半導体装置およびその製造方法
【課題】窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるようにする。
【解決手段】ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層１０３とを少なくとも備える。また、第２半導体層１０２を構成する第１窒化物半導体は、第３半導体層１０３を構成する第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。
【解決手段】ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層１０３とを少なくとも備える。また、第２半導体層１０２を構成する第１窒化物半導体は、第３半導体層１０３を構成する第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザーダイオード、太陽電池などに用いられる窒化物半導体の積層構造からなる半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで、０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かして発光ダイオード（ＬＥＤ）などの材料として用いられ、信号機や様々なディスプレイに応用されて広く一般に使われている。
【０００３】
また、窒化物半導体のエネルギーギャップ範囲は、太陽光のスペクトル（波長）をほぼ網羅しており、こうしたことから発電効率の高い太陽電池を実現しうる材料として注目されている。たとえば、非特許文献１では、単結晶Ｓｉ系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により、３１％の発電効率が見込めると予測している。また、非特許文献２においては、単結晶Ｓｉ系太陽電池セルとＩｎＡｌＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により、４１％の発電効率が見込めると予測している。
【０００４】
こうした予測に対し、現在実現されている窒化物半導体を用いた太陽電池では、発電効率はたかだか数％にしかすぎず、窒化物半導体が持つ優れたポテンシャルが十分に生かされていない。この原因のひとつに、金属電極と接続するｐ型コンタクト層の低抵抗化が容易ではないという問題がある。窒化物半導体へのｐ型ドーピングは、ＩＩ族元素であるＭｇをドーピングすることにより実現するのが一般的である。しかしながら、非特許文献２のなかでも指摘されているように、特にＩｎ組成の高いＩｎＧａＮやＩｎＡｌＮへのｐ型ドーピングは容易ではない。このために、寄生抵抗が増大し、結果的に電力として取り出せるエネルギーが減少してしまう。
【０００５】
また、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることでエネルギーギャップを変化させることができるという窒化物半導体の持つ特徴を生かすため、太陽電池セルの一部の層で組成を変化させる構造も提案されている。非特許文献３においては、窒化物半導体の中では比較的ｐ型ドーピングが容易なＧａＮをｐ型コンタクト層とし、光吸収層をｎ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とし、これらの間を、組成変化させたＩｎxＧａ1-xＮ（ｘ＝０→０．５）の層を介して接続することにより、寄生抵抗を減らしたセル構造を提案している。このセル構造を最適化することにより、Ｓｉ系太陽電池とのタンデム構造において、２９％程度の発電効率が可能と予測している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】L.Hsu, et al. ,"Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, art.No.024507, 2008.
【非特許文献２】R.E.Jones, et al. ,"HIGH EFFICIENCY InAIN-BASED SOLAR CELLS",in 33rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference, San Diego, California, USA (2008) Digital Object Identifier : 10.1109/PVSC.2008.4922884
【非特許文献３】G.F.Brown, et al. , "Finite elementsimulationsofcompositionallygradedInGaNsolarcells", Solar Energy Materials & Solar Cells, vol.94, pp.478-483, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献３に提案されている構造を実際に形成することを考えた場合、２つの問題点がある。一つは成長温度の問題であり、他の一つはｐ型のドーピングで用いるＭｇの問題である。成長手法としてＭＯＣＶＤ法を例にとって考える。成長温度の観点からは、ＧａＮが１０００℃前後の比較的高い成長温度で成長するのに対し、ＩｎＧａＮはＩｎの再蒸発を抑制するため８００℃以下の低い温度で成長する。したがって、ＧａＮ層を先に成長するのが望ましい。
【０００８】
一方、Ｍｇドーピングの観点からは、以下に説明することにより、ｎ型層であるＩｎＧａＮから成長するのが望ましい。まず、Ｍｇドーピング用の原料として用いられるＣｐ2Ｍｇはいわゆるメモリ効果の強い原料であり、成長室へのＣｐ2Ｍｇの供給を止めても装置の配管内壁および成長室内壁に付着したＣｐ2Ｍｐが脱離し、成長表面に供給されつづける。このことにより、意図しない層にまでＭｇがドーピングされてしまう。また、Ｍｇは偏析しやすい元素であるため成長表面にいつまでもとどまっている傾向にあり、これも意図しない層へのＭｇドーピングの原因となる。従って、Ｍｇのドーピングは、ｎ型層であるＩｎＧａＮが形成した後に形成するＧａＮ層に対して行うことが望ましい。
【０００９】
以上に説明したように、非特許文献３で提案されているセル構造は、相反する成長条件上の要求により、よい品質の構造を作製するのは困難であると予想される。
【００１０】
上述した問題のほかに、そもそも窒化物半導体は、反応性が低いために電極金属との合金反応が起きにくく、合金型のコンタクト電極形成によるコンタクト抵抗低減は基本的に無理である。さらに、エネルギーギャップが大きいために、金属／窒化物半導体間の仕事関数が大きく、特にキャリア濃度をあまり高くできないｐ型窒化物半導体との間に良好な非合金型のコンタクト電極を形成することも非常に難しいという問題もある。
【００１１】
以上に説明したように、窒化物半導体を用いて半導体装置を作製する場合、良好なｐ型コンタクト層を実現することが容易ではないという問題がある。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層と、この第１半導体層の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層と、この第２半導体層の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層とを少なくとも備え、第１窒化物半導体は、第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。
