JP2016058540A - Photoelectric conversion element - Google Patents

Photoelectric conversion element Download PDF

Info

Publication number
JP2016058540A
JP2016058540A JP2014183527A JP2014183527A JP2016058540A JP 2016058540 A JP2016058540 A JP 2016058540A JP 2014183527 A JP2014183527 A JP 2014183527A JP 2014183527 A JP2014183527 A JP 2014183527A JP 2016058540 A JP2016058540 A JP 2016058540A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
barrier layer
layer
quantum dot
photoelectric conversion
conversion element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014183527A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6368594B2 (en
Inventor
朋宏 野澤
Tomohiro Nozawa
朋宏 野澤
荒川　泰彦
Yasuhiko Arakawa
泰彦 荒川
潤 舘林
Jun Tatebayashi
潤 舘林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
University of Tokyo NUC
Original Assignee
Sharp Corp
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp, University of Tokyo NUC filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2014183527A priority Critical patent/JP6368594B2/en
Publication of JP2016058540A publication Critical patent/JP2016058540A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6368594B2 publication Critical patent/JP6368594B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a favorable carrier transport property while maintaining an excellent light absorption property in a photoelectric conversion element using a quantum dot.SOLUTION: A solar cell 100 comprises a semiconductor layer 11, a wire layer 12 including a plurality of quantum dot nano-wires 13, a first electrode 15 and a second electrode 16. Each of the plurality of quantum dot nano-wires 13 includes: a plurality of quantum dot layers 20 arranged in a thickness direction of the semiconductor layer 11 at a distance from each other ; a first barrier layer 211 which surrounds the quantum dot layers 20 in a three-dimensional manner and which are electrically connected with the semiconductor layer 11; and a second barrier layer 212 which covers an outer peripheral surface of the first barrier layer 211 and which is electrically connected with the second electrode. A band gap of the first barrier layer 211 at a portion 2112 surrounding the quantum dot layers 20 is larger than a band gap of the second barrier layer 212.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、光電変換素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element.

近年、光電変換素子として、量子ドットを備えた光電変換素子が注目されている。   In recent years, photoelectric conversion elements including quantum dots have attracted attention as photoelectric conversion elements.

量子ドットは、数ｎｍ〜１００ｎｍ程度のナノ構造を有する粒子である。光電変換素子が複数の量子ドットからなる格子構造によって新たなバンドギャップ（量子準位）を形成することにより、これまで利用されなかった太陽光の長波長領域も吸収できるようになる。また、量子ドットを備えた光電変換素子は、量子ドットのサイズを制御することにより自由にバンドギャップを制御できるといった特徴も有する。このような複数の量子ドットを太陽電池に応用する場合、シリコン太陽電池では利用することができなかった長波長領域の太陽光を吸収できるので、優れた光電変換効率を得ることができる。   A quantum dot is a particle having a nanostructure of about several nm to 100 nm. When a photoelectric conversion element forms a new band gap (quantum level) by a lattice structure composed of a plurality of quantum dots, it can absorb a long wavelength region of sunlight that has not been used so far. Moreover, the photoelectric conversion element provided with a quantum dot also has the characteristic that a band gap can be freely controlled by controlling the size of a quantum dot. When such a plurality of quantum dots are applied to a solar cell, sunlight in a long wavelength region that could not be used in a silicon solar cell can be absorbed, so that excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.

非特許文献１には、図１２に示すようなプレーナー型の量子ドット層を有する光電変換素子３００が開示されている。この光電変換素子は、ＩｎＡｓからなる量子ドット層３１０と、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓからなる第１の障壁層３２０と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる第２の障壁層３２１とを含む。この光電変換素子３００では、第２の障壁層３２１は、量子ドット層３１０と第１の障壁層３２０との間に挿入されている。なお、図１２において、量子ドット層３１０、第１の障壁層３２０、第２の障壁層３２１に加えて、光電変換素子３００は、半導体層３３１、３３２及び電極３４１、３４２を備えている。量子ドット層３１０と第１の障壁層３２０との間に、第１の障壁層３２０よりもバンドギャップの大きい第２の障壁層３２１を挿入することで、量子ドット層３１０内への電子の閉じ込めが強くなり、量子ドット層３１０中の光吸収効率が高くなると記載されている。 Non-Patent Document 1 discloses a photoelectric conversion element 300 having a planar quantum dot layer as shown in FIG. This photoelectric conversion element includes a quantum dot layer 310 made of InAs, a first barrier layer 320 made of Al 0.07 Ga 0.93 As, and a second barrier layer made of Al 0.2 Ga 0.8 As. 321. In the photoelectric conversion element 300, the second barrier layer 321 is inserted between the quantum dot layer 310 and the first barrier layer 320. In FIG. 12, in addition to the quantum dot layer 310, the first barrier layer 320, and the second barrier layer 321, the photoelectric conversion element 300 includes semiconductor layers 331 and 332 and electrodes 341 and 342. By inserting a second barrier layer 321 having a band gap larger than that of the first barrier layer 320 between the quantum dot layer 310 and the first barrier layer 320, electrons are confined in the quantum dot layer 310. Is enhanced and the light absorption efficiency in the quantum dot layer 310 is increased.

A. V. Barve, et al., Applied Physics Letters 99, 191110 (2011)A. V. Barve, et al., Applied Physics Letters 99, 191110 (2011)

しかしながら、非特許文献１に記載の発明では、量子ドット層３１０と第１の障壁層３２０との間に第２障壁層３２１を形成すると、図１２の矢印に示すように、量子ドット層３１０からキャリアが電極３４２に向かって移動するとき、キャリアが第２障壁層３２１を超えていく必要がある。また、量子ドット層が複数層積層されている場合には、キャリアが第２障壁層３２１を複数回越えていく必要がある。このとき、ポテンシャル障壁によって、キャリア移動が妨げられ、キャリア移動効率が低下してしまうという問題がある。また、キャリアの移動途中に量子ドット層３１０が存在するため、キャリアが量子ドットポテンシャルにトラップされてしまい、キャリア移動効率が低下する虞がある。   However, in the invention described in Non-Patent Document 1, when the second barrier layer 321 is formed between the quantum dot layer 310 and the first barrier layer 320, the quantum dot layer 310 is separated from the quantum dot layer 310 as shown by an arrow in FIG. When carriers move toward the electrode 342, the carriers need to exceed the second barrier layer 321. In addition, when a plurality of quantum dot layers are stacked, carriers need to cross the second barrier layer 321 a plurality of times. At this time, there is a problem that carrier movement is hindered by the potential barrier and carrier movement efficiency is lowered. In addition, since the quantum dot layer 310 exists in the middle of carrier movement, carriers are trapped in the quantum dot potential, and there is a possibility that the carrier movement efficiency is lowered.

本発明は、優れた光吸収特性を維持しつつ、良好なキャリア輸送特性を有する、量子ドットを用いた光電変換素子を得ることを目的とする。   An object of this invention is to obtain the photoelectric conversion element using a quantum dot which has a favorable carrier transport characteristic, maintaining the outstanding light absorption characteristic.

上記の課題を解決する本発明の一実施形態に係る光電変換素子は、半導体層と、前記半導体層の厚さ方向に沿って柱状に延びた複数の量子ドットナノワイヤを含むワイヤ層と、前記半導体層の前記ワイヤ層とは反対側に配置され、前記半導体層と電気的に接続された第１の電極と、前記ワイヤ層の前記半導体層とは反対側に配置された第２の電極と、を備える。前記複数の量子ドットナノワイヤの各々は、前記半導体層の厚さ方向に離間して配置された複数の量子ドット層と、前記複数の量子ドット層を三次元的に囲むと共に、前記半導体層と電気的に接続された第１障壁層と、前記厚さ方向に垂直な方向において前記第１障壁層の外周面を覆うと共に、前記第２の電極と電気的に接続された第２障壁層と、を含む。前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分のバンドギャップは、前記第２障壁層のバンドギャップよりも大きい。   A photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention that solves the above problems includes a semiconductor layer, a wire layer including a plurality of quantum dot nanowires extending in a column shape along the thickness direction of the semiconductor layer, and the semiconductor A first electrode disposed on a side opposite to the wire layer and electrically connected to the semiconductor layer; a second electrode disposed on a side opposite to the semiconductor layer of the wire layer; Is provided. Each of the plurality of quantum dot nanowires includes a plurality of quantum dot layers that are spaced apart from each other in the thickness direction of the semiconductor layer, and three-dimensionally surrounds the plurality of quantum dot layers. A first barrier layer electrically connected, a second barrier layer covering an outer peripheral surface of the first barrier layer in a direction perpendicular to the thickness direction and electrically connected to the second electrode, including. Of the first barrier layer, the band gap of the portion surrounding the quantum dot layer in the direction perpendicular to the thickness direction is larger than the band gap of the second barrier layer.

上記の構成によれば、光電変換素子が前記複数の量子ドット層を三次元的に囲む第１障壁層と、第１障壁層を覆う第２障壁層とが設けられているので、量子ドット層において、第２障壁層の伝導帯下端よりも高く、第１障壁層の伝導帯下端よりも低いエネルギー準位に、量子準位が存在することとなる。そのため、当該量子準位に励起された電子が、熱励起やトンネル伝導等によって第２障壁層に電子移動することができる。そして、結果として、高い光電変換効率を有する光電変換素子を得ることができる。   According to the above configuration, since the photoelectric conversion element is provided with the first barrier layer that three-dimensionally surrounds the plurality of quantum dot layers and the second barrier layer that covers the first barrier layer, the quantum dot layer In FIG. 2, the quantum level exists at an energy level higher than the lower end of the conduction band of the second barrier layer and lower than the lower end of the conduction band of the first barrier layer. Therefore, electrons excited to the quantum level can move to the second barrier layer by thermal excitation, tunnel conduction, or the like. As a result, a photoelectric conversion element having high photoelectric conversion efficiency can be obtained.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の伝導帯下端は、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に高いことが好ましい。   In the photoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention, the lower end of the conduction band of the first barrier layer surrounding the quantum dot layer in the direction perpendicular to the thickness direction is the conduction of the second barrier layer. It is preferable that it is higher in energy than the lower end of the belt.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の、前記垂直な方向における厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さであることが好ましい。   In the photoelectric conversion element according to the embodiment of the present invention, the thickness of the portion of the first barrier layer surrounding the quantum dot layer in the direction perpendicular to the thickness direction in the perpendicular direction is determined by the carrier. The thickness is preferably such that it can pass through tunnel conduction.

上記の構成によれば、上記厚さがトンネル伝導により通過可能となっているので、量子ドット層から第２障壁層へトンネル効果により電子を移動させることができる。従って、光電変換効率を高めることができる。   According to said structure, since the said thickness can pass by tunnel conduction, an electron can be moved to the 2nd barrier layer from a quantum dot layer by a tunnel effect. Accordingly, the photoelectric conversion efficiency can be increased.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な面における前記量子ドット層を囲む部分は、前記半導体層の面内方向における厚さが１〜２０ｎｍであることが好ましい。   In the photoelectric conversion element according to one embodiment of the present invention, a portion of the first barrier layer surrounding the quantum dot layer in a plane perpendicular to the thickness direction has a thickness in the in-plane direction of the semiconductor layer. It is preferable that it is 1-20 nm.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記半導体層がｐ型の導電型を有し、前記量子ドットナノワイヤが、ｎ型の導電型を有することが好ましい。   In the photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention, the semiconductor layer preferably has a p-type conductivity type, and the quantum dot nanowire preferably has an n-type conductivity type.

また、本発明の別の実施形態にかかる光電変換素子は、前記半導体層がｎ型の導電型を有し、前記量子ドットナノワイヤが、ｎ−型の導電型を有することが好ましい。 In the photoelectric conversion element according to another embodiment of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer has an n-type conductivity type and the quantum dot nanowire has an n − -type conductivity type.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層が、間接遷移型半導体で形成されている場合にも好適である。この場合、前記間接遷移型半導体の最も低い伝導帯下端が、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に上に位置している。   The photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention is also suitable when the first barrier layer is formed of an indirect transition semiconductor. In this case, the lowest conduction band lower end of the indirect transition type semiconductor is located energetically above the lower conduction band lower end of the second barrier layer.

