JP2015060975A - Quantum dot layer and semiconductor device - Google Patents

Quantum dot layer and semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2015060975A
JP2015060975A JP2013194300A JP2013194300A JP2015060975A JP 2015060975 A JP2015060975 A JP 2015060975A JP 2013194300 A JP2013194300 A JP 2013194300A JP 2013194300 A JP2013194300 A JP 2013194300A JP 2015060975 A JP2015060975 A JP 2015060975A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
particles
quantum dot
particle
dot layer
1abc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013194300A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
昂人 北川
Akihito Kitagawa
昂人 北川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2013194300A priority Critical patent/JP2015060975A/en
Publication of JP2015060975A publication Critical patent/JP2015060975A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum dot layer in which quantum dot particles have high occupancy and which can increase photoelectric conversion efficiency; and provide a semiconductor device using the quantum dot layer.SOLUTION: A quantum layer 1 comprises: a plurality of first particles 1a, 1b, 1c each having a core part and a shell part which surrounds the core part; and a plurality of second particles 3 each having the particle size smaller than that of each or the plurality of first particles 1a, 1b, 1c. The first particles 1a, 1b, 1c are three-dimensionally accumulated so as to contact each other to form a skeleton body 5. The second particles 3 lie among the first particles 1a, 1b, 1c of the skeleton body 5. The quantum dot layer comprises a semiconductor layer which is laminated at least on one principal surface of the quantum dot layer 1 and has a light absorption wavelength different from that of each of the first particles 1a, 1b, 1c and the second particles 3.

Description

本発明は、量子ドット層および半導体装置に関する。   The present invention relates to a quantum dot layer and a semiconductor device.

量子ドットは、ナノサイズの半導体物質からなり、量子閉じ込め効果を示す物質である。このような量子ドットは、励起源から受光してエネルギー励起状態に至ると、自発的に、相当するエネルギーギャップに基づくエネルギーを放出するという機能を有する。   Quantum dots are made of a nano-sized semiconductor material and exhibit a quantum confinement effect. Such a quantum dot has a function of spontaneously releasing energy based on a corresponding energy gap when it receives light from an excitation source and reaches an energy excitation state.

量子ドットのこのような機能を利用することによって太陽電池や半導体レーザ等に代表される光デバイスの光電変換効率を高めることができると考えられている。   It is considered that the photoelectric conversion efficiency of an optical device typified by a solar cell or a semiconductor laser can be increased by using such a function of the quantum dot.

近年、例えば、量子ドットを近接かつ周期的に配列させることによって、量子ドットのバンド構造における価電子帯と伝導帯との間に中間バンドを形成し、量子ドット間を電子的に結合させる方式(以下、中間バンド方式という。)が見いだされている。中間バンド方式の場合、波長の違いに起因する光のエネルギーの違いによって、バンド構造における電子の遷移域(価電子帯、中間バンド、伝導帯)が異なってくることから、これを利用することによって幅広い波長を利用することが可能となる(例えば、非特許文献1を参照)。   In recent years, for example, by arranging quantum dots closely and periodically, an intermediate band is formed between the valence band and the conduction band in the band structure of the quantum dots, and the quantum dots are electronically coupled ( Hereinafter, the intermediate band method) has been found. In the case of the intermediate band method, the transition region (valence band, intermediate band, conduction band) of electrons in the band structure varies depending on the difference in light energy due to the difference in wavelength. A wide range of wavelengths can be used (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、中間バンド方式に適した量子ドットとして、例えば、特許文献1には、量子ドットをコア部とし、このコア部を取り巻くシェル部に、量子ドットよりもエネルギーギャップの大きい障壁層を配置させた、いわゆるコアシェル構造の量子ドット粒子が提案されている。   Moreover, as a quantum dot suitable for the intermediate band method, for example, in Patent Document 1, a quantum dot is used as a core part, and a barrier layer having a larger energy gap than the quantum dot is arranged in a shell part surrounding the core part. So-called core-shell structure quantum dot particles have been proposed.

図3(a)は、従来の量子ドット層を示す、外観模式図であり、(b)は、(a)の外観模式図をA方向から見たときの透視図、(c)は(a)の外観模式図をB方向から見た透視図である。なお、図3(b)(c)では、量子ドット粒子を単純な円の透視図で示しているが、これは、便宜上、各層の量子ドット粒子101a、101b、101cの配置が重なった位置においても分かるようにしたものである。   FIG. 3A is a schematic external view illustrating a conventional quantum dot layer, FIG. 3B is a perspective view of the external schematic view of FIG. 3A viewed from the direction A, and FIG. It is the perspective view which looked at the external appearance schematic diagram of B) from the B direction. In FIGS. 3B and 3C, the quantum dot particles are shown in a simple perspective view of a circle, but for convenience, this is at a position where the arrangement of the quantum dot particles 101a, 101b, 101c in each layer overlaps. It is also made to understand.

図3(a)に示している量子ドット層101は、上述したコアシェル構造の量子ドット粒子が体心立方型で充填されている状態を示すものであり、図3(b)において、上層の量子ドット粒子101aと下層の量子ドット粒子101cとはちょうど球の中心が一致するように重なっている。一方、中層の量子ドット粒子101bは、下層に配置された量子ドット粒子101cのくぼみの位置に乗るように配置されている。   A quantum dot layer 101 shown in FIG. 3A shows a state in which the above-described core-shell structure quantum dot particles are filled in a body-centered cubic shape, and in FIG. The dot particles 101a and the underlying quantum dot particles 101c overlap so that the centers of the spheres coincide. On the other hand, the quantum dot particles 101b in the middle layer are arranged so as to ride on the indentation positions of the quantum dot particles 101c arranged in the lower layer.

