WO2014171457A1 - フォトニック結晶及びそれを利用した光機能デバイス - Google Patents

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WO2014171457A1
WO2014171457A1 PCT/JP2014/060731 JP2014060731W WO2014171457A1 WO 2014171457 A1 WO2014171457 A1 WO 2014171457A1 JP 2014060731 W JP2014060731 W JP 2014060731W WO 2014171457 A1 WO2014171457 A1 WO 2014171457A1
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photonic crystal
crystal structure
photoelectric conversion
light
structure forming
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PCT/JP2014/060731
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野田　進
アルダバン オスクイ
田中　良典
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独立行政法人科学技術振興機構
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    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a photonic crystal that can be used in an optical functional device such as a photoelectric conversion element or a diffraction element, and an optical functional device using the photonic crystal.
  • a solar cell which is a kind of photoelectric conversion element has a photoelectric conversion layer made of a semiconductor for converting the energy of incident light (electromagnetic waves) into an electric current.
  • incident light is absorbed by the photoelectric conversion layer, and electrons in the semiconductor of the photoelectric conversion layer are excited by the energy from the valence band to the conduction band, thereby being converted into an electric current.
  • the efficiency of photoelectric conversion decreases. Therefore, in the solar cell, it is important to increase the absorption rate of incident light in the photoelectric conversion layer.
  • One way to increase the absorption rate is to increase the thickness of the photoelectric conversion layer, but the amount of semiconductor material used increases, which increases costs or decreases the efficiency of extracting electrons. There is a problem of end up.
  • Patent Document 1 describes a solar cell using a photonic crystal in order to increase the absorption rate of incident light.
  • the photonic crystal generally refers to a structure having a periodic refractive index distribution.
  • the refractive index is obtained by periodically arranging holes in the photoelectric conversion layer. A distribution is formed.
  • light having a specific frequency corresponding to the period of the refractive index distribution among the light incident on the photoelectric conversion layer forms a standing wave to form a resonance state. It becomes easier to stay in the layer. Therefore, at the specific frequency (resonance frequency), the absorptance of incident light is improved as compared with the case where there is no photonic crystal.
  • a photonic crystal there is usually no single period even if it has a single structure, and since there are multiple periods, standing waves are formed at multiple frequencies.
  • the periodic structure of the refractive index distribution in addition to the frequency corresponding to the period length a of the square lattice, it is half the length of the diagonal of the square that is the unit lattice (2 1 / 2/2) the standing wave with a frequency that is a wavelength and their integral multiple of the wavelength corresponding to a is formed. Therefore, by appropriately setting the periodic structure of the refractive index distribution, it is possible to increase the absorptance of light having a plurality of resonance frequencies over the entire frequency range in which photoelectric conversion can be performed in the photoelectric conversion layer.
  • the frequency range in which the photoelectric conversion can be performed is still part of the resonating frequency. Therefore, it cannot be said that incident light is fully utilized. Therefore, if light can be resonated at a larger number of resonance frequencies within a frequency range where photoelectric conversion is possible, it is expected that the light absorption rate can be further increased.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a photonic crystal capable of resonating light at a larger number of resonance frequencies within a specific frequency range, and an optical functional device using the photonic crystal. is there.
  • the photonic crystal according to the present invention which has been made to solve the above problems, A photonic crystal that resonates with light having a plurality of frequencies within a predetermined frequency range, A plurality of photonic crystal structure formed bodies in which a periodic refractive index distribution is formed in the plate-like member are provided apart from each other in the thickness direction of the plate-like member, At least one of the plurality of photonic crystal structure formations resonates with light of at least two frequencies within the frequency range, and the two frequencies are at least one of the other photonic crystal structure formations.
  • the refractive index distribution of the plurality of photonic crystal structure forming bodies is set so as to be different from the resonance frequency of the two.
  • a plurality of photonic crystal structure formed bodies means an object on which a photonic structure is formed.
  • One (this is referred to as a “first formed body”) resonates with light of at least two frequencies within the frequency range, and these two frequencies are among other photonic crystal structure formed bodies. Is different from the resonance frequency in at least one of these (this is referred to as a “second formed body”).
  • the resonance frequencies of the first formed body and the second formed body are different, when attention is paid to these two formed bodies, more resonances than when the first formed body or the second formed body exist alone are present. Resonates with frequency light. Therefore, the photonic crystal according to the present invention can resonate light at a larger number of resonance frequencies within the frequency range.
  • photonic crystal structure formation bodies are provided so that it may mutually space apart in the thickness direction of the said plate-shaped member.
  • the resonance frequency in each photonic crystal structure formed body can be set, for example, by adjusting the period length of the periodic refractive index distribution, the average refractive index of the photonic crystal structure formed body, and the like. Such a setting of the resonance frequency can be performed by those skilled in the art based on, for example, disclosure of Patent Documents 2 and 3 and the like.
  • the periodic refractive index distribution may be formed two-dimensionally or three-dimensionally.
  • a two-dimensional structure is formed by disposing different refractive index regions having a refractive index different from that of the plate-like member at each lattice point of a two-dimensional lattice parallel to the plate-like member. It is desirable to use a shaped photonic crystal structure formed body.
  • the different refractive index region may be a member made of a material having a refractive index different from that of the plate-like member, but may be a plate-like member having holes. The latter can be formed more easily.
  • a different refractive index region having a refractive index different from that of the plate-like member is parallel to the plate-like member from each lattice point of a two-dimensional lattice parallel to the member.
  • a device in which a periodic refractive index distribution is formed by being shifted by a shift amount (distance) ⁇ p of ⁇ p max ( ⁇ 0) or less at random (that is, in a random size and direction) is used.
  • a different refractive index region having a refractive index different from that of the plate member is arranged at each lattice point of a two-dimensional grating parallel to the plate member,
  • the periodic refractive index distribution may be formed so that the planar shape has a random size between the minimum value and the maximum value. Also in this case, randomness is introduced into the refractive index distribution, whereby the intensity of light in the photonic crystal structure forming body in the entire frequency range can be increased.
  • the photonic crystal according to the present invention can be used in an optical functional device that can efficiently use light within the frequency range.
  • An example of such an optical functional device is a photoelectric conversion device in which a photoelectric conversion layer made of a semiconductor that converts light in a predetermined frequency range into electric power is provided between a pair of electrodes, the photoelectric conversion layer Among them, a photoelectric conversion device provided with the photonic crystal according to the present invention can be given.
  • This photoelectric conversion device can typically be used as a solar cell or an optical sensor.
  • each photonic crystal structure forming body of the photonic crystal according to the present invention has a constant frequency having the resonance frequency of the photonic crystal structure forming body.
  • a standing wave is formed.
  • the light in which such a standing wave is formed tends to stay in the photoelectric conversion layer, so that it is easily absorbed into the photoelectric conversion layer and converted into a current.
  • the photoelectric conversion efficiency in the light having the resonance frequency is increased. .
  • the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
  • each photonic crystal structure formed body is formed by bonding a p-type semiconductor and an n-type semiconductor (or a p-type semiconductor, an intrinsic semiconductor and an n-type semiconductor), and is adjacent to each other.
  • Two photonic crystal structure formation bodies can take the structure separated by the conductor layer.
  • each photonic crystal structure forming body functions as one photoelectric conversion unit, and these photoelectric conversion units are connected in series via the conductor layer.
  • each photonic crystal structure forming body is formed by joining a p-type semiconductor and an n-type semiconductor (or a p-type semiconductor, an intrinsic semiconductor and an n-type semiconductor), and forming two adjacent photonic crystal structures.
  • the body may be separated by a spacer layer in which the first conductor layer, the insulator layer, and the second conductor layer are laminated in this order.
  • each photonic crystal structure forming body functions as one independent photoelectric conversion unit.
  • the first conductor layer and the second conductor layer can be used as electrodes of a photoelectric conversion unit made of a photonic crystal structure forming body adjacent thereto, and the insulator layer has a function of electrically insulating the photoelectric conversion units from each other.
  • the semiconductor in the photoelectric conversion layer is typically a junction of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor.