従来のＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長（ＳＫ成長）を用いた場合、間接遷移型半導体で第１障壁層を形成することは容易でなかった。また、間接遷移型半導体で第１障壁層を形成できたとしても、結晶性の低い半導体となってしまうので、第１障壁層におけるキャリア輸送効率が低かった。しかしながら、上記の構成によれば、結晶歪みが緩和されるので、第１障壁層を容易に形成することができる。さらに、上記の構成によれば、第１障壁層に励起された電子は、第２の電極に到達するまで第１障壁層内において輸送されるのではなく、第１障壁層よりもエネルギー準位の低い第２障壁層内において輸送される。従って、キャリア輸送効率に大きな影響が現れるのを抑制することができる。   When the conventional Stranski-Krastanov growth (SK growth) is used, it is not easy to form the first barrier layer with an indirect transition semiconductor. Further, even if the first barrier layer can be formed of an indirect transition type semiconductor, it becomes a semiconductor with low crystallinity, so that the carrier transport efficiency in the first barrier layer is low. However, according to the above configuration, since the crystal distortion is relaxed, the first barrier layer can be easily formed. Furthermore, according to the above configuration, the electrons excited in the first barrier layer are not transported in the first barrier layer until reaching the second electrode, but are in an energy level higher than that of the first barrier layer. In the low second barrier layer. Accordingly, it is possible to suppress a significant influence on the carrier transport efficiency.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分よりもバンドギャップが小さい第３障壁層をさらに備え、前記第３障壁層は、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分を前記厚さ方向に垂直な方向に二分するように、前記第１障壁層内に配置されていてもよい。   The photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention further includes a third barrier layer having a smaller band gap than a portion surrounding the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction of the first barrier layer, The third barrier layer includes the first barrier layer so that a portion of the first barrier layer surrounding the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction is divided in a direction perpendicular to the thickness direction. It may be arranged inside.

上記の構成によれば、第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分を前記厚さ方向に垂直な方向に二分するように第３障壁層を設けるので、量子ドット層から第３障壁層に達するトンネル伝導と、第３障壁層から第２障壁層に達するトンネル伝導によって、電子が第２障壁層に輸送される。第３障壁層が存在することにより、トンネル伝導で乗り越える障壁層の厚さが小さくなるので、トンネル伝導による電子移動が容易になり、結果として、優れた光電変換効率を得ることができる。   According to the above configuration, the third barrier layer is provided so that the portion surrounding the quantum dot layer in the direction perpendicular to the thickness direction in the first barrier layer is divided into two in the direction perpendicular to the thickness direction. Electrons are transported to the second barrier layer by tunnel conduction reaching the third barrier layer from the quantum dot layer and tunnel conduction reaching the second barrier layer from the third barrier layer. Due to the presence of the third barrier layer, the thickness of the barrier layer that can be overcome by tunnel conduction is reduced, so that electron transfer by tunnel conduction is facilitated, and as a result, excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.

本発明の一実施形態にかかる光電変換素子は、前記複数の量子ドット層と、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分との間に、前記第１障壁層よりもバンドギャップが小さい第４障壁層をさらに備えていてもよい。   In the photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention, between the plurality of quantum dot layers and a portion of the first barrier layer that surrounds the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction, A fourth barrier layer having a band gap smaller than that of the first barrier layer may be further provided.

上記の構成によれば、第４障壁層は第１障壁層よりもバンドギャップが小さいので、第４障壁層を経由することにより、効率的な光励起、及び効率的なキャリア輸送をすることができる。   According to the above configuration, since the fourth barrier layer has a smaller band gap than the first barrier layer, efficient photoexcitation and efficient carrier transport can be achieved via the fourth barrier layer. .

本発明によれば、優れた光吸収特性を維持しつつ、良好なキャリア輸送特性を有する、量子ドットを用いた光電変換素子を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion element using a quantum dot which has a favorable carrier transport characteristic, maintaining the outstanding light absorption characteristic can be obtained.

図１は、実施形態１に係る太陽電池の概略図である。1 is a schematic view of a solar cell according to Embodiment 1. FIG. 図２は、実施形態１に係る太陽電池の一部を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a part of the solar cell according to the first embodiment. 図３Ａは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第１の工程図である。FIG. 3A is a first process diagram showing a method of manufacturing the solar cell shown in FIGS. 1 and 2. 図３Ｂは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第２の工程図である。FIG. 3B is a second process diagram illustrating a method of manufacturing the solar cell illustrated in FIGS. 1 and 2. 図３Ｃは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第３の工程図である。FIG. 3C is a third process diagram illustrating the method of manufacturing the solar cell illustrated in FIGS. 1 and 2. 図３Ｄは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第４の工程図である。FIG. 3D is a fourth process diagram illustrating the method for manufacturing the solar cell illustrated in FIGS. 1 and 2. 図３Ｅは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第５の工程図である。FIG. 3E is a fifth process diagram illustrating the method for manufacturing the solar cell illustrated in FIGS. 1 and 2. 図３Ｆは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第６の工程図である。FIG. 3F is a sixth process diagram illustrating the method of manufacturing the solar cell illustrated in FIGS. 1 and 2. 図３Ｇは、図１及び図２に示す太陽電池の製造方法を示す第７の工程図である。FIG. 3G is a seventh process diagram illustrating the method for manufacturing the solar cell illustrated in FIGS. 1 and 2. 図４は、実施形態１の太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。FIG. 4 is an energy diagram in the conduction band of the solar cell of the first embodiment. 図５は、実施形態１の太陽電池のキャリアの移動について説明する説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the movement of the carrier of the solar cell of the first embodiment. 図６は、実施形態２に係る太陽電池の一部を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a part of the solar cell according to the second embodiment. 図７は、実施形態３に係る太陽電池の一部を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a part of the solar cell according to the third embodiment. 図８は、実施形態３の太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。FIG. 8 is an energy diagram in the conduction band of the solar cell of the third embodiment. 図９は、実施形態３の変形例に係る太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。FIG. 9 is an energy diagram in the conduction band of the solar cell according to the modification of the third embodiment. 図１０は、実施形態４に係る太陽電池の一部を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a part of the solar cell according to the fourth embodiment. 図１１は、実施形態４の太陽電池の、伝導帯におけるエネルギー図である。FIG. 11 is an energy diagram in the conduction band of the solar cell of the fourth embodiment. 図１２は、従来の構成の太陽電池の断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional solar cell.

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、以下の各図中の部材の寸法は、実際の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. For convenience of explanation, the drawings referred to in the following description show only the main members necessary for explaining the present invention in a simplified manner among the constituent members of the embodiment of the present invention. Therefore, the present invention can include arbitrary components not shown in the following drawings. In addition, the dimensions of the members in the following drawings do not faithfully represent actual dimensions, dimensional ratios of the members, or the like.

本明細書において、超格子構造とは、共に半導体からなりバンドギャップが異なる２つの層が繰り返し積層された構造である。例えば、１０ｎｍオーダーの異なる物質の層が繰り返し積層された構造である。   In this specification, the superlattice structure is a structure in which two layers made of a semiconductor and having different band gaps are repeatedly stacked. For example, a structure in which layers of different materials of the order of 10 nm are repeatedly stacked.

量子ドットは、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よりもバンドギャップの大きい半導体で囲まれた微粒子である。量子ドット層は、複数の量子ドットを含む層のことを指し、超格子構造の井戸層となる。量子準位は、量子ドットの電子の離散的なエネルギー準位をいう。障壁層は、量子ドットを構成する半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなり、超格子構造を構成する。   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 having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dot. The quantum dot layer refers to a layer including a plurality of quantum dots and becomes a well layer having a superlattice structure. The quantum level refers to the discrete energy level of the electrons of the quantum dot. The barrier layer is made of a semiconductor having a larger band gap than the semiconductor constituting the quantum dots, and constitutes a superlattice structure.

＜実施形態１＞
（太陽電池）
図１は、実施形態１に係る太陽電池１００の構成を示す。太陽電池１００は、ｐ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１１上に設けられた超格子半導体層１２（ワイヤ層）と、を含んでいる。図１において、ｐ型半導体層１１がｘ方向及びｙ方向で形成される面に平行であり、ｐ型半導体層１１及び超格子半導体層１２の厚さ方向をｚ方向であるとして説明する。超格子半導体層１２は、複数の量子ドットナノワイヤ１３を含む。超格子半導体層１２のうち、量子ドットナノワイヤ１３が存在しない空間には、樹脂１４が充填されている。ｐ型半導体層１１の超格子半導体層１２とは反対側の表面には、下部電極１５（第１の電極）が設けられている。また、超格子半導体層１２のｐ型半導体層１１とは反対側の表面には、上部電極１６（第１の電極）が設けられている。 <Embodiment 1>
(Solar cell)
FIG. 1 shows a configuration of a solar cell 100 according to the first embodiment. The solar cell 100 includes a p-type semiconductor layer 11 and a superlattice semiconductor layer 12 (wire layer) provided on the p-type semiconductor layer 11. In FIG. 1, it is assumed that the p-type semiconductor layer 11 is parallel to the plane formed in the x direction and the y direction, and the thickness direction of the p type semiconductor layer 11 and the superlattice semiconductor layer 12 is the z direction. The superlattice semiconductor layer 12 includes a plurality of quantum dot nanowires 13. A space in the superlattice semiconductor layer 12 where the quantum dot nanowires 13 do not exist is filled with a resin 14. A lower electrode 15 (first electrode) is provided on the surface of the p-type semiconductor layer 11 opposite to the superlattice semiconductor layer 12. An upper electrode 16 (first electrode) is provided on the surface of the superlattice semiconductor layer 12 opposite to the p-type semiconductor layer 11.

ｐ型半導体層１１（ベース層）は、ｐ型不純物を含む半導体で形成されている。   The p-type semiconductor layer 11 (base layer) is formed of a semiconductor containing p-type impurities.

超格子半導体層１２は、全体として、ｎ型となるように構成されている。また、超格子半導体層１２に形成された複数の量子ドットナノワイヤ１３のそれぞれは、ｐ型半導体層１１の厚さ方向、つまりｚ方向に柱状に延びた形状を有する。超格子半導体層１２及び量子ドットナノワイヤ１３の詳細な構造については、後述する。複数の量子ドットナノワイヤ１３は、例えば４本／μｍ２以上の面密度で互いに等間隔に配置されている。 The superlattice semiconductor layer 12 is configured to be n-type as a whole. Each of the plurality of quantum dot nanowires 13 formed on the superlattice semiconductor layer 12 has a shape extending in a columnar shape in the thickness direction of the p-type semiconductor layer 11, that is, the z direction. Detailed structures of the superlattice semiconductor layer 12 and the quantum dot nanowire 13 will be described later. The plurality of quantum dot nanowires 13 are arranged at regular intervals with a surface density of, for example, 4 wires / μm 2 or more.

樹脂１４は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）で形成されている。なお、超格子半導体層１２のうち量子ドットナノワイヤ１３が存在しない空間を充填する材料として、樹脂１４の他、太陽光を吸収可能な半導体材料や、太陽光を吸収して吸収波長とは異なる波長を放射する波長変換材料を用いてもよい。充填材料として用いる半導体材料は、後述する障壁層２１（図２を参照。）と同一の材料であってもよい。   The resin 14 is made of, for example, benzocyclobutene (BCB). In addition, as a material for filling the space where the quantum dot nanowires 13 do not exist in the superlattice semiconductor layer 12, in addition to the resin 14, a semiconductor material capable of absorbing sunlight, or a wavelength different from the absorption wavelength by absorbing sunlight. A wavelength converting material that emits light may be used. The semiconductor material used as the filling material may be the same material as the barrier layer 21 (see FIG. 2) described later.

下部電極１５は、ｐ型半導体層１１と接して設けられている。下部電極１５は、ｐ型半導体層１１と電気的に接続されている。下部電極１５は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ材料で形成されている。なお、下部電極１５は、コンタクト層を介してｐ型半導体層１１と電気的に接続されていてもよい。   The lower electrode 15 is provided in contact with the p-type semiconductor layer 11. The lower electrode 15 is electrically connected to the p-type semiconductor layer 11. The lower electrode 15 is made of, for example, an AuGeNi / Au material. The lower electrode 15 may be electrically connected to the p-type semiconductor layer 11 through a contact layer.

上部電極１６は、超格子半導体層１２と接して設けられている。上部電極１６は、例えば、ＩＴＯ等の透明導電膜で形成されている。なお、上部電極１６は、コンタクト層を介して超格子半導体層１２と電気的に接続されていてもよい。また、上部電極１６と超格子半導体層１２との間にｎ型半導体層が設けられ、このｎ型半導体層を介して上部電極１６と超格子半導体層１２とが電気的に接続されていてもよい。また、上部電極１６として、グリッド電極が設けられていてもよい。   The upper electrode 16 is provided in contact with the superlattice semiconductor layer 12. The upper electrode 16 is formed of, for example, a transparent conductive film such as ITO. The upper electrode 16 may be electrically connected to the superlattice semiconductor layer 12 through a contact layer. Further, an n-type semiconductor layer is provided between the upper electrode 16 and the superlattice semiconductor layer 12, and the upper electrode 16 and the superlattice semiconductor layer 12 are electrically connected via the n-type semiconductor layer. Good. Further, a grid electrode may be provided as the upper electrode 16.

