JP6115938B2 - Method for forming quantum dots and solar cell - Google Patents
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Description
本発明は、量子ドットの形成方法と、量子ドットを適用した太陽電池に関する。 The present invention relates to a method for forming quantum dots and a solar cell to which quantum dots are applied.
近年、量子ドットの光電子デバイスへの適用が注目を集め、種々の研究、開発がなされている。3次元的なキャリアの閉じ込め構造である量子ドットは、キャリアの一次元的な閉じ込めである量子井戸構造や、二次元的な閉じ込めである量子細線構造と比較して、キャリアのエネルギースペクトルが鋭く、離散的になる。 In recent years, application of quantum dots to optoelectronic devices has attracted attention, and various studies and developments have been made. The quantum dot, which is a three-dimensional carrier confinement structure, has a sharper carrier energy spectrum than the quantum well structure, which is a one-dimensional carrier confinement, and the quantum wire structure, which is a two-dimensional confinement. Become discrete.
他方、量子ドットの面内密度が高密度になると、量子ドット内電子の波動関数が面内結合して重なり合い、量子ドットの伝導帯および価電子帯の中に中間バンドが形成される。中間バンドの発生を利用して、量子ドットを太陽電池へ適用することが提案されている。しかし公知の構成では量子ドットの層を数十層〜数百層も積層している。 On the other hand, when the in-plane density of the quantum dots becomes high, the wave functions of the electrons in the quantum dots are coupled in-plane and overlap, and an intermediate band is formed in the conduction band and valence band of the quantum dots. It has been proposed to apply quantum dots to solar cells using the generation of intermediate bands. However, in the known configuration, several tens to hundreds of quantum dot layers are stacked.
量子ドットの形成には、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するいわゆるS−K(Stranski-Krastanov)モード成長を利用する手法が一般的に採用されている。この方法はヘテロ界面に生じる歪エネルギーを利用するので、リソグラフィやエッチングのようにバルク材料への加工を必要としない。したがって、比較的簡単なプロセスで量子ドットを形成することができる。S−Kモードを利用した量子ドットの形成方法として、GaAsバッファ層上にGaAsSbバッファ層を成長し、その上にInAs量子ドットを成長する方法が提案されている(たとえば、特許文献1および非特許文献1参照)。この方法は、量子ドット層の形成に先立って、アンチモン(Sb)を含む下地バッファ層(GaAsSbバッファ層)を挿入することにより、量子ドット同士のコアレッセンス(合体)を抑制しながら、1層当たりの量子ドットの面内密度を2×1011cm-2に高めている。 For the formation of quantum dots, a technique using so-called SK (Stranski-Krastanov) mode growth that appears in the early stage of heteroepitaxial growth is generally employed. Since this method uses strain energy generated at the heterointerface, it does not require processing into a bulk material like lithography and etching. Therefore, quantum dots can be formed by a relatively simple process. As a method for forming quantum dots using the SK mode, a method in which a GaAsSb buffer layer is grown on a GaAs buffer layer and an InAs quantum dot is grown on the GaAsSb buffer layer has been proposed (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents). Reference 1). Prior to the formation of the quantum dot layer, this method inserts a base buffer layer (GaAsSb buffer layer) containing antimony (Sb), thereby suppressing coalescence between quantum dots per layer. The in-plane density of the quantum dots is increased to 2 × 10 11 cm −2 .
なお、InAs量子ドット層の成長に先立ってGaAsSb下地バッファ層を形成する手法との対比の関係で、InAsSb濡れ層を形成してInAs量子ドットを成長させる例が知られているが(たとえば、非特許文献2参照)、この成長条件で形成されたInAs量子ドットの面内密度は5×1010cm-2と報告されている。 An example of growing an InAs quantum dot by forming an InAsSb wetting layer is known in comparison with a method of forming a GaAsSb underlayer buffer layer prior to the growth of an InAs quantum dot layer (for example, non-industry). In-plane density of InAs quantum dots formed under these growth conditions is reported to be 5 × 10 10 cm −2 .
太陽エネルギーの有効利用を考えると、量子ドットの面内密度をさらに向上して中間バンドを利用した光デバイスの実現が望まれる。そこで、本発明は量子ドット間のコアレッセンスを抑制しつつ、従来以上に高密度な量子ドット配列を実現する量子ドットの形成方法と、これを利用した太陽電池を提供することを課題とする。 Considering the effective use of solar energy, it is desirable to further improve the in-plane density of quantum dots and realize an optical device using an intermediate band. Accordingly, an object of the present invention is to provide a quantum dot forming method that realizes a quantum dot arrangement higher in density than in the past while suppressing coalescence between quantum dots, and a solar cell using the method.
上記課題を解決するために、本発明の第1の側面として、高密度の量子ドットの形成方法を提供する。この方法は、
GaAsバッファ層上にInAs層を成長する際に、前記InAs層の成長が3次元成長に移行する前の濡れ層の段階で、アンチモン(Sb)を供給圧力2.0×10-7〜3.6×10-7 Torrで導入してInAsSb濡れ層を成長し、
前記InAsSb濡れ層が0.5分子層(ML)〜1.5ML成長したところで前記Sbの導入を停止して引き続きInAs層を成長してInAs量子ドットを形成する、
工程を含む。
In order to solve the above problems, a method for forming high-density quantum dots is provided as a first aspect of the present invention. This method
When an InAs layer is grown on a GaAs buffer layer, antimony (Sb) is supplied at a pressure of 2.0 × 10 −7 to 3.3 at the stage of the wetting layer before the growth of the InAs layer shifts to three-dimensional growth. Introduced at 6 × 10 −7 Torr to grow InAsSb wetting layer,
When the InAsSb wetting layer grows from 0.5 molecular layer (ML) to 1.5 ML, the introduction of the Sb is stopped and the InAs layer is subsequently grown to form InAs quantum dots.
Process.
良好な実施例では、InAsSb濡れ層およびInAs量子ドットの成長温度は、460〜470℃である。 In a preferred embodiment, the growth temperature of the InAsSb wetting layer and InAs quantum dots is 460-470 ° C.
たとえば、成長温度が460℃のとき、Sbの供給圧力が3.6×10-7 TorrでInAsSb濡れ層を1.0〜1.5ML成長して、InAs量子ドットを、8.0×1011cm-2〜1.0×1012cm-2の面内密度で形成する。 For example, when the growth temperature is 460 ° C., an InAsSb wetting layer is grown by 1.0 to 1.5 ML with an Sb supply pressure of 3.6 × 10 −7 Torr, and an InAs quantum dot is grown to 8.0 × 10 11. It is formed with an in-plane density of cm −2 to 1.0 × 10 12 cm −2 .
