JP2016511554A - 高効率光電変換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高変換効率の太陽電池の実施のための方法、システム、デバイスが開示される。【解決手段】一局面で、光電エネルギー変換デバイスは、ドープされた半導体材料からなり、第１領域と第２領域を有する基板、基板の第１領域から突出し、第２のコドープされた半導体材料の層によりカバーされた第１のコドープされた半導体材料からなり、コア-シェル構造を形成すると共に、前記層は、基板の第２領域のドープされた半導体材料の少なくとも一部をカバーする多層ナノスケール構造のアレイ、および。基板の第２領域の前記層でカバーされた部分上に形成される電極を含み、多層ナノスケール構造が、１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収し得る光活性領域を与え、電極で与えられる電気信号を生成する。【選択図】図１

Description

［関連出願との相互参照］
この特許書類は、２０１３年３月１２日出願の米国仮特許出願第６１／７７７，７７１号「高変換効率太陽電池デバイス」及び２０１３年１０月２２日出願の米国仮特許出願第６１／８９３，８９４号「多層ナノワイヤ構造に基づいた効率的な光電変換」の優先権を主張する。

［技術分野］
本特許書類は、ナノスケール半導体材料を用いた信号増幅技術に関する。

ナノ技術は、分子または原子での特徴、例えばある応用では、１から数百ｎｍの範囲での構造を有する、構造、デバイスおよびシステムを製造するための技術またはプロセスを提供する。例えば、ナノスケールデバイスは、大きい分子、すなわち酵素のような生体分子と同程度の大きさに形成される。ナノ構造、ナノデバイス、またはナノシステムを創造するために用いられるナノサイズの材料は、例えば光学特徴を含む種々のユニークな特徴を示す。その特徴はより大きな寸法の同じ材料には存在せず、そのようなユニークな特徴は幅広い応用のために利用される。

高効率の光電エネルギー変換、例えばショックレー-クワイサー（Shockley-Queisser）の理論によるシングル接合に対し達成し得る高効率を超えるための技術、システム、およびデバイスが記述される。

一局面では、光電エネルギー変換デバイスが提供される。この光電エネルギー変換デバイスは、第１領域と第２領域を含むドープされた半導体材料を含む基板を有している。光電エネルギー変換は、前記基板の第１領域から突出する多層ナノ構造のアレイをさらに含む。前記多層ナノ構造は、コア-シェル構造を形成する第２のコドープされた半導体材料の層によりカバーされた第１のコドープされた半導体材料からなっている。前記層は、前記基板の前記第２領域のドープされた半導体材料の少なくとも一部をカバーする。前記第１および第２のコドープされた半導体材料は電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントを含み、前記第１のコドープされた半導体材料は、前記アクセプタまたはドナーのドーパントの一方のタイプの濃度が他方のタイプのドーパントの濃度より大きいことを含んでいる。また、前記第２のコドープされた半導体材料は、前記一方のタイプのドーパントの濃度より前記他方のドーパントの濃度が大きいことを含んでいる。前記光電エネルギー変換デバイスは、前記基板の第２領域の前記層でカバーされた部分上に形成される電極を含む。前記光電エネルギー変換デバイスの多層ナノ構造は、１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収する光活性領域を与え、カスケードされたエキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）機能により、電極で電気信号を生成するように構成される。

他の局面では、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）のキャリアの増加に基づいた高効率での光の電気信号への変換、および信号増幅のためのデバイスと方法が記述される。典型的なＣＥＩのデバイスおよび方法は、とりわけ光起電や、通信や、像の形成（イメージング）を含む種々の応用に供給される。ある実施においては、典型的なＣＥＩデバイスは、ドープされたシリコン材料からなる基板を含み、その基板は第１領域と第２領域を含む。典型的なＣＥＩデバイスは、前記基板の第１領域から突出する多層のナノワイヤ構造のアレイを含み、前記ナノワイヤ構造は、コア-シェル構造を形成する第２のコドープされたシリコン材料の層によりカバーされた第１のコドープされたシリコン材料からなっている。前記層は、前記基板の第２領域の少なくとも一部をカバーする。前記第１および第２のコドープされたシリコン材料は電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントを含み、前記第１のコドープされたシリコン材料は、アクセプタまたはドナーのドーパントの一方のタイプの濃度が他方のタイプのドーパントの濃度より大きいことを含んでいる。また、第２のコドープされたシリコン材料は、前記一方のタイプのドーパントの濃度より前記他方のドーパントの濃度が大きいことを含んでいる。典型的なＣＥＩデバイスは、前記基板の第２領域の前記層でカバーされた部分上に形成される電極を含む。典型的なＣＥＩデバイスの多層ナノワイヤ構造は１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収する光活性領域を与え、カスケードされたエキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）機能により、電極で電気信号を生成するように構成されている。

さらに他の局面で、光エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は、第２のコドープされた半導体材料の層によりカバーされた第１のコドープされた半導体材料からなる多層ナノ構造のアレイにより少なくとも部分的にカバーされるドープされた半導体基板を含むように構成された表面で光を受光し、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）機構により、前記受光した光を、前記多層ナノ構造のアレイで、電気信号に変換し、ここで前記電気信号は、前記ドープされた半導体基板上の電極で提供され、その電気信号を電気回路に伝送することを含む。

本明細書で記載される従属事項は、１またはそれ以上の次の特徴を提供する特別な方法で実施され得る。例えば、開示される技術は、ＭＥＧまたはアバランシェ機構の束縛無しのコア-シェル半導体ナノスケール構造（例えばシリコンナノワイヤ）の光応答性を増幅するため、設計された物理的な機構、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）を含む。ある実施では、例えば、開示されるＣＥＩプロセスは、高濃度に（大量に、充分に；heavily）ドープされ、ｐ領域が実質的な量のドナーを含み、ｎ領域が実質的な量のアクセプタを含む、部分的に補償された（compensated）ｐ−ｎ接合を用いることにより、実施される。開示されるＣＥＩ技術の典型的で顕著な特徴は、アバランシェの増倍とは異なり、ＣＥＩプロセスが低い、またはゼロバイアスで起こり得るということである。結果として、ＣＥＩプロセスは、光信号の検出や、光電池または光冷却（例えば発光している領域からの熱の除去）、に用いられ得る。

コドープされて充分に補償されたｐ／ｎ接合構造を有する典型的な光電エネルギー変換デバイスの模式的な図である。

コドープされて充分に補償されたｐ／ｎ接合構造を有する典型的な光電エネルギー変換デバイスに基づく典型的なシリコンナノワイヤの視覚的および走査型電子顕微鏡の写真である。 コドープされて充分に補償されたｐ／ｎ接合構造を有する典型的な光電エネルギー変換デバイスに基づく典型的なシリコンナノワイヤの視覚的および走査型電子顕微鏡の写真である。 コドープされて充分に補償されたｐ／ｎ接合構造を有する典型的な光電エネルギー変換デバイスに基づく典型的なシリコンナノワイヤの視覚的および走査型電子顕微鏡の写真である。

開示されている光電エネルギー変換デバイスの典型的なコドープされたｐ^＋／ｎ^＋接合構造の模式図である。

エネルギーキャリアにより結合した束縛エキシトンの電離を示す典型的な図である。

開示された技術の典型的な太陽電池デバイスにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの光学的原理を示す典型的な図である。 開示された技術の典型的な太陽電池デバイスにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの光学的原理を示す典型的な図である。 開示された技術の典型的な太陽電池デバイスにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの光学的原理を示す典型的な図である。 開示された技術の典型的な太陽電池デバイスにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの光学的原理を示す典型的な図である。 開示された技術の典型的な太陽電池デバイスにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの光学的原理を示す典型的な図である。 開示された技術の典型的な太陽電池デバイスにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの光学的原理を示す典型的な図である。

従来のＳｉシングル接合太陽電池デバイスと本開示技術の典型的な太陽電池デバイスとの間の太陽電池効率を定性的に比較して示す典型的なＩ−Ｖ特性を示す図である。

赤色光発光下における本開示の太陽電池の典型的な結果を示すプロットを示す図である。

ショート回路構造での太陽電池デバイスの応答性と量子効率の測定波長の依存性をプロットした典型的なデータプロットを示す図である。 ショート回路構造での太陽電池デバイスの応答性と量子効率の測定波長の依存性をプロットした典型的なデータプロットを示す図である。

デバイス構造の典型的な外形の模式図である。 デバイス構造の典型的な外形の模式図である。 デバイス構造の典型的な外形の模式図である。

開示される技術の典型的な光電エネルギー変換デバイスに基づいた典型的なナノワイヤを示すイメージ図である。 開示される技術の典型的な光電エネルギー変換デバイスに基づいた典型的なナノワイヤを示すイメージ図である。

図９Ａおよび図９Ｂの典型的な光電エネルギー変換デバイスの動作原理を説明する図である。 図９Ａおよび図９Ｂの典型的な光電エネルギー変換デバイスの動作原理を説明する図である。 図９Ａおよび図９Ｂの典型的な光電エネルギー変換デバイスの動作原理を説明する図である。 図９Ａおよび図９Ｂの典型的な光電エネルギー変換デバイスの動作原理を説明する図である。 図９Ａおよび図９Ｂの典型的な光電エネルギー変換デバイスの動作原理を説明する図である。 図９Ａおよび図９Ｂの典型的な光電エネルギー変換デバイスの動作原理を説明する図である。

開示される技術を用いてエキシトンの形成と２次的電子−正孔（ｅ−ｈ）対の発生を示す図である。 開示される技術を用いてエキシトンの形成と２次的電子−正孔（ｅ−ｈ）対の発生を示す図である。 開示される技術を用いてエキシトンの形成と２次的電子−正孔（ｅ−ｈ）対の発生を示す図である。

開示される技術の典型的なナノワイヤの特性をプロットした図である。 開示される技術の典型的なナノワイヤの特性をプロットした図である。 開示される技術の典型的なナノワイヤの特性をプロットした図である。 開示される技術の典型的なナノワイヤの特性をプロットした図である。

典型的なナノワイヤデバイスの電気特性の典型的なデータプロットを示す図である。 典型的なナノワイヤデバイスの電気特性の典型的なデータプロットを示す図である。 典型的なナノワイヤデバイスの電気特性の典型的なのデータプロットを示す図である。

入射する１つのフォトンから開始するカスケード・エキシトン・イオナイゼーションによる典型的なキャリアの増加を模式的に示す図である。

ホット電子または正孔によるＤＡＰの励起および電離の確率の関数として典型的な量子効率のデータプロットを示す図である。 ホット電子または正孔によるＤＡＰの励起および電離の確率の関数として典型的な量子効率のデータプロットを示す図である。

典型的なナノワイヤ カスケード・エキシトン・イオナイゼーション デバイスの典型的な雑音解析のプロットを示す図である。 典型的なナノワイヤ カスケード・エキシトン・イオナイゼーション デバイスの典型的な雑音解析のプロットを示す図である。

