JP7075605B2 - 光電変換素子 - Google Patents
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Description
本開示は、光電変換素子に関する。
光起電力効果により光を電力に変換する光電変換素子を備える発電装置、すなわち熱光起電力発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
ところで、光電変換素子の感度領域（例えばＧａＳｂの場合、波長域０．８～１．８μｍ）は限られているのに対し、鉄鋼材料などの高温材料の輻射光は比較的広い波長域を有している。感度領域よりも波長の長い輻射光は、光電変換素子を発熱させて温度上昇させるものの発電には寄与せず、逆に光電変換素子を温度上昇させて発電効率を低下させてしまう。
そこで、感度領域よりも波長が長い波長域の光による温度上昇を抑制するために、特定波長の光を吸収する透過性板を光電変換素子の前面に配置することが考えられる。しかしながら、適切な領域に光吸収波長域を有する透過性板は高い耐熱性を有していないことが多く、輻射熱により軟化して変形したり、変質して透過性が劣化したりするおそれがある。さらに一般的な透過性板は、半球状に入射するすべての光に対して、適切な波長選択が有効ではない場合がある。
本開示は、光電変換素子自体の構造で光を選択的に反射することができる光電変換素子を提供することを目的とする。
＜１＞
光起電力効果により光を電力に変換する半導体を用いた光電変換素子であって、
前記半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に形成された金属層である表側金属層と、前記半導体層の裏面に形成された金属層である裏側金属層と、を備え、
前記表側金属層、前記半導体層および前記裏側金属層によってＭＳＭ構造の共振器が形成されている、
光電変換素子。
光起電力効果により光を電力に変換する半導体を用いた光電変換素子であって、
前記半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に形成された金属層である表側金属層と、前記半導体層の裏面に形成された金属層である裏側金属層と、を備え、
前記表側金属層、前記半導体層および前記裏側金属層によってＭＳＭ構造の共振器が形成されている、
光電変換素子。
この態様のように、光を電力に変換する半導体からなる半導体層を含んだＭＳＭ（金属－半導体－金属）構造の共振器を形成することで、特定の吸収領域（共振器の構造により決まる領域）の光を選択的に電力に変換すると共にそれ以外の光を反射する光電変換素子とすることができる。
なお、「共振器が形成されている」ことは、分光光度計で分光反射率を計測し、特定の領域でのみ光を吸収していることを確認することで証明できる。
なお、「共振器が形成されている」ことは、分光光度計で分光反射率を計測し、特定の領域でのみ光を吸収していることを確認することで証明できる。
特に、光の吸収領域を半導体の感度領域（分光感度の高い領域）にあわせることで、不要な光を反射させて光電変換素子の不要な温度上昇を抑制できる。また、光電変換素子自体の構造によって不要な光を反射するので、波長選択透過板など他の波長選択手段を用いなくてもよい。（なお、勿論用いてもよい。）
＜１の２＞
前記裏側金属層は、金属製の支持体である、
＜１＞に記載の光電変換素子。
前記裏側金属層は、金属製の支持体である、
＜１＞に記載の光電変換素子。
金属製の支持体とは、例えば、Ｍｏ，Ｃｕ，ＳＵＳの板材である。
この態様によれば、「裏側金属層」としての金属製の支持体の上に半導体層を形成すればよいため、支持体（例えばＡｌ２Ｏ３の基板）の上にスパッタリング等により裏側金属層が形成されている態様と比較して、製造工程が簡易である。
なお、支持体としての板材は、好ましくは板厚が５０μｍ以上の板材、更に好ましくは板厚が１００μｍ以上の板材である。
この態様によれば、「裏側金属層」としての金属製の支持体の上に半導体層を形成すればよいため、支持体（例えばＡｌ２Ｏ３の基板）の上にスパッタリング等により裏側金属層が形成されている態様と比較して、製造工程が簡易である。
なお、支持体としての板材は、好ましくは板厚が５０μｍ以上の板材、更に好ましくは板厚が１００μｍ以上の板材である。
＜２＞
前記表側金属層は、部分的なパターンであり、
前記裏側金属層は、ベタパターンである、
＜１＞または＜１の２＞に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、部分的なパターンであり、
前記裏側金属層は、ベタパターンである、
＜１＞または＜１の２＞に記載の光電変換素子。
＜３＞
前記表側金属層は、部分的かつ連続的なパターンである、
＜１＞～＜２＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、部分的かつ連続的なパターンである、
＜１＞～＜２＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
この態様では、表側金属層が部分的であるものの連続的なパターンであるため、表側金属層を光電変換素子の電極として利用できる。すなわち、本開示における「連続的なパターン」とは、表側金属層を光電変換素子の電極として利用できる程度に、表側金属層が連続性を有しているパターンをいう。
＜４＞
前記表側金属層は、メッシュ状のパターンである、
＜３＞に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、メッシュ状のパターンである、
＜３＞に記載の光電変換素子。
＜４の２＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
＜４＞に記載の光電変換素子。
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