この場合、図3(a)(b)および(c)に示すような従来構造の量子ドット層101では、量子ドット粒子101a、101b、101c(以下、101abcと記す場合がある。)は、形状が略球形状であり、また、サイズもほぼ均一であることから、量子ドット層101内には、量子ドット粒子101abcの無い隙間103の部分が多く、量子ドット粒子101abcの体積占有率の低さから、依然として、光電変換効率を高められないという問題がある。   In this case, in the quantum dot layer 101 having the conventional structure as shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, the quantum dot particles 101a, 101b, and 101c (hereinafter sometimes referred to as 101abc) are shaped. Is substantially spherical and has a substantially uniform size, the quantum dot layer 101 has many gaps 103 without the quantum dot particles 101abc, and the volume occupancy of the quantum dot particles 101abc is low. Therefore, there is still a problem that the photoelectric conversion efficiency cannot be increased.

岡田、「もっと知りたい太陽電池/第7回 量子ドット型」,『NIKKEI MICRODEVICES』、pp71−77、2008年10月号Okada, “Solar Cells I Want to Know More / 7th Quantum Dot Type”, “NIKKEI MICRODEVICES”, pp 71-77, October 2008 issue

特開2011−100779号公報JP 2011-1000077 A

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、量子ドット粒子の占有率が高く、光電変換効率を高めることが可能な量子ドット層およびこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a quantum dot layer that has a high occupation rate of quantum dot particles and can increase photoelectric conversion efficiency, and a semiconductor device using the quantum dot layer. With the goal.

本発明の量子ドット層は、コア部、および該コア部を取り巻くシェル部を有した複数の第1粒子と、該第1粒子よりも粒子径の小さい複数の第2粒子と、を備え、前記第1粒子は、互いに接するように立体的に積み重ねられて骨格体を形成しており、前記第2粒子は、前記骨格体の前記第1粒子間に位置することを特徴とする。   The quantum dot layer of the present invention comprises a plurality of first particles having a core part and a shell part surrounding the core part, and a plurality of second particles having a particle diameter smaller than the first particle, The first particles are three-dimensionally stacked to be in contact with each other to form a skeleton, and the second particles are located between the first particles of the skeleton.

本発明の半導体装置は、上記量子ドット層の少なくとも一方の主面に、前記第1粒子および前記第2粒子とは光の吸収波長の異なる半導体層が積層されていることを特徴とする。   The semiconductor device of the present invention is characterized in that a semiconductor layer having a light absorption wavelength different from that of the first particles and the second particles is laminated on at least one main surface of the quantum dot layer.

本発明によれば、量子ドット粒子の占有率が高く、光電変換効率を高めることが可能な量子ドット層およびこれを用いた半導体装置を得ることできる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the quantum dot layer which has a high occupation rate of quantum dot particle | grains, and can improve a photoelectric conversion efficiency, and a semiconductor device using the same can be obtained.

(a)は、本発明の量子ドット層の一実施形態を示す外観模式図であり、(b)は、(a)の外観模式図をA方向から見たときの透視図、(c)は(a)の外観模式図をB方向から見た透視図である。(A) is an external appearance schematic diagram which shows one Embodiment of the quantum dot layer of this invention, (b) is a perspective view when the external appearance schematic diagram of (a) is seen from A direction, (c) is It is the perspective view which looked at the external appearance schematic diagram of (a) from the B direction. 本発明の半導体装置の一実施形態を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one Embodiment of the semiconductor device of this invention. (a)は、従来の量子ドット層を示す外観模式図であり、(b)は、(a)の外観模式図をA方向から見たときの透視図、(c)は(a)の外観模式図をB方向から見た透視図である。(A) is the external appearance schematic diagram which shows the conventional quantum dot layer, (b) is a perspective view when the external appearance schematic diagram of (a) is seen from the A direction, and (c) is the external appearance of (a). It is the perspective view which looked at the schematic diagram from the B direction.

図1(a)は、本発明の量子ドット層の一実施形態を示す外観模式図であり、(b)は、(a)の外観模式図をA方向から見たときの透視図、(c)は(a)の外観模式図をB方向から見た透視図である。なお、図1(b)(c)では、第1粒子1a、1b、1c(以下、1abcと記す場合がある。)を単純な円の透視図で示しているが、これは、便宜上、第1粒子1abcの配置が重なった位置においても分かるようにしたものである。また、図1(a)(b)(c)では、第1粒子1abcおよび第2粒子3の層数を3層、列数を3列と単純化して示しているが、実際には、第1粒子1abcおよび第2粒子3の層数および列数は数十にも及ぶものとなっている。   FIG. 1A is a schematic external view showing an embodiment of the quantum dot layer of the present invention, and FIG. 1B is a perspective view of the external schematic view of FIG. ) Is a perspective view of the schematic external view of FIG. In FIGS. 1B and 1C, the first particles 1a, 1b, and 1c (hereinafter sometimes referred to as 1abc) are shown in a simple circular perspective view. It is also made to be understood at a position where the arrangement of one particle 1abc overlaps. Further, in FIGS. 1A, 1B, and 1C, the number of layers of the first particle 1abc and the second particle 3 is simplified to 3 layers, and the number of columns is 3 rows. The number of layers and the number of rows of one particle 1abc and the second particle 3 are several tens.