典型的な量子効率の分布のヒストグラムプロットを示す図である。 典型的な量子効率の分布のヒストグラムプロットを示す図である。

世界で配置されている太陽電池の殆ど９５％は、結晶性Ｓｉのシングル接合太陽電池である。ショックレー-クワイサー（Shockley-Queisser）の限界は、シングル接合Ｓｉ（例えば１.１ｅＶのバンドギャップ）の太陽電池の最大理論効率は２９％（例えば１.５太陽光の下）であることを示唆している。効率の限界は、シリコンのバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを有するフォトンによる熱へのエネルギーロスに大きく起因している。現在まで、２５％〜２６％効率の太陽電池が、実施されている。太陽エネルギーを経済的に実行可能なエネルギー源として押し上げるためには、太陽電池システム、デバイス、およびプロセスが、ローコストを達成しながら、シングル接合Ｓｉ太陽電池の理論効率２９％のような低い効率を大きく超えるように駆動することを必要とする。

シングル接合太陽電池は、１タイプの材料（例えばＳｉ）のみからなるｐ／ｎ接合を有するデバイスに属する。逆に多接合太陽電池は、異なるバンドギャップエネルギーの半導体からなる直列のｐ／ｎ接合を有するように構成されている。例えば、ダブル接合太陽電池は、第２のｐ／ｎ接合としてのＧｅのｐ／ｎ接合と直列にＧａＡｓのｐ／ｎ接合を第１のｐ／ｎ接合として含むかもしれない。太陽光は、まず、第１のＧａＡｓ ｐ／ｎ接合に入射し、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーのフォトンは、大部分が吸収される。ＧａＡｓのバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンは、その後、ＧａＡｓのｐ／ｎ接合の下側の第２のＧｅのｐ／ｎ接合で吸収される。かくして、多接合の太陽電池は、シングル接合のシリコン太陽電池より高いコストで、高いエネルギー変換効率を得ることができる。付加的部品として、太陽光濃縮器を含む宇宙空間への応用や設計のようないくつかの応用では、改善された効率のための多接合太陽電池の技術的利益を取ることは可能かもしれない。コストの考慮が重要である大多数の応用では、地球上の太陽電池の非常に大部分は、シングル接合で、バンドギャップエネルギーが１.１２ｅＶの単結晶シリコン太陽電池である。

シングル接合シリコン太陽電池のより高いエネルギー変換効率は、１９６１年に出版された論文のショックレー-クワイサー理論により予期されるように、１.５太陽の下で２９％が限度である。その理論は、過去５０年間に亘って有効であることを証明されている。研究所で実施されたシングル接合シリコン太陽電池の現在までの到達水準は、２５〜２６％の効率であることを示しており、フィールドで配置されるデバイスは、２０％の効率に達している。研究の何十年間は、ショックレー-クワイサーの限界を超える効率を有するシングル接合Ｓｉ太陽電池のための効率的で、かつ、再現し得る設計を生んでいない。例えば、Ｓｉ太陽電池を限定する重要な要素の１つは、フォノンへのエネルギーロスである。フォトンのエネルギーがＳｉのバンドギャップエネルギーより大きいと、余分なエネルギーがフォノンの散乱により熱に変換し、太陽エネルギーの５０％を超える損失を引き起こす。また、例えば、マルチエキシトンの発生（multi-exciton generation；ＭＥＧ）および２次励起のような技術が効果的または実際的であることを証明しておらず、大抵のナノ構造の太陽電池が最適化された従来のデバイスよりも低い効率を示してさえいる。

高効率の光電エネルギー変換、例えばショックレー-クワイサー理論によるシングル接合Ｓｉに対して達成可能な最も高いエネルギー変換効率を超えるエネルギー変換効率のためのテクニック、システム、およびデバイスが記述される。

開示される光電エネルギー変換の技術は、ショックレー-クワイサーの限界を基本的に大きく超える、実際的でローコストの方法を提供することにある。典型的には、本開示の技術の方法は、シリコンに加えて、またはシリコンの他に多くの種類の半導体に適用され得る。ある局面では、例えば４８％より大きいエネルギー変換効率を達成するＳｉシングル接合太陽電池デバイスが記述される。

１つの局面では、本開示技術の光電エネルギー変換デバイスは、充分に補償されたｐ／ｎ接合を有するシリコンコア／シェルナノ構造（例えばナノワイヤ）を含み、かつ、光電エネルギー変換のための光学的領域を提供するように構成されている。光電エネルギー変換デバイスは、ドープされた半導体材料からなる基板を含んでおり、その基板は、第１領域と第２領域を含んでいる。光電エネルギー変換デバイスは、基板の第１領域から突出する多層ナノ構造（例えばナノワイヤのような）のアレイを含んでおり、そのナノ構造（例えばナノワイヤ）は、コア-シェル構造を形成する、第２のコドープされた半導体材料の層によりカバーされた第１のコドープされた半導体材料からなっている。そして、その層は、ドープされた半導体基板の第２領域の少なくとも一部をカバーしている。第１および第２のコドープされた半導体材料は、電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントを含み、第１のコドープされた半導体材料は、第１のコドープされた半導体材料の全体で、アクセプタまたはドナーのドーパントの一方の種類を他方の種類のドーパントより多く含むように構成され、第２のコドープされた半導体材料は、第２のコドープされた半導体材料の全体で、一方の種類のドーパントより、他方の種類のドーパントを多く含むように構成されている。光電エネルギー変換デバイスは、基板の第２領域の層でカバーされた部分上に形成される電極を含む。多層ナノ構造は、１またはそれ以上の波長の光（例えば可視光を含む）から、フォトンを吸収することが可能な光活性領域を与え、電極で電気信号を生成するように構成されている。

典型的な太陽電池デバイスが図１および図２Ａ〜２Ｃに、デバイスの基板上に垂直に立ち上がり、コドープされ、充分に補償されたｐ^＋／ｎ^＋接合を、ｐ^＋／ｎ^＋接合の方向で狭い寸法で有する、エッチングされたナノワイヤおよびナノリッジを表す図で、模式的、および電子写真像で示されている。

図１は、典型的な光電エネルギー変換デバイス１００の、コドープされ、充分に補償されたｐ／ｎ接合の模式図である。この構造のある例では、例えばデバイス１００は太陽電池デバイスに用いられ得る。デバイス１００は、ドープされた半導体材料からなる基板１１０を含む。基板１１０は、例えば、図１に示される典型的な実施形態のように、ｐ型半導体として構成される。ある実施においては、例えば、デバイス１００は、基板１１０と結合した電気絶縁材料からなる基板ベース１１５を含み得る。基板１１０は、第１領域１１１と第２領域１１２の２つの動作領域を含むように構成される。第１領域１１１は、基板１１０から突出している多層ナノワイヤ構造１２０を含む。多層ナノワイヤ構造１２０は、第２のコドープされた半導体材料１２２の層によりカバーされた第１のコドープされた半導体材料からなり、例えばコア-シェル構造を形成している。例えば、このデバイス１００のある実施では、第１のコドープされた半導体材料１２１は、ｐ^＋／ｎ型半導体材料として設計され、そのｐ^＋／ｎ型半導体材料は、電子アクセプタおよび電子ドナーのドーパントの両方を含み、アクセプタ濃度はドナー濃度より大きい（例えばアクセプタ濃度が１０^１９ｃｍ^−３のオーダのキャリア濃度であり得、ドナー濃度は１０^１８ｃｍ^−３のオーダのキャリア濃度であり得る）。第１のコドープされた半導体材料１２１は、コドープされ、充分に補償されたｐ^＋／ｎ接合構造を生成するために所望のドーピングスレッショルド、例えばｐ^＋／ｎドーピングスレッショルドが少なくとも１０^１８ｃｍ^−３に制御されてドープされている。また、そのような実施において、第２のコドープされた半導体材料１２２は、例えば、ｎ^＋／ｐ型半導体材料として設計され得、そのｎ^＋／ｐ型半導体材料は電子アクセプタと電子ドナーのドーパントをその半導体材料の全体を通して含み、そのドナーの濃度がアクセプタの濃度より大きい（例えば、ドナー濃度が１０^１９ｃｍ^−３のオーダのキャリア濃度であり、アクセプタの濃度が１０^１８ｃｍ^−３のオーダのキャリア濃度であり得る）。第２のコドープされた半導体材料１２２は、コドープされ、充分に補償されたｎ^＋／ｐ接合構造を生成するために所望のドーピングスレッショルド、例えばｎ^＋／ｐドーピングスレッショルドが少なくとも１０^１８ｃｍ^−３に制御されてドープされている。ある実施においては、例えば、第２のコドープされた半導体材料１２２の層は、基板１１０の第２領域１１２のドープされた半導体材料の少なくとも一部もカバーする。デバイス１００は、基板の第２領域の層でカバーされた部分上に形成された電極１３０を含む。例えば電極１３０は、ｎ型半導体材料を含むように構成され得る。デバイス１００の多層ナノワイヤ構造１２０は、可視光の特別な波長からフォトンを吸収し得る光活性領域を提供し、電極１３０で与えられる電気信号を生成する。
前記に形成される電極
を有し、前記多層ナノ構造が、１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収する光活性領域を与え、前記電極で電気信号を生成するように構成されている光電エネルギー変換デバイス。

光電エネルギー変換デバイス１００は、次の製造方法により製造され得る。製造方法は、ドープされた半導体材料からなる基板（例えば基板１１０）の第１領域（例えば領域１１１）に（例えばナノワイヤのような）ナノ構造のアレイを形成するためのプロセスを含む。例えば基板のドーピング濃度は、第１ドーパントの少なくとも１０^１８ｃｍ^−３であり得る。第１ドーパントは、例えば、電子アクセプタドーパントまたは電子ドナードーパントの１タイプを含む。製造方法は、ナノ構造のアレイをカバーする層を形成するために第１領域上にドーパント材料を堆積するプロセスを含み得る。例えば、そのドーパント材料は、電子アクセプタドーパントまたは電子ドナードーパントの第１ドーパントとは異なる他のタイプの第２ドーパントを含む。例えば、第１ドーパントの１タイプのドーパントが電子アクセプタドーパントであれば、第２ドーパントの他のタイプのドーパントは電子ドナードーパントである。製造方法は、（ｉ）ナノ構造のアレイのドープされた半導体材料を、電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントの両方を有し、ドーパントの１つのタイプのドーパントの濃度が他方のタイプのドーパントよりも大きい第１のコドープされた半導体材料に変換するプロセスを含み得る。同時に製造方法は、（ii）ナノ構造のアレイの上の堆積された材料層を電子アクセプタおよび電子ドナーのドーパントの両方を有し、他のタイプのドーパントの濃度が、一方のタイプのドーパントよりも高い、第２のコドープされた半導体材料に変換するプロセスを有し得る。例えば、その変換プロセスは、最初にドープされた材料（例えばナノ構造のドープされた半導体材料およびそのナノ構造の上の形成された層のドーパント材料）の全体に反対のドーパントの拡散プロセスを制御するように、加熱（例えば９００℃よりも高い温度）をある時間の間（例えば１分未満）行い、第１および第２のコドープされた半導体材料を形成することを含み得る。この製造方法のこれらのプロセスの実施は、それぞれ１またはそれ以上の波長で光からフォトンを吸収することが可能で電気信号を生成する第１のコドープされた半導体材料と第２のコドープされた半導体材料とのコア／シェル構造を生成する。

