JP2007145643A

JP2007145643A - 化合物、光電変換装置、発光装置および光通信用装置

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Publication number: JP2007145643A
Application number: JP2005342254A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Oishi; 隆一大石
Original assignee: Sharp Corp
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Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: JP4873938B2

Abstract

【課題】太陽電池などの光電変換装置および発光装置に有用な新規な化合物、その化合物を用いた光電変換装置および発光装置、並びにその発光装置を用いた光通信用装置を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族元素とＶ族元素との化合物であって、ＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合し、Ｖ族元素はＢｉおよびＰを含む化合物である。ここで、化合物の３００Ｋの温度における格子定数は０．５６ｎｍ以上０．５７ｎｍ以下であることが好ましい。また、化合物のエネルギギャップは１．４ｅＶ以下であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、化合物、光電変換装置、発光装置および光通信用装置に関する。

近年、再生可能エネルギが注目されており、再生可能エネルギの１つとして太陽電池が注目されている。太陽電池は光電変換装置の１種であり、以下、特に太陽電池について説明するが、同様の議論が光電変換装置にも成立する。

太陽電池の中には、結晶シリコン基板を用いたもの、シリコン薄膜を用いたもの、化合物半導体を用いたもの、および有機色素を用いたものなどの様々な種類のものが存在する。太陽電池に用いられる材料の中でも、ＩＩＩ族元素とＶ族元素とからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて単一のｐｎ接合を構成することで高い変換効率が得られるだけでなく、互いに異なる波長領域の光を吸収する半導体を用いて複数のｐｎ接合を構成する多接合太陽電池にも利用されており、非常に変換効率の高い太陽電池用材料として重要である。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた太陽電池は、宇宙用電源および地上用電源として、今後の可能性が注目されている。

これまでに最高の変換効率が報告された太陽電池は、光入射側からそれぞれｐｎ接合を有するＩｎＧａＰ／Ｇａ（Ｉｎ）Ａｓ／Ｇｅの３種の太陽電池セル（トップセル、ミドルセルおよびボトムセル）が直列に接合された３接合太陽電池であり、それぞれの太陽電池セルのエネルギギャップは、１．９ｅＶ（トップセル）、１．４ｅＶ（ミドルセル）および０．７ｅＶ（ボトムセル）である。したがって、太陽電池に入射した太陽光のうち、１．９ｅＶ以上のエネルギを有する部分についてはＩｎＧａＰからなるトップセルで、１．４ｅＶ〜１．９ｅＶのエネルギを有する部分についてはＧａ（Ｉｎ）Ａｓからなるミドルセルで、０．７ｅＶ〜１．４ｅＶのエネルギを有する部分についてはＧｅからなるボトムセルでそれぞれ吸収されて、それぞれの太陽電池セルで電子−正孔の対を生成する。ここで、トップセルとミドルセル、ミドルセルとボトムセルはそれぞれほぼ格子整合しており、各太陽電池セルを形成する際、太陽電池特性に悪影響を与える結晶欠陥が各太陽電池セルにできる限り導入されないように設計されている（たとえば、非特許文献１参照）。

上述した３接合太陽電池においては、互いに異なる波長領域の光を吸収する半導体がそれぞれｐｎ接合を有してそれぞれ太陽電池セルを構成しており、これらの太陽電池セルが直列に接合されている。したがって、それぞれの太陽電池セルで吸収され、取り出される電流量が同一でない場合、最小の電流量までしか取り出すことができず、太陽光のエネルギを有効に利用することができなくなる。このような無駄をなくし、太陽電池の変換効率を上げるためには、太陽光によって発生する各太陽電池セルの電流量がそれぞれの太陽電池セルで同一となるように、各太陽電池セルに用いられる材料のエネルギギャップを決めることが重要となる。

上述した３接合太陽電池においては、ボトムセルの電流量が最も多く、ミドルセルの電流量が最も少ないことは公知であり、この太陽電池の変換効率を向上させるためには、現状のミドルセルの代わりに、Ｇｅとほぼ格子整合し、かつ、現状のミドルセルよりもエネルギギャップが小さいエネルギギャップを有する材料を採用する必要がある。

