JP2013065664A - Nano-heterostructure pn-junction element and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pn-junction element having a nanostructure and excellent in photoelectric conversion efficiency such as light-emitting efficiency.SOLUTION: The nano-heterostructure pn-junction element comprises: a nano-heterostructure body, having a three-dimensional periodic structure in which an average value of a unit length of the repeated structure is 1 to 100nm, and in a matrix composed of one inorganic component out of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, the other inorganic component, out of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material, having a shape selected from a group composed of a columnar shape, a gyroid shaped, and a layer shape, is arranged three-dimensionally and periodically; a p-type semiconductor material; and an n-type semiconductor material. The nano heterostructure body is sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer so that an end part of a pn junction surface formed with the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nano-heterostructure body is brought in contact with at least one of surfaces of semiconductor layers out of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer.

Description

本発明は、ナノヘテロ構造を有するpn接合素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a pn junction element having a nanoheterostructure and a method for manufacturing the same.

p型半導体材料とn型半導体材料とを接合することによって形成されるpn接合素子は、一方向にのみ電気を通す性質(整流作用)や、電気エネルギーを光エネルギーに変換したり、光エネルギーを電気エネルギーに変換したりする性質(光電変換作用)を有し、ダイオードや発光素子、太陽電池といった様々な電子デバイスに使用されている。   A pn junction element formed by joining a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material has a property of conducting electricity only in one direction (rectification action), converts electrical energy into light energy, It has the property of converting into electric energy (photoelectric conversion action) and is used in various electronic devices such as diodes, light emitting elements, and solar cells.

例えば、特開2007−294972号公報(特許文献1)には、ナノ構造体を有する基板上にpn接合構造を有する半導体発光構造物を備えている発光素子が開示されている。この発光素子は、電圧を印加することによって半導体発光構造物で発生した光子を発光素子の外部へ放出する場合に、基板に進行した光子を基板の表面に形成されたナノ構造体によって屈折または散乱させ、発光素子の外部への光子放出量を増大させて、発光素子の発光特性を向上させるものである。   For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-294972 (Patent Document 1) discloses a light emitting element including a semiconductor light emitting structure having a pn junction structure on a substrate having a nanostructure. In this light emitting device, when a photon generated in a semiconductor light emitting structure is emitted to the outside of the light emitting device by applying a voltage, the photon that has traveled to the substrate is refracted or scattered by the nanostructure formed on the surface of the substrate. Thus, the amount of photons emitted to the outside of the light emitting element is increased to improve the light emission characteristics of the light emitting element.

特開2007−294972号公報JP 2007-294972 A

しかしながら、特許文献1に記載の発光素子を構成する半導体発光構造物のpn接合構造は、p型半導体層とn型半導体層とを積層した単接合であるため、pn接合面積が小さく、半導体発光構造物自体の発光効率は必ずしも十分なものではなかった。   However, since the pn junction structure of the semiconductor light emitting structure constituting the light emitting element described in Patent Document 1 is a single junction in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are stacked, the pn junction area is small, and the semiconductor light emission The luminous efficiency of the structure itself is not always sufficient.

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、ナノ構造を有し、発光効率などの光電変換効率に優れたpn接合素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and has an object to provide a pn junction element having a nanostructure and excellent photoelectric conversion efficiency such as light emission efficiency and a method for manufacturing the same. .

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ブロックコポリマーを構成する第一ポリマーブロック成分とp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの一方の無機前駆体と、第二ポリマーブロック成分とp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの他方の無機前駆体とをそれぞれ組み合わせて用いることにより、ブロックコポリマーの自己組織化を利用してナノ相分離構造体を形成せしめ且つ前記無機前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめると共にブロックコポリマーを除去することによって、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に他方の無機成分が所定の形状で三次元的にナノスケールの周期性をもって配置し、前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されたpn接合面を備えるナノヘテロ構造体が得られ、このナノヘテロ構造体がp型半導体層とn型半導体層とによって挟持されているpn接合素子が、発光効率などの光電変換効率に優れていることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the first polymer block component constituting the block copolymer and one inorganic precursor of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor. And the second polymer block component and the other inorganic precursor of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor, respectively, in combination, thereby utilizing the self-organization of the block copolymer to An inorganic of one of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is formed by forming a phase separation structure and converting the inorganic precursor to a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively, and removing the block copolymer. The other inorganic component is arranged in a matrix of components in a predetermined shape with a three-dimensional nanoscale periodicity. A nanoheterostructure having a pn junction surface formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is obtained, and the pn junction is sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer The present inventors have found that the device is excellent in photoelectric conversion efficiency such as luminous efficiency, and have completed the present invention.

すなわち、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法は、
互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの一方である第一無機前駆体と、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの他方である第二無機前駆体と、を溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
少なくとも、前記第一無機前駆体が導入された前記第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と、前記第二無機前駆体が導入された前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相と、が自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記p型半導体材料および前記n型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に前記p型半導体材料および前記n型半導体材料のうちの他方の無機成分が、柱状、ジャイロイド状および層状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しているナノヘテロ構造体を、p型半導体層およびn型半導体層のうちの一方である第一半導体層上に形成せしめる第二の工程と、
前記ナノヘテロ構造体上に、p型半導体層およびn型半導体層のうちの他方である第二半導体層を形成せしめ、前記ナノヘテロ構造体中の前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の面に接触しているナノヘテロ構造pn接合素子を得る第三の工程と、
を含むことを特徴とする方法である。
That is, the manufacturing method of the nanoheterostructure pn junction element of the present invention is as follows.
A block copolymer formed by bonding at least a first polymer block component and a second polymer block component that are immiscible with each other; a first inorganic precursor that is one of a p-type semiconductor material precursor and an n-type semiconductor material precursor; A first step of preparing a raw material solution by dissolving a second inorganic precursor that is the other of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor in a solvent;
At least a first polymer phase composed of the first polymer block component introduced with the first inorganic precursor; and a second polymer phase composed of the second polymer block component introduced with the second inorganic precursor; Phase-separation treatment for forming regularly arranged nanophase-separated structures by self-organization, and the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor as a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively. A conversion process for converting, and a removal process for removing the block copolymer from the nanophase-separated structure, wherein the p is contained in a matrix composed of one inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. The other inorganic component of the n-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is selected from the group consisting of a columnar shape, a gyroidal shape, and a layered shape In Jo, a second step of allowed to form on a nano-hetero structure are arranged three-dimensionally and periodically, p-type semiconductor layer and n-type semiconductor layer while the is first semiconductor layer of,
A second semiconductor layer which is the other of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is formed on the nanoheterostructure, and is formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure. A third step of obtaining a nano-heterostructure pn junction element in which an end portion of the pn junction surface is in contact with the surface of at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer;
It is the method characterized by including.

前記第二の工程においては、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状または層状であるナノヘテロ構造体を、該ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面が前記第一半導体層の表面に対して垂直となるように、前記第一半導体層上に形成せしめることが好ましく、前記第一半導体層上に前記原料溶液からなる層を形成せしめた後、該原料溶液からなる層の上面を、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体のうちの少なくとも一方の無機前駆体に対する良溶媒の蒸気に曝露しながら前記相分離処理を施すことによって、前記pn接合面を前記第一半導体層の表面に対して垂直方向に形成せしめることがより好ましい。   In the second step, a nanoheterostructure in which the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is columnar or layered, and the pn junction surface in the nanoheterostructure is the first Preferably, the first semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer so as to be perpendicular to the surface of the one semiconductor layer, and after the layer made of the raw material solution is formed on the first semiconductor layer, By performing the phase separation process while exposing the upper surface of the layer to be exposed to a vapor of a good solvent for at least one of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor. More preferably, the bonding surface is formed in a direction perpendicular to the surface of the first semiconductor layer.

また、前記第三の工程においては、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状または層状であるナノヘテロ構造体上に、該ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面が前記第二半導体層の表面に対して垂直となるように、前記第二半導体層を形成せしめることが好ましい。   In the third step, the pn junction surface in the nanoheterostructure is formed on the nanoheterostructure in which the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is columnar or layered. Preferably, the second semiconductor layer is formed so that is perpendicular to the surface of the second semiconductor layer.

本発明に用いる前記第一無機前駆体と前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差は2(cal/cm1/2以下であることが好ましく、前記第二無機前駆体と前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差は2(cal/cm1/2以下であることが好ましい。 The difference in solubility parameter between the first inorganic precursor used in the present invention and the first polymer block component is preferably 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less, and the second inorganic precursor and the first polymer block component The difference in solubility parameter from the two polymer block component is preferably 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less.

さらに、本発明に用いる前記第一ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第一ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことが好ましい。また、前記第二ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第二ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことが好ましい。   Further, the difference in solubility parameter between the first polymer block component and the first inorganic precursor used in the present invention is smaller than the difference in solubility parameter between the first polymer block component and the second inorganic precursor. Is preferred. The difference in solubility parameter between the second polymer block component and the second inorganic precursor is preferably smaller than the difference in solubility parameter between the second polymer block component and the first inorganic precursor.

本発明に用いる前記ブロックコポリマーが、ポリスチレン成分、ポリイソプレン成分およびポリブタジエン成分からなる群から選択される少なくとも1種の第一ポリマーブロック成分と、ポリメチルメタクリレート成分、ポリエチレンオキシド成分、ポリビニルピリジン成分およびポリアクリル酸成分からなる群から選択される少なくとも少なくとも1種の第二ポリマーブロック成分とが結合してなるものである場合、
前記第一無機前駆体としては、フェニル基、炭素数5以上の長鎖炭化水素鎖、シクロオクタテトラエン環、シクロペンタジエニル環、およびアミノ基からなる群から選択される少なくとも1つの構造を備える、有機金属化合物および有機半金属化合物のうちの少なくとも1種が好ましく、
前記第二無機前駆体としては、金属または半金属の塩、金属または半金属を含む炭素数1〜4のアルコキシド、および金属または半金属のアセチルアセトナート錯体からなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。
The block copolymer used in the present invention comprises at least one first polymer block component selected from the group consisting of polystyrene component, polyisoprene component and polybutadiene component, polymethyl methacrylate component, polyethylene oxide component, polyvinyl pyridine component and poly When at least one second polymer block component selected from the group consisting of acrylic acid components is bonded,
The first inorganic precursor has at least one structure selected from the group consisting of a phenyl group, a long hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms, a cyclooctatetraene ring, a cyclopentadienyl ring, and an amino group. Provided is preferably at least one of an organometallic compound and an organometalloid compound,
The second inorganic precursor is at least one selected from the group consisting of metal or metalloid salts, metal or metalloid alkoxides having 1 to 4 carbon atoms, and metal or metalloid acetylacetonate complexes. Is preferred.

また、このような本発明の製造方法によって得ることができるようになった本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの他方の無機成分が、柱状、ジャイロイド状および層状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しており、繰り返し構造の一単位の長さの平均値が1nm〜100nmである三次元的周期構造を有しているナノヘテロ構造体と、p型半導体層と、n型半導体層と、を備えており、
前記ナノヘテロ構造体中の前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の表面と接触するように、前記p型半導体層と前記n型半導体層とが前記ナノヘテロ構造体を挟持していることを特徴とするものである。
Further, the nano-heterostructure pn junction element of the present invention that can be obtained by the manufacturing method of the present invention has a matrix composed of one inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. The other inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is three-dimensionally and periodically arranged in a shape selected from the group consisting of a columnar shape, a gyroid shape, and a layer shape, and has a repeating structure Comprising a nano-heterostructure having a three-dimensional periodic structure having an average length of one unit of 1 nm to 100 nm, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer,
An end portion of a pn junction surface formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure is at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer sandwich the nanoheterostructure so as to be in contact with the surface.

本発明のナノヘテロ構造pn接合素子において、前記マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状または層状である場合、ナノヘテロ構造中の前記pn接合面が、前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の表面に対して垂直な方向に形成されていることが好ましい。   In the nanoheterostructure pn junction element of the present invention, when the shape of the inorganic component three-dimensionally and periodically arranged in the matrix is a columnar or layered shape, the pn junction surface in the nanoheterostructure is the p-type. It is preferably formed in a direction perpendicular to the surface of at least one of the semiconductor layer and the n-type semiconductor layer.