（量子ドットナノワイヤ）
図２は、量子ドットナノワイヤ１３の断面構造を示す断面図である。量子ドットナノワイヤ１３は、ｘｙ面の面内方向における中心部分を構成するコア領域１３１と、ｘｙ面の面内方向においてコア領域１３１を囲うシェル領域１３２とを含む。また、複数の量子ドットナノワイヤ１３のそれぞれは、複数の量子ドット層２０と障壁層２１とを含む。 (Quantum dot nanowire)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the quantum dot nanowire 13. The quantum dot nanowire 13 includes a core region 131 that forms a central portion in the in-plane direction of the xy plane, and a shell region 132 that surrounds the core region 131 in the in-plane direction of the xy plane. Each of the plurality of quantum dot nanowires 13 includes a plurality of quantum dot layers 20 and a barrier layer 21.

複数の量子ドット層２０は、量子ドットナノワイヤ１３において、ｚ方向に互いに離間して配置されている。量子ドット層２０は、コア領域１３１に配置されている。なお、図２は、便宜上、１つの量子ドットナノワイヤ１３当たり、２個の量子ドット層２０だけを示している。実際には、１つの量子ドットナノワイヤ１３は、例えば、３０〜６００層程度の量子ドット層２０が配置された構成を有する。   The plurality of quantum dot layers 20 are spaced apart from each other in the z direction in the quantum dot nanowire 13. The quantum dot layer 20 is disposed in the core region 131. FIG. 2 shows only two quantum dot layers 20 per quantum dot nanowire 13 for convenience. Actually, one quantum dot nanowire 13 has a configuration in which, for example, about 30 to 600 quantum dot layers 20 are arranged.

障壁層２１は、第１障壁層２１１と第２障壁層２１２とを含む。第１障壁層２１１は、量子ドット層２０を三次元的に囲むように設けられている。第２障壁層２１２は、第１障壁層２１１の外周面を覆うように設けられている。   The barrier layer 21 includes a first barrier layer 211 and a second barrier layer 212. The first barrier layer 211 is provided so as to surround the quantum dot layer 20 three-dimensionally. The second barrier layer 212 is provided so as to cover the outer peripheral surface of the first barrier layer 211.

第１障壁層２１１は、後述するコア層２３を介して、ｐ型半導体層１１と電気的に接続されている。第１障壁層２１１は、コア領域１３１のコア部２１１１と、シェル領域１３２のシェル部２１１２とを含む。コア部２１１１とシェル部２１１２とは、同一の材料で形成されている。シェル領域１３２では、第１障壁層２１１のシェル部２１１２と第２障壁層２１２とが積層された２重構造となっている。   The first barrier layer 211 is electrically connected to the p-type semiconductor layer 11 via a core layer 23 described later. The first barrier layer 211 includes a core part 2111 of the core region 131 and a shell part 2112 of the shell region 132. The core part 2111 and the shell part 2112 are formed of the same material. The shell region 132 has a double structure in which the shell portion 2112 of the first barrier layer 211 and the second barrier layer 212 are stacked.

コア部２１１１は、量子ドット層２０と交互にｚ方向に積層されている。つまり、コア部２１１１と量子ドット層２０とにより、超格子構造が形成されている。   The core portion 2111 is stacked alternately with the quantum dot layer 20 in the z direction. That is, a superlattice structure is formed by the core portion 2111 and the quantum dot layer 20.

シェル部２１１２は、ｘｙ面の面内方向において量子ドット層２０を囲む。シェル部２１１２の厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ、つまり、ｐ型半導体層１１の面内方向における厚さ）は、例えば、１〜２０ｎｍである。シェル部２１１２の厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さ以下となっている。   The shell part 2112 surrounds the quantum dot layer 20 in the in-plane direction of the xy plane. The thickness of the shell portion 2112 (the thickness in the direction perpendicular to the z direction, that is, the thickness in the in-plane direction of the p-type semiconductor layer 11) is, for example, 1 to 20 nm. The thickness of the shell portion 2112 is equal to or less than the thickness that allows carriers to pass by tunnel conduction.

第２障壁層２１２は、上部電極１６と電気的に接続されている。第２障壁層２１２の厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ）は、例えば、１０〜５００ｎｍである。   The second barrier layer 212 is electrically connected to the upper electrode 16. The thickness of the second barrier layer 212 (thickness in the direction perpendicular to the z direction) is, for example, 10 to 500 nm.

量子ドット層２０は、障壁層２１を構成する半導体材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体材料からなる。量子ドット層２０は、量子効果により、伝導帯中及び価電子帯中に量子準位を有する。量子ドット層２０は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ族化合物半導体、これらの混晶材料等で形成されている。具体的には、量子ドット層２０は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ，ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＳｂｚＡｓ１−ｚ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、等で形成されている。 The quantum dot layer 20 is made of a semiconductor material having a narrower bandgap than the semiconductor material constituting the barrier layer 21. The quantum dot layer 20 has quantum levels in the conduction band and the valence band due to the quantum effect. The quantum dot layer 20 is formed of, for example, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group IV compound semiconductor, a mixed crystal material thereof, or the like. Specifically, the quantum dot layer 20 is composed of InGaAs, InGaN, InGaAsSb, InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, InN, GaN, AlN, Si, SiGe, Al x Ga y In 1− x-y Sb z As 1- z, and is formed by Al x Ga y in 1-x -y P, Al x Ga y in 1-x-y N, and the like.

障壁層２１は、量子ドット層２０を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなる。障壁層２１は、量子ドット層２０の周りのポテンシャル障壁を構成する。障壁層２１は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ族化合物半導体、これらの混晶材料等で形成されている。具体的には、障壁層２１は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ，ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＳｂｚＡｓ１−ｚ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ、等で形成されている。 The barrier layer 21 is made of a semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor material constituting the quantum dot layer 20. The barrier layer 21 constitutes a potential barrier around the quantum dot layer 20. The barrier layer 21 is made of, for example, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group IV compound semiconductor, a mixed crystal material thereof, or the like. Specifically, the barrier layer 21 is made of AlGaAs, AlGaAsSb, InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, InN, GaN, AlN, Si, SiGe, Al x Ga y In 1-xy. sb z As 1-z, and is formed by Al x Ga y in 1-x -y P, Al x Ga y in 1-x-y N, and the like.

なお、量子ドット層２０及び障壁層２１を混晶からなる材料で形成する場合、混晶の元素割合を適宜変更することにより、量子準位及び障壁層２１のバンドギャップを変更したり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット層２０と障壁層２１の価電子帯エネルギー差）をゼロにしたりすることができる。   When the quantum dot layer 20 and the barrier layer 21 are formed of a material made of a mixed crystal, the quantum level and the band gap of the barrier layer 21 can be changed or the valence electrons can be changed by appropriately changing the element ratio of the mixed crystal. The band band energy offset (the valence band energy difference between the quantum dot layer 20 and the barrier layer 21) can be made zero.

第１障壁層２１１は、第２障壁層２１２を構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい材料で形成されている。また、第１障壁層２１１を構成する半導体材料のΓ点でのバンドギャップと、第２障壁層２１２を構成する半導体材料のΓ点でのバンドギャップとを比較すると、前者は後者よりも大きい。   The first barrier layer 211 is formed of a material having a larger band gap than the semiconductor material that forms the second barrier layer 212. Further, when the band gap at the Γ point of the semiconductor material constituting the first barrier layer 211 is compared with the band gap at the Γ point of the semiconductor material constituting the second barrier layer 212, the former is larger than the latter.

さらに、第１障壁層２１１を構成する半導体材料のΓ点における伝導帯下端でのエネルギー準位（ＣＢＭ）と、第２障壁層２１２を構成する半導体材料のΓ点におけるＣＢＭとを比較すると、前者は後者よりもエネルギー的に高い。   Further, when the energy level (CBM) at the lower end of the conduction band at the Γ point of the semiconductor material constituting the first barrier layer 211 is compared with the CBM at the Γ point of the semiconductor material constituting the second barrier layer 212, the former. Is energetically higher than the latter.

上記を満たす量子ドット層２０、第１障壁層２１１、及び第２障壁層２１２の組み合わせとしては、例えば、量子ドット層２０がＩｎＧａＡｓ、第１障壁層２１１がＡｌＧａＡｓ、及び第２障壁層２１２がＧａＡｓの場合や、量子ドット層２０がＩｎＡｓ、第１障壁層２１１がＡｌＧａＡｓ、及び第２障壁層２１２がＧａＡｓの場合等が挙げられる。ここでの第１障壁層２１１を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓは、Ａｌの構成比率が４５％以下（つまり、０＜ｘ≦０．４５）の直接遷移型半導体である。 As a combination of the quantum dot layer 20, the first barrier layer 211, and the second barrier layer 212 satisfying the above, for example, the quantum dot layer 20 is InGaAs, the first barrier layer 211 is AlGaAs, and the second barrier layer 212 is GaAs. And the case where the quantum dot layer 20 is InAs, the first barrier layer 211 is AlGaAs, and the second barrier layer 212 is GaAs. The Al x Ga 1-x As constituting the first barrier layer 211 here is a direct transition semiconductor having an Al composition ratio of 45% or less (that is, 0 <x ≦ 0.45).

量子ドットナノワイヤ１３は、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）を含むことが好ましい。これにより、量子ドット層２０中に電子を存在させることができる。ｎ型ドーパントは、量子ドット層２０に存在してもよく、障壁層２１に存在してもよい。また、第２障壁層２１２にｎ型ドーパントが含まれていることが好ましく、さらに第２障壁層２１２中のｎ型ドーパント濃度が、量子ドット層２０もしくは障壁層２１に存在するｎ型ドーパント濃度よりも高いことが好ましい。これにより、第１障壁層２１１と第２障壁層２１２との間に電界が生じるため、量子ドット層２０の伝導帯側において光吸収された電子が効率的に第２障壁層２１２へ移動できる。   The quantum dot nanowire 13 preferably contains an n-type dopant (n-type impurity). Thereby, electrons can be present in the quantum dot layer 20. The n-type dopant may be present in the quantum dot layer 20 or may be present in the barrier layer 21. The second barrier layer 212 preferably contains an n-type dopant, and the n-type dopant concentration in the second barrier layer 212 is higher than the n-type dopant concentration present in the quantum dot layer 20 or the barrier layer 21. Is preferably high. As a result, an electric field is generated between the first barrier layer 211 and the second barrier layer 212, so that electrons absorbed on the conduction band side of the quantum dot layer 20 can efficiently move to the second barrier layer 212.

ｐ型半導体層１１と超格子半導体層１２との間には、マスク層２２が設けられている。マスク層２２は、量子ドットナノワイヤ１３のそれぞれに対応する開口２２１を有する。マスク層２２を形成する材料としては、量子ドットナノワイヤ１３の原材料とエネルギー的に安定な材料を形成しない材料を選択する。量子ドットナノワイヤ１３の原材料としてＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等を採用する場合、マスク層２２の材料としては、例えばＳｉＯ２等が挙げられる。 A mask layer 22 is provided between the p-type semiconductor layer 11 and the superlattice semiconductor layer 12. The mask layer 22 has an opening 221 corresponding to each of the quantum dot nanowires 13. As a material for forming the mask layer 22, a material that does not form an energy stable material with the raw material of the quantum dot nanowire 13 is selected. When employing InAs, a GaAs or the like as a raw material of the quantum dots nanowire 13, as the material of the mask layer 22, for example, SiO 2 and the like.

マスク層２２の開口２２１においては、ｐ型半導体層１１の表面にコア層２３が設けられている。コア層２３は、例えば、ｐ型半導体層１１と同一の材料で形成されている。コア層２３が設けられていることにより、量子ドットナノワイヤ１３の結晶性が向上し、超格子半導体層１２からｐ型半導体層１１へのキャリア取り出し効率が向上する。なお、コア層２３は必須の構成ではない。   In the opening 221 of the mask layer 22, a core layer 23 is provided on the surface of the p-type semiconductor layer 11. The core layer 23 is made of the same material as that of the p-type semiconductor layer 11, for example. By providing the core layer 23, the crystallinity of the quantum dot nanowire 13 is improved, and the carrier extraction efficiency from the superlattice semiconductor layer 12 to the p-type semiconductor layer 11 is improved. The core layer 23 is not an essential configuration.

（太陽電池の製造方法）
以下、図３Ａ〜図３Ｇを用いて、太陽電池１００の製造方法を説明する。本実施形態の太陽電池１００の製造においては、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用いることができる。 (Method for manufacturing solar cell)
Hereinafter, the manufacturing method of the solar cell 100 is demonstrated using FIG. 3A-FIG. 3G. In manufacturing the solar cell 100 of the present embodiment, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD) excellent in film thickness control can be used.

