(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子の量子力学的性質が現れる厚さでｐｎ周期構造を形成し、かつ単一基本材料で構成されたドーピング超格子構造の半導体よりなる受光素子であって、基本材料に対してドナー及びアクセプタ元素を添加した前記超格子が第１領域から第ｘ領域（ｘは２以上の自然数）で構成されており、
各第ｘ領域が一つあるいは複数のｐｎ繰り返し層で構成されており、
前記第１領域、前記第２領域,....前記第ｘ領域の順に積層されており、
前記ｐｎ繰り返し層におけるドーピングｐ層の不純物濃度を、第ｘ領域のドーピングｐ層の濃度をＮ(x)とした時、Ｎ(1)＜Ｎ(2)＜Ｎ(3)....＜Ｎ(x)の関係にすることで、段階的に高濃度に変化させたことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
電子の量子力学的性質が現れる厚さでｐｎ周期構造を形成し、かつ単一基本材料で構成されたドーピング超格子構造の半導体よりなる受光素子であって、基本材料に対してドナー及びアクセプタ元素を添加した前記超格子が第１領域から第ｙ領域（ｙは２以上の自然数）で構成されており、
各第ｙ領域が一つあるいは複数のｐｎ繰り返し層で構成されており、
前記第１領域、前記第２領域，．．．．前記第ｙ領域の順に積層されており、
前記ｐｎ繰り返し層におけるドーピングｎ層の不純物濃度を、第ｙ領域のドーピングｎ層の濃度をＮ(y)とした時、Ｎ(1)＜Ｎ(2)＜Ｎ(3)....＜Ｎ(y)の関係にすることで、段階的に高濃度に変化させたことを特徴とする受光素子。
【請求項３】
基本材料としてダイヤモンドあるいは結晶窒化ホウ素を用いたことを特徴とする請求項１または２記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は受光素子、特にドーピング超格子構造の半導体により構成された受光素子に実効的なバンドギャップを複数個持たせ、変換効率の向上を図った受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池，光センサー等の受光素子においては、広い周波数帯域における高い変換効率（量子効率）を得るための手段として、バンドギャップの異なる材料を重ね合わせることにより、長波長の光を有効に吸収して変換効率を向上させたタンデム構造を持った受光素子があり、例えば、図３（ａ）に示すように材料（１）と材料（２）を突合せ（重ね合わせ）ることにより、材料（１）と材料（２）のバンドギャップがそれぞれＥｇ（１），Ｅｇ（２）（Ｅｇ（１）＞Ｅｇ（２））であるとすれば、図３（ｂ）に示すように２つのバンドギャップを備えた受光素子となる。図中、ＥＣはバンド構造における伝導帯の端部、ＥＶは価電子帯の端部、ＥＦはフェルミレベルを示している。この受光素子を太陽電池等に応用しようとするとＰＩＮ構造，ＰＮ構造等の電位を発生する構造にする必要があるため、具体的な例としては、Ｎ−ａ−ＳｉＣ／ａ−ＳｉＧｅ／Ｐ−ａ−ＳｉＣ（ＰＩＮ構造），Ｎ−ＡｌＧａＡｓ／Ｐ−ＧａＡｓ（ＰＮ構造），Ｎ−ＩｎＰ／Ｐ−ＧａＩｎＡｓ（ＰＮ構造）  等の組合せが知られているが、必ずしもＰＩＮ構造，ＰＮ構造にする必要はなく、ＮＩ構造，ＩＰ構造も考えられる。
【０００３】
なお、これらのＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓのバンドギャップＥｇの値は次のようになっている。
【０００４】
Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＥｇ＝２．０５ｅＶ
ＧａＡｓのＥｇ＝１．４２ｅＶ
ＩｎＰのＥｇ＝１．３５ｅＶ
Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３ＡｓのＥｇ＝０．７５ｅＶ
