JP6163542B2 - フォトニック結晶及びそれを利用した光機能デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光電変換素子や回折素子等の光機能デバイスに用いることができるフォトニック結晶、及び該フォトニック結晶を用いた光機能デバイスに関する。

光電変換素子の一種である太陽電池は、入射した光（電磁波）のエネルギーを電流に変換するための、半導体から成る光電変換層を有している。入射光は、光電変換層に吸収され、そのエネルギーによって光電変換層の半導体内の電子が価電子帯から伝導帯に励起されることにより、電流に変換される。ここで、入射光が光電変換層に吸収されることなく通過すると、光電変換の効率が低下する。そのため、太陽電池では、光電変換層における入射光の吸収率を高めることが重要となる。この吸収率を高める手法の１つとして、光電変換層の厚みを大きくすることが挙げられるが、半導体材料の使用量が増加するため、コストが上昇してしまう、あるいは電子の取り出しの効率が低下してしまうという問題がある。

特許文献１には、入射光の吸収率を高めるためにフォトニック結晶（Photonic Crystal）を用いた太陽電池が記載されている。フォトニック結晶は、一般的には周期的な屈折率分布を有する構造体をいい、特許文献１に記載の太陽電池では、光電変換層内に空孔が周期的に配置されることにより屈折率分布が形成されている。このような構成により、光電変換層に入射した光のうち、屈折率分布の周期に対応した特定の周波数を有する光が定在波を形成して共振状態を形成するため、その光は光電変換層内に留まり易くなる。そのため、当該特定の周波数（共振周波数）において、フォトニック結晶が無い場合よりも入射光の吸収率が向上する。ここで、フォトニック結晶内では、通常、単一構造であっても単一の周期のみが存在するということはなく、複数の周期が存在することから、複数の周波数において定在波が形成される。例えば、正方格子状の屈折率分布を有するフォトニック結晶では、正方格子の周期長aに対応する波長となる周波数の他、単位格子である正方形の対角線の長さの半分である(2^1/2/2)aに対応する波長やそれらの整数倍の波長となる周波数の定在波が形成される。従って、屈折率分布の周期構造を適切に設定することにより、光電変換層において光電変換が可能な周波数範囲の全体に亘って、複数の共振周波数の光における吸収率を高めることができる。

国際公開WO2011/083674号 国際公開WO2005/086302号 国際公開WO2007/029661号 特開2001-074955号公報

しかしながら、このようにフォトニック結晶を用いた太陽電池では、複数の共振周波数において光の吸収率を高めることができるものの、それでもなお、光電変換が可能な周波数範囲の全体としては共振する周波数の部分が少ないため、入射光は十分に利用されているとはいえない。従って、光電変換が可能な周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができれば、光の吸収率をより高めることができると期待される。

本発明が解決しようとする課題は、特定の周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができるフォトニック結晶、及び該フォトニック結晶を用いた光機能デバイスを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るフォトニック結晶は、
所定の周波数範囲内にある複数の周波数の光に共振するフォトニック結晶であって、
板状部材内に該板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置されることにより周期的な屈折率分布が形成されているフォトニック結晶構造形成体が複数、該板状部材の厚み方向に互いに離間して設けられており、
前記複数のフォトニック結晶構造形成体のうちの１つである第１フォトニック結晶構造形成体が、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの共振周波数の光に共振し、該２つの共振周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの１つである第２フォトニック結晶構造形成体における全ての共振周波数と異なり、該第２フォトニック結晶構造形成体における共振周波数のうち少なくとも１つが前記２つの共振周波数の間の値を有するように、前記第１フォトニック結晶構造形成体及び前記第２フォトニック結晶構造形成体の屈折率分布が設定されている
ことを特徴とする。

本発明に係るフォトニック結晶では、複数設けられたフォトニック結晶構造形成体（ここで、「フォトニック結晶構造形成体」とは、フォトニック構造が形成された物体の意味である。）の少なくとも１つ（これを「第１形成体」とする」）が、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの周波数の光に共振し、且つ、それら２つの周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つ（これを「第２形成体」とする）における共振周波数と異なる。このように、第１形成体と第２形成体の共振周波数が異なるため、それら２つの形成体に着目すると、第１形成体又は第２形成体が単独で存在する場合よりも、多くの共振周波数の光に共振する。従って、本発明に係るフォトニック結晶は、前記周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができる。

なお、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が接していると、それら２つのフォトニック結晶構造形成体内の光同士で相互作用が生じ、それにより定在波が形成されなくなるおそれがある。そのため、本発明では、フォトニック結晶構造形成体同士を、前記板状部材の厚み方向に互いに離間するように設ける。

