以下である請求項8に記載の結晶欠陥検出方法。
  10.  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8に記載の結晶欠陥検出方法。 
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