JP6030971B2 - 受光素子および受光素子を備えた太陽電池 - Google Patents
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Description
「超格子半導体層」とは、障壁層と量子ドット層とが複数回繰り返し積層されて構成された超格子構造を有する。障壁層および量子ドット層はともに化合物半導体材料からなるが、障壁層は量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。
[受光素子の構成]
図1は、本発明の実施形態1に係る受光素子を備えた太陽電池の構成を示す概略断面図である。本実施形態に係る受光素子は、n型半導体層1と、p型半導体層12と、n型半導体層1とp型半導体層12とに挟まれた超格子半導体層10とを備える。
n型半導体層1は、光入射側とは反対側に位置し、n型不純物を含む半導体からなり、i型半導体層(超格子半導体層10)とp型半導体層12とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。p型半導体層12は、光入射側に位置し、p型不純物を含む半導体からなり、i型半導体層(超格子半導体層10)とn型半導体層1とともにpin接合またはpn接合を構成することができる。このpin接合またはpn接合が受光することにより、起電力が生じる。
超格子半導体層10は、n型半導体層1とp型半導体層12とに挟まれ、pin接合またはpn接合を構成することができる。また、超格子半導体層10は、2つの超格子構造を有し、2つの超格子構造は、それぞれ、量子ドット7を含む量子ドット層6と障壁層8とがn型半導体層1上に交互に繰り返し積層されて構成されている。なお、図1には明確に図示されていないが、量子ドット7は超格子半導体層10での積層方向において障壁層8を挟んで設けられている。
また、超格子半導体層10は、i型半導体層であってもよいし、受光により起電力が生じるのであればp型不純物またはn型不純物を含む半導体層であってもよい。
本実施形態に係る太陽電池20は本実施形態に係る受光素子を備えているので、本実施形態ではキャリアの取り出し効率に優れた太陽電池を提供することができる。
[太陽電池の製造方法]
まず、n型半導体層1を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってn型半導体層1をエッチングし、さらに10分間、n型半導体層1に対して流水洗浄を施す。その後、n型半導体層1をMOCVD装置内で支持する。n型半導体層1としては、n−GaAs基板を用いることができる。
歪とピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた8バンドk・pハミルトニアンの平面波展開法を用いて、超格子構造の超格子ミニバンドの構造および超格子構造の光吸収スペクトルをシミュレーションした。下記(式1)を解くことで光吸収係数αを見積ることができる。
実験例1では、超格子半導体層は伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが異なる2つの超格子構造を有すると仮定し、2つの超格子構造に対して別々に超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。2つの超格子構造では、ともに、障壁層構成する母体半導体材料および量子ドット層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素(GaAs)を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素(InAs)を用いた。本実験例では、母体半導体材料をGa1-xInxAs(x=0)とし量子ドットの材料をGa1-xInxAs(x=1)としたが、xの値は適宜変更することができる。障壁層を構成する母体半導体材料と量子ドット層を構成する母体半導体材料とは、同じとしたが、異なる母体半導体材料であってもよい。
比較実験例1では、超格子半導体層は上記実験例1の超格子構造2のみを有すると仮定して、超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。具体的には、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素(GaAs)を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素(InAs)を用いた。また、量子ドットの面内方向の直径サイズを9nmとし、量子ドットの積層方向のサイズ(高さ)を3nmとした。量子ドット間の面内方向の距離を20nmとし、量子ドット間の積層方向の距離を4nmとした。超格子半導体層の全体の厚さを6μmとした。
実験例1の超格子半導体層と比較実験例1の超格子半導体層とでは、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における吸収スペクトルにおいては差がなかった。しかし、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端は、実験例1の方が比較実験例1よりも高エネルギーであった。このことから次に示すことが言える。比較実験例1の超格子半導体層では、伝導帯第一超格子ミニバンドの位置に依存して、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの遷移の吸収端および伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端が決まる。しかし、実験例1では、太陽光スペクトルに合わせて、各遷移の吸収端を自由に制御することができる。
実験例2では、障壁層を構成する母体半導体材料を変更することを除いては上記実験例1と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。上記実験例1と同様、超格子半導体層は伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが異なる2つの超格子構造を有すると仮定し、2つの超格子構造に対して別々に超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。2つの超格子構造では、ともに、障壁層を構成する母体半導体材料および量子ドット層を構成する母体半導体材料にアルミニウムガリウムインジウム燐((AlyGa1-y)zIn1-zP)を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素(InAs)を用いた。本実験例では、母体半導体材料をy=0およびz=0.52として計算したが、yおよびzの値は適宜変更可能である。また、量子ドットの材料をGa1-xInxAs(x=1)としたが、xの値を適宜変更することができる。障壁層を構成する母体半導体材料と量子ドット層を構成する母体半導体材料とは、同じとしたが、異なる母体半導体材料であってもよい。
