光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュール
【課題】窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供する。
【解決手段】第１の基板１上に、第１のバッファ層２、第２のバッファ層６００、ｉ型窒化物半導体層５００およびｎ型窒化物半導体層４００を形成し、第１の基板１を切削工具４を用いて除去する光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールである。
【解決手段】第１の基板１上に、第１のバッファ層２、第２のバッファ層６００、ｉ型窒化物半導体層５００およびｎ型窒化物半導体層４００を形成し、第１の基板１を切削工具４を用いて除去する光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン系材料からなる光電変換素子は、そのバンドギャップが１．１〜１．８ｅＶであるため、エネルギーの高い０．５μｍ以下の短波長領域の光に対して感度が小さく、太陽光スペクトルの全ての波長領域を有効に活用できないという材料固有の課題が存在していた。
【０００３】
一方、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体のバンドギャップは、組成ｘおよびｙに対応して０．７ｅＶ〜６．０ｅＶという極めて広い範囲で変化する。このような窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子用の材料として開発が盛んに行われてきたが、上記の組成を有する窒化物半導体を光電変換素子に用いた場合には、０．５μｍ以下の短波長領域の光に対しても感度を持たせることできるようになることから、このような窒化物半導体は、次世代の光電変換素子用の材料として大変注目されている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた従来の光電変換素子は、光の入射側から、ｐ型不純物がドープされたＧａＮ層の下に、光吸収層として、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の式で表わされる、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどからなるｉ型窒化物半導体層、およびｎ型不純物をドープしたＧａＮ層が設けられた構成を有している。
【０００５】
たとえば特許文献１（特開２００３−３１８４３４号公報）には、図１４の模式的断面図に示すように、サファイア基板１０００の[０００１]面上に、窒化物半導体バッファ層（図示せず）、ｐ型窒化物半導体層６０００、ｉ型窒化物半導体層５０００、およびｎ型窒化物半導体層４０００をこの順序で積層し、素子分離を行ない、保護膜８０００を形成した後、ｎ型窒化物半導体層４０００にパッド電極３０００および支持基板２０００を形成し、サファイア基板１０００側からエキシマレーザー光６０を照射してサファイア基板１０００を除去することによって作製した光電変換素子が開示されている。
【０００６】
このような構成を有する光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層からｐ型窒化物半導体に向かう積層方向を[０００-１]方向に一致させることにより、格子定数の違いから生ずる圧電電界が、ｐ−ｉ界面近傍において光を吸収して発生した電子−正孔対の分離を促進しかつｎ−ｉ界面近傍において伝導帯のヘテロ障壁を低くする方向に発生するため、高い変換効率を発現するとされている。
【０００７】
しかしながら、このような光電変換素子については、大面積のものを作製することが困難であることから、比較的小面積の光電変換素子を多数実装して太陽電池モジュールなどの光電変換素子モジュールを作製する必要があった。
【０００８】
また、たとえば特許文献２（特許第４６７２７５３号公報）には、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層した後、サファイア基板の温度を常温に戻すことによって、窒化物半導体層をサファイア基板から自然に剥離する技術が開示されている。
【０００９】
さらに、たとえば特許文献３（特許第４５９９４４２号公報）には、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる第１のバッファ層、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．８≦ｓ＜１）からなる第２のバッファ層、ＧａＮ層またはＡｌＧａＩｎＮ層からなる半導体層、およびｐ型半導体層をこの順に成膜した後、ＧａＮの禁制帯幅に相当するエネルギーを有する波長よりも波長が短いレーザー光を照射することによって、サファイア基板を剥離する技術が開示されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載のいずれの技術も、太陽電池モジュールなどの光電変換素子モジュールに必要な大面積の光電変換素子の作製に適用できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３１８４３４号公報
【特許文献２】特許第４６７２７５３号公報
【特許文献３】特許第４５９９４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、第１の基板上に第１のバッファ層を形成する工程と、第１のバッファ層上に第２のバッファ層を形成する工程と、第２のバッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、第１の基板を切削工具を用いて除去する工程と、金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、第１のバッファ層を除去する工程と、第１のバッファ層の除去後に第２のバッファ層にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、光電変換素子の製造方法である。
【００１４】
ここで、本発明の光電変換素子の製造方法において、第１の基板を除去する工程は、第１の基板と第１のバッファ層との界面近傍を切削工具で切削する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、切削工具は、第１のバッファ層よりも硬度が高く、第１の基板よりも硬度が低いことが好ましい。
【００１６】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、第１のバッファ層は、第２のバッファ層および第１の基板のそれぞれよりも硬度が低いことが好ましい。
【００１７】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、第１のバッファ層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、ｐ型窒化物半導体層を形成する工程は、第２のバッファ層の周辺領域以外の領域にｐ型不純物を注入する工程を含むことが好ましい。
【００１９】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、ｉ型窒化物半導体層は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含み、ｎ型窒化物半導体層は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含むことが好ましい。
【００２０】
また、本発明の光電変換素子の製造方法は、第２の基板の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、第２の基板上に設けられた金属層と、金属層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、ｉ型窒化物半導体層上に設けられた第２のバッファ層およびｐ型窒化物半導体層と、を備え、第２のバッファ層の周辺領域以外の領域にｐ型窒化物半導体層を設けた光電変換素子である。
【００２２】