しかしながら、これまで一般的に研究されてきた、ＩＩＩ族元素であるＡｌ、ＧａまたはＩｎと、Ｖ族元素であるＰ、ＡｓまたはＳｂと、のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で、Ｇｅにほぼ格子整合し、現状のミドルセルよりもエネルギギャップが小さい材料が存在しないことも公知の事実である。そのため、これまであまり研究されてこなかった、ＧａＩｎＮＡｓ、ＢＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＢｉＮ、または（Ｉｎ）ＧａＴｌＰなどが検討されてきている（たとえば、非特許文献２〜５参照）。

また、一方で、Ｇｅとは格子不整合であるけれども、１．１ｅＶ〜１．２５ｅＶ程度のエネルギギャップを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてはＩｎＧａＡｓなどが存在するため、このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて太陽電池の変換効率を向上させる試みも行なわれている（たとえば、非特許文献６参照）。

その他、青色発光装置用材料として注目されているＩｎＧａＮを用いて多接合太陽電池を作製しようとする試みも行なわれている（たとえば、非特許文献７参照）。

上記においては太陽電池に関する背景技術を述べてきたが、本発明の化合物は発光装置用の材料としても重要である。そこで、以下においては、特に、光ファイバを用いた光通信用の発光装置の背景技術についても述べる。

光ファイバを用いて光通信を行なう際には、光ファイバによる光の減衰が問題となる。光の減衰の影響を最小限に抑えるためには、減衰が小さい波長の光を用いることが考えられる。ここで、最も減衰の小さい波長は１．５５μｍ（光子エネルギ：０．８ｅＶ）であり、長距離を増幅することなく光通信をするためにはこの波長が最も好都合である。また、近距離の光通信に関しては、波長１．３μｍ（光子エネルギ：０．９５ｅＶ）の光を利用することも可能と考えられている。

これまで、光通信用の発光装置としては、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓまたはＺｎＳｅなどの半導体を形成して作製されたものが多かった。発光装置の活性層は、その厚みを太陽電池と比較して薄くすることが可能で、臨界厚み以下では格子不整合でも欠陥を導入せずに形成することが可能であるため、格子整合に関する要請は太陽電池ほど重要ではない。しかし、これまで一般的に研究されてきた、ＩＩＩ族元素であるＡｌ、ＧａまたはＩｎと、Ｖ族元素であるＰ、ＡｓまたはＳｂと、のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で、Ｇｅにほぼ格子整合し、ＧａＡｓ基板上で波長１．５５μｍまたは１．３μｍの光を発光する材料は存在しない。そこで、太陽電池の場合と同様に、これまであまり研究されてこなかった、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）、ＧａＡｓＢｉＮ、または（Ｉｎ）ＧａＴｌＰなどが検討されてきている（たとえば、非特許文献２および非特許文献８〜９参照）。

また、ＧａＡｓ基板以外の基板を用いて発光装置を作製する方法も考えられており、現在ではＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ、あるいはＧａＩｎＴｌＡｓなどの材料を形成した発光装置も作製されている（たとえば、非特許文献１０参照）。
G.Strobl et al., "DEVELOPMENT AND QUALIFICATION STATUS OF EUROPEAN TRIPLE JUNCTION SOLAR CELLS FOR SPACE APPLICATIONS", Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference., ２００４年６月, ｐ．３６１４ S.Kurtz et al., "Capacitance-spectroscopy identification of a key defect in N-degrated GaInNAs solar cells", Appl. Phys. Lett. vol．86, ２００５年, ｐ．１１３５０６ J.F.Geisz et al., "BGaInAs SOLAR CELLS LATTICE-MATCHED TO GaAS", Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, ２０００年, ｐ．９９０ S.Tixier et al., "Band gaps of the dilute quaternary alloys GaNxAs1-x-yBiyand Ga1-yInyNxAs1-x", Appl. Phys. Lett. vol．86, ２００５年, ｐ．１１２１１３ D.J.Friedman et al., "Exploration of GaInTlP and Related Tl-containing III-V Alloys for Photovoltaics", Presented at the National Center for Photovoltaics Program Review Meeting Denver, Colorado, September 8-11, 1998 (NREL/CP-520-25737) M.Yamaguchi et al., "CONSIDERATION OF LATTICE-MISMATCHED InGaP/InGaAs/Ge 3-JUNCTION SOLAR CELLS", Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference., ２００４年６月, ｐ．３６１０ O.Jani et al., "CHARACTERIZATION AND ANALYSIS OF InGaN PHOTOVOLTAIC DEVICES", Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference ２００５年１月 L.H.Li et al., "Investigations on GaInNAsSb quinary alloy for 1.5 μm laser emission on GaAs", Appl. Phys. Lett. vol.83, ２００３年８月, ｐ．１２９８ W.Huang et al., "GaNyAs1-x-yBixAlloy Lattice Matched to GaAs with 1.3μm Photoluminescence Emission", Jpn. J. Appl. Phys. vol.43, ２００４年，ｐ．Ｌ１３５０ H.J.Lee et al., "Gas source MBE growth of TlInGaAs/InP laser diodes and their room temperature operation", J. Crystal Growth 251, ｐ．８００ M.W.Wanlass et al., SPW 4/18-21/05 プレゼンテーション資料