また、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子において、前記p型半導体層としては、前記ナノヘテロ構造体中のp型半導体材料と同種の半導体材料および不純物元素を含有するものが好ましく、前記n型半導体層としては、前記ナノヘテロ構造体中のn型半導体材料と同種の半導体材料および不純物を含有するものが好ましい。   In the nanoheterostructure pn junction element of the present invention, the p-type semiconductor layer preferably contains a semiconductor material and an impurity element of the same type as the p-type semiconductor material in the nanoheterostructure, and the n-type semiconductor layer As for, what contains the same kind of semiconductor material and impurity as the n-type semiconductor material in the said nanoheterostructure is preferable.

なお、前記本発明の方法によって前記本発明のナノヘテロ構造pn接合素子が得られるようになる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、先ず、互いに混和しないAおよびBの2種類のポリマーブロック成分が結合してなるブロックコポリマーは、ガラス転移点以上の温度で熱処理することでA相とB相とが空間的に分離したナノ相分離構造を構成する(自己組織化)。その際、ポリマーブロック成分の分子量比によって一般的に相分離構造は変化する。具体的には、A:Bの分子量比が1:1の場合には一般的に層状の層状構造をとり、分子量比が1:1からずれるにしたがい、二つの連続相が絡み合ったようなジャイロイド状構造から柱状構造へと変化してゆく。なお、図1は、ブロックコポリマーから生成されるナノ相分離構造を示す模式図であり、左から、層状構造(a)、ジャイロイド状構造(b)、柱状構造(c)をそれぞれ示しており、右側の構造ほど一般的にAの割合が高い。   The reason why the nanoheterostructure pn junction element of the present invention can be obtained by the method of the present invention is not necessarily clear, but the present inventors infer as follows. That is, first, a block copolymer formed by bonding two types of polymer block components A and B that are immiscible with each other is a nano-structure in which the A phase and the B phase are spatially separated by heat treatment at a temperature equal to or higher than the glass transition point. Configure the phase separation structure (self-organization). At that time, the phase separation structure generally varies depending on the molecular weight ratio of the polymer block components. Specifically, when the molecular weight ratio of A: B is 1: 1, generally a layered layered structure is adopted, and as the molecular weight ratio deviates from 1: 1, a gyration in which two continuous phases are intertwined. It changes from a Lloyd structure to a columnar structure. FIG. 1 is a schematic diagram showing a nanophase-separated structure produced from a block copolymer, and shows a layered structure (a), a gyroidal structure (b), and a columnar structure (c) from the left. In general, the right side structure has a higher ratio of A.

本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法においては、先ず、上記のブロックコポリマーの自己組織化を利用して、複数の無機前駆体を三次元的にナノスケールの周期性をもって配置させる。すなわち、互いに混和しない複数のポリマーブロック成分からなるブロックコポリマーは、前述のように自己組織化によりナノスケールで相分離する。その際、本発明においては、ブロックコポリマーを構成する第一ポリマーブロック成分とp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの一方である第一無機前駆体と、第二ポリマーブロック成分とp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの他方である第二無機前駆体とをそれぞれ組み合わせて用い、さらには、前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下である第一無機前駆体と、前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下である第二無機前駆体とを組み合わせて用いることが好ましい。これにより、第一無機前駆体および第二無機前駆体はそれぞれ第一ポリマーブロック成分中および第二ポリマーブロック成分中に十分に導入された状態でブロックコポリマーの自己組織化と共にナノ相分離構造を構成し、ナノ相分離構造を所定の構造とすることによって前記無機前駆体は三次元的にナノスケールの周期性をもって配置される。 In the method for producing a nano-heterostructure pn junction element of the present invention, first, a plurality of inorganic precursors are arranged three-dimensionally with nano-scale periodicity using the self-assembly of the block copolymer. That is, a block copolymer composed of a plurality of polymer block components that are immiscible with each other is phase-separated on a nanoscale by self-assembly as described above. In that case, in this invention, the 1st polymer block component which comprises a block copolymer, the 1st inorganic precursor which is one of a p-type semiconductor material precursor and an n-type semiconductor material precursor, and a 2nd polymer block component And a second inorganic precursor, which is the other of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor, in combination, and the difference in solubility parameter from the first polymer block component is 2 ( cal / cm 3 ) 1/2 or less and a second inorganic precursor having a solubility parameter difference of 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less between the second polymer block component and Are preferably used in combination. As a result, the first inorganic precursor and the second inorganic precursor are sufficiently introduced into the first polymer block component and the second polymer block component, respectively, and form a nanophase separation structure together with the self-assembly of the block copolymer. The inorganic precursor is arranged with a nanoscale periodicity three-dimensionally by setting the nanophase separation structure to a predetermined structure.

さらに、本発明においては、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめると共にブロックコポリマーを除去することによって、ナノ相分離構造の形状に応じてp型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に他方の無機成分が所定の形状で三次元的に特定のナノスケールの周期性をもって配置されたナノヘテロ構造体が得られる。なお、本発明においては、前記第一無機前駆体および前記第二無機前駆体と第一ポリマーブロック成分および第二ポリマーブロック成分とをそれぞれ組み合わせて用いており、さらには、これらの溶解度パラメータの差がそれぞれ2(cal/cm1/2以下であることが好ましい。これにより、各ポリマーブロック成分に対する各無機前駆体の導入量が十分に多くなり、そのため前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめると共にブロックコポリマーを除去してもナノスケールの三次元的周期構造が十分に維持されると本発明者らは推察する。 Furthermore, in the present invention, by converting the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor to a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively, and removing the block copolymer, Nanohetero, in which the other inorganic component is arranged in a predetermined shape three-dimensionally with a specific nanoscale periodicity in a matrix composed of one of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material according to the shape. A structure is obtained. In the present invention, the first inorganic precursor and the second inorganic precursor are used in combination with the first polymer block component and the second polymer block component, respectively, and further, the difference between these solubility parameters. Are preferably 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less. As a result, the amount of each inorganic precursor introduced into each polymer block component is sufficiently increased, and therefore the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor are converted into a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively. The inventors infer that the nanoscale three-dimensional periodic structure is sufficiently maintained even if the block copolymer is removed.

なお、本発明における「溶解度パラメータ」とは、ヒルデブラントによって導入された正則溶液論により定義されたいわゆる「SP値」であり、以下の式:
溶解度パラメータδ[(cal/cm1/2]=(ΔE/V)1/2
(式中、ΔEはモル蒸発エネルギー[cal]、Vはモル体積[cm]を示す。)
に基づいて求められる値である。
The “solubility parameter” in the present invention is a so-called “SP value” defined by the regular solution theory introduced by Hildebrand, and has the following formula:
Solubility parameter δ [(cal / cm 3 ) 1/2 ] = (ΔE / V) 1/2
(In the formula, ΔE represents molar evaporation energy [cal], and V represents molar volume [cm 3 ].)
It is a value obtained based on.

また、本発明における「繰り返し構造の一単位の長さの平均値」とは、一方の無機成分からなるマトリックス中に配置されている他方の無機成分の隣接するもの同士の中心間の距離の平均値であり、いわゆる周期構造の間隔(d)に相当する。係る周期構造の間隔(d)は、以下のように小角X線回折により求められる。また、本発明に係る柱状、ジャイロイド状または層状といった構造についても、以下のように小角X線回折により測定される特徴的な回折パターンにより規定することができる。   In addition, the “average length of one unit of the repeating structure” in the present invention is the average distance between centers of adjacent ones of the other inorganic components arranged in the matrix composed of one inorganic component. This value corresponds to the so-called periodic structure interval (d). The interval (d) of the periodic structure is obtained by small angle X-ray diffraction as follows. The columnar, gyroidal, or layered structure according to the present invention can also be defined by a characteristic diffraction pattern measured by small-angle X-ray diffraction as follows.

すなわち、小角X線回折により、柱状、ジャイロイド状、層状などの形状の構造体がマトリックス中に周期的に配置した擬似結晶格子の特徴的な格子面からのBragg反射が観察される。その際、周期構造が形成されていると回折ピークが観察され、それら回折スペクトルの大きさ(q=2π/d)の比から、柱状、ジャイロイド状、層状などの構造を特定することができる。また、係る回折ピークのピーク位置から、Braggの式(nλ=2dsinθ;λはX線波長、θは回折角を示す。)により、周期構造の間隔(d)を求めることができる。以下の表1に、各構造とピーク位置の回折スペクトルの大きさ(q)の比の関係を示す。なお、表1に示すようなピークが全て確認される必要はなく、観察されたピークから構造が特定できればよい。   That is, Bragg reflection from a characteristic lattice plane of a pseudo crystal lattice in which structures having a columnar shape, a gyroid shape, a layer shape, and the like are periodically arranged in a matrix is observed by small-angle X-ray diffraction. At that time, if a periodic structure is formed, a diffraction peak is observed, and a structure such as a columnar shape, a gyroidal shape, or a layered shape can be specified from the ratio of the magnitudes of these diffraction spectra (q = 2π / d). . Further, from the peak position of the diffraction peak, the interval (d) of the periodic structure can be obtained by Bragg's formula (nλ = 2dsin θ; λ indicates the X-ray wavelength and θ indicates the diffraction angle). Table 1 below shows the relationship between each structure and the ratio (q) of the diffraction spectrum size at the peak position. In addition, it is not necessary to confirm all the peaks as shown in Table 1, and it is sufficient that the structure can be identified from the observed peaks.

また、本発明に係る柱状、ジャイロイド状、層状といった構造を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて特定することも可能であり、それによってその形状や周期性を判別・評価することができる。さらに、様々な方向からの観察や三次元トモグラフィーを用いることによって、三次元性をより詳しく判別することも可能である。   In addition, it is possible to specify a columnar structure, a gyroidal structure, or a layered structure according to the present invention using a transmission electron microscope (TEM), and thereby the shape and periodicity can be determined and evaluated. Furthermore, it is also possible to discriminate the three-dimensionality in more detail by using observation from various directions and three-dimensional tomography.

本発明によれば、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に他方の無機成分が三次元的にナノスケールの周期性をもって配置したナノヘテロ構造体がp型半導体層とn型半導体層とによって挟持されている、発光効率などの光電変換特性に優れたpn接合素子を得ることが可能となる。   According to the present invention, a nanoheterostructure in which one inorganic component of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material is arranged with a nanoscale periodicity in the other inorganic component is p-type. A pn junction element that is sandwiched between the semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and has excellent photoelectric conversion characteristics such as light emission efficiency can be obtained.

A−B型ブロックコポリマーから生成されるナノ相分離構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the nano phase separation structure produced | generated from an AB type block copolymer. 本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の好適な一実施態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one suitable embodiment of the nanoheterostructure pn junction element of this invention. 本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の他の好適な一実施態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another suitable one embodiment of the nanoheterostructure pn junction element of this invention. 本発明のナノヘテロ構造pn接合素子のさらに他の好適な一実施態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another suitable one Embodiment of the nanoheterostructure pn junction element of this invention. 電極を備える本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の一実施態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one embodiment of the nanoheterostructure pn junction element of this invention provided with an electrode. 電極を備える本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の他の一実施態様を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another embodiment of the nanoheterostructure pn junction element of this invention provided with an electrode. 実施例1で得られたナノヘテロ構造体の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of the nanoheterostructure obtained in Example 1. FIG. 実施例2で得られたナノヘテロ構造体の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of the nanoheterostructure obtained in Example 2. FIG. 従来の単接合のpn接合素子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the conventional single junction pn junction element.

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments thereof.

先ず、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子について説明する。本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの他方の無機成分が、柱状、ジャイロイド状および層状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しており、繰り返し構造の一単位の長さの平均値が1nm〜100nmである三次元的周期構造を有しているナノヘテロ構造体と、p型半導体層と、n型半導体層と、を備えているものである。   First, the nanoheterostructure pn junction device of the present invention will be described. In the nano-heterostructure pn junction element of the present invention, the other inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is in the matrix composed of one inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. A shape selected from the group consisting of a columnar shape, a gyroid shape, and a layered shape, and is three-dimensionally and periodically arranged, and the average value of the length of one unit of the repeating structure is 1 nm to 100 nm. A nanoheterostructure having a structure, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer are provided.

