JP6234680B2 - Semiconductor device, solar cell, light emitting element, and method for manufacturing light receiving element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイス、太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a solar cell, a light emitting element, and a method for manufacturing a light receiving element.
近年、量子サイズ効果を利用した半導体デバイスが注目されている。量子サイズ効果とは、粒子の平均粒径をナノメートル程度まで小さくすると、粒子を構成する電子が微小領域内に閉じ込められて電子の運動の自由度が極端に制御されることにより、電子がとり得るエネルギーが量子化される現象である。このように電子が微小領域内に閉じ込められた粒子は量子ドットと呼ばれ、平均粒径でバンドギャップが調整されることにより、光吸収波長や光電変換特性が制御される。例えば、太陽電池の光電変換層を量子ドット構造とすることにより、従来活用できなかった幅広い波長の光吸収を行うことが可能になり、高エネルギーの光を熱エネルギーとして損失する前に励起子生成に活用できるため、高い変換効率を有する太陽電池が得られる。 In recent years, semiconductor devices using the quantum size effect have attracted attention. The quantum size effect means that when the average particle size of the particles is reduced to about nanometers, the electrons that make up the particles are confined in a minute region, and the degree of freedom of movement of the electrons is extremely controlled, thereby removing the electrons. This is a phenomenon where the energy gained is quantized. Particles in which electrons are confined in such a minute region are called quantum dots, and the light absorption wavelength and photoelectric conversion characteristics are controlled by adjusting the band gap with the average particle diameter. For example, by making the photoelectric conversion layer of the solar cell into a quantum dot structure, it becomes possible to absorb light of a wide range of wavelengths that could not be used conventionally, and exciton generation before losing high energy light as thermal energy Therefore, a solar cell having high conversion efficiency can be obtained.
上記のように光電変換層に量子ドット構造を採用した太陽電池(以下、量子ドット太陽電池という)に関しては、例えば非特許文献1には、幅広い波長の光吸収を可能とする量子ドット太陽電池の一つである中間バンド型太陽電池において、74.6%の高い理論効率が達成され得るとの報告がなされている。 As described above, for a solar cell employing a quantum dot structure in the photoelectric conversion layer (hereinafter referred to as a quantum dot solar cell), for example, Non-Patent Document 1 discloses a quantum dot solar cell that can absorb light of a wide range of wavelengths. It has been reported that a theoretical efficiency as high as 74.6% can be achieved in one intermediate band solar cell.
また、非特許文献2には、透明導電層と対向導電層との間に酸化チタン(TiO2)と硫化鉛(PbS)の量子ドット(以下、PbS粒子という)とを含む光電変換層を備えたコロイド量子ドット(colloidal quantum dot:CQD)太陽電池が開示されている。この光電変換層においては、PbS粒子が太陽光等の光を吸収すると共にP型半導体として電荷輸送を担っており、TiO2が電荷輸送のみを担っている。ここで、P型半導体とは電荷を運ぶキャリアとして正の電荷を持つ正孔(ホール)が使われる半導体であって、N型半導体とは電荷を運ぶキャリアとして負の電荷を持つ電子が使われる半導体を意味する。また、正孔及び電子がそれぞれキャリアとして移動することでP型及びN型の各半導体内に電流が生じる。そして、前記光電変換層においては、PbS粒子とTiO2との接合部分がPN接合になっており、このPN接合で電荷分離が促進される。
Non-Patent
更に、非特許文献3には、非特許文献2の太陽電池と同様にPbS粒子を含む量子ドット構造の光電変換層を備えたCQD太陽電池が開示されている。非特許文献3のCQD太陽電池では、光電変換層の形成時に、ハロゲン化物を用いた有機・無機ハイブリッド型の表面安定化処理が導入されている。これにより、光電変換層におけるキャリアの再結合が抑制されるため、光電変換層内で発生した電流が外部に容易に取り出され、従来のCQD太陽電池の変換効率を上回る約7%の変換効率が得られている。
Further, Non-Patent Document 3 discloses a CQD solar cell including a photoelectric conversion layer having a quantum dot structure including PbS particles, as in the solar cell of Non-Patent
上述のように、量子ドット太陽電池をはじめとする量子ドット構造の光電変換層を備えた半導体デバイスは、更なる性能向上を目指して活発な研究開発が進められている。 As described above, active research and development has been progressing for semiconductor devices having a quantum dot structure photoelectric conversion layer such as a quantum dot solar cell for further performance improvement.
しかしながら、従来の量子ドット太陽電池の製造においては、光電変換層の形成に高温プロセス又は高真空プロセスが必要であった(非特許文献1参照)。また、簡便に製造可能といわれるCQD太陽電池であっても、N型半導体層となるTiO2層の形成において500℃での焼成等の高温プロセスが必要になる上に、TiO2層の前記焼成後に、P型半導体層となるPbS粒子を溶媒に溶かしてスピンコートにて製膜する工程を経て、一晩放置して前記溶媒を乾燥させる(非特許文献2,3参照)必要があった。このように、従来から量子ドット構造の光電変換層を備えた半導体デバイスの製造方法では、前記光電変換層の形成において高真空プロセス又は高温プロセスが必要になり、各工程が煩雑であるという問題があった。
However, in the production of a conventional quantum dot solar cell, a high-temperature process or a high-vacuum process is required for forming the photoelectric conversion layer (see Non-Patent Document 1). Further, even in the case of a CQD solar cell that is said to be easily manufacturable, a high-temperature process such as firing at 500 ° C. is required in forming a TiO 2 layer that becomes an N-type semiconductor layer, and the firing of the TiO 2 layer Later, it was necessary to allow the PbS particles to be a P-type semiconductor layer to be dissolved in a solvent and to form a film by spin coating, and then to stand overnight to dry the solvent (see Non-Patent
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、より簡易な工程で、PN接合における電荷分離が良好に生じる量子ドット構造の光電変換層を形成することができる半導体デバイスと該半導体デバイスを用いた太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法の提供を課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a semiconductor device capable of forming a photoelectric conversion layer having a quantum dot structure in which charge separation at a PN junction is favorably generated in a simpler process, and the semiconductor device. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing the solar cell, the light emitting element, and the light receiving element used.
本発明の半導体デバイスの製造方法は、P型の半導体粒子とN型の半導体粒子との界面からなるPN接合を有する量子ドット構造の光電変換層を備え、前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子のうち少なくとも一方の導電型の半導体粒子が平均粒径によって三次元全方位で電子の移動方向を制限された状態の量子ドットである半導体デバイスの製造方法であって、基板上に、前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子のうち一方の導電型の半導体粒子からなる半導体層中に他方の導電型の半導体粒子が分散されてなる光電変換層をエアロゾルデポジション法によって形成する際に、前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子を前記基板に同時に吹きつけることにより、前記光電変換層を形成し、前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子のうち前記半導体層をなす導電型の半導体粒子と前記半導体層中に分散される導電型の半導体粒子との重量比を80:20〜99.1:0.1とし、搬送ガスによって前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子の速度を10〜1000m/sの範囲内に加速し、前記基板に吹きつけることを特徴とする。
本発明の半導体デバイスの製造方法では、前記搬送ガスによって前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子の速度を10〜250m/sの範囲内に加速し、前記基板に吹きつけることにより、前記光電変換層を形成してもよい。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法では、前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子のうち何れか一方又は両方の平均粒径が1nm〜10nmであることが好ましい。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a photoelectric conversion layer having a quantum dot structure having a PN junction composed of an interface between a P-type semiconductor particle and an N-type semiconductor particle, and the P-type semiconductor particle and the N-type semiconductor particle A semiconductor device manufacturing method in which at least one of the semiconductor particles is a quantum dot in a state in which the moving direction of electrons is restricted in all three dimensions by an average particle diameter, on a substrate, A photoelectric conversion layer is formed by aerosol deposition method in which a semiconductor layer made of one of the P type semiconductor particles and the N type semiconductor particles is dispersed in a semiconductor layer made of one of the conductive type semiconductor particles. In this case, the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles are simultaneously sprayed on the substrate to form the photoelectric conversion layer, and the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles are formed. The weight ratio of the conductive semiconductor particles forming the semiconductor layer to the conductive semiconductor particles dispersed in the semiconductor layer is 80:20 to 99.1: 0.1, depending on the carrier gas. The speed of the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles is accelerated within a range of 10 to 1000 m / s and sprayed onto the substrate.
