JP6258712B2

JP6258712B2 - 受光素子および受光素子を備えた太陽電池

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Publication number: JP6258712B2
Application number: JP2014013218A
Authority: JP
Inventors: 弘文吉川; 真和泉; 恭崇葛本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: JP2015141969A

Description

本発明は、受光素子および受光素子を備えた太陽電池に関し、好適には量子ドット層を含む受光素子およびその受光素子を備えた太陽電池に関する。

受光素子を備えたデバイスの一例である太陽電池に対しては、より広い波長範囲の光を利用して光電変換効率を高めるということを目的とした種々の研究開発が行われている。たとえば、量子ドット技術の利用により母体材料の価電子帯、伝導帯間に超格子ミニバンドが形成され、超格子ミニバンドを介することで電子が二段階で光励起され、よって、長波長の光を利用することができるという太陽電池が提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、または非特許文献２など）。

このような量子ドットを含む太陽電池は、化合物太陽電池のｉ型半導体層を構成する母体半導体中に量子ドットを含む量子ドット層を挿入したものである。母体半導体中に量子ドット層を挿入することにより、量子ドット層間の電子的結合が形成され、よって、超格子ミニバンドが形成される。超格子ミニバンドを介した二段階の光励起により、未利用だった波長域の光吸収（母体半導体材料のバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。量子ドットで生成されたキャリアは、超格子ミニバンド中を移動し、光励起によって外部に取り出される。

特開２００６−１１４８１５号公報特表２０１０−５０９７７２号公報

ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷＢ、８２巻、１９５３２１ページ、２０１０年

現在、量子ドット層を挿入した太陽電池においては、その太陽電池が有する量子ドット層で生成されたキャリアの取り出し効率が極めて低く、光電変換効率が伸び悩んでいる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャリアの取り出し効率に優れたデバイス（太陽電池など）を作製可能な受光素子を提供することである。

本発明は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の間に配置される第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層とを備え、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層は、それぞれ障壁層と量子ドットを含む量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造であり、第１の超格子半導体層の超格子構造および第２の超格子半導体層の超格子構造は、それぞれの超格子構造を構成する量子ドット層の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成し、第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが、第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーよりも小さい受光素子である。

本発明の受光素子において好ましくは、第２の超格子半導体層がｎ型半導体層側に配置される。

本発明の受光素子において好ましくは、第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとは少なくとも一部が重なる、または、第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとの間のエネルギーギャップの大きさが、第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す）の総和以下である。

本発明の受光素子において好ましくは、第１の超格子半導体層は、Ｇａ、ＩｎおよびＡｓからなり、第２の超格子半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂからなる。

本発明の受光素子において好ましくは、ＧａＡｓからなる基板上に、ｐ型半導体層、第１の超格子半導体層、第２の超格子半導体層およびｎ型半導体層が前記の順に積層される。

本発明に係る太陽電池は、本発明の受光素子を備える。

本発明によれば、キャリアの取り出し効率に優れたデバイス（太陽電池など）を作製可能な受光素子を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る受光素子を備えた太陽電池の構成を示す概略断面図である。１種類の超格子半導体層を用いた場合に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介した光励起によるキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。本発明の実施形態１における超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介した光励起によるキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。実験例１により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例１により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例１により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例１により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例１により計算された価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。実験例１により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。比較実験例１により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。実験例２により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例２により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例２により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。実験例３により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例３により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例３により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例３により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例３により計算された価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。実験例３により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。比較実験例３により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。実験例４により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例４により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布である。実験例４により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例４により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。実験例４により計算された価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。実験例４により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。比較実験例４により計算された伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の受光素子および太陽電池について詳細に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

ここで、本明細書中で用いられる語句について簡単な説明を加える。
「超格子半導体層」は、障壁層と量子ドット層とが複数回繰り返し積層されて構成された超格子構造を有する。障壁層および量子ドット層はともに化合物半導体材料からなる。障壁層は量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。

「超格子構造」とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなることを意味する。

「量子ドット」とは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。

「量子ドット層」とは、量子ドットと量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい母体半導体材料とを含む層である。

「障壁層」とは、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい母体半導体材料からなる層であり、量子ドットを含まない。

「タイプＩ構造」とは、異なる半導体材料が交互に積層された構造で、バンドギャップの小さい材料の伝導帯および価電子帯が、バンドギャップの大きい材料の伝導帯および価電子帯で挟まれたバンド構造である。その結果、電子および正孔がバンドギャップの小さい材料側に閉じ込められ、吸収および発光の効率は高い。

