(57)【要約】【課題】光から電力への変換効率が高い光電変換素子、これを用いた光給電装置、及び光電変換素子の製造方法を提供することである。【解決手段】本発明にかかる光電変換素子は、光吸収層（２０２、２０５、２０７）のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ１、Ｅｇ２、・・・、Ｅｇｎ）が異なる２つ以上のＰＩＮ接合を有する。２つ以上のＰＩＮ接合は、光２０９が入射する側からバンドギャップエネルギーが小さくなる順（Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞・・・＞Ｅｇｎ）に配置され、且つ、各々のＰＩＮ接合が直列に接続されている。【選択図】図２
2010114235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を有し、
前記２つ以上のＰＩＮ接合は、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置され、且つ、各々の前記ＰＩＮ接合が直列に接続されている光電変換素子。
【請求項２】
前記光電変換素子に入射する光の波長をλ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）とし、
前記２つ以上のＰＩＮ接合の光吸収層のバンドギャップエネルギーを、前記光が入射する側からそれぞれＥｇ１、Ｅｇ２、・・・、Ｅｇｎ（ｅＶ）とした場合、
（１．２３／λ１）＞Ｅｇ１＞（１．２３／λ２）＞Ｅｇ２＞・・・＞（１．２３／λｎ）＞Ｅｇｎ
の関係が成立する請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記２つ以上のＰＩＮ接合が互いに積層されている請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記２つ以上のＰＩＮ接合は基板上に配置され、且つ、当該基板の面内方向であって前記光が伝播する方向に配置されている請求項１又は２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記光吸収層はＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、あるいはＩｎＡｌＧａＡｓで構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
２つ以上の波長を有する光を発生させる光源と、
前記光源からの光を受光する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換素子と、を有する光給電装置。
【請求項７】
光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に、各々のＰＩＮ接合が直列に接続するように積層する工程を有する光電変換素子の製造方法。
【請求項８】
光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置する工程と、
各々のＰＩＮ接合を直列に接続する工程と、を有する光電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を受光して電気的エネルギーに変換する光電変換素子、これを用いた光給電装置、及び光電変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信、光情報、光計測の分野において、光をファイバー、光導波路あるいは空間伝搬によって伝送し、相手先で電力に変換する装置（光給電装置）が検討されている。光給電装置は、光の伝送距離が数ｃｍから数ｋｍ程度と想定されており、距離に応じて様々な応用が提案されている。
【０００３】
例えば非特許文献１では、ファイバーによる光給電について検討がなされており、遠距離の光給電に関して光波長および伝送損失を含めた方式の比較がなされている。
また非特許文献２では、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systemsの略）スイッチを用いた光抑制器が報告されており、ＭＥＭＳシャッタとフォトボル素子を組み合わせた無電源光ブレーカが提案されている。
また非特許文献３では、ＭＥＭＳミラーとフォトボルの組み合わせによる小型内視鏡が提案されており、血管内壁の多次元での細胞観察が報告されている。
【０００４】
これらのシステムでは、伝送光を電力変換する場合に光電変換素子（フォトボル）が必要となる。そして、この光電変換素子の電力変換効率は、入力する光のパワーに対する発生電力（電圧×電流）の比で示され、この値が高いことが光電変換素子に要求される。
【０００５】