本実施形態の量子ドット層1は、複数の第1粒子1abcと、第1粒子1abcよりも粒子径の小さい複数の第2粒子3と、を量子ドット粒子として備えたものである。また、第1粒子1abcは互いに接するように立体的に積み重ねられて骨格体5を形成しており、第2粒子3は骨格体5の第1粒子1abc間に位置するように配置されている。この場合、第1粒子1abcは、コア部とこれを取り巻くシェル部とから構成されるコアシェル構造を有するものとなっている。   The quantum dot layer 1 of this embodiment includes a plurality of first particles 1abc and a plurality of second particles 3 having a particle diameter smaller than that of the first particles 1abc as quantum dot particles. The first particles 1 abc are three-dimensionally stacked so as to be in contact with each other to form the skeleton 5, and the second particles 3 are arranged so as to be positioned between the first particles 1 abc of the skeleton 5. In this case, the first particle 1abc has a core-shell structure including a core part and a shell part surrounding the core part.

本実施形態の量子ドット層1によれば、骨格体5を形成する第1粒子1abcの隙間2に、第1粒子1abcよりも粒子径の小さい第2粒子3が配置されているために、量子ドット層1内において、量子ドット粒子である第1粒子1abcの体積占有率を高めることができる。   According to the quantum dot layer 1 of the present embodiment, since the second particles 3 having a particle diameter smaller than that of the first particles 1abc are arranged in the gaps 2 of the first particles 1abc forming the skeleton 5, In the dot layer 1, the volume occupation rate of the 1st particle | grains 1abc which are quantum dot particles can be raised.

本実施形態の量子ドット層1では、図1(a)(b)(c)に示しているように、粒子径の大きい第1粒子1abcは互いに接するように配置されていることから、井戸型ポテンシャルの中間バンドをほぼ連続的に形成できる。これにより第1粒子1abc内では、生成するキャリア(電子)を価電子帯から伝導帯、価電子帯から中間バンドおよび中間バンドから伝導帯の3つの遷移領域にそれぞれ励起させることができる。   In the quantum dot layer 1 of this embodiment, as shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C, the first particles 1abc having a large particle diameter are arranged so as to be in contact with each other. An intermediate band of potential can be formed almost continuously. Thus, in the first particle 1abc, the generated carriers (electrons) can be excited in the three transition regions from the valence band to the conduction band, from the valence band to the intermediate band, and from the intermediate band to the conduction band.

これに加えて、本実施形態の量子ドット層1では、中間バンドを形成する第1粒子1abcの骨格体5の中に第1粒子1abcよりも粒子径の小さい第2粒子3が第1粒子1abcに隔てられるように存在している。   In addition, in the quantum dot layer 1 of the present embodiment, the second particles 3 having a particle diameter smaller than that of the first particles 1abc are included in the skeleton 5 of the first particles 1abc forming the intermediate band. It exists to be separated.

この場合、第2粒子3は第1粒子1abcに比べて粒子径が小さいために、第1粒子1abcよりも深い井戸型のポテンシャルを持つバンド構造を持つものとなる。このため、第2粒子3の場合には、上述した第1粒子1abcによって形成される中間バンドよりも高いエネルギーの光を吸収できる。   In this case, since the second particle 3 has a smaller particle diameter than the first particle 1abc, the second particle 3 has a band structure having a well-type potential deeper than that of the first particle 1abc. For this reason, in the case of the 2nd particle | grains 3, it can absorb the light of energy higher than the intermediate | middle band formed with the 1st particle | grains 1abc mentioned above.

すなわち、本実施形態の量子ドット層1では、第1粒子1abcによって形成される中間バンドによるキャリアの励起に加えて、第2粒子3によって形成される深い井戸型ポテンシャルによるキャリアの励起を起こすことができることから、図3(a)(b)(c)に示した従来構造の量子ドット層101に比較して、より幅広い波長を利用することのできる量子ドット層1となり、その結果、高い光電変換効率を得ることのできるものとなる。   That is, in the quantum dot layer 1 of the present embodiment, in addition to the carrier excitation by the intermediate band formed by the first particle 1 abc, the carrier excitation by the deep well type potential formed by the second particle 3 may occur. Therefore, compared to the quantum dot layer 101 having the conventional structure shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, the quantum dot layer 1 can use a wider wavelength, and as a result, high photoelectric conversion is achieved. Efficiency can be obtained.

なお、図1(a)(b)(c)では、骨格体5を形作っている第1粒子1abcの充填構造を体心立方型で示している。本実施形態の量子ドット層1はこれに限らず、粒子径の大きい第1粒子1abcの隙間2に、これよりも粒子径の小さい第2粒子3が収まるような充填構造であれば、第1粒子1abcおよび第2粒子3が規則的に並んでいない構造でも同様の効果を発揮できるが、骨格体5の構造が六方最密充填型や立方最密充填型であると骨格体5における第1粒子1abcの体積占有率をさらに高められることから、光電変換効率をより高めることができる。   1A, 1B, and 1C, the filling structure of the first particles 1abc forming the skeleton 5 is shown in a body-centered cubic shape. The quantum dot layer 1 of the present embodiment is not limited to this, and the first structure has a filling structure in which the second particles 3 having a smaller particle diameter can be accommodated in the gaps 2 between the first particles 1abc having the larger particle diameter. The same effect can be exhibited even in a structure in which the particles 1abc and the second particles 3 are not regularly arranged. However, if the structure of the skeleton 5 is a hexagonal close-packed type or a cubic close-packed type, the first in the skeleton 5 Since the volume occupancy of the particles 1abc can be further increased, the photoelectric conversion efficiency can be further increased.

