JP6175293B2 - Quantum dot particles and semiconductor device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、量子ドット粒子およびそれを用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to quantum dot particles and a semiconductor device using the same.
量子ドット粒子は、ナノサイズの半導体物質であって、量子閉じ込め効果を示す物質である。このような量子ドット粒子は、励起源から受光してエネルギー励起状態に至ると、自発的に、相当するエネルギーギャップに基づくエネルギーを放出するという機能を有する。このため、量子ドット粒子のサイズを調節すると、バンドギャップ(エネルギーギャップ)を調節することができるため、様々な波長帯のエネルギーを得ることができる。 Quantum dot particles are nano-sized semiconductor materials that exhibit a quantum confinement effect. Such quantum dot particles have a function of spontaneously releasing energy based on a corresponding energy gap when receiving light from an excitation source and reaching an energy excited state. For this reason, when the size of the quantum dot particles is adjusted, the band gap (energy gap) can be adjusted, so that energy in various wavelength bands can be obtained.
この場合、量子ドット粒子としては、直径が数nmの半導体粒子の周囲に、この半導体粒子よりもエネルギーギャップの大きいポテンシャル障壁となる障壁層を設けた構成にすることが必要となる。しかし、近年、半導体粒子内における量子閉じ込め効果の安定性が図れるという目的から、図5に示すように、量子ドット粒子101を、半導体粒子103をコア部とし、その周囲の障壁層105をシェル部とした、いわゆるコアシェル構造とすることが提案されている(例えば、特許文献1、2を参照)。
In this case, the quantum dot particles need to have a configuration in which a barrier layer serving as a potential barrier having a larger energy gap than the semiconductor particles is provided around the semiconductor particles having a diameter of several nanometers. However, in recent years, for the purpose of achieving stability of the quantum confinement effect in the semiconductor particles, as shown in FIG. 5, the quantum dot particles 101 have the semiconductor particles 103 as a core portion, and the surrounding barrier layer 105 has a shell portion. The so-called core-shell structure has been proposed (see, for example,
ところが、上記した特許文献1、2に開示されているように、コアシェル構造を有する量子ドット粒子101において、コア部である半導体粒子103の周囲を取り巻く障壁層105(シェル部)の厚みtを均一もしくはこれに近いものにしてしまうと、半導体粒子103の内部に閉じこめられた電子が障壁層105を通過する際に半導体粒子103を中心にして放射状に移動しやくなる。ここで、図5では、破線の矢印が電子の動きを示している。
However, as disclosed in
半導体粒子3の内部に閉じこめられた電子が、上記のように半導体粒子103を中心にして放射状に移動するような状態になると、一つの量子ドット粒子101から隣接する他の量子ドット粒子101へ移動する電子の密度(電流密度)が低下しやすくなるため、量子ドット粒子101内においては、生成した電子と正孔との再結合が起こりやすくなる。その結果、量子ドット粒子101内の電子の密度が低下し、電荷量が低下するために、量子ドット粒子の電力利得を高めることが困難になる。
When the electrons confined in the
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、移動する電子の密度の低下が小さく、電力利得を高めることが可能な量子ドット粒子およびこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and provides a quantum dot particle capable of increasing the power gain with a small decrease in the density of moving electrons and a semiconductor device using the quantum dot particle. With the goal.
本発明の量子ドット粒子は、半導体粒子のコア部と、該コア部の周囲を取り巻き、前記半導体粒子とは成分または酸素量の異なるシェル部とを有する量子ドット粒子であって、前記シェル部は、前記半導体粒子の表面から法線方向への厚みが他の部分よりも薄い薄肉部を有しており、かつ前記薄肉部が前記シェル部に少なくとも2カ所有り、前記半導体粒子を中心にして対称配置されていることを特徴とする。
また、本発明の量子ドット粒子は、半導体粒子のコア部と、該コア部の周囲を取り巻き、前記半導体粒子とは成分または酸素量の異なるシェル部とを有する量子ドット粒子であって、前記シェル部は、前記半導体粒子の表面から法線方向への厚みが他の部分よりも薄い薄肉部を有しており、かつ前記半導体粒子は、断面視したときの形状が長方形状または楕円状であることを特徴とする。
The quantum dot particle of the present invention is a quantum dot particle having a core part of a semiconductor particle and a shell part surrounding the core part and having a different component or oxygen amount from the semiconductor particle, wherein the shell part is The semiconductor particle has a thin portion whose thickness in the normal direction from the surface is thinner than other portions, and the thin portion has at least two in the shell portion, and is symmetrical about the semiconductor particle. It is arranged .
