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光電変換素子及びその製造方法

国内特許コード P170013598
整理番号 S2015-0148-N0
掲載日 2017年1月13日
出願番号 特願2015-092524
公開番号 特開2016-111317
出願日 平成27年4月30日(2015.4.30)
公開日 平成28年6月20日(2016.6.20)
優先権データ
  • 特願2014-242709 (2014.12.1) JP
発明者
  • 吉川 明彦
  • 草部 一秀
出願人
  • 国立大学法人 千葉大学
発明の名称 光電変換素子及びその製造方法
発明の概要 【課題】簡便かつ効果的に接合リーク電流を減少させることのできる光電変換素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一観点に係る光電変換素子は、第1伝導型からなる第1半導体層と、第1半導体層上に形成される活性層と、活性層上に形成され、第2伝導型からなる第2半導体層と、を備える光電変換素子であって、第1半導体層および活性層および第2半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を有する。また他の一観点に係る光電変換素子の製造方法は、上記第1半導体層を形成する第1工程と、上記第2半導体層を形成する第2工程と、上記活性層を形成する第3工程と、上記転位不活性部を形成する第4工程と、を有する。
【選択図】図9
従来技術、競合技術の概要


近年、温室ガスによる地球温暖化に対する懸念から、エネルギー問題への取り組みの重要性は高まっている。特に、化石燃料への依存体質からの脱却は急務である。このような状況下において、太陽光エネルギーの光電変換により発電する光電変換素子、いわゆる太陽電池は、上記問題解決を解決する重要な一技術である。



現在、ほとんどの太陽電池はシリコン(Si)を原料としている。一方で、人工衛星搭載などの高い光電変換効率が要求される用途では、太陽光スペクトルとの整合性から化合物半導体である砒化ガリウム(GaAs)を用いた太陽電池が実用化されている。



太陽電池の公知の技術として、量子構造によって構成される太陽電池が提案されている。例えば、特許文献1に記載の太陽電池は、量子井戸もしくは量子ドット構造を有する太陽電池であり、その構成について図18を参照して説明する。図18は一例として、太陽電池500の構成を示すブロック図であり、基板501と、前記基板501上に形成されるn型半導体層502と、前記n型半導体層502上に形成される量子構造層503と、前記量子構造層503上に形成されるp型半導体層504と、の周知の構成からなり、これらが周知の半導体製造技術などによって単一セルとして形成されている。



【特許文献1】
特開2002-141531号公報

産業上の利用分野


本発明は、紫外線から赤外線までの広い波長領域をカバーする光電変換装置およびその製造方法に関するものであり、特に、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その製造方法に関する。
本願は、2014年12月1日に出願された特願2014-242709号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。

特許請求の範囲 【請求項1】
第一の伝導層と、光吸収層と、第二の伝導層と、
を順次積層した光電変換素子であって、
前記光吸収層は、窒化インジウム層が複数積層された構造を備え、
前記窒化インジウム層上のいずれかに、転位又は欠陥を覆うパッチが形成されてなる
光電変換素子。

【請求項2】
前記パッチは、酸化物、窒化物、及び酸窒化物の少なくともいずれかである
請求項1記載の光電変換素子。

【請求項3】
前記パッチは、前記窒化インジウム層の転位又は粒界の周囲を選択的に覆う一方、前記窒化インジウム層の転位又は粒界のない領域を覆わないよう形成されている
請求項1記載の光電変換素子。

【請求項4】
第一の伝導層を形成する工程と、光吸収層を形成する工程と、第二の伝導層を形成する工程と、
を備えた光電変換素子の製造方法であって、
前記光吸収層を形成する工程は、
窒化インジウム層を形成する工程と、
前記窒化インジウム層上にパッチを形成する工程と、
を含む光電変換素子の製造方法。

【請求項5】
前記パッチを形成する工程は、さらに、窒化インジウム層上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程を含む、
請求項4記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項6】
前記金属膜を酸化又は窒化処理する工程は、前記金属膜を酸化又は窒化処理することで、生成された金属酸化膜又は金属窒化膜を、前記窒化インジウム層に生じた転位又は粒界を自己組織的に覆うパッチとして形成する
請求項5記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項7】
前記パッチを形成する工程は、複数の窒化インジウム層上において行われる
請求項4記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項8】
第1伝導型からなる第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成される活性層と、
前記活性層上に形成され、第2伝導型からなる第2半導体層と、
を備える光電変換素子であって、
前記第1半導体層および前記活性層および前記第2半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を有する
光電変換素子。