別の例では、成長温度が470℃のときに、Sbの供給圧力が2.2×10-7〜3.5×10-7 Torrの範囲で、InAsSb濡れ層を0.8ML〜1.5ML成長して、InAs量子ドットを6.0×1011cm-2〜7.6×1011cm-2の面内密度で形成する。 In another example, when the growth temperature is 470 ° C. and the supply pressure of Sb is in the range of 2.2 × 10 −7 to 3.5 × 10 −7 Torr, the InAsSb wetting layer is 0.8 ML to 1.5 ML. Growing to form InAs quantum dots with an in-plane density of 6.0 × 10 11 cm −2 to 7.6 × 10 11 cm −2 .
本発明の第2の側面では、上述した量子ドットを利用した太陽電池を提供する。太陽電池は、透明電極と、第1導電型の半導体層と、第2導電型の半導体層と、前記第1導電型の半導体層と前記第2導電型の半導体層の間に位置する光吸収層と、前記透明電極と反対側の面に位置する電極と、を含み、
前記光吸収層は、GaAsバッファ層と、
前記GaAsバッファ層上に形成されたInAsSb濡れ層及び前記InAsSb濡れ層上に成長したInAs量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層を覆うGaAs中間層と、
を含み、前記量子ドット層と前記GaAs中間層は、交互に1層以上積層されている。
In the 2nd side surface of this invention, the solar cell using the quantum dot mentioned above is provided. The solar cell includes a transparent electrode, a first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type semiconductor layer, and a light absorption located between the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer. A layer, and an electrode located on a surface opposite to the transparent electrode,
The light absorption layer includes a GaAs buffer layer,
A quantum dot layer including an InAsSb wetting layer formed on the GaAs buffer layer and an InAs quantum dot grown on the InAsSb wetting layer;
A GaAs intermediate layer covering the quantum dot layer;
The quantum dot layer and the GaAs intermediate layer are alternately stacked one or more layers.
良好な構成例として、光吸収層のInAs量子ドットの面内密度は4.0×1011cm-2〜1.0×1012cm-2である。 As a good configuration example, the in-plane density of the InAs quantum dots of the light absorption layer is 4.0 × 10 11 cm −2 to 1.0 × 10 12 cm −2 .
また、InAsSb濡れ層の膜厚は0.5〜1.5ML,InAs量子ドットの高さは1.6〜3.0nmである。 The thickness of the InAsSb wetting layer is 0.5 to 1.5 ML, and the height of the InAs quantum dots is 1.6 to 3.0 nm.
S−Kモード成長を利用して非常に高密度な量子ドットを効率的に形成することができる。量子ドットの面内高密度化による中間バンドの発生を利用して、エネルギー変換効率の高い太陽電池を実現することができる。 Very high density quantum dots can be efficiently formed using SK mode growth. A solar cell with high energy conversion efficiency can be realized by utilizing generation of an intermediate band due to in-plane density increase of quantum dots.
以下で図面を参照して、面内密度を大幅に向上する量子ドットの形成手法を説明する。
<第1実施形態>
面内密度の高い量子ドット構造では、量子ドット内の電子の波動関数が面内結合し、エネルギー準位の多重化(中間バンド化)が生じる。この中間バンド化を利用した光ナノデバイスの新しい展開が期待されている。
A method for forming quantum dots that greatly improves the in-plane density will be described below with reference to the drawings.
<First Embodiment>
In a quantum dot structure with a high in-plane density, electron wave functions in the quantum dots are coupled in-plane, and energy level multiplexing (intermediate banding) occurs. New development of optical nanodevices using this intermediate band is expected.
第1実施形態では、InAs量子ドットを形成する際のInAs濡れ層の成長段階でアンチモン(Sb)を導入することにより、6.5×1011cm-2以上という従来にない高い面内密度でInAs量子ドットの自己形成を実現する。 In the first embodiment, by introducing antimony (Sb) in the growth stage of the InAs wetting layer when forming InAs quantum dots, the in-plane density of 6.5 × 10 11 cm −2 or more is unprecedented. Self-formation of InAs quantum dots is realized.
図1は、高密度の量子ドットの形成方法を説明するための概略図である。GaAs(001)基板11上に、分子線エピタキシャル成長(MBE)によりGaAsバッファ層12を200〜250nmの膜厚に形成する。このときの基板温度は590℃、成長速度は0.130±0.001nm/sである。 FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method for forming high-density quantum dots. A GaAs buffer layer 12 is formed on the GaAs (001) substrate 11 to a thickness of 200 to 250 nm by molecular beam epitaxial growth (MBE). At this time, the substrate temperature is 590 ° C., and the growth rate is 0.130 ± 0.001 nm / s.
次に、S−K成長モードを利用して470℃でInAs層15を成長する。InAsは下地バッファ層12のGaAsと格子定数が異なる。そのため、エピタキシャル成長による2次元成長がある程度に達した時点で、歪エネルギーが膜の弾性限界を超えて自己組織化による3次元成長へと移行する。3次元成長に移行する前の2次元成長の段階の結晶膜を「濡れ層(wetting layer)」と呼ぶ。 Next, the InAs layer 15 is grown at 470 ° C. using the SK growth mode. InAs has a lattice constant different from that of GaAs of the underlying buffer layer 12. Therefore, when the two-dimensional growth by epitaxial growth reaches a certain level, the strain energy exceeds the elastic limit of the film and shifts to three-dimensional growth by self-organization. The crystal film at the stage of two-dimensional growth before the transition to three-dimensional growth is called a “wetting layer”.
このInAsの濡れ層の成長段階で所定の条件の下にSbを導入する。Sbが添加されたInAs濡れ層を便宜上「InAsSb濡れ層13」と称する。InAsSb濡れ層13が0.5〜1.5分子層(ML)に成長したところで、Sbの供給を止めて、引き続きInAsを成長する。上述のように、下地GaAsとの格子定数の違いに起因するInAsの歪エネルギーにより、InAsSb濡れ層13上に三次元のInAs量子ドット14が自己成長する。このInAsSb濡れ層13とInAs量子ドット14を合わせて、InAs層(または量子ドット層)15とする。 Sb is introduced under predetermined conditions in the growth stage of the InAs wet layer. For convenience, the InAs wetting layer to which Sb is added is referred to as “InAsSb wetting layer 13”. When the InAsSb wetting layer 13 has grown to a 0.5 to 1.5 molecular layer (ML), the supply of Sb is stopped and InAs is subsequently grown. As described above, the three-dimensional InAs quantum dots 14 self-grow on the InAsSb wetting layer 13 due to the strain energy of InAs caused by the difference in lattice constant from the underlying GaAs. The InAsSb wetting layer 13 and the InAs quantum dots 14 are combined to form an InAs layer (or quantum dot layer) 15.