ここで、本発明の光電変換素子において、第２の基板は可撓性を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明は、上記の光電変換素子を含む光電変換素子モジュールである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図２】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図４】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図５】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図７】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図８】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図９】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１０】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１１】図１に示す第１のバッファ層上にマスク層を形成する工程の一例を図解する模式的な断面図である。
【図１２】第２のバッファ層に形成されたｐ型窒化物半導体層の一例の模式的な平面図である。
【図１３】実施の形態の光電変換素子モジュールの模式的な構成図である。
【図１４】特許文献１に記載の光電変換素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の光電変換素子の製造方法の一例である実施の形態の光電変換素子の製造方法について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２７】
まず、図１の模式的断面図に示すように、第１の基板１上に第１のバッファ層２を形成する工程を行なう。第１のバッファ層２は、たとえば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、大面積の第１の基板１の表面上に形成することができる。なお、大面積の第１の基板１の表面としては、たとえば、幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍの表面以上の面積を有する表面を挙げることができる。
【００２８】
第１の基板１の材質は、特に限定されないが、低コストで光電変換素子を作製する観点からは、サファイアを用いることが好ましい。
【００２９】
また、第１のバッファ層２も、特に限定されないが、たとえばＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。また、第１のバッファ層２は、たとえば、第１の基板１としてのサファイア基板の[０００１]面上に１μｍ以上２μｍ以下の厚さで形成することができる。
【００３０】
なお、図１１の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２の表面上に、たとえば、格子状の開口部を有するマスク層３を形成してもよい。第１のバッファ層２の表面上に格子状の開口部を有するマスク層３を形成した場合には、マスク層３上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上することができる傾向にある。
【００３１】
マスク層３としては、たとえば、ＳｉＯ2またはＳｉＮなどを用いることができる。また、マスク層３の厚さは、たとえば、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００３２】
次に、図２の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２上に第２のバッファ層６００を形成する工程を行なう。第２のバッファ層６００は、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、第１の基板１上に形成することができる。
【００３３】
第２のバッファ層６００としては、たとえば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮまたはＡｌＮなどを用いることができる。また、第２のバッファ層６００の厚さは、たとえば、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【００３４】
次に、図３の模式的断面図に示すように、第２のバッファ層６００上にｉ型窒化物半導体層５００を形成する工程を行なう。ｉ型窒化物半導体層５００は、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、第２のバッファ層６００上に形成することができる。
【００３５】
ｉ型窒化物半導体層５００としては、たとえば、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を用いることができる。また、ｉ型窒化物半導体層５００は、窒化物半導体結晶のＭＱＷ（多重量子井戸）構造またはＳＱＷ（単一量子井戸）構造を有していてもよい。
【００３６】
ｉ型窒化物半導体層５００の厚さは、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。ｉ型窒化物半導体層５００の厚さが２０ｎｍ以上である場合には、ｉ型窒化物半導体層５００が太陽光などの光を十分に吸収してフォトキャリアを十分に発生させることができる。ｉ型窒化物半導体層５００の厚さが４００ｎｍ以下である場合には、ｉ型窒化物半導体層５００が厚くなりすぎないため、後述するｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とによって形成される内部電界がｉ型窒化物半導体層５００に十分に印加される傾向にある。
【００３７】
ｉ型窒化物半導体層５００のより具体的な例としては、たとえば、厚さ４５ｎｍのノンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜が挙げられる。ノンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜は、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を１０μｍｏｌ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を５４μｍｏｌ、およびＮＨ3（アンモニア）を４２０ｍｍｏｌの供給量でＭＯＣＶＤ装置の反応炉に供給するによって形成することができる。
【００３８】
ｉ型窒化物半導体層５００のより具体的な他の例としては、たとえば、第２のバッファ層６００上に、厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる量子井戸層と、厚さ６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とが交互に６層積層されたＭＱＷ構造が挙げられる。なお、この場合に量子井戸層と障壁層との交互積層数は６層に限定されないことは言うまでもない。
【００３９】
また、ｉ型窒化物半導体層５００は、後述するｎ型窒化物半導体層との格子不整合を緩和するための緩衝層を有していてもよい。緩衝層としては、たとえば、厚さ２ｎｍ未満のＩｎsＧａ1-sＮ（ｓ＜０．１）からなる量子井戸層と、厚さ２ｎｍ未満のＧａＮから成る障壁層とが交互に２０層積層されたＭＱＷ構造が挙げられる。
【００４０】
次に、図４の模式的断面図に示すように、ｉ型窒化物半導体層５００上にｎ型窒化物半導体層４００を形成する工程を行なう。ｎ型窒化物半導体層４００は、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、ｉ型窒化物半導体層５００上に形成することができる。
【００４１】
ｎ型窒化物半導体層４００としては、たとえば、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドープしたものを用いることができる。ｎ型不純物としては、たとえば、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどが挙げられる。なお、ｎ型窒化物半導体層４００とｉ型窒化物半導体層５００とは同一の組成の窒化物半導体結晶を用いてもよく、異なる組成の窒化物半導体結晶を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４２】
