JP6312450B2 - 受光素子および受光素子を備えた太陽電池 - Google Patents
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Description
本発明は、受光素子およびその受光素子を備えた太陽電池に関し、特定的には量子ドットを用いた量子ドット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では、光電変換効率を高めるために、より広い波長範囲の光を利用できる技術の開発が行われている。
たとえば、光吸収層に量子ドットを用いた量子構造を導入することで、従来太陽電池では透過損失となっていた長波長の光を利用できる（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２）。しかし、長波長光を吸収して量子構造の量子準位まで励起されたキャリアが、電極に取り出される前に再結合してしまうという問題がある。
そこで、量子構造のバンド構造をタイプＩＩ構造とすることで、キャリア寿命を増大することが検討されている（特許文献２、非特許文献３）。バンド構造をタイプＩＩ構造とすることで、生成された電子とホールは空間的に分離され、これによりキャリア寿命を増大させることができる。例えば、量子ドットにＩｎＡｓを用い、障壁層にＧａＡｓ１−ｘＳｂｘを用いることでタイプＩＩ構造とすることができ、ｘの割合を増大させることで、キャリアの空間分離が強まり、キャリア寿命が増大する傾向にあることが知られている。
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ、８２巻、１９５３２１ページ、２０１０年
ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、９３巻、０３３１０７ページ、２００８年
しかしながら、量子ドットを用いた太陽電池においては、量子ドット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寿命が増大し、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、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する超格子半導体層を備え、障壁層はＧａおよびＡｌの少なくともいずれかと、ＡｓおよびＳｂとを含み、量子ドット層はＩｎおよびＡｓを含み、障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とが、ｑ≧（３ｄ＋１０）／１００の関係を示す、受光素子である。
本発明の受光素子において好ましくは、障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とが、ｑ≧（３ｄ＋１５）／１００の関係を示す。
本発明の受光素子において好ましくは、さらにｐ型半導体層とｎ型半導体層とを備え、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とに挟まれた超格子構造とを備える。
本発明の太陽電池は、本発明の受光素子を備える。
本発明によれば、キャリア寿命が増大し、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。
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態における受光素子および太陽電池について詳細に説明する。なお、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。
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。
「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」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。
「価電子帯第一超格子ミニバンド」とは、超格子構造の価電子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。
＜＜実施形態１＞＞
［受光素子の構成］
図１（ａ）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。受光素子は、障壁層８と量子ドット７を含む量子ドット層６とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する超格子半導体層１０を備える。
［受光素子の構成］
図１（ａ）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。受光素子は、障壁層８と量子ドット７を含む量子ドット層６とが交互に繰り返し積層された超格子構造を有する超格子半導体層１０を備える。
受光素子は、さらにｐ型半導体層１とｎ型半導体層４とを備え、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とに挟まれた超格子構造とを備えることが好ましい。
＜超格子半導体層＞
超格子半導体層１０は、ｎ型半導体層４とｐ型半導体層１との間に配置される。
超格子半導体層１０は、ｎ型半導体層４とｐ型半導体層１との間に配置される。
超格子半導体層１０は、障壁層８と量子ドット層６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６では、複数の量子ドット７が、障壁層８と同じ半導体材料中に配置されている。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。
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、ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x、ＧａxＩｎ1-xＳｂ、ＡｌＳｂxＡｓ1-x、ＡｌＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＰ、（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ、ＧａＡｓxＰ1-x、ＧａyＩｎ1-yＡｓzＰ1-zまたはＩｎxＡｌ1-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、本発明の効果が得られるタイプＩＩ構造を構成する量子ドットの材料と障壁層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、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌＡｓzＳｂ1-zなどを用いることが好ましい。
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。
本実施形態において、量子ドット層はＩｎおよびＡｓを含み、障壁層はＧａおよびＡｌの少なくともいずれかと、ＡｓおよびＳｂとを含む超格子構造である。
タイプＩＩ構造の量子ドット構造において、障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと、超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とを最適化することで、輻射寿命を大幅に増大させることができる。具体的には、タイプＩＩ構造の量子ドット構造において、積層方向の量子ドット間距離ｄを小さくすることで、伝導帯基底準位および価電子帯基底準位間の波動関数の重なりを極端に小さくすることができ、伝導帯基底準位および価電子帯基底準位間の輻射寿命を大幅に増大させることができる。
障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とは、下記式Ａ
ｑ≧（３ｄ＋１０）／１００ （式Ａ）
の関係を示す。
ｑ≧（３ｄ＋１０）／１００ （式Ａ）
の関係を示す。