各フォトニック結晶構造形成体における共振周波数は、例えば周期的屈折率分布の周期長や、フォトニック結晶構造形成体の平均の屈折率等を調整することにより、設定することができる。このような共振周波数の設定は、当業者であれば、例えば特許文献２、３等の開示に基づいて行うことができるものである。

フォトニック結晶構造形成体では、周期的な屈折率分布を２次元状に形成してもよいし、３次元状に形成してもよい。作製の容易さという点からは、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置されることにより形成されている２次元状のフォトニック結晶構造形成体を用いることが望ましい。異屈折率領域は、板状部材とは屈折率が異なる材料から成る部材であってもよいが、板状部材に空孔を空けたものであってもよい。後者の方が容易に形成することができる。

また、フォトニック結晶構造形成体には、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該部材に平行な２次元格子の各格子点から該板状部材に平行に、最大ずれ量Δp_max（≠0）以下のずれ量（距離）Δpだけランダムに（すなわち、ランダムな大きさ及び方向に）ずれて配置されることにより、周期的な屈折率分布が形成されているものを用いることもできる。このように、周期性を有する２次元格子の格子点を基準としつつ、そこからずれ量Δpというランダムネスを導入することにより、フォトニック結晶構造形成体内における、各共振周波数を有する光の強度は低下するものの、共振周波数の周囲の周波数における光の強度が増加する。すなわち、周波数を横軸、光の強度を縦軸とするグラフにおいて、ランダムネスの導入により、共振周波数を中心とするピークの幅が拡がる。これにより、前記周波数範囲の全体におけるフォトニック結晶構造形成体内の光の強度を高めることができる。

あるいは、フォトニック結晶構造形成体には、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置され、各異屈折率領域の平面形状が最小値と最大値の間でランダムな大きさを有するように、周期的な屈折率分布が形成されていてもよい。この場合にも、屈折率分布にランダムネスが導入され、それにより、前記周波数範囲の全体におけるフォトニック結晶構造形成体内の光の強度を高めることができる。

本発明に係るフォトニック結晶は、前記周波数範囲内の光を効率良く利用することができる光機能デバイスに用いることができる。
そのような光機能デバイスの一例として、所定の周波数範囲の光を電力に変換する、半導体から成る光電変換層が１対の電極の間に設けられた光電変換装置であって、前記光電変換層内に、本発明に係るフォトニック結晶が設けられている光電変換装置が挙げられる。この光電変換装置は、典型的には、太陽電池や光センサとして用いることができる。

この光電変換装置では、前記周波数範囲内の光が光電変換層に入射すると、本発明に係るフォトニック結晶の各フォトニック結晶構造形成体内に、該フォトニック結晶構造形成体の共振周波数を有する定在波が形成される。このような定在波が形成された光は、光電変換層に留まり易くなるため、光電変換層に吸収されて電流に変換され易くなり、その結果、当該共振周波数の光における光電変換効率が高まる。本発明に係るフォトニック結晶では、このような共振周波数が多数存在するため、光電変換効率を一層高めることができる。

本発明に係る光電変換装置は、各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体（またはp型半導体、真性半導体とn型半導体）を接合されたものに形成されており、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が、導電体層により離間されている構成を取ることができる。この場合、各フォトニック結晶構造形成体が１つの光電変換部として機能し、これら光電変換部が導電体層を介して直列に接続される。

あるいは、各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体（またはp型半導体、真性半導体とn型半導体）を接合されたものに形成されており、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が、第１導電体層、絶縁体層、第２導電体層をこの順に積層したスペーサ層により離間されている構成を取ることもできる。この場合にも、各フォトニック結晶構造形成体がそれぞれ独立した１つの光電変換部として機能する。第１導電体層及び第２導電体層は、それに隣接するフォトニック結晶構造形成体から成る光電変換部の電極として用いることができ、絶縁体層は光電変換部同士を電気的に絶縁する機能を有する。

前記光電変換層における前記半導体は、典型的にはp型半導体とn型半導体を接合したものである。このようなp-n接合型の半導体を用いる場合には、フォトニック結晶構造形成体の数を２つとし、一方のフォトニック結晶構造形成体をp型半導体に、他方のフォトニック結晶構造形成体をn型半導体に形成すればよい。あるいは、p型半導体とn型半導体の間に真性半導体を介挿した構成を取ることもできる。

