JP2011040459A - Multilayered quantum dot structure and method of manufacturing the same, and solar cell element and light emitting element using the same - Google Patents

Multilayered quantum dot structure and method of manufacturing the same, and solar cell element and light emitting element using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multilayered quantum dot structure having respective layers made faster in growing speed than before by providing a normal GaAs layer having a simple structure as an intermediate layer of a quantum dot layer without growing a strain compensation layer increasing processes, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: In the multilayered quantum dot structure having InGaAs quantum dot laminate structures provided on a GaAs buffer layer, an arbitrary number of InGaAs quantum dot laminate structures 6 are laminated, each of the laminate structures 6 including an InGaAs thin-film layer 3 provided with a plurality of InGaAs quantum dots 4 and a GaAs buffer layer 5 provided on the InGaAs thin-film layer 3 so as to bury the InGaAs quantum dots 4. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体受光・発光素子に関し、特に多積層量子ドット構造体および製造方法、それを用いた太陽電池素子および発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light-receiving / light-emitting element, and more particularly to a multi-layered quantum dot structure and a manufacturing method, and a solar cell element and a light-emitting element using the same.

In(Ga)As量子ドットを用いる半導体受光・発光素子においては、特性向上のため、高密度化が必須である。量子ドットを高密度化する方法としては、面内のドット密度を増加させる方法と、量子ドット層を多積層化する方法とがある。特に太陽電池構造への応用を考える場合には、量子ドットが上下、及び面内方向で整列することが必要である。   In a semiconductor light-receiving / light-emitting element using In (Ga) As quantum dots, higher density is essential for improving characteristics. As a method for increasing the density of quantum dots, there are a method for increasing in-plane dot density and a method for stacking multiple quantum dot layers. In particular, when considering application to a solar cell structure, it is necessary that the quantum dots are aligned vertically and in the in-plane direction.

しかしながら量子ドットを多積層化する方法では、量子ドットは格子不整合系の結晶成長を利用するため、多積層化によって格子歪が結晶中に蓄積することによって転位や欠陥が生じ、特にInAs量子ドットでは、その結晶特性が著しく悪化することが知られている(例えば非特許文献1参照)。   However, in the method of multi-stacking quantum dots, since the quantum dots use lattice-mismatched crystal growth, dislocations and defects occur due to the accumulation of lattice strains in the crystal due to multi-stacking, especially InAs quantum dots Then, it is known that the crystal characteristic will deteriorate remarkably (for example, refer nonpatent literature 1).

InAs量子ドットを多積層化する場合、それぞれの量子ドット間の中間層を40nm程度に厚くすれば、その良好な光学特性を保ったまま多積層化可能であるが、40nmの厚さではドット層間で上下にドットが並ぶことはなく、太陽電池構造に必要な整列構造は得られない。   When multiple layers of InAs quantum dots are stacked, if the intermediate layer between the quantum dots is made as thick as about 40 nm, multiple layers can be formed while maintaining its good optical characteristics. In this case, dots are not lined up and down, and the alignment structure necessary for the solar cell structure cannot be obtained.

この問題に対する一つの回答として、InAs量子ドット間の中間層GaAsに、N(窒素)などの格子定数の少ない物質を添加し、GaNAs層を中間層とすることで格子歪を緩和し(歪補償層の利用)、多積層構造とするといった方法が提案されている。
しかしながら、Nという別の元素を必要とするため、他の分子線セルを準備する必要があるといった問題点が存在する(例えば非特許文献2参照)。
As one answer to this problem, a material having a small lattice constant such as N (nitrogen) is added to the intermediate layer GaAs between InAs quantum dots, and the lattice strain is relaxed by using the GaNAs layer as an intermediate layer (strain compensation). The use of multiple layers is proposed.
However, since another element of N is required, there is a problem that it is necessary to prepare another molecular beam cell (see, for example, Non-Patent Document 2).

また、高品質な量子ドット構造を成長するためには、その成長速度は0.006ML(分子層)/s(秒)といった極めて遅い成長速度が必要とされてきた(例えば非特許文献3参照)。
その場合、量子ドットを多積層化するためには長い時間が必要となり、例えば100層を積層しようとすると、ドット層だけで12時間の時間を要し、非現実的なものとなる。
In addition, in order to grow a high-quality quantum dot structure, an extremely slow growth rate of 0.006 ML (molecular layer) / s (seconds) has been required (see, for example, Non-Patent Document 3). .
In that case, it takes a long time to stack a plurality of quantum dots. For example, if 100 layers are stacked, it takes 12 hours only for the dot layer, which is unrealistic.

一方、InAs量子ドット成長の高品質化については、As2を用いることによってその結晶性が向上することを本発明者の共同研究者が提案している(特許文献1、2参照)。しかしながら、必要な太陽電池出力を得ることができる程度に量子ドット層を積層することは、歪補償層無しでは不可能と予想されていた。
さらには、量子ドットを備えた半導体受光・発光素子としては、レーザー用としての開発が優先して行われており、太陽電池としての開発は遅れていた。
On the other hand, for improving the quality of InAs quantum dot growth, the joint researcher of the present inventor has proposed that the crystallinity is improved by using As2 (see Patent Documents 1 and 2). However, it has been expected that it is impossible to stack the quantum dot layer to the extent that the required solar cell output can be obtained without the strain compensation layer.
Furthermore, as semiconductor light-receiving / light-emitting elements equipped with quantum dots, development for lasers has been given priority, and development as solar cells has been delayed.