In the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, the carrier gas accelerates the speed of the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles within a range of 10 to 250 m / s, and sprays it on the substrate. The photoelectric conversion layer may be formed.
In the method for producing a semiconductor device of the present invention, it is preferable that an average particle diameter of one or both of the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles is 1 nm to 10 nm .
本発明の太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法はそれぞれ、本発明の上記半導体デバイスの製造方法により太陽電池、発光素子又は受光素子を得ることを特徴とする。 The manufacturing method of the solar cell, light emitting element, and light receiving element of the present invention is characterized in that a solar cell, a light emitting element, or a light receiving element is obtained by the semiconductor device manufacturing method of the present invention.
本発明の半導体デバイス、太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法によれば、より簡易な工程でPN接合における電荷分離が良好に生じる量子ドット構造の光電変換層を形成することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device, a solar cell, a light emitting element, and a light receiving element of the present invention, it is possible to form a photoelectric conversion layer having a quantum dot structure in which charge separation at a PN junction is favorably performed by a simpler process.
以下、本発明の実施形態である半導体デバイスと該半導体デバイスを用いた太陽電池、発光素子及び受光素子の製造方法について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更できる。 Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing a solar cell, a light emitting element, and a light receiving element using the semiconductor device will be described with reference to the drawings. The drawings used in the following description are schematic, and the length, width, thickness ratio, and the like are not necessarily the same as actual ones, and can be changed as appropriate.
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態である半導体デバイス10を示す断面図である。
図1に示すように、半導体デバイス10は、基板21と、基板21の一方の板面上に形成された透明導電層22と、透明導電層22の上に形成された光電変換層25と、光電変換層25の上に形成された対向導電層27と、透明導電層22の上に形成された電流取出部29と、を備えている。本実施形態の光電変換層25は、N型半導体層23(第一導電型の半導体層)と、P型半導体層24(第二導電型の半導体層)が順次積層形成されてなる複合層である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a
As shown in FIG. 1, the
基板21は、透明導電層22の基台となる部材であり、量子ドット太陽電池の製造及び利用に適用可能な材質で構成されていれば、種類等は特に限定されない。このような材質の基板としては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)或いはPEN(ポリエチレンナフタレート)等の樹脂フィルムや、ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、バイコールガラス、無アルカリガラス、青板ガラス及び白板ガラス等からなるガラス基板が挙げられる。
If the board |
透明導電層22は、半導体デバイス10の第一電極を構成するために設けられており、スパッタリング法や印刷法により基板21の上に形成されている。透明導電層22には、例えば、酸化スズ(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化インジウム/酸化亜鉛(IZO)、酸化ガリウム/酸化亜鉛(GZO)等が用いられる。
The transparent
光電変換層25は、N型半導体層23とN型半導体層23の上に形成されたP型半導体層24から構成されている。
The
N型半導体層23は、負の電荷を持つ電子をキャリアとして電荷を運ぶ機能を有する金属酸化物等の不図示のN型半導体粒子23p(第一導電型の半導体粒子)から構成されている。このような金属酸化物としては、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)が挙げられる。また、N型半導体粒子23pの平均粒径は、1nm〜2000nmであることが好ましい。これにより、適度にN型半導体とP型半導体の界面が形成され、光電変換層25の変換効率が向上する。
The N-
N型半導体粒子23pは、平均粒径によって三次元全方位で電子の移動方向を制限された状態である量子ドットであってもよく、量子ドットでなくてもよい。N型半導体粒子23pを量子ドットとする場合は、N型半導体粒子23pの量子サイズ効果を高めて光電変換層25の変換効率を向上させる点から、N型半導体粒子23pの平均粒径は1nm〜10nmであることが好ましい。
The N-type semiconductor particles 23p may be quantum dots that are in a state in which the moving direction of electrons is limited in all three-dimensional directions by the average particle diameter, or may not be quantum dots. When the N-type semiconductor particles 23p are quantum dots, the average particle size of the N-type semiconductor particles 23p is 1 nm to from the point of increasing the quantum size effect of the N-type semiconductor particles 23p and improving the conversion efficiency of the
前記金属酸化物のうち、産業上利用されるTiO2はアナターゼ型とルチル型とに大別され、その他にブルッカイト型や非晶質(アモルファス)のTiO2が知られる。電子伝導性と生産性を向上させる点から、N型半導体粒子23pとしては、アナターゼ型TiO2が好適である。なお、N型半導体粒子23pは、アナターゼ型TiO2とルチル型TiO2の混合物であってもよく、ルチル型TiO2のみであってもよい。この場合、50wt%〜100wt%のルチル型TiO2に対して50wt%〜0wt%のアナターゼ型TiO2が適宜混合して用いられることが好ましい。 Among the metal oxides, TiO 2 used in the industry is roughly classified into anatase type and rutile type, and brookite type and amorphous TiO 2 are also known. From the viewpoint of improving electron conductivity and productivity, the anatase TiO 2 is suitable as the N-type semiconductor particle 23p. Incidentally, N-type semiconductor particles 23p may be a mixture of anatase type TiO 2 and rutile TiO 2, may be only rutile TiO 2. In this case, it is preferable that 50 wt% to 0 wt% of anatase TiO 2 is appropriately mixed with 50 wt% to 100 wt% of rutile TiO 2 .
