JP2013051318A - Process of manufacturing quantum dot structure, wavelength conversion element and photoelectric conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process of manufacturing a quantum dot structure capable of distributing quality quantum dots with small number of defects three-dimensionally and uniformly, and to provide a wavelength conversion element having a quantum dot structure manufactured by this manufacturing process, and a photoelectric conversion device.SOLUTION: A laminate is produced by mutually laminating: a first amorphous layer composed of two kinds or more of semiconductor or metal element and oxygen where the composition ratio of the two kinds or more of semiconductor or metal element is high for the oxygen; a stoichiometric dielectric material layer having a composition consisting of a first semiconductor or a first metal element and oxygen; and a second amorphous layer composed of a first semiconductor or a first metal element and oxygen where the composition ratio of the first semiconductor or the first metal element is high. When the laminate is heat-treated, a matrix is formed by the first semiconductor or the first metal element, and crystalline quantum dots consisting of second semiconductor or second metal element, or quantum dots of mixed crystal of two kinds or more of semiconductor or metal element are formed in the matrix.

Description

本発明は、量子ドットを有する量子ドット構造体の製造方法、およびこの製造方法による量子ドット構造体を有する波長変換素子および光電変換装置に関し、特に、熱処理により、欠陥の少ない良質の量子ドットを3次元的に均一分布させることができる量子ドット構造体の製造方法、およびこの製造方法による量子ドット構造体を有する波長変換素子および光電変換装置に関する。   The present invention relates to a method for producing a quantum dot structure having quantum dots, and a wavelength conversion element and a photoelectric conversion device having a quantum dot structure produced by this production method. The present invention relates to a manufacturing method of a quantum dot structure that can be uniformly distributed in a dimension, and a wavelength conversion element and a photoelectric conversion device having the quantum dot structure by the manufacturing method.

現在、太陽電池について研究が盛んに行われている。太陽電池のうち、P型半導体およびN型半導体を接合して構成されるPN接合型太陽電池、ならびにP型半導体、I型半導体およびN型半導体を接合して構成されるPIN接合型太陽電池は、構成している半導体の伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップ(Eg)以上のエネルギーをもつ太陽光を吸収し、価電子帯から伝導体へ電子が励起されて、価電子帯に正孔が生成し、太陽電池に起電力が発生するものである。
PN接合型太陽電池およびPIN接合型太陽電池は、バンドギャップが単一であり、単接合型太陽電池と呼ばれる。
Currently, research is actively conducted on solar cells. Among solar cells, a PN junction solar cell configured by bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, and a PIN junction solar cell configured by bonding a P-type semiconductor, an I-type semiconductor, and an N-type semiconductor, , Absorbs sunlight having energy greater than the band gap (Eg) between the conduction band and the valence band of the constituting semiconductor, and excites electrons from the valence band to the conductor to enter the valence band. Holes are generated and an electromotive force is generated in the solar cell.
A PN junction solar cell and a PIN junction solar cell have a single band gap and are called single junction solar cells.

PN接合型太陽電池およびPIN接合型太陽電池においては、バンドギャップより小さいエネルギーの光は吸収されることなく透過してしまう。一方、バンドギャップより大きなエネルギーは吸収されるが、吸収されたエネルギーのうち、バンドギャップより大きいエネルギー分はフォノンとして熱エネルギーとして消費される。このため、PN接合型太陽電池およびPIN接合型太陽電池のような単一バンドギャップの単接合型太陽電池は、エネルギー変換効率が悪いという問題点がある。   In the PN junction solar cell and the PIN junction solar cell, light having energy smaller than the band gap is transmitted without being absorbed. On the other hand, energy larger than the band gap is absorbed, but of the absorbed energy, the energy larger than the band gap is consumed as thermal energy as phonons. For this reason, single band gap single junction solar cells such as PN junction solar cells and PIN junction solar cells have a problem of poor energy conversion efficiency.

この問題点を改善するために、バンドギャップの異なる複数のPN接合、PIN接合を積層し、エネルギーの大きな光から順次吸収されるような構造とすることにより、広範囲の波長域で吸収し、かつ熱エネルギーへの損失を低減し、エネルギー変換効率を改善させる多接合太陽電池が開発されている。
しかし、この多接合太陽電池は、複数のPN、PIN接合を電気的に直列接合しているため、出力電流は各接合で生成されている最小の電流となる。このため、太陽光スペクトル分布に偏りが生じ、一つのPN接合、PIN接合の出力が低下すると、太陽光スペクトル分布の偏りに影響されない接合の出力も低下し、太陽電池全体として出力が大幅に低下するという課題や、また、良質な結晶品質を有しハンドギャップの異なる半導体を良質な結晶品質をたもちつつ接合しなければならないために、結晶格子長がほぼ等しい材料にて材料選択をしなければならないことから、材料選択の幅が狭く作成が困難である。
In order to improve this problem, a plurality of PN junctions and PIN junctions having different band gaps are stacked, and a structure that absorbs sequentially from light having a large energy is absorbed in a wide wavelength range, and Multijunction solar cells have been developed that reduce losses to thermal energy and improve energy conversion efficiency.
However, since this multi-junction solar cell has a plurality of PN and PIN junctions electrically connected in series, the output current is the minimum current generated at each junction. For this reason, when the solar spectrum distribution is biased and the output of one PN junction or PIN junction is decreased, the output of the junction that is not affected by the bias of the solar spectrum distribution is also decreased, and the output of the entire solar cell is greatly decreased. In addition, it is necessary to select materials using materials with almost the same crystal lattice length, because it is necessary to join semiconductors with high crystal quality and different hand gaps with high crystal quality. Therefore, it is difficult to make a material with a narrow range of material selection.

この課題を解決する次世代の太陽電池として、量子ドットにより量子効果を用いた太陽電池が近年急速に検討されてきた。量子ドットを応用した太陽電池としては、大きく分類して、マルチジャンクション、中間バンド型、マルチエキストン型、ホットキャリアー型の4種類がある。
いずれの方式においても、材料のバンドキャップの組み合わせにより理論変換効率が決定され、どの方式においても1.0eV以下の比較的低バンドギャップの量子ドットを形成することが望まれる。
As a next-generation solar cell that solves this problem, a solar cell using a quantum effect by quantum dots has been rapidly studied in recent years. Solar cells using quantum dots are roughly classified into four types: multi-junction, intermediate band type, multi-exton type, and hot carrier type.
In any method, the theoretical conversion efficiency is determined by the combination of the band caps of the materials, and in any method, it is desired to form a quantum dot having a relatively low band gap of 1.0 eV or less.

例えば、1.0eV以下の比較的低バンドギャップとしては、Ge,SiGe,InN,InAs,FeSi,PbS,PbSe等がある。このうち、気相形成法では、既存のSiテクノロジーと整合性からGe,SiGeの材料が検討されている(例えば、特許文献1参照)。また、粒子形成及び塗布関係では、比較的粒子合成が容易なPbS,PbSeを用いた光電変換膜の研究が盛んに検討されている。   For example, the relatively low band gap of 1.0 eV or less includes Ge, SiGe, InN, InAs, FeSi, PbS, PbSe, and the like. Among these, in the vapor phase forming method, Ge and SiGe materials have been studied from the viewpoint of consistency with existing Si technology (for example, see Patent Document 1). In addition, in terms of particle formation and application, research on photoelectric conversion films using PbS and PbSe, which are relatively easy to synthesize particles, has been actively studied.

Ge,SiGe量子ドットを気相形成法としては、特許文献1に開示されているような、半導体材料の化合物を有する複数の化学量論的誘電体材料層と半導体組成比率が多い誘電体層を相互に積層し加熱することにより、非結晶質誘電体材料をマトリクス(エネルギー障壁)とし、その中に結晶質半導体の量子ドットが3次元的に均一分布した光電変換膜を形成する方法が提案されている。
特許文献1には、具体的にSiO,Si,SiCマトリクス材料中に、Si合金の結晶質の量子ドットが3次元的に均一分布した光電変換膜を形成することが開示されている。
また、特許文献1において、Si量子ドットを形成する場合、アニールにより2SiO→Si+SiOの反応を利用している。さらには、特許文献1において、Ge量子ドットを形成させるために、GeO→Ge+GeOとなる反応を利用している。
As a method for forming Ge and SiGe quantum dots in a gas phase, a plurality of stoichiometric dielectric material layers having a compound of a semiconductor material and a dielectric layer having a large semiconductor composition ratio as disclosed in Patent Document 1 are used. A method has been proposed in which an amorphous dielectric material is used as a matrix (energy barrier) by stacking and heating each other to form a photoelectric conversion film in which quantum dots of crystalline semiconductor are uniformly distributed in three dimensions. ing.
Patent Document 1 discloses that a photoelectric conversion film in which crystalline quantum dots of a Si alloy are uniformly distributed three-dimensionally in a SiO 2 , Si 3 N 4 , or SiC matrix material is disclosed. Yes.
Further, in Patent Document 1, when forming Si quantum dots, a reaction of 2SiO → Si + SiO 2 is used by annealing. Furthermore, in Patent Document 1, a reaction of GeO → Ge + GeO 2 is used to form Ge quantum dots.

上記特許文献1の方法では、GeとGeOの界面が形成される。
ここで、非特許文献1には、SiGeアモルファス膜をドライ酸化させることにより、GeOマトリクス中にGeナノ結晶を形成することが開示されている。ドライ酸化条件によりPL発光強度及び組成が変化し、アニール温度が高くなるにつれて、Si−Si結合→Si−Ge結合→Ge−Ge結合の順に、ラマン強度が変化することと、FTIRの結果よりGe−GeからGe−O−Geに変化していく。さらに、Ge−GeからGe−O−Geへの変化と、PL強度の対応からGe/GeO界面にて欠陥が形成されると推測されることが開示されている。
非特許文献1に開示されているように、Ge/GeO界面での欠陥により、光光変換効率の低下や光電変換効率の低下が指摘されている。このため、欠陥の発生しやすいGeOではなく比較的安定なSiOをマトリクスとして用いることが提案されている(特許文献2、非特許文献2参照)。
In the method of Patent Document 1, an interface between Ge and GeO 2 is formed.
Here, Non-Patent Document 1 discloses that Ge nanocrystals are formed in a GeO 2 matrix by dry-oxidizing a SiGe amorphous film. As the PL emission intensity and composition change depending on the dry oxidation conditions, and the annealing temperature increases, the Raman intensity changes in the order of Si—Si bond → Si—Ge bond → Ge—Ge bond, and the results of FTIR indicate that -Ge changes to Ge-O-Ge. Furthermore, it is disclosed that it is estimated that defects are formed at the Ge / GeO 2 interface from the correspondence between the change from Ge—Ge to Ge—O—Ge and the PL intensity.
As disclosed in Non-Patent Document 1, it has been pointed out that a defect at the Ge / GeO 2 interface causes a decrease in light-light conversion efficiency and a decrease in photoelectric conversion efficiency. For this reason, it has been proposed to use relatively stable SiO 2 as a matrix instead of GeO 2 , which is likely to cause defects (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 2).

特許文献2には、光電変換部と波長変換部(波長変換素子)とを有する光電変換装置が記載されている。この波長変換部は、光電変換部の光入射側に配置されており、波長変換部は、量子ドットdとその周囲を取り囲む層(「マトリクス」)よりなるものであり、マトリクスが酸化シリコン膜からなることが記載されている。この特許文献2には、量子ドットdは、縦横および上下に規則正しく配列させても、薄膜間に平面的にランダムに量子ドットdを配列させてもよいことが記載されている。   Patent Document 2 describes a photoelectric conversion device having a photoelectric conversion unit and a wavelength conversion unit (wavelength conversion element). This wavelength conversion unit is disposed on the light incident side of the photoelectric conversion unit, and the wavelength conversion unit is composed of quantum dots d and a layer (“matrix”) surrounding the quantum dot d, and the matrix is made of a silicon oxide film. It is described that it becomes. This Patent Document 2 describes that quantum dots d may be regularly arranged vertically and horizontally and vertically, or quantum dots d may be randomly arranged in a plane between thin films.

非特許文献2には、SiOとGeを共スパッタリングし、700〜900℃にアニールすることにより、SiO中に均一なGeナノクリスタルが分散した薄膜を形成する方法が開示されている。 Non-Patent Document 2 discloses a method of forming a thin film in which uniform Ge nanocrystals are dispersed in SiO 2 by co-sputtering SiO 2 and Ge and annealing at 700 to 900 ° C.

