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JP2015141969A - Light receiving element and solar cell provided with light receiving element - Google Patents

Light receiving element and solar cell provided with light receiving element Download PDF

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JP2015141969A JP2014013218A JP2014013218A JP2015141969A JP 2015141969 A JP2015141969 A JP 2015141969A JP 2014013218 A JP2014013218 A JP 2014013218A JP 2014013218 A JP2014013218 A JP 2014013218A JP 2015141969 A JP2015141969 A JP 2015141969A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-receiving element which enables the manufacturing of a device (e.g. solar battery) superior in carrier extraction efficiency.SOLUTION: A light-receiving element comprises: a p-type semiconductor layer; an n-type semiconductor layer; and a first superlattice semiconductor layer and a second superlattice semiconductor layer which are disposed between the p-type and n-type semiconductor layers. The first and second superlattice semiconductor layers each have a superlattice structure arranged by repeatedly laminating a barrier layer and a quantum dot layer including quantum dots so that they are alternated. The band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure, whereas that of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure. In the superlattice structure of each of the first and second superlattice semiconductor layers, superlattice mini bands are formed according to conduction band quantum levels of the quantum dot layers included in the superlattice structure. The lower end energy of the first superlattice mini band of the conduction band of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is smaller than the lower end energy of the first superlattice mini band of the conduction band of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer.

Description

本発明は、受光素子および受光素子を備えた太陽電池に関し、好適には量子ドット層を含む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。   The present invention relates to a light receiving element and a solar cell including the light receiving element, and preferably relates to a light receiving element including a quantum dot layer and a solar cell including the light receiving element.

受光素子を備えたデバイスの一例である太陽電池に対しては、より広い波長範囲の光を利用して光電変換効率を高めるということを目的とした種々の研究開発が行われている。たとえば、量子ドット技術の利用により母体材料の価電子帯、伝導帯間に超格子ミニバンドが形成され、超格子ミニバンドを介することで電子が二段階で光励起され、よって、長波長の光を利用することができるという太陽電池が提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、または非特許文献２など）。   Various research and development have been conducted on solar cells, which are an example of a device including a light receiving element, for the purpose of increasing photoelectric conversion efficiency by using light in a wider wavelength range. For example, by using quantum dot technology, a superlattice miniband is formed between the valence band and conduction band of the base material, and through the superlattice miniband, electrons are photoexcited in two stages, and thus long wavelength light is Solar cells that can be used have been proposed (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Non-Patent Document 1, or Non-Patent Document 2).

このような量子ドットを含む太陽電池は、化合物太陽電池のｉ型半導体層を構成する母体半導体中に量子ドットを含む量子ドット層を挿入したものである。母体半導体中に量子ドット層を挿入することにより、量子ドット層間の電子的結合が形成され、よって、超格子ミニバンドが形成される。超格子ミニバンドを介した二段階の光励起により、未利用だった波長域の光吸収（母体半導体材料のバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。量子ドットで生成されたキャリアは、超格子ミニバンド中を移動し、光励起によって外部に取り出される。   Such a solar cell including quantum dots is obtained by inserting a quantum dot layer including quantum dots into a base semiconductor constituting an i-type semiconductor layer of a compound solar cell. By inserting a quantum dot layer into the base semiconductor, an electronic coupling between the quantum dot layers is formed, thus forming a superlattice miniband. By two-stage photoexcitation via the superlattice miniband, light absorption in an unused wavelength region (absorption of photons having energy smaller than the band gap of the base semiconductor material) is possible, and the photocurrent can be increased. Carriers generated by the quantum dots move in the superlattice miniband and are extracted outside by photoexcitation.

特開２００６−１１４８１５号公報JP 2006-114815 A 特表２０１０−５０９７７２号公報Special table 2010-509772

ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年PHYSICAL REVIEW LETTERS, 97, 247701, 2006 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ、８２巻、１９５３２１ページ、２０１０年PHYSICAL REVIEW B, 82, 195321, 2010

現在、量子ドット層を挿入した太陽電池においては、その太陽電池が有する量子ドット層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。   Currently, in a solar cell in which a quantum dot layer is inserted, the extraction efficiency of carriers generated in the quantum dot layer of the solar cell is extremely low, and the photoelectric conversion efficiency is sluggish.

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。   This invention is made | formed in view of such a situation, The place made into the objective is providing the light receiving element which can produce the device (solar cell etc.) excellent in the taking-out efficiency of a carrier.

本発明は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の間に配置される第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層とを備え、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層は、それぞれ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し、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の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、第１の超格子半導体層の超格子構造および第２の超格子半導体層の超格子構造は、それぞれの超格子構造を構成する量子ドット層の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成し、第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが、第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーよりも小さい受光素子である。   The present invention includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a first superlattice semiconductor layer and a second superlattice semiconductor layer disposed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, Each of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer has a superlattice structure in which barrier layers and quantum dot layers including quantum dots are alternately and repeatedly stacked, and the first superlattice semiconductor layer The band structure of the superlattice structure is a type I structure, the band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure, the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer, and the second The superlattice structure of the superlattice semiconductor layer forms a superlattice miniband by the conduction band quantum levels of the quantum dot layers constituting each superlattice structure, and the conduction band of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer. The lower energy of the first superlattice miniband is Of a small light receiving element from the lower end energy of conduction band first superlattice miniband of the superlattice structure of the superlattice semiconductor layer.

本発明の受光素子において好ましくは、第２の超格子半導体層がｎ型半導体層側に配置される。   In the light receiving element of the present invention, the second superlattice semiconductor layer is preferably arranged on the n-type semiconductor layer side.

本発明の受光素子において好ましくは、第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとは少なくとも一部が重なる、または、第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとの間のエネルギーギャップの大きさが、第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す）の総和以下である。   In the light receiving element of the present invention, preferably, the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer and the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer are Between a superlattice miniband formed in the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer and a superlattice miniband formed in the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer at least partially overlapping The energy gap is less than or equal to the sum of the LO phonon energy of the barrier layer material of the first superlattice semiconductor layer and the thermal energy kT at room temperature (k is Boltzmann's constant and T is the absolute temperature).

本発明の受光素子において好ましくは、第１の超格子半導体層は、Ｇａ、ＩｎおよびＡｓからなり、第２の超格子半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂからなる。   In the light receiving element of the present invention, preferably, the first superlattice semiconductor layer is made of Ga, In, and As, and the second superlattice semiconductor layer is made of Ga, In, As, and Sb.

本発明の受光素子において好ましくは、ＧａＡｓからなる基板上に、ｐ型半導体層、第１の超格子半導体層、第２の超格子半導体層およびｎ型半導体層が前記の順に積層される。   In the light receiving element of the present invention, the p-type semiconductor layer, the first superlattice semiconductor layer, the second superlattice semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer are preferably stacked in this order on a GaAs substrate.

本発明に係る太陽電池は、本発明の受光素子を備える。   The solar cell according to the present invention includes the light receiving element of the present invention.

本発明によれば、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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light receiving element which can produce a device (solar cell etc.) excellent in the taking-out efficiency of a carrier can be provided.

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。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the solar cell provided with the light receiving element which concerns on Embodiment 1 of this invention. １種類の超格子半導体層を用いた場合に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介した光励起によるキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。It is the schematic band figure which showed extraction of the carrier by optical excitation through the conduction band 1st superlattice miniband formed when one type of superlattice semiconductor layer was used. 本発明の実施形態１における超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介した光励起によるキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。It is the schematic band figure which showed extraction of the carrier by optical excitation through the conduction band 1st superlattice miniband formed in the superlattice semiconductor layer in Embodiment 1 of this invention. 実験例１により計算された第１の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である。It is the potential distribution before the distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 1st superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 1. FIG. 実験例１により計算された第２の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である。It is the potential distribution before the distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 1. FIG. 実験例１により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 1st superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 1. FIG. 実験例１により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 1. FIG. 実験例１により計算された価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。6 is a graph showing calculation results of optical absorptance in transition from a valence band calculated in Experimental Example 1 to a conduction band first superlattice miniband and a conduction band second superlattice miniband. 実験例１により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。6 is a graph showing a calculation result of optical absorptance in a transition from a conduction band first superlattice miniband calculated in Experimental Example 1 to a superlattice miniband having a conduction band second or higher. 比較実験例１により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the conduction band 1st superlattice miniband calculated by the comparative experiment example 1 to the superlattice miniband more than the 2nd conduction band. 実験例２により計算された第２の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である。It is the potential distribution before the distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 2. FIG. 実験例２により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 2. FIG. 実験例２により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the conduction band 1st superlattice miniband calculated by the experiment example 2 to the superlattice miniband more than the 2nd conduction band. 実験例３により計算された第１の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である。It is the potential distribution before the distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 1st superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 3. FIG. 実験例３により計算された第２の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である。It is the potential distribution before distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 3. FIG. 実験例３により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 1st superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 3. FIG. 実験例３により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 3. FIG. 実験例３により計算された価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。10 is a graph showing calculation results of optical absorptance in transition from a valence band calculated in Experimental Example 3 to a conduction band first superlattice miniband and a conduction band second superlattice miniband. 実験例３により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the conduction band 1st superlattice miniband calculated by the experiment example 3 to the superlattice miniband more than the conduction band 2nd. 比較実験例３により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the conduction band 1st superlattice miniband calculated by the comparative experiment example 3 to the superlattice miniband more than the 2nd conduction band. 実験例４により計算された第１の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である。It is the potential distribution before the distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 1st superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 4. FIG. 実験例４により計算された第２の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である。It is the potential distribution before the distortion consideration in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by Experimental example 4. 実験例４により計算された第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 1st superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 4. FIG. 実験例４により計算された第２の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造である。It is the miniband structure in the conduction band of the 2nd superlattice semiconductor layer calculated by the experiment example 4. FIG. 実験例４により計算された価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the valence band calculated by Experimental example 4 to the 1st superlattice miniband of a conduction band and the 2nd or more superlattice miniband of a conduction band. 実験例４により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the conduction band 1st superlattice miniband calculated by the experiment example 4 to the superlattice miniband more than the 2nd conduction band. 比較実験例４により計算された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遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the optical absorptance in the transition from the conduction band 1st superlattice miniband calculated by the comparative experiment example 4 to the superlattice miniband more than the 2nd conduction band.

以下、図面を参照して本発明の受光素子および太陽電池について詳細に説明する。なお、本発明の図面において、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。   Hereinafter, a light receiving element and a solar cell of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. In addition, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.

ここで、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。 Here, a brief description will be added to the terms used in this specification.
The “superlattice semiconductor layer” has a superlattice structure in which a barrier layer and a quantum dot layer are repeatedly stacked a plurality of times. Both the barrier layer and the quantum dot layer are made of a compound semiconductor material. The barrier layer has a larger band gap energy than the quantum dot layer.

「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。   The “superlattice structure” means that the periodic structure is made of a crystal lattice longer than the basic unit lattice by superimposing a plurality of types of crystal lattices.