そして、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子においては、前記ナノヘテロ構造体中の前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の表面と接触するように、前記p型半導体層と前記n型半導体層とが前記ナノヘテロ構造体を挟持している。   In the nanoheterostructure pn junction element of the present invention, an end portion of a pn junction surface formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure is the p-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer sandwich the nanoheterostructure so as to be in contact with the surface of at least one of the n-type semiconductor layers.

ここで、pn接合面の端部が前記半導体層の表面と接触している状態とは、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状である場合(すなわち、前記ナノヘテロ構造が柱状構造である場合)には、柱状部の長軸が前記半導体層の表面と平行でない状態を意味している。また、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が層状である場合(すなわち、前記ナノヘテロ構造が層状構造である場合)には、層状部の界面(pn接合面)が前記半導体層の表面と平行でない状態を意味している。柱状部の長軸や層状部の界面が前記半導体層の表面と平行になると、pn接合面の有効面積が従来の単接合のpn接合素子と同等であり、pn接合素子の光電変換特性が十分に向上しない。   Here, the state where the end of the pn junction surface is in contact with the surface of the semiconductor layer is when the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is columnar (that is, In the case where the nano-heterostructure is a columnar structure), it means that the long axis of the columnar part is not parallel to the surface of the semiconductor layer. When the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is layered (that is, when the nanoheterostructure is a layered structure), the interface of the layered part (pn junction surface) Means not parallel to the surface of the semiconductor layer. When the long axis of the columnar part or the interface of the layered part is parallel to the surface of the semiconductor layer, the effective area of the pn junction surface is equivalent to that of a conventional single junction pn junction element, and the photoelectric conversion characteristics of the pn junction element are sufficient. Does not improve.

本発明のナノヘテロ構造pn接合素子においては、従来の単接合のpn接合素子に比べてpn接合面の有効面積が増加し、光電変換特性がさらに向上するという観点から、ナノヘテロ構造が柱状構造または層状構造である場合には、ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面は前記半導体層の表面に対して垂直な方向に形成されていることが好ましい。すなわち、前記ナノヘテロ構造が柱状構造である場合には、図2に示すように、柱状部(1b)の長軸が前記半導体層(2および/または3)の表面に対して垂直となっている状態が好ましく、また、前記ナノヘテロ構造が層状構造である場合には、図3に示すように、層状部(1c)の界面(pn接合面)が前記半導体層(2および/または3)の表面に対して垂直となっている状態が好ましい。なお、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が図4に示すようなジャイロイド状ある場合(すなわち、前記ナノヘテロ構造がジャイロイド状構造である場合)には、従来の単接合のpn接合素子に比べてpn接合面の有効面積が必ず増加するため、光電変換特性も向上する。   In the nanoheterostructure pn junction device of the present invention, the nanoheterostructure is a columnar structure or a layered structure from the viewpoint that the effective area of the pn junction surface is increased and the photoelectric conversion characteristics are further improved as compared with the conventional single junction pn junction device. In the case of a structure, the pn junction surface in the nanoheterostructure is preferably formed in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor layer. That is, when the nano-heterostructure is a columnar structure, as shown in FIG. 2, the major axis of the columnar portion (1b) is perpendicular to the surface of the semiconductor layer (2 and / or 3). When the state is preferred and the nanoheterostructure is a layered structure, the interface (pn junction surface) of the layered portion (1c) is the surface of the semiconductor layer (2 and / or 3) as shown in FIG. The state which is perpendicular | vertical with respect to is preferable. When the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is a gyroidal shape as shown in FIG. 4 (that is, when the nanoheterostructure is a gyroidal structure), Since the effective area of the pn junction surface necessarily increases as compared with the conventional single junction pn junction element, the photoelectric conversion characteristics are also improved.

このような本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、従来の製造方法では実現することができなかったナノ構造体を備えるものであり、p型半導体材料とn型半導体材料との組み合わせについて、それらの配置、組成、構造スケールなどを様々に制御したナノヘテロ構造体を備えるものとして得ることが可能である。そのため、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子によれば、従来の単接合のpn接合素子以上の界面増大効果、ナノサイズ効果、耐久性などの飛躍的な向上が発揮され、結果として高い光電変換特性が発揮されるようになる。   Such a nanoheterostructure pn junction element of the present invention comprises a nanostructure that could not be realized by a conventional manufacturing method, and the combination of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material It is possible to obtain a nanoheterostructure having variously controlled arrangement, composition, structure scale, and the like. Therefore, according to the nano-heterostructure pn junction element of the present invention, dramatic improvements such as an interface increasing effect, a nano-size effect, durability, and the like over the conventional single-junction pn junction element are exhibited, resulting in high photoelectric conversion characteristics. Will come out.

本発明のナノヘテロ構造pn接合素子中のナノヘテロ構造体を構成するp型半導体材料およびn型半導体材料としては、それぞれ公知のpn接合素子に用いられるp型半導体材料およびn型半導体材料を用いることができ、例えば、公知の半導体材料に公知の不純物元素をドープしたものが挙げられる。前記半導体材料としては、IV族半導体(Si、Gなど)、III−V族半導体(GaAs、InP、GaNなど)、IV族化合物半導体(SiC、SiGeなど)、I−III−VI族半導体(CuInSeなどのカルコパイライト系半導体)などが挙げられる。前記p型半導体材料は、このような半導体材料にその価数より少ない価数を有する不純物元素をドープしたものであり、例えば、シリコン(Si)などの4価の元素からなる結晶にホウ素(B)などの3価の元素をドープしたもの、ガリウム(Ga)などの3価の元素からなる結晶にマグネシウム(Mg)などの2価の元素をドープしたものなどが挙げられる。また、前記n型半導体材料は、前記半導体材料にその価数より多い価数を有する不純物元素をドープしたものであり、例えば、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)などの4価の元素の結晶にヒ素(As)などの5価の元素をドープしたもの、ガリウム(Ga)などの3価の元素からなる結晶にシリコン(Si)などの4価の元素をドープしたものなどが挙げられる。 As the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material constituting the nano-heterostructure in the nano-heterostructure pn junction element of the present invention, a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material used for known pn junction elements, respectively, may be used. For example, a known semiconductor material doped with a known impurity element can be used. Examples of the semiconductor material include group IV semiconductors (Si, G, etc.), group III-V semiconductors (GaAs, InP, GaN, etc.), group IV compound semiconductors (SiC, SiGe, etc.), and group I-III-VI semiconductors (CuInSe). 2 and the like). The p-type semiconductor material is obtained by doping such a semiconductor material with an impurity element having a lower valence than that of the semiconductor material. For example, boron (B) is added to a crystal made of a tetravalent element such as silicon (Si). ) And the like, and a crystal composed of a trivalent element such as gallium (Ga) doped with a divalent element such as magnesium (Mg). The n-type semiconductor material is obtained by doping the semiconductor material with an impurity element having a valence higher than that of the semiconductor material. For example, a crystal of a tetravalent element such as silicon (Si) or germanium (Ge). And those obtained by doping a pentavalent element such as arsenic (As) or a crystal composed of a trivalent element such as gallium (Ga) with a tetravalent element such as silicon (Si).

本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、前記ナノヘテロ構造体とp型半導体層とn型半導体層を備えるものであり、上述したように、前記ナノヘテロ構造体中のpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の表面と接触するように、p型半導体層とn型半導体層とによってナノヘテロ構造体が挟持されているものである。   The nanoheterostructure pn junction element of the present invention comprises the nanoheterostructure, a p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer. As described above, the end of the pn junction surface in the nanoheterostructure is the p The nanoheterostructure is sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer so as to be in contact with the surface of at least one of the n-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer.

前記p型半導体層および前記n型半導体層としては、それぞれ公知のpn接合素子のp型半導体層およびn型半導体層を採用することができる。このような半導体層は、公知の半導体材料に公知の不純物元素をドープしたものであり、前記ナノヘテロ構造体を構成するp型半導体材料およびn型半導体材料において例示したものを用いて形成されるものである。本発明において、前記p型半導体層としては、前記ナノヘテロ構造体を構成するp型半導体材料と同種の半導体材料および不純物元素を含有するものが好ましく、また、前記n型半導体層としては、前記ナノヘテロ構造体を構成するn型半導体材料と同種の半導体材料および不純物元素を含有するものが好ましい。p型半導体層とナノヘテロ構造体を構成するp型半導体材料をこのように組み合わせることによって、p型半導体層とp型半導体材料との間の障壁がなくなり、pn接合面で生成した電荷(正孔)の移動がスムーズに起こる傾向にある。また、n型半導体層とナノヘテロ構造体を構成するn型半導体材料についても同様に、電荷(電子)の移動がスムーズに起こる傾向にある。その結果、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、高い光電変換性能を発揮するようになる。   As the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer of a known pn junction element can be adopted, respectively. Such a semiconductor layer is obtained by doping a known semiconductor material with a known impurity element, and is formed using those exemplified in the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material constituting the nanoheterostructure. It is. In the present invention, the p-type semiconductor layer preferably contains the same kind of semiconductor material and impurity element as the p-type semiconductor material constituting the nanoheterostructure, and the n-type semiconductor layer includes the nanoheterostructure. A material containing the same kind of semiconductor material and impurity element as the n-type semiconductor material constituting the structure is preferable. By combining the p-type semiconductor layer and the p-type semiconductor material constituting the nano-heterostructure in this way, there is no barrier between the p-type semiconductor layer and the p-type semiconductor material, and the charges (holes) generated at the pn junction surface are eliminated. ) Movement tends to occur smoothly. Similarly, the n-type semiconductor material constituting the n-type semiconductor layer and the nano-heterostructure also tends to cause a smooth movement of charges (electrons). As a result, the nanoheterostructure pn junction element of the present invention exhibits high photoelectric conversion performance.

また、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子においては、前記p型半導体層および前記n型半導体層の表面に電極が配置されていてもよい。図5〜6は、半導体層上に電極が配置された本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の一例を示す模式図である。本発明のナノヘテロ構造pn接合素子において、電極(4)は、図5に示すように、一方の半導体層(2)においては、ナノヘテロ構造体(1)側と反対側の面に配置され、他方の半導体層(3)においては、ナノヘテロ構造体(1)側の面に配置されていてもよいし、あるいは、図6に示すように、いずれの半導体層(2および3)においても、ナノヘテロ構造体(1)側と反対側の面に配置されていてもよい。前記電極としては特に制限はないが、Au電極などの公知の金属電極、ITO透明電極などの公知の透明電極などが挙げられる。   In the nanoheterostructure pn junction element of the present invention, electrodes may be disposed on the surfaces of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. 5 to 6 are schematic views showing an example of the nanoheterostructure pn junction element of the present invention in which electrodes are arranged on a semiconductor layer. In the nanoheterostructure pn junction element of the present invention, as shown in FIG. 5, the electrode (4) is disposed on the surface opposite to the nanoheterostructure (1) side in one semiconductor layer (2), and the other The semiconductor layer (3) may be disposed on the surface of the nanoheterostructure (1) side, or, as shown in FIG. 6, in any of the semiconductor layers (2 and 3), the nanoheterostructure You may arrange | position on the surface on the opposite side to the body (1) side. Although there is no restriction | limiting in particular as said electrode, Well-known transparent electrodes, such as well-known metal electrodes, such as Au electrode, ITO transparent electrode, etc. are mentioned.