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の受光素子は、各材料の格子定数の違い、界面順位の発生に起因する整合性の問題から、任意の材料を任意に組合せることは不可能であり、従ってこの構成では、バンドギャップを複数持ち、長波長の光を有効に吸収して変換効率を向上させた受光素子を得ることは困難であった。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、バンド構造が全体的に傾斜し、実効的なバンドギャップを複数持つようにした高効率の受光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、電子の量子力学的性質が現れる厚さでｐｎ周期構造を形成し、かつ単一基本材料で構成されたドーピング超格子構造の半導体よりなる受光素子であって、基本材料に対してドナー及びアクセプタ元素を添加した前記超格子が第１領域から第ｘ領域（ｘは２以上の自然数）で構成されており、各第ｘ領域が一つあるいは複数のｐｎ繰り返し層で構成されており、前記第１領域、前記第２領域,....前記第ｘ領域の順に積層されており、前記ｐｎ繰り返し層におけるドーピングｐ層の不純物濃度を、第ｘ領域のドーピングｐ層の濃度をＮ(x)とした時、Ｎ(1)＜Ｎ(2)＜Ｎ(3)....＜Ｎ(x)の関係にすることで、段階的に高濃度に変化させたことを特徴とする。
また本発明は、電子の量子力学的性質が現れる厚さでｐｎ周期構造を形成し、かつ単一基本材料で構成されたドーピング超格子構造の半導体よりなる受光素子であって、基本材料に対してドナー及びアクセプタ元素を添加した前記超格子が第１領域から第ｙ領域（ｙは２以上の自然数）で構成されており、各第ｙ領域が一つあるいは複数のｐｎ繰り返し層で構成されており、前記第１領域、前記第２領域，．．．．前記第ｙ領域の順に積層されており、前記ｐｎ繰り返し層におけるドーピングｎ層の不純物濃度を、第ｙ領域のドーピングｎ層の濃度をＮ(y)とした時、Ｎ(1)＜Ｎ(2)＜Ｎ(3)....＜Ｎ(y)の関係にすることで、段階的に高濃度に変化させたことを特徴とする。
また本発明は、基本材料としてダイヤモンドあるいは結晶窒化ホウ素を用いたことを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明は、基本材料に対してアクセプタ元素あるいはドナー元素を添加したドーピングｐｎ層の少なくともどちらか一方の層の不純物濃度を段階的に変化させることにより、バンド構造を全体的に傾斜させ、更に、実効的なバンドギャップを複数個形成することができる。
【０００９】
【実施例】
以下本発明の各実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は本発明の第１実施例を示し、図１（ａ）にその物理的構造を示すように、構造的には、電子の量子力学的性質が現れる厚さ（約１０ｎｍ）でｐｎ周期構造を形成したドーピング超格子構造を用いており、ドーピングｎ層１と、ドーピングｐ層２，３，４，５，６の積層構造になっている。この時のドーピングｎ層の組成としては、基本材料として結晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）を用い、これにドナー元素として硅素（Ｓｉ）を添加した層となっており、ドーピングｐ層の組成としては、基本材料として結晶窒化ホウ素を用い、これにアクセプタ元素としてベリリウム（Ｂｅ）を添加した層となっている。
【００１１】
本実施例においては、この結晶窒化ホウ素にベリリウムを添加したドーピングｐ層の不純物濃度を次のように段階的に変化させるものである。例えば、このｐ層における２から６層の不純物濃度（Ｎ（ｉ））を、Ｎ（２）＜Ｎ（３）＜Ｎ（４）＜Ｎ（５）＜Ｎ（６）のように段階的に変化させると、そのバンド構造は図１（ｂ）に示すようになる。図１（ｂ）中、ＥＣはバンド構造における伝導帯の端部、ＥＶは価電子帯の端部、ＥＦはフェルミレベル、Ｅｇは本来のバンドギャップ、Ｅｇ（ｅｆｆ）は実効的なバンドギャップを示しており、このバンドギャップＥｇ（ｅｆｆ）は、前記ｐｎ周期構造の領域７から領域１１にかけて減少し、それぞれの領域で吸収されない長波長の光は、それよりバンドギャップＥｇ（ｅｆｆ）の小さい領域で有効に吸収され、電子−正孔の対を発生する。また、このバンド構造は全体的に傾斜しているため、発生した電子−ｅと正孔＋ｅは図１（ｂ）の矢印で示すようにそれぞれ反対方向に移動し、結果として変換効率が向上する。