上述の３接合太陽電池のミドルセル用材料として検討されてきた、ＧａＩｎＮＡｓ、ＢＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＢｉＮ、および（Ｉｎ）ＧａＴｌＰについては以下のような問題があった。

すなわち、まず、ＧａＩｎＮＡｓおよびＧａＡｓＢｉＮ中に含まれるＮは、以前より間接遷移ＧａＰ中の発光再結合中心として導入されてきたことからもわかるように、太陽電池で重要視される少数キャリア拡散長に影響を及ぼす。また、ＢＩｎＧａＡｓにおいては、Ｂが膜中に取り込まれるかどうかに関わらず、Ｂ導入に用いられるジボランガスを導入するだけで原因不明の膜の品質低下が起こるという問題があった（非特許文献３参照）。また、（Ｉｎ）ＧａＴｌＰにおいては、Ｔｌが膜中に取り込まれずに表面に金属のドロップレットができるなどの均質な膜が作製できないという問題があった（非特許文献５参照）。

また、Ｇｅと格子不整合であるＩｎＧａＡｓを上述の３接合太陽電池のミドルセルに用いた場合には、ミドルセルを構成するＩｎＧａＡｓに欠陥の導入は避けられず、さらに、ミドルセル上のトップセルの品質まで低下させてしまうという問題がある。また、基板上にトップセル、ミドルセルの順に通常とは逆の方向に積層することでトップセルの品質低下を抑え、最後に基板を剥離する方法（非特許文献１１参照）においては比較的良好な結果が得られている。しかしながら、この方法においては、厚いグレーディッド層が必要でコストがかかるだけでなく、通常はボトムセルとして用いられているＧｅのエネルギギャップに対応する程度の低い太陽光のエネルギまで有効に利用できるボトムセルをミドルセル上に形成することが難しいという問題があった。

また、青色発光装置用材料であるＩｎＧａＮを太陽電池に用いた場合には、発光装置の特性向上に貢献しているＩｎの不均一性が、太陽電池においては開放電圧の低下などの不利な方向に作用するという問題がある。仮に、将来、均一にＩｎが含まれているＩｎＧａＮができたとしても、これを用いて多接合太陽電池を作製する場合に格子不整合は不可避である。

また、発光装置に関しても、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）、ＧａＡｓＢｉＮおよび（Ｉｎ）ＧａＴｌＰをＧａＡｓ基板上に形成して作製された発光装置については良好な結果が得られていない。ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）およびＧａＡｓＢｉＮについて、ＮはＡｓやＳｂと比較して共有結合半径が小さいため取り込まれにくく、仮に取り込まれたとしても材料の高品質化が問題となる。また、（Ｉｎ）ＧａＴｌＰについては、上述したように、均質な膜ができないという問題がある。