「タイプＩＩ構造」とは、異なる半導体材料が交互に積層された構造で、バンド不連続量が価電子帯と伝導帯でその符号を異にするバンド構造である。その結果、電子と正孔が、それぞれ異なる材料側で閉じ込められ、空間的に分離される。タイプＩ構造と比較して吸収および発光の効率は低いが、キャリアの寿命は長くなる。

「超格子ミニバンド」とは、量子ドットからしみ出した波動関数が重なり合うことで、各量子ドットの離散的エネルギー準位が束となり、形成されるバンドを言う。超格子ミニバンドの少なくとも一部は、障壁層の価電子帯上端と伝導帯下端との間に形成されている。

「量子準位」とは、電子の離散的なエネルギー準位を言う。
「伝導帯第一超格子ミニバンド」とは、超格子構造の伝導帯側の基底準位により形成された超格子ミニバンドを意味する。

「伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギー」は、伝導帯第一超格子ミニバンドの最小エネルギーを意味する。

「伝導帯第二以上の超格子ミニバンド」とは、超格子構造の伝導帯側の励起準位により形成された超格子ミニバンドを意味する。

＜＜実施形態１＞＞
［受光素子の構成］
図１は、本発明の実施形態１に係る受光素子を備えた太陽電池の構成を示す概略断面図である。本実施形態に係る受光素子は、ｎ型半導体層１と、ｐ型半導体層４と、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層４との間に配置される第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂ（以下、両者を含む概念として「超格子半導体層」とも記す）とを備える。

＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層１は、ｎ型不純物を含む半導体からなる。

実施形態１では、太陽電池２０において、ｎ型半導体層１は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側に位置するが、ｎ型半導体層１は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側の反対側に位置することもできる。

ｎ型半導体層１は、第１の超格子半導体層１０Ａ、第２の超格子半導体層１０Ｂおよびｐ型半導体層４とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合（ｐｎ−ｎ接合、ｐｐ−ｎ接合、ｐ＋ｐｎ接合、ｐｎｎ＋接合を含む）を構成することができる。このｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、起電力が生じる。

ｎ型半導体層は、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより形成された薄膜であることが好ましい。

ｎ型半導体層は、障壁層８Ａまたは８Ｂと同じ半導体材料にｎ型不純物を添加したものであってもよいし、障壁層８Ａまたは８Ｂとは異なる半導体材料にｎ型不純物を添加したものであってもよい。

ｎ型半導体層はｎ−ＧａＡｓＳｂ、ｎ−ＧａＡｓ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ、ｎ−ＡｌＧａＡｓＳｂ、ｎ−ＡｌＡｓＳｂ、ｎ−ＩｎＡｌＡｓ、ｎ−ＺｎＴｅなどからなることが好ましい。

ｎ型半導体層におけるｎ型不純物の濃度は特に限定されず、ｎ型半導体層を構成する半導体材料に応じて適宜設定されることが好ましい。

ｎ型半導体層の厚さは特に限定されず、超格子半導体層が光を十分に吸収可能となるように適宜設定されることが好ましい。

＜ｐ型半導体層＞
ｐ型半導体層４は、ｐ型不純物を含む半導体からなる。

実施形態１では、太陽電池２０において、ｐ型半導体層４は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側の反対側に位置するが、ｐ型半導体層４は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側に位置することもできる。

ｐ型半導体層４は、第１の超格子半導体層１０Ａ、第２の超格子半導体層１０Ｂおよびｎ型半導体層１とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合（ｐｎ−ｎ接合、ｐｐ−ｎ接合、ｐ＋ｐｎ接合、ｐｎｎ＋接合を含む）を構成することができる。このｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、起電力が生じる。

ｐ型半導体層は、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより形成された薄膜であってもよい。
ｐ型半導体層は、障壁層８Ａまたは８Ｂと同じ半導体材料にｐ型不純物を添加したものであってもよいし、障壁層８Ａまたは８Ｂとは異なる半導体材料にｐ型不純物を添加したものであってもよい。

ｐ型半導体層はｐ−ＧａＡｓ、ｐ−ＧａＡｓＳｂ、ｐ−ＡｌＧａＡｓ、ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂ、ｐ−ＡｌＡｓＳｂ、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ、ｐ−ＺｎＴｅなどからなることが好ましい。

ｐ型半導体層におけるｐ型不純物の濃度は特に限定されず、ｐ型半導体層を構成する半導体材料に応じて適宜設定されることが好ましい。

ｐ型半導体層の厚さは特に限定されず、超格子半導体層が光を十分に吸収可能となるように適宜設定されることが好ましい。

＜第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層＞
第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂは、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層４との間に配置される。

