JPWO2011083694A1 - 光電変換素子 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)光電変換層と、
(2)フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶であって、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶とを備え、
(3)上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、λ/7以上、λ/2以下のピッチで、二次元的に配置されており、
(4)上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すQ値としてのQVと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すQ値としてのQαとが、0.2QV≦Qα≦5.4QVを満たす範囲にあること
を特徴とする。
図1は、本実施形態の光電変換素子1の全体構成を概略的に示す図である。図1の(a)は、光電変換素子1の斜視図を示し、図1の(b)(c)は、光電変換素子1の断面図を示している。
上記のような構成を備えたフォトニック結晶には、図3に示すようなフォトニックバンド構造が生成される。図3は、上記フォトニック結晶に対する光の入射方向と、規格化周波数との関係によってフォトニックバンド構造を示すグラフである。このグラフは、フォトニック結晶内に進入し、フォトニック結晶内で共鳴する光の波長に対応する規格化周波数を、光の入射方向との関係によってプロットした点を結ぶことによって作成されている。
次に、図1の(b)(c)、図2の(a)〜(c)、図5および図6に示すように、ナノロッド30の周期構造の中に、ナノロッド30を設けない領域、すなわち欠陥(キャビティまたはナノキャビティと呼ぶこともある)31を形成すると、フォトニックバンドギャップgの中に、欠陥準位cが生成される。この欠陥準位cに対応する波長帯域(許容バンド)の光は、欠陥31内で存在することが許される一方で、欠陥31の周囲のフォトニック結晶では存在することが許されない。この結果、欠陥31は、欠陥準位cに対応する波長帯域の光を閉じ込める微小な共振器(共鳴器)となる。
ここで、光電変換素子1の外部とフォトニック結晶との光の結合の大きさをQ値を用いて考える。Q値は、電気工学の共振のQ値と同様、電磁波としての光の共鳴効果の大きさを表す。Q値の表し方は、いろいろあるが、下記の式1または式2によって表すことができる。
Q=ωU/(−dU/dt) …式2
図8は、光の共鳴ピークを波長と強度との関係において示すグラフである。図8に示すように、上記式1のλpは共鳴ピークの波長であり、Δλは半値幅である。
Qvは、フォトニック結晶と外部空間との結合の強度(結合のしやすさ)を表す係数κVの逆数に比例し、フォトニック結晶と外部空間との結合による外部空間への光の出やすさを表す。なお、フォトニック結晶の構造が決まれば、時間領域差分(FDTD:Finite Difference Time Domain)法を用いて、Qvを算出することができる。すなわち、Qvは、フォトニック結晶の構造によって決まるQ値である。
上記式3の関係式において、Qv=Qαとなるとき、言い換えると、κV=αとなるとき、媒質による光の吸収が最大になるとともに、吸収される光の波長帯域が最大になる。
QT=π・n・QM/(λ・α・QM+π・n) …式5
が導かれる。
QT=11.1
と非常に小さな値になり、式1から、Δλ=59.5nmが導かれ、非常に広い半値幅になる。
PV=(8・Qα/QV)/(1+2Qα/QM+2Qα/QV)2
となる。この関係式から、光の9割以上を利用するためには、0.2QV≦Qα≦5.4QVを満たす範囲でフォトニック結晶構造を設計することが望ましいことを導ける。
図9は、光電変換素子1の他の構成例を概略的に示す断面図である。本構成例では、フォトニック結晶が、真性半導体層20内に形成されている点が、図1で説明した光電変換素子1の構成と異なっている。
図10は、他の構成例として、光電変換素子10の全体構成を概略的に示す図である。図10の(a)は、光電変換素子10の斜視図を示し、図10の(b)(c)は、光電変換素子10の断面図を示している。
図11は、さらに他の構成例として、光電変換素子11の全体構成を概略的に示す図である。図11の(a)は、光電変換素子11の斜視図を示し、図11の(b)(c)は、光電変換素子11の断面図を示している。
以下、図12から図15に基づいて、上記光電変換素子の実施例を説明する。
続いて、図16から図18に基づいて、上記光電変換素子の他の実施例を説明する。
最後に、上記実施例1の光電変換素子60の製造工程を詳しく説明する。図19は、光電変換素子60の製造工程を示す工程図である。
上記欠陥(ナノロッドの無い部分)は、x方向に4aから8a、y方向に2√3aから4√3aのピッチで、正方格子状に配置されていることを特徴とする。