特開2007−53322号公報JP 2007-53322 A 特開2007−194378号公報JP 2007-194378 A

“L. Marti, N. Lopez, E. Antolin, E. Canovas, A. Luque, C. Stanley, C. Farmer, and P. Diaz, Appl. Phys. Lett. 90, (2007)233510.“L. Marti, N. Lopez, E. Antolin, E. Canovas, A. Luque, C. Stanley, C. Farmer, and P. Diaz, Appl. Phys. Lett. 90, (2007) 233510. “R. Oshima, T. Hashimoto, H. Shigekawa, and Y. Okada, J. Appl. Phys. 100, (2006) 083110.“R. Oshima, T. Hashimoto, H. Shigekawa, and Y. Okada, J. Appl. Phys. 100, (2006) 083110. “K. Yamaguchi, K. Yujobo, and T. Kaizu, Jpn. J. Appl. Phys. 39, (2000) L1245.“K. Yamaguchi, K. Yujobo, and T. Kaizu, Jpn. J. Appl. Phys. 39, (2000) L1245. “T. Sugaya, T. Amano, and K. Komori, J. Appl. Phys. 104, (2008) 083106.“T. Sugaya, T. Amano, and K. Komori, J. Appl. Phys. 104, (2008) 083106. “R. Oshima, A. Takata, and Y. Okada, Appl. Phys. Lett. 93, 083111 (2008).“R. Oshima, A. Takata, and Y. Okada, Appl. Phys. Lett. 93, 083111 (2008).

本発明は、上記の問題点に鑑み、工程を増加させる歪補償層を成長させることなく、簡単な構造をとる通常のGaAs層を量子ドット層の中間層として設け、各層の成長速度を従来のものより早くする多積層量子ドット構造体および製造方法を得ることを目的とする。
また、上記多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子および発光素子を得ることを目的とする。
In view of the above-mentioned problems, the present invention provides a normal GaAs layer having a simple structure as an intermediate layer of a quantum dot layer without growing a strain compensation layer that increases the number of steps. An object is to obtain a multi-stacked quantum dot structure and manufacturing method that are faster than those.
It is another object of the present invention to obtain a solar cell element and a light emitting element using the multi-stacked quantum dot structure.

本発明では、上記目的を達成するために、基本的に、InGaAs量子ドットを設けたInGaAs薄膜層上に、GaAsバッファ層を設けたInGaAs量子ドット構造体を用いる。このInGaAs量子ドット構造体により、歪補償層無しで高速成長の量子ドット構造体を構成する。InGaAs薄膜層とGaAsバッファ層のInGaAs量子ドット構造体における積層方向の端面は歪み無く平坦にできる。InGaAs量子ドットは、InGaAs薄膜層を形成した後、その上に量子ドットとして成長させる。InGaAs薄膜層とInGaAs量子ドットの成長は連続的に行われ、InGaAsが自己形成的に量子ドットを構成するものである。
更には、上記InGaAs量子ドット構造体を単位として、このInGaAs量子ドット構造体を必要な層数(段数)積層してInGaAs量子ドット積層構造体として、高出力を得るようにする。このInGaAs量子ドット構造体を用いるので、今まで達成することができなかったほどの数の層数積層することができる。
更には、上記InGaAs量子ドット積層構造体をi層とし、このi層を挟んでGaAsのp層およびn層を設けて太陽電池を構成することにより、高出力の太陽電池とすることができる。
In order to achieve the above object, the present invention basically uses an InGaAs quantum dot structure in which a GaAs buffer layer is provided on an InGaAs thin film layer in which InGaAs quantum dots are provided. This InGaAs quantum dot structure forms a high-speed growth quantum dot structure without a strain compensation layer. The end faces in the stacking direction in the InGaAs quantum dot structure of the InGaAs thin film layer and the GaAs buffer layer can be flat without distortion. InGaAs quantum dots are grown as quantum dots on an InGaAs thin film layer after it is formed. InGaAs thin film layers and InGaAs quantum dots are grown continuously, and InGaAs forms quantum dots in a self-forming manner.
Further, with the above InGaAs quantum dot structure as a unit, this InGaAs quantum dot structure is stacked in the required number of layers (the number of steps) to obtain a high output as an InGaAs quantum dot stacked structure. Since this InGaAs quantum dot structure is used, the number of layers as many as could not be achieved so far can be stacked.
Furthermore, a high-power solar cell can be obtained by configuring the above InGaAs quantum dot laminated structure as an i layer and providing a p-type and n-type GaAs layer sandwiching the i-layer to form a solar cell.