＜４＞に記載の光電変換素子。
半導体であるガリウムアンチモンからなる半導体層の厚みが５０ｎｍよりも薄いと、共振による発電向上効果が低く、また、空乏層厚さも不足するため、発電量が低くなる。一方、半導体層の厚みが１０００ｎｍよりも厚い場合の問題は、第一共振波長が長波長側にシフトするため、発電に寄与する波長領域から外れてしまい発電効率が下がること、および均一な結晶を構成する素子を安定して製造することが難しくなることである。
結晶を安定に製造でき、高い波長選択効果を得る観点から、半導体層の厚みは、より好ましくは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、更に好ましくは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
結晶を安定に製造でき、高い波長選択効果を得る観点から、半導体層の厚みは、より好ましくは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、更に好ましくは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
＜４の３＞
前記表側金属層の厚みは、８０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
＜４＞または＜４の２＞に記載の光電変換素子。
前記表側金属層の厚みは、８０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
＜４＞または＜４の２＞に記載の光電変換素子。
表側金属層の厚みが８０ｎｍ未満であると、発電に寄与しない波長域の輻射光が表側金属層を透過し、光電変換素子の温度が過度に上昇してしまう。表側金属層の厚みが１０００ｎｍよりも厚いと、表側金属層を堆積により形成する時間が長くなったり、この金属層にて輻射光が吸収されて、波長選択性が低下して発電効率が低くなったりする。
表側金属層の厚みは、より好ましくは１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、更に好ましくは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
表側金属層の厚みは、より好ましくは１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、更に好ましくは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
＜４の４＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記表側金属層の開口率は、３０％以上９７％以下である、
＜４＞～＜４の３＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記表側金属層の開口率は、３０％以上９７％以下である、
＜４＞～＜４の３＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
開口率が３０％未満であると、共振領域が小さく発電量が確保できない。９７％超であると、輻射によって発生したキャリアを電流として充分に取り出せない。なお、表側金属層の開口率は、より好ましくは５０％以上９０％以下である。
なお、表側金属層の開口率とは、半導体層の表面のうち、金属で覆われていない部分の面積の割合をいう。
なお、表側金属層の開口率とは、半導体層の表面のうち、金属で覆われていない部分の面積の割合をいう。
＜４の５＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の開口率は、３０％以上９７％以下である、
＜４＞に記載の光電変換素子。
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の開口率は、３０％以上９７％以下である、
＜４＞に記載の光電変換素子。
＜４の６＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の厚みは、８０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の開口率は、３０％以上９７％以下である、
＜４＞に記載の光電変換素子。
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の厚みは、８０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の開口率は、３０％以上９７％以下である、
＜４＞に記載の光電変換素子。
＜４の７＞
前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、矩形である、
＜４＞～＜４の４＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、矩形である、
＜４＞～＜４の４＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
なお、開口部が矩形の場合、開口部の一辺の長さは、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることが好ましい。開口部の一辺の長さが３００ｎｍ未満であると、ＧａＳｂの感度領域である０．８μｍ以上の光を反射してしまい、発電効率が低下する。また、開口部の一辺の長さが９００ｎｍ以上であると、ＧａＳｂの発電に寄与しない１．８μｍ以上の光も吸収し、光電変換素子の温度が過度に上昇してしまう。
＜４の８＞
前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、円形である、