【００１４】
上記半導体装置において、第３半導体層は、ｎ型とされていればよい。また、第３半導体層の上に接して形成された第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層を備え、第３半導体層は、アンドープの第２窒化物半導体から構成されているようにしてもよい。なお、第１半導体層は、シリコンから構成されていればよい。
【００１５】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層の上にアンドープの第１窒化物半導体を堆積して第２半導体層を形成する第１工程と、第２半導体層の上に、第１窒化物半導体より格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい第２窒化物半導体を堆積して第３半導体層を形成する第２工程とを少なくとも備える。
【００１６】
上記半導体装置の製造方法において、第２工程では、第２半導体層の上に、ｎ型とされた第３半導体層を形成すればよい。また、第３半導体層の上に第３窒化物半導体を堆積してｎ型の第４半導体層を形成する第３工程を備え、第２工程では、第１半導体層の上に、アンドープの第２窒化物半導体を堆積して第３半導体層を形成するようにしてもよい。なお、第１工程では、シリコンから構成された第１半導体層の上に第２半導体層を形成すればよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、ｐ型とされた第１半導体層の上にアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層を形成し、この上に第２窒化物半導体からなる第３半導体層を形成するようにしたので、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、一般的なｐｉｎ型構造のバンドギャップエネルギーの状態を示すバンドプロファイルである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ｎ型のＧａＮからなる第４半導体層１０４／アンドープのＧａＮからなる第３半導体層１３１／アンドープのＡｌＮからなる第２半導体層１０２／ｐ型のシリコンからなる第１半導体層１０１の積層構造のバンドギャップエネルギーの状態を示すバンドプロファイルである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置は、ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いることなくｐ型とされた第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層１０３とを少なくとも備える。また、第２半導体層１０２を構成する第１窒化物半導体は、第３半導体層１０３を構成する第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。
【００２１】
例えば、第３半導体層１０３がｎ型とされていれば、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３に電極を設けることで、窒化物半導体から構成されたｐｎ接合構造と同様の発光ダイオード（ＬＥＤ）や太陽電池などを構成することができる。また、図１Ｂに示すように、アンドープの第２窒化物半導体から構成した第３半導体層１３１の上に、第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層１０４を接して設けてもよい。このようにすることで、ｐｉｎ型と同様のＬＥＤや太陽電池などを構成することができる。また、共振器を組み合わせることで、レーザーダイオード（ＬＤ）を構成することもできる。
【００２２】
ここで、例えば、第１半導体層１０１は、単結晶シリコンからなる基板である。また、第２半導体層１０２は、窒化物半導体であるアンドープのＡｌＮから構成されていればよい。また、第３半導体層１０３は、窒化物半導体であるＧａＮから構成されていればよい。ＡｌＮは、ＧａＮより格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体である。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体装置の動作について、一般的なｐｉｎ型の構成と比較することで説明する。まず、図２Ａは、ｎ型のｎ−ＧａＮ層２０３／アンドープのＧａＮ層２０２／ｐ型のｐ−ＧａＮ層２０１よりなる一般的なｐｉｎ型構造のバンドプロファイルである。これに対し、図２Ｂは、ｎ型のＧａＮからなる第４半導体層１０４／アンドープのＧａＮからなる第３半導体層１３１／アンドープのＡｌＮからなる第２半導体層１０２／ｐ型のシリコンからなる第１半導体層１０１の積層構造とした場合のバンドプロファイルである。
【００２４】
図２Ａに示すように一般的なｐｉｎ型構造では、ｐ型ドーピングされたことによりｐ−ＧａＮ層２０１の価電子帯のエネルギーレベルが持ち上がってフェルミレベルに近づく。なお、ドーピング濃度が十分高濃度であれば、ｐ−ＧａＮ層２０１の価電子帯のエネルギーレベルがフェルミレベルを超える。このため、ｐ−ＧａＮ層２０１に設けられる金属電極との間の正孔の行き来に対するバリアがなくなり、ｐ−ＧａＮ層２０１は、ｐ型オーミックコンタクトとして作用（機能）する。
【００２５】
一方、図２Ｂに示した本実施の形態における半導体装置では、まず、第２半導体層１０２の上に、これより格子定数の大きな第３半導体層１３１を形成すると、窒化物のもつ強い分極効果により、なんらドーピングすることなく第２半導体層１０２と第３半導体層１３１との界面に空間電荷が現れる。この結果、第２半導体層１０２と第３半導体層１３１との界面における価電子帯のエネルギーレベルが持ち上がってフェルミレベルに近づく。この状態は、一般的なｐｉｎ型構造におけるｐ型層の部分と同様のバンドプロファイルになり、第１半導体層１０１の価電子帯のエネルギーレベルとほぼそろう。
【００２６】
第１半導体層１０１と第３半導体層１３１との間の第２半導体層１０２は、エネルギーギャップが大きく、通常であればキャリアに対するバリアとして働くため、このままではオーミック性は示さない。しかしながら、第２半導体層１０２の層厚が十分薄ければ、キャリアは第２半導体層１０２層をトンネルすることになり、オーミック性には何ら悪影響を与えない。言い換えると、第２半導体層１０２は、キャリアがトンネルできる程度に薄くされていればよい。
【００２７】
また、第２半導体層１０２がある程度厚くても、第２半導体層１０２の形成条件によって、第２半導体層１０２のバンドギャップ内に高密度の界面準位を形成させることができ、この界面準位を介してキャリアが流れることができ、オーミック性を示す。例えば、第１半導体層１０１が単結晶シリコンの場合、単結晶シリコンとＡｌＮとは格子定数が異なり、単結晶シリコンの上にエピタキシャル成長したＡｌＮの層には多くの転位が形成されるようになり、上述した高密度の界面準位が形成されることになる。
【００２８】
発明者の検討では、ｐ型とした単結晶シリコンの基板を用い、層厚２００ｎｍのＡｌＮの層を形成した構成であっても、良好なオーミックコンタクトが得られることが確認されている。また、上述の場合、ＡｌＮの層の厚さを４００ｎｍとして、抵抗値の増大は見られたものの、オーミック性を示すことが確認されている。
【００２９】