この場合、本実施形態の量子ドット層1では、第1粒子1abcの半径をrとしたときに、第2粒子の半径rがr×{(√2)−1}以下(r≦r×{(√2)−1}の関係)であることが望ましい。量子ドット層1の骨格体5を形成している第1粒子1abc間に配置される第2粒子3の半径が第1粒子1abcの半径との関係で上記の範囲であると、図1(b)(c)に示しているように、第2粒子3は第1粒子1abcの隙間に収まる状態となるために、第2粒子3の周囲にある複数の第1粒子1abc同士の接点を増やすことができる。その結果、第1粒子1abcの中間バンドの連続性をさらに高めることができ、これにより量子ドット層1の光電変換効率をさらに向上させることができる。 In this case, in the quantum dot layer 1 of the present embodiment, when the radius of the first particle 1 abc is r 1 , the radius r 2 of the second particle is r × {(√2) −1} or less (r 2 ≦ r 1 × {(√2) −1} relationship). When the radius of the second particle 3 arranged between the first particles 1abc forming the skeleton 5 of the quantum dot layer 1 is within the above range in relation to the radius of the first particle 1abc, FIG. ) As shown in (c), the second particles 3 are placed in the gaps between the first particles 1abc, so that the number of contact points between the plurality of first particles 1abc around the second particles 3 is increased. Can do. As a result, the continuity of the intermediate band of the first particle 1abc can be further increased, and thereby the photoelectric conversion efficiency of the quantum dot layer 1 can be further improved.

本実施形態の量子ドット層1では、第1粒子1abcおよび第2粒子3のそれぞれの中心点が格子状に並ぶように配置されていることが望ましい。   In the quantum dot layer 1 of the present embodiment, it is desirable that the center points of the first particles 1abc and the second particles 3 are arranged in a lattice pattern.

図1(b)(c)に点線で示しているように、量子ドット層1の内部において、第1粒子1abcおよび第2粒子3のそれぞれの中心点が格子状に並ぶように配置されていると
、第1粒子1abcおよび第2粒子3によって形成されるバンドの幅やポテンシャルの高さがより規則的なものとなり、波動関数のコヒーレント長が長くなり、これによりキャリア(電子)の平均自由行程をより長くすることができる。こうして量子ドット層1からより多くの電荷を取り出すことができるようになることから、電力利得をさらに向上させることが可能になる。
As shown by dotted lines in FIGS. 1B and 1C, the center points of the first particles 1 abc and the second particles 3 are arranged in a lattice pattern inside the quantum dot layer 1. Then, the band width and potential height formed by the first particle 1abc and the second particle 3 become more regular, and the coherent length of the wave function becomes longer, thereby the mean free path of carriers (electrons). Can be made longer. In this way, it becomes possible to extract more charges from the quantum dot layer 1, so that the power gain can be further improved.

この場合、第1粒子1abcおよび第2粒子3のそれぞれの中心点が格子状に並ぶ状態というのは、例えば、第1粒子1abcが10個以上並んで見える領域(断面視した領域)において、第1粒子1abcの中心点を結ぶ直線を引いたときに、60%以上の個数割合で、第1粒子1abcの全体がその直線上に載っている状態をいう。この状態は第2粒子3についても同様である。ここで、第1粒子1abcの中心点とは、第1粒子1abcを量子ドット層1の断面に露出させたときに、第1粒子1abcの最長径と最短径とがほぼ直角に交差する点とする。   In this case, the state in which the center points of the first particle 1abc and the second particle 3 are arranged in a lattice form means that, for example, in the region where the ten or more first particles 1abc can be seen side by side (region viewed in cross section). When a straight line connecting the center points of one particle 1abc is drawn, the first particle 1abc is entirely placed on the straight line at a number ratio of 60% or more. This state is the same for the second particles 3. Here, the center point of the first particle 1abc is a point where the longest diameter and the shortest diameter of the first particle 1abc intersect at a substantially right angle when the first particle 1abc is exposed to the cross section of the quantum dot layer 1. To do.

本実施形態の量子ドット層1を構成する第1粒子1abcは、上述のようにコアシェル構造を有するものであるが、この場合、コア部はバンドギャップ(Eg)が0.10〜3.00evの半導体粒子が好適であり、周期表の12族元素、13族元素、14族元素、15族元素および16族元素から選択される少なくとも1種の元素を主成分とするものであることが望ましい。具体的には、例えば、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、鉛(Pb)、テルル(Te)およびセレン(Se)から選ばれる少なくとも1種の半導体材料を用いることが好ましい。また、量子ドットであるコア部を取り巻く障壁層となるシェル部のバンドギャップはコア部を構成する半導体粒子のバンドギャップの1.5倍から2.3倍であることが望ましい。   The first particles 1abc constituting the quantum dot layer 1 of the present embodiment have a core-shell structure as described above. In this case, the core portion has a band gap (Eg) of 0.10 to 3.00 ev. Semiconductor particles are preferable, and it is desirable that the semiconductor particles contain at least one element selected from Group 12 element, Group 13 element, Group 14 element, Group 15 element and Group 16 element of the periodic table as a main component. Specifically, for example, germanium (Ge), silicon (Si), gallium (Ga), indium (In), arsenic (As), antimony (Sb), lead (Pb), tellurium (Te) and selenium (Se) It is preferable to use at least one semiconductor material selected from Moreover, it is desirable that the band gap of the shell portion serving as a barrier layer surrounding the core portion which is a quantum dot is 1.5 to 2.3 times the band gap of the semiconductor particles constituting the core portion.