本実施形態の半導体デバイス10において、N型半導体層23は、粉体吹付法によりN型半導体粒子23pを透明導電層22に吹き付けることにより形成されている。粉体吹付法は、製膜原料を粒子(以下、原料粒子という)にして、搬送ガスによって製膜対象物に吹き付けることで、衝突エネルギーや熱、電気等の補助エネルギーを利用して、室温プロセスで後処理等の必要なく製膜対象物上に原料粒子を成膜する方法である。このような粉体吹付法としては、例えばエアロゾルデポジション法(以下、AD法という)、スプレー法、コールドスプレー法、静電スプレー法、溶射法等が知られている。
In the
AD法は、ヘリウム等の搬送ガスによって原料粒子を亜音速〜超音速程度まで加速して、基材に吹き付ける方法である。基材表面に衝突した原料粒子は、少なくともその一部が基材表面に食い込んで、容易には剥離しない状態となる。また、原料粒子の基材表面への衝突により、基材表面と原料粒子表面に新生面が形成されて、主にこの新生面において、基材と原料粒子とが接合する。原料粒子の吹き付けを継続することにより、基材表面に食い込んだ原料粒子に対して、別の原料粒子が衝突する。原料粒子同士の衝突によって、互いの原料粒子表面に新生面が形成されて、主にこの新生面において原料粒子同士が接合する。この原料粒子同士の衝突においては、原料粒子が溶融するような温度上昇は発生し難いため、原料粒子同士が接合した界面には、ガラス質からなる粒界層は実質的に存在しない。原料粒子の吹き付けを継続することによって、次第に、基材表面に多数の原料粒子が接合してなる層又は膜が形成される。形成された層又は膜は、原料粒子同士の接合により充分な強度を有するので、焼成による焼き締めを必要としない。このようにAD法では、原料粒子の吹き付け時の条件を調整することによって、良好な多孔質層を形成することができることから、N型半導体層23は、AD法を用いて形成されていることが好ましい。
The AD method is a method in which raw material particles are accelerated to a subsonic speed to a supersonic speed by a carrier gas such as helium and sprayed onto a substrate. At least part of the raw material particles that collide with the surface of the base material bite into the surface of the base material and are not easily peeled off. In addition, a new surface is formed on the surface of the base material and the surface of the raw material particle by the collision of the raw material particles with the surface of the base material, and the base material and the raw material particles are mainly joined on this new surface. By continuing the spraying of the raw material particles, another raw material particle collides with the raw material particles that have digged into the substrate surface. Due to the collision between the raw material particles, a new surface is formed on the surface of the respective raw material particles, and the raw material particles are joined mainly on the new surface. In the collision between the raw material particles, a temperature rise that melts the raw material particles hardly occurs. Therefore, a grain boundary layer made of vitreous does not substantially exist at the interface where the raw material particles are joined to each other. By continuing the spraying of the raw material particles, a layer or a film formed by joining a large number of raw material particles to the surface of the base material is gradually formed. The formed layer or film has sufficient strength due to the joining of the raw material particles, and therefore does not require baking by baking. As described above, in the AD method, a favorable porous layer can be formed by adjusting the conditions at the time of spraying the raw material particles. Therefore, the N-
なお、N型半導体層23は、TiO2等のN型半導体粒子23pがトルエン等の溶媒に分散された状態の溶液を透明導電層22の上にスピンコートすることで形成されていてもよい。
The N-
P型半導体層24は、太陽光等に対して光吸収を起こし、正の電荷を持つ正孔をキャリアとして電荷を運ぶ機能を有する無機半導体等のP型半導体粒子24p(第二導電型の半導体粒子)から構成されている。このような無機半導体としては、例えば、PbSが挙げられる。また、P型半導体粒子24pの平均粒径は、1nm〜2000nmであることが好ましい。これにより、適度にN型半導体とP型半導体の界面が形成され、光電変換層25の変換効率が向上する。
The P-
P型半導体粒子24pは、量子ドットであってもよく、量子ドットでなくてもよい。但し、N型半導体粒子23pが量子ドットではない場合は、P型半導体粒子24pを量子ドットとした方が好ましい。P型半導体粒子24pを量子ドットとする場合は、P型半導体粒子24pの量子サイズ効果を高めて光電変換層25の変換効率を向上させる点から、P型半導体粒子24pの平均粒径は1nm〜10nmであることが好ましい。
The P-
本実施形態の半導体デバイス10において、P型半導体層24は、AD法、スプレー法、コールドスプレー法、静電スプレー法、溶射法等の粉体吹付法によりP型半導体粒子24pをN型半導体層23に吹き付けることにより形成されている。従って、光電変換層25は、室温プロセスにより連続的に、且つ、後処理を必要とせず比較的短時間で形成されている。また、P型半導体層24側のN型半導体層23には、P型半導体粒子24pをN型半導体層23に吹き付ける際に、P型半導体粒子24pの一部が個々に又は複数で繋がってP型半導体層24との界面に接するようにして侵入している(図1参照)。このようなN型半導体層23と、P型半導体粒子24p及びP型半導体層24との界面は、PN接合26になっており、N型半導体に電子が流れて、P型半導体に正孔が流れることで、電荷分離が促進される。
In the
なお、P型半導体層24は、PbS等のP型半導体粒子24pがトルエン等の溶媒に分散された状態の溶液をN型半導体層23の上にスピンコートすることで形成されていてもよい。但し、N型半導体層23が前記スピンコートにより形成されている場合は、P型半導体層24は、上記の粉体吹付法により形成されている。
The P-
光電変換層25を構成するN型半導体層23とP型半導体層24の少なくとも一方の厚みは、0.05μm〜20μmであることが好ましい。これにより、光電変換層25における光吸収が適度になされ、且つN型半導体層23とP型半導体層24においてそれぞれ、効率よく電子と正孔が透明導電層22、対向導電層27の各電極まで輸送される。
The thickness of at least one of the N-
対向導電層27は、半導体デバイス10の第二電極を構成するために設けられており、スパッタリング法や印刷法によりP型半導体層24の上に形成されている。また、対向導電層27は、半導体デバイス10の厚み方向において光電変換層25を介して透明導電層22と対向している。対向導電層27には、例えば、酸化モリブデン(MoOx、ここでxは整数)、金、銀等が用いられる。
The counter
電流取出部29は、透明導電層22内の電流を取り出すために設けられており、スパッタリング法や印刷法により、平面視において光電変換層25が形成されていない透明導電層22の上に形成されている。電流取出部29には、例えば、金、銅等が用いられる。
The
本発明において、第一導電型の半導体粒子とは、例えばN型の半導体粒子であり、また、第二導電型の半導体粒子とは、第一導電型の半導体粒子がN型である場合のP型の半導体粒子である。また、第一導電型の半導体粒子がP型の半導体粒子である場合は、第二導電型の半導体粒子はN型の半導体粒子である。
以上、半導体粒子の場合を例にして説明したが、半導体層の場合も同様である。
即ち、上記説明した半導体デバイス10の光電変換層25は、P型半導体層と、N型半導体層が順次積層形成されてなる複合層であってもよい。この場合、対向導電層27はN型半導体層に接するので、対向導電層27には、仕事関数がN型半導体にあった材料を用いることが好ましく、例えばカルシウムやアルミニウムが用いられる。
In the present invention, the first conductive type semiconductor particles are, for example, N type semiconductor particles, and the second conductive type semiconductor particles are P in the case where the first conductive type semiconductor particles are N type. Type semiconductor particles. When the first conductivity type semiconductor particles are P type semiconductor particles, the second conductivity type semiconductor particles are N type semiconductor particles.
The case of semiconductor particles has been described above as an example, but the same applies to the case of a semiconductor layer.
