JP2012169565A - 受光素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な受光素子の作製方法を提供する。
【解決手段】順方向バイアス電圧を印加することによりｐ層１４とｎ層１３の接合部３５に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れかの層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し、近接場光が発生した箇所では反転分布に基づき非断熱過程により複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、受光素子の作製方法に関し、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な受光素子の作製方法に関する。

受光素子は、ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成させた状態で受光を行う。受光素子の受光表面に入射した光は光吸収層と呼ばれるエネルギーバンドの小さい領域で吸収されて当該光吸収層にキャリアを発生させる。光吸収により生じたキャリアは、印加された逆バイアス電圧に基づく内部電場勾配により加速されて電気信号として検出されることになる。

ところで、この受光素子について、ある特定の波長に対して感度を持たせるためには、その波長に基づく光子エネルギーよりも小さなバンドギャップを持つ材料を選定する必要がある。しかしながら、現代社会においてセキュリティなどへの光技術の応用といった、多様で高度な社会的要求が高まる中、受光可能波長に関する要求は、多岐に亘る。このため、受光素子に対して感度を持つ波長を新たに設定したり、或いは以前から製造していた受光素子に対して感度を持つ波長を他の波長に切り替える場合には、その都度材料の選定をしなければならず、製造労力の負担が増大してしまうという問題点があった。このため、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な製造技術が従来より求められていた。

これに加えて、現在に至るまでに提案されている受光素子では、材料技術の限界から、受光感度を持たせることができる波長領域は限られている。このような従来の受光素子において、到底光電変換することができない波長の光が入射された場合であっても、これを光電変換することができれば、受光可能波長に関する様々なニーズにも応えることができる。

近年では、非特許文献１に示すように近接場光による非断熱過程を用いて、伝搬光に感度を持たない近接場光のみを検出する技術が提案されている。しかしながら、上述した非特許文献１の技術では、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく、いかに容易に作製するかに焦点を当てたものではない。

T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製可能な受光素子の作製方法を提供することにある。

本発明者は、上述した問題点を解決するために、順方向バイアス電圧を印加することによりｐ層とｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて当該受光素子を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し、近接場光が発生した箇所では反転分布に基づき非断熱過程により複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる受光素子の作製方法を発明した。

即ち、本発明は、透明電極層と、透明電極層の表面に形成されたｎ層及びｐ層を含む半導体層と、半導体層上に形成された裏面電極層とを有する受光素子の作製方法において、透明電極層並びに裏面電極層を介してｎ層及びｐ層に順方向バイアス電圧を印加するとともに、ｎ層とｐ層の接合部における吸収端波長より長波長の光を照射する。

このとき、本発明では、上記順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて当該受光素子を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて上記照射した光による近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるようにしてもよい。

上述した構成からなる本発明によれば、特定の波長に対して感度を持たせた素子を材料の選定を行うことなく容易に作製することが可能となる。

本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製する受光素子の詳細な構成を示す図である。 ｎ層とｐ層からなる半導体層の接合部のエネルギーバンド図である。 （ａ）は、ジュール熱発生前におけるｎ層とｐ層の接合部の微視的な形状の例を示す図であり、（ｂ）は、ジュール熱を発生させた後におけるｎ層とｐ層の接合部の微視的な形状の例を示す図である。 非断熱過程を説明するための、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルを示す図である。 非断熱過程における多段階遷移について説明するための図である。 非断熱過程に基づく多段階誘導放出について説明するための図である。 非断熱過程を継続して生じさせた場合におけるメカニズムについて説明するための図である。 非断熱過程を利用した受光プロセスについて説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製する受光素子１の詳細な構成を示している。この受光素子１は、基板１１上に積層された透明電極層１２、透明電極層１２に接続されたＮ型半導体層（ｎ層）１３、ｎ層１３との間でｐｎ接合を構成するＰ型半導体層（ｐ層）１４、ｐ層１４に接続された裏面電極層１５とを備えている。このｎ層１３とｐ層１４を半導体層３０という。この透明電極層１２、裏面電極層１５には、電源１７が接続されており、作製時には、ｐ層１４側が正電圧、ｎ層１３側が負電圧となるように順方向にバイアス電圧が負荷されることになる。

基板１１は、いわゆるサファイヤ、シリコン等の基板等で構成される。

また、透明電極層１２は、透明電極等で構成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を使用するようにしてもよい。裏面電極層１５は、例えばＡｇ等を使用するようにしてもよい。但し、これら透明電極層１２、裏面電極層１５は、これらに限定されるものではなく、いかなる材料を用いるようにしてもよい。