第１の超格子半導体層１０Ａは、障壁層８Ａと量子ドット層６Ａとが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。量子ドット層６Ａでは、複数の量子ドット７Ａが、障壁層８Ａと同じ半導体材料中に配置されている。第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造である。

第２の超格子半導体層１０Ｂは、障壁層８Ｂと量子ドット層６Ｂとが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。量子ドット層６Ｂでは、複数の量子ドット７Ｂが、障壁層８Ｂと同じ半導体材料中に配置されている。第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造である。

図１には示されていないが、超格子半導体層には、量子ドット層および障壁層と異なる材料のキャップ層や量子井戸といった挿入層が、量子ドット層および障壁層とともに繰り返し積層されても良い。

以下、量子ドット層６Ａおよび量子ドット層６Ｂを含む概念として「量子ドット層」と、量子ドット７Ａおよび量子ドット７Ｂを含む概念として「量子ドット」と、障壁層８Ａおよび障壁層８Ｂを含む概念として「障壁層」とも記す。

量子ドットおよび障壁層の各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。量子ドットは、障壁層よりもバンドギャップエネルギーの小さい半導体材料からなることが好ましい。たとえば、量子ドットおよび障壁層の各材料は、ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x、Ｇａ_xＩｎ_1-xＳｂ、ＡｌＳｂ_xＡｓ_1-x、ＡｌＡｓ_zＳｂ_1-z、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ_zＳｂ_1-z、Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ、（Ａｌ_yＧａ_1-y）_zＩｎ_1-zＰ、ＧａＡｓ_xＰ_1-x、Ｇａ_yＩｎ_1-yＡｓ_zＰ_1-z、Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓ（すべての前記材料において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１。以下同様。）であることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。

量子ドットおよび障壁層の各材料は、周期律表の第ＩＶ族半導体、第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または、第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であっても良く、これらの混晶材料であっても良い。また、量子ドットおよび障壁層の各材料は、カルコパイライト系材料であっても良いし、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。

たとえば、障壁層の材料と量子ドットの材料との組み合わせ（以下、Ａ／Ｂは、Ａが量子ドットの材料、Ｂが障壁層の材料を示す）としては、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＮＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ｇａ_yＩｎ_1-yＡｓ_zＰ_1-z、Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ／ＧａＮ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ_zＳｂ_1-z、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＡｌＡｓ_zＳｂ_1-z、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ_zＳｂ_1-z、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／ＡｌＡｓ_zＳｂ_1-z、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ、ＩｎＰ／Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ_xＰ_1-x、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／（Ａｌ_yＧａ_1-y）_zＩｎ_1-zＰ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／ＧａＡｓ_xＰ_1-x、Ｇａ_xＩｎ_1-xＳｂ／ＡｌＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ₂／ＣｕＧａＳ₂、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ（すべての前記材料において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１。）などが挙げられる。

これらの組み合わせのうち、タイプＩ構造を得るためには、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＮＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ｇａ_yＩｎ_1-yＡｓ_zＰ_1-z、Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ／ＧａＮ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ_xＰ_1-x、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／（Ａｌ_yＧａ_1-y）_zＩｎ_1-zＰ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／Ｉｎ_xＧａ_1-xＰ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／ＧａＡｓ_xＰ_1-x、Ｇａ_xＩｎ_1-xＳｂ／ＡｌＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ₂／ＣｕＧａＳ₂などを用いることが好ましい。

また、タイプＩＩ構造を得るためには、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ_zＳｂ_1-z、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／ＡｌＡｓ_zＳｂ_1-z、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ_zＳｂ_1-z、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／ＡｌＡｓ_zＳｂ_1-z、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x／Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂ、ＩｎＰ／Ｉｎ_xＡｌ_1-xＡｓ、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅなどを用いることが好ましい。

また、第１の超格子半導体層は、Ｇａと、Ｉｎと、Ａｓとからなり、第２の超格子半導体層は、Ｇａと、Ｉｎと、Ａｓと、Ｓｂとからなることが好ましい。これにより、超格子半導体層を容易に作製することができる。

超格子半導体層は、さらにＧａＡｓからなる基板を備え、基板上に、ｐ型半導体層、第１の超格子半導体層、第２の超格子半導体層およびｎ型半導体層が前記の順に積層されることが好ましい。これにより、超格子半導体層を容易に作製することができる。

超格子半導体層は、ｉ型半導体層であってもよいし、受光により起電力が生じるのであればｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。

本実施形態における超格子半導体層では、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さ、および、障壁層の材料を調整することで、量子ドットからしみ出した波動関数が重なり合うようになる。この電子的結合の結果、各量子ドットの離散的エネルギー準位が束となり、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが形成される。