なお、上述したバンドプロファイルの説明では、アンドープの第２窒化物半導体から構成した第３半導体層１３１の上に、第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層１０４を接して設けた場合を例にしたが、第２半導体層１０２の上に、第２窒化物半導体からなるｎ型の第３半導体層１０３を接して形成する構成においても、同様である。第２半導体層１０２の上に、これより格子定数の大きな第３半導体層１０３を形成すれば、なんらドーピングすることなく第２半導体層１０２と第３半導体層１０３との界面に空間電荷が現れる。この結果、第２半導体層１０２と第３半導体層１０３との界面における価電子帯のエネルギーレベルが持ち上がってフェルミレベルに近づき、一般的なｐｎ接合型の構造におけるｐ型層の部分と同様のバンドプロファイルとなる。
【００３０】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるようになる。
【００３１】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。以下では、製造方法を説明することで、実施の形態２における半導体装置について説明する。
【００３２】
まず、図３Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板（第１半導体層）３０１の上に、公知のＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＡｌＮを堆積することで、層厚１００ｎｍのＡｌＮ層（第２半導体層）３０２を形成する。
【００３３】
続いて、ＡｌＮ層３０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｉｎ組成０．２のアンドープＩｎＧａＮを層厚１０００ｎｍ程度堆積し、図３Ｂに示すように、ＩｎＧａＮ層３０３を形成する。引き続いて、ＩｎＧａＮ層３０３の上に、Ｉｎ組成０．１のＳｉドープＩｎＧａＮを層厚２００ｎｍ程度堆積してｎ−ＩｎＧａＮ層３０４を形成する。
【００３４】
次に、上述した各層の形成（成長）に用いたＭＯＣＶＤ装置より基板３０１を取り出し、この後、図３Ｃに示すように、ｎ−ＩｎＧａＮ層３０４の上に透明電極層３０５を形成する。透明電極層３０５は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）であればよく、例えば、塩化インジウムと塩化第１スズまたは塩化第２スズが溶解した溶液を塗布し、これを加熱（焼成）することで形成できる。
【００３５】
次に、図３Ｄに示すように、まず、基板３０１の裏面側にｐ型コンタクト電極３０６を形成し、また、透明電極層３０５の上にｎ型コンタクト電極３０７を形成する。ｐ型コンタクト電極３０６は、例えば、真空蒸着装置により金属を蒸着することで形成できる。また、ｎ型コンタクト電極３０７は、真空蒸着法およびよく知られたリフトオフ法により形成することができる。
【００３６】
上述したことにより、基板３０１の上に、ＡｌＮ層３０２，ＩｎＧａＮ層３０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層３０４が積層された本実施の形態における半導体装置が得られる。この半導体装置はＬＥＤであり、ｎ型コンタクト電極３０７およびｐ型コンタクト電極３０６の間に電圧を加えることで波長４７０ｎｍ程度の発光が得られる。この発光は、透明電極層３０５の側（基板表面側）より取り出される。
【００３７】
上述した本実施の形態においても、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが得られている。
【００３８】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。以下では、製造方法を説明することで、実施の形態３における半導体装置について説明する。
【００３９】
まず、図４Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板（第１半導体層）４０１の上に、公知のＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＡｌＮを堆積することで、層厚１００ｎｍのＡｌＮ層（第２半導体層）４０２を形成する。
【００４０】
続いて、ＡｌＮ層４０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｉｎ組成０．２のアンドープＩｎＧａＮを層厚１０００ｎｍ程度堆積し、図４Ｂに示すように、ＩｎＧａＮ層４０３を形成する。引き続いて、ＩｎＧａＮ層４０３の上に、Ｉｎ組成０．１のＳｉドープＩｎＧａＮを層厚２００ｎｍ程度堆積してｎ−ＩｎＧａＮ層４０４を形成する。
【００４１】
次に、上述した各層の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置より基板４０１を取り出し、この後、図４Ｃに示すように、ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４の上にｎ型コンタクト電極層４０５を形成する。ｎ型コンタクト電極層４０５は、例えば、真空蒸着装置により金属を蒸着することで形成できる。
【００４２】
次に、基板４０１の裏面側を研磨により研削し、基板４０１を厚さ５０ｍｍ程度にまで薄くする。次いで、薄くした基板４０１の裏面（研磨面）に、図４Ｄに示すように、ＡｌＮ層４０２が露出する複数の貫通溝４１１を形成する。また、貫通溝４１１内を含めた基板４０１の裏面に透明電極層４０６を形成する。貫通溝４１１は、例えば、基板４０１の一方から他方にかけて連続する溝である。また、図示しない領域の透明電極層４０６に接続するｐ型コンタクト電極（不図示）を形成する。ｐ型コンタクト電極は、真空蒸着法およびリフトオフ法により形成できる。
【００４３】
上述したことにより、基板４０１の上に、ＡｌＮ層４０２，ＩｎＧａＮ層４０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４が積層された本実施の形態における半導体装置が得られる。この半導体装置はＬＥＤであり、ｎ型コンタクト電極層４０５およびｐ型コンタクト電極（不図示）の間に電圧を加えることで波長４７０ｎｍ程度の発光が得られる。得られる一部の発光は、透明電極層４０６の側（基板裏面側）より取り出される。また、ｎ型コンタクト電極層４０５の側に出射された光は、金属からなるｎ型コンタクト電極層４０５で反射し、基板裏面側より取り出される。このように、本実施の形態によれば、より多くの光が取り出せる。貫通溝４１１の面積にも依存するが、前述した実施の形態２における半導体装置（ＬＥＤ）に比較して、５０％程度の発光効率増大が見込める。
【００４４】
上述した本実施の形態においても、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが得られている。
【００４５】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。以下では、製造方法を説明することで、実施の形態４における半導体装置について説明する。
【００４６】
まず、図５Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板（第１半導体層）５０１の上に、公知のＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＡｌＮを堆積することで、層厚１００ｎｍのＡｌＮ層（第２半導体層）５０２を形成する。
【００４７】