また、第2粒子3も半導体粒子をコア部とし、障壁層がシェル部としてコア部を取り巻くコアシェル構造であることが望ましい。   The second particles 3 preferably have a core-shell structure in which the semiconductor particles are used as a core portion and the barrier layer is used as a shell portion to surround the core portion.

第1粒子1abcおよび第2粒子3がいずれもコアシェル構造を有するものであると、量子ドットである半導体粒子の周囲にほぼ均一な厚みで障壁層を有するものとなるために、第1粒子1abcおよび第2粒子3のそれぞれで全方向に向けて同じような波動関数を形成することができる。その結果、キャリア(電子、ホール)の伝導特性に異方性の少ない量子ドット層1を形成することが可能となり、光の照射方向に依存し難く、電力利得の高い量子ドット層1を得ることが可能になる。   When both the first particle 1abc and the second particle 3 have a core-shell structure, the first particle 1abc and the second particle 3 have a barrier layer with a substantially uniform thickness around the semiconductor particles that are quantum dots. A similar wave function can be formed in each of the second particles 3 in all directions. As a result, it is possible to form the quantum dot layer 1 with little anisotropy in the conduction characteristics of carriers (electrons, holes), and to obtain the quantum dot layer 1 having a high power gain, hardly depending on the light irradiation direction Is possible.

この場合、シェル部である障壁層がコア部の半導体粒子と同じ陽イオン(元素)で形成され、障壁層が半導体粒子よりも多くの酸素を含むような構造のものを適用することも可能である。   In this case, it is also possible to apply a structure in which the barrier layer that is the shell part is formed of the same cations (elements) as the semiconductor particles in the core part, and the barrier layer contains more oxygen than the semiconductor particles. is there.

本実施形態の量子ドット層1を構成する第1粒子1abcのサイズは、例えば、最大径が3nm〜20nmであることが望ましく、また、粒子径のばらつきは10%以内であることが望ましい。第1粒子1abcの最大径および粒径のばらつきが上記範囲であると、第1粒子1abcを積層して量子ドット層1を形成したときに、複数の第1粒子1abc間にキャリア(電子)の規則的な長周期構造が形成されやすくなり、これにより連続したバンド構造を形成することが可能となる。このとき、シェル部である障壁層の平均厚みは1〜3nmであることが望ましい。   As for the size of the first particle 1abc constituting the quantum dot layer 1 of the present embodiment, for example, the maximum diameter is desirably 3 nm to 20 nm, and the variation of the particle diameter is desirably within 10%. When the maximum particle diameter and the variation in particle diameter of the first particle 1abc are in the above ranges, when the quantum dot layer 1 is formed by stacking the first particles 1abc, carriers (electrons) are scattered between the plurality of first particles 1abc. It becomes easy to form a regular long-period structure, and this makes it possible to form a continuous band structure. At this time, it is desirable that the average thickness of the barrier layer as the shell portion is 1 to 3 nm.

ここで、量子ドット層1を構成する第1粒子1abcおよび第2粒子3の配置やサイズ(最長径)ならびに体積占有率は、例えば、量子ドット層1を有するデバイスの断面を透過電子顕微鏡により観察して得られる写真から求める。なお、ここでの体積占有率は量子
ドット層1の断面における面積占有率で置き換えるものとする。
Here, the arrangement and size (longest diameter) and volume occupancy of the first particle 1abc and the second particle 3 constituting the quantum dot layer 1 are observed, for example, by observing a cross section of the device having the quantum dot layer 1 with a transmission electron microscope. It asks from the photograph obtained by doing. The volume occupancy here is replaced with the area occupancy in the cross section of the quantum dot layer 1.

図2は、本発明の半導体装置の一実施形態を示す断面模式図である。本実施形態の半導体装置は、上記の量子ドット層1の少なくとも一方の主面に、第1粒子1abcおよび第2粒子3とは光の吸収波長の異なる半導体層が積層されていることを特徴とするものであり、より詳細には、以下に示す多層構造の半導体装置を一例として挙げることができる。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the semiconductor device of the present invention. The semiconductor device of this embodiment is characterized in that a semiconductor layer having a light absorption wavelength different from that of the first particle 1 abc and the second particle 3 is laminated on at least one main surface of the quantum dot layer 1. More specifically, a semiconductor device having a multilayer structure shown below can be given as an example.

すなわち、本実施形態の半導体装置は、いわゆるpin構造の半導体装置であり、下層側の基板11上に、p側電極13、第1の半導体層15であるp型半導体膜、多数の量子ドット層1を有する光検知層17、第2の半導体層19であるn型半導体層膜およびn側電極21が、この順に積層された構成を有する。   That is, the semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device having a so-called pin structure. On the lower substrate 11, the p-side electrode 13, the p-type semiconductor film as the first semiconductor layer 15, and a number of quantum dot layers. 1, the n-type semiconductor layer film that is the second semiconductor layer 19, and the n-side electrode 21 are stacked in this order.