That is, the
図2は、本発明の第一実施形態である半導体デバイス10を用いた太陽電池100を示す断面図である。図2に示すように、太陽電池100は量子ドット太陽電池であって、半導体デバイス10の対向導電層27に配線111を接続して、電流取出部29に配線112を接続することにより製造することができる。太陽電池100では、光電変換層25に太陽光等の光が照射されると、N型半導体層23内の電子が透明導電層22側に移動し、P型半導体層24内の正孔が対向導電層27側に移動することでPN接合26での電荷分離が促進され、光電流が発生する。光電流は、配線111,112の端子111e,112eから太陽電池100の外部に取り出される。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a
図3は、本発明の第一実施形態である半導体デバイス10を用いた発光素子101を示す断面図である。図3に示すように、発光素子101は所謂、発光ダイオードであって、光電変換層25のPN接合26に順方向バイアスがかかるように、対向導電層27及び電流取出部29に配線115を接続することにより製造することができる。発光素子101では、配線115の電源等から電流取出部29及び透明導電層22を介してN型半導体層23に負電圧が印加されると共に、対向導電層27を介してP型半導体層24に正電圧が印加され、N型半導体層23の電子とP型半導体層24の正孔がそれぞれPN接合26側に引き寄せられる。PN接合26では電子と正孔との再結合に伴い、これらの有するエネルギーが光として放出される。従って、N型及びP型の半導体層23,24への電圧印加量を制御することにより発光強度等が調節され、発光素子101が動作する。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a
図4は、本発明の第一実施形態である半導体デバイス10を用いた受光素子102を示す断面図である。図4に示すように、受光素子102は所謂、フォトダイオードであって、光電変換層25のPN接合26に逆方向バイアスがかかるように、対向導電層27及び電流取出部29に配線116を接続することにより製造することができる。図4では、図2の太陽電池100と同様の配線111,112に配線116が接続されている回路構成を示しているが、この構成に限定されず、配線116はP型半導体層24に負電圧が印加され得る構成を有していればよい。配線116の電源等から対向導電層27を介してP型半導体層24に負電圧を印加した状態で、光電変換層25に光が照射されると、PN接合26での内部光電効果により光電子が発生し、光電子はN型半導体層23に、正孔はP型半導体層23に移動して起電力が発生する。従って、配線111,112の端子111e,112eから受光素子102の外部に直流電流を取り出すことができる。
FIG. 4 is a sectional view showing a
以上、本実施形態における半導体デバイス10として量子ドット太陽電池に適用可能な半導体デバイスを例示して説明したが、半導体デバイス10はPN接合26を有する量子ドット構造の光電変換層25を備えた半導体デバイスであれば、特に限定されない。
As mentioned above, the semiconductor device applicable to the quantum dot solar cell has been exemplified and described as the
次いで、本実施形態の半導体デバイス10の製造方法(以下、単に製造方法という)について説明する。
Next, a method for manufacturing the
本実施形態の製造方法では、例えば、図5に示す製膜装置50が用いられる。製膜装置50は、基材Dを収容して、その一方の面DaにAD法等の粉体吹付法により光電変換層25等を形成するための製膜室51を備えている。製膜室51内には、基材Dを配置するための配置面52aを有するステージ52が設けられている。ステージ52は、基材Dを配置した状態で水平方向に移動可能となっている。製膜室51には、真空ポンプ53が接続されており、製膜室51内が陰圧にされる。
In the manufacturing method of the present embodiment, for example, a
また、製膜室51内には、ステージ52の配置面52a上に配置された基材Dの一方の面Daに開口部54aが対向するようにノズル54が配設されている。開口部54aは、基材Dの一方の面Daに均一に製膜を行う点から、基材Dが平面視で矩形であれば、平面視で矩形であることが好ましいが、その平面視形状は特に限定されない。ノズル54は、搬送管55を介して、ガスボンベ56と接続されている。搬送管55の途中には、ガスボンベ56側から順に、マスフロー制御器57、エアロゾル発生器58、解砕器59及び分級器60が設けられている。
In the
製膜装置50では、ヘリウム等の搬送ガスをガスボンベ56から搬送管55へ供給し、搬送ガスの流速をマスフロー制御器57で調整する。エアロゾル発生器58には吹き付け用の原料粒子を装填し、搬送管55中を流れる搬送ガスに原料粒子を分散させて、原料粒子を解砕器59及び分級器60へ搬送する。そして、ノズル54から原料粒子71が亜音速〜超音速の噴射速度で基材Dの一方の面Daに噴射される。
In the
本実施形態の製造方法では、図6に示す製膜装置70を用いることもできる。製膜装置70の構成要素において、図5に示す製膜装置50の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
In the manufacturing method of this embodiment, the
製膜装置70には、原料粒子及び搬送ガスを基材Dに向けて噴射するための搬送路として、2つの搬送管55A,55Bが設けられている。即ち、製膜装置70では、搬送管55A,55Bの各ノズル54A,54Bから異なる二種類の原料粒子71A,71Bを基材Dの面Daに連続的又は同時に吹き付けることができる。二つの搬送管55A,55Bに設けられているガスボンベ56A,56B、マスフロー制御器57A,57B、エアロゾル発生器58A,58B、解砕器59A,59B及び分級器60A,60Bの機能はそれぞれ、製膜装置50のガスボンベ56、マスフロー制御器57、エアロゾル発生器58、解砕器59及び分級器60の機能と同一の機能を有する。
The
製膜装置70は、異なる二種類の原料粒子の連続的又は同時吹き付けを可能とするが、ノズル54A,54Bを近接させ、二つの搬送管55A,55Bとそれらに設けられた各構成要素の配置を工夫することにより、一種類の原料粒子や複数種類の原料粒子が混合されてなる混合物を一つの搬送管55で搬送してノズル54から吹き付ける製膜装置50と同程度の収容スペースがあればよい。従って、製膜装置70によれば、半導体デバイスの製造装置の省スペース化を図ることができる。
The
続いて、本実施形態の製造方法の各工程について説明する。
先ず、図7(a)に示すガラス基板等の基板21の上に、図7(b)に示すように、スパッタリング等の方法を用いてITOやFTO等からなる透明導電層22を形成する。なお、透明導電層22の形成は、製膜装置50又は製膜装置70を用いて、透明導電層22の原料粒子を粉体吹付法により基板21の上に吹き付けることにより行ってもよい。
Then, each process of the manufacturing method of this embodiment is demonstrated.
