(57)【要約】【課題】平板状積層構造部分側から入射する光により、優れた光電変換効率を得ることができる微細構造光電変換素子を提供する。【解決手段】微細構造光電変換素子１は、平板状積層構造部分２と、平板状積層構造部分２の表面に複数の開口部５を存するマスクパターン３と、開口部５に露出する平板状積層構造部分２の表面から延伸すると共に化合物半導体が積層されてなるナノピラー構造部分４と、ナノピラー構造部分４同士の間隙に充填されている充填剤層６とを備え、平板状積層構造部分２から入射する光Ｌにより光電変換を行う。マスクパターン３は、隣接する平板状積層構造部分２の化合物半導体の屈折率に対して、−１．２〜＋１．２の範囲の屈折率を備える材料からなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換可能な複数の化合物半導体が平板状に積層されている平板状積層構造部分と、該平板状積層構造部分の表面に積層され該表面に複数の開口部を存すると共に該開口部を除く部分で該表面を被覆する光透過可能なマスクパターンと、該開口部に露出する該平板状積層構造部分の表面からナノピラー状に延伸すると共に光電変換可能な複数の化合物半導体が積層されてなる複数のナノピラー構造部分と、該ナノピラー構造部分の間隙に充填されて該ナノピラー構造部分を補強する光透過可能な充填剤層とを備え、該平板状積層構造部分側から入射する光により該平板状積層構造部分及び該ナノピラー構造部分で光電変換を行う微細構造光電変換素子において、
該マスクパターンは、隣接する該平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率に対して、−１．２〜＋１．２の範囲の屈折率を備える材料からなることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンは光透過可能な複数の材料が積層されてなり、各材料は前記平板状積層構造部分に近接する側ほど大きな屈折率を備えることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンは光透過可能な２つの材料が積層されてなり、前記平板状積層構造部分に近接する側の第１の材料は２．７〜３．１の範囲の屈折率を備え、該平板状積層構造部分から離間する側の第２の材料は１．７〜２．５の範囲の屈折率を備えることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項４】
請求項３の記載の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンを形成する第１の材料は、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ２、ルチル型ＴｉＯ２からなる群から選択される１種の化合物であることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項５】
請求項３又は請求項４記載の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンを形成する第２の材料は、アナターゼ型ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種の化合物であることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の微細構造光電変換素子において、前記平板状積層構造部分は、前記マスクパターンに接する層がＩｎＧａＰからなることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の微細構造光電変換素子において、前記充填剤層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２からなる群から選択される１種の化合物であることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンは、ｄ＝（（λ／４）ｓｉｎθ）／ｎ（式中、λは入射光の波長、θは入射角、ｎはマスクパターンの屈折率）を満足する厚さｄを備えることを特徴とする微細構造光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光電変換可能な複数の化合物半導体が平板状に積層されている平板状積層構造部分と、該平板状積層構造部分の表面からナノピラー状に延伸すると共に光電変換可能な化合物半導体からなる複数のナノピラー構造部分とを備える微細構造光電変換素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記平板状積層構造部分は、前記ナノピラー構造部分の延伸開始位置を設定するためにその表面を被覆するマスクパターンを備えており、前記ナノピラー構造部分は、該マスクパターンに形成された開口部に露出する該平板状積層構造部分の表面から延伸されている。前記ナノピラー構造部分はそれ自体複数の化合物半導体が積層されて構成されており、該ナノピラー構造部分同士の間隙には充填剤が充填されて該ナノピラー構造部分を補強する充填剤層が形成されている。