＜４＞～＜４の４＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、円形である、
＜４＞～＜４の４＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
この態様では、メッシュ状開口部の幅に方向性（ＸＹ平面上での方向性）がなくなり、導波管の原理による長波長の遮蔽効果のコントロールが容易になる。
なお、ここでいう「円形」は、完全な円形に限定されず、メッシュ状開口部の幅の最小値に対する最大値の比率が１．１以下であるものを含む。例えば、短軸の長さに対する長軸の長さが１．１以下である楕円形は、ここでいう「円形」に含まれる。但し、メッシュ状開口部の幅の最小値に対する最大値の比率は、１．０５以下であることが好ましい。
なお、ここでいう「円形」は、完全な円形に限定されず、メッシュ状開口部の幅の最小値に対する最大値の比率が１．１以下であるものを含む。例えば、短軸の長さに対する長軸の長さが１．１以下である楕円形は、ここでいう「円形」に含まれる。但し、メッシュ状開口部の幅の最小値に対する最大値の比率は、１．０５以下であることが好ましい。
＜５＞
前記表側金属層は、アイランド状のパターンである、
＜１＞または＜２＞に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、アイランド状のパターンである、
＜１＞または＜２＞に記載の光電変換素子。
＜６＞
前記表側金属層は、矩形アイランド状のパターンである、
＜５＞に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、矩形アイランド状のパターンである、
＜５＞に記載の光電変換素子。
＜７＞
前記表側金属層は、Ａｕ層、Ａｇ層、Ａｕ合金層またはＡｇ合金層である、
＜１＞～＜６＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、Ａｕ層、Ａｇ層、Ａｕ合金層またはＡｇ合金層である、
＜１＞～＜６＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
この態様では、表側金属層がＡｕ層またはＡｕ合金層であれば、特定領域以外の波長域での反射率が高く、かつ表側金属層が経年劣化しにくい。または、表側金属層がＡｇ層またはＡｇ合金層であれば、特定領域以外の波長域での反射率を高めつつ、電気伝導性が高いから、発電損失を低減することができ、材料費用も比較的安価である。
＜８＞
前記表側金属層は、各ブロック内で同一パターンが繰り返された矩形ブロックが縦横に複数配列された複合パターンである、
＜１＞～＜７＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記表側金属層は、各ブロック内で同一パターンが繰り返された矩形ブロックが縦横に複数配列された複合パターンである、
＜１＞～＜７＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
この態様では、幅広い波長域の光を吸収して発電に利用することができ、また、幅広い共振周波数を狙った設計が容易である。
＜９＞
前記半導体の感度領域における反射率の平均が３０％以下である、
＜１＞～＜８＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記半導体の感度領域における反射率の平均が３０％以下である、
＜１＞～＜８＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
この態様では、感度領域における反射率が低い（つまり感度領域における吸収率が高い）ので、感度領域の光を効率的に発電に利用することができる。
＜１０＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
波長０．８～１．８μｍにおける反射率の平均が３０％以下である、
＜１＞～＜８＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
＜１０＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
波長０．８～１．８μｍにおける反射率の平均が３０％以下である、
＜１＞～＜８＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
＜１１＞
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
波長０．８～１．８μｍにおける反射率の平均が３０％以下であり、
波長１．８～５．０μｍにおける反射率の平均が９０％以上である、
＜１＞～＜８＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
波長０．８～１．８μｍにおける反射率の平均が３０％以下であり、
波長１．８～５．０μｍにおける反射率の平均が９０％以上である、
＜１＞～＜８＞の何れか一項に記載の光電変換素子。
本開示によれば、光電変換素子自体の構造で光を選択的に反射することができる光電変換素子を得ることができる。
〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態について説明する。
以下、本開示の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の光電変換素子１０を模式的に示す図である。図１に示すように、光電変換素子１０は、半導体層３０の表裏が金属層２０，４０（表側金属層２０および裏側金属層４０）により挟まれたＭＳＭ（金属－半導体－金属）構造を備える。
換言すると、光電変換素子１０は、半導体からなる半導体層３０と、半導体層３０の表面（図の上側面）に形成された金属層である表側金属層２０と、半導体層３０の裏面（図の下側面）に形成された金属層である裏側金属層４０と、を備える。