続いて、ＡｌＮ層５０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｉｎ組成０．５のアンドープＩｎＧａＮを層厚１０００ｎｍ程度堆積し、図５Ｂに示すように、ＩｎＧａＮ層５０３を形成する。引き続いて、ＩｎＧａＮ層５０３の上に、Ｉｎ組成０．１のＳｉドープＩｎＧａＮを層厚２００ｎｍ程度堆積してｎ−ＩｎＧａＮ層５０４を形成する。
【００４８】
次に、上述した各層の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置より基板５０１を取り出し、この後、図５Ｃに示すように、ｎ−ＩｎＧａＮ層５０４の上にシリコンからなるＳｉ太陽電池基板５１１を貼り合わせる。Ｓｉ太陽電池基板５１１は、例えば、Ｇａがドープされたｐ型シリコン基板５０６に、例えば、イオン注入法によりＳｂをドープすることでｎ型層５０５を形成し、この後、ｐ型シリコン基板５０６を例えば、２００〜３００μｍ程度の厚さに薄くしたものである。Ｓｉ太陽電池基板５１１は、ｐ型シリコン基板５０６をｎ−ＩｎＧａＮ層５０４に貼り合わせる。
【００４９】
次に、Ｓｉ太陽電池基板５１１をｎ−ＩｎＧａＮ層５０４に貼り合わせた基板５０１の裏面側を研磨により研削し、基板５０１を厚さ５０ｍｍ程度にまで薄くする。次いで、薄くした基板５０１の裏面に、図５Ｄに示すように、ＡｌＮ層５０２が露出する複数の貫通溝５１２を形成する。貫通溝５１２は、例えば、基板５０１の一方から他方にかけて連続する溝である。
【００５０】
次に図５Ｅに示すように、Ｓｉ太陽電池基板５１１のｎ型層５０５に、ｎ型コンタクト電極層５０７を形成する。ｎ型コンタクト電極層５０７は、例えば、真空蒸着装置により金属を蒸着することで形成できる。また、貫通溝５１２を形成した基板５１１の裏面に、貫通溝５１２内も含め、透明電極層５０８を形成する。また、図示しない領域の透明電極層５０８に接続するｐ型コンタクト電極（不図示）を形成する。ｐ型コンタクト電極は、真空蒸着法およびリフトオフ法により形成できる。
【００５１】
上述したことにより、基板５０１の上に、ＡｌＮ層５０２，ＩｎＧａＮ層５０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層５０４が積層され、この上にＳｉ太陽電池基板５１１が積層された本実施の形態における半導体装置が得られる。この半導体装置は、いわゆるタンデム型太陽電池であり、透明電極層５０８の側（基板裏面側）より入射した光を光電変換し、光電変換した電極をｎ型コンタクト電極層５０７およびｐ型コンタクト電極（不図示）より出力する。上述したタンデム型太陽電池では、ＡｌＮ層５０２，ＩｎＧａＮ層５０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層５０４よりなる窒化物半導体の太陽電池セルで、波長７００ｎｍより短い波長の光を吸収して光電変換する。また、Ｓｉ太陽電池基板５１１の太陽電池セルで、波長１μｍ前後の光を吸収して光電変換する。
【００５２】
上述した本実施の形態においても、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが得られている。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。
【００５４】
例えば、図１Ａを用いて説明した第３半導体層１０３をｎ型とした半導体装置は、まず、ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた基板（第１半導体層）１０１の上に、アンドープの第１窒化物半導体を堆積して第２半導体層１０２を形成し、この上に、第１窒化物半導体より格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい第２窒化物半導体を堆積し、ｎ型とされた第３半導体層１０３を形成し、この後、各電極を形成することで製造できる。
【００５５】
また、例えば、上述では、アンドープの第１窒化物半導体として、ＡｌＮを用い、第２窒化物半導体としてＧａＮおよびＩｎＧａＮるようにしたが、これに限るものではなく、他の窒化物半導体層を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０１…第１半導体層、１０２…第２半導体層、１０３…第３半導体層、１０４…第４半導体層、１３１…第３半導体層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザーダイオード、太陽電池などに用いられる窒化物半導体の積層構造からなる半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで、０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かして発光ダイオード（ＬＥＤ）などの材料として用いられ、信号機や様々なディスプレイに応用されて広く一般に使われている。
【０００３】
また、窒化物半導体のエネルギーギャップ範囲は、太陽光のスペクトル（波長）をほぼ網羅しており、こうしたことから発電効率の高い太陽電池を実現しうる材料として注目されている。たとえば、非特許文献１では、単結晶Ｓｉ系の太陽電池セルとＩｎＧａＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により、３１％の発電効率が見込めると予測している。また、非特許文献２においては、単結晶Ｓｉ系太陽電池セルとＩｎＡｌＮで構成した太陽電池セルのタンデム化により、４１％の発電効率が見込めると予測している。
【０００４】
こうした予測に対し、現在実現されている窒化物半導体を用いた太陽電池では、発電効率はたかだか数％にしかすぎず、窒化物半導体が持つ優れたポテンシャルが十分に生かされていない。この原因のひとつに、金属電極と接続するｐ型コンタクト層の低抵抗化が容易ではないという問題がある。窒化物半導体へのｐ型ドーピングは、ＩＩ族元素であるＭｇをドーピングすることにより実現するのが一般的である。しかしながら、非特許文献２のなかでも指摘されているように、特にＩｎ組成の高いＩｎＧａＮやＩｎＡｌＮへのｐ型ドーピングは容易ではない。このために、寄生抵抗が増大し、結果的に電力として取り出せるエネルギーが減少してしまう。
【０００５】
また、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることでエネルギーギャップを変化させることができるという窒化物半導体の持つ特徴を生かすため、太陽電池セルの一部の層で組成を変化させる構造も提案されている。非特許文献３においては、窒化物半導体の中では比較的ｐ型ドーピングが容易なＧａＮをｐ型コンタクト層とし、光吸収層をｎ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とし、これらの間を、組成変化させたＩｎxＧａ1-xＮ（ｘ＝０→０．５）の層を介して接続することにより、寄生抵抗を減らしたセル構造を提案している。このセル構造を最適化することにより、Ｓｉ系太陽電池とのタンデム構造において、２９％程度の発電効率が可能と予測している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】L.Hsu, et al. ,"Modeling of InGaN/Si tandem solar cells", Journal of Applied Physics, vol.104, art.No.024507, 2008.