図７は、一般的な光給電の方式を示す図である。図７において、光給電用の送信光源７０１より波長λ1の光を光ファイバー７０２で伝送し、遠方の装置が備える光電変換素子７０３で受光して電力に変換している。
通常の光電変換素子は単純なＰＩＮ型半導体構造を有しており、入力光によりｉ型半導体で構成された光吸収層で発生した光キャリアがｐ、ｎ型半導体層にドリフトすることにより生じる分極を利用して出力電圧を得ている。この時の出力電圧限界は、光吸収層の半導体バンドギャップエネルギーＥｇで規定され、飽和電圧と称される。
【０００６】
図７に基づく応用技術は、光ファイバー中を低損失で光が伝搬する波長帯である１μｍ帯で実現されている。そして、この波長帯における光吸収層としては、ＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎＧａＡｓ光吸収層を用いるのが一般的である。
しかしながら、ＩｎＧａＡｓ層のＥｇより推測される飽和電圧は０．７Ｖ程度であり、一般的なシステムを駆動する電圧としては十分でないといえる。
【０００７】
このような背景において、出力電圧を高める方法として、特許文献１で開示されているような多接合を有する光電変換素子（多接合型）、および光電変換素子を平面に多数配置して直列接続した構造（集積型）が提案されている。図８には多接合型の光電変換素子、図９には集積型の光電変換素子の基本構造を示す。いずれも、ＰＩＮ接合を直列配置することにより、電圧増大を図った構造である。
【０００８】
また、特許文献２、及び特許文献３には、複数の光吸収層を有する光電変換素子が開示されている。
【非特許文献１】H. Miyakawa, et al., "Design approaches to power-over-optical local-area-network systems", APPLIED OPTICS , Vol. 43, No. 6, pp. 1379-1389, 2004
【非特許文献２】三玉他、「MEMSを用いたサージ光抑制器の開発」、２００５年電子情報通信学会主催総合大会、C-3-113
【非特許文献３】Changho Chong, et. al., "Optically Modulated MEMS Scanning Endoscope", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 1, pp. 133-135, 2006
【特許文献１】特許第３３６５３２９号公報
【特許文献２】特開２０００−７７７０２号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図８に示す多接合型の光電変換素子は、半導体基板８０７上にＰＩＮ接合を複数積層した多接合構造になっている。第１のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層８０１、第１の光吸収層８０２、ｎ型半導体層８０３で構成されている。第２のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層８０４、第２の光吸収層８０５、ｎ型半導体層８０６で構成されている。
この光電変換素子は、波長λ１の光８０８を吸収するように設計されたバンドギャップエネルギーＥｇ１を有する第１の光吸収層８０２と第２の光吸収層８０５において光キャリアを発生し、電力として取り出すようになっている。ここで、第１及び第２の光吸収層における波長λ１の光キャリア分布は８０９、８１０のようになる。
【００１０】
この場合、発生電圧はＰＩＮ接合が直列配置になっていることにより増大するが、発生電流はＰＩＮ接合でのキャリア発生に影響される。すなわち、ＰＩＮ接合の多重接合であるために、外部電流としては電流連続の原理より各接合で発生する光電流の最低値で規定される。このため、接合間では光キャリアが等分に発生することが理想的である。
【００１１】
しかしながら、図８に示したように光発生キャリアは最上層である半導体層８０１から入射して光吸収層に対し指数関数的に減少する。このため、多接合間でのキャリアを正確に分配し電流を最大化して取り出すことは製作上容易ではない。そして、トータルの発生電力（電圧×電流）としては削減され、電力変換効率として十分ではなくなる。
【００１２】
また、図９に示された集積型の光電変換素子は、半導体基板９０４上にＰＩＮ接合を積層した構造が平面状に多数集積された構造（セル構造）になっている。ＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層９０１と光吸収層（ｉ型半導体）９０２とｎ型半導体層９０３で構成される。図９では９０５乃至９０８の４セル構造となっている。ここで、波長λ１の光９０９を吸収するように設計されたバンドギャップエネルギーＥｇ１を有する第１接合の光吸収層９０２において、光キャリアを発生し電力として取り出すようになっている。