【請求項9】
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8に記載の光電変換素子。

【請求項10】
前記転位不活性部は、結晶欠陥上に形成される
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項11】
前記転位不活性部の膜厚は、2分子層以下である
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項12】
前記転位不活性部の前記膜厚は、1分子層以下である
請求項11に記載の光電変換素子。

【請求項13】
前記転位不活性部の表面被覆率は、1未満である
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項14】
前記第1半導体層は第1バンドギャップエネルギーを有し、
前記第2半導体層は第2バンドギャップエネルギーを有し、
前記活性層は第3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4バンドギャップエネルギーを有し、
前記第4バンドギャップエネルギーは、前記第1バンドギャップエネルギーおよび前記第2バンドギャップエネルギーおよび前記第3バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも大きい
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項15】
前記第3バンドギャップエネルギーは、前記第1バンドギャップエネルギーおよび前記第2バンドギャップエネルギーの少なくともいずれかよりも小さい
請求項14に記載の光電変換素子。

【請求項16】
前記第1半導体層は第1抵抗率を有し、
前記第2半導体層は第2抵抗率を有し、
前記活性層は第3抵抗率を有し、
前記転位不活性部は第4抵抗率を有し、
前記第4抵抗率は、前記第1抵抗率および前記第2抵抗率および前記第3抵抗率の少なくともいずれかよりも大きい
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項17】
前記活性層は第3伝導型を有し、
前記転位不活性部は第4伝導型を有し、
前記第4伝導型は、前記第1伝導型および前記第1伝導型および前記第3伝導型の少なくともいずれかと異なる
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項18】
前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少なくともいずれかは、窒化物半導体InGaAl1-x-yNであり、
前記xおよびyの範囲は、0≦x≦1かつ0≦y≦1かつ0≦x+y≦1である
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項19】
前記転位不活性部は、前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの構成元素と異価数元素を含む
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項20】
前記転位不活性部は、前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの構成元素よりも電気陰性度が大きい元素を含む
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項21】
前記転位不活性部は、酸素および窒素の少なくともいずれかを含む
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項22】
前記転位不活性部は、アルミニウムおよびホウ素およびシリコンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含む
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項23】
前記転位不活性部は、前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層の少なくともいずれかの結晶構造と異なる結晶構造を有する
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項24】
前記第1半導体層および前記第2半導体層および前記活性層および前記転位不活性部の少なくともいずれかの結晶構造は、多結晶もしくはアモルファスである
請求項8に記載の光電変換素子。

【請求項25】
第1伝導型からなる第1半導体層と、前記第1半導体層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成され、第2伝導型からなる第2半導体層と、前記第1半導体層および前記活性層および前記第2半導体層の少なくともいずれかが、転位不活性部を備える光電変換素子の製造方法であって、
前記第1半導体層を形成する第1工程と、
前記第2半導体層を形成する第2工程と、
前記活性層を形成する第3工程と、
前記転位不活性部を形成する第4工程と、
を有する光電変換素子の製造方法。

【請求項26】
前記第4工程が、
第1原料を供給する工程と、
第2原料を供給する工程と、
を有する請求項25に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項27】
前記第4工程が、
前記第1原料を除去する工程と、
前記第2原料を凝縮させる工程と、
を有する請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項28】
前記第4工程が、第3原料を供給する工程
を有する請求項25に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項29】
前記第1原料と前記第2原料とが非混和系である
請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項30】
前記第1原料を供給する前記工程で、
前記第1原料の供給量が、2分子層以上となるよう制御された
請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項31】
前記第4工程が、前記第1原料もしくは前記第2原料の少なくともいずれかの融点よりも高温で行われる
請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項32】
前記第1原料が、ガリウムもしくはインジウムの少なくともいずれかであり、
前記第2原料がアルミニウムである
請求項26に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項33】
前記第3原料が、窒素もしくは酸素の少なくともいずれかである
請求項28に記載の光電変換素子の製造方法。

【請求項34】
前記第3原料が、水もしくは亜酸化窒素の少なくともいずれかである
請求項28に記載の光電変換素子の製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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出願権利状態 公開
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