基板11としては、光透過性であることが望ましく、例えば、ガラス基板やセラミック基板などの無機材料からなる基板の他に、ポリカーボネート(polycarbonate)、ポリエ
チレンテレフタレート(polyethylene terephthalate)などの有機樹脂製の基板も用いることができる。
The substrate 11 is preferably light transmissive, for example, in addition to a substrate made of an inorganic material such as a glass substrate or a ceramic substrate, a substrate made of an organic resin such as polycarbonate or polyethylene terephthalate. Can also be used.

p側電極13としては、例えば、アルミニウム(Al)が好適であるが、この他に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、白金(Pt)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)などの金属材料またはこれらの合金を用いることもできる。   As the p-side electrode 13, for example, aluminum (Al) is suitable, but besides this, nickel (Ni), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), gold (Au), copper ( A metal material such as Cu), molybdenum (Mo), titanium (Ti), tantalum (Ta), or an alloy thereof can also be used.

n側電極21としては、太陽光を透過できるような透過性を有する電極材料が好適であり、例えば、インジウムを添加した酸化錫(ITO:Indium Tin Oxide)を適用することが望ましい。この他に、フッ素をドープした酸化錫(FTO)、酸化インジウム(IO)、酸化錫
(SnO2)など他の導電性の金属酸化物を用いることも可能である。
As the n-side electrode 21, an electrode material having transparency that can transmit sunlight is suitable. For example, it is desirable to apply indium tin oxide (ITO) to which indium is added. In addition, other conductive metal oxides such as tin oxide (FTO) doped with fluorine, indium oxide (IO), and tin oxide (SnO 2 ) can also be used.

第1の半導体層15であるp型半導体膜としては、周期表13〜16族に示されている元素(例えば、Ga、In、Si、Ge、P、Asなど)に対して、原子価の低い元素をドープした
半導体材料が用いられる。
The p-type semiconductor film that is the first semiconductor layer 15 has an atomic valence with respect to an element (for example, Ga, In, Si, Ge, P, As, etc.) shown in the periodic table group 13-16. A semiconductor material doped with a low element is used.

第2の半導体層19であるn型半導体膜としては、上記した、周期表13〜16族に示されている元素に対して、原子価の高い元素をドープした半導体材料が用いられる。   As the n-type semiconductor film that is the second semiconductor layer 19, a semiconductor material doped with an element having a high valence with respect to the elements shown in the groups 13 to 16 of the periodic table is used.

このようにそれぞれの半導体膜に対し、異なる原子価の元素をドープすることによって、第1の半導体層15および第2の半導体層19は伝導性のキャリアを有するものとなる。   As described above, by doping the respective semiconductor films with elements having different valences, the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer 19 have conductive carriers.

光検知層17は、光電変換機能を示す材料によって形成されており、上記した量子ドット層1が多層化された構成となっている。   The light detection layer 17 is formed of a material exhibiting a photoelectric conversion function, and has a configuration in which the quantum dot layer 1 described above is multilayered.

このため本実施形態の半導体装置によれば、量子ドット層1中における量子ドット粒子の体積占有率が高く、中間バンド方式の量子ドットに加えて、深い井戸型のポテンシャルを持つバンド構造を持つものとすることができ、これにより、幅広い波長を利用できる光検知層17を得ることができる。   Therefore, according to the semiconductor device of the present embodiment, the volume occupancy rate of the quantum dot particles in the quantum dot layer 1 is high, and has a band structure having a deep well type potential in addition to the intermediate band type quantum dots. Thus, the photodetecting layer 17 that can use a wide range of wavelengths can be obtained.

次に、本実施形態の量子ドット層およびこれを用いた半導体装置を製造する方法について説明する。本実施形態における量子ドットである第1粒子1abcおよび第2粒子3はは、例えば、上述した半導体材料を含む金属化合物の溶液からバイオミネラリゼーションにより金属成分を析出させる方法により得ることができる。   Next, a method for manufacturing the quantum dot layer of the present embodiment and a semiconductor device using the quantum dot layer will be described. The 1st particle 1abc and the 2nd particle 3 which are the quantum dots in this embodiment can be obtained by the method of depositing a metal component by the biomineralization from the solution of the metal compound containing the semiconductor material mentioned above, for example.

まず、上述した半導体粒子を主成分とする金属化合物と溶媒とフェリチンとを準備し、加熱しながら混合して半導体粒子を合成する。金属化合物としては、Siを含む化合物の例として、例えば、ケイ酸ナトリウム、ヘキサフルオロケイ酸塩、有機シラン等から選ばれる1種を用いる。一方、フェリチンとしてはアポフェリチン(ウマ脾臓由来)溶液を準備し、これに上記のSiを含む化合物を添加する。ここでpHは7〜10程度であるのがよい。   First, a metal compound containing the above-described semiconductor particles as a main component, a solvent, and ferritin are prepared and mixed while heating to synthesize semiconductor particles. As an example of a compound containing Si, for example, one kind selected from sodium silicate, hexafluorosilicate, organosilane, and the like is used as the metal compound. On the other hand, an apoferritin (horse spleen-derived) solution is prepared as ferritin, and the above-mentioned compound containing Si is added thereto. Here, the pH is preferably about 7 to 10.

次に、アポフェリチン(ウマ脾臓由来)溶液にSiを含む化合物を分散させておいて、フェリチンの内壁にSiを金属として付着させる。フェリチンはタンパク質であることからバイオ的なサイズの制御が可能となり、そのサイズはフェリチンの内部空間の容積に制限されるため、球形状に近い粒子の合成も可能であり、また、粒径のばらつきの小さいものを得ることができる。   Next, a compound containing Si is dispersed in an apoferritin (horse spleen-derived) solution, and Si is adhered to the inner wall of ferritin as a metal. Since ferritin is a protein, it is possible to control the bio-size, and because the size is limited by the volume of the internal space of ferritin, it is possible to synthesize particles that are close to a spherical shape, and the variation in particle size You can get a small one.

次に、合成した半導体粒子をフェリチン内から取り出す。この場合、例えば、フェリチン溶液にアルカリ水溶液を加えて、溶液のpHを10以上とし、フェリチンを溶解させることにより行う。   Next, the synthesized semiconductor particles are taken out from the ferritin. In this case, for example, an alkaline aqueous solution is added to the ferritin solution so that the pH of the solution is 10 or more and ferritin is dissolved.