【００１３】
この場合、発生電圧はセルが直列配置になっていることにより増大するが、発生電流は各セルでのキャリア発生に影響される。すなわち、ＰＩＮ接合の直列接合であるために、外部電流としては前述した例と同様に各セルで発生する光電流の最低値で規定される。したがって、各セル間では光キャリアが等分に発生することが理想的である。しかしながら、波長λ1の光９０９を等分に各セルに照光することは、実装上容易ではない。このため、トータルの発生電力（電圧×電流）としては削減され、電力変換効率として十分ではなくなる。
【００１４】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、光から電力への変換効率が高い光電変換素子、これを用いた光給電装置、及び光電変換素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明にかかる光電変換素子は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を有し、前記２つ以上のＰＩＮ接合は、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置され、且つ、各々の前記ＰＩＮ接合が直列に接続されている。
【００１６】
また、本発明にかかる光給電装置は、２つ以上の波長を有する光を発生させる光源と、  前記光源からの光を受光する本発明の光電変換素子と、を有する。
【００１７】
また、本発明にかかる光電変換素子の製造方法は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に、各々のＰＩＮ接合が直列に接続するように積層する工程を有する。
【００１８】
また、本発明にかかる光電変換素子の製造方法は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置する工程と、各々のＰＩＮ接合を直列に接続する工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、光から電力への変換効率が高い光電変換素子、これを用いた光給電装置、光電変換素子の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
発明の実施の形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。
図２は発明の実施の形態１にかかる光電変換素子を説明するための図である。
図２に示す光電変換素子は、半導体基板（基板）２０８上にＰＩＮ接合が２つ以上積層されている。第１のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層２０１と第１の光吸収層（ｉ型半導体層）２０２とｎ型半導体層２０３とを有する。また、第２のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層２０４と第２の光吸収層（ｉ型半導体層）２０５とｎ型半導体層２０６とを有する。同様に、第ｎのＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層２１３と第ｎの光吸収層（ｉ型半導体層）２０７とｎ型半導体層２１４とを有する。各ＰＩＮ接合は直列に接続されており、第１のＰＩＮ接合と第ｎのＰＩＮ接合には、各ＰＩＮ接合で発生した電力を取り出すために、電極が設けられている。
【００２１】
ここで、第１の光吸収層２０２のバンドギャップエネルギーはＥｇ１、第２の光吸収層２０５のバンドギャップエネルギーはＥｇ２、第ｎの光吸収層２０７のバンドギャップエネルギーはＥｇｎである。第１の光吸収層２０２では波長λ１の光が吸収され、第２の光吸収層２０５では波長λ２の光が吸収され、第ｎの光吸収層２０７では波長λｎの光が吸収される。
入射する光２０９は２つ以上の波長を有しており、図２の２１０は波長λ１による光キャリア分布を示し、２１１は波長λ２による光キャリア分布を示し、２１２は波長λｎによる光キャリア分布を示している。
【００２２】
本実施形態にかかる光電変換素子のＰＩＮ接合は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが、光が入射する側から小さくなる順（つまり、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞・・・＞Ｅｇｎの順）に配置されており、更に、各々のＰＩＮ接合が直列に接続されている。このような構成を有することで、光から電力への変換効率が高い光電変換素子を提供することができる。
【００２３】