  • a pn junction type semiconductor When such a pn junction type semiconductor is used, the number of photonic crystal structure forming bodies is two, one photonic crystal structure forming body is a p-type semiconductor, and the other photonic crystal structure forming body is An n-type semiconductor may be formed.
  • a configuration in which an intrinsic semiconductor is interposed between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor can be employed.
  • the optical functional device there is a diffraction element that scatters light in a predetermined frequency range and that has the photonic crystal according to the present invention.
  • Conditions under which light resonance occurs in the photonic crystal that is, conditions under which a standing wave of light is formed are equal to conditions under which Bragg reflection occurs. Since Bragg reflection is one of the light diffraction phenomena, a photonic crystal satisfying such Bragg reflection conditions can also be used as a diffraction element.
  • a standing wave of light having a frequency corresponding to each resonance frequency is formed in the photonic crystal structure forming body, and the light is diffracted by a periodic refractive index distribution and extracted to the outside.
  • a diffractive element is preferably used for diffusing light in a light guide plate that guides light from the light source provided on the side of the liquid crystal display to the back surface and emits the light from the back surface, for example. it can.
  • the present invention it is possible to obtain a photonic crystal that can resonate light at a larger number of resonance frequencies within a specific frequency range. Further, by using this photonic crystal, an optical functional device such as a photoelectric conversion device or a diffraction element that can efficiently use light within the frequency range can be obtained.
  • the conceptual diagram which shows the example of the standing wave which arises in the photonic crystal structure formation body in 1st Example.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the configuration of a second embodiment of the photonic crystal according to the present invention, (a), a top view showing the configurations of the first photonic crystal structure forming body and the second photonic crystal structure forming body, And (b) is a partially enlarged view (c).
  • the conceptual diagram which compared the resonant frequency of the photonic crystal of 1st Example, and the photonic crystal of 2nd Example.
  • the graph which shows the result of having calculated the integral absorption factor in the solar cell of 2nd Example, and the solar cell of a comparative example.
  • the longitudinal cross-sectional view which shows the light-guide plate using one Example of the diffraction element which concerns on this invention.
  • the photonic crystal 10 of the first example comprises a first photonic crystal structure 11A
  • the spacer layer 15 and the third layer of the second photonic crystal structure formed body 11B have a configuration in which they are stacked in this order.
  • adjacent layers are drawn apart from each other in order to show the configuration of these three layers, but actually, as shown in FIG. 1 (a), the adjacent layers are in contact with each other.
  • photonic crystal structure formed body is abbreviated as “PC structure formed body”.
  • the first PC structure forming body 11A is formed by periodically arranging a plurality of cylindrical holes 13 in a square lattice pattern on a first plate-like member 12A made of a p-type silicon semiconductor.
  • the height direction of the cylinder of the air hole 13 coincides with the thickness direction of the first plate member 12A, and the height h of the cylinder is lower than the thickness d1 of the first plate member 12A.
  • a number of cylindrical holes 13 are periodically arranged in a square lattice pattern in the second plate-like member 12B made of an n-type silicon semiconductor, like the first PC structure formed body 11A. Become.
  • the radius r and height h of the cylinder of the hole 13 and the periodic length a of the square lattice are the same. 1 towards the plate-shaped member 12A having a thickness d 1 thickness d 2 of the second plate member 12B than is different in that thin. Accordingly, the second PC structure forming body 11B has a higher volume ratio of the voids in the plate-like member than the first PC structure forming body 11A, and therefore the average refractive index is low.
  • the material of the spacer layer 15 is transparent to visible light and can be used when the target frequency region (the aforementioned “predetermined frequency range”) is the visible light region.
  • Indium tin oxide (ITO) having the property was used.
  • Various materials can be used for the spacer layer 15 depending on the use of the photonic crystal and the like. For example, when the photonic crystal of this embodiment is used in a pin type solar cell in which a p-type semiconductor, an intrinsic semiconductor, and an n-type semiconductor are joined in this order, the refractive index of the spacer layer 15 is higher than that of the plate member. Low intrinsic semiconductor materials may be used.
  • mixed light of various frequencies within the target frequency region (for example, a visible light region, a region where photoelectric conversion of a solar cell can be efficiently performed) is introduced from the outside.
  • standing waves having a plurality of frequencies (wavelengths) are formed corresponding to the periodic length of the arranged holes. For example, as shown in FIG.
  • the wavelengths of standing waves in them are equal.
  • the frequency of the standing wave is different between the two. Therefore, the wavelength of light before being introduced into the photonic crystal 10 and after being extracted from the photonic crystal 10 is also related to the standing wave in the first PC structure forming body 11A and the second PC structure forming body 11B. It is different for the standing wave.
  • each of the PC structure forming bodies is a single photonic crystal. It is possible to increase the number of resonance frequencies compared to the case where it exists.
  • FIG. 3 (a) to 3 (c) are graphs in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents light intensity.
  • FIG. 3 (a) shows the inside of the first PC structure forming body 11A
  • FIG. (C) in the 2PC structure forming body 11B shows a change in the intensity of light in the photonic crystal 10 which is a combination of both, depending on the frequency.
  • each PC structure forming body oozes in a direction perpendicular to the PC structure forming body by a distance of about the wavelength of the light. Therefore, when the distance between the first PC structure forming body 11A and the second PC structure forming body 11B is shorter than the distance of the wavelength of light, light interaction occurs between the two PC structure forming bodies. Such interaction of light may cause a standing wave to not be formed when the first PC structure forming body 11A and the second PC structure forming body 11B are in contact with each other. Even if light having the resonance frequency of one PC structure forming body is introduced toward the other PC structure forming body, the light resonance by the one PC structure forming body is also caused in the other PC structure forming body. Can be generated.
  • the distance between the first PC structure formed body 11A and the second PC structure formed body 11B, that is, the thickness of the spacer layer 15 is set so that the light interaction occurs in at least a part of the target frequency region. It is desirable that the light having the minimum frequency (maximum wavelength) in the frequency region be shorter than the wavelength in the spacer layer 15. Further, the distance is larger than the wavelength in the spacer layer 15 of light having the maximum frequency (minimum wavelength) in the target frequency region so that such interaction occurs in the entire target frequency region. Shortening is more desirable.
  • the period lengths a of the two PC structure forming bodies are made equal, but as shown in FIG. Different values a 1 and a 2 may be used (Modification 1).
  • a 1 and a 2 may be used (Modification 1).
  • the diameters r of the holes 13 in the two PC structure forming bodies are made equal. However, as shown in FIG. 4B, the diameters of the holes are different from each other by different values r 1 and r 2. (Modification 2, Photonic crystal 10B).
  • the average refractive index of the two PC structure formed bodies can be set to different values, so that both PC structure formed bodies have the same thickness d and period length a.
  • the resonance frequency of can be different.
  • the heights of the holes 13 in the two PC structure forming bodies may be different values h 1 and h 2 .
  • the third PC structure forming body 11C is provided between the two PC structure forming bodies in the first embodiment.
  • the third PC structure formed body 11C has a thickness d 3 between d 1 and d 2 and has the same shape and size as those in which the holes 13 are formed in the other two PC structure formed bodies. It is formed in a hole lattice shape with a period length a.
  • a standing wave is formed in the third PC structure forming body 11C having the same wavelength as that of the other PC structure forming body but having a different frequency and wavelength outside the photonic crystal.
  • the shape of the air holes 13 is not limited to a cylindrical shape, and various shapes such as a prismatic shape such as a triangular prism and a quadrangular prism (cuboid), a conical shape, a pyramid shape such as a triangular pyramid and a quadrangular pyramid, a partial spherical shape, and a partial elliptical spherical shape. Shaped ones can be used.
  • the period at which the holes 13 are arranged is not limited to a square lattice shape, and may be a triangular lattice shape, a rectangular lattice shape, an oblique lattice shape, or the like.
  • the materials of the first plate-like member 12A and the second plate-like member 12B are not limited to those described above, and the standing wave of light in the target frequency region is formed in the PC structure forming body. Any material capable of propagating light in the frequency domain may be used. Further, in addition to the two-dimensional photonic crystal in which the different refractive index regions are periodically arranged on the plate-like member described so far, various forms of photo, such as the three-dimensional photonic crystal described in Patent Document 4, for example. Nick crystals can also be used.