また、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＧａＩｎＴｌＡｓなどの材料を形成した発光装置においては、ＩｎＰ基板はＧａＡｓ基板よりも高価であるため、コストが高くなるという問題があった。また、ＩｎＰ基板を用いた発光装置においてはキャリアの閉じ込め効率が良くないために温度特性が良くないという問題だけでなく、ＧａＡｓ基板上のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多層膜のように反射率の高いミラーを形成することができないため、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の作製が困難であるという問題もあった。

そこで、本発明の目的は、太陽電池などの光電変換装置および発光装置に有用な新規な化合物、その化合物を用いた光電変換装置および発光装置、並びにその発光装置を用いた光通信用装置を提供することにある。

本発明は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との化合物であって、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）またはＧｅ（ゲルマニウム）にほぼ格子整合し、Ｖ族元素はＢｉ（ビスマス）およびＰ（リン）を含む、化合物である。ここで、本発明の化合物には、ＢｉおよびＰ以外のＶ族元素、たとえばＡｓ（ヒ素）および／またはＳｂ（アンチモン）などが含まれていてもよいことは言うまでもない。また、本発明の化合物には、たとえばｐｎ接合の形成などを目的としてｐ型不純物またはｎ型不純物が含まれていてもよく、不可避的に含まれる不純物が含まれていてもよい。

また、本発明の化合物の３００Ｋ（ケルビン）の温度における格子定数は、０．５６ｎｍ以上０．５７ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の化合物のエネルギギャップは、１．４ｅＶ以下であることが好ましい。
また、本発明の化合物のエネルギギャップは、０．７５ｅＶ以上１．３ｅＶ以下であることがさらに好ましい。

また、本発明の化合物は、ＧａＰＳｂＢｉの化学式で表わされ得る。
また、本発明の化合物は、ＧａＡｓＢｉＰの化学式で表わされ得る。

また、本発明は、上記のいずれかに記載の化合物を含む、光電変換装置である。
また、本発明の光電変換装置は、複数のｐｎ接合を有し得る。

また、本発明は、上記のいずれかに記載の化合物を含む、発光装置である。
また、本発明の発光装置は、光通信用であり得る。

さらに、本発明は、上記の発光装置を用いた光通信用装置である。
なお、本明細書において、ＧａＰＳｂＢｉの化学式で表わされる化合物は、ＧａＰ_1-x-yＳｂ_xＢｉ_y（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）の組成式で表わされる化合物を意味する。また、本明細書において、ＧａＡｓＢｉＰの化学式で表わされる化合物は、ＧａＡｓ_1-x-yＢｉ_xＰ_y（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）の組成式で表わされる化合物を意味する。

本発明によれば、太陽電池などの光電変換装置および発光装置に有用な新規な化合物、その化合物を用いた光電変換装置および発光装置、並びにその発光装置を用いた光通信用装置を提供することができる。

本発明は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素との化合物であって、ＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合し、Ｖ族元素はＢｉおよびＰを含む化合物であることを特徴としている。これは、本発明者が鋭意検討した結果、このような化合物であれば、太陽電池などの光電変換装置および発光装置に有用となり得ることを見い出したことによるものである。

ここで、本発明において「ＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合」とは、本発明の化合物の３００Ｋの温度における格子定数とＧａＡｓの３００Ｋの温度における格子定数５．６５３ｎｍとの差の絶対値および本発明の化合物の３００Ｋの温度における格子定数とＧｅの３００Ｋの温度における格子定数５．６４６ｎｍとの差の絶対値がそれぞれ０ｎｍ以上０．１ｎｍ以下であることを意味している。特に、本発明の化合物の３００Ｋの温度における格子定数は０．５６ｎｍ以上０．５７ｎｍ以下であることが、ＧａＡｓまたはＧｅとの良好な格子整合の観点から好ましい。

また、本発明の化合物を、変換効率の高い太陽電池などの光電変換装置用の材料および光通信用の波長１．５５μｍまたは波長１．３μｍ程度の光を発光する発光装置の活性層用の材料の双方に適用できるようにする観点からは、本発明の化合物のエネルギギャップは１．４ｅＶ以下であることが好ましく、０．７５ｅＶ以上１．３ｅＶ以下であることがより好ましい。