ｎ型窒化物半導体層４００としては、なかでも、ＳｉがＧａＮ結晶にドープされたｎ型ＧａＮ層を用いることが好ましい。
【００４３】
ｎ型窒化物半導体層４００は、ｉ型窒化物半導体層５００よりも大きなバンドギャップエネルギーを有していることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体層４００によって吸収される光強度の減少を最小限にすることができ、ｉ型窒化物半導体層５００に入射する光の光強度が大きくなるため、多くのフォトキャリアが発生する傾向にある。
【００４４】
ｎ型窒化物半導体層４００におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されないが、１×１０18個／ｃｍ3以上１×１０20個／ｃｍ3以下であることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体層４００の導電率を高くすることができるとともに、ｎ型窒化物半導体層４００の表面が荒れることなく、ｉ型窒化物半導体層５００の結晶性を向上することができる傾向にある。
【００４５】
次に、図５の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体層４００上に金属層３００を形成する工程を行なう。金属層３００は、たとえばスパッタ法またはメッキ法によって、ｎ型窒化物半導体層４００上に形成することができる。なお、本実施の形態においては、金属層３００は、ｎ型窒化物半導体層４００の上面だけでなく、ｎ型窒化物半導体層４００、ｉ型窒化物半導体層５００、第２のバッファ層６００および第１のバッファ層２のそれぞれの側面にも形成されている。
【００４６】
このような金属層３００の具体的な例としては、厚さ４０ｎｍのＮｉ層、厚さ２００ｎｍのＰｔ層およびＡｕ層、ならびに厚さ８０ｎｍのＡｇ層をこの順序に積層した構成が挙げられる。
【００４７】
次に、図６の模式的断面図に示すように、第１の基板１を切削工具４を用いて除去する工程を行なう。第１の基板１の除去は、たとえば第１の基板１と第１のバッファ層２との界面近傍に切削工具４を押し当てて、当該界面近傍を切削工具４で切削することにより行なうことができる。切削工具４としては、たとえばタングステンカーバイトなどからなる切削工具を用いることができる。
【００４８】
切削工具４は、第１のバッファ層２よりも硬度が高く、第１の基板１よりも硬度が低いことが好ましい。この場合には、切削工具４で第１のバッファ層２を容易に削り取ることができるため、第１の基板１の剥離による除去が容易となる傾向にある。
【００４９】
また、第１のバッファ層２は、第２のバッファ層６００および第１の基板１のそれぞれよりも硬度が低いことが好ましい。この場合には、切削工具４で第１のバッファ層２のみを容易に削り取ることができるため、第１の基板１の剥離による除去が容易となる傾向にある。
【００５０】
ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、サファイアのヌープ硬度は、それぞれ、８５０ｋｇ／ｍｍ2、７３０ｋｇ／ｍｍ2、４３０〜５２０ｋｇ／ｍｍ2、および１５００〜１８００ｋｇ／ｍｍ2である。したがって、たとえば、第１のバッファ層２がＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなり、第１の基板１がサファイアからなる場合には、第１のバッファ層２と第１の基板１との界面近傍にタングステンカーバイトからなる切削工具４を押し当てて、第１のバッファ層２を削り取ることができる。
【００５１】
より具体的には、ダイプラ・ウィンテス社製ＳＡＩＣＡＳ(表面および界面切削加工装置)で、幅５ｍｍの切削工具を用いて、第１のバッファ層２を幅５ｍｍ×長さ５ｍｍの大きさに削り取ることができる。なお、幅のより広い切削工具を用いた場合には、幅５ｍｍ以上の第１のバッファ層２を削り取ることができる。
【００５２】
次に、図７の模式的断面図に示すように、金属層３００に第２の基板２００を貼り付ける工程を行なう。第２の基板２００は、たとえば銀ペーストなどを用いて金属層３００に貼り付けることができる。
【００５３】
第２の基板２００の材質は、特に限定されないが、たとえば、アルミナ系または酸化チタン系のセラミック、セラミックよりも軽量である雲母などを用いることができるが、なかでも耐熱性樹脂等の可撓性を有する基板を用いることが好ましい。この場合には、可撓性を有する光電変換素子を作製することができる。
【００５４】
第２の基板２００の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。この場合には、後述する工程において、第１のバッファ層２を王水で除去する場合に、金属膜を第２の基板２００の保護膜として用いることができる。たとえば、第２の基板２００の表面にＡｇ膜を形成した場合には、王水によって、ＡｇＣｌの保護膜が形成されて、第２の基板２００を除去せずに残すことができる傾向にある。また、第２の基板２００の表面にＡｇを含む金属膜が形成された場合には、後述するように、光電変換素子をモジュール化する場合に、当該金属膜を配線の接続部とすることができる。
【００５５】
次に、図８の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２を除去する工程を行なう。第１のバッファ層２は、たとえば王水またはプラズマエッチングなどによって除去することができる。なお、図１１に示すように、第１のバッファ層２上にマスク層３が形成されている場合には、プラズマエッチングにより第１のバッファ層２を除去することが好ましい。
【００５６】
次に、図９の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２の除去後に、第２のバッファ層６００にｐ型窒化物半導体層６０２を形成する工程を行なう。ここで、ｐ型窒化物半導体層６０２は、たとえば、第２のバッファ層６００の周辺領域をマスクするパターンを有するマスク５をイオン注入マスクとして、ｐ型不純物のイオン６を第２のバッファ層６００にイオン注入し、その後、第２のバッファ層６００をアニールすることによって形成することができる。これにより、たとえば図１２の模式的平面図に示すように、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域に、ｐ型窒化物半導体層６０２を形成することができる。
【００５７】
ｐ型不純物のイオン６としては、たとえばマグネシウムのイオンなどを用いることができる。また、ｐ型不純物のイオン６の加速エネルギーは、たとえば３０ｋｅＶとすることができる。また、ｐ型窒化物半導体層６０２におけるｐ型不純物濃度は、特に限定されないが、たとえば１×１０17個／ｃｍ3以上２×１０19個／ｃｍ3以下とすることが好ましい。
【００５８】
また、第２のバッファ層６００のアニールは、たとえば、８００℃の窒素雰囲気で、５分間行なうことが好ましい。
【００５９】
より具体的には、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域に、約３０ｋｅＶの加速エネルギーでｐ型不純物のイオン６としてのマグネシウムイオンをイオン注入し、窒素雰囲気中、８００℃で５分間アニールを行なうことによって、ｐ型不純物であるマグネシウム濃度が１×１０19個／ｃｍ3程度のｐ型窒化物半導体層６０２を形成することができる。
【００６０】
ｐ型窒化物半導体層６０２は、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域に形成されることが好ましい。この場合には、光電変換素子の端面部での電流リークを回避することができる。
【００６１】
次に、図１０の模式的断面図に示すように、ｐ型窒化物半導体層６０２上に透明電極層７００を形成する工程を行なう。透明電極層７００は、たとえばマグネトロンスパッタ法またはイオンプレーティング法によって、ｐ型窒化物半導体層６０２上に形成することができる。
【００６２】
透明電極層７００の材質は、特に限定されないが、亜鉛、インジウム、錫およびマグネシウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属の酸化物からなる単層または複数層の積層体を用いることが好ましい。
【００６３】
透明電極層７００の具体的な例としては、厚さ３２０ｎｍの２％のアルミニウムがドープされた酸化亜鉛が挙げられる。