The quantum dot particle of the present invention is a quantum dot particle having a core part of a semiconductor particle and a shell part surrounding the core part and having a different component or oxygen amount from the semiconductor particle, The portion has a thin-walled portion whose thickness in the normal direction from the surface of the semiconductor particle is thinner than other portions, and the shape of the semiconductor particle when viewed in cross section is a rectangle or an ellipse It is characterized by that.
本発明の半導体装置は、半導体基板の主面上に、上記の量子ドット粒子が複数層積み重ねられていることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is characterized in that a plurality of the above-mentioned quantum dot particles are stacked on the main surface of a semiconductor substrate.
本発明によれば、移動する電子の密度の低下が小さく、電力利得を高めることが可能な量子ドット粒子およびこれを用いた半導体装置を得ることできる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the density of the electron to move is small, and the quantum dot particle which can raise a power gain, and a semiconductor device using the same can be obtained.
図1は、本発明の量子ドット粒子の一実施形態を模式的に示す断面図である。本実施形態の量子ドット粒子1は、半導体粒子3のコア部と、このコア部の周囲を取り巻くシェル部とを有する構成となっている。この場合、シェル部はコア部の半導体粒子3とは成分または酸素量が異なっており、半導体粒子3よりもエネルギーギャップが大きく、ポテンシャル障壁の役割を担う障壁層5となる。ここで、この量子ドット粒子1においてシェル部である障壁層5は、コア部である半導体粒子3の表面3aから法線方向への厚みtが他の部分よりも薄い薄肉部7を有している。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the quantum dot particles of the present invention. The
本実施形態の量子ドット粒子1によれば、薄肉部7は障壁層5における厚みの厚い他の部分よりも厚みが薄い分だけ低いポテンシャル障壁となっていることから、半導体粒子3の内部に閉じこめられた電子は薄肉部7を優先的に移動するようになる。
According to the
半導体粒子3の内部に閉じこめられた電子が優先的に薄肉部7を移動するようになると、一つの量子ドット粒子1から隣接する他の量子ドット粒子1へ移動する電子は、図1において破線の矢印で示すように、障壁層5の厚みが均一である場合のような放射状ではなくなり、薄肉部7の領域に集約されやすくなることから、量子ドット粒子1から移動する電子の密度(電流密度)を高めることが可能となる。
When electrons confined inside the
その結果、量子ドット粒子1内においては、生成した電子と正孔との再結合が抑制されることから、量子ドット粒子1内の電子の密度を高い状態に維持することができ、これにより量子ドット粒子1により得られる電荷量が向上し、電力利得を高めることが可能となる。
As a result, since the recombination of the generated electrons and holes is suppressed in the
この場合、薄肉部7の厚みtとしては、障壁層5の他の部分との間で電子の移動度に差を持たせることができるという理由から、障壁層5の最大厚みの1/2以下か、または障壁層5の平均厚みの2/3以下であることが望ましい。
In this case, the thickness t of the thin-walled
ここで、障壁層5における薄肉部7の厚みや他の部分の厚みは、例えば、量子ドット粒子1を有するデバイスの断面を透過電子顕微鏡により観察することにより求められる。具体的には、例えば、量子ドット粒子1中の半導体粒子3を中心にして障壁層5を十字状に4カ所測定して平均値を求める。測定の対象となる量子ドット粒子1の個数としては3〜10個ほどとする。
Here, the thickness of the
また、この実施形態の量子ドット粒子1では、薄肉部7がシェル部である障壁層5に少なくとも2カ所有り、半導体粒子3を中心にして対称配置されていることが望ましい。
In the
薄肉部7が、図1に示すように、半導体粒子3を中心にして対称な配置であると、半導体粒子3の内部で生成した電子と正孔が、半導体粒子3を中心にお互いに反対方向に移動しやくなることから、量子ドット粒子1の内部において、電子と正孔との再結合がより抑制され、電荷量の低下をより小さくでき、電力利得をさらに高めることが可能になる。
As shown in FIG. 1, when the thin-
なお、この実施形態の量子ドット粒子1は、図1に示すような単純な形状のものに限られるものではなく、障壁層5に薄肉部7が多数形成され、障壁層5の肉厚の薄い部分と厚い部分とが交互に配置されて凹凸が連続しているような構造でも良い。このような構造の場合には薄肉部7の深さが異なっていても良い。
Note that the
図2は、本発明の量子ドット粒子の他の実施形態を示すもので、半導体粒子を断面視したときの形状が長方形状(a)および楕円状(b)であることを示す模式図である。 FIG. 2 shows another embodiment of the quantum dot particle of the present invention, and is a schematic diagram showing that the shape of the semiconductor particle when viewed in cross section is a rectangular shape (a) and an elliptical shape (b). .