なお、超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とは、図１（ｂ）に示される、積層方向（Ｚ方向）において最短距離に位置する量子ドット間の、積層方向の下方向に位置する量子ドット上端と、積層方向の上方向に位置する量子ドット下部の濡れ層との距離ｄを意味する。また、図１（ｂ）には示していないが、濡れ層が存在しない場合は、積層方向（Ｚ方向）において最短距離に位置する量子ドット間の、積層方向の下方向に位置する量子ドット上端と、積層方向の上方向に位置する量子ドット下部との距離ｄを意味する。
式Ａは、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットサイズ、量子ドット組成において、障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）および超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）を様々に変えながら輻射寿命を算出し、近似式として得たものである。
超格子半導体層が、上記式Ａを満たすと、量子ドット構造に伴う歪分布とタイプＩＩ構造などの効果によって、伝導帯基底準位および価電子帯基底準位間の波動関数の重なりが極端に小さくなり、伝導帯基底準位および価電子帯基底準位間の輻射寿命を、量子ドット構造がタイプＩ構造であるときの輻射寿命（約１〜２ｎｓ）よりも１桁大きくすることができ、受光素子からのキャリアの取り出し効率を大幅に向上させることができる。
障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと超格子半導体層の積層方向における量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とは、下記式Ｂ
ｑ≧（３ｄ＋１５）／１００（式Ｂ）
の関係を示すことが好ましい。このとき、量子ドット構造がタイプＩ構造であるときの輻射寿命（約１〜２ｎｓ）よりも輻射寿命を２桁大きくすることができ、受光素子からのキャリアの取り出し効率がさらに向上する。
ｑ≧（３ｄ＋１５）／１００（式Ｂ）
の関係を示すことが好ましい。このとき、量子ドット構造がタイプＩ構造であるときの輻射寿命（約１〜２ｎｓ）よりも輻射寿命を２桁大きくすることができ、受光素子からのキャリアの取り出し効率がさらに向上する。
量子ドット層の積層方向における量子ドットの高さ０．５〜５０ｎｍ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの直径は０．５〜１００ｎｍが好ましい。
＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層４は、ｎ型不純物を含む半導体からなる。
ｎ型半導体層４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４は、超格子半導体層１０の光入射側と反対側に位置するが、超格子半導体層１０の光入射側に位置することもできる。
ｎ型半導体層は、超格子半導体層およびｐ型半導体層とともに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とすることができる。
ｎ型半導体層は、障壁層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型半導体層は、ｐ型不純物を含む半導体からなる。
ｐ型半導体層は、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１は、超格子半導体層１０の光入射側に位置するが、超格子半導体層１０の光入射側と反対側に位置することもできる。
ｐ型半導体層は、超格子半導体層および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ることが好ましい。
ｐ型半導体層は、障壁層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。
＜＜実施形態２＞＞
実施形態２の受光素子は、基本的には実施形態１と同様の構成を有する。実施形態１と異なる点は、ｐ型半導体１の代わりにｎ型半導体層を用いることである。これにより、実施形態２の受光素子は、２つのｎ型半導体層と、その間に挟まれた超格子半導体層とから構成されるｎｉｎ接合を備える。さらに電極を備えることで、受光により生成されたキャリアを取り出し、受光素子として機能させることができる。
実施形態２の受光素子は、基本的には実施形態１と同様の構成を有する。実施形態１と異なる点は、ｐ型半導体１の代わりにｎ型半導体層を用いることである。これにより、実施形態２の受光素子は、２つのｎ型半導体層と、その間に挟まれた超格子半導体層とから構成されるｎｉｎ接合を備える。さらに電極を備えることで、受光により生成されたキャリアを取り出し、受光素子として機能させることができる。
＜＜実施形態３＞＞
［太陽電池の構成］
実施形態１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。
［太陽電池の構成］
実施形態１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。
太陽電池は、ｎ型電極１７と、ｎ型基板１２と、バッファ層３と、ｎ型半導体層４と、超格子半導体層１０と、ｐ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ｐ型電極１８を備える。
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。
バッファ層としては、たとえばｎ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）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。
バッファ層としては、たとえばｎ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）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。
ｎ型半導体層としては、たとえばｎ−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）を用いることができる。ｎ型半導体層の厚さは、たとえば２０ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。
ｐ型半導体層としては、たとえばｐ−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）を用いることができる。ｐ型半導体層の厚さは、たとえば２０ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。
窓層としては、たとえばｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ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。
コンタクト層としては、たとえばｐ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）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。
［太陽電池の製造方法］
以下に、太陽電池の製造方法の一例を説明する。
以下に、太陽電池の製造方法の一例を説明する。
まず、ｎ−ＧａＡｓのｎ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、ｎ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ｎ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）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ｎ型半導体層４を形成する。ｎ型半導体層４としては、３００ｎｍの厚さのｎ−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）を形成することが好ましい。