換言すると、光電変換素子１０は、半導体からなる半導体層３０と、半導体層３０の表面（図の上側面）に形成された金属層である表側金属層２０と、半導体層３０の裏面（図の下側面）に形成された金属層である裏側金属層４０と、を備える。
半導体層３０を構成する半導体は、ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）である。半導体層３０は、半導体のｐ－ｎ接合が形成されており、光起電力効果により光を電力に変換する機能を有する。ＧａＳｂは、バンドギャップが０．６７ｅＶであり、感度領域は０．８～１．８μｍの領域となる。
金属層２０，４０を構成する金属は、例えばＡｕ（金）またはＡｕ合金である。ＡｕまたはＡｕ合金は、反射率が高く、波長選択性が高い。また、Ａｇ層またはＡｇ合金層であれば、特定領域以外の波長域での反射率を高めつつ、電気伝導性が高いから、発電損失を低減することができ、材料費用も比較的安価である。表側金属層２０を構成する金属は、例えば、モリブデンであってもよいし、その他の金属であってもよい。
金属層２０，４０のうち裏側金属層４０は、半導体層３０の裏面の全面（全体）に形成されたパターン（本開示では、このようなパターンをベタパターンという。）となっている。
一方、表側金属層２０は、ベタパターンではなく部分的なパターンとなっており、半導体層３０の表面側には金属で覆われている部分と覆われていない部分とが存在する。金属で覆われている部分をアイランド（後述の金属要素２２）と称する。具体的には、表側金属層２０は、矩形状の金属要素２２が縦横（図のＸＹ方向）に規則的に配列された矩形アイランド状のパターンとなっている。矩形アイランド状のパターンの規則的な配列により、半導体の限られた領域における発電効率を高めることができ、また、後述する共振周波数を狙った設計が容易である。
更に具体的には、表側金属層２０は、半導体層３０に垂直な方向から見て矩形状の金属要素２２が縦横に複数配列された構造となっている。隣り合う矩形の金属要素２２同士は、その辺同士を互いに平行に対向させている。金属要素２２の縦横の辺が延びる方向と、複数の金属要素２２が整列された方向とが同じ方向（共に図のＸ方向およびＹ方向）になっている。これにより、半導体層３０の表面のうち金属で覆われていない部分が碁盤の目状に縦横に延びている。
これら表側金属層２０、半導体層３０および裏側金属層４０によってＭＳＭ構造の共振器が形成されており、光電変換素子１０は、そのＭＳＭ構造に応じた共振周波数を有する。したがって、ＭＳＭ構造を適切に設計することで、共振器の共振周波数を狙いの共振周波数に合わせることもできる。
〔第２実施形態〕
第１実施形態では、表側金属層２０が矩形アイランド状のパターンとされた例を説明したが、本開示はこれに限定されず、以下で説明する第２実施形態の光電変換素子１１０としてもよい。
第１実施形態では、表側金属層２０が矩形アイランド状のパターンとされた例を説明したが、本開示はこれに限定されず、以下で説明する第２実施形態の光電変換素子１１０としてもよい。
図２に示すように、第２実施形態の光電変換素子１１０の表側金属層１２０は、メッシュ状のパターンとされている。具体的には、半導体層３０の表面に縦横に延びる金属膜が碁盤の目状に形成されている。このため、表側金属層１２０は、第１実施形態の表側金属層２０の金属要素２２と異なり、連続的なパターンとなっている。表側金属層１２０をメッシュ状のパターンにする場合でも、部分的には下記式に示したように、ＧａＳｂ厚膜と入射光の波長との干渉により狙いの共振周波数を得ることができる。
第２実施形態では、表側金属層１２０がメッシュ状のパターンであり、部分的かつ連続的なパターンとなっている。このため、表側金属層１２０を光電変換素子１１０の電極として利用することができる。これによりアイランド状よりも、光電変換素子で得られた発電を外部に効率よく取り出すことができる。
また、メッシュ状では、表側金属層が抜けている開口部を構成しており、この開口部により電磁波を閉じ込める導波管の作用が加わることがメッシュ状の特長である。これによりメッシュ状パターンでは、アイランド状よりも反射すべき長波長領域での光の吸収を抑えることができ、光電変換素子の発電効率を高めることができる。
また、メッシュ状では、表側金属層が抜けている開口部を構成しており、この開口部により電磁波を閉じ込める導波管の作用が加わることがメッシュ状の特長である。これによりメッシュ状パターンでは、アイランド状よりも反射すべき長波長領域での光の吸収を抑えることができ、光電変換素子の発電効率を高めることができる。
（共振周波数の設定）
例えば、表側金属層が図２のようにメッシュ状の場合、以下の公知の式（１）～（５）で狙いの共振周波数を有する構造を算出することができる。式（１）～（５）は、図２に示す構造を回路と見立てた場合、Ｙ方向に平行な断面内にできる回路について立式されている。Ｘ方向に平行な断面内にできる回路についても、ｗとｌとを入れ替え、Ｘ方向の周期（金属膜の配置周期）を用いることで同様に立式できる。
表側金属層１２０内での電子の運動はＸＹ方向それぞれ独立に議論したものの重ね合わせであるという前提のもとに式（１）～（５）は立式されている。
例えば、表側金属層が図２のようにメッシュ状の場合、以下の公知の式（１）～（５）で狙いの共振周波数を有する構造を算出することができる。式（１）～（５）は、図２に示す構造を回路と見立てた場合、Ｙ方向に平行な断面内にできる回路について立式されている。Ｘ方向に平行な断面内にできる回路についても、ｗとｌとを入れ替え、Ｘ方向の周期（金属膜の配置周期）を用いることで同様に立式できる。
表側金属層１２０内での電子の運動はＸＹ方向それぞれ独立に議論したものの重ね合わせであるという前提のもとに式（１）～（５）は立式されている。
・・・式（１）
・・・式（２）
・・・式（３）
・・・式（４）
・・・式（５）
なお、
h 金属膜の厚さ, m
d 誘電体（半導体）膜厚さ, m