  • the first plate-like member 12A is formed by joining a p-type semiconductor layer 12AP and an n-type semiconductor layer 12AN, and the second plate-like member 12B is also formed of the p-type semiconductor layer 12BP and n.
  • a bonded type semiconductor layer 12BN may be used (Modification 4).
  • the spacer layer 15 may be made of a conductor (FIG. 7A, photonic crystal 10D), and the first conductor layer 151, the insulator layer 153, and the second conductor layer.
  • a three-layer structure in which 152 layers are stacked in this order may be used (FIG. 7B, photonic crystal 10E).
  • a photonic crystal can be suitably used in a photoelectric conversion device described later.
  • the photonic crystal 20 of the second example includes a first PC structure formed body 21A, a spacer layer 25, and a second PC structure formed body 21B.
  • the third layer is the same as the photonic crystal 10 of the first embodiment in that the three layers are stacked in this order. Further, the thicknesses d 1 and d 2 of the first PC structure forming body 21A and the second PC structure forming body 21B (plate members thereof) are the same as in the first embodiment.
  • a large number of holes 23 having a radius r and a height h are provided in the first PC structure forming body 21A and the second PC structure forming body 21B.
  • Each hole 23 is arranged such that the center of a circle in the cylinder is shifted by ⁇ p from each lattice point of a square lattice (shown by a one-dot chain line in FIG. 8B).
  • the magnitude of deviation ⁇ p is distributed within the range of 0 to the maximum deviation amount ⁇ p max , and there is no law in the distribution.
  • the direction in which the holes 23 are displaced from the lattice points is not uniform, and there is no law in the difference between the holes 23.
  • the holes 23 are randomly displaced from the lattice points of the square lattice by a shift amount ⁇ p that is equal to or less than the maximum shift amount ⁇ p max ( ⁇ 0).
  • the position of the holes 23 may be the same or different in both cases.
  • the two-dimensional photonic crystal has randomness while maintaining a certain degree of periodicity.
  • a refractive index profile in which is introduced is formed.
  • the first PC structure forming body 21A and the second PC structure forming body 21B when viewed in a graph with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing light intensity, a plurality of wavelengths corresponding to the basic periodicity of lattice points.
  • the peak top is lower than in the first embodiment due to randomness, the width is widened, so that the intensity is increased at a frequency somewhat away from the peak top (FIG. 9A). ).
  • the number of resonance frequencies is larger than that of the individual PC structure forming bodies as in the photonic crystal of the first embodiment, and each peak is the same as that of the PC structure forming body in the present embodiment. While the height of the peak top is lowered, the width is widened. By widening the peak width in this way, the intensity of light in the photonic crystal can be made stronger than in the first embodiment when viewed in the entire target frequency region.
  • the holes 23 by disposing the holes 23 at random from the lattice points, the radial direction dependency of the resonance mode is reduced, so that the characteristic that the change in the absorption characteristic is small with respect to the change in the incident angle is obtained. It is done.
  • the maximum deviation amount ⁇ p max When the maximum deviation amount ⁇ p max is increased, adjacent holes may overlap each other. When the vacancies overlap with each other in this way, the plurality of vacancies become one different refractive index region, so that the periodicity due to the square lattice is disturbed more than necessary. Moreover, since the plate-shaped member of the PC structure forming body has a sharp shape toward the hole at the point where the outlines of the plurality of holes overlap, there arises a problem that it is difficult to manufacture. Therefore, it is desirable to set the maximum deviation amount ⁇ p max so that adjacent holes are separated (not overlapped) in consideration of the shape and size of the holes (different refractive index region).
  • the holes 23A are square as shown in FIG. It may be arranged at each lattice point of the lattice so that the size of each hole 23A, for example, the radius is random within the range of r min to r max .
  • each peak in the graph with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing light intensity increases in width while the peak top height decreases. Therefore, the intensity of light in the photonic crystal can be increased over the entire target frequency region.
  • the size of the hole 23A is determined by the radius, but may be determined by the area, the volume, or the like. Also in this case, it is desirable to set r max so that adjacent holes are separated (not overlapped).
  • FIGS. 11 A first embodiment of the photoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the photoelectric conversion device 30 of the present embodiment is obtained by sandwiching the photonic crystal 10 of the first embodiment between a plate-like transparent electrode 321 and a plate-like back electrode 322.
  • the first plate-like member 12A constituting the photonic crystal 10 is made of a p-type silicon semiconductor
  • the second plate-like member 12B is made of an n-type silicon semiconductor. It functions as a photoelectric conversion layer 31 composed of a pn junction with the spacer layer 15 interposed therebetween.
  • This photoelectric conversion layer can absorb light in the range of about 600 to 1100 nm in air and a frequency of 2.7 ⁇ 10 14 to 5.0 ⁇ 10 14 Hz and convert it into an electric current.
  • the thickness d 1 of the first plate member 12A was 700 nm
  • the thickness d 2 of the second plate member 12B was 300 nm.
  • the holes 13 have a height h of 260 nm, a radius of 200 nm, and a square lattice period length a of 700 nm in both the first PC structure forming body 11A and the second PC structure forming body 11B.
  • the thickness d 0 of the spacer layer 15 is 230 nm.
  • the spacer layer 15 and the transparent electrode 321 are made of ITO that is transparent to light within the above frequency range, and the back electrode 322 is made of silver.
  • the photoelectric conversion device 30 of the first embodiment when light having a frequency in the above range is incident on the photoelectric conversion layer 31 from the transparent electrode 321 side, the resonance frequency in the photonic crystal 10 that is the photoelectric conversion layer 31 is increased. A standing wave due to light of a corresponding frequency is formed in the photonic crystal 10. Thereby, the light of these resonance frequencies becomes easy to stay in the photoelectric converting layer 31, and it becomes easy to be absorbed by the photoelectric converting layer 31, and to be converted into an electric current. As a result, the photoelectric conversion efficiency is increased.
  • the photoelectric conversion device 30 according to the first embodiment includes a plurality (two) of PC structure forming bodies, the number of resonance frequencies is higher than that when only one similar PC structure forming body is provided. Therefore, the photoelectric conversion efficiency can be increased.
  • FIG. 12A shows the result of calculating the light absorptance of the photoelectric conversion layer 31 when sunlight is incident on the photoelectric conversion device 30 of the first embodiment. Shown in graph with axes.
  • a solar cell instead of a photonic crystal, a solar cell (Comparative Example 1) provided with unevenness called a Lambertian texture on the light incident surface, and a photonic crystal
  • the graph of the light absorptance in the solar cell (comparative example 2) in which neither a Lambertian texture is provided is shown.
  • the semiconductor material constituting the photoelectric conversion layer and the amount thereof are made equal to each other, so that light absorption other than the presence or absence of photonic crystal vacancies and texture structures is performed.
  • the conditions were equal. From FIG. 12 (a), the integrated absorptance obtained by integrating and normalizing the absorptance graph over the entire wavelength band of interest is 43.0% in Comparative Example 1 and 10.2 in Comparative Example 2. %, Whereas in the first example, a value higher than the two comparative examples, 48.8%, was obtained.
  • the light absorbed by the photonic crystal 10 is changed into the light absorbed in the first PC structure forming body 11A (FIG. 12B) and the second PC structure forming body 11B.
  • the absorption rate is shown in the graph separately for the light absorbed in Fig. 12 (c). It can be seen that at a plurality of wavelengths indicated by the vertical arrows in these graphs, the first PC structure forming body 11A is hardly absorbed and the second PC structure forming body 11B is absorbed with high efficiency.
  • the first embodiment it is possible to increase the number of wavelengths having a high absorptance (resonance wavelength, resonance frequency) as compared with the case where there is only one PC structure formation body (first PC structure formation body 11A). Thereby, the absorption rate as a whole of the photoelectric conversion layer 31 can also be increased.
  • FIG. 13 shows a photoelectric conversion device 30A using the photonic crystal 10D of the modification 4 and a photoelectric conversion device 30B using the photonic crystal 10E as modifications of the photoelectric conversion device of the first embodiment.