特表2007−535806号公報Special Table 2007-535806 特開2010−118491号公報JP 2010-118491 A

Solid state communications 136(2005)224−227Solid state communications 136 (2005) 224-227 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103,103534(2008)JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 103534 (2008) Nanotechnology 21(2010)505201Nanotechnology 21 (2010) 505201

ここで、比較的低温のアニール温度において、SiとGe界面にSiGeOが形成される報告がある(“Annealing effects on Ge/SiO2 interface structure in wafer -bonded Ge-on-insulator substrates (Osamu Yoshitake, ets Osaka University ”SSDM 2010 プロシーリングより)。
この報告より、経時により組成変化を生じ、光光変換効率の低下や光電変換効率の低下が懸念されている。
本発明者は、SiGeyO(1−x−y)層とSiO層を積層して積層膜を形成し、この積層膜にアニールを実施し、SiGeyO(1−x−y)→Ge+SiOの反応を利用して、Ge量子ドットを形成したところ、ラマン分光測定により、Ge結晶に由来するピークが確認され、赤外でのPL発光が確認された。しかしながら、1ヶ月程の経時試験により膜質が変化するとともに、PL発光が生じなくなったことを確かめている。
Here, there is a report that SiGeO is formed at the Si-Ge interface at a relatively low annealing temperature (“Annealing effects on Ge / SiO2 interface structure in wafer-bonded Ge-on-insulator substrates (Osamu Yoshitake, ets Osaka University "from SSDM 2010 Proceeding).
From this report, there is a concern that the composition changes with time and the light-light conversion efficiency is lowered or the photoelectric conversion efficiency is lowered.
The inventor forms a laminated film by laminating a Si x GeyO (1-xy) layer and a SiO 2 layer, and anneals the laminated film to obtain Si x GeyO (1-xy) → When Ge quantum dots were formed using the reaction of Ge + SiO 2 , a peak derived from the Ge crystal was confirmed by Raman spectroscopic measurement, and PL emission in the infrared was confirmed. However, it is confirmed that the film quality is changed by a time-test for about one month and that PL emission is not generated.

非特許文献3には、マトリック材料と量子ドット材料として、SiO層とSi層とSiGe1−x層の積層膜を形成し、SiGe1−x層のシリコンを選択的に酸化させることにより、Si層中にGe量子ドットを形成させる方法が開示されている。
しかしながら、非特許文献3においては、しかし、SiO層とSiGe1−x層の積層膜を形成し、SiGe1−x層のシリコンを選択的に酸化させることにより、Ge量子ドット形成の可能性を検討した。表面から酸化が進むため、深さ方向に酸化程度の違いが生じた。このことから、比較的層数が多い場合には、Ge量子ドットを3次元的に均一分布させることが難しく、かつ、高密度に配列することができないと考えられる。
さらに、Ge量子ドットを囲んでいるマトリクス材料が、水平方向と、垂直方向でSiOとSiと異なるために、量子ドットが3次元的に均一分布した光電変換膜を水平方向と、垂直方向でハンド障壁の違いが生じ、これにより、電荷は水平方向に動きやすいが、垂直方向には動きにくいため、垂直方向に電流を流すことは困難であり、デバイス応用は限られてくる。
In Non-Patent Document 3, a layered film of SiO 2 layer, Si 3 N 4 layer and Si x Ge 1-x layer is formed as a matrix material and quantum dot material, and silicon of Si x Ge 1-x layer is selected A method is disclosed in which Ge quantum dots are formed in a Si 3 N 4 layer by selective oxidation.
However, in Non-Patent Document 3, however, a Ge quantum dot is formed by forming a laminated film of a SiO 2 layer and a Si x Ge 1-x layer and selectively oxidizing the silicon of the Si x Ge 1-x layer. The possibility of formation was examined. As oxidation progressed from the surface, a difference in oxidation degree occurred in the depth direction. From this, it is considered that when the number of layers is relatively large, it is difficult to uniformly distribute the Ge quantum dots in a three-dimensional manner and it is not possible to arrange them at high density.
Further, since the matrix material surrounding the Ge quantum dots is different from SiO 2 and Si 3 N 4 in the horizontal direction and in the vertical direction, the photoelectric conversion film in which the quantum dots are uniformly distributed three-dimensionally is defined in the horizontal direction, A difference in the hand barrier occurs in the vertical direction, which makes it easy for the charge to move in the horizontal direction but not in the vertical direction, so that it is difficult to pass a current in the vertical direction, and the device application is limited.

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、欠陥の少ない良質の量子ドットを3次元的に均一分布させることができる量子ドット構造体の製造方法、およびこの製造方法による量子ドット構造体を有する波長変換素子および光電変換装置を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the problems based on the prior art and to produce a quantum dot structure capable of three-dimensionally uniformly distributing high-quality quantum dots with few defects, and a quantum dot produced by this production method It is providing the wavelength conversion element and photoelectric conversion apparatus which have a structure.

上記目的を達成するために、本発明は、第1、第2の2種以上の半導体または金属元素と酸素からなる組成を有し、かつ前記酸素に対し、前記第1、第2の2種以上の半導体または金属元素の組成比率が多い第1のアモルファス層と、前記第1の半導体または前記第1の金属元素と酸素からなる組成を有する化学量論的誘電体材料層と、前記第1の半導体または前記第1の金属元素と酸素からなる組成を有し、前記第1の半導体または前記第1の金属元素の組成比率が多い第2のアモルファス層とを相互に積層し、積層体を得る工程と、前記積層体を加熱処理し、前記第1の半導体または前記第1の金属元素によりマトリクスが形成され、前記マトリクスの中に前記第2の半導体もしくは前記第2の金属元素からなる結晶質の量子ドット、または前記第1、第2の2種以上の半導体もしくは金属元素の混晶の量子ドットを形成する工程とを有することを特徴とする量子ドット構造体の製造方法を提供するものである。   In order to achieve the above object, the present invention has a composition composed of oxygen of first and second semiconductors or metal elements and oxygen, and the first and second kinds of oxygen with respect to the oxygen. A first amorphous layer having a high composition ratio of the semiconductor or metal element; a stoichiometric dielectric material layer having a composition comprising the first semiconductor or the first metal element and oxygen; And a first amorphous element or a second amorphous layer having a composition ratio of the first metal element and a high composition ratio of the first semiconductor element and the first metal element. A step of obtaining, a heat treatment of the stacked body, a matrix is formed of the first semiconductor or the first metal element, and a crystal composed of the second semiconductor or the second metal element in the matrix Quality quantum dots Is to provide a method of manufacturing a quantum dot structure, characterized by a step of forming the first, quantum dots mixed crystal of the second of two or more semiconductor or metallic elements.

前記積層体は、前記第1のアモルファス層または前記第2のアモルファス層に隣接して、前記化学量論的誘電体材料層が形成され、かつ前記第1のアモルファス層と隣接する第1のアモルファス層の間に、少なくとも前記第2のアモルファス層が1層以上あることが好ましい。
また、前記積層体の加熱処理工程において、前記第1のアモルファス層の前記第2の半導体または前記第2の金属元素は、前記第1のアモルファス層中に量子ドットを形成するとともに、前記第2のアモルファス層に拡散し、前記第2のアモルファス層に含まれる前記第1の半導体または前記第1の金属元素を酸化させるとともに、前記第2の半導体または前記第2の金属元素を主成分とする量子ドットを形成することが好ましい。
The stacked body includes a first amorphous layer adjacent to the first amorphous layer or the second amorphous layer, the stoichiometric dielectric material layer being formed, and the first amorphous layer being adjacent to the first amorphous layer. It is preferable that at least one second amorphous layer is present between the layers.
Further, in the heat treatment step of the stacked body, the second semiconductor or the second metal element of the first amorphous layer forms quantum dots in the first amorphous layer, and the second semiconductor element. The first semiconductor or the first metal element contained in the second amorphous layer is oxidized, and the second semiconductor or the second metal element is a main component. It is preferable to form quantum dots.

前記第1の半導体または第1の金属元素の電気陰性度をA1とし、前記第2の半導体または前記第2の金属元素の電気陰性度をA2とするとき、A1>A2であることが好ましい。
前記第1の半導体または第1の金属元素を融点M1とし、前記第2の半導体または前記第2の金属元素の融点をM2とするとき、M1>M2であることが好ましい。
前記第1のアモルファス層は、SiGe(1−x−y)層からなることが好ましい。
前記化学量論的誘電体材料層は、SiO層からなり、前記第2のアモルファス層は、SiO層からなることが好ましい。
前記SiO層は、Siをリアクティブスパッタして形成されることが好ましい。
When the electronegativity of the first semiconductor or the first metal element is A1, and the electronegativity of the second semiconductor or the second metal element is A2, it is preferable that A1> A2.
When the first semiconductor or the first metal element has a melting point M1, and the melting point of the second semiconductor or the second metal element is M2, it is preferable that M1> M2.
The first amorphous layer is preferably composed of a Si x Ge y O (1-xy) layer.
Preferably, the stoichiometric dielectric material layer is composed of a SiO 2 layer, and the second amorphous layer is composed of a SiO x layer.
The SiO x layer is preferably formed by reactive sputtering of Si.

本発明は、上記本発明の量子ドット構造体の製造方法により製造された量子ドット構造体を有し、前記量子ドットは、吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなり、前記量子ドットは、隣り合う粒子との間隔が前記量子ドットの粒径以下に配置されていることを特徴とする波長変換素子を提供するものである。   This invention has the quantum dot structure manufactured by the manufacturing method of the quantum dot structure of the said invention, The said quantum dot is lower than the said absorbed light with respect to the specific wavelength range of the absorbed light A wavelength conversion element comprising a wavelength conversion composition for wavelength conversion to energy light, wherein the quantum dots are arranged such that an interval between adjacent particles is equal to or smaller than a particle size of the quantum dots. It is.

本発明は、上記本発明の波長変換素子が光電変換層の入射光側に配置されており、前記波長変換素子は、実効屈折率が、前記光電変換層の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率であることを特徴とする光電変換装置を提供するものである。
前記波長変換素子は、波長533nmにおける実効屈折率nが、1.7<n<3.0であることが好ましい。
In the present invention, the wavelength conversion element of the present invention is disposed on the incident light side of the photoelectric conversion layer, and the wavelength conversion element has an effective refractive index of the refractive index of the photoelectric conversion layer and the refractive index of air. A photoelectric conversion device having an intermediate refractive index is provided.
The wavelength conversion element preferably has an effective refractive index n at a wavelength of 533 nm of 1.7 <n <3.0.

本発明によれば、マトリクスの中に、欠陥の少ない良質の結晶質の量子ドットを生成することができる。この場合、量子ドットは3次元的に均一に、しかも高密度に分布するため、3次元的な周期性を有し、かつ高密度に均一に分布された量子ドットを有する量子ドット構造体を得ることができる。この量子ドット構造体を有する波長変換素子、および光電変換装置によれば、経時劣化による光光変換効率の低下、光電変換効率の低下が抑制される。   According to the present invention, high-quality crystalline quantum dots with few defects can be generated in a matrix. In this case, since the quantum dots are distributed three-dimensionally uniformly and at a high density, a quantum dot structure having a three-dimensional periodicity and having quantum dots uniformly distributed at a high density is obtained. be able to. According to the wavelength conversion element and the photoelectric conversion device having the quantum dot structure, a decrease in light-light conversion efficiency and a decrease in photoelectric conversion efficiency due to deterioration with time are suppressed.

(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。(A)-(c) is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the quantum dot structure of the 1st Embodiment of this invention in order of a process. (a)は、本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体の全体のTEM像を示す図面代用写真であり、(b)は、本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体の要部のTEM像を示す図面代用写真であり、(c)は、本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体のラマン測定の結果を示すグラフである。(A) is drawing substitute photograph which shows the whole TEM image of the quantum dot structure of the 1st Embodiment of this invention, (b) is the quantum dot structure of the 1st Embodiment of this invention. It is a drawing substitute photograph which shows the TEM image of the principal part, (c) is a graph which shows the result of the Raman measurement of the quantum dot structure of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体の発光スペクトルおよび従来の量子ドット構造体の発光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum of the quantum dot structure of the 1st Embodiment of this invention, and the emission spectrum of the conventional quantum dot structure. 本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体の1ヶ月後の経過時の発光スペクトル(PL波長分散特性)を示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum (PL wavelength dispersion characteristic) at the time of progress after one month of the quantum dot structure of the 1st Embodiment of this invention. (a)は、積層膜のTEM像を示す図面代用写真であり、(b)は、図5(a)の積層膜を熱処理した後のTEM像を示す図面代用写真である。(A) is a drawing-substituting photograph showing a TEM image of a laminated film, and (b) is a drawing-substituting photograph showing a TEM image after heat-treating the laminated film of FIG. 5 (a). (a)は、本発明の第2の実施形態の量子ドット構造体を製造するための積層体を示す模式的断面図であり、(b)は、本発明の第2の実施形態の量子ドット構造体の要部を示す模式的断面図である。(A) is typical sectional drawing which shows the laminated body for manufacturing the quantum dot structure of the 2nd Embodiment of this invention, (b) is the quantum dot of the 2nd Embodiment of this invention. It is typical sectional drawing which shows the principal part of a structure. (a)は、本発明の第2の実施形態の量子ドット構造体のエネルギーバンド構造を示す模式図であり、(b)は、従来の量子ドット構造体のエネルギーバンド構造を示す模式図である。(A) is a schematic diagram which shows the energy band structure of the quantum dot structure of the 2nd Embodiment of this invention, (b) is a schematic diagram which shows the energy band structure of the conventional quantum dot structure. . (a)は、本発明の第2の実施形態の量子ドット構造体の発光スペクトルを示すグラフであり、(b)は、従来の量子ドット構造体の発光スペクトルを示すグラフである。(A) is a graph which shows the emission spectrum of the quantum dot structure of the 2nd Embodiment of this invention, (b) is a graph which shows the emission spectrum of the conventional quantum dot structure. 本発明の実施形態の波長変換素子を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the wavelength conversion element of embodiment of this invention. マルチエキシトン効果を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the multi exciton effect. 太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a sunlight spectrum and the spectral sensitivity curve of crystalline Si. 反射防止膜の構成の違いによる反射率の違いを示すグラフである。It is a graph which shows the difference in the reflectance by the difference in the structure of an antireflection film. (a)は、SiOのマトリクス中のSiの量子ドットの含有量と屈折率との関係を示すグラフであり、(b)は、SiOのマトリクス中のSiの量子ドットの間隔と屈折率との関係を示すグラフである。(A) is a graph showing the relationship between the content of the Si quantum dots in the SiO 2 matrix and the refractive index, and (b) is the spacing and refractive index of the Si quantum dots in the SiO 2 matrix. It is a graph which shows the relationship. SiO膜/波長変換素子(Si量子ドット/SiO2Mat)/Si基板の反射率を示すグラフであり、波長変換素子は屈折率が1.80である。It is a graph showing the SiO 2 film / wavelength converting element (Si quantum dots / SiO 2Mat) / Si substrate reflectivity, a wavelength conversion element has a refractive index of 1.80. SiO膜/波長変換素子(Si量子ドット/SiO2Mat)/Si基板の反射率を示すグラフであり、波長変換素子は屈折率が2.35である。It is a graph showing the SiO 2 film / wavelength converting element (Si quantum dots / SiO 2Mat) / Si substrate reflectivity, a wavelength conversion element has a refractive index of 2.35. 本発明の実施形態の波長変換素子を有する光電変換装置を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing a photoelectric conversion device which has a wavelength conversion element of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の他の光電変換装置の構成を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the other photoelectric conversion apparatus of embodiment of this invention. 図17の光電変換装置の光吸収層を示す模式的斜視図である。It is a typical perspective view which shows the light absorption layer of the photoelectric conversion apparatus of FIG. (a)、(b)は、従来の量子ドット構造体の製造方法を工程順に示す模式的断面図であり、(c)は、従来の量子ドット構造体の要部のTEM像を示す図面代用写真である。(A), (b) is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of the conventional quantum dot structure in order of a process, (c) is drawing substitute which shows the TEM image of the principal part of the conventional quantum dot structure. It is a photograph.