InGaAsはGaAsに対する格子不整合の割合がInAsに比べて小さいため、歪補償層無しで良好な光学特性を保ったまま多積層化することができる。
また、量子ドットの良好な結晶特性を保ったまま多積層化するためのバッファ層の厚さを薄くすることができる。
具体的には、従来InAs量子ドットの多積層化には40nm以上のバッファ層が必要であったが、本発明のInGaAs系では20nm以下で0nmを超える範囲内の任意の厚さにすることができる。中間層を20nm以下で0nmを超える範囲内の任意の厚さにすることにより、量子ドット構造を成長方向に整列させることもできる。実際に、In組成を0.4としたInGaAs量子ドット層を、20nmの中間層で100層、良好な光学特性を保ったまま成長することに成功した。In組成については、0.3以上で0.5以下の範囲内の任意の値が望ましい。
Since InGaAs has a smaller lattice mismatch ratio to GaAs than InAs, it can be multi-layered while maintaining good optical characteristics without a strain compensation layer.
In addition, the thickness of the buffer layer for multi-stacking can be reduced while maintaining good crystal characteristics of the quantum dots.
Specifically, a buffer layer of 40 nm or more is conventionally required for multi-layering of InAs quantum dots, but in the InGaAs system of the present invention, the thickness can be set to an arbitrary thickness within a range of 20 nm or less and exceeding 0 nm. it can. The quantum dot structure can be aligned in the growth direction by setting the intermediate layer to an arbitrary thickness within the range of 20 nm or less and exceeding 0 nm. In fact, an InGaAs quantum dot layer having an In composition of 0.4 was successfully grown with 100 layers of 20 nm intermediate layers while maintaining good optical properties. About In composition, the arbitrary values in the range of 0.3 or more and 0.5 or less are desirable.

一方0.1ML(分子層)/S(秒)以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度でもInGaAs量子ドットを成長することはできる。As分子線としてよく用いられるAs4(即ち、As)分子においても、それを高温で加熱して生成するAs2(即ち、As)分子を用いても、それぞれ前記多積層化は可能である。
しかしながら、As2を用いた方が多積層量子ドット構造体の光学特性は向上する。例えば1ML/Sの成長速度を用いてInGaAs量子ドットを成長した場合、InやGaのIII族原子が十分拡散し、エネルギー的に安定なサイトに取り込まれなければ良好な光学特性は期待できない。特に高速な成長速度においては、それが顕著に必要になる。
As2分子線によりIII族原子の拡散が促進されることは発明者らによって報告されており(非特許文献4参照)、多積層量子ドット構造体においても、高速成長の場合にはAs2分子線によって成長した方が、光学特性は優れている。
On the other hand, InGaAs quantum dots can be grown at any growth rate within the range of 0.1 ML (molecular layer) / S (seconds) to 1 ML / S. Even in the case of As4 (that is, As 4 ) molecules that are often used as As molecular beams, the above multi-layering can be performed by using As2 (that is, As 2 ) molecules generated by heating them at high temperatures.
However, the optical characteristics of the multi-stacked quantum dot structure are improved by using As2. For example, when an InGaAs quantum dot is grown using a growth rate of 1 ML / S, good optical characteristics cannot be expected unless the group III atoms of In and Ga are sufficiently diffused and incorporated into an energy stable site. This is particularly necessary at high growth rates.
It has been reported by the inventors that the diffusion of group III atoms is promoted by the As2 molecular beam (see Non-Patent Document 4). Even in a multi-layered quantum dot structure, the As2 molecular beam is used for high-speed growth. When grown, the optical properties are superior.

以上説明した成長速度の大きい積層手段を適用すると、本発明の多積層量子ドット構造体は、InGaAs量子ドットおよびInGaAs薄膜層を0.1ML/s以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度で、最高では1ML/Sで多積層量子ドット構造体を成長させるようにすることができる。
さらに、その成長速度の速い多積層量子ドット構造体を用いて太陽電池構造や半導体レーザー構造を構成する。
GaAsバッファ層上にInGaAs量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法であって、
前記InGaAs量子ドット積層構造体は、InGaAs薄膜層を設け、その上に複数のInGaAs量子ドットを成長させ、そのInGaAs量子ドットを埋め込むように前記InGaAs量子ドットおよび前記InGaAs薄膜層上にGaAsバッファ層を設け、前記一連の製造工程をInGaAs量子ドット構造体6を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記InGaAs量子ドットおよびInGaAs薄膜層を0.1ML/s以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記GaAs層の厚さを20nm以下で0nmを超える厚さの範囲内の任意の厚さで積層する。
When the stacking means having a high growth rate described above is applied, the multi-stacked quantum dot structure of the present invention can grow an InGaAs quantum dot and an InGaAs thin film layer at an arbitrary growth within a range of 0.1 ML / s to 1 ML / S. The multi-stacked quantum dot structure can be grown at a maximum speed of 1 ML / S.
Furthermore, a solar cell structure or a semiconductor laser structure is constructed using the multi-stacked quantum dot structure having a high growth rate.
A method for producing a multi-stacked quantum dot structure in which an InGaAs quantum dot stacked structure is provided on a GaAs buffer layer,
In the InGaAs quantum dot stacked structure, an InGaAs thin film layer is provided, a plurality of InGaAs quantum dots are grown thereon, and a GaAs buffer layer is formed on the InGaAs quantum dots and the InGaAs thin film layer so as to embed the InGaAs quantum dots. The series of manufacturing steps are continuously performed by stacking an arbitrary number of InGaAs quantum dot structures 6 and the InGaAs quantum dots and the InGaAs thin film layer are within a range of 0.1 ML / s to 1 ML / S. The GaAs layer is laminated at an arbitrary thickness within a range of 20 nm or less and exceeding 0 nm.