また、更に好ましい構成として、波長λｎとバンドギャップエネルギーＥｇｎの関係が以下の式を満足するように、各光吸収層のバンドギャップエネルギーを設定してもよい。
（１．２３／λ１）＞Ｅｇ１＞（１．２３／λ２）＞Ｅｇ２＞・・・＞（１．２３／λｎ）＞Ｅｇｎ  ・・・式１
【００２４】
以上の条件を呈することにより、波長λ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）の光２０９は、キャップ層でもあるｐ型半導体層２０１側より入射し、第１の光吸収層では式１より波長λ１の光が吸収される。このとき、波長λ２、・・・、λｎ（μｍ）の光は透過する。同様に第２の光吸収層では波長λ２の光が、第ｎの光吸収層では波長λｎの光が支配的に吸収される。
そして、光が吸収されることにより発生した光キャリアは分極し電圧を発生し、更に電極に収集されて電流として寄与する。
【００２５】
図２には、各接合の光キャリア分布を示している。本実施形態にかかる発明によれば、各接合層の厚さおよびバンドギャップエネルギーを各波長別に設計することが可能となる。このため、光キャリアの分布を制御しやすく光電流を等分に発生させることが容易となる。これにより、ＰＩＮ接合間での損失が低減される。
【００２６】
次に、本実施形態にかかる光電変換素子を用いた光給電装置について図１を用いて説明する。図１において、送信側には２つ以上の波長λ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）を有する光を発生する光源１０１を配置する。ここで、光源１０１には、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）を用いる。光源１０１で発生した光は合波して光ファイバー１０２を伝送して、受信側にある本実施形態にかかる光電変換素子１０３に結合する。なお、図１では、光源１０１で発生した光を光ファイバーを用いて伝送しているが、光伝送についてはこの限りではなく、例えば光導波路や空間伝播により光を伝送してもよい。
【００２７】
このとき、受信側の光電変換素子において波長λ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）の光を分離して受光できるように、光吸収層のバンドギャップエネルギーをＥｇ１、Ｅｇ２、・・・、Ｅｇｎとしている。更に、これらの光吸収層を光が入射する側からバンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置し、且つ、各々のＰＩＮ接合が直列に接続するようにしている。
【００２８】
本実施形態にかかる光給電装置は、２つ以上の波長を有する光を用いた多波長給電方式である。また、本実施形態にかかる光給電装置は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を有する光電変換素子を用いている。これにより、光電流の損失を抑制してかつ電圧の増大を図ることができ、高効率に電力を変換することが可能となる。
以下、本実施形態にかかる光給電装置の方式を多波長給電方式、単一の波長を有する光を入射する方式を１波長給電方式と略称する。
尚、１波長給電方式では、例えば図８、図９に示すような、全て同じバンドギャップエネルギーを有する光吸収層で構成された光電変換素子を用いている。
【００２９】
図４に、１波長給電方式と比較した、ＰＩＮ接合数に対する発生電圧（図４（ａ））および電力変換効率（電力／光パワー）（図４（ｂ））を示す。ＰＩＮ接合を構成する材料としては、ＩｎＧａＡｓＰ系を想定している。また、送信側の光の総パワーは１波長および多波長方式において同等と仮定している。ここで、１波長給電方式では送信光源が１波長であるのに対し、光電変換素子のＰＩＮ接合の数はｎ個、本実施形態の発明では送信光源がｎ波長であるのに対し光電変換素子のＰＩＮ接合数はｎ個となる。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、発生電圧に関しては、多波長給電方式および１波長給電方式ともに、ＰＩＮ接合が複数接合された多接合構造をとるため、両方式で増大する。
一方、変換効率に関しては、図４（ｂ）に示すように、１波長給電方式では接合間での電流損失が多く、接合数が増えるに従いトータルでの変換効率が減少していく。
これに対し多波長給電方式では、光電流分布が等分されるように制御が可能であるため、多接合においても電流損失が抑制でき変換効率の劣化も抑制できる。
以上より、本実施形態にかかる光電変換素子およびこれを用いた光給電装置では、変換効率を劣化させることなく、電圧を増大することが可能となる。
【００３１】