w 開口部の横幅, m
Λ 金属膜の配置周期, m
l 開口部の奥行き, m
μ0真空の透磁率, H/m
ε0真空の誘電率, F/m
ε’Au金の比誘電率（実部）, -
ε'’Au金の比誘電率（虚部）, -
εGaSb誘電体（ガリウムアンチモン）の比誘電率, -
ｃ’ 補正係数, -
δ 電磁波侵入深さ, m
c0光速度, 3.0 × 108m/s
λ 波長, m
κ 減衰係数, 1/m
ω 角周波数, rad/s
Cm金属膜と金属基板の間の静電容量, F
Cg金属膜間の静電容量, F
Lm金属の相互インダクタンス, H
Lk金属の自己インダクタンス, H
Ztotal系全体のインピーダンス, Ω
である。
h 金属膜の厚さ, m
d 誘電体（半導体）膜厚さ, m
w 開口部の横幅, m
Λ 金属膜の配置周期, m
l 開口部の奥行き, m
μ0真空の透磁率, H/m
ε0真空の誘電率, F/m
ε’Au金の比誘電率（実部）, -
ε'’Au金の比誘電率（虚部）, -
εGaSb誘電体（ガリウムアンチモン）の比誘電率, -
ｃ’ 補正係数, -
δ 電磁波侵入深さ, m
c0光速度, 3.0 × 108m/s
λ 波長, m
κ 減衰係数, 1/m
ω 角周波数, rad/s
Cm金属膜と金属基板の間の静電容量, F
Cg金属膜間の静電容量, F
Lm金属の相互インダクタンス, H
Lk金属の自己インダクタンス, H
Ztotal系全体のインピーダンス, Ω
である。
つまり、図２で示されるメッシュ状開口部の横辺長さ（横幅）ｗ、縦辺長さ（奥行き）ｌ、高さ（膜厚さ）ｈ、金属膜の配置周期Λなどを、上記式で得られる適切な値に設定することで狙いの共振周波数の共振器を形成することができる。
（実数解が存在することの説明）
例えばメッシュ状のパターンの場合に、ｄ＝３００ｎｍ、ｌ＝ｗ＝２００ｎｍ、ｈ＝１００ｎｍ、Λ＝５００ｎｍとしたとき、１．８μｍ付近が共振波長として算出される。このことから、半導体層３０を金属層２０，４０により挟みこんだＭＳＭ構造において、共振器を形成することができることが判る。
例えばメッシュ状のパターンの場合に、ｄ＝３００ｎｍ、ｌ＝ｗ＝２００ｎｍ、ｈ＝１００ｎｍ、Λ＝５００ｎｍとしたとき、１．８μｍ付近が共振波長として算出される。このことから、半導体層３０を金属層２０，４０により挟みこんだＭＳＭ構造において、共振器を形成することができることが判る。
実際に光電変換素子を作製した場合、光電変換素子は、図３に示すように、波長λＡ（狙いの共振周波数に対応する波長）を中心とした幅のある範囲で光を吸収する。
なお、光電変換素子の反射率は、分光光度計を用いて測定することができる。
なお、光電変換素子の反射率は、分光光度計を用いて測定することができる。
（複合パターン）
ところで、図３の特性の光電変換素子は、約１．３～１．８μｍの領域の光を吸収し発電に利用できているが、０．８～１．３μｍの領域の光の殆どを反射している。０．８～１．３μｍの領域はＧａＳｂの感度領域であるため、感度領域の光を反射していることとなり、この点において更なる発電の効率化を図る余地がある。そこで次に、更なる発電の効率化のための構造について、図４を用いて説明する。
ところで、図３の特性の光電変換素子は、約１．３～１．８μｍの領域の光を吸収し発電に利用できているが、０．８～１．３μｍの領域の光の殆どを反射している。０．８～１．３μｍの領域はＧａＳｂの感度領域であるため、感度領域の光を反射していることとなり、この点において更なる発電の効率化を図る余地がある。そこで次に、更なる発電の効率化のための構造について、図４を用いて説明する。
図４に示す表側金属層１２０は、各ブロック内で同一パターンが繰り返された矩形のブロックが縦横に複数配列された複合パターンとなっている。
つまり、同一パターンが繰り返されている範囲を１ブロックとして捉えた場合に、図４に示す表側金属層１２０は、複数のブロックが縦横に配列された複合パターンとなっている。
つまり、同一パターンが繰り返されている範囲を１ブロックとして捉えた場合に、図４に示す表側金属層１２０は、複数のブロックが縦横に配列された複合パターンとなっている。
図４には、縦横に配列された複数のブロックのうち、９つのブロック１，２，３，４，５，６，７，８，９が示されている。つまり、図４に示される範囲外でも同様の規則的パターンが続いている。各ブロックの大きさは互いに同じである。
ブロック１，３，５，７，９内では、メッシュ状の開口部２４Ａが９つ縦横に配列されている（Ａパターン）。一方、ブロック２，４，６，８内では、メッシュ状の開口部２４Ｂが１６つ縦横に配列されている（Ｂパターン）。これにより、表側金属層１２０は、ＡパターンのブロックとＢパターンのブロックとが複合的に配列された複合パターンとなっている。
Ａパターンのブロックはその構造によって決まる共振周波数を有し、Ｂパターンのブロックはその構造によって決まる共振周波数を有する。このように製作された光電変換素子の反射率を図５に示す。
図５に示すように、Ａパターンの共振周波数に対応する波長λＡと、Ｂパターンの共振周波数に対応する波長λＢとにピークを持つ反射率のグラフとなる。このように、図４に示す複合パターンの表側金属層１２０を備える光電変換素子では、図３と比較して幅広い吸収領域を有する。
ＭＳＭ構造の共振器による吸収領域が半導体の感度領域と重なるように、光電変換素子のＭＳＭ構造を設計することで、発電効率の良い光電変換素子とすることができる。
特に、図５では、感度領域である波長０．８～１．８μｍにおける反射率の平均が３０％以下である。感度領域での反射率が低いため、感度領域の光を効率的に吸収し、発電に利用することができる。
他方、感度領域よりも長波長の領域である波長１．８～５．０μｍにおける反射率の平均が９０％以上である。感度領域よりも長波長の領域での反射率が高いため、半導体の不要な温度上昇を抑制することができる。
（ＭＳＭ構造の製造方法の一例）