【０００４】
前記微細構造光電変換素子は、前記ナノピラー構造部分から入射する光により光電変換を行うことにより太陽電池として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１３８８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、前記微細構造光電変換素子を用い、前記平板状積層構造部分側から入射する光により光電変換を行わせ太陽電池として用いることが検討されている（特願２０１１−５７８１４号明細書参照）。
【０００７】
前記太陽電池では、最もバンドギャップエネルギーの大きな化合物半導体を最表層とし、以下順次バンドギャップエネルギーの大きな順に複数の化合物半導体が積層されている。このようにすることにより、前記太陽電池に入射した太陽光は、最表層の化合物半導体から順に、各化合物半導体のバンドギャップエネルギーより大きなエネルギーを有する光子が吸収されて光電変換される。これを換言すれば、大きなエネルギーを有する光子から順に、各化合物半導体で光電変換されることになる。従って、前記太陽電池によれば、各化合物半導体により得られた起電力を合計すれば、単一の化合物半導体光電変換セルにより得られる起電力よりも大きな起電力を得ることができ、変換効率を向上することができるとされている。
【０００８】
しかしながら、前記従来の微細構造光電変換素子で、前記平板状積層構造部分側から入射する光により光電変換を行わせる場合には、該平板状積層構造部分を介して入射する光が前記マスクパターンにより反射されるという不都合がある。この結果、前記従来の微細構造光電変換素子では十分な光電変換効率を得ることができない。
【０００９】
本発明は、かかる不都合を解消して、前記平板状積層構造部分側から入射する光により光電変換を行わせる場合に、優れた光電変換効率を得ることができる微細構造光電変換素子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】
【００１０】
かかる目的を達成するために、本発明は、光電変換可能な複数の化合物半導体が平板状に積層されている平板状積層構造部分と、該平板状積層構造部分の表面に積層され該表面に複数の開口部を存すると共に該開口部を除く部分で該表面を被覆する光透過可能なマスクパターンと、該開口部に露出する該平板状積層構造部分の表面からナノピラー状に延伸すると共に光電変換可能な複数の化合物半導体が積層されてなる複数のナノピラー構造部分と、該ナノピラー構造部分の間隙に充填されて該ナノピラー構造部分を補強する光透過可能な充填剤層とを備え、該平板状積層構造部分側から入射する光により該平板状積層構造部分及び該ナノピラー構造部分で光電変換を行う微細構造光電変換素子において、該マスクパターンは、隣接する該平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率に対して、−１．２〜＋１．２の範囲の屈折率を備える材料からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の微細構造光電変換素子では、前記マスクパターンが隣接する前記平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率に対して、前記の範囲の屈折率を備える材料からなる。従って、前記平板状積層構造部分側から入射する光が前記マスクパターンで反射されることなく、前記充填剤層に入射することができ、該充填剤層を介して前記ナノピラー構造部分に、その側面から入射することができる。
【００１２】
この結果、本発明の微細構造光電変換素子によれば、前記ナノピラー構造部分に入射する光を増加させることができ、優れた光電変換効率を得ることができる。
【００１３】
前記マスクパターンの屈折率が隣接する前記平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率に対して、−１．２より小さいか、＋１．２より大きいときには、前記平板状積層構造部分側から入射する光が前記マスクパターンで反射され、前記ナノピラー構造部分に入射する光を増加させることができない。
【００１４】