InAsSb濡れ層13を含めてInAs層15のトータルの成長量は1.5〜5.0MLである。InAsSb濡れ層13に偏析するSb原子による表面エネルギーの低下により、量子ドットの成長過程で、隣接する量子ドット14同士のコアレッセンスが抑制される。 The total growth amount of the InAs layer 15 including the InAsSb wetting layer 13 is 1.5 to 5.0 ML. The decrease in surface energy due to Sb atoms segregated in the InAsSb wetting layer 13 suppresses coalescence between adjacent quantum dots 14 during the quantum dot growth process.
この形成方法によると、面内密度が4.0×1011cm-2以上という高密度のInAs量子ドット配列が実現する。特に、InAsSb濡れ層13の成長量を1.0ML以上とした場合、あるいはInAsSb濡れ層13の成長量が1.0ML未満であってもSbの供給圧力を増やした場合は、InAs量子ドット14の面内密度を6.0×1011cm-2以上に高めることができる。以下で、これを詳述する。 According to this formation method, a high-density InAs quantum dot array with an in-plane density of 4.0 × 10 11 cm −2 or more is realized. In particular, when the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is 1.0 ML or more, or when the supply pressure of Sb is increased even if the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is less than 1.0 ML, the InAs quantum dots 14 The in-plane density can be increased to 6.0 × 10 11 cm −2 or more. This will be described in detail below.
図2は、InAsSn濡れ層13の成長量と、InAs量子ドットの面内密度との関係を示すグラフである。試料の共通する成長条件として、GaAsバッファ層12の成長温度が590℃、InAsSb濡れ層13の成長温度が470℃、Asの供給量(圧力)は7.3×10-6 Torr、Sbの供給量(圧力)はほぼ一定の2.1±0.1×10-7 Torrに設定し、InAsSb濡れ層13の成長量を0ML〜1.0MLに変化させた。このグラフから、InAs量子ドットの面内密度と、InAsSb濡れ層13の成長量との間にリニアな相関関係があることがわかる。なお、InAsSbの成長温度とAsの供給圧力は装置の関係で多少のばらつきを含む。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the growth amount of the InAsSn wetting layer 13 and the in-plane density of the InAs quantum dots. The common growth conditions of the samples are that the growth temperature of the GaAs buffer layer 12 is 590 ° C., the growth temperature of the InAsSb wetting layer 13 is 470 ° C., the supply amount (pressure) of As is 7.3 × 10 −6 Torr, and the supply of Sb. The amount (pressure) was set to be substantially constant 2.1 ± 0.1 × 10 −7 Torr, and the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 was changed from 0 ML to 1.0 ML. From this graph, it can be seen that there is a linear correlation between the in-plane density of the InAs quantum dots and the growth amount of the InAsSb wetting layer 13. It should be noted that the growth temperature of InAsSb and the supply pressure of As include some variation due to the relationship between the devices.
図3は、図2の各測定点に対応するInAs量子ドットのAFM画像である。図3(a)はInAsSb濡れ層13を成長しない場合、すなわちInAs濡れ層(2次元成長層)13の段階でSbを導入せずに、そのまま3次元成長に移行させる場合(サンプル1)を示す。図3(b)は、InAsSb濡れ層13を0.59ML成長した場合(サンプル2)、図3(c)は、InAsSb濡れ層13を0.75ML成長した場合(サンプル3)、図3(d)は、InAsSb濡れ層13を1.0ML成長した場合(サンプル4)をそれぞれ示す。サンプル2〜4から、InAs量子ドット14のサイズと形状が均一な状態を保ちつつ、面内密度が向上していることがわかる。 FIG. 3 is an AFM image of InAs quantum dots corresponding to each measurement point in FIG. FIG. 3A shows a case where the InAsSb wetting layer 13 is not grown, that is, the case where the InAs wetting layer (two-dimensional growth layer) 13 is not introduced at the stage of the InAs wetting layer (two-dimensional growth layer) 13 and is directly shifted to three-dimensional growth (sample 1). . 3B shows a case where the InAsSb wetting layer 13 is grown by 0.59 ML (sample 2), and FIG. 3C shows a case where the InAsSb wetting layer 13 is grown by 0.75 ML (sample 3). ) Shows a case where the InAsSb wetting layer 13 is grown by 1.0 ML (sample 4). From Samples 2 to 4, it can be seen that the in-plane density is improved while maintaining the uniform size and shape of the InAs quantum dots 14.
サンプル1でInAs層15の濡れ層にSbを導入しない場合は、InAs量子ドットの面内密度は2.2×1011cm-2である。これに対して、サンプル2では面内密度が4.2×1011cm-2、サンプル3では面内密度が4.5×1011cm-2、サンプル4では面内密度が6.0×1011cm-2に向上する。図2のグラフから、
(1)InAsSb濡れ層13の成長量を0.5ML以上とすることで、InAs量子ドットの面内密度を4.0×1011cm-2以上に高めることができること、および
(2)InAsSb濡れ層13の成長量を1.0ML程度、あるいはそれ以上にすることで、InAs量子ドットの面内密度が6.0×1011cm-2以上になり得ること、
がわかる。
When Sb is not introduced into the wet layer of the InAs layer 15 in the sample 1, the in-plane density of the InAs quantum dots is 2.2 × 10 11 cm −2 . In contrast, sample 2 has an in-plane density of 4.2 × 10 11 cm −2 , sample 3 has an in-plane density of 4.5 × 10 11 cm −2 , and sample 4 has an in-plane density of 6.0 × Improve to 10 11 cm -2 . From the graph of FIG.
(1) By increasing the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 to 0.5 ML or more, the in-plane density of the InAs quantum dots can be increased to 4.0 × 10 11 cm −2 or more, and (2) InAsSb wetting The in-plane density of the InAs quantum dots can be 6.0 × 10 11 cm −2 or more by making the growth amount of the layer 13 about 1.0 ML or more.
I understand.
図4は、図2の各測定点における詳細な成長条件を示す表である。GaAsバッファ層12の成長温度と成長速度、InAsSb濡れ層13の成長温度、InAs層15の成長速度、及びAs供給量は、誤差の範囲内で一定である。Sbの供給停止後のInAs層の成長量は、濡れ層13を含めたInAs層15のトータルの成長量が2.18〜2.21MLの範囲に収まるように調整されている。 FIG. 4 is a table showing detailed growth conditions at each measurement point in FIG. The growth temperature and growth rate of the GaAs buffer layer 12, the growth temperature of the InAsSb wetting layer 13, the growth rate of the InAs layer 15, and the As supply amount are constant within an error range. The growth amount of the InAs layer after stopping the supply of Sb is adjusted so that the total growth amount of the InAs layer 15 including the wetting layer 13 falls within the range of 2.18 to 2.21 ML.