また、光機能デバイスの他の例として、所定の周波数範囲の光を散乱させる回折素子であって、本発明に係るフォトニック結晶を有するものが挙げられる。フォトニック結晶において光の共振が生じる条件、すなわち光の定在波が形成される条件は、ブラッグ反射が生じる条件と等しい。ブラッグ反射は光の回折現象の１つであるため、このようなブラッグ反射の条件を満たすフォトニック結晶は、回折素子として用いることもできる。

本発明に係る回折素子は、各共振周波数に対応する周波数の光の定在波がフォトニック結晶構造形成体内に形成され、それらの光が周期的な屈折率分布により回折して外部に取り出される。このような回折素子は、例えば液晶ディスプレイの側部に設けられた光源から光を背面に導いて、該背面から該光を放出する導光板において、光を拡散させるために、好適に用いることができる。

本発明により、特定の周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができるフォトニック結晶を得ることができる。また、このフォトニック結晶を用いて、前記周波数範囲内の光を効率良く利用することができる、光電変換装置や回折素子等の光機能デバイスを得ることができる。

本発明に係るフォトニック結晶の第１実施例の構成を示す縦断面図(a)、並びに、該フォトニック結晶が有する第１フォトニック結晶構造形成体、第２フォトニック結晶構造形成体、及びスペーサ層の構成を示す斜視図(b)、並びに、第１フォトニック結晶構造形成体及び第２フォトニック結晶構造形成体の構成を示す上面図(c)。 第１実施例におけるフォトニック結晶構造形成体内に生じる定在波の例を示す概念図。 第１実施例における第１フォトニック結晶構造形成体の共振周波数(a)、第２フォトニック結晶構造形成体の共振周波数(b)、及び第１実施例のフォトニック結晶の共振周波数(c)を示す概念図。 第１実施例の(a)第１の変形例、及び(b)第２の変形例を示す上面図。 第１実施例の第３の変形例を示す縦断面図。 第１実施例の第４の変形例を示す縦断面図。 第１実施例の第５の変形例を示す縦断面図。 本発明に係るフォトニック結晶の第２実施例の構成を示す縦断面図(a)、第１フォトニック結晶構造形成体及び第２フォトニック結晶構造形成体の構成を示す上面図(b)、並びに(b)の部分拡大図(c)。 第１実施例のフォトニック結晶と第２実施例のフォトニック結晶の共振周波数を比較した概念図。 第２実施例の変形例を示す上面図。 本発明に係る光電変換素子の第１実施例を示す縦断面図。 第１実施例及び比較例の光電変換素子における、波長毎の光の吸収率を計算した結果を示すグラフ。 第１実施例の光電変換素子の変形例を示す縦断面図。 本発明に係る光電変換素子の第２実施例である太陽電池を示す縦断面図。 第２実施例の太陽電池と比較例の太陽電池における、波長毎の光の吸収率を計算した結果を示すグラフ。 第２実施例の太陽電池と比較例の太陽電池における、積分吸収率を計算した結果を示すグラフ。 本発明に係る回折素子の一実施例を用いた導光板を示す縦断面図。

本発明に係るフォトニック結晶及び光機能デバイスの実施例を、図１〜図１７を用いて説明する。

(1) 本発明に係るフォトニック結晶の第１実施例
第１実施例のフォトニック結晶１０は、図１(a)及び(b)に示すように、第１フォトニック結晶構造形成体１１Ａ、スペーサ層１５、及び第２フォトニック結晶構造形成体１１Ｂの３層が、この順に積層された構成を有する。なお、図１(b)では、これら３層の構成を示すために、隣接する層同士を離して描いたが、実際には、図１(a)に示すように、隣接する層同士は接している。以下では、「フォトニック結晶構造形成体」を「ＰＣ構造形成体」と略記する。

第１ＰＣ構造形成体１１Ａは、p型シリコン半導体から成る第１板状部材１２Ａに、円柱状の空孔１３が多数、正方格子状に周期的に配置されて成る。空孔１３の円柱の高さ方向は第１板状部材１２Ａの厚み方向に一致しており、該第１板状部材１２Ａの厚みd₁よりも、該円柱の高さhは低い。第２ＰＣ構造形成体１１Ｂは、n型シリコン半導体から成る第２板状部材１２Ｂに、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと同様に円柱状の空孔１３が多数、正方格子状に周期的に配置されて成る。第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの構成要素の大きさを比較すると、空孔１３の円柱の半径r及び高さh、並びに正方格子の周期長aは同じであるが、第１板状部材１２Ａの厚みd₁よりも第２板状部材１２Ｂの厚みd₂の方が薄いという点で相違する。従って、第１ＰＣ構造形成体１１Ａよりも第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの方が、板状部材中で空孔が占める体積の割合が高く、それゆえ平均屈折率が低い。