まず、ｐ型半導体層１１であるｐ−ＧａＡｓ基板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表面をエッチングし、さらに１０分間流水洗浄を施す。そして、図３Ａに示すように、マスク層２２としてＳｉＯ２膜を堆積する。さらに、超格子半導体層１２のそれぞれに対応するように、エッチングして複数の開口２２１を形成する。 First, after cleaning the p-GaAs substrate which is the p-type semiconductor layer 11 with an organic cleaning solution, the surface is etched with a sulfuric acid-based etching solution, and further washed with running water for 10 minutes. Then, as shown in FIG. 3A, a SiO 2 film is deposited as the mask layer 22. Further, a plurality of openings 221 are formed by etching so as to correspond to each of the superlattice semiconductor layers 12.

次に、マスク層２２が形成されたｐ型半導体層１１をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。そして、図３Ｂに示すように、ｐ型半導体層１１と同一の材料で、コア層２３を形成する。   Next, the p-type semiconductor layer 11 on which the mask layer 22 is formed is placed in an MOCVD apparatus. Then, as shown in FIG. 3B, the core layer 23 is formed with the same material as that of the p-type semiconductor layer 11.

続いて、図３Ｂに示すように、量子ドット層２０及び第１障壁層２１１のコア部２１１１を形成する。量子ドット層２０及び第１障壁層２１１のコア部２１１１は、例えば、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長（ＳＫ成長）と呼ばれる方法を用いて、量子ドット層２０及び第１障壁層２１１を成長させて形成する。このとき、量子ドット層２０の原材料と第１障壁層２１１の原材料を交互に供給することにより、量子ドット層２０と第１障壁層２１１とを交互に積層する。量子ドット層２０及び第１障壁層２１１のコア部２１１１の原材料は、マスク層２２上ではエネルギー的に不安定であるため、開口２２１上において形成されたナノワイヤ上に駆け上がり、積層される。そのため、量子ドット層２０及びコア部２１１１をｚ方向に延びるワイヤ状に形成することができる。量子ドット層２０を構成する材料の組成比を変更すれば量子ドット層２０の混晶比を調整することができ、量子ドット層２０を構成する材料の種類、成長温度、圧力、および堆積時間などを変更すれば量子ドット層２０のサイズを調整することができる。   Subsequently, as illustrated in FIG. 3B, the core part 2111 of the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211 is formed. The core part 2111 of the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211 is formed by growing the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211 using, for example, a method called Stranski-Krastanov growth (SK growth). At this time, the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211 are alternately stacked by alternately supplying the raw material of the quantum dot layer 20 and the raw material of the first barrier layer 211. Since the raw material of the core part 2111 of the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211 is unstable in terms of energy on the mask layer 22, it runs up and is stacked on the nanowire formed on the opening 221. Therefore, the quantum dot layer 20 and the core part 2111 can be formed in a wire shape extending in the z direction. If the composition ratio of the material constituting the quantum dot layer 20 is changed, the mixed crystal ratio of the quantum dot layer 20 can be adjusted, and the type, growth temperature, pressure, deposition time, and the like of the material constituting the quantum dot layer 20 Can be adjusted, the size of the quantum dot layer 20 can be adjusted.

なお、量子ドット層２０にｎ型ドーピングからの電子供給を行うため、量子ドット層２０または第１障壁層２１１にｎ型ドーパントをドープする。ドーピングは必須ではないが、光吸収により量子ドットの伝導帯側の量子準位中に存在する電子を効率的に取り出すために、ｎ型ドーパントがドープされていることが好ましい。   In order to supply electrons from the n-type doping to the quantum dot layer 20, the quantum dot layer 20 or the first barrier layer 211 is doped with an n-type dopant. Doping is not essential, but it is preferable to be doped with an n-type dopant in order to efficiently extract electrons present in the quantum level on the conduction band side of the quantum dot by light absorption.

続いて、図３Ｃに示すように、ＭＯＣＶＤ法により、量子ドット層２０及びコア部２１１１の積層体の側面に、第１障壁層２１１のシェル部２１１２を形成する。このとき、高温成長であればコア領域の頂上に結晶成長が進みやすく、低温成長であればコア領域の側面に結晶成長が進みやすい。   Subsequently, as shown in FIG. 3C, a shell portion 2112 of the first barrier layer 211 is formed on the side surface of the stacked body of the quantum dot layer 20 and the core portion 2111 by MOCVD. At this time, if it is high-temperature growth, crystal growth tends to proceed to the top of the core region, and if it is low-temperature growth, crystal growth tends to proceed to the side surface of the core region.

さらに、図３Ｄに示すように、量子ドット層２０、第１障壁層２１１のコア部２１１１及び第１障壁層２１１のシェル部２１１２の積層体を覆うように、ＭＯＣＶＤ法により、第２障壁層２１２を形成する。   Further, as shown in FIG. 3D, the second barrier layer 212 is formed by MOCVD so as to cover the stacked body of the quantum dot layer 20, the core portion 2111 of the first barrier layer 211, and the shell portion 2112 of the first barrier layer 211. Form.

次に、図３Ｅに示すように、超格子半導体層１２における量子ドットナノワイヤ１３の間の間隙を、樹脂１４で埋める。   Next, as shown in FIG. 3E, the gaps between the quantum dot nanowires 13 in the superlattice semiconductor layer 12 are filled with a resin 14.

続いて、図３Ｆに示すように、樹脂１４のｚ方向の一部をエッチングする。このときのエッチングとしては、例えば、Ｃｌ２／Ｏ２プラズマを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法を用いることができる。これにより、量子ドットナノワイヤ１３が表面に露出する。 Subsequently, as shown in FIG. 3F, a part of the resin 14 in the z direction is etched. As the etching at this time, for example, an RIE (reactive ion etching) method using Cl 2 / O 2 plasma can be used. Thereby, the quantum dot nanowire 13 is exposed to the surface.

最後に、図３Ｇに示すように、電子線蒸着等を用いて、ｐ型半導体層１１の表面に下部電極１５を形成する。また、超格子半導体層１２の表面に、上部電極１６を形成する。これにより、太陽電池１００が完成する。   Finally, as shown in FIG. 3G, the lower electrode 15 is formed on the surface of the p-type semiconductor layer 11 using electron beam evaporation or the like. Further, the upper electrode 16 is formed on the surface of the superlattice semiconductor layer 12. Thereby, the solar cell 100 is completed.

図４は、本実施形態の太陽電池１００の伝導帯におけるエネルギー図を示す。   FIG. 4 shows an energy diagram in the conduction band of the solar cell 100 of the present embodiment.

図４の矢印Ａ１１で示すように、量子ドット層２０に光が照射されると、中間エネルギー準位Ｅ１に存在した電子は、矢印Ａ１２及び矢印Ａ１３で示すように、中間エネルギー準位Ｅ１よりも上の量子準位に励起される。ここでは、図２に示すように、量子ドット層２０の周囲のシェル領域１３２が、第１障壁層２１１のシェル部２１１２及び第２障壁層２１２からなる二層構造となるように形成され、また、図４に示すように、コア領域側のシェル部２１１２の方が、エネルギー準位が高くなっている。そのため、量子ドット層２０の量子準位には、シェル部２１１２のエネルギー準位と第２障壁層２１２のエネルギー準位との間の領域（図４の領域Ｅ３）に比較的強い（つまり、振動子強度が大きい）光吸収遷移が存在することとなる。つまり、第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２よりも上であり、且つ、シェル部２１１２のポテンシャルに閉じ込められた（伝導帯下端ＣＢＭ２１１２よりも下の）準位への遷移強度が強い光吸収遷移が存在する。なお、シェル部２１１２のエネルギー準位よりも上の領域（図４のＥ２で示すエネルギー準位の領域）への遷移は従来通り存在する。従って、本実施形態によれば、中間エネルギー準位Ｅ１から励起される電子には、従来のように、シェル部２１１２のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位（例えば、エネルギー準位Ｅ４）へ励起される（矢印Ａ１２）ものに加え、矢印Ａ１３で示すように、シェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２よりも低いエネルギー準位（例えば、エネルギー準位Ｅ５）へ励起されるものが存在することとなる。 When the quantum dot layer 20 is irradiated with light as shown by an arrow A11 in FIG. 4, electrons existing at the intermediate energy level E1 are higher than the intermediate energy level E1 as shown by arrows A12 and A13. Excited to the upper quantum level. Here, as shown in FIG. 2, the shell region 132 around the quantum dot layer 20 is formed to have a two-layer structure including the shell portion 2112 of the first barrier layer 211 and the second barrier layer 212, and As shown in FIG. 4, the shell region 2112 on the core region side has a higher energy level. Therefore, the quantum level of the quantum dot layer 20 is relatively strong in the region between the energy level of the shell portion 2112 and the energy level of the second barrier layer 212 (region E3 in FIG. 4). There will be a light absorption transition (with a large child intensity). That is above a than the conduction band minimum CBM 212 of the second barrier layer 212, and was confined in the potential of the shell portion 2112 (lower than the conduction band minimum CBM 2112) transition intensity strong light to state There is an absorption transition. In addition, the transition to the area | region (area | region of the energy level shown by E2 of FIG. 4) above the energy level of the shell part 2112 exists as usual. Therefore, according to the present embodiment, electrons excited from the intermediate energy level E1 are excited to an energy level (for example, energy level E4) higher than the energy level of the shell portion 2112 as in the past. In addition to what is indicated (arrow A12), as indicated by arrow A13, there exists a thing excited to an energy level lower than the conduction band lower end CBM 2112 of the shell portion 2112 (for example, energy level E5). Become.

中間エネルギー準位Ｅ１から電子が光励起されるメカニズムは、主に、以下の３種類がある。まず１つ目は、図４の矢印Ａ１２で示すように、シェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２よりも高いエネルギー準位にまで励起された電子は、矢印Ａ１４で示すように、シェル部２１１２と第２障壁層２１２との間に形成された電界及び濃度勾配によってドリフト拡散する。なお、この光吸収メカニズムは、従来の光電変換素子と同様である。 There are mainly the following three types of mechanisms in which electrons are photoexcited from the intermediate energy level E1. First, as indicated by an arrow A12 in FIG. 4, electrons excited to an energy level higher than the conduction band lower end CBM 2112 of the shell portion 2112 are separated from the shell portion 2112 as indicated by an arrow A14. Drift diffusion is caused by the electric field and concentration gradient formed between the second barrier layer 212 and the second barrier layer 212. This light absorption mechanism is the same as that of the conventional photoelectric conversion element.

２つ目及び３つ目は、図４に矢印Ａ１３で示すように、電子が領域Ｅ３に存在する量子準位（例えば、エネルギー準位Ｅ５）に励起されることによる光の吸収である。２つ目の方法とは、エネルギー準位Ｅ５に励起された電子が、さらに、熱励起により第１障壁層２１１のシェル部２１１２にまで励起され、図４の矢印Ａ１５で示すように、再び、熱を放出しながら、ドリフト拡散によって第２障壁層２１２に移動する方法である。これにより、電子が第２障壁層２１２に移動する。   The second and third are light absorption caused by excitation of electrons to a quantum level (for example, energy level E5) existing in the region E3, as indicated by an arrow A13 in FIG. In the second method, the electrons excited to the energy level E5 are further excited to the shell part 2112 of the first barrier layer 211 by thermal excitation, and again as shown by an arrow A15 in FIG. This is a method of moving to the second barrier layer 212 by drift diffusion while releasing heat. Thereby, electrons move to the second barrier layer 212.

なお、図４の矢印Ａ１４や矢印Ａ１５で示すように、第１障壁層２１１から第２障壁層２１２に移動した電子は、エネルギーを一部外部に放出する。ただし、エネルギー放出により失うエネルギーは一部であり、太陽電池１００全体としてのエネルギー損失としては大きな影響は生じない。ここで放出するエネルギーの値を小さく抑える観点からは、第１障壁層２１１のシェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２と第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２との差が０．５ｅＶ以下であることが好ましい。また、シェル部２１１２の効果を効率的に利用するためには、第１障壁層２１１のシェル部２１１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１１２と第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２との差が０．１ｅＶ以上であることが好ましい。 Note that, as indicated by arrows A14 and A15 in FIG. 4, electrons that have moved from the first barrier layer 211 to the second barrier layer 212 partially release energy. However, the energy lost by the energy release is a part, and the energy loss as a whole of the solar cell 100 is not greatly affected. Here in view to reduce the value of energy release, the difference between the conduction band minimum CBM 2112 of the shell 2112 of the first barrier layer 211 and the conduction band minimum CBM 212 of the second barrier layer 212 is less than or equal to 0.5eV Preferably there is. In order to efficiently use the effect of the shell portion 2112, the difference between the conduction band lower end CBM 2112 of the shell portion 2112 of the first barrier layer 211 and the conduction band lower end CBM 212 of the second barrier layer 212 is 0. It is preferably 1 eV or more.