たとえば、本発明の化合物のエネルギギャップが１．２５ｅＶ程度である場合には、本発明の化合物を上述した３接合太陽電池のミドルセル用材料として用いることにより、さらなる変換効率の向上が期待できる。すなわち、この３接合太陽電池は、たとえば、ｐｎ接合を有するＧｅからなるボトムセル上に、ｐｎ接合を有する本発明の化合物からなるミドルセルが形成され、このミドルセル上にｐｎ接合を有するＩｎＧａＰ（インジウムガリウムリン）からなるトップセルが形成された構成とすることができる。なお、この３接合太陽電池においては、ボトムセルとミドルセルとの間およびミドルセルとトップセルとの間には通常、トンネル接合が形成される。また、上記の各セルには光吸収の役割を受け持つ層よりエネルギギャップが広い窓層や、キャリア収集効率向上のため電界効果を狙った層（たとえば、ＢＳＦ（Back Surface Field）層）などが形成されてもよい。

また、たとえば、本発明の化合物のエネルギギャップが１．１ｅＶ程度である場合には、２接合太陽電池の材料として適用することで、上述の３接合太陽電池と同様の変換効率が期待できる。この２接合太陽電池は、たとえば、Ｇｅなどからなる基板上にｐｎ接合を有する本発明の化合物からなるボトムセルおよびエネルギギャップが１．７ｅＶ程度の材料からなるトップセルを順次形成した後に、Ｇｅなどからなる基板を剥離することによって形成することができ、薄膜で変換効率が高い２接合太陽電池を得ることができる。なお、エネルギギャップが１．７ｅＶ程度の材料としては、たとえばＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）、ＩｎＧａＡｓＰまたは副格子がランダム配列のＩｎＧａＰなどを用いることができる。なお、この２接合太陽電池においては、ボトムセルとトップセルとの間には通常、トンネル接合が形成される。また、上記の各セルには光吸収の役割を受け持つ層よりエネルギギャップが広い窓層や、キャリア収集効率向上のため電界効果を狙った層（たとえば、ＢＳＦ層）などが形成されてもよい。

また、たとえば、本発明の化合物のエネルギギャップが１．０ｅＶ程度である場合には、４接合太陽電池の材料として適用することで、上述の３接合太陽電池の変換効率を超える変換効率を有する太陽電池が期待できる。この４接合太陽電池は、たとえば、ｐｎ接合を有するＧｅからなるボトムセル上にｐｎ接合を有する本発明の化合物からなる第１ミドルセル、ｐｎ接合を有するＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓからなる第２ミドルセルおよびｐｎ接合を有するＩｎＧａＰからなるトップセルが順次形成された構成とすることができる。なお、この４接合太陽電池においては、ボトムセルと第１ミドルセルとの間、第１ミドルセルと第２ミドルセルとの間および第２ミドルセルとトップセルとの間には通常、トンネル接合が形成される。また、上記の各セルには光吸収の役割を受け持つ層よりエネルギギャップが広い窓層や、キャリア収集効率向上のため電界効果を狙った層（たとえば、ＢＳＦ層）などが形成されてもよい。また、４接合太陽電池のボトムセルを剥離した層構造にすることで薄膜状の３接合太陽電池とすることもできる。

なお、本発明の光電変換装置の一例である太陽電池としては、上述した構成以外の構成を有するものも含まれ、たとえば多接合太陽電池においては、本発明の化合物からなる太陽電池セルを含んでいれば、それぞれの太陽電池セルで発生する電流量を一致させるように他の半導体層のエネルギギャップを適宜選択して太陽電池セルを構成することにより高い変換効率を有する太陽電池を得ることができる。また、本発明の光電変換装置の一例である太陽電池としては、本発明の化合物にｐｎ接合を形成した単接合の太陽電池の構成とすることもできるが、本発明の化合物は、現在世界中で開発が行なわれている複数のｐｎ接合を有する太陽電池として利用することが望ましい。