本発明は、GaAs層とInGaAs量子ドットからなる多積層InGaAs量子ドット構造体を採用することにより、歪補償層無しで高速成長の量子ドット構造体を構成することができる。
更に、AsとしてAs2を用いることにより、歪補償層無しで、0.1ML/s以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度で高速成長させることができる、特に1ML/Sで達成することができる。
また、前記量子ドット構造体を用いることにより、これまでにない太陽電池素子および発光素子を構成することができる。特に歪みの極めて小さい優秀な結晶成長特性を呈しながら、高出力で超高効率な太陽電池構造へ応用できる。
本発明のInGaAs量子ドット構造体は波長900nm以上に感度を持つので、このInGaAs量子ドット構造体を組み込んだ多積層量子ドット構造体を持つ本発明の太陽電池、発光素子は波長900nm以上に吸収感度及び発光波長を持つように構成することができる。
In the present invention, by adopting a multi-layer InGaAs quantum dot structure composed of a GaAs layer and InGaAs quantum dots, it is possible to construct a quantum dot structure that grows at high speed without a strain compensation layer.
Furthermore, by using As2 as As, high-speed growth can be achieved at any growth rate within a range of 0.1 ML / s to 1 ML / S without a strain compensation layer, and particularly 1 ML / S is achieved. be able to.
In addition, by using the quantum dot structure, a solar cell element and a light emitting element that have never existed can be configured. In particular, it can be applied to high-power and ultra-high-efficiency solar cell structures while exhibiting excellent crystal growth characteristics with very little distortion.
Since the InGaAs quantum dot structure of the present invention has sensitivity at a wavelength of 900 nm or more, the solar cell of the present invention having a multi-stacked quantum dot structure incorporating this InGaAs quantum dot structure, the light-emitting element has an absorption sensitivity at wavelengths of 900 nm or more. And can be configured to have an emission wavelength.

本発明の多積層InGaAs量子ドット構造体の一実施形態の概略構成図である。It is a schematic block diagram of one Embodiment of the multi-layer InGaAs quantum dot structure of this invention. 実際にIn0.4Ga0.6As量子ドットを50層積層した構造体の断面透過型電子顕微鏡写真である。It is a cross-sectional transmission electron micrograph of actually In 0.4 Ga 0.6 As quantum dots 50 layers stacked structure. 多積層In0.4Ga0.6As量子ドット構造体表面の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the surface of a multi-layered In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot structure. In0.4Ga0.6As量子ドット層を1、20、30、50層積層した構造体のフォトルミネッセンス発光特性である。This is a photoluminescence emission characteristic of a structure in which 1, 20, 30, and 50 In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot layers are stacked. As2とAs4の分子線の効果を示したものである。The effect of the molecular beam of As2 and As4 is shown. As2を用いてバッファ層20nmで成長した多積層InGaAs量子ドット構造体を太陽電池構造に応用した実施例の模式図である。It is the schematic diagram of the Example which applied the multi-layered InGaAs quantum dot structure grown in the buffer layer 20nm using As2 to the solar cell structure. 本発明に従い作製した素子の特性図である。It is a characteristic view of the element produced according to this invention. 本発明の太陽電池構造の、外部量子効率を示した図である。It is the figure which showed the external quantum efficiency of the solar cell structure of this invention.

本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1には、本発明に従って構成された多積層InGaAs量子ドット構造体の望ましい実施形態が示されている。
多積層量子ドット構造体1は、GaAs基板(図示省略)に、GaAs層2を成長した後、上記GaAs層2上にInGaAs量子ドット構造体6を必要段数積層してInGaAs量子ドット積層構造体を設けて構成する。InGaAs量子ドット構造体6は、複数のInGaAs量子ドット4を設けたInGaAs薄膜層3と、そのInGaAs量子ドット4を埋め込むようにInGaAs薄膜層3上に設けたGaAsバッファ層5から構成する。InGaAs薄膜層3を形成し、その上にInGaAs量子ドット4を成長させ、これらInGaAs薄膜層3とInGaAs量子ドット4の上にGaAsバッファ層5を形成する。
FIG. 1 illustrates a preferred embodiment of a multi-layer InGaAs quantum dot structure constructed in accordance with the present invention.
The multi-stacked quantum dot structure 1 is formed by growing a GaAs layer 2 on a GaAs substrate (not shown) and then laminating an InGaAs quantum dot structure 6 on the GaAs layer 2 by a required number of stages. Provide and configure. The InGaAs quantum dot structure 6 includes an InGaAs thin film layer 3 provided with a plurality of InGaAs quantum dots 4 and a GaAs buffer layer 5 provided on the InGaAs thin film layer 3 so as to embed the InGaAs quantum dots 4. An InGaAs thin film layer 3 is formed, an InGaAs quantum dot 4 is grown thereon, and a GaAs buffer layer 5 is formed on the InGaAs thin film layer 3 and the InGaAs quantum dot 4.