First, as shown in FIG. 7B, a transparent
次に、図5に示す製膜装置50又は図6に示す製膜装置70の製膜室51内のステージ52の配置面52aに、図7(b)に示す透明導電層22が形成された基板21を基材Dとして配置する。基材Dの一方の面Daは、露出している透明導電層22の表面(透明導電層22の基板21と接している面とは反対側の面)とする。この後、真空ポンプ53により、製膜室51内を真空にする。また、搬送管55を介して、ガスボンベ56から製膜室51内に搬送ガスとしてヘリウムを供給し、製膜室51内をヘリウム雰囲気とする。
Next, the transparent
本実施形態において、搬送ガス(ヘリウム)によって加速する原料粒子の速度としては、10m/s〜1000m/sが好ましく、10m/s〜250m/sがより好ましい。前記範囲の上限値以下であることにより、基材又は既に堆積している原料粒子に衝突した際に、原料粒子が過度に砕けることなく、吹き付け時の粒径をほぼ保ったまま、製膜される。前記範囲の下限値以上であることにより、透明導電層22の原料粒子が基材又は既に堆積している原料粒子に確実に接合させて、充分な強度の層又は膜を形成できる。なお、搬送ガスによって加速する原料粒子の速度は、基材の種類に応じて適宜調整すればよい。
In the present embodiment, the speed of the raw material particles accelerated by the carrier gas (helium) is preferably 10 m / s to 1000 m / s, and more preferably 10 m / s to 250 m / s. By being below the upper limit of the above range, when colliding with the base material or already deposited raw material particles, the raw material particles are not excessively crushed, and the film is formed while maintaining the particle size at the time of spraying substantially. The By being at least the lower limit of the above range, the raw material particles of the transparent
本実施形態の製造方法において、原料粒子の吹き付けは常温環境で行われることが好ましい。ここで、常温とは透明導電層22の原料粒子の融点より十分低い温度のことを指し、実質的には200℃以下である。常温環境の温度は、基材Dの融点以下であることが好ましい。
In the manufacturing method of this embodiment, it is preferable that the raw material particles are sprayed in a room temperature environment. Here, normal temperature refers to a temperature sufficiently lower than the melting point of the raw material particles of the transparent
次に、ガスボンベ56から製膜室51内にヘリウムを供給し続けたまま、図7(c)に示すように、基板21に形成された透明導電層22の上に、AD法等の粉体吹付法を用いてTiO2、ZnO、SnO2等の金属酸化物からなるN型半導体層23を形成する。N型半導体層23の厚みは、N型半導体層23とP型半導体層24においてそれぞれ、効率よく電子と正孔を輸送する点から、0.05μm〜20μmとすることが好ましい。
Next, while the helium is continuously supplied from the
透明導電層22の上にN型半導体層23を形成するには、製膜装置50のエアロゾル発生器58に、前記金属酸化物の微粒子からなるN型半導体粒子23pを装填し、そのN型半導体粒子を、搬送管55中を流れる搬送ガスに分散させて、解砕器59及び分級器60へ搬送する。そして、ノズル54の開口部54aから、透明導電層22の前記表面に、原料粒子71としてN型半導体粒子23pを吹き付ける。なお、N型半導体粒子23pを構成する金属酸化物の平均粒径は、SEM観察により複数の粒子径を測定して平均する方法やレーザー回折式粒度分布測定装置の測定により得られた粒子径(体積平均径)分布のピーク値として決定する方法により測定することができる。
In order to form the N-
本実施形態の製造方法では、N型半導体粒子23pとしてアナターゼ型TiO2粒子を用いる場合を例に挙げる。基板21の上に形成された透明導電層22の前記表面に、アナターゼ型TiO2粒子を高速で吹き付けて、透明導電層22とアナターゼ型TiO2粒子とを接合させると共に、アナターゼ型TiO2粒子同士を接合させることによって、透明導電層22の上にアナターゼ型TiO2粒子からなるN型半導体層23を形成する。なお、N型半導体粒子23pとして、アナターゼ型TiO2とルチル型TiO2の混合物、或いは、ルチル型TiO2のみを用いてもよい。この場合、50wt%〜100wt%のルチル型TiO2に対して50wt%〜0wt%のアナターゼ型TiO2を適宜混合して用いることが好ましい。
In the production method of the present embodiment, a case of using anatase type TiO 2 particles as an N-type semiconductor particles 23p example. The formed the surface of the transparent
N型半導体粒子23pの吹き付け時において、搬送ガスによって加速するN型半導体粒子23pの速度としては、10〜1000m/sが好ましく、10〜250m/sがより好ましい。N型半導体粒子23pの速度が前記上限以下であることにより、N型半導体粒子23pが透明導電層22に衝突した際に過度に砕けることなく、N型半導体粒子23pを吹き付け時の粒径を保持させて積層することができる。また、N型半導体粒子23pの速度が前記下限以上であることにより、N型半導体粒子23pを基板21又は既に堆積しているN型半導体粒子23pに確実に接合させて、充分な強度のN型半導体層23を形成することができる。搬送ガスによって加速するアナターゼ型TiO2粒子等のN型半導体粒子23pの速度は、上記範囲内において、透明導電層22やN型半導体層23の材質に応じて適宜調整すればよい。
When the N-type semiconductor particles 23p are sprayed, the speed of the N-type semiconductor particles 23p accelerated by the carrier gas is preferably 10 to 1000 m / s, more preferably 10 to 250 m / s. When the speed of the N-type semiconductor particles 23p is equal to or less than the above upper limit, the N-type semiconductor particles 23p are maintained in a particle size at the time of spraying the N-type semiconductor particles 23p without being excessively crushed when colliding with the transparent
本実施形態において、N型半導体粒子23pの吹き付けは、常温環境で行われることが好ましい。ここで常温とは、アナターゼ型TiO2粒子等のN型半導体粒子23pの融点より十分低い温度のことを指し、実質的には200℃以下である。また、常温環境の温度は、基材Dの融点以下であることが好ましい。 In the present embodiment, the N-type semiconductor particles 23p are preferably sprayed in a normal temperature environment. Here, normal temperature refers to a temperature sufficiently lower than the melting point of the N-type semiconductor particles 23p such as anatase-type TiO 2 particles, and is substantially 200 ° C. or lower. Moreover, it is preferable that the temperature of a normal temperature environment is below the melting point of the base material D.
本実施形態の製造方法において、粉体吹付法としてAD法を選択して多孔質なN型半導体層23を製膜する場合は、N型半導体層23の空孔率はN型半導体粒子23pの吹き付け速度や吹き付け角度によっても影響を受けるが、主に影響する要因は、吹き付けるN型半導体粒子23pの平均粒径である。好ましい平均粒径1nm〜2000nmの範囲内で、平均粒径を大きくする程、N型半導体層23の空孔率は高くなり、平均粒径を小さくする程、N型半導体層23の空孔率は低くなる傾向がある。なお、N型半導体層23の空孔率が高すぎると、N型半導体層23における電荷の運搬経路が細切れになって電荷が遠回りをするため、結果として電荷の運搬経路が長くなり、光電変換層25の変換効率が低下して好ましくない。また、N型半導体層23の空孔率が低すぎるとN型半導体層23が緻密になり過ぎてN型半導体とP型半導体との界面が少なくなるため、好ましくない。従って、N型半導体粒子23pの平均粒径は前記範囲内で適宜調整することが好ましい。
