JP5967592B2 - 光電変換素子 - Google Patents

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Description

本発明は、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子に関するものである。
現在、例えば、太陽電池または光センサなどに、入射光を光電変換することで電気信号に変換する光電変換素子が一般的に用いられている。このような光電変換素子には半導体が用いられており、半導体のバンドギャップを越えるエネルギーを持った電磁波（光）が入射したとき、半導体において電子が、価電子帯から伝導帯へ励起され、光電変換が発生する。
例えば、アモルファス半導体であるａ‐Ｓｉでは、波長７００ｎｍ程度以下に吸収があることが一般的に知られている(光の吸収端が７００ｎｍ付近)。つまり、吸収端より短波長の電磁波（光）では、光起電力材料において光の吸収があるため、光起電力材料では光電変換が発生する。しかし、加工方法や製造方法の改善により、実際のデバイスでは８２０ｎｍ程度まで吸収が存在するため、波長７００ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域でも光起電力の発生が期待できる。
図２２は、ａ‐Ｓｉ（厚み３３０ｎｍ）の光の波長に対する吸収率の実測値を表す図である。
図２２に示すように、ａ‐Ｓｉの場合、波長約５２０ｎｍ以下では吸収のピークが続き、波長が５２０ｎｍ付近から、吸収端の波長である８２０ｎｍの方へ大きくなるとともに、吸収率が低下している。これは、半導体の吸収端から吸収ピーク間では、光と電子との相互作用が弱くなるため、この間の電磁波（光）はａ‐Ｓｉを透過しやすくなるからである。したがって、半導体の吸収端から吸収ピーク間で光電変換効率が悪くなる。このため、この吸収端から吸収ピーク間で、半導体が充分に光を吸収するには、半導体を厚膜化する必要がある。
近年では、光の吸収率を向上させるために、例えば特許文献１〜４に開示されているように、フォトニック結晶を用いた光電変換素子が開発されている。
図２３は、特許文献１に開示されている太陽電池セルの構成を表す概略図である。
フォトニック結晶は、誘電率が異なる周期構造が、誘電体内に人工的に形成されたものである。
図２３に示すように、太陽電池セル１０１では、分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１１４に積層された光起電力材料１１２に、複数のエアホールが形成されたフォトニック結晶構造１１０が形成されている。
光起電力材料１１２に進入した入射光ｉから、フォトニック結晶構造１１０によって正反射された反射光ｒ０、フォトニック結晶構造１１０によって回折された回折光ｒ１、フォトニック結晶構造１１０によって屈折された屈折光ｔが生じる。
回折光ｒ１は、入射角θ３より大きな角度θ’で回折されるため、光起電力材料１１２内の光路長を長くすることに寄与する。また、光起電力材料１１２と外界の空気との界面では、内部全反射が起きることにより、回折光ｒ１は、光起電力材料１１２内での共鳴を起こす。このため、光起電力材料１１２による光の吸収率が向上する。
また、屈折光ｔと、分散型ブラッグ反射器１１４で反射されフォトニック結晶構造１１０に戻る光とは、フォトニック結晶構造１１０の内部で跳ね返って行き来する共鳴を起こし、徐々に吸収される。このことも、光の吸収率を改善する。
このような、太陽電池セル１０１では、光起電力材料１１２およびフォトニック結晶構造１１０内で入射光を共鳴させることで光を吸収し、光起電力セルの吸収効率を向上させることができる。特に、共鳴波長を、入射光の吸収率が小さい長波長側にもたせることで、太陽光の広範囲の波長を吸収できる吸収体とすることができる。
また、非特許文献２には、バンド端が形成されたフォトニック結晶を用いた太陽電池について開示されている。非特許文献２に開示されている太陽電池の構成について、図２４を用いて説明する。
図２４に示す太陽電池２００では、有機材料の光起電力層２０３にフォトニック結晶を加工し、そのバンド端を用いることで、光起電力層２０３の吸収を増強する。その結果として、フォトニック結晶により設計したバンドのバンド端を用いることで、光起電力層２０３で吸収する波長のうち、吸収の低い波長の吸収を増強し、全体の光起電力量を増加させている。
日本国公表特許公報「特表２００９‐５３３８７５号（２００９年９月１７日公表）」 日本国公開特許公報「特開２００６‐２４４９５号（２００６年１月２６日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００６‐３２７８７号（２００６年２月２日公表）」 国際公開特許公報「ＷＯ２００７／１０８２１２（２００７年９月２７日国際公開）」
C.Manolatou, M.J.Khan, Shanhui Fan, Pierre R.Villeneuve, H.A.Haus, Life Fellow, IEEE, and J.D.Joannopoulos "Coupling of Modes Analysis of Resonant Channel Add-Drop Filters"/IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS/SEPTEMBER 1999 VOL.35, NO.9, PP.1322-1331 J.R.Tumbleston, Doo-Hyun Ko, Edward T.Samulski, and Rene Lopez "Absorption and quasiguided mode analysis of organic solar cells with photonic crystal photoactive layers"/OPTICS EXPRESS/Optical Society of America/ April 27, 2009 Vol.17,No.9 PP.7670-7681
しかしながら、特許文献１に開示された太陽電池セル１０１には、以下のような課題点が存在する。特許文献１には、フォトニック結晶の効果に関する詳細な記述が無いため、フォトニック結晶の効果として、厚み等の条件を変更した場合に共鳴の効果であるＱ値（もしくは結合の容易さとして後述する係数κ、αなど）が大きくなるのか小さくなるのかが不明である。
つまり、フォトニック結晶は、(1)Ｑ値を大きくすれば、光と対象デバイスとの相互作用が無くなり、光が対象デバイスに吸収されにくくなるという効果を持つため、光の吸収に寄与させるためには、無制限にＱ値が大きくなれば良いわけではない。
また、上掲の非特許文献１に記載されたフォトニック結晶のモード結合理論を本願発明者グループが検討した結果、(2)フォトニック結晶の構造が持つ外部との結合の容易さκv（共振器としてのＱv）と光起電力デバイスがもともと持つ特性としての吸収の容易さαa（共振器としてのＱα）がほぼ等しければ、最大の吸収効果を持つということを新たに見出した。
このため、上記(1)(2)を考慮すると、フォトニック結晶の設計条件として、より効率的に吸収される条件が、特許文献１には明示されていないことが問題点である。要するに、特許文献１の開示から、フォトニック結晶による吸収増強の効果を十分に発揮するための知見を到底得ることはできない。
また、非特許文献２についても同様に、より効率的に吸収される条件が明示されていないため、フォトニック結晶によるバンド端を形成することはできても、吸収に寄与させるために設計される波長帯域が狭くなる。このように、光を吸収する波長帯域が狭いため、光起電力層２０３の波長方向（波長帯域）に対する全体の光起電力量向上が小さい。このため、非特許文献２の太陽電池２００では、光電変換を行なうデバイスとして、実用上の難点がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることにある。
上記の課題を解決するために、本発明の光電変換素子は、光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、
（1）上記フォトニック結晶は、上記光電変換層の内部に、当該光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が配置されたものであり、
上記フォトニック結晶による共鳴ピークの波長をλとしたとき、
上記柱状の媒質は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、
（2）上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあることを特徴とする。
