JP2011205038A - ナノ粒子の製造方法、量子ドットの製造方法、光電変換素子及び太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板の表面上にヒートモード型の記録材料を含むレジスト層を形成し、レジスト層にレーザ光を照射してレジスト層内にナノメートルオーダの開口を有する複数の有底孔を形成し、有底孔の底面に対向する基板表面だけが露出するようにレジスト層をエッチングし、レジスト層の残部を有する基板上に金属材料を堆積し、露出した基板表面に堆積した金属材料を基板から剥離させないようにレジスト層の残部及び残部上に堆積された金属材料を除去し、基板の表面上に金属材料からなる複数のナノ粒子を形成する。
【選択図】図1
Description
まず、三次元量子ドットの製造方法について説明する。この量子ドットの製造方法は、(1)基板の表面上にヒートモード型の記録材料を含むレジスト層を形成するレジスト膜形成工程と、(2)レジスト層にレーザ光を照射してレジスト層内にナノメートルオーダの開口を有する複数の有底孔(凹部)を形成する凹部形成工程と、(3)有底孔(凹部)の底面に対向する基板表面だけが露出するようにレジスト層をエッチングするエッチング工程と、(4)レジスト層の残部を有する基板上に金属材料を堆積する金属材料膜形成工程と、(5)レジスト層の残部及び残部上に堆積された金属材料を除去して金属材料からなる複数のナノ粒子を形成するナノ粒子形成工程と、(6)基板上に形成された複数のナノ粒子を封止するように基板と同じ材料の層を積層して二次元状に配列された量子ドットを形成する封止工程と、(7)二次元状に配列された量子ドットを形成する工程を繰り返し行い三次元状に配列された量子ドットを形成する三次元化工程と、を含む。
まず、図1(A)に示すように、基板10の表面上にヒートモード型の記録材料を含むフォトレジスト層12を形成する。基板10としては、ポリカーボネート等のプラスチック基板、金属基板、石英(SiO2)基板等のガラス基板、サファイヤ基板、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等の半導体基板等、用途に応じて種々の基板を用いることができる。太陽電池、発光ダイオード(LED)等の用途の場合には、金属基板、ガラス基板、サファイヤ基板、半導体基板等が好適に用いられる。
次に、図1(B)に示すように、フォトレジスト層12にレーザ光を照射して、フォトレジスト層12内にナノメートルオーダの開口を有する複数の有底孔(凹部)14を形成する。即ち、凹部14はフォトレジスト層12を貫通する貫通孔ではなく、フォトレジスト層12の表面に開口した有底孔である。凹部14の底面と基板10との間には、フォトレジスト層12(即ち、ヒートモード型の記録材料)が残存している。
次に、図1(C)に示すように、凹部14が形成されたフォトレジスト層12の表面をエッチングする。エッチングにより、凹部14の底面に対向する基板10の表面10Aが露出する。露出した基板10の表面10Aの周囲は、フォトレジスト層12の残部12Aで被覆された状態である。
次に、図1(D)に示すように、フォトレジスト層12の残部12Aを有する基板10上に、金属材料16を堆積する。基板10の露出した表面10A上に、金属材料16Aが堆積する。また、フォトレジスト層12の残部12A上にも、金属材料16Bが堆積する。金属材料としては、Au(金)等の金属、合金、複合金属、(硫化亜鉛)、Cd/Se等の化合物半導体、又は金属複合体等、用途に応じて種々の金属材料を用いることができる。太陽電池、発光ダイオード(LED)等の用途の場合には、セレン化カドミウム(CdSe)、インジウム砒素(InAs)等の化合物半導体が好適に用いられる。
次に、図1(E)に示すように、例えば、リフトオフ等、基板10の露出した表面10Aに堆積した金属材料16Aを基板10から剥離させないような方法で、フォトレジスト層12の残部12Aと、残部12A上に堆積した金属材料16Bとを除去する。粗面化された表面10Aに堆積した金属材料16Aは、アンカー効果により表面10Aに密着している。即ち、結晶基板の鏡面に形成された場合に比べ、金属材料16Aの密着性が向上しており、リフトオフ等により金属材料16Aが剥離し難い。
次に、図1(F)に示すように、基板10上に形成された複数のナノ粒子(金属材料16A)を封止するように、基板10と同じ材料の層18を積層する。本実施の形態では、同じ形状の多数のナノ粒子(金属材料16A)が、基板10上に規則的に配列されているので、このナノ粒子を基板10と同じ材料層18で封止することで、二次元状に配列された量子ドットが基板10上に形成される。
次に、二次元状に配列された量子ドットを形成する工程を繰り返し行い、三次元状に配列された量子ドットを形成する。ここでは、二次元状に配列された量子ドットを形成する工程を、4回繰り返し行って、積層方向に4個の量子ドットが配列された三次元量子ドットを形成している。
上述した通り、量子ドットの量子効果を利用して光利用効率を高めた「量子ドット太陽電池」の開発が進められている。上記の量子ドットの製造方法は、量子ドット太陽電池に用いられる光電変換素子の増感層(量子ドットセル)の作製技術として用いることができる。
次に、ヒートモード型の記録材料の具体例について説明する。ヒートモード型の記録材料としては、従来、光記録ディスクなどの記録層に使用されてきた色素型の記録材料を用いることができる。色素型の記録材料の好適な例としては、メチン色素(シアニン色素、ヘミシアニン色素、スチリル色素、オキソノール色素、メロシアニン色素など)、大環状色素(フタロシアニン色素、ナフタロシアニン色素、ポリフィリン色素など)、アゾ色素(アゾ金属キレート色素を含む)、アリリデン色素、錯体色素、クマリン色素、アゾール誘導体、トリアジン誘導体、1−アミノブタジエン誘導体、桂皮酸誘導体、キノフタロン系色素などが挙げられる。