次に、このような本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法について説明する。本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法は、
互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの一方である第一無機前駆体と、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの他方である第二無機前駆体と、を溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
少なくとも、前記第一無機前駆体が導入された前記第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と、前記第二無機前駆体が導入された前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相と、が自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記p型半導体材料および前記n型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に前記p型半導体材料および前記n型半導体材料のうちの他方の無機成分が、柱状、ジャイロイド状および層状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しているナノヘテロ構造体を、p型半導体層およびn型半導体層のうちの一方である第一半導体層上に形成せしめる第二の工程と、
前記ナノヘテロ構造体上に、p型半導体層およびn型半導体層のうちの他方である第二半導体層を形成せしめ、前記ナノヘテロ構造体中の前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の面に接触しているナノヘテロ構造pn接合素子を得る第三の工程と、
を含む方法である。以下に、それぞれの工程を説明する。
Next, a method for manufacturing such a nanoheterostructure pn junction element of the present invention will be described. The method for producing the nano-heterostructure pn junction element of the present invention includes:
A block copolymer formed by bonding at least a first polymer block component and a second polymer block component that are immiscible with each other; a first inorganic precursor that is one of a p-type semiconductor material precursor and an n-type semiconductor material precursor; A first step of preparing a raw material solution by dissolving a second inorganic precursor that is the other of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor in a solvent;
At least a first polymer phase composed of the first polymer block component introduced with the first inorganic precursor; and a second polymer phase composed of the second polymer block component introduced with the second inorganic precursor; Phase-separation treatment for forming regularly arranged nanophase-separated structures by self-organization, and the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor as a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively. A conversion process for converting, and a removal process for removing the block copolymer from the nanophase-separated structure, wherein the p is contained in a matrix composed of one inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. The other inorganic component of the n-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is selected from the group consisting of a columnar shape, a gyroidal shape, and a layered shape In Jo, a second step of allowed to form on a nano-hetero structure are arranged three-dimensionally and periodically, p-type semiconductor layer and n-type semiconductor layer while the is first semiconductor layer of,
A second semiconductor layer which is the other of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is formed on the nanoheterostructure, and is formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure. A third step of obtaining a nano-heterostructure pn junction element in which an end portion of the pn junction surface is in contact with the surface of at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer;
It is a method including. Below, each process is demonstrated.

[第一の工程:原料溶液調製工程]
係る工程は、以下に説明するブロックコポリマーと以下に説明する無機前駆体とを溶媒に溶解して原料溶液を調製する工程である。
[First step: Raw material solution preparation step]
This step is a step of preparing a raw material solution by dissolving a block copolymer described below and an inorganic precursor described below in a solvent.

本発明で用いられるブロックコポリマーは、少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるものである。このようなブロックコポリマーの具体例として、繰り返し単位aを有するポリマーブロック成分A(第一ポリマーブロック成分)と、繰り返し単位bを有するポリマーブロック成分B(第二ポリマーブロック成分)と、が末端同士で結合した、−(aa…aa)−(bb…bb)−という構造をもつA−B型、A−B−A型のブロックコポリマーがある。また、1種類以上のポリマーブロック成分が中心から放射状に伸びたスター型や、ブロックコポリマーの主鎖に他のポリマー成分がぶらさがった形でもよい。   The block copolymer used in the present invention is formed by binding at least a first polymer block component and a second polymer block component. As a specific example of such a block copolymer, a polymer block component A having a repeating unit a (first polymer block component) and a polymer block component B having a repeating unit b (second polymer block component) are end to end. There are combined AB type and ABA type block copolymers having a structure of-(aa ... aa)-(bb ... bb)-. Further, a star shape in which one or more kinds of polymer block components extend radially from the center, or a shape in which other polymer components are suspended from the main chain of the block copolymer may be used.

本発明で用いられるブロックコポリマーを構成するポリマーブロック成分は、互いに混和しないものであれば、その種類に特に限定はない。したがって、本発明で用いられるブロックコポリマーは、極性がそれぞれ異なるポリマーブロック成分からなるものが好ましい。係るブロックコポリマーの具体例としては、ポリスチレン−ポリメチルメタクリレート(PS−b−PMMA)、ポリスチレン−ポリエチレンオキシド(PS−b−PEO)、ポリスチレン−ポリビニルピリジン(PS−b−PVP)、ポリスチレン−ポリフェロセニルジメチルシラン(PS−b−PFS)、ポリイソプレン−ポリエチレンオキシド(PI−b−PEO)、ポリブタジエン−ポリエチレンオキシド(PB−b−PEO)、ポリエチルエチレン−ポリエチレンオキシド(PEE−b−PEO)、ポリブタジエン−ポリビニルピリジン(PB−b−PVP)、ポリイソプレン−ポリメチルメタクリレート(PI−b−PMMA)、ポリスチレン−ポリアクリル酸(PS−b−PAA)、ポリブタジエン−ポリメチルメタクリレート(PB−b−PMMA)などが挙げられる。中でも、ポリマーブロック成分の極性の差が大きいほど導入する前駆体も極性の差が大きいものを用いることができるため、それぞれのポリマーブロック成分に前駆体を導入し易くなるという観点から、PS−b−PVP、PS−b−PEO、PS−b−PAAなどが好ましい。   The polymer block components constituting the block copolymer used in the present invention are not particularly limited as long as they are immiscible with each other. Therefore, the block copolymer used in the present invention is preferably composed of polymer block components having different polarities. Specific examples of such a block copolymer include polystyrene-polymethyl methacrylate (PS-b-PMMA), polystyrene-polyethylene oxide (PS-b-PEO), polystyrene-polyvinylpyridine (PS-b-PVP), polystyrene-polyferrocese. Nyldimethylsilane (PS-b-PFS), polyisoprene-polyethylene oxide (PI-b-PEO), polybutadiene-polyethylene oxide (PB-b-PEO), polyethylethylene-polyethylene oxide (PEE-b-PEO), Polybutadiene-polyvinylpyridine (PB-b-PVP), polyisoprene-polymethyl methacrylate (PI-b-PMMA), polystyrene-polyacrylic acid (PS-b-PAA), polybutadiene-polymethyl methacrylate (PB-b-PMMA) and the like. Among them, the larger the difference in the polarity of the polymer block component, the greater the difference in the polarity of the precursor that can be introduced. Therefore, from the viewpoint of easy introduction of the precursor into each polymer block component, PS-b -PVP, PS-b-PEO, PS-b-PAA and the like are preferable.

ブロックコポリマーおよびそれを構成する各ポリマーブロック成分の分子量は、本発明のpn接合素子を構成するナノヘテロ構造体の構造スケール(柱や層などのサイズや間隔)や配置に応じて適宜選択すればよい。例えば、数平均分子量が100〜1000万(より好ましくは1000〜100万)であるブロックコポリマーを用いることが好ましく、数平均分子量が小さいほど構造スケールは小さくなる傾向にある。また、各ポリマーブロック成分の数平均分子量に関しては、各ポリマーブロック成分の分子量比などを調整することにより、後述するナノ相分離構造体の形成工程において自己組織化により得られるナノ相分離構造を所望の構造とすることができ、ひいては、無機成分を所望の形態で配列した構造をもつナノヘテロ構造体が得られるようになる。また、後述する熱処理(焼成)または光照射により容易に分解されるブロックコポリマーや、溶媒により容易に除去されるブロックコポリマーを用いることが好ましい。   The molecular weight of the block copolymer and each polymer block component constituting the block copolymer may be appropriately selected according to the structure scale (size and spacing of columns, layers, etc.) and arrangement of the nanoheterostructure constituting the pn junction device of the present invention. . For example, it is preferable to use a block copolymer having a number average molecular weight of 1,000 to 10,000,000 (more preferably 1,000 to 1,000,000), and the structural scale tends to be smaller as the number average molecular weight is smaller. In addition, regarding the number average molecular weight of each polymer block component, by adjusting the molecular weight ratio of each polymer block component, etc., a desired nanophase separation structure obtained by self-organization in the nanophase separation structure formation step described later is desired. As a result, a nanoheterostructure having a structure in which inorganic components are arranged in a desired form can be obtained. Further, it is preferable to use a block copolymer that is easily decomposed by heat treatment (baking) or light irradiation described later, or a block copolymer that is easily removed by a solvent.

本発明で用いられるp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体は、それぞれ前述したp型半導体材料およびn型半導体材料を後述する変換処理によって形成できる無機前駆体であれば特に制限はない。具体的には、前記p型半導体材料およびn型半導体材料を構成する金属または半金属の塩(例えば、炭酸塩、硝酸塩、リン酸塩、硫酸塩、酢酸塩、塩化物、有機酸塩(アクリル酸塩など))、前記金属または前記半金属を含む炭素数1〜4のアルコキシド(例えば、メトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド)、前記金属または前記半金属の錯体(例えば、アセチルアセトナート錯体)、前記金属または前記半金属を含む有機金属化合物または有機半金属化合物(例えば、フェニル基、炭素数5以上の長鎖炭化水素鎖、シクロオクタテトラエン環、シクロペンタジエニル環、およびアミノ基からなる群から選択される少なくとも1種の構造を備えるもの)が好ましい。このようなp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体は、目的とするナノヘテロ構造体を構成するp型半導体材料とn型半導体材料との組み合わせに応じて、且つ、それらが前述の諸条件を満たすように1種または2種以上を適宜選択して使用される。   The p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor used in the present invention are not particularly limited as long as the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material precursor are inorganic precursors that can be formed by the conversion process described later. . Specifically, the metal or metalloid salt (for example, carbonate, nitrate, phosphate, sulfate, acetate, chloride, organic acid salt (acrylic acid) constituting the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. Acid salt)), C1-C4 alkoxide (for example, methoxide, ethoxide, propoxide, butoxide) containing the metal or metalloid, complex of the metal or metalloid (for example, acetylacetonate complex) An organic metal compound or an organic metalloid compound containing the metal or the metalloid (for example, a phenyl group, a long-chain hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms, a cyclooctatetraene ring, a cyclopentadienyl ring, and an amino group) Those having at least one structure selected from the group consisting of: Such a p-type semiconductor material precursor and an n-type semiconductor material precursor are selected according to the combination of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material constituting the target nanoheterostructure, One or more kinds are appropriately selected and used so as to satisfy the conditions.

本発明で用いられる溶媒としては、用いるブロックコポリマーと第一および第二無機前駆体とを溶解できるものであればよく、特に限定されないが、例えば、アセトン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、クロロホルム、ベンゼンなどが挙げられる。このような溶媒は、1種を単独で用いてもよく、また2種以上を混合して用いてもよい。   The solvent used in the present invention is not particularly limited as long as it can dissolve the block copolymer to be used and the first and second inorganic precursors. For example, acetone, tetrahydrofuran (THF), toluene, propylene glycol monomethyl Examples include ether acetate (PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), chloroform, and benzene. Such a solvent may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.

なお、本明細書において、「溶解」とは、物質(溶質)が溶媒に溶けて均一混合物(溶液)となる現象であって、溶解後、溶質の少なくとも一部がイオンとなる場合、溶質がイオンに解離せず分子状で存在している場合、分子やイオンが会合して存在している場合、などが含まれる。   In this specification, “dissolution” is a phenomenon in which a substance (solute) dissolves in a solvent to form a uniform mixture (solution). When at least a part of the solute becomes an ion after dissolution, Examples include a case where the molecule is present without being dissociated into ions, a case where molecules or ions are associated and present, and the like.

本発明においては、前記第一ポリマーブロック成分と前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体のうちの一方である第一無機前駆体と、前記第二ポリマーブロック成分と前記前駆体のうちの他方である第二無機前駆体とをそれぞれ組み合わせて用い、さらには、前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下である第一無機前駆体と、前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下である第二無機前駆体とを組み合わせて用いることが好ましい。このような条件を満たす第一無機前駆体と第二無機前駆体とを組み合わせて用いることにより、後述するナノ相分離構造体を形成する工程において、第一ポリマーブロック成分中に第一無機前駆体が、第二ポリマーブロック成分中に第二無機前駆体がそれぞれ十分に導入された状態でブロックコポリマーの自己組織化と共にナノ相分離構造が構成され、前記無機前駆体は三次元的にナノスケールの周期性をもって配置される。 In the present invention, the first polymer block component, the first inorganic precursor which is one of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor, the second polymer block component and the precursor And a second inorganic precursor that is the other of the first inorganic block precursors, and a difference in solubility parameter from the first polymer block component is 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less. It is preferable to use a combination of a precursor and a second inorganic precursor having a solubility parameter difference of 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less between the second polymer block component. In the step of forming a nanophase separation structure to be described later by using a combination of the first inorganic precursor and the second inorganic precursor that satisfy such conditions, the first inorganic precursor is contained in the first polymer block component. However, a nanophase separation structure is formed together with the self-assembly of the block copolymer in a state where the second inorganic precursor is sufficiently introduced in the second polymer block component, and the inorganic precursor is three-dimensionally nanoscaled. Arranged with periodicity.