【００６４】
なお、透明電極層７００上に集電電極を形成してもよい。集電電極としては、たとえば、ニッケル、白金、金および銀からなる群から選択された少なくとも１種からなる櫛形状の集電電極などを形成することができる。
【００６５】
以上により、本発明の光電変換素子の一例である実施の形態の大面積の光電変換素子１００を作製することができる。
【００６６】
図１０に示すように、光電変換素子１００は、第２の基板２００と、第２の基板２００上に設けられた金属層３００と、金属層３００上に設けられたｎ型窒化物半導体層４００と、ｎ型窒化物半導体層４００上に設けられたｉ型窒化物半導体層５００と、ｉ型窒化物半導体層５００上に設けられた第２のバッファ層６００およびｐ型窒化物半導体層６０２と、ｐ型窒化物半導体層６０２上に設けられた透明電極層７００とを備えている。また、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域にｐ型窒化物半導体層６０２が設けられている。
【００６７】
光電変換素子１００においては、透明電極層７００側から入射し、透明電極層７００およびｐ型窒化物半導体層６０２を透過して、ｉ型窒化物半導体層５００に到達した光は、光吸収層としてのｉ型窒化物半導体層５００で吸収される。そして、ｉ型窒化物半導体層５００で発生したキャリアは、金属層３００および透明電極層７００から、光電変換素子１００の外部に取り出すことができる。なお、金属層３００は、ｎ型窒化物半導体層４００を透過してきた光をｉ型窒化物半導体層５００側に反射する反射層として機能させることができる。
【００６８】
たとえば図１３の模式的構成図に示すように、上記のようにして作製された大面積の光電変換素子１００の複数を電気的に接続することによって、光電変換素子モジュール１０１を作製することもできる。
【００６９】
図１３に示す光電変換素子モジュール１０１は、背面板１１を備えた枠体１０と、枠体１０内にアレイ状に配列された複数の光電変換素子１００と、光電変換素子１００が電気的に直列または並列に接続された配線１２と、を備えている。また、枠体１０は、光電変換素子１００と配線１２とを外部環境および外部衝撃から保護するための封止材１３および保護材１４を備えている。
【００７０】
なお、光電変換素子１００の直列数および並列数は、光電変換素子モジュール１０１の定格電圧および定格電流に応じて定めることができる。
【００７１】
また、枠体１０の形状は、特に限定されず、たとえば、上記の四角形状以外にも、多角形状、円形状または楕円形状等の形状であってもよい。
【００７２】
また、第２の基板２００に可撓性を有する材質を用いた場合には、車体等の曲面に光電変換素子１００を実装して軽量化した光電変換素子モジュール１０１を構成することができる。
【００７３】
上記の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１の作製においては、ｉ型窒化物半導体層５００およびｎ型窒化物半導体層４００の成長に用いた大面積の第１の基板１の除去を、従来のようにレーザー光の照射や基板の温度変化によって行なうのではなく、切削工具４を用いて行なっている。そのため、第１の基板１として大面積の基板を用いた場合でも、第１の基板１の除去を従来よりも容易に、かつ低コストで行なうことができることから、大面積の光電変換素子１００およびそれを用いた光電変換素子モジュール１０１を低コストで製造することができる。
【００７４】
また、第１の基板１として、高価な窒化物半導体基板ではなく、再利用可能であって比較的安価なサファイア基板を用いた場合には、大面積の光電変換素子１００をさらに低コストで製造することができる。
【００７５】
さらに、実施の形態の光電変換素子１００には、光吸収層として、窒化物半導体結晶からなるｉ型窒化物半導体層５００を用いていることから、Ｓｉ等に比べ光吸収率が非常高く、光電変換素子１００を従来よりも薄く形成することができる。そのため、第２の基板２００の選択の自由度が向上し、可撓性を有し、かつ軽量の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１を形成することができる。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールに利用することができ、特に、太陽電池および太陽電池モジュールの製造に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 第１の基板、２ 第１のバッファ層、３ マスク層、４ 切削工具、５ マスク、６ ｐ型不純物のイオン、１０ 枠体、１１ 背面板、１２ 配線、１３ 封止材、１４ 保護材、６０ エキシマレーザー光、１００ 光電変換素子、１０１ 光電変換素子モジュール、２００ 第２の基板、３００ 金属層、４００ ｎ型窒化物半導体層、５００ ｉ型窒化物半導体層、６００ 第２のバッファ層、６０２ ｐ型窒化物半導体層、７００ 透明電極層、１０００ サファイア基板、２０００ 支持基板、３０００ パッド電極、４０００ ｎ型窒化物半導体層、５０００ ｉ型窒化物半導体層、６０００ ｐ型窒化物半導体層、８０００ 保護膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン系材料からなる光電変換素子は、そのバンドギャップが１．１〜１．８ｅＶであるため、エネルギーの高い０．５μｍ以下の短波長領域の光に対して感度が小さく、太陽光スペクトルの全ての波長領域を有効に活用できないという材料固有の課題が存在していた。
【０００３】
一方、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体のバンドギャップは、組成ｘおよびｙに対応して０．７ｅＶ〜６．０ｅＶという極めて広い範囲で変化する。このような窒化物半導体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子用の材料として開発が盛んに行われてきたが、上記の組成を有する窒化物半導体を光電変換素子に用いた場合には、０．５μｍ以下の短波長領域の光に対しても感度を持たせることできるようになることから、このような窒化物半導体は、次世代の光電変換素子用の材料として大変注目されている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた従来の光電変換素子は、光の入射側から、ｐ型不純物がドープされたＧａＮ層の下に、光吸収層として、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）の式で表わされる、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮなどからなるｉ型窒化物半導体層、およびｎ型不純物をドープしたＧａＮ層が設けられた構成を有している。
【０００５】
たとえば特許文献１（特開２００３−３１８４３４号公報）には、図１４の模式的断面図に示すように、サファイア基板１０００の[０００１]面上に、窒化物半導体バッファ層（図示せず）、ｐ型窒化物半導体層６０００、ｉ型窒化物半導体層５０００、およびｎ型窒化物半導体層４０００をこの順序で積層し、素子分離を行ない、保護膜８０００を形成した後、ｎ型窒化物半導体層４０００にパッド電極３０００および支持基板２０００を形成し、サファイア基板１０００側からエキシマレーザー光６０を照射してサファイア基板１０００を除去することによって作製した光電変換素子が開示されている。
【０００６】
このような構成を有する光電変換素子は、ｎ型窒化物半導体層からｐ型窒化物半導体に向かう積層方向を[０００-１]方向に一致させることにより、格子定数の違いから生ずる圧電電界が、ｐ−ｉ界面近傍において光を吸収して発生した電子−正孔対の分離を促進しかつｎ−ｉ界面近傍において伝導帯のヘテロ障壁を低くする方向に発生するため、高い変換効率を発現するとされている。
【０００７】
しかしながら、このような光電変換素子については、大面積のものを作製することが困難であることから、比較的小面積の光電変換素子を多数実装して太陽電池モジュールなどの光電変換素子モジュールを作製する必要があった。
【０００８】
また、たとえば特許文献２（特許第４６７２７５３号公報）には、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層した後、サファイア基板の温度を常温に戻すことによって、窒化物半導体層をサファイア基板から自然に剥離する技術が開示されている。