  • each of the first PC structure forming body 11A and the second PC structure forming body 11B has a configuration in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor are stacked as described above, and each of them is independently It functions as a photoelectric conversion device.
  • the spacer layer 15 has a role of connecting two independent photoelectric conversion devices in series.
  • the first conductor layer 151 in the spacer layer 15 is an electrode for injecting current into the first PC structure forming body 11A
  • the second conductor layer 152 is an electrode for injecting current into the second PC structure forming body 11B.
  • the insulator layer 153 has a role of electrically separating the two photoelectric conversion layers.
  • FIG. 14 the photoelectric conversion device 40 of the second embodiment is obtained by sandwiching the photonic crystal 20 of the second embodiment between a plate-like transparent electrode 421 and a plate-like back electrode 422.
  • the materials of the transparent electrode 421 and the back electrode 422 are the same as those used in the photoelectric conversion device of the first example.
  • the absorption rate and the integrated absorption rate for each wavelength were obtained by calculation at a plurality of values where the maximum shift amount ⁇ p max in the first PC structure forming body 21A and the second PC structure forming body 21B was 1 or less.
  • the value of the maximum deviation amount ⁇ p max is expressed as a ratio to the period length of the holes. Conditions other than the maximum deviation amount ⁇ p max are the same as those of the photoelectric conversion device of the first embodiment.
  • FIG. 15 is a graph showing the absorptivity for each wavelength within the range of the maximum deviation amount ⁇ p max of 0.1 to 0.5. There are multiple peaks in this graph. Compared to the first example (FIG. 12 (a)), in this example, a sharp peak top is not seen, but the peak width is wide and the calculated wavelength range is entirely at a specific wavelength. Absorption rate does not drop.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the integrated absorption rate and the maximum deviation amount ⁇ p max in the second embodiment.
  • the calculation results are also shown for the case where the PC structure forming body is only one layer. From this graph, the integrated absorptance is higher in this example than in the case of only one PC structure forming body over the range of all ⁇ p max . Further, when ⁇ p max is 0.4 or less, the integrated absorption rate is higher than that of the first embodiment.
  • the photonic crystal of the present invention can be used as it is as a light extraction element using the diffraction effect.
  • a light guide plate 50 will be described as a specific example using the diffraction element according to the present invention.
  • the light guide plate 50 is used for, for example, an edge light type backlight unit in a liquid crystal display.
  • an edge-light type backlight unit light is generally supplied from the light source provided on the side of the panel of the liquid crystal display to the entire back surface of the panel through the light guide plate, and illumination light is irradiated from the back surface to the entire panel. .
  • the light guide plate 50 of the present embodiment has a configuration in which a reflection plate 52 is provided on the surface of the second PC structure forming body 11B on the opposite side to the spacer layer 15 in the photonic crystal 10, as shown in FIG.
  • the first plate-like member 12A and the second plate-like member 12B are made of plastic such as acrylic, glass, or the like, which is a material that hardly absorbs visible light.
  • the photonic crystal 10 has a role of the diffraction element 51.
  • a visible light source 61 introduced into the diffraction element 51 is provided on the side of the light guide plate 50.
  • the light source 61 is not a component of the light guide plate 50, but constitutes a backlight unit together with the light guide plate 50.
  • the light guide plate 50 of the present embodiment when visible light is introduced from the light source 61 into the diffraction element 51, standing waves of light are formed at a number of frequencies corresponding to the resonance frequency of the photonic crystal 10. These standing waves are eventually scattered by the holes 13 and emitted from the two surfaces of the photonic crystal 10 to the outside of the photonic crystal 10.