スペーサ層１５の材料には、本実施例では、目的の周波数領域（前述の「所定の周波数範囲」）が可視光領域である場合に使用可能な、可視光に対して透明であって且つ導電性を有するインジウム・錫酸化物（ITO）を用いた。このスペーサ層１５の材料も、フォトニック結晶の用途等に応じて種々のものを用いることができる。また、例えばp型半導体、真性半導体及びn型半導体をこの順で接合したpin型太陽電池で本実施例のフォトニック結晶を用いる場合には、スペーサ層１５の材料に板状部材より屈折率の低い他の材料の真性半導体を用いてもよい。

第１実施例のフォトニック結晶では、目的の周波数領域（例えば可視光領域、太陽電池の光電変換を効率よく行うことができる領域など）内にある様々な周波数の光の混合光が外部から導入されると、第１ＰＣ構造形成体１１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体１１Ｂのそれぞれにおいて、配置された空孔の周期長に対応して、複数の周波数（波長）の定在波が形成される。これら複数の定在波には、例えば図２に示すように、波面が格子に平行であって、空孔の周期長aと等しい波長λ₁₁=aを有するものや、波面が格子に対して45°傾斜した方向を向き、波長λ₂₁=(2^1/2/2)aを有するもの、あるいはそれらの波長の整数倍の波長を有するもの、等が挙げられる。

本実施例では、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂは、共に正方格子であって同じ格子定数aを有するため、それらの内部における定在波の波長が等しい。しかし、内部での波長が同じであっても、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂでは平均屈折率が異なるため、定在波の周波数は両者で異なる。従って、フォトニック結晶１０内に導入される前、及びフォトニック結晶１０から取り出された後の光の波長も、第１ＰＣ構造形成体１１Ａ内の定在波に関するものと、第２ＰＣ構造形成体１１Ｂ内の定在波に関するものでは相違する。

従って、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂにおける定在波の周波数（共振周波数）及びフォトニック結晶外での波長の相違により、フォトニック結晶１０は個々のＰＣ構造形成体が単独で存在する場合よりも共振周波数の数を多くすることができる。この点を、図３を用いて説明する。図３の(a)〜(c)の各図は、横軸を周波数、縦軸を光の強度としたグラフであり、(a)では第１ＰＣ構造形成体１１Ａ内の、(b)では第２ＰＣ構造形成体１１Ｂ内の、(c)では両者を合わせたフォトニック結晶１０内の光の強度の周波数による変化を示している。これら各グラフ内にはいずれも、共振周波数を中心するピークが複数現れており、(a)第１ＰＣ構造形成体１１Ａと(b)第２ＰＣ構造形成体１１Ｂを比較すると共振周波数が異なっている。そのため、第１ＰＣ構造形成体１１Ａの共振周波数と第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの共振周波数の双方が、(c)フォトニック結晶１０の共振周波数となる。

各ＰＣ構造形成体内に閉じ込められる定在波の光は、該光の波長程度の距離だけ、該ＰＣ構造形成体に垂直な方向に浸み出す。そのため、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの距離が前記光の波長の距離よりも短い場合には、２つのＰＣ構造形成体の間で光の相互作用が生じる。このような光の相互作用は、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂが接していると定在波が形成されなくなる原因となるおそれがあるが、両者を少し離しておくと、一方のＰＣ構造形成体の共振周波数を有する光が、他方のＰＣ構造形成体の方に導入されたとしても、当該他方のＰＣ構造形成体において、当該一方のＰＣ構造形成体による光の共振も生じさせることができる。このような光の相互作用が、目的とする周波数領域のうち少なくとも一部において生じるように、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの距離、すなわちスペーサ層１５の厚みは、目的の周波数領域のうち周波数が最小（波長が最大）である光の、スペーサ層１５内における波長よりも短くすることが望ましい。また、このような相互作用が目的とする周波数領域全体で生じるように、前記距離は、目的の周波数領域のうち周波数が最大（波長が最小）である光の、スペーサ層１５内における波長よりも短くすることが、より望ましい。

(2) 第１実施例のフォトニック結晶の変形例
第１実施例では、２つのＰＣ構造形成体における周期長aを等しくしたが、図４(a)に示すように、両者の周期長を異なる値a₁、a₂としてもよい（変形例１）。これにより、２つのＰＣ構造形成体内での共振波長が互いに異なる値になるため、両ＰＣ構造形成体の厚みdが等しくとも、両者の共振周波数を異なる値にすることができる。