このとき、第1粒子1abcに比べてサイズの小さい第2粒子3は、例えば、第1粒子1abcを過酸化水素を含む水溶液中に投入し、溶液中の第1粒子1abcに向けて、特定波長の光を照射して溶解させる方法によって微粒化を図る。この場合、光源としては、波長300〜900nmの光を照射することのできる水銀電球またはキセノン電球等を用いる。   At this time, the second particle 3 having a smaller size than the first particle 1abc is, for example, put the first particle 1abc into an aqueous solution containing hydrogen peroxide and has a specific wavelength toward the first particle 1abc in the solution. Atomization is achieved by a method of dissolving by irradiating light. In this case, a mercury light bulb or a xenon light bulb that can emit light having a wavelength of 300 to 900 nm is used as the light source.

次に、得られた半導体粒子(第1粒子1abc、第2粒子3)を所定の割合になるように混合して溶媒中に分散させてスラリーを作製する。溶媒としては、水または水とアセトニトリル等との水溶性有機溶媒の混合物などの水性溶媒が好ましい。   Next, the obtained semiconductor particles (first particles 1abc, second particles 3) are mixed at a predetermined ratio and dispersed in a solvent to prepare a slurry. The solvent is preferably an aqueous solvent such as water or a mixture of water-soluble organic solvents such as water and acetonitrile.

次に、半導体粒子を含むスラリー中に、予め、p側電極13およびp型半導体膜(第1の半導体層15)を形成しておいた基板11を浸漬して引き上げる方法(引上げ速度:5〜10μm/sec.)によって、基板1のp型半導体膜の表面に半導体粒子(量子ドットD)を堆積させる。引上げ速度を上記の範囲にすることによって、基板1を引き上げる際に形成される量子ドット層1(光検知層17)を構成する半導体粒子(第1粒子1abc、第2粒子3)の分散性が向上し、第1粒子1abcおよび第2粒子3が図1(a)(b)(c)に示すように配置した構造を有する膜が形成される。   Next, a method of immersing and pulling up the substrate 11 on which the p-side electrode 13 and the p-type semiconductor film (first semiconductor layer 15) have been formed in advance in a slurry containing semiconductor particles (pulling speed: 5 to 5). 10 μm / sec.), Semiconductor particles (quantum dots D) are deposited on the surface of the p-type semiconductor film of the substrate 1. By setting the pulling speed within the above range, the dispersibility of the semiconductor particles (first particles 1abc and second particles 3) constituting the quantum dot layer 1 (photodetection layer 17) formed when the substrate 1 is pulled up is improved. As a result, a film having a structure in which the first particles 1abc and the second particles 3 are arranged as shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C is formed.

なお、第1粒子1abcおよび第2粒子3の充填構造を体心立方充填型、六方最密充填型および立方最密充填型等にする場合には、第1粒子1abcおよび第2粒子3を1層ずつ交互に成膜する方法を用いるのが良い。   When the filling structure of the first particle 1abc and the second particle 3 is a body-centered cubic filling type, a hexagonal closest packing type, a cubic closest packing type, or the like, the first particle 1abc and the second particle 3 are set to 1 It is preferable to use a method of alternately forming layers.

次に、半導体粒子(第1粒子1abc、第2粒子3)を堆積させた基板11をアルゴンまたは窒素などの不活性ガス中、又は、水素を含む還元ガス中にて、300〜600℃の温度に加熱して半導体粒子を焼結させる。この場合、半導体粒子の表面に形成された酸化膜がマトリックスまたはシェル部(障壁層)となる。   Next, the substrate 11 on which semiconductor particles (first particles 1abc and second particles 3) are deposited is heated to 300 to 600 ° C. in an inert gas such as argon or nitrogen or in a reducing gas containing hydrogen. To sinter the semiconductor particles. In this case, the oxide film formed on the surface of the semiconductor particles becomes a matrix or a shell part (barrier layer).

次に、光検知層17の表面に第2の半導体層19としてn型半導体膜を形成する。このときn型半導体膜は光検知層17の表面形状に沿うように形成される。成膜には、先に形成した光検知層17を破壊し難いという理由から、スパッタ法、分子線エピタキシ法、レーザーアブレーション法などの物理的方法を用いるのが良い。   Next, an n-type semiconductor film is formed as the second semiconductor layer 19 on the surface of the light detection layer 17. At this time, the n-type semiconductor film is formed along the surface shape of the light detection layer 17. For film formation, it is preferable to use a physical method such as sputtering, molecular beam epitaxy, or laser ablation because it is difficult to break the previously formed photodetection layer 17.

次に、n型半導体19の表面にn側電極21を形成(成膜)する。こうして本実施形態の半導体装置が得られる。   Next, the n-side electrode 21 is formed (film formation) on the surface of the n-type semiconductor 19. Thus, the semiconductor device of this embodiment is obtained.