また、たとえば、本発明の化合物のエネルギギャップが０．９５ｅＶ程度である場合には、本発明の化合物は、波長１．３μｍの光を発光する発光装置の活性層用の材料として好適である。この場合には、たとえばＧａＡｓ基板を用い、ＧａＡｓ基板上に高反射率のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多層膜等を形成することでＶＣＳＥＬとすることも可能となる。

また、たとえば、本発明の化合物のエネルギギャップが０．８ｅＶ程度である場合には、本発明の化合物は、波長１．５５μｍの光を発光する発光装置の活性層用の材料として好適である。この場合には、たとえばＧａＡｓ基板を用いた場合には従来のＩｎＰ基板を用いた場合よりも低コスト化が可能になり、ＧａＡｓ基板上に高反射率のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多層膜等を形成することでＶＣＳＥＬとすることも可能となる。

このように本発明の化合物を活性層に適用した発光装置は、波長１．３μｍまたは波長１．５５μｍの光を発光し得るため、背景技術の欄で説明したように光通信用の発光装置として有用である。したがって、本発明の化合物を活性層に適用した発光装置を含む本発明の光通信装置も有用となる。なお、本発明の光通信装置は、本発明の化合物を活性層に適用した発光装置以外にも光ファイバなどの光伝達系を備え得る。

また、たとえば、本発明の化合物のエネルギギャップが０．７ｅＶ程度である場合には、本発明の化合物は、上記の多接合太陽電池のＧｅからなるセルの代わりに用いることが可能である。この場合には、ＧｅまたはＧａＡｓからなる基板上に本発明の化合物を用いた太陽電池をボトムセルとして採用し、そのボトムセル上にそのボトムセルよりも大きなエネルギギャップを有する半導体層を積層した構造の多接合太陽電池を得ることができる。なお、上記のＧｅまたはＧａＡｓからなる基板は取り去ることも可能であるし、取り去った基板を再利用すれば低コスト化も同時に可能とする。

また、０．７ｅＶよりも小さいエネルギギャップを有する本発明の化合物は、さらに長波長の光まで光電変換可能な多接合太陽電池としても利用できるし、エネルギギャップの調節により、赤外線領域の波長の光に対応可能な光電変換素子あるいは赤外線領域の発光素子として利用することが可能である。

なお、本発明の化合物を構成する元素の同定は、元素分析で一般に広く用いられている方法、たとえば、走査型電子顕微鏡から電子線を照射して放射される特性Ｘ線を検出する方法などにより行なうことができる。なお、本発明の化合物が層状構造中の一層を形成しており、本発明の化合物により構成される層がその層状構造の表面から遠い位置に存在する場合には、走査型電子顕微鏡を用いて断面方向から上記と同様に同定するか、または、透過型電子顕微鏡を用いて上記と同様に同定する方法などがある。

また、本発明の化合物の３００Ｋの温度における格子定数は、本発明の化合物の温度が３００Ｋの状態において、Ｃｕ−Ｋα線を用いて、格子定数の評価に広く用いられているＸ線回折法により特定することができる。なお、本発明の化合物が層状構造中の一層を形成しており、その他の層が多数存在する場合には、透過型電子顕微鏡により得られた原子像から特定することもできる。なお、透過型電子顕微鏡により得られた原子像から格子定数を特定する場合には、たとえば、３００Ｋの温度における格子定数が既知の層の格子定数で規格化することにより格子定数を特定することが可能である。

また、本発明の化合物のエネルギギャップは、本発明の化合物の温度が３００Ｋの状態におけるＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルのピーク位置から求めることができる。ここで励起光としては波長５２４．５ｎｍのＡｒレーザ光などを用いることができ、励起強度は約１０⁵Ｗ／ｃｍ²などとすることができる。なお、本発明の化合物が層状構造中の一層を形成しており、その他の層が多数存在する場合には、本発明の化合物により構成される層のエネルギギャップを特定することは困難であるため、たとえば、その断面方向から励起光を入射してＰＬスペクトルを測定することができる。また、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡により電子線を照射してＣＬ（カソードルミネッセンス）を測定し、そのピークの位置からもエネルギギャップを特定することもできる。ＰＬスペクトルおよびＣＬスペクトルのいずれの場合にも、複数の層からの発光ピークが重なるような場合には、それぞれの複数のピークの位置を仮定し、カーブフィッティングによりそのピーク位置を特定することができる。