３つ目の方法とは、図４の矢印Ａ１６で示すように、エネルギー準位Ｅ５に励起された電子が、トンネル効果によって、第１障壁層２１１のシェル部２１１２を透過して第２障壁層２１２に移動する方法である。なお、トンネル効果を十分に発揮するためには、シェル部２１１２の厚さは２０ｎｍ以下であることが好ましい。   In the third method, as indicated by an arrow A16 in FIG. 4, the electrons excited to the energy level E5 are transmitted through the shell portion 2112 of the first barrier layer 211 by the tunnel effect, and the second barrier layer. It is a method to move to 212. In order to sufficiently exhibit the tunnel effect, the thickness of the shell portion 2112 is preferably 20 nm or less.

また、第１障壁層２１１のシェル部２１１２が存在しない場合には、第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２よりも上の波動関数は量子ドット領域から反発するように存在する（すなわち、波動関数の２乗で表される電子の存在確率密度が量子ドット領域中において小さく、量子ドット領域以外の障壁層領域において電子の存在確率密度が大きくなる）傾向にある。しかしながら、本実施形態では、第２障壁層２１２に加えて、第２障壁層２１２よりも高い伝導帯下端ＣＢＭ２１１２を有するシェル部２１１２を有するので、上記説明した領域Ｅ３のエネルギー準位の波動関数は、量子ドットの内部に存在しやすい傾向がある。これは、領域Ｅ３に相当する分、閉じ込めエネルギーが強くなるためである。 When the shell part 2112 of the first barrier layer 211 is not present, the wave function above the conduction band lower end CBM 212 of the second barrier layer 212 exists so as to repel from the quantum dot region (that is, the wave function). The electron existence probability density expressed by the square of the function is small in the quantum dot region, and the electron existence probability density is high in the barrier layer region other than the quantum dot region. However, in the present embodiment, in addition to the second barrier layer 212, the shell portion 2112 having the lower conduction band CBM 2112 higher than the second barrier layer 212 is included, and thus the wave function of the energy level of the region E3 described above. Tends to exist inside quantum dots. This is because the confinement energy becomes stronger corresponding to the region E3.

また、実施形態１の構成の太陽電池１００は、例えば図１２に示す従来技術の平面型２次元量子ドット構造の太陽電池３００に比べて、量子ドット領域に対する障壁層領域の体積の割合が小さくなる。そのため、実施形態１の構成の太陽電池１００は、障壁層領域における電子の存在確率密度が小さくなる。存在確率密度の総和が全空間で必ず１となる観点から換言すると、量子ドット領域における電子の存在確率密度は、増大する可能性がある。以上のことから、中間エネルギー準位Ｅ１と領域Ｅ３の波動関数のオーラバーラップが強くなり、中間エネルギー準位Ｅ１から領域Ｅ３への光吸収の強度が高くなる。   Further, the solar cell 100 having the configuration of the first embodiment has a smaller volume ratio of the barrier layer region to the quantum dot region than the solar cell 300 having a planar two-dimensional quantum dot structure of the related art shown in FIG. . Therefore, the solar cell 100 having the configuration of the first embodiment has a low electron existence probability density in the barrier layer region. In other words, from the viewpoint that the sum of the existence probability densities is always 1 in the entire space, the existence probability density of electrons in the quantum dot region may increase. From the above, the aura bar wrap of the wave function between the intermediate energy level E1 and the region E3 becomes strong, and the intensity of light absorption from the intermediate energy level E1 to the region E3 becomes high.

従って、実施形態１の構成によれば、量子ドット層２０の量子準位に電子を存在させることで中間エネルギー準位を介して光学遷移を増大させることができる。つまり、従来よりも広い波長範囲において強い光吸収が行われるので、結果として、優れた光吸収特性を得ることができる。   Therefore, according to the configuration of the first embodiment, it is possible to increase the optical transition through the intermediate energy level by causing electrons to exist in the quantum level of the quantum dot layer 20. That is, since strong light absorption is performed in a wider wavelength range than before, excellent light absorption characteristics can be obtained as a result.

なお、図４には図示しないが、量子ドット構造（量子ドット層・障壁層の材料の組み合わせや、量子ドット層の形状・サイズ等）によっては、中間エネルギー準位Ｅ１と伝導帯下端ＣＢＭ２１２の間の準位でも量子準位が存在し、中間エネルギー準位Ｅ１と伝導帯下端ＣＢＭ２１２への光吸収が起こっているものと考えられる。ただし、このようにして得られる光吸収スペクトル帯域は太陽光スペクトル全体から見れば大きな割合を占めない。逆に言えば、大きな割合を占めないように量子ドット構造を設計し、中間エネルギー準位Ｅ１と伝導帯下端ＣＢＭ２１２の位置を制御すればよい。以上のことから、上記では、第２障壁層２１２の伝導帯下端ＣＢＭ２１２よりも上の準位に電子が励起されることによる光の吸収について説明した。 Although not shown in FIG. 4, depending on the quantum dot structure (combination of material of quantum dot layer / barrier layer, shape / size of quantum dot layer, etc.), intermediate energy level E1 and conduction band bottom CBM 212 It is considered that a quantum level exists also in the intermediate level, and light absorption to the intermediate energy level E1 and the conduction band bottom CBM 212 occurs. However, the light absorption spectrum band obtained in this way does not occupy a large proportion when viewed from the whole sunlight spectrum. In other words, the quantum dot structure is designed so as not to occupy a large proportion, and the positions of the intermediate energy level E1 and the conduction band lower end CBM 212 may be controlled. As described above, the light absorption due to the excitation of electrons to the level above the conduction band lower end CBM 212 of the second barrier layer 212 has been described above.

本実施形態では、太陽電池１００において、太陽光が太陽電池１００に照射されると、価電子帯から伝導帯の量子準位への光励起によって、電子が伝導帯の量子準位に存在するようになる。光生成された正孔は、ｐ型半導体層１１にドリフト拡散し、下部電極１５に到達する。また、光励起された電子は、上記で説明した機構によって、第２障壁層２１２へ移動し、第２障壁層２１２をドリフト拡散して上部電極１６に到達する。   In the present embodiment, in the solar cell 100, when sunlight is irradiated onto the solar cell 100, electrons are present in the quantum level of the conduction band by photoexcitation from the valence band to the quantum level of the conduction band. Become. The photogenerated holes drift diffuse in the p-type semiconductor layer 11 and reach the lower electrode 15. Further, the photoexcited electrons move to the second barrier layer 212 by the mechanism described above, and drift diffuse in the second barrier layer 212 to reach the upper electrode 16.

本実施形態では、量子ドット層２０のシェル領域に、第１障壁層２１１のシェル部２１１２と第２障壁層２１２の２層の障壁層が形成されている。そのため、シェル部２１１２及び第２障壁層２１２のそれぞれの厚さ及び材料を選択することによって、吸収される光のエネルギーピークや吸収帯域幅を設計することができる。量子ドット層２０のシェル領域に２層の障壁層が存在することにより、吸収される光のエネルギーピークや吸収帯域幅を設計するためのパラメーターが多くなるので、吸収光のエネルギーピークや吸収帯域幅の設計の自由度を高めることができる。従って、太陽光スペクトルやフォトディテクターの仕様によって、より最適な構造設計が可能となる。   In the present embodiment, two barrier layers of the shell part 2112 of the first barrier layer 211 and the second barrier layer 212 are formed in the shell region of the quantum dot layer 20. Therefore, by selecting the thickness and material of the shell portion 2112 and the second barrier layer 212, the energy peak and absorption bandwidth of absorbed light can be designed. The presence of the two barrier layers in the shell region of the quantum dot layer 20 increases the parameters for designing the energy peak and absorption bandwidth of the absorbed light, so the energy peak and absorption bandwidth of the absorbed light The degree of design freedom can be increased. Therefore, more optimal structural design is possible depending on the specifications of the sunlight spectrum and the photodetector.

中間エネルギー準位Ｅ１から領域Ｅ２，Ｅ３に励起された電子は、上記説明したように、第２障壁層２１２にすばやく移動する（図５の矢印Ａ１７）。第２障壁層２１２に移動した電子は、矢印Ａ１８で示すように、スムーズに上部電極１６まで輸送される。電子が上部電極１６に輸送されるまでにポテンシャル障壁がなく、高い効率でキャリア輸送が行われるためである。従って、本実施形態によれば、量子ドットナノワイヤ１３内の量子ドット層２０の積層数に影響を受けずにキャリア輸送を行うことができる。   As described above, the electrons excited from the intermediate energy level E1 to the regions E2 and E3 quickly move to the second barrier layer 212 (arrow A17 in FIG. 5). The electrons that have moved to the second barrier layer 212 are smoothly transported to the upper electrode 16 as indicated by an arrow A18. This is because there is no potential barrier before electrons are transported to the upper electrode 16 and carrier transport is performed with high efficiency. Therefore, according to the present embodiment, carrier transport can be performed without being affected by the number of stacked quantum dot layers 20 in the quantum dot nanowire 13.

さらに、一度、第２障壁層２１２へ移動した電子は、エネルギー準位の高い第１障壁層２１１のシェル部２１１２の存在により、量子ドット層２０へ再び移動するという問題が抑制される。   Furthermore, the problem that the electrons once moved to the second barrier layer 212 move again to the quantum dot layer 20 due to the presence of the shell portion 2112 of the first barrier layer 211 having a high energy level is suppressed.

なお、本実施形態において、価電子帯は、一様な連続準位となっていると考えられる。従来の太陽電池と同様に、本実施形態の太陽電池１００の価電子帯は伝導帯と比較して、エネルギーオフセットが小さく、しかも、正孔の有効質量が大きいからである。そのため、量子ドット層２０からｐ型半導体層１１に向かって正孔が移動するときに、コア領域１３１に沿って正孔が移動しても（つまり、正孔が他の量子ドット層２０を経由して移動しても）、価電子帯のエネルギー準位のエネルギーオフセットが小さいので、コア部２１１１でキャリア移動が妨げられにくい。   In the present embodiment, the valence band is considered to be a uniform continuous level. This is because, like the conventional solar cell, the valence band of the solar cell 100 of this embodiment has a smaller energy offset and a larger effective mass of holes than the conduction band. Therefore, when holes move from the quantum dot layer 20 toward the p-type semiconductor layer 11, even if the holes move along the core region 131 (that is, the holes pass through the other quantum dot layers 20). However, since the energy offset of the energy level of the valence band is small, carrier movement is hardly hindered by the core portion 2111.

本実施形態では、シェル部２１１２のｚ方向に垂直な方向の厚さが、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さ以下であるとしたが、これは必須ではない。シェル部２１１２の厚さがトンネル伝導により通過可能な厚さよりも大きくてもよい。この場合には、図４に示す矢印Ａ１３のようにＥ５の準位に励起された電子は、矢印Ａ１６で示すような、トンネル効果による移動をしない。   In the present embodiment, the thickness of the shell portion 2112 in the direction perpendicular to the z direction is equal to or less than the thickness at which carriers can pass through tunnel conduction, but this is not essential. The thickness of the shell portion 2112 may be larger than the thickness that allows passage through tunnel conduction. In this case, electrons excited to the level of E5 as indicated by an arrow A13 shown in FIG. 4 do not move due to the tunnel effect as indicated by an arrow A16.

本実施形態では、半導体層がｐ型半導体層１１であり、量子ドットナノワイヤ１３がｎ型ドーパントを含むと説明したが、特にこれに限定されない。ただし、半導体層をｐ型半導体層１１とし、量子ドットナノワイヤ１３がｎ型ドーパントを含むとすることにより、キャリアの移動効率をより高めることができる。   In the present embodiment, the semiconductor layer is the p-type semiconductor layer 11 and the quantum dot nanowire 13 includes the n-type dopant. However, the present invention is not particularly limited to this. However, when the semiconductor layer is the p-type semiconductor layer 11 and the quantum dot nanowire 13 includes an n-type dopant, the carrier transfer efficiency can be further increased.

本実施形態では、第１障壁層２１１のコア部２１１１とシェル部２１１２とが同一の材料で形成されていると説明したが、両者が異なる材料で形成されていてもよい。コア部２１１１とシェル部２１１２とが異なる材料で形成されている場合、少なくともシェル部２１１２を構成する半導体材料のバンドギャップが第２障壁層２１２よりも大きくなるように設定されていればよい。   Although the core part 2111 and the shell part 2112 of the first barrier layer 211 are described as being formed of the same material in the present embodiment, they may be formed of different materials. In the case where the core portion 2111 and the shell portion 2112 are formed of different materials, at least the band gap of the semiconductor material constituting the shell portion 2112 may be set to be larger than that of the second barrier layer 212.