【非特許文献２】R.E.Jones, et al. ,"HIGH EFFICIENCY InAIN-BASED SOLAR CELLS",in 33rd IEEE Photovoltaic Specialist Conference, San Diego, California, USA (2008) Digital Object Identifier : 10.1109/PVSC.2008.4922884
【非特許文献３】G.F.Brown, et al. , "Finite elementsimulationsofcompositionallygradedInGaNsolarcells", Solar Energy Materials & Solar Cells, vol.94, pp.478-483, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献３に提案されている構造を実際に形成することを考えた場合、２つの問題点がある。一つは成長温度の問題であり、他の一つはｐ型のドーピングで用いるＭｇの問題である。成長手法としてＭＯＣＶＤ法を例にとって考える。成長温度の観点からは、ＧａＮが１０００℃前後の比較的高い成長温度で成長するのに対し、ＩｎＧａＮはＩｎの再蒸発を抑制するため８００℃以下の低い温度で成長する。したがって、ＧａＮ層を先に成長するのが望ましい。
【０００８】
一方、Ｍｇドーピングの観点からは、以下に説明することにより、ｎ型層であるＩｎＧａＮから成長するのが望ましい。まず、Ｍｇドーピング用の原料として用いられるＣｐ2Ｍｇはいわゆるメモリ効果の強い原料であり、成長室へのＣｐ2Ｍｇの供給を止めても装置の配管内壁および成長室内壁に付着したＣｐ2Ｍｐが脱離し、成長表面に供給されつづける。このことにより、意図しない層にまでＭｇがドーピングされてしまう。また、Ｍｇは偏析しやすい元素であるため成長表面にいつまでもとどまっている傾向にあり、これも意図しない層へのＭｇドーピングの原因となる。従って、Ｍｇのドーピングは、ｎ型層であるＩｎＧａＮが形成した後に形成するＧａＮ層に対して行うことが望ましい。
【０００９】
以上に説明したように、非特許文献３で提案されているセル構造は、相反する成長条件上の要求により、よい品質の構造を作製するのは困難であると予想される。
【００１０】
上述した問題のほかに、そもそも窒化物半導体は、反応性が低いために電極金属との合金反応が起きにくく、合金型のコンタクト電極形成によるコンタクト抵抗低減は基本的に無理である。さらに、エネルギーギャップが大きいために、金属／窒化物半導体間の仕事関数が大きく、特にキャリア濃度をあまり高くできないｐ型窒化物半導体との間に良好な非合金型のコンタクト電極を形成することも非常に難しいという問題もある。
【００１１】
以上に説明したように、窒化物半導体を用いて半導体装置を作製する場合、良好なｐ型コンタクト層を実現することが容易ではないという問題がある。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層と、この第１半導体層の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層と、この第２半導体層の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層とを少なくとも備え、第１窒化物半導体は、第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。
【００１４】
上記半導体装置において、第３半導体層は、ｎ型とされていればよい。また、第３半導体層の上に接して形成された第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層を備え、第３半導体層は、アンドープの第２窒化物半導体から構成されているようにしてもよい。なお、第１半導体層は、シリコンから構成されていればよい。
【００１５】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層の上にアンドープの第１窒化物半導体を堆積して第２半導体層を形成する第１工程と、第２半導体層の上に、第１窒化物半導体より格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい第２窒化物半導体を堆積して第３半導体層を形成する第２工程とを少なくとも備える。
【００１６】
上記半導体装置の製造方法において、第２工程では、第２半導体層の上に、ｎ型とされた第３半導体層を形成すればよい。また、第３半導体層の上に第３窒化物半導体を堆積してｎ型の第４半導体層を形成する第３工程を備え、第２工程では、第１半導体層の上に、アンドープの第２窒化物半導体を堆積して第３半導体層を形成するようにしてもよい。なお、第１工程では、シリコンから構成された第１半導体層の上に第２半導体層を形成すればよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、ｐ型とされた第１半導体層の上にアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層を形成し、この上に第２窒化物半導体からなる第３半導体層を形成するようにしたので、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１における他の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、一般的なｐｉｎ型構造のバンドギャップエネルギーの状態を示すバンドプロファイルである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ｎ型のＧａＮからなる第４半導体層１０４／アンドープのＧａＮからなる第３半導体層１３１／アンドープのＡｌＮからなる第２半導体層１０２／ｐ型のシリコンからなる第１半導体層１０１の積層構造のバンドギャップエネルギーの状態を示すバンドプロファイルである。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅは、本発明の実施の形態４における半導体装置の製造方法説明するための各工程における状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２０】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置は、ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を用いることなくｐ型とされた第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層１０３とを少なくとも備える。また、第２半導体層１０２を構成する第１窒化物半導体は、第３半導体層１０３を構成する第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい。