本発明の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンは光透過可能な複数の材料が積層されてなり、各材料は前記平板状積層構造部分に近接する側ほど大きな屈折率を備えることが好ましい。このようにするときには、前記マスクパターンを形成する複数材料は、前記平板状積層構造部分側から前記充填剤層側に向けて段階的に屈折率を小さくすることができ、該マスクパターンにおける光の反射を低減して、前記充填剤層に入射する光を増加させることができる。
【００１５】
前記マスクパターンは、例えば、２つの材料が積層されてなり、前記平板状積層構造部分に近接する側の第１の材料は２．７〜３．１の範囲の屈折率を備え、該平板状積層構造部分から離間する側の第２の材料は１．６〜２．５の範囲の屈折率を備えることが好ましい。前記第１の材料は、前記範囲の屈折率を備えることにより、該屈折率を隣接する該平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率に対して、−１．２〜＋１．２の範囲とすることができる。
【００１６】
前記第１の材料は、屈折率が３．１を超えると、隣接する該平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率との差を前記範囲とすることができないことがある。また、前記第１の材料は、屈折率が２．７未満になると、隣接する該平板状積層構造部分の化合物半導体の屈折率との差が１．２を超えることがあるばかりか、前記第２の材料の屈折率より小さくなることがある。
【００１７】
また、前記第２の材料は、前記範囲の屈折率を備えることにより、該屈折率と前記第１の材料の屈折率との差を小さくすることができ、該第１の材料との界面における光の反射を低減することができる。前記第２の材料は、屈折率が２．５を超えると、前記第１の材料の屈折率より大きくなることがある。また、前記第２の材料は、屈折率が１．６未満になると、前記第１の材料の屈折率との差が大きくなり、該第１の材料との界面における光の反射を十分に低減することができないことがある。
【００１８】
前記マスクパターンを形成する第１の材料は、前記範囲の屈折率を備えるために、例えば、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ２、ルチル型ＴｉＯ２からなる群から選択される１種の化合物であることが好ましい。また、前記マスクパターンを形成する第２の材料は、前記範囲の屈折率を備えるために、例えば、アナターゼ型ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種の化合物であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の微細構造光電変換素子において、前記平板状積層構造部分は、前記マスクパターンに接する層がＩｎＧａＰからなることが好ましい。この結果、前記マスクパターンと、該マスクパターンに接する層との屈折率の差を、容易に−１．２〜＋１．２の範囲とすることができる。
【００２０】
また、前記充填剤層は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２からなる群から選択される１種の化合物からなることが好ましい。この結果、前記充填剤層は、前記マスクパターンとの屈折率の差を小さくすることができ、該マスクパターンとの界面における光の反射を低減することができる。
【００２１】
また、本発明の微細構造光電変換素子において、前記マスクパターンは、ｄ＝（λ／４ｓｉｎθ）／ｎ（式中、λは入射光の波長、θは入射角、ｎはマスクパターンの屈折率）を満足する厚さｄを備えることが好ましい。前記マスクパターンは、前記厚さｄを備えることにより、前記平板状積層構造部分を介して入射する光が該マスクパターンで反射されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の微細構造光電変換素子の一構成例を示す説明的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の微細構造光電変換素子１は、平板状積層構造部分２と、マスクパターン３と、ナノピラー構造部分４と、ナノピラー構造部分４同士の間隙に充填されている充填剤層５とを備えている。
【００２５】
平板状積層構造部分２は、光電変換可能な第１の化合物半導体層２ａに、光電変換可能な第２の化合物半導体層２ｂが積層されており、第２の化合物半導体層２ｂの表面は光透過可能なマスクパターン３で被覆されている。第１の化合物半導体層２ａは例えばｎ−ＧａＡｓからなり、第２の化合物半導体層２ｂは例えば屈折率３．２のｎ−ＩｎＧａＰからなる。
【００２６】