ｎ層１３は、例えばＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂等に代表される半導体を用いるようにしてもよい。ｐ層１４は、ポリチオフェン（Ｐ３ＨＴ）等を用いるようにしてもよい。但し、これらｐｎ接合を構成するｎ層１３、ｐ層１４は、これらに限定されるものではなく、いかなる材料を用いるようにしてもよい。電源１７は、安定化直流電源、電池等で構成されている。

本発明を適用した受光素子の作製方法では、透明電極層１２並びに裏面電極層１５を介してｐ層及びｎ層に順方向バイアス電圧を印加するとともに光を照射する。

その結果、以下のメカニズムに基づいて、照射した光の波長に対して感度を持たせた受光素子を作製することが可能となる。

図２は、ｎ層１３とｐ層１４からなる半導体層３０の接合部３５のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、ｐ層１４中の正孔がｎ層１３側へと移動し、ｎ層１３中の電子がｐ層１４側へと移動していく。その結果、接合部３５は空乏化することなく互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れ、バイアス電圧Ｖに応じたフェルミ準位差ｅＶが形成されることになる。

このような順方向バイアス電圧が負荷された状態で、ｎ層１３とｐ層１４との接合部３５に対して、当該接合部３５のバンドギャップ幅Ｅｇに相当するエネルギー吸収端に応じた波長を吸収端波長としたとき、かかる吸収端波長より長波長である希望波長の光を照射する。

通常のこの吸収端波長よりも長波長の光を照射した場合には、その光の持つエネルギーはバンドギャップ幅Ｅｇに満たないため、伝導帯へ電子を励起させることができない。このため、光を照射しても特に通常のｐｎ接合と同様、順方向バイアス電圧を負荷することにより、正孔はｎ層１３側へ、電子はｐ層１４側へ移動する。その結果、この順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じる接合部３５やｎ層１３やｐ層１４の表面等である。

このジュール熱が発生する結果、かかる接合部３５やｎ層１３やｐ層１４の流動性が増加し、その表面形状及び／又はドーパントの分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかる表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。

図３（ａ）は、かかるジュール熱発生前におけるｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の微視的な形状の例である。ｎ層１３とｐ層１４の接合界面には、ナノオーダーの微細な凹凸が形成されている。

図３（ｂ）は、ジュール熱を発生させた後におけるｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の微視的な形状の例である。ジュール熱が発生することにより、このｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の流動性が増加する結果、ｎ層１３やｐ層１４等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、ある特有の微細形状Ａがこのｎ層１３とｐ層１４との界面において形成される。この微細形状Ａは、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した形状である。この微細形状Ａを形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｎ層１３やｐ層１４等の表面形状やドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。なお、この近接場光は、ｎ層１３とｐ層１４との界面に発生する場合に限定されるものではなく、受光素子１を構成する何れか１以上の層１１〜１５の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させるものであればよい。

このような微細形状Ａが形成されたときに、光を入射させると、当該微細形状Ａの主として角部において近接場光が発生する。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、当該微細形状Ａに対応したｎ層１３とｐ層１４の界面のみならず、他の箇所で発生することも当然起こりえる。

この非断熱過程とは、図４に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図４(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。感光性樹脂膜１２の原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という（非特許文献１参照。）。

一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図４(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程（非断熱過程）が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という（非特許文献１参照。）。

また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、伝導帯における電子密度ｎ₁が、下位準位にある正孔密度ｎ₂と比較して圧倒的に高くなる。その結果、伝導帯と下位準位との間で、図５に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が接合部３５に形成される。次に図６に示すように、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させる。当該微細形状Ａにおいては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、吸収端波長よりも長波長である希望波長の光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果伝導体中の電子を減少させることが可能となる。

このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度ｎ₁が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する微細形状Ａについては、図６に示すように、ｎ層１３へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下し、当該微細形状Ａについてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、接合部３５やｎ層１３やｐ層１４の流動性が低下する。その結果、この微細形状Ａについては、表面形状及び／又はドーパントの分布の変化が抑制されることになる。微細形状Ａはそのまま変化することなく固定されることになる。