【０００９】
さらに、たとえば特許文献３（特許第４５９９４４２号公報）には、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる第１のバッファ層、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．８≦ｓ＜１）からなる第２のバッファ層、ＧａＮ層またはＡｌＧａＩｎＮ層からなる半導体層、およびｐ型半導体層をこの順に成膜した後、ＧａＮの禁制帯幅に相当するエネルギーを有する波長よりも波長が短いレーザー光を照射することによって、サファイア基板を剥離する技術が開示されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載のいずれの技術も、太陽電池モジュールなどの光電変換素子モジュールに必要な大面積の光電変換素子の作製に適用できるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３１８４３４号公報
【特許文献２】特許第４６７２７５３号公報
【特許文献３】特許第４５９９４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、第１の基板上に第１のバッファ層を形成する工程と、第１のバッファ層上に第２のバッファ層を形成する工程と、第２のバッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、第１の基板を切削工具を用いて除去する工程と、金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、第１のバッファ層を除去する工程と、第１のバッファ層の除去後に第２のバッファ層にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、光電変換素子の製造方法である。
【００１４】
ここで、本発明の光電変換素子の製造方法において、第１の基板を除去する工程は、第１の基板と第１のバッファ層との界面近傍を切削工具で切削する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、切削工具は、第１のバッファ層よりも硬度が高く、第１の基板よりも硬度が低いことが好ましい。
【００１６】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、第１のバッファ層は、第２のバッファ層および第１の基板のそれぞれよりも硬度が低いことが好ましい。
【００１７】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、第１のバッファ層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、ｐ型窒化物半導体層を形成する工程は、第２のバッファ層の周辺領域以外の領域にｐ型不純物を注入する工程を含むことが好ましい。
【００１９】
また、本発明の光電変換素子の製造方法において、ｉ型窒化物半導体層は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含み、ｎ型窒化物半導体層は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含むことが好ましい。
【００２０】
また、本発明の光電変換素子の製造方法は、第２の基板の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、第２の基板上に設けられた金属層と、金属層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、ｉ型窒化物半導体層上に設けられた第２のバッファ層およびｐ型窒化物半導体層と、を備え、第２のバッファ層の周辺領域以外の領域にｐ型窒化物半導体層を設けた光電変換素子である。
【００２２】
ここで、本発明の光電変換素子において、第２の基板は可撓性を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明は、上記の光電変換素子を含む光電変換素子モジュールである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、窒化物半導体を用いた大面積の光電変換素子を低コストで製造することが可能な光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。
【図２】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図３】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図４】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図５】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図６】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図７】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図８】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図９】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１０】実施の形態の光電変換素子の製造方法の製造工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。
【図１１】図１に示す第１のバッファ層上にマスク層を形成する工程の一例を図解する模式的な断面図である。
【図１２】第２のバッファ層に形成されたｐ型窒化物半導体層の一例の模式的な平面図である。
【図１３】実施の形態の光電変換素子モジュールの模式的な構成図である。
【図１４】特許文献１に記載の光電変換素子の作製方法を図解する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の光電変換素子の製造方法の一例である実施の形態の光電変換素子の製造方法について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２７】
まず、図１の模式的断面図に示すように、第１の基板１上に第１のバッファ層２を形成する工程を行なう。第１のバッファ層２は、たとえば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、大面積の第１の基板１の表面上に形成することができる。なお、大面積の第１の基板１の表面としては、たとえば、幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍの表面以上の面積を有する表面を挙げることができる。
【００２８】
第１の基板１の材質は、特に限定されないが、低コストで光電変換素子を作製する観点からは、サファイアを用いることが好ましい。
【００２９】
また、第１のバッファ層２も、特に限定されないが、たとえばＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓなどを用いることができる。また、第１のバッファ層２は、たとえば、第１の基板１としてのサファイア基板の[０００１]面上に１μｍ以上２μｍ以下の厚さで形成することができる。
【００３０】
なお、図１１の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２の表面上に、たとえば、格子状の開口部を有するマスク層３を形成してもよい。第１のバッファ層２の表面上に格子状の開口部を有するマスク層３を形成した場合には、マスク層３上に形成される窒化物半導体層の結晶性を向上することができる傾向にある。
【００３１】
マスク層３としては、たとえば、ＳｉＯ2またはＳｉＮなどを用いることができる。また、マスク層３の厚さは、たとえば、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００３２】