本実施形態における超格子ミニバンドは、量子ドット層の伝導帯量子準位によって形成される。

伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは、量子ドットの形状、障壁層の厚さ、量子ドットの有効質量、障壁層の有効質量、または、量子ドットと障壁層との間のバンド不連続量などにより決まる。

具体的には、量子ドット層の積層方向における量子ドットの大きさ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの大きさ、または、量子ドット層の積層方向および面内方向における量子ドットの大きさを小さくすることで、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。例えば、第１の超格子半導体層では、量子ドット層の積層方向における量子ドットの大きさは０．５〜５０ｎｍ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの大きさは０．５〜１００ｎｍが好ましい。第２の超格子半導体層では、量子ドット層の積層方向における量子ドットの大きさは０．５〜５０ｎｍ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの大きさは０．５〜１００ｎｍが好ましい。

量子ドットの有効質量または障壁層の有効質量を小さくすることでも、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。

量子ドットと障壁層との間のバンド不連続量を大きくすることで、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。

障壁層の厚さを薄くすることで、超格子ミニバンドのエネルギー幅を広げることができるとともに、超格子ミニバンドの下端エネルギーを小さくすることができる。例えば、第１の超格子半導体層では、障壁層の厚さは０．５〜２０ｎｍが好ましく、第２の超格子半導体層では、障壁層の厚さは０．５〜２０ｎｍが好ましい。

このように、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さ、および、障壁層の材料を調整することで、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさを制御することができる。なお、「量子ドットの形状」には、量子ドットの大きさも含まれる。そのため、「量子ドットの形状を調整する」には、量子ドットの外形を変更せずに量子ドット７の大きさのみを変更することも含まれる。

本実施形態において、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造であり、前記第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが、前記第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーよりも小さい。したがって、本実施形態に係る受光素子では、第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドに光励起されたキャリアが、第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドへ緩和され、電子とホールとを空間的に分離することができる。さらに、第２の超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造であるため、キャリア寿命を長くでき、二段階目の光励起確率を高めることができる。

また、前記第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと前記第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとの間のエネルギーギャップの大きさが、第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す）の総和以下であれば、ミニバンドやＬＯフォノン散乱を介した高速緩和により、第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドから第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドへ、より効率的にキャリアが集まることができる。したがって、受光素子からのキャリアの取り出し効率が向上する。

以下、受光素子からのキャリアの取り出しについて、図２および図３を用いて具体的に説明する。なお、図２および図３に示される超格子ミニバンドの数は一例であり、適宜調節することができる。

図２は、１種類の超格子半導体層を用いた場合に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介したキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。なお、図２において、斜線部は電子の存在を表している。

上述のように、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さまたは障壁層の材料を制御することにより、超格子半導体層には、図２に示す超格子ミニバンド２４が形成される。超格子ミニバンド２４は、伝導帯第一超格子ミニバンド２１および伝導帯第二以上の超格子ミニバンド２５を含む。

入射光が超格子半導体層に入射すると、矢印で示すように、価電子帯２３から伝導帯第一超格子ミニバンド２１への電子の遷移および伝導帯第一超格子ミニバンド２１から障壁層の伝導帯２２以上への電子の遷移が起こる。なお、図２には明記していないが、伝導帯第一超格子ミニバンド２１を介さない、価電子帯２３から伝導帯２２または伝導帯第二以上の超格子ミニバンド２５への電子の遷移も起きる。

このような伝導帯第一超格子ミニバンドを介した光励起により、障壁層の伝導帯に電子を、障壁層の価電子帯にホールを発生させ光電変換することができ、光起電力を発生させることができる。

図３は、本実施形態における超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介したキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。なお、図３において、斜線部は電子の存在を表している。

本実施の形態における超格子半導体層では、図３に示されるように、第１の超格子半導体に超格子ミニバンド３４Ａが形成され、第２の超格子半導体層に超格子ミニバンド３４Ｂが形成される。超格子ミニバンド３４Ａは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンド３５Ａを含む。超格子ミニバンド３４Ｂは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンド３５Ｂを含む。伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂの下端エネルギーは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａの下端エネルギーよりも小さい。

図３では、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂの下端エネルギーが伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａの下端エネルギーよりも小さいため、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａのキャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂへ速やかに移動する。このため、ｐ型半導体層４側に配置された第１の超格子半導体層１０Ａの伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａにはキャリアが存在せず、ｎ型半導体層１側に配置された第２の超格子半導体層１０Ｂの伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂにはキャリアが満たされている。

また、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａ及び伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂの一部が重なる、あるいは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａと伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂとの間のエネルギーギャップの大きさが、第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴの総和以下であるときは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａのキャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂへ、ミニバンドやＬＯフォノン散乱を介して高速緩和される。