本発明に用いる前記第一ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第一ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことが好ましい。また、前記第二ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第二ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことが好ましい。さらに、これらの両方の条件を満たすことがより好ましい。   The difference in solubility parameter between the first polymer block component and the first inorganic precursor used in the present invention is preferably smaller than the difference in solubility parameter between the first polymer block component and the second inorganic precursor. . The difference in solubility parameter between the second polymer block component and the second inorganic precursor is preferably smaller than the difference in solubility parameter between the second polymer block component and the first inorganic precursor. Furthermore, it is more preferable to satisfy both of these conditions.

さらに、本発明において用いる前記第一無機前駆体は前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2超であることが好ましい。また、前記第二無機前駆体は前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2超であることが好ましい。さらに、これらの両方の条件を満たすことがより好ましい。 Furthermore, the first inorganic precursor used in the present invention preferably has a solubility parameter difference of more than 2 (cal / cm 3 ) 1/2 with respect to the second polymer block component. The second inorganic precursor preferably has a solubility parameter difference of more than 2 (cal / cm 3 ) 1/2 with respect to the first polymer block component. Furthermore, it is more preferable to satisfy both of these conditions.

このような条件を満たす第一無機前駆体と第二無機前駆体とを組み合わせて用いることにより、後述するナノ相分離構造体を形成する工程において、第一ポリマーブロック成分中に不純物として第二無機前駆体の一部が、また、第二ポリマーブロック成分中に不純物として第一無機前駆体の一部が導入されてしまうことがより確実に防止される傾向にあり、得られるナノヘテロ構造体におけるマトリックスを構成する無機成分の純度および/またはマトリックス中に配置される無機成分の純度がより向上する傾向にある。   By using the first inorganic precursor and the second inorganic precursor that satisfy such conditions in combination, in the step of forming a nanophase separation structure described later, the second inorganic precursor as an impurity in the first polymer block component There is a tendency that a part of the precursor and a part of the first inorganic precursor are introduced as impurities into the second polymer block component more reliably, and the resulting matrix in the nanoheterostructure There is a tendency that the purity of the inorganic component constituting and / or the purity of the inorganic component arranged in the matrix is further improved.

このような条件を満たす第一および第二ポリマーブロック成分と第一および第二無機前駆体との組み合わせとしては、第一ポリマーブロック成分がポリスチレン成分、ポリイソプレン成分およびポリブタジエン成分からなる群から選択される少なくとも1種の極性の小さいポリマーブロック成分であり、第二ポリマーブロック成分がポリメチルメタクリレート成分、ポリエチレンオキシド成分、ポリビニルピリジン成分およびポリアクリル酸成分からなる群から選択される少なくとも1種の極性の大きいポリマーブロック成分であり、第一無機前駆体が前記有機金属化合物および前記有機半金属化合物からなる群から選択される少なくとも1種の極性の小さい無機前駆体であり、第二無機前駆体が前記金属または前記半金属の塩、前記金属または前記半金属を含む炭素数1〜4のアルコキシド、ならびに前記金属または前記半金属のアセチルアセトナート錯体からなる群から選択される少なくとも1種の極性の大きい無機前駆体である組み合わせが好ましい。   As a combination of the first and second polymer block components and the first and second inorganic precursors satisfying such conditions, the first polymer block component is selected from the group consisting of a polystyrene component, a polyisoprene component and a polybutadiene component. At least one polar polymer block component having at least one polar selected from the group consisting of a polymethyl methacrylate component, a polyethylene oxide component, a polyvinyl pyridine component, and a polyacrylic acid component. A large polymer block component, wherein the first inorganic precursor is at least one small polar inorganic precursor selected from the group consisting of the organometallic compound and the organometallic compound, and the second inorganic precursor is the Metal or metal salt, metal Preferred combinations are a great inorganic precursor of at least one polar selected from the group consisting of the 1 to 4 carbon atoms containing a semimetal alkoxide, and the metal or the semimetal acetylacetonato complex.

また、前記第一無機前駆体および前記第二無機前駆体のうちの少なくとも一方(より好ましくは両方)は、用いる溶媒との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下であることが好ましい。このような条件を満たす第一無機前駆体および/または第二無機前駆体を用いることにより、溶媒に無機前駆体がより確実に溶解し、後述するナノ相分離構造体を形成する工程においてポリマーブロック成分中に無機前駆体がより確実に導入される傾向にある。 In addition, at least one (more preferably both) of the first inorganic precursor and the second inorganic precursor has a solubility parameter difference of 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less with the solvent used. It is preferable. By using the first inorganic precursor and / or the second inorganic precursor satisfying such conditions, the inorganic precursor is more reliably dissolved in the solvent, and the polymer block is formed in the step of forming the nanophase separation structure described later. Inorganic precursors tend to be more reliably introduced into the components.

さらに、得られる原料溶液における溶質(ブロックコポリマー、第一無機前駆体および第二無機前駆体)の割合は特に限定されないが、原料溶液の全量を100質量%としたときに、溶質の合計量を0.1〜30質量%程度とすることが好ましく、0.5〜10質量%とすることがより好ましい。また、ブロックコポリマーに対する第一および第二無機前駆体の使用量を調整することにより、各ポリマーブロック成分に導入される各無機前駆体の量が調整されるため、得られるナノヘテロ構造体におけるp型半導体材料とn型半導体材料との比率やこれらの構造スケール(柱や層などのサイズや間隔)などを所望の程度とすることができる。   Furthermore, the ratio of the solute (block copolymer, first inorganic precursor and second inorganic precursor) in the obtained raw material solution is not particularly limited, but when the total amount of the raw material solution is 100% by mass, the total amount of the solute is It is preferable to set it as about 0.1-30 mass%, and it is more preferable to set it as 0.5-10 mass%. Moreover, since the quantity of each inorganic precursor introduce | transduced into each polymer block component is adjusted by adjusting the usage-amount of the 1st and 2nd inorganic precursor with respect to a block copolymer, p-type in the obtained nanoheterostructure The ratio between the semiconductor material and the n-type semiconductor material, the structural scale thereof (size and spacing of columns, layers, etc.) can be set to a desired level.

[第二の工程:ナノヘテロ構造体形成工程]
この工程は、以下に詳述する相分離処理と変換処理と除去処理とを含み、p型半導体材料とn型半導体材料とからなるナノヘテロ構造体を、p型半導体層およびn型半導体層のうちの一方の半導体層上に形成せしめる工程である。
[Second step: Nanoheterostructure formation step]
This step includes a phase separation process, a conversion process, and a removal process, which will be described in detail below. A nanoheterostructure composed of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material is converted into a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. This is a step of forming on one of the semiconductor layers.

先ず、前記第一の工程において調製された原料溶液は、ブロックコポリマー、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体を含むものであるが、本発明においては、前記第一ポリマーブロック成分とp型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの一方である第一無機前駆体と、前記第二ポリマーブロック成分と前記前駆体のうちの他方である第二無機前駆体とをそれぞれ組み合わせて用い、さらには、前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下である第一無機前駆体と、前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下である第二無機前駆体とを組み合わせて用いることが好ましい。これにより、第一無機前駆体および第二無機前駆体はそれぞれ第一ポリマーブロック成分中および第二ポリマーブロック成分中に十分に導入された状態で存在する。そのため、ブロックコポリマーの自己組織化によりナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理により、第一無機前駆体が導入された第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と第二無機前駆体が導入された第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相とが規則的に配置し、ナノ相分離構造を柱状構造、ジャイロイド状構造または層状構造とすることによって前記無機前駆体は三次元的にナノスケールの周期性をもって配置される。 First, the raw material solution prepared in the first step includes a block copolymer, a p-type semiconductor material precursor, and an n-type semiconductor material precursor. In the present invention, the first polymer block component and the p-type are used. A first inorganic precursor that is one of a semiconductor material precursor and an n-type semiconductor material precursor, and a second inorganic precursor that is the other of the second polymer block component and the precursor, respectively. Used, and further, the difference in solubility parameter between the first polymer block component and the first polymer block component is less than 2 (cal / cm 3 ) 1/2 and the second polymer block component. Is preferably used in combination with a second inorganic precursor having 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less. Thereby, a 1st inorganic precursor and a 2nd inorganic precursor exist in the state fully introduced in the 1st polymer block component and the 2nd polymer block component, respectively. Therefore, the first polymer phase consisting of the first polymer block component introduced with the first inorganic precursor and the second inorganic precursor are introduced by a phase separation process that forms a nanophase separation structure by self-organization of the block copolymer. The inorganic precursor is three-dimensionally arranged by regularly arranging the second polymer phase composed of the second polymer block component, and forming the nanophase separation structure into a columnar structure, a gyroidal structure, or a layered structure. Arranged with periodicity of scale.

このような相分離処理としては、特に限定されないが、用いるブロックコポリマーのガラス転移点以上の温度で熱処理することにより、ブロックコポリマーは自己組織化され、相分離構造が得られる。   Such a phase separation treatment is not particularly limited, but the block copolymer is self-assembled by heat treatment at a temperature higher than the glass transition point of the block copolymer to be used, and a phase separation structure is obtained.

次に、本発明においては、相分離処理により形成されたナノ相分離構造体に対して、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とが施される。係る変換処理により前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめると共に、係る除去処理によりブロックコポリマーを除去することによって、ナノ相分離構造の種類(形状)に応じてp型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に他方の無機成分が柱状、ジャイロイド状または層状といった形状で三次元的に特定のナノスケールの周期性をもって配置されたナノヘテロ構造体が得られる。   Next, in the present invention, the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor are converted into a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively, with respect to the nanophase-separated structure formed by the phase separation process. And a removal treatment for removing the block copolymer from the nanophase separation structure. The p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor are converted into a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively, by the conversion process, and the block copolymer is removed by the removal process, thereby nanophase separation. Depending on the type (shape) of the structure, the other inorganic component is three-dimensionally specified in the shape of one of the inorganic components of the p-type semiconductor material and n-type semiconductor material in the form of a column, gyroid, or layer. Nano-heterostructures arranged with nano-scale periodicity are obtained.

このような変換処理としては、前記無機前駆体が前記無機成分に変換される温度以上で加熱して無機成分に変換する工程であってもよいし、前記無機前駆体を加水分解するとともに脱水縮合させて無機成分に変換する工程であってもよい。   Such conversion treatment may be a step of converting the inorganic precursor to an inorganic component by heating at a temperature at which the inorganic precursor is converted to the inorganic component, or dehydrating and condensing the inorganic precursor. It may be a step of converting into an inorganic component.

また、除去処理としては、ブロックコポリマーが分解する温度以上で熱処理(焼成)することによってブロックコポリマーを分解する工程であってもよいが、溶媒によりブロックコポリマーを溶解して除去する工程や、紫外線などの光照射によりブロックコポリマーを分解する工程であってもよい。   The removal treatment may be a step of decomposing the block copolymer by heat treatment (baking) at a temperature higher than the temperature at which the block copolymer decomposes, but a step of dissolving and removing the block copolymer with a solvent, ultraviolet light, etc. It may be a step of decomposing the block copolymer by light irradiation.

さらに、本発明における前記第二の工程においては、前記第一の工程において調製された原料溶液に対してブロックコポリマーが分解する温度以上で熱処理(焼成)を施すことによって、前記相分離処理、前記変換処理および前記除去処理を一度の熱処理で行うことができる。このように一度の熱処理により前記相分離処理、前記変換処理および前記除去処理を完結させるためには、用いるブロックコポリマーや無機前駆体の種類によっても異なるが、300〜1200℃(より好ましくは400〜900℃)で0.1〜50時間程度の熱処理を施すことが好ましい。   Furthermore, in the second step of the present invention, the phase separation treatment, the heat treatment (calcination) is performed on the raw material solution prepared in the first step at a temperature higher than the temperature at which the block copolymer decomposes, The conversion process and the removal process can be performed by a single heat treatment. As described above, in order to complete the phase separation process, the conversion process, and the removal process by a single heat treatment, the temperature varies from 300 to 1200 ° C. (more preferably from 400 to 1200 ° C.) depending on the type of block copolymer and inorganic precursor used. 900 ° C.) for about 0.1 to 50 hours.