＜実施形態２＞
次に、図６を用いて、実施形態２に係る太陽電池１００Ａについて説明する。太陽電池１００Ａは、量子ドットナノワイヤ１３Ａの構成を除いて、実施形態１の太陽電池１００と同一の構成を有する。また、量子ドットナノワイヤ１３Ａは、第１障壁層２１１Ａとして実施形態１の第１障壁層２１１とは異なる材料を用いたことを除いて、同一の構成を有する。 <Embodiment 2>
Next, 100A of solar cells which concern on Embodiment 2 are demonstrated using FIG. The solar cell 100A has the same configuration as the solar cell 100 of Embodiment 1 except for the configuration of the quantum dot nanowire 13A. The quantum dot nanowire 13A has the same configuration except that a material different from that of the first barrier layer 211 of the first embodiment is used as the first barrier layer 211A.

第１障壁層２１１Ａは、間接遷移型半導体で形成されている。第１障壁層２１１Ａを構成する間接遷移型半導体は、第２障壁層２１２を構成する半導体のバンドギャップとの関係を考慮して選択する。具体的には、第１障壁層２１１Ａを構成する間接遷移型半導体のΓ点が、第２障壁層２１２を構成する半導体のΓ点よりも高いエネルギーを有する材料を選択する。さらに、第１障壁層２１１Ａを構成する間接遷移型半導体のΓ点以外の波数のうち最小のエネルギーを持つ点が、第２障壁層２１２を構成する半導体のΓ点よりも高いエネルギーを有する材料を選択する。これにより、第１障壁層２１１Ａが、波数空間においてどの地点であっても、第２障壁層２１２のΓ点が第１障壁層２１１Ａのエネルギー準位よりも低いこととなるので、電子が、第１障壁層２１１Ａから第２障壁層２１２へすばやく移動することができる。   The first barrier layer 211A is formed of an indirect transition semiconductor. The indirect transition semiconductor constituting the first barrier layer 211A is selected in consideration of the relationship with the band gap of the semiconductor constituting the second barrier layer 212. Specifically, a material in which the Γ point of the indirect transition semiconductor constituting the first barrier layer 211A is higher than the Γ point of the semiconductor constituting the second barrier layer 212 is selected. Further, a material having a point having the lowest energy among wave numbers other than the Γ point of the indirect transition semiconductor constituting the first barrier layer 211A is higher than the Γ point of the semiconductor constituting the second barrier layer 212. select. As a result, the Γ point of the second barrier layer 212 is lower than the energy level of the first barrier layer 211A regardless of where the first barrier layer 211A is in the wave number space. The first barrier layer 211A can quickly move to the second barrier layer 212.

このような間接遷移型半導体としては、例えば、Ａｌ比率が４５％以上のＡｌＧａＡｓ（つまり、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓにおいてｘが０．４５≦ｘ＜１を満たす。）が挙げられる。 As such an indirect transition type semiconductor, for example, AlGaAs having an Al ratio of 45% or more (that is, x satisfies 0.45 ≦ x <1 in Al x Ga 1-x As).

実施形態２に係る太陽電池１００Ａは、実施形態１の太陽電池１００と同様の製造方法で作成することができる。   The solar cell 100A according to the second embodiment can be created by the same manufacturing method as the solar cell 100 of the first embodiment.

一般的に、間接遷移型半導体は、直接遷移型半導体と比較して大きなバンドギャップを有し、格子定数が小さくなる。従って、間接遷移型半導体で第１障壁層を形成すると、第１障壁層を構成する間接遷移型半導体材料と量子ドット層を構成する材料との格子定数の差が、より大きくなってしまう。   In general, an indirect transition type semiconductor has a larger band gap and a smaller lattice constant than a direct transition type semiconductor. Therefore, when the first barrier layer is formed of an indirect transition type semiconductor, the difference in lattice constant between the indirect transition type semiconductor material constituting the first barrier layer and the material constituting the quantum dot layer becomes larger.

図１２は、従来技術である平面型２次元量子ドット構造を示す。平面型２次元量子ドット構造の太陽電池３００では、ｘｙ平面内に複数の量子ドット層３１０を所定の配置に形成し、且つ、第１の障壁層３２０及び第２の障壁層３２１を介してｚ方向に積層されるように量子ドット層３１０を配置して形成されている。第１の障壁層３２０を間接遷移型半導体材料で形成すると、第１の障壁層３２０と量子ドット層３１０との格子定数の差が大きいことから、平面型２次元量子ドット構造の太陽電池３００を形成するのが容易ではなく、結晶欠陥が多くなる傾向がある。そして、結果として、光励起により生成されたキャリアが欠陥の多い結晶中を輸送されることとなり、キャリア輸送効率が低下する。   FIG. 12 shows a conventional planar two-dimensional quantum dot structure. In the solar cell 300 having a planar two-dimensional quantum dot structure, a plurality of quantum dot layers 310 are formed in a predetermined arrangement in the xy plane, and z is passed through the first barrier layer 320 and the second barrier layer 321. The quantum dot layers 310 are arranged so as to be stacked in the direction. When the first barrier layer 320 is formed of an indirect transition semiconductor material, the difference in lattice constant between the first barrier layer 320 and the quantum dot layer 310 is large, and thus the solar cell 300 having a planar two-dimensional quantum dot structure is formed. It is not easy to form and tends to increase crystal defects. As a result, carriers generated by photoexcitation are transported through a crystal having many defects, and the carrier transport efficiency is lowered.

しかしながら、本実施形態における量子ドットナノワイヤ構造においては、結晶歪みがｘｙ面の方向に緩和されるため、結晶欠陥が生じにくく、高品質な結晶を得ることができる。さらに、第２障壁層２１２のバンドギャップと第１障壁層２１１Ａのバンドギャップの差が小さい場合、第２障壁層２１２と第１障壁層２１１Ａとを類似した材料で構成することができる。第２障壁層２１２と第１障壁層２１１Ａとを類似した材料で構成することにより、結晶歪みがより緩和されるので、高い結晶品質を持つ第２障壁層２１２を得ることができる。第１障壁層２１１に光励起された電子は、上部電極１６に到達するまで、第１障壁層２１１よりもエネルギー準位が低く、結晶品質の高い第２障壁層２１２内を輸送される。そのため、キャリア輸送効率に大きな影響が現れるのを抑制することができる。   However, in the quantum dot nanowire structure in the present embodiment, the crystal distortion is relaxed in the direction of the xy plane, so that a crystal defect hardly occurs and a high quality crystal can be obtained. Furthermore, when the difference between the band gap of the second barrier layer 212 and the band gap of the first barrier layer 211A is small, the second barrier layer 212 and the first barrier layer 211A can be formed of similar materials. By configuring the second barrier layer 212 and the first barrier layer 211A with similar materials, the crystal distortion is further relaxed, so that the second barrier layer 212 having high crystal quality can be obtained. The electrons photoexcited by the first barrier layer 211 are transported in the second barrier layer 212 having a lower energy level and higher crystal quality than the first barrier layer 211 until reaching the upper electrode 16. Therefore, it can suppress that a big influence appears in carrier transport efficiency.

＜実施形態３＞
次に、図７を用いて、実施形態３に係る太陽電池１００Ｂについて説明する。太陽電池１００Ｂは、量子ドットナノワイヤ１３Ｂの構成を除いて、実施形態１の太陽電池１００と同一の構成を有する。 <Embodiment 3>
Next, the solar cell 100B according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG. The solar cell 100B has the same configuration as the solar cell 100 of Embodiment 1 except for the configuration of the quantum dot nanowire 13B.

量子ドットナノワイヤ１３Ｂは、実施形態１と同様、コア領域１３１Ｂと、シェル領域１３２Ｂとを含む。また、量子ドットナノワイヤ１３Ｂは、量子ドット層２０と障壁層２１Ｂとを含む。障壁層２１Ｂは、第１障壁層２１１Ｂ、第２障壁層２１２、及び第３障壁層２１３Ｂの３種類で構成されている。   Like the first embodiment, the quantum dot nanowire 13B includes a core region 131B and a shell region 132B. The quantum dot nanowire 13B includes a quantum dot layer 20 and a barrier layer 21B. The barrier layer 21B is composed of three types: a first barrier layer 211B, a second barrier layer 212, and a third barrier layer 213B.

コア領域１３１Ｂでは、実施形態１と同様、量子ドット層２０と第１障壁層２１１Ｂのコア部２１１１とがｚ方向に交互に積層されている。   In the core region 131B, as in the first embodiment, the quantum dot layers 20 and the core portions 2111 of the first barrier layer 211B are alternately stacked in the z direction.

シェル領域１３２Ｂでは、コア領域１３１に接して第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂが設けられている。シェル領域１３２Ｂでは、シェル部２１１２Ｂ、第３障壁層２１３Ｂ、シェル部２１１２Ｂ、及び第２障壁層２１２の４つの障壁層が積層された構成を有する。つまり、実施形態１におけるシェル部２１１２が厚さ方向（ｙ方向）に二分され、その間に第３障壁層２１３Ｂが挿入された構成となっている。   In the shell region 132B, the shell portion 2112B of the first barrier layer 211B is provided in contact with the core region 131. The shell region 132B has a structure in which four barrier layers of a shell part 2112B, a third barrier layer 213B, a shell part 2112B, and a second barrier layer 212 are stacked. That is, the shell part 2112 in the first embodiment is divided into two in the thickness direction (y direction), and the third barrier layer 213B is inserted therebetween.

第３障壁層２１３Ｂは、第１障壁層２１１Ｂよりもバンドギャップが小さい材料で形成されている。第３障壁層２１３Ｂは、例えば、第２障壁層２１２と同一の材料で形成することができる。   The third barrier layer 213B is formed of a material having a smaller band gap than the first barrier layer 211B. The third barrier layer 213B can be formed of the same material as that of the second barrier layer 212, for example.

第３障壁層２１３Ｂには、ｎ型ドーパントがドープされている。第３障壁層２１３Ｂへのｎ型ドーパントのドーピング濃度は、第２障壁層２１２よりも低いことが好ましい。第２障壁層２１２の方が高いｎ型ドーパント濃度を有することにより、電子が第２障壁層２１２まで輸送されやすくなる。なお、第３障壁層２１３Ｂがｎ型ドーパントを含んでいることは必須ではない。   The third barrier layer 213B is doped with an n-type dopant. The doping concentration of the n-type dopant into the third barrier layer 213B is preferably lower than that of the second barrier layer 212. Since the second barrier layer 212 has a higher n-type dopant concentration, electrons are more easily transported to the second barrier layer 212. It is not essential that the third barrier layer 213B contains an n-type dopant.

実施形態３に係る太陽電池１００Ｂは、障壁層２１Ｂの製造工程を除いて実施形態１の太陽電池１００と同様の製造方法で作成することができる。障壁層２１Ｂの形成方法は、シェル領域１３２Ｂの形成において、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂの形成、第３障壁層２１３Ｂの形成、及びシェル部２１１２の形成を連続して行い、さらに第２障壁層２１２Ｂを形成することを除いて、実施形態１の障壁層２１と同様である。   The solar cell 100B according to Embodiment 3 can be produced by the same manufacturing method as that of the solar cell 100 of Embodiment 1 except for the manufacturing process of the barrier layer 21B. In the formation of the shell region 132B, the barrier layer 21B is formed by successively forming the shell part 2112B of the first barrier layer 211B, the third barrier layer 213B, and the shell part 2112. Except for forming the barrier layer 212B, it is the same as the barrier layer 21 of the first embodiment.

図８は、本実施形態の太陽電池１００Ｂの伝導帯におけるエネルギー図を示す。   FIG. 8 shows an energy diagram in the conduction band of the solar cell 100B of the present embodiment.