【００１２】
図２は本発明の第２実施例を示し、図２（ａ）にその物理的構造を示すように、構造的には、電子の量子力学的性質が現れる厚さ（約１０ｎｍ）でｐｎ周期構造を形成したドーピング超格子構造を用いており、ドーピングｐ層１２と、ドーピングｎ層１３，１４，１５，１６，１７の積層構造になっている。この時のドーピングｐ層の組成としては、基本材料として結晶窒化ホウ素を用い、これにアクセプタ元素としてベリリウムを添加した層となっており、ドーピングｎ層の組成としては、基本材料として結晶窒化ホウ素を用い、これにドナー元素として硅素を添加した層となっている。
【００１３】
本実施例においては、この結晶窒化ホウ素にドナー元素として硅素を添加したドーピングｎ層の不純物濃度を次のように段階的に変化させるものである。例えば、このｎ層における１３から１７層の不純物濃度（Ｎ（ｉ））を、Ｎ（１３）＜Ｎ（１４）＜Ｎ（１５）＜Ｎ（１６）＜Ｎ（１７）のように段階的に変化させると、そのバンド構造は図２（ｂ）に示すようになる。図２（ｂ）中、ＥＣはバンド構造における伝導帯の端部、ＥＶは価電子帯の端部、ＥＦはフェルミレベル、Ｅｇは本来のバンドギャップ、Ｅｇ（ｅｆｆ）は実効的なバンドギャップを示しており、このバンドギャップＥｇ（ｅｆｆ）は、前記ｐｎ周期構造の領域１８から領域２２にかけて減少し、それぞれの領域で吸収されない長波長の光は、それよりバンドギャップＥｇ（ｅｆｆ）の小さい領域で有効に吸収され、電子−正孔の対を発生する。また、このバンド構造は全体的に傾斜しているため、発生した電子−ｅと正孔＋ｅは図２（ｂ）の矢印で示すようにそれぞれ反対方向に移動し、結果として変換効率が向上する。
【００１４】
なお、前記ドーピングｐｎ層の組成としては、非常に多くの組合せが考えられるが、前記の実施例において例示した組合せ以外に、基本材料としてダイヤモンド（Ｃ）を用い、アクセプタ元素としてホウ酸（Ｂ）、ドナー元素として窒素（Ｎ）を用いても、比較的有効に長波長の光を吸収することができ、変換効率が向上する。
【００１５】
【発明の効果】
本発明は、以上の実施例から明らかなように、ｐ層またはｎ層の不純物濃度を段階的に変化させることによって、これら各層が単一の基本材料であるにもかかわらず複数のバンドギャップを持つ構造にすることができ、また、単一の基本材料であるために、格子定数の違い等の整合性の問題が発生せず、材料の制限が少なくなるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の受光素子の第１実施例を示し、（ａ）はその物理的構造図、（ｂ）バンド構造図である。
【図２】本発明の受光素子の第２実施例を示し、（ａ）はその物理的構造図、（ｂ）バンド構造図である。
【図３】従来の受光素子で用いられるタンデム構造の一例を示し、（ａ）はその物理的構造図、（ｂ）はバンド構造図である。
【符号の説明】
１，１３，１４，１５，１６，１７…ｎ層、  ２，３，４，５，６，１２…ｐ層、  ７，８，９，１０，１１，１８，１９，２０，２１，２２…領域、  ＥＣ…バンド構造における伝導帯の端部、  ＥＶ…価電子帯の端部、  ＥＦ…フェルミレベル、  Ｅｇ…本来のバンドギャップ、  Ｅｇ（ｅｆｆ）…実効的なバンドギャップ、  ＋ｅ…正孔、  −ｅ…電子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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