また、本方式である多波長給電方式では、送信側の各波長のパワーを独立で制御できるため、受信側での各ＰＩＮ接合での電流が一致するように送信側で制御することが可能となる、という利点がある。また、本実施形態では、光吸収層材料はＩｎＧａＡｓＰ系としたが、他にＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＡｌＧａＡｓ系においても、同様の効果が得られる。
【００３２】
次に、本実施形態にかかる光電変換素子の製造方法（ＰＩＮ接合が３つの場合）について説明する。
基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などの一般的な成膜技術を用いて、ｎ型半導体層（例えば、ｎ−ＩｎＰ）、光吸収層（ｉ型半導体層。例えば、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｓ）、ｐ型半導体層（例えば、ｐ−ＩｎＰ）を順に形成する。このＰＩＮ接合は、光が入射する側から最も離れたところにあることから、第３のＰＩＮ接合となる。
【００３３】
次に、第３のＰＩＮ接合のｐ型半導体層上に、第３のＰＩＮ接合と同様に第２のＰＩＮ接合を形成する。このとき、第２のＰＩＮ接合の光吸収層（ｉ型半導体層）のバンドギャップエネルギーは、第３のＰＩＮ接合の光吸収層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなるようにする。
更に、第２のＰＩＮ接合のｐ型半導体層上に、第２、第３のＰＩＮ接合と同様に第１のＰＩＮ接合を形成する。このときも、第１のＰＩＮ接合の光吸収層のバンドギャップエネルギーは、第２のＰＩＮ接合の光吸収層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなるようにする。
【００３４】
そして、第１のＰＩＮ接合のｐ型半導体にｐ型電極を形成し、第３のＰＩＮ接合のｎ型半導体にｎ型電極を形成する。
ここで、ｎ型電極は基板上に第３のＰＩＮ接合を積層する前に形成してもよい。
また、ｎ型半導体基板を第３のＰＩＮ接合のｎ型半導体層として用いてもよく、この場合は、例えば基板の裏側（ＰＩＮ接合が形成されない側）にｎ型電極を形成してもよい。
【００３５】
本実施形態にかかる発明により、光から電力への変換効率が高い光電変換素子、これを用いた光給電装置、光電変換素子の製造方法を提供することができる。
【００３６】
発明の実施の形態２．
以下、図面を参照して本発明の実施の形態２について説明する。
この発明の実施の形態２にかかる光電変換素子は、各ＰＩＮ接合が基板の面内方向（基板面と水平な方向）であって光が伝播する方向に配置されていることを特徴としている。
【００３７】
図３は発明の実施の形態２にかかる光電変換素子を説明するための図である。
図３に示す光電変換素子は、半導体基板（基板）３００上に、ＰＩＮ接合からなる接合構造が基板の面内方向であって光３０８の伝播する方向に２つ以上配置されている。
第１のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層３０１と第１の光吸収層（ｉ型半導体層）３０２とｎ型半導体層３０７を有する。また、第２のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層３０３と第２の光吸収層（ｉ型半導体層）３０４とｎ型半導体層３０７を有する。同様に、第ｎのＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層３０５と第ｎの光吸収層（ｉ型半導体層）３０６とｎ型半導体層３０７を有する。
【００３８】
ここで、ｎ型半導体層３０７には、第１乃至第ｎのＰＩＮ接合が電気的に独立するように、例えば溝などが形成されている。そして、各ＰＩＮ接合は電極を介して直列に接続されている。この場合は、例えば第１のＰＩＮ接合のｎ型半導体層３０７と第２のＰＩＮ接合のｐ型半導体層３０３を電気的に接続し、また、第２のＰＩＮ接合のｎ型半導体層３０７と第ｎのＰＩＮ接合のｐ型半導体層３０５を電気的に接続する。そして、各ＰＩＮ接合で発生する電力は、第１のＰＩＮ接合のｐ型半導体層３０１と第ｎのＰＩＮ接合のｎ型半導体層３０７に電極を設けることで取り出すことができる。
【００３９】
尚、各ＰＩＮ接合を接続する順番は、上記の場合と逆になってもよい。つまり、第１のＰＩＮ接合のｐ型半導体層３０１と第２のＰＩＮ接合のｎ型半導体層３０７を電気的に接続し、また、第２のＰＩＮ接合のｐ型半導体層３０１と第ｎのＰＩＮ接合のｎ型半導体層３０７を電気的に接続してもよい。この場合、各ＰＩＮ接合で発生する電力は、第１のＰＩＮ接合のｎ型半導体層３０７と第ｎのＰＩＮ接合のｐ型半導体層３０５に電極を設けることで取り出すことができる。
【００４０】