次に、図２の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２上に第２のバッファ層６００を形成する工程を行なう。第２のバッファ層６００は、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、第１の基板１上に形成することができる。
【００３３】
第２のバッファ層６００としては、たとえば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮまたはＡｌＮなどを用いることができる。また、第２のバッファ層６００の厚さは、たとえば、３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。
【００３４】
次に、図３の模式的断面図に示すように、第２のバッファ層６００上にｉ型窒化物半導体層５００を形成する工程を行なう。ｉ型窒化物半導体層５００は、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、第２のバッファ層６００上に形成することができる。
【００３５】
ｉ型窒化物半導体層５００としては、たとえば、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を用いることができる。また、ｉ型窒化物半導体層５００は、窒化物半導体結晶のＭＱＷ（多重量子井戸）構造またはＳＱＷ（単一量子井戸）構造を有していてもよい。
【００３６】
ｉ型窒化物半導体層５００の厚さは、２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。ｉ型窒化物半導体層５００の厚さが２０ｎｍ以上である場合には、ｉ型窒化物半導体層５００が太陽光などの光を十分に吸収してフォトキャリアを十分に発生させることができる。ｉ型窒化物半導体層５００の厚さが４００ｎｍ以下である場合には、ｉ型窒化物半導体層５００が厚くなりすぎないため、後述するｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とによって形成される内部電界がｉ型窒化物半導体層５００に十分に印加される傾向にある。
【００３７】
ｉ型窒化物半導体層５００のより具体的な例としては、たとえば、厚さ４５ｎｍのノンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜が挙げられる。ノンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜は、たとえば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を１０μｍｏｌ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）を５４μｍｏｌ、およびＮＨ3（アンモニア）を４２０ｍｍｏｌの供給量でＭＯＣＶＤ装置の反応炉に供給するによって形成することができる。
【００３８】
ｉ型窒化物半導体層５００のより具体的な他の例としては、たとえば、第２のバッファ層６００上に、厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる量子井戸層と、厚さ６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とが交互に６層積層されたＭＱＷ構造が挙げられる。なお、この場合に量子井戸層と障壁層との交互積層数は６層に限定されないことは言うまでもない。
【００３９】
また、ｉ型窒化物半導体層５００は、後述するｎ型窒化物半導体層との格子不整合を緩和するための緩衝層を有していてもよい。緩衝層としては、たとえば、厚さ２ｎｍ未満のＩｎsＧａ1-sＮ（ｓ＜０．１）からなる量子井戸層と、厚さ２ｎｍ未満のＧａＮから成る障壁層とが交互に２０層積層されたＭＱＷ構造が挙げられる。
【００４０】
次に、図４の模式的断面図に示すように、ｉ型窒化物半導体層５００上にｎ型窒化物半導体層４００を形成する工程を行なう。ｎ型窒化物半導体層４００は、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、ｉ型窒化物半導体層５００上に形成することができる。
【００４１】
ｎ型窒化物半導体層４００としては、たとえば、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドープしたものを用いることができる。ｎ型不純物としては、たとえば、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどが挙げられる。なお、ｎ型窒化物半導体層４００とｉ型窒化物半導体層５００とは同一の組成の窒化物半導体結晶を用いてもよく、異なる組成の窒化物半導体結晶を用いてもよいことは言うまでもない。
【００４２】
ｎ型窒化物半導体層４００としては、なかでも、ＳｉがＧａＮ結晶にドープされたｎ型ＧａＮ層を用いることが好ましい。
【００４３】
ｎ型窒化物半導体層４００は、ｉ型窒化物半導体層５００よりも大きなバンドギャップエネルギーを有していることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体層４００によって吸収される光強度の減少を最小限にすることができ、ｉ型窒化物半導体層５００に入射する光の光強度が大きくなるため、多くのフォトキャリアが発生する傾向にある。
【００４４】
ｎ型窒化物半導体層４００におけるｎ型不純物濃度は、特に限定されないが、１×１０18個／ｃｍ3以上１×１０20個／ｃｍ3以下であることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体層４００の導電率を高くすることができるとともに、ｎ型窒化物半導体層４００の表面が荒れることなく、ｉ型窒化物半導体層５００の結晶性を向上することができる傾向にある。
【００４５】
次に、図５の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体層４００上に金属層３００を形成する工程を行なう。金属層３００は、たとえばスパッタ法またはメッキ法によって、ｎ型窒化物半導体層４００上に形成することができる。なお、本実施の形態においては、金属層３００は、ｎ型窒化物半導体層４００の上面だけでなく、ｎ型窒化物半導体層４００、ｉ型窒化物半導体層５００、第２のバッファ層６００および第１のバッファ層２のそれぞれの側面にも形成されている。
【００４６】
このような金属層３００の具体的な例としては、厚さ４０ｎｍのＮｉ層、厚さ２００ｎｍのＰｔ層およびＡｕ層、ならびに厚さ８０ｎｍのＡｇ層をこの順序に積層した構成が挙げられる。
【００４７】
次に、図６の模式的断面図に示すように、第１の基板１を切削工具４を用いて除去する工程を行なう。第１の基板１の除去は、たとえば第１の基板１と第１のバッファ層２との界面近傍に切削工具４を押し当てて、当該界面近傍を切削工具４で切削することにより行なうことができる。切削工具４としては、たとえばタングステンカーバイトなどからなる切削工具を用いることができる。
【００４８】
切削工具４は、第１のバッファ層２よりも硬度が高く、第１の基板１よりも硬度が低いことが好ましい。この場合には、切削工具４で第１のバッファ層２を容易に削り取ることができるため、第１の基板１の剥離による除去が容易となる傾向にある。
【００４９】
また、第１のバッファ層２は、第２のバッファ層６００および第１の基板１のそれぞれよりも硬度が低いことが好ましい。この場合には、切削工具４で第１のバッファ層２のみを容易に削り取ることができるため、第１の基板１の剥離による除去が容易となる傾向にある。
【００５０】
ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、サファイアのヌープ硬度は、それぞれ、８５０ｋｇ／ｍｍ2、７３０ｋｇ／ｍｍ2、４３０〜５２０ｋｇ／ｍｍ2、および１５００〜１８００ｋｇ／ｍｍ2である。したがって、たとえば、第１のバッファ層２がＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなり、第１の基板１がサファイアからなる場合には、第１のバッファ層２と第１の基板１との界面近傍にタングステンカーバイトからなる切削工具４を押し当てて、第１のバッファ層２を削り取ることができる。
【００５１】
より具体的には、ダイプラ・ウィンテス社製ＳＡＩＣＡＳ(表面および界面切削加工装置)で、幅５ｍｍの切削工具を用いて、第１のバッファ層２を幅５ｍｍ×長さ５ｍｍの大きさに削り取ることができる。なお、幅のより広い切削工具を用いた場合には、幅５ｍｍ以上の第１のバッファ層２を削り取ることができる。