この製造方法のある実施では、ナノ構造を形成するプロセスは、ナノ構造を基板からマスクに基づくパターンにエッチングすることを含み得る。例えば、エッチングは、電子ビームリソグラフィ的にパターン形成されたニッケル板をマスクとして、Ｃ_４Ｆ_８およびＳＦ_６ガスを用いた誘導的に結合したプラズマ反応性イオンエッチングを含み得る。本製造方法のある実施では、ドーパント材料を堆積するプロセスは、第２基板上にドーパント液をコーティングし、第２基板上でコートされたドーパント液をベーキングし、第２ドーパントを蒸発させるための加熱を行うことにより第２ドーパントを第２基板から基板の第１領域上に移し、ナノ構造のアレイの上に層を形成することを含み得る。本製造方法のある実施では、ドーパント材料を堆積するプロセスは、第１領域以外の基板のドープされた半導体材料の少なくとも一部をカバーする層を形成することを含み得る。ある実施では、例えば、製造方法は、さらに、基板の第１領域上に電気伝導材料のコンタクトパッドを作ることを含み得る。

図２Ａ〜２Ｃは、コドープされ、充分に補償されたｐ／ｎ接合構造を有するＳｉナノワイヤ系の典型的な光電エネルギー変換デバイスの光学的走査電子顕微鏡写真の例を示す。典型的なデバイス１００が図２Ａ〜２Ｃに示され、その構造は、例えば直径が２８０ｎｍから３４０ｎｍの範囲のナノワイヤを有する３０×３０のｐコア／ｎシェルシリコンナノワイヤ構造のアレイを含んでいる。図２Ａは、典型的なコドープされ、充分に補償されたｐ／ｎ接合構造を有するデバイス１００の図である。図２Ａの図における典型的なスケールバーは５μｍである。図２Ｂおよび２Ｃは、デバイス１００の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真で、典型的なコドープされ、充分に補償されたｐ／ｎ接合を有している。図２ＢのＳＥＭ写真のスケールバーは１０μｍである。そして、図２ＣのズームされたＳＥＭ写真の典型的なスケールバーは５μｍである。

図２Ｄは、開示されている技術による典型的な光電エネルギー変換デバイスの典型的なコドープされたｐ^＋／ｎ^＋接合ナノワイヤ構造２２０の模式図である。この例では、ｐドープされたシリコン（ｐ−Ｓｉ）材料２２１が、ｎドープされたシリコン（ｎ−Ｓｉ）材料２２２により被覆され、ｐ^＋／ｎ^＋接合の方向に狭い寸法のｐ^＋／ｎ^＋接合を有するコア-シェル構造を形成している。例えば、ｐ−Ｓｉ材料２２１は、円柱状の形状、例えば、〜６６ｎｍの半径を有するワイヤ状の構造であり得る。ｎ−Ｓｉ材料２２２は、ｐ−Ｓｉ材料２２１を包み込む外側の円筒状で、〜８４ｎｍの厚さに形成され得る。これにより、例えば、〜３００ｎｍの直径を有するコドープされたｐ^＋／ｎ型のコアｎ^＋／ｐ型シリコンナノ構造２２０を生成する。図２Ｄに示される例では、コドープされた接合ナノワイヤ構造２２０の内部のコア領域は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含み、アクセプタの濃度がドナーの濃度よりも大きいｐ^＋／ｎ型シリコン材料からなっている。例えばアクセプタドーパントは、１０^１９ｃｍ^−３のオーダ（例えば２×１０^１９ｃｍ^−３）であり得る。コドープされた接合ナノワイヤ構造の外部シェル領域は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含み、ドナーの濃度がアクセプタの濃度よりも大きいｎ^＋／ｐ型シリコン材料からなっている。

例えばデバイス１００は、多くの量のドナーがｐ領域に導入され、多くの量のアクセプタがｎ領域に導入され、充分に補償されたｐ／ｎ接合を形成するように構成される。そのような充分に補償されたデバイスで起こる「カスケード・エキシトン・イオナイゼーション」（ＣＥＩ）のプロセスを通して、短絡回路の状態で、１つのフォトンの吸収が多数の電子−正孔対を生成し得る。例えば、短絡回路の状態で、１フォトンの吸収が多数（例えば４〜１０）のｅ−ｈ対を生成し得る。これは、その後、短絡電流を、例えば現在の最高水準でのデバイスと比較して、４００％から１０００％増加させる。結果として、２９％より高い変換効率が達成され得る。例えば４８％より大きい変換効率がシングル接合Ｓｉ太陽電池で達成され得、ショックレー-クワイサー限界のほぼ２倍になる。

例えば、光活性領域は、Ｓｉのバンドギャップエネルギー１.１２ｅＶを超えるエネルギーの波長の可視光のフォトンを吸収するように形成されている。本デバイス１００のある実施では、例えば光活性領域は、６３０ｎｍの可視光を吸収するように構成され、６３０ｎｍの波長の赤色フォトンの吸収は、電気信号の生成のための４つの電子−正孔対を生成している。

開示されている光電エネルギー変換デバイスの典型的な実施が行われた。ある実施では、例えば、光応答性の測定が、短絡回路条件で６３０ｎｍの１つのフォトンが４〜１０の電子−正孔対を生成する６３０ｎｍの可視光の下で行われた。そして、この例の結果は再現可能であった。開示技術の典型的なＣＥＩプロセス内で、ホットキャリア（例えば〜１ｅＶの運動エネルギー）がコドープされたアクセプタとドナーの高い濃度のため、束縛エキシトン（Ａ⁻Ｄ^＋）を電離し得る。フォノン散乱によるエネルギーロスは、コア／シェル構造のナノスケールに与えられる〜５０ｍｅＶに限定される。モデル内でのエネルギー維持の妨害はない。例えば、電子−正孔の発生は、短絡回路の下で起こり、端子の電圧は０であるので、デバイスは入力する光のパワーよりも大きな出力パワーを生成しない。

ある実施例では、開示されるデバイスは、半導体内に導入される大量の（〜１０^１９ｃｍ^−３）のアクセプタとドナーを含むように構成されている。アクセプタの濃度がドナーの濃度より大きい領域では、その材料はｐ型半導体になる。ドナー濃度がアクセプタ濃度に対して補償し過ぎた領域では、その材料はｎ型半導体の特性を示す。例えば、ｐ^＋／ｎ^＋接合のため、ビルドインポテンシャル（build-in potential）は、非常にバンドギャップエネルギーに近く、例えば室温で約１.１２ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するＳｉに対して、約１ｅＶである。例えば、半導体のｐ側およびｎ側の両方にドナーとアクセプタの両方が存在するため、それぞれの側が不純物バンドを形成し、中でも最も重要なＤ^＋／Ａ⁻束縛エキシトンの結合した３Ｄマトリクスを形成する。電子は、ドナーから移動し、図３に示されるように、アクセプタの近くの状態を占有する。

図３は、エネルギーキャリアにより結合した束縛エキシトンの電離を示す典型的な図である。ドナーおよびアクセプタの両方が１×１０^１９ｃｍ^−３のオーダのレベルにドープされると、例えばドナーとアクセプタの平均的距離は２.５ｎｍより小さい（例えば約２ｎｍ）。キャリア濃度に依存して、デバイ長（Debye length）は、ドナー−アクセプタ間隔に匹敵する。エキシトン間隔は、また、エキシトンの半径（例えば約３ｎｍ）より小さく、結合したエキシトンを生じさせる。かくして、例えば、中性の（Ａ^０Ｄ^０）状態を生成するために束縛エキシトンを電離することは１ｅＶより小さい。中性のドナー／アクセプタは、電流に寄与するｅ／ｈ対になるため、熱的に電離される。例えば、コア／シェルナノ構造のため、キャリアは、平均距離４０〜６０ｎｍ内で、ｐ／ｎ接合のところでポテンシャル障壁に遭遇する。１０^７ｃｍ／ｓの熱速度で、ポテンシャル障壁を超えるのに、約０.５ｐｓかかるかもしれない。フォノンの散乱によるエネルギー緩和時間を考慮すると、キャリアは、弾性のないフォノンの散乱により、５０ｍｅＶより少ないエネルギーをロスするかもしれない。大量のドナーとアクセプタによる不純物バンドの尾（tails）を考慮すると、「エキシトンの電離」に要求されるエネルギーは、近似的に
Ｅｇ−ε_ｄ−ε_ａ＋｜ε_ｂ｜
として表されると仮定され得る。ここで、Ｅｇはバルク結晶のバンドギャップ、ε_ｄとε_ａはドーパントおよびアクセプタの電離エネルギー、｜ε_ｂ｜はエキシトン結合エネルギーの絶対値である。実際に、例えば、そのような大量にコドープされた半導体のエキシトンの電離エネルギーは、バルク半導体のバンドギャップより下の１００ｍｅＶを超え得る。次で議論されるように、エキシトンの電離エネルギーの低下、およびそのような特殊のｐ／ｎ接合構造に存在する沢山の結合したエキシトンは、太陽電池の高いエネルギー変換効率に重要である。

図４Ａ〜４Ｆは、本開示技術の典型的な光電エネルギー変換デバイス１００におけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）の動作原理を図示する典型的な模式図である。例えば、本開示の光電エネルギー変換技術は、太陽電池の短絡回路の電流に寄与する多数の電子−正孔対を生成し得る。例えば、図４Ａのプロットで示されるように、フォトンがｐ／ｎ接合のｐ側で吸収され、１次の電子−正孔対を生成し、そして、デバイス１００が短絡回路構造に接続されると仮定する。光で発生した正孔は、デバイスから急速に離れるが、図４Ｂに示されるように、光で発生した電子は、急峻なポテンシャル障壁を乗り越え、加速されて約１ｅＶの高い運動エネルギーを得る。通常のｐ／ｎ接合太陽電池では、電子の運動エネルギーはフォノンの散乱で急速に失われ、熱になる。しかし、束縛（Ｄ^＋／Ａ⁻）エキシトンの非常に高い個体数、および前に説明された減少されたエキシトンの電離エネルギーにより、衝撃を与えて電離するのと同様のプロセスで、衝突により、活動的な電子がエキシトンを（Ｄ^０／Ａ^０）の状態に電離するという有意義な蓋然性が存在する。電離されたエキシトンが元の結合状態（Ｄ^＋／Ａ⁻）に戻る機会を有する前に、熱エネルギーにより、または他のホット電子との相互作用により電離され得、図４Ｃに示されるように、伝導帯および価電子帯に２次的な電子−正孔対を形成する。２次的な正孔は、図４Ｄに示されるように、ｐ／ｎ接合を横切って運動エネルギーを得るだろう。活動的な正孔は、また、図４Ｅに示されるように、結合された（Ｄ^＋／Ａ⁻）をｐ／ｎ接合のｐ側で（Ｄ^０／Ａ^０）の状態に電離する限定された可能性を有する。（Ｄ^０／Ａ^０）状態は、図４Ｆに示されるように、熱運動化されて、３次のｅ−ｈ対を生成し、プロセスは続行し得る。