このような熱処理は、不活性ガス雰囲気(例えば、窒素ガスなど)中、酸化ガス雰囲気(例えば、空気など)中、あるいは還元ガス雰囲気(例えば、水素など)中で行なってもよい。不活性ガス雰囲気中で無機前駆体を無機成分に変換せしめると共にブロックコポリマーを除去することにより、ナノスケールの三次元的周期構造がより確実に維持される傾向にある。また、酸化ガス雰囲気中で無機前駆体を無機成分に変換せしめることにより、金属または半金属の酸化物からなるp型半導体材料およびn型半導体材料を備えるナノヘテロ構造体を得ることができる。さらに、還元ガス雰囲気中で無機前駆体を無機成分に変換せしめることにより、金属または半金属からなるp型半導体材料およびn型半導体材料を備えるナノヘテロ構造体を得ることができる。このような不活性ガス雰囲気中、酸化ガス雰囲気中、あるいは還元ガス雰囲気中での熱処理の条件は特に制限されないが、300〜1200℃(より好ましくは400〜900℃)で0.1〜50時間程度の処理が好ましい。   Such heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere (eg, nitrogen gas), in an oxidizing gas atmosphere (eg, air), or in a reducing gas atmosphere (eg, hydrogen). By converting the inorganic precursor into an inorganic component and removing the block copolymer in an inert gas atmosphere, the nanoscale three-dimensional periodic structure tends to be more reliably maintained. In addition, by converting an inorganic precursor into an inorganic component in an oxidizing gas atmosphere, a nanoheterostructure including a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material made of a metal or metalloid oxide can be obtained. Furthermore, by converting an inorganic precursor into an inorganic component in a reducing gas atmosphere, a nanoheterostructure including a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material made of a metal or a semimetal can be obtained. The heat treatment conditions in such an inert gas atmosphere, oxidizing gas atmosphere, or reducing gas atmosphere are not particularly limited, but are 300 to 1200 ° C. (more preferably 400 to 900 ° C.) for 0.1 to 50 hours. A degree of treatment is preferred.

また、前記熱処理の後あるいは前記熱処理の際に、それぞれ公知の方法により、アルゴン雰囲気などを用いて無機成分を炭化せしめる処理、アンモニア雰囲気などを用いて無機成分を窒化せしめる処理、炭化ホウ素含有雰囲気などを用いて無機成分を硼化せしめる処理などを更に施すようにしてもよい。   Further, after the heat treatment or during the heat treatment, by a known method, a treatment for carbonizing an inorganic component using an argon atmosphere or the like, a treatment for nitriding an inorganic component using an ammonia atmosphere or the like, a boron carbide-containing atmosphere, or the like A treatment for boriding an inorganic component may be further performed by using.

本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法においては、このようにして得られるナノヘテロ構造体を、p型半導体層およびn型半導体層のうちの一方である第一半導体層上に形成せしめる。このとき、ナノヘテロ構造体中のp型半導体材料とn型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記第一半導体層の表面に接触するように、ナノヘテロ構造体を第一半導体層上に形成せしめることが好ましく、場合によっては、形成せしめる必要がある。すなわち、ジャイロイド状構造のナノヘテロ構造体については特に制限はないが、柱状構造または層状構造のナノヘテロ構造体については、少なくとも、柱状部の長軸や層状部の界面が第一半導体層の表面に対して平行にならないように形成せしめる必要がある。また、柱状構造または層状構造のナノヘテロ構造体については、前記pn接合面が第一半導体層の表面に対して垂直となるように、第一半導体層上に形成せしめることがより好ましい。   In the manufacturing method of the nanoheterostructure pn junction element of the present invention, the nanoheterostructure obtained in this way is formed on the first semiconductor layer which is one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. At this time, the nanoheterostructure is formed into the first semiconductor so that the end of the pn junction surface formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure is in contact with the surface of the first semiconductor layer. It is preferable to form it on a layer, and in some cases, it is necessary to form it. That is, there is no particular limitation on the nanoheterostructure having a gyroidal structure, but at least the major axis of the columnar part or the interface of the layered part is on the surface of the first semiconductor layer for the nanoheterostructure having a columnar structure or a layered structure. It is necessary to form it so that it does not become parallel to it. Further, it is more preferable that the nano-heterostructure having a columnar structure or a layered structure is formed on the first semiconductor layer so that the pn junction surface is perpendicular to the surface of the first semiconductor layer.

前記ナノヘテロ構造体を第一半導体層上に形成せしめる方法としては、(i)予め、前記相分離処理、前記変換処理および前記除去処理を行なって本発明にかかるナノヘテロ構造体を作製し、得られたナノヘテロ構造体を第一半導体層上に積層する方法、(ii)第一半導体層の表面に前記原料溶液を塗布して前記原料溶液からなる層を形成せしめた後、前記相分離処理、前記変換処理および前記除去処理を行なって第一半導体層上に本発明にかかるナノヘテロ構造体を直接形成せしめる方法、などが挙げられる。これらのうち、ナノヘテロ構造体と第一半導体層との密着性の観点から、方法(ii)が好ましい。また、原料溶液の塗布方法としては、ハケ塗り、スプレー法、ディッピング法、スピン法、カーテンフロー法などが挙げられる。   As a method of forming the nanoheterostructure on the first semiconductor layer, (i) a nanoheterostructure according to the present invention is obtained by performing the phase separation process, the conversion process, and the removal process in advance. And (ii) applying the raw material solution on the surface of the first semiconductor layer to form a layer made of the raw material solution, and then performing the phase separation treatment, Examples include a method of directly forming the nanoheterostructure according to the present invention on the first semiconductor layer by performing the conversion treatment and the removal treatment. Among these, the method (ii) is preferable from the viewpoint of adhesion between the nanoheterostructure and the first semiconductor layer. Examples of the method for applying the raw material solution include brushing, spraying, dipping, spin, and curtain flow.

また、柱状構造または層状構造のナノヘテロ構造体を形成せしめる場合、前記方法(i)においては、柱状部や層状部の端面が表面に露出し且つ柱状部の長軸や層状部の界面が表面に対して垂直となっているナノヘテロ構造体を作製し、このナノヘテロ構造体を第一半導体層上に積層することが好ましい。また、前記方法(ii)においては、前記原料溶液からなる層の上面を、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの少なくとも一方の無機前駆体に対する良溶媒の蒸気に曝露しながら、前記相分離処理を施すことが好ましい。これらの方法により、ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面を第一半導体層の表面に対して垂直な方向に形成せしめることができる。前記良溶媒としては、前記原料溶液の溶媒として例示したものが挙げられる。また、前記良溶媒の蒸気に曝露する際の温度としては、前記原料溶液中の溶媒の沸点以下の温度が好ましい。曝露温度が前記上限を超えると、溶媒の揮発が速くなり、前記pn接合面を第一半導体層の表面に対して垂直な方向に形成しにくくなる傾向にある。   In the case of forming a columnar or layered nanoheterostructure, in the method (i), the end surfaces of the columnar part and the layered part are exposed on the surface, and the long axis of the columnar part and the interface of the layered part are on the surface. It is preferable to produce a nanoheterostructure that is perpendicular to the first semiconductor layer and to stack the nanoheterostructure on the first semiconductor layer. In the method (ii), the upper surface of the layer made of the raw material solution is exposed to a vapor of a good solvent for at least one of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor. However, it is preferable to perform the phase separation treatment. By these methods, the pn junction surface in the nanoheterostructure can be formed in a direction perpendicular to the surface of the first semiconductor layer. Examples of the good solvent include those exemplified as the solvent for the raw material solution. Moreover, as temperature at the time of exposing to the vapor | steam of the said good solvent, the temperature below the boiling point of the solvent in the said raw material solution is preferable. When the exposure temperature exceeds the upper limit, the volatilization of the solvent is accelerated, and it tends to be difficult to form the pn junction surface in a direction perpendicular to the surface of the first semiconductor layer.

本発明に用いられる前記第一半導体層は、第一半導体層そのものが基板であってもよいし、基板上に形成されているものであってもよい。第一半導体層が基板上に形成されている場合、その基板としては特に制限はないが、例えば、AU電極基板などの金属電極基板、ITO電極基板などの透明電極基板といった各種電極基板を使用することができる。このような基板上に第一半導体層を形成する方法としては特に制限はなく、例えば、化学気相蒸着法(CVD法)、有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線エピタキシャル法(MBE法)など公知の製膜方法が挙げられる。   In the first semiconductor layer used in the present invention, the first semiconductor layer itself may be a substrate or may be formed on the substrate. When the first semiconductor layer is formed on the substrate, the substrate is not particularly limited. For example, various electrode substrates such as a metal electrode substrate such as an AU electrode substrate and a transparent electrode substrate such as an ITO electrode substrate are used. be able to. A method for forming the first semiconductor layer on such a substrate is not particularly limited. For example, chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE) And other known film forming methods.

[第三の工程:半導体層形成工程]
この工程は、前記ナノヘテロ構造体上に、p型半導体層およびn型半導体層のうちの他方である第二半導体層を形成せしめる工程である。
[Third step: semiconductor layer forming step]
This step is a step of forming a second semiconductor layer which is the other of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer on the nanoheterostructure.

前記第二の工程で形成せしめたナノヘテロ構造体上に前記第二半導体層を形成せしめることによって、前記ナノヘテロ構造体がp型半導体層とn型半導体層とによって挟持された本発明のナノヘテロ構造pn接合素子を得ることができる。このとき、ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面の端部が前記第二半導体層の表面に接触するように、第二半導体層をナノヘテロ構造体上に形成せしめることが好ましく、場合によっては、形成せしめる必要がある。すなわち、ジャイロイド状構造のナノヘテロ構造体については特に制限はないが、柱状構造または層状構造のナノヘテロ構造体上には、少なくとも、柱状部の長軸や層状部の界面が第二半導体層の表面に対して平行にならないように、前記第二半導体層を形成せしめる必要がある。また、柱状構造または層状構造のナノヘテロ構造体上には、前記pn接合面が第二半導体層の表面に対して垂直となるように、第二半導体層を形成せしめることがより好ましい。   The nanoheterostructure pn of the present invention in which the nanoheterostructure is sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer by forming the second semiconductor layer on the nanoheterostructure formed in the second step. A junction element can be obtained. At this time, it is preferable to form the second semiconductor layer on the nanoheterostructure so that the end of the pn junction surface in the nanoheterostructure is in contact with the surface of the second semiconductor layer. It is necessary to show them. That is, there is no particular limitation on the nanoheterostructure having a gyroidal structure, but on the nanoheterostructure having a columnar structure or a layered structure, at least the major axis of the columnar section or the interface of the layered section is the surface of the second semiconductor layer. Therefore, it is necessary to form the second semiconductor layer so as not to be parallel to each other. More preferably, the second semiconductor layer is formed on the columnar or layered nanoheterostructure so that the pn junction surface is perpendicular to the surface of the second semiconductor layer.

ナノヘテロ構造体上に第二半導体層を形成せしめる方法としては特に制限はないが、前記ナノヘテロ構造体の表面に化学気相蒸着法(CVD法)、有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線エピタキシャル法(MBE法)などの公知の製膜方法を用いて第二半導体層を形成せしめることが好ましい。   The method for forming the second semiconductor layer on the nanoheterostructure is not particularly limited, but chemical vapor deposition (CVD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular on the surface of the nanoheterostructure is not limited. It is preferable to form the second semiconductor layer using a known film forming method such as a line epitaxial method (MBE method).

また、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法においては、さらに、前記第一および第二半導体層上に公知の方法により電極を形成することが好ましい。このような電極としては、Au電極などの金属電極、ITO電極などの透明電極が挙げられる。   In the method for producing a nano-heterostructure pn junction element of the present invention, it is further preferable to form electrodes on the first and second semiconductor layers by a known method. Examples of such electrodes include metal electrodes such as Au electrodes and transparent electrodes such as ITO electrodes.