【００２１】
例えば、第３半導体層１０３がｎ型とされていれば、第１半導体層１０１および第３半導体層１０３に電極を設けることで、窒化物半導体から構成されたｐｎ接合構造と同様の発光ダイオード（ＬＥＤ）や太陽電池などを構成することができる。また、図１Ｂに示すように、アンドープの第２窒化物半導体から構成した第３半導体層１３１の上に、第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層１０４を接して設けてもよい。このようにすることで、ｐｉｎ型と同様のＬＥＤや太陽電池などを構成することができる。また、共振器を組み合わせることで、レーザーダイオード（ＬＤ）を構成することもできる。
【００２２】
ここで、例えば、第１半導体層１０１は、単結晶シリコンからなる基板である。また、第２半導体層１０２は、窒化物半導体であるアンドープのＡｌＮから構成されていればよい。また、第３半導体層１０３は、窒化物半導体であるＧａＮから構成されていればよい。ＡｌＮは、ＧａＮより格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体である。
【００２３】
次に、本実施の形態における半導体装置の動作について、一般的なｐｉｎ型の構成と比較することで説明する。まず、図２Ａは、ｎ型のｎ−ＧａＮ層２０３／アンドープのＧａＮ層２０２／ｐ型のｐ−ＧａＮ層２０１よりなる一般的なｐｉｎ型構造のバンドプロファイルである。これに対し、図２Ｂは、ｎ型のＧａＮからなる第４半導体層１０４／アンドープのＧａＮからなる第３半導体層１３１／アンドープのＡｌＮからなる第２半導体層１０２／ｐ型のシリコンからなる第１半導体層１０１の積層構造とした場合のバンドプロファイルである。
【００２４】
図２Ａに示すように一般的なｐｉｎ型構造では、ｐ型ドーピングされたことによりｐ−ＧａＮ層２０１の価電子帯のエネルギーレベルが持ち上がってフェルミレベルに近づく。なお、ドーピング濃度が十分高濃度であれば、ｐ−ＧａＮ層２０１の価電子帯のエネルギーレベルがフェルミレベルを超える。このため、ｐ−ＧａＮ層２０１に設けられる金属電極との間の正孔の行き来に対するバリアがなくなり、ｐ−ＧａＮ層２０１は、ｐ型オーミックコンタクトとして作用（機能）する。
【００２５】
一方、図２Ｂに示した本実施の形態における半導体装置では、まず、第２半導体層１０２の上に、これより格子定数の大きな第３半導体層１３１を形成すると、窒化物のもつ強い分極効果により、なんらドーピングすることなく第２半導体層１０２と第３半導体層１３１との界面に空間電荷が現れる。この結果、第２半導体層１０２と第３半導体層１３１との界面における価電子帯のエネルギーレベルが持ち上がってフェルミレベルに近づく。この状態は、一般的なｐｉｎ型構造におけるｐ型層の部分と同様のバンドプロファイルになり、第１半導体層１０１の価電子帯のエネルギーレベルとほぼそろう。
【００２６】
第１半導体層１０１と第３半導体層１３１との間の第２半導体層１０２は、エネルギーギャップが大きく、通常であればキャリアに対するバリアとして働くため、このままではオーミック性は示さない。しかしながら、第２半導体層１０２の層厚が十分薄ければ、キャリアは第２半導体層１０２層をトンネルすることになり、オーミック性には何ら悪影響を与えない。言い換えると、第２半導体層１０２は、キャリアがトンネルできる程度に薄くされていればよい。
【００２７】
また、第２半導体層１０２がある程度厚くても、第２半導体層１０２の形成条件によって、第２半導体層１０２のバンドギャップ内に高密度の界面準位を形成させることができ、この界面準位を介してキャリアが流れることができ、オーミック性を示す。例えば、第１半導体層１０１が単結晶シリコンの場合、単結晶シリコンとＡｌＮとは格子定数が異なり、単結晶シリコンの上にエピタキシャル成長したＡｌＮの層には多くの転位が形成されるようになり、上述した高密度の界面準位が形成されることになる。
【００２８】
発明者の検討では、ｐ型とした単結晶シリコンの基板を用い、層厚２００ｎｍのＡｌＮの層を形成した構成であっても、良好なオーミックコンタクトが得られることが確認されている。また、上述の場合、ＡｌＮの層の厚さを４００ｎｍとして、抵抗値の増大は見られたものの、オーミック性を示すことが確認されている。
【００２９】
なお、上述したバンドプロファイルの説明では、アンドープの第２窒化物半導体から構成した第３半導体層１３１の上に、第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層１０４を接して設けた場合を例にしたが、第２半導体層１０２の上に、第２窒化物半導体からなるｎ型の第３半導体層１０３を接して形成する構成においても、同様である。第２半導体層１０２の上に、これより格子定数の大きな第３半導体層１０３を形成すれば、なんらドーピングすることなく第２半導体層１０２と第３半導体層１０３との界面に空間電荷が現れる。この結果、第２半導体層１０２と第３半導体層１０３との界面における価電子帯のエネルギーレベルが持ち上がってフェルミレベルに近づき、一般的なｐｎ接合型の構造におけるｐ型層の部分と同様のバンドプロファイルとなる。
【００３０】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが形成できるようになる。
【００３１】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。以下では、製造方法を説明することで、実施の形態２における半導体装置について説明する。
【００３２】
まず、図３Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板（第１半導体層）３０１の上に、公知のＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＡｌＮを堆積することで、層厚１００ｎｍのＡｌＮ層（第２半導体層）３０２を形成する。
【００３３】
続いて、ＡｌＮ層３０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｉｎ組成０．２のアンドープＩｎＧａＮを層厚１０００ｎｍ程度堆積し、図３Ｂに示すように、ＩｎＧａＮ層３０３を形成する。引き続いて、ＩｎＧａＮ層３０３の上に、Ｉｎ組成０．１のＳｉドープＩｎＧａＮを層厚２００ｎｍ程度堆積してｎ−ＩｎＧａＮ層３０４を形成する。
【００３４】
次に、上述した各層の形成（成長）に用いたＭＯＣＶＤ装置より基板３０１を取り出し、この後、図３Ｃに示すように、ｎ−ＩｎＧａＮ層３０４の上に透明電極層３０５を形成する。透明電極層３０５は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）であればよく、例えば、塩化インジウムと塩化第１スズまたは塩化第２スズが溶解した溶液を塗布し、これを加熱（焼成）することで形成できる。
【００３５】