「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。   A “quantum dot” is a semiconductor fine particle having a particle size of 100 nm or less, and is a fine particle surrounded by a semiconductor material having a larger band gap than the semiconductor material constituting the quantum dot.

「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。   The “quantum dot layer” is a layer including a quantum dot and a base semiconductor material having a larger band gap than a semiconductor material constituting the quantum dot.

「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。   The “barrier layer” is a layer made of a base semiconductor material having a larger band gap than the semiconductor material constituting the quantum dots, and does not include quantum dots.

「タイプＩ構造」とは、異なる半導体材料が交互に積層された構造で、バンドギャップの小さい材料の伝導帯および価電子帯が、バンドギャップの大きい材料の伝導帯および価電子帯で挟まれたバンド構造である。その結果、電子および正孔がバンドギャップの小さい材料側に閉じ込められ、吸収および発光の効率は高い。   “Type I structure” is a structure in which different semiconductor materials are stacked alternately, and the conduction band and valence band of a material with a small band gap are sandwiched between the conduction band and valence band of a material with a large band gap. Band structure. As a result, electrons and holes are confined on the material side having a small band gap, and the efficiency of absorption and emission is high.

「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。タイプＩ構造と比較して吸収および発光の効率は低いが、キャリアの寿命は長くなる。   The “type II structure” is a structure in which different semiconductor materials are alternately stacked, and the band discontinuity is a band structure in which the sign is different between the valence band and the conduction band. As a result, electrons and holes are confined on different material sides and spatially separated. Although the absorption and emission efficiencies are low compared to the type I structure, the lifetime of the carriers is increased.

「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。   The “superlattice miniband” refers to a band formed by overlapping the wave functions exuded from the quantum dots and bundling the discrete energy levels of each quantum dot. At least a part of the superlattice miniband is formed between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of the barrier layer.

「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。 “Quantum level” refers to the discrete energy level of an electron.
The “conduction band first superlattice miniband” means a superlattice miniband formed by the ground level on the conduction band side of the superlattice structure.

「伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギー」は、伝導帯第一超格子ミニバンドの最小エネルギーを意味する。   “Lower energy of the conduction band first superlattice miniband” means the minimum energy of the conduction band first superlattice miniband.

「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。   The “superlattice miniband of the second or higher conduction band” means a superlattice miniband formed by an excitation level on the conduction band side of the superlattice structure.

＜＜実施形態１＞＞
［受光素子の構成］
図１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。本実施形態に係る受光素子は、ｎ型半導体層１と、ｐ型半導体層４と、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層４との間に配置される第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂ（以下、両者を含む概念として「超格子半導体層」とも記す）とを備える。 << Embodiment 1 >>
[Configuration of light receiving element]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a solar cell including a light receiving element according to Embodiment 1 of the present invention. The light receiving element according to this embodiment includes an n-type semiconductor layer 1, a p-type semiconductor layer 4, a first superlattice semiconductor layer 10A disposed between the n-type semiconductor layer 1 and the p-type semiconductor layer 4, and A second superlattice semiconductor layer 10B (hereinafter also referred to as “superlattice semiconductor layer” as a concept including both).

＜ｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層１は、ｎ型不純物を含む半導体からなる。 <N-type semiconductor layer>
The n-type semiconductor layer 1 is made of a semiconductor containing n-type impurities.

実施形態１では、太陽電池２０において、ｎ型半導体層１は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側に位置するが、ｎ型半導体層１は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側の反対側に位置することもできる。   In the first embodiment, in the solar cell 20, the n-type semiconductor layer 1 is located on the light incident side of the first superlattice semiconductor layer 10A and the second superlattice semiconductor layer 10B. The first superlattice semiconductor layer 10A and the second superlattice semiconductor layer 10B may be located on the opposite side of the light incident side.

ｎ型半導体層１は、第１の超格子半導体層１０Ａ、第２の超格子半導体層１０Ｂおよびｐ型半導体層４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。   The n-type semiconductor layer 1 has a pin junction or a pn junction (pn-n junction, pp-n junction, p + pn junction, together with the first superlattice semiconductor layer 10A, the second superlattice semiconductor layer 10B, and the p-type semiconductor layer 4. a pnn + junction). When this pin junction or pn junction receives light, an electromotive force is generated.

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であることが好ましい。   The n-type semiconductor layer is preferably a thin film formed by CVD or MBE.

ｎ型半導体層は、障壁層８Ａまたは８Ｂ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８Ａまたは８Ｂ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。   The n-type semiconductor layer may be obtained by adding an n-type impurity to the same semiconductor material as the barrier layer 8A or 8B, or by adding an n-type impurity to a semiconductor material different from the barrier layer 8A or 8B. May be.

ｎ型半導体層はｎ−ＧａＡｓＳｂ、ｎ−ＧａＡｓ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ、ｎ−ＡｌＧａＡｓＳｂ、ｎ−ＡｌＡｓＳｂ、ｎ−ＩｎＡｌＡｓ、ｎ−ＺｎＴｅなどからなることが好ましい。   The n-type semiconductor layer is preferably made of n-GaAsSb, n-GaAs, n-AlGaAs, n-AlGaAsSb, n-AlAsSb, n-InAlAs, n-ZnTe, or the like.

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。   The concentration of the n-type impurity in the n-type semiconductor layer is not particularly limited, and is preferably set as appropriate according to the semiconductor material constituting the n-type semiconductor layer.

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。   The thickness of the n-type semiconductor layer is not particularly limited, and is preferably set as appropriate so that the superlattice semiconductor layer can sufficiently absorb light.

＜ｐ型半導体層＞
ｐ型半導体層４は、ｐ型不純物を含む半導体からなる。 <P-type semiconductor layer>
The p-type semiconductor layer 4 is made of a semiconductor containing p-type impurities.

実施形態１では、太陽電池２０において、ｐ型半導体層４は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側の反対側に位置するが、ｐ型半導体層４は、第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂの光入射側に位置することもできる。   In the first embodiment, in the solar cell 20, the p-type semiconductor layer 4 is located on the opposite side of the light incident side of the first superlattice semiconductor layer 10A and the second superlattice semiconductor layer 10B. 4 may be positioned on the light incident side of the first superlattice semiconductor layer 10A and the second superlattice semiconductor layer 10B.

ｐ型半導体層４は、第１の超格子半導体層１０Ａ、第２の超格子半導体層１０Ｂ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。   The p-type semiconductor layer 4 includes a pin junction or a pn junction (pn-n junction, pp-n junction, p + pn junction, together with the first superlattice semiconductor layer 10A, the second superlattice semiconductor layer 10B, and the n-type semiconductor layer 1. a pnn + junction). When this pin junction or pn junction receives light, an electromotive force is generated.

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ってもよい。
ｐ型半導体層は、障壁層８Ａまたは８Ｂ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８Ａまたは８Ｂ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。 The p-type semiconductor layer may be a thin film formed by CVD or MBE.
The p-type semiconductor layer may be obtained by adding a p-type impurity to the same semiconductor material as the barrier layer 8A or 8B, or by adding a p-type impurity to a semiconductor material different from the barrier layer 8A or 8B. May be.

ｐ型半導体層はｐ−ＧａＡｓ、ｐ−ＧａＡｓＳｂ、ｐ−ＡｌＧａＡｓ、ｐ−ＡｌＧａＡｓＳｂ、ｐ−ＡｌＡｓＳｂ、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ、ｐ−ＺｎＴｅなどからなることが好ましい。   The p-type semiconductor layer is preferably made of p-GaAs, p-GaAsSb, p-AlGaAs, p-AlGaAsSb, p-AlAsSb, p-InAlAs, p-ZnTe, or the like.

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。   The concentration of the p-type impurity in the p-type semiconductor layer is not particularly limited, and is preferably set as appropriate according to the semiconductor material constituting the p-type semiconductor layer.

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。   The thickness of the p-type semiconductor layer is not particularly limited, and is preferably set as appropriate so that the superlattice semiconductor layer can sufficiently absorb light.

＜第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層＞
第１の超格子半導体層１０Ａおよび第２の超格子半導体層１０Ｂは、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層４との間に配置される。 <First Superlattice Semiconductor Layer and Second Superlattice Semiconductor Layer>
The first superlattice semiconductor layer 10 </ b> A and the second superlattice semiconductor layer 10 </ b> B are disposed between the n-type semiconductor layer 1 and the p-type semiconductor layer 4.

第１の超格子半導体層１０Ａは、障壁層８Ａと量子ドット層６Ａ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６Ａでは、複数の量子ドット７Ａが、障壁層８Ａと同じ半導体材料中に配置されている。第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造である。   The first superlattice semiconductor layer 10A has a superlattice structure in which barrier layers 8A and quantum dot layers 6A are alternately and repeatedly stacked. In the quantum dot layer 6A, a plurality of quantum dots 7A are arranged in the same semiconductor material as the barrier layer 8A. The band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure.

第２の超格子半導体層１０Ｂは、障壁層８Ｂと量子ドット層６Ｂ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６Ｂでは、複数の量子ドット７Ｂが、障壁層８Ｂと同じ半導体材料中に配置されている。第２の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。   The second superlattice semiconductor layer 10B has a superlattice structure in which barrier layers 8B and quantum dot layers 6B are alternately and repeatedly stacked. In the quantum dot layer 6B, a plurality of quantum dots 7B are arranged in the same semiconductor material as the barrier layer 8B. The band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure.

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。   Although not shown in FIG. 1, in the superlattice semiconductor layer, an insertion layer such as a cap layer or a quantum well made of a material different from that of the quantum dot layer and the barrier layer may be repeatedly stacked together with the quantum dot layer and the barrier layer. .

以下、量子ドット層６Ａおよび量子ドット層６Ｂを含む概念として「量子ドット層」と、量子ドット７Ａおよび量子ドット７Ｂを含む概念として「量子ドット」と、障壁層８Ａおよび障壁層８Ｂを含む概念として「障壁層」とも記す。   Hereinafter, “quantum dot layer” as a concept including the quantum dot layer 6A and the quantum dot layer 6B, “quantum dot” as a concept including the quantum dot 7A and the quantum dot 7B, and a concept including the barrier layer 8A and the barrier layer 8B. Also referred to as “barrier layer”.

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、ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＰ、（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ、ＧａＡｓxＰ1-x、ＧａyＩｎ1-yＡｓzＰ1-z、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。 Each material of the quantum dot and the barrier layer is not particularly limited, but is preferably a III-V group compound semiconductor. The quantum dot is preferably made of a semiconductor material having a band gap energy smaller than that of the barrier layer. For example, the quantum dot and barrier layer materials are GaAs x Sb 1 -x , AlSb, InAs x Sb 1 -x , Ga x In 1 -x Sb, AlSb x As 1 -x , AlAs z Sb 1 -z, In x Ga 1-x As, Al x Ga 1-x As, Al y Ga 1-y As z Sb 1-z, In x Ga 1-x P, (Al y Ga 1-y) z In 1-z P, GaAs x P 1-x , Ga y in 1-y As z P 1-z, in in x Al 1-x As (all of the material, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1, and the same applies hereinafter.) These mixed crystal materials may also be used.