  • the light emitted to the side on which the reflecting plate 52 is provided is reflected by the reflecting plate 52, all of the emitted light is guided from the surface opposite to the side on which the reflecting plate 52 is provided. Released out of the water.
  • light having a large number of frequencies corresponding to the resonance frequency of the photonic crystal 10 can be scattered with high probability, so that the light emission efficiency of the backlight can be increased.

Abstract

　本発明は、特定の周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができるフォトニック結晶を提供することを目的とする。板状部材内に周期的な屈折率分布が形成されているフォトニック結晶構造形成体１１Ａ、１１Ｂが複数、該板状部材の厚み方向に互いに離間して設けられており、複数のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つが、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの周波数の光に共振し、該２つの周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つにおける共振周波数と異なるように、前記複数のフォトニック結晶構造形成体の屈折率分布が設定されている。

Description

フォトニック結晶及びそれを利用した光機能デバイス
　本発明は、光電変換素子や回折素子等の光機能デバイスに用いることができるフォトニック結晶、及び該フォトニック結晶を用いた光機能デバイスに関する。
　光電変換素子の一種である太陽電池は、入射した光（電磁波）のエネルギーを電流に変換するための、半導体から成る光電変換層を有している。入射光は、光電変換層に吸収され、そのエネルギーによって光電変換層の半導体内の電子が価電子帯から伝導帯に励起されることにより、電流に変換される。ここで、入射光が光電変換層に吸収されることなく通過すると、光電変換の効率が低下する。そのため、太陽電池では、光電変換層における入射光の吸収率を高めることが重要となる。この吸収率を高める手法の１つとして、光電変換層の厚みを大きくすることが挙げられるが、半導体材料の使用量が増加するため、コストが上昇してしまう、あるいは電子の取り出しの効率が低下してしまうという問題がある。
　特許文献１には、入射光の吸収率を高めるためにフォトニック結晶（Photonic Crystal）を用いた太陽電池が記載されている。フォトニック結晶は、一般的には周期的な屈折率分布を有する構造体をいい、特許文献１に記載の太陽電池では、光電変換層内に空孔が周期的に配置されることにより屈折率分布が形成されている。このような構成により、光電変換層に入射した光のうち、屈折率分布の周期に対応した特定の周波数を有する光が定在波を形成して共振状態を形成するため、その光は光電変換層内に留まり易くなる。そのため、当該特定の周波数（共振周波数）において、フォトニック結晶が無い場合よりも入射光の吸収率が向上する。ここで、フォトニック結晶内では、通常、単一構造であっても単一の周期のみが存在するということはなく、複数の周期が存在することから、複数の周波数において定在波が形成される。例えば、正方格子状の屈折率分布を有するフォトニック結晶では、正方格子の周期長aに対応する波長となる周波数の他、単位格子である正方形の対角線の長さの半分である(21/2/2)aに対応する波長やそれらの整数倍の波長となる周波数の定在波が形成される。従って、屈折率分布の周期構造を適切に設定することにより、光電変換層において光電変換が可能な周波数範囲の全体に亘って、複数の共振周波数の光における吸収率を高めることができる。
国際公開WO2011/083674号 国際公開WO2005/086302号 国際公開WO2007/029661号 特開2001-074955号公報
　しかしながら、このようにフォトニック結晶を用いた太陽電池では、複数の共振周波数において光の吸収率を高めることができるものの、それでもなお、光電変換が可能な周波数範囲の全体としては共振する周波数の部分が少ないため、入射光は十分に利用されているとはいえない。従って、光電変換が可能な周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができれば、光の吸収率をより高めることができると期待される。
　本発明が解決しようとする課題は、特定の周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができるフォトニック結晶、及び該フォトニック結晶を用いた光機能デバイスを提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係るフォトニック結晶は、
　所定の周波数範囲内にある複数の周波数の光に共振するフォトニック結晶であって、
　板状部材内に周期的な屈折率分布が形成されているフォトニック結晶構造形成体が複数、該板状部材の厚み方向に互いに離間して設けられており、
　前記複数のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つが、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの周波数の光に共振し、該２つの周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つにおける共振周波数と異なるように、前記複数のフォトニック結晶構造形成体の屈折率分布が設定されている
ことを特徴とする。
　本発明に係るフォトニック結晶では、複数設けられたフォトニック結晶構造形成体（ここで、「フォトニック結晶構造形成体」とは、フォトニック構造が形成された物体の意味である。）の少なくとも１つ（これを「第１形成体」とする」）が、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの周波数の光に共振し、且つ、それら２つの周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つ（これを「第２形成体」とする）における共振周波数と異なる。このように、第１形成体と第２形成体の共振周波数が異なるため、それら２つの形成体に着目すると、第１形成体又は第２形成体が単独で存在する場合よりも、多くの共振周波数の光に共振する。従って、本発明に係るフォトニック結晶は、前記周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができる。
　なお、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が接していると、それら２つのフォトニック結晶構造形成体内の光同士で相互作用が生じ、それにより定在波が形成されなくなるおそれがある。そのため、本発明では、フォトニック結晶構造形成体同士を、前記板状部材の厚み方向に互いに離間するように設ける。
　各フォトニック結晶構造形成体における共振周波数は、例えば周期的屈折率分布の周期長や、フォトニック結晶構造形成体の平均の屈折率等を調整することにより、設定することができる。このような共振周波数の設定は、当業者であれば、例えば特許文献２、３等の開示に基づいて行うことができるものである。
　フォトニック結晶構造形成体では、周期的な屈折率分布を２次元状に形成してもよいし、３次元状に形成してもよい。作製の容易さという点からは、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置されることにより形成されている２次元状のフォトニック結晶構造形成体を用いることが望ましい。異屈折率領域は、板状部材とは屈折率が異なる材料から成る部材であってもよいが、板状部材に空孔を空けたものであってもよい。後者の方が容易に形成することができる。
　また、フォトニック結晶構造形成体には、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該部材に平行な２次元格子の各格子点から該板状部材に平行に、最大ずれ量Δpmax（≠0）以下のずれ量（距離）Δpだけランダムに（すなわち、ランダムな大きさ及び方向に）ずれて配置されることにより、周期的な屈折率分布が形成されているものを用いることもできる。このように、周期性を有する２次元格子の格子点を基準としつつ、そこからずれ量Δpというランダムネスを導入することにより、フォトニック結晶構造形成体内における、各共振周波数を有する光の強度は低下するものの、共振周波数の周囲の周波数における光の強度が増加する。すなわち、周波数を横軸、光の強度を縦軸とするグラフにおいて、ランダムネスの導入により、共振周波数を中心とするピークの幅が拡がる。これにより、前記周波数範囲の全体におけるフォトニック結晶構造形成体内の光の強度を高めることができる。
　あるいは、フォトニック結晶構造形成体には、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置され、各異屈折率領域の平面形状が最小値と最大値の間でランダムな大きさを有するように、周期的な屈折率分布が形成されていてもよい。この場合にも、屈折率分布にランダムネスが導入され、それにより、前記周波数範囲の全体におけるフォトニック結晶構造形成体内の光の強度を高めることができる。
　本発明に係るフォトニック結晶は、前記周波数範囲内の光を効率良く利用することができる光機能デバイスに用いることができる。
　そのような光機能デバイスの一例として、所定の周波数範囲の光を電力に変換する、半導体から成る光電変換層が１対の電極の間に設けられた光電変換装置であって、前記光電変換層内に、本発明に係るフォトニック結晶が設けられている光電変換装置が挙げられる。この光電変換装置は、典型的には、太陽電池や光センサとして用いることができる。
　この光電変換装置では、前記周波数範囲内の光が光電変換層に入射すると、本発明に係るフォトニック結晶の各フォトニック結晶構造形成体内に、該フォトニック結晶構造形成体の共振周波数を有する定在波が形成される。このような定在波が形成された光は、光電変換層に留まり易くなるため、光電変換層に吸収されて電流に変換され易くなり、その結果、当該共振周波数の光における光電変換効率が高まる。本発明に係るフォトニック結晶では、このような共振周波数が多数存在するため、光電変換効率を一層高めることができる。