ここで、入射光が超格子半導体層に入射すると、第１の超格子半導体層１０Ａでは、矢印Ａで示すように、電子が価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａへ遷移する。伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａへ遷移した電子は、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂへ速やかに移動する。そして、第２の超格子半導体層１０Ｂでは、矢印Ｂに示すように、電子が伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへ遷移する。第２の超格子半導体層１０ＢはタイプＩＩ構造の超格子構造で構成されているため、キャリア再結合を抑制でき、キャリア寿命を長くすることができる。したがって、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂ内の電子は、高いキャリア占有率及び長いキャリア寿命により、二段階目の光励起がされやすくなる。よって、本実施形態に係る受光素子は、キャリアの取り出し効率に優れたデバイスを提供することができる。

タイプＩＩ構造の超格子構造を有する第２の超格子半導体層１０Ｂがｎ型半導体層１側に配置されている場合、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドに励起されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層１へ取り出される。したがって、このような受光素子を用いたデバイスは、短絡電流を向上させることができる。

また、第２の超格子半導体層には、不純物がドープされていても良い。これにより、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが小さい超格子構造におけるキャリア占有率が高くなるので、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移確率がより高まる。

上記のような、超格子半導体層中に障壁層と量子ドット層とを繰り返し積層してミニバンドを形成するという方法は、受光素子の設計において、様々な選択肢を提供することができる。よって、キャリアの取り出し効率に優れたデバイスの提供を図ることができる。

＜＜実施形態２＞＞
［太陽電池の構成］
本実施形態に係る受光素子を備えた太陽電池の構成を図１を用いて説明する。

太陽電池２０は、裏面にｐ型電極１７を形成したｐ型基板１２上にバッファ層３と、ｐ型半導体層４と、第１の超格子半導体層１０Ａと、第２の超格子半導体層１０Ｂと、ｎ型半導体層１と、窓層１４とを前記の順で積層して備える。さらに、窓層１４の上にコンタクト層１５を介してｎ型電極１８を備える。

バッファ層３としては、たとえばｐ⁺−ＧａＡｓ層を用いることができる。バッファ層の厚さは、たとえば１００ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。

ｐ型半導体層４としては、たとえばｐ−ＧａＡｓ層を用いることができる。ｐ型半導体層４の厚さは、たとえば２０ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。

ｎ型半導体層１としては、たとえばｎ−ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ≦１）層を用いることができる。ｎ型半導体層１の厚さは、たとえば２０ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。

窓層１４としては、たとえばｎ−Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層を用いることができる。窓層の厚さは、たとえば１０ｎｍ〜３００ｎｍとすることができる。

コンタクト層１５としては、たとえばｎ⁺−ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ≦１）層を用いることができる。コンタクト層の厚さは、たとえば１０ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。

ｐ型電極１７としては、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎ、Ａｕ／Ｃｒ、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕを用いることができる。ｐ型電極の厚さは、たとえば１０ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。

ｎ型電極１８としては、たとえばＡｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕを用いることができる。ｎ型電極の厚さは、たとえば１０ｎｍ〜５００ｎｍとすることができる。

なお、本実施形態に係る太陽電池は、集光システムと組み合わせることもできる。
［太陽電池の製造方法］
まず、ｐ−ＧａＡｓのｐ型基板１２を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに１０分間流水洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置内に支持する。次に、ｐ型基板１２上にバッファ層３を形成する。バッファ層３としては、３００ｎｍの厚さのｐ+−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。バッファ層３の形成により、バッファ層３上に形成される超格子半導体層（光吸収層）の結晶性を向上させることができる。よって、超格子半導体層での受光効率が確保された太陽電池２０を提供することができる。その後、バッファ層３上にｐ型半導体層４を形成する。ｐ型半導体層４としては、３００ｎｍの厚さのｐ−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。

続いて、ｐ型半導体層４上に障壁層８Ａと量子ドット層６Ａとを含む第１の超格子半導体層１０Ａを形成する。分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法または有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などにより障壁層８Ａを形成することができ、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法により量子ドット層６Ａを成長させることができる。具体的には、例えば、障壁層８ＡとしてＧａＡｓ層を結晶成長させた後、自己組織化機構によりインジウムガリウム砒素Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝１）からなる量子ドット７Ａを形成し、量子ドット７Ａを形成していない部分に障壁層と同一のＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、量子ドット層６Ａが形成される。その後、障壁層８ＡとしてのＧａＡｓ層の結晶成長と量子ドット層６Ａの成長とを繰り返す。量子ドット層６の成長方法は上述のとおりである。

