JP5489626B2 - Photoelectric conversion element and photoelectric conversion method - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換素子および光電変換方法に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion method.
光検出器や太陽光発電機などに、入射した光によって電子を励起する光電変換素子が用いられている。これらの光検出器や太陽光発電機において、検出感度を高くしたり、発電量を増やしたりするには、光子1つから複数の励起子を生成して量子効率の向上が望まれている。この光子1つから2つの励起子を生成する技術は、例えば非特許文献1に記載されている。 Photoelectric conversion elements that excite electrons by incident light are used in photodetectors and solar power generators. In these photodetectors and solar power generators, in order to increase the detection sensitivity and increase the amount of power generation, it is desired to improve quantum efficiency by generating a plurality of excitons from one photon. A technique for generating two excitons from one photon is described in Non-Patent Document 1, for example.
しかしながら、光子1つから2つの励起子を生成するだけでは十分でなく、光子1つからさらに多くの励起子を生成することが望まれている。 However, it is not sufficient to generate two excitons from one photon, and it is desired to generate more excitons from one photon.
本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、量子効率の高い光電変換素子および光電変換方法を提供することを目的とする。 The present invention has been conceived under the above circumstances, and an object thereof is to provide a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion method with high quantum efficiency.
本発明の光電変換素子は、バンドギャップと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差と、が同じである第1の量子井戸を有している、複数の励起領域と、1つの前記第1の量子井戸の電子準位から他の前記第1の量子井戸の励起準位に共鳴トンネル現象で電子を導く複数の第2の量子井戸を有している、少なくとも1つのトンネル領域と、を有しており、前記励起領域と、前記トンネル領域と、が交互に重なるように設けられている。 The photoelectric conversion element of the present invention includes a plurality of excitation regions having a first quantum well in which a band gap and an energy difference between an electron level and an excitation level are the same, and one At least one tunnel region having a plurality of second quantum wells that guide electrons from the electron level of the first quantum well to the excitation level of the other first quantum well by resonant tunneling; , And the excitation region and the tunnel region are provided so as to alternately overlap.
本発明の光電変換方法は、第1の量子井戸にバンドギャップ以上の光エネルギを入射して、電子を電子準位以上の準位に励起する第1の工程と、励起した電子を、前記第1の量子井戸に隣り合っている複数の第2の量子井戸を介して、他の第1量子井戸の励起準位に共鳴トンネル現象で導く第2の工程と、前記他の第1の量子井戸に導かれた電子を、伝導体内の準位間のエネルギの差が当該他の第1の量子井戸のバンドギャップと同じになるように、励起状態から電子準位に緩和させるとともに、当該緩和の際に放出される放出エネルギで別の電子を励起する第3の工程と、を有する。 The photoelectric conversion method of the present invention includes a first step of injecting light energy of a band gap or more into a first quantum well to excite electrons to a level higher than an electron level, A second step of leading to an excitation level of the other first quantum well by a resonant tunneling phenomenon through a plurality of second quantum wells adjacent to the one quantum well ; and the other first quantum well. The electrons guided to the electron level are relaxed from the excited state to the electron level so that the energy difference between the levels in the conductor is the same as the band gap of the other first quantum well. And a third step of exciting another electron with the emitted energy.
本発明によれば、量子効率の高い光電変換素子および光電変換方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a photoelectric conversion element and a photoelectric conversion method with high quantum efficiency can be provided.