また、第１実施例では、２つのＰＣ構造形成体における空孔１３の径rを等しくしたが、図４(b)に示すように、両者の空孔の径を異なる値r₁、r₂としてもよい（変形例２）。これにより、第１実施例と同様に、２つのＰＣ構造形成体の平均屈折率を異なる値にすることができ、それにより、両ＰＣ構造形成体の厚みd及び周期長aが等しくとも、両者の共振周波数を異なる値にすることができる。あるいは、図５に示すように、２つのＰＣ構造形成体における空孔１３の高さを異なる値h₁, h₂としてもよい（変形例３、フォトニック結晶１０Ｂ）。

第１実施例では、１個のフォトニック結晶に、ＰＣ構造形成体を２つ設ける例を示したが、図６に示すように、ＰＣ構造形成体を３つ以上設けてもよい（変形例４、フォトニック結晶１０Ｃ）。図６に示した例では、第１実施例における２つのＰＣ構造形成体の間に、第３ＰＣ構造形成体１１Ｃが設けられている。第３ＰＣ構造形成体１１Ｃは、厚みd₃がd₁とd₂の間の値を有し、空孔１３が他の２つのＰＣ構造形成体に形成されたものと同じ形状及び大きさ且つ同じ周期長aで正方格子状に形成されている。これにより、第３ＰＣ構造形成体１１Ｃ内には、その内部における波長が他のＰＣ構造形成体と同じであって、周波数及びフォトニック結晶外における波長が異なる定在波が形成される。これにより、変形例４のフォトニック結晶では、第１実施例よりもさらに、共振周波数の数を多くすることができる。

その他、空孔１３の形状は円柱状には限られず、三角柱や四角柱（直方体）等の角柱状、円錐状、三角錐や四角錐等の角錐状、部分球状、部分楕円球状等の種々の形状のものを用いることができる。空孔１３が配置される周期も、正方格子状には限られず、三角格子状、長方格子状、斜方格子状等とすることができる。また、第１板状部材１２Ａ及び第２板状部材１２Ｂの材料は上記のものには限られず、目的の周波数領域内の光の定在波がＰＣ構造形成体内に形成されるように、該周波数領域内の光が伝播することが可能な材料であればよい。さらには、ここまでに説明した板状部材に異屈折率領域を周期的に配置した２次元フォトニック結晶以外にも、例えば特許文献４に記載の３次元フォトニック結晶など、種々の形態のフォトニック結晶を用いることもできる。

あるいは、図７に示すように、第１板状部材１２Ａにはp型半導体層１２ＡＰとn型半導体層１２ＡＮを接合したものを用い、第２板状部材１２Ｂにもp型半導体層１２ＢＰとn型半導体層１２ＢＮを接合したものを用いてもよい（変形例５）。この場合、スペーサ層１５には、導電体から成るものを用いてもよい（図７(a)、フォトニック結晶１０Ｄ）し、第１導電体層１５１、絶縁体層１５３、第２導電体層１５２をこの順で積層した３層構造のものを用いてもよい（図７(b) 、フォトニック結晶１０Ｅ）。このようなフォトニック結晶は、後述の光電変換装置において好適に用いることができる。

(3) 第２実施例のフォトニック結晶
第２実施例のフォトニック結晶２０は、図８(a)に示すように、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ、スペーサ層２５、及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂの３層が、この順に積層された構成を有する点では、第１実施例のフォトニック結晶１０と同様である。また、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂ（の板状部材）の厚みd₁及びd₂も第１実施例と同様である。

第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂ内には、半径r、高さhの空孔２３が多数設けられている。各空孔２３は、円柱における円の中心が、正方格子（図８(b)中に一点鎖線で示したもの）の各格子点からΔpだけずれて配置されている。ずれの大きさΔpは、0〜最大ずれ量Δp_maxの範囲内に分布しており、その分布には法則性が無い。また、空孔２３が格子点からずれる方向も一様ではなく、各空孔２３間での相違には法則性が無い。すなわち、各空孔２３は、正方格子の格子点から、最大ずれ量Δp_max（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されている。

なお、第１ＰＣ構造形成体２１Ａと第２ＰＣ構造形成体２１Ｂを比較したときの空孔２３の位置のずれ方は、両者において同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第２実施例のフォトニック結晶２０では、空孔２３が正方格子の各格子点からランダムにずれて配置されていることにより、２次元フォトニック結晶には、周期性がある程度保持されつつランダムネスが導入された屈折率分布が形成される。これにより、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂでは、横軸を周波数、縦軸を光の強度としたグラフで見ると、格子点の基本的な周期性に対応した複数の波長においてピークを有するが、ランダムネスによって、第１実施例よりもピークトップの高さが低くなる一方、幅が広くなるため、ピークトップからある程度離れた周波数では強度が大きくなる（図９(a)）。そして、フォトニック結晶２０では、共振周波数の数は第１実施例のフォトニック結晶と同様に個々のＰＣ構造形成体よりも多くなり、個々のピークは本実施例におけるＰＣ構造形成体と同様にピークトップの高さが低くなりながらも幅が広くなる。このようにピークの幅が広くなることにより、目的とする周波数領域全体で見れば、フォトニック結晶内の光の強度を、第１実施例よりも強めることができる。また、空孔２３を格子点からランダムにずらして配置することにより、共振モードのもつ放射方向依存性が小さくなることから、入射角度の変化に対して吸収特性の変化が小さい、という特性が得られる。