次に、第１の超格子半導体層１０Ａ上に障壁層８Ｂと量子ドット層６Ｂとを含む第２の超格子半導体層１０Ｂを形成する。障壁層８Ｂと量子ドット層６Ｂの成長方法は、それぞれ障壁層８Ａと量子ドット層６Ａと同様の方法を用いることができる。例えば、障壁層８ＢとしてはＧａＡｓ_xＳｂ_1-x層（０≦ｘ＜１）を、量子ドット７ＢとしてはＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝１）を用いることが好ましい。

その後、キャップ層を形成することが好ましい。キャップ層としては約４ｎｍの厚さのＧａＡｓ_xＳｂ_1-x層（０≦ｘ≦１）を形成することが好ましく、キャップ層の形成により結晶表面の平坦性を回復することができる。このようにして、超格子半導体層が形成される。

続いて、第１の超格子半導体層１０Ｂ上にｎ型半導体層１を形成する。ｎ型半導体層１としては、２５０ｎｍの厚さのｎ−ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ≦１）層を形成することが好ましい。これにより、ｐｉｎ構造が形成される。

続いて、ｎ型半導体層１上に窓層１４およびコンタクト層１５を形成する。窓層１４としては、５０ｎｍの厚さでｎ−Ａｌ_0.75Ｇａ_0.25Ａｓ層を結晶成長させることが好ましい。コンタクト層１５としては、１００ｎｍの厚さでｎ+−ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ≦１）層を結晶成長させることが好ましい。その後、この積層体をＭＯＣＶＤ装置から取り出してから、ｐ型基板の下面上にｐ型電極を形成する。その後、コンタクト層１５上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術とによりｎ型電極（櫛型電極）１８を形成し、このｎ型電極１８をマスクとしてコンタクト層１５を選択エッチングする。このようにして、本実施形態に係る太陽電池２０を得ることができる。

ここで、基板処理温度を、たとえば、Ｉｎの再脱離を防ぐために量子ドット層を含む超格子半導体層の形成時には５２０℃とし、それ以外の層の形成時には５９０℃とすることが好ましい。

また、たとえば、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いることができ、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いることができる。ｎ型ドーパントは、量子ドット層および障壁層の少なくとも一方の結晶成長中に添加されることが好ましい。ｐ型電極１７およびｎ型電極１８は、材料としてＡｕを用いることが好ましく、抵抗加熱蒸着法による真空蒸着で形成されることが好ましい。

なお、本実施形態で示した例は一例に過ぎない。ｐ型基板、バッファ層、ｐ型半導体層、超格子半導体層、ｎ型半導体層、窓層、コンタクト層、ｎ型ドーパント、ｐ型ドーパント、ｎ型電極およびｐ型電極などの各材料、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、ならびに、製造装置などは、上記記載に限定されない。

＜＜実施形態３＞＞
［量子型赤外線センサー］
実施形態１の受光素子は、量子型赤外線センサーに用いることができる。

量子ドットを用いた量子型赤外線センサーでは、高い量子効率および高感度を有する赤外線センサーを得るために、赤外線吸収により光励起されたキャリアが、伝導帯の量子準位から高効率で取り出されることが望ましい。

実施形態１で述べた超格子半導体層は、光励起されたキャリアを高効率で取り出すことができる。したがって、実施形態１の受光素子を用いた量子型赤外線センサーは、高い量子効率と高感度を有することができる。

＜実験例１＞
本発明の一実施の形態における受光素子について、シミュレーション実験を行った。

［評価方法］
歪とピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、超格子構造のミニバンド構造、光吸収スペクトル、輻射寿命をシミュレーションした。光吸収係数αは下記（式１）を解くことで、輻射寿命は下記（式２）を解くことで見積ることができる。

実験例１では、２種類の超格子半導体層に対して別々にミニバンド構造を計算し、光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。

第１の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用い、第２の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ_0.80Ｓｂ_0.20）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、母体半導体材料をＧａＡｓ_xＳｂ_1-xとし、量子ドット材料をＩｎ_yＧａ_1-yＡｓとしたが、ｘ及びｙの値は適宜変更することができるし、異なる半導体材料であってもよい。

ｐ型半導体層側の第１の超格子半導体層、及びｎ型半導体層側の第２の超格子半導体層では、ともに、量子ドットの形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズを１５ｎｍ、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。また、量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を３ｎｍとした。なお、第１の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、第２の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。

図４および図５には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布を示す。横軸は量子ドット中心の積層方向（図１のｚ方向）の距離を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。実線は伝導帯、破線は価電子帯のポテンシャル分布を示す。

図４および図５から分かるように、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造である。

図６および図７には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）を示す。図６および図７において、横軸は超格子波数ベクトルを示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。