続いて、ｎ型半導体層４上に障壁層と量子ドット層とを含む超格子半導体層１０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を成長させることができる。具体的には、例えば、障壁層としてＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ＜１）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ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝１）からなる量子ドットを形成し、量子ドットを形成していない部分に障壁層と同一のＧａＡｓxＳｂ1-xを結晶成長させる。これにより、量子ドット層が形成される。その後、障壁層としてのＧａＡｓxＳｂ1-x層の結晶成長と量子ドット層の成長とを繰り返す。量子ドット層の成長方法は上述のとおりである。
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ＧａＡｓxＳｂ1-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。
また、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。
続いて、超格子半導体層上にｐ型半導体層１を形成する。ｐ型半導体層としては、２５０ｎｍの厚さのｐ−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）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、ｐ型半導体層上に窓層１４およびコンタクト層１５を形成する。窓層としては、５０ｎｍの厚さでｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ層を結晶成長させることが好ましい。コンタクト層としては、１００ｎｍの厚さでｐ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ≦１）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、ｎ型基板のバッファ層とは反対側の面上にｎ型電極を形成する。その後、コンタクト層上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術とによりｐ型電極（櫛型電極）を形成し、このｐ型電極をマスクとしてコンタクト層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型電極およびｎ型電極は、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。ｎ型基板、バッファ層、ｎ型半導体層、超格子半導体層、ｐ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４＞＞
［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。
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施を行った。
［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、輻射寿命をシミュレーションした。
［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、輻射寿命をシミュレーションした。
＜実施例１＞
実施例１では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.8０Ｓｂ0.20）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実施例では、母体半導体材料をＧａＡｓxＳｂ1-xとし、量子ドット材料をＩｎyＧａ1-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。
実施例１では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.8０Ｓｂ0.20）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実施例では、母体半導体材料をＧａＡｓxＳｂ1-xとし、量子ドット材料をＩｎyＧａ1-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。
超格子半導体層では、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２０ｎｍ、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。実施例１は、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットサイズを想定している。
図２には、本実施例により計算された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２から分かるように、超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造である。このため、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３には、実施例１により計算された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３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３から分かるように、超格子半導体層では、伝導帯において、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ことが分かる。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、３１ｎｓであった。
＜比較例１＞
比較例１では、実施例１の障壁層をガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ0.85５Ｓｂ0.15）とした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
＜比較例１＞
比較例１では、実施例１の障壁層をガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ0.85５Ｓｂ0.15）とした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
比較例１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は図４に示す通りである。図４から分かるように、超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、５ｎｓであった。
＜比較例２＞
比較例２では、実施例１の量子ドット間の積層方向の距離を５ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
比較例２では、実施例１の量子ドット間の積層方向の距離を５ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
比較例２により計算された超格子構造は、実施例１と同様、タイプＩＩ構造となる。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、１０ｎｓであった。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、１０ｎｓであった。
＜実施例２＞
実施例２では、実施例１の量子ドットの面内方向の直径サイズを２５ｎｍ、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。実施例２は、実施例１に加えて、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットサイズを想定している。
実施例２では、実施例１の量子ドットの面内方向の直径サイズを２５ｎｍ、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。実施例２は、実施例１に加えて、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットサイズを想定している。