In the manufacturing method of the present embodiment, when the AD method is selected as the powder spraying method to form the porous N-
N型半導体粒子23pは、量子ドットとしてもよく、しなくてもよい。N型半導体粒子23pを量子ドットとする場合は、N型半導体粒子23pの量子サイズ効果を高めて光電変換層25の変換効率を向上させる点から、N型半導体粒子23pの平均粒径を1nm〜10nmとすることが好ましい。
The N-type semiconductor particles 23p may or may not be quantum dots. In the case where the N-type semiconductor particles 23p are quantum dots, the average particle size of the N-type semiconductor particles 23p is set to 1 nm to 1 nm in terms of enhancing the quantum size effect of the N-type semiconductor particles 23p and improving the conversion efficiency of the
公知のAD法としては、例えば、国際公開第WO01/27348A1号パンフレットに開示されている超微粒子ビーム堆積法及びその装置、又は特許第3265481号公報の脆性材料超微粒子低温成形法及びその装置が挙げられる。これらの公知のAD法では、吹き付ける原料粒子をボールミル等で前処理することにより、クラックが入るか入らないか程度の内部歪を予め加えておくことが重要であるとされている。この内部歪を加えておくことによって、吹き付けられた原料粒子が、基材又は既に堆積した原料粒子に衝突する際に破砕や変形を起し易くすることができ、この結果、緻密な膜を形成することができるとの記載がなされている。本実施形態の製造方法においても、アナターゼ型TiO2粒子等のN型半導体粒子23pに内部歪を加えておくことによって、適度に緻密なN型半導体層23を形成することができる。
Known AD methods include, for example, the ultrafine particle beam deposition method and apparatus disclosed in International Publication No. WO01 / 27348A1, or the brittle material ultrafine particle low temperature molding method and apparatus disclosed in Japanese Patent No. 3265481. It is done. In these known AD methods, it is considered important to preliminarily add internal strains to the extent that cracks are generated or not by pre-processing the raw material particles to be sprayed with a ball mill or the like. By adding this internal strain, the sprayed raw material particles can be easily crushed and deformed when colliding with the base material or the already deposited raw material particles, thereby forming a dense film. It is described that it can be done. Also in the manufacturing method of this embodiment, a moderately dense N-
次に、製膜装置50の製膜室51を開放することなく、ガスボンベ56から製膜室51内にヘリウム等の搬送ガスを供給し続けたまま、図7(d)に示すように、AD法等の粉体吹付法を用いて、N型半導体層23の上にPbS等の無機半導体からなるP型半導体層24を形成する。本工程において、必要があれば製膜室51を開放してP型半導体層24を形成してもよいが、製膜室51を開放せずに連続してN型半導体層23の上にP型半導体層24を形成することにより、光電変換層25への不純物の混入を確実に防止することができる。P型半導体層24の厚みは、N型半導体層23とP型半導体層24においてそれぞれ、効率よく電子と正孔を輸送する点から、0.05μm〜20μmとすることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 7D, the carrier gas such as helium is continuously supplied from the
具体的には、エアロゾル発生器58に吹き付け用の無機半導体の微粒子からなるP型半導体粒子24pを装填した後、搬送管55中を流れる搬送ガスにP型半導体粒子24pを分散させて、解砕器59及び分級器60へ搬送する。そして、ノズル54の開口部54aから、N型半導体層23の表面(N型半導体層23の透明導電層22と接している面とは反対側の面)に、P型半導体粒子24pを吹き付ける。N型半導体層23と同様に、P型半導体層24におけるP型半導体粒子24pの量子サイズ効果を高めるためには、P型半導体粒子24pには平均粒径が1nm〜2000nmである無機半導体の微粒子を用いることが好ましい。なお、P型半導体粒子24pを構成する無機半導体の平均粒径は、N型半導体層23のN型半導体粒子23pを構成する金属酸化物の平均粒径を測定する方法と同様の方法により測定できる。
Specifically, after the P-
P型半導体粒子24pは、量子ドットでしてもよく、しなくてもよい。但し、N型半導体粒子23pを量子ドットとしない場合は、P型半導体粒子24pを量子ドットとする。P型半導体粒子24pを量子ドットとする場合は、P型半導体粒子24pの量子サイズ効果を高めて光電変換層25の変換効率を向上させる点から、P型半導体粒子24pの平均粒径を1nm〜10nmとすることが好ましい。
The P-
粉体吹付法を用いたP型半導体層24の形成における好ましい吹き付け条件等は、N型半導体層23について上記説明した内容と同様であるため、その説明を省略する。本工程において、N型半導体層23にP型半導体粒子24pを吹き付けた際には、図7(d)に示すように、P型半導体層24側のN型半導体層23の表面にP型半導体粒子24pの一部が侵入する。従って、N型半導体層23に侵入したP型半導体粒子24pの一部、及び、N型半導体層23とP型半導体層24との界面に半導体デバイス10の光電変換層25におけるPN接合26が形成される。
The preferable spraying conditions and the like in the formation of the P-
N型半導体層23とP型半導体層24を形成する際に、図6に示す製膜装置70を用いる場合は、予めエアロゾル発生器58A,58Bに吹き付け用のN型半導体粒子23p,P型半導体粒子24pをそれぞれ装填しておき、各搬送管55A,55Bの中を流れる搬送ガスにN型半導体粒子23p,P型半導体粒子24pを分散させて、解砕器59A,59B及び分級器60A,60Bへそれぞれ搬送する。その後、上記説明したN型半導体層23とP型半導体層24の形成工程及び吹き付け条件の設定と同様にして、ノズル54Aの開口部54aAからのN型半導体粒子23pの吹き付けと、ノズル54Bの開口部54aBからのP型半導体粒子24pの吹き付けを順次行う。
When forming the N-
上記説明した工程により、透明導電層22の上にN型半導体層23とP型半導体層24が積層されてなる光電変換層25を形成することができる。なお、N型半導体層23とP型半導体層24のうち何れか一方の半導体層については、その半導体層を構成するN型半導体粒子23p又はP型半導体粒子24pをトルエン等の溶媒に分散させることで溶液にし、該溶液をスピンコートすることにより形成してもよい。前記スピンコートによる半導体層の形成は室温下で行うことが好ましい。
Through the process described above, the
次に、スパッタリング法や印刷法等により、P型半導体層24の上に、白金、ポリアニリン、PEDOT、カーボン等からなる対向導電層27を形成する。
Next, an opposing
次に、スパッタリング法や印刷法等により、平面視において光電変換層25が形成されていない透明導電層22の上に、金、銅等からなる電流取出部29を形成する。なお、電流取出部29の形成は、透明導電層22の形成後且つ光電変換層25の形成前に行ってもよい。
Next, a
なお、上記説明した半導体デバイス10の製造方法において、光電変換層25を形成する際に、透明導電層22の上にP型半導体層とN型半導体層を順次積層形成してもよい。また、N型半導体層に接する対向導電層27の材質には、仕事関数がN型半導体にあった材料を用いることが好ましく、例えばカルシウムやアルミニウムを用いることができる。
In the method for manufacturing the