典型的なモデルでは、電子により始められるエキシトンの電離の可能性は、Ｐ_１であり、正孔により始められるエキシトンの電離の確立は、Ｐ_２である。１つのフォトンの吸収により生成されるｅ−ｈ対の平均数は、次の式で表される。

Ｎは、短絡回路の条件の下で、「有効な」量子効率として扱われ得る。例えば、Ｐ_１、Ｐ_２の両方が＝０.５であると、式（１）によりＮ＝２となり、１個のフォトンの吸収は、２個の電子−正孔対を生成し得、短絡回路の電流は、入射するフォトン束の２倍になることを示している。本開示技術による太陽電池の短絡回路電流は、次の式で書かれ得る。

ここで、Ｉ_ｓｃとＩ_ｓｃｃは、それぞれ、本開示技術のデバイスおよび従来の太陽電池の短絡回路電流である。

図５は、従来のＳｉシングル接合太陽電池デバイスと本開示技術の典型的な太陽電池デバイスとの太陽電池効率の定性的な比較を示す典型的なＩ−Ｖ特性図である。図５の典型的なＩ−Ｖ特性図は、例えばデバイス１００のような本開示技術の典型的なデバイスが、全般的な太陽電池の効率を如何に高めることができるかを示している。本開示技術のデバイスは短絡回路電流で優れた増加を生成するが、開放回路の電圧はささやかな効果である。開放回路構造では、ｐ／ｎ接合のそれぞれの側に蓄積した電子および正孔が、Ｖ_ｏｃの量によりｐ／ｎ接合を越えて、ポテンシャル障壁の大きさを減ずる。結果として、電子および正孔は、エキシトンを生成するために充分な運動エネルギーを得られない。エキシトンの電離の可能性Ｐ_１、Ｐ_２が０に近づくとき、本開示技術のデバイスは、従来の太陽電池と同じ開放回路の電圧を生成する。

太陽電池の全エネルギー変換効率は、四角形効率により決まり、与えられた太陽エネルギーの下でのＩ−Ｖ特性により定まる領域内の最大の四角形により図的に決まる。短絡回路の電流が増加するとき、四角形効率も増加することは明らかである。または等価的に同じ量の電力が弱い太陽光の下でも生成され得る。

図６は、赤色光（例えば６３５ｎｍ波長）の照明の下で、開示されている太陽電池の典型的な結果を示す典型的な図である。測定されたエネルギー変換効率は、典型的な６３５ｎｍ波長で約６５％であることが示された。典型的な結果は、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）の効果を示している。さもなければ、１００％光取得率で、抵抗損失０で、１００％量子効率（例えば吸収される全てのフォトンが１つのｅ−ｈ対を生成する）という最も理想的なシナリオにおいてさえも、達成し得る最大の効率は６３５ｎｍ波長の光に対して５１％のみであり得る。

図７Ａおよび図７Ｂは、短絡回路構成で、例えば４００ｎｍと８５０ｎｍの間の全スペクトル領域に亘って、典型的な太陽電池デバイスの応答性と量子効率の測定された波長依存性を、それぞれ描写した典型的なデータプロットを示している。図７Ｂに示されるように、短波長（例えば４００ｎｍ）で、１つのフォトンは、短絡回路電流に寄与する４０を超える電子−正孔対を生成し得る。例えば、このことは、エネルギー保存の法則に反しないことに注目される。何故なら典型的なデバイスは、ゼロバイアスであり、従って、短絡回路構成で出力を与えないからである。短絡回路での量子効率における有意義な増加から出力変換効率の寄与は、図５に定性的に図示されている。

図８Ａ〜８Ｃは、開示されるデバイス構造の典型的な形状を模式的に示している。ある実施形態では、光電エネルギー変換デバイスは、図８Ａに示されるように、実質的に円柱状、円錐形状（例えばナノワイヤ）に形作られたナノワイヤ８２０Ａのアレイを含むように構成されているが、それには限定されない。ある典型的な実施形態では、光電エネルギー変換デバイスは、図８Ｂに示されるように、ナノスケールライン、リッジ、または実質的に直線状で直角状の形状を有する壁８２０Ｂ（例えばナノウォール）の線形アレイを含むように構成され得る。ある典型的な実施形態では、光電エネルギー変換デバイスは、図８Ｃに示されるように、十字形状のナノウォール８２０Ｃ、例えば実質的に直交する十字形、ワッフルまたはチェス盤状のパターンと同様のもの（例えばナノワッフル）を含むように構成され得る。全てのこれらの典型的な構造では、デバイスの断面は、図１Ａと同様の、コドープされ、充分に補償されたｐ／ｎ接合を有する。また、典型的な形状のナノスケールの寸法は、多層のナノ構造の直径や幅を含むが、基板から突出するそのようなナノ構造の高さはナノスケール寸法、マイクロスケール寸法、またはそれ以上に形成され得る。

他の局面では、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）のキャリア増殖メカニズムに基づく高効率で、低雑音の、光を電気信号に変換するためのデバイス、システム、および方法が記載される。典型的なＣＥＩデバイスおよび方法は、光電池、通信、イメージングなどの種々の応用で実施される。

キャリアの増殖のメカニズムは、光の電気信号およびエネルギー変換への効率を増加させるために用いられ得る。例えば、それは光電池、通信、イメージングなどを含む応用で実施される。ある実施例では、多数のエキシトンの発生（ＭＥＧ）技術は、光電池のため、小さな寸法の半導体内に多数のキャリアを創造するために用いられている。ある実施例では、ＭＥＧは、オージェの再結合（Auger recombination）、材料変質（material degradation）、ホトチャリング（photocharing）および効率を制限するキャリアトラッピング（carrier trapping）のような問題（issues）を含み得る。例えば、光学的検出にとって、アバランシェ増倍（avalanche multiplication）は、数十年間の信号増幅についての主要なメカニズムであるが、アバランシェ利得は、過度なノイズ、高い動作電圧、および材料依存という随伴する問題を有する。

開示された技術、システム、およびデバイスは、設計されたキャリア増殖メカニズムを含み、そのメカニズムは、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）、例えば、充分に補償されたｐ^＋／ｎ^＋コア-シェルシリコンナノワイヤとして言及されている。開示されているＣＥＩ技術は、高効率の光電応用を達成するために用いられ得る。例えば、ここに開示されているある典型的な実施では、フォトンの吸収により開始されたドナー−アクセプタ対のエキシトンの連続的な励起と電離により、量子効率は、ゼロバイアス電圧の下でさえ、実質的に１００％より大きくなることが見出された。

光の電気エネルギーへの効率的な変換は、通信、イメージング、太陽電池、およびセンシングなどの種々の光電応用におけるキープロセスを構成する。一例として、太陽電池を用いると、効率を高めるため、励起効果を用いる現在の考えは、多数のエキシトン発生（ＭＦＧ）の助けによることである。しかしながら、フォノンの散乱とオージェの再結合の競合が、多数のエキシトンの発生効率を厳しく制限しており、太陽電池における概念の実現に困難を招いている。まず第１に、ＭＥＧプロセスは、例えば、用いられる半導体材料のバンドギャップの少なくとも２倍のエネルギーを有するフォトンに起こるだけかもしれない。１.１ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するＳｉに対して、２ｅＶよりエネルギーの小さいフォトンは、１つのフォトンの吸収から、１個のｅ−ｈ対より多くを生成するために、ＭＥＧ効果を用いることはできない。他方、光学的検出に対しては、内部利得機構、アバランシェ増倍は、光学的でエキシトン信号を増幅するためにナノ構造内で用いられている。しかしながら、アバランシェのプロセスは、高い逆バイアスを要求し、太陽電池や多くの低電力応用には適さない。

ＭＥＧまたはアバランシェメカニズムの制限なしに、コア-シェル半導体ナノ構造（例えばシリコンナノワイヤ）の光応答性を増幅するため、設計された物理的メカニズム、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション(ＣＥＩ)を適用したシステム、デバイスおよび技術がここに記述される。開示されるＣＥＩ技術の典型的な顕著な特徴は、アバランシェ増倍とは異なり、ＣＥＩプロセスが、低いバイアスまたはゼロバイアスですら起こることである。結果として、ＣＥＩプロセスは、光学的信号を検出し、および太陽電池、または光学冷却（例えば照明下の領域から熱を除去すること）さえも含むようなエネルギー変換のために用いられ得る。例えば、ある実施では、開示されているＣＥＩプロセスが、高濃度にドープされ、部分的に補償されたｐ−ｎ接合、ここでは実質的な量のドナーを含むｐ領域と実質的な量のアクセプタを含むｎ領域のｐｎ接合を有するナノスケールデバイスを用いて実施され得る。開示されているＣＥＩ技術の典型的な実施が、コア-シェルＳｉナノ構造に応用のため記述される。例えば、部分的に補償された、ナノワイヤの半径方向でのｐ^＋／ｎ^＋コア-シェル接合は、個体の拡散プロセスを用いて形成される。例えば、ゼロバイアスの下での可視スペクトルにおける光電流の測定により、ＣＥＩから生じたナノワイヤ内部利得が特徴づけられる。典型的な結果は、短絡回路構造で量子効率が、室温で２Ｅｇ（例えば６３５ｎｍ波長）より低いエネルギーのフォトンに対して有意義に１より大きくし得ることを示している。

図９Ａは、３５μｍ×４６μｍのメサ上に形成された１μｍピッチの、３０×３０の垂直のナノワイヤのアレイを含む開示された技術の典型的なデバイスの明視野の典型的な光学顕微鏡像を示す。この典型的な実施では、ナノワイヤは、半径が３４０ｎｍ、長さが２.５μｍの構造である。ナノワイヤアレイは、よく知られたフォトントラップ効果の結果として、顕微鏡光の下で暗く見える。それは、反射スペクトルの測定によっても確認され得る。典型的なナノワイヤ アレイ デバイスのＳＥＭの拡大図が図９Ｂに示されている。デバイスは、（図１３Ａに示されるように）１Ｖで、０.５ｎＡより小さい逆バイアス電流でｐ−ｎ接合の電流−電圧特性を示している。