2,2a 光電変換層
3,72 透明導電層(2つの層の一方)
4,74 透明導電層(2つの層の他方)
6,48 金属電極層(金属層)
20 真性半導体層
20a 真性半導体層
20b 真性半導体層
21 p型半導体層
21a p型半導体層
22 n型半導体層
22a n型半導体層
22b n型半導体層
30,30a,30b,76,76a〜76d ナノロッド(柱状の媒質)
31,31a,31b,77 欠陥
40 パッシベーション膜(2つの層の一方)
41,47 絶縁層(2つの層の他方)
42 反射膜(金属層)
78 欠陥領域
c 欠陥準位
g フォトニックバンドギャップ
p ピッチ
x 方向(特定方向)
Claims (9)
- 光電変換層と、
フォトニックバンドギャップを持つように、上記光電変換層の内部に形成されたフォトニック結晶であって、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されているとともに、上記フォトニックバンドギャップに欠陥準位を生成するように、上記柱状の媒質が配置されていない欠陥が形成されたフォトニック結晶とを備え、
上記欠陥準位に対応する共鳴ピークの波長をλとしたとき、上記柱状の媒質は、波長λに対して、λ/7以上、λ/2以下のピッチで、二次元的に配置されており、
上記フォトニック結晶と外界との結合の強度を表す係数κVの逆数に比例し、上記フォトニック結晶と外界との結合による共鳴効果の大きさを表すQ値としてのQVと、上記光電変換層の媒質による光の吸収係数の逆数に比例し、上記光電変換層の媒質による共鳴効果の大きさを表すQ値としてのQαとが、0.2QV≦Qα≦5.4QVを満たす範囲にあること
を特徴とする光電変換素子。 - 上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みと等しい高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていること
を特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 - 上記フォトニック結晶では、上記光電変換層の媒質より屈折率が小さい柱状の媒質が、上記光電変換層の厚みに満たない高さを持って、上記光電変換層の媒質内に周期的に配置されていること
を特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 - 上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置を第1ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをaとすると、
二次元的に配置された第1ユニットは、x方向に2a、y方向に√3aのピッチで配置され、
上記欠陥は、x方向に4aから8a、y方向に2√3aから4√3aのピッチで、正方格子状に配置されていること
を特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 上記柱状の媒質が、平面視した場合に、三角格子により構成される六角形の各頂点と中心とにより構成される配置の中に、上記欠陥が2つ以上形成された構成を第2ユニットとし、上記柱状の媒質の上記ピッチをaとすると、
二次元的に配置された第2ユニットは、x方向に4a以上、y方向に√3aのピッチで配置され、
上記欠陥は、x方向に4aから8a、y方向に2√3aから4√3aのピッチで、正方格子状に配置されていること
を特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電変換素子。 - 上記欠陥を取り囲む上記柱状の媒質のうち、特定方向に沿った線上に配置された2つの柱状の媒質の位置が、上記六角形の各頂点の位置から、上記特定方向に沿って、互いに逆方向で距離が短くなる方向にシフトしていることを特徴とする請求項4に記載の光電変換素子。
- 上記光電変換層は、光電変換層の媒質より屈折率が小さい媒質からなる2つの層によって挟まれ、上記2つの層の少なくとも一方は、透明であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 上記光電変換層は、p型半導体層、真性半導体層およびn型半導体層の各層の隣接構造、あるいは、n型半導体層、真性半導体層およびn型半導体層の各層の隣接構造を有し、上記隣接構造は、各層が縦積みされた縦型構造、または横並びされた横型構造であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の光電変換素子。
- 光が上記光電変換素子に入射する側とは反対側の最外層には、上記反対側の全体を覆う金属層が設けられていることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光電変換素子。
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