上記構成によると、上記光電変換層の内部にはフォトニック結晶が形成されているので、光電変換層に入射した光を、上記フォトニック結晶により共鳴させることができる。
そして、上記フォトニック結晶では、柱状の媒質が、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元的に配置されている。このため、上記フォトニック結晶の逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成され、当該バンド端により規定される光の波長がλとなる。
これにより、フォトニック結晶が形成された上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、上記光電変換層内に閉じ込めて共鳴させることができる。このように、角度依存性を持って光電変換層で共鳴された共鳴ピーク波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。
ここで、上記係数κVと吸収係数とがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなくても、上記のようにＱＶ＝Ｑαの条件が満たされる場合には、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなる。
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、バンド端により規定される共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる光電変換素子を得ることができる。
本発明の光電変換素子は、複数の半導体が積層された光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、複数積層された上記半導体のうち、少なくとも１つの層に突起が形成されており、上記フォトニック結晶は、上記突起が形成された半導体を含むものであり、上記フォトニック結晶による共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記突起は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあることを特徴としている。
上記構成のように、半導体層に複数の突起を形成することで、フォトニック結晶を構成することができる。このように形成されたフォトニック結晶では、突起が、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されているので、Γ点方向にバンド端が形成される。これにより、上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、上記光電変換層内に閉じ込めて共鳴させることができる。このように、光電変換層で共鳴された波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。
ここで、上記係数κVと吸収係数とがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなくても、上記のようにＱＶ＝Ｑαの条件が満たされる場合には、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなる。
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、バンド端により規定される共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる光電変換素子を得ることができる。
本発明の光電変換素子は、光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、上記フォトニック結晶は、上記光電変換層の内部に、当該光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が配置されたものであり、上記フォトニック結晶による共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にある。
本発明の光電変換素子は、複数の半導体が積層された光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、複数積層された上記半導体のうち、少なくとも１つの層に突起が形成されており、上記フォトニック結晶は、上記突起が形成された半導体を含むものであり、上記フォトニック結晶による共鳴ピーク波長をλとしたとき、上記突起は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にある。
このため、光電変換素子の光の吸収率を、向上させることができる効果を奏する。
本発明の光電変換素子の構成を表す断面図である。 本発明の光電変換素子の構成を表す斜視図である。 本発明の光電変換素子のフォトニック結晶の構成を表す斜視図である。 本発明の光電変換素子の三角格子構造を有するフォトニック結晶の構成を表す平面図である。 本発明の光電変換素子の正方格子構造を有するフォトニック結晶の構成を表す平面図である。 三角格子構造（六方細密構造中の１つの平面断面構造）の逆格子空間中の位置を示す説明図である。 フォトニック結晶におけるフォトニックバンドを表す図である。 本発明の光電変換素子の吸収波長を表す図である。 バンドギャップが形成されているフォトニックバンドを表す図である。 光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。 フォトニック結晶を持つ光起電力デバイスの結合の大きさとＱ値との関係を説明するための説明図である。 フォトニック結晶の欠陥による共振器を作成した場合に、当該共振器のＱ値を説明するための説明図である。 本発明の光電変換素子の構成を表す断面図である。 断面が台形のナノロッドが形成されたフォトニック結晶の構成を表す断面図である。 領域ごとに、ナノロッドのピッチが異なるフォトニック結晶の構成を表す平面図である。 光電変換素子の製造工程を示す工程図である。 第２の実施の形態に係る光電変換素子の構成を表す斜視図である。 （ａ）は、第２の実施の形態に係る光電変換素子の構成を表す断面図であり、（ｂ）は、第２の形態に係る光電変換素子の他の構成例を表す断面図である。 第３の実施の形態に係る光電変換素子の構成を表す斜視図である。 （ａ）は第３の実施の形態に係る光電変換素子の構成を表す断面図であり、（ｂ）は第３の形態に係る光電変換素子の他の構成例を表す断面図である。 第４の実施の形態に係る光電変換素子の構成を表す斜視図である。 ａ‐Ｓｉの光の波長に対する吸収率を表すグラフである。 フォトニック結晶を備えた従来の太陽電池セルの構成を表す概略図である。 従来のフォトニック結晶を用いた太陽電池の構成を表す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
〔実施の形態１〕
（光電変換素子の構成）
図１は、本発明の光電変換素子１０の構成を表す断面図である。図２は、光電変換素子１０の構成を表す斜視図である。
光電変換素子１０は、入射光を、光電変換することで電流に変換する素子であり、例えば太陽電池セルや、光検出センサなど、光を電気信号へと変換する装置に用いることができるものである。
光電変換素子１０は入射光を光電変換するための半導体層（光電変換層）１３を備えている。この半導体層１３の内部には、半導体層１３とは屈折率が異なるナノロッド（柱状の媒質）１９が形成されることで構成されるフォトニック結晶２１が形成されている。
光電変換素子１０は、このフォトニック結晶２１により形成されるバンド端に対応する状態の光の波長を強く共鳴させることで、光の吸収率を向上させるものである。なお、フォトニック結晶２１が形成されている半導体層１３の構造について、詳細は後述する。
光電変換素子１０は、光が光電変換素子１０に入射する側とは反対側の最外層に配された裏面金属電極１１（金属層）と、裏面金属電極１１に積層されている透明導電膜１２と、透明導電膜１２に積層されている半導体層１３と、半導体層１３に積層されている透明導電膜１７と、透明導電膜１７に積層されているガラス１８とを備えている。なお、透明導電膜１７は、半導体層１３の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層の一方であり、透明導電膜１２は、その２つの層の他方である。