本実施形態によれば、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂが２層に分割され、その間に、第１障壁層２１１Ｂよりもバンドギャップの小さい第３障壁層２１３Ｂが挿入されている。そのため、図８に示すように、量子ドット層２０において励起されたキャリア（矢印Ａ３１）は、トンネル効果によって、第３障壁層２１３Ｂに移動する（矢印Ａ３２）。そして、第３障壁層２１３Ｂに移動したキャリアは、さらに、トンネル効果によって第２障壁層２１２に移動する（矢印Ａ３３）。矢印Ａ３２及び矢印Ａ３３で示すキャリアの移動において、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂが２層に分割されているので、トンネル効果によるキャリアの移動が容易になる。従って、第１障壁層２１１Ｂのシェル部２１１２Ｂを多層構造とすることによって、トンネル効果を利用したキャリア移動効率を高めつつ、シェル部２１１２Ｂの厚さを全体として大きくすることが可能となる。   According to the present embodiment, the shell portion 2112B of the first barrier layer 211B is divided into two layers, and the third barrier layer 213B having a smaller band gap than the first barrier layer 211B is inserted therebetween. Therefore, as shown in FIG. 8, carriers (arrow A31) excited in the quantum dot layer 20 move to the third barrier layer 213B by the tunnel effect (arrow A32). The carriers that have moved to the third barrier layer 213B further move to the second barrier layer 212 by the tunnel effect (arrow A33). In the carrier movement indicated by the arrows A32 and A33, the shell part 2112B of the first barrier layer 211B is divided into two layers, so that the carrier movement by the tunnel effect is facilitated. Therefore, by forming the shell portion 2112B of the first barrier layer 211B with a multilayer structure, it is possible to increase the thickness of the shell portion 2112B as a whole while improving the carrier movement efficiency using the tunnel effect.

なお、実施形態３では、第３障壁層２１３Ｂが第２障壁層２１２と同一の材料で形成されていると説明したが、第３障壁層２１３Ｂの材料は、第２障壁層２１２と同一であることに限定されない。例えば、図９に示すように、第３障壁層２１３Ｂを構成する材料が第２障壁層２１２を構成する材料のバンドギャップよりも大きくてもよい。この場合、第２障壁層２１２は第３障壁層２１３Ｂよりもエネルギー的に低いので、第２障壁層２１２に移動した電子が第３障壁層２１３Ｂに再び戻ってしまうのが抑制される。   In the third embodiment, the third barrier layer 213B is described as being formed of the same material as that of the second barrier layer 212. However, the material of the third barrier layer 213B is the same as that of the second barrier layer 212. It is not limited to that. For example, as shown in FIG. 9, the material constituting the third barrier layer 213 </ b> B may be larger than the band gap of the material constituting the second barrier layer 212. In this case, since the second barrier layer 212 is lower in energy than the third barrier layer 213B, the electrons that have moved to the second barrier layer 212 are prevented from returning to the third barrier layer 213B again.

＜実施形態４＞
次に、図１０を用いて、実施形態４に係る太陽電池１００Ｃについて説明する。太陽電池１００Ｃは、量子ドットナノワイヤ１３Ｃの構成を除いて、実施形態１の太陽電池１００と同一の構成を有する。 <Embodiment 4>
Next, a solar cell 100C according to Embodiment 4 will be described with reference to FIG. The solar cell 100C has the same configuration as the solar cell 100 of Embodiment 1 except for the configuration of the quantum dot nanowire 13C.

量子ドットナノワイヤ１３Ｃは、コア領域１３１Ｃと、シェル領域１３２Ｃとを含む。コア領域１３１Ｃは、量子ドットナノワイヤ１３Ｃに沿ってｚ方向に延びるように設けられている。また、シェル領域１３２Ｃは、コア領域１３１Ｃの外周面を覆うように設けられている。また、量子ドットナノワイヤ１３Ｃは、複数の量子ドット層２０と、障壁層２１Ｃとを含む。障壁層２１Ｃは、第１障壁層２１１Ｃと、第２障壁層２１２Ｃと、第４障壁層２１４Ｃとを含む。第１障壁層２１１Ｃは、シェル領域１３２Ｃに設けられる。第２障壁層２１２Ｃはコア部２１２１Ｃとシェル部２１２２Ｃを含み、コア部２１２１Ｃはコア領域１３１Ｃに、シェル部２１２２Ｃはシェル領域１３２Ｃに設けられる。第４障壁層２１４Ｃは、シェル領域１３２Ｃに設けられる。   The quantum dot nanowire 13C includes a core region 131C and a shell region 132C. The core region 131C is provided so as to extend in the z direction along the quantum dot nanowire 13C. Further, the shell region 132C is provided so as to cover the outer peripheral surface of the core region 131C. The quantum dot nanowire 13C includes a plurality of quantum dot layers 20 and a barrier layer 21C. The barrier layer 21C includes a first barrier layer 211C, a second barrier layer 212C, and a fourth barrier layer 214C. The first barrier layer 211C is provided in the shell region 132C. The second barrier layer 212C includes a core part 2121C and a shell part 2122C. The core part 2121C is provided in the core region 131C, and the shell part 2122C is provided in the shell region 132C. The fourth barrier layer 214C is provided in the shell region 132C.

コア領域１３１Ｃは、複数の量子ドット層２０と、第２障壁層２１２Ｃのコア部２１２１Ｃとが、繰り返しｚ方向に積層された超格子構造を有する。なお、図１０は、便宜上、１つの量子ドットナノワイヤ１３Ｃ当たり、２個の量子ドット層２０だけを示している。実際には、１つの量子ドットナノワイヤ１３Ｃは、例えば、３０〜６００層程度の量子ドット層２０が積層された構成を有する。   The core region 131C has a superlattice structure in which a plurality of quantum dot layers 20 and a core portion 2121C of the second barrier layer 212C are repeatedly stacked in the z direction. FIG. 10 shows only two quantum dot layers 20 per quantum dot nanowire 13C for convenience. Actually, one quantum dot nanowire 13C has a configuration in which, for example, about 30 to 600 quantum dot layers 20 are stacked.

シェル領域１３２Ｃでは、第４障壁層２１４Ｃ，第１障壁層２１１Ｃ、及び第２障壁層２１２Ｃのシェル部２１２２Ｃが積層された３重構造となっている。第４障壁層２１４Ｃは、複数の量子ドット層２０のｚ方向に延びる側面を被覆するように設けられている。第４障壁層２１４Ｃの厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ）は、例えば、１〜２０ｎｍである。第１障壁層２１１Ｃは、第４障壁層２１４Ｃを被覆している。第１障壁層２１１Ｃの厚さ（ｚ方向に垂直な方向の厚さ）は、例えば、１〜２０ｎｍである。第２障壁層２１２Ｃのシェル部２１２２Ｃは、第１障壁層２１１Ｃを被覆している。シェル部２１２２Ｃのｚ方向に垂直な方向の厚さは、例えば、１０〜５００ｎｍである。また、シェル部２１２２Ｃのｚ方向の厚さは、例えば、１００〜３０００ｎｍである。   The shell region 132C has a triple structure in which the fourth barrier layer 214C, the first barrier layer 211C, and the shell portion 2122C of the second barrier layer 212C are stacked. The fourth barrier layer 214C is provided so as to cover the side surfaces of the plurality of quantum dot layers 20 extending in the z direction. The thickness (the thickness in the direction perpendicular to the z direction) of the fourth barrier layer 214C is, for example, 1 to 20 nm. The first barrier layer 211C covers the fourth barrier layer 214C. The thickness of the first barrier layer 211C (the thickness in the direction perpendicular to the z direction) is, for example, 1 to 20 nm. The shell portion 2122C of the second barrier layer 212C covers the first barrier layer 211C. The thickness of the shell part 2122C in the direction perpendicular to the z direction is, for example, 10 to 500 nm. The thickness of the shell portion 2122C in the z direction is, for example, 100 to 3000 nm.

第１障壁層２１１Ｃを構成する材料としては、実施形態１の第１障壁層２１１と同じ材料を選択することができる。また、第２障壁層のシェル部２１２２Ｃを構成する材料としては、実施形態１の第２障壁層２１２と同じ材料を選択することができる。   As a material constituting the first barrier layer 211C, the same material as that of the first barrier layer 211 of Embodiment 1 can be selected. Further, as the material constituting the shell portion 2122C of the second barrier layer, the same material as that of the second barrier layer 212 of the first embodiment can be selected.

第４障壁層２１４Ｃは、第１障壁層２１１Ｃよりバンドギャップが小さい半導体材料で形成されている。第４障壁層２１４Ｃは、例えば、第２障壁層２１２Ｃと同一の半導体材料で形成することができる。   The fourth barrier layer 214C is formed of a semiconductor material having a smaller band gap than the first barrier layer 211C. For example, the fourth barrier layer 214C can be formed of the same semiconductor material as the second barrier layer 212C.

実施形態４に係る太陽電池１００Ｃは、障壁層２１Ｃの製造工程を除いて実施形態１の太陽電池１００と同様の製造方法で作製することができる。障壁層２１Ｃの形成方法は、コア領域１３１Ｃにおいて、第２障壁層２１２Ｃのコア部２１２１Ｃと量子ドット層２０とを交互に積層する点、及び、シェル領域１３２Ｃにおいて、第４障壁層２１４Ｃ、第１障壁層２１１Ｃ、及び第２障壁層２１２のシェル部２１２２Ｃを連続して形成する点を除いて、実施形態１の障壁層２１と同様である。   The solar cell 100C according to Embodiment 4 can be manufactured by the same manufacturing method as that of the solar cell 100 of Embodiment 1 except for the manufacturing process of the barrier layer 21C. The barrier layer 21C is formed by alternately stacking the core portions 2121C and the quantum dot layers 20 of the second barrier layer 212C in the core region 131C, and in the shell region 132C, the fourth barrier layer 214C, Except that the barrier layer 211C and the shell portion 2122C of the second barrier layer 212 are continuously formed, the present embodiment is the same as the barrier layer 21 of the first embodiment.

図１１は、本実施形態の太陽電池１００Ｃの伝導帯におけるエネルギー図を示す。   FIG. 11 shows an energy diagram in the conduction band of the solar cell 100C of the present embodiment.

本実施形態によれば、量子ドット層２０において、矢印Ａ４１に示すようにキャリアが光励起されると、一旦、第４障壁層２１４Ｃのエネルギー準位にまで光励起され（矢印Ａ４２）、さらに、第１障壁層２１１Ｃのエネルギー準位に熱励起される（矢印Ａ４３）。第４障壁層２１４Ｃは第１障壁層２１１Ｃよりもエネルギー準位が低いので、段階的に第４障壁層２１４Ｃを経ることにより、第１障壁層２１１Ｃまで効率的にキャリアを取り出すことができる。なお、第１障壁層２１１Ｃの障壁層が薄い場合は、矢印Ａ４３と共に、第１障壁層２１１Ｃ中をトンネル過程でキャリアが輸送することができる。   According to the present embodiment, in the quantum dot layer 20, when carriers are photoexcited as indicated by an arrow A41, the carriers are once photoexcited to the energy level of the fourth barrier layer 214C (arrow A42). Thermal excitation is performed to the energy level of the barrier layer 211C (arrow A43). Since the energy level of the fourth barrier layer 214C is lower than that of the first barrier layer 211C, it is possible to efficiently extract carriers to the first barrier layer 211C by passing through the fourth barrier layer 214C step by step. When the barrier layer of the first barrier layer 211C is thin, carriers can be transported through the first barrier layer 211C in the tunnel process together with the arrow A43.

また、本実施形態によれば、量子ドット層２０と第１障壁層２１１Ｃとの間に第４障壁層２１４Ｃが設けられているので、第１障壁層２１１Ｃの歪みを緩和することができる。２種の材料をヘテロ接合させた場合の歪みは、それらの結晶格子定数差が大きいほど歪みが大きくなる。結晶格子定数はおおよそバンドギャップと相関があり、一般的にバンドギャップが大きいほど格子定数が小さい。従って、量子ドット層２０と第１障壁層２１１Ｃとの間に中間のバンドギャップを持つ第４障壁層２１４Ｃを挿入する事で、格子定数差を段階的に変化させる事ができ、歪みを緩和できると考えられる。   In addition, according to the present embodiment, since the fourth barrier layer 214C is provided between the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211C, the distortion of the first barrier layer 211C can be reduced. The strain when heterojunction of two kinds of materials increases as the difference between the crystal lattice constants increases. The crystal lattice constant is roughly correlated with the band gap, and generally the larger the band gap, the smaller the lattice constant. Therefore, by inserting the fourth barrier layer 214C having an intermediate band gap between the quantum dot layer 20 and the first barrier layer 211C, the lattice constant difference can be changed stepwise and the strain can be reduced. it is conceivable that.

上記の実施形態では、太陽電池がｐ型半導体層及びｎ型の超格子半導体層を含む構成であると説明したが、太陽電池は、例えば、ｎ型半導体層及びｐ型の超格子半導体層を含む構成であってもよい。また、太陽電池がｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントのいずれも含まない構成であってもよい。   In the above embodiment, the solar cell is described as including a p-type semiconductor layer and an n-type superlattice semiconductor layer. However, the solar cell includes, for example, an n-type semiconductor layer and a p-type superlattice semiconductor layer. It may be the composition which includes. Moreover, the structure which a solar cell does not contain any of a p-type dopant and an n-type dopant may be sufficient.