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の量子ドット構造体の製造方法、波長変換素子および光電変換装置を詳細に説明する。
図1(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態の量子ドット構造体の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。
Below, based on the preferred embodiment shown in an accompanying drawing, the manufacturing method of the quantum dot structure of the present invention, a wavelength conversion element, and a photoelectric conversion device are explained in detail.
FIG. 1A to FIG. 1C are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing the quantum dot structure according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.

本実施形態の量子ドット構造体20は、図1(c)に示すように、例えば、基板12上に設けられており、マトリクス(マトリクス層)22と、このマトリクス22内に設けられた量子ドット24とを有する。量子ドット24は、マトリクス22内に、3次元的な周期性を有し、かつ高密度に均一に配列されており、量子ドット24は、多重量子井戸構造を構成するように配置されている。具体的には、量子ドット構造体20は、例えば、図2(a)、(b)に示すような構造である。   As shown in FIG. 1C, the quantum dot structure 20 of the present embodiment is provided on a substrate 12, for example, and includes a matrix (matrix layer) 22 and quantum dots provided in the matrix 22. 24. The quantum dots 24 have a three-dimensional periodicity in the matrix 22 and are uniformly arranged with high density, and the quantum dots 24 are arranged so as to constitute a multiple quantum well structure. Specifically, the quantum dot structure 20 has a structure as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), for example.

次に、本実施形態の量子ドット構造体20の製造方法について説明する。
まず、図1(a)に示すように、基板12上にSiO層14(化学量論的誘電体材料層)、SiGeO層16(第1のアモルファス層)、SiO層14、SiOx層18(0<X<2)、SiO層14、SiGeO層16、SiO層14、SiOx層18(第2のアモルファス層)、SiO層14、SiGeO層16、SiO層14を、この順で積層して形成し積層体10を得る。
SiO層14、SiGeO層16およびSiOx層18の厚さは、例えば、3〜6nmである。
なお、SiO層14は、第1の半導体または第1の金属元素と酸素からなる組成を有する化学量論的誘電体材料層に対応するものである。SiOx層18は、第1の半導体または第1の金属元素と酸素からなる組成を有し、第1の半導体または第1の金属元素の組成比率が多い第2のアモルファス層に対応するものである。
SiGeO層16は、SiGe(1−x−y)の組成を有するものであり、第1、第2の2種以上の半導体または金属元素と酸素からなる組成を有し、かつ酸素に対し、第1、第2の2種以上の半導体または金属元素の元素組成比率が多い第1のアモルファス層に対応するものである。
本実施形態において、第1の半導体または第1の金属元素は、例えば、Siであり、第2の半導体または第2の金属元素は、例えば、Geである。
Next, the manufacturing method of the quantum dot structure 20 of this embodiment is demonstrated.
First, as shown in FIG. 1A, a SiO 2 layer 14 (stoichiometric dielectric material layer), a SiGeO layer 16 (first amorphous layer), a SiO 2 layer 14 and a SiOx layer 18 are formed on a substrate 12. (0 <X <2), SiO 2 layer 14, SiGeO layer 16, SiO 2 layer 14, SiOx layer 18 (second amorphous layer), SiO 2 layer 14, SiGeO layer 16, SiO 2 layer 14 in this order. To obtain a laminate 10.
The thicknesses of the SiO 2 layer 14, the SiGeO layer 16, and the SiOx layer 18 are, for example, 3 to 6 nm.
The SiO 2 layer 14 corresponds to a stoichiometric dielectric material layer having a composition composed of the first semiconductor or the first metal element and oxygen. The SiOx layer 18 has a composition composed of the first semiconductor or the first metal element and oxygen, and corresponds to the second amorphous layer having a high composition ratio of the first semiconductor or the first metal element. .
The SiGeO layer 16 has a composition of Si x Ge y O (1-xy) , has a composition composed of first and second semiconductors or metal elements and oxygen, and oxygen. On the other hand, it corresponds to the first amorphous layer having a high elemental composition ratio of the first or second semiconductor or the metal element.
In the present embodiment, the first semiconductor or the first metal element is, for example, Si, and the second semiconductor or the second metal element is, for example, Ge.

積層体10においては、SiGe(1−x−y)とSiOの層をSiO層中に交互もしくは、周期的に配列させればよい。
また、積層体10においては、SiGeO層16(第1のアモルファス層)またはSiOx層18(第2のアモルファス層)に隣接して、SiO層14(化学量論的誘電体材料層)が形成され、かつSiGeO層16と隣接するSiGeO層16の間に、少なくともSiOx層18が1層以上配置されたものであってもよい。
In the stacked body 10, Si x Ge y O (1-xy) and SiO z layers may be alternately or periodically arranged in the SiO 2 layer.
In the stacked body 10, an SiO 2 layer 14 (stoichiometric dielectric material layer) is formed adjacent to the SiGeO layer 16 (first amorphous layer) or the SiOx layer 18 (second amorphous layer). In addition, at least one SiOx layer 18 may be disposed between the SiGeO layer 16 and the adjacent SiGeO layer 16.

SiO層14は、例えば、SiOをターゲットに用いたRFスパッタにより形成される。SiGeO層16は、例えば、SiとGeとの共リアクティブスパッタにより形成される。SiOx層18は、例えば、Siをリアクティブスパッタにより酸化させることにより形成される。 The SiO 2 layer 14 is formed, for example, by RF sputtering using SiO 2 as a target. The SiGeO layer 16 is formed by, for example, co-reactive sputtering of Si and Ge. The SiOx layer 18 is formed, for example, by oxidizing Si by reactive sputtering.

次に、積層体10に、例えば、窒素ガスをフローした雰囲気にて、例えば、900℃、1分の加熱処理(アニール処理)を施すことにより、窒化及び結晶化を行う。この場合、図1(b)に示すように、SiGeO層16(第1のアモルファス層)中にGe量子ドット(量子ドット24)が形成される(SiGe(1−x−y)→Ge+GeOz1+SiOz2)。このとき、SiGeO層16(第1のアモルファス層)からGeOx17(GeOz1)がSiOx層18(第2のアモルファス層)に拡散する。拡散したGeOx19が、SiOx層18にて反応してGe量子ドット(量子ドット24)が形成される。この際、拡散したGeOz1をSiがGeより酸化しやすい特性を生かし、SiOz2+GeOz1→SiO+Geと反応させることにより、GeOの発生が抑制され、経時的にGeOが拡散し、Ge/GeO界面での欠陥膜質変化を抑制することができる。
この加熱処理により、SiO層14、SiGeO層16およびSiOx層18により、例えば、非結晶質のSiOx(x≒2)のマトリクス22が形成される。
Next, the laminated body 10 is subjected to nitriding and crystallization by performing a heat treatment (annealing treatment) at, for example, 900 ° C. for 1 minute in an atmosphere in which a nitrogen gas is flowed. In this case, as shown in FIG. 1B, Ge quantum dots (quantum dots 24) are formed in the SiGeO layer 16 (first amorphous layer) (Si x Ge y O (1-xy)). → Ge + GeO z1 + SiO z2 ). At this time, GeOx 17 (GeO z1 ) diffuses from the SiGeO layer 16 (first amorphous layer) to the SiOx layer 18 (second amorphous layer). The diffused GeOx 19 reacts with the SiOx layer 18 to form Ge quantum dots (quantum dots 24). At this time, taking advantage of the property that Si is more easily oxidized than Ge by making the diffused GeO z1 react with SiO z2 + GeO z1 → SiO 2 + Ge, the generation of GeO z is suppressed, and GeO z diffuses over time, It is possible to suppress the defect film quality change at the Ge / GeO 2 interface.
By this heat treatment, for example, an amorphous SiOx (x≈2) matrix 22 is formed by the SiO 2 layer 14, the SiGeO layer 16 and the SiOx layer 18.

なお、SiO層14、SiGeO層16およびSiOx層18を相互に積層し、加熱処理することにより、特許文献1に開示されているように、結晶質の量子ドット24がマトリクス22内に3次元的に均一分布される。本実施形態においては、さらに量子ドット24が、高密度に形成される。生成される量子ドット24は、マトリクス22内に3次元的な周期性を有し、かつ高密度に均一に分布される。 The SiO 2 layer 14, the SiGeO layer 16, and the SiOx layer 18 are stacked on each other and subjected to heat treatment, whereby crystalline quantum dots 24 are three-dimensionally formed in the matrix 22 as disclosed in Patent Document 1. Uniformly distributed. In the present embodiment, the quantum dots 24 are further formed with high density. The generated quantum dots 24 have a three-dimensional periodicity in the matrix 22 and are uniformly distributed at a high density.

このようにして、図1(c)に示すような、マトリクス22中に量子ドット24が3次元的な周期性を有し、かつ高密度に均一に配列された量子ドット構造体20を得ることができる。
さらに、製造された量子ドット構造体20についてラマン分光分析したところ、図2(c)に示すような結果が得られた。この結果から、Ge−Ge結合のみが観察され、Si−Ge結合およびSi−Si結合が観察されず、これによりGe量子ドットのみが形成されていることを確認している。
In this way, as shown in FIG. 1C, a quantum dot structure 20 in which the quantum dots 24 have a three-dimensional periodicity and are uniformly arranged at high density in the matrix 22 is obtained. Can do.
Further, when the manufactured quantum dot structure 20 was subjected to Raman spectroscopic analysis, a result as shown in FIG. 2C was obtained. From this result, it is confirmed that only Ge—Ge bonds are observed, Si—Ge bonds and Si—Si bonds are not observed, and only Ge quantum dots are formed.

なお、量子ドット構造体20において、量子ドット24とマトリクス22との界面、およびマトリクス22の欠陥の発生を防止するため、その製造工程においてパッシベーション工程を有することが好ましい。この場合、パッシベーション工程は、量子ドット構造体20を硫化アンモニウム溶液またはシアン溶液に浸すか、または量子ドット構造体20を水素ガス、フッ化水素ガス、臭素化水素ガスまたはリン化水素ガスのガス雰囲気にて熱処理することによりなされる。
例えば、プラズマ水素処理にて、水素終端を実施する場合、処理条件は、H流量300l/分、真空度0.9Torr、マイクロ波2.5KW、基板温度300℃、処理時間30分である。
In addition, in the quantum dot structure 20, in order to prevent generation | occurrence | production of the defect of the interface of the quantum dot 24 and the matrix 22, and the matrix 22, it is preferable to have a passivation process in the manufacturing process. In this case, in the passivation step, the quantum dot structure 20 is immersed in an ammonium sulfide solution or a cyan solution, or the quantum dot structure 20 is gas atmosphere of hydrogen gas, hydrogen fluoride gas, hydrogen bromide gas, or hydrogen phosphide gas. By heat treatment.
For example, when performing hydrogen termination in plasma hydrogen treatment, the treatment conditions are H 2 flow rate 300 l / min, vacuum degree 0.9 Torr, microwave 2.5 KW, substrate temperature 300 ° C., treatment time 30 minutes.