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。   Each material of the quantum dot and the barrier layer includes a group IV semiconductor of the periodic table, a compound semiconductor composed of a group III semiconductor material and a group V semiconductor material, or a group II semiconductor material and a group VI semiconductor material. The compound semiconductor which consists of these may be sufficient, and these mixed crystal materials may be sufficient. Each material of the quantum dots and the barrier layer may be a chalcopyrite material or a semiconductor other than the chalcopyrite material.

たとえば、障壁層の材料と量子ドット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／ＧａＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎxＧａ1-xＰ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａyＩｎ1-yＡｓzＰ1-z、ＧａxＩｎ1-xＮ／ＧａＮ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＳｂ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌxＧａ1-xＳｂ、ＩｎＰ／ＩｎxＡｌ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎxＡｌ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓxＰ1-x、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＩｎxＧａ1-xＰ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＧａＡｓxＰ1-x、ＧａxＩｎ1-xＳｂ／ＡｌＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ2／ＣｕＧａＳ2、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ（すべての前記材料において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１。）などが挙げられる。 For example, the combination of the material of the barrier layer and the material of the quantum dot (hereinafter, A / B indicates A is the material of the quantum dot and B is the material of the barrier layer), In x Ga 1-x As / GaAs In x Ga 1-x As / GaNAs, In x Ga 1-x As / Al x Ga 1-x As, In x Ga 1-x As / In x Ga 1-x P, In x Ga 1-x As / Ga y In 1-y As z P 1-z, Ga x In 1-x N / GaN, In x Ga 1-x As / Al y Ga 1-y As z Sb 1-z, In x Ga 1- x As / GaAs x Sb 1 -x , In x Ga 1 -x As / AlAs z Sb 1 -z, In x Ga 1 -x As / Al x Ga 1 -x Sb, InAs x Sb 1 -x / GaAs x Sb 1-x, InAs x Sb 1-x / Al y Ga 1-y As z Sb 1-z, InAs x Sb 1-x / AlAs z Sb 1-z, InAs x Sb 1-x / Al x Ga 1 -x Sb, I P / In x Al 1-x As, In x Ga 1-x As / In x Al 1-x As, In x Ga 1-x As / GaAs x P 1-x, In x Ga 1-x As / ( al y Ga 1-y) z In 1-z P, InAs x Sb 1-x / In x Ga 1-x P, InAs x Sb 1-x / GaAs x P 1-x, Ga x In 1-x Sb / AlSb, CuInSe 2 / CuGaS 2 , ZnSe / ZnTe (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1 in all the materials).

これらの組み合わせのうち、タイプＩ構造を得るためには、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎxＧａ1-xＰ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａyＩｎ1-yＡｓzＰ1-z、ＧａxＩｎ1-xＮ／ＧａＮ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＩｎxＡｌ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓxＰ1-x、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＩｎxＧａ1-xＰ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＧａＡｓxＰ1-x、ＧａxＩｎ1-xＳｂ／ＡｌＳｂ、ＣｕＩｎＳｅ2／ＣｕＧａＳ2などを用いることが好ましい。 Among these combinations, in order to obtain a type I structure, In x Ga 1-x As / GaAs, In x Ga 1-x As / GaNAs, In x Ga 1-x As / Al x Ga 1-x As , In x Ga 1-x As / In x Ga 1-x P, In x Ga 1-x As / Ga y In 1-y As z P 1-z, Ga x In 1-x N / GaN, In x Ga 1-x As / In x Al 1-x As, In x Ga 1-x As / GaAs x P 1-x, In x Ga 1-x As / (Al y Ga 1-y) z In 1-z P, InAs x Sb 1-x / In x Ga 1-x P, InAs x Sb 1-x / GaAs x P 1-x, Ga x In 1-x Sb / AlSb, be used as CuInSe 2 / CuGaS 2 Is preferred.

また、タイプＩＩ構造を得るためには、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＳｂ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＧａＡｓxＳｂ1-x、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌyＧａ1-yＡｓzＳｂ1-z、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌＡｓzＳｂ1-z、ＩｎＡｓxＳｂ1-x／ＡｌxＧａ1-xＳｂ、ＩｎＰ／ＩｎxＡｌ1-xＡｓ、ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅなどを用いることが好ましい。 Further, in order to obtain a type II structure, In x Ga 1-x As / GaAs x Sb 1-x, In x Ga 1-x As / Al y Ga 1-y As z Sb 1-z, In x Ga 1-x As / AlAs z Sb 1-z , In x Ga 1-x As / Al x Ga 1-x Sb, InAs x Sb 1-x / GaAs x Sb 1-x , InAs x Sb 1-x / Al y Ga 1-y As z Sb 1-z, InAs x Sb 1-x / AlAs z Sb 1-z, InAs x Sb 1-x / Al x Ga 1-x Sb, InP / In x Al 1-x As ZnSe / ZnTe is preferably used.

また、第１の超格子半導体層は、Ｇａと、Ｉｎと、Ａｓとからなり、第２の超格子半導体層は、Ｇａと、Ｉｎと、Ａｓと、Ｓｂとからなることが好ましい。これにより、超格子半導体層を容易に作製することができる。   The first superlattice semiconductor layer is preferably made of Ga, In, and As, and the second superlattice semiconductor layer is preferably made of Ga, In, As, and Sb. Thereby, a superlattice semiconductor layer can be easily manufactured.

超格子半導体層は、さらにＧａＡｓからなる基板を備え、基板上に、ｐ型半導体層、第１の超格子半導体層、第２の超格子半導体層およびｎ型半導体層が前記の順に積層されることが好ましい。これにより、超格子半導体層を容易に作製することができる。   The superlattice semiconductor layer further includes a substrate made of GaAs, and the p-type semiconductor layer, the first superlattice semiconductor layer, the second superlattice semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer are stacked in this order on the substrate. It is preferable. Thereby, a superlattice semiconductor layer can be easily manufactured.

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。   The superlattice semiconductor layer may be an i-type semiconductor layer or a semiconductor layer containing p-type impurities or n-type impurities as long as electromotive force is generated by light reception.

本実施形態における超格子半導体層では、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さ、および、障壁層の材料を調整することで、量子ドットからしみ出した波動関数が重なり合うようになる。この電子的結合の結果、各量子ドットの離散的エネルギー準位が束となり、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。   In the superlattice semiconductor layer in the present embodiment, the wave functions exuded from the quantum dots are overlapped by adjusting the shape of the quantum dots, the material of the quantum dots, the thickness of the barrier layer, and the material of the barrier layer. Become. As a result of this electronic coupling, the discrete energy levels of each quantum dot become a bundle, and a superlattice miniband is formed in the stacking direction of the quantum dot layers.

本実施形態における超格子ミニバンドは、量子ドット層の伝導帯量子準位によって形成される。   The superlattice miniband in the present embodiment is formed by the conduction band quantum level of the quantum dot layer.

伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは、量子ドットの形状、障壁層の厚さ、量子ドットの有効質量、障壁層の有効質量、または、量子ドットと障壁層との間のバンド不連続量などにより決まる。   The magnitude of the bottom energy of the first superlattice miniband in the conduction band is the shape of the quantum dot, the thickness of the barrier layer, the effective mass of the quantum dot, the effective mass of the barrier layer, or between the quantum dot and the barrier layer It depends on the amount of band discontinuity.

具体的には、量子ドット層の積層方向における量子ドットの大きさ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの大きさ、または、量子ドット層の積層方向および面内方向における量子ドットの大きさを小さくすることで、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。例えば、第１の超格子半導体層では、量子ドット層の積層方向における量子ドットの大きさは０．５〜５０ｎｍ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの大きさは０．５〜１００ｎｍが好ましい。第２の超格子半導体層では、量子ドット層の積層方向における量子ドットの大きさは０．５〜５０ｎｍ、量子ドット層の面内方向における量子ドットの大きさは０．５〜１００ｎｍが好ましい。   Specifically, the size of the quantum dot in the stacking direction of the quantum dot layer, the size of the quantum dot in the in-plane direction of the quantum dot layer, or the size of the quantum dot in the stacking direction and in-plane direction of the quantum dot layer By lowering, the lower end energy of the superlattice miniband can be increased. For example, in the first superlattice semiconductor layer, the quantum dot size in the stacking direction of the quantum dot layer is 0.5 to 50 nm, and the quantum dot size in the in-plane direction of the quantum dot layer is 0.5 to 100 nm. preferable. In the second superlattice semiconductor layer, the quantum dot size in the stacking direction of the quantum dot layer is preferably 0.5 to 50 nm, and the quantum dot size in the in-plane direction of the quantum dot layer is preferably 0.5 to 100 nm.

量子ドットの有効質量または障壁層の有効質量を小さくすることでも、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。   The lower end energy of the superlattice miniband can also be increased by reducing the effective mass of the quantum dots or the effective mass of the barrier layer.

量子ドットと障壁層との間のバンド不連続量を大きくすることで、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。   By increasing the band discontinuity between the quantum dots and the barrier layer, the lower end energy of the superlattice miniband can be increased.

障壁層の厚さを薄くすることで、超格子ミニバンドのエネルギー幅を広げることができるとともに、超格子ミニバンドの下端エネルギーを小さくすることができる。例えば、第１の超格子半導体層では、障壁層の厚さは０．５〜２０ｎｍが好ましく、第２の超格子半導体層では、障壁層の厚さは０．５〜２０ｎｍが好ましい。   By reducing the thickness of the barrier layer, the energy width of the superlattice miniband can be increased and the lower end energy of the superlattice miniband can be reduced. For example, in the first superlattice semiconductor layer, the thickness of the barrier layer is preferably 0.5 to 20 nm, and in the second superlattice semiconductor layer, the thickness of the barrier layer is preferably 0.5 to 20 nm.

このように、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さ、および、障壁層の材料を調整することで、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさを制御することができる。なお、「量子ドットの形状」には、量子ドットの大きさも含まれる。そのため、「量子ドットの形状を調整する」には、量子ドットの外形を変更せずに量子ドット７の大きさのみを変更することも含まれる。   In this way, by controlling the shape of the quantum dot, the material of the quantum dot, the thickness of the barrier layer, and the material of the barrier layer, the magnitude of the lower end energy of the conduction band first superlattice miniband can be controlled. Can do. The “quantum dot shape” includes the size of the quantum dot. Therefore, “adjusting the shape of the quantum dots” includes changing only the size of the quantum dots 7 without changing the outer shape of the quantum dots.