また、ｎ型半導体層３０７は光３０８を導波する光導波層としても用いられる。ここで、図３ではｎ型半導体層と光導波層は同一層（３０７）であるが、本実施形態ではこれに限定されることはなく、例えば、ｎ型半導体層と光導波層を別々に形成してもよい。
【００４１】
第１の光吸収層３０２のバンドギャップエネルギーはＥｇ１、第２の光吸収層３０４のバンドギャップエネルギーはＥｇ２、第ｎの光吸収層３０６のバンドギャップエネルギーはＥｇｎである。第１の光吸収層３０２では波長λ１の光がエバネッセント結合して吸収され、第２の光吸収層３０４では波長λ２の光がエバネッセント結合して吸収され、第ｎの光吸収層３０６では波長λｎの光がエバネッセント結合して吸収される。入射する光３０８は２つ以上の波長（λ１、λ２、・・・、λｎ）を有している。
【００４２】
本実施形態にかかる光電変換素子のＰＩＮ接合は、光が入射する側からバンドギャップエネルギーが小さくなる順（つまり、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞・・・＞Ｅｇｎの順）に配置されており、更に、各々のＰＩＮ接合が直列に接続されている。このような構成を有することで、光から電力への変換効率が高い光電変換素子を提供することができる。
【００４３】
また、更に好ましい構成として、波長λｎとバンドギャップエネルギーＥｇｎの関係が以下の式を満足するように、各光吸収層のバンドギャップエネルギーを設定してもよい。
（１．２３／λ１）＞Ｅｇ１＞（１．２３／λ２）＞Ｅｇ２＞・・・＞（１．２３／λｎ）＞Ｅｇｎ  ・・・式２
【００４４】
以上の条件を呈することにより、波長λ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）の光３０８は、キャップ層である半導体光導波層３０７より入射し、導波することにより第１の光吸収層では上記関係式より波長λ１の光がエバネッセント結合して吸収される。このとき、波長λ２、・・・、λｎの光は透過する。同様に第２の光吸収層では波長λ２の光が、第ｎの光吸収層では波長λｎの光が支配的にエバネッセント結合して吸収される。そして、光が吸収されることにより発生した光キャリアは分極し電圧を発生し、更に電極に収集されて電流として寄与する。
【００４５】
本実施形態にかかる発明によれば、各接合層の厚さおよびバンドギャップエネルギーを各波長別に設計することが可能となる。このため、光キャリアの分布を制御しやすく光電流を等分に発生させることが容易となる。これにより、ＰＩＮ接合間での損失が低減される。
【００４６】
尚、本実施形態にかかる光電変換素子の製造方法は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を、光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置する工程と、各々のＰＩＮ接合を直列に接続する工程と、を有する。
【００４７】
次に、本実施形態にかかる光電変換素子を用いた光給電装置について説明する。本実施形態にかかる光給電装置も、発明の実施の形態１で説明した光給電装置と同様である。
すなわち、図１において、送信側には２つ以上の波長λ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）を有する光を発生する光源１０１を配置する。ここで、光源１０１には、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）を用いる。光源１０１で発生した光は合波して光ファイバー１０２を伝送して、受信側にある本実施形態にかかる光電変換素子１０３に結合する。なお、図１では、光源１０１で発生した光を光ファイバーを用いて伝送しているが、光伝送についてはこの限りではなく、例えば光導波路や空間伝播により光を伝送してもよい。
【００４８】
このとき、受信側の光電変換素子において波長λ１、λ２、・・・、λｎ（μｍ）の光を分離して受光できるように、光吸収層のバンドギャップエネルギーをＥｇ１、Ｅｇ２、・・・、Ｅｇｎとしている。更に、これらの光吸収層を光が入射する側からバンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置し、且つ、各々のＰＩＮ接合が直列に接続するようにしている。
【００４９】
本実施形態にかかる光給電装置は、２つ以上の波長を有する光を用いた多波長給電方式である。また、本実施形態にかかる光給電装置は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なる２つ以上のＰＩＮ接合を有する光電変換素子を用いている。これにより、光電流の損失を抑制してかつ電圧の増大を図ることができ、高効率に電力を変換することが可能となる。
【００５０】