マスクパターン３は、第２の化合物半導体層２ｂの表面に複数の開口部６を備えると共に、開口部６以外の部分で第２の化合物半導体層２ｂの表面を被覆している。また、マスクパターン３は、第２の化合物半導体層２ｂに近接する側に配設された光透過可能な第１の材料層３ａと、第２の化合物半導体層２ｂから離間する側に配設された、光電変換可能な第２の材料層３ｂとの２層により構成されている。
【００２７】
第１の材料層３ａは、第２の化合物半導体層２ｂとの屈折率の差が−１．２〜＋１．２の範囲にある材料により形成されている。第１の材料層３ａは、屈折率が２．６〜３．１の範囲であることが好ましく、このような材料として、例えば、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｕＯ２、ルチル型ＴｉＯ２からなる群から選択される１種の化合物を挙げることができる。
【００２８】
第１の材料層３ａは、例えば、ＣｕＯ２により形成することができる。ＣｕＯ２の屈折率は２．６３であり、第２の化合物半導体層２ｂがｎ−ＩｎＧａＰからなる場合、ｎ−ＩｎＧａＰの屈折率に対し−０．５７となる。
【００２９】
第２の材料層３ｂは、屈折率が１．７〜２．５の範囲であることが好ましく、このような材料として、例えば、アナターゼ型ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３からなる群から選択される１種の化合物を挙げることができる。第２の材料層３ｂは、例えば、アナターゼ型ＴｉＯ２により形成することができる。アナターゼ型ＴｉＯ２の屈折率は２．３であり、第１の材料層３ａがＣｕＯ２からなる場合、ＣｕＯ２の屈折率２．６３によりも小さく、ＣｕＯ２の屈折率に対し−０．３３となる。
【００３０】
この結果、マスクパターン３は、第１の材料層３ａの屈折率（２．６３）と第２の材料層３ｂの屈折率（２．３）とのいずれもが、隣接する平板状積層構造部分２の第２の化合物半導体層２ｂの屈折率（３．２）に対し、−１．２〜＋１．２の範囲となっている。
【００３１】
また、マスクパターン３は、第１の材料層３ａと第２の材料層３ｂとのそれぞれがｄ＝（λ／４ｓｉｎθ）／ｎ（式中、λは入射光の波長、θは入射角、ｎはマスクパターンの屈折率）を満足する厚さｄに形成されている。このようにすると、第１の材料層３ａ、第２の材料層３ｂのそれぞれの層の入射側の表面における表面反射波と、入射側と反対側で隣接する層との界面における界面反射波とが相互に干渉して打ち消し合うので、入射光の反射を防止することができる。
【００３２】
第１の材料層３ａがＣｕＯ２からなる場合、入射光の波長λを９００ｎｍ、入射角θを０度、該波長λに対するＣｕＯ２の屈折率を２．６３とすると、その厚さｄは８６ｎｍとなる。また、第２の材料層３ｂがＴｉＯ２からなる場合、入射光の波長λを９００ｎｍ、入射角θを０度、該波長λに対するＴｉＯ２の屈折率を２．３０とすると、その厚さｄは９８ｎｍとなる。
【００３３】
開口部６は、マスクパターン３に対し、フォトリソグラフィ、イオンエッチング等のそれ自体公知の方法により形成することができる。
【００３４】
ナノピラー構造部分４は、開口部６に露出する第２の化合物半導体層２ｂの表面からナノピラー状に延伸されており、第２の化合物半導体層２ｂ側から順に、歪み緩衝層４ａ、第１の光吸収層４ｂ、第２の光吸収層４ｃ、第３の光吸収層４ｄ、コンタクト層４ｅが積層されている。歪み緩衝層４ａは例えばｎ−ＧａＡｓからなる。第１の光吸収層４ｂ、第２の光吸収層４ｃ、第３の光吸収層４ｄは、いずれも光電変換可能な化合物半導体からなり、第１の光吸収層４ｂは例えばｎ−ＩｎＧａＡｓからなり、第２の光吸収層４ｃは例えばｐ−ＩｎＧａＡｓからなり、第３の光吸収層４ｄは例えばｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなる。また、コンタクト層４ｅは例えばｐ＋−ＧａＡｓからなる。
【００３５】
また、光吸収層４ｂ，４ｃ，４ｄの屈折率は３．０であり、ナノピラー構造部分４はその表面に、例えばＡｌＩｎＰからなるパッシベーション層７を備えている。
【００３６】
充填剤層５は光透過可能な材料からなり、このような材料として、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２からなる群から選択される１種の化合物を挙げることができる。充填剤層５は、例えば、Ａｌ２Ｏ３により形成することができる。Ａｌ２Ｏ３の屈折率は２．０であるので、マスクパターン３の第２の材料層３ｂがＴｉＯ２からなる場合、ＴｉＯ２の屈折率に対し−０．３となる。
【００３７】