この実施形態の量子ドット粒子1では、半導体粒子3は、断面視したときの形状が長方形状または楕円状であることが望ましい。この場合、障壁層5の薄肉部7は、半導体粒子3の断面が長方形状の場合には長辺側に、また、半導体粒子3が楕円状の場合には曲率半径の大きい、いわゆる湾曲面側に、それぞれ配置されているのがよい。量子ドット粒子1がこのような構造であると、障壁層5に形成された薄肉部7を半導体粒子3の表面により多く形成することができることから、移動する電子の指向性をさらに高めることが可能になる。この場合、障壁層5の外側の輪郭は中心にある半導体粒子3の形状におおよそ相似形となっていることが望ましい。ここで、上記した長方形状および楕円形状とは、断面における最長径と最短径との比(最長径/最短径)が1.2以上であるものをいう。
In the
この実施形態の量子ドット粒子1のサイズは、例えば、最大径が3nm〜20nmであることが望ましく、また、粒径のばらつきが10%以内であることが望ましい。最大径および粒径のばらつきが上記範囲であると、量子ドット粒子1を積層して量子ドット層を形成したときに、複数の量子ドット粒子1間に電子の規則的な長周期構造が形成されやすくなり、これにより連続したバンド構造を形成することが可能となる。このとき、シェル部である障壁層5の平均厚みは1〜3nmであることが望ましい。
As for the size of the
このような量子ドット粒子1は、エネルギーギャップ(Eg)が0.10〜3.00evを有する半導体粒子が好適であり、周期表の12族元素、13族元素、14族元素、15族元素および16族元素から選択される少なくとも1種の元素を主成分とするものであることが望ましく、具体的には、例えば、ゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、鉛(Pb)、テルル(Te)およびセレン(Se)から選ばれる少なくとも1種の半導体材料を用いることが好ましい。また、障壁層5のバンドギャップは半導体粒子3のバンドギャップの1.5倍から2.3倍であることが望ましい。
The
また、本実施形態の量子ドット粒子1は、シェル部である障壁層5が半導体粒子3と同じ陽イオン(元素)で形成され、障壁層5が半導体粒子3よりも多くの酸素を含むような構造にも適用することが可能である。このような場合には、障壁層5の薄肉部7となる部分は、薄肉部7以外のポテンシャル障壁の高い部分に比べて酸素量を少なくした構造としても良い。
Further, in the
なお、障壁層5において酸素量の少ない部分を薄肉部7として形成する場合には、半導
体粒子3の成分に対して酸素が局部的に化合しやすい元素を選択するのが良く、そのような半導体粒子3としては、周期表の12族〜16族の元素が少なくとも2種以上化合した化合物半導体であることが好ましい。
In the case where the portion having a small amount of oxygen in the
次に、本実施形態の量子ドット粒子の製造方法について説明する。図3は、本実施形態の量子ドット粒子の製造方法を示す模式図である。 Next, the manufacturing method of the quantum dot particle | grains of this embodiment is demonstrated. FIG. 3 is a schematic diagram showing a method for producing quantum dot particles of the present embodiment.
この実施形態の量子ドット粒子1を製造する場合、図3に示すように、光を透過できる透明な容器(例えば、ガラス製)を用意し、この容器を溶存酸素の供給源として、例えば、過酸化水素を含む溶液で満たし、これにさらに半導体原料粒子が酸化して形成された酸化物を溶解可能な成分(例えば、フッ素、水素、鉄、スズおよびハロゲンから選ばれる少なくとも1種以上の成分を含む無機化合物、図3では、便宜上、M+−で表している。)を含む溶液を加える。
When manufacturing the
次に、この溶液中に半導体原料粒子を投入し分散させる。このとき用いる半導体原料粒子としては、サイズの小径化に費やす時間を短くできるという点で、平均粒径は1μm以下であるものを用いるのがよい。 Next, semiconductor raw material particles are charged and dispersed in this solution. As the semiconductor raw material particles used at this time, particles having an average particle diameter of 1 μm or less are preferably used in that the time spent for reducing the size can be shortened.