<光電変換素子>
図1および図2に示した光電変換素子10は、p型半導体層20と、n型半導体層30と、光電変換層40と、を備えている。
<Photoelectric conversion element>
The
p型半導体層20およびn型半導体層30は、互いの間にエネルギーバンドを形成するためのものである。このp型半導体層20およびn型半導体層30は、光電変換層40の設計の自由度を高めるため、互いのバンドギャップが大きいものが好ましい。このp型半導体層20およびn型半導体層30としては、例えば窒化物半導体に種々の不純物材料を添加したものが用いられる。この窒化物半導体としては、例えばGaN(窒化ガリウム),AlN(窒化アルミニウム),InN(窒化インジウム),BN(窒化ホウ素)を採用したもの、これらの混晶、および窒素元素の一部をP(リン),As(ヒ素),Sb(アンチモン)で置換したものが挙げられる。p型不純物としては、例えばBe(ベリリウム),Zn(亜鉛),Mn(マンガン),Cr(クロム),Mg(マグネシウム),Ca(カルシウム),Canion(炭素)などの元素が挙げられ、n型不純物としては、例えばSi(シリコン),Ge(ゲルマニウム),Sn(錫),S(硫黄),O(酸素),Ti(チタン),Zr(ジルコニウム),Ccation(炭素)などのIV族、VI族の元素が挙げられる。
The p-
光電変換層40は、多重量子井戸構造を有するものであり、井戸層41と、障壁層42と、を含んで構成されている。この光電変換層40では、井戸層41と、障壁層42と、が複数回交互に積層して設けられている。この光電変換層40では、2つの障壁層42で井戸層41を挟むことで、量子井戸構造を形成している。
The
井戸層41は、量子井戸構造における井戸部分として機能するものである。この井戸層41としては、多くの量子井戸構造を設けるため、バンドギャップEgが小さくなるように形成できるものが好ましい。この井戸層41の形成材料としては、例えばInGaN,InAlGaN,およびInGaNとInAlGaNとのNをAs,Sb,Pで置換したものが挙げられる。この井戸層41は、少なくとも3つ以上設けられている。この井戸層41の厚みは、所望のバンドギャップEgの大きさに応じて適宜設定される。
The well
障壁層42は、量子井戸構造における障壁として機能するものである。この障壁層42としては、量子井戸構造における障壁として機能させるべく、井戸層41に比べてバンドギャップが大きいものが採用される。この障壁層42の形成材料としては、例えばAlGaN,BN,AlNが挙げられる。この障壁層42は、少なくとも4つ以上設けられている。この障壁層42の厚みは、所望のバンドギャップの大きさに応じて適宜設定される。
The
本実施例の光電変換層40は、励起領域40aと、トンネル領域40bと、を有している。この励起領域40aと、トンネル領域40bとは、交互に重なって設けられている。
The
この励起領域40aは、励起子としての電子を励起する領域である。この光電変換層40aは、1つの井戸層41と、当該1つの井戸層41に上下に重なって設けられている2つの障壁層42と、で構成されている。
The
本実施例の励起領域40aでは、量子井戸のバンドギャップEgと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差Edと、が等しくなるように構成されている。このように、量子井戸のバンドギャップEgと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差Edと、を等しくすることによって、励起準位に励起している電子(励起子)を電子準位に緩和した際に、新たな電子(励起子)を励起することができる。つまり、励起子の数を増やすことができる。
In
このトンネル領域40bは、励起子としての電子を共鳴トンネル現象によって、1つの量子井戸から次の量子井戸に導く領域である。このトンネル領域40bで導かれた電子は、1つの量子井戸の電子準位から次の量子井戸の励起準位に移動することとなる。このトンネル領域40bは、複数の障壁層42と、当該複数の障壁層42の各々の間にそれぞれ1つずつ設けられている複数の井戸層41と、を有している。このトンネル領域40bでは、共鳴トンネル領域を生じさせるため、フェルミレベルが一定になるように構成されている。
The
<光電変換方法>
図3に示した光電変換方法では、まず、図3(a)に示したように、励起領域40aに光を入射して、励起子としての電子を励起する。
<Photoelectric conversion method>
In the photoelectric conversion method shown in FIG. 3, first, as shown in FIG. 3A, light is incident on the
次に、図3(b)に示したように、励起した電子を共鳴トンネル現象によって、トンネル領域40bを通じて他の励起領域40aに導く。この他の励起領域40aに電子を導く際に、導かれた電子が他の励起領域40aの励起準位になるようにする。
Next, as shown in FIG. 3B, the excited electrons are guided to another
次に、図3(c)に示したように、他の励起領域40aに導かれた電子を励起準位から電子準位に緩和させる。この準位緩和の際に、放出される放出エネルギを用いて、当該励起領域40aに励起子として別の電子を励起する。このようにして励起子を増やすことができる。
Next, as shown in FIG. 3C, the electrons guided to the
次に、励起されている2つの電子を共鳴トンネル現象によって、トンネル領域40bを通じて共鳴トンネル現象によって、他の励起領域40aから更に他の励起領域40aに導く。この更に他の励起領域40aに導かれた電子を励起準位から電子準位に緩和させる。この準位緩和の際に、放出される放出エネルギを用いて、当該励起領域40aに励起子として更に別の電子を励起する。このように励起領域40aおよびトンネル領域40bを多段で接続することによって、更に励起子を増やすことができる。
Next, the two excited electrons are guided from the
以上、本発明の具体的な実施形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の要旨から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。 While specific embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
本実施例では、励起子としての電子を励起領域40aに励起する際に、電子を電子準位に励起したが、このようなものに限るものではない。例えば、図4に示したように当該励起領域40aのバンドギャップEgの2倍以上のエネルギを有する光を入射して、電子を励起準位に励起しても良い。このとき、量子井戸のバンドギャップEgと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差Edと、を等しくすることによって、2つの電子を励起してもよい。このようにすることで、より多くの励起子を励起することができる。また、例えば太陽光のように複数の波長成分を含む光を入射することで、より多くの励起子を励起することができる。
In the present embodiment, when the electrons as excitons are excited in the