微細構造光電変換素子１は、充填剤層５からコンタクト層４ｅを露出させてコンタクト層４ｅに接続する裏面電極８と、第１の化合物半導体層４ａ上に配設される表面電極９とを形成することにより、太陽電池として作用することができる。裏面電極８としては例えばＡｕＺｎを用いることができ、表面電極９としては例えばＡｕＧｅ／Ｎｉを用いることができる。
【００３８】
微細構造光電変換素子１では、第１の化合物半導体層２ａ側から入射する光Ｌが、平板状積層構造部分２と、ナノピラー構造部分４とに吸収されることにより光電変換を行うことができる。ここで、ナノピラー構造部分４は、通常は、平板状積層構造部分２から歪み緩衝層４ａを介して入射する光Ｌを光吸収層４ｂ，４ｃ，４ｄで吸収することによって光電変換を行っている。
【００３９】
本実施形態では、例えば、平板状積層構造部分２の第２の化合物半導体層２ｂが屈折率３．２のｎ−ＩｎＧａＰからなり、マスクパターン３の第１の材料層３ａが屈折率２．６３のＣｕＯ２からなり、第２の材料層３ｂが屈折率２．３のＴｉＯ２からなる。このとき、マスクパターン３の屈折率は、隣接する第２の化合物半導体層２ｂの屈折率に対し、−０．５７〜−０．９の範囲となっており、さらに第１の材料層３ａ、第２の材料層３ｂがそれぞれ前記の厚さを備えているので、第１の化合物半導体層２ａ側から入射する光Ｌがマスクパターン３で反射されることを防止することができる。
【００４０】
さらに、本実施形態では、例えば、充填剤層５が屈折率２．０のＡｌ２Ｏ３からなり、光吸収層４ｂ，４ｃ，４ｄは屈折率３．０の化合物半導体からなる。このとき、充填剤層５の屈折率は、隣接する第２の材料層３ｂの屈折率に対し−０．３となっており、隣接する光吸収層４ｂ，４ｃ，４ｄに対して−１．０となっている。従って、第１の化合物半導体層２ａ側から入射する光Ｌは、反射されることなく、マスクパターン３から充填剤層５を介して、光吸収層４ｂ，４ｃ，４ｄにその側面から吸収され光電変換される。
【００４１】
従って、本実施形態の微細構造光電変換素子１において、ナノピラー構造部分４は、平板状積層構造部分２から歪み緩衝層４ａを介して入射する光Ｌと共に、充填剤層５を介して光吸収層４ｂ，４ｃ，４ｄの側面から入射する光Ｌも吸収することができる。従って、本実施形態の微細構造光電変換素子１によれば優れた光電変換効率を得ることができる。
【００４２】
また、ナノピラー構造部分４は、その表面にパッシベーション層７を備えているので、前記光電変換により生じた電荷がナノピラー構造部分４の表面で再結合して失われることを防止することができる。従って、本実施形態の微細構造光電変換素子１によれば、ナノピラー構造部分４の表面にパッシベーション層７を備えることにより、さらに優れた光電変換効率を得ることができる。
【００４３】
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。
【実施例】
【００４４】
〔実施例１〕
本実施例では、まず、図１に示す第１の化合物半導体層２ａとして、ｎ−ＧａＡｓ（１１１）基板を洗浄した後、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置にセットした。次に、チャンバーを真空排気した後にＨ２ガス（キャリアガス）に置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように流量と排気速度とを調整した。
【００４５】
次に、ＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、前記基板の温度が７５０℃になるまで昇温した。そして、前記基板の温度が７５０℃に達した後、その状態を５分間保持した。
【００４６】
次に、前記ＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガスを流通しながら、前記基板の温度を７５０℃から６７０℃に低下させた。前記基板の温度が６７０℃で安定した後、流通ガスをＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＴＭＩ（トリメチルインジウム）とＳｉＨ４とＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：３．０×１０−６ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：２．６×１０−６ａｔｍ、ＳｉＨ４分圧：２．０×１０−８ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．６×１０−４ａｔｍ）に切り替えて、前記基板２上にｎ−ＩｎＧａＰ膜の成長を開始した。
【００４７】
１．５分後に、流通ガスをＴＢＰとキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．６×１０−４ａｔｍ）に切り替えてｎ−ＩｎＧａＰ膜の成長を終了し、ｎ−ＩｎＧａＰからなる第２の化合物半導体層２ｂを形成した。