　本発明に係る光電変換装置は、各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体（またはp型半導体、真性半導体とn型半導体）を接合されたものに形成されており、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が、導電体層により離間されている構成を取ることができる。この場合、各フォトニック結晶構造形成体が１つの光電変換部として機能し、これら光電変換部が導電体層を介して直列に接続される。
　あるいは、各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体（またはp型半導体、真性半導体とn型半導体）を接合されたものに形成されており、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が、第１導電体層、絶縁体層、第２導電体層をこの順に積層したスペーサ層により離間されている構成を取ることもできる。この場合にも、各フォトニック結晶構造形成体がそれぞれ独立した１つの光電変換部として機能する。第１導電体層及び第２導電体層は、それに隣接するフォトニック結晶構造形成体から成る光電変換部の電極として用いることができ、絶縁体層は光電変換部同士を電気的に絶縁する機能を有する。
　前記光電変換層における前記半導体は、典型的にはp型半導体とn型半導体を接合したものである。このようなp-n接合型の半導体を用いる場合には、フォトニック結晶構造形成体の数を２つとし、一方のフォトニック結晶構造形成体をp型半導体に、他方のフォトニック結晶構造形成体をn型半導体に形成すればよい。あるいは、p型半導体とn型半導体の間に真性半導体を介挿した構成を取ることもできる。
　また、光機能デバイスの他の例として、所定の周波数範囲の光を散乱させる回折素子であって、本発明に係るフォトニック結晶を有するものが挙げられる。フォトニック結晶において光の共振が生じる条件、すなわち光の定在波が形成される条件は、ブラッグ反射が生じる条件と等しい。ブラッグ反射は光の回折現象の１つであるため、このようなブラッグ反射の条件を満たすフォトニック結晶は、回折素子として用いることもできる。
　本発明に係る回折素子は、各共振周波数に対応する周波数の光の定在波がフォトニック結晶構造形成体内に形成され、それらの光が周期的な屈折率分布により回折して外部に取り出される。このような回折素子は、例えば液晶ディスプレイの側部に設けられた光源から光を背面に導いて、該背面から該光を放出する導光板において、光を拡散させるために、好適に用いることができる。
　本発明により、特定の周波数範囲内において、より多数の共振周波数で光を共振させることができるフォトニック結晶を得ることができる。また、このフォトニック結晶を用いて、前記周波数範囲内の光を効率良く利用することができる、光電変換装置や回折素子等の光機能デバイスを得ることができる。
本発明に係るフォトニック結晶の第１実施例の構成を示す縦断面図(a)、並びに、該フォトニック結晶が有する第１フォトニック結晶構造形成体、第２フォトニック結晶構造形成体、及びスペーサ層の構成を示す斜視図(b)、並びに、第１フォトニック結晶構造形成体及び第２フォトニック結晶構造形成体の構成を示す上面図(c)。 第１実施例におけるフォトニック結晶構造形成体内に生じる定在波の例を示す概念図。 第１実施例における第１フォトニック結晶構造形成体の共振周波数(a)、第２フォトニック結晶構造形成体の共振周波数(b)、及び第１実施例のフォトニック結晶の共振周波数(c)を示す概念図。 第１実施例の第１の変形例を示す上面図。 第１実施例の第２の変形例を示す縦断面図。 第１実施例の第３の変形例を示す縦断面図。 第１実施例の第４の変形例を示す縦断面図。 本発明に係るフォトニック結晶の第２実施例の構成を示す縦断面図(a)、第１フォトニック結晶構造形成体及び第２フォトニック結晶構造形成体の構成を示す上面図(b)、並びに(b)の部分拡大図(c)。 第１実施例のフォトニック結晶と第２実施例のフォトニック結晶の共振周波数を比較した概念図。 第２実施例の変形例を示す上面図。 本発明に係る光電変換素子の第１実施例を示す縦断面図。 第１実施例及び比較例の光電変換素子における、波長毎の光の吸収率を計算した結果を示すグラフ。 第１実施例の光電変換素子の変形例を示す縦断面図。 本発明に係る光電変換素子の第２実施例である太陽電池を示す縦断面図。 第２実施例の太陽電池と比較例の太陽電池における、波長毎の光の吸収率を計算した結果を示すグラフ。 第２実施例の太陽電池と比較例の太陽電池における、積分吸収率を計算した結果を示すグラフ。 本発明に係る回折素子の一実施例を用いた導光板を示す縦断面図。
　本発明に係るフォトニック結晶及び光機能デバイスの実施例を、図１～図１７を用いて説明する。
(1) 本発明に係るフォトニック結晶の第１実施例
　第１実施例のフォトニック結晶１０は、図１(a)及び(b)に示すように、第１フォトニック結晶構造形成体１１Ａ、スペーサ層１５、及び第２フォトニック結晶構造形成体１１Ｂの３層が、この順に積層された構成を有する。なお、図１(b)では、これら３層の構成を示すために、隣接する層同士を離して描いたが、実際には、図１(a)に示すように、隣接する層同士は接している。以下では、「フォトニック結晶構造形成体」を「ＰＣ構造形成体」と略記する。
　第１ＰＣ構造形成体１１Ａは、p型シリコン半導体から成る第１板状部材１２Ａに、円柱状の空孔１３が多数、正方格子状に周期的に配置されて成る。空孔１３の円柱の高さ方向は第１板状部材１２Ａの厚み方向に一致しており、該第１板状部材１２Ａの厚みd1よりも、該円柱の高さhは低い。第２ＰＣ構造形成体１１Ｂは、n型シリコン半導体から成る第２板状部材１２Ｂに、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと同様に円柱状の空孔１３が多数、正方格子状に周期的に配置されて成る。第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの構成要素の大きさを比較すると、空孔１３の円柱の半径r及び高さh、並びに正方格子の周期長aは同じであるが、第１板状部材１２Ａの厚みd1よりも第２板状部材１２Ｂの厚みd2の方が薄いという点で相違する。従って、第１ＰＣ構造形成体１１Ａよりも第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの方が、板状部材中で空孔が占める体積の割合が高く、それゆえ平均屈折率が低い。
　スペーサ層１５の材料には、本実施例では、目的の周波数領域（前述の「所定の周波数範囲」）が可視光領域である場合に使用可能な、可視光に対して透明であって且つ導電性を有するインジウム・錫酸化物（ITO）を用いた。このスペーサ層１５の材料も、フォトニック結晶の用途等に応じて種々のものを用いることができる。また、例えばp型半導体、真性半導体及びn型半導体をこの順で接合したpin型太陽電池で本実施例のフォトニック結晶を用いる場合には、スペーサ層１５の材料に板状部材より屈折率の低い他の材料の真性半導体を用いてもよい。
　第１実施例のフォトニック結晶では、目的の周波数領域（例えば可視光領域、太陽電池の光電変換を効率よく行うことができる領域など）内にある様々な周波数の光の混合光が外部から導入されると、第１ＰＣ構造形成体１１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体１１Ｂのそれぞれにおいて、配置された空孔の周期長に対応して、複数の周波数（波長）の定在波が形成される。これら複数の定在波には、例えば図２に示すように、波面が格子に平行であって、空孔の周期長aと等しい波長λ11=aを有するものや、波面が格子に対して45°傾斜した方向を向き、波長λ21=(21/2/2)aを有するもの、あるいはそれらの波長の整数倍の波長を有するもの、等が挙げられる。
　本実施例では、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂは、共に正方格子であって同じ格子定数aを有するため、それらの内部における定在波の波長が等しい。しかし、内部での波長が同じであっても、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂでは平均屈折率が異なるため、定在波の周波数は両者で異なる。従って、フォトニック結晶１０内に導入される前、及びフォトニック結晶１０から取り出された後の光の波長も、第１ＰＣ構造形成体１１Ａ内の定在波に関するものと、第２ＰＣ構造形成体１１Ｂ内の定在波に関するものでは相違する。
　従って、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂにおける定在波の周波数（共振周波数）及びフォトニック結晶外での波長の相違により、フォトニック結晶１０は個々のＰＣ構造形成体が単独で存在する場合よりも共振周波数の数を多くすることができる。この点を、図３を用いて説明する。図３の(a)～(c)の各図は、横軸を周波数、縦軸を光の強度としたグラフであり、(a)では第１ＰＣ構造形成体１１Ａ内の、(b)では第２ＰＣ構造形成体１１Ｂ内の、(c)では両者を合わせたフォトニック結晶１０内の光の強度の周波数による変化を示している。これら各グラフ内にはいずれも、共振周波数を中心するピークが複数現れており、(a)第１ＰＣ構造形成体１１Ａと(b)第２ＰＣ構造形成体１１Ｂを比較すると共振周波数が異なっている。そのため、第１ＰＣ構造形成体１１Ａの共振周波数と第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの共振周波数の双方が、(c)フォトニック結晶１０の共振周波数となる。
　各ＰＣ構造形成体内に閉じ込められる定在波の光は、該光の波長程度の距離だけ、該ＰＣ構造形成体に垂直な方向に浸み出す。そのため、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの距離が前記光の波長の距離よりも短い場合には、２つのＰＣ構造形成体の間で光の相互作用が生じる。このような光の相互作用は、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂが接していると定在波が形成されなくなる原因となるおそれがあるが、両者を少し離しておくと、一方のＰＣ構造形成体の共振周波数を有する光が、他方のＰＣ構造形成体の方に導入されたとしても、当該他方のＰＣ構造形成体において、当該一方のＰＣ構造形成体による光の共振も生じさせることができる。このような光の相互作用が、目的とする周波数領域のうち少なくとも一部において生じるように、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの距離、すなわちスペーサ層１５の厚みは、目的の周波数領域のうち周波数が最小（波長が最大）である光の、スペーサ層１５内における波長よりも短くすることが望ましい。また、このような相互作用が目的とする周波数領域全体で生じるように、前記距離は、目的の周波数領域のうち周波数が最大（波長が最小）である光の、スペーサ層１５内における波長よりも短くすることが、より望ましい。