【００５２】
次に、図７の模式的断面図に示すように、金属層３００に第２の基板２００を貼り付ける工程を行なう。第２の基板２００は、たとえば銀ペーストなどを用いて金属層３００に貼り付けることができる。
【００５３】
第２の基板２００の材質は、特に限定されないが、たとえば、アルミナ系または酸化チタン系のセラミック、セラミックよりも軽量である雲母などを用いることができるが、なかでも耐熱性樹脂等の可撓性を有する基板を用いることが好ましい。この場合には、可撓性を有する光電変換素子を作製することができる。
【００５４】
第２の基板２００の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。この場合には、後述する工程において、第１のバッファ層２を王水で除去する場合に、金属膜を第２の基板２００の保護膜として用いることができる。たとえば、第２の基板２００の表面にＡｇ膜を形成した場合には、王水によって、ＡｇＣｌの保護膜が形成されて、第２の基板２００を除去せずに残すことができる傾向にある。また、第２の基板２００の表面にＡｇを含む金属膜が形成された場合には、後述するように、光電変換素子をモジュール化する場合に、当該金属膜を配線の接続部とすることができる。
【００５５】
次に、図８の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２を除去する工程を行なう。第１のバッファ層２は、たとえば王水またはプラズマエッチングなどによって除去することができる。なお、図１１に示すように、第１のバッファ層２上にマスク層３が形成されている場合には、プラズマエッチングにより第１のバッファ層２を除去することが好ましい。
【００５６】
次に、図９の模式的断面図に示すように、第１のバッファ層２の除去後に、第２のバッファ層６００にｐ型窒化物半導体層６０２を形成する工程を行なう。ここで、ｐ型窒化物半導体層６０２は、たとえば、第２のバッファ層６００の周辺領域をマスクするパターンを有するマスク５をイオン注入マスクとして、ｐ型不純物のイオン６を第２のバッファ層６００にイオン注入し、その後、第２のバッファ層６００をアニールすることによって形成することができる。これにより、たとえば図１２の模式的平面図に示すように、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域に、ｐ型窒化物半導体層６０２を形成することができる。
【００５７】
ｐ型不純物のイオン６としては、たとえばマグネシウムのイオンなどを用いることができる。また、ｐ型不純物のイオン６の加速エネルギーは、たとえば３０ｋｅＶとすることができる。また、ｐ型窒化物半導体層６０２におけるｐ型不純物濃度は、特に限定されないが、たとえば１×１０17個／ｃｍ3以上２×１０19個／ｃｍ3以下とすることが好ましい。
【００５８】
また、第２のバッファ層６００のアニールは、たとえば、８００℃の窒素雰囲気で、５分間行なうことが好ましい。
【００５９】
より具体的には、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域に、約３０ｋｅＶの加速エネルギーでｐ型不純物のイオン６としてのマグネシウムイオンをイオン注入し、窒素雰囲気中、８００℃で５分間アニールを行なうことによって、ｐ型不純物であるマグネシウム濃度が１×１０19個／ｃｍ3程度のｐ型窒化物半導体層６０２を形成することができる。
【００６０】
ｐ型窒化物半導体層６０２は、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域に形成されることが好ましい。この場合には、光電変換素子の端面部での電流リークを回避することができる。
【００６１】
次に、図１０の模式的断面図に示すように、ｐ型窒化物半導体層６０２上に透明電極層７００を形成する工程を行なう。透明電極層７００は、たとえばマグネトロンスパッタ法またはイオンプレーティング法によって、ｐ型窒化物半導体層６０２上に形成することができる。
【００６２】
透明電極層７００の材質は、特に限定されないが、亜鉛、インジウム、錫およびマグネシウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属の酸化物からなる単層または複数層の積層体を用いることが好ましい。
【００６３】
透明電極層７００の具体的な例としては、厚さ３２０ｎｍの２％のアルミニウムがドープされた酸化亜鉛が挙げられる。
【００６４】
なお、透明電極層７００上に集電電極を形成してもよい。集電電極としては、たとえば、ニッケル、白金、金および銀からなる群から選択された少なくとも１種からなる櫛形状の集電電極などを形成することができる。
【００６５】
以上により、本発明の光電変換素子の一例である実施の形態の大面積の光電変換素子１００を作製することができる。
【００６６】
図１０に示すように、光電変換素子１００は、第２の基板２００と、第２の基板２００上に設けられた金属層３００と、金属層３００上に設けられたｎ型窒化物半導体層４００と、ｎ型窒化物半導体層４００上に設けられたｉ型窒化物半導体層５００と、ｉ型窒化物半導体層５００上に設けられた第２のバッファ層６００およびｐ型窒化物半導体層６０２と、ｐ型窒化物半導体層６０２上に設けられた透明電極層７００とを備えている。また、第２のバッファ層６００の周辺領域以外の領域にｐ型窒化物半導体層６０２が設けられている。
【００６７】
光電変換素子１００においては、透明電極層７００側から入射し、透明電極層７００およびｐ型窒化物半導体層６０２を透過して、ｉ型窒化物半導体層５００に到達した光は、光吸収層としてのｉ型窒化物半導体層５００で吸収される。そして、ｉ型窒化物半導体層５００で発生したキャリアは、金属層３００および透明電極層７００から、光電変換素子１００の外部に取り出すことができる。なお、金属層３００は、ｎ型窒化物半導体層４００を透過してきた光をｉ型窒化物半導体層５００側に反射する反射層として機能させることができる。
【００６８】
たとえば図１３の模式的構成図に示すように、上記のようにして作製された大面積の光電変換素子１００の複数を電気的に接続することによって、光電変換素子モジュール１０１を作製することもできる。
【００６９】
図１３に示す光電変換素子モジュール１０１は、背面板１１を備えた枠体１０と、枠体１０内にアレイ状に配列された複数の光電変換素子１００と、光電変換素子１００が電気的に直列または並列に接続された配線１２と、を備えている。また、枠体１０は、光電変換素子１００と配線１２とを外部環境および外部衝撃から保護するための封止材１３および保護材１４を備えている。
【００７０】
なお、光電変換素子１００の直列数および並列数は、光電変換素子モジュール１０１の定格電圧および定格電流に応じて定めることができる。
【００７１】
また、枠体１０の形状は、特に限定されず、たとえば、上記の四角形状以外にも、多角形状、円形状または楕円形状等の形状であってもよい。
【００７２】
また、第２の基板２００に可撓性を有する材質を用いた場合には、車体等の曲面に光電変換素子１００を実装して軽量化した光電変換素子モジュール１０１を構成することができる。
【００７３】
上記の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１の作製においては、ｉ型窒化物半導体層５００およびｎ型窒化物半導体層４００の成長に用いた大面積の第１の基板１の除去を、従来のようにレーザー光の照射や基板の温度変化によって行なうのではなく、切削工具４を用いて行なっている。そのため、第１の基板１として大面積の基板を用いた場合でも、第１の基板１の除去を従来よりも容易に、かつ低コストで行なうことができることから、大面積の光電変換素子１００およびそれを用いた光電変換素子モジュール１０１を低コストで製造することができる。
【００７４】
また、第１の基板１として、高価な窒化物半導体基板ではなく、再利用可能であって比較的安価なサファイア基板を用いた場合には、大面積の光電変換素子１００をさらに低コストで製造することができる。
【００７５】