図６および図７から分かるように、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層では、それぞれ、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９０５ｅＶ及び０．９５３ｅＶであり、第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．８６５ｅＶ及び０．９２２ｅＶであった。つまり、実験例１の場合、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの一部が重なる状態にあることから、高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、電子とホールとが空間的に分離されるので、キャリア寿命は長く、キャリア再結合を抑制することができる。

＜比較実験例１＞
比較実験例１では、超格子半導体層は上記実験例１のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。超格子半導体層の全体の厚さは６μｍとした。
本比較実験例により計算された超格子構造の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布、および伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）は図４および図６に示す通りである。上記実験例１とは異なり、超格子半導体層はタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されるため、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。

＜考察＞
実験例１の超格子半導体層と比較実験例１の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび価電子帯第一超格子ミニバンド間において、実験例１の方が比較実験例１に比べて２倍長かった。よって、実験例１は超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかにキャリアが取り出される。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実験例１の超格子半導体層を用いた受光素子は短絡電流を向上させることができる。

＜実験例２＞
実験例２では、障壁層を構成する母体半導体材料を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。

第１の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用い、第２の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ_0.65Ｓｂ_0.35）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。

図１１には、本実験例により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布を示す。横軸は量子ドット中心の積層方向の距離を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。実線は伝導帯、破線は価電子帯のポテンシャル分布を示す。第１の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布は、図４と同じである。図１１から分かるように、第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造である。

図１２には、本実験例により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）を示す。横軸は超格子波数ベクトルを示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造は図６と同じである。図１２から分かるように、第２の超格子半導体層では、第１の超格子半導体層同様、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．８４１ｅＶ及び０．９０１ｅＶであった。非特許文献２によれば、遷移準位間のエネルギーギャップが障壁層ＧａＡｓのＬＯフォノンエネルギー近傍である場合、ＬＯフォノンエネルギーを中心にピコ秒〜ナノ秒オーダーで高速緩和されることが示されている。具体的には、ＬＯフォノンエネルギー（３６ｍｅＶ）と室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の総和であっても〜１０ｎｓレベルで速やかに緩和されることが示されている。実験例２の場合、第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９０５ｅＶ及び０．９５３ｅＶであることから、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンド間のエネルギーギャップの大きさが第１の超格子半導体層の障壁層のＬＯフォノンエネルギー（３６ｍｅＶ）と室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の総和以内である。したがって実験例２では、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンド間で、ＬＯフォノンエネルギーに一致する遷移エネルギーギャップを有しており、ＬＯフォノン散乱を介して高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、電子とホールとが空間的に分離されるので、キャリア寿命は長く、キャリア再結合を抑制することができる。

また、式２を用いて第２の超格子半導体層における輻射寿命を算出したところ、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび価電子帯第一超格子ミニバンド間は３０４ｎｓであった。

＜比較実験例２＞
比較実験例２では、超格子半導体層は上記実験例２のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。結果は比較実験例１と同じである。

＜考察＞
実験例２の超格子半導体層と比較実験例２の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび価電子帯第一超格子ミニバンド間において、実験例２の方が比較実験例２に比べて約１０１倍長かった。よって、超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかに取り出される。これらのことから、障壁層を構成する母体半導体材料を変更した場合でも、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実験例２の超格子半導体層を用いた受光素子は、短絡電流を向上させることができる。

＜実験例３＞
実験例３では、量子ドット間の積層方向の距離を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。

第１の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用い、第２の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ_0.80Ｓｂ_0.20）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。

ｐ型半導体層側の第１の超格子半導体層、及びｎ型半導体層側の第２の超格子半導体層では、ともに、量子ドットの形状が０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズを１５ｎｍ、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。また、量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を８ｎｍとした。なお、第１の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、第２の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。

図１４および図１５には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布を示す。横軸は量子ドット中心の積層方向の距離を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。実線は伝導帯、破線は価電子帯のポテンシャル分布を示す。図１４および図１５から分かるように、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造である。

図１６および図１７には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）を示す。図１６および図１７において、横軸は超格子波数ベクトルを示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。図１６および図１７から分かるように、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層では、それぞれ、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９４６ｅＶ及び０．９４８ｅＶであり、第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９０３ｅＶ及び０．９０６ｅＶであった。つまり、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンド間のエネルギーギャップの大きさが第１の超格子半導体層の障壁層のＬＯフォノンエネルギー（３６ｍｅＶ）と室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の総和以内であり、キャリアがＬＯフォノン散乱を介して高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、電子とホールとが空間的に分離されるので、キャリア寿命は長く、キャリア再結合を抑制することができる。