例えば、図９Ａおよび９Ｂに示される典型的なデバイスは、照明の下、短絡回路構造（ゼロバイアス）に接続され得る。シリコンナノワイヤの半径方向のｐ^＋／ｎ^＋接合の両側における高濃度のドナーとアクセプタの共存により、沢山のドナー−アクセプタの対（Ｄ^＋Ａ⁻Ｐ）が存在し、ドナー−アクセプタ対のエキシトン（ＤＡＰ）形成のためのソースを提供する。動作原理を明らかにするため、シリコンのバンドギャップより大きいエネルギーを有するフォトンがｐコアに吸収され、１次電子−正孔対を生成すると仮定され得る。

図１０Ａ〜１０Ｆは、開示されている技術の典型的なナノワイヤデバイスの典型的な動作原理を説明する図を示している。図１０Ａは、フォトンの吸収による１次の電子−正孔対生成を描写する図である。１次の電子は、ポテンシャル障壁を越えた後高い運動エネルギーを得る。図１０Ｂは、エキシトンの励起後エネルギーを失うホット電子によるドナー−アクセプタ対エキシトン（ＤＡＰ）形成を描写する典型的な図を示している。図１０Ｃは、２次の電子−正孔対を創造するため、ドナー−アクセプタ対エキシトン（ＤＡＤ）の電離を描写する図である。図１０Ｄは、２次のホット正孔によるｐコア内でのＤＰＡ形成を描写する典型的な図を示している。図１０Ｅは、エキシトンの電離による３次の電子−正孔対の創造を描写する典型的な図を示している。図１０Ｆは、ｎシェルで３次の電子が高い運動エネルギーを得、別のＤＡＰを励起することを描写する典型的な図を示す。

１次の正孔は、ｐコンタクトを介してデバイスを離れ、１次の電子がｎシェルの方に移動する（図１０Ａ）。高濃度にドープされたｐ／ｎ接合に対して、内蔵ポテンシャルは、バンドギャップエネルギーに近く、デプレッション領域は、非常に薄い（例えば１０^１９ｃｍ^−３／１０^１９ｃｍ^−３のｐ／ｎ接合に対してＬ＜２０ｎｍ）。結果として、例えば光で発生した１次電子は、内蔵ポテンシャルにより短い距離内で加速され、ｎシェルに入るホット電子になる。従来のｐ／ｎ接合では、ホット電子はエネルギーと運動量をフォノンの放射または電子−電子の散乱によりを失う。しかしながら、図１０Ｂおよび図１１Ａと図１１Ｂにさらに詳細に示されるように、充分に補償されたｐ／ｎ接合では、ホット電子は、ドナー−アクセプタ対（Ｄ^＋Ａ⁻Ｐ）をドナー−アクセプタ対（ＤＡＰ）エキシトンに励起する高い可能性を有する。ＤＡＰエキシトンを励起するために要求されるエネルギーは、Ｅ＝Ｅ_ｇ−（Ｅ_ａ＋Ｅ_ｄ）＋｜Ｅ_ｂ｜
ここで、例えばＥ_ａ（０．０４４ｅＶ）とＥ_ｄ（０．０４６ｅＶ）は、アクセプタ（ボロン）とドナー（リン）に対する不純物の電離エネルギー、Ｅ_ｂは、ドナーとアクセプタのイオン間のクーロン相互作用により決定されるエキシトンの結合エネルギーである。簡単なモデルはＥ_ｂ〜ｅ^２／４πεＲ
ここでｅは自由電子の電荷、εは材料の誘電率、Ｒはエキシトンの半径である。充分に補償されたＳｉに対しては、例えばＥ_ｂは０.０１ｅＶのオーダであるので、上記関係から約１ｅＶの要求されるＤＡＰ励起エネルギーをもたらす。従って、ホット電子は、ナノワイヤのｎシェル内にＤＡＰエキシトンを励起する十分な運動エネルギーを所有し、このプロセスは、次式のように与えられる。

典型的なプロセス（Ｎ１）に続いて、ＤＡＰエキシトンがとり得る２つの過程がある。（ａ）放射または非放射のプロセスで、Ｄ^＋Ａ⁻Ｐ状態に戻ることによりエキシトンを消滅させること

または（ｂ）自由電子−正孔対を生成するための熱電離

開示される技術の典型的な実施は、フォトンの放射によるＤＡＰエキシトンの消滅、プロセス（Ｎ２−１）は非常に低温で起こること；およびプロセス（Ｎ２−２）は、大きなオージェ再結合係数を有し、非常に低いバンドギャップの半導体でない限り、相対的に起こりそうもないことを示している。かくして、室温でのシリコンナノワイヤに対して、例えば、ＤＡＰエキシトンの熱電離、プロセス（Ｎ３）は、最も有力なプロセスであり、図１１Ａ〜１１Ｃに示されている。

図１１Ａは、ホット電子により開始されたエキシトン形成と熱電離を示す典型的な図である。図１１Ｂは、結晶格子に図示された、ドナー−アクセプタ対エキシトンの形成と熱電離を示す典型的な図である。図１１Ｃは、波長が４５０ｎｍから６７０ｎｍの全体の直接の測定から得られたナノワイヤの量子効率を示す典型的な図である。典型的なエラーバーは、ナノワイヤ上に突き当たる測定された光出力の不確実性を示している。

ＤＡＰエキシトンの熱電離は、フォノンを経由して結晶格子（図１０Ｃ）から熱エネルギーを獲得することにより、２次の自由電子−正孔対を創造する。伝導帯での２次電子は、ｎコンタクトを経て早急にデバイスから去る。他方、価電子帯での２次正孔は、１次の電子と同様の方法で、すなわち、高い運動エネルギーを得て、ｐコア内で、他のＤ^＋Ａ⁻Ｐ（図１０Ｄ）の励起により新しいＤＡＰエキシトンを生成する。開示されたエキシトンは、再び熱的に電離され得、３次の自由電子−正孔対を生成し、そのようなプロセスが、図１０Ａ〜１０Ｆに示されるように、ｐコアとｎシェルとの間で連続的に起こる。同様に、キャリアの増殖が、ナノワイヤのｎシェル内でのフォトンの吸収により開始され得る。その結果、１次の正孔は、連続的なエキシトンの発生と電離のプロセスを始める粒子になる。

図１０Ａ〜１０Ｆに示されるように、典型的な動作原理は、短絡回路構成で、１よりかなり大きい量子効率を達成し得ることを示唆している。量子効率（例えば１つのフォトンから発生する電子−正孔対の数）は、分析的に次の式で表現され得る。

ここで、ＦｃとＦｓはｐコアとｎシェルでフォトンが吸収される確率であり、ｘ_０（ｙ_０）は、２次のｅ−ｈ対を励起する１次の電子（正孔）についての確率である。他方、ｘ（ｙ）は、ｅ−ｈ対を励起する２次およびその後のさらなる発生の全ての電子（正孔）についての確率を表している（０≦ｘ、ｙ≦１）。例えば、区別は１次の電子（正孔）の確率と、電子（正孔）の未来の発生の確率に対してなされる。何故なら、１次の電子（正孔）は、直接的なフォトンの吸収により生成されるからである。例えば、エネルギーとポジションに関して全ての他の電子（正孔）と異なる特性に至る。最も明白な相違は、ｘ_０とｙ_０の値が波長依存性であると考えられるのに対して、ｘとｙは波長に独立であると考えられることである。ｘ_０とｙ_０の波長依存性は、フォトンがコアまたはシェルで吸収される場所によるとされ得る。シェルで発生したｅ−ｈ対に対して、確率の値は、（例えばナノワイヤのような）典型的なナノ構造の表面からの差異に依存し、表面状態を介した表面再結合により影響される。

開示されているＣＥＩ技術の典型的な実施では、例えば、光学的モノクロメータ装置が、充分に補償されたｐ⁻／ｎ^＋コア-シェルナノワイヤ内でのカスケード・エキシトン・イオナイゼーションの効果を測定するために用いられた。シリコン（例えば４５０ｎｍ〜６７０ｎｍ）のバンドギャップより大きい光励起が、短絡回路構造で典型的なデバイスの光応答性を測定するために用いられた。典型的なデバイスは、他のキャリア増幅のメカニズムの可能性を除去するため、また、いかなる漏れ電流による測定誤差を取り除くため、ゼロバイアスで測定された。ナノワイヤ上に突き当たる各々の波長での光の強さは、偏光させないで、垂直な入射光の反射から修正された（図１３Ｂ）。開示されている技術の典型的なアレイされたナノワイヤデバイスと（ナノワイヤのない）平坦なデバイスの両方の特性が同じ方法で示されている（図１３Ｃ）。この特許書類の後で記述される典型的なステップの結果として、ナノワイヤの量子効率は、ナノワイヤと平坦なデバイスの幾何学的相違に基づいて、図１１Ｃに示されるように得られた。例えば、量子効率（ＱＥ）は、４８８ｎｍより長い波長に対して、１より大きいことが見出された。しかし、光学的回折と消滅しやすい結合がナノワイヤアレイ中でフォトンをトラップし得る。従って、例えば、図１１Ｃで与えられたＱＥ値は、フォトンのトラップの効果とＣＥＩの効果の両方からの寄与を含む。

フォトントラッピング効果からの寄与を得るために、例えば、典型的な実施が３次元有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションを用いて行われ、図１２Ａから１２Ｂに示されるように、ナノワイヤアレイ内の対応する電磁場分布が調査された。図１２Ａは、フォトントラッピング効果による、物理的フィルファクタに関する吸収エンハンスメントファクタのデータプロットを主たる区画に示しており、挿入図には、有限要素法（ＦＥＭ）シミュレーションに用いられた垂直ナノワイヤ構造の典型的な略図を示している。図１２Ｂは、３つの代表的な波長、４５０ｎｍ、５３２ｎｍ、および６３５ｎｍでのナノワイヤアレイについて、ｙ−ｚ平面において大きい方の横電場（｜Ｅｙ｜）の分布の典型的な線図を示している。図１２Ｃは、フォトントラッピング効果の寄与を除去した後の、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション効果だけからもたらされるナノワイヤの量子効率の典型的なデータプロットを示している。図１２Ｄは、コア-シェルシリコンナノワイヤにおけるカスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）利得の典型的なデータプロットを示している。