光電変換素子１０では、ガラス１８の、透明導電膜１７との接触面とは逆の面が、光の入射面である。光電変換素子１０は、この入射面から入射した光を、半導体層１３で光電変換することで、入射光の光量に対応して電流を生成する。そして、例えば、半導体層１３を挟んで配されている裏面金属電極１１及び透明導電膜１７を外部抵抗で接続することで、電気信号として外部に出力することができる。
ここで、光電変換素子１０のうち、光の入射面（側）を表面（側）と称し、裏面金属電極１１の、半導体層１３との接触面とは逆の面（側）を裏面（側）と称する。同様に、光電変換素子１０を構成する各膜のうち、入射面側に配されている面（側）を表面（側）と称し、裏面金属電極１１側に配されている面（側）を裏面（側）と称する。
ガラス１８は、例えば、屈折率が１．５２程度の材質からなる。
裏面金属電極１１は、ＡｇやＡｌなどの反射率の高い金属からなり、半導体層１３で光電変換されることで生成された電流を取り出して、外部に出力するためのものである。
また、裏面金属電極１１を、反射板としても機能させることができ、半導体層１３で光電変換されず、透過してきた光を、再び半導体層１３へと反射させることもできる。裏面金属電極１１を、半導体層１３の裏面の全面を覆って配することで、半導体層１３を透過した光を確実に反射することができるので、より、光の吸収効率が高い光電変換素子１０を構成することができる。
透明導電膜（ＴＣＯ；Transparent Conducing Oxide）１２・１７は、透明な導電膜であり、半導体層１３を挟んで配されている。透明導電膜１２・１７は、半導体層１３の媒質より屈折率が小さい媒質からなっており、例えば、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などからなる。
半導体層１３は、光起電力材料であり、例としてａ‐Ｓｉ（アモルファスシリコン）からなり、入射光を光電変換することで電流を発生させるための起電力層である。本実施の形態では、半導体層１３は、裏面側（透明導電膜１７が配されている側）から順に、ｎ型半導体（ｎ型半導体層）１４、ｉ型半導体（真性半導体層）１５、及びｐ型半導体（ｐ型半導体層）１６が積層して形成されたｐ‐ｉ‐ｎ型の半導体である。
半導体層１３には、ｎ型半導体１４、ｉ型半導体１５、及びｐ型半導体１６より屈折率が小さいナノロッド１９が、２次元的に、規則的に配された周期構造を有する２次元フォトニック結晶２１が配されている。
（フォトニック結晶の構成）
次に、フォトニック結晶２１の構成について説明する。
図１に示すように、フォトニック結晶２１は、半導体層１３に形成されており、複数のナノロッド１９が、光の波長程度の厚みを持つ半導体層１３の媒質内に周期的に配置された２次元フォトニック結晶である。
半導体層１３のうち、ナノロッド１９が形成されている領域が、フォトニック結晶２１である。本実施の形態では、ナノロッド１９は、半導体層１３の全面に形成されているものとする。
ナノロッド１９は、ｎ型半導体１４、ｉ型半導体１５、及びｐ型半導体１６を構成するａ‐Ｓｉよりも屈折率が小さい材料からなる。つまり、ナノロッド１９は、半導体層１３における低屈折率領域である。また、ナノロッド１９は、絶縁機能を有し、透過率が高い材料からなり、半導体層１３における低屈折率領域である。ナノロッド１９は、屈折率が１．０〜２．０程度の材料からなり、例として、空気や、屈折率が１．４５のＳｉＯ２等からなる。
このほかに、ナノロッド１９の材料として、屈折率１．６程度のＪＡＳ（透明樹脂材料）、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ Ｇｌａｓｓ）材料として用いられるＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ：水素シルセスオキサン）として、例えばＦＯＸ（東レ・ダウコーニング社の登録商標）などを用いることもできる。
ナノロッド１９の高さ（半導体層１３の厚み方向の長さ）は、半導体層１３の厚みの１／４以下、または半導体層１３の厚みと等しくなるように形成されている。
また、図３に示すように、ナノロッド１９は、半導体層１３に、円柱状等、柱状に形成されている。図３は、フォトニック結晶２１の構成を表す斜視図である。
図４は、三角格子状にナノロッド１９が配されているフォトニック結晶２１の構成を表す平面図である。図４に示すように、フォトニック結晶２１は、後述する逆格子空間におけるΓ点に、バンド端が形成されるように、ナノロッド１９が二次元に周期的に配置されている。
具体的には、ナノロッド１９は、ピッチ（間隔）ａが、波長λに対して、λ／４以上、λ以下となるように、周期的に配置されている。ここで、波長λは、後述するように、バンド端によって規定される波長である。すなわち、波長λは、フォトニック結晶２１により共鳴させる波長の共鳴ピーク波長である。
また、ナノロッド１９は、フォトニック結晶２１を平面視したとき、三角形の各頂点に配されることで、六角形の各頂点と、中心とに周期的に配置されている。すなわち、フォトニック結晶２１は、ナノロッド１９が二次元に三角格子状に配された構造を有する。
または、図５に示すように、ナノロッド１９は、フォトニック結晶２１を平面視したとき、四角形の各頂点に配置されていてもよい。すなわち、フォトニック結晶２１は、ナノロッド１９が二次元に正方格子状に配された構造を有していてもよい。
図５は、四角格子状にナノロッド１９が配されているフォトニック結晶２１の構成を表す平面図である。
いずれの格子形状であっても、後述する逆格子空間におけるΓ点に、バンド端を形成することができる。
ナノロッド１９の半径は、ピッチaを基準として、０．２ａ以上、０．４ａ以下の範囲を取ることが好ましい。
次に、このように、ナノロッド１９が半導体層１３に配された光電変換素子１０に形成されるバンド端について説明する。
（バンド端）
図６は、三角格子（六方細密構造の1つの平面断面構造）の逆格子空間中の位置を示す説明図である。図７は、フォトニック結晶２１におけるフォトニックバンドを表す図である。
フォトニック結晶２１における面内方向の方位は、図６に示すように、三角格子（結晶工学での六方細密構造の２次元平面部分）の逆格子空間ベクトルで表した結晶の方位によって示すことができる。半導体層１３であるフォトニック結晶２１に入射した光が感じる結晶配置は、逆格子空間（第１ブリルアンゾーン）で表した配置となるからである。
図６では、Ｋ点は、Γ点を囲む正六角形の格子形状のうちの１つの角を示し、その角と隣接する角との間の点がＭ点である。Γ点、Ｋ点、及びＭ点で表される三角形が単位格子であり、六角形で表される逆格子空間には、１２個の単位格子が含まれている。１つの単位格子について方向を決めておけば、全ての単位格子についても方向を決めることができる。
図６で、Γ点が示す方向は、フォトニック結晶２１の直上から、フォトニック結晶２１の表面に向かう方向である。すなわち、半導体層１３に鉛直方向に入射する方向である。
また、図６の矢印ΓＭ、矢印ＭＫ、矢印ＫΓが示す逆格子空間ベクトルは、それぞれ、フォトニック結晶２１の面内の方向を表している。ΓＭ、ＭＫ、ＫΓのように、起点終点の組み合わせによって面内の方向を表す。例えば、Γ点からＫ点への方向へは、特定の波長をもった光のみが伝播される。
図７では、縦軸は規格化周波数であり、横軸は逆格子空間中の位置を表している。
規格化周波数は、フォトニック結晶２１のピッチaと光の周波数とが相関関係にあるために用いられるパラメータであり、ａ／λとして表される。したがって、図７では、グラフの縦軸の上に向かって、波長λが小さくなる。
図７に示す各バンドは、フォトニック結晶２１での共鳴する波長の点をつなげたものである。
フォトニック結晶２１は、上述したように、ピッチａが波長λに対して１／４倍以上１倍以下となるように、複数のナノロッド１９が周期的に配された構成なので、図７に示すように、Γ点に、フォトニック結晶２１のフォトニックバンドの極値であるバンド端Ｂが形成される。
このバンド端Ｂでは、規格化周波数に対応する共鳴ピークの波長λが、フォトニック結晶２１の面全体で強く共鳴する。このバンド端Ｂでの共鳴効果を得ることで、半導体層１３に入射した光の寿命（lifetime）を増加させることができる。そして、増加した寿命期間での、半導体層１３と、光との相互作用により、半導体層１３での吸収率を向上させることができる。
このように、フォトニック結晶２１の構成によると、Γ点と呼ばれる、フォトニック結晶２１に対して垂直方向から入射する光に対してのみ、共鳴を起こすことが可能なバンド端Ｂを利用することができる。
このバンド端Ｂを利用することで、フォトニック結晶２１に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、フォトニック結晶２１で共鳴させることができる。そして、フォトニック結晶２１で共鳴された波長λの光は、半導体層１３の媒質によって吸収される。