以下、実施例および比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
ブロックコポリマーとしてポリスチレン−b−ポリ(4−ビニルピリジン)(PS−b−P4VP、PS成分の数平均分子量:80×10、P4VP成分の数平均分子量:42×10)10gと、p型半導体材料前駆体であるMg−GaN前駆体(Mg前駆体およびGa前駆体)としてアセチルアセトナートマグネシウム(Mg(acac))0.2mgおよびアセチルアセトナートガリウム(Ga(acac))8.8gと、n型半導体材料前駆体であるSi−GaN前駆体(Si前駆体およびGa前駆体)としてフェニルシラン(PhSiH)0.3mgおよびトリスジメチルアミノガリウム(Ga(N(CH)9.6gとを1000mLのトルエンに溶解し、原料溶液を得た。
Example 1
10 g of polystyrene-b-poly (4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP, number average molecular weight of PS component: 80 × 10 3 , number average molecular weight of P4VP component: 42 × 10 3 ) as a block copolymer, p-type 0.2 mg of acetylacetonate magnesium (Mg (acac) 2 ) and 8.8 g of acetylacetonate gallium (Ga (acac) 3 ) as Mg-GaN precursors (Mg precursor and Ga precursor) which are semiconductor material precursors And 0.3 mg of phenylsilane (PhSiH 3 ) and trisdimethylaminogallium (Ga (N (CH 3 ) 2 ) 3 as Si-GaN precursors (Si precursor and Ga precursor) which are n-type semiconductor material precursors 9.6 g was dissolved in 1000 mL of toluene to obtain a raw material solution.

次に、n型半導体層であるn−Si−GaN基板(SiをドープしたGaN基板、厚み:1.2μm)の表面に、得られた原料溶液を熱処理後の厚みが0.8μmとなるように塗布した後、トルエン蒸気の存在下、50℃で20時間保持して前記半導体材料前駆体を前記n型半導体層に対して垂直に配向させた。その後、アンモニア気流下、650℃で5時間熱処理することによって、前記n型半導体層上に無機構造体を作製した。なお、前記n型半導体層と無機構造体との接触面積は25mmであった。 Next, on the surface of an n-Si-GaN substrate (Si-doped GaN substrate, thickness: 1.2 μm) which is an n-type semiconductor layer, the thickness of the obtained raw material solution after heat treatment becomes 0.8 μm. Then, the semiconductor material precursor was oriented perpendicular to the n-type semiconductor layer by holding at 50 ° C. for 20 hours in the presence of toluene vapor. Then, the inorganic structure was produced on the said n-type semiconductor layer by heat-processing at 650 degreeC under ammonia stream for 5 hours. The contact area between the n-type semiconductor layer and the inorganic structure was 25 mm 2 .

得られた無機構造体を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察したところ、図7に示すように、n型半導体材料であるn−Si−GaN(SiをドープしたGaN)マトリックス中に、p型半導体材料である柱状のp−Mg−GaN(MgをドープしたGaN)が三次元的且つ周期的に配置しているナノヘテロ構造体(1)であることが確認された。また、ナノヘテロ構造体(1)中のpn接合面がn型半導体層(3)の表面に対して垂直に形成されていることも確認された。なお、図7中の黒色部分(n)がn−Si−GaNマトリックスであり、白色部分(p)が柱状p−Mg−GaNである。 When the obtained inorganic structure was observed using a transmission electron microscope (TEM), as shown in FIG. 7, in an n-Si-GaN (Si-doped GaN) matrix that is an n-type semiconductor material, It was confirmed that the columnar p-Mg-GaN (GaN doped with Mg), which is a p-type semiconductor material, is a nanoheterostructure (1) in which three-dimensionally and periodically arranged. It was also confirmed that the pn junction surface in the nanoheterostructure (1) was formed perpendicular to the surface of the n-type semiconductor layer (3). Incidentally, the black portions in FIG. 7 (n C) is n-Si-GaN matrix white part (p C) is a columnar p-Mg-GaN.

また、得られた無機構造体について小角X線回折測定装置(リガク社製、商品名:NANO−Viewer)を用いて小角X線回折パターンを測定したところ、周期構造の間隔(d)は32nmであり、柱状構造に特徴的な回折ピークパターン(ピーク位置の回折スペクトルの大きさ(q)の比)が確認された。   Moreover, when the small-angle X-ray diffraction pattern was measured about the obtained inorganic structure using the small-angle X-ray-diffraction measuring apparatus (Rigaku company make, brand name: NANO-Viewer), the space | interval (d) of a periodic structure is 32 nm. In addition, a diffraction peak pattern (ratio of diffraction spectrum size (q) at the peak position) characteristic to the columnar structure was confirmed.

次に、このナノヘテロ構造体の表面にCVD法によりp型半導体層としてp−Mg−GaN層(MgをドープしたGaN層)を厚みが1.2μmとなるように作製し、ナノヘテロ構造pn接合素子を得た。このナノヘテロ構造pn接合素子のp型半導体層上およびn型半導体層上にCVD法によりAu電極パッドを形成し、図5に示すナノヘテロ構造pn接合素子(発光ダイオード)を作製した。得られた発光ダイオードに50mAの順方向電流を印加したところ、発光出力は2.5mWであった。   Next, a p-Mg-GaN layer (a GaN layer doped with Mg) is formed as a p-type semiconductor layer on the surface of the nanoheterostructure by a CVD method so as to have a thickness of 1.2 μm. A nanoheterostructure pn junction element Got. Au electrode pads were formed by CVD on the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer of the nanoheterostructure pn junction element, and the nanoheterostructure pn junction element (light emitting diode) shown in FIG. 5 was produced. When a forward current of 50 mA was applied to the obtained light emitting diode, the light emission output was 2.5 mW.

(実施例2)
ブロックコポリマーとして、PS成分の数平均分子量が100×10であり、P4VP成分の数平均分子量が103×10であるPS−b−P4VPを10g使用し、Mg−GaN前駆体として、Mg(acac)を0.4mgおよびGa(acac)を17.5g使用した以外は、実施例1と同様にしてn型半導体層(n−Si−GaN基板、厚み:1.2μm)上に無機構造体(厚み:0.6μm、n型半導体層との接触面積:25mm)を作製した。
(Example 2)
As the block copolymer, 10 g of PS-b-P4VP in which the number average molecular weight of the PS component is 100 × 10 3 and the number average molecular weight of the P4VP component is 103 × 10 3 is used, and Mg (GaN) is used as the Mg-GaN precursor. In the same manner as in Example 1 except that 0.4 mg of acac) 2 and 17.5 g of Ga (acac) 3 were used, an inorganic layer was formed on the n-type semiconductor layer (n-Si-GaN substrate, thickness: 1.2 μm). A structure (thickness: 0.6 μm, contact area with the n-type semiconductor layer: 25 mm 2 ) was produced.

得られた無機構造体を実施例1と同様に透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察したところ、図8に示すように、n型半導体材料であるn−Si−GaN(SiをドープしたGaN)とp型半導体材料であるp−Mg−GaN(MgをドープしたGaN)とが交互に周期的に配置して多層構造を形成しているナノヘテロ構造体(1)であることが確認された。また、ナノヘテロ構造体(1)中のpn接合面がn型半導体層(3)の表面に対して垂直に形成されていることも確認された。なお、図8中の黒色部分(n)が層状n−Si−GaNであり、白色部分(p)が層状p−Mg−GaNである。 When the obtained inorganic structure was observed using a transmission electron microscope (TEM) similarly to Example 1, as shown in FIG. 8, n-Si-GaN (Si-doped n-type semiconductor material) was used. GaN) and p-Mg-GaN (GaN doped with Mg), which is a p-type semiconductor material, are periodically and alternately arranged to form a nanoheterostructure (1) forming a multilayer structure. It was. It was also confirmed that the pn junction surface in the nanoheterostructure (1) was formed perpendicular to the surface of the n-type semiconductor layer (3). Incidentally, the black portions in FIG. 8 (n L) is a layered n-Si-GaN, white part (p L) is a layered p-Mg-GaN.

また、得られた無機構造体について実施例1と同様に小角X線回折パターンを測定したところ、周期構造の間隔(d)は24nmであり、層状構造に特徴的な回折ピークパターン(ピーク位置の回折スペクトルの大きさ(q)の比)が確認された。   Further, when the small-angle X-ray diffraction pattern of the obtained inorganic structure was measured in the same manner as in Example 1, the interval (d) of the periodic structure was 24 nm, and a diffraction peak pattern characteristic of the layered structure (the peak position) The ratio of the size (q) of the diffraction spectrum was confirmed.

次に、このナノヘテロ構造体の表面に実施例1と同様にしてp型半導体層としてp−Mg−GaN層(厚み:1.2μm)を作製し、さらに電極パッドを形成して、図5に示す発光ダイオードを作製した。得られた発光ダイオードに実施例1と同様に50mAの順方向電流を印加したところ、発光出力は2.1mWであった。   Next, a p-Mg-GaN layer (thickness: 1.2 μm) was produced as a p-type semiconductor layer on the surface of the nanoheterostructure in the same manner as in Example 1, and an electrode pad was further formed. The light emitting diode shown was made. When a forward current of 50 mA was applied to the obtained light emitting diode in the same manner as in Example 1, the light emission output was 2.1 mW.

(比較例1)
n型半導体層(n−Si−GaN基板、厚み:1.2μm)の表面に、n型半導体材料としてn−Si−GaNフィルム(SiをドープしたGaNフィルム、キャリア濃度:1.6×1018cm−3、面積:25mm、厚み:0.3μm)を積層し、さらにp型半導体材料としてp−Mg−GaNフィルム(MgをドープしたGaNフィルム、キャリア濃度:8.2×1018cm−3、面積:25mm、厚み:0.3μm)を積層した。この積層体の表面に実施例1と同様にしてp型半導体層としてp−Mg−GaN層(厚み:1.2μm)を作製し、さらに電極パッドを形成して図9に示すような発光ダイオードを作製した。得られた発光ダイオードに実施例1と同様に50mAの順方向電流を印加したところ、発光出力は0.7mWであった。
(Comparative Example 1)
On the surface of the n-type semiconductor layer (n-Si-GaN substrate, thickness: 1.2 μm), an n-Si-GaN film (Si-doped GaN film, carrier concentration: 1.6 × 10 18 ) as an n-type semiconductor material. cm −3 , area: 25 mm 2 , thickness: 0.3 μm) and p-Mg-GaN film (Mg-doped GaN film, carrier concentration: 8.2 × 10 18 cm ) as a p-type semiconductor material. 3 , area: 25 mm 2 , thickness: 0.3 μm). A p-Mg-GaN layer (thickness: 1.2 μm) is produced as a p-type semiconductor layer on the surface of the laminate in the same manner as in Example 1, and an electrode pad is formed to form a light emitting diode as shown in FIG. Was made. When a forward current of 50 mA was applied to the obtained light emitting diode in the same manner as in Example 1, the light emission output was 0.7 mW.

以上説明したように、本発明によれば、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に他方の無機成分が所定の形状で三次元的に所定のナノスケールで周期的に配置しているナノヘテロ構造体を、p型半導体層とn型半導体層とによって挟持しているナノヘテロ構造pn接合素子を得ることが可能となる。   As described above, according to the present invention, the other inorganic component is three-dimensionally predetermined in a predetermined shape in a matrix composed of one inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. Thus, it is possible to obtain a nanoheterostructure pn junction element in which the nanoheterostructures periodically arranged in the structure are sandwiched between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer.

そして、このような本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、従来の製造方法では実現することができなかった構造を有するものであり、p型半導体材料とn型半導体材料との組み合わせについて、それらの配置、組成、構造スケールなどを様々に制御したナノヘテロ構造体として得ることが可能である。   Such a nano-heterostructure pn junction element of the present invention has a structure that could not be realized by a conventional manufacturing method, and a combination of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material It is possible to obtain a nanoheterostructure having various arrangements, compositions, structural scales, and the like.