GaAsバッファ層5の厚さを20nm以下で0nmを超える範囲内の任意の厚さにすることで、成長方向に整列したInGaAs量子ドット積層構造体が形成できる。
GaAsバッファ層5上にInGaAs薄膜層3、InGaAs量子ドット層4および、さらにGaAsバッファ層5とInGaAs量子ドット構造体6を繰り返し積層することで、多積層構造を形成する。100層以上積層しても、InGaAs量子ドット層の場合、転移や結晶欠陥は発生しない。InAs量子ドットで同様の積層を行うと、転移や欠陥が発生し、良好な多積層構造は形成できない。
製造時、GaAsバッファ層上にInGaAs量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法では、
前記InGaAs量子ドット積層構造体は、InGaAs薄膜層を設け、その上に複数のInGaAs量子ドットを成長させ、そのInGaAs量子ドットを埋め込むように前記InGaAs量子ドットおよび前記InGaAs薄膜層上にGaAsバッファ層を設け、前記一連の製造工程をInGaAs量子ドット構造体6を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記InGaAs量子ドットおよびInGaAs薄膜層を0.1ML/s以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記GaAs層の厚さを20nm以下で0nmを超える範囲内の任意の厚さで積層する。
By setting the thickness of the GaAs buffer layer 5 to an arbitrary thickness within the range of 20 nm or less and exceeding 0 nm, an InGaAs quantum dot stacked structure aligned in the growth direction can be formed.
The InGaAs thin film layer 3, the InGaAs quantum dot layer 4, and the GaAs buffer layer 5 and the InGaAs quantum dot structure 6 are repeatedly stacked on the GaAs buffer layer 5, thereby forming a multi-layered structure. Even when 100 or more layers are stacked, in the case of an InGaAs quantum dot layer, no transition or crystal defect occurs. When the same stacking is performed with InAs quantum dots, dislocations and defects occur, and a good multi-layered structure cannot be formed.
In the manufacturing method of a multi-stacked quantum dot structure in which an InGaAs quantum dot stacked structure is provided on a GaAs buffer layer during manufacturing,
In the InGaAs quantum dot stacked structure, an InGaAs thin film layer is provided, a plurality of InGaAs quantum dots are grown thereon, and a GaAs buffer layer is formed on the InGaAs quantum dots and the InGaAs thin film layer so as to embed the InGaAs quantum dots. The series of manufacturing steps are continuously performed by stacking an arbitrary number of InGaAs quantum dot structures 6 and the InGaAs quantum dots and the InGaAs thin film layer are within a range of 0.1 ML / s to 1 ML / S. The GaAs layer is laminated at an arbitrary thickness within a range of 20 nm or less and exceeding 0 nm.

図2に、実際にIn0.4Ga0.6As量子ドット構造体を50層積層した多積層量子ドット構造体の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。図2(a)は50層積層した構造の断面透過型電子顕微鏡写真、図2(b)は図2(a)の一部を拡大した要部拡大図である。図2中の白い部分が量子ドット部分を表す。図2では、バッファ層は20nmであり、高さ5nm、幅30nmのInGaAs量子ドット構造体が、成長方向に整列して成長していることがわかる。このことから、多積層量子ドット構造体が、転移や結晶欠陥も無く、規則正しく形成されているといえる。 FIG. 2 shows a cross-sectional transmission electron micrograph of a multi-layered quantum dot structure in which 50 layers of In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot structures are actually stacked. 2A is a cross-sectional transmission electron micrograph of a structure in which 50 layers are stacked, and FIG. 2B is an enlarged view of a main part in which a part of FIG. 2A is enlarged. A white portion in FIG. 2 represents a quantum dot portion. In FIG. 2, it can be seen that the buffer layer is 20 nm, and an InGaAs quantum dot structure having a height of 5 nm and a width of 30 nm is grown in alignment in the growth direction. From this, it can be said that the multi-layered quantum dot structure is regularly formed without any transition or crystal defect.

図3は、In0.4Ga0.6As量子ドット表面の走査型電子顕微鏡写真である。図3(a)は1層、図3(b)は50層、それぞれ積層したInGaAs量子ドット構造体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。図3中の4a、4bは量子ドットを示す。図3(a)の1層の場合にはドットが不規則に成長しているが、図3(b)のように50層成長させることで、[1−10]方向に整列する傾向にあることがわかる。 FIG. 3 is a scanning electron micrograph of the surface of In 0.4 Ga 0.6 As quantum dots. FIG. 3A is a scanning electron micrograph of the surface of an InGaAs quantum dot structure in which one layer and 50 layers are stacked, respectively. 4a and 4b in FIG. 3 show quantum dots. In the case of the single layer in FIG. 3A, the dots grow irregularly, but by growing 50 layers as shown in FIG. 3B, there is a tendency to align in the [1-10] direction. I understand that.

図2および図3に示すように、InGaAs量子ドット構造体をAs2分子線で多積層化することにより、成長方向、及びドット面内方向でInGaAs量子ドットが整列する構造が作製可能であることがわかる。   As shown in FIGS. 2 and 3, by stacking multiple InGaAs quantum dot structures with As2 molecular beams, a structure in which InGaAs quantum dots are aligned in the growth direction and in the in-plane direction can be fabricated. Recognize.