比較実験例2では、超格子半導体層は上記実験例1の超格子構造2のみを有すると仮定して、超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。具体的には、障壁層を構成する母体半導体材料にアルミニウムガリウムインジウム燐((AlyGa1-y)zIn1-zP)を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素(InAs)を用いた。また、量子ドットの面内方向の直径サイズを7nmとし、量子ドットの積層方向のサイズ(高さ)を3nmとした。量子ドット間の面内方向の距離を20nmとし、量子ドット間の積層方向の距離を2nmとした。超格子半導体層の全体の厚さを6μmとした。
実験例2の超格子半導体層と比較実験例2の超格子半導体層とでは、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における吸収スペクトルにおいては差がなかった。しかし、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端は、実験例2の方が比較実験例2よりも高エネルギーであった。このことから次に示すことが言える。比較実験例2の超格子半導体層では、伝導帯第一超格子ミニバンドの位置に依存して、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの遷移の吸収端および伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端が決まる。しかし、実験例2の超格子半導体層では、太陽光スペクトルに合わせて、各遷移の吸収端を自由に制御することができる。
[超格子半導体層の偏光特性]
まず、超格子半導体層の偏光スペクトルの理論計算の結果を示す。図14は、偏光スペクトルの理論計算に用いた超格子半導体層110の構成を示した断面図である。この理論計算に用いた太陽電池は、超格子半導体層110を活性層として備える。超格子半導体層110は、InAsからなる量子ドット101と、GaAsのマトリックスからなる障壁層102とを有する。量子ドット101は、S−K成長モード(Stranski-Krastanov Growth Mode)により成長されるので、濡れ層103上に島状に形成されることとなり、頂点が途切れたピラミッド形状を有する。
Lzが3nm近傍の場合、別の言い方をするとLzと量子ドット101の高さとの差が±1nm以内である場合、超格子半導体層の吸収スペクトルは図15(b)に近い形状を有し、超格子半導体層にはTE偏光とTM偏光とが同程度の強度で吸収されるようになる。よって、Lzと量子ドット101の高さとの差が±1nm以内である太陽電池は、入射光の偏光に依存せずに吸収することとなる。しかしながら、一般に、太陽電池では、太陽光は太陽電池の表面から垂直に入射される。したがって、超格子半導体層にTE偏光をより強く吸収させる方が効率の良い太陽電池となる。以上のことから、超格子半導体層110を構成する量子ドット101の間隔Lzは量子ドット101の高さよりも大きいことが好ましく、(Lz−量子ドット101の高さ)は1nmよりも大きいことがより好ましい。
本発明の実施形態3では、上記実施形態1または2の超格子半導体層を備えたフォトダイオード(光センサー)を説明する。フォトダイオードの場合、所望の偏光特性は用途に応じて異なる。たとえば、特定の偏光特性を持った発光源(半導体レーザなど)から発せられる光を直接受ける場合には、発光源から発せられる光の偏光に合わせた偏光特性を超格子半導体層に持たせることが好ましい。これにより、感度またはSN比の向上につながる。また、光ファイバー通信用フォトダイオードなどのように入射光の偏光が定まらない場合には、TE偏光とTM偏光との感度を同程度(偏光無依存)にすることが好ましい。これにより、安定した光検知が可能になる。
本発明の実施形態4では、上記実施形態1または2の超格子半導体層を備えた半導体光増幅器について述べる。半導体光増幅器の場合、利得の偏光方向に対する依存性は極力低いことが望ましい。その理由は、光ファイバーを通ったあとの光信号の偏光が一意に定まらないからである。したがって、超格子半導体層には、TE偏光の入射光およびTM偏光の入射光の双方に対して同等の感度を持たせることが好ましい(偏光無依存の感度を持たせることが好ましい)。これにより、安定した光検知が可能になる。
本発明の実施形態5では、上記実施形態1の超格子半導体層を備えた量子ドット赤外線センサーについて述べる。量子ドットを用いた赤外線センサーでは、赤外線吸収により伝導帯の量子準位から光励起されたキャリアが、高効率で取り出されることが望ましい。これにより、高い量子効率および高感度が可能となる。
Claims (5)
- p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、
前記超格子半導体層は、障壁層と量子ドットを含む量子ドット層とが交互に繰り返し積層されて構成された2つ以上の超格子構造を有し、
前記2つ以上の超格子構造は、前記量子ドットの形状、前記量子ドットの材料、前記障壁層の厚さ、および、前記障壁層の材料のうちの少なくとも1つを互いに異にすることにより、それぞれ量子ドット層の伝導帯量子準位または価電子帯量子準位の下端エネルギーの大きさが異なる超格子ミニバンドを有し、
前記超格子ミニバンドのうち前記下端エネルギーが相対的に大きい超格子ミニバンドに光励起されたキャリアは、この超格子ミニバンドに隣り合う、前記下端エネルギーが相対的に小さい超格子ミニバンドに移動する受光素子。 - 前記2つ以上の超格子構造は、
それぞれの前記超格子構造を構成する前記量子ドット層の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成し、
伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように配置されている請求項1に記載の受光素子。 - 前記n型半導体層は、光入射側とは反対側に配置されている請求項1または2に記載の受光素子。
- 前記量子ドット層の積層方向における前記量子ドットの間隔は、前記量子ドットの高さよりも大きい請求項1〜3のいずれかに記載の受光素子。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の受光素子を備えた太陽電池。
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