本実施形態において、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の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、前記第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが、前記第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーよりも小さい。したがって、本実施形態に係る受光素子では、第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドに光励起されたキャリアが、第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドへ緩和され、電子とホールとを空間的に分離することができる。さらに、第２の超格子半導体層の超格子構造はタイプＩＩ構造であるため、キャリア寿命を長くでき、二段階目の光励起確率を高めることができる。   In this embodiment, the band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure, the band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure, and the second structure The lower energy of the first superlattice miniband of the conduction band of the superlattice structure of the superlattice semiconductor layer is smaller than the lower energy of the first superlattice miniband of the conduction band of the first superlattice semiconductor layer. Therefore, in the light receiving element according to the present embodiment, carriers photoexcited by the first superlattice miniband of the conduction band of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer are converted into the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer. The conduction band is relaxed to the first superlattice miniband, and electrons and holes can be spatially separated. Furthermore, since the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure, the carrier lifetime can be increased and the photoexcitation probability at the second stage can be increased.

また、前記第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと前記第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとの間のエネルギーギャップの大きさが、第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す）の総和以下であれば、ミニバンドやＬＯフォノン散乱を介した高速緩和により、第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドから第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドへ、より効率的にキャリアが集まることができる。したがって、受光素子からのキャリアの取り出し効率が向上する。   The energy gap between the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer and the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is also illustrated. If the size is less than the sum of the LO phonon energy of the barrier layer material of the first superlattice semiconductor layer and the thermal energy kT at room temperature (where k is Boltzmann's constant and T is the absolute temperature), the miniband or LO phonon From the first superlattice miniband of the superlattice structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer to the first superlattice miniband of the superlattice structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer by fast relaxation via scattering , Carriers can gather more efficiently. Therefore, the carrier extraction efficiency from the light receiving element is improved.

以下、受光素子からのキャリアの取り出しについて、図２および図３を用いて具体的に説明する。なお、図２および図３に示される超格子ミニバンドの数は一例であり、適宜調節することができる。   Hereinafter, the extraction of the carrier from the light receiving element will be specifically described with reference to FIGS. Note that the number of superlattice minibands shown in FIGS. 2 and 3 is an example, and can be adjusted as appropriate.

図２は、１種類の超格子半導体層を用いた場合に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介したキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。なお、図２において、斜線部は電子の存在を表している。   FIG. 2 is a schematic band diagram showing extraction of carriers through the conduction band first superlattice miniband formed when one type of superlattice semiconductor layer is used. In FIG. 2, the shaded area represents the presence of electrons.

上述のように、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さまたは障壁層の材料を制御することにより、超格子半導体層には、図２に示す超格子ミニバンド２４が形成される。超格子ミニバンド２４は、伝導帯第一超格子ミニバンド２１および伝導帯第二以上の超格子ミニバンド２５を含む。   As described above, the superlattice miniband 24 shown in FIG. 2 is formed in the superlattice semiconductor layer by controlling the shape of the quantum dots, the material of the quantum dots, the thickness of the barrier layer, or the material of the barrier layer. The The superlattice miniband 24 includes a conduction band first superlattice miniband 21 and a superlattice miniband 25 of the conduction band second or higher.

入射光が超格子半導体層に入射すると、矢印で示すように、価電子帯２３から伝導帯第一超格子ミニバンド２１への電子の遷移および伝導帯第一超格子ミニバンド２１から障壁層の伝導帯２２以上への電子の遷移が起こる。なお、図２には明記していないが、伝導帯第一超格子ミニバンド２１を介さない、価電子帯２３から伝導帯２２または伝導帯第二以上の超格子ミニバンド２５への電子の遷移も起きる。   When incident light enters the superlattice semiconductor layer, as indicated by arrows, the transition of electrons from the valence band 23 to the conduction band first superlattice miniband 21 and the conduction band from the first superlattice miniband 21 to the barrier layer. An electron transition to the conduction band 22 or higher occurs. Although not clearly shown in FIG. 2, the transition of electrons from the valence band 23 to the conduction band 22 or the superlattice miniband 25 of the conduction band second or higher without passing through the conduction band first superlattice miniband 21. Also happens.

このような伝導帯第一超格子ミニバンドを介した光励起により、障壁層の伝導帯に電子を、障壁層の価電子帯にホールを発生させ光電変換することができ、光起電力を発生させることができる。   By photoexcitation through the conduction band first superlattice miniband, electrons can be generated in the conduction band of the barrier layer, holes can be generated in the valence band of the barrier layer, and photoelectric conversion can be performed. be able to.

図３は、本実施形態における超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドを介したキャリアの取り出しを示した概略バンド図である。なお、図３において、斜線部は電子の存在を表している。   FIG. 3 is a schematic band diagram showing the extraction of carriers via the conduction band first superlattice miniband formed in the superlattice semiconductor layer in the present embodiment. In FIG. 3, the shaded area represents the presence of electrons.

本実施の形態における超格子半導体層では、図３に示されるように、第１の超格子半導体に超格子ミニバンド３４Ａが形成され、第２の超格子半導体層に超格子ミニバンド３４Ｂが形成される。超格子ミニバンド３４Ａは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンド３５Ａを含む。超格子ミニバンド３４Ｂは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンド３５Ｂを含む。伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂの下端エネルギーは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａの下端エネルギーよりも小さい。   In the superlattice semiconductor layer in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the superlattice miniband 34A is formed in the first superlattice semiconductor, and the superlattice miniband 34B is formed in the second superlattice semiconductor layer. Is done. Superlattice miniband 34A includes a conduction band first superlattice miniband 31A and a superlattice miniband 35A having a second or more conduction band. Superlattice miniband 34B includes a conduction band first superlattice miniband 31B and a superlattice miniband 35B having a conduction band second or higher. The lower end energy of the conduction band first superlattice miniband 31B is smaller than the lower end energy of the conduction band first superlattice miniband 31A.

図３では、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂの下端エネルギーが伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａの下端エネルギーよりも小さいため、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａのキャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂへ速やかに移動する。このため、ｐ型半導体層４側に配置された第１の超格子半導体層１０Ａの伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａにはキャリアが存在せず、ｎ型半導体層１側に配置された第２の超格子半導体層１０Ｂの伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂにはキャリアが満たされている。   In FIG. 3, the lower end energy of the conduction band first superlattice miniband 31B is smaller than the lower end energy of the conduction band first superlattice miniband 31A. Move quickly to the superlattice miniband 31B. Therefore, no carriers are present in the first superlattice miniband 31A of the first superlattice semiconductor layer 10A disposed on the p-type semiconductor layer 4 side, and the first superlattice miniband 31A disposed on the n-type semiconductor layer 1 side. The conduction band first superlattice miniband 31B of the second superlattice semiconductor layer 10B is filled with carriers.

また、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａ及び伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂの一部が重なる、あるいは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａと伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂとの間のエネルギーギャップの大きさが、第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴの総和以下であるときは、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａのキャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂへ、ミニバンドやＬＯフォノン散乱を介して高速緩和される。   Further, the conduction band first superlattice miniband 31A and the conduction band first superlattice miniband 31B partially overlap, or the conduction band first superlattice miniband 31A and the conduction band first superlattice miniband 31B When the magnitude of the energy gap between them is equal to or less than the sum of the LO phonon energy of the barrier layer material of the first superlattice semiconductor layer and the thermal energy kT at room temperature, the carriers in the conduction band first superlattice miniband 31A are The conduction band is first relaxed to the first superlattice miniband 31B via miniband or LO phonon scattering.

ここで、入射光が超格子半導体層に入射すると、第１の超格子半導体層１０Ａでは、矢印Ａで示すように、電子が価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａへ遷移する。伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ａへ遷移した電子は、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂへ速やかに移動する。そして、第２の超格子半導体層１０Ｂでは、矢印Ｂに示すように、電子が伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへ遷移する。第２の超格子半導体層１０ＢはタイプＩＩ構造の超格子構造で構成されているため、キャリア再結合を抑制でき、キャリア寿命を長くすることができる。したがって、伝導帯第一超格子ミニバンド３１Ｂ内の電子は、高いキャリア占有率及び長いキャリア寿命により、二段階目の光励起がされやすくなる。よって、本実施形態に係る受光素子は、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。   Here, when incident light is incident on the superlattice semiconductor layer, in the first superlattice semiconductor layer 10A, as indicated by an arrow A, electrons transition from the valence band to the conduction band first superlattice miniband 31A. The electrons that have transitioned to the conduction band first superlattice miniband 31A quickly move to the conduction band first superlattice miniband 31B. In the second superlattice semiconductor layer 10B, as indicated by an arrow B, electrons transit from the conduction band first superlattice miniband 31B to the superlattice miniband having the second or more conduction band. Since the second superlattice semiconductor layer 10B has a superlattice structure of type II structure, carrier recombination can be suppressed and the carrier life can be extended. Therefore, the electrons in the conduction band first superlattice miniband 31B are likely to be second-stage photoexcited due to a high carrier occupancy and a long carrier lifetime. Therefore, the light receiving element according to the present embodiment can provide a device having excellent carrier extraction efficiency.

タイプＩＩ構造の超格子構造を有する第２の超格子半導体層１０Ｂがｎ型半導体層１側に配置されている場合、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に励起されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層１へ取り出される。したがって、このような受光素子を用いたデバイスは、短絡電流を向上させることができる。   When the second superlattice semiconductor layer 10B having a superlattice structure of type II structure is arranged on the n-type semiconductor layer 1 side, the superlattice miniband from the conduction band first superlattice miniband to the conduction band second or higher The carriers excited by are efficiently extracted to the n-type semiconductor layer 1 before recombination or relaxation. Therefore, a device using such a light receiving element can improve a short circuit current.

また、第２の超格子半導体層には、不純物がドープされていても良い。これにより、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが小さい超格子構造におけるキャリア占有率が高くなるので、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遷移確率がより高まる。   The second superlattice semiconductor layer may be doped with impurities. This increases the carrier occupancy in the superlattice structure where the bottom energy of the conduction band first superlattice miniband is small, so the transition from the conduction band first superlattice miniband to the conduction band second superlattice miniband or higher Probability increases.

上記のような、超格子半導体層中に障壁層と量子ドット層とを繰り返し積層してミニバンドを形成するという方法は、受光素子の設計において、様々な選択肢を提供することができる。よって、キャリアの取り出し効率に優れたデバイスの提供を図ることができる。   The method of repeatedly stacking a barrier layer and a quantum dot layer in a superlattice semiconductor layer to form a miniband as described above can provide various options in the design of a light receiving element. Therefore, it is possible to provide a device with excellent carrier extraction efficiency.

＜＜実施形態２＞＞
［太陽電池の構成］
本実施形態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。 << Embodiment 2 >>
[Configuration of solar cell]
The structure of the solar cell provided with the light receiving element according to this embodiment will be described with reference to FIG.