従来、比較的高温処理が困難であったが、本発明においては、拡散したGeOxが、SiOx層18にて反応してGe量子ドット(量子ドット24)を形成する構造を取り入れたことにより、比較的高温、例えば、800℃以上で熱処理(アニール処理)することが可能となり、かつ、これまでマトリクス22中に拡散していたGeOの拡散を抑制することにより、欠陥抑制を高めることができる。これにより、本発明の量子ドット構造体20は、形成直後でPL強度(図3に示す符号α)が、従来の量子ドット構造体の形成直後のPL強度(図3に示す符号α)よりも高く、PL強度が改善された。更には、例えば、1カ月経時後のPL発光特性については、図4に示すように、経時によりPL波長分散特性に変化がないことも確認しており、発光寿命が改善される。 Conventionally, it has been difficult to process at a relatively high temperature, but in the present invention, a structure in which diffused GeOx reacts with the SiOx layer 18 to form Ge quantum dots (quantum dots 24) is compared. It is possible to perform heat treatment (annealing) at a high temperature, for example, 800 ° C. or more, and to suppress the diffusion of GeO z that has been diffused in the matrix 22 so far, the defect suppression can be enhanced. Thereby, the quantum dot structure 20 of the present invention has a PL intensity (symbol α 1 shown in FIG. 3) immediately after formation, and a PL intensity (symbol α 2 shown in FIG. 3) immediately after formation of the conventional quantum dot structure. Higher, the PL strength was improved. Furthermore, for example, with respect to the PL emission characteristics after one month, as shown in FIG. 4, it has also been confirmed that the PL wavelength dispersion characteristics do not change with time, and the emission lifetime is improved.

以下、図3に示す符号αのPL強度が得られる従来の量子ドット構造体について図19(a)〜(c)を用いて説明する。
図19(b)に示す従来の量子ドット構造体110は、基板12上のSiOからなるマトリクス114中にGe量子ドット112が形成されたものである。具体的には、従来の量子ドット構造体110は、図19(c)に示すようなものである。
この量子ドット構造体110を製造する場合、図19(a)に示すように、基板12上にSiO層102、SiGeO層104を交互に積層して積層体100を得る。SiO層102は、到達真空度を3×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにSiを用い、投入電力を100W、成膜圧力を0.3Pa、ガス流量についてはArガスを15sccm、Oガスを1sccmの成膜条件で成膜した。
Hereinafter will be described with reference to FIG. 19 (a) ~ (c) the conventional quantum dot structures PL intensity code alpha 2 shown in FIG. 3 is obtained.
A conventional quantum dot structure 110 shown in FIG. 19B has Ge quantum dots 112 formed in a matrix 114 made of SiO 2 on a substrate 12. Specifically, the conventional quantum dot structure 110 is as shown in FIG.
When manufacturing the quantum dot structure 110, as shown in FIG. 19 (a), to obtain a laminate 100 by laminating a SiO 2 layer 102, SiGeO layer 104 alternately on the substrate 12. The SiO 2 layer 102 uses an ultimate vacuum of 3 × 10 −4 Pa or less, a substrate temperature of room temperature (RT), Si as a target, an input power of 100 W, a deposition pressure of 0.3 Pa, and a gas flow rate of Ar. A film was formed under the conditions of 15 sccm for gas and 1 sccm for O 2 gas.

SiGeO層104は、アモルファス状のものであり、到達真空度を、3×10−4Pa以下、基板温度を室温(RT)、ターゲットにGeおよびSiを用い、投入電力をGeは50W、Siは100W、成膜圧力を0.3Pa、ガス流量についてはArガスを15sccm、Oガスを0.5sccmの成膜条件で成膜した。
積層体100に対して窒素雰囲気で650℃、10分アニールを行う。これにより、Ge量子ドット112が形成されて、量子ドット構造体110が製造される。
The SiGeO layer 104 is amorphous, the ultimate vacuum is 3 × 10 −4 Pa or less, the substrate temperature is room temperature (RT), Ge and Si are used as targets, the input power is 50 W for Ge, and Si is The film was formed under the film forming conditions of 100 W, a film forming pressure of 0.3 Pa, and a gas flow rate of 15 sccm for Ar gas and 0.5 sccm for O 2 gas.
The stacked body 100 is annealed at 650 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. Thereby, Ge quantum dots 112 are formed, and the quantum dot structure 110 is manufactured.

なお、本発明者は、図5(a)に示すように、SiOとSiGe1−xの積層膜26を形成した後、SiGe1−x層のシリコンを選択的に酸化させることにより、Ge量子ドットの形成の可能性を検討した。その結果、図5(b)に示すように、積層膜26の表面から酸化が進むため、深さ方向に酸化程度の違いが生じた。図5(b)の積層膜26では、上部28がSiOになった。このことから、比較的層数が多い場合には、Ge量子ドットを3次元的に均一分布させることが難しく、かつ高密度に配列することができないと考えられる。 As shown in FIG. 5A, the present inventor selectively oxidizes the silicon in the Si x Ge 1-x layer after forming the laminated film 26 of SiO 2 and Si x Ge 1-x . Thus, the possibility of forming Ge quantum dots was investigated. As a result, as shown in FIG. 5B, since the oxidation proceeds from the surface of the laminated film 26, a difference in the degree of oxidation occurred in the depth direction. In the laminated film 26 of FIG. 5B, the upper portion 28 is made of SiO 2 . From this, it is considered that when the number of layers is relatively large, it is difficult to uniformly distribute the Ge quantum dots in a three-dimensional manner and it is impossible to arrange them at high density.

本実施形態の量子ドット構造体20において、マトリクス22は、例えば、バンドギャップが3eV以上の酸化物系誘電体または有機物により構成され、例えば、SiOx(0<x<2)からなる。マトリックス層22をSiOx(0<x<2)(無機材料)にて形成することにより、経時信頼性を得ることができる。
また、量子ドット24は、例えば、GeまたはSiGe混晶からなるものである。
量子ドット24は、例えば、隣り合う粒子(量子ドット24)との間隔が10nm以下である。また、量子ドット24は、粒径のバラツキσが、1<σ<d/5nmであることが好ましく、より好ましくは、1<σ<d/10nmである。なお、量子ドット24の粒径はバラツキの範囲で異なっていてもよい。
量子ドット24は、粒子状のものであり、粒径が3nm〜20nm、好ましくは2nm〜15nmであり、より好ましくは2nm〜5nmである。
In the quantum dot structure 20 of the present embodiment, the matrix 22 is made of, for example, an oxide-based dielectric or organic substance having a band gap of 3 eV or more, and is made of, for example, SiOx (0 <x <2). By forming the matrix layer 22 with SiOx (0 <x <2) (inorganic material), reliability over time can be obtained.
The quantum dots 24 are made of, for example, Ge or SiGe mixed crystal.
For example, the interval between the quantum dots 24 and adjacent particles (quantum dots 24) is 10 nm or less. The quantum dots 24 preferably have a particle size variation σ d of 1 <σ d <d / 5 nm, more preferably 1 <σ d <d / 10 nm. In addition, the particle diameter of the quantum dot 24 may differ in the range of variation.
The quantum dots 24 are in the form of particles and have a particle size of 3 nm to 20 nm, preferably 2 nm to 15 nm, and more preferably 2 nm to 5 nm.

また、本実施形態の量子ドット構造体20においては、第1のアモルファス層が、第1、第2の2種以上の半導体または金属元素と酸素からなる組成を有し、かつ酸素に対し、第1、第2の2種以上の半導体または金属元素の組成比率が多いものを用いることができる。また、化学量論的誘電体材料層に、第1の半導体または第1の金属元素と酸素からなる組成を有するものを用いることができる。第2のアモルファス層に、第1の半導体または第1の金属元素と酸素からなる組成を有し、第1の半導体または第1の金属元素の組成比率が多いものを用いることができる。これを相互に積層されてなる積層体に加熱処理を施す。このとき、第1の半導体または第1の金属元素によりマトリクスが形成され、このマトリクスの中に、第2の半導体もしくは第2の金属元素からなる結晶質の量子ドット(Ge量子ドット)、または第1、第2の2種以上の半導体もしくは金属元素の混晶の量子ドット(SiGe混晶量子ドット)が3次元的に均一に分布される。   Further, in the quantum dot structure 20 of the present embodiment, the first amorphous layer has a composition composed of the first and second semiconductors or metal elements and oxygen, and the first amorphous layer has a composition with respect to oxygen. One having a high composition ratio of the first or second semiconductor or metal element can be used. Further, the stoichiometric dielectric material layer having a composition composed of the first semiconductor or the first metal element and oxygen can be used. The second amorphous layer can have a composition including the first semiconductor or the first metal element and oxygen, and the composition ratio of the first semiconductor or the first metal element is large. Heat treatment is performed on a laminate obtained by laminating them. At this time, a matrix is formed by the first semiconductor or the first metal element, and in this matrix, crystalline quantum dots (Ge quantum dots) made of the second semiconductor or the second metal element, or the first First, second and more types of semiconductor or metal element mixed crystal quantum dots (SiGe mixed crystal quantum dots) are uniformly distributed three-dimensionally.

本実施形態において、第1の半導体または第1の金属元素の電気陰性度をA1とし、第2の半導体または第2の金属元素の電気陰性度をA2とするとき、A1>A2であることが好ましい。第1の半導体または第1の金属元素の融点をM1とし、第2の半導体または第2の金属元素の融点をM2とするとき、M2<M1であることが好ましい。
以上のような条件を満たすものとして、例えば、第1の半導体としてはSiであり、第2の半導体としてはGeである。
In the present embodiment, when the electronegativity of the first semiconductor or the first metal element is A1, and the electronegativity of the second semiconductor or the second metal element is A2, A1> A2. preferable. When the melting point of the first semiconductor or the first metal element is M1, and the melting point of the second semiconductor or the second metal element is M2, it is preferable that M2 <M1.
In order to satisfy the above conditions, for example, the first semiconductor is Si, and the second semiconductor is Ge.

次に、第2の実施形態について説明する。
なお、本実施形態においては、図1(a)〜(c)に示す第1の実施形態の量子ドット構造体20と同一構成物には、同一符号を付しその詳細な説明は省略する。
図6(a)は、本発明の第2の実施形態の量子ドット構造体を製造するための積層体を示す模式的断面図であり、図6(b)は、本発明の第2の実施形態の量子ドット構造体の要部を示す模式的断面図である。
Next, a second embodiment will be described.
In the present embodiment, the same components as those of the quantum dot structure 20 of the first embodiment shown in FIGS. 1A to 1C are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
FIG. 6 (a) is a schematic cross-sectional view showing a laminate for producing the quantum dot structure of the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 (b) is a second embodiment of the present invention. It is typical sectional drawing which shows the principal part of the quantum dot structure of a form.

図6(b)に示す量子ドット構造体20aは、第1の実施形態の量子ドット構造体20に比して、大きさが異なる量子ドット24a〜24cが形成されており、これらの量子ドット24a〜24cで多重量子井戸構造が構成されている点が異なり、それ以外の構成は、第1の実施形態の量子ドット20と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。本実施形態の量子ドット構造体20aは、量子ドット構造体20aの厚さ方向(上下方向)の両端の量子ドット24aが一番大きく、量子ドット構造体20の中心にいくにつれて量子ドット24b、量子ドット24cとその大きさは小さくなる。   The quantum dot structure 20a shown in FIG. 6B is formed with quantum dots 24a to 24c having different sizes as compared with the quantum dot structure 20 of the first embodiment, and these quantum dots 24a. Since the multiple quantum well structure is configured by ˜24c, and the other configuration is the same as the quantum dot 20 of the first embodiment, detailed description thereof is omitted. In the quantum dot structure 20a of this embodiment, the quantum dots 24a at both ends in the thickness direction (vertical direction) of the quantum dot structure 20a are the largest, and the quantum dots 24b, The dot 24c and its size are reduced.

なお、本実施形態においては、大きさが異なる量子ドットが配置されるものであれば、大きさが異なる量子ドットの配置は特に限定されるものではない。例えば、図7(a)に示すように、量子ドット構造体20の厚さ方向(上下方向)の両端の量子ドットが一番小さく、量子ドット構造体20の中心にいくにつれて量子ドットの大きさが大きくなるものであってもよい。
さらには、量子ドット構造体20の厚さ方向(上下方向)において、小さい粒子径の量子ドット層L1に大きい粒子径の量子ドット層L2が挟まれるように、L1−L2−L1、L1−L1−L2−L1というような周期配置されたことにより多重量子井戸構造を有するものであってもよい。
In the present embodiment, as long as quantum dots having different sizes are arranged, the arrangement of quantum dots having different sizes is not particularly limited. For example, as illustrated in FIG. 7A, the quantum dots at both ends in the thickness direction (vertical direction) of the quantum dot structure 20 are the smallest, and the size of the quantum dots increases toward the center of the quantum dot structure 20. May be larger.
Further, in the thickness direction (vertical direction) of the quantum dot structure 20, L1-L2-L1 and L1-L1 so that the quantum dot layer L2 having a large particle diameter is sandwiched between the quantum dot layers L1 having a small particle diameter. It may have a multiple quantum well structure by being periodically arranged such as -L2-L1.

次に、本実施形態の量子ドット構造体20aの製造方法について説明する。
本実施形態においては、図6(a)に示す積層体10aが、図1(a)に示す積層体10に比して、中央にSiGeO層16に代えて、SiOx層18(0<X<2)が形成されている点が異なり、それ以外の構成は、図1(a)に示す積層体10と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
Next, the manufacturing method of the quantum dot structure 20a of this embodiment is demonstrated.
In this embodiment, the laminated body 10a shown in FIG. 6A is different from the laminated body 10 shown in FIG. 1A in place of the SiGeO layer 16 in the center, and the SiOx layer 18 (0 <X < 2) is different, and the other configuration is the same as that of the laminate 10 shown in FIG. 1A, and thus detailed description thereof is omitted.