【００４８】
次に、第２の化合物半導体層２ｂが形成された前記基板を、ＣｕＯ２ターゲットとＴｉＯ２ターゲットとを備えたＲＦスパッタ装置にセットし、まず、第２の化合物半導体層２ｂの表面にＣｕＯ２からなる第１の材料層３ａを約８１ｎｍの厚さに形成した。次に、第１の材料層３ａ上にＴｉＯ２からなる第２の材料層３ｂを約９８ｎｍの厚さに形成し、次に、第２の材料層３ｂ上にポジレジストをスピンコートにより塗布し、ポジレジストが塗布された前記基板をＥＢ（電子ビーム）描画装置にセットして、該ポジレジストの２ｍｍ×２ｍｍの面積に直径２００ｎｍの円形孔を各円形孔の中心間距離が４００ｎｍになるようにして三角格子状に配列させたパターンを描画した。
【００４９】
前記描画後、前記ポジレジストを現像した前記基板を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にセットし、チャンバー内を真空排気した後、ＣＦ４とＨ２との混合ガス（全圧：１Ｐａ、ＣＨ４分圧：４０ｓｃｃｍ、Ｈ２分圧：１０ｓｃｃｍ）により、前記円形孔内の第１の材料層３ａ及び第２の材料層３ｂをエッチング除去して開口部６を形成した。そして、前記エッチング後、前記レジストを除去し、第１の材料層３ａ及び第２の材料層３ｂからなり開口部６を備えるマスクパターン３を形成した。
【００５０】
次に、マスクパターン３が形成された前記基板を再びＭＯＶＰＥ装置にセットし、チャンバーを真空排気した後にキャリアガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように流量と排気速度とを調整した。
【００５１】
次に、ＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流通しながら、前記基板の温度が７５０℃になるまで昇温した。
【００５２】
前記基板の温度が７５０℃に達した後、流通ガスをＴＭＧとＡｓＨ３とＳｉＨ４とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ、ＳｉＨ４分圧：２．０×１０−８ａｔｍ）に切り替えて、開口部６ａ内に露出している第２の化合物半導体層２ｂ上にｎ−ＧａＡｓからなるナノピラー状の歪み緩衝層４ａの成長を開始した。３分後に、流通ガスをＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切り替えて歪み緩衝層４ａの成長を終了した。
【００５３】
次に、ＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガスを流通しながら、前記基板の温度を７５０℃から７２０℃に低下させた。前記基板の温度が７２０℃に達した後、流通ガスをＴＭＧとＴＭＩとＡｓＨ３とＳｉＨ４とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．０×１０−７ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：３．０×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．２×１０−４ａｔｍ、ＳｉＨ４分圧：２．０×１０−８ａｔｍ）に切り替えて、歪み緩衝層４ａ上にｎ−ＩｎＧａＡｓからなるナノピラー状の第１の光吸収層４ｂを形成した。
【００５４】
次に、流通ガスをＴＭＧとＴＭＩとＡｓＨ３とＤＥＺ（ジエチル亜鉛）とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：７．０×１０−７ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：３．０×１０−７ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：１．２×１０−４ａｔｍ、ＤＥＺ分圧：１．５×１０−６ａｔｍ）に切り替えて、第１の光吸収層４ｂ上にｐ−ＩｎＧａＡｓからなるナノピラー状の第２の光吸収層４ｃ、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓからなるナノピラー状の第３の光吸収層４ｄをこの順に形成した。
【００５５】
次に、ＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガスを流通しながら、前記基板の温度を７２０℃から７５０℃に昇温した。前記基板の温度が７５０℃に達した後、流通ガスをＴＭＧとＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＧ分圧：１．０×１０−６ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）に切り替えて、第３の光吸収層４ｄ上に、ｐ＋−ＧａＡｓからなるナノピラー状のコンタクト層４ｅを形成した。