また、１波長給電方式と比較した、本実施形態にかかる発明の発生電圧と電力変換効率（電力／光パワー）は、発明の実施の形態１の場合と同様である。
すなわち、発生電圧に関しては、多波長給電方式および１波長給電方式ともに、ＰＩＮ接合が複数接合された多接合構造をとるため、両方式で増大する。
一方、変換効率に関しては、１波長給電方式では接合間での電流損失が多く、接合数が増えるに従いトータルでの変換効率が減少していく。
これに対し多波長給電方式では、光電流分布が等分されるように制御が可能であるため、多接合においても電流損失が抑制でき変換効率の劣化も抑制できる。
以上より、本実施形態にかかる光電変換素子およびこれを用いた光給電装置では、変換効率を劣化させることなく、電圧を増大することが可能となる。
【００５１】
また、本方式である多波長給電方式では、送信側の各波長のパワーを独立で制御できるため、受信側での各ＰＩＮ接合での電流が一致するように送信側で制御することが可能となる、という利点がある。また、本実施形態では、光吸収層材料はＩｎＧａＡｓＰ系としたが、他にＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＡｌＧａＡｓ系においても、同様の効果が得られる。
【００５２】
本実施形態にかかる発明により、光から電力への変換効率が高い光電変換素子、これを用いた光給電装置、光電変換素子の製造方法を提供することができる。
【００５３】
実施例１．
次に、本発明の実施例１について図５を用いて説明する。
本発明の実施例１にかかる光電変換素子は発明の実施の形態１に対応しており、ＰＩＮ接合が互いに積層されている構造を有する。図５の光電変換素子は、三波長を送電する光給電装置に用いることができる。以下、詳細に説明する。
【００５４】
第１のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層５０１と第１の光吸収層（ｉ型半導体層）５０２とｎ型半導体層５０３とを有する。また、第２のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層５０４と第２の光吸収層（ｉ型半導体層）５０５とｎ型半導体層５０６とを有する。また、第３のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層５０７と第３の光吸収層（ｉ型半導体層）５０８とｎ型半導体層５０９とを有する。
各ＰＩＮ接合を形成する半導体は、例えば、ｐ型半導体層（５０１、５０４、５０７）がｐ−ＩｎＰ層、光吸収層（５０２、５０５、５０８）がｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層、ｎ型半導体層（５０３、５０６、５０９）がｎ−ＩｎＰ層で構成される。また、ｎ型半導体層５０９は基板としても用いられる。
【００５５】
また、半導体基板５０９にはｎ型電極５１１が形成され、第１のＰＩＮ接合のｐ型半導体層５０１にはｐ型電極５１０が形成されている。３つの波長を有する光（送信光）５１２は、第１のＰＩＮ接合側から光電変換素子内へ導入される。
【００５６】
そして、光吸収層は光−電流変換効率（Ａ／Ｗ）が同一になるように所定の層厚およびバンドギャップエネルギーで積層されている。ここで、送信光５１２は、λ１＝１．３μｍ、λ２＝１．４μｍ、λ３＝１．５μｍである。また、各光吸収層は、第１の光吸収層５０２がＥｇ１＝０．９２ｅＶ、第２の光吸収層５０５がＥｇ２＝０．８５ｅＶ、第３の光吸収層５０８がＥｇ３＝０．７７ｅＶである。ｐ型電極５１０およびｎ型電極５１１は、例えばＡｕを含有する積層電極である。ここで、入射した各波長の光は、発明の実施の形態１の式１に従い、第１の光吸収層でλ１＝１．３μｍの光が、第２の光吸収層でλ２＝１．４μｍの光が、そして、第３の光吸収層でλ３＝１．５μｍの光が支配的に吸収され、光キャリアが発生し電力として寄与する。
【００５７】
実施例２．
次に、本発明の実施例２について図６を用いて説明する。
本発明の実施例２にかかる光電変換素子は発明の実施の形態２に対応しており、ＰＩＮ接合が基板の面内方向であって光が伝播する方向に配置されている構造を有する。図６の光電変換素子は、三波長を送電する光給電装置に用いることができる。以下、詳細に説明する。
【００５８】
図６（ａ）は実施例２の光電変換素子の上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のａ−ａ'における断面図である。