光電変換素子１０、１１０のＭＳＭ構造の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の（１）～（３）の手順で製造することができる。
（１）基板（図示省略）の上にスパッタリングにより裏側金属層４０を形成する。
（２）裏側金属層４０の上にエピタキシャル成長等の薄膜成長法でｐ－ｎ接合を有する半導体層３０を形成する。
（３）半導体層３０の上に、スパッタリングにより表側金属層２０、１２０を矩形アイランド状やメッシュ状のパターンで形成する。
光電変換素子１０、１１０のＭＳＭ構造の製造方法は特に限定されないが、例えば以下の（１）～（３）の手順で製造することができる。
（１）基板（図示省略）の上にスパッタリングにより裏側金属層４０を形成する。
（２）裏側金属層４０の上にエピタキシャル成長等の薄膜成長法でｐ－ｎ接合を有する半導体層３０を形成する。
（３）半導体層３０の上に、スパッタリングにより表側金属層２０、１２０を矩形アイランド状やメッシュ状のパターンで形成する。
他の製造方法としては、金属製の支持体であるＭｏ，Ｃｕ，ＳＵＳの板材の上に半導体層３０を形成し、半導体層３０の上に表側金属層２０、１２０を形成しても良い。この場合、金属製の支持体が裏側金属層４０として機能する。
本発明者は、表側金属層がメッシュ状のパターンである場合（第２実施形態）における具体的な構造を検討するために実験を行った。
素子の作製は、２０×１５ｍｍ角、厚さ１ｍｍのＡｌ２Ｏ３基板に裏側金属層としてＡｕのスパッタリングを行い、次いでＧａＳｂのｐｎ接合を分子線エピタキシャル成長で作製し、表側金属層としてＡｕのスパッタリングを行い、メッシュ状のパターンの表側金属層を有する光電変換素子（図２参照）を作製した。表側金属層の厚み（ｈ）、表側金属層の幅（Ｈ）、メッシュ開口径（ｌ＝ｗ）、ＧａＳｂの厚み（ｄ）は、それぞれ実施例および比較例について表１の条件とした。比較例としては、２０×１５ｍｍ角、厚さ１ｍｍのＡｌ２Ｏ３基板にＧａＳｂのｐｎ接合を１００ｎｍ成膜した光電変換素子を作製した。
発電出力の評価は、１２００℃程度に加熱した２００ｍｍ角、厚み１０ｍｍの高温熱源に各素子を１００ｍｍのギャップで正対させ、各素子の発電量（単位面積当たりの出力（Ｗ／ｍ２））を測定することにより行った。各素子は、水冷銅板に貼り付けて用いた。高温熱源としては、ＳｉＣ板を用いた。具体的には、加熱ヒータの上にＳｉＣ板を設置し、ＳｉＣ板の温度を１２００℃程度に加熱して行った。
実施例１を基準に、発電出力が１０％以上低下した実施例を評価Ｃ、±１０％以内であるものを評価Ｂ、１０％以上向上した実施例を評価Ａとした。発電出力が著しく悪化した場合を評価Ｄとした。
また、光電変換素子の長時間発電出力を評価するため、比較例１以外については、水冷銅板による冷却を止めて１時間および５時間経過後の発電出力を経過時間が０の結果との変化率で比較した。発電出力の低下が５％以内である場合を評価Ａ、５～１０％である場合を評価Ｂ、１０％以上である場合を評価Ｃとした。
さらに、熱流束センサーを水冷銅板と裏側金属層（裏側電極）との間に貼り付け、熱流束を測定し、実施例１の熱流束よりも小さい実施例を評価Ｂ、大きい実施例を評価Ｃとした。
また、光電変換素子の長時間発電出力を評価するため、比較例１以外については、水冷銅板による冷却を止めて１時間および５時間経過後の発電出力を経過時間が０の結果との変化率で比較した。発電出力の低下が５％以内である場合を評価Ａ、５～１０％である場合を評価Ｂ、１０％以上である場合を評価Ｃとした。
さらに、熱流束センサーを水冷銅板と裏側金属層（裏側電極）との間に貼り付け、熱流束を測定し、実施例１の熱流束よりも小さい実施例を評価Ｂ、大きい実施例を評価Ｃとした。
実施例１では十分高い発電出力が得られたのに対し、比較例１では発電が著しく低かった（評価Ｄ）。これは、実施例１がＭＳＭ構造であり不要な輻射光を反射するのに対し、比較例１が不要な輻射光を吸収して素子の温度が過剰に上昇したことが大きな原因と考えられる。
実施例１～６では、ＧａＳｂの厚みについて評価した。
ＧａＳｂの厚みが１０ｎｍの実施例２では、発電出力が実施例１よりも低下した（評価Ｃ）。ＧａＳｂの厚みが１０００ｎｍよりも厚い実施例６では、発電出力は実施例１と大きく変わらなかったが、厚膜の成膜が不安定になる問題が生じた（備考欄）。ＧａＳｂの厚みが５０ｎｍの実施例３は１０ｎｍの実施例２に比べ発電出力が向上し、３００ｎｍの実施例４では、発電出力が最も良かった。
ＧａＳｂの厚みが１０ｎｍの実施例２では、発電出力が実施例１よりも低下した（評価Ｃ）。ＧａＳｂの厚みが１０００ｎｍよりも厚い実施例６では、発電出力は実施例１と大きく変わらなかったが、厚膜の成膜が不安定になる問題が生じた（備考欄）。ＧａＳｂの厚みが５０ｎｍの実施例３は１０ｎｍの実施例２に比べ発電出力が向上し、３００ｎｍの実施例４では、発電出力が最も良かった。
実施例１、７～１３では、メッシュ開口径（具体的には、正方形のメッシュ開口部の一辺の長さ）について評価した。
メッシュ開口径が５０ｎｍ、１８０ｎｍの実施例７，８では、発電出力が実施例１よりも１０％以上低下した（評価Ｃ）。メッシュ開口径が３００ｎｍ、６００ｎｍ、９００ｎｍの実施例９、１０，１１では、良好な発電出力が得られた（評価Ａ）。メッシュ開口径が１５００ｎｍの実施例１３では、発電出力が１０％以上低下した（評価Ｃ）。
メッシュ開口径が５０ｎｍ、１８０ｎｍの実施例７，８では、発電出力が実施例１よりも１０％以上低下した（評価Ｃ）。メッシュ開口径が３００ｎｍ、６００ｎｍ、９００ｎｍの実施例９、１０，１１では、良好な発電出力が得られた（評価Ａ）。メッシュ開口径が１５００ｎｍの実施例１３では、発電出力が１０％以上低下した（評価Ｃ）。
実施例１、１４～２０では、表側金属層の厚みについて評価した。