従って、光電変換素子１０の光の吸収率を向上させることができる。
図８は、光電変換素子１０の吸収波長を表している。図８に示すように、光電変換素子１０では、通常のａ‐Ｓｉからなる半導体での吸収波長に加え、バンド端Ｂでの共振波長の吸収率を向上させることができる。本実施の形態の光電変換素子１０では、ａ‐Ｓｉの吸収端の波長（８２０ｎｍ近傍）から、吸収のピーク波長（５２０ｎｍ）間の吸収率が低い波長である６５０ｎｍ近傍の波長の吸収率を向上させることができる。この対象波長は、ナノロッドのピッチaを変えることで、規格化周波数から変更することができる。
なお、バンド端Ｂによって、規定される規格化周波数は、おおよそ０．３〜０．５程度である。
このように、光電変換素子１０では、フォトニック結晶２１内で、特定角度からの入射光を強く共鳴させることで、面全体で光の吸収率を向上させることができる。特に、半導体の吸収端から吸収ピーク間の吸収率が低い波長域に共鳴ピークをもたせることで、光電変換素子１０として全体的な吸収率を向上させることができる。
加えて、光電変換素子１０では、Γ点と呼ばれる、光電変換素子１０に対して垂直方向から入射した光のみ共鳴させる構成である。光電変換素子１０で共鳴させることができるのは、９０°±１°程度の入射角で入射した光である。
すなわち、フォトニック結晶２１の構成によると、半導体層１３に対する垂直方向からの光の入射角をθとしたとき、−１°≦θ１≦１°程度からの入射光の光を、Γ点により形成されるバンド端Ｂで共鳴させることができる。ここで、θ１は、バンド端Ｂにおいてバンドが面内方向成分（Ｍ方向もしくはＫ方向）に同一の規格化周波数を持つ長さによって決定される。
このように、半導体層１３で共鳴された共鳴ピークの波長λの光は、半導体層１３の媒質によって吸収される。
すなわち、光電変換素子１０によると、強く共鳴させる光の波長の入射角を制限することができる。このため、光電変換素子１０を例えば、光の入射角度センシング素子などの光センサ素子に用いることができる。
また、光電変換素子１０のフォトニック結晶２１では、ナノロッド１９のピッチａを、波長λに対して、１／４倍〜１倍に設定しているので、バンドギャップが形成されない。
図９は、バンドギャップが形成されているフォトニックバンドを表す図である。フォトニックバンドは、フォトニック結晶内で存在できない光の波長帯域（禁制帯）である。
例えば、図９に示すように、高誘電バンドと、低誘電バンドとの間に、フォトニック結晶によるバッドギャップが形成されている場合、バンドギャップ中の波長は、フォトニック結晶に入射することができない。このため、この規格化周波数に対応する波長帯の光の吸収効率が低下する。
一方、光電変換素子１０のように、ナノロッド１９のピッチａを、波長λに対して、１／４倍〜１倍に設定することによる共振条件を選択することで、フォトニック結晶２１中にバンドギャップが形成されることを防止することができ、バンドギャップによる特定の波長が反射されることなく、光の吸収効率を向上させることができる。
このように、光電変換素子１０は、半導体層１３に形成されたフォトニック結晶２１により、外部からの特定の波長、及び特定の入射角の光を効率的に取り込むことができるので、単位面積辺りの光の吸収量を増やすことで、光半導体層の起電力量を増加させ、かつ指向性を向上させることができる。
（Ｑ値に基づくフォトニック結晶の設計）
ここで、光電変換素子１０の外部とフォトニック結晶２０との光の結合の大きさをＱ値を用いて考える。Ｑ値は、電気工学の共振のＱ値と同様、電磁波としての光の共鳴効果の大きさを表す。Ｑ値の表し方は、いろいろあるが、下記の式１または式２によって表すことができる。
Ｑ＝λｐ／Δλ …式１
Ｑ＝ωＵ／（−ｄＵ／ｄｔ） …式２
図１０は、光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。図１０に示すように、上記式１のλｐは共鳴ピークの波長であり、Δλは半値幅である。
上記式２のωは、共振角周波数、Ｕは共振器内の内部エネルギー、ｔは時間である。
式１から、半値幅Δλが小さくなるほど共鳴が強くなるので、共鳴が強いほどＱ値が大きくなることが分かる。また、共鳴が強いほど、共振の振幅は大きくなり、波動が減衰しにくくなるため、Ｑ値が大きいほど、共振器に光が存在する時間（ライフタイム）が長くなることが分かる。
また、式２から、共振器からエネルギーが失われる程度が小さいほど、すなわち−ｄＵ／ｄｔが小さいほど、Ｑ値が大きくなることが分かるので、Ｑ値は、共振器が光を閉じ込める強さを表すともいえる。
レーザー発光ダイオードなどにフォトニック結晶を作り込む場合には、共鳴を強くして発光強度を増大させたいため、Ｑ値をできるだけ大きくすることが、フォトニック結晶を設計するときの目標となる。
しかし、本発明の場合、上記とは逆に、Ｑ値をできるだけ小さくし、共振器に閉じ込められる光の波長帯域を広げ（つまり、半値幅を広げ）るとともに、こうすると、外部とフォトニック結晶との光の結合が行いやすくなるため、光のライフタイムを短くして、半導体層に吸収される度合いを大きくすることが、フォトニック結晶を設計するときの目標となる。
ここで、図１１に示すナノロッド１９が配されたフォトニック結晶２１を図１２に示す共振器とみなし、外部空間およびフォトニック結晶２１の母材の媒質（すなわちフォトニック結晶２１を構成する半導体層１３）を含めた系全体で、Ｑ値を考える。光電変換素子１０全体のＱ値をＱＴとし、フォトニック結晶２１と外部空間との結合に関するＱ値をＱｖ、フォトニック結晶２１の面内方向の伝播に関するＱ値をＱｉｎ、上記媒質による光の吸収に関するＱ値をＱα、前記裏面金属電極１１による光の吸収に関するＱ値（すなわち、金属による減衰吸収の効果）をＱＭとすると、以下の関係式（式３）が成り立つ。
なお、上記Ｑαは、下記の式４でも示すように、フォトニック結晶２１の母材の光吸収係数αの逆数に比例する。
１／ＱＴ＝１／Ｑｖ＋１／Ｑｉｎ＋１／Ｑα＋１／ＱＭ …式３
Ｑｖは、フォトニック結晶２１と外部空間との結合の強度（結合のしやすさ）を表す係数κVの逆数に比例し、フォトニック結晶２１と外部空間との結合による外部空間への光の出やすさを表す。なお、フォトニック結晶２１の構造が決まれば、時間領域差分（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて、Ｑｖを算出することができる。すなわち、Ｑｖは、フォトニック結晶２１の構造によって決まるＱ値である。
Ｑｉｎは、フォトニック結晶２１に進入した光が、水平方向に伝播するときの伝播のしやすさを表すので、光閉じ込めの観点では、光が閉じ込められずに、共振器から漏れていく漏れやすさを表す。ＱαおよびＱＭは、それぞれ、媒質および裏面金属電極１１を形成する金属が光を吸収することによる共鳴効果の大きさを表す。ＱＭは測定によって求めることができる。
一方、Ｑαは、媒質に固有の吸収係数α、媒質の屈折率ｎおよび共鳴ピークの波長λと、下記の式４の関係を有している。すなわち、Ｑαは、媒質の材料によって決まるＱ値である。
α＝２πｎ／λＱα …式４
上記式３の関係式において、Ｑｖ＝Ｑαとなるとき、言い換えると、κV＝αaとなるとき、媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
また、共振器での共振効果が理想的であり、光半導体デバイスの面内に光が漏れることが無ければ、Ｑｉｎ＝∞とみなすことができる。
以上より、
ＱＴ＝π・ｎ・ＱＭ／（λ・α・ＱＭ＋π・ｎ） …式５
が導かれる。
ここで、Ｑｖ＝Ｑαとなるようにフォトニック結晶２１を設計した光電変換素子１０全体のＱ値（ＱＴ）を、式５を使って具体的に求めてみる。まず、媒質をａ‐Ｓｉとすると、その屈折率ｎは４．１５４、吸収係数αは６５５３４ｃｍ−１となる。さらに、波長λを６６０ｎｍ、金属のＱＭを４０００とすると、
ＱＴ＝１１．１
と非常に小さな値になり、式１から、Δλ＝５９．５ｎｍが導かれ、非常に広い半値幅になる。
したがって、Ｑｖ＝Ｑαとなるようにフォトニック結晶２１を設計（ナノロッド１９の半径およびピッチａなどを設計）すれば、上述したバンド端Ｂによって規定される共鳴ピーク波長λの光が媒質によって吸収され易く、かつ、広い波長範囲で共鳴効果を得ることができる。
言い換えると、本発明の光電変換素子は、フォトニック結晶の構造によって決まるＱ値と、フォトニック結晶を作り込む光電変換層の媒質の材料によって決まるＱ値とを一致させたフォトニック結晶を、光電変換層中に備えた光電変換素子であるといえる。