(2) 第１実施例のフォトニック結晶の変形例
　第１実施例では、２つのＰＣ構造形成体における周期長aを等しくしたが、図４(a)に示すように、両者の周期長を異なる値a1、a2としてもよい（変形例１）。これにより、２つのＰＣ構造形成体内での共振波長が互いに異なる値になるため、両ＰＣ構造形成体の厚みdが等しくとも、両者の共振周波数を異なる値にすることができる。
　また、第１実施例では、２つのＰＣ構造形成体における空孔１３の径rを等しくしたが、図４(b)に示すように、両者の空孔の径を異なる値r1、r2としてもよい（変形例２、フォトニック結晶１０Ｂ）。これにより、第１実施例と同様に、２つのＰＣ構造形成体の平均屈折率を異なる値にすることができ、それにより、両ＰＣ構造形成体の厚みd及び周期長aが等しくとも、両者の共振周波数を異なる値にすることができる。あるいは、図５に示すように、２つのＰＣ構造形成体における空孔１３の高さを異なる値h1, h2としてもよい。
　第１実施例では、１個のフォトニック結晶に、ＰＣ構造形成体を２つ設ける例を示したが、図６に示すように、ＰＣ構造形成体を３つ以上設けてもよい（変形例３、フォトニック結晶１０Ｃ）。図６に示した例では、第１実施例における２つのＰＣ構造形成体の間に、第３ＰＣ構造形成体１１Ｃが設けられている。第３ＰＣ構造形成体１１Ｃは、厚みd3がd1とd2の間の値を有し、空孔１３が他の２つのＰＣ構造形成体に形成されたものと同じ形状及び大きさ且つ同じ周期長aで正孔格子状に形成されている。これにより、第３ＰＣ構造形成体１１Ｃ内には、その内部における波長が他のＰＣ構造形成体と同じであって、周波数及びフォトニック結晶外における波長が異なる定在波が形成される。これにより、変形例３のフォトニック結晶では、第１実施例よりもさらに、共振周波数の数を多くすることができる。
　その他、空孔１３の形状は円柱状には限られず、三角柱や四角柱（直方体）等の角柱状、円錐状、三角錐や四角錐等の角錐状、部分球状、部分楕円球状等の種々の形状のものを用いることができる。空孔１３が配置される周期も、正方格子状には限られず、三角格子状、長方格子状、斜方格子状等とすることができる。また、第１板状部材１２Ａ及び第２板状部材１２Ｂの材料は上記のものには限られず、目的の周波数領域内の光の定在波がＰＣ構造形成体内に形成されるように、該周波数領域内の光が伝播することが可能な材料であればよい。さらには、ここまでに説明した板状部材に異屈折率領域を周期的に配置した２次元フォトニック結晶以外にも、例えば特許文献４に記載の３次元フォトニック結晶など、種々の形態のフォトニック結晶を用いることもできる。
　あるいは、図７に示すように、第１板状部材１２Ａにはp型半導体層１２ＡＰとn型半導体層１２ＡＮを接合したものを用い、第２板状部材１２Ｂにもp型半導体層１２ＢＰとn型半導体層１２ＢＮを接合したものを用いてもよい（変形例４）。この場合、スペーサ層１５には、導電体から成るものを用いてもよい（図７(a)、フォトニック結晶１０Ｄ）し、第１導電体層１５１、絶縁体層１５３、第２導電体層１５２をこの順で積層した３層構造のものを用いてもよい（図７(b) 、フォトニック結晶１０Ｅ）。このようなフォトニック結晶は、後述の光電変換装置において好適に用いることができる。
(3) 第２実施例のフォトニック結晶
　第２実施例のフォトニック結晶２０は、図８(a)に示すように、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ、スペーサ層２５、及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂの３層が、この順に積層された構成を有する点では、第１実施例のフォトニック結晶１０と同様である。また、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂ（の板状部材）の厚みd1及びd2も第１実施例と同様である。
　第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂ内には、半径r、高さhの空孔２３が多数設けられている。各空孔２３は、円柱における円の中心が、正方格子（図８(b)中に一点鎖線で示したもの）の各格子点からΔpだけずれて配置されている。ずれの大きさΔpは、0～最大ずれ量Δpmaxの範囲内に分布しており、その分布には法則性が無い。また、空孔２３が格子点からずれる方向も一様ではなく、各空孔２３間での相違には法則性が無い。すなわち、各空孔２３は、正方格子の格子点から、最大ずれ量Δpmax（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されている。
　なお、第１ＰＣ構造形成体２１Ａと第２ＰＣ構造形成体２１Ｂを比較したときの空孔２３の位置のずれ方は、両者において同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　第２実施例のフォトニック結晶２０では、空孔２３が正方格子の各格子点からランダムにずれて配置されていることにより、２次元フォトニック結晶には、周期性がある程度保持されつつランダムネスが導入された屈折率分布が形成される。これにより、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂでは、横軸を周波数、縦軸を光の強度としたグラフで見ると、格子点の基本的な周期性に対応した複数の波長においてピークを有するが、ランダムネスによって、第１実施例よりもピークトップの高さが低くなる一方、幅が広くなるため、ピークトップからある程度離れた周波数では強度が大きくなる（図９(a)）。そして、フォトニック結晶２０では、共振周波数の数は第１実施例のフォトニック結晶と同様に個々のＰＣ構造形成体よりも多くなり、個々のピークは本実施例におけるＰＣ構造形成体と同様にピークトップの高さが低くなりながらも幅が広くなる。このようにピークの幅が広くなることにより、目的とする周波数領域全体で見れば、フォトニック結晶内の光の強度を、第１実施例よりも強めることができる。また、空孔２３を格子点からランダムにずらして配置することにより、共振モードのもつ放射方向依存性が小さくなることから、入射角度の変化に対して吸収特性の変化が小さい、という特性が得られる。
　最大ずれ量Δpmaxを大きくすると、隣接する空孔同士が重なることがある。このように空孔同士が重なると、複数の空孔が１つの異屈折率領域となるため、正方格子による周期性が必要以上に乱れる。また、複数の空孔の輪郭が重なった点において、ＰＣ構造形成体の板状部材が空孔側に向かって尖った形状となるため、作製し難い、という問題が生じる。そのため、最大ずれ量Δpmaxは、空孔（異屈折率領域）の形状及び大きさを勘案して、隣接する空孔同士が分離する（重ならない）ように設定することが望ましい。
(4) 第２実施例フォトニック結晶の変形例
　第２実施例のフォトニック結晶２０のように空孔２３を格子点からランダムにずらす代わりに、図１０に示すように、空孔２３Ａを正方格子の各格子点に配置し、各空孔２３Ａの大きさ、例えば半径がrmin～rmaxの範囲内でランダムになるようにしてもよい。これにより、第２実施例のフォトニック結晶２０と同様に、横軸を周波数、縦軸を光の強度としたグラフにおける個々のピークは、ピークトップの高さが低くなりながらも幅が広くなるため、目的とする周波数領域全体ではフォトニック結晶内の光の強度を強めることができる。なお、ここでは空孔２３Ａの大きさを半径で定めたが、面積や体積などで定めてもよい。また、この場合にも、隣接する空孔同士が分離する（重ならない）ように、rmaxを設定することが望ましい。
(5) 本発明に係る光電変換装置の第１実施例
　図１１及び図１２を用いて、本発明に係る光電変換装置の第１実施例を説明する。
　本実施例の光電変換装置３０は、図１１に示すように、上記第１実施例のフォトニック結晶１０を板状の透明電極３２１及び板状の裏面電極３２２で挟んだものである。
　上記のように、フォトニック結晶１０を構成する第１板状部材１２Ａはp型シリコン半導体から成り、第２板状部材１２Ｂはn型シリコン半導体から成るため、このフォトニック結晶１０は、導電性のスペーサ層１５を挟んだpn接合から成る光電変換層３１として機能する。この光電変換層は、空気中における波長が約600～1100nm、周波数が2.7×1014～5.0×1014Hzの範囲内の光を吸収して電流に変換することができるものである。第１板状部材１２Ａの厚みd1は700nm、第２板状部材１２Ｂの厚みd2は300nmとした。空孔１３は、第１ＰＣ構造形成体１１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体１１Ｂのいずれにおいても、高さhが260nm、半径が200nm、正方格子の周期長aが700nmである。スペーサ層１５の厚みd0は230nmである。スペーサ層１５及び透明電極３２１は、上記周波数範囲内の光に対して透明なITOから成り、裏面電極３２２は銀から成る。
　第１実施例の光電変換装置３０は、周波数が上記範囲内にある光が透明電極３２１側から光電変換層３１内に入射すると、光電変換層３１であるフォトニック結晶１０における多数の共振周波数に対応した周波数の光による定在波がフォトニック結晶１０内に形成される。これにより、それら共振周波数の光が光電変換層３１内に留まり易くなり、光電変換層３１に吸収されて電流に変換され易くなる。その結果、光電変換効率が高まる。ここで、第１実施例の光電変換装置３０は、ＰＣ構造形成体が複数（２つ）設けられているため、同様のＰＣ構造形成体を１つだけ設けた場合よりも共振周波数の数が多く、それゆえ光電変換効率を高めることができる。