このようなナノヘテロ構造を有するpn接合素子は、従来の単接合のpn接合素子以上の界面増大効果、ナノサイズ効果、耐久性などの飛躍的な向上が発揮され、結果として発光効率などの光電変換特性に優れたものとなる。したがって、本発明のナノヘテロ構造pn接合素子は、発光素子や太陽電池などの光電変換素子、ダイオードやトランジスタなどの整流素子として有用である。   Such a pn junction element having a nano-heterostructure exhibits a dramatic improvement in the interface enhancement effect, nanosize effect, durability, and the like over the conventional single-junction pn junction element, and as a result, photoelectric conversion such as luminous efficiency. Excellent properties. Therefore, the nanoheterostructure pn junction element of the present invention is useful as a photoelectric conversion element such as a light emitting element or a solar cell, and a rectifying element such as a diode or a transistor.

1:ナノヘテロ構造体、1a:マトリックス部、1b:柱状部、1c:層状部、1d:ジャイロイド状部、2:p型半導体層(またはn型半導体層)、3:n型半導体層(またはp型半導体層)、4:電極、5:pn接合層、5a:p型半導体材料(またはn型半導体材料)、5b:n型半導体材料(またはp型半導体材料)、n:柱状n型半導体材料、n:層状n型半導体材料、p:p型半導体材料マトリックス、p:層状p型半導体材料。 1: nanoheterostructure, 1a: matrix part, 1b: columnar part, 1c: layered part, 1d: gyroidal part, 2: p-type semiconductor layer (or n-type semiconductor layer), 3: n-type semiconductor layer (or p-type semiconductor layer), 4: electrode, 5: pn junction layer, 5a: p-type semiconductor material (or n-type semiconductor material), 5b: n-type semiconductor material (or p-type semiconductor material), n C : columnar n-type Semiconductor material, n L : layered n-type semiconductor material, p C : p-type semiconductor material matrix, p L : layered p-type semiconductor material.

Claims (12)

p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に、p型半導体材料およびn型半導体材料のうちの他方の無機成分が、柱状、ジャイロイド状および層状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しており、繰り返し構造の一単位の長さの平均値が1nm〜100nmである三次元的周期構造を有しているナノヘテロ構造体と、p型半導体層と、n型半導体層と、を備えており、
前記ナノヘテロ構造体中の前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の表面と接触するように、前記p型半導体層と前記n型半導体層とが前記ナノヘテロ構造体を挟持していることを特徴とするナノヘテロ構造pn接合素子。
A group consisting of one inorganic component of a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, wherein the other inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material consists of a columnar shape, a gyroid shape, and a layer shape A nano-heterostructure having a three-dimensional periodic structure in which the average value of the length of one unit of the repeating structure is 1 nm to 100 nm, which is three-dimensionally and periodically arranged in a shape selected from , A p-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer,
An end portion of a pn junction surface formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure is at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. The nano-heterostructure pn junction element, wherein the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer sandwich the nanoheterostructure so as to be in contact with the surface.
前記マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状または層状であり、
ナノヘテロ構造中の前記pn接合面が、前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の表面に対して垂直な方向に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のナノヘテロ構造pn接合素子。
The shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is columnar or layered,
2. The pn junction surface in the nanoheterostructure is formed in a direction perpendicular to a surface of at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. A nano-heterostructure pn junction element according to 1.
前記p型半導体層が、前記ナノヘテロ構造体中のp型半導体材料と同種の半導体材料および不純物元素を含有するものであることを特徴とする請求項1または2に記載のナノヘテロ構造pn接合素子。   3. The nanoheterostructure pn junction element according to claim 1, wherein the p-type semiconductor layer contains a semiconductor material and an impurity element of the same type as the p-type semiconductor material in the nanoheterostructure. 前記n型半導体層が、前記ナノヘテロ構造体中のn型半導体材料と同種の半導体材料および不純物を含有するものであることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造pn接合素子。   The said n-type semiconductor layer contains the same kind of semiconductor material and impurity as the n-type semiconductor material in the said nanoheterostructure, The one as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Nano-heterostructure pn junction element. 互いに混和しない少なくとも第一ポリマーブロック成分と第二ポリマーブロック成分とが結合してなるブロックコポリマーと、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの一方である第一無機前駆体と、p型半導体材料前駆体およびn型半導体材料前駆体のうちの他方である第二無機前駆体と、を溶媒に溶解して原料溶液を調製する第一の工程と、
少なくとも、前記第一無機前駆体が導入された前記第一ポリマーブロック成分からなる第一ポリマー相と、前記第二無機前駆体が導入された前記第二ポリマーブロック成分からなる第二ポリマー相と、が自己組織化により規則的に配置したナノ相分離構造体を形成せしめる相分離処理と、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体をそれぞれp型半導体材料およびn型半導体材料に変換せしめる変換処理と、前記ナノ相分離構造体から前記ブロックコポリマーを除去する除去処理とを含み、前記p型半導体材料および前記n型半導体材料のうちの一方の無機成分からなるマトリックス中に前記p型半導体材料および前記n型半導体材料のうちの他方の無機成分が、柱状、ジャイロイド状および層状からなる群から選択される形状で、三次元的且つ周期的に配置しているナノヘテロ構造体を、p型半導体層およびn型半導体層のうちの一方である第一半導体層上に形成せしめる第二の工程と、
前記ナノヘテロ構造体上に、p型半導体層およびn型半導体層のうちの他方である第二半導体層を形成せしめ、前記ナノヘテロ構造体中の前記p型半導体材料と前記n型半導体材料とによって形成されているpn接合面の端部が前記p型半導体層および前記n型半導体層のうちの少なくとも一方の半導体層の面に接触しているナノヘテロ構造pn接合素子を得る第三の工程と、
を含むことを特徴とするナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。
A block copolymer formed by bonding at least a first polymer block component and a second polymer block component that are immiscible with each other; a first inorganic precursor that is one of a p-type semiconductor material precursor and an n-type semiconductor material precursor; A first step of preparing a raw material solution by dissolving a second inorganic precursor that is the other of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor in a solvent;
At least a first polymer phase composed of the first polymer block component introduced with the first inorganic precursor; and a second polymer phase composed of the second polymer block component introduced with the second inorganic precursor; Phase-separation treatment for forming regularly arranged nanophase-separated structures by self-organization, and the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor as a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material, respectively. A conversion process for converting, and a removal process for removing the block copolymer from the nanophase-separated structure, wherein the p is contained in a matrix composed of one inorganic component of the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material. The other inorganic component of the n-type semiconductor material and the n-type semiconductor material is selected from the group consisting of a columnar shape, a gyroidal shape, and a layered shape In Jo, a second step of allowed to form on a nano-hetero structure are arranged three-dimensionally and periodically, p-type semiconductor layer and n-type semiconductor layer while the is first semiconductor layer of,
A second semiconductor layer which is the other of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is formed on the nanoheterostructure, and is formed by the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material in the nanoheterostructure. A third step of obtaining a nano-heterostructure pn junction element in which an end portion of the pn junction surface is in contact with the surface of at least one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer;
The manufacturing method of the nanoheterostructure pn junction element characterized by including this.
前記第二の工程において、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状または層状であるナノヘテロ構造体を、該ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面が前記第一半導体層の表面に対して垂直となるように、前記第一半導体層上に形成せしめることを特徴とする請求項5に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。   In the second step, a nanoheterostructure in which the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is columnar or layered, and the pn junction surface in the nanoheterostructure is the first 6. The method for producing a nanoheterostructure pn junction element according to claim 5, wherein the nanoheterostructure pn junction element is formed on the first semiconductor layer so as to be perpendicular to the surface of the semiconductor layer. 前記第一半導体層上に前記原料溶液からなる層を形成せしめた後、該原料溶液からなる層の上面を、前記p型半導体材料前駆体および前記n型半導体材料前駆体のうちの少なくとも一方の無機前駆体に対する良溶媒の蒸気に曝露しながら前記相分離処理を施すことによって、前記pn接合面を前記第一半導体層の表面に対して垂直方向に形成せしめることを特徴とする請求項6に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。   After forming the layer made of the raw material solution on the first semiconductor layer, the upper surface of the layer made of the raw material solution is formed on at least one of the p-type semiconductor material precursor and the n-type semiconductor material precursor. 7. The pn junction surface is formed in a direction perpendicular to the surface of the first semiconductor layer by performing the phase separation treatment while being exposed to a vapor of a good solvent for the inorganic precursor. A method for producing the described nanoheterostructure pn junction element. 前記第三の工程において、マトリックス中に三次元的且つ周期的に配置している無機成分の形状が柱状または層状であるナノヘテロ構造体上に、該ナノヘテロ構造体中の前記pn接合面が前記第二半導体層の表面に対して垂直となるように、前記第二半導体層を形成せしめることを特徴とする請求項5〜7のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。   In the third step, the pn junction surface in the nanoheterostructure is formed on the nanoheterostructure in which the shape of the inorganic component arranged three-dimensionally and periodically in the matrix is columnar or layered. The method of manufacturing a nanoheterostructure pn junction element according to any one of claims 5 to 7, wherein the second semiconductor layer is formed so as to be perpendicular to the surfaces of the two semiconductor layers. . 前記第一無機前駆体と前記第一ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下であり、前記第二無機前駆体と前記第二ポリマーブロック成分との溶解度パラメータの差が2(cal/cm1/2以下であることを特徴とする請求項5〜8のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。 The difference in solubility parameter between the first inorganic precursor and the first polymer block component is 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less, and the solubility between the second inorganic precursor and the second polymer block component The method for producing a nano-heterostructure pn junction element according to any one of claims 5 to 8, wherein the difference in parameters is 2 (cal / cm 3 ) 1/2 or less. 前記第一ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第一ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことを特徴とする請求項5〜9のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。   The solubility parameter difference between the first polymer block component and the first inorganic precursor is smaller than the solubility parameter difference between the first polymer block component and the second inorganic precursor. The manufacturing method of the nanoheterostructure pn junction element as described in any one of 5-9. 前記第二ポリマーブロック成分と前記第二無機前駆体との溶解度パラメータの差は、前記第二ポリマーブロック成分と前記第一無機前駆体との溶解度パラメータの差よりも小さいことを特徴とする請求項5〜10のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。   The difference in solubility parameter between the second polymer block component and the second inorganic precursor is smaller than the difference in solubility parameter between the second polymer block component and the first inorganic precursor. The manufacturing method of the nanoheterostructure pn junction element as described in any one of 5-10. 前記ブロックコポリマーが、ポリスチレン成分、ポリイソプレン成分およびポリブタジエン成分からなる群から選択される少なくとも1種の第一ポリマーブロック成分と、ポリメチルメタクリレート成分、ポリエチレンオキシド成分、ポリビニルピリジン成分およびポリアクリル酸成分からなる群から選択される少なくとも少なくとも1種の第二ポリマーブロック成分とが結合してなるものであり、
前記第一無機前駆体が、フェニル基、炭素数5以上の長鎖炭化水素鎖、シクロオクタテトラエン環、シクロペンタジエニル環、およびアミノ基からなる群から選択される少なくとも1つの構造を備える、有機金属化合物および有機半金属化合物のうちの少なくとも1種であり、
前記第二無機前駆体が、金属または半金属の塩、金属または半金属を含む炭素数1〜4のアルコキシド、および金属または半金属のアセチルアセトナート錯体からなる群から選択される少なくとも1種である、
ことを特徴とする請求項5〜11のうちのいずれか一項に記載のナノヘテロ構造pn接合素子の製造方法。
The block copolymer comprises at least one first polymer block component selected from the group consisting of a polystyrene component, a polyisoprene component and a polybutadiene component, and a polymethyl methacrylate component, a polyethylene oxide component, a polyvinyl pyridine component and a polyacrylic acid component. And at least one second polymer block component selected from the group consisting of:
The first inorganic precursor has at least one structure selected from the group consisting of a phenyl group, a long hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms, a cyclooctatetraene ring, a cyclopentadienyl ring, and an amino group. , At least one of an organometallic compound and an organometalloid compound,
The second inorganic precursor is at least one selected from the group consisting of metal or metalloid salts, metal or metalloid alkoxides having 1 to 4 carbon atoms, and metal or metalloid acetylacetonate complexes. is there,
The method for producing a nano-heterostructure pn junction element according to any one of claims 5 to 11.
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