＜比較実験例３＞
比較実験例３では、超格子半導体層は上記実験例３のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。超格子半導体層の全体の厚さは６μｍとした。
本比較実験例により計算された超格子構造の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布、および伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）は図１４および図１６に示す通りである。上記実験例３とは異なり、超格子半導体層はタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されるため、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。

＜考察＞
実験例３の超格子半導体層と比較実験例３の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび価電子帯第一超格子ミニバンド間において、実験例３の方が比較実験例３に比べて７倍長かった。よって、超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかに取り出される。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実施例３の超格子半導体層を用いた受光素子は、短絡電流を向上させることができる。

＜実験例４＞
第１の超格子半導体層では、量子ドット材料を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。

第１の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ）を用い、第２の超格子半導体層では、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ_0.80Ｓｂ_0.20）、量子ドット材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ）を用いた。

図２１および図２２には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布を示す。横軸は量子ドット中心の積層方向の距離を示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。実線は伝導帯、破線は価電子帯のポテンシャル分布を示す。図２１および図２２から分かるように、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造である。

図２３および図２４には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）を示す。図２３および図２４において、横軸は超格子波数ベクトルを示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料における歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。図２３および図２４から分かるように、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層では、それぞれ、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。

第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさはそれぞれ０．９８９ｅＶ及び１．０４０ｅＶであり、第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさはそれぞれ０．９４２ｅＶ及び０．９９６ｅＶであった。

つまり、実験例４の場合、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの一部が重なる状態にあることから、キャリアが高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、電子とホールとが空間的に分離されるので、キャリア寿命は長く、キャリア再結合を抑制することができる。

図２５には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示し、図２６には、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示す。

＜比較実験例４＞
比較実験例４では、超格子半導体層は上記実験例４のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。超格子半導体層の全体の厚さは６μｍとした。
本比較実験例により計算された超格子構造の伝導帯及び価電子帯（重い正孔及び軽い正孔）における歪考慮前のポテンシャル分布、および伝導帯におけるミニバンド構造（５０番目までの超格子ミニバンドを図示）は図２１および図２３に示す通りである。上記実験例４とは異なり、超格子半導体層はタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されるため、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。

＜考察＞
実験例４の超格子半導体層と比較実験例４の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび価電子帯第一超格子ミニバンド間において、実験例４の方が比較実験例４に比べて約１５倍長かった。よって、超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかに取り出される。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実験例４の超格子半導体層を用いた受光素子は、短絡電流を向上させることができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の受光素子は、太陽電池、フォトダイオード、半導体光増幅器および量子ドット赤外線センサーなどに用いることができる。

１ｎ型半導体層、３バッファ層、４ｐ型半導体層、６Ａ，６Ｂ量子ドット層、７Ａ，７Ｂ量子ドット、８Ａ，８Ｂ障壁層、１０Ａ第１の超格子半導体層、１０Ｂ第２の超格子半導体層、１２ｐ型基板、１４窓層、１５コンタクト層、１７ｐ型電極、１８ｎ型電極、２０太陽電池、２１，３１Ａ，３２Ａ伝導帯第一超格子ミニバンド、２２、３２伝導帯、２３，３３価電子帯、２４，３４Ａ，３４Ｂ超格子ミニバンド、２５，３５Ａ，３５Ｂ伝導帯第二以上の超格子ミニバンド。

Claims

ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層の間に配置される第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層とを備え、
前記第１の超格子半導体層および前記第２の超格子半導体層は、それぞれ障壁層と量子ドットを含む量子ドット層とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有し、
前記第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、
前記第２の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩＩ構造であり、
前記第１の超格子半導体層の超格子構造および前記第２の超格子半導体層の超格子構造は、それぞれの前記超格子構造を構成する前記量子ドット層の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成し、
前記第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが、前記第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーよりも小さく、
前記第１の超格子半導体層および前記第２の超格子半導体層が有する前記障壁層の厚さは、０．５〜２０ｎｍである、受光素子。
前記第２の超格子半導体層が前記ｎ型半導体層側に配置される、請求項１に記載の受光素子。
前記第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと前記第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとは少なくとも一部が重なる、または、
前記第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと前記第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとの間のエネルギーギャップの大きさが、前記第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す）の総和以下である、請求項１または２に記載の受光素子。
前記第１の超格子半導体層は、Ｇａ、ＩｎおよびＡｓからなり、
前記第２の超格子半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
さらにＧａＡｓからなる基板を備え、前記基板上に、前記ｐ型半導体層、前記第１の超格子半導体層、前記第２の超格子半導体層および前記ｎ型半導体層が前記の順に積層される、請求項４に記載の受光素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子を備えた太陽電池。