（実施例１）
従来から公知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に、キャリアガスとしてＨ₂を１．５（Ｌ／ｍｉｎ）の流量で導入するとともに、原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１８．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＰＨ₃（ホスフィン）を２１．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を５４．７（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＢｉ（トリメチルビスマス）を１．９（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で導入し、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度が５３０℃の条件で、ＭＯＣＶＤ法により、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

これらの成長した膜を同定したところ、これらの膜はそれぞれＧａＰＳｂＢｉの化学式で表わされる化合物であることが判明した。なお、これらの膜を構成する元素はそれぞれ、走査型電子顕微鏡から電子線を照射して放射される特性Ｘ線を検出する方法により同定された。

また、これらの膜の３００Ｋの温度における格子定数を測定したところ、それぞれ０．５６５ｎｍであることが判明した。なお、これらの膜の３００Ｋの温度における格子定数はそれぞれ、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折法により測定された。

また、これらの膜のエネルギギャップを測定したところ、それぞれ１．２３ｅＶであることが判明した。なお、これらの膜のエネルギギャップはそれぞれ温度が３００Ｋの状態におけるＰＬスペクトルのピーク位置から求められた。ここで、励起光としては波長５２４．５ｎｍのＡｒレーザ光が用いられ、励起強度は約１０⁵Ｗ／ｃｍ²であった。

上記の膜の３００Ｋの温度における格子定数が０．５６５ｎｍであることから、これらの膜はそれぞれＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合することが判明した。

（実施例２）
ＰＨ₃を２２．２（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＳｂを５３．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＢｉ（トリメチルビスマス）を２．１（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量でＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度を５２０℃としたこと以外は実施例１と同様にして、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

その成長した膜を実施例１と同一の方法により同定したところ、これらの膜はそれぞれＧａＰＳｂＢｉの化学式で表わされる化合物であることが判明した。

また、これらの膜の３００Ｋの温度における格子定数を実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．５６３ｎｍであることが判明した。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ１．０９ｅＶであることが判明した。

上記の膜の３００Ｋの温度における格子定数が０．５６３ｎｍであることから、これらの膜はそれぞれＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合することが判明した。

（実施例３）
ＰＨ₃を２３．５（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＳｂを５３．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＢｉ（トリメチルビスマス）を２．４（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量でＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度を５１０℃としたこと以外は実施例１と同様にして、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜の３００Ｋの温度における格子定数を実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．５６４ｎｍであることが判明した。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ１．０２ｅＶであることが判明した。

上記の膜の３００Ｋの温度における格子定数が０．５６４ｎｍであることから、これらの膜はそれぞれＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合することが判明した。

（実施例４）
ＰＨ₃を２３．９（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＳｂを５３．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＢｉ（トリメチルビスマス）を２．５（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量でＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度を４９５℃としたこと以外は実施例１と同様にして、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜の３００Ｋの温度における格子定数を実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．５６５ｎｍであることが判明した。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．９５ｅＶであることが判明した。

（実施例５）
ＰＨ₃を２５．２（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＳｂを５３．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＢｉ（トリメチルビスマス）を２．９（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量でＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度を４８０℃としたこと以外は実施例１と同様にして、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜の３００Ｋの温度における格子定数を実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．５６６ｎｍであることが判明した。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．８ｅＶであることが判明した。

上記の膜の３００Ｋの温度における格子定数が０．５６６ｎｍであることから、これらの膜はそれぞれＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合することが判明した。

（実施例６）
ＰＨ₃を２６．６（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＳｂを５３．０（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量で、ＴＭＢｉ（トリメチルビスマス）を３．１（μｍｏｌ／ｍｉｎ）の流量でＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度を４８０℃としたこと以外は実施例１と同様にして、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．７ｅＶであることが判明した。

なお、上記の実施例１〜実施例６における膜の成長条件および成長した膜の物性（３００Ｋの温度における格子定数およびエネルギギャップ）を以下の表１にまとめる。

なお、上記の実施例１〜実施例６においては、ＭＯＣＶＤ法により膜を成長する方法について説明したが、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などの他の結晶成長方法でも作製は可能である。