1・・・・・・・・・・・・・・・量子ドット層
1a、1b、1c(1abc)・・・第1粒子
2・・・・・・・・・・・・・・・隙間
3・・・・・・・・・・・・・・・第2粒子
5・・・・・・・・・・・・・・・骨格体
11・・・・・・・・・・・・・・基板
13・・・・・・・・・・・・・・p側電極
15・・・・・・・・・・・・・・第1の半導体層(p型半導体膜)
17・・・・・・・・・・・・・・光検知層
19・・・・・・・・・・・・・・第2の半導体層(n型半導体層膜)
21・・・・・・・・・・・・・・n側電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Quantum dot layer 1a, 1b, 1c (1abc) ... 1st particle | grains 2 ....... gap 3 ... 2nd particle 5 ... Skeletal body 11 ... .. substrate 13... P-side electrode 15...
17 ..... Photodetection layer 19 ........... Second semiconductor layer (n-type semiconductor layer film)
21 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ n-side electrode

Claims (5)

コア部、および該コア部を取り巻くシェル部を有した複数の第1粒子と、
該第1粒子よりも粒子径の小さい複数の第2粒子と、を備え、
前記第1粒子は、互いに接するように立体的に積み重ねられて骨格体を形成しており、
前記第2粒子は、前記骨格体の前記第1粒子間に位置することを特徴とする量子ドット層。
A plurality of first particles having a core portion and a shell portion surrounding the core portion;
A plurality of second particles having a particle diameter smaller than that of the first particles,
The first particles are three-dimensionally stacked to contact each other to form a skeleton body,
The quantum dot layer, wherein the second particles are located between the first particles of the skeleton.
前記第1粒子の半径をrとしたときに、前記第2粒子の半径rは、r×{(√2)−1}以下であることを特徴とする請求項1に記載の量子ドット層。 Wherein the radius of the first particles when the r 1, the radius r 2 of the second particles, quantum of claim 1, characterized in that at most r 1 × {(√2) -1 } Dot layer. 前記第1粒子および前記第2粒子は、それぞれの中心点が格子状に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の量子ドット層。   3. The quantum dot layer according to claim 1, wherein the first particles and the second particles are arranged so that their center points are arranged in a lattice pattern. 4. 前記第1粒子および前記第2粒子は、粒子径のばらつきが、それぞれ10%以内であることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の量子ドット層。   The quantum dot layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the first particles and the second particles each have a particle size variation of 10% or less. 請求項1乃至4のうちいずれかに記載の量子ドット層の少なくとも一方の主面に、前記第1粒子および前記第2粒子とは光の吸収波長の異なる半導体層が積層されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer having a light absorption wavelength different from that of the first particles and the second particles is laminated on at least one main surface of the quantum dot layer according to any one of claims 1 to 4. A semiconductor device.
JP2013194300A 2013-09-19 2013-09-19 Quantum dot layer and semiconductor device Pending JP2015060975A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013194300A JP2015060975A (en) 2013-09-19 2013-09-19 Quantum dot layer and semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013194300A JP2015060975A (en) 2013-09-19 2013-09-19 Quantum dot layer and semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015060975A true JP2015060975A (en) 2015-03-30

Family

ID=52818257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013194300A Pending JP2015060975A (en) 2013-09-19 2013-09-19 Quantum dot layer and semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015060975A (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011049489A (en) * 2009-08-28 2011-03-10 V Technology Co Ltd Semiconductor device, and method of manufacturing the same
JP2011100779A (en) * 2009-11-04 2011-05-19 V Technology Co Ltd Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2013046008A (en) * 2011-08-26 2013-03-04 Fujifilm Corp Quantum dot structure, wavelength conversion element, light-to-light converter and photoelectric converter
WO2013058051A1 (en) * 2011-10-20 2013-04-25 国立大学法人東京大学 Solar battery

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011049489A (en) * 2009-08-28 2011-03-10 V Technology Co Ltd Semiconductor device, and method of manufacturing the same
JP2011100779A (en) * 2009-11-04 2011-05-19 V Technology Co Ltd Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2013046008A (en) * 2011-08-26 2013-03-04 Fujifilm Corp Quantum dot structure, wavelength conversion element, light-to-light converter and photoelectric converter
WO2013058051A1 (en) * 2011-10-20 2013-04-25 国立大学法人東京大学 Solar battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ai et al. Plasmonic–perovskite solar cells, light emitters, and sensors
JP5687765B2 (en) Solar cell
JP5423952B2 (en) Photoelectric conversion device and electronic device
TWI431784B (en) Method and structure for thin film photovoltaic materials using semiconductor materials
TW200845404A (en) Photovoltaic cell and method of making thereof
US20100243020A1 (en) Hybrid structures for solar energy capture
JP2015502658A (en) Devices, systems, and methods for electromagnetic energy collection
TW200849613A (en) Photovoltaic cell with reduced hot-carrier cooling
TW200919751A (en) Distributed coax photovoltaic device
JP2010118491A (en) Photoelectric conversion device, and electronic apparatus
Caliskan et al. Enhancing solar water splitting of textured BiVO4 by dual effect of a plasmonic silver nanoshell: plasmon-induced light absorption and enhanced hole transport
WO2020202736A1 (en) Optical device, photoelectric conversion device, and fuel-generating apparatus
JP6255417B2 (en) Photoelectric conversion device
JP2015060975A (en) Quantum dot layer and semiconductor device
JP2012114378A (en) Photoelectric conversion device
JP5664416B2 (en) Silicon quantum dot device and manufacturing method thereof
TW201133879A (en) Solar battery unit
Beard et al. Quantum confined semiconductors for enhancing solar photoconversion through multiple exciton generation
JP6239830B2 (en) Solar cell
JP6336731B2 (en) Solar cell
JP6175293B2 (en) Quantum dot particles and semiconductor device using the same
JP2014165198A (en) Solar battery
JP5586049B2 (en) Solar cell
JP2015122388A (en) Quantum dot complex, quantum dot film and solar battery
JP6121757B2 (en) Solar cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160219

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170314

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170926