太陽電池２０は、裏面にｐ型電極１７を形成したｐ型基板１２上にバッファ層３と、ｐ型半導体層４と、第１の超格子半導体層１０Ａと、第２の超格子半導体層１０Ｂと、ｎ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ｎ型電極１８を備える。   The solar cell 20 includes a buffer layer 3, a p-type semiconductor layer 4, a first superlattice semiconductor layer 10A, and a second superlattice semiconductor layer 10B on a p-type substrate 12 having a p-type electrode 17 formed on the back surface. The n-type semiconductor layer 1 and the window layer 14 are stacked in the order described above. Further, an n-type electrode 18 is provided on the window layer 14 via the contact layer 15.

バッファ層３としては、たとえばｐ+−ＧａＡｓ層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。 As the buffer layer 3, for example, a p + -GaAs layer can be used. The thickness of the buffer layer can be set to 100 nm to 500 nm, for example.

ｐ型半導体層４としては、たとえばｐ−ＧａＡｓ層を用いることができる。ｐ型半導体層４の厚さは、たとえば２０ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。   As the p-type semiconductor layer 4, for example, a p-GaAs layer can be used. The thickness of the p-type semiconductor layer 4 can be set to, for example, 20 nm to 3000 nm.

ｎ型半導体層１としては、たとえばｎ−ＧａＡｓxＳｂ1-x（０≦ｘ≦１）層を用いることができる。ｎ型半導体層１の厚さは、たとえば２０ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。 As the n-type semiconductor layer 1, for example, an n-GaAs x Sb 1-x (0 ≦ x ≦ 1) layer can be used. The thickness of the n-type semiconductor layer 1 can be set to, for example, 20 nm to 3000 nm.

窓層１４としては、たとえばｎ−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。 As the window layer 14, for example, an n-Al 0.75 Ga 0.25 As layer can be used. The thickness of the window layer can be 10 nm to 300 nm, for example.

コンタクト層１５としては、たとえばｎ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x（０≦ｘ≦１）層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。 As the contact layer 15, for example, an n + -GaAs x Sb 1-x (0 ≦ x ≦ 1) layer can be used. The thickness of the contact layer can be, for example, 10 nm to 500 nm.

ｐ型電極１７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。   As the p-type electrode 17, for example, Ti / Pt / Au, Au / Zn, Au / Cr, Ti / Au, Au / Zn / Au can be used. The thickness of the p-type electrode can be, for example, 10 nm to 500 nm.

ｎ型電極１８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。   As the n-type electrode 18, for example, Au / AuGeNi, AuGe / Ni / Au, Au / Ge, or Au / Ge / Ni / Au can be used. The thickness of the n-type electrode can be, for example, 10 nm to 500 nm.

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。
［太陽電池の製造方法］
まず、ｐ−ＧａＡｓのｐ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、ｐ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ｐ+−ＧａＡｓ層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ｐ型半導体層４を形成する。ｐ型半導体層４としては、３００ｎｍの厚さのｐ−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。 In addition, the solar cell which concerns on this embodiment can also be combined with a condensing system.
[Method for manufacturing solar cell]
First, the p-GaAs p-type substrate 12 is cleaned with an organic cleaning solution, etched with a sulfuric acid-based etching solution, washed with running water for 10 minutes, and then supported in the MOCVD apparatus. Next, the buffer layer 3 is formed on the p-type substrate 12. As the buffer layer 3, it is preferable to form a p + -GaAs layer having a thickness of 300 nm. By forming the buffer layer 3, the crystallinity of the superlattice semiconductor layer (light absorption layer) formed on the buffer layer 3 can be improved. Therefore, the solar cell 20 in which the light receiving efficiency in the superlattice semiconductor layer is ensured can be provided. Thereafter, the p-type semiconductor layer 4 is formed on the buffer layer 3. As the p-type semiconductor layer 4, it is preferable to form a p-GaAs layer having a thickness of 300 nm.

続いて、ｐ型半導体層４上に障壁層８Ａと量子ドット層６Ａとを含む第１の超格子半導体層１０Ａ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）法などにより障壁層８Ａを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層６Ａを成長させることができる。具体的には、例えば、障壁層８ＡとしてＧａＡｓ層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７Ａを形成し、量子ドット７Ａを形成していない部分に障壁層と同一のＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、量子ドット層６Ａが形成される。その後、障壁層８ＡとしてのＧａＡｓ層の結晶成長と量子ドット層６Ａの成長とを繰り返す。量子ドット層６の成長方法は上述のとおりである。 Subsequently, the first superlattice semiconductor layer 10A including the barrier layer 8A and the quantum dot layer 6A is formed on the p-type semiconductor layer 4. The barrier layer 8A can be formed by molecular beam epitaxy (MBE) method, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or the like, and the quantum dot layer 6A is grown by a method called Stranski-Krastanov (SK) growth. be able to. Specifically, for example, after a GaAs layer is grown as the barrier layer 8A, a quantum dot 7A made of indium gallium arsenide In x Ga 1-x As (x = 1) is formed by a self-organization mechanism, The same GaAs layer as the barrier layer is grown on the portion where the dot 7A is not formed. Thereby, the quantum dot layer 6A is formed. Thereafter, the crystal growth of the GaAs layer as the barrier layer 8A and the growth of the quantum dot layer 6A are repeated. The growth method of the quantum dot layer 6 is as described above.

次に、第１の超格子半導体層１０Ａ上に障壁層８Ｂと量子ドット層６Ｂとを含む第２の超格子半導体層１０Ｂを形成する。障壁層８Ｂと量子ドット層６Ｂの成長方法は、それぞれ障壁層８Ａと量子ドット層６Ａと同様の方法を用いることができる。例えば、障壁層８ＢとしてはＧａＡｓxＳｂ1-x層（０≦ｘ＜１）を、量子ドット７ＢとしてはＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝１）を用いることが好ましい。 Next, the second superlattice semiconductor layer 10B including the barrier layer 8B and the quantum dot layer 6B is formed on the first superlattice semiconductor layer 10A. The growth method of the barrier layer 8B and the quantum dot layer 6B can use the same method as the barrier layer 8A and the quantum dot layer 6A, respectively. For example, a GaAs x Sb 1-x layer (0 ≦ x <1) is preferably used as the barrier layer 8B, and In x Ga 1-x As (x = 1) is preferably used as the quantum dots 7B.

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。 Thereafter, it is preferable to form a cap layer. As the cap layer, it is preferable to form a GaAs x Sb 1-x layer (0 ≦ x ≦ 1) having a thickness of about 4 nm, and the flatness of the crystal surface can be recovered by forming the cap layer. In this way, a superlattice semiconductor layer is formed.

続いて、第１の超格子半導体層１０Ｂ上にｎ型半導体層１を形成する。ｎ型半導体層１としては、２５０ｎｍの厚さのｎ−ＧａＡｓxＳｂ1-x（０≦ｘ≦１）層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。 Subsequently, the n-type semiconductor layer 1 is formed on the first superlattice semiconductor layer 10B. As the n-type semiconductor layer 1, an n-GaAs x Sb 1-x (0 ≦ x ≦ 1) layer having a thickness of 250 nm is preferably formed. Thereby, a pin structure is formed.

続いて、ｎ型半導体層１上に窓層１４およびコンタクト層１５を形成する。窓層１４としては、５０ｎｍの厚さでｎ−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１５としては、１００ｎｍの厚さでｎ+−ＧａＡｓxＳｂ1-x（０≦ｘ≦１）層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、ｐ型基板の下面上にｐ型電極を形成する。その後、コンタクト層１５上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術とによりｎ型電極（櫛型電極）１８を形成し、このｎ型電極１８をマスクとしてコンタクト層１５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２０を得ることができる。 Subsequently, the window layer 14 and the contact layer 15 are formed on the n-type semiconductor layer 1. As the window layer 14, it is preferable to grow an n-Al 0.75 Ga 0.25 As layer with a thickness of 50 nm. As the contact layer 15, it is preferable to grow an n + -GaAs x Sb 1 -x (0 ≦ x ≦ 1) layer with a thickness of 100 nm. Then, after taking out this laminated body from a MOCVD apparatus, a p-type electrode is formed on the lower surface of a p-type substrate. Thereafter, an n-type electrode (comb electrode) 18 is formed on the contact layer 15 by photolithography and lift-off technology, and the contact layer 15 is selectively etched using the n-type electrode 18 as a mask. Thus, the solar cell 20 according to the present embodiment can be obtained.

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。   Here, the substrate processing temperature is preferably set to 520 ° C. when a superlattice semiconductor layer including a quantum dot layer is formed, for example, and 590 ° C. when other layers are formed in order to prevent re-desorption of In.

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１７およびｎ型電極１８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。   For example, Si can be used as an n-type dopant, and Be can be used as a p-type dopant. The n-type dopant is preferably added during crystal growth of at least one of the quantum dot layer and the barrier layer. The p-type electrode 17 and the n-type electrode 18 are preferably made of Au as a material, and are preferably formed by vacuum vapor deposition using a resistance heating vapor deposition method.

なお、本実施形態で示した例は一例に過ぎない。ｐ型基板、バッファ層、ｐ型半導体層、超格子半導体層、ｎ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。   The example shown in this embodiment is only an example. Each material such as p-type substrate, buffer layer, p-type semiconductor layer, superlattice semiconductor layer, n-type semiconductor layer, window layer, contact layer, n-type dopant, p-type dopant, n-type electrode and p-type electrode, each process The cleaning agent, substrate processing temperature, and manufacturing apparatus used in the above are not limited to the above description.

＜＜実施形態３＞＞
［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。 << Embodiment 3 >>
[Quantum infrared sensor]
The light receiving element of Embodiment 1 can be used for a quantum infrared sensor.

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。   In a quantum infrared sensor using quantum dots, in order to obtain an infrared sensor with high quantum efficiency and high sensitivity, it is desirable that carriers photoexcited by infrared absorption be extracted from the quantum level of the conduction band with high efficiency. .

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。   The superlattice semiconductor layer described in Embodiment 1 can extract photoexcited carriers with high efficiency. Therefore, the quantum infrared sensor using the light receiving element of Embodiment 1 can have high quantum efficiency and high sensitivity.

＜実験例１＞
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験を行った。 <Experimental example 1>
A simulation experiment was performed on the light receiving element according to the embodiment of the present invention.

［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、光吸収スペクトル、輻射寿命をシミュレーションした。光吸収係数αは下記（式１）を解くことで、輻射寿命は下記（式２）を解くことで見積ることができる。 [Evaluation method]
The miniband structure, light absorption spectrum, and radiation lifetime of the superlattice structure were simulated using an 8-band k · p Hamiltonian plane wave expansion method that takes into account the effects of strain and piezoelectric field effects. The light absorption coefficient α can be estimated by solving the following (formula 1), and the radiation lifetime can be estimated by solving the following (formula 2).

Figure 2015141969
Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

実験例１では、２種類の超格子半導体層に対して別々にミニバンド構造を計算し、光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。   In Experimental Example 1, a miniband structure was calculated separately for two types of superlattice semiconductor layers, and a light absorption spectrum and a radiation lifetime were simulated.