本実施形態においては、SiGeO層16(SiGe(1−x−y)膜)、SiO層14、SiOx層18の周期配列において、図6(a)に示すように、SiGe(1−x−y)層間に、SiOx層18を複数層挿入する構成とすることにより、挿入したSiOx層18の層数に対応してSiGe粒子径を段階的に変化させることが可能となる。このため、積層体10aに対して、例えば、窒素ガスをフローした雰囲気にて、900℃、1分の加熱処理を実施することにより、大きさが異なる量子ドット24a〜24cを形成することができる。 In the present embodiment, SiGeO layer 16 (Si x Ge y O ( 1-x-y) film), the periodic arrangement of the SiO 2 layer 14, SiOx layer 18, as shown in FIG. 6 (a), Si x By adopting a configuration in which a plurality of SiOx layers 18 are inserted between Ge y O (1-xy) layers, the SiGe particle diameter can be changed stepwise in accordance with the number of inserted SiOx layers 18. It becomes possible. For this reason, the quantum dot 24a-24c from which a magnitude | size can differ can be formed by implementing 900 degreeC and the heat processing for 1 minute with respect to the laminated body 10a, for example in the atmosphere which flowed nitrogen gas. .

また、図7(a)に示す本発明の波長変換膜(量子ドット構造体)、および図7(b)に示す構成の波長変換膜(量子ドット構造体)を作製し、その赤外のPL発光強度を測定した。その結果を図8(a)および(b)に示す。図7(b)は、量子ドットの大きさを同じ大きさに形成したものである。
図8(a)および(b)に示すように、粒子合成が比較的困難なGe及びSiGeにおいて、熱処理直後でPLピーク強度が、従来に対して約100倍以上の改善が見られた。また、粒子サイズを周期的に可変することにより、光光変換及び光電変換が改善される。さらには、1ヶ月の保管試験にて、発光強度の低減は確認されなかった。
なお、図7(a)に示す本発明の波長変換膜として、粒径が2〜6nmで、層毎に異なる合計57層のものを作製した。層構成は、SiO/8(Ge量子ドット(QD)/SiO/SiOx1/SiO/SiOx2/SiOx3/SiO)/T4040(石英ガラス基板)である。
図7(b)に示す構成の波長変換膜として、粒径が4〜6nmで、合計59層のものを作製した。層構成は、SiO/29(Ge量子ドット(QD)/SiO)/T4040(石英ガラス基板)である。
図7(a)に示す本発明の波長変換膜、および図7(b)に示す構成の波長変換膜における各膜の成膜条件は下記表1に示す通りである。
Further, the wavelength conversion film (quantum dot structure) of the present invention shown in FIG. 7A and the wavelength conversion film (quantum dot structure) having the configuration shown in FIG. The luminescence intensity was measured. The results are shown in FIGS. 8 (a) and (b). FIG. 7B shows the quantum dots formed in the same size.
As shown in FIGS. 8A and 8B, in Ge and SiGe, in which particle synthesis is relatively difficult, the PL peak intensity was improved by about 100 times or more immediately after the heat treatment. Moreover, light-to-light conversion and photoelectric conversion are improved by periodically varying the particle size. Furthermore, a decrease in emission intensity was not confirmed in a one month storage test.
In addition, as the wavelength conversion film of this invention shown to Fig.7 (a), a thing with a particle size of 2-6 nm and a total of 57 layers which differ for every layer was produced. Layer structure is SiO 2/8 (Ge quantum dot (QD) / SiO 2 / SiO x1 / SiO 2 / SiO x2 / SiO x3 / SiO 2) / T4040 ( quartz glass substrate).
As the wavelength conversion film having the configuration shown in FIG. 7B, a film having a total particle size of 4 to 6 nm and 59 layers was prepared. Layer structure is SiO 2/29 (Ge quantum dot (QD) / SiO 2) / T4040 ( quartz glass substrate).
The film forming conditions of the wavelength conversion film of the present invention shown in FIG. 7A and the wavelength conversion film having the structure shown in FIG. 7B are as shown in Table 1 below.

本実施形態の量子ドット構造体20aにおいては、マトリクス22を無機材料(SiOx(0<x<2))で形成することにより、経時信頼性が得られる。また、高密度に量子ドットを配置することにより、反射ロス改善等の効果が得られ、実効屈折率にて規定することにより、反射ロス改善等の効果を得ることができる。本実施形態の量子ドット構造体20aにおいても、第1の実施形態の量子ドット構造体20と同様に、上述のパッシベーション工程を有することが好ましい。   In the quantum dot structure 20a of the present embodiment, the reliability over time can be obtained by forming the matrix 22 from an inorganic material (SiOx (0 <x <2)). Further, by arranging the quantum dots at a high density, an effect such as reflection loss improvement can be obtained, and by defining the effective refractive index, an effect such as reflection loss improvement can be obtained. Also in the quantum dot structure 20a of this embodiment, it is preferable to have the above-mentioned passivation process similarly to the quantum dot structure 20 of 1st Embodiment.

以上説明した量子ドット構造体20、20aは、波長変換機能を有しており、単体で波長変換膜として用いることができる。更には、量子ドット構造体20、20aは、例えば、いずれも波長変換素子、波長変換装置および太陽電池に利用することができる。
図9に示す波長変換素子40は、第1の実施形態の量子ドット構造体20の製造方法で作製された量子ドット構造体20を有する波長変換素子40である。なお、波長変換素子40は、第2の実施形態の量子ドット構造体20aの製造方法で作製された量子ドット構造体20aを用いることもできる。
なお、波長変換素子40においては、量子ドット構造体20、20aにおける量子ドットの積層数は、特に限定されるものではない。
The quantum dot structures 20 and 20a described above have a wavelength conversion function and can be used alone as a wavelength conversion film. Furthermore, the quantum dot structures 20 and 20a can all be used for, for example, a wavelength conversion element, a wavelength conversion device, and a solar cell.
The wavelength conversion element 40 shown in FIG. 9 is the wavelength conversion element 40 having the quantum dot structure 20 manufactured by the method for manufacturing the quantum dot structure 20 of the first embodiment. In addition, the wavelength conversion element 40 can also use the quantum dot structure 20a produced with the manufacturing method of the quantum dot structure 20a of 2nd Embodiment.
In the wavelength conversion element 40, the number of stacked quantum dots in the quantum dot structures 20 and 20a is not particularly limited.

波長変換素子40は、入射した光Lを吸収し、この吸収した光の特定の波長領域に対して、吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する機能(以下、波長変換機能という)を備えるとともに、および入射した光Lを閉じ込める機能(以下、光閉込め機能という)を備えるものである。   The wavelength conversion element 40 absorbs the incident light L, and converts the wavelength of the absorbed light into light having energy lower than that of the absorbed light (hereinafter referred to as a wavelength conversion function). And a function of confining incident light L (hereinafter referred to as a light confinement function).

波長変換素子40において、波長変換機能とは、具体的には、ダウンコンバージョン機能のことである。このダウンコンバージョン機能は、マルチエキシトン効果を呼ばれる、吸収された光子当たり1個以上の光子を生成する効果により発揮される。例えば、図10に示すように、量子ドットにより量子井戸が構成され、EgQD(量子ドットのバンドギャップ)以上のエネルギーをもつ光子(フォトン)が量子ドットに入射された場合、低いエネルギー準位(E1)にある電子が上位のエネルギー準位(E4)に励起され、その後、下位のエネルギー準位(E3)に落ちる際に、入射された光子よりも低いエネルギーの光子が放出される。また、低いエネルギー準位(E2)にある電子が上位のエネルギー準位(E3)に励起された際に、入射された光子よりも低いエネルギーの光子が放出される。このように、1つの光子に対して、光子よりも低いエネルギーの電子を2つ放出させることにより、波長変換がなされる。1つの光子に対して、光子よりも低いエネルギーの電子を2つ放出させる場合、光光変換ともいう。波長変換素子40は、光光変換機能を備える。 In the wavelength conversion element 40, the wavelength conversion function is specifically a down conversion function. This down-conversion function is exhibited by the effect of generating one or more photons per absorbed photon, called the multi-exciton effect. For example, as shown in FIG. 10, when a quantum well is formed by quantum dots, and a photon (photon) having energy equal to or higher than Eg QD (band gap of the quantum dot) is incident on the quantum dot, a low energy level ( When electrons in E1) are excited to the upper energy level (E4) and then fall to the lower energy level (E3), photons with lower energy than the incident photons are emitted. Further, when an electron at a lower energy level (E2) is excited to an upper energy level (E3), a photon having a lower energy than the incident photon is emitted. Thus, wavelength conversion is performed by emitting two electrons having energy lower than that of a photon to one photon. When two electrons having energy lower than that of a photon are emitted for one photon, this is also referred to as light-light conversion. The wavelength conversion element 40 has a light-light conversion function.

波長変換素子40の波長変換機能については、波長変換素子40の用途により、適宜その変換する波長域および変換後の波長が選択される。
波長変換素子40が、例えば、Eg(バンドギャップ)が1.2eVのシリコン太陽電池の光電変換層上に配置された場合、この1.2eVの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、バンドギャップに相当するエネルギーの波長の光に波長変換する機能を有するものとする。
About the wavelength conversion function of the wavelength conversion element 40, the wavelength range to convert and the wavelength after conversion are suitably selected with the use of the wavelength conversion element 40. FIG.
For example, when the wavelength conversion element 40 is disposed on the photoelectric conversion layer of a silicon solar cell having an Eg (band gap) of 1.2 eV, the wavelength of energy (2.4 eV or more) that is at least twice this 1.2 eV The region has a function of performing wavelength conversion to light having a wavelength of energy corresponding to the band gap.

図11に示すように、太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを比べると、太陽スペクトルには結晶Siのバンドギャップの波長域の強度が低い。このため、太陽光のうち、結晶Siのバンドギャップの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、低いエネルギーの光子、例えば、1.2eVの光(波長約1100nm)に波長変換することにより、光電変換に有効な光を、結晶Siからなる光電変換層に供給することができる。これにより、太陽電池の変換効率を高くすることができる。
なぜなら、図11に示すように、太陽光スペクトルと結晶Siの分光感度曲線とを比べると、太陽スペクトルに比較して、結晶Siバンドギャップの波長帯域が狭く、比較的高エネルギーの光の分光感度強度が低ため、太陽光を有効利用できていない。このため、比較的高エネルギーの光を結晶Siの分光感度に適した光に変換することに、太陽光を有効利用することができる。さらには、結晶Siのバンドギャップの2倍以上のエネルギー(2.4eV以上)の波長領域に対して、1.2eVの光(波長約1100nm)の光に変換する際に、2光子以上(2.4(eV)×1(光子)≒1.2(eV)×2(光子))の光に変換可能であれば、太陽光をさらに有効に利用することができ、太陽電池の変換効率を高くすることができる。
As shown in FIG. 11, when the solar spectrum is compared with the spectral sensitivity curve of crystalline Si, the solar spectrum has a low intensity in the wavelength region of the band gap of crystalline Si. For this reason, photons of low energy, for example, light of 1.2 eV (wavelength of about 1100 nm) with respect to a wavelength region of energy (2.4 eV or more) twice or more of the band gap of crystalline Si in sunlight. By converting the wavelength, light effective for photoelectric conversion can be supplied to the photoelectric conversion layer made of crystalline Si. Thereby, the conversion efficiency of a solar cell can be made high.
This is because, as shown in FIG. 11, when the solar spectrum and the spectral sensitivity curve of crystalline Si are compared, the wavelength band of the crystalline Si bandgap is narrower than that of the solar spectrum, and the spectral sensitivity of relatively high energy light. Sunlight cannot be used effectively due to its low intensity. For this reason, sunlight can be used effectively for converting relatively high energy light into light suitable for the spectral sensitivity of crystalline Si. Further, when the wavelength region of energy (2.4 eV or more) twice as large as the band gap of crystalline Si is converted into light of 1.2 eV light (wavelength of about 1100 nm), two photons or more (2 .4 (eV) × 1 (photon) ≈1.2 (eV) × 2 (photon)), sunlight can be used more effectively, and the conversion efficiency of the solar cell can be improved. Can be high.

