JP5967592B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
(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。
(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。
次に、フォトニック結晶21の構成について説明する。
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。
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=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。
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。
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。
QT=π・n・QM/(λ・α・QM+π・n) …式5
が導かれる。
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。
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。
次に、フォトニック結晶の変形例について説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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