ここで、係数κVと吸収係数αaとの関係について補足する。まず、光起電力材料はもともとある程度高い光の吸収率を持っているので、αaは大きい傾向があり、Ｑαは逆に小さくなる傾向がある。
一方で、光起電力材料中にフォトニック結晶を加工した場合、一般的に、光起電力材料の屈折率がナノロッドの屈折率より１以上高いため、フォトニック結晶をそのまま加工すると、係数κVが小さくなり、ＱＶが逆に大きくなる傾向にある。したがって、もともと、κV≦αa（ＱＶ≧Ｑα）の大小関係が存在する。
本発明の達成目標として、光起電力デバイスでの光吸収量を増強させるためには、バンド端Ｂを形成するように周期的にナノロッドが配されたフォトニック結晶により構成された共鳴器に結合された光が、光起電力デバイスの吸収過程に移ることが必要である。この効果が最大になるのが、κV＝αa（ＱＶ＝Ｑα）である。
上記の前提から、光起電力デバイスの光の吸収量の増強を行なうためには、κV＝αa（ＱＶ＝Ｑα）が必要であり、そのためには、κVを大きくする（ＱＶを小さくする）必要がある。κVを大きくする（ＱＶを小さくする）ためには、フォトニック結晶で構成される共鳴器全体（デバイス全体）の結合の割合を大きくする（光起電力デバイスのＱ値、すなわち上記ＱＴを小さくする）必要がある。
加えて、上記係数κVと吸収係数αaとがほぼ等しくなっており、光の吸収が一定以上（αａが約５．０％以上）である場合、特に、光の吸収効果が高くなる対象波長帯域（共鳴波長の帯域）を広くすることができる。このため、角度依存性を持ち、共鳴波長の帯域を広げる効果が大きい。
なお、前述したモード結合理論を考慮すると、より詳細な議論が可能となる。具体的には、光電変換素子１０内の透明導電膜１２に相当する透明層の厚みが、光の反射時の位相差θ２に対して、θ２=２ｍπ(ｍ＝０,１,２…)を満たす場合、光半導体層に吸収される光エネルギー量の割合をＰＶとすると、
ＰＶ＝（８・Ｑα／ＱＶ）／（１＋２Ｑα／ＱＭ＋２Ｑα／ＱＶ）２
となる。この関係式から、光の９割以上を利用するためには、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係でフォトニック結晶構造を設計することが望ましいことを導ける。
（フォトニック結晶の変形例）
次に、フォトニック結晶の変形例について説明する。
図１３は、本発明の光電変換素子３０の構成を表す断面図である。
光電変換素子３０は、光電変換素子１０のフォトニック結晶２１に換えて、フォトニック結晶２３を備えている。他の構成は、光電変換素子１０と同様である。
フォトニック結晶２３は、ナノロッド３９の高さが、半導体層１３の厚みと同じである点で、フォトニック結晶２１の構成と相違する。フォトニック結晶２３は、半導体層１３を貫通して形成された円柱形状の孔である。
さらに、ナノロッド１９、３９のように円柱形状に限定されず、断面形状が台形となるように形成してもよい。
図１４は、断面が台形であるナノロッドが形成されたフォトニック結晶の構成を表す断面図である。
図１４に示すフォトニック結晶２４は、半導体層１３に、断面が台形であるナノロッド４９が形成されている。ナノロッド４９は、半導体層１３の表面に形成されている上面の面積の方が、半導体層１３の内部に形成されている下面の面積より大きくなるように形成されている。
すなわち、ナノロッド４９は、光電変換素子３０の光の入射面側の面である上面の面積の方が、反端側の面である下面の面積より大きくなるような台形柱である。
これにより、エッチングなどにより、半導体層１３にナノロッド４９を形成する際の加工を容易にすることができる。
図１５は、領域ごとに、ナノロッドのピッチが異なるフォトニック結晶の構成を表す平面図である。
図１５に示すように、１つのフォトニック結晶中に、ナノロッドのピッチの異なる領域を複数配してもよい。
図１５に示すように、フォトニック結晶２２は、半導体層１３に、ナノロッド１９がピッチａ１で形成されている領域Ａ１と、ナノロッド１９がピッチａ２で配されている領域Ａ２と、ナノロッド１９がピッチａ３で形成されている領域Ａ３とが配されたものである。
ピッチａ１、ピッチａ２、及びピッチａ３は、それぞれ異なる一定の値であり、かつ、それぞれ、波長λの１／４以上１以下を満たす値である。
図１５に示すように、半導体層１３を平面視したときの半導体層１３の一辺に平行な方向に、等ピッチで配されているナノロッド１９が５０個〜１００個程度含まれるように、領域Ａ１、領域Ａ２、領域Ａ３を設ける。
これにより、領域Ａ１、領域Ａ２、及び領域Ａ３では、それぞれのΓ点で、それぞれ異なるバンド端が形成される。このため、それぞれの領域Ａ１、Ａ２、Ａ３でのΓ点の規格化周波数に対応する波長λ１、λ２、λ３が共鳴波長となる。
このように、フォトニック結晶２２では、１つのフォトニック結晶２２で、複数の異なる波長λ１、波長λ２、及び波長λ３の光を共鳴させることができるので、それぞれの領域を用いて、複数の波長の光の吸収率を向上させることができる。
（光電変換素子の製造工程）
次に、光電変換素子１０の製造工程の具体的な一例について説明する。図１６は、光電変換素子１０の製造工程を示す工程図である。
まず、図１６の（ａ）に示すように、ガラス１８上にＳｎＯ２等を蒸着して透明導電膜１７を形成し、さらに、ナノロッド１９となるＳｉＯ２等の材料を３５０ｎｍの厚みで透明導電膜１７上に蒸着し、ＳｉＯ２層８１を形成する。
次に、図１６の（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２層８１上にフォトレジスト８２を、９００ｎｍ程度の厚みを持つように塗布した後、電子ビーム露光によって、ナノロッド１９の配置パターンに対応するパターンを描画する。フォトレジスト８２がポジ型の感光材料であれば、露光された部分を現像によって除去することによって、ピッチａ＝１５０〜２５０ｎｍ程度および直径ｒ＝６０ｎｍ程度で規定されたナノロッド１９の配置パターンを形成する。
続いて、図１６の（ｃ）に示すように、上記配置パターンの全体にわたって、Ａｌを３００ｎｍ程度の厚みで蒸着し、Ａｌ膜８３を形成する。
その後、図１６の（ｄ）に示すように、フォトレジスト８２を除去することにより、ナノロッド１９の形成部位にのみ、Ａｌ膜８３を残す。なお、フォトレジスト８２の除去工程により、ＳｉＯ２層８１の厚みは３５０ｎｍから若干減少し、３３０ｎｍ程度の厚みになる。
さらに、図１６の（ｅ）に示すように、四フッ化炭素（ＣＦ４）をエッチングガスとする誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ‐Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い、残ったＡｌ膜８３をマスクとして、マスクされていないＳｉＯ２を精度よく除去する。これにより、ナノロッド１９が透明導電膜１７上に２次元的に配置された中間体９０が作製される。
次に、図１６の（ｆ）に示すように、中間体９０の表面全体にａ‐Ｓｉを蒸着し、ｐ型不純物をドープすることによりｐ型半導体１６を形成し、その上にａ‐Ｓｉを蒸着してｉ型半導体１５を形成し、その上にさらにａ‐Ｓｉを蒸着し、ｎ型不純物をドープすることによりｎ型半導体１４を形成する。
続いて、塩酸（ＨＣｌ）を用いて、ウェットエッチングにより残っていたＡｌ膜８３を除去する。
最後に、図１６の（ｇ）に示すように、ＳｎＯ２を蒸着して透明導電膜１２を形成し、さらに、裏面金属電極１１を積層すると、光電変換素子１０が完成する。
〔実施の形態２〕
本発明の光電変換素子に関する第２の実施形態について、図１７、図１８の（ａ）（ｂ）に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図１７は、本実施の形態に係る光電変換素子５０の構成を表す斜視図である。図１８の（ａ）は、本実施の形態に係る光電変換素子５０の構成を表す断面図である。図１８の（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換素子５０の他の構成例を表す断面図である。
実施の形態１で説明した光電変換素子１０の半導体層１３は、ｎ型半導体１４、ｉ型半導体１５、及びｐ型半導体１６が積層された構成であった。一方、本実施の形態に係る光電変換素子５０の半導体層５３は、ｐ型半導体５６、ｉ型半導体５５、ｎ型半導体５４が横に接合されたｐ-ｉ-ｎ型の半導体である。
光電変換素子５０は、反射層５１（金属層）と、反射層５１に積層されている絶縁層５２と、絶縁層５２に積層されている半導体層５３と、半導体層５３の一方の端部に沿って半導体層５３に積層されている電極５７ａと、半導体層５３の他方の端部に沿って半導体層５３に積層されている電極５７ｂと、電極５７ａ、電極５７ｂ、及び半導体層５３に積層されているパッシベーション膜５８とを備えている。そして、フォトニック結晶２５は、半導体層５３のうち、ｉ型半導体５５に形成されている。