波長変換素子40において、光閉込め機能とは、反射防止機能のことである。
波長変換素子40が配置される光電変換層が、結晶Siの場合には屈折率nPVは3.6である。また、これらが配置される空間の空気の屈折率nairは1.0である。
ここで、波長変換素子40を反射防止膜として考えた場合、例えば、図12に示すように、屈折率が1.9の単層膜(符号A)、屈折率が1.46/2.35の2層膜(符号A)、屈折率が1.36/1.46/2.35の3層膜(符号A)を比較すると、屈折率が2.35のものがあると、反射率を低減することができる。
このように、波長変換素子40において、反射防止機能を発揮するためには、波長変換素子40の実効屈折率nが、光電変換層の屈折率nPV(結晶シリコンで3.6)と、空気の屈折率とのほぼ中間の屈折率とすることができれば、反射防止機能を発揮することができる。
本実施形態では、波長変換素子40(量子ドット構造体20、20a)の用途等を考慮して、波長変換素子40(量子ドット構造体20、20a)の実効屈折率nは、例えば、波長533nmにおいて、1.7<n<3.0とする。実効屈折率nは、好ましくは、波長533nmにおいて1.7<n<2.5である。
In the wavelength conversion element 40, the light confinement function is an antireflection function.
When the photoelectric conversion layer in which the wavelength conversion element 40 is disposed is crystalline Si, the refractive index n PV is 3.6. The refractive index n air of the air in which these are arranged is 1.0.
Here, when the wavelength conversion element 40 is considered as an antireflection film, for example, as shown in FIG. 12, a single layer film (reference A 1 ) having a refractive index of 1.9 and a refractive index of 1.46 / 2. 35 two-layer film (reference A 2 ) and three-layer film (reference A 3 ) having a refractive index of 1.36 / 1.46 / 2.35 The reflectance can be reduced.
Thus, in order to exhibit the antireflection function in the wavelength conversion element 40, the effective refractive index n of the wavelength conversion element 40 is such that the refractive index n PV of the photoelectric conversion layer (3.6 for crystalline silicon) and air If the refractive index can be set to a substantially intermediate refractive index, the antireflection function can be exhibited.
In the present embodiment, considering the use of the wavelength conversion element 40 (quantum dot structures 20, 20a) and the like, the effective refractive index n of the wavelength conversion element 40 (quantum dot structures 20, 20a) is, for example, a wavelength of 533 nm. In this case, 1.7 <n <3.0. The effective refractive index n is preferably 1.7 <n <2.5 at a wavelength of 533 nm.

波長変換素子40において、以上のような波長変換機能および光閉込め機能を発揮するために、量子ドット構造体20、20aは以下のような構成を有する。
量子ドット構造体20、20aにおいて、マトリクス22は、バンドギャップが3eV以上の透明ない硬化樹脂材または無機材により構成される。
マトリクス22の硬化樹脂材には、例えば、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が用いられ、光を透過するものであれば特に限定されるものではない。光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂等を用いることができる。
シリコーン樹脂としては、市販のLED用シリコーン樹脂等が挙げられる。エチレンビニルアセテート(EVA)樹脂としては、例えば、三井化学ファブロ株式会社のソーラーエバ(商標)等を用いることができる。さらには、アイオノマー樹脂なども使用することができる。
In order to exhibit the wavelength conversion function and the light confinement function as described above in the wavelength conversion element 40, the quantum dot structures 20, 20a have the following configurations.
In the quantum dot structures 20 and 20a, the matrix 22 is made of a non-transparent cured resin material or inorganic material having a band gap of 3 eV or more.
For example, a photocurable resin or a thermosetting resin is used as the cured resin material of the matrix 22 and is not particularly limited as long as it transmits light. As a photocurable resin or a thermosetting resin, for example, an acrylic resin, an epoxy resin, a silicone resin, an ethylene vinyl acetate (EVA) resin, or the like can be used.
Examples of the silicone resin include commercially available silicone resins for LEDs. As the ethylene vinyl acetate (EVA) resin, for example, Solar EVA (trademark) manufactured by Mitsui Chemicals Fabro Co., Ltd. can be used. Furthermore, an ionomer resin or the like can be used.

エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂またはこれらの水添化物、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート骨格を有するエポキシ樹脂、カルド骨格を有するエポキシ樹脂、ポリシロキサン構造を有するエポキシ樹脂が挙げられる。
アクリル樹脂としては2つ以上の官能基を有する(メタ)アクリレートを用いることができる。また、アクリル樹脂として水分散型アクリル樹脂を用いることができる。この水分散型アクリル樹脂とは、水を主成分とする分散媒に分散したアクリルモノマー、オリゴマー、またはポリマーで、水分散液のような希薄な状態では架橋反応がほとんど進行しないが、水を蒸発させると常温でも架橋反応が進行し固化するタイプ、または、自己架橋可能な官能基を有し、触媒や重合開始剤、反応促進剤などの添加剤を用いなくとも加熱のみで架橋し固化するタイプのアクリル樹脂である。
The epoxy resin has a bisphenol A type epoxy resin, a bisphenol F type epoxy resin, a bisphenol S type epoxy resin, a naphthalene type epoxy resin or a hydrogenated product thereof, an epoxy resin having a dicyclopentadiene skeleton, and a triglycidyl isocyanurate skeleton. Examples thereof include an epoxy resin, an epoxy resin having a cardo skeleton, and an epoxy resin having a polysiloxane structure.
As the acrylic resin, (meth) acrylate having two or more functional groups can be used. A water-dispersed acrylic resin can be used as the acrylic resin. This water-dispersed acrylic resin is an acrylic monomer, oligomer or polymer dispersed in a dispersion medium containing water as the main component. In a dilute state like an aqueous dispersion, the crosslinking reaction hardly proceeds, but the water is evaporated. If this is done, the crosslinking reaction will proceed and solidify at room temperature, or it will have a functional group capable of self-crosslinking, and it will be crosslinked and solidified only by heating without the use of additives such as catalysts, polymerization initiators, and reaction accelerators. Acrylic resin.

マトリクス22を無機材で構成する場合、例えば、SiOx(0<x<2)が用いられる。   When the matrix 22 is made of an inorganic material, for example, SiOx (0 <x <2) is used.

量子ドット構造体20、20aの各量子ドットが、吸収した光の特定の波長領域に対して吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなるものである。各量子ドットが、波長変換素子40の波長変換機能を担う。各量子ドットは、マトリクス22の面内方向およびマトリクス22の厚さ方向のうち、少なくとも一方の方向において、例えば、隣り合う量子ドットとの間隔が量子ドットの粒径以下に配置される。   Each quantum dot of the quantum dot structures 20 and 20a is made of a wavelength conversion composition that converts the wavelength into light having energy lower than that of light absorbed in a specific wavelength region of absorbed light. Each quantum dot bears the wavelength conversion function of the wavelength conversion element 40. Each quantum dot is arranged such that the distance between adjacent quantum dots is equal to or smaller than the particle size of the quantum dots in at least one of the in-plane direction of the matrix 22 and the thickness direction of the matrix 22.

波長変換素子40において、量子ドットは、バンドギャップが波長変換素子40が設けられる光電変換装置の光電変換層のバンドギャップより大きいもので構成される。
量子ドットは、例えば、波長変換素子40が設けられる光電変換層のEgの2倍以上のエネルギーの波長領域に対して、光電変換層のEgの光に波長変換する機能を有する。このため、量子ドットを構成する材料としては、光電変換層のEgの2倍以上のエネルギーを吸収し、かつ光電変換バンドキャップの2倍以上に、光吸収のためのエネルギー準位が存在している材料が選択される。
In the wavelength conversion element 40, the quantum dot is configured with a band gap larger than the band gap of the photoelectric conversion layer of the photoelectric conversion device in which the wavelength conversion element 40 is provided.
For example, the quantum dot has a function of performing wavelength conversion to light of Eg of the photoelectric conversion layer with respect to a wavelength region having energy twice or more Eg of the photoelectric conversion layer in which the wavelength conversion element 40 is provided. For this reason, as a material constituting the quantum dots, energy levels more than twice Eg of the photoelectric conversion layer are absorbed, and energy levels for light absorption exist in more than twice the photoelectric conversion band caps. Material is selected.

このため、量子ドットには、光電変換層のEgより高いエネルギーで発光する材料が選択され、光電変換層のEg以上に量子ドットの基底準位が存在し、かつ、離散化したエネルギー準位において、光電変換層のEgの2倍以上のエネルギー準位が存在している。   For this reason, a material that emits light with energy higher than Eg of the photoelectric conversion layer is selected for the quantum dot, the ground level of the quantum dot exists above Eg of the photoelectric conversion layer, and the energy level is discretized. In addition, an energy level more than twice the Eg of the photoelectric conversion layer exists.

また、光電変換層で利用可能な光に変換するには、基底準位より励起された励起状態のフォトンの存在確率が高くなる反転分布状態を形成するように、量子ドットが配列される必要がある。そこで、量子ドットを上述の如く周期配列とする。この場合、量子ドットの周期間隔が10nm以下であり、好ましくは2nm〜5nmである。これにより、励起状態のフォトンが存在できる量子ドットの配列となる。また、エネルギーの局在を生じさせるために、粒径の異なる量子ドットにより特定の周期配列を形成する。   In addition, in order to convert the light into usable light in the photoelectric conversion layer, it is necessary to arrange the quantum dots so as to form an inversion distribution state in which the existence probability of excited photons excited from the ground level is increased. is there. Therefore, the quantum dots are arranged periodically as described above. In this case, the periodic interval of the quantum dots is 10 nm or less, preferably 2 nm to 5 nm. This results in an array of quantum dots in which excited photons can exist. Further, in order to cause localization of energy, a specific periodic array is formed by quantum dots having different particle diameters.

また、光電変換層で利用可能な光に変換するには、波長変換素子40において、マトリクス22の水平方向(厚さ方向と直交するマトリクス22の面に平行な方向)の配列を異ならせることでも、エネルギーの局在を選択的に生じせることが可能である。この場合、量子ドットが上述の周期配列と異なる配列を有しても、3次元空間での粒子密度の偏りを有することにより、空間的なのエネルギーの偏りを形成し反転分布状態を形成することが可能である。この場合においても、上述のように、量子ドットの粒径バラツキσdが、1<σd<d/5nmの範囲で異なること、好ましくは、1<σd<d/10nmである。   In addition, in order to convert the light into usable light in the photoelectric conversion layer, it is also possible to change the arrangement of the matrix 22 in the horizontal direction (the direction parallel to the surface of the matrix 22 orthogonal to the thickness direction) of the matrix 22. It is possible to selectively cause the localization of energy. In this case, even if the quantum dots have an array different from the above-described periodic array, by having a particle density bias in a three-dimensional space, a spatial energy bias can be formed and an inverted distribution state can be formed. Is possible. Also in this case, as described above, the particle size variation σd of the quantum dots is different within the range of 1 <σd <d / 5 nm, and preferably 1 <σd <d / 10 nm.

さらに、光電変換層で利用可能な光に変換するには、波長変換素子40が多層構造である場合、量子ドットの積層方向と、この積層方向と直交する方向の配列が同様な場合、すなわち、量子ドットが波長変換素子40内で、3次元的に上述の周期配列のように均一に等間隔に配列されている場合、量子ドットの粒径サイズの偏りによりエネルギーの局在を生じさせてフォトンの存在確率を変えることにより実現することもできる。この場合でも、量子ドットの粒径サイズばらつきを有し、量子ドットの粒径のバラツキσが、1<σ<d/5nm、好ましくは1<σ<d/10nmであり、量子ドットは、前述のバラツキの範囲で異ならせる。 Furthermore, in order to convert into light that can be used in the photoelectric conversion layer, when the wavelength conversion element 40 has a multilayer structure, the stacking direction of the quantum dots and the arrangement in the direction orthogonal to the stacking direction are similar, that is, When quantum dots are three-dimensionally arranged at equal intervals in the wavelength conversion element 40 as in the above-described periodic arrangement, photons are generated by localizing energy due to deviation in the particle size of the quantum dots. It can also be realized by changing the existence probability of. Even in this case, there is a variation in the particle size of the quantum dots, and the variation in the particle size σ d of the quantum dots is 1 <σ d <d / 5 nm, preferably 1 <σ d <d / 10 nm. Is varied within the range of the aforementioned variation.

上述のように、反射防止機能を得るために、波長変換素子40の実効屈折率nを、例えば、光電変換層と空気との中間の値の2.4にする必要がある。そこで、マトリクス22をSiOで構成し、量子ドットをSiで構成した場合における屈折率をシミュレーション計算により調べた。その結果、図13(a)に示すように、量子ドットの含有量が多くなると屈折率が高くなる。
さらに、量子ドットの間隔と屈折率との関係をシミュレーション計算により調べた。その結果、図13(b)に示すように、屈折率を高くするには、量子ドットの間隔を狭くする必要がある。
図13(a)、(b)に示すように、例えば、波長変換素子40の実効屈折率nを2.4にするには、量子ドットの間隔を狭く、かつ高い密度でマトリクス22内に配置する必要がある。
As described above, in order to obtain the antireflection function, the effective refractive index n of the wavelength conversion element 40 needs to be 2.4, which is an intermediate value between the photoelectric conversion layer and air, for example. Therefore, the refractive index when the matrix 22 is made of SiO 2 and the quantum dots are made of Si was examined by simulation calculation. As a result, as shown in FIG. 13A, the refractive index increases as the content of quantum dots increases.
Furthermore, the relationship between the quantum dot spacing and the refractive index was investigated by simulation calculation. As a result, as shown in FIG. 13B, in order to increase the refractive index, it is necessary to narrow the interval between the quantum dots.
As shown in FIGS. 13A and 13B, for example, in order to set the effective refractive index n of the wavelength conversion element 40 to 2.4, the interval between the quantum dots is narrow and arranged in the matrix 22 with high density. There is a need to.