表側金属層の厚みが７０ｎｍの実施例１４では、発電出力が低下した（評価Ｃ）。表側金属層の厚みが１１００ｎｍの実施例２０では、発電出力は実施例１と同等であったが（評価Ｂ）、厚膜の成膜が困難であった（備考欄）。表側金属層の厚みが２００ｎｍ、６００ｎｍの実施例１７、１８では、発電出力が高く（評価Ａ）、かつ１時間後および５時間後の発電出力も高い値を維持した（共に評価Ａ）。
表側金属層の厚みが７０ｎｍの実施例１４では、発電出力が低下した（評価Ｃ）。表側金属層の厚みが１１００ｎｍの実施例２０では、発電出力は実施例１と同等であったが（評価Ｂ）、厚膜の成膜が困難であった（備考欄）。表側金属層の厚みが２００ｎｍ、６００ｎｍの実施例１７、１８では、発電出力が高く（評価Ａ）、かつ１時間後および５時間後の発電出力も高い値を維持した（共に評価Ａ）。
実施例２１では、メッシュ開口部を正方形ではなく、円形とした。
メッシュ開口部の面積が実施例１と同等となるように、実施例２１では直径２２６ｎｍの円形の開口部とした。実施例２１では、発電出力が実施例１と同等であった（評価Ｂ）。メッシュ開口部が円形であっても、正方形の場合と同様の効果が得られることが確認できた。
さらに、実施例２２では、メッシュ開口部が正方形ではなく、短辺１００ｎｍ、長辺４００ｎｍの開口径を有する素子を作製し評価した。その結果、開口部が長方形であっても高い発電出力、長時間発電出力および熱流束を示すことが分かった。
メッシュ開口部の面積が実施例１と同等となるように、実施例２１では直径２２６ｎｍの円形の開口部とした。実施例２１では、発電出力が実施例１と同等であった（評価Ｂ）。メッシュ開口部が円形であっても、正方形の場合と同様の効果が得られることが確認できた。
さらに、実施例２２では、メッシュ開口部が正方形ではなく、短辺１００ｎｍ、長辺４００ｎｍの開口径を有する素子を作製し評価した。その結果、開口部が長方形であっても高い発電出力、長時間発電出力および熱流束を示すことが分かった。
実施例１、２４～２７では、素子作製の支持体の違いについて評価した。なお、実施例２３は欠番である。
評価したのは金属基板としてＳＵＳ、Ｍｏの２種類、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４の５種類とした。基板については備考欄に記載した。
実施例１、２４～２７は、基板の種類に依らず良好な発電出力を示した。特にＳＵＳ、Ｍｏの金属基板、Ｓｉ３Ｎ４のセラミックス基板は１時間後、５時間後の発電出力も高い値を維持し、良好な特性を示した。
評価したのは金属基板としてＳＵＳ、Ｍｏの２種類、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４の５種類とした。基板については備考欄に記載した。
実施例１、２４～２７は、基板の種類に依らず良好な発電出力を示した。特にＳＵＳ、Ｍｏの金属基板、Ｓｉ３Ｎ４のセラミックス基板は１時間後、５時間後の発電出力も高い値を維持し、良好な特性を示した。
実施例２８～３１では、表側金属層の幅について評価した。
表面電極層の幅が２０ｎｍの実施例２８では、圧膜の成膜が困難であった。
表面電極層の幅が２０ｎｍの実施例２８では、圧膜の成膜が困難であった。
次に、本発明者は、比較例２、実施例３３～５５において、開口部形状、開口径、開口率について検討した。素子の作製方法は表１の実施例と同様である。
発電出力の評価は、表１における評価と異なり、Ａｌ２Ｏ３基板にＧａＳｂのｐｎ接合を３００ｎｍ成膜し、表側金属層を３００ｎｍの厚みで幅１ｍｍのライン状に形成した素子（比較例２、なお、比較例２では、表側金属層が幅１ｍｍのライン状なので、当然に共振器は形成されない。）を基準とし、発電出力が高くなった場合は評価Ａ、２０％以下の低下率となった場合は評価Ｂ、２０％超４０％以下の場合は評価Ｃ、４０％超の場合は評価Ｄとした。波長選択性は出力／熱流束が４０％超の場合は評価Ａ、３０％超４０％以下は評価Ｂ、２０％超３０％以下は評価Ｃ、２０％以下の場合は評価Ｄとした。
波長選択性の評価は、発電出力／熱流束が４０％超の場合は評価Ａ、３０％超４０％以下の場合は評価Ｂ、２０％超３０％以下の場合は評価Ｃ、２０％以下の場合は評価Ｄとした。
結果を表２に示す。
波長選択性の評価は、発電出力／熱流束が４０％超の場合は評価Ａ、３０％超４０％以下の場合は評価Ｂ、２０％超３０％以下の場合は評価Ｃ、２０％以下の場合は評価Ｄとした。
結果を表２に示す。
表側金属層を幅１ｍｍのライン状に形成した比較例２では、波長選択性が非常に低かった。ＧａＳｂの厚みが５０ｎｍ未満の実施例３４では、出力と波長選択性が共に非常に低かった。開口径が３００ｎｍ未満の実施例３９では、発電出力が低かった。開口径が１０００ｎｍ超の実施例４３では、発電出力が非常に低く、波長選択性も低かった。表側金属層の厚みが８０ｎｍ未満の実施例４４では、発電出力が非常に低かった。開口部形状を長方形とした実施例５１，５２でも、高い発電出力と波長選択性が得られた。開口率が３０％未満の実施例５５では、発電出力が非常に低かった。
次に、本発明者は、実施例５６～６２において、半導体の種類、表側金属層の種類などが異なる場合について検討した。
素子の作製方法、評価方法は表１の実施例と同様である。半導体としてＩｎＧａＡｓ、表面電極層としてＡｇ,Ｍｏ,Ｗについて検討した。結果を表３に示す。
いずれの半導体、表面金属であっても高い発電出力を示し、本開示の効果が得られることが分かった。
〔補足説明〕
以上、種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本開示はそれらの実施の形態に限定されない。
以上、種々の典型的な実施形態を説明してきたが、本開示はそれらの実施の形態に限定されない。
また、表側金属層２０の構造は、矩形アイランド状やメッシュ状のパターンに限定されない。表側金属層２０の構造は、例えば、矩形以外（円形や多角形など）のアイランド状であってもよいし、その他不規則なパターンであってもよい。
また、上記第２実施形態では、メッシュ状のパターンとして、次のような構造を示した（図２参照）。