第１の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（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用い、第２の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。本実験例では、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。 In the first superlattice semiconductor layer, gallium arsenide (GaAs) is used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, and indium arsenide (InAs) is used as the quantum dot material, and the barrier layer is configured in the second superlattice semiconductor layer. Gallium arsenide antimony (GaAs 0.80 Sb 0.20 ) was used as the base semiconductor material, and indium arsenide (InAs) was used as the quantum dot material. In this experimental example, the base semiconductor material is GaAs x Sb 1-x and the quantum dot material is In y Ga 1-y As, but the values of x and y can be changed as appropriate, and different semiconductor materials can be used. There may be.

ｐ型半導体層側の第１の超格子半導体層、及びｎ型半導体層側の第２の超格子半導体層では、ともに、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１５ｎｍ、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。なお、第１の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、第２の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。   The first superlattice semiconductor layer on the p-type semiconductor layer side and the second superlattice semiconductor layer on the n-type semiconductor layer side are both lens types including a wetting layer having a quantum dot shape of 0.5 nm. The diameter size in the in-plane direction of the quantum dots was 15 nm, and the size (height) in the stacking direction of the quantum dots was 3 nm. The distance in the in-plane direction between the quantum dots was 20 nm, and the distance in the stacking direction between the quantum dots was 3 nm. Note that the thickness of the first superlattice semiconductor layer was 3 μm, the thickness of the second superlattice semiconductor layer was 3 μm, and the total thickness of the superlattice semiconductor layer was 6 μm.

図４および図５には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の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。   FIG. 4 and FIG. 5 show strains in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer calculated by this experimental example, respectively. The potential distribution before consideration is shown. The horizontal axis indicates the distance in the stacking direction (z direction in FIG. 1) at the center of the quantum dot, and the vertical axis indicates energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. The solid line shows the potential distribution in the conduction band and the broken line shows the valence band potential distribution.

図４および図５から分かるように、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の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。   As can be seen from FIGS. 4 and 5, the band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure, and the band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure. is there.

図６および図７には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の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６および図７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。   FIG. 6 and FIG. 7 show the miniband structures (up to 50th superlattice minibands) in the conduction bands of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer calculated according to this experimental example, respectively. ). 6 and 7, the horizontal axis indicates the superlattice wave number vector, and the vertical axis indicates the energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots.

図６および図７から分かるように、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層では、それぞれ、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９０５ｅＶ及び０．９５３ｅＶであり、第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．８６５ｅＶ及び０．９２２ｅＶであった。つまり、実験例１の場合、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの一部が重なる状態にあることから、高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、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。

Figure 2015141969
As can be seen from FIGS. 6 and 7, it can be seen that in the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer, superlattice minibands are formed in the conduction band in the stacking direction of the quantum dot layers, respectively. It was. The magnitudes of the bottom energy and top energy of the first superlattice miniband of the first superlattice semiconductor layer are 0.905 eV and 0.953 eV, and the first superlattice of the conduction band of the second superlattice semiconductor layer The magnitudes of the lower end energy and upper end energy of the miniband were 0.865 eV and 0.922 eV. That is, in Experimental Example 1, since the first superlattice miniband of the conduction band of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer are partially overlapped, the relaxation is performed at high speed. In addition, since the second superlattice semiconductor layer has a type II structure, electrons and holes are spatially separated, so that the carrier lifetime is long and carrier recombination can be suppressed.
Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

＜比較実験例１＞
比較実験例１では、超格子半導体層は上記実験例１のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。超格子半導体層の全体の厚さは６μｍとした。
本比較実験例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、および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）は図４および図６に示す通りである。上記実験例１とは異なり、超格子半導体層はタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されるため、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。

Figure 2015141969
<Comparative Experimental Example 1>
In Comparative Experimental Example 1, assuming that the superlattice semiconductor layer is composed only of the superlattice structure of the type I structure of Experimental Example 1, a miniband structure was calculated to simulate a light absorption spectrum and a radiation lifetime. The total thickness of the superlattice semiconductor layer was 6 μm.
The potential distribution before strain consideration in the conduction and valence bands (heavy and light holes) of the superlattice structure calculated by this comparative experimental example, and the miniband structure in the conduction band (up to the 50th superlattice mini The band is shown in FIG. 4 and FIG. Unlike the experimental example 1, the superlattice semiconductor layer is composed only of a type I superlattice structure, and therefore the movement of carriers generated in the superlattice miniband is gentle over the entire superlattice semiconductor layer. .
Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

＜考察＞
実験例１の超格子半導体層と比較実験例１の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、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遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、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において、実験例１の方が比較実験例１に比べて２倍長かった。よって、実験例１は超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかにキャリアが取り出される。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実験例１の超格子半導体層を用いた受光素子は短絡電流を向上させることができる。 <Discussion>
In the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 1 and the superlattice semiconductor layer of Comparative Experimental Example 1, light absorption at the transition from the valence band to the first superlattice miniband of the conduction band and the second superlattice miniband of the conduction band or more The light absorption at the transition from the first superlattice miniband of the conduction band to the superlattice miniband of the second or higher conduction band showed no significant difference in the absorption band or absorption rate. On the other hand, in terms of radiation lifetime, Experimental Example 1 was twice as long as Comparative Experimental Example 1 between the conduction band first superlattice miniband and the valence band first superlattice miniband. Therefore, Experimental Example 1 can extend the carrier lifetime in the superlattice miniband without changing the light absorption at the second stage via the superlattice miniband, thereby improving the efficiency of the two-stage transition. Can do. In addition, since the n-type semiconductor layer is disposed on the second superlattice semiconductor layer side, carriers second-stage photoexcited by the second superlattice semiconductor layer are quickly extracted from the n-type semiconductor layer. It is. From these facts, it was confirmed that carriers generated in the first superlattice miniband of the conduction band are efficiently extracted to the n-type semiconductor layer before recombination or relaxation. Therefore, the light receiving element using the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 1 can improve the short-circuit current.

＜実験例２＞
実験例２では、障壁層を構成する母体半導体材料を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。 <Experimental example 2>
In Experimental Example 2, simulation was performed according to the same method as in Experimental Example 1 except that the base semiconductor material constituting the barrier layer was changed.

第１の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（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用い、第２の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。 In the first superlattice semiconductor layer, gallium arsenide (GaAs) is used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, and indium arsenide (InAs) is used as the quantum dot material, and the barrier layer is configured in the second superlattice semiconductor layer. Gallium arsenide antimony (GaAs 0.65 Sb 0.35 ) was used as the base semiconductor material, and indium arsenide (InAs) was used as the quantum dot material.

図１１には、本実験例により計算された第２の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。第１の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は、図４と同じである。図１１から分かるように、第２の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。   FIG. 11 shows the potential distribution before considering strain in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the second superlattice semiconductor layer calculated by this experimental example. The horizontal axis indicates the distance in the stacking direction at the center of the quantum dot, and the vertical axis indicates energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. The solid line shows the potential distribution in the conduction band and the broken line shows the valence band potential distribution. The potential distribution of the first superlattice semiconductor layer in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) before considering the strain is the same as that in FIG. As can be seen from FIG. 11, the band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure.

図１２には、本実験例により計算された第２の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。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。第１の超格子半導体層の伝導帯におけるミニバンド構造は図６と同じである。図１２から分かるように、第２の超格子半導体層では、第１の超格子半導体層同様、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．８４１ｅＶ及び０．９０１ｅＶであった。非特許文献２によれば、遷移準位間のエネルギーギャップが障壁層ＧａＡｓのＬＯフォノンエネルギー近傍である場合、ＬＯフォノンエネルギーを中心にピコ秒〜ナノ秒オーダーで高速緩和されることが示されている。具体的には、ＬＯフォノンエネルギー（３６ｍｅＶ）と室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の総和であっても〜１０ｎｓレベルで速やかに緩和されることが示されている。実験例２の場合、第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９０５ｅＶ及び０．９５３ｅＶであることから、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンド間のエネルギーギャップの大きさが第１の超格子半導体層の障壁層のＬＯフォノンエネルギー（３６ｍｅＶ）と室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の総和以内である。したがって実験例２では、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンド間で、ＬＯフォノンエネルギーに一致する遷移エネルギーギャップを有しており、ＬＯフォノン散乱を介して高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、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。

Figure 2015141969
FIG. 12 shows a miniband structure (up to 50th superlattice minibands shown) in the conduction band of the second superlattice semiconductor layer calculated according to this experimental example. The horizontal axis represents the superlattice wave number vector, and the vertical axis represents the energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. The miniband structure in the conduction band of the first superlattice semiconductor layer is the same as FIG. As can be seen from FIG. 12, in the second superlattice semiconductor layer, a superlattice miniband is formed in the conduction band in the stacking direction of the quantum dot layer, as in the first superlattice semiconductor layer. The magnitudes of the lower end energy and the upper end energy of the conduction band first superlattice miniband of the second superlattice semiconductor layer were 0.841 eV and 0.901 eV. According to Non-Patent Document 2, it is shown that when the energy gap between the transition levels is in the vicinity of the LO phonon energy of the barrier layer GaAs, it is rapidly relaxed in the picosecond to nanosecond order around the LO phonon energy. Yes. Specifically, it is shown that even the sum of LO phonon energy (36 meV) and thermal energy at room temperature (26 meV) is quickly relaxed at a level of 10 ns. In the case of Experimental Example 2, the magnitudes of the lower end energy and the upper end energy of the first superlattice miniband in the conduction band of the first superlattice semiconductor layer are 0.905 eV and 0.953 eV. The magnitude of the energy gap between the conduction band of the first superlattice semiconductor layer and the first superlattice miniband is such that the LO phonon energy (36 meV) of the barrier layer of the first superlattice semiconductor layer and the thermal energy at room temperature (26 meV) ). Accordingly, in Experimental Example 2, the first superlattice miniband of the conduction band of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer has a transition energy gap that matches the LO phonon energy, and the LO phonon Fast relaxation through scattering. In addition, since the second superlattice semiconductor layer has a type II structure, electrons and holes are spatially separated, so that the carrier lifetime is long and carrier recombination can be suppressed.
Figure 2015141969

また、式２を用いて第２の超格子半導体層における輻射寿命を算出したところ、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は３０４ｎｓであった。   Further, when the radiation lifetime in the second superlattice semiconductor layer was calculated using Equation 2, the distance between the conduction band first superlattice miniband and the valence band first superlattice miniband was 304 ns.

＜比較実験例２＞
比較実験例２では、超格子半導体層は上記実験例２のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。結果は比較実験例１と同じである。 <Comparative Experiment Example 2>
In Comparative Experimental Example 2, assuming that the superlattice semiconductor layer is composed only of the superlattice structure of the type I structure of Experimental Example 2, the miniband structure was calculated and the light absorption spectrum and radiation lifetime were simulated. The results are the same as in Comparative Experimental Example 1.

＜考察＞
実験例２の超格子半導体層と比較実験例２の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、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遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、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において、実験例２の方が比較実験例２に比べて約１０１倍長かった。よって、超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかに取り出される。これらのことから、障壁層を構成する母体半導体材料を変更した場合でも、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実験例２の超格子半導体層を用いた受光素子は、短絡電流を向上させることができる。 <Discussion>
In the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 2 and the superlattice semiconductor layer of Comparative Experimental Example 2, light absorption at the transition from the valence band to the first superlattice miniband of the conduction band and the second superlattice miniband of the conduction band or more The light absorption at the transition from the first superlattice miniband of the conduction band to the superlattice miniband of the second or higher conduction band showed no significant difference in the absorption band or absorption rate. On the other hand, in the radiation lifetime, the experimental example 2 was about 101 times longer than the comparative experimental example 2 between the conduction band first superlattice miniband and the valence band first superlattice miniband. Therefore, since the carrier lifetime in the superlattice miniband can be extended without substantially changing the light absorption in the second stage via the superlattice miniband, the efficiency of the two-stage transition can be improved. In addition, since the n-type semiconductor layer is disposed on the second superlattice semiconductor layer side, the carriers that are second-stage photoexcited by the second superlattice semiconductor layer are quickly extracted from the n-type semiconductor layer. Therefore, even when the base semiconductor material constituting the barrier layer is changed, the carriers generated in the conduction band first superlattice miniband are efficiently extracted to the n-type semiconductor layer before recombination or relaxation. It was confirmed that Therefore, the light receiving element using the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 2 can improve the short-circuit current.

＜実験例３＞
実験例３では、量子ドット間の積層方向の距離を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。 <Experimental example 3>
In Experimental Example 3, a simulation was performed according to the same method as in Experimental Example 1 except that the distance in the stacking direction between the quantum dots was changed.

第１の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（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用い、第２の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。 In the first superlattice semiconductor layer, gallium arsenide (GaAs) is used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, and indium arsenide (InAs) is used as the quantum dot material, and the barrier layer is configured in the second superlattice semiconductor layer. Gallium arsenide antimony (GaAs 0.80 Sb 0.20 ) was used as the base semiconductor material, and indium arsenide (InAs) was used as the quantum dot material.

ｐ型半導体層側の第１の超格子半導体層、及びｎ型半導体層側の第２の超格子半導体層では、ともに、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１５ｎｍ、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８ｎｍとした。なお、第１の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、第２の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。   The first superlattice semiconductor layer on the p-type semiconductor layer side and the second superlattice semiconductor layer on the n-type semiconductor layer side are both lens types including a wetting layer having a quantum dot shape of 0.5 nm. The diameter size in the in-plane direction of the quantum dots was 15 nm, and the size (height) in the stacking direction of the quantum dots was 3 nm. The distance in the in-plane direction between the quantum dots was 20 nm, and the distance in the stacking direction between the quantum dots was 8 nm. Note that the thickness of the first superlattice semiconductor layer was 3 μm, the thickness of the second superlattice semiconductor layer was 3 μm, and the total thickness of the superlattice semiconductor layer was 6 μm.

図１４および図１５には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の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１４および図１５から分かるように、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の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。   FIG. 14 and FIG. 15 show strains in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer calculated by this experimental example, respectively. The potential distribution before consideration is shown. The horizontal axis indicates the distance in the stacking direction at the center of the quantum dot, and the vertical axis indicates energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. The solid line shows the potential distribution in the conduction band and the broken line shows the valence band potential distribution. As can be seen from FIGS. 14 and 15, the band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure, and the band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure. is there.

図１６および図１７には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の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１６および図１７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１６および図１７から分かるように、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層では、それぞれ、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９４６ｅＶ及び０．９４８ｅＶであり、第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさは０．９０３ｅＶ及び０．９０６ｅＶであった。つまり、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンド間のエネルギーギャップの大きさが第１の超格子半導体層の障壁層のＬＯフォノンエネルギー（３６ｍｅＶ）と室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の総和以内であり、キャリアがＬＯフォノン散乱を介して高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、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。

Figure 2015141969
FIGS. 16 and 17 illustrate miniband structures (up to 50th superlattice minibands) in the conduction bands of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer calculated according to this experimental example, respectively. ). 16 and 17, the horizontal axis indicates the superlattice wave number vector, and the vertical axis indicates energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. As can be seen from FIGS. 16 and 17, in the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer, it is found that a superlattice miniband is formed in the conduction band in the stacking direction of the quantum dot layer, respectively. It was. The magnitudes of the bottom energy and top energy of the first superlattice miniband in the conduction band of the first superlattice semiconductor layer are 0.946 eV and 0.948 eV, and the conduction band first superlattice in the second superlattice semiconductor layer The magnitudes of the lower end energy and upper end energy of the miniband were 0.903 eV and 0.906 eV. That is, the magnitude of the energy gap between the first superlattice miniband of the conduction band of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer is the LO phonon energy (36 meV) of the barrier layer of the first superlattice semiconductor layer. ) And thermal energy at room temperature (26 meV), and carriers are rapidly relaxed via LO phonon scattering. In addition, since the second superlattice semiconductor layer has a type II structure, electrons and holes are spatially separated, so that the carrier lifetime is long and carrier recombination can be suppressed.
Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

＜比較実験例３＞
比較実験例３では、超格子半導体層は上記実験例３のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。超格子半導体層の全体の厚さは６μｍとした。
本比較実験例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、および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）は図１４および図１６に示す通りである。上記実験例３とは異なり、超格子半導体層はタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されるため、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。

Figure 2015141969
<Comparative Experimental Example 3>
In Comparative Experimental Example 3, assuming that the superlattice semiconductor layer is composed only of the superlattice structure of the type I structure of Experimental Example 3, a miniband structure was calculated to simulate a light absorption spectrum and a radiation lifetime. The total thickness of the superlattice semiconductor layer was 6 μm.
The potential distribution before strain consideration in the conduction and valence bands (heavy and light holes) of the superlattice structure calculated by this comparative experimental example, and the miniband structure in the conduction band (up to the 50th superlattice mini The band is shown in FIG. 14 and FIG. Unlike the experimental example 3 described above, the superlattice semiconductor layer is composed of only a superlattice structure of type I structure, and therefore the movement of carriers generated in the superlattice miniband is gentle over the entire superlattice semiconductor layer. .
Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

＜考察＞
実験例３の超格子半導体層と比較実験例３の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、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遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、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において、実験例３の方が比較実験例３に比べて７倍長かった。よって、超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかに取り出される。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実施例３の超格子半導体層を用いた受光素子は、短絡電流を向上させることができる。 <Discussion>
In the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 3 and the superlattice semiconductor layer of Comparative Experimental Example 3, light absorption at the transition from the valence band to the first superlattice miniband of the conduction band and the second superlattice miniband of the conduction band or more The light absorption at the transition from the first superlattice miniband of the conduction band to the superlattice miniband of the second or higher conduction band showed no significant difference in the absorption band or absorption rate. On the other hand, in the radiation lifetime, Experimental Example 3 was 7 times longer than Comparative Experimental Example 3 between the conduction band first superlattice miniband and the valence band first superlattice miniband. Therefore, since the carrier lifetime in the superlattice miniband can be extended without substantially changing the light absorption in the second stage via the superlattice miniband, the efficiency of the two-stage transition can be improved. In addition, since the n-type semiconductor layer is disposed on the second superlattice semiconductor layer side, the carriers that are second-stage photoexcited by the second superlattice semiconductor layer are quickly extracted from the n-type semiconductor layer. From these facts, it was confirmed that carriers generated in the first superlattice miniband of the conduction band are efficiently extracted to the n-type semiconductor layer before recombination or relaxation. Therefore, the light receiving element using the superlattice semiconductor layer of Example 3 can improve the short-circuit current.

＜実験例４＞
第１の超格子半導体層では、量子ドット材料を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。 <Experimental example 4>
In the first superlattice semiconductor layer, simulation was performed according to the same method as in Experimental Example 1 except that the quantum dot material was changed.

第１の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（ＧａＡｓ）、量子ドット材料にインジウムガリウム砒素（Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ）を用い、第２の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ガリウム砒素（Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ）を用いた。 In the first superlattice semiconductor layer, gallium arsenide (GaAs) is used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, indium gallium arsenide (In 0.80 Ga 0.20 As) is used as the quantum dot material, and in the second superlattice semiconductor layer, Gallium arsenide antimony (GaAs 0.80 Sb 0.20 ) was used as the base semiconductor material constituting the barrier layer, and indium gallium arsenide (In 0.80 Ga 0.20 As) was used as the quantum dot material.

ｐ型半導体層側の第１の超格子半導体層、及びｎ型半導体層側の第２の超格子半導体層では、ともに、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１５ｎｍ、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。なお、第１の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、第２の超格子半導体層の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。   The first superlattice semiconductor layer on the p-type semiconductor layer side and the second superlattice semiconductor layer on the n-type semiconductor layer side are both lens types including a wetting layer having a quantum dot shape of 0.5 nm. The diameter size in the in-plane direction of the quantum dots was 15 nm, and the size (height) in the stacking direction of the quantum dots was 3 nm. The distance in the in-plane direction between the quantum dots was 20 nm, and the distance in the stacking direction between the quantum dots was 3 nm. Note that the thickness of the first superlattice semiconductor layer was 3 μm, the thickness of the second superlattice semiconductor layer was 3 μm, and the total thickness of the superlattice semiconductor layer was 6 μm.

図２１および図２２には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の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２１および図２２から分かるように、第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、第２の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。   FIG. 21 and FIG. 22 show strains in the conduction band and valence band (heavy hole and light hole) of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer calculated by this experimental example, respectively. The potential distribution before consideration is shown. The horizontal axis indicates the distance in the stacking direction at the center of the quantum dot, and the vertical axis indicates energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. The solid line shows the potential distribution in the conduction band and the broken line shows the valence band potential distribution. As can be seen from FIGS. 21 and 22, the band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure, and the band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure. is there.

図２３および図２４には、それぞれ、本実験例により計算された第１の超格子半導体層および第２の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２３および図２４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２３および図２４から分かるように、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層では、それぞれ、量子ドット層の積層方向に超格子ミニバンドが伝導帯において形成されることが分かった。   FIG. 23 and FIG. 24 illustrate miniband structures (up to 50th superlattice minibands) in the conduction bands of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer calculated according to this experimental example, respectively. ). 23 and 24, the horizontal axis represents the superlattice wave number vector, and the vertical axis represents energy. The magnitude of energy was determined based on the top of the valence band before considering the effect of strain on the material constituting the quantum dots. As can be seen from FIGS. 23 and 24, in the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer, it is found that a superlattice miniband is formed in the conduction band in the stacking direction of the quantum dot layer, respectively. It was.