次に、Si基板上に波長変換素子40を形成し、この波長変換素子40上にSiO膜を形成したものについて反射率を求めた。波長変換素子40は、SiOのマトリクス22にSiの量子ドットが設けられたもの(Si量子ドット/SiO2Mat)であり、量子ドットの粒径を均一である。このとき、波長変換素子40の屈折率は1.80である。
この場合、図14に示すように、反射率を約10%にすることができる。なお、反射率は、分光反射測定器(日立製U4000)を用いて測定した。
Next, a wavelength conversion element 40 on the Si substrate, was determined reflectivity for those forming the SiO 2 film on the wavelength conversion element 40. The wavelength conversion element 40 is one in which Si quantum dots are provided on the SiO 2 matrix 22 (Si quantum dots / SiO 2 Mat ), and the quantum dots have a uniform particle size. At this time, the refractive index of the wavelength conversion element 40 is 1.80.
In this case, as shown in FIG. 14, the reflectance can be about 10%. In addition, the reflectance was measured using the spectral reflection measuring device (Hitachi U4000).

また、量子ドットの粒径を不均一にすることにより、充填率を高くし、波長変換素子40の屈折率を2.35と高くした。この場合、波長変換素子40は、SiOのマトリクス22にSiの量子ドットが設けられたもの(Si量子ドット/SiO2Mat)である。その結果を図15に示す。なお、反射率は、分光反射測定器(日立製U4000)を用いて測定した。
図15に示すように、反射率を図14に比して、更に低くすることができる。このように、量子ドットの充填率を高くすることにより、屈折率が高くなり、その結果、反射率を低くすることができる。このため、波長変換素子40に入射した光Lの利用効率を高くすることができる。
Further, by making the particle size of the quantum dots non-uniform, the filling rate was increased and the refractive index of the wavelength conversion element 40 was increased to 2.35. In this case, the wavelength conversion element 40 is an element in which Si quantum dots are provided on the SiO 2 matrix 22 (Si quantum dots / SiO 2 Mat ). The result is shown in FIG. In addition, the reflectance was measured using the spectral reflection measuring device (Hitachi U4000).
As shown in FIG. 15, the reflectance can be further reduced as compared with FIG. Thus, by increasing the filling rate of the quantum dots, the refractive index is increased, and as a result, the reflectance can be decreased. For this reason, the utilization efficiency of the light L incident on the wavelength conversion element 40 can be increased.

本実施形態の波長変換素子40は、例えば、後述するように太陽電池に利用することができる。また、波長変換素子40は、例えば、533nmの波長の光を、1100nmの波長の光に波長変換することができるため、赤外線光源として利用可能である。この場合、量子ドットの配列および組成を適宜選択することにより、波長変換された光の発光強度を高めること、すなわち、赤外線の発光強度を高くすることもできる。
また、量子ドットのバンドギャップを適宜変えることにより、例えば、3.5eV(波長350nm)とすることにより、1.75eVのエネルギーの光(波長800nm)に波長変換することができ、紫外線防止膜としても利用可能である。
The wavelength conversion element 40 of this embodiment can be used for a solar cell as described later, for example. The wavelength conversion element 40 can be used as an infrared light source, for example, because it can convert the wavelength of 533 nm light to 1100 nm wavelength light. In this case, by appropriately selecting the arrangement and composition of the quantum dots, the light emission intensity of the wavelength-converted light can be increased, that is, the infrared light emission intensity can be increased.
In addition, by changing the band gap of the quantum dots as appropriate, for example, by changing the band gap to 3.5 eV (wavelength 350 nm), the wavelength can be converted into light having an energy of 1.75 eV (wavelength 800 nm). Is also available.

次に、本実施形態の波長変換素子40を用いた光電変換装置について説明する。
なお、波長変換素子40を用いた光電変換装置は、光光変換装置としても機能するものである。
図16は、本発明の実施形態の波長変換素子を有する光電変換装置を示す模式的断面図である。
図16に示す光電変換装置50は、基板42の表面42aに光電変換素子60が設けられている。光電変換素子60は、基板42側から電極層62とP型半導体層(光電変換層)64とN型半導体層66と透明電極層68とが積層されてなるものである。
このP型半導体層64は、例えば、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンにより構成される。
Next, a photoelectric conversion apparatus using the wavelength conversion element 40 of this embodiment will be described.
Note that the photoelectric conversion device using the wavelength conversion element 40 also functions as a light-to-light conversion device.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing a photoelectric conversion device having a wavelength conversion element according to an embodiment of the present invention.
In the photoelectric conversion device 50 illustrated in FIG. 16, the photoelectric conversion element 60 is provided on the surface 42 a of the substrate 42. The photoelectric conversion element 60 is formed by laminating an electrode layer 62, a P-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) 64, an N-type semiconductor layer 66, and a transparent electrode layer 68 from the substrate 42 side.
The P-type semiconductor layer 64 is made of, for example, polycrystalline silicon or single crystal silicon.

本実施形態においては、光電変換素子60の表面60a(透明電極層68の表面)に波長変換素子40が設けられている。
この場合、波長変換素子40は、P型半導体層64を構成するSiのバンドギャップ1.2eVの2倍以上のエネルギーの波長域に対して、その半分のSiのバンドギャップに相当する1.2eVのエネルギーの光(波長533nm)に波長変換する波長変換機能を有し、更には波長変換素子40の実効屈折率がSiの屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率にされている。
これにより、反射光が少なくなり、更には光電変換に寄与しない特定の波長領域の光を波長変換し、光電変換に利用可能な波長の光量が多くなるため、光電変換素子60の変換効率を改善し、光電変換装置50全体の発電効率を改善することができる。
In the present embodiment, the wavelength conversion element 40 is provided on the surface 60 a of the photoelectric conversion element 60 (the surface of the transparent electrode layer 68).
In this case, the wavelength conversion element 40 is 1.2 eV corresponding to a half band gap of Si with respect to a wavelength region of energy more than twice the band gap of 1.2 eV of Si constituting the P-type semiconductor layer 64. The wavelength conversion function for converting the wavelength of light into light having a wavelength of 533 nm (wavelength 533 nm) is obtained. Further, the effective refractive index of the wavelength conversion element 40 is set to an intermediate refractive index between the refractive index of Si and the refractive index of air.
As a result, reflected light is reduced, and light in a specific wavelength region that does not contribute to photoelectric conversion is wavelength-converted, and the amount of light having a wavelength that can be used for photoelectric conversion increases, so the conversion efficiency of the photoelectric conversion element 60 is improved. In addition, the power generation efficiency of the entire photoelectric conversion device 50 can be improved.

ここで、光電変換素子60のP型半導体層(光電変換層)64に多結晶シリコンを用いた場合、様々な面方位が出現するため、反射率が均一ではない。このため、ある面方位に有効な反射防止膜を形成しても、光電変換層全体では有効ではない。しかしながら、波長変換素子40は、特定の波長領域の透過特性を改善し、反射ロスを低く抑えることができる。この点からも、光電変換装置50全体の発電効率を改善することができる。
また、波長変換素子40を設ける場合、光電変換素子60の表面60aに単に配置すればよく、エッチング等が不要である。このため、光電変換装置にエッチング等によるダメージを与えることもない。これにより、製造不良の発生を抑制することができる。
Here, when polycrystalline silicon is used for the P-type semiconductor layer (photoelectric conversion layer) 64 of the photoelectric conversion element 60, the reflectance is not uniform because various plane orientations appear. For this reason, even if an antireflection film effective in a certain plane orientation is formed, the entire photoelectric conversion layer is not effective. However, the wavelength conversion element 40 can improve the transmission characteristics in a specific wavelength region and keep reflection loss low. Also from this point, the power generation efficiency of the entire photoelectric conversion device 50 can be improved.
Moreover, when providing the wavelength conversion element 40, it should just be arrange | positioned on the surface 60a of the photoelectric conversion element 60, and an etching etc. are unnecessary. For this reason, the photoelectric conversion device is not damaged by etching or the like. Thereby, generation | occurrence | production of a manufacturing defect can be suppressed.

また、本発明においては、光電変換層は、シリコンを用いるものに限定されるものではなく、CIGS系光電変換層、CIS系光電変換層、CdTe系光電変換層、色素増感系光電変換層、または有機系光電変換層であってもよい。   In the present invention, the photoelectric conversion layer is not limited to those using silicon, but a CIGS photoelectric conversion layer, a CIS photoelectric conversion layer, a CdTe photoelectric conversion layer, a dye-sensitized photoelectric conversion layer, Or it may be an organic photoelectric conversion layer.

基板42は、比較的耐熱性のあるものが用いられる。基板42としては、例えば、青板ガラス等のガラス基板、耐熱性ガラス、石英基板、ステンレス基板、ステンレスと異種金属を積層した金属多層基板、アルミニウム基板、または表面に酸化処理、例えば、陽極酸化処理を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化被膜付きのアルミニウム基板等を用いることができる。   As the substrate 42, a substrate having relatively heat resistance is used. Examples of the substrate 42 include glass substrates such as blue plate glass, heat resistant glass, quartz substrates, stainless steel substrates, metal multilayer substrates in which stainless steel and different metals are laminated, aluminum substrates, or oxidation treatment, for example, anodic oxidation treatment on the surface. By applying this, an aluminum substrate with an oxide film whose surface insulation is improved can be used.

次に、量子ドット構造体20、20aを用いた他の光電変換装置について説明する。なお、量子ドット構造体20を例に説明するが、他の量子ドット構造体20aであってよいことはもちろんのことである。
図17に示す本実施形態の他の光電変換装置70(太陽電池)は、基板42と、電極層72と、P型半導体層74と、光電変換層76と、N型半導体層78と、透明電極層80とを有し、サブストレート型と呼ばれるものである。
光電変換装置70においては、基板42の表面42aに、電極層72/P型半導体層74/光電変換層76/N型半導体層78/透明電極層80の積層構造が形成されている。すなわち、光電変換装置70においては、光吸収層76の一方にN型半導体層78が設けられ、他方にP型半導体層74が設けられている。このP型半導体層74は光吸収層76とは反対側に電極層72が設けられている。また、N型半導体層78は光吸収層76とは反対側に透明電極層80が設けられている。光電変換層76が、量子ドット構造体20で構成される。光電変換層76のマトリクスは、量子ドット構造体のマトリクス22であり、SiOx(0<x<2)で構成される。
Next, another photoelectric conversion device using the quantum dot structures 20 and 20a will be described. In addition, although the quantum dot structure 20 is demonstrated to an example, it cannot be overemphasized that the other quantum dot structure 20a may be sufficient.
Another photoelectric conversion device 70 (solar cell) of this embodiment shown in FIG. 17 includes a substrate 42, an electrode layer 72, a P-type semiconductor layer 74, a photoelectric conversion layer 76, an N-type semiconductor layer 78, and a transparent It has an electrode layer 80 and is called a substrate type.
In the photoelectric conversion device 70, a stacked structure of an electrode layer 72 / P-type semiconductor layer 74 / photoelectric conversion layer 76 / N-type semiconductor layer 78 / transparent electrode layer 80 is formed on the surface 42 a of the substrate 42. That is, in the photoelectric conversion device 70, the N-type semiconductor layer 78 is provided on one side of the light absorption layer 76, and the P-type semiconductor layer 74 is provided on the other side. The P-type semiconductor layer 74 is provided with an electrode layer 72 on the side opposite to the light absorption layer 76. The N-type semiconductor layer 78 is provided with a transparent electrode layer 80 on the side opposite to the light absorption layer 76. The photoelectric conversion layer 76 is configured by the quantum dot structure 20. The matrix of the photoelectric conversion layer 76 is a matrix 22 of quantum dot structures, and is composed of SiOx (0 <x <2).

基板42は、比較的耐熱性のあるものが用いられる。基板42としては、例えば、青板ガラス等のガラス基板、耐熱性ガラス、石英基板、ステンレス基板、ステンレスと異種金属を積層した金属多層基板、アルミニウム基板、または表面に酸化処理、例えば、陽極酸化処理を施すことで表面の絶縁性を向上させた酸化被膜付きのアルミニウム基板等が用いられる。   As the substrate 42, a substrate having relatively heat resistance is used. Examples of the substrate 42 include glass substrates such as blue plate glass, heat resistant glass, quartz substrates, stainless steel substrates, metal multilayer substrates in which stainless steel and different metals are laminated, aluminum substrates, or oxidation treatment, for example, anodic oxidation treatment on the surface. An aluminum substrate or the like with an oxide film whose surface insulation is improved by applying is used.

電極層72は、基板42の表面42aに設けられており、光電変換層76で得られた電流を透明電極層80とともに外部に取り出すものである。電極層72としては、例えば、Mo、Cu、Cu/Cr/Mo、Cu/Cr/Ti、Cu/Cr/Cu、Ni/Cr/Au等が用いられる。
なお、電極層72がN型半導体層に接する場合、この電極層72としては、例えば、NbドープMo、Ti/Au等が用いられる。
The electrode layer 72 is provided on the surface 42 a of the substrate 42, and takes out the current obtained from the photoelectric conversion layer 76 together with the transparent electrode layer 80. As the electrode layer 72, for example, Mo, Cu, Cu / Cr / Mo, Cu / Cr / Ti, Cu / Cr / Cu, Ni / Cr / Au, or the like is used.
When the electrode layer 72 is in contact with the N-type semiconductor layer, Nb-doped Mo, Ti / Au, or the like is used as the electrode layer 72, for example.

