JP4325155B2

JP4325155B2 - 光電変換素子

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Publication number: JP4325155B2
Application number: JP2002236566A
Authority: JP
Inventors: 知理長島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: JP2004079709A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子に関し、より詳細には、熱光発電に好適な光電変換素子（光電池）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化石燃料や可燃性ガスから直接に電気エネルギーを得る技術として、熱光起電力変換(thermophotovoltaic energy conversion)による発電すなわち熱光発電（ＴＰＶ）が注目されている。ＴＰＶのしくみは、熱源からの燃焼熱を発光体（輻射体、エミッタ）に与えることにより、その発光体より輻射光を発生させ、その光を光電変換素子（太陽電池）に照射して電気エネルギーを得るというものである。ＴＰＶシステムは、可動部分を有しないため、低騒音・低振動システムを実現することができる。次世代のエネルギー源として、ＴＰＶは、クリーン性、静粛性などの点で優れている。
【０００３】
ＴＰＶでは、温度１０００〜１７００°Ｃの発光体から得られる赤外光が用いられる。その発光体から輻射される波長１．４〜１．７μｍの光を電気に変換するためには、バンドギャップ（Ｅｇ）の小さい材料で作製した光電変換素子を用いる必要がある。一般的な材料であるＳｉ（シリコン）は、１．１μｍ以下の波長の光しか電気に変換することができないため、利用することができない。
【０００４】
ＴＰＶシステム用の光電変換素子としては、０．５〜０．７ｅＶのバンドギャップ（Ｅｇ）を有する材料が適している。代表的な材料としてＧａＳｂ（ガリウムアンチモン，Ｅｇ＝０．７２ｅＶ）、ＧａＩｎＡｓ（ガリウムインジウム砒素，Ｅｇ＝０．６０〜１．０ｅＶ）、Ｇｅ（ゲルマニウム，Ｅｇ＝０．６６ｅＶ）等が挙げられる。なお、光エネルギーの波長分布及びＧｅが吸収する波長範囲が図１に示される。
【０００５】
ＴＰＶのエネルギー効率を高め、高価な光電変換素子の使用量を減らして、コストを低減する方法として、発光体から発生する光の強度を増加させる方法がある。光強度を１００倍にすると、光電変換素子の使用量は１／１００となり、コストを大幅に低減することができ、またエネルギー変換効率も向上する。
【０００６】
その場合、発生する電流が増大するため、従来型の光電変換素子では、抵抗損失を減少させるべく受光面側の電極の面積を大幅に増加させる必要がある。しかし、受光面側の電極の面積が増加すると、光電変換素子に入射する光の量が減少することとなり、光強度の増加を活かすことができないという弊害が生ずる。
【０００７】
一方、受光面側に電極を有しない裏面電極型という構造があり、集光型発電システムに用いられている。しかし、この裏面電極型は、キャリアの拡散長が大きい間接遷移型材料でしか成立せず、実際にはＳｉでのみ成立している。間接遷移型でかつバンドギャップが小さい材料としてＧｅ（ゲルマニウム）がある。現在のところ、材料としてＧｅを用いるとともに電極構造として裏面電極型を採用した光電変換素子は実用化されていない。
【０００８】
そこで、本願出願人は、例えば、先にした特願２００１−１７３０１７号の願書に添付した明細書又は図面において、ＴＰＶ装置に適したＧｅを使用して裏面電極型光電変換素子を成立させるため、表面でのキャリアの再結合損失を大幅に減少させることが可能な素子構造を既に提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ｇｅ裏面電極型光電変換素子は、赤外光を用いるＴＰＶシステムに極めて適した構造を有するが、図１に示されるように、Ｇｅでは原理上、波長１９００ｎｍ以上の赤外光を全く電気エネルギーに変換することができない。長波長光用セルの材料としては、Ｇｅよりさらにバンドギャップの小さい、ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＧａＩｎＡｓ等がある。しかし、バンドギャップが小さいことから、電圧損失が大きくなり、これらの材料では高性能な素子を作製することができない。
【００１０】
電圧損失なく長波長光を変換することができる素子構造として、量子井戸構造を有する光電変換素子が提案され、その開発が進められている。その素子構造は、特開平１１−２２０１５０号公報等に示されるように、素子全面にわたりｐ（ｐ⁺）層とｎ（ｎ⁺）層との間に量子井戸層や量子ドットを設ける構造であり、裏面電極型光電変換素子に利用することができない。というのも、裏面電極型光電変換素子では、従来構造の光電変換素子と、ｐ層及びｎ層の配置、素子内部の電界等が異なるためである。また、提案されている量子井戸光電変換素子の構造では、量子井戸層以外で発生したキャリアが量子井戸層を通過する必要があり、再結合損失が増加するため、量子井戸層の効果を十分に活かすことができないという問題がある。
【００１１】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｇｅ裏面電極型光電変換素子に量子井戸構造を適用し、Ｇｅ裏面電極型の優れた特性を活かしつつＧｅでは吸収することができない長波長光からも電力を得ることを可能とした光電変換素子を提供することにある。また、本発明の目的は、従来の量子井戸光電変換素子に比較して井戸層内の電荷を有効に取り出すことができる素子構造を備えた裏面電極型光電変換素子を提供することにある。さらに、本発明の目的は、量子井戸層以外で発生したキャリアが量子井戸層を通過することなく電極まで移動することができる素子構造を備え、短波長側の感度減少を最小限に抑制しつつ量子井戸層による長波長感度を増加させることができる裏面電極型光電変換素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の面によれば、IV属材料を主成分とする半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を備えた裏面電極型の光電変換素子において、基板裏面側のｐｎ接合部を構成するｐ層とｎ層との間に量子井戸部を設けたことを特徴とする光電変換素子が提供される。この光電変換素子においては、量子井戸部により長波長光が吸収されるため、変換効率が向上する。
【００１３】
また、本発明の第２の面によれば、前記本発明の第１の面による光電変換素子において、前記量子井戸部は井戸層と壁層とを交互に積層した構造を有し、前記壁層は前記半導体基板のバンドギャップと異なるバンドギャップを有する。かかる構成により、量子井戸部外で発生したキャリアの再結合損失が減少する。
【００１４】
また、本発明の第３の面によれば、IV属材料を主成分とする半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を備えた裏面電極型の光電変換素子において、基板裏面側を、入射光を多重反射させる凹凸形状に形成したことを特徴とする光電変換素子が提供される。この光電変換素子においては、凹凸により入射光が素子内部で多重反射し、光吸収量が増加する。
【００１５】
また、本発明の第４の面によれば、前記本発明の第１の面による光電変換素子において、前記量子井戸部は、壁層に複数の量子細線又は量子ドットが埋め込まれた構造を有する。かかる構成により、キャリアの自由度が減少し、再結合損失が減少する。
【００１６】
また、本発明の第５の面によれば、IV属材料を主成分とする半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を備えた裏面電極型の光電変換素子において、前記半導体層であるｐ⁺層とｎ⁺層との間に挟み込まれた構造を有する量子井戸部を設けたことを特徴とする光電変換素子が提供される。この光電変換素子においては、量子井戸部により長波長光が吸収されるため、変換効率が向上する。
【００１７】
また、本発明の第６の面によれば、前記本発明の第５の面による光電変換素子において、前記ｐ⁺層と前記ｎ⁺層とは、前記量子井戸部又は前記半導体基板を介してのみ接続される。かかる構成により、電流密度が増加し、変換効率が向上する。
【００１８】
また、本発明の第７の面によれば、前記本発明の第５の面による光電変換素子において、前記量子井戸部は、壁層に複数の量子細線又は量子ドットが埋め込まれた構造を有する。かかる構成により、キャリアの自由度が減少し、再結合損失が減少する。
【００１９】
また、本発明の第８の面によれば、前記本発明の第５の面による光電変換素子において、前記ｐ⁺層及び前記ｎ⁺層の前記電極に接続する部分にそれぞれ高濃度ｐ⁺層部及び高濃度ｎ⁺層部が設けられる。かかる構成により、電流密度が増加し、変換効率が向上する。
【００２０】
また、本発明の第９の面によれば、前記本発明の第５の面による光電変換素子において、前記量子井戸部が複数段設けられる。かかる構成により、長波長光の吸収がさらに可能となる。
【００２１】
また、本発明の第１０の面によれば、前記本発明の第９の面による光電変換素子において、前記ｐ⁺層と前記ｎ⁺層とは、前記複数段の量子井戸部又は前記半導体基板を介してのみ接続される。かかる構成により、電流密度が増加し、変換効率が向上する。
【００２２】
また、本発明の第１１の面によれば、前記本発明の第９の面による光電変換素子において、前記複数段の量子井戸部の全て又は一部は、壁層に複数の量子細線又は量子ドットが埋め込まれた構造を有する。かかる構成により、キャリアの自由度が減少し、再結合損失が減少する。
【００２３】
また、本発明の第１２の面によれば、前記本発明の第９の面による光電変換素子において、前記ｐ⁺層及び前記ｎ⁺層の前記電極に接続する部分にそれぞれ高濃度ｐ⁺層部及び高濃度ｎ⁺層部が設けられる。かかる構成により、電流密度が増加し、変換効率が向上する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、その前に、図２を用いて量子井戸について簡単に説明する。図２(a)に示されるように、バンドギャップ（Ｅｇ）が異なる半導体材料を接合すると、電子を閉じ込めることが可能となる。そして、図２(b)に示されるように、バンドギャップ（Ｅｇ）の小さい半導体層の厚みがおよそ２０ｎｍ以下になると、量子井戸と呼ばれるものとなる。光電変換素子において、そのｐｎ接合部を構成するｐ層とｎ層との間に量子井戸を設けると、従来利用することができなかった波長の光が量子井戸で吸収されるようになる。
【００２５】
図３は、本発明による光電変換素子の第１実施形態を示す断面図である。まず、図３に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、反射防止膜２０は、光反射損失を減少させるために設けられた多層光学薄膜である。受光面側（上部）ｎ⁺層３０は、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面の再結合損失を減少させる半導体層（拡散層）である。半導体基板４０は、ライフタイムの大きいIV族元素（Ｓｉ，Ｇｅ）を主成分とする。量子井戸部５０は、図４に示されるように、井戸層５０ａと壁層５０ｂとを交互に積層した構造を有する多層量子井戸層である。
【００２６】
裏面側（下部）ｐ⁺層６０及びｎ⁺層６２は、半導体基板４０で発生した正孔及び電子を分離し、電極へと収集する半導体層（拡散層）である。保護膜７０は、半導体層の保護と、ｐ⁺層６０及びｎ⁺層６２にそれぞれ接続する＋電極８０及び−電極８２の絶縁分離とを行う。それらの電極８０及び８２は、半導体層で生成されたキャリアを電流として取り出す。なお、ｎ型基板を用いその受光面側にｎ⁺層を設けた構成を示したが、ｐ型基板を用いその受光面側にｐ⁺層を設けた構成とすることもできる。
【００２７】
図３及び図４に示される基本的構成を備えた光電変換素子の作用について説明すると、量子井戸部（多層量子井戸層）５０により、従来、吸収することができなかった長波長光を吸収し、発生するキャリア密度を増加させることが可能となる。また、ｐ⁺層６０と半導体基板４０のｎ層との間、即ち基板裏面側のｐｎ接合部を構成するｐ層とｎ層との間に、量子井戸層が設けられているため、井戸層内のキャリアを取り出す確率を増加させることができる。これは、ｐｎ接合部の内部電界が大きく、移動中のキャリアの再結合損失を減少させることができるためである。
【００２８】
かくして、図３に示される光電変換素子によれば、発生電流が増加し、変換効率を向上させることができる。その結果、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００２９】
ここで、図３及び図４に基づく具体的構造（材料構成）について説明すると、反射防止膜２０は、ＳｉＯ₂ ，ＴｉＯ₂ 等による積層膜である。受光面側ｎ⁺層３０は、表面キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、拡散深さ０．５μｍを有する。ｎ型IV族基板４０は、厚み１５０μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3を有するｎ型の結晶性Ｇｅである。量子井戸部５０は量子井戸層を積層したものであり、井戸層５０ａは厚み１０ｎｍのＧａＩｎＡｓからなり、壁層５０ｂは厚み２０ｎｍのＧｅからなり、積層サイクルは２５である。
【００３０】
裏面側（下部）ｐ⁺層６０は、表面キャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3、拡散深さ１．５μｍを有し、裏面側ｎ⁺層６２は、表面キャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3、拡散深さ１．５μｍを有する。また、保護膜７０はＳｉＮｘからなり、電極８０及び８２にはＡｌ，Ｔｉ等が用いられる。井戸層５０ａとしてＧａＩｎＡｓを用いたが、これに限定されるものではなく、ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等を用いることができる。
【００３１】
上述した具体的構造による効果について、図５を用いて説明する。図５は、量子効率と光波長との関係を示すものである。同図に示されるように、量子井戸部（量子井戸層）が無いＧｅ裏面電極型では、波長１８００ｎｍ以上において量子効率が極めて小さいが、井戸層を設けることにより、この領域において量子効率を得ることができる。この結果、電流密度が増加し、変換効率を向上させることができる。
【００３２】
次に、本発明による光電変換素子の第２実施形態について説明する。この実施形態は、図４における量子井戸層における壁層５０ｂに、基板のバンドギャップと異なるバンドギャップを有し且つ井戸層との応力歪みをバランスさせる材料を用いることにより、構成される。
【００３３】
かかる構成による作用として、応力歪みの調節により、井戸層外で発生したキャリアの再結合損失が減少する。その効果として、光電変換素子（光電池）における発生電流が増加し、変換効率を向上させることができ、ＴＰＶシステムに用いられた場合にはＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００３４】
この第２実施形態の材料構成について説明すると、図４において、井戸層５０ａは厚み１０ｎｍのＧａＩｎＡｓからなり、壁層５０ｂは厚み２０ｎｍのＳｉＧｅ（歪みバランス層）からなり、積層サイクルは２５である。ただし、壁層５０ｂは、ＳｉＧｅに限定されるものではなく、ＧａＳｂ，ＧａＩｎＡｓ（バンドギャップは井戸層と異なる）等を用いることができる。
【００３５】
この材料構成による第２実施形態の効果について図６を用いて説明する。図６は、量子効率と光波長との関係を示す。この図に示されるように、歪みバランス層でない従来の壁層を用いた場合には波長１５００ｎｍ以下において量子効率が大きく減少するが、壁層に歪みバランス層を用いると量子効率が向上する。その結果、電流密度が増加し、変換効率を向上させることができる。
【００３６】
図７は、本発明による光電変換素子の第３実施形態を示す断面図である。まず、図７に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、反射防止膜１２０は、光反射損失を減少させるために設けられた多層光学薄膜である。受光面側（上部）ｎ⁺層１３０は、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面の再結合損失を減少させる半導体層である。ｎ型IV族基板１４０はライフタイムの大きいIV族元素（Ｓｉ，Ｇｅ）を主成分とするものであり、その裏面側には凹凸が設けられている。
【００３７】
量子井戸部１５０は、図４に示される多層量子井戸層であり、反射量子井戸層を構成する。裏面側（下部）ｐ⁺層１６０及びｎ⁺層１６２は、半導体基板１４０で発生した正孔及び電子を分離し、電極へと収集する半導体層である。保護膜１７０は、半導体層の保護と、ｐ⁺層１６０及びｎ⁺層１６２にそれぞれ接続する＋電極１８０及び−電極１８２の絶縁分離とを行う。それらの電極１６０及び１６２は、半導体層で生成されたキャリアを電流として取り出す。なお、ｎ型基板を用いその受光面側にｎ⁺層を設けた構成を示したが、ｐ型基板を用いその受光面側にｐ⁺層を設けた構成とすることもできる。
【００３８】
図７に示される基本的構成を備えた光電変換素子の作用について説明すると、基板１４０の裏面に凹凸が設けられていることから、入射光が素子内部で多重反射し、その結果、光吸収量が増加する。また、量子井戸部１５０が光入射方向に対して斜めに構成されるため、光吸収量が増加する。さらに、それらの効果により、量子井戸層で吸収される長波長光が増加する。
【００３９】
かくして、図７に示される光電変換素子によれば、発生電流が増加し、変換効率を向上させることができる。その結果、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００４０】
図８は、本発明による光電変換素子の第４実施形態を示す断面図である。前述の第３実施形態（図７）の構造に対する第４実施形態（図８）の構造の相違点について説明すると、半導体基板２４０の凹凸構造において、非対称形が用いられている。すなわち、この凹凸部に対応するｐｎ接合部の面積が拡大され、合わせてｐ層とｎ層との間に設けられた量子井戸部２５０（反射量子井戸層）の面積が拡大せしめられている。
【００４１】
したがって、量子井戸部の面積増加により光吸収量が第３実施形態（図７）に対してさらに増加する。かくして、発生電流をさらに増大させることが可能になり、変換効率を向上させることができる。
【００４２】
ここで、図７に示される光電変換素子及び図８に示される光電変換素子の具体的構造について説明すると、図７の光電変換素子では、裏面側の凹凸はピッチ１０〜２００μｍ、深さ５〜１００μｍを有し、量子井戸部１５０として、内部の光多重反射により光吸収量を増加させる反射量子井戸層（これを反射量子井戸層Ａとする）が設けられる。
【００４３】
一方、図８の光電変換素子では、裏面側の凹凸のピッチは、ｐｎ接合形成側（量子井戸部）で５〜１５０μｍ、量子井戸を形成しない側で２〜８０μｍを有し、量子井戸部２５０として、面積を増加させた反射量子井戸層（これを反射量子井戸層Ｂとする）が設けられる。
【００４４】
上述した具体的構造を有する図７の光電変換素子及び図８の光電変換素子による効果について、図９を用いて説明する。図９は、量子効率と光波長との関係を示す。この図に示されるように、光吸収量の増加により、長波長側の量子効率が増加するが、量子井戸層の面積を増加させた図８に示す構造（反射量子井戸層Ｂ）において量子効率向上の効果が大きい。
【００４５】
次に、本発明による光電変換素子の第５実施形態について説明する。この実施形態は、図３，図７又は図８の光電変換素子における量子井戸部５０、１５０又は２５０として、図１０に示される如き、壁層５２ｂに複数の量子細線５２ａが埋め込まれた構造を採用することにより、構成される。
【００４６】
かかる構成による作用として、量子井戸層に比較して内部のキャリアの自由度が減少し、ライフタイムの増加により再結合損失が減少する。また、量子井戸層に比較して、歪みを調節することが容易となり、ライフタイムの増加をさせやすく、再結合損失が減少する。その効果として、光電変換素子（光電池）における発生電流が増加し、変換効率を向上させることができ、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００４７】
図１０に示される構造の具体例について説明すると、量子細線５２ａは径（幅、高さ）１０ｎｍを有するＧａＩｎＡｓ、壁層５２ｂはＳｉＧｅ（歪みバランス層）、細線ピッチは３０ｎｍ、積層数は２５である。なお、壁層としてＳｉＧｅを用いたが、これに限定されるものではなく、ＧａＳｂ，ＧａＩｎＡｓ（バンドギャップは井戸層と異なる）等を用いることができる。
【００４８】
次に、本発明による光電変換素子の第６実施形態について説明する。この実施形態は、図３，図７又は図８の光電変換素子における量子井戸部５０、１５０又は２５０として、図１１に示される如き、壁層５４ｂに複数の量子ドット５４ａが埋め込まれた構造を採用することにより、構成される。
【００４９】
かかる構成による作用として、量子細線よりも更に内部のキャリアの自由度が減少し、ライフタイムの増加により再結合損失が減少する。また、量子細線よりも更に歪みを調節することが容易となり、ライフタイムの増加をさせやすく、再結合損失が減少する。その効果として、光電変換素子（光電池）における発生電流が増加し、変換効率を向上させることができ、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００５０】
図１１に示される構造の具体例について説明すると、量子ドット５４ａは径（幅、高さ、奥行き）１０ｎｍのＧａＩｎＡｓ、壁層５４ｂはＳｉＧｅ（歪バランス層）、ドットのピッチは３０ｎｍ、積層数は２５である。なお、壁層としてＳｉＧｅを用いたが、これに限定されるものではなく、ＧａＳｂ，ＧａＩｎＡｓ（バンドギャップは井戸層と異なる）等を用いることができる。
【００５１】
図１２は、本発明による光電変換素子の第７実施形態を示す断面図である。まず、図１２に示される光電変換素子の基本的構成について受光面側から説明すると、反射防止膜３２０は、光反射損失を減少させるために設けられた多層光学薄膜である。受光面側（上部）ｎ⁺層（拡散層）３３０は、キャリアの移動方向を制御し、欠陥の多い界面の再結合損失を減少させる半導体層である。半導体基板３４０は、ライフタイムの大きいIV族元素（Ｓｉ，Ｇｅ）を主成分とする。量子井戸部３５０は、図４に示される多層量子井戸層である。
【００５２】
裏面側（下部）ｐ⁺層３６０及びｎ⁺層３６２は、半導体基板３４０で発生した正孔及び電子を分離し、電極へと収集するように機能するとともに、図１２に示される構造を有することで、量子井戸部３５０をｐ⁺層とｎ⁺層とで挟み込み、電位差を生じさせ、量子井戸部３５０で生成されたキャリアを分離し、電極に収集する機能も奏する半導体層である。
【００５３】
ｐ⁺／ｎ⁺分離部３６８は、ｐ⁺層３６０とｎ⁺層３６２とが直接接続されるとリーク電流が増加して発生電圧が低下することから、それらの分離を行う半導体層又は絶縁体である。また、ｐ⁺／量子井戸分離部３５６及びｎ⁺／量子井戸分離部３５８は、量子井戸部３５０における井戸層が直接ｐ⁺層又はｎ⁺層に接続するとキャリアの分離が不十分となり発生電流が低下しまたリーク電流が増加して発生電圧が低下することから、ｐ⁺層又はｎ⁺層と量子井戸部の端部との間の分離を行う半導体層又は絶縁体である。かくして、ｐ⁺層とｎ⁺層とは、量子井戸部又は半導体基板を介してのみ接続されている。
【００５４】
絶縁膜３７０は、半導体層の保護と、ｐ⁺層３６０及びｎ⁺層３６２にそれぞれ接続する＋電極３８０及び−電極３８２の絶縁分離とを行う。それらの電極３８０及び３８２は、半導体層で生成されたキャリアを電流として取り出す。なお、ｎ型基板を用いその受光面側にｎ⁺層を設けた構成を示したが、ｐ型基板を用いその受光面側にｐ⁺層を設けた構成とすることもできる。また、量子井戸部３５０の受光面側にｐ⁺層、裏面側にｎ⁺層を設けたが、逆の構造を用いることができる。
【００５５】
図１２及び図４に示される基本的構成を備えた光電変換素子の作用について説明すると、量子井戸層により、従来吸収することができなかった長波長光を吸収して、発生するキャリア密度を増加させることができる。また、量子井戸部をｐ⁺層，ｎ⁺層の裏面側、すなわち基板外に設けることにより、基板で発生するキャリアが量子井戸部を通過することなく電極まで移動することが可能になる。このため、再結合損失を減少させることができる。
【００５６】
かくして、図１２に示される光電変換素子によれば、発生電流が増加し、変換効率を向上させることができ、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００５７】
ここで、図１２及び図４の基本的構成を有する光電変換素子の具体的構造（材料構成）について説明すると、反射防止膜３２０は、ＳｉＯ₂ ，ＴｉＯ₂ 等の積層膜である。受光面側ｎ⁺層３３０は、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、拡散深さ０．５μｍを有する。ｎ型IV族基板３４０は、厚み１５０μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3を有するｎ型の結晶性Ｇｅである。
【００５８】
裏面側（下部）ｐ⁺層３６０は、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、基板側への拡散深さ１．５μｍを有し、裏面側ｎ⁺層３６２は、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、基板側への拡散深さ１．５μｍを有する。量子井戸部３５０は量子井戸層を積層したものであり、井戸層５０ａは厚み１０ｎｍのＧａＩｎＡｓからなり、壁層５０ｂは厚み２０ｎｍのＧｅからなり、積層サイクルは２５である。井戸層としてＧａＩｎＡｓを用いたが、これに限定されるものではなく、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等を用いることができる。
【００５９】
ｐ⁺／ｎ⁺分離部３６８は、基板と同様の結晶性Ｇｅで、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3を有するｎ型である。結晶性Ｇｅに代えて、ＳｉＯ₂，ＳｉＮｘ等の絶縁膜を用いることができる。また、ｐ⁺／量子井戸分離部３５６及びｎ⁺／量子井戸分離部３５８は、ＳｉＮｘで構成される。絶縁膜（ＳｉＮｘ）に代えて、ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＡｌＧａＡｓ等のバンドギャップの大きい半導体膜を用いることができる。また、絶縁膜３７０はＳｉＮｘである。電極３８０及び３８２としてはＡｌ，Ｔｉ等を用いる。
【００６０】
このような具体例による効果について、図１３を用いて説明する。図１３は、量子効率と光波長との関係を示す。この図に示されるように、量子井戸部（量子井戸層）を有しないＧｅ裏面電極型では、１８００ｎｍ以上において量子効率が極めて小さいが、井戸層を設けることにより、この領域において量子効率が得られる。その結果、電流密度が増加し、変換効率を向上させることができる。
【００６１】
次に、本発明による光電変換素子の第８実施形態について説明する。この実施形態は、図１２に示される光電変換素子における量子井戸部３５０として、図１０に示される如き、壁層５２ｂに複数の量子細線５２ａが埋め込まれた構造を採用することにより、構成される。
【００６２】
かかる構成による作用として、量子井戸層に比較して内部のキャリアの自由度が減少し、ライフタイムの増加により再結合損失が減少する。また、量子井戸層に比較して、歪を調節することが容易となり、ライフタイムの増加をさせやすく、再結合損失が減少する。その効果として、光電変換素子（光電池）における発生電流が増加し、変換効率を向上させることができ、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００６３】
図１０に示される構造の具体例について説明すると、量子細線５２ａは径（幅、高さ）１０ｎｍを有するＧａＩｎＡｓ、壁層５２ｂはＳｉＧｅ（歪みバランス層）、細線ピッチは３０ｎｍ、積層数は２５である。なお、壁層としてＳｉＧｅを用いたが、これに限定されるものではなく、ＧａＳｂ，ＧａＩｎＡｓ（バンドギャップは井戸層と異なる）等を用いることができる。
【００６４】
次に、本発明による光電変換素子の第９実施形態について説明する。この実施形態は、図１２に示される光電変換素子における量子井戸部３５０として、図１１に示される如き、壁層５４ｂに複数の量子ドット５４ａが埋め込まれた構造を採用することにより、構成される。
【００６５】
かかる構成による作用として、量子細線に比較してさらに内部のキャリアの自由度が減少し、ライフタイムの増加により再結合損失が減少する。また、量子細線に比較して、さらに歪みを調節することが容易となり、ライフタイムの増加をさせやすく、再結合損失が減少する。その効果として、光電変換素子（光電池）における発生電流が増加し、変換効率を向上させることができ、ＴＰＶシステムに用いられた場合には、ＴＰＶシステムの発電量（効率）を増加させることができる。
【００６６】
図１１に示される構造の具体例について説明すると、量子ドット５４ａは径（幅、高さ、奥行き）１０ｎｍのＧａＩｎＡｓ、壁層５４ｂはＳｉＧｅ（歪みバランス層）、ドットのピッチは３０ｎｍ、積層数は２５である。なお、壁層としてＳｉＧｅを用いたが、これに限定されるものではなく、ＧａＳｂ，ＧａＩｎＡｓ（バンドギャップは井戸層と異なる）等を用いることができる。
【００６７】
図１４は、本発明による光電変換素子の第１０実施形態を示す断面図である。図１４においては、図１２における要素と同一の要素に同一の符号が付されることにより、その説明が省略される。図１２の構造に対する図１４の構造の相違点について説明すると、裏面側（下部）ｐ⁺層４６０及びｎ⁺層４６２は、半導体基板３４０又は量子井戸部４５０に接する部分のキャリア濃度を低く、電極３８０又は３８２に接続する部分のキャリア濃度を高くされている。すなわち、高濃度ｐ⁺層部４６０ａ及び高濃度ｎ⁺層部４６２ａが設けられている。また、ｐ⁺層４６０及びｎ⁺層４６２の電極に接続する部分の幅は、図１２の構造に対して狭くされている。さらに、量子井戸部４５０は、図１２の構造に対して広い。
【００６８】
図１４に示される基本的構成を備えた光電変換素子の作用について説明すると、図１２の構造によるメリットに加えて下記の作用を有する。すなわち、ｐ⁺層４６０及びｎ⁺層４６２の電極に接続する部分のキャリア濃度が高くされていることにより、この部分の抵抗が減少して、抵抗損失を低減することができる。また、接続部分の抵抗が減少することから、接続部分の幅を狭くすることができ、その結果、量子井戸部４５０の幅を広くすることが可能となって、長波長光の吸収量を増加させることができる。