[化5]に記載の化合物(有機色素)III−4を、フッ素アルコールに20mg/mlの濃度で溶解して、フォトレジスト層形成用のレジスト液を得た。化合物III−4の消衰係数は0.23、熱分解温度は269℃である。得られたレジスト液を、直径が100mmのシリコンウエハにスピンコート法で塗布・乾燥し、厚さ100nmのフォトレジスト層を形成したサンプル基板を得た。
下記表1に示すように、金属材料、凹部形状、エッチング方式、シリコンウエハの露出面の表面粗さを、以下のように変更しても、実施例1と同様に、金属材料が高品質で堆積され、基板上にナノ粒子が正方格子状に配列されていることが確認できた(実施例2〜4)。
10A 表面
12 フォトレジスト層
12A 残部
14 凹部
14A 凹部
16 金属材料
16A 金属材料
16B 金属材料
18 材料層
19 ビームスポット
20 光電変換素子
22 基板
24 n型半導体層
26 三次元量子ドット超格子
26Q 量子ドット
28 p型半導体層
30 反射防止膜
32 裏面電極
34 表面電極
40 光電変換素子
42 基板
44 n型半導体層
46 量子ドットボトムセル
46Q 量子ドット
48 トンネルコネクト層
50 量子ドットトップセル
50Q 量子ドット
52 p型半導体層
54 反射防止膜
56 裏面電極
58 表面電極
Claims (13)
- 基板の表面上にヒートモード型の記録材料を含むレジスト層を形成し、
前記レジスト層にレーザ光を照射して、前記レジスト層内にナノメートルオーダの開口を有する複数の有底孔を形成し、
前記有底孔の底面に対向する基板表面が露出し且つ露出した基板表面の周囲がレジスト層の残部で被覆されるように、前記有底孔を有するレジスト層をエッチングし、
前記レジスト層の残部を有する基板上に金属材料を堆積し、
前記露出した基板表面に堆積した金属材料を基板から剥離させないように、前記レジスト層の残部及び前記残部上に堆積された金属材料を除去し、
基板の表面上に金属材料からなる複数のナノ粒子を形成する、
ナノ粒子の製造方法。 - 前記露出した基板表面が、エッチングにより粗面化されている、
請求項1に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記複数の有底孔の各々は、開口径が底面径より小さい形状を有する、
請求項1又は請求項2に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記金属材料は、金属、合金、複合金属、化合物半導体、及び金属複合体からなる群から選択される少なくとも1種である、
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記複数の有底孔の各々は、開口径が10nm以上500nm以下である、
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記複数の有底孔の各々は、深さが20nm以上200nm以下である、
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記複数のナノ粒子は、前記基板上に規則的に配列される、
請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記ヒートモード型の記録材料が、有機化合物である、
請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載のナノ粒子の製造方法。 - 前記レジスト層の残部及び前記残部上に堆積された金属材料は、前記有機化合物を溶解する溶剤による洗浄で除去される、
請求項8に記載のナノ粒子の製造方法。 - 基板の表面上にヒートモード型の記録材料を含むレジスト層を形成し、
前記レジスト層にレーザ光を照射して、前記レジスト層内にナノメートルオーダの開口を有する複数の有底孔を形成し、
前記有底孔の底面に対向する基板表面が露出し且つ露出した基板表面の周囲がレジスト層の残部で被覆されるように、前記有底孔を有するレジスト層をエッチングし、
前記レジスト層の残部を有する基板上に金属材料を堆積し、
前記露出した基板表面に堆積した金属材料を基板から剥離させないように、前記レジスト層の残部及び前記残部上に堆積された金属材料を除去して、基板の表面上に金属材料からなる複数のナノ粒子を形成し、
前記複数のナノ粒子が形成された基板の上に、前記複数のナノ粒子を封止するように前記半導体基板と同じ材料の層を積層して、2次元状に配列された量子ドットを形成する、
量子ドットの製造方法。 - 前記2次元状に配列された量子ドットを形成する工程を繰り返し行い、3次元状に配列された量子ドットを形成する、
請求項11に記載の量子ドットの製造方法。 - p型半導体と、
n型半導体と、
前記p型半導体と前記n型半導体との間に挿入され、請求項10又は請求項11に記載の量子ドットの製造方法により製造された量子ドットを含む増感層と、
前記p型半導体と前記n型半導体との間に電圧を印加する一対の電極と、
を含む光電変換素子。 - 請求項12に記載の光電変換素子を複数有する量子ドット型の太陽電池であって、
2次元状に配列された前記複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子と電気的に接続されて、前記複数の光電変換素子の光電変換により得られた電力を蓄積する電力蓄積部と、
を含む量子ドット型の太陽電池。
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