（実施例７）
従来から公知のガスソースＭＢＥ装置を用いて、Ｇａビーム圧力４．０×１０^-7Ｔｏｒｒ、Ａｓビーム圧力８．０×１０^-6Ｔｏｒｒ、Ｂｉビーム圧力２．６×１０^-8Ｔｏｒｒ、およびＰビーム圧力１．２×１０^-7Ｔｏｒｒの条件並びにＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面温度が３８０℃の条件で、ガスソースＭＢＥ法により、これらの基板の表面上にそれぞれ膜を成長させた。

その成長した膜を実施例１と同一の方法により同定したところ、これらの膜はそれぞれＧａＡｓＢｉＰの化学式で表わされる化合物であることが判明した。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ１．２２ｅＶであることが判明した。

（実施例８）
Ｂｉビーム圧力３．３×１０^-8ＴｏｒｒおよびＰビーム圧力１．５×１０^-7Ｔｏｒｒの条件としたこと以外は実施例７と同様にして、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ１．１１ｅＶであることが判明した。

（実施例９）
Ｂｉビーム圧力３．９×１０^-8ＴｏｒｒおよびＰビーム圧力２．０×１０^-7Ｔｏｒｒの条件としたこと以外は実施例７と同様にして、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ１．００ｅＶであることが判明した。

（実施例１０）
Ｂｉビーム圧力４．２×１０^-8ＴｏｒｒおよびＰビーム圧力２．２×１０^-7Ｔｏｒｒの条件としたこと以外は実施例７と同様にして、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．９３ｅＶであることが判明した。

（実施例１１）
Ｂｉビーム圧力５．０×１０^-8ＴｏｒｒおよびＰビーム圧力２．６×１０^-7Ｔｏｒｒの条件としたこと以外は実施例７と同様にして、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．７８ｅＶであることが判明した。

（実施例１２）
Ｂｉビーム圧力５．２×１０^-8ＴｏｒｒおよびＰビーム圧力３．１×１０^-7Ｔｏｒｒの条件としたこと以外は実施例７と同様にして、ＧａＡｓからなる基板およびＧｅからなる基板のそれぞれの表面上にそれぞれ膜を成長させた。

また、これらの膜のエネルギギャップを実施例１と同一の方法により確認したところ、それぞれ０．６８ｅＶであることが判明した。

なお、上記の実施例７〜実施例１２における膜の成長条件および成長した膜の物性（３００Ｋの温度における格子定数およびエネルギギャップ）を以下の表２にまとめる。

なお、上記の実施例７〜実施例１２においては、ガスソースＭＢＥ法により膜を成長する方法について説明したが、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法などの他の結晶成長方法でも作製は可能である。

今回開示された実施の形態および実施例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。

本発明の化合物は、光電変換装置（特に、太陽電池）および赤外線領域の発光装置などに適用することが可能であり、高変換効率の光電変換装置および赤外線領域の安価な発光装置、光通信用装置などを提供することが可能である。

Claims

ＩＩＩ族元素とＶ族元素との化合物であって、ＧａＡｓまたはＧｅにほぼ格子整合し、前記Ｖ族元素はＢｉおよびＰを含む、化合物。
３００Ｋの温度における格子定数が０．５６ｎｍ以上０．５７ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の化合物。
エネルギギャップが１．４ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の化合物。
エネルギギャップが０．７５ｅＶ以上１．３ｅＶ以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の化合物。
ＧａＰＳｂＢｉの化学式で表わされることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の化合物。
ＧａＡｓＢｉＰの化学式で表わされることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の化合物。
請求項１から６のいずれかに記載の化合物を含む、光電変換装置。
複数のｐｎ接合を有することを特徴とする、請求項７に記載の光電変換装置。
請求項１から６のいずれかに記載の化合物を含む、発光装置。
光通信用であることを特徴とする、請求項９に記載の発光装置。
請求項９または１０に記載の発光装置を用いることを特徴とする、光通信用装置。