【００６９】
かくして、図１４に示される光電変換素子によれば、図１２の構造による効果に加えて、抵抗損失の低減と長波長光の吸収量の増加とにより光電変換素子（光電池）における発生電流が増加して変換効率を向上させることができるという効果を得ることができる。
【００７０】
ここで、図１４に示される光電変換素子の材料構成について、図１２の構成と異なる部分のみ示す。裏面側ｐ⁺層４６０は、半導体基板又は量子井戸部に接続する部分のキャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、基板側への拡散深さ１．５μｍ、電極に接続する部分のキャリア濃度２×１０¹⁹ｃｍ^-3を有する。裏面側ｎ⁺層４６２は、半導体基板又は量子井戸部に接続する部分のキャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、基板側への拡散深さ１．５μｍ、電極に接続する部分のキャリア濃度２×１０¹⁹ｃｍ^-3を有する。裏面側ｐ⁺層４６０及び裏面側ｎ⁺層４６２の電極に接続する部分の幅は、９μｍであり、図１２の場合の１９μｍよりも狭くなっている。
【００７１】
量子井戸部４５０は量子井戸層を積層したものであり、井戸層は厚み１０ｎｍのＧａＩｎＡｓ、壁層は厚み２０ｎｍのＧｅ、積層サイクルは２５、量子井戸部の幅は１６０μｍ（図１２では１４０μｍ）である。井戸層としてＧａＩｎＡｓを用いたが、これに限定されるものではなく、ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等を用いることができる。
【００７２】
このような具体例による効果について、図１５を用いて説明する。図１５は、量子効率と光波長との関係を示す。高濃度ｐ⁺層部４６０ａ及び高濃度ｎ⁺層部４６２ａの存在に基づく抵抗損失の低減と長波長光の吸収量の増加とにより量子効率が向上することが同図に示されている。
【００７３】
図１６は、本発明による光電変換素子の第１１実施形態を示す断面図である。図１６においては、図１２又は図１４における要素と同一の要素に同一の符号が付されることにより、その説明が省略される。図１２又は図１４の構造に対する図１６の構造の相違点について説明すると、図１４の量子井戸部４５０と同一のものが複数段（図１６では第１量子井戸部５５０Ａ及び第２量子井戸部５５０Ｂの２段）設けられている。
【００７４】
また、裏面側ｐ⁺層５６０及び裏面側ｎ⁺層５６２は、複数段（図１６では２段）に形成された量子井戸部に対応するように、図１４の裏面側ｐ⁺層４６０及び裏面側ｎ⁺層４６２を改造したものとなっている。なお、ｎ型基板を用いその受光面側にｎ⁺層を設けた構成を示したが、ｐ型基板を用いその受光面側にｐ⁺層を設けた構成とすることもできる。また、量子井戸部５５０Ａ及び５５０Ｂの受光面側にｐ⁺層、裏面側にｎ⁺層を設けたが、逆の構造を用いることができる。
【００７５】
図１６に示される基本的構成を備えた光電変換素子の作用について説明すると、図１２又は図１４の構造によるメリットに加えて下記の作用を有する。すなわち、量子井戸部を複数段、設けることにより、さらに長波長の赤外光を吸収することが可能になる。したがって、図１６に示される光電変換素子によれば、図１２又は図１４の構造による効果に加えて、さらに発生する電流密度が増加し、変換効率を向上させることができるという効果が得られる。
【００７６】
ここで、図１６に示される光電変換素子の材料構成について、図１２又は図１４の構成と異なる部分のみ示す。第１量子井戸部５５０Ａは、量子井戸層を積層したもの（図４）である。その井戸層は、ＧａＩｎＡｓで、厚み１０ｎｍ、バンドギャップ０．５ｅＶ程度（２５００ｎｍ程度までの赤外光を吸収）を有する。壁層は、Ｇｅで厚み２０ｎｍを有する。また、積層サイクルは２５である。
【００７７】
第２量子井戸部５５０Ｂは、量子井戸層を積層したもの（図４）である。その井戸層は、ＧａＩｎＡｓで、厚み１０ｎｍ、バンドギャップ０．４ｅＶ程度（３０００ｎｍ程度までの赤外光を吸収）を有する。壁層は、Ｇｅで、厚み２０ｎｍを有する。また、積層サイクルは２５である。なお、井戸層としてＧａＩｎＡｓを用いたが、これに限定されるものではなく、ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等を用いることができる。
【００７８】
このような具体例による効果について、図１７を用いて説明する。図１７は、量子効率と光波長との関係を示す。この図に示されるように、第２量子井戸部を設けて二重の多層量子井戸層を構成することにより、２５００ｎｍ以上の赤外光を吸収することが可能になり、量子効率を向上させることができる。この結果、電流密度が増加し、変換効率を向上させることができる。
【００７９】