　図１２(a)に、第１実施例の光電変換装置３０につき、太陽光を入射させた場合における、光電変換層３１の光の吸収率を計算した結果を、空気中における光の波長を横軸としたグラフで示す。図１２(a)には併せて、比較例として、フォトニック結晶ではなく、光入射面にランバーシアンテクスチャ（Lambertian texture）と呼ばれる凹凸が設けられた太陽電池（比較例１）と、フォトニック結晶及びランバーシアンテクスチャのいずれも設けられていない太陽電池（比較例２）における光の吸収率のグラフを示す。ここで、第１実施例、比較例１及び２では、光電変換層を構成する半導体材料やその量を等しくすることにより、フォトニック結晶の空孔やテクスチャ構造の有無以外の、光の吸収に関する条件を等しくした。図１２(a)より、対象とする波長帯の全体に亘って吸収率のグラフを積分したうえで規格化することにより求められる積分吸収率が、比較例１では43.0％、比較例２では10.2％であるのに対して、第１実施例では48.8％という、２つの比較例よりも高い値が得られた。
　さらに、第１実施例の光電変換装置３０につき、フォトニック結晶１０で吸収された光を、第１ＰＣ構造形成体１１Ａにおいて吸収された光（図１２(b)）と、第２ＰＣ構造形成体１１Ｂにおいて吸収された光（図１２(c)）に分けて、吸収率をグラフに示す。これらのグラフ内に縦方向の矢印で示した複数の波長において、第１ＰＣ構造形成体１１Ａではほとんど吸収されず、第２ＰＣ構造形成体１１Ｂにおいて高い効率で吸収されることがわかる。すなわち、第１実施例では、ＰＣ構造形成体が１つ（第１ＰＣ構造形成体１１Ａ）のみである場合よりも、吸収率の高い波長（共振波長、共振周波数）の数を多くすることができ、それにより、光電変換層３１の全体としての吸収率も高めることができる。
　図１３に、第１実施例の光電変換装置の変形例として、上記変形例４のフォトニック結晶１０Ｄを用いた光電変換装置３０Ａ、及びフォトニック結晶１０Ｅを用いた光電変換装置３０Ｂを示す。これらの光電変換装置３０Ａ、３０Ｂでは、第１ＰＣ構造形成体１１Ａと第２ＰＣ構造形成体１１Ｂは、前述のようにいずれもp型半導体層とn型半導体を積層した構成を有し、それぞれ独立に光電変換装置として機能する。そして、光電変換装置３０Ａでは、独立した２つの光電変換装置をスペーサ層１５が直列に接続する役割を有する。一方、光電変換装置３０Ｂでは、スペーサ層１５中の第１導電体層１５１は第１ＰＣ構造形成体１１Ａに、第２導電体層１５２は第２ＰＣ構造形成体１１Ｂに、それぞれ電流を注入する電極としての役割を有する。また、絶縁体層１５３は、２つの光電変換層を電気的に分離する役割を有する。
(6) 本発明に係る光電変換装置の第２実施例
　図１４～図１６を用いて、本発明に係る光電変換装置の第２実施例を説明する。
　第２実施例の光電変換装置４０は、図１４に示すように、上記第２実施例のフォトニック結晶２０を板状の透明電極４２１及び板状の裏面電極４２２で挟んだものである。透明電極４２１及び裏面電極４２２の材料は、第１実施例の光電変換装置で用いたものと同じである。
　本実施例では、第１ＰＣ構造形成体２１Ａ及び第２ＰＣ構造形成体２１Ｂにおける最大ずれ量Δpmaxが1以下の複数の値において、波長毎の吸収率、及び積分吸収率を計算で求めた。本実施例では、最大ずれ量Δpmaxの値は、空孔の周期長に対する比で表す。最大ずれ量Δpmax以外の条件は、第１実施例の光電変換装置と同様である。
　図１５に、最大ずれ量Δpmaxが0.1～0.5の範囲内で、波長毎の吸収率を求めたグラフを示す。このグラフには複数のピークが見られる。第１実施例（図１２(a)）と比較すると、本実施例では鋭いピークトップは見られない一方、ピークの幅が広く、計算を行った波長範囲に全体に亘って、特定の波長において吸収率が落ち込むことが無い。
　図１６に、第２実施例における積分吸収率と最大ずれ量Δpmaxの関係をグラフに示す。このグラフには、Δpmax＝0、すなわち第１実施例における積分吸収率も併せて示す。また、比較のために、ＰＣ構造形成体が１層のみである場合についても計算を行った結果を示す。このグラフより、全てのΔpmaxの範囲に亘って、ＰＣ構造形成体が１層のみの場合よりも本実施例の方が、積分吸収率が高くなっている。また、Δpmaxが0.4以下のときに、第１実施例よりも積分吸収率が高くなっている。
(7) 本発明に係る回折素子の実施例
　本発明のフォトニック結晶は、そのまま、回折効果を用いた光取り出し素子として用いることができる。ここでは、図１７を参照しつつ、本発明に係る回折素子を用いる具体例として、導光板５０について説明する。導光板５０は、例えば液晶ディスプレイにおいて、エッジライト型のバックライトユニットに用いられるものである。エッジライト型のバックライトユニットでは一般に、液晶ディスプレイのパネルの側部に設けられた光源から、導光板を介してパネルの背面全体に光を供給し、該背面からパネル全体に照明光を照射する。
　本実施例の導光板５０は、図１７に示すように、フォトニック結晶１０に、スペーサ層１５とは反対側の第２ＰＣ構造形成体１１Ｂの面に反射板５２を設けた構成を有する。但し、本実施例では、第１板状部材１２Ａ及び第２板状部材１２Ｂには、可視光を吸収し難い材料であるアクリル等のプラスチックやガラス等を用いる。この構成において、フォトニック結晶１０が回折素子５１の役割を有する。導光板５０の側部には、回折素子５１内に導入される可視光の光源６１が設けられる。なお、光源６１は、導光板５０の構成要素ではないが、導光板５０と合わせてバックライトユニットを構成する。
　本実施例の導光板５０では、光源６１から可視光が回折素子５１内に導入されると、フォトニック結晶１０の共振周波数に対応する多数の周波数において光の定在波が形成される。それら定在波はやがて、空孔１３により散乱され、フォトニック結晶１０の２つの面からフォトニック結晶１０の外に放出される。ここで、反射板５２が設けられた側に放出された光は反射板５２により反射されるため、放出光はいずれも、反射板５２が設けられた側とは反対側の面から導光板５０の外に放出される。
　本実施例の導光板５０では、フォトニック結晶１０の共振周波数に対応する多数の周波数の光を高い確率で散乱させることができるため、バックライトの発光の効率を高めることができる。
１０、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、２０…フォトニック結晶
１１Ａ、２１Ａ…第１フォトニック結晶（ＰＣ）構造形成体
１１Ｂ、２１Ｂ…第２フォトニック結晶（ＰＣ）構造形成体
１１Ｃ…第３フォトニック結晶（ＰＣ）構造形成体
１２Ａ…第１板状部材
１２ＡＮ…第１n型半導体層
１２ＡＰ…第１p型半導体層
１２Ｂ…第２板状部材
１２ＢＮ…第１n型半導体層
１２ＢＰ…第１p型半導体層
１３、２３…空孔
１５、２５…スペーサ層
１５１…第１導電体層
１５２…第２導電体層
１５３…絶縁体層
３０、３０Ａ、４０…光電変換装置
３１…光電変換層
３２１、４２１…透明電極
３２２、４２２…裏面電極
５０…導光板
５１…回折素子
５２…反射板

Claims (11)

  1. 　所定の周波数範囲内にある複数の周波数の光に共振するフォトニック結晶であって、
    　板状部材内に周期的な屈折率分布が形成されているフォトニック結晶構造形成体が複数、該板状部材の厚み方向に互いに離間して設けられており、
    　前記複数のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つが、前記周波数範囲内にある少なくとも２つの周波数の光に共振し、該２つの周波数が他のフォトニック結晶構造形成体のうちの少なくとも１つにおける共振周波数と異なるように、前記複数のフォトニック結晶構造形成体の屈折率分布が設定されている
    ことを特徴とするフォトニック結晶。
  2. 　前記フォトニック結晶構造形成体の数が２であることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶。
  3. 　前記フォトニック結晶構造形成体の周期的な屈折率分布が、前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点に配置されることにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶。
  4. 　各異屈折率領域の平面形状が最小値と最大値の間でランダムな大きさを有するように、前記フォトニック結晶構造形成体の周期的な屈折率分布が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶。
  5. 　前記板状部材とは屈折率が異なる異屈折率領域が該板状部材に平行な２次元格子の各格子点から該板状部材に平行に、最大ずれ量Δpmax（≠0）以下のずれ量Δpだけランダムにずれて配置されることにより、前記フォトニック結晶構造形成体の周期的な屈折率分布が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載のフォトニック結晶を有することを特徴とする、所定の周波数範囲内の複数の周波数における光の共振を利用した光機能デバイス。
  7. 　所定の周波数範囲の光を電力に変換する、半導体から成る光電変換層が１対の電極の間に設けられた光電変換装置であって、前記光電変換層内に請求項１～５のいずれかに記載のフォトニック結晶が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
  8. 　各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体を接合したものに形成されており、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が、導電体から成るスペーサ層により離間されていることを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
  9. 　前記フォトニック結晶構造形成体の数が２であって、一方のフォトニック結晶構造形成体がp型半導体に形成され、他方のフォトニック結晶構造形成体がn型半導体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
  10. 　各フォトニック結晶構造形成体がp型半導体とn型半導体を接合したものに形成されており、隣接する２つのフォトニック結晶構造形成体が、第１導電体層、絶縁体層、第２導電体層をこの順に積層したスペーサ層により離間されていることを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
  11. 　所定の周波数範囲の光を散乱させる回折素子であって、請求項１～５のいずれかに記載のフォトニック結晶を有することを特徴とする回折素子。
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