次に、調製した溶液中の半導体原料粒子に向けて、例えば、光源として、水銀電球またはキセノン電球等を用いて、波長が300〜900nmの光を照射する。 Next, light with a wavelength of 300 to 900 nm is irradiated toward the semiconductor raw material particles in the prepared solution using, for example, a mercury bulb or a xenon bulb as a light source.
この光の照射により半導体原料粒子の内部において電子と正孔とが形成される。このうち電子が半導体原料粒子の表面において溶液中の酸素と結びつき活性酸素が形成される。この活性酸素によって半導体原料粒子の表面に半導体原料粒子の成分を陽イオンとする酸化膜が形成される。半導体原料粒子の表面に形成された酸化膜は形成されると同時に、溶液中に溶解している酸化物を溶解可能な成分によって溶解される。 By this light irradiation, electrons and holes are formed inside the semiconductor raw material particles. Among these, electrons are combined with oxygen in the solution on the surface of the semiconductor raw material particles to form active oxygen. The active oxygen forms an oxide film having the semiconductor raw material particle component as a cation on the surface of the semiconductor raw material particle. The oxide film formed on the surface of the semiconductor raw material particles is formed, and at the same time, is dissolved by a component capable of dissolving the oxide dissolved in the solution.
このような半導体原料粒子の表面における酸化膜の形成と除去という反応により、半導体原料粒子のサイズを次第に小さくすることができる。この場合、半導体原料粒子のサイズは照射する光の波長によって調整することができる。半導体原料粒子のサイズがナノスケールになると、半導体原料粒子自体に量子効果が現れ、サイズの減少とともにバンドギャップが次第に大きくなる。こうした量子効果により半導体原料粒子のバンドギャップが照射する光のエネルギーよりも高くなった時点で反応が終了する。 By such a reaction of forming and removing an oxide film on the surface of the semiconductor raw material particles, the size of the semiconductor raw material particles can be gradually reduced. In this case, the size of the semiconductor raw material particles can be adjusted by the wavelength of light to be irradiated. When the size of the semiconductor raw material particles becomes nanoscale, a quantum effect appears in the semiconductor raw material particles themselves, and the band gap gradually increases as the size decreases. The reaction is completed when the band gap of the semiconductor raw material particles becomes higher than the energy of the irradiated light due to the quantum effect.
ここで、障壁層5に薄肉部7を有する本実施形態の粒子ドット粒子1を製造する場合には、用いる半導体原料粒子として高結晶性のものを用いる。結晶性の高い半導体原料粒子を用いると、溶解の過程で結晶面に沿った劈開や溶解が起こりやすいために半導体原料粒子は表面に角張った突起が形成されるようになる。この酸化膜の形成および除去工程において、角張った突起の部分から選択的に酸化、溶解が進行する。これにより障壁層5に部分的に厚みの不均一な領域を形成することができる。なお、用いる半導体原料粒子の結晶性の程度としては、CukαによるX線回折パターンの主ピークが10000カウント以上であるものが望ましい。また、溶液中における半導体原料粒子の分散性を良くするために超音波を印加してもよい。
Here, when manufacturing the particle dot particle |
また、薄肉部7が障壁層5に少なくとも2カ所有り、半導体粒子3を中心にして対称配置されているような構造の量子ドット粒子1は、溶液中に分散させた半導体原料粒子を容器の内周に沿って周回するようにし、容器の側面方向から光を照射するようにするか、あるいは、溶液中に分散させた半導体原料粒子に強力な磁場を印加して配向させた上で光を照射することによって得ることができる。この場合、光の強さや容器内を周回する半導体原料粒子の速度を変化させた場合には、半導体粒子3を断面視したときの形状が長方形状
または楕円状であるような量子ドット粒子1を作製することが可能となる。
In addition, the
用いる半導体原料粒子としては、種々の金属元素を用いることが可能であるが、特には、周期表の12族元素、13族元素、14族元素、15族元素および16族元素から選択される少なくとも1種の元素を主成分とするものであることが望ましい。 As the semiconductor raw material particles to be used, various metal elements can be used, and in particular, at least selected from group 12 elements, group 13 elements, group 14 elements, group 15 elements and group 16 elements of the periodic table. It is desirable that the main component is one kind of element.
次に、本実施形態の半導体装置について説明する。図4は、本発明の半導体装置の一実施形態を示す断面模式図である。このような構造を有する半導体装置の例としては、量子ドット粒子を組み込んだ半導体レーザや太陽電池が好適なものとして挙げられる。 Next, the semiconductor device of this embodiment will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the semiconductor device of the present invention. As an example of a semiconductor device having such a structure, a semiconductor laser or a solar cell incorporating quantum dot particles is preferable.