図4に、In0.4Ga0.6As量子ドット構造体を1、20、30、50層積層した構造体のフォトルミネッセンス発光特性を示す。横軸はWAVELENGTH(波長)(nm)、縦軸はPL INTENSITY(発光強さ)(a.u.)を表す。バッファ層は20nmである。図4(a)は室温(25℃)で測定したもので、半値幅は41.6meV、図4(b)は10K(低温)で測定したもので、半値幅は37.0meVである。なお、図中のQDは量子ドットの略である。
図4(a)の各特性のピークの値は下記表1のようになる。
図4(b)の各特性のピークの値は下記表2のようになる。
InGaAs量子ドット構造体の層数に応じて発光強度が強くなっていることがわかる。この結果から、光学特性に優れたバッファ層20nmの多積層InGaAs量子ドット構造体が成長できていることがわかる。
FIG. 4 shows the photoluminescence emission characteristics of a structure in which 1, 20, 30, and 50 In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot structures are stacked. The horizontal axis represents WAVELENGTH (wavelength) (nm), and the vertical axis represents PL INTENSITY (luminescence intensity) (au). The buffer layer is 20 nm. 4A is measured at room temperature (25 ° C.), the half-value width is 41.6 meV, FIG. 4B is measured at 10 K (low temperature), and the half-value width is 37.0 meV. In the figure, QD is an abbreviation for quantum dot.
The peak value of each characteristic in FIG. 4A is as shown in Table 1 below.
The peak value of each characteristic in FIG. 4B is as shown in Table 2 below.
It can be seen that the emission intensity increases with the number of layers of the InGaAs quantum dot structure. From this result, it can be seen that a multi-layer InGaAs quantum dot structure with a buffer layer of 20 nm having excellent optical characteristics has been grown.

図5は、As2分子線の効果を示したものである。
In0.4Ga0.6As量子ドットを4層積層した。バッファ層は20nmであった。
図5の各特性のピークの値は下記表3のようになる。
As2で成長したInGaAs量子ドット積層構造体の方が、As4で成長したものよりもフォトルミネッセンス発光強度が大きい。As2分子線による、MBE成長中のIII族元素の拡散促進により、結晶品質が向上する。これはInGaAs量子ドットを1ML/S程度の高速で成長した時に顕著である。
FIG. 5 shows the effect of As2 molecular beam.
Four layers of In 0.4 Ga 0.6 As quantum dots were stacked. The buffer layer was 20 nm.
The peak value of each characteristic in FIG. 5 is as shown in Table 3 below.
The InGaAs quantum dot stacked structure grown with As2 has higher photoluminescence emission intensity than that grown with As4. Crystal quality is improved by promoting the diffusion of group III elements during MBE growth by the As2 molecular beam. This is remarkable when InGaAs quantum dots are grown at a high speed of about 1 ML / S.

図6は、As2を用いてバッファ層20nmで成長した多積層In0.4Ga0.6As量子ドット積層構造体を太陽電池構造に応用した実施例の模式図である。
太陽電池10は、n型GaAs基板12a上に、n+―GaAs層、n―GaAs層の順にn層12bを成長させ、その上にInGaAs量子ドット構造体16を10,20,又は30層等任意数層積層してi層13を形成する。
InGaAs量子ドット構造体16は、複数のInGaAs量子ドット13aを有するInGaAs薄膜層13bを形成し、InGaAs量子ドット13aを埋め込むGaAsバッファ層13cを成長させて構成する。バッファ層は20nmで積層した。
FIG. 6 is a schematic diagram of an example in which a multi-layered In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot stacked structure grown with a buffer layer of 20 nm using As 2 is applied to a solar cell structure.
In the solar cell 10, an n layer 12 b is grown on an n-type GaAs substrate 12 a in the order of an n + -GaAs layer and an n-GaAs layer, and an InGaAs quantum dot structure 16 is formed on the 20, 20, or 30 layers as desired. Several layers are laminated to form the i layer 13.
The InGaAs quantum dot structure 16 is formed by forming an InGaAs thin film layer 13b having a plurality of InGaAs quantum dots 13a and growing a GaAs buffer layer 13c in which the InGaAs quantum dots 13a are embedded. The buffer layer was laminated at 20 nm.

InGaAs量子ドット構造体層13はドーピングせず半絶縁性である。InGaAs量子ドット構造体層13の上にはp−GaAs層、p+−GaAs層のGaAs層14aからなるp層14を順に成長させ、表面のコンタクトとしてTi/Au電極15、裏面電極にはAuGe/Ni/Au電極11をそれぞれ設ける。ただし表面において、ARコート等反射防止膜の堆積は行っていない。
積層構造の成長方法はこれまでに述べた通り、As2を用いて成長速度1ML/Sで行った。
この例では、
p+−GaAs層は1×1019/cm:50nm、
p−GaAs層は2×1018/cm:150nm、
i層(量子ドット+GaAs層20nm)は10、20、30周期積層、
n―GaAs層は1×1017/cm:1000nm、
n+―GaAs層は1×1018/cm:250nm、
電極11のAuGe/Ni/Auの配分は80nm/20nm/350nm、
電極15のTi/Auの配分は50nm/500nm、に構成されている。
The InGaAs quantum dot structure layer 13 is not doped and is semi-insulating. On the InGaAs quantum dot structure layer 13, a p layer 14 composed of a p-GaAs layer and a p + -GaAs layer GaAs layer 14 a is grown in order, and a Ti / Au electrode 15 is used as a surface contact and AuGe / is used as a back electrode. Ni / Au electrodes 11 are provided respectively. However, an antireflection film such as an AR coat is not deposited on the surface.
The growth method of the laminated structure was performed at a growth rate of 1 ML / S using As2 as described above.
In this example,
The p + -GaAs layer is 1 × 10 19 / cm 3 : 50 nm,
The p-GaAs layer is 2 × 10 18 / cm 3 : 150 nm,
The i layer (quantum dot + GaAs layer 20 nm) is laminated with 10, 20, 30 periods,
The n-GaAs layer is 1 × 10 17 / cm 3 : 1000 nm,
The n + -GaAs layer is 1 × 10 18 / cm 3 : 250 nm,
The distribution of AuGe / Ni / Au of the electrode 11 is 80 nm / 20 nm / 350 nm,
The distribution of Ti / Au of the electrode 15 is 50 nm / 500 nm.