本実施例では、光電変換層40を構成する井戸層41および障壁層42をバンドギャップEgの大きさに応じて厚み設定しているが、バンドギャップEgの大きさに応じて井戸層41および障壁層42のいずれかの組成が異なっていてもよい。また、井戸層41および障壁層42の厚みは、当該井戸層41および障壁層42の厚みに応じて定まる常数を基に、例えばシュレディンガーの波動方程式などを利用して計算することによって、大凡の値を算出することができる。
In this embodiment, according to the
本発明の光電変換素子および光電変換方法は、励起した1つの励起子を利用して複数の励起子を励起することができるので、量子効率が高い。そのため、励起子を用いる種々のデバイスで利用可能であり、産業上の利用可能性が非常に高い。 Since the photoelectric conversion element and photoelectric conversion method of the present invention can excite a plurality of excitons using one excited exciton, the quantum efficiency is high. Therefore, it can be used in various devices using excitons, and the industrial applicability is very high.
10・・・光電変換素子
20・・・p型半導体層
30・・・n型半導体層
40・・・光電変換層
40a・・・励起領域
40b・・・トンネル領域
41・・・井戸層
42・・・障壁層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
1つの前記第1の量子井戸の電子準位から他の前記第1の量子井戸の励起準位に共鳴トンネル現象で電子を導く複数の第2の量子井戸を有している、少なくとも1つのトンネル領域と、を有しており、
前記励起領域と、前記トンネル領域と、が交互に重なって設けられている、ことを特徴とする光電変換素子。 A plurality of excitation regions having a first quantum well in which the band gap and the energy difference between the electron level and the excitation level are the same;
At least one tunnel having a plurality of second quantum wells that guide electrons from the electron level of one first quantum well to the excitation level of the other first quantum well by a resonant tunneling phenomenon An area, and
The photoelectric conversion element, wherein the excitation region and the tunnel region are alternately overlapped.
井戸層と、該井戸層に比べてバンドギャップの大きい障壁層と、が交互に積層されて設けられている、ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 The excitation region and the tunnel region are provided between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer,
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the well layers and the barrier layers having a larger band gap than the well layers are alternately stacked.
励起した電子を、前記第1の量子井戸に隣り合っている複数の第2の量子井戸を介して、他の第1の量子井戸の励起準位に共鳴トンネル現象で導く第2の工程と、
前記他の第1の量子井戸に導かれた電子を、伝導帯内の準位間のエネルギの差が当該他の第1の量子井戸のバンドギャップと同じになるように、励起状態から電子準位に緩和させるとともに、当該緩和の際に放出される放出エネルギで別の電子を励起する第3の工程と、を有する、ことを特徴とする光電変換方法。 A first step of injecting light energy of a band gap or more into the first quantum well to excite electrons to a level of an electron level or higher;
A second step of guiding excited electrons to an excitation level of another first quantum well through a plurality of second quantum wells adjacent to the first quantum well by a resonant tunneling phenomenon;
Electrons guided to the other of the first quantum well, so that the difference of energy between the levels in the conduction band is the same as the band gap of the other first quantum well, electron levels from the excited state And a third step of exciting another electron with the emission energy released during the relaxation, and a photoelectric conversion method.
当該励起した電子を、伝導帯内の準位間のエネルギの差が当該第1の量子井戸のバンドギャップと同じになるように、励起準位から電子準位に緩和させるとともに、当該緩和の際に放出される放出エネルギで別の電子を励起する、ことを特徴とする請求項3または4に記載の光電変換方法。 In the first step, after the light energy more than twice the band gap is incident on the first quantum well to excite electrons to the excitation level,
The excited electrons are relaxed from the excited level to the electron level so that the energy difference between the levels in the conduction band is the same as the band gap of the first quantum well. 5. The photoelectric conversion method according to claim 3, wherein another electron is excited by the emission energy emitted to the substrate.
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