最大ずれ量Δp_maxを大きくすると、隣接する空孔同士が重なることがある。このように空孔同士が重なると、複数の空孔が１つの異屈折率領域となるため、正方格子による周期性が必要以上に乱れる。また、複数の空孔の輪郭が重なった点において、ＰＣ構造形成体の板状部材が空孔側に向かって尖った形状となるため、作製し難い、という問題が生じる。そのため、最大ずれ量Δp_maxは、空孔（異屈折率領域）の形状及び大きさを勘案して、隣接する空孔同士が分離する（重ならない）ように設定することが望ましい。

(4) 第２実施例フォトニック結晶の変形例
第２実施例のフォトニック結晶２０のように空孔２３を格子点からランダムにずらす代わりに、図１０に示すように、空孔２３Ａを正方格子の各格子点に配置し、各空孔２３の大きさ、例えば半径がr_min〜r_maxの範囲内でランダムになるようにしてもよい。これにより、第２実施例のフォトニック結晶２０と同様に、横軸を周波数、縦軸を光の強度としたグラフにおける個々のピークは、ピークトップの高さが低くなりながらも幅が広くなるため、目的とする周波数領域全体ではフォトニック結晶内の光の強度を強めることができる。なお、ここでは空孔２３Ａの大きさを半径で定めたが、面積や体積などで定めてもよい。また、この場合にも、隣接する空孔同士が分離する（重ならない）ように、r_maxを設定することが望ましい。

(5) 本発明に係る光電変換装置の第１実施例
図１１及び図１２を用いて、本発明に係る光電変換装置の第１実施例を説明する。
本実施例の光電変換装置３０は、図１１に示すように、上記第１実施例のフォトニック結晶１０を板状の透明電極３２１及び板状の裏面電極３２２で挟んだものである。

上記のように、フォトニック結晶１０を構成する第１板状部材１２Ａはp型シリコン半導体から成り、第２板状部材１２Ｂはn型シリコン半導体から成るため、このフォトニック結晶１０は、導電性のスペーサ層１５を挟んだpn接合から成る光電変換層３１として機能する。この光電変換層は、空気中における波長が約600〜1100nm、周波数が2.7×10¹⁴〜5.0×10¹⁴Hzの範囲内の光を吸収して電流に変換することができるものである。第１板状部材１２Ａの厚みd₁は700nm、第２板状部材１２Ｂの厚みd₂は300nmとした。空孔１３は、第１ＰＣ構造形成体１１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体１１Ｂのいずれにおいても、高さhが260nm、半径が200nm、正方格子の周期長aが700nmである。スペーサ層１５の厚みd₀は230nmである。スペーサ層１５及び透明電極３２１は、上記周波数範囲内の光に対して透明なITOから成り、裏面電極３２２は銀から成る。

第１実施例の光電変換装置３０は、周波数が上記範囲内にある光が透明電極３２１側から光電変換層３１内に入射すると、光電変換層３１であるフォトニック結晶１０における多数の共振周波数に対応した周波数の光による定在波がフォトニック結晶１０内に形成される。これにより、それら共振周波数の光が光電変換層３１内に留まり易くなり、光電変換層３１に吸収されて電流に変換され易くなる。その結果、光電変換効率が高まる。ここで、第１実施例の光電変換装置３０は、ＰＣ構造形成体が複数（２つ）設けられているため、同様のＰＣ構造形成体を１つだけ設けた場合よりも共振周波数の数が多く、それゆえ光電変換効率を高めることができる。