例えば、３次元ＦＥＭシミュレーションを用いる典型的な実施では、直径３４０ｎｍ、長さ２．５μｍのシリコンナノワイヤの無限アレイが、１μｍ×１μｍ平方の周期的境界を持ってシミュレーションにおいて用いられた。例えば、典型的なデバイスは放射状に対称なので、直線的に偏光（ｙ方向への偏光、Ｅｙ）された光が用いられ、典型的なデバイスの上面に垂直に入射した。ナノワイヤ用に波長依存の複素屈折率がＳｉについて用いられ、図１２Ａへの挿入図に図示されるように、ナノワイヤ同士の間の空間用に空気についてｎ＝１が用いられた。典型的なシミュレーションに従って、Ｓｉナノワイヤによって吸収されたパワー（Ｐ_ＮＷ）と、底部のＳｉナノワイヤ間の平らな領域によって吸収されたパワー（Ｐ_{Ｐｌａｎａｒ}）との両方が算出された。フォトントラッピング効果によるエンハンスメントファクタＥ．Ｆ．は、Ｅ．Ｆ．＝Ｐ_ＮＷ／（Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}×Ｆ．Ｆ．）として定義され、Ｆ．Ｆ．は、１μｍピッチの正方配列における直径３４０ｎｍのナノワイヤに対する、π×（０．１７）^２／１^２＝０．０９０８に等しい幾何学的フィルファクタ、そして、Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}（＝Ｐ_ＮＷ＋Ｐ_{Ｐｌａｎａｒ}）は、吸収された全光学的パワーである。測定されたスペクトル内で、２つの最大のフォトントラッピングエンハンスメントファクタが、４５０ｎｍと５３２ｎｍとにおいて（図１２Ａに示されるように）それぞれ見出された。

図１２Ｂの線図は、電界の大部分が３つの代表的な波長、例えば、４５０ｎｍ、５３２ｎｍ、および６３５ｎｍに存在するｙ−ｚ平面において大きい方の横電場（｜Ｅｙ｜）の分布を提供している。例えば、この場の分布の重要性は、ＣＥＩ効果からもたらされる波長依存の量子効率が論じられるときに、本特許書類において後で説明される。例えば、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）効果から量子効率への本来の寄与は、式：

に従って算出可能であり、η_ＮＷは真の量子効率、η_{ｐｌａｎａｒＭ}は平坦なデバイス（planar device）の測定された量子効率、η_ＮＷＭは、典型的なアレイ化されたナノワイヤデバイス（図１３Ｃ）の測定された量子効率である。先に定義されたように、Ｆ．Ｆ．およびＥ．Ｆ．は、幾何学的フィルファクタ、およびフォトントラッピング効果によるエンハンスメントファクタである。様々な波長に対するη_ＮＷの調整された値が図１２Ｃに示されている。特筆すべきは、５６０ｎｍより長い波長について量子効率が１００％を超え、６３５ｎｍにおいてほぼ２７０％となる最大の量子効率を有することである。これは、ゼロバイアス状態で起こり得る光電子増幅のための開示のカスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）テクノロジーの効果によるキャリア増殖の１つの典型的な証明である。

さらに、例えば、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション利得が、例えば、ナノワイヤのη_ＮＷとシリコンの光吸収η_Ｉｎｔ（η_Ｉｎｔ＝１−ｅ^−αＬ、αはシリコンの波長依存の吸収係数、Ｌは２．５μｍに等しいシリコンの厚さである）との比をとることによって得られた。カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）利得は図１２Ｄに示されている。典型的なデバイスは、ほぼ４．５の最大利得を示し、６３５ｎｍで飽和している。

例えば、利得が短い波長で小さくなるのは、表面再結合効果に起因しているかもしれない。例えば、図１２Ｂに示されるように、４５０ｎｍでは、大部分の光生成キャリアがナノワイヤの表面付近で生成され、表面の状態により高い表面再結合率を受けるように、電磁場は空気／ナノワイヤ界面に集められる。これは、式（Ｎ４）におけるｙ_０の低い値、および、より低い量子効率をもたらす。対照的に、例えば、６３５ｎｍ波長では、フォトンエネルギーは、ナノワイヤのコア内にあるかなりの光の断片と共に、より均等に分布している。結果として、６３５ｎｍの光によって生成される多くのキャリアは、ナノワイヤのコア内に位置し、表面の状態から離れており、そして４５０ｎｍの光によって生成されるそのようなキャリアよりも遥かに少ない表面再結合効果を受ける。これは、様々な波長でのＣＥＩ利得の様々な値を説明できる。例えば、ＣＥＩ利得における表面再結合の役割を理解することによって、様々なデバイス配列に想到することができ、最適なデバイス性能のための短い波長でのＣＥＩ利得の増加に表面不動態化技術を用いることができる。

典型的な実施形態で記載され、典型的な実施で証明されたように、充分に補償されたｐ^＋／ｎ^＋コア-シェルシリコンナノ構造を含んでいる開示のＣＥＩ技術、システム、およびデバイスは、＞１００％の量子効率を達成するために利用され得る。補償領域内のドナー−アクセプタ対は、エキシトン形成の供給源を提供する。これらのエキシトンは、その後、フォノン散乱によりイオン化され、光電流に寄与する自由電子−正孔対を生成し得る。開示のＣＥＩテクノロジーは、１つのフォトンから複数の電子−正孔対を生み出すことへの手段を提供し、光電エネルギー変換の効率を高める。例えば、ＣＥＩ効果は、シリコンの他に化合物半導体やポリマーのような多くの他の材料に用いられ得る。

本明細書で記載される典型的な実施は、次の典型的な方法を含んでいる。

典型的なデバイス製造方法。

図９Ａおよび図９Ｂに示される典型的なデバイスは、ホウ素がドープされたｐ^＋シリコン基板（ドーピング濃度〜２×１０^１９ｃｍ^−３）上で製造された。ナノワイヤは、電子ビームリソグラフィ法によりパターンを形成されたニッケル板（electron-beam lithographically patterned nickel disks）をマスクとして備え、Ｃ_４Ｆ_８およびＳＦ_６ガスを用いる誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）プロセスによりエッチングされた。ナノワイヤの形成後、ニッケルエッチング液を用いてニッケルマスクが除去された。ｎドーパントの供給源を準備するために、リン含有スピンオンドーパント（ＳＯＤ）溶液（フィルムトロニクス社）が、別のシリコンウェハー上で回転させられた。２００℃での１５分間のベーキング後、ＳＯＤにコートされたウェハーは、急速熱アニール炉（ＲＴＡ）内のナノワイヤを備えたウェハーの約１ｍｍ上方に置かれた。リン拡散プロセスは、９５０℃のＲＴＡ炉内で、リンがＳＯＤ層から蒸発してナノワイヤ内に拡散し、ナノワイヤ表面近くのｐ^＋Ｓｉをｎシェルに変える約４０秒間行われた。同時に、リン拡散の尾部（tail）はｐ^＋コアに浸透し、このようにして、カスケード・エキシトン・イオナイゼーションプロセスに必要な充分に補償されたｐ^＋／ｎ^＋コア／シェルナノワイヤを形成した。ナノワイヤの接触抵抗を減らすために、ＲＴＡアニーリングプロセスのもう１つの実行が、ＳＯＤコートされたウェハー無しで行われた。メサ（mesa）（〜３５０ｎｍの高さ）は絶縁されたナノワイヤアレイにエッチングされ、続いてＳｉＯ_２層（〜２６５ｎｍ）の堆積が行われた。最後に、上部ｎコンタクトを形成するためにＴｉ／Ａｕ（５０／２００ｎｍ）のコンタクトパッドが堆積され、そして、全てのデバイスに共有されるｐコンタクトが、シリコン基板の裏面に形成された。

典型的な（例えば常温での）光学的測定。

本開示のテクノロジーの典型的なシリコンナノワイヤデバイス、および、平坦なデバイスは、６００ｇ／ｍｍ回折格子を有する自作の光学的モノクロメータを用いて光学的に励起された。繊維を束ねたハロゲンランプ（fiber bundled halogen lamp）が光源に用いられた。各特定の波長の半値全幅（ＦＷＨＭ）は１０ｎｍであり、スペクトルアナライザ（オーシャンオプティクス社製ＨＲ−２０００）を用いた測定で正しいことが確かめられた。（デバイスのサイズよりも大きいスポットサイズを有する）光は、一連の光学的素子を通る伝導の後、デバイスの上部に垂直に向けられた。入射光のパワーは、調整されたパワーメータ（ニューポート社製１８３０−Ｃ）で測定された。光の強度のプロファイル、および試料に衝突する全光学的パワーは、調整された検出器およびＸ−Ｙ移動ステージを用いて測定された。典型的な装置は、２つのコンタクト間にバイアスが印加されない短絡回路状に接続され、光電流は半導体パラメーターアナライザ（アジレント社４１５５−Ｂ）を用いて測定された。最後に、各デバイスの量子効率がナノワイヤ−空気界面での反射を考慮しながら算出された。

典型的なデバイス特性評価および反射分光法測定値

図１３Ａは、主たる区画に、光照射の無い中でのナノワイヤデバイスの典型的な電気的特性のデータプロット（例えば、片対数プロット）を示し、挿入図には、電流−電圧特性のリニアプロットを示している。図１３Ｂは、ナノワイヤおよび平坦なデバイス両方の反射分光の典型的なデータプロットを示している。例えば、入射光の波長の関数として、ナノワイヤデバイスの反射は、常に、平坦なデバイスの反射よりもかなり小さく、フォトントラッピング効果を示している。図１３Ｃは、典型的なアレイ化されたナノワイヤデバイスおよび典型的な平坦なデバイスの典型的な量子効率のプロットを示している。

図１３Ａは、この典型的な特性評価の実施に用いられたナノワイヤデバイスの暗電流−電圧特性を示している。典型的なデバイスは、代表的なｐ−ｎ接合の整流作用を示している。

反射分光法は、反射または散乱することなく実際にデバイスに入った光の量を決定するために用いられた。典型的なナノワイヤデバイスは、１μｍのピッチを有する正方形のナノワイヤアレイ（３０×３０）を含んでいる。典型的なナノワイヤアレイは、３５μｍ×４６μｍのシリコンメサ上に位置させられた。反射分光法に用いられる入射光は、ナノワイヤアレイの中心上に、ほぼ１０μｍのビームスポットで焦点を合わされた。平坦なデバイスの反射スペクトルもまた、同様の実験装置で測定された。様々な波長での反射スペクトルが図１３Ｂに示されている。ナノワイヤデバイスからの低い反射は、フォトントラッピング効果がナノワイヤアレイに生じていることを示唆している。約５２５ｎｍでのスペクトルの低下は、図１２Ａにおける算出された共振と一致している。

反射測定値からのデータに基づいて、吸収される光の正確な量がわかるのでナノワイヤデバイスおよび平坦なデバイス両方の光応答性が得られ得る。図１３Ｃは、ナノワイヤデバイスおよび平坦なデバイス両方についての波長依存の量子効率値を示している。

典型的なナノワイヤデバイスもまた、メサの上に平坦な領域を包含しているので、正味の光応答は、ナノワイヤから、および、平坦な領域からの応答を含んでいる。次の手順がさらに用いられ、図１３Ｃに示されるデータから真のナノワイヤの光応答が得られた。吸収された光の全パワーとしてＰが、得られるナノワイヤの応答性としてＲ_ＮＷが、平坦なデバイスの測定された値としてＲ_{ＰｌａｎａｒＭ}が、そして、ナノワイヤと平坦な領域とを包含するナノワイヤデバイスの測定された応答性としてＲ_ＮＷＭが、それぞれ定義される。他の有用なパラメータは、Ｆ．Ｆ．：ナノワイヤのフィルファクタ、および、Ｅ．Ｆ．−フォトントラッピング効果による特定の波長でのエンハンスメントファクタを含んでいる。従って、次の関係が、ナノワイヤの応答性を取り出すために適用され得る。