なお、パッシベーション膜５８は、半導体層５３の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層の一方であり、絶縁層５２は、その２つの層の他方である。
反射層５１は、光電変換素子５０のうち、最も裏面側に配されており、ＭｏやＡｌ等の反射率の高く、吸収の小さい金属材料からなる。
反射層５１は、光電変換素子５０の入射面側から入射した光のうち、半導体層５３を透過した光を、再び半導体層５３へと反射させるためのものである。このため、反射層５１は、半導体層５３の裏面の全面を覆って形成することが好ましい。
絶縁層５２は、例えば、パッシベーション膜５８と同様の材料からなる。
半導体層５３は、同層に形成されているｎ型半導体５４、ｉ型半導体５５、ｐ型半導体５６からなる。ｎ型半導体５４、ｉ型半導体５５、ｐ型半導体５６は、それぞれａ-Ｓｉからなり、ｉ型半導体５５に、ｎ型半導体５４及びｐ型半導体５６がそれぞれ接合されている。すなわち、絶縁層５２の上層に、ｉ型半導体５５を介して、ｎ型半導体５４及びｐ型半導体５６が配されている。
ｉ型半導体５５には、ナノロッド５９が規則的に形成されている。本実施の形態では、ｉ型半導体５５が、フォトニック結晶２５である。
なお、ｐ型半導体５６およびｎ型半導体５４の上には、電力取り出し用の電極５７ａ、５７ｂがそれぞれ積層されているため、ｉ型半導体５５の上面が、受光面となる。したがって、フォトニック結晶２５が作りこまれたｉ型半導体５５を上下に挟むパッシベーション膜５８と絶縁層５２とのうち、少なくともパッシベーション膜５８を透明とすれば、フォトニック結晶に光を取り込むことができる。
ナノロッド５９は、三角格子状に形成されることにより構成される六角形の格子状にｉ型半導体５５の全面に形成されている。ナノロッド５９のピッチａは、フォトニック結晶２１と同様に、フォトニック結晶２１の内部で強く共鳴させる波長（共鳴ピークの波長）λ（ｎｍ）に対して、１／４〜１／１である。
ナノロッド５９の高さは、ｉ型半導体５５の厚さの１／４以下となるように形成されている。なお、図１８の（ｂ）に示すように、ナノロッド５９の高さは、ｉ型半導体５５の厚さと同じであってもよい。
電極５７ａ、電極５７ｂは、半導体層５３で光電変換されることで生成された電流を外部に取り出すための電力引出し用電極である。電極５７ａは、ｐ型半導体５６に積層されて形成されており、電極５７ｂは、ｎ型半導体５４に積層して形成されている。これにより、主に、ｉ型半導体５５における光励起によって発生した電荷は、ｐ型半導体５６上の電極５７ａ、ｎ型半導体５４上の電極５７ｂおよび外部抵抗によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗に起電力を発生させる。
パッシベーション膜５８は、屈折率ｎが１．２から２．０程度の材料からなり、半導体層１３の媒質（例えば、ａ‐Ｓｉ）の屈折率より低い誘電体によって形成されている。パッシベーション膜５８は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ等の無機絶縁材料を用いることができ、半導体層１３及び半導体層１３に積層されている電極５７ａ、電極５７ｂを覆って形成されている。
このように、半導体層５３は、図１に示すｐｉｎ縦型構造ではなく、ｐｉｎ横型（ラテラル型）構造を有している。すなわち、半導体層５３は、ｐ型半導体５６、ｉ型半導体５５およびｎ型半導体５４がこの順に横並びして隣接した構造を採っている。
ラテラル構造は、光電変換素子を薄くするのに有利である。さらに、ラテラル構造は、各層の重なりが、縦型構造より少ないため、各層間の寄生容量が小さくなる結果、センシング速度（光応答速度）が縦型構造より速くなるというメリットも持っている。
さらに、光電変換素子５０の構成によると、光電変換素子１０と同様の効果を得ることができる。
〔実施の形態３〕
本発明の光電変換素子に関する第３の実施形態について、図１９、図２０の（ａ）（ｂ）に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１、２にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図１９は、本実施の形態に係る光電変換素子６０の構成を表す斜視図である。図２０の（ａ）は、本実施の形態に係る光電変換素子６０の構成を表す断面図である。図２０の（ｂ）は、本実施の形態に係る光電変換素子６０の他の構成例を表す断面図である。
本実施の形態に係る光電変換素子６０は、矩形状のｉ型半導体６５の対向する両端部において、ｉ型半導体６５上にｎ型半導体６４ａと、ｎ型半導体６４ｂとを積層したｎｉｎ構造を有している。半導体層６３は、ｉ型半導体６５、ｎ型半導体６４ａ、及びｎ型半導体６４ｂからなる。
ｎ型半導体６４ａ、ｎ型半導体６４ｂには、それぞれＩＴＯからなる透明電極６７ａ、透明電極６７ｂが積層されている。そして、透明電極６７ａ、透明電極６７ｂには、それぞれ金属材料からなる電極５７ａ、電極５７ｂが積層されている。ｎ型半導体６４ａ、６４ｂは、何れもａ-Ｓｉからなる。パッシベーション膜５８は、半導体層６３及び半導体層６３上に配されている電極５７ａ、電極５７ｂを覆って形成されている。
このように、光電変換素子６０は、矩形状のｉ型半導体６５の対向する両端部において、i型半導体６５上にｎ型半導体６４ａ、６４ｂを積層したｎｉｎ構造を有し、ａ−Ｓｉを半導体層とするＴＦＴと同様の構造を備えている。両端部のｎ型半導体６４ａ、６４ｂの上には、電力取り出し用の電極がそれぞれ積層されているため、ｉ型半導体６５のうち、ｎ型半導体６４ａ、６４ｂが形成されていない中央部が、受光面となる。光電変換素子６０では、この部分に、ナノロッド５９が形成されてなるフォトニック結晶２５が形成されている。
ナノロッド５９のピッチ等は、実施の形態１、２で説明したものと同じである。
透明電極６７ａ、透明電極６７ｂおよび電極５７ａ、電極５７ｂの２層構造にすることにより、電極５７ａ、電極５７ｂが移動し、電極５７ａと、電極５７ｂとの間の絶縁抵抗を低下させるマイグレーションを防止することができる上、電極５７ａ及び電極５７ｂ全体の抵抗値を下げることもできる。
ｉ型半導体６５の裏面側には、ＴＦＴのゲート絶縁膜と同じ働きをする絶縁層（ＧＩ、ＡＯなどと呼ばれる）層５２が存在し、絶縁層５２の裏面側をＴＦＴのゲート電極と同じ働きをする裏面金属電極１１が覆っている。裏面金属電極１１の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌなどを選択できる。
上記の構成において、主に、ｉ型半導体６５における光励起によって発生した電荷は、ｉ型半導体６５の両側に配された電極５７ａ、電極５７ｂおよび外部抵抗によって形成された回路を流れる電流となり、外部抵抗に起電力を発生させる。
また、逆スタガ型のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をフォトトランジスタとする光センサにフォトニック結晶を作り込む場合には、半導体層の中で、ゲート電極の上方に位置する部位にフォトニック結晶を作り込めばよい。ＴＦＴに照射された光のうち、ゲート電極に到達した光は、ゲート電極によって反射され、フォトニック結晶に戻されるので、戻ってきた光を含めて光起電力の増強効果を得ることができる。
図２０の（ａ）に示すように、ナノロッド５９の高さは、ｉ型半導体６５の厚さの１／４以下となるように形成されている。なお、図２０の（ｂ）に示すように、ナノロッド５９の高さは、ｉ型半導体６５の厚さと同じであってもよい。
〔実施の形態４〕
本発明の光電変換素子に関する第４の実施形態について、図２１に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１〜３にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図２１は、本実施の形態に係る光電変換素子７０の構成を表す断面図である。
光電変換素子７０の半導体層７３は、裏面側から順に、ｎ型半導体７４、ｉ型半導体７５、及びｐ型半導体７６が積層されている。そして、ｎ型半導体７４、ｉ型半導体７５、及びｐ型半導体７６には、それぞれ複数の突起７９ｃ、突起７９ｂ、及び７９ａが形成されている。突起７９ｃ、突起７９ｂ、及び７９ａはそれぞれ対応する位置に形成されている。この対応する位置に積層されている突起７９ｃ、突起７９ｂ、及び７９ａがナノロッド７９である。
フォトニック結晶２７は、半導体層７３に、ナノロッド７９が形成されているものである。