以上説明したように、本実施形態の半導体デバイス10及びその製造方法によれば、光電変換層25を構成するN型半導体層23とP型半導体層24のうち少なくとも一方の半導体層を形成する際に、N型半導体粒子23p又はP型半導体粒子24pのうち少なくとも一方の半導体粒子を量子ドットとし、AD法等の粉体吹付法を用いて前記一方の半導体層を構成するN型半導体粒子23p又はP型半導体粒子24pを吹き付けることにより、高温プロセスを必要とせずに簡易な工程により、PN接合26における電荷分離が良好に生じる量子ドット構造の光電変換層25を形成することができる。また、粉体吹付法を用いてN型半導体粒子23p又はP型半導体粒子24pを吹き付けることで、N型半導体層23とP型半導体層24との間に不純物を混入させることなく、連続的且つ簡便に、N型半導体層23とP型半導体層24とを積層して形成することができ、N型及びP型の半導体粒子23p,24pのうち少なくとも一方の量子サイズ効果を高めて、光電変換層25に該量子サイズ効果特有の光吸収特性を持たせることができる。更に、室温プロセスで光電変換層25の形成が行われるため、耐熱性が低い基板21にも光電変換層25や透明導電層22を形成することができる。即ち、量子ドット構造の光電変換層25を備えた半導体デバイス10の製造に適用可能な材質の選択範囲、及び、半導体デバイス10の応用の幅を拡げることができる。
As described above, according to the
また、本実施形態の半導体デバイス10及びその製造方法によれば、N型半導体粒子23p又はP型半導体粒子24pのうち何れか一方の量子サイズ効果に起因する光吸収特性を有する光電変換層25を備え、室温プロセスで製造可能な太陽電池100、発光素子101及び受光素子102を提供することができる。
Moreover, according to the
(第二実施形態)
図8は、本発明の第二実施形態である半導体デバイス12を示す断面図である。なお、図8に示す本実施形態の半導体デバイス12の構成要素において、図1に示す第一実施形態の半導体デバイス10の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second embodiment)
FIG. 8 is a sectional view showing a
図8に示すように、半導体デバイス12の光電変換層25では、N型半導体粒子23p(図示略)からなるN型半導体層23中にP型半導体粒子24pが散在している。従って、N型半導体層23とP型半導体粒子24pとの界面がPN接合26となり、PN接合26において電荷分離が良好に生じる。光電変換層25以外の半導体デバイス12の構成要素については、第一実施形態の半導体デバイス10の構成要素と同様である。
As shown in FIG. 8, in the
なお、上記説明した半導体デバイス12の光電変換層25は、P型半導体粒子24pからなるP型半導体層24中にN型半導体粒子23pが散在してなる層であってもよい。この場合、図8に示すN型半導体粒子23pとN型半導体層23がそれぞれP型半導体粒子とP型半導体層に置き換えられる共に、P型半導体粒子24pがN型半導体粒子に置き換えられる。
The
図9〜図11はそれぞれ、本発明の第二実施形態である半導体デバイス12を用いた太陽電池120、発光素子121、受光素子122のそれぞれを示す断面図である。なお、図9〜図11に示す太陽電池120、発光素子121、受光素子122の構成要素において、図2〜4に示す第一実施形態の半導体デバイス10を用いた太陽電池100、発光素子101、受光素子102の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付す。
9 to 11 are cross-sectional views respectively showing a
太陽電池120、発光素子121、受光素子122はそれぞれ、太陽電池100、発光素子101、受光素子102における半導体デバイス10を半導体デバイス12に置き換えたものである。従って、太陽電池120、発光素子121、受光素子122の各製造方法は、半導体デバイス10を半導体デバイス12に置き換えること以外は太陽電池100、発光素子101、受光素子102の製造方法と同一であるため、説明を省略する。
続いて、本実施形態の半導体デバイス12の製造方法について説明する。
半導体デバイス12の製造方法は、第一実施形態の半導体デバイス10の製造方法と同様に、透明導電層22の形成工程と、粉体吹付法を用いた光電変換層25の形成工程と、対向導電層27及び電流取出部29の形成工程と、を備えている。以下、半導体デバイス12の製造方法の説明において、半導体デバイス10の製造方法と同一の内容については、その説明を省略する。
Then, the manufacturing method of the
The manufacturing method of the
先ず、第一実施形態の半導体デバイス10の製造方法における図7の(a)及び(b)で説明した工程と同様の工程を行い、図12の(a)及び(b)に示すように、基板21の上にITO等からなる透明導電層22を形成する。
First, the same processes as those described in FIGS. 7A and 7B in the method for manufacturing the
続いて、図12(c)に示すように、基板21に形成された透明導電層22の上に、AD法等の粉体吹付法を用いて、TiO2、ZnO、SnO2等の金属酸化物からなるN型半導体層23の中に、PbS等の無機半導体からなるP型半導体粒子24pを分散させてなる光電変換層25を形成する。光電変換層25の厚みは、N型半導体層23とP型半導体層24においてそれぞれ、効率よく電子と正孔を輸送する点から、0.05μm〜20μmとすることが好ましい。
Subsequently, as shown in FIG. 12C, a metal oxide such as TiO 2 , ZnO, or SnO 2 is formed on the transparent
半導体デバイス12の光電変換層25を形成する際に、図5に示す製膜装置50を用いる場合は、エアロゾル発生器58に予め吹き付け用のN型半導体粒子23pとP型半導体粒子24pを混合した混合物を装填しておき、搬送管55の中を流れる搬送ガスに前記混合物を分散させて、解砕器59及び分級器60へそれぞれ搬送する。その後、第一実施形態の半導体デバイス10の製造方法における光電変換層25の形成工程及び吹き付け条件の設定と同様にして、ノズル54の開口部54aからの前記混合物の吹き付けを行う。N型半導体粒子23pとP型半導体粒子24pの混合比は、N型半導体粒子23p:P型半導体粒子24p=80:20〜99.1:0.1(重量比)とすることが好ましく、例えばN型半導体粒子23p:P型半導体粒子24p=99:1とすることができる。前記混合比に設定することにより、P型半導体粒子24pがN型半導体層23中に適度に分散される。
When the
N型半導体層23とP型半導体層24を形成する際に、図6に示す製膜装置70を用いる場合は、予めエアロゾル発生器58A,58Bに吹き付け用のN型半導体粒子23p,P型半導体粒子24pをそれぞれ装填しておき、各搬送管55A,55Bの中を流れる搬送ガスにN型半導体粒子23p,P型半導体粒子24pを分散させて、解砕器59A,59B及び分級器60A,60Bへそれぞれ搬送する。その後、ノズル54Aの開口部54aAからのN型半導体粒子23pの吹き付けと、ノズル54Bの開口部54aBからのP型半導体粒子24pの吹き付けを同時に行う。このとき、N型半導体層23の中にP型半導体粒子24pを均一に分散させるために、N型半導体粒子23pとP型半導体粒子24pの吹き付け条件の設定はそれぞれ、第一実施形態の半導体デバイス10の製造方法と同様の理由で10〜1000m/sとすることが好ましく、10〜250m/sがとすることがより好ましい。
When forming the N-
上記のようにして、製膜装置50又は製膜装置70を用いて、N型半導体粒子23pとP型半導体粒子24pの混合比や吹き付け条件を適宜設定することにより、N型半導体層23の中にP型半導体粒子24pを分散させて光電変換層25を形成することができる。
As described above, by using the
次に、第一実施形態の半導体デバイス10の製造方法における対向導電層27及び電流取出部29の形成工程と同様の工程を行い、光電変換層25の上に対向導電層27を形成した後に、平面視において光電変換層25が形成されていない透明導電層22の上に電流取出部29を形成する。
以上の工程により、図5に示す半導体デバイス12が完成する。
なお、上記説明した半導体デバイス12の製造方法において、P型半導体層24の中にN型半導体粒子23pを分散させて光電変換層25を形成してもよい。
Next, after performing the process similar to the formation process of the opposing
Through the above steps, the
In the method for manufacturing the
上述のように、本実施形態の半導体デバイス12及びその製造方法では、N型半導体粒子23p又はP型半導体粒子24pのうち少なくとも一方の半導体粒子を量子ドットとし、N型及びP型の半導体粒子23p,24pを透明導電層22に吹き付けることにより光電変換層25を形成するため、第一実施形態の半導体デバイス10と同様の効果が得られる。また、本実施形態の半導体デバイス12及びその製造方法によれば、N型半導体粒子23pとP型半導体粒子24pのうち一方の半導体粒子中に、他方の半導体粒子が分散されてなる光電変換層25が形成される。N型及びP型の半導体粒子23p,24pそれぞれの吹き付け速度及び吹き付け量を調整することにより、前記一方の半導体粒子中の前記他方の半導体粒子の分散度及び均一性を容易に制御することができる。これにより、前記他方の半導体粒子における量子サイズ効果をより一層高めることができる。
As described above, in the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、N型半導体層23とP型半導体層24を交互に繰り返し積層することにより、N型半導体層23とP型半導体層24の積層構造を半導体デバイスの厚み方向に複数重ねてなる光電変換層25を形成してもよい。
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.