このようにして本発明の多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子(多積層量子ドット太陽電池)の特性を種々取ってみた所、図7に示すように、望ましい特性を得ることができた。
図7の縦軸はCurrent Density(電流密度)(mA/cm)、横軸はVoltage(v)を表し、電流密度ゼロの点はVoc(開放電圧)(v)、電圧ゼロの点はJsc(短絡電流)(mA/cm2)を表し、FFは特性の形状を表す。また、図中には、参考として本発明の多積層量子ドット構造体を有しないGaAs太陽電池の特性も合わせて示してある。
Thus, when various characteristics of the solar cell element (multi-layered quantum dot solar cell) using the multi-layered quantum dot structure of the present invention were taken, desirable characteristics can be obtained as shown in FIG. It was.
In FIG. 7, the vertical axis represents Current Density (mA / cm 2 ), the horizontal axis represents Voltage (v), the zero current density point is Voc (open voltage) (v), and the zero voltage point is Jsc. (Short circuit current) (mA / cm 2), and FF represents the shape of the characteristic. In the figure, the characteristics of the GaAs solar cell not having the multi-stacked quantum dot structure of the present invention are also shown for reference.

図7の多積層量子ドット太陽電池特性を下記表4に示す。
同図横軸が太陽電池のかかる電圧V、縦軸がその時の電流Iである。これらの特性から導出される本太陽電池の変換効率は、InGaAs量子ドット構造体層が10,20,30層のもので、それぞれ8.9、8.0、7.0%であった。非特許文件5では、反射防止膜を表面に堆積した状態で、InAs量子ドット層を10層、20層積層した構造で、それぞれ8.5、5.7%である。本素子は反射防止膜を堆積していないにもかかわらず、それらの値よりも良い効率を実現している。反射防止膜の堆積により、さらに約1%の変換効率向上が見込まれる。
The characteristics of the multi-stacked quantum dot solar cell of FIG.
In the figure, the horizontal axis represents the voltage V applied to the solar cell, and the vertical axis represents the current I at that time. The conversion efficiency of this solar cell derived from these characteristics was 8.9, 8.0, and 7.0% for InGaAs quantum dot structure layers of 10, 20, and 30 layers, respectively. In Non-Patent Document 5, the structure in which 10 or 20 InAs quantum dot layers are stacked with the antireflection film deposited on the surface is 8.5% and 5.7%, respectively. This element achieves better efficiency than those values, although no antireflection film is deposited. The conversion efficiency is expected to be further improved by about 1% by depositing the antireflection film.

図8は、本太陽電池構造の、外部量子効率を示した図である。
図8の特性を下記表5に示す。
GaAs太陽電池の吸収帯よりも長波長側(870nm以上)において、InGaAs量子ドット層による吸収が見られ、また量子ドットの積層数に応じて量子効率が増加していることがわかる。これらの結果から、本発明の多積層量子ドット太陽電池(多積層InGaAs量子ドット構造体を用いた太陽電池)は、GaAsやSiでは吸収できない長波長の光を吸収し、電流とすることができる。
FIG. 8 is a diagram showing the external quantum efficiency of the present solar cell structure.
The characteristics of FIG. 8 are shown in Table 5 below.
It can be seen that absorption by the InGaAs quantum dot layer is observed on the longer wavelength side (870 nm or more) than the absorption band of the GaAs solar cell, and the quantum efficiency increases according to the number of stacked quantum dots. From these results, the multi-layered quantum dot solar cell of the present invention (solar cell using a multi-layered InGaAs quantum dot structure) can absorb long-wavelength light that cannot be absorbed by GaAs or Si, and can produce a current. .

上記多積層のInGaAs量子ドット構造体をレーザーとして応用する場合でも、層構造は図6と同様である。量子ドットのIn組成や成長時間を変化することで、発振波長も可変である。   Even when the multi-stacked InGaAs quantum dot structure is applied as a laser, the layer structure is the same as in FIG. The oscillation wavelength can be changed by changing the In composition and the growth time of the quantum dots.

本発明では、GaAsバッファ層の上にIn0.4Ga0.6As量子ドット層を直接成長したが、その間に例えばIn0.2Ga0.8As層を2nm程度、結晶欠陥が発生しない程度の厚さを挟むことにより、量子ドット層の歪が緩和され、さらに高品質な積層構造が作製できる可能性がある。またこの場合は歪緩和効果により、太陽電池はさらに長波長領域でも光応答特性を持つことになり、太陽電池特性の向上が期待される。 In the present invention, the In 0.4 Ga 0.6 As quantum dot layer was directly grown on the GaAs buffer layer, but for example, an In 0.2 Ga 0.8 As layer with a thickness of about 2 nm does not occur during that period. By interposing a thickness of about a certain degree, the distortion of the quantum dot layer is relaxed, and there is a possibility that a higher quality laminated structure can be produced. In this case, due to the strain relaxation effect, the solar cell has a light response characteristic even in a longer wavelength region, and improvement of the solar cell characteristic is expected.