さらに、実施の形態の光電変換素子１００には、光吸収層として、窒化物半導体結晶からなるｉ型窒化物半導体層５００を用いていることから、Ｓｉ等に比べ光吸収率が非常高く、光電変換素子１００を従来よりも薄く形成することができる。そのため、第２の基板２００の選択の自由度が向上し、可撓性を有し、かつ軽量の光電変換素子１００および光電変換素子モジュール１０１を形成することができる。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、光電変換素子の製造方法、光電変換素子および光電変換素子モジュールに利用することができ、特に、太陽電池および太陽電池モジュールの製造に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 第１の基板、２ 第１のバッファ層、３ マスク層、４ 切削工具、５ マスク、６ ｐ型不純物のイオン、１０ 枠体、１１ 背面板、１２ 配線、１３ 封止材、１４ 保護材、６０ エキシマレーザー光、１００ 光電変換素子、１０１ 光電変換素子モジュール、２００ 第２の基板、３００ 金属層、４００ ｎ型窒化物半導体層、５００ ｉ型窒化物半導体層、６００ 第２のバッファ層、６０２ ｐ型窒化物半導体層、７００ 透明電極層、１０００ サファイア基板、２０００ 支持基板、３０００ パッド電極、４０００ ｎ型窒化物半導体層、５０００ ｉ型窒化物半導体層、６０００ ｐ型窒化物半導体層、８０００ 保護膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に第１のバッファ層を形成する工程と、
前記第１のバッファ層上に第２のバッファ層を形成する工程と、
前記第２のバッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、
前記第１の基板を切削工具を用いて除去する工程と、
前記金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、
前記第１のバッファ層を除去する工程と、
前記第１のバッファ層の除去後に前記第２のバッファ層にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、光電変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の基板を除去する工程は、前記第１の基板と前記第１のバッファ層との界面近傍を前記切削工具で切削する工程を含む、請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記切削工具は、前記第１のバッファ層よりも硬度が高く、前記第１の基板よりも硬度が低い、請求項２に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１のバッファ層は、前記第２のバッファ層および前記第１の基板のそれぞれよりも硬度が低い、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１のバッファ層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓである、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記ｐ型窒化物半導体層を形成する工程は、前記第２のバッファ層の周辺領域以外の領域にｐ型不純物を注入する工程を含む、請求項１から５のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記ｉ型窒化物半導体層は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含む、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の基板の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含む、請求項１から７のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項９】
第２の基板上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、
前記ｉ型窒化物半導体層上に設けられた第２のバッファ層およびｐ型窒化物半導体層と、を備え、
前記第２のバッファ層の周辺領域以外の領域に前記ｐ型窒化物半導体層を設けた、光電変換素子。
【請求項１０】
前記第２の基板は、可撓性を有する、請求項９に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の光電変換素子を含む、光電変換素子モジュール。
【請求項１】
第１の基板上に第１のバッファ層を形成する工程と、
前記第１のバッファ層上に第２のバッファ層を形成する工程と、
前記第２のバッファ層上にｉ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｉ型窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に金属層を形成する工程と、
前記第１の基板を切削工具を用いて除去する工程と、
前記金属層に第２の基板を貼り付ける工程と、
前記第１のバッファ層を除去する工程と、
前記第１のバッファ層の除去後に前記第２のバッファ層にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、光電変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の基板を除去する工程は、前記第１の基板と前記第１のバッファ層との界面近傍を前記切削工具で切削する工程を含む、請求項１に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記切削工具は、前記第１のバッファ層よりも硬度が高く、前記第１の基板よりも硬度が低い、請求項２に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１のバッファ層は、前記第２のバッファ層および前記第１の基板のそれぞれよりも硬度が低い、請求項１から３のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１のバッファ層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓである、請求項１から４のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記ｐ型窒化物半導体層を形成する工程は、前記第２のバッファ層の周辺領域以外の領域にｐ型不純物を注入する工程を含む、請求項１から５のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記ｉ型窒化物半導体層は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、０≦ｚ２≦１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶を含む、請求項１から６のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の基板の表面にＡｇを含む金属膜を形成する工程をさらに含む、請求項１から７のいずれかに記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項９】
第２の基板上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｉ型窒化物半導体層と、
前記ｉ型窒化物半導体層上に設けられた第２のバッファ層およびｐ型窒化物半導体層と、を備え、
前記第２のバッファ層の周辺領域以外の領域に前記ｐ型窒化物半導体層を設けた、光電変換素子。
【請求項１０】
前記第２の基板は、可撓性を有する、請求項９に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の光電変換素子を含む、光電変換素子モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１０５８６９（Ｐ２０１３−１０５８６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８３１１（Ｐ２０１１−２４８３１１）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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