図１２(a)に、第１実施例の光電変換装置３０につき、太陽光を入射させた場合における、光電変換層３１の光の吸収率を計算した結果を、空気中における光の波長を横軸としたグラフで示す。図１２(a)には併せて、比較例として、フォトニック結晶ではなく、光入射面にランバーシアンテクスチャ（Lambertian texture）と呼ばれる凹凸が設けられた太陽電池（比較例１）と、フォトニック結晶及びランバーシアンテクスチャのいずれも設けられていない太陽電池（比較例２）における光の吸収率のグラフを示す。ここで、第１実施例、比較例１及び２では、光電変換層を構成する半導体材料やその量を等しくすることにより、フォトニック結晶の空孔やテクスチャ構造の有無以外の、光の吸収に関する条件を等しくした。図１２(a)より、対象とする波長帯の全体に亘って吸収率のグラフを積分したうえで規格化することにより求められる積分吸収率が、比較例１では43.0％、比較例２では10.2％であるのに対して、第１実施例では48.8％という、２つの比較例よりも高い値が得られた。

さらに、第１実施例の光電変換装置３０につき、フォトニック結晶１０で吸収された光を、第１ＰＣ構造形成体１１Ａにおいて吸収された光（図１２(b)）と、第２ＰＣ構造形成体１１Ｂにおいて吸収された光（図１２(c)）に分けて、吸収率をグラフに示す。これらのグラフ内に縦方向の矢印で示した複数の波長において、第１ＰＣ構造形成体１１Ａではほとんど吸収されず、第２ＰＣ構造形成体１１Ｂにおいて高い効率で吸収されることがわかる。すなわち、第１実施例では、ＰＣ構造形成体が１つ（第１ＰＣ構造形成体１１Ａ）のみである場合よりも、吸収率の高い波長（共振波長、共振周波数）の数を多くすることができ、それにより、光電変換層３１の全体としての吸収率も高めることができる。

図１３に、第１実施例の光電変換装置の変形例として、上記変形例５のフォトニック結晶１０Ｄを用いた光電変換装置３０Ａ、及びフォトニック結晶１０Ｅを用いた光電変換装置３０Ｂを示す。これらの光電変換装置３０Ａ、３０Ｂでは、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂは、前述のようにいずれもp型半導体層とn型半導体を積層した構成を有し、それぞれ独立に光電変換装置として機能する。そして、光電変換装置３０Ａでは、独立した２つの光電変換装置をスペーサ層１５が直列に接続する役割を有する。一方、光電変換装置３０Ｂでは、スペーサ層１５中の第１導電体層１５１は第１ＰＣ構造形成体１１Ａに、第２導電体層１５２は第２ＰＣ構造形成体１１Ｂに、それぞれ電流を注入する電極としての役割を有する。また、絶縁体層１５３は、２つの光電変換層を電気的に分離する役割を有する。

(6) 本発明に係る光電変換装置の第２実施例
図１４〜図１６を用いて、本発明に係る光電変換装置の第２実施例を説明する。
第２実施例の光電変換装置４０は、図１４に示すように、上記第２実施例のフォトニック結晶２０を板状の透明電極４２１及び板状の裏面電極４２２で挟んだものである。透明電極４２１及び裏面電極４２２の材料は、第１実施例の光電変換装置で用いたものと同じである。

本実施例では、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂにおける最大ずれ量Δp_maxが1以下の複数の値において、波長毎の吸収率、及び積分吸収率を計算で求めた。本実施例では、最大ずれ量Δp_maxの値は、空孔の周期長に対する比で表す。最大ずれ量Δp_max以外の条件は、第１実施例の光電変換装置と同様である。

図１５に、最大ずれ量Δp_maxが0.1〜0.5の範囲内で、波長毎の吸収率を求めたグラフを示す。このグラフには複数のピークが見られる。第１実施例（図１２(a)）と比較すると、本実施例では鋭いピークトップは見られない一方、ピークの幅が広く、計算を行った波長範囲に全体に亘って、特定の波長において吸収率が落ち込むことが無い。

図１６に、第２実施例における積分吸収率と最大ずれ量Δp_maxの関係をグラフに示す。このグラフには、Δp_max＝0、すなわち第１実施例における積分吸収率も併せて示す。また、比較のために、ＰＣ構造形成体が１層のみである場合についても計算を行った結果を示す。このグラフより、全てのΔp_maxの範囲に亘って、ＰＣ構造形成体が１層のみの場合よりも本実施例の方が、積分吸収率が高くなっている。また、Δp_maxが0.4以下のときに、第１実施例よりも積分吸収率が高くなっている。

(7) 本発明に係る回折素子の実施例
本発明のフォトニック結晶は、そのまま、回折効果を用いた光取り出し素子として用いることができる。ここでは、図１７を参照しつつ、本発明に係る回折素子を用いる具体例として、導光板５０について説明する。導光板５０は、例えば液晶ディスプレイにおいて、エッジライト型のバックライトユニットに用いられるものである。エッジライト型のバックライトユニットでは一般に、液晶ディスプレイのパネルの側部に設けられた光源から、導光板を介してパネルの背面全体に光を供給し、該背面からパネル全体に照明光を照射する。