ナノワイヤの応答性は、

で表され得る。

η_ＮＷ＝ｈｖ／ｑＲ_ＮＷの関係を用いてナノワイヤの量子効率が取り出されることが可能であり、図１２Ｃに示されている。

カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（式（Ｎ４））からの量子効率の導出。

以下において、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション効果による量子効率の分析的な式が得られる。

図１４は、ｐコア上またはｎシェル上いずれかでの１つのフォトンの入射から始まるカスケード・エキシトン・イオナイゼーションプロセスによる典型的なキャリア増殖を説明する概略図を示している。図１４の概略図は、光生成１次電子−正孔対が、どのようにカスケードイオナイゼーションプロセスを起こすかを示している。図１４では、各電子および正孔は、それらの生成の由来に従って符号が付けられている。例えば、「０」は、フォトンの吸収により生成される１次電子および正孔を示すために用いられている。ｉ_ｔｈホット電子／正孔が他の自由電子−正孔対を生み出し得る確率は、Ｘ_ｉ／Ｙ_ｉとして定義される。

Ｘ_ｉ／Ｙ_ｉの値は、０と１との間であり、次の関係に従っている。

一方、Ｘ_０／Ｙ_０は、１次自由電子／正孔が、２次自由電子−正孔対を励起する確率を示している。１次自由電子／正孔がフォトンの吸収から生成されるので、自由電子／正孔の次世代の生成と異なり、それらの値は入ってくるフォトンのエネルギー、光吸収の位置などに依存しているかもしれない。そのため、ｐコアにおいて１つのフォトンの吸収から生成される電子−正孔対の総数は、

で表され得る。ここで、Ｆ_Ｃは、ｐコアで吸収される、入ってくるフォトンの確率である。（ＮＳ−３）および（ＮＳ−４）の関係を用いて、（ＮＳ−５）を

に簡略化できる。

同様に、ｎシェルでの１つのフォトンの吸収による電子−正孔対の総数は、

で表される。ここで、Ｆ_Ｓは、ｎシェルで吸収されるフォトンの確率である。また、（ＮＳ−３）および（ＮＳ−４）の関係を用いて、

が得られる。

最終的に、全体の量子効率は、

として示され得る。

Ｆ_Ｃ＝Ｆ_Ｓ＝０．５（コア領域とシェル領域とで吸収される光の確率が等しい）と仮定したときのＣＥＩ量子効率が、ｘ_０およびｙ_０をパラメータとして用いて、ｘおよびｙの関数として図１５Ａおよび図１５Ｂにプロットされている。計算上、簡潔さのために、さらにｘ＝ｙおよびｘ_０＝ｙ_０と仮定されている。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、ＤＡＰ励起の確率、および、ホット電子または正孔による電離の確率の関数として、典型的な量子効率のデータプロットを示している。図１５Ａのデータプロットは、ｘ_０＝ｙ_０＝０．１（波形１５１１）、ｘ_０＝ｙ_０＝０．３（波形１５１２）、ｘ_０＝ｙ_０＝０．５（波形１５１３）、および、ｘ_０＝ｙ_０＝０．７（波形１５１４）のときの、０から１まで変化するｘ／ｙの値に対する片対数目盛上のプロットを示している。図１５Ｂのデータプロットは、ｘ_０＝ｙ_０＝０．１（波形１５２１）、ｘ_０＝ｙ_０＝０．３（波形１５２２）、ｘ_０＝ｙ_０＝０．５（波形１５２３）、および、ｘ_０＝ｙ_０＝０．７（波形１５２４）のときの、０から０．５まで変化するｘ／ｙの値に対するリニア目盛上のプロットを示している。

本開示のデバイス、システム、および技術は、新しいＣＥＩ物理メカニズムを用いる信号増幅のために実施され得る。本開示テクノロジーのＣＥＩ効果は、アバランシェプロセスよりも非常に低い印加電圧で生じる。また、非常に重要なことに、それは極めて低い過剰雑音を生成する。過剰雑音は、あらゆる信号検出システムにとって達成可能な感度に対する制限要素であり、雑音は利得と関連する。典型的なＣＥＩ効果からもたらされる過剰雑音を算出するために、典型的な分析モデルが本明細書において説明され、典型的な結果は、モンテカルロシミュレーション（Monte Carlo simulation）によって正しさを確かめられる。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、典型的なナノワイヤカスケード・エキシトン・イオナイゼーションデバイスの典型的なノイズ分析プロットを示している。図１６Ａのプロットは、典型的なナノワイヤＣＥＩデバイスの量子効率（増殖）の関数として、典型的な分析モデルによって算出された過剰雑音指数（赤、プロット１６１１）およびモンテカルロシミュレーション（スター「＊」記号）を示している。また、様々な正孔／電子イオナイゼーション比に対する過剰雑音対アバランシェ増倍が、図１６Ａにプロットされている。例えば、緑の曲線１６１２（ｋ＝０）は、「理想的な」アバランシェ検出器の特性を描いており、アバランシェ増倍の「量子限界」を参照している。例えば、ピンクの曲線１６１３（ｋ＝０．１）および黒の曲線１６１４（ｋ＝０．５）は、イオナイゼーション率の異なる比率に対するアバランシェ検出器の特性を描いている。

図１６Ａは、ＣＥＩ効果によって生じる増殖要素、および、イオナイゼーション率の様々な比率（例えば、ｋ＝α_ｐ／α_ｎ＝０、０．１、および０．５）でのアバランシェ増倍への、過剰雑音指数の依存性を示している。例えば、データプロットに示されるように、ＣＥＩ効果からの過剰雑音指数は、アバランシェメカニズムのそれよりもかなり下で、「理想的な」アバランシェ検出器（すなわち、ｋ＝０）の量子限界よりも、なお低い。典型的な結果は、ＣＥＩ効果に基づく受光器が、従来のアバランシェ光検出器（ＡＰＤ）レシーバよりも高い感度に達することが潜在的に可能であることを示唆している。典型的なナノワイヤＣＥＩデバイスは、実際は実世界に存在しない「理想的なＡＰＤ」の理論上の限界、２よりも低い過剰雑音指数を生じている。

図１６Ｂは、典型的にモンテカルロ法によりシミュレートされた平均増殖値１００でのＣＥＩ利得分布のヒストグラムを示している。例えば、典型的なモンテカルロシミュレーションは、分析モデルが正しいことを確かめ、ＣＥＩ利得分布のヒストグラムを生成するために実行される。図１６Ｂの典型的なプロットに示されるように、モンテカルロは、ＣＥＩ利得の平均値を１００として、ＣＥＩ増殖の分布をシミュレートした。典型的な結果は、アバランシェ増倍より狭い利得分布を示している。

如何なる増幅プロセスも過剰雑音をもたらすこととなり、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション効果について例外はない。以下において、ＣＥＩデバイスについての過剰雑音の分析モデルが発展させられる。式（ＮＳ−５）を例として用いると、コア領域での量子効率は、

に書き換えられ得る。

式（ＮＳ−１０）は確率変数であることが注目される。過剰雑音を計算するために、確率変数の平均および偏差の両方が算出される必要がある。η_ｃｏｒｅの平均は、

として示され得る。

例えば、＜(１＋Ｘ_０)Ｘ_０Ｙ_１＞＝２ｘ_０ｙおよび＜(１＋Ｘ_０)^２＞＝１＋３ｘ_０の関係を用いて、さらに、

が得られ、ここで、

および、

である。

Ｉ_２は、Ｉ_２＝Ｉ_２１＋Ｉ_２２：

に分割することが可能で、Ｉ_２１は、ｊ＜ｉの二重総和内の全ての項を含み、Ｉ_２２は、ｉ＜ｊの二重総和内の全ての項を含んでいる。添え字ｉおよびｊは同一の役割を果たすので、I_２１はＩ_２２に等しい。

結果として、


を得る。

式（１２）、（１３）および（１８）から、

が得られる。

同様に、シェル領域において、

が得られる。

また、

である。

式（ＮＳ−１９）〜（ＮＳ−２４）から、ＣＥＩ増殖プロセスと関連する過剰雑音指数は、例えば、

で算出され得る。

典型的な分析モデルが正しいことを確かめるために、典型的なモンテカルロシミュレーションが、例えば、式（ＮＳ−２６）を用いて行われ、全てのＸ_ｉおよびＹ_ｉは、帰属確率（assigned probabilities）により０または１の可能値を持つ独立確率変数と見做された。例えば、総数１０，０００の試行が、量子効率（増殖）および雑音指数の平均値を得るために用いられた

図１７Ａおよび図１７Ｂは、それぞれ、例えば、２．０および２０．０の量子効率（増殖）の平均値に対応する、ｐ＝０．５（図１７Ａ）およびｐ＝０．９５（図１７Ｂ）のｅ−ｈ対生成確率を持つ典型的な量子効率分布のヒストグラムプロットを示している。図１７Ａおよび図１７Ｂのヒストグラムに示されるように、量子効率分布は、Ｘ_ｉ（Ｙ_ｉ）の平均値で示される。平均利得と利得の広がりとの両方が、Ｘ_ｉ（Ｙ_ｉ）の平均値と共に増大している。典型的なシミュレーション結果は、分析的モデルからの典型的な結果により優れた一致を示した。

本特許書類は多くの特定を含んでいるが、これらは、如何なる発明または特許請求されるものの範囲においても限定として解釈されるべきではなく、むしろ、個々の発明の個々の実施形態特有であってよい特徴の記載と解釈されるべきである。また、個々の実施形態の文脈において本特許書類に記載されている或る特徴は、単一の実施形態において組み合わせて実施されてもよい。反対に、１つの実施形態の文脈において記載されている様々な特徴は、複数の実施形態において別々に、または、適切な部分的組み合わせにおいて実施されてもよい。また、特徴は、或る組み合わせにおける作用として上述され、初めはそのまま特許請求されるかもしれないが、特許請求された組合せからの１またはそれ以上の特徴は、いくつかの場合に、その組み合わせから削除されてもよく、また、特許請求された組合せが、部分的な組み合わせ、もしくは部分的な組み合わせの変形物に向けられてもよい。

同様に、操作は、特定の順で図内に描かれているが、これは、望ましい結果に達するために、示された特定の順もしくは順番にこのような操作が行われる、または、説明された全ての操作が行われることを必要としていると理解されるべきでない。また、本特許書類において記載された実施形態における様々なシステム構成要素の分離は、全ての実施形態においてそのような分離を必要としていると理解されるべきではない。