この実施形態の半導体装置は、半導体基板31の主面上に、上記の量子ドット粒子1が複数層積み重ねられていることを特徴とするものである。図4では、量子ドット粒子1の積層数が2層だけとなっているが、実際には数十層にもなっている。以下、量子ドット粒子1が積み重ねられた層のことを量子ドット粒子層(符号33)ということもある。また、量子ドット層33の上面側にも下層側の半導体基板31に対向するように半導体基板35(膜状でもよい)が形成されている。この場合、半導体基板31、35はそれぞれn型およびp型である。
The semiconductor device of this embodiment is characterized in that a plurality of the
この実施形態の半導体装置を構成する量子ドット粒子1は、図4からわかるように、コア部である半導体粒子3の周囲に形成されたシェル部である障壁層5に厚みが他の部分よりも薄い薄肉部7を有している。このため量子ドット粒子1同士が結合しても隣接するシェル部である障壁層5同士は薄肉部7が近接しているために、半導体粒子3の内部に閉じこめられた電子が薄肉部7を優先的に移動するようになり、量子ドット粒子1から移動する電子の密度(電流密度)が高まり、これにより多数の量子ドット粒子1が多層に積層された構造となっても量子ドット粒子1により得られる電荷量が向上し、電力利得の高い半導体装置を得ることが可能となる。
As can be seen from FIG. 4, the
また、この半導体装置において、量子ドット粒子1の障壁層5に形成されている薄肉部7が半導体基板側に位置しているときには、薄肉部7近傍の障壁層5が半導体基板31に近くなるために、半導体粒子3の内部に閉じこめられた電子が半導体基板31へ移動しやくなり、量子ドット粒子1により得られる電力利得の向上が図れる。この場合、薄肉部7の厚みの最も薄い部分が半導体基板31の表面に対して垂直な方向に並んでいることがより好ましい。
Further, in this semiconductor device, when the
さらには、半導体基板31に表面上に量子ドット粒子1が並んだ場合には、量子ドット粒子1の間隔は、半導体基板31に垂直な方向の間隔が半導体基板31に平行な方向の間隔よりも短いことが望ましい。半導体装置をこのような構成にすると、量子ドット粒子1で生成した電子が半導体基板31に到達しやくなり、これにより半導体装置の電力利得をさらに向上させることができる。
Furthermore, when the
次に、本実施形態の半導体装置の一例として太陽電池を製造する方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a solar cell as an example of the semiconductor device of this embodiment will be described.
まず、予め作製した量子ドット粒子1を高粘性の有機ビヒクルを用いてゲル状とし、これを半導体基板31の表面に塗布して量子ドット粒子1を堆積させる。次に、この半導体基板31を、例えば、アルゴンまたは窒素などの不活性ガス中、又は、水素を含む還元ガス中にて、100〜600℃の温度に加熱して量子ドット粒子1を焼結させる。こうして半導体基板31の表面上に量子ドット粒子層33を形成する。なお、量子ドット粒子層33を、コアシェル構造の量子ドット粒子1がシェル部5の輪郭を有するように積み重ねられた構造にする場合には、加熱する温度をあまり高くしないで量子ドット粒子1同士がネ
ック部で結合した程度になるように制御する。
First, the
次に、量子ドット粒子1の層の表面に半導体基板35を形成する。製法としては、CVD法、スパッタ法および蒸着法などから選ばれる1種の物理的な薄膜形成法やスピンコート法または印刷法などの化学的方法を採用することができる。
Next, a
以上より得られる太陽電池は、量子ドット粒子層33を構成する量子ドット粒子1のシェル部である障壁層5に厚みの薄い薄肉部7を有するものであるために、一つの量子ドット粒子1から隣接する他の量子ドット粒子1へ移動する電子は、障壁層5の厚みが均一である場合のような放射状ではなくなり、薄肉部7の領域に集約されやすくなることから、量子ドット粒子1から移動する電子の密度(電流密度)を高めることができる。その結果、量子ドット粒子1による光の吸収量を高めることが可能になることから光電変換効率を向上させることができる。
Since the solar cell obtained as described above has the thin-
1・・・・・・・・・・量子ドット粒子
3・・・・・・・・・・半導体粒子
5・・・・・・・・・・障壁層
7・・・・・・・・・・薄肉部
31、35・・・・・・半導体基板
33・・・・・・・・・量子ドット粒子層
1 ...
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