【００５６】
次に、ＡｓＨ３とキャリアガスとの混合ガスを流通しながら、前記基板の温度を７５０℃から５５０℃に低下させた。前記基板の温度が５５０℃に達した後、流通ガスをＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＴＭＩとＴＢＰとキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＡ分圧：１．４×１０−７ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：３．３×１０−６ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．６×１０−３ａｔｍ）に切り替えて、ＡｌＩｎＰからなりナノピラー構造部分４を被覆するパッシベーション層７を形成した。２分後に、流通ガスをＴＢＰとキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．０×１０−４ａｔｍ）に切り替えて、パッシベーション層７の形成を終了した。
【００５７】
次に、前記基板の温度を５５０℃に保持したまま、流通ガスをＴＭＩとＴＢＰとキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＭＩ分圧：３．３×１０−６ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：１．６×１０−４ａｔｍ）に切り替えて、ＩｎＰからなりパッシベーション層７を被覆するキャップ層（図示せず）形成した。１分後に、流通ガスをＴＢＰとキャリアガスとの混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＴＢＰ分圧：３．２×１０−４ａｔｍ）に切り替えて、前記キャップ層の形成を終了し、そのまま前記基板を冷却した。
【００５８】
前記冷却後、前記基板を原子層堆積（ＡＬＤ）装置にセットし、チャンバー内を真空排気した後、ナノピラー構造部分４の間にＡｌ２Ｏ３を充填して、充填剤層５を形成した。
【００５９】
次に、ナノピラー構造部分４の間に充填剤層５が形成された前記基板を反応性イオンエッチング装置にセットし、ＣＦ４とＯ２との混合ガスを用いて充填剤層５のみをエッチングし、コンタクト層４ｅを露出させた。次に、コンタクト層４ｅを露出させた前記基板の充填剤層５上にＡｕＺｎを蒸着し、アニールすることによりＡｕＺｎからなる裏面電極８を形成した。
【００６０】
次に、裏面電極８が形成された前記基板（第１の化合物半導体層２ａ）上に、ＡｕＧｅ／Ｎｉを蒸着し、アニールすることによりＡｕＧｅ／Ｎｉからなる表面電極９を形成し、図１に示す微細構造光電変換素子１を得た。
【００６１】
次に、本実施例で得られた微細構造光電変換素子１を太陽電池として用い、表面電極９側からＡＭ１．５Ｇの疑似太陽光を照射してその出力を評価したところ、電流密度９．７４ｍＡ／ｃｍ２であった。結果を表１に示す。
【００６２】
〔比較例１〕
本比較例では、非晶質ＳｉＯ２からなり厚さ３０ｎｍの単一層からなるマスクパターン３を形成した以外は、実施例１と全く同一にして微細構造光電変換素子１を得た。前記非晶質ＳｉＯ２からなるマスクパターン３の屈折率は１．４５であり、第２の化合物半導体層２ｂの屈折率に対して３．２となっている。
【００６３】
次に、本比較例で得られた微細構造光電変換素子１を太陽電池として用い、実施例１と全く同一にしてその出力を評価したところ、電流密度９．２３ｍＡ／ｃｍ２であった。結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
2014067831.tif 000003
【００６５】
表１から、マスクパターン３の屈折率が第２の化合物半導体層２ｂの屈折率に対して−０．５７〜−０．９の範囲となっている実施例１の微細構造光電変換素子１によれば、マスクパターン３の屈折率が第２の化合物半導体層２ｂの屈折率に対して−１．７５である比較例１の微細構造光電変換素子１に対して、電流密度が０．５１ｍＡ／ｃｍ２高くなっており優れた光電変換効率を得ることができることが明らかである。
【符号の説明】
【００６６】
１…微細構造光電変換素子、  ２…平板状積層構造部分、  ３…マスクパターン、  ４…ナノピラー構造部分、  ５…充填剤層、  ６…開口部。
【図１】
2014067831.tif 000004