次に、図３Ｄに示すように、まず、基板３０１の裏面側にｐ型コンタクト電極３０６を形成し、また、透明電極層３０５の上にｎ型コンタクト電極３０７を形成する。ｐ型コンタクト電極３０６は、例えば、真空蒸着装置により金属を蒸着することで形成できる。また、ｎ型コンタクト電極３０７は、真空蒸着法およびよく知られたリフトオフ法により形成することができる。
【００３６】
上述したことにより、基板３０１の上に、ＡｌＮ層３０２，ＩｎＧａＮ層３０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層３０４が積層された本実施の形態における半導体装置が得られる。この半導体装置はＬＥＤであり、ｎ型コンタクト電極３０７およびｐ型コンタクト電極３０６の間に電圧を加えることで波長４７０ｎｍ程度の発光が得られる。この発光は、透明電極層３０５の側（基板表面側）より取り出される。
【００３７】
上述した本実施の形態においても、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが得られている。
【００３８】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。以下では、製造方法を説明することで、実施の形態３における半導体装置について説明する。
【００３９】
まず、図４Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板（第１半導体層）４０１の上に、公知のＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＡｌＮを堆積することで、層厚１００ｎｍのＡｌＮ層（第２半導体層）４０２を形成する。
【００４０】
続いて、ＡｌＮ層４０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｉｎ組成０．２のアンドープＩｎＧａＮを層厚１０００ｎｍ程度堆積し、図４Ｂに示すように、ＩｎＧａＮ層４０３を形成する。引き続いて、ＩｎＧａＮ層４０３の上に、Ｉｎ組成０．１のＳｉドープＩｎＧａＮを層厚２００ｎｍ程度堆積してｎ−ＩｎＧａＮ層４０４を形成する。
【００４１】
次に、上述した各層の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置より基板４０１を取り出し、この後、図４Ｃに示すように、ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４の上にｎ型コンタクト電極層４０５を形成する。ｎ型コンタクト電極層４０５は、例えば、真空蒸着装置により金属を蒸着することで形成できる。
【００４２】
次に、基板４０１の裏面側を研磨により研削し、基板４０１を厚さ５０ｍｍ程度にまで薄くする。次いで、薄くした基板４０１の裏面（研磨面）に、図４Ｄに示すように、ＡｌＮ層４０２が露出する複数の貫通溝４１１を形成する。また、貫通溝４１１内を含めた基板４０１の裏面に透明電極層４０６を形成する。貫通溝４１１は、例えば、基板４０１の一方から他方にかけて連続する溝である。また、図示しない領域の透明電極層４０６に接続するｐ型コンタクト電極（不図示）を形成する。ｐ型コンタクト電極は、真空蒸着法およびリフトオフ法により形成できる。
【００４３】
上述したことにより、基板４０１の上に、ＡｌＮ層４０２，ＩｎＧａＮ層４０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４が積層された本実施の形態における半導体装置が得られる。この半導体装置はＬＥＤであり、ｎ型コンタクト電極層４０５およびｐ型コンタクト電極（不図示）の間に電圧を加えることで波長４７０ｎｍ程度の発光が得られる。得られる一部の発光は、透明電極層４０６の側（基板裏面側）より取り出される。また、ｎ型コンタクト電極層４０５の側に出射された光は、金属からなるｎ型コンタクト電極層４０５で反射し、基板裏面側より取り出される。このように、本実施の形態によれば、より多くの光が取り出せる。貫通溝４１１の面積にも依存するが、前述した実施の形態２における半導体装置（ＬＥＤ）に比較して、５０％程度の発光効率増大が見込める。
【００４４】
上述した本実施の形態においても、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが得られている。
【００４５】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。以下では、製造方法を説明することで、実施の形態４における半導体装置について説明する。
【００４６】
まず、図５Ａに示すように、例えば、単結晶シリコンからなる基板（第１半導体層）５０１の上に、公知のＭＯＣＶＤ法によりアンドープのＡｌＮを堆積することで、層厚１００ｎｍのＡｌＮ層（第２半導体層）５０２を形成する。
【００４７】
続いて、ＡｌＮ層５０２の上に、ＭＯＣＶＤ法により、Ｉｎ組成０．５のアンドープＩｎＧａＮを層厚１０００ｎｍ程度堆積し、図５Ｂに示すように、ＩｎＧａＮ層５０３を形成する。引き続いて、ＩｎＧａＮ層５０３の上に、Ｉｎ組成０．１のＳｉドープＩｎＧａＮを層厚２００ｎｍ程度堆積してｎ−ＩｎＧａＮ層５０４を形成する。
【００４８】
次に、上述した各層の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置より基板５０１を取り出し、この後、図５Ｃに示すように、ｎ−ＩｎＧａＮ層５０４の上にシリコンからなるＳｉ太陽電池基板５１１を貼り合わせる。Ｓｉ太陽電池基板５１１は、例えば、Ｇａがドープされたｐ型シリコン基板５０６に、例えば、イオン注入法によりＳｂをドープすることでｎ型層５０５を形成し、この後、ｐ型シリコン基板５０６を例えば、２００〜３００μｍ程度の厚さに薄くしたものである。Ｓｉ太陽電池基板５１１は、ｐ型シリコン基板５０６をｎ−ＩｎＧａＮ層５０４に貼り合わせる。
【００４９】
次に、Ｓｉ太陽電池基板５１１をｎ−ＩｎＧａＮ層５０４に貼り合わせた基板５０１の裏面側を研磨により研削し、基板５０１を厚さ５０ｍｍ程度にまで薄くする。次いで、薄くした基板５０１の裏面に、図５Ｄに示すように、ＡｌＮ層５０２が露出する複数の貫通溝５１２を形成する。貫通溝５１２は、例えば、基板５０１の一方から他方にかけて連続する溝である。
【００５０】
次に図５Ｅに示すように、Ｓｉ太陽電池基板５１１のｎ型層５０５に、ｎ型コンタクト電極層５０７を形成する。ｎ型コンタクト電極層５０７は、例えば、真空蒸着装置により金属を蒸着することで形成できる。また、貫通溝５１２を形成した基板５１１の裏面に、貫通溝５１２内も含め、透明電極層５０８を形成する。また、図示しない領域の透明電極層５０８に接続するｐ型コンタクト電極（不図示）を形成する。ｐ型コンタクト電極は、真空蒸着法およびリフトオフ法により形成できる。
【００５１】