ナノロッド７９は、光電変換素子７０のように、ｎ型半導体７４、ｉ型半導体７５、及びｐ型半導体７６のそれぞれに形成された突起７９ｃ、突起７９ｂ、及び７９ａから構成されていてもよいし、ｎ型半導体７４、ｉ型半導体７５、及びｐ型半導体７６のうち、何れか１層に形成された突起からなっていてもよい。ｎ型半導体７４、ｉ型半導体７５、及びｐ型半導体７６のうち、何れか１層に突起を形成する場合、光電変換は主としてｉ型半導体７５内で生じるため、ｎ型半導体７４とｉ型半導体７５との界面か、あるいは、ｉ型半導体７５とｐ型半導体７６との界面に突起を形成することが好ましい。
このナノロッド７９のピッチ、半径等は、実施の形態１〜３で説明したものと同じである。
すなわち、ナノロッド７９は、フォトニック結晶２７による共鳴ピーク波長をλとしたとき、１／４倍以上、１倍以下のピッチで、二次元に周期的に配置されている。
さらに、フォトニック結晶２７では、フォトニック結晶２７と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、フォトニック結晶２７と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、半導体層７３の媒質による光の吸収係数αaの逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にある。
ガラス基板７８は、エッチングされるなどにより、ナノロッド７９の形成領域に、複数の凹部が形成されている。この凹部は、隣接する間隔がピッチａの三角格子により構成される六角形の格子となるように、ガラス基板７８の裏面に形成されている。
そして、ガラス基板７８の凹部が形成されている面に、順に、ＴＣＯである透明導電膜７７、ａ-Ｓｉからなるｐ型半導体７６、ａ-Ｓｉからなるｉ型半導体７５、ａ-Ｓｉからなるｎ型半導体７４、ＴＣＯである透明導電膜７２、及び裏面金属電極７１（金属層）が積層される。これにより、ガラス基板７８に積層された各層に、ガラス基板７８に形成された凹部に対応する凹凸が形成される。
これにより、光電変換素子７０は、光電変換素子１０、３０、５０、６０と同様の効果を得ることができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
〔まとめ〕
上記のように、本発明の態様１に係る光電変換素子は、光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、上記フォトニック結晶は、上記光電変換層の内部に、当該光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が配置されたものであり、上記フォトニック結晶による共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあることを特徴とする。
上記構成によると、上記光電変換層の内部にはフォトニック結晶が形成されているので、光電変換層に入射した光を、上記フォトニック結晶により共鳴させることができる。
そして、上記フォトニック結晶では、柱状の媒質が、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元的に配置されている。このため、上記フォトニック結晶の逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成され、当該バンド端により規定される光の波長がλとなる。
これにより、フォトニック結晶が形成された上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、上記光電変換層内に閉じ込めて共鳴させることができる。このように、角度依存性を持って光電変換層で共鳴された共鳴ピーク波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。
ここで、上記係数κVと吸収係数とがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しければ、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなる。
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、バンド端により規定される共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる光電変換素子を得ることができる。
本発明の態様２又は態様３に係る光電変換素子は、上記態様１において、上記フォトニック結晶では、平面視したとき、上記柱状の媒質は、三角形の各頂点に配置されているか、または、四角形の各頂点に配置されていることが好ましい。
これにより、逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成され、当該バンド端により規定される光の波長がλとなるフォトニック結晶を構成することができる。このため、波長λの光を、光電変換素子の内部で共鳴させることで、光の吸収率を向上させることができる。
本発明の態様４に係る光電変換素子は、上記態様１〜３において、上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質は、上記光電変換層の厚みの１／４以下の高さを持って、上記光電変換層の媒質内に配置されていることが好ましい。
上記構成により、上記光電変換層に形成する上記柱状の媒質が、当該光電変換層の高さより小さいので、上記光電変換層に、上記柱状の媒質を容易に形成することができる。すなわち、フォトニック結晶の形成が容易である。
本発明の態様５に係る光電変換素子は、上記態様１〜３において、上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質は、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に配置されていることが好ましい。
上記の構成は、公知の半導体プロセス技術を用いて、比較的容易に作製することができるフォトニック結晶の一構成例である。
本発明の態様６に係る光電変換素子は、上記態様１〜５において、上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質が、２次元的に一定のピッチで配されている領域と、当該領域とは異なるピッチで、２次元的に一定のピッチで配されている領域とが配されていることが好ましい。
上記構成のように、一定のピッチで配されている上記柱状の媒質のピッチを、領域ごとに異ならせることで、領域ごとに、フォトニック結晶によるバンド端により規定される共鳴ピーク波長を異ならせることができる。このため、領域ごとに、フォトニック結晶による共鳴ピーク波長を複数発生させることができるので、さらに光の吸収率の向上効果を得ることができる。
本発明の態様７に係る光電変換素子は、上記態様１〜６において、上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層によって挟まれ、上記２つの層の少なくとも一方は、透明であることを特徴とする。
上記の構成によれば、高屈折率のコアを、低屈折率のクラッドで被覆した光ファイバと同じ原理で、光電変換層の表面に垂直な方向に伝播し、漏れ出ようとする光を閉じ込めることができる。この結果、光電変換層による光の吸収率をさらに向上させることができる。
なお、フォトニック結晶に光を進入させるため、上記２つの層のうち、少なくとも、光電変換素子の受光面側に配された層を透明とすればよい。
本発明の態様８に係る光電変換素子は、上記対応１〜７において、上記光電変換層は、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造、あるいは、ｎ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を有し、上記隣接構造は、各層が縦積みされた縦型構造、または横並びされた横型構造であることを特徴とする。
上記のように、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を備えた光電変換素子は、いわゆるｐｉｎ型光電変換素子である。また、ｎ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を備えた光電変換素子は、いわゆるｎｉｎ型光電変換素子である。
ｐｉｎ型またはｎｉｎ型の光電変換素子は、真性半導体層で電子および正孔が生成され、効率良く電流を取り出すことができるので、太陽電池または光センサなどの用途に適している。