また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加するとともに、接合部３５における吸収端波長より長波長の希望波長の光を照射し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。図７（ａ）に示すように、微細形状Ａは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細形状Ａ以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、このｎ層１３とｐ層１４の接合部３５の流動性が増加する結果、ｎ層１３やｐ層１４等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムな変化の結果、図７（ａ）に示すように微細形状Ａとほぼ同一形状の微細形状Ｂが形成される場合もある。かかる場合に光を入射させると、当該微細形状Ｂにおいて近接場光が発生することになる。そして、この微細形状Ｂについても同様に非断熱過程による誘導放出が生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。即ち、受光素子１において希望波長の光が照射された場合に近接場光が好適に発生する領域が微細形状Ａのみならず微細形状Ｂの分も増加したことになる。

かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には図７（ｂ）に示すように、ｎ層１３とｐ層１４との界面において微細形状Ａと同一の形状が数多く形成されることになる。これは、このような希望波長の光が照射された場合に近接場光が好適に発生する微細形状Ａと同一の形状が数多く作り出された受光素子１として構成することが可能となる。

なお、この微細形状Ａは、あくまで表面形状に依拠したものであるが、これに限定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｎ層１３やｐ層１４等のドーパントの変化の結果、表面形状が変化していなくても、近接場光が好適に発生する条件になる場合がある。かかる層１３やｐ層１４等のドーパントが近接場光が好適に発生可能なように変化した場合においても、上述した微細形状Ａの形成と同様な効果が得られる。即ち、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、ドーパント分布を固定させることを繰り返し実行することになる。

次に、上述した本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製された受光素子１による動作について説明をする。

上述したように受光素子１は、その作製の段階において、希望波長の光が照射された場合に近接場光が好適に発生する、例えば微細構造Ａ、Ｂ等を始めとした領域が広く形成されている。このような受光素子１に対して、希望波長の光を照射する。このとき、必要に応じて、透明電極層１２並びに裏面電極層１５に適度に逆方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。

このような希望波長の光を照射すると、既にその波長に対して好適に近接場光を発生し得る形状が作り込まれていることから、図７（ｂ）に示すように、近接場光が多くの領域において発生する。そして、図８に示すように、その発生した近接場光による非断熱過程により、照射した光が振動準位を介して多段階で励起され、最終的に伝導帯へ電子が励起されることになる。そして、この伝導帯に電子が励起されることにより、光電変換が実現されることになり、光電変換素子としての機能を果たすことが可能となる。

上述したように、本発明では、順方向バイアス電圧を印加することによりｐ層１４とｎ層１３の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて当該受光素子を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し実行する。

そして、変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて照射した光による近接場光が発生した箇所では、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。

また変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び／又は当該ドーパント分布を変化させることを近接場光が発生するまで繰り返す。

これにより、本発明では、希望波長の光に対して感度の優れた、接合部３５のバンドギャップ幅Ｅｇに対応した吸収端波長より長波長である希望波長の光を照射した場合においても、それに対してより感度の優れた光電変換可能な素子を比較的に容易に作製することが可能となる。仮に、この希望波長が赤外線であれば、赤外線でも光電変換可能な受光素子１として構成することも可能となる。

また本発明は、受光素子１を太陽電池に応用する場合においても、同様に適用可能である。通常のシリコンを用いた太陽電池では、どうしても感度の低い波長であっても、本発明により作製された受光素子１を用いることにより、当該感度の低い波長の光も光電変換効率を向上させることができる。

また、本発明を適用した受光素子の作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望波長に対して感度の優れた受光素子を精度よく作成することが可能となる。

１ 受光素子
１１ 基板
１２ 透明電極層
１３ ｎ層
１４ ｐ層
１５ 裏面電極層
１７ 電源
３０ 半導体層
３５ 接合部

Claims (4)

1. 透明電極層と、上記透明電極層の表面に形成されたｎ層及びｐ層を含む半導体層と、上記半導体層上に形成された裏面電極層とを有する受光素子の作製方法において、
   上記透明電極層並びに上記裏面電極層を介して上記ｎ層及び上記ｐ層に順方向バイアス電圧を印加するとともに、上記ｎ層と上記ｐ層の接合部における吸収端波長より長波長の光を照射すること
   を特徴とする受光素子の作製方法。
2. 上記順方向バイアス電圧を印加することにより上記ｐ層と上記ｎ層の接合部に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて当該受光素子を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
   上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて上記照射した光による近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させること
   を特徴とする請求項１記載の受光素子の作製方法。
3. 上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、上記拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び／又は当該ドーパント分布を変化させることを上記近接場光が発生するまで繰り返すこと
   を特徴とする請求項２記載の受光素子の作製方法。
4. 請求項１〜３のうち何れか１項記載の受光素子の作製方法により作製されたことを特徴とする受光素子。