実施例２における、超格子半導体層の超格子構造は、実施例１と同様、タイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、４９ｎｓであった。
＜実施例３＞
実施例３では、実施例１の量子ドットの面内方向の直径サイズを２０ｎｍ、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を５ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。実施例３は、実施例１および実施例２に加えて、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットサイズを想定している。
実施例３では、実施例１の量子ドットの面内方向の直径サイズを２０ｎｍ、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を５ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。実施例３は、実施例１および実施例２に加えて、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットサイズを想定している。
実施例３における、超格子半導体層の超格子構造は、実施例１と同様、タイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、４７ｎｓであった。
＜実施例４＞
実施例４では、実施例１の量子ドット間の積層方向の距離を２ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例４では、実施例１の量子ドット間の積層方向の距離を２ｎｍとした以外は実施例１と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例４における、超格子半導体層の超格子構造は、実施例１と同様、タイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、８３ｎｓであった。
＜実施例５＞
実施例５では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.85Ｓｂ0.15）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。
実施例５では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.85Ｓｂ0.15）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。
超格子半導体層では、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２０ｎｍ、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１ｎｍとした。
実施例５における、超格子半導体層の超格子構造は、比較例１と同様、タイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、３３ｎｓであった。
＜実施例６＞
実施例６では、実施例４の障壁層をガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ0.70Ｓｂ0.30）とした以外は実施例６と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例６では、実施例４の障壁層をガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓ0.70Ｓｂ0.30）とした以外は実施例６と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例６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は図５に示す通りである。図５から分かるように、超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、６２０ｎｓであった。
＜実施例７＞
実施例７では、実施例６の量子ドット間の積層方向の距離を４ｎｍとした以外は実施例６と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例７では、実施例６の量子ドット間の積層方向の距離を４ｎｍとした以外は実施例６と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例７における、超格子半導体層の超格子構造は、上記実施例６と同様、タイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、２２２ｎｓであった。
＜実施例８＞
実施例８では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.75Ｓｂ0.25）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。
実施例８では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.75Ｓｂ0.25）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。
超格子半導体層では、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２０ｎｍ、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４ｎｍとした。
図６には、実施例８により計算された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。図６から分かるように、超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造である。このため、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。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、２２ｎｓであった。
＜実施例９＞
実施例９では、実施例８の量子ドット間の積層方向の距離を３ｎｍとした以外は実施例８と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例９では、実施例８の量子ドット間の積層方向の距離を３ｎｍとした以外は実施例８と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例９における、超格子半導体層の超格子構造は、実施例８と同様、タイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、１４６ｎｓであった。
＜比較例３＞
比較例３では、実施例８の量子ドット間の積層方向の距離を６ｎｍとした以外は実施例８と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
比較例３では、実施例８の量子ドット間の積層方向の距離を６ｎｍとした以外は実施例８と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
比較例３により計算された超格子構造は、上記実施例８と同様、タイプＩＩ構造となる。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、１４ｎｓであった。
＜実施例１０＞
実施例１０では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.65Ｓｂ0.35）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。
実施例１０では、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。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（ＧａＡｓ0.65Ｓｂ0.35）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。
超格子半導体層では、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２０ｎｍ、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５ｎｍとした。
図７には、実施例１０により計算された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。図７から分かるように、超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造である。このため、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。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、２９０ｎｓであった。
＜実施例１１＞
実施例１１では、実施例９の量子ドット材料をＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓとした以外は実施例９と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例１１では、実施例９の量子ドット材料をＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓとした以外は実施例９と同様に超格子半導体層を作製し、超格子半導体層に対してバンド計算を行い、輻射寿命をシミュレーションした。
実施例１１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は図８に示す通りである。図８から分かるように、超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造である。
式１を用いて超格子半導体層における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の輻射寿命（超格子波数Ｋz＝０）を算出したところ、４１６ｎｓであった。
結果を表１にまとめて示す。
＜考察＞
実施例１では、超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が３であることから式Ａの右辺は０．１９であり、障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑは０．２０であることから、式Ａを満たす。量子ドット構造がタイプＩ構造であるとき、輻射寿命は一般的に１〜２ｎｓであることから、輻射寿命３１ｎｓが得られる実施例１ではキャリアの取り出し効率が向上する。一方で、比較例１は、実施例１の障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑが０．１５となるものであり、式Ａを満たさず、輻射寿命は５ｎｓと小さい。比較例２においても、実施例１の超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が５となるものであり、式Ａの右辺が０．２５であることから式Ａを満たさず、輻射寿命は１０ｎｓと小さい。
実施例１では、超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が３であることから式Ａの右辺は０．１９であり、障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑは０．２０であることから、式Ａを満たす。量子ドット構造がタイプＩ構造であるとき、輻射寿命は一般的に１〜２ｎｓであることから、輻射寿命３１ｎｓが得られる実施例１ではキャリアの取り出し効率が向上する。一方で、比較例１は、実施例１の障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑが０．１５となるものであり、式Ａを満たさず、輻射寿命は５ｎｓと小さい。比較例２においても、実施例１の超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が５となるものであり、式Ａの右辺が０．２５であることから式Ａを満たさず、輻射寿命は１０ｎｓと小さい。
実施例２および実施例３では、実施例１に加えて、一般的な作製方法により得られる現実的な量子ドットとして、量子ドットサイズを変更しているが、実施例１と同様、式Ａを満たしており、輻射寿命もそれぞれ４９ｎｓおよび４７ｎｓであることから、本発明の効果を発揮し、キャリアの取り出し効率が向上することがわかる。
実施例４では、実施例１の超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が２となるものであり、式Ａの右辺は０．１６であることから、式Ａは十分満たされる。輻射寿命は８３ｎｓと、キャリアの取り出し効率がさらに向上する。
実施例５では、超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が１であることから式Ａの右辺は０．１３であり、障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑは０．１５であることから、式Ａを満たす。輻射寿命３３ｎｓが得られる実施例５ではキャリアの取り出し効率が向上する。この実施例５において、超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が３となる場合、比較例１となり、式Ａを満たさず、輻射寿命は５ｎｓと小さい。
実施例６では、実施例４の障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑを０．３０と大きくしたものであり、式Ａは十分満たされる。さらにこの場合、式Ｂの右辺が０．２１であることから、式Ｂを十分満たす。輻射寿命は６２０ｎｓが得られ、キャリアの取り出し効率がさらに向上する。
実施例７では、実施例６の超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）を２倍の４にした場合であり、式Ａの右辺は０．２２であることから、式Ａは十分満たされる。さらにこの場合、式Ｂの右辺が０．２７であることから、式Ｂを満たす。輻射寿命は２２２ｎｓと、キャリアの取り出し効率がさらに向上する。
実施例８では、超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が４であることから式Ａの右辺は０．２２であり、障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比を示す値であるｑは０．２５であることから、式Ａを満たす。輻射寿命２２ｎｓが得られる実施例８ではキャリアの取り出し効率が向上する。
実施例９では、実施例８の超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）を３にした場合であり、式Ａの右辺は０．１９であることから、式Ａは十分満たされる。さらにこの場合、式Ｂの右辺が０．２４であることから、式Ｂを満たす。輻射寿命は１４６ｎｓと、キャリアの取り出し効率がさらに向上する。一方で、比較例３は、実施例９の超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が６となるものであり、式Ａの右辺が０．２８であることから式Ａを満たさず、輻射寿命は１４ｎｓと小さい。
実施例１０では、超格子構造の積層方向の量子ドット間距離であるｄ（ｎｍ）が５であることから式Ａの右辺は０．２５であり、障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比であるｑは０．３５であることから、式Ａを十分満たす。さらにこの場合、式Ｂの右辺が０．３０であることから、式Ｂを満たす。輻射寿命は２９０ｎｓが得られ、キャリアの取り出し効率がさらに向上する。
実施例１１では、実施例９と同じ超格子構造の積層方向の量子ドット間距離および障壁層のＳｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）比であることから、式Ａを満たす。量子ドット材料をＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓと変更した場合でも、本発明の効果は発揮され、キャリアの取り出し効率が向上する。本発明は、量子ドット材料ＩｎyＧａ1-yＡｓのｙが小さいほどより効果が発揮されることを示す。
図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ実施例９における、伝導帯第一超格子ミニバンドと価電子帯第一超格子ミニバンドの超格子波数Ｋz＝０における、量子ドット中心の積層方向の電荷密度分布（波動関数の二乗）を示す。横軸はｘ方向、縦軸はｚ方向を示し、白の点線は量子ドットと濡れ層の領域を示す。
図９（ｂ）では、価電子帯第一超格子ミニバンドの電荷密度分布が量子ドット中心同士を結んだ線から離れた障壁層領域に存在する。よって、図９（ｂ）に示される価電子帯第一超格子ミニバンドと、図９（ａ）に示される量子ドット領域に存在する伝導帯第一超格子ミニバンドとの重なりが極端に小さくなっている。したがって、輻射寿命が大幅に増大する。実施例１〜８および１０〜１１では、図９と類似の電荷密度分布を示す。
図１０（ａ）および（ｂ）は、それぞれ比較例３における、伝導帯第一超格子ミニバンドと価電子帯第一超格子ミニバンドの超格子波数Ｋz＝０における、量子ドット中心の積層方向の電荷密度分布（波動関数の二乗）を示す。横軸はｘ方向、縦軸はｚ方向を示し、白の点線は量子ドットと濡れ層の領域を示す。
図１０（ｂ）では、価電子帯第一超格子ミニバンドの電荷密度分布が量子ドット中心同士を結んだ線付近の障壁層領域に存在する。よって、図１０（ｂ）に示される荷電子帯第一超格子ミニバンドと、図１０（ａ）に示される量子ドット領域に存在する伝導帯第一超格子ミニバンドとの重なりが、図９（ａ）および図９（ｂ）との重なりに比べて大きく、図９（ａ）および図９（ｂ）と比べて輻射寿命は短い。比較例１および２においては、図１０と類似の電荷密度分布を示す。
受光素子（太陽電池など）においては、光吸収と再結合は競合関係にある。一般的にタイプＩ構造からタイプＩＩ構造とすることで再結合を減らすことができるが、光吸収は小さくなる。例えば、伝導帯超格子ミニバンドを介する二段階光励起を利用した太陽電池では、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの光吸収は、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光吸収に比べて十分大きい。よって、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの光吸収量が、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光吸収量に比べて下回らない範囲で、輻射寿命が長くなることが望ましい。
実施例１において、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの光吸収によって生成される電流量、および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光吸収によって生成される電流量を概算し、比較することができる。具体的には、下記（式２）を用いて光吸収係数を算出し、光吸収層である超格子半導体層の膜厚から光吸収率を概算できる。伝導帯および価電子帯の状態密度から、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドの光吸収範囲、および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の光吸収範囲を設定できる。プランクの輻射式（太陽の表面温度を５８００Ｋとする）より、太陽光のエネルギー流密度を算出し、光吸収率と太陽光のエネルギー流密度の積から、各光吸収範囲の電流量を概算できる。
光吸収係数αは下記（式２）を解くことで、見積ることができる。
実施例１の超格子半導体層の膜厚を４μｍ、占有率を０．５と仮定し、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドの光吸収範囲を０．５０ｅＶ〜０．８９ｅＶ、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の光吸収範囲を０．００ｅＶ〜０．５０ｅＶと定義し、光吸収の偏光の割合を１００偏光：０１０偏光：００１偏光＝１：１：１と仮定したところ、（価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドの電流量）／（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の電流量）の値は約５となり、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの光吸収が十分大きいことがわかる。よって、実施例１の太陽電池では、価電子帯から伝導帯超格子ミニバンドへの光吸収量を十分保ったまま、輻射寿命を大幅に大きくすることができ、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。
実施例６の６２０ｎｓの輻射寿命を有する超格子半導体層に関しても、同様に電流量を概算し、比較を行った。実施例６の超格子半導体層の膜厚を４μｍ、占有率を０．５と仮定し、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドの光吸収範囲を０．５０ｅＶ〜０．７６ｅＶ、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の光吸収範囲を０．００ｅＶ〜０．５０ｅＶと定義し、光吸収の偏光の割合を１００偏光：０１０偏光：００１偏光＝１：１：１と仮定したところ、（価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドの電流量）／（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の電流量）の値は約３となり、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの光吸収が十分大きいことがわかる。よって、実施例６の大幅に長い輻射寿命が得られる太陽電池においても、価電子帯から伝導帯超格子ミニバンドへの光吸収量を十分保ったまま、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。
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。
１ ｐ型半導体層、３ バッファ層、４ ｎ型半導体層、６ 量子ドット層、７ 量子ドット、８ 障壁層、１０ 超格子半導体層、１２ ｎ型基板、１４ 窓層、１５ コンタクト層、１７ ｎ型電極、１８ ｐ型電極、２０ 太陽電池。
Claims (4)
- 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する超格子半導体層を備え、
前記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、
前記障壁層は、Ｇａ、ＡｓおよびＳｂを含み、又は、Ｇａ、Ａｌ、ＡｓおよびＳｂを含み、
前記量子ドット層はＩｎおよびＡｓを含み、
前記障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと前記超格子半導体層の積層方向における前記量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とが、ｑ≧（３ｄ＋１０）／１００の関係を示す、受光素子。 - 前記障壁層の組成比Ｓｂ／（Ｓｂ＋Ａｓ）で表わされる値ｑと前記超格子半導体層の積層方向における前記量子ドット間の距離ｄ（ｎｍ）とが、ｑ≧（３ｄ＋１５）／１００の関係を示す、請求項１に記載の受光素子。
- さらにｐ型半導体層とｎ型半導体層とを備え、
前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた前記超格子構造とを備えた請求項１または２に記載の受光素子。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子を備えた太陽電池。
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