上述したことにより、基板５０１の上に、ＡｌＮ層５０２，ＩｎＧａＮ層５０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層５０４が積層され、この上にＳｉ太陽電池基板５１１が積層された本実施の形態における半導体装置が得られる。この半導体装置は、いわゆるタンデム型太陽電池であり、透明電極層５０８の側（基板裏面側）より入射した光を光電変換し、光電変換した電極をｎ型コンタクト電極層５０７およびｐ型コンタクト電極（不図示）より出力する。上述したタンデム型太陽電池では、ＡｌＮ層５０２，ＩｎＧａＮ層５０３，ｎ−ＩｎＧａＮ層５０４よりなる窒化物半導体の太陽電池セルで、波長７００ｎｍより短い波長の光を吸収して光電変換する。また、Ｓｉ太陽電池基板５１１の太陽電池セルで、波長１μｍ前後の光を吸収して光電変換する。
【００５２】
上述した本実施の形態においても、窒化物半導体層にｐ型の不純物を導入することなくｐ型の層を備える場合と同等の機能が得られるようになり、窒化物半導体を用いた半導体装置で良好なｐ型コンタクトが得られている。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。
【００５４】
例えば、図１Ａを用いて説明した第３半導体層１０３をｎ型とした半導体装置は、まず、ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた基板（第１半導体層）１０１の上に、アンドープの第１窒化物半導体を堆積して第２半導体層１０２を形成し、この上に、第１窒化物半導体より格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい第２窒化物半導体を堆積し、ｎ型とされた第３半導体層１０３を形成し、この後、各電極を形成することで製造できる。
【００５５】
また、例えば、上述では、アンドープの第１窒化物半導体として、ＡｌＮを用い、第２窒化物半導体としてＧａＮおよびＩｎＧａＮるようにしたが、これに限るものではなく、他の窒化物半導体層を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０１…第１半導体層、１０２…第２半導体層、１０３…第３半導体層、１０４…第４半導体層、１３１…第３半導体層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層と、
この第１半導体層の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層と、
この第２半導体層の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層と
を少なくとも備え、
前記第１窒化物半導体は、前記第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第３半導体層は、ｎ型とされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第３半導体層の上に接して形成された第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層を備え、
前記第３半導体層は、アンドープの前記第２窒化物半導体から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第１半導体層は、シリコンから構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層の上にアンドープの第１窒化物半導体を堆積して第２半導体層を形成する第１工程と、
前記第２半導体層の上に、前記第１窒化物半導体より格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい第２窒化物半導体を堆積して第３半導体層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記第２半導体層の上に、ｎ型とされた前記第３半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３半導体層の上に第３窒化物半導体を堆積してｎ型の第４半導体層を形成する第３工程を備え、
前記第２工程では、前記第１半導体層の上に、アンドープの前記第２窒化物半導体を堆積して前記第３半導体層を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程では、シリコンから構成された前記第１半導体層の上に前記第２半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層と、
この第１半導体層の上に形成されたアンドープの第１窒化物半導体からなる第２半導体層と、
この第２半導体層の上に接して形成された第２窒化物半導体からなる第３半導体層と
を少なくとも備え、
前記第１窒化物半導体は、前記第２窒化物半導体より格子定数が小さくバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第３半導体層は、ｎ型とされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第３半導体層の上に接して形成された第３窒化物半導体からなるｎ型の第４半導体層を備え、
前記第３半導体層は、アンドープの前記第２窒化物半導体から構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記第１半導体層は、シリコンから構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
ドーパントとしてマグネシウムを用いることなくｐ型とされた第１半導体層の上にアンドープの第１窒化物半導体を堆積して第２半導体層を形成する第１工程と、
前記第２半導体層の上に、前記第１窒化物半導体より格子定数が大きくバンドギャップエネルギーが小さい第２窒化物半導体を堆積して第３半導体層を形成する第２工程と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記第２半導体層の上に、ｎ型とされた前記第３半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３半導体層の上に第３窒化物半導体を堆積してｎ型の第４半導体層を形成する第３工程を備え、
前記第２工程では、前記第１半導体層の上に、アンドープの前記第２窒化物半導体を堆積して前記第３半導体層を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程では、シリコンから構成された前記第１半導体層の上に前記第２半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【公開番号】特開２０１１−２２２８０４（Ｐ２０１１−２２２８０４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１２６８（Ｐ２０１０−９１２６８）
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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