図4のSb供給条件と、図2のグラフに基づくなら、InAsSb濡れ層13の成長量を1.0ML程度に固定した場合、Sbの供給量(圧力)を調整することで、InAs量子ドット14の面内密度がさらに高くなることが合理的に予測される。逆にいうと、InAsSb濡れ層13の成長量を1.0MLよりも小さくした場合でも、Sb供給量(圧力)を適切に調整することで、InAs量子ドットの面内密度を、濡れ層13の成長量が1.0MLのときと同程度に高く維持できることが予測される。これについての測定結果は、図6を参照して後述する。 Based on the Sb supply condition of FIG. 4 and the graph of FIG. 2, when the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is fixed to about 1.0 ML, the InAs quantum dot 14 is adjusted by adjusting the supply amount (pressure) of Sb. It is reasonably predicted that the in-plane density will be higher. In other words, even when the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is smaller than 1.0 ML, the in-plane density of the InAs quantum dots can be reduced by appropriately adjusting the Sb supply amount (pressure). It is predicted that the growth can be maintained as high as when the growth amount is 1.0 ML. The measurement result will be described later with reference to FIG.
図5は、InAsSb濡れ層13の成長量と、InAs量子ドット14の平均高さ(左側の縦軸)及びInAs量子ドット14の水平方向のサイズ(右側の縦軸)との関係をプロットしたグラフである。成長条件は図4に示したとおりである。InAsSb濡れ層13の成長量を増大すると、InAs量子ドット14の平均高さは減少するが、2.5nm〜3.0nmの間、より具体的には2.8nm〜3.0nmの間で一定になると考えられる。他方、InAs量子ドット14の水平方向のサイズ(径)は、InAsSb濡れ層13の成長量が1.0MLまでの範囲では、成長量の増加に従って小さくなる。しかし、水平方向サイズもある地点で一定になると予想される。 FIG. 5 is a graph plotting the relationship between the growth amount of the InAsSb wetting layer 13, the average height of the InAs quantum dots 14 (left vertical axis), and the horizontal size of the InAs quantum dots 14 (right vertical axis). It is. The growth conditions are as shown in FIG. When the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is increased, the average height of the InAs quantum dots 14 decreases, but is constant between 2.5 nm and 3.0 nm, more specifically between 2.8 nm and 3.0 nm. It is thought that it becomes. On the other hand, the horizontal size (diameter) of the InAs quantum dots 14 decreases as the growth amount increases in the range where the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is up to 1.0 ML. However, the horizontal size is expected to be constant at certain points.
図6は、InAsSb濡れ層13の成長量を0.75ML〜0.79MLの範囲に維持して、Sb供給量(圧力)とInAs量子ドット14の密度の関係をプロットしたグラフである。Sb供給圧力を高めることによって、InAsSb濡れ層13の成長量が1.0MLより小さい場合でも、InAs量子ドット14の面内密度が6.5×1011cm-2近傍まで高められることがわかる。 FIG. 6 is a graph plotting the relationship between the Sb supply amount (pressure) and the density of the InAs quantum dots 14 while maintaining the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 in the range of 0.75 ML to 0.79 ML. It can be seen that by increasing the Sb supply pressure, the in-plane density of the InAs quantum dots 14 is increased to around 6.5 × 10 11 cm −2 even when the growth amount of the InAsSb wetting layer 13 is smaller than 1.0 ML.
図7は、図6の各測定点でのInAs量子ドット14のAFM画像、図8は、図6の各測定点での成長条件を示す表である。図7(a)はSbの供給圧力を2.2×10-7 Torrとした場合(サンプル11)、図7(b)はSbの供給圧力を2.3×10-7 Torrとした場合(サンプル12)、図7(c)はSbの供給圧力を2.8×10-7 Torrとした場合(サンプル13)を示す。InAsSbの成長温度は470℃、Asの供給圧力は7.3×10-6 Torrであるが、装置によるばらつきを多少含む。 7 is an AFM image of the InAs quantum dots 14 at each measurement point in FIG. 6, and FIG. 8 is a table showing the growth conditions at each measurement point in FIG. 7A shows a case where the supply pressure of Sb is 2.2 × 10 −7 Torr (sample 11), and FIG. 7B shows a case where the supply pressure of Sb is 2.3 × 10 −7 Torr ( Sample 12) and FIG. 7C show the case where the supply pressure of Sb is 2.8 × 10 −7 Torr (sample 13). The growth temperature of InAsSb is 470 ° C., and the supply pressure of As is 7.3 × 10 −6 Torr.
図8を参照して図7(b)のサンプル12と図7(c)のサンプル13を比較すると、同じ成長量(ML)のInAsSb濡れ層13であっても、Sb供給圧力を増やすことによって、InAs量子ドット14の均一性を保ったまま、面内密度と量子ドットサイズを向上できることがわかる。図8の結果と図4の結果を合わせると、Sbの供給圧力を2.2×10-7〜2.8×10-7 Torrの範囲で調整して、InAsSb濡れ層を0.7ML〜1.0ML成長した場合、InAs量子ドット14は6.0×1011cm-2〜6.5×1011cm-2の面内密度で成長することがわかる。 When comparing the sample 12 in FIG. 7B and the sample 13 in FIG. 7C with reference to FIG. 8, even if the InAsSb wetting layer 13 has the same growth amount (ML), the Sb supply pressure is increased. It can be seen that the in-plane density and the quantum dot size can be improved while maintaining the uniformity of the InAs quantum dots 14. When the result of FIG. 8 and the result of FIG. 4 are combined, the supply pressure of Sb is adjusted in the range of 2.2 × 10 −7 to 2.8 × 10 −7 Torr, and the InAsSb wetting layer is adjusted to 0.7 ML to 1 It can be seen that when grown to 0.0 ML, the InAs quantum dots 14 grow at an in-plane density of 6.0 × 10 11 cm −2 to 6.5 × 10 11 cm −2 .
図9は、第1実施形態のInAs量子ドット14のフォトルミネッセンス発光スペクトルを測定するための試料構造を示す概略図である。GaAs(001)基板11上にGaAsバッファ層12を、成長温度590℃、成長速度0.130nm/秒で膜厚210nmに形成した。その後、Sbの供給圧力2.2×10-7 Torr、Asの供給圧力7.3×10-6 Torr、成長温度470℃にて、InAsSb濡れ層13を0.77ML成長した。Sbの供給を止めて、さらにInAsを1.41ML成長することによって(InAs層15のトータルの成長量は2.18ML)、InAs量子ドット14を形成した。このときのInAs量子ドット14の面内密度は4.5×1011cm-2である。このInAs量子ドット14を膜厚60nmのGaAsキャップ層16で埋め込んだ。 FIG. 9 is a schematic diagram showing a sample structure for measuring the photoluminescence emission spectrum of the InAs quantum dots 14 of the first embodiment. A GaAs buffer layer 12 was formed on a GaAs (001) substrate 11 to a film thickness of 210 nm at a growth temperature of 590 ° C. and a growth rate of 0.130 nm / second. Thereafter, an InAsSb wetting layer 13 was grown by 0.77 ML at an Sb supply pressure of 2.2 × 10 −7 Torr, an As supply pressure of 7.3 × 10 −6 Torr, and a growth temperature of 470 ° C. The InAs quantum dots 14 were formed by stopping the supply of Sb and further growing InAs by 1.41 ML (the total growth amount of the InAs layer 15 was 2.18 ML). At this time, the in-plane density of the InAs quantum dots 14 is 4.5 × 10 11 cm −2 . The InAs quantum dots 14 were embedded with a GaAs cap layer 16 having a thickness of 60 nm.