For example, a photoelectric conversion layer formed by alternately stacking N-type semiconductor layers 23 and P-type semiconductor layers 24 so that a plurality of stacked structures of N-type semiconductor layers 23 and P-type semiconductor layers 24 are stacked in the thickness direction of the semiconductor device. 25 may be formed.
次に、本発明を以下の実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in detail by the following examples, but the present invention is not limited only to these examples.
(実施例1)
半導体デバイスの基板として、予めFTOがガラス基板に製膜されたFTO−ガラス基板を用いた。
次に、平均粒子径が約20nmのアナターゼ型TiO2粒子をN型半導体層の原料粒子として用いた。
また、平均粒子径が約5nmのPbSをトルエンに分散させた溶液(以下、PbS溶液という)を準備して、この溶液を減圧乾燥させることで、量子ドットのP型半導体粒子となるPbS粒子を得た。
Example 1
As a substrate of a semiconductor device, an FTO-glass substrate in which FTO was formed on a glass substrate in advance was used.
Next, anatase TiO 2 particles having an average particle diameter of about 20 nm were used as raw material particles for the N-type semiconductor layer.
Also, by preparing a solution in which PbS having an average particle diameter of about 5 nm is dispersed in toluene (hereinafter referred to as a PbS solution), and drying this solution under reduced pressure, PbS particles that become P-type semiconductor particles of quantum dots are obtained. Obtained.
次に、図5に示す製膜装置50を使用して、TiO2粒子をFTO−ガラス基板の上に室温(約20℃)で製膜した。
具体的には、製膜室51内において、平面視で10mm×0.5mmの長方形の開口部54aを持つノズル54からFTO−ガラス基板に対してTiO2粒子を吹き付けた。この際、搬送ガスとしては窒素(N2)を用いて、この窒素をガスボンベ56から搬送管55へ供給し、その流速をマスフロー制御器57で調整した。吹き付け用のTiO2粒子をエアロゾル発生器58に装填し、窒素に分散させて、解砕器59および分級器60へ搬送し、ノズル54からFTO−ガラス基板へ噴射することによりTiO2層を形成した。その後、製膜室51に接続されている真空ポンプ53により製膜室51内を陰圧(100Pa)にした。ノズル54における前記混合物を伴う窒素の搬送速度は5mm/secとした。
次に、製膜装置50を使用してTiO2層の上にPbS粒子を室温下で製膜することによりPbS層を形成し、対向導電層形成前の半導体デバイス(単に、半導体デバイスという)を製造した。PbS粒子の製膜はTiO2層の形成と同様の吹き付け方法で行った。
Next, using a
Specifically, in the
Next, a PbS layer is formed by depositing PbS particles on the TiO 2 layer at room temperature using the
(実施例2)
半導体デバイスにおける光電変換層のP型半導体層を、PbS溶液をスピンコートによって形成すること以外は、実施例1と同様の手順で半導体デバイスを製造した。
(Example 2)
A semiconductor device was manufactured in the same procedure as in Example 1 except that the P-type semiconductor layer of the photoelectric conversion layer in the semiconductor device was formed by spin coating a PbS solution.
(比較例)
実施例1と同じFTO−ガラス基板に、実施例1と同じTiO2粒子が含有された印刷用ペーストをスクリーン印刷した後、500℃で30分間焼成することで、半導体デバイスの光電変換層のTiO2層を製造した。また、実施例1と同じPbS溶液をN型半導体層の上にスピンコートすることによって半導体デバイスの光電変換層のPbS層を形成した。その他の工程については実施例1と同様に行い、半導体デバイスを製造した。
(Comparative example)
The same FTO-glass substrate as in Example 1 was screen-printed with a printing paste containing the same TiO 2 particles as in Example 1, and then baked at 500 ° C. for 30 minutes, so that the TiO of the photoelectric conversion layer of the semiconductor device Two layers were produced. Moreover, the PbS layer of the photoelectric conversion layer of a semiconductor device was formed by spin-coating the same PbS solution as Example 1 on an N type semiconductor layer. Other steps were performed in the same manner as in Example 1 to manufacture a semiconductor device.
電子顕微鏡を用いて実施例1、2及び比較例で製造した半導体デバイスのSEM写真を撮影し、各半導体デバイスの断面観察を行った。
その結果、実施例1の半導体デバイスでは、TiO2層が0.1μm、PbS層が0.5μmであり、これらの層は良好に接していた。また、実施例2及び比較例においても同様なTiO2層及びPbS層が形成されていることを確認した。
以上の結果から、本発明の製造方法によれば、室温プロセス且つ簡易な工程でPN接合を有する量子ドット構造の光電変換層を形成可能であることを確認した。
SEM photographs of the semiconductor devices manufactured in Examples 1 and 2 and the comparative example were taken using an electron microscope, and cross-sectional observation of each semiconductor device was performed.
As a result, in the semiconductor device of Example 1, the TiO 2 layer was 0.1 μm and the PbS layer was 0.5 μm, and these layers were in good contact. Further, it was confirmed that the same TiO 2 layer and PbS layer were formed in Example 2 and Comparative Example.
From the above results, according to the manufacturing method of the present invention, it was confirmed that a photoelectric conversion layer having a quantum dot structure having a PN junction can be formed by a room temperature process and a simple process.
10,12…半導体デバイス、21…基板、23…N型半導体層(第一導電型の半導体層)、23p…N型半導体粒子(第一導電型の半導体粒子)、24…P型半導体層(第二導電型の半導体層)、24p…P型半導体粒子(第二導電型の半導体粒子)、25…光電変換層、26…PN接合
DESCRIPTION OF
Claims (6)
基板上に、前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子のうち一方の導電型の半導体粒子からなる半導体層中に他方の導電型の半導体粒子が分散されてなる光電変換層をエアロゾルデポジション法によって形成する際に、
前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子を前記基板に同時に吹きつけることにより、前記光電変換層を形成し、
前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子のうち前記半導体層をなす導電型の半導体粒子と前記半導体層中に分散される導電型の半導体粒子との重量比を80:20〜99.1:0.1とし、搬送ガスによって前記P型の半導体粒子と前記N型の半導体粒子の速度を10〜1000m/sの範囲内に加速し、前記基板に吹きつけることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 A photoelectric conversion layer having a quantum dot structure having a PN junction composed of an interface between a P-type semiconductor particle and an N-type semiconductor particle, and having at least one conductivity type of the P-type semiconductor particle and the N-type semiconductor particle A semiconductor device manufacturing method in which the semiconductor particles are quantum dots in a state in which the moving direction of electrons is restricted in all three dimensions by an average particle size,
A photoelectric conversion layer in which the other conductive type semiconductor particles are dispersed in a semiconductor layer made of one of the P type semiconductor particles and the N type semiconductor particles on the substrate is disposed on the substrate. When forming by the position method,
By simultaneously blowing the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles to the substrate, the photoelectric conversion layer is formed,
Of the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles, the weight ratio of the conductive semiconductor particles forming the semiconductor layer to the conductive semiconductor particles dispersed in the semiconductor layer is 80:20 to 99.99. 1: 0.1, the velocity of the P-type semiconductor particles and the N-type semiconductor particles is accelerated within a range of 10 to 1000 m / s by a carrier gas and sprayed onto the substrate. Manufacturing method.
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