JP5489626B2

JP5489626B2 - 光電変換素子および光電変換方法

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Publication number: JP5489626B2
Application number: JP2009230277A
Authority: JP
Inventors: 千秋堂本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-10-02
Also published as: JP2011077474A

Description

本発明は、光電変換素子および光電変換方法に関する。

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。

Arthur J. Nozik，"Multiple exciton generation in semiconductor 1uantum dots"，Chemical Physics Letters 457 (2008) p3-11

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の光電変換素子の実施形態の一例の概略構成を示す断面図である。図１に示した光電変換素子のエネルギーバンドを示す概念図である。本発明の光電変換方法の実施形態の一例を示す概念図である。本発明の光電変換方法の実施形態の他の例を示す概念図である。

＜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。

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），Ｃ_{ａｎｉｏｎ}（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），Ｃ_{ｃａｔｉｏｎ}（炭素）などのＩＶ族、ＶＩ族の元素が挙げられる。

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。

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Ｅ_ｇ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Ｅ_ｇの大きさに応じて適宜設定される。

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。

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。

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。

本実施例の励起領域４０ａでは、量子井戸のバンドギャップＥ_ｇと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差Ｅ_ｄ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Ｅ_ｇと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差Ｅ_ｄ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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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Ｅ_ｇ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Ｅ_ｇと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差Ｅ_ｄ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。

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Ｅ_ｇの大きさに応じて厚み設定しているが、バンドギャップＥ_ｇ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。

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。

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

Claims

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、が交互に重なって設けられている、ことを特徴とする光電変換素子。
前記励起領域および前記トンネル領域は、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の間に設けられており、
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。
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。
前記第１の工程において、第１の量子井戸のバンドギャップと、電子準位および励起準位の間のエネルギの差と、を同じにして、電子を電子準位以上の準位に励起する、ことを特徴とする請求項３に記載の光電変換方法。
前記第１の工程の際に、第１の量子井戸にバンドギャップの２倍以上の光エネルギを入射して、電子を励起準位に励起した後に、
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。
前記第１の工程の後に、前記第２の工程および前記第３の工程を複数回繰り返す、ことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の光電変換方法。
前記第１の量子井戸のバンドギャップは、前記他の第１の量子井戸のバンドギャップと等しい、ことを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の光電変換方法。
前記第１の工程の際に、複数の波長成分を含む光を入射して、電子を励起する、ことを特徴とする請求項３から７のいずれかに記載の光電変換方法。