実施例２の光電変換素子の第１のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層６０１と第１の光吸収層（ｉ型半導体層）６０２とｎ型半導体層（半導体バッファ層）６１８とを有する。また、第２のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層６０３と第２の光吸収層（ｉ型半導体層）６０４とｎ型半導体層（半導体バッファ層）６１８とを有する。また、第３のＰＩＮ接合は、ｐ型半導体層６０５と第３の光吸収層（ｉ型半導体層）６０６とｎ型半導体層（半導体バッファ層）６１８とを有する。
【００５９】
各ＰＩＮ接合を形成する半導体は、例えば、ｐ型半導体層（６０１、６０３、６０５）がｐ−ＩｎＰ、光吸収層（６０２、６０４、６０６）がｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、ｎ型半導体層（半導体バッファ層）６１８がｎ−ＩｎＰで構成される。
光吸収層（６０２、６０４、６０６）とｎ型半導体層（半導体バッファ層）６１８の間には、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰで構成された半導体光導波層６０７を有する。
半導体基板６０８は半絶縁性である。
【００６０】
また、実施例２の光電変換素子はｐ型電極（６１０、６１１、６１２）、及び、ｎ型電極（６１３、６１５、６１７）を有する。そして、ｐ型電極（６１０、６１１、６１２）は各ＰＩＮ接合のｐ型半導体層上に形成されている。また、ｎ型電極（６１３、６１５、６１７）は各ＰＩＮ接合のｎ型半導体層（半導体バッファ層）６１８の上に形成されている。そして、第１のＰＩＮ接合のｎ型電極６１３と第２のＰＩＮ接合のｐ型電極６１１は電極間配線６１４で接続されている。また、第２のＰＩＮ接合のｎ型電極６１５と第３のＰＩＮ接合のｐ型電極６１２は電極間配線６１６で接続されている。これにより、各ＰＩＮ接合は直列に接続されている。
【００６１】
また、各ＰＩＮ接合の境界部分にはアイソレーション溝６１９が形成されている。
また、３つの波長を有する光（送信光）６０９は、第１のＰＩＮ接合側から半導体光導波層６０７へ導入される。
【００６２】
そして、光吸収層は光−電流変換効率（Ａ／Ｗ）が同一になるように所定の層厚およびバンドギャップエネルギーで積層されている。ここで、送信光６０９は、λ１＝１．３μｍ、λ２＝１．４μｍ、λ３＝１．５μｍである。また、各光吸収層は、第１の光吸収層６０２がＥｇ１＝０．９２ｅＶ、第２の光吸収層６０４がＥｇ２＝０．８５ｅＶ、第３の光吸収層６０６がＥｇ３＝０．７７ｅＶである。ｐ型電極（６１０、６１１、６１２）およびｎ型電極（６１３、６１５、６１７）は、例えばＡｕを含有する積層電極である。
ここで、入射した各波長の光は、発明の実施の形態２の式２に従い、第１の光吸収層でλ１＝１．３μｍの光が、第２の光吸収層でλ２＝１．４μｍの光が、そして、第３の光吸収層でλ３＝１．５μｍの光が、エバネッセント結合が生じることで支配的に吸収され、光キャリアが発生し電力として寄与する。
このとき、半導体光導波層６０７は、バンドギャップエネルギーＥｇ＝１．１３ｅＶであるので、各波長（λ１、λ２、λ３）の光は吸収されることなく透過する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施の形態１及び２にかかる光給電装置を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる光電変換素子、及び、光キャリアの分布状態を示す図である。
【図３】実施の形態２にかかる光電変換素子の図である。
【図４】１波長給電方式と比較した、ＰＩＮ接合数に対する発生電圧（ａ）、および電力変換効率（電力／光パワー）（ｂ）を示す図である。
【図５】実施例１にかかる光電変換素子の図である。
【図６】実施例２にかかる光電変換素子の図である。
【図７】１波長給電方式を説明するための図である。
【図８】１波長給電方式で適用される光電変換素子の構造図（多接合型）、及び、光キャリアの分布状態を示す図である。
【図９】１波長給電方式で適用される光電変換素子（集積型）の上面図（ａ）、及び、ａ−ａ'における断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１  光源
１０２  光ファイバー
１０３  光電変換素子
２０１  ｐ型半導体層
２０２  第１の光吸収層（ｉ型半導体層）
２０３  ｎ型半導体層
２０４  ｐ型半導体層
２０５  第２の光吸収層（ｉ型半導体層）
２０６  ｎ型半導体層
２０７  第ｎの光吸収層２０７
２０８  半導体基板（基板）
２０９  光
２１０  波長λ１の光キャリア分布
２１１  波長λ２の光キャリア分布
２１２  波長λｎの光キャリア分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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