すなわち、表側金属層１２０が、半導体層３０に垂直な方向から見て矩形状の開口部が縦横に複数配列された構造となっている。隣り合う矩形の開口部同士は、その辺同士を互いに平行に対向させている。開口部の縦横の辺が延びる方向と、複数の開口部が整列された方向とが同じ方向（共に図のＸ方向およびＹ方向）になっている。これにより、半導体層３０の表面のうち金属で覆われている部分が碁盤の目状に縦横に延びている。
しかしながら、本開示の「メッシュ状のパターン」は、これに限定されない。例えば、開口部は、円形であってもよいし、三角形であってもよいし、他の形状であってもよい。また、開口部の配置は、縦横に複数配列された構造（換言すると、Ｘ方向で近接する開口部同士の位置がＹ方向で一致している配置関係の構造）でなくてもよい。
また、上記第２実施形態では、メッシュ状のパターンとして、次のような構造を示した（図２参照）。
すなわち、表側金属層１２０が、半導体層３０に垂直な方向から見て矩形状の開口部が縦横に複数配列された構造となっている。隣り合う矩形の開口部同士は、その辺同士を互いに平行に対向させている。開口部の縦横の辺が延びる方向と、複数の開口部が整列された方向とが同じ方向（共に図のＸ方向およびＹ方向）になっている。これにより、半導体層３０の表面のうち金属で覆われている部分が碁盤の目状に縦横に延びている。
しかしながら、本開示の「メッシュ状のパターン」は、これに限定されない。例えば、開口部は、円形であってもよいし、三角形であってもよいし、他の形状であってもよい。また、開口部の配置は、縦横に複数配列された構造（換言すると、Ｘ方向で近接する開口部同士の位置がＹ方向で一致している配置関係の構造）でなくてもよい。
また、上記実施形態では、裏側金属層４０が所謂ベタパターンである例を説明したが、本開示の裏側金属層はこれに限定されない。ＭＳＭ構造による共振器が形成されていれば、裏側金属層４０が表側金属層２０のような部分的なパターンであってもよい。なお、本明細書でいう「ベタパターン」には、金属で覆われていない部分がごく僅かに存在する状態も含むものとする。
また、各ブロック（図４参照）の形は特に限定されず、矩形や正方形でなく、三角形や他の多角形であってもよい。
また、半導体層３０を構成する半導体は、ＧａＳｂに限定されず、例えばＩｎＡｓＳｂＰ（感度領域２．０～３．２μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ（感度領域０．９２～１．６５μｍ）、ＩｎＧａＡｓＳｂ（感度領域１．０～２．６μｍ）、ＩｎＧａＡｓ（感度領域０．９～２．６μｍ）、ＩｎＡｓ（感度領域１．０～３．８μｍ）、ＩｎＡｓＳｂ（感度領域１．０～５．０μｍ）でもよい。
１０ 光電変換素子
２０ 表側金属層
２２ 金属要素
３０ 半導体層
４０ 裏側金属層
１１０ 光電変換素子
１２０ 表側金属層
２０ 表側金属層
２２ 金属要素
３０ 半導体層
４０ 裏側金属層
１１０ 光電変換素子
１２０ 表側金属層
Claims (6)
- 光起電力効果により光を電力に変換する半導体を用いた光電変換素子であって、
前記半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に形成された金属層である表側金属層と、前記半導体層の裏面に形成された金属層である裏側金属層と、を備え、
前記表側金属層、前記半導体層および前記裏側金属層によってＭＳＭ構造の共振器が形成されており、
前記表側金属層は、メッシュ状のパターンであり、
前記半導体は、ガリウムアンチモンであり、
前記半導体層の厚みは、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の厚みは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記表側金属層の開口率は、５０％以上９０％以下である、
光電変換素子。 - 前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、矩形であり、
前記開口部の一辺の長さは、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下である、
請求項１に記載の光電変換素子。 - 光起電力効果により光を電力に変換する半導体を用いた光電変換素子であって、
前記半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に形成された金属層である表側金属層と、前記半導体層の裏面に形成された金属層である裏側金属層と、を備え、
前記表側金属層、前記半導体層および前記裏側金属層によってＭＳＭ構造の共振器が形成されており、
前記表側金属層は、メッシュ状のパターンであり、
前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、円形である、
光電変換素子。 - 光起電力効果により光を電力に変換する半導体を用いた光電変換素子であって、
前記半導体からなる半導体層と、前記半導体層の表面に形成された金属層である表側金属層と、前記半導体層の裏面に形成された金属層である裏側金属層と、を備え、
前記表側金属層、前記半導体層および前記裏側金属層によってＭＳＭ構造の共振器が形成されており、
前記表側金属層は、同一パターンが繰り返されている範囲を１ブロックと捉えた場合に、複数の矩形ブロックが縦横に複数配列された複合パターンであり、
前記複数の矩形ブロックは、
第１パターンの複数の矩形ブロックと、
第１パターンとは異なるパターンである第２パターンの複数の矩形ブロックと、を含んで構成されている、
光電変換素子。 - 前記表側金属層は、メッシュ状のパターンである、
請求項４に記載の光電変換素子。 - 前記表側金属層のメッシュ状のパターンの開口部は、矩形である、
請求項５に記載の光電変換素子。
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