また、GaAsバッファ層中に薄いGaAsP層を導入することにより、InGaAs量子ドットの層の歪を補償することも可能である。この歪補償技術によっても、積層構造の高品質化が可能と思われる。
以上説明した優秀な結晶成長特性を呈する量子ドット構造は、超高効率な太陽電池構造の他に、低閾(しきい)値の半導体レーザー等への応用が期待できる。
Further, by introducing a thin GaAsP layer in the GaAs buffer layer, it is possible to compensate for the distortion of the InGaAs quantum dot layer. It seems that the quality of the laminated structure can be improved by this distortion compensation technique.
The quantum dot structure exhibiting excellent crystal growth characteristics described above can be expected to be applied to a semiconductor laser having a low threshold (threshold value) in addition to an ultra-high efficiency solar cell structure.

1 多積層量子ドット構造体
2 GaAs層
3 InGaAs薄膜層
4 InGaAs量子ドット
5 GaAs層
6 InGaAs量子ドット構造体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multi-stacked quantum dot structure 2 GaAs layer 3 InGaAs thin film layer 4 InGaAs quantum dot 5 GaAs layer 6 InGaAs quantum dot structure

Claims (8)

GaAsバッファ層上にInGaAs量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体であって、
前記InGaAs量子ドット積層構造体は、複数のInGaAs量子ドット4を設けたInGaAs薄膜層3と、そのInGaAs量子ドット4を埋め込むようにInGaAs薄膜層3上に設けたGaAsバッファ層5から構成するInGaAs量子ドット構造体6を任意数層積層して構成したことを特徴とする多積層量子ドット構造体。
A multi-stacked quantum dot structure in which an InGaAs quantum dot stacked structure is provided on a GaAs buffer layer,
The InGaAs quantum dot stacked structure is composed of an InGaAs thin film layer 3 provided with a plurality of InGaAs quantum dots 4 and an GaAs buffer layer 5 provided on the InGaAs thin film layer 3 so as to embed the InGaAs quantum dots 4. A multi-stacked quantum dot structure comprising an arbitrary number of layers of dot structures 6 stacked.
前記Asの原料をAsとしたことを特徴とする請求項1記載の多積層量子ドット構造体。 The multi-layered quantum dot structure according to claim 1, wherein the source material of As is As 2 . 前記GaAs層の厚さを20nm以下で0nmを超える範囲内の任意の厚さにしたことを特徴とする請求項1又は2記載の多積層量子ドット構造体。 3. The multi-layered quantum dot structure according to claim 1, wherein the thickness of the GaAs layer is an arbitrary thickness within a range of 20 nm or less and exceeding 0 nm. 前記InGaAs量子ドット構造体を4層以上積層したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の多積層量子ドット構造体。 4. The multi-layered quantum dot structure according to claim 1, wherein four or more layers of the InGaAs quantum dot structure are stacked. 5. 複数のInGaAs量子ドットおよびInGaAs薄膜層を、成長速度が0.1ML/S以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度で成長させたものとしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の多積層量子ドット構造体。 4. A plurality of InGaAs quantum dots and an InGaAs thin film layer are grown at an arbitrary growth rate within a range of a growth rate of 0.1 ML / S to 1 ML / S. The multi-layered quantum dot structure according to any one of the above. 請求項1乃至5のいずれか1項記載の多積層量子ドット構造体を、p型GaAs層とn型GaAs層で挟んでp−i−n構造としたことを特徴とする多積層量子ドット太陽電池素子。 A multi-stacked quantum dot solar cell comprising a multi-stacked quantum dot structure according to any one of claims 1 to 5 having a pin structure sandwiched between a p-type GaAs layer and an n-type GaAs layer. Battery element. 請求項1乃至4のいずれか1項記載の多積層量子ドット構造体を、p型GaAs層とn型GaAs層で挟んでp−i−n構造としたことを特徴とする多積層量子ドット発光素子。 5. Multi-stacked quantum dot light emission characterized in that the multi-stacked quantum dot structure according to any one of claims 1 to 4 has a pin structure sandwiched between a p-type GaAs layer and an n-type GaAs layer. element. GaAsバッファ層上にInGaAs量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法であって、
前記InGaAs量子ドット積層構造体は、InGaAs薄膜層を設け、その上に複数のInGaAs量子ドットを成長させ、そのInGaAs量子ドットを埋め込むように前記InGaAs量子ドットおよび前記InGaAs薄膜層上にGaAsバッファ層を設け、前記一連の製造工程をInGaAs量子ドット構造体6を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記InGaAs量子ドットおよびInGaAs薄膜層を0.1ML/s以上で1ML/S以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記GaAs層の厚さを20nm以下で0nmを超える範囲内の任意の厚さで積層することを特徴とする多積層量子ドット構造体の製造方法。
A method for producing a multi-stacked quantum dot structure in which an InGaAs quantum dot stacked structure is provided on a GaAs buffer layer,
In the InGaAs quantum dot stacked structure, an InGaAs thin film layer is provided, a plurality of InGaAs quantum dots are grown thereon, and a GaAs buffer layer is formed on the InGaAs quantum dots and the InGaAs thin film layer so as to embed the InGaAs quantum dots. The series of manufacturing steps are continuously performed by stacking an arbitrary number of InGaAs quantum dot structures 6 and the InGaAs quantum dots and the InGaAs thin film layer are within a range of 0.1 ML / s to 1 ML / S. A method for producing a multi-stacked quantum dot structure, comprising growing the GaAs layer at an arbitrary thickness within a range of 20 nm or less and exceeding 0 nm.
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