また、縦型構造は、光電変換素子の占有面積を小さくするのに有利であり、横型（ラテラル）構造は、光電変換素子を薄くするのに有利である。さらに、横型構造は、各層の重なりが、縦型構造より少ないため、各層間の寄生容量が小さくなる結果、センシング速度（光応答速度）が縦型構造より速くなるというメリットも持っている。
本発明の態様９に係る光電変換素子は、上記態様１〜８において、光が上記光電変換素子に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられていることを特徴とする。
これにより、上記金属層は、光電変換層などを通り抜けた光を、再び、光電変換層に戻すように反射するので、光電変換率を向上させることができる。また、上記金属層は、電流を取り出す電極の１つとしての役割を果たすこともできる。
本発明の態様１０に係る光電変換素子は、上記態様１〜９において、上記柱状の媒質は、光の入射面側である上面の面積の方が、反対側の面である下面の面積より大きくなるような台形柱であることを特徴とする。
これにより、エッチング等により上記柱状の媒質を形成する際の加工を容易にすることができる。
なお、フォトニック結晶を光電変換層の全体にわたって形成することは本発明にとって必須ではなく、フォトニック結晶が光電変換層の一部領域に形成されていれば、従来より光電変換率を向上させる効果が得られる。この場合、上記金属層を、フォトニック結晶が形成された上記一部領域に対応した下方領域の全体に設けることが好ましい。
本発明の態様１１に係る光電変換素子は、複数の半導体が積層された光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、複数積層された上記半導体のうち、少なくとも１つの層に突起が形成されており、上記フォトニック結晶は、上記突起が形成された半導体を含むものであり、上記フォトニック結晶による共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記突起は、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されており、上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあることを特徴としている。
上記構成のように、半導体層に複数の突起を形成することで、フォトニック結晶を構成することができる。このように形成されたフォトニック結晶では、突起が、λ／４以上、λ以下のピッチで、二次元に周期的に配置されているので、Γ点方向にバンド端が形成される。これにより、上記光電変換層に入射する光のうち、垂直方向からの入射光であって、波長λの光を、上記光電変換層内に閉じ込めて共鳴させることができる。このように、光電変換層で共鳴された波長λの光は、上記光電変換層の媒質によって吸収される。
ここで、上記係数κVと吸収係数とがほぼ等しくなっている場合、言い換えると、ＱＶとＱαとがほぼ等しくなっている場合、光電変換層の媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
なお、ＱＶとＱαとがほぼ等しければ、フォトニック結晶による光の吸収効果が高くなる。
したがって、上記の構成により、フォトニック結晶構造を備えた光電変換素子の光の吸収率を高めることができ、前述した波長５２０ｎｍから８２０ｎｍ程度までの帯域における光起電力を増大させることができる。また、バンド端により規定される共鳴ピークの波長を、光電変換層の媒質による吸収率の低い波長帯域に合わせることにより、より広範囲の波長帯域の光を吸収できる光電変換素子を得ることができる。
なお、ある着目した請求項に記載された構成と、その他の請求項に記載された構成との組み合わせが、その着目した請求項で引用された請求項に記載された構成との組み合わせのみに限られることはなく、本発明の目的を達成できる限り、その着目した請求項で引用されていない請求項に記載された構成との組み合わせが可能である。
本発明は、光電変換素子全般に利用することができ、特に、太陽電池または光センサなどの光電変換素子に好適である。
１０、３０、５０、６０、７０ 光電変換素子
１１、７１ 裏面金属電極（金属層）
１２ 透明導電膜（２つの層の一方）
１７ 透明導電膜（２つの層の他方）
１３、５３、６３、７３ 半導体層（光電変換層）
１４、５４、６４ａ、７４ ｎ型半導体
１５、５５、６５、７５ ｉ型半導体
１６、５６、７６ ｐ型半導体
１８ ガラス
１９、３９、４９、５９、７９ ナノロッド（柱状の媒質）
２１、２２、２３、２４、２５、２７ フォトニック結晶
５１ 反射層（金属層）
５２ 絶縁層
５８ パッシベーション膜（２つの層の一方）
ａ，ａ１，ａ２，ａ３ ピッチ
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 領域

Claims (10)

  1. 光電変換層と、当該光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶とを備えた光電変換素子であって、
    上記フォトニック結晶は、上記光電変換層の内部に、当該光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が配置されたものであり、
    上記フォトニック結晶による共鳴ピークの波長をλとしたとき、
    上記柱状の媒質は、λ／４以上、λ以下のピッチで、上記フォトニック結晶の逆格子空間におけるΓ点にバンド端が形成されるように二次元に周期的に配置されており、
    上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱＶと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すＱ値としてのＱαとが、ＱＶ＝Ｑαを満たす関係にあることを特徴とする光電変換素子。
  2. 上記フォトニック結晶では、平面視したとき、上記柱状の媒質は、三角形の各頂点に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 上記フォトニック結晶では、平面視したとき、上記柱状の媒質は、四角形の各頂点に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  4. 上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質は、上記光電変換層の厚みの１／４以下の高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光電変換素子。
  5. 上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質は、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光電変換素子。
  6. 上記フォトニック結晶では、上記柱状の媒質が、２次元的に一定のピッチで配されている領域と、当該領域とは異なるピッチで、２次元的に一定のピッチで配されている領域とが配されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光電変換素子。
  7. 上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる２つの層によって挟まれ、上記２つの層の少なくとも一方は、透明であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  8. 上記光電変換層は、ｐ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造、あるいは、ｎ型半導体層、真性半導体層およびｎ型半導体層の各層の隣接構造を有し、上記隣接構造は、各層が縦積みされた縦型構造、または横並びされた横型構造であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  9. 光が上記光電変換素子に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電変換素子。
  10. 上記柱状の媒質は、光の入射面側である上面の面積の方が、反対側の面である下面の面積より大きくなるような台形柱であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の光電変換素子。
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