P型半導体層74は、電極層72上に設けられており、かつ光電変換層76に接して設けられている。このP型半導体層74は、例えば、後述する光電変換層76のマトリクス(量子ドット構造体のマトリクス22)を構成するSiOx(0<x<2)のバンドギャップと等しいか大きいものにより構成される。なお、P型半導体層74には、CuAlS、CuGaS、BドープSiC等も用いることができる。 The P-type semiconductor layer 74 is provided on the electrode layer 72 and is provided in contact with the photoelectric conversion layer 76. The P-type semiconductor layer 74 is made of, for example, a layer that is equal to or larger than the band gap of SiOx (0 <x <2) that constitutes a matrix (a matrix 22 of quantum dot structures) of a photoelectric conversion layer 76 described later. . Note that CuAlS 2 , CuGaS, B-doped SiC, or the like can also be used for the P-type semiconductor layer 74.

N型半導体層78は、光電変換層76のマトリクス(量子ドット構造体のマトリクス22)と同様の組成を有する。すなわち、SiOx(0<x<2)で構成されるものである。   The N-type semiconductor layer 78 has the same composition as the matrix of the photoelectric conversion layer 76 (the matrix 22 of the quantum dot structure). That is, it is composed of SiOx (0 <x <2).

透明電極層80は、光電変換層76で得られた電流を電極層72とともに外部に取り出すものであり、N型半導体層78の全面に設けられている。この透明電極層80は、N型半導体層78の一部に設ける形態でもよい。光電変換装置70においては、透明電極層80側から太陽光Lが入射される。
透明電極層80は、N型の導電性を示すもので構成されている。透明電極層80としては、Ga、SnO系(ATO、FTO)、ZnO系(AZO、GZO)、In系(ITO)、Zn(O、S)CdO、またはこれらの材料の2種もしくは3種の合金を用いることができる。更に、透明電極層80としては、MgIn、GaInO、CdSb等を用いることもできる。
The transparent electrode layer 80 takes out the current obtained in the photoelectric conversion layer 76 to the outside together with the electrode layer 72, and is provided on the entire surface of the N-type semiconductor layer 78. The transparent electrode layer 80 may be provided on a part of the N-type semiconductor layer 78. In the photoelectric conversion device 70, sunlight L enters from the transparent electrode layer 80 side.
The transparent electrode layer 80 is made of an N-type conductive material. The transparent electrode layer 80, Ga 2 O 3, SnO 2 system (ATO, FTO), ZnO-based (AZO, GZO), In 2 O 3 system (ITO), Zn (O, S) CdO or these materials, Two or three kinds of alloys can be used. Furthermore, as the transparent electrode layer 80, MgIn 2 O 4 , GaInO 3 , CdSb 3 O 6, or the like can be used.

本実施形態においては、P型半導体層74およびN型半導体層78の膜厚は、例えば、50〜300nmであり、好ましくは100nmである。
また、本実施形態においては、P型半導体層74、N型半導体層78の電子移動度は、例えば、0.01〜100cm/Vsecであり、好ましくは1〜100cm/Vsecである。
In the present embodiment, the film thickness of the P-type semiconductor layer 74 and the N-type semiconductor layer 78 is, for example, 50 to 300 nm, and preferably 100 nm.
In the present embodiment, the electron mobility of the P-type semiconductor layer 74, N-type semiconductor layer 78 is, for example, 0.01~100cm 2 / Vsec, preferably 1 to 100 cm 2 / Vsec.

光電変換層76は、上述のように量子ドット構造体20で構成されるものであり、図18に示すように、マトリクス22中に、複数の量子ドット24設けられている。光電変換層76においては、量子ドット24からなる層とマトリクス22とをペアとして、20〜50周期を持ったPNN積層構造が構成されている。量子ドット24は、例えば、Ge、SiGeで構成される。   The photoelectric conversion layer 76 is composed of the quantum dot structure 20 as described above, and a plurality of quantum dots 24 are provided in the matrix 22 as shown in FIG. In the photoelectric conversion layer 76, a PNN layered structure having 20 to 50 periods is formed by pairing the layer made of the quantum dots 24 and the matrix 22 with each other. The quantum dot 24 is made of, for example, Ge or SiGe.

また、光電変換層76においては、量子ドット24は、隣り合う各量子ドット24間に複数の波動関数が重なり合いミニバンドを形成するように、3次元的に十分均一に分布されかつ規則的に隔てられて配置されている。
具体的には、量子ドット24は、間隔tが10nm以下、好ましくは2〜6nmで配置されている。
なお、量子ドット24は、例えば、平均粒径が2〜12nmであり、好ましくは2〜6nmである。さらには、量子ドット24は、粒子径のばらつきが±20%以下であることが好ましい。
Further, in the photoelectric conversion layer 76, the quantum dots 24 are three-dimensionally sufficiently distributed and regularly spaced so that a plurality of wave functions overlap between adjacent quantum dots 24 to form a miniband. Has been placed.
Specifically, the quantum dots 24 are arranged with an interval t of 10 nm or less, preferably 2 to 6 nm.
The quantum dots 24 have, for example, an average particle diameter of 2 to 12 nm, preferably 2 to 6 nm. Further, the quantum dots 24 preferably have a variation in particle diameter of ± 20% or less.

このように、量子ドット24を構成し、配置することにより、量子ドット24により構成される量子井戸の間のトンネル確率が増え、波動性が増して、キャリア輸送による損失を改善し、電子の量子井戸間、すなわち、量子ドット24間の移動を速くすることができる。   Thus, by configuring and arranging the quantum dots 24, the tunnel probability between the quantum wells configured by the quantum dots 24 is increased, the wave nature is increased, the loss due to carrier transport is improved, and the electron quantum Movement between the wells, that is, between the quantum dots 24 can be accelerated.

光電変換層76において、量子ドット24を包含するマトリクス22は、例えば、SiOx(0<x<2)により構成される。このマトリクス22は、厚さが、例えば、200〜800nmであり、好ましくは400nmである。   In the photoelectric conversion layer 76, the matrix 22 including the quantum dots 24 is made of, for example, SiOx (0 <x <2). The matrix 22 has a thickness of, for example, 200 to 800 nm, and preferably 400 nm.

本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の量子ドット構造体の製造方法、波長変換素子および光電変換装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。   The present invention is basically configured as described above. As mentioned above, although the manufacturing method, wavelength conversion element, and photoelectric conversion apparatus of the quantum dot structure of this invention were demonstrated in detail, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the main point of this invention, it is various. Of course, improvements or changes may be made.

10、10a 積層体
12 基板
14 SiO
16 SiGeO層
18 SiOx層
20、20a 量子ドット構造体
22 マトリクス(マトリクス層)
24 量子ドット
40 波長変換素子
50、70 光電変換装置
60 光電変換素子
10, 10a Laminated body 12 Substrate 14 SiO 2 layer 16 SiGeO layer 18 SiOx layer 20, 20a Quantum dot structure 22 Matrix (matrix layer)
24 Quantum dot 40 Wavelength conversion element 50, 70 Photoelectric conversion device 60 Photoelectric conversion element

Claims (10)

第1、第2の2種以上の半導体または金属元素と酸素からなる組成を有し、かつ前記酸素に対し、前記第1、第2の2種以上の半導体または金属元素の組成比率が多い第1のアモルファス層と、前記第1の半導体または前記第1の金属元素と酸素からなる組成を有する化学量論的誘電体材料層と、前記第1の半導体または前記第1の金属元素と酸素からなる組成を有し、前記第1の半導体または前記第1の金属元素の組成比率が多い第2のアモルファス層とを相互に積層し、積層体を得る工程と、
前記積層体を加熱処理し、前記第1の半導体または前記第1の金属元素によりマトリクスが形成され、前記マトリクスの中に前記第2の半導体もしくは前記第2の金属元素からなる結晶質の量子ドット、または前記第1、第2の2種以上の半導体もしくは金属元素の混晶の量子ドットを形成する工程とを有することを特徴とする量子ドット構造体の製造方法。
The first and second semiconductors or metal elements have a composition comprising oxygen and oxygen, and the composition ratio of the first and second semiconductors or metal elements is large with respect to the oxygen. A first amorphous layer, a stoichiometric dielectric material layer having a composition comprising the first semiconductor or the first metal element and oxygen, the first semiconductor or the first metal element and oxygen. And a second amorphous layer having a composition ratio of the first semiconductor or the first metal element with a high composition ratio, and obtaining a laminate,
The stacked body is heat-treated, a matrix is formed of the first semiconductor or the first metal element, and crystalline quantum dots made of the second semiconductor or the second metal element are formed in the matrix Or a step of forming quantum dots of mixed crystals of the first and second semiconductors or metal elements, and a method of manufacturing a quantum dot structure.
前記積層体は、前記第1のアモルファス層または前記第2のアモルファス層に隣接して、前記化学量論的誘電体材料層が形成され、かつ前記第1のアモルファス層と隣接する第1のアモルファス層の間に、少なくとも前記第2のアモルファス層が1層以上ある請求項1に記載の量子ドット構造体の製造方法。   The stacked body includes a first amorphous layer adjacent to the first amorphous layer or the second amorphous layer, the stoichiometric dielectric material layer being formed, and the first amorphous layer being adjacent to the first amorphous layer. The method for producing a quantum dot structure according to claim 1, wherein at least one second amorphous layer is present between the layers. 前記積層体の加熱処理工程において、前記第1のアモルファス層の前記第2の半導体または前記第2の金属元素は、前記第1のアモルファス層中に量子ドットを形成するとともに、前記第2のアモルファス層に拡散し、前記第2のアモルファス層に含まれる前記第1の半導体または前記第1の金属元素を酸化させるとともに、前記第2の半導体または前記第2の金属元素を主成分とする量子ドットを形成する請求項1または2に記載の量子ドット構造体の製造方法。   In the heat treatment step of the stacked body, the second semiconductor or the second metal element of the first amorphous layer forms a quantum dot in the first amorphous layer and the second amorphous layer. Quantum dots that diffuse into the layer and oxidize the first semiconductor or the first metal element contained in the second amorphous layer and that have the second semiconductor or the second metal element as a main component The manufacturing method of the quantum dot structure of Claim 1 or 2 which forms. 前記第1の半導体または第1の金属元素の電気陰性度をA1とし、前記第2の半導体または前記第2の金属元素の電気陰性度をA2とするとき、A1>A2である請求項1〜3のいずれか1項に記載の量子ドット構造体の製造方法。   The A1> A2 when the electronegativity of the first semiconductor or the first metal element is A1 and the electronegativity of the second semiconductor or the second metal element is A2. 4. The method for producing a quantum dot structure according to any one of 3 above. 前記第1の半導体または第1の金属元素を融点M1とし、前記第2の半導体または前記第2の金属元素の融点をM2とするとき、M1>M2である請求項1〜4のいずれか1項に記載の量子ドット構造体の製造方法。   5. If M 1 is the melting point of the first semiconductor or the first metal element and M 2 is the melting point of the second semiconductor or the second metal element, M 1> M 2. The manufacturing method of the quantum dot structure as described in a term. 前記第1のアモルファス層は、SiGe(1−x−y)層からなる請求項1〜5のいずれか1項に記載の量子ドット構造体の製造方法。 The method for manufacturing a quantum dot structure according to claim 1, wherein the first amorphous layer is formed of a Si x Ge y O (1-xy) layer. 前記化学量論的誘電体材料層は、SiO層からなり、前記第2のアモルファス層は、SiO層からなる請求項1〜6のいずれか1項に記載の量子ドット構造体の製造方法。 The method of manufacturing a quantum dot structure according to claim 1, wherein the stoichiometric dielectric material layer is made of a SiO 2 layer, and the second amorphous layer is made of a SiO x layer. . 前記SiO層は、Siをリアクティブスパッタして形成される請求項7に記載の量子ドット構造体の製造方法。 The method of manufacturing a quantum dot structure according to claim 7, wherein the SiO x layer is formed by reactive sputtering of Si. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の量子ドット構造体の製造方法で製造された量子ドット構造体を有し、
前記量子ドットは、吸収した光の特定の波長領域に対して前記吸収した光よりも低いエネルギーの光に波長変換する波長変換組成物からなり、前記量子ドットは、隣り合う粒子との間隔が前記量子ドットの粒径以下に配置されていることを特徴とする波長変換素子。
A quantum dot structure manufactured by the method for manufacturing a quantum dot structure according to any one of claims 1 to 8,
The quantum dot is made of a wavelength conversion composition that converts the wavelength of light into energy having a lower energy than the absorbed light with respect to a specific wavelength region of the absorbed light, and the quantum dot has an interval between adjacent particles. A wavelength conversion element, wherein the wavelength conversion element is arranged to be equal to or smaller than a particle size of a quantum dot.
前記請求項9に記載の波長変換素子が光電変換層の入射光側に配置されており、
前記波長変換素子は、実効屈折率が、前記光電変換層の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率であることを特徴とする光電変換装置。
The wavelength conversion element according to claim 9 is disposed on the incident light side of the photoelectric conversion layer,
The photoelectric conversion device, wherein the wavelength conversion element has an effective refractive index that is an intermediate refractive index between the refractive index of the photoelectric conversion layer and the refractive index of air.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015079870A (en) * 2013-10-17 2015-04-23 京セラ株式会社 Solar cell
CN107919266A (en) * 2016-10-08 2018-04-17 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 A kind of production method of quantum-dot structure

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