本実施例の導光板５０は、図１７に示すように、フォトニック結晶１０に、スペーサ層１５とは反対側の第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの面に反射板５２を設けた構成を有する。但し、本実施例では、第１板状部材１２Ａ及び第２板状部材１２Ｂには、可視光を吸収し難い材料であるアクリル等のプラスチックやガラス等を用いる。この構成において、フォトニック結晶１０が回折素子５１の役割を有する。導光板５０の側部には、回折素子５１内に導入される可視光の光源６１が設けられる。なお、光源６１は、導光板５０の構成要素ではないが、導光板５０と合わせてバックライトユニットを構成する。

本実施例の導光板５０では、光源６１から可視光が回折素子５１内に導入されると、フォトニック結晶１０の共振周波数に対応する多数の周波数において光の定在波が形成される。それら定在波はやがて、空孔１３により散乱され、フォトニック結晶１０の２つの面からフォトニック結晶１０の外に放出される。ここで、反射板５２が設けられた側に放出された光は反射板５２により反射されるため、放出光はいずれも、反射板５２が設けられた側とは反対側の面から導光板５０の外に放出される。

本実施例の導光板５０では、フォトニック結晶１０の共振周波数に対応する多数の周波数の光を高い確率で散乱させることができるため、バックライトの発光の効率を高めることができる。

１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、２０…フォトニック結晶
１１Ａ、２１Ａ…第１フォトニック結晶（ＰＣ）構造形成体
１１Ｂ、２１Ｂ…第２フォトニック結晶（ＰＣ）構造形成体
１１Ｃ…第３フォトニック結晶（ＰＣ）構造形成体
１２Ａ…第１板状部材
１２ＡＮ…n型半導体層
１２ＡＰ…p型半導体層
１２Ｂ…第２板状部材
１２ＢＮ…n型半導体層
１２ＢＰ…p型半導体層
１３、２３…空孔
１５、２５…スペーサ層
１５１…第１導電体層
１５２…第２導電体層
１５３…絶縁体層
３０、３０Ａ、４０…光電変換装置
３１…光電変換層
３２１、４２１…透明電極
３２２、４２２…裏面電極
５０…導光板
５１…回折素子
５２…反射板

Claims (10)

1. 所定の周波数範囲内にある複数の周波数の光に共振するフォトニック結晶であって、
   板状部材内に該板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置されることにより周期的な屈折率分布が形成されているフォトニック結晶構造形成体が複数、該板状部材の厚み方向に互いに離間して設けられており、
   前記複数のフォトニック結晶構造形成体のうちの１つである第１フォトニック結晶構造形成体が、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの共振周波数の光に共振し、該２つの共振周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの１つである第２フォトニック結晶構造形成体における全ての共振周波数と異なり、該第２フォトニック結晶構造形成体における共振周波数のうち少なくとも１つが前記２つの共振周波数の間の値を有するように、前記第１フォトニック結晶構造形成体及び前記第２フォトニック結晶構造形成体の屈折率分布が設定されている
   ことを特徴とするフォトニック結晶。
2. 前記フォトニック結晶構造形成体の数が２であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶。
3. 前記異屈折率領域の各々の平面形状が最小値と最大値の間でランダムな大きさを有するように、前記フォトニック結晶構造形成体の周期的な屈折率分布が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶。
4. 前記異屈折率領域が前記２次元格子の各格子点から前記板状部材に平行に、最大ずれ量Δp_max（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されることにより、前記フォトニック結晶構造形成体の周期的な屈折率分布が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶を有することを特徴とする、所定の周波数範囲内の複数の共振周波数における光の共振を利用した光機能デバイス。
6. 所定の周波数範囲の光を電力に変換する、半導体から成る光電変換層が１対の電極の間に設けられた光電変換装置であって、前記光電変換層内に請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
7. 各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体を接合したものに形成されており、最近接の２つのフォトニック結晶構造形成体が、導電体から成るスペーサ層により離間されていることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 前記フォトニック結晶構造形成体の数が２であって、一方のフォトニック結晶構造形成体がp型半導体に形成され、他方のフォトニック結晶構造形成体がn型半導体に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
9. 各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体を接合したものに形成されており、最近接の２つのフォトニック結晶構造形成体が、第１導電体層、絶縁体層、第２導電体層をこの順に積層したスペーサ層により離間されていることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
10. 所定の周波数範囲の光を散乱させる回折素子であって、請求項１〜４のいずれかに記載のフォトニック結晶を有することを特徴とする回折素子。

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