図10は、図9の試料のフォトルミネッセンス発光スペクトルである。発光スペクトルは急峻なピークを有さず、広い波長範囲に拡がっている。ピーク波長は955〜960nm、FWHM(Full Width at Half Maximum)は86.8meVである。これはInAs量子ドット14が非常に高密度に成長しているため、閉じ込められた電子の波動関数が隣接する量子ドット間で面内結合(多重)し、複数のエネルギー準位が生成されるためと考えられる。 FIG. 10 is a photoluminescence emission spectrum of the sample of FIG. The emission spectrum does not have a sharp peak and extends over a wide wavelength range. The peak wavelength is 955 to 960 nm, and the FWHM (Full Width at Half Maximum) is 86.8 meV. This is because the InAs quantum dots 14 are grown at a very high density, and the wave function of the confined electrons is coupled in-plane (multiplexed) between adjacent quantum dots, and a plurality of energy levels are generated. it is conceivable that.
従来のシングル接合(PN接合)の太陽電池では、光吸収層のバンドギャップエネルギーを超える振動数の光のみを吸収するので、バンドギャップエネルギー以下の光を利用することができなかった。これに対して、本発明の第1実施形態の高密度InAs量子ドットを太陽電池の光吸収層に適用した場合、エネルギー準位が多重して帯状の準位を構成する。太陽光スペクトルのうち従来は利用されなかった帯域の光も吸収することが可能になり、透過損失が低減し、エネルギー変換効率が向上する。 In a conventional single-junction (PN junction) solar cell, only light having a frequency exceeding the band gap energy of the light absorption layer is absorbed, and thus light having a band gap energy or less cannot be used. In contrast, when the high-density InAs quantum dots of the first embodiment of the present invention are applied to the light absorption layer of the solar cell, the energy levels are multiplexed to form a band-like level. It is possible to absorb light in a band not conventionally used in the sunlight spectrum, thereby reducing transmission loss and improving energy conversion efficiency.
図11(a)は、第1実施形態のInAs量子ドット14を利用した太陽電池20の概略構成図である。太陽電池20は、透明電極29と、p型半導体層28と、光吸収層27と、n型半導体層22と、裏面電極21を含む。光吸収層27では、InAs量子ドット14を含むInAs層15が、GaAs中間層26を介して複数積層されている。InAs層15は、InAsSb濡れ層13とInAs量子ドット14を含む。InAs量子ドット14の面内密度は4.0×1011〜6.5×1011cm-2である。InAs量子ドット14の高さは2.8〜3.0nmである。GaAs中間層26の成長量は0.25〜1.5MLである。InAs量子ドット14は、水平面内で非常に高密度に位置するので、図11(b)に示すように、隣接するInAs量子ドット間の電子的結合により量子ドット層の面内に中間バンドを形成する。従来の技術では量子ドット層を垂直方向に100層以上も積層して、垂直方向に波動関数を結合させていたが、第1実施形態のInAs量子ドットは広い範囲で横方向に結合できるので、多大な数の層を積層することなく効率的に中間バンドを発生させることができる。 FIG. 11A is a schematic configuration diagram of a solar cell 20 using the InAs quantum dots 14 of the first embodiment. The solar cell 20 includes a transparent electrode 29, a p-type semiconductor layer 28, a light absorption layer 27, an n-type semiconductor layer 22, and a back electrode 21. In the light absorption layer 27, a plurality of InAs layers 15 including InAs quantum dots 14 are stacked via a GaAs intermediate layer 26. The InAs layer 15 includes an InAsSb wetting layer 13 and InAs quantum dots 14. The in-plane density of the InAs quantum dots 14 is 4.0 × 10 11 to 6.5 × 10 11 cm −2 . The height of the InAs quantum dots 14 is 2.8 to 3.0 nm. The growth amount of the GaAs intermediate layer 26 is 0.25 to 1.5 ML. Since InAs quantum dots 14 are located at a very high density in the horizontal plane, an intermediate band is formed in the plane of the quantum dot layer by electronic coupling between adjacent InAs quantum dots as shown in FIG. To do. In the conventional technique, more than 100 quantum dot layers are stacked in the vertical direction and wave functions are coupled in the vertical direction, but the InAs quantum dots of the first embodiment can be coupled in the lateral direction in a wide range. An intermediate band can be generated efficiently without stacking a great number of layers.
このような太陽電池を製造する場合、たとえば、n型GaAs基板22上に、図示しないn型半導体層を成長する。n型半導体層は、たとえば任意のn型不純物原子をドープしたGaAs層である。その後、InAsSb濡れ層13を470℃で0.5〜1.5ML、より好ましくは0.6〜1.0ML成長し、Sbの供給を停止して、引き続きInAsを成長する。これによりInAs量子ドット14を形成する。InAs量子ドットを(In)GaAs(SbN)中間層26で埋め込む。InAsSb濡れ層の形成から(In)GaAs(SbN)中間層26の形成までを所望の回数繰り返す。これにより、InAs量子ドット層が、量子ドットの面内密度4.0×1011〜6.5×1011cm-2を維持して垂直方向に自己整合的に積層される。その上に、p型半導体層28を形成する。p型半導体層28は、たとえばGaAs層であり、任意のp型不純物原子がドープされている。p型半導体層28上に、ITO透明電極29を形成する。図示はしないが、透明電極には、あらかじめ所定の位置にAg、Auなどの金属材料で取り出し電極を埋め込んでおいてもよい。n型GaAs基板の裏面には、蒸着等により電極21を形成する。 When manufacturing such a solar cell, for example, an n-type semiconductor layer (not shown) is grown on the n-type GaAs substrate 22. The n-type semiconductor layer is, for example, a GaAs layer doped with any n-type impurity atom. Thereafter, the InAsSb wetting layer 13 is grown at 470 ° C. by 0.5 to 1.5 ML, more preferably 0.6 to 1.0 ML, the supply of Sb is stopped, and InAs is subsequently grown. Thereby, InAs quantum dots 14 are formed. InAs quantum dots are embedded with an (In) GaAs (SbN) intermediate layer 26. The process from the formation of the InAsSb wetting layer to the formation of the (In) GaAs (SbN) intermediate layer 26 is repeated a desired number of times. Accordingly, the InAs quantum dot layer is stacked in a self-aligned manner in the vertical direction while maintaining the in-plane density of the quantum dots of 4.0 × 10 11 to 6.5 × 10 11 cm −2 . A p-type semiconductor layer 28 is formed thereon. The p-type semiconductor layer 28 is a GaAs layer, for example, and is doped with an arbitrary p-type impurity atom. An ITO transparent electrode 29 is formed on the p-type semiconductor layer 28. Although not shown, the transparent electrode may be previously filled with a metal material such as Ag or Au at a predetermined position. An electrode 21 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate by vapor deposition or the like.