最後に、本発明による光電変換素子の第１２実施形態について説明する。この実施形態では、図１６における量子井戸部において、多層量子井戸層（図４）に代えて、量子細線（図１０）又は量子ドット（図１１）が適宜採用される。すなわち、第１量子井戸部５５０Ａ、第２量子井戸部５５０Ｂにおいて、多層量子井戸層、量子細線、量子ドットのいずれか適する構造が用いられる。そして、第１量子井戸部５５０Ａの井戸層、量子細線又は量子ドットのバンドギャップは、第２量子井戸部５５０Ｂに対して大きくされる。すなわち、第２量子井戸部５５０Ｂでは、より長波長の赤外光を吸収する。かかる構成とすることにより、赤外光の吸収量が最も増加し、変換効率が向上する組み合わせを選択することが可能になる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来、吸収することができなかった長波長光を電気に効率良く変換することができる裏面電極型光電変換素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】光エネルギーの波長分布及びＧｅが吸収する波長範囲を示す図である。
【図２】量子井戸について説明するための図である。
【図３】本発明による光電変換素子の第１実施形態を示す断面図である。
【図４】多層量子井戸層の構造を示す図である。
【図５】量子井戸層による長波長側の量子効率向上の効果を示すべく、量子効率と光波長との関係を示す図である。
【図６】歪みバランス層による短波長側の量子効率向上の効果を示すべく、量子効率と光波長との関係を示す図である。
【図７】本発明による光電変換素子の第３実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明による光電変換素子の第４実施形態を示す断面図である。
【図９】光反射型量子井戸層による長波長側の量子効率向上の効果を示すべく、量子効率と光波長との関係を示す図である。
【図１０】量子細線の構造を示す図である。
【図１１】量子ドットの構造を示す図である。
【図１２】本発明による光電変換素子の第７実施形態を示す断面図である。
【図１３】量子井戸層による長波長側の量子効率向上の効果を示すべく、量子効率と光波長との関係を示す図である。
【図１４】本発明による光電変換素子の第１０実施形態を示す断面図である。
【図１５】高濃度ｐ⁺層部及び高濃度ｎ⁺層部による量子効率向上の効果を示すべく、量子効率と光波長との関係を示す図である。
【図１６】本発明による光電変換素子の第１１実施形態を示す断面図である。
【図１７】二重量子井戸層による長波長側の量子効率向上の効果を示すべく、量子効率と光波長との関係を示す図である。
【符号の説明】
２０，１２０，３２０…反射防止膜
３０，１３０，３３０…受光面側ｎ⁺層
４０，１４０，２４０，３４０…半導体基板
５０，１５０，２５０，３５０，４５０，５５０Ａ，５５０Ｂ…量子井戸部
５０ａ…井戸層
５０ｂ…壁層
５２ａ…量子細線
５２ｂ…壁層
５４ａ…量子ドット
５４ｂ…壁層
６０，１６０，３６０，４６０，５６０…裏面側ｐ⁺層
４６０ａ…高濃度ｐ⁺層部
６２，１６２，３６２，４６２，５６２…裏面側ｎ⁺層
４６２ａ…高濃度ｎ⁺層部
７０，１７０，３７０…保護膜
８０，１８０，３８０…＋電極
８２，１８２，３８２…−電極
３５６…ｐ⁺／量子井戸分離部
３５８…ｎ⁺／量子井戸分離部
３６８…ｐ⁺／ｎ⁺分離部

Claims

IV属材料を主成分とする半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を備えた裏面電極型の光電変換素子において、
基板裏面側のｐｎ接合部を構成するｐ層とｎ層との間に量子井戸部を設け、
基板裏面側を、該電極、該半導体層及び該量子井戸部により、入射光を多重反射させる凹凸形状に形成し、
該量子井戸部が形成されたｐｎ接合部の面積が、該量子井戸部が形成されていないｐｎ接合部の面積より大きくなるように、前記凹凸形状が非対称形に形成されている、
ことを特徴とする光電変換素子。
IV属材料を主成分とする半導体基板の裏面側にのみキャリアを収集するための半導体層及び電極を備えた裏面電極型の光電変換素子において、前記半導体層としてそれぞれ電極に接続されるｐ⁺層とｎ⁺層との間に挟み込まれ、かつ、該ｐ⁺層又は該ｎ⁺層を介してのみ前記半導体基板に接続する構造を有する量子井戸部を設け、さらに、該量子井戸部が該ｐ ⁺ 層及び該ｎ ⁺ 層より該半導体基板の裏面側に位置する、ことを特徴とする光電変換素子。
前記ｐ⁺層と前記ｎ⁺層とは、前記量子井戸部又は前記半導体基板を介してのみ接続されている、請求項２に記載の光電変換素子。
前記量子井戸部は、壁層に複数の量子細線又は量子ドットが埋め込まれた構造を有する、請求項２に記載の光電変換素子。
前記ｐ⁺層及び前記ｎ⁺層の前記電極に接続する部分にそれぞれ高濃度ｐ⁺層部及び高濃度ｎ⁺層部が設けられている、請求項２に記載の光電変換素子。
前記量子井戸部が複数段設けられている、請求項２に記載の光電変換素子。
前記ｐ⁺層と前記ｎ⁺層とは、前記複数段の量子井戸部又は前記半導体基板を介してのみ接続されている、請求項６に記載の光電変換素子。
前記複数段の量子井戸部の全て又は一部は、壁層に複数の量子細線又は量子ドットが埋め込まれた構造を有する、請求項６に記載の光電変換素子。
前記ｐ⁺層及び前記ｎ⁺層の前記電極に接続する部分にそれぞれ高濃度ｐ⁺層部及び高濃度ｎ⁺層部が設けられている、請求項６に記載の光電変換素子。