第１の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさはそれぞれ０．９８９ｅＶ及び１．０４０ｅＶであり、第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーおよび上端エネルギーの大きさはそれぞれ０．９４２ｅＶ及び０．９９６ｅＶであった。   The magnitudes of the bottom energy and top energy of the first superlattice miniband of the first superlattice semiconductor layer are 0.989 eV and 1.040 eV, respectively. The magnitudes of the lower end energy and the upper end energy of the lattice miniband were 0.942 eV and 0.996 eV, respectively.

つまり、実験例４の場合、第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層の伝導帯第一超格子ミニバンドの一部が重なる状態にあることから、キャリアが高速緩和される。また、第２の超格子半導体層はタイプＩＩ構造であるため、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。   That is, in the case of Experimental Example 4, since the conduction band first superlattice minibands of the first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer are partially overlapped, carriers are relaxed at high speed. In addition, since the second superlattice semiconductor layer has a type II structure, electrons and holes are spatially separated, so that the carrier lifetime is long and carrier recombination can be suppressed.

図２５には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示し、図２６には、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遷移における光吸収率の計算結果を示す。

Figure 2015141969
FIG. 25 shows the calculation results of the optical absorptance at the transition from the valence band to the first superlattice miniband of the conduction band and the superlattice miniband of the second or higher conduction band, and FIG. The calculation result of the optical absorptance at the transition from the superlattice miniband to the superlattice miniband with the second or higher conduction band is shown.
Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

＜比較実験例４＞
比較実験例４では、超格子半導体層は上記実験例４のタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されると仮定して、ミニバンド構造を計算し光吸収スペクトル及び輻射寿命をシミュレーションした。超格子半導体層の全体の厚さは６μｍとした。
本比較実験例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、および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）は図２１および図２３に示す通りである。上記実験例４とは異なり、超格子半導体層はタイプＩ構造の超格子構造だけで構成されるため、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。

Figure 2015141969
<Comparative Experimental Example 4>
In Comparative Experimental Example 4, assuming that the superlattice semiconductor layer is composed only of the superlattice structure of the type I structure of Experimental Example 4, a miniband structure was calculated to simulate the light absorption spectrum and radiation lifetime. The total thickness of the superlattice semiconductor layer was 6 μm.
The potential distribution before strain consideration in the conduction and valence bands (heavy and light holes) of the superlattice structure calculated by this comparative experimental example, and the miniband structure in the conduction band (up to the 50th superlattice mini The band is shown in FIG. 21 and FIG. Unlike the experimental example 4, the superlattice semiconductor layer is composed only of the superlattice structure of the type I structure, and therefore the movement of carriers generated in the superlattice miniband is gentle over the entire superlattice semiconductor layer. .

Figure 2015141969

Figure 2015141969
Figure 2015141969

＜考察＞
実験例４の超格子半導体層と比較実験例４の超格子半導体層とでは、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収は同一であり、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遷移における光吸収も吸収帯域や吸収率において著しい違いは見られなかった。一方で、輻射寿命においては、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において、実験例４の方が比較実験例４に比べて約１５倍長かった。よって、超格子ミニバンドを介した二段階目の光吸収をほとんど変えることなく、超格子ミニバンド内でのキャリア寿命を延ばすことができるため、二段階遷移の効率を向上させることができる。また、ｎ型半導体層は、第２の超格子半導体層側に配置されているため、第２の超格子半導体層で二段階目光励起されたキャリアは、ｎ型半導体層から速やかに取り出される。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンド内に生成されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出されることが確認された。したがって、実験例４の超格子半導体層を用いた受光素子は、短絡電流を向上させることができる。 <Discussion>
In the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 4 and the superlattice semiconductor layer of Comparative Experimental Example 4, light absorption at the transition from the valence band to the first superlattice miniband of the conduction band and the second superlattice miniband of the conduction band or more The light absorption at the transition from the first superlattice miniband of the conduction band to the superlattice miniband of the second or higher conduction band showed no significant difference in the absorption band or absorption rate. On the other hand, in the radiation lifetime, the experimental example 4 was about 15 times longer than the comparative experimental example 4 between the conduction band first superlattice miniband and the valence band first superlattice miniband. Therefore, since the carrier lifetime in the superlattice miniband can be extended without substantially changing the light absorption in the second stage via the superlattice miniband, the efficiency of the two-stage transition can be improved. In addition, since the n-type semiconductor layer is disposed on the second superlattice semiconductor layer side, the carriers that are second-stage photoexcited by the second superlattice semiconductor layer are quickly extracted from the n-type semiconductor layer. From these facts, it was confirmed that carriers generated in the first superlattice miniband of the conduction band are efficiently extracted to the n-type semiconductor layer before recombination or relaxation. Therefore, the light receiving element using the superlattice semiconductor layer of Experimental Example 4 can improve the short-circuit current.

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。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

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。   The light receiving element of the present invention can be used for solar cells, photodiodes, semiconductor optical amplifiers, quantum dot infrared sensors, and the like.

１ ｎ型半導体層、３ バッファ層、４ ｐ型半導体層、６Ａ，６Ｂ 量子ドット層、７Ａ，７Ｂ 量子ドット、８Ａ，８Ｂ 障壁層、１０Ａ 第１の超格子半導体層、１０Ｂ 第２の超格子半導体層、１２ ｐ型基板、１４ 窓層、１５ コンタクト層、１７ ｐ型電極、１８ ｎ型電極、２０ 太陽電池、２１，３１Ａ，３２Ａ 伝導帯第一超格子ミニバンド、２２、３２ 伝導帯、２３，３３ 価電子帯、２４，３４Ａ，３４Ｂ 超格子ミニバンド、２５，３５Ａ，３５Ｂ 伝導帯第二以上の超格子ミニバンド。   1 n-type semiconductor layer, 3 buffer layer, 4 p-type semiconductor layer, 6A, 6B quantum dot layer, 7A, 7B quantum dot, 8A, 8B barrier layer, 10A first superlattice semiconductor layer, 10B second superlattice Semiconductor layer, 12 p-type substrate, 14 window layer, 15 contact layer, 17 p-type electrode, 18 n-type electrode, 20 solar cell, 21, 31A, 32A conduction band first superlattice miniband, 22, 32 conduction band, 23, 33 Valence band, 24, 34A, 34B Superlattice miniband, 25, 35A, 35B Superlattice miniband of the second or higher conduction band.

Claims (6)

ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層の間に配置される第１の超格子半導体層および第２の超格子半導体層とを備え、
前記第１の超格子半導体層および前記第２の超格子半導体層は、それぞれ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し、
前記第１の超格子半導体層の超格子構造のバンド構造はタイプＩ構造であり、
前記第２の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、
前記第１の超格子半導体層の超格子構造および前記第２の超格子半導体層の超格子構造は、それぞれの前記超格子構造を構成する前記量子ドット層の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成し、
前記第２の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが、前記第１の超格子半導体層の超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーよりも小さい、受光素子。 a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a first superlattice semiconductor layer and a second superlattice semiconductor layer disposed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
The first superlattice semiconductor layer and the second superlattice semiconductor layer each have a superlattice structure in which barrier layers and quantum dot layers including quantum dots are alternately and repeatedly stacked,
The band structure of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer is a type I structure,
The band structure of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is a type II structure,
The superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer and the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer are formed by a superlattice miniature depending on the conduction band quantum level of the quantum dot layer constituting each superlattice structure. Forming a band,
The bottom energy of the conduction band first superlattice miniband of the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer is the bottom energy of the conduction band first superlattice miniband of the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer. Smaller than the light receiving element. 前記第２の超格子半導体層が前記ｎ型半導体層側に配置される、請求項１に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the second superlattice semiconductor layer is disposed on the n-type semiconductor layer side. 前記第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと前記第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとは少なくとも一部が重なる、または、
前記第１の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドと前記第２の超格子半導体層の超格子構造に形成される超格子ミニバンドとの間のエネルギーギャップの大きさが、前記第１の超格子半導体層の障壁層材料のＬＯフォノンエネルギーと室温における熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度を示す）の総和以下である、請求項１または２に記載の受光素子。 The superlattice miniband formed in the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer and the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer at least partially overlap, or ,
The size of the energy gap between the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the first superlattice semiconductor layer and the superlattice miniband formed in the superlattice structure of the second superlattice semiconductor layer Is less than or equal to the sum of the LO phonon energy of the barrier layer material of the first superlattice semiconductor layer and the thermal energy kT at room temperature (k is a Boltzmann constant and T is an absolute temperature). Light receiving element. 前記第１の超格子半導体層は、Ｇａ、ＩｎおよびＡｓからなり、
前記第２の超格子半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、ＡｓおよびＳｂからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。 The first superlattice semiconductor layer is made of Ga, In, and As,
The light receiving element according to claim 1, wherein the second superlattice semiconductor layer is made of Ga, In, As, and Sb. さらにＧａＡｓからなる基板を備え、前記基板上に、前記ｐ型半導体層、前記第１の超格子半導体層、前記第２の超格子半導体層および前記ｎ型半導体層が前記の順に積層される、請求項４に記載の受光素子。   Further, a substrate made of GaAs is provided, and the p-type semiconductor layer, the first superlattice semiconductor layer, the second superlattice semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer are stacked in this order on the substrate. The light receiving element according to claim 4. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子を備えた太陽電池。   The solar cell provided with the light receiving element of any one of Claims 1-5.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019215902A1 (en) * 2018-05-11 2019-11-14 日本電気株式会社 Photodetection element

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002141531A (en) * 2000-11-01 2002-05-17 Sharp Corp Solar cell and method of manufacturing the same
US20070012355A1 (en) * 2005-07-12 2007-01-18 Locascio Michael Nanostructured material comprising semiconductor nanocrystal complexes for use in solar cell and method of making a solar cell comprising nanostructured material
JP2011249579A (en) * 2010-05-27 2011-12-08 Fujifilm Corp Solar battery and method for manufacturing the same
JP2013046000A (en) * 2011-08-26 2013-03-04 Toyota Motor Corp Quantum dot array material, photoelectric conversion element and wavelength conversion element using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002141531A (en) * 2000-11-01 2002-05-17 Sharp Corp Solar cell and method of manufacturing the same
US20070012355A1 (en) * 2005-07-12 2007-01-18 Locascio Michael Nanostructured material comprising semiconductor nanocrystal complexes for use in solar cell and method of making a solar cell comprising nanostructured material
JP2011249579A (en) * 2010-05-27 2011-12-08 Fujifilm Corp Solar battery and method for manufacturing the same
JP2013046000A (en) * 2011-08-26 2013-03-04 Toyota Motor Corp Quantum dot array material, photoelectric conversion element and wavelength conversion element using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.YOSHIDA ET AL.: ""Photon ratchet intermediate band solar cells"", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. Vol.100, 263902, JPN7017001258, 2012, pages 263902 - 1, ISSN: 0003537984 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019215902A1 (en) * 2018-05-11 2019-11-14 日本電気株式会社 Photodetection element
US11489084B2 (en) 2018-05-11 2022-11-01 Nec Corporation Photodetection element

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