本特許書類には、少しの実施および例が記載されているに過ぎず、記載および説明されていることに基づいて、他の実施、拡張、および変更が為され得る。

Claims (35)

1. 第１領域および第２領域を含むドープされた半導体材料からなる基板、
   前記基板の第１領域から突出する多層ナノ構造のアレイであって、第２のコドープされた半導体材料の層によりカバーされる第１のコドープされた半導体材料からなるコア-シェル構造を形成し、該層は、前記基板のドープされた半導体材料の前記第２領域の少なくとも一部をカバーする多層ナノ構造のアレイ、および
   前記基板の第２領域の前記層でカバーされた部分上に形成される電極
   を有し、前記多層ナノ構造が、１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収する光活性領域を与え、前記電極で電気信号を生成するように構成されている光電エネルギー変換デバイス。
2. 前記ドープされた半導体材料は、ｐ型シリコンを含む請求項１記載のデバイス。
3. 電気絶縁材料からなり、前記多層ナノスケール構造のアレイと反対側の前記基板の側に結合された基板ベースをさらに有する請求項１記載のデバイス。
4. 前記第１のコドープされた半導体材料はｐ^＋／ｎ型半導体材料を含み、前記ｐ^＋／ｎ型半導体材料は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含み、前記アクセプタの濃度は前記ドナーの濃度より大きい請求１記載のデバイス。
5. 前記第２のコドープされた半導体材料はｎ^＋／ｐ型半導体材料を含み、前記ｎ^＋／ｐ型半導体材料は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含み、前記ドナーの濃度は前記アクセプタの濃度より大きい請求１記載のデバイス。
6. 前記第１および第２のコドープされた半導体材料は、実質的に１×１０^１９ｃｍ^-３のオーダの濃度レベルのドーパントを含んでいる請求項１記載のデバイス。
7. 前記電極がｎ型半導体材料を含む請求項１記載のデバイス。
8. 前記１またはそれ以上の波長が６３０ｎｍ波長を含み、６３０ｎｍの波長での１個の赤色フォトンの吸収が、電気信号を発生する４個の電子−正孔対を生成する請求項１記載のデバイス。
9. 前記１またはそれ以上の波長は、Ｓｉの１.１２ｅＶのバンドギャップエネルギーを超えるエネルギー有する可視光の波長を含む請求項１記載のデバイス。
10. 前記多層ナノ構造のアレイは、ワイヤ状構造、壁状構造、またはワッフル状構造の１以上を含む幾何学的構造を有するように構成されている請求項１記載のデバイス。
11. 前記多層ナノ構造のアレイは、実質的に３００ｎｍの直径で、実質的に２５００ｎｍの高さを有するナノワイヤを含む請求項１０記載のデバイス。
12. 前記デバイスが、２.０より小さい過剰雑音指数を発生する請求項１記載のデバイス。
13. 第１領域および第２領域を含み、ドープされたシリコン材料からなる基板、
    前記基板の第１領域から突出する多層ナノワイヤ構造のアレイであって、第２のコドープされたシリコン材料の層によりカバーされる第１のコドープされたシリコン材料からなるコア-シェル構造を形成し、該層は、前記基板の前記第２領域の少なくとも一部をカバーしており、前記第１および第２のコドープされたシリコン材料が電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントを含み、前記第１のコドープされたシリコン材料は、電子アクセプタまたは電子ドナーのドーパントの一方のタイプのドーパントであって、その濃度が他方のタイプのドーパントの濃度より多く含んでおり、前記第２のコドープされたシリコン材料は前記一方のタイプのドーパントより他方のタイプのドーパントがより大きな濃度を含んでいる多層ナノワイヤ構造のアレイ、および
    前記基板の第２領域の前記層でカバーされた部分上に形成される電極
    を含み、前記多層ナノ構造が、１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収する活性領域を与え、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）機構により、前記電極で電気信号を生成するように構成されている光電エネルギー変換デバイス。
14. 前記ドープされたシリコン材料が、ｐ型シリコンを含む請求項１３記載のデバイス。
15. 電気絶縁材料からなり、前記多層ナノスケール構造のアレイと反対側の前記基板の側に結合された基板ベースをさらに有する請求項１３記載のデバイス。
16. 前記第１のコドープされたシリコン材料は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含むｐ^＋／ｎ型シリコン材料を含み、前記アクセプタの濃度は前記ドナーの濃度より大きい請求１３記載のデバイス。
17. 前記第２のコドープされたシリコン材料は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含むｎ^＋／ｐ型シリコン材料を含み、前記ドナーの濃度は前記アクセプタの濃度より大きい請求１３記載のデバイス。
18. 前記光電エネルギー変換デバイスが太陽電池デバイスに含まれている請求項１３記載のデバイス。
19. 前記デバイスが、２.０より小さい過剰雑音指数を発生する請求項１３記載のデバイス。
20. 第２のコドープされた半導体材料層によりカバーされた第１のコドープされた半導体材料からなる多層ナノ構造のアレイにより少なくとも部分的にカバーされるドープされた半導体基板を含むように構成された表面で光を受光し、
    前記受光した光を、前記多層ナノ構造のアレイでカスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）機構により、前記表面の前記ドープされた半導体基板の電極で提供される電気信号に変換し、
    前記電気信号を電気回路に伝導する
    ことを含む光エネルギーを電気エネルギーに変換する方法。
21. 前記受光した光が、６３０ｎｍの波長を含む１またはそれ以上の波長を含み、前記６３０ｎｍの波長で受光した光を変換することが、少なくとも４個の電子−正孔対を生成し、前記電気信号を発生させることである請求項２０記載の方法。
22. 前記第１のコドープされたシリコン材料が、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含むｐ^＋／ｎ型シリコン材料を含み、前記アクセプタの濃度は前記ドナーの濃度より大きく、かつ、
    前記第２のコドープされたシリコン材料は、電子アクセプタおよび電子ドナーの両方のドーパントを含むｎ^＋／ｐ型シリコン材料を含み、前記ドナーの濃度は前記アクセプタの濃度より大きい請求項２０記載の方法。
23. 前記多層ナノ構造のアレイが、ナノワイヤ構造、ナノ壁構造、またはナノワッフル構造の１つの幾何学構造を含む請求項２０記載の方法。
24. 前記光は太陽光を含み、前記電気回路は、前記方法により電気エネルギーに変換された光エネルギーにより、少なくとも部分的に動力を与えられたデバイス内に含まれている請求項２０記載の方法。
25. 前記電気信号が、２.０より小さい過剰雑音指数を示す請求項２０記載の方法。
26. ドープされた半導体材料からなり、電子アクセプタまたは電子ドナーのドーパントの一方のタイプのドーパントを含む第１ドーパントの少なくとも１０^１８ｃｍ^−３のドーピング濃度を含む基板の第１領域内にナノ構造のアレイを形成し、
    前記ナノ構造のアレイの上に１つの層を形成するため、前記第１領域上に、電子アクセプタドーパントまたは電子ドナードーパントの前記第１ドーパントとは異なる他方のタイプを含む第２ドーパントを含むドーパント材料を堆積し、
    （ｉ）ナノ構造のアレイのドープされた半導体材料を、電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントの両方を含み、一方のタイプのドーパントをより大きな濃度で有する第１のコドープされた半導体材料に変換し、かつ、（ii）前記ナノ構造のアレイの上の前記層の堆積された材料を、前記電子アクセプタドーパントおよび前記電子ドナードーパントの両方を含み、前記一方のタイプのドーパントとは異なる他方のタイプのドーパントをより大きい濃度で有する第２のコドープされた半導体材料に変換し、
    これにより、１またはそれ以上の波長の光からフォトンを吸収し、カスケード・エキシトン・イオナイゼーション（ＣＥＩ）機構により電気信号を発生させることが可能な前記第１のコドープされた半導体材料と前記第２のコドープされた半導体材料のコア／シェル構造をそれぞれ生成するシングル接合型の光電エネルギーの変換デバイスを製造する方法。
27. 前記形成が、前記基板からマスクに基づいたパターンに前記ナノ構造をエッチングすることを含む請求項２６記載の方法。
28. 前記エッチングは、電子ビームリソグラフィ的にパターン形成されたニッケル板をマスクとして用い、Ｃ_４Ｆ_８とＳＦ_６ガスを用いた誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセスを含む請求項２７記載の方法。
29. 前記ドーパント材料を堆積する工程を、
    第２基板上にドーパント液をコーティングし、
    前記第２基板上のコートされたドーパント液をベーキングし、
    前記ナノ構造のアレイの上に前記層を形成するため、前記第２ドーパントを蒸発させるための加熱をすることにより、前記第２ドーパントを前記第２基板から前記基板の前記第１領域に移す
    ことにより行う請求項２６記載の方法。
30. 前記堆積が、前記第１領域外の前記基板のドープされた半導体材料の少なくとも一部をカバーする層を含む請求項２６記載の方法。
31. 前記変換が、電子アクセプタドーパントおよび電子ドナードーパントの拡散プロセスを制御する時間中熱処理をすることを含む請求項２６記載の方法。
32. 前記基板の前記第１領域上に電気伝導性材料のコンタクトパッドを形成する工程をさらに有する請求項２６記載の方法。
33. 第１領域および第２領域を含み、ドープされたシリコン材料からなる基板、
    前記基板の第１領域内に形成され、前記第１領域から突出するナノワイヤ構造のアレイであって、前記ナノワイヤ構造のそれぞれが、コアとしての第１のコドープされたシリコン材料と、前記コアおよび前記半導体基板の前記第２領域の少なくとも一部をカバーし、第２のコドープされたシリコン材料のシェル層とを含み、前記第１のコドープされたシリコン材料の前記コアと前記第２のコドープされたシリコン材料の前記シェル層が、ｐ−ｎまたはｎ−ｐの界面を形成し、光を電流に変換するナノワイヤ構造のアレイ、および
    前記ナノワイヤ構造に結合され、前記デバイスの電気的出力として、前記ナノワイヤ構造内で受光した光の吸収から生成される電流を導く電極
    を含み、前記第１および第２のコドープされたシリコン材料は、前記第１および第２のコドープされたシリコン材料の全部に第１タイプのキャリアと第２タイプのキャリアの両方でドープされており、前記第１のコドープされたシリコン材料は前記第２タイプのキャリアの濃度より大きい前記第１タイプのキャリアの濃度を含み、前記第２のコドープされたシリコン材料は前記第１タイプのキャリアの濃度より大きい前記第２タイプのキャリアの濃度を含み、
    前記第１タイプのキャリアはｎ型およびｐ型の１つであり、前記第２タイプのキャリアは前記ｎ型およびｐ型のキャリアの他方の１つである光電エネルギー変換デバイス。
34. 前記ナノワイヤ構造のアレイが、２９％より高い光電変換効率を示すように構成されている請求項３３記載のデバイス。
35. 前記ナノワイヤ構造のアレイが、ほぼ４８％の光電変換効率を示すように構成されている請求項３３記載のデバイス。