図12は、図11の太陽電池20のバンド構造を説明する模式図である。pn接合半導体層の中の量子ドット14の存在により、たとえば量子ドットの伝導帯に中間バンドが形成され、pn接合半導体の価電子帯と伝導帯の間(禁制帯(Eg))に、量子ドットの中間バンドが局在する。太陽光が太陽電池20の光吸収層27に入射すると、たとえばλ1、λ2、λ3の3種類の波長帯の光に対して、電子が伝導帯へと励起される(価電子帯に正孔が生成される)。 FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the band structure of the solar cell 20 of FIG. Due to the presence of the quantum dots 14 in the pn junction semiconductor layer, for example, an intermediate band is formed in the conduction band of the quantum dots, and between the valence band and the conduction band (forbidden band (Eg)) of the pn junction semiconductor, The intermediate band is localized. When sunlight enters the light absorption layer 27 of the solar cell 20, for example, electrons are excited to the conduction band with respect to light in three types of wavelength bands of λ1, λ2, and λ3 (holes are generated in the valence band). Generated).
禁制帯のエネルギーギャップを超える振動数の光λ1に対して、電子は価電子帯から伝導帯へ直接励起される。より長い波長の光λ2に対して、電子は価電子帯から量子ドットの中間バンドへ励起される。さらに長い波長の光λ3に対して、電子は量子ドットの中間バンドから伝導帯へ飛び出すことができる。多数の量子井戸が近接する場合、隣接する量子井戸間で波動関数が結合し、本来は離散的なエネルギー準位が多重化されて帯状になる(中間バンド)。中間バンドの存在により、バンドギャップ差による損失が低減され、太陽電池20のエネルギー変換効率を高めることができる。 For light λ1 having a frequency exceeding the energy gap of the forbidden band, electrons are directly excited from the valence band to the conduction band. For longer wavelengths of light λ2, electrons are excited from the valence band to the intermediate band of quantum dots. For light λ3 having a longer wavelength, electrons can jump out from the intermediate band of the quantum dot to the conduction band. When a large number of quantum wells are close to each other, wave functions are combined between adjacent quantum wells, and originally discrete energy levels are multiplexed to form a band (intermediate band). Due to the presence of the intermediate band, the loss due to the band gap difference is reduced, and the energy conversion efficiency of the solar cell 20 can be increased.
本発明の面内密度を有する量子ドット層15を10層積層した場合、従来の、垂直方向へ100層積層することによって達成していたのと同程度の量子ドット密度を、十分の一の積層数で実現できることを意味する。したがって、太陽電池の製造工程を大幅に縮小することが可能になる。 When 10 quantum dot layers 15 having an in-plane density of the present invention are stacked, a quantum dot density comparable to that achieved by stacking 100 conventional layers in the vertical direction is one tenth stack. It means that it can be realized with numbers. Therefore, it is possible to greatly reduce the manufacturing process of the solar cell.
以上述べたように、本発明の量子ドットの形成方法によれば、6.0×1011cm-2以上の面内高密度で均一な量子ドットを形成することができる。このような量子ドットを適用した太陽電池は、少ない積層数でエネルギー変換効率を向上することができる。
<第2実施形態>
第2実施形態では、InAsSb濡れ層の厚さや、Sb供給圧力をさらに変化させ、また、InAs量子ドット成長時の基板温度を下げることで、1.0×1012cm-2の面内密度を実現する。
As described above, according to the quantum dot forming method of the present invention, uniform quantum dots can be formed with an in-plane high density of 6.0 × 10 11 cm −2 or more. Solar cells to which such quantum dots are applied can improve energy conversion efficiency with a small number of layers.
Second Embodiment
In the second embodiment, the in-plane density of 1.0 × 10 12 cm −2 is reduced by further changing the thickness of the InAsSb wetting layer, the Sb supply pressure, and lowering the substrate temperature during the growth of InAs quantum dots. Realize.
図13は、第2実施形態のInAs量子ドットの成長条件を示す図である。図1と同様の構成で、分子線エピタキシー(MBE)法により、基板温度590℃で、GaAs(001)基板11上にGaAsバッファ層12を成長する。バッファ層12の成長条件は、成長速度0.13nm/秒、膜厚200nmである。その後、温度条件を2通りにしてInAs量子ドット14を成長する。 FIG. 13 is a diagram showing growth conditions for InAs quantum dots of the second embodiment. A GaAs buffer layer 12 is grown on a GaAs (001) substrate 11 by a molecular beam epitaxy (MBE) method at a substrate temperature of 590 ° C. with the same configuration as in FIG. The growth conditions of the buffer layer 12 are a growth rate of 0.13 nm / second and a film thickness of 200 nm. Thereafter, the InAs quantum dots 14 are grown under two temperature conditions.
成長条件Aでは、GaAsバッファ層12上にInAsSb濡れ層13を0.6〜1.5ML成長した後、InAs量子ドット14を470℃で成長した。このときのInAs量子ドット14とInAsSb濡れ層13のトータルの厚さは、2.2〜2.6MLである。 Under the growth condition A, an InAsSb wetting layer 13 was grown on the GaAs buffer layer 12 by 0.6 to 1.5 ML, and then an InAs quantum dot 14 was grown at 470 ° C. At this time, the total thickness of the InAs quantum dots 14 and the InAsSb wetting layer 13 is 2.2 to 2.6 ML.
成長条件Bでは、GaAsバッファ層12上にInAsSb濡れ層13を1.0〜1.5ML成長した後、InAs量子ドット14を460℃で成長した。このときのInAs量子ドット14とInAsSb濡れ層13のトータルの厚さは、2.2MLである。 Under the growth condition B, the InAsSb wetting layer 13 was grown on the GaAs buffer layer 12 by 1.0 to 1.5 ML, and then the InAs quantum dots 14 were grown at 460 ° C. At this time, the total thickness of the InAs quantum dots 14 and the InAsSb wetting layer 13 is 2.2 ML.
なお、第1実施形態と同様に、InAs量子ドット14は、GaAsバッファ層12上にInとAsを連続して供給し、量子ドット成長時の濡れ層の段階のみにSbを供給することでInAsSb濡れ層13を形成している。そのため、便宜上、InAsSb濡れ層13とInAs量子ドット14を合わせてInAs層(または量子ドット層)15と称する。 As in the first embodiment, the InAs quantum dot 14 continuously supplies In and As onto the GaAs buffer layer 12 and supplies Sb only to the wetting layer stage during quantum dot growth. A wetting layer 13 is formed. Therefore, for convenience, the InAsSb wetting layer 13 and the InAs quantum dots 14 are collectively referred to as an InAs layer (or quantum dot layer) 15.
図14(A)は、成長条件AにおけるInAs量子ドット14の面内密度のSb供給圧力依存性を示す。図14(B)は、同じく成長条件AにおけるInAs量子ドット14の高さのSb供給圧力依存性を示す。 FIG. 14A shows the Sb supply pressure dependence of the in-plane density of the InAs quantum dots 14 under the growth condition A. FIG. FIG. 14B shows the Sb supply pressure dependence of the height of the InAs quantum dots 14 under the same growth condition A.
図14(A)および図14(B)で、丸印はInAsSb濡れ層13の厚さを1.25MLとした場合、四角印はInAsSb濡れ層13の厚さを0.75MLとした場合のデータである。図14(A)からわかるように、470℃の成長条件では、InAsSb濡れ層13を1.25MLとした場合、Sb供給圧力の増加につれて、InAs量子ドットの面内密度が増大する。 In FIGS. 14A and 14B, the circles indicate data when the thickness of the InAsSb wetting layer 13 is 1.25 ML, and the square marks indicate data when the thickness of the InAsSb wetting layer 13 is 0.75 ML. It is. As can be seen from FIG. 14A, under the growth condition of 470 ° C., when the InAsSb wetting layer 13 is set to 1.25 ML, the in-plane density of the InAs quantum dots increases as the Sb supply pressure increases.
InAsSb濡れ層13の厚さを1.25MLとした場合、Sb供給圧力が2.2×10-7TorrでInAs量子ドットの面内密度は、6.4×1011cm-2、ドット高さが2.1nmとなる。これは、InAsSb濡れ層13の厚さが0.75MLのときに、Sb供給圧力を2.8×10-7Torrにして得られる結果とほぼ同様である。 When the thickness of the InAsSb wetting layer 13 is 1.25 ML, the in-plane density of the InAs quantum dots is 6.4 × 10 11 cm −2 and the dot height when the Sb supply pressure is 2.2 × 10 −7 Torr. Is 2.1 nm. This is substantially the same as the result obtained when the Sb supply pressure is 2.8 × 10 −7 Torr when the thickness of the InAsSb wetting layer 13 is 0.75 ML.
また、InAsSb濡れ層13の厚さが1.25MLのときに、Sb供給圧力を2.8×10-7Torrにすると、InAs量子ドットの面内密度は7.13×1011cm-2となり、Sb供給圧力が3.5×10-7Torrでは、InAs量子ドットの面内密度は7.6×1011cm-2になる。Sb供給圧力をさらに大きくすることで、InAs量子ドットの面内密度はさらに高くなることが予想される。 When the thickness of the InAsSb wetting layer 13 is 1.25 ML and the Sb supply pressure is 2.8 × 10 −7 Torr, the in-plane density of the InAs quantum dots is 7.13 × 10 11 cm −2 . When the Sb supply pressure is 3.5 × 10 −7 Torr, the in-plane density of InAs quantum dots is 7.6 × 10 11 cm −2 . It is expected that the in-plane density of InAs quantum dots will be further increased by further increasing the Sb supply pressure.
InAsSb濡れ層13を0.75MLとした場合でも、Sb供給圧力を2.3×10-7Torr以上とすることで、InAs量子ドットの面内密度を、6×1011cm-2以上にすることができる。 Even when the InAsSb wetting layer 13 is 0.75 ML, the in-plane density of the InAs quantum dots is 6 × 10 11 cm −2 or more by setting the Sb supply pressure to 2.3 × 10 −7 Torr or more. be able to.
図14(B)では、Sb供給圧力の増加にともなって、InAs量子ドットの高さが減少するが、1.6nm付近で飽和する傾向にあることがわかる。 In FIG. 14B, it can be seen that the height of the InAs quantum dots decreases with increasing Sb supply pressure, but tends to saturate near 1.6 nm.
図15(A)および図15(B)は、InAsSb濡れ層14の膜厚を0.5ML〜1.5MLの範囲で変化させたときのInAs量子ドットの面内密度と、ドット高さをそれぞれ示す。白丸、白四角、白菱形は、InAs量子ドットの成長温度が470℃のときのSb供給圧力に応じた面内密度とドット高さを示す。黒丸は、InAs量子ドットの成長温度が460℃、Sb供給圧力が3.6×10-7TorrのときのInAs量子ドットの面内密度とドット高さを示す。 FIG. 15A and FIG. 15B show the in-plane density and dot height of InAs quantum dots when the thickness of the InAsSb wetting layer 14 is changed in the range of 0.5 ML to 1.5 ML, respectively. Show. White circles, white squares, and white rhombuses indicate the in-plane density and dot height according to the Sb supply pressure when the growth temperature of the InAs quantum dots is 470 ° C. The black circles indicate the in-plane density and dot height of InAs quantum dots when the growth temperature of InAs quantum dots is 460 ° C. and the Sb supply pressure is 3.6 × 10 −7 Torr.
成長温度470℃の場合、InAsSb濡れ層の膜厚を増加させると、InAs量子ドットの面内密度は増加するが、InAs量子ドットの面内密度は6.0×1011cm-2〜7.5×1011cm-2の範囲にとどまり、それ以上の密度の上昇が見込まれない。 When the growth temperature is 470 ° C., increasing the thickness of the InAsSb wetting layer increases the in-plane density of InAs quantum dots, but the in-plane density of InAs quantum dots is 6.0 × 10 11 cm −2 to 7. It remains in the range of 5 × 10 11 cm −2 and no further increase in density is expected.
そこで、新たなパラメータとして、InAs量子ドットの成長時の基板温度を460℃に下げ、Sb供給圧力を3.6×10-7Torrにしたところ、InAs量子ドットの面内密度は8.0×1011cm-2を越えることがわかった。特に、InAsSb濡れ層13を1.25MLに成長したときは、1.0×1012cm-2の面内密度が実現できる。このときのInAsSb濡れ層13とInAs量子ドット14を合わせたトータルのInAs層(量子ドット層)15の厚さは2.2MLである。 Therefore, as a new parameter, when the substrate temperature during the growth of InAs quantum dots is lowered to 460 ° C. and the Sb supply pressure is set to 3.6 × 10 −7 Torr, the in-plane density of the InAs quantum dots is 8.0 ×. It was found to exceed 10 11 cm -2 . In particular, when the InAsSb wetting layer 13 is grown to 1.25 ML, an in-plane density of 1.0 × 10 12 cm −2 can be realized. At this time, the total thickness of the InAs layer (quantum dot layer) 15 including the InAsSb wetting layer 13 and the InAs quantum dots 14 is 2.2 ML.
図16(A)および図16(B)は、InAsSb濡れ層13の厚さを1.25MLに固定し、成長温度(基板温度)が470℃と460℃で、InAs量子ドットの面内密度とドット高さをそれぞれ比較する図である。 FIGS. 16A and 16B show the in-plane density of InAs quantum dots when the thickness of the InAsSb wetting layer 13 is fixed at 1.25 ML and the growth temperatures (substrate temperatures) are 470 ° C. and 460 ° C. It is a figure which compares dot height, respectively.
図14〜図16の結果を合わせると、基板温度が460℃でSb供給圧力をさらに増大する、InAs層15の総成長量を2.2MLより小さくする、あるいはInAs量子ドット成長時の基板温度を460℃よりも下げる等により、InAs量子ドットの面内密度はさらに向上すると期待される。 14 to 16, when the substrate temperature is 460 ° C., the Sb supply pressure is further increased, the total growth amount of the InAs layer 15 is made smaller than 2.2 ML, or the substrate temperature during the growth of InAs quantum dots is increased. The in-plane density of the InAs quantum dots is expected to be further improved by lowering the temperature below 460 ° C.
図17は、面内密度が1.0×1012cm-2のときのInAs量子ドットのAFM画像である。面内密度を1012のオーダーまで増大させても、均一なInAs量子ドットが得られる。 FIG. 17 is an AFM image of InAs quantum dots when the in-plane density is 1.0 × 10 12 cm −2 . Even if the in-plane density is increased to the order of 10 12 , uniform InAs quantum dots can be obtained.
図18は、InAs量子ドットの水平方向のドットサイズ(径)と面内密度の関係を示す図であり、InAs量子ドットをInAsSb濡れ層13上に成長したときと、GaAsSbバッファ層上に成長したときを比較している。 FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the dot size (diameter) in the horizontal direction of the InAs quantum dots and the in-plane density. When the InAs quantum dots were grown on the InAsSb wetting layer 13 and grown on the GaAsSb buffer layer. Comparing when.
GaAsSbバッファ層と比較して、InAsSb濡れ層13を導入することで、微少2次元島の形成密度が高まり、3次元核形成が促進されたことで、InAs量子ドットが高密度化したと考えられる。InAs量子ドットの高密度化にもかかわらず、量子ドットの均一性が維持されていることは、図17からも理解される。 Compared to the GaAsSb buffer layer, the introduction of the InAsSb wetting layer 13 increases the formation density of minute two-dimensional islands and promotes the formation of three-dimensional nuclei, thereby increasing the density of InAs quantum dots. . It can be understood from FIG. 17 that the uniformity of the quantum dots is maintained despite the increase in the density of the InAs quantum dots.
このような均一かつ高密度な量子ドットを太陽電池に適用することで、第1実施形態と同様に、少ない積層数でエネルギー変換効率を向上することができる。 By applying such uniform and high-density quantum dots to the solar cell, the energy conversion efficiency can be improved with a small number of stacks as in the first embodiment.
光ナノデバイス、特に太陽電池への適用が期待される。 Application to optical nanodevices, particularly solar cells, is expected.
11 GaAs基板
12 GaAsバッファ層
13 InAsSb濡れ層
14 InAs量子ドット
15 InAs層(量子ドット層)
20 太陽電池
21 電極
22 n型半導体層
26 GaAs中間層
27 光吸収層
28 p型半導体層
29 透明電極
11 GaAs substrate 12 GaAs buffer layer 13 InAsSb wetting layer 14 InAs quantum dot 15 InAs layer (quantum dot layer)
20 solar cell 21 electrode 22 n-type semiconductor layer 26 GaAs intermediate layer 27 light absorption layer 28 p-type semiconductor layer 29 transparent electrode
Claims (6)
前記InAsSb濡れ層が0.5ML〜1.5ML成長したところで前記Sbの導入を停止して引き続きInAs層を成長してInAs量子ドットを形成する、
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。 When an InAs layer is grown on a GaAs buffer layer, antimony (Sb) is supplied at a pressure of 2.0 × 10 −7 to 3.3 at the stage of the wetting layer before the growth of the InAs layer shifts to three-dimensional growth. Introduced at 6 × 10 −7 Torr to grow InAsSb wetting layer,
When the InAsSb wetting layer grows from 0.5 ML to 1.5 ML, the introduction of Sb is stopped, and the InAs layer is subsequently grown to form InAs quantum dots.
A method of forming a quantum dot characterized by the above.
第1導電型の半導体層と、
第2導電型の半導体層と、
前記第1導電型の半導体層と前記第2導電型の半導体層の間に位置する光吸収層と、
前記透明電極と反対側の面に位置する電極と、
を含み、
前記光吸収層は、GaAsバッファ層と、
前記GaAsバッファ層上に形成されたInAsSb濡れ層及び前記InAsSb濡れ層上に成長したInAs量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層を覆うGaAs中間層と、
を含み、前記量子ドット層と前記GaAs中間層は、交互に1層以上積層されており、
前記InAs量子ドットの面内密度は4.0×10 11 cm -2 〜1.0×10 12 cm -2 、前記InAsSb濡れ層の成長量は0.5〜1.5ML、かつ前記InAs量子ドットの高さは1.6〜3.0nmであることを特徴とする太陽電池。
A transparent electrode;
A first conductivity type semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer;
A light absorbing layer located between the first conductive type semiconductor layer and the second conductive type semiconductor layer;
An electrode located on a surface opposite to the transparent electrode;
Including
The light absorption layer includes a GaAs buffer layer,
A quantum dot layer including an InAsSb wetting layer formed on the GaAs buffer layer and an InAs quantum dot grown on the InAsSb wetting layer;
A GaAs intermediate layer covering the quantum dot layer;
The quantum dot layer and the GaAs intermediate layer are alternately stacked one or more layers ,
The in-plane density of the InAs quantum dots is 4.0 × 10 11 cm −2 to 1.0 × 10 12 cm −2 , the growth amount of the InAsSb wetting layer is 0.5 to 1.5 ML, and the InAs quantum dots The solar cell is characterized by having a height of 1.6 to 3.0 nm .
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