また、本実施形態で説明した光電変換素子を、量子ドット太陽電池だけでなく、サブバンド間遷移を利用した量子ドットフォトディテクターに応用することもできる。量子ドットフォトディテクターにおいては、電子または正孔のどちらか一方のキャリアのみ利用する。従って、例えば伝導帯側のサブバンド間遷移を利用した量子ドットフォトディテクターの場合、ホールを利用しないため、価電子帯側における量子ドット層と第１障壁層とのバンドオフセットの大きさを、前記厚さ方向に正孔が移動するのを妨げない大きさに制限する必要はない。量子ドットフォトディテクターは例えば、ｎ−ｉ−ｎ構造やｎ−ｎ−−ｎ構造とする。ｎ−の導電型とはｎ型ドーピング濃度よりも低い濃度のことであり、例えば量子ドット１個につき、１個の電子が供給される程度のドーピング濃度のことをいう。このようなドーピング濃度では、効率的にサブバンド間光学遷移が起こる。 Moreover, the photoelectric conversion element demonstrated by this embodiment can also be applied not only to a quantum dot solar cell but to the quantum dot photodetector using the intersubband transition. In quantum dot photodetectors, only carriers of either electrons or holes are used. Therefore, for example, in the case of a quantum dot photodetector using transition between subbands on the conduction band side, since holes are not used, the magnitude of the band offset between the quantum dot layer and the first barrier layer on the valence band side is There is no need to limit the size to prevent the holes from moving in the thickness direction. Quantum dots photodetector, for example, n-i-n structure and n-n - and -n structure. The n − conductivity type is a concentration lower than the n-type doping concentration, for example, a doping concentration at which one electron is supplied per quantum dot. With such a doping concentration, an intersubband optical transition occurs efficiently.

以上、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。   As mentioned above, embodiment mentioned above is only the illustration for implementing this invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

本発明は、光電変換素子について有用である。   The present invention is useful for photoelectric conversion elements.

１００ 太陽電池
１１ ｐ型半導体層（半導体層）
１２ 超格子半導体層
１３ 量子ドットナノワイヤ（ワイヤ層）
１５ 下部電極（第１の電極）
１６ 上部電極（第２の電極）
２０ 量子ドット層
２１１ 第１障壁層
２１１１ コア部
２１１２ シェル部
２１２ 第２障壁層 100 solar cell 11 p-type semiconductor layer (semiconductor layer)
12 Superlattice Semiconductor Layer 13 Quantum Dot Nanowire (Wire Layer)
15 Lower electrode (first electrode)
16 Upper electrode (second electrode)
20 Quantum dot layer 211 First barrier layer 2111 Core portion 2112 Shell portion 212 Second barrier layer

Claims (9)

半導体層と、
前記半導体層の厚さ方向に沿って柱状に延びた複数の量子ドットナノワイヤを含むワイヤ層と、
前記半導体層の前記ワイヤ層とは反対側に配置され、前記半導体層と電気的に接続された第１の電極と、
前記ワイヤ層の前記半導体層とは反対側に配置された第２の電極と、
を備え、
前記複数の量子ドットナノワイヤの各々は、
前記半導体層の厚さ方向に離間して配置された複数の量子ドット層と、
前記複数の量子ドット層を三次元的に囲むと共に、前記半導体層と電気的に接続された第１障壁層と、
前記厚さ方向に垂直な方向において前記第１障壁層の外周面を覆うと共に、前記第２の電極と電気的に接続された第２障壁層と、
を含み、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分のバンドギャップは、前記第２障壁層のバンドギャップよりも大きい、
光電変換素子。 A semiconductor layer;
A wire layer including a plurality of quantum dot nanowires extending in a columnar shape along the thickness direction of the semiconductor layer;
A first electrode disposed on the opposite side of the semiconductor layer from the wire layer and electrically connected to the semiconductor layer;
A second electrode disposed on the opposite side of the wire layer from the semiconductor layer;
With
Each of the plurality of quantum dot nanowires is
A plurality of quantum dot layers spaced apart in the thickness direction of the semiconductor layer; and
A first barrier layer three-dimensionally surrounding the plurality of quantum dot layers and electrically connected to the semiconductor layer;
A second barrier layer covering an outer peripheral surface of the first barrier layer in a direction perpendicular to the thickness direction and electrically connected to the second electrode;
Including
Of the first barrier layer, a band gap surrounding the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction is larger than a band gap of the second barrier layer.
Photoelectric conversion element. 請求項１に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の伝導帯下端は、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に高い、光電変換素子。 The photoelectric conversion element according to claim 1,
In the first barrier layer, the lower end of the conduction band surrounding the quantum dot layer in the direction perpendicular to the thickness direction is higher in energy than the lower end of the conduction band of the second barrier layer. 請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分の、前記垂直な方向における厚さは、キャリアがトンネル伝導により通過可能な厚さである、光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to claim 1 or 2,
Of the first barrier layer, the thickness of the portion surrounding the quantum dot layer in the direction perpendicular to the thickness direction in the perpendicular direction is a thickness that allows carriers to pass through tunnel conduction. element. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち、前記厚さ方向に垂直な面における前記量子ドット層を囲む部分は、前記半導体層の面内方向における厚さが１〜２０ｎｍである、光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3,
Of the first barrier layer, a portion surrounding the quantum dot layer in a plane perpendicular to the thickness direction is a photoelectric conversion element having a thickness in the in-plane direction of the semiconductor layer of 1 to 20 nm. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層がｐ型の導電型を有し、
前記量子ドットナノワイヤが、ｎ型の導電型を有する、
光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor layer has p-type conductivity;
The quantum dot nanowire has an n-type conductivity;
Photoelectric conversion element. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記半導体層および前記第２障壁層がｎ型の導電型を有し、
前記量子ドットナノワイヤが、ｎ−型の導電型を有する、
光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor layer and the second barrier layer have n-type conductivity;
The quantum dot nanowire has n - type conductivity,
Photoelectric conversion element. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層が、間接遷移型半導体で形成され、
前記間接遷移型半導体の最も低い伝導帯下端が、前記第２障壁層の伝導帯下端よりもエネルギー的に上に位置している、光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6,
The first barrier layer is formed of an indirect transition semiconductor;
The photoelectric conversion element in which the lowest conduction band lower end of the indirect transition type semiconductor is located energetically above the lower conduction band lower end of the second barrier layer. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分よりもバンドギャップが小さい第３障壁層をさらに備え、
前記第３障壁層は、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分を前記厚さ方向に垂直な方向に二分するように、前記第１障壁層内に配置されている、光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7,
A third barrier layer having a smaller band gap than a portion surrounding the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction of the first barrier layer;
The third barrier layer includes the first barrier layer so that a portion of the first barrier layer surrounding the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction is divided in a direction perpendicular to the thickness direction. A photoelectric conversion element disposed inside. 請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の光電変換素子において、
前記複数の量子ドット層と、前記第１障壁層のうち前記厚さ方向に垂直な方向において前記量子ドット層を囲む部分との間に、前記第１障壁層よりもバンドギャップが小さい第４障壁層をさらに備えた、光電変換素子。 In the photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 8,
A fourth barrier having a smaller band gap than the first barrier layer between the plurality of quantum dot layers and a portion of the first barrier layer surrounding the quantum dot layer in a direction perpendicular to the thickness direction. The photoelectric conversion element further provided with the layer.
JP2014183527A 2014-09-09 2014-09-09 Photoelectric conversion element Expired - Fee Related JP6368594B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014183527A JP6368594B2 (en) 2014-09-09 2014-09-09 Photoelectric conversion element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014183527A JP6368594B2 (en) 2014-09-09 2014-09-09 Photoelectric conversion element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016058540A true JP2016058540A (en) 2016-04-21
JP6368594B2 JP6368594B2 (en) 2018-08-01

Family

ID=55759050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014183527A Expired - Fee Related JP6368594B2 (en) 2014-09-09 2014-09-09 Photoelectric conversion element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6368594B2 (en)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070240757A1 (en) * 2004-10-15 2007-10-18 The Trustees Of Boston College Solar cells using arrays of optical rectennas
EP2015366A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-14 Acreo AB Superlattice structure for photodetection incorporating coupled quantum dots
JP2010206004A (en) * 2009-03-04 2010-09-16 Seiko Epson Corp Photoelectric converter and electronic equipment
JP2011135058A (en) * 2009-11-30 2011-07-07 Honda Motor Co Ltd Solar cell element, color sensor, and method of manufacturing light emitting element and light receiving element
JP2011530829A (en) * 2008-08-11 2011-12-22 コリア リサーチ インスティチュート オブ スタンダーズ アンド サイエンス Solar cell having quantum dot nanowire array and manufacturing method thereof
JP2013046000A (en) * 2011-08-26 2013-03-04 Toyota Motor Corp Quantum dot array material and photoelectric conversion element and wavelength conversion element using the same
JP2013239690A (en) * 2012-04-16 2013-11-28 Sharp Corp Superlattice structure, semiconductor device and semiconductor light emitting device including the superlattice structure, and method of making the superlattice structure
JP2014500610A (en) * 2010-10-01 2014-01-09 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド High efficiency solar cell device with gallium arsenide absorption layer
JP2014022499A (en) * 2012-07-17 2014-02-03 Sharp Corp Solar cell
WO2014045333A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-27 富士通株式会社 Solar cell, and production method therefor

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070240757A1 (en) * 2004-10-15 2007-10-18 The Trustees Of Boston College Solar cells using arrays of optical rectennas
EP2015366A1 (en) * 2007-07-13 2009-01-14 Acreo AB Superlattice structure for photodetection incorporating coupled quantum dots
JP2011530829A (en) * 2008-08-11 2011-12-22 コリア リサーチ インスティチュート オブ スタンダーズ アンド サイエンス Solar cell having quantum dot nanowire array and manufacturing method thereof
JP2010206004A (en) * 2009-03-04 2010-09-16 Seiko Epson Corp Photoelectric converter and electronic equipment
JP2011135058A (en) * 2009-11-30 2011-07-07 Honda Motor Co Ltd Solar cell element, color sensor, and method of manufacturing light emitting element and light receiving element
JP2014500610A (en) * 2010-10-01 2014-01-09 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド High efficiency solar cell device with gallium arsenide absorption layer
JP2013046000A (en) * 2011-08-26 2013-03-04 Toyota Motor Corp Quantum dot array material and photoelectric conversion element and wavelength conversion element using the same
JP2013239690A (en) * 2012-04-16 2013-11-28 Sharp Corp Superlattice structure, semiconductor device and semiconductor light emitting device including the superlattice structure, and method of making the superlattice structure
JP2014022499A (en) * 2012-07-17 2014-02-03 Sharp Corp Solar cell
WO2014045333A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-27 富士通株式会社 Solar cell, and production method therefor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIHYUN CHOI ET AL.: "Site-controlled growth of single GaN quantum dots in nanowires by MOCVD", JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH, vol. 370, JPN6018003887, 23 September 2013 (2013-09-23), pages 328 - 331, ISSN: 0003734210 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP6368594B2 (en) 2018-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yuan et al. Selective area epitaxy of III–V nanostructure arrays and networks: Growth, applications, and future directions
US9583656B2 (en) Photoelectric conversion element
US20130270517A1 (en) Super lattice structure, semiconductor device and semiconductor light emitting device having super lattice structure, and method of making super lattice structure
KR101352654B1 (en) Intermediate-band photosensitive device with quantum dots embedded in energy fence barrier
KR101335193B1 (en) Intermediate-band photosensitive device with quantum dots having tunneling barrier embedded in inorganic matrix
TWI441346B (en) Type ii quantum dot solar cells
JP5077109B2 (en) Photoelectric device
CN102099918B (en) Optoelectronic semiconductor device
JP5256268B2 (en) Solar cell
US20170200841A1 (en) Photoelectric conversion element having quantum structure using indirect transition conductor material
JP5747085B2 (en) Solar cell
JP6055619B2 (en) Solar cell
US20120285537A1 (en) Solar cell
US9240507B2 (en) Intermediate band solar cell using type I and type II quantum dot superlattices
US20180261709A1 (en) Solar battery
CN107230736B (en) Semiconductor device and method for forming the same
JP6507912B2 (en) Semiconductor light receiving element
JP6030971B2 (en) Light receiving element and solar cell provided with light receiving element
JP6368594B2 (en) Photoelectric conversion element
JP5555602B2 (en) Solar cell
US9601643B2 (en) Photoelectric conversion element
JP6214037B2 (en) Photodetector
JP5341949B2 (en) Solar cell
JP6258712B2 (en) Light receiving element and solar cell provided with light receiving element
JP2015141970A (en) Light-receiving element and solar battery having light-receiving element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170323

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170323

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20180131

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180206

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180329

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180626

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180709

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6368594

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees