(57)【要約】【課題】キャリアの取り出し効率に優れたデバイスを提供可能な受光素子の提供。【解決手段】受光素子は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備える。超格子半導体層は、障壁層と量子ドットを含む量子ドット層とが交互に繰り返し積層されて構成された２つ以上の超格子構造を有する。２つ以上の超格子構造は、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さ、および、障壁層の材料のうちの少なくとも１つを互いに異にする。【選択図】図１
2014154816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備え、
前記超格子半導体層は、障壁層と量子ドットを含む量子ドット層とが交互に繰り返し積層されて構成された２つ以上の超格子構造を有し、
前記２つ以上の超格子構造は、前記量子ドットの形状、前記量子ドットの材料、前記障壁層の厚さ、および、前記障壁層の材料のうちの少なくとも１つを互いに異にする受光素子。
【請求項２】
前記２つ以上の超格子構造は、
それぞれの前記超格子構造を構成する前記量子ドット層の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成し、
伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように配置されている請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記ｎ型半導体層は、光入射側とは反対側に配置されている請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記量子ドット層の積層方向における前記量子ドットの間隔は、前記量子ドットの高さよりも大きい請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子を備えた太陽電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子および受光素子を備えた太陽電池に関し、好適には量子ドット層を含む受光素子およびその受光素子を備えた太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光素子を備えたデバイスの一例である太陽電池に対しては、より広い波長範囲の光を利用して光電変換効率を高めるということを目的とした種々の研究開発が行われている。たとえば、量子ドットの技術の利用により超格子ミニバンドが価電子帯と伝導帯との間に形成され、超格子ミニバンドの形成により電子が二段階で励起され、よって、長波長の光を利用することができるという太陽電池が提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２または非特許文献１など）。
【０００３】
このような量子ドットを含む太陽電池は、化合物太陽電池のｉ型半導体層を構成する母体半導体中に量子ドットを含む量子ドット層を挿入したものである。母体半導体中に量子ドット層を挿入することにより、量子ドット層間の電子的結合が形成され、よって、超格子ミニバンドが形成される。超格子ミニバンドを介した二段階の光励起により、未利用だった波長域の光吸収（母体半導体材料のバンドギャップより小さいエネルギーのフォトンの吸収）が可能となり、光電流を増加させることができる。量子ドットで生成されたキャリアは、超格子ミニバンド中を移動し、光励起によって外部に取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１４８１５号公報
【特許文献２】特表２０１０−５０９７７２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ、９７巻、２４７７０１ページ、２００６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、超格子ミニバンドが形成された太陽電池においては、その太陽電池が有する量子ドット層からの光電流の取り出し効率は数％程度に留まっている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャリアの取り出し効率に優れたデバイス（太陽電池など）を提供可能な受光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、キャリアが光励起されたときにキャリア再結合が発生する場合があるので光電流の取り出し効率が数％程度に留まっていると考え、鋭意検討した結果、本発明を完成した。
【０００９】
本発明に係る受光素子は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とに挟まれた超格子半導体層とを備える。超格子半導体層は、障壁層と量子ドットを含む量子ドット層とが交互に繰り返し積層されて構成された２つ以上の超格子構造を有する。２つ以上の超格子構造は、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さ、および、障壁層の材料のうちの少なくとも１つを互いに異にする。
【００１０】
２つ以上の超格子構造は、それぞれの超格子構造を構成する量子ドット層の伝導帯量子準位によって、超格子構造での積層方向に対して平行な方向に延びる超格子ミニバンドを形成することが好ましい。また、２つ以上の超格子構造は、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように配置されていることが好ましい。
【００１１】
ｎ型半導体層は、光入射側とは反対側に配置されていることが好ましい。また、量子ドット層の積層方向における量子ドットの間隔は、量子ドットの高さよりも大きいことが好ましい。ここで、「量子ドット層の積層方向における量子ドットの間隔」は、濡れ層がある場合には、量子ドットとその量子ドットの上に位置する濡れ層との最小距離を意味し、たとえば図１４に示す間隔Ｌzである。濡れ層がない場合には、「量子ドット層の積層方向における量子ドットの間隔」は、量子ドットとその量子ドットの上に位置する量子ドットとの最小距離を意味する。
【００１２】
本発明に係る太陽電池は、本発明の受光素子を備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る受光素子では、キャリア再結合を抑制することができるので、キャリアの取り出し効率に優れたデバイス（太陽電池など）の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係る受光素子を備えた太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図２】従来の超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドと伝導帯第一超格子ミニバンドを介した吸収とを示した概略バンド図である。
【図３】本発明の実施形態１における超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドと伝導帯第一超格子ミニバンドを介した吸収とを示した概略バンド図である。
【図４】実験例１により計算された超格子構造１の伝導帯における超格子ミニバンドの構造を示すグラフである。
【図５】実験例１により計算された超格子構造２の伝導帯における超格子ミニバンドの構造を示すグラフである。
【図６】価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。
【図７】伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。
【図８】価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。
【図９】実験例２により計算された超格子構造１の伝導帯における超格子ミニバンドの構造を示すグラフである。
【図１０】実験例２により計算された超格子構造２の伝導帯における超格子ミニバンドの構造を示すグラフである。
【図１１】価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。
【図１２】伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。
【図１３】価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示すグラフである。
【図１４】偏光スペクトルの理論計算に用いた超格子半導体層の構成を示した断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、Ｌzが１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍおよび１０ｎｍのときの吸収スペクトルの計算結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の受光素子および太陽電池について詳細に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００１６】
ここで、本明細書中でよく用いられる語句について簡単な説明を加える。
「超格子半導体層」とは、障壁層と量子ドット層とが複数回繰り返し積層されて構成された超格子構造を有する。障壁層および量子ドット層はともに化合物半導体材料からなるが、障壁層は量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。
【００１７】
「超格子構造」とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなることを意味する。
【００１８】
「量子ドット」とは、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材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。
【００１９】
「量子ドット層」とは、量子ドットと量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい母体半導体材料とを含む層である。「障壁層」とは、量子ドットが半導体層内に挿入されることなく構成された層であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい母体半導体材料からなる層である。
【００２０】
「超格子ミニバンド」とは、量子ドットからしみ出した波動関数が重なり合うことで、各量子ドットの離散的エネルギー準位が束となり、形成されるバンドを言う。超格子ミニバンドの少なくとも一部は、障壁層の価電子帯上端と伝導帯下端との間に形成されている。「量子準位」とは、電子の離散的なエネルギー準位を言う。
【００２１】
「伝導帯第一超格子ミニバンド」とは、量子ドット層の伝導帯側の基底準位により形成された超格子ミニバンドを意味する。
【００２２】
「伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギー」は、伝導帯第一超格子ミニバンドの最小エネルギーを意味する。
【００２３】
「伝導帯第二以上の超格子ミニバンド」とは、量子ドット層の伝導帯側の励起準位により形成された超格子ミニバンドを意味する。
【００２４】
≪実施形態１≫
［受光素子の構成］
図１は、本発明の実施形態１に係る受光素子を備えた太陽電池の構成を示す概略断面図である。本実施形態に係る受光素子は、ｎ型半導体層１と、ｐ型半導体層１２と、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層１２とに挟まれた超格子半導体層１０とを備える。
【００２５】
＜ｐ型半導体層およびｎ型半導体層＞
ｎ型半導体層１は、光入射側とは反対側に位置し、ｎ型不純物を含む半導体からなり、ｉ型半導体層（超格子半導体層１０）とｐ型半導体層１２とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。ｐ型半導体層１２は、光入射側に位置し、ｐ型不純物を含む半導体からなり、ｉ型半導体層（超格子半導体層１０）とｎ型半導体層１とともにｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。このｐｉｎ接合またはｐｎ接合が受光することにより、起電力が生じる。
【００２６】
ｎ型半導体層１は、基板であってもよいし、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより形成された薄膜であってもよい。ｐ型半導体層１２は、ＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより形成された薄膜であることが好ましい。ｎ型半導体層１は、障壁層８と同じ半導体材料にｎ型不純物を添加したものであってもよいし、障壁層８とは異なる半導体材料にｎ型不純物を添加したものであってもよい。ｐ型半導体層１２についても同様のことが言える。たとえば、ｎ型半導体層１はｎ−ＧａＡｓからなることが好ましく、ｐ型半導体層１２はｐ−ＧａＡｓからなることが好ましい。ｎ型半導体層１におけるｎ型不純物の濃度は特に限定されず、ｎ型半導体層１を構成する半導体材料に応じて適宜設定されることが好ましい。ｐ型半導体層１２におけるｐ型不純物の濃度についても同様のことが言える。ｎ型半導体層１およびｐ型半導体層１２の各厚さは特に限定されず、超格子半導体層１０が光を十分に吸収可能となるように適宜設定されることが好ましい。
【００２７】
＜超格子半導体層＞
超格子半導体層１０は、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層１２とに挟まれ、ｐｉｎ接合またはｐｎ接合を構成することができる。また、超格子半導体層１０は、２つの超格子構造を有し、２つの超格子構造は、それぞれ、量子ドット７を含む量子ドット層６と障壁層８とがｎ型半導体層１上に交互に繰り返し積層されて構成されている。なお、図１には明確に図示されていないが、量子ドット７は超格子半導体層１０での積層方向において障壁層８を挟んで設けられている。
【００２８】
量子ドット７および障壁層８の各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。量子ドット７は、障壁層８よりもバンドギャップエネルギーの小さい半導体材料であることが好ましい。たとえば、量子ドット７および障壁層８の各材料は、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓxＳｂ1-x、ＡｌＳｂxＡｓ1-x、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＩｎxＧａ1-xＰ、（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ、ＧａyＩｎ1-yＡｓzＰ1-zまたはＩｎxＡｌ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１。以下同様。）であることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。量子ドット７および障壁層８の各材料は、周期律表の第ＩＶ族半導体、第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または、第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料と第ＶＩＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であっても良く、これらの混晶材料であっても良い。また、量子ドット７および障壁層８の各材料は、カルコパイライト系材料であっても良いし、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。たとえば、障壁層８の材料がＧａＮＡｓであり量子ドット７の材料がＩｎＡｓであっても良いし、障壁層８の材料がＩｎＧａＰであり量子ドット７の材料がＩｎＡｓであっても良いし、障壁層８の材料がＧａＮであり量子ドット７の材料がＧａxＩｎ1-xＮであっても良いし、障壁層８の材料がＧａＡｓであり量子ドット７の材料がＧａＳｂであっても良いし、障壁層８の材料がＡｌＡｓであり量子ドット７の材料がＩｎＡｓであっても良いし、障壁層８の材料がＣｕＧａＳ2であり量子ドット７の材料がＣｕＩｎＳｅ2であっても良い。
【００２９】
本実施形態における超格子半導体層１０では、量子ドット７の形状、量子ドット７の材料、障壁層８の厚さ、および、障壁層８の材料を調整することで、量子ドット７からしみ出した波動関数が重なり合うようになる。この電子的結合の結果、各量子ドット７の離散的エネルギー準位が束となり、量子ドット層６の厚み方向に超格子ミニバンドが形成される。本実施形態における超格子ミニバンドは、量子ドット層６の伝導帯量子準位によって形成される。
【００３０】
伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは、量子ドット７の形状、障壁層８の厚さ、量子ドット７の有効質量、障壁層８の有効質量、または、量子ドット７と障壁層８との間のオフセットなどにより決まる。具体的には、量子ドット層６の厚み方向における量子ドット７の大きさ、量子ドット層６の面内方向における量子ドット７の大きさ、または、量子ドット層６の厚み方向および面内方向における量子ドット７の大きさを小さくすることで、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。量子ドット７の有効質量または障壁層８の有効質量を小さくすることでも、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。量子ドット７と障壁層８との間のオフセットを大きくすることで、超格子ミニバンドの下端エネルギーを大きくすることができる。障壁層８の厚さを薄くすることで、超格子ミニバンドのエネルギー幅を広げることができるとともに、超格子ミニバンドの下端エネルギーを小さくすることができる。このように、量子ドット７の形状、量子ドット７の材料、障壁層８の厚さ、および、障壁層８の材料を調整することで、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさを制御することができる。なお、「量子ドット７の形状」には、量子ドット７の大きさも含まれる。そのため、「量子ドット７の形状を調整する」には、量子ドット７の外形を変更せずに量子ドット７の大きさのみを変更することも含まれる。
【００３１】
さらに、本実施形態における超格子半導体層１０では、２つの超格子構造は互いに異なるサイズの量子ドット７を含んでいる。これにより、２つの超格子構造では、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが互いに異なる。したがって、本実施形態に係る受光素子では、キャリアが光励起されたときであっても電子とホールとを空間的に分離することができるので、キャリアの取り出し効率に優れたデバイスの提供を図ることができる。以下、図２および図３を用いて説明する。
【００３２】
図２は、従来の超格子半導体層に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドと伝導帯第一超格子ミニバンドを介した吸収とを示した概略バンド図である。上述のように、量子ドットの形状、量子ドットの材料、障壁層の厚さまたは障壁層の材料を制御することにより、図２に示す伝導帯第一超格子ミニバンド１２８が形成される。そして、矢印で示すように、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンド１２８への遷移および伝導帯第一超格子ミニバンド１２８から障壁層８の伝導帯以上への遷移が起こる。なお、図２には明記していないが、伝導帯第一超格子ミニバンド１２８を介さない、価電子帯から伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移も起きる。
【００３３】
図３は、本実施形態における超格子半導体層１０に形成される伝導帯第一超格子ミニバンドと伝導帯第一超格子ミニバンドを介した吸収とを示した概略バンド図である。２つの超格子構造では、量子ドット７の大きさが異なるので、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが異なる。
【００３４】
図３では、伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ｂの下端エネルギーが伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ａの下端エネルギーよりも小さいとして、キャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ａから伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ｂへ速やかに移動するとした。このため、図３には、光入射側（ｐ型半導体層１２側）に配置された超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ａにはキャリアが存在していない（空）一方、光入射側とは反対側（ｎ型半導体層１側）に配置された超格子構造の伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ｂにはキャリアが満たされている場合を示している。この場合、光入射側に配置された超格子構造では、キャリアが価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ａへ遷移する。そして、光入射側とは反対側に配置された超格子構造において、キャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ｂから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへ遷移する。このようにキャリアが伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ａから伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ｂへ速やかに移動するので、電子とホールとが空間的に分離され、よって、キャリア再結合を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る受光素子は、キャリアの取り出し効率に優れたデバイスを提供することができる。なお、図３には明記していないが、伝導帯第一超格子ミニバンド２８Ａ，２８Ｂを介さない、価電子帯から伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移も各超格子構造で起きる。
【００３５】
超格子半導体層１０が有する２つの超格子構造は、上述のように、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように配置されていることが好ましい。これにより、超格子半導体層１０の伝導帯第一超格子ミニバンドに光励起されたキャリアは、伝導帯第一超格子ミニバンドのうち下端エネルギーの大きさが最も小さな伝導帯第一超格子ミニバンドに集まる。つまり、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが最も小さい超格子構造におけるキャリア占有率が著しく高くなる。よって、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが最も小さい超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへのキャリアの光励起が高い確率で発生する。
【００３６】
伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように２つの超格子構造が配置されている場合、ｎ型半導体層１は、光入射側とは反対側に配置されていることが好ましい。これにより、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドに励起されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層１へ取り出される。したがって、短絡電流を向上させることができる。
【００３７】
超格子半導体層１０が有する２つの超格子構造は、量子ドット７の形状、量子ドット７の材料、障壁層８の厚さ、および、障壁層８の材料のうちの少なくとも１つが互いに異なることが好ましい。いずれの場合であっても、２つの超格子構造では伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが互いに異なるので、キャリア再結合を抑制することができる。
【００３８】
なお、量子ドット７の形状または量子ドット７の材料の組成が、量子ドット層６の厚さ方向では同じであるが、量子ドット層６の面内方向においては異なるような超格子半導体層１０であってもよい。
【００３９】
また、超格子半導体層１０が有する２つの超格子構造は、それぞれの超格子構造を構成する量子ドット層の価電子帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成してもよい。この場合であっても、キャリア再結合を抑制することができる。
【００４０】
また、超格子半導体層１０が有する超格子構造のうち伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが最も小さい超格子構造には、不純物がドープされていても良い。これにより、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが最も小さい超格子構造におけるキャリア占有率が高くなるので、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移確率がより高まる。
【００４１】
また、ｎ型半導体層１が光入射側に配置され、ｐ型半導体層１２が光入射側とは反対側に配置されていても良い。
【００４２】
また、超格子半導体層１０は、３つ以上の超格子構造を有しても良い。
また、超格子半導体層１０は、ｉ型半導体層であってもよいし、受光により起電力が生じるのであればｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。
【００４３】
［太陽電池の構成］
本実施形態に係る太陽電池２０は本実施形態に係る受光素子を備えているので、本実施形態ではキャリアの取り出し効率に優れた太陽電池を提供することができる。
【００４４】
本実施形態に係る太陽電池２０は、さらに、ｎ型半導体層１と超格子半導体層１０との間にバッファ層３およびベース層４を順に備え、ｐ型半導体層１２上に窓層１４を備え、窓層１４の上にコンタクト層１５を介してｐ型電極１７を備え、ｎ型半導体層１の下面上にｎ型電極１８を備える。バッファ層３、ベース層４、窓層１４、コンタクト層１５、ｐ型電極１７およびｎ型電極１８の各材料および各厚さは特に限定されない。これらの一例は下記［太陽電池の製造方法］において示す通りである。
【００４５】
なお、本実施形態に係る太陽電池は、集光システムと組み合わせることもできる。
［太陽電池の製造方法］
まず、ｎ型半導体層１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ｎ型半導体層１をエッチングし、さらに１０分間、ｎ型半導体層１に対して流水洗浄を施す。その後、ｎ型半導体層１をＭＯＣＶＤ装置内で支持する。ｎ型半導体層１としては、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いることができる。
【００４６】
次に、ｎ型半導体層１上にバッファ層３を形成する。バッファ層３としては、３００ｎｍの厚さのｎ+−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。バッファ層３の形成により、バッファ層３上に形成される光吸収層（超格子半導体層１０）の結晶性を向上させることができる。よって、光吸収層での受光効率が確保された太陽電池２０を提供することができる。その後、バッファ層３上にベース層４を形成する。ベース層４としては、３００ｎｍの厚さのｎ−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。
【００４７】
続いて、ベース層４上に障壁層８と量子ドット層６とを形成する。分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法または有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などにより障壁層８を形成することができ、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ―Ｋ）成長と呼ばれる方法により量子ドット層６を成長させることができる。具体的には、障壁層８として３ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を結晶成長させた後、自己組織化機構によりインジウム砒素ＩｎxＧａ1-xＡ（ｘ＝１）からなる量子ドット７を形成し、量子ドット７を形成していない部分にＧａＡｓを結晶成長させる。これにより、量子ドット層６が形成される。その後、障壁層８としてのＧａＡｓ層の結晶成長と量子ドット層６の成長とを繰り返す。量子ドット層６の成長方法は上述のとおりである。次に、障壁層８として３ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を結晶成長させた後、上記量子ドット層６とは異なる形状の量子ドット７が形成された量子ドット層６を形成する。その後、障壁層８としてのＧａＡｓ層の結晶成長と量子ドット層６の成長とを繰り返す。このとき、原材料、成長温度、圧力および堆積時間の少なくとも１つを変更することで、異なる形状の量子ドット７が形成された量子ドット層６を形成することができる。その後、キャップ層を形成することが好ましい。キャップ層としては約４ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を形成することが好ましく、キャップ層の形成により結晶表面の平坦性を回復することができる。このようにして、超格子半導体層１０が形成される。
【００４８】
続いて、超格子半導体層１０上にｐ型半導体層１２を形成する。ｐ型半導体層１２としては、２５０ｎｍの厚さのｐ−ＧａＡｓ層を形成することが好ましい。これにより、ｐｉｎ構造が形成される。
【００４９】
続いて、ｐ型半導体層１２上に窓層１４およびコンタクト層１５を形成する。窓層１４としては、５０ｎｍの厚さでｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ層を結晶成長させることが好ましい。コンタクト層１５としては、１００ｎｍの厚さでｐ+−ＧａＡｓ層を結晶成長させることが好ましい。その後、この積層体をＭＯＣＶＤ装置から取り出してから、ｎ型半導体層１の下面上にｎ型電極１８を形成する。その後、コンタクト層１５上にフォトリソグラフィーとリフトオフ技術とにより櫛型電極（ｐ型電極１７）を形成し、この櫛型電極をマスクとしてコンタクト層１５を選択エッチングする。このようにして、本実施形態に係る太陽電池２０を得ることができる。
【００５０】
ここで、基板処理温度を、たとえば、Ｉｎの再脱離を防ぐために量子ドット層６を含む超格子半導体層１０の形成時には５２０℃とし、それ以外の層の形成時には５９０℃とすることが好ましい。
【００５１】
また、たとえば、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いることができ、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いることができる。ｎ型ドーパントは、量子ドット層６および障壁層８の少なくとも一方の結晶成長中に添加されることが好ましい。ｐ型電極１７およびｎ型電極１８は、材料としてＡｕを用いることが好ましく、抵抗加熱蒸着法による真空蒸着で形成されることが好ましい。
【００５２】
なお、本実施形態で示した例は一例に過ぎない。ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、バッファ層、量子ドット、ｎ型ドーパント、ｐ型ドーパント、ｎ型電極およびｐ型電極などの各材料、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、ならびに、製造装置などは、上記記載に限定されない。
【００５３】
［評価実験］
歪とピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、超格子構造の超格子ミニバンドの構造および超格子構造の光吸収スペクトルをシミュレーションした。下記（式１）を解くことで光吸収係数αを見積ることができる。
【００５４】
【数１】
2014154816.tif 000003
【００５５】
上記（式１）において、｜Ｍ｜は遷移行列要素であり、ａおよびｂはサブバンド番号であり、ｎrは屈折率であり、ｃ0は光速であり、ε0は真空誘電率であり、ｍ0は電子の質量であり、ＬxおよびＬyはそれぞれｘ方向およびｙ方向のユニットセルサイズであり、Ｋzは超格子波数であり、ｆi（ｉ＝ａ、ｂ）は分布関数であり、Ｇはサイズばらつきおよび組成ばらつきによるガウシアンブロードニング（半値幅＝５ｍｅＶ)であり、ωは光周波数である。光吸収については、面内方向であるｘ偏波（１００）またはｙ偏波（０１０）をＴＥ偏光と考え、積層方向であるｚ偏波（００１）をＴＭ偏光と考えた。
【００５６】
＜実験例１＞
実験例１では、超格子半導体層は伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが異なる２つの超格子構造を有すると仮定し、２つの超格子構造に対して別々に超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。２つの超格子構造では、ともに、障壁層構成する母体半導体材料および量子ドット層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、母体半導体材料をＧａ1-xＩｎxＡｓ（ｘ＝０）とし量子ドットの材料をＧａ1-xＩｎxＡｓ（ｘ＝１）としたが、ｘの値は適宜変更することができる。障壁層を構成する母体半導体材料と量子ドット層を構成する母体半導体材料とは、同じとしたが、異なる母体半導体材料であってもよい。
【００５７】
光入射側の超格子構造（以下「超格子構造１」と記すことがある）では、量子ドットの形状がピラミッド型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズを８ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。また、量子ドット間の面内方向の距離を２１ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を４ｎｍとした。
【００５８】
光入射側とは反対側の超格子構造（以下「超格子構造２」と記すことがある）では、量子ドットの形状がピラミッド型であるとして、量子ドットの面内方向の直径サイズを９ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を４ｎｍとした。なお、量子ドットの面密度は、超格子構造１と超格子構造２とで同じとした。また、超格子構造１の厚さを３μｍとし、超格子構造２の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。
【００５９】
図４および図５には、それぞれ、本実験例により計算された超格子構造１および超格子構造２の伝導帯における超格子ミニバンドの構造（１０番目までの超格子ミニバンドを図示）を示す。図４および図５において、横軸は超格子波数ベクトルを示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料による歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。
【００６０】
図４および図５から分かるように、超格子構造１および超格子構造２では、それぞれ、量子ドット層の厚み方向に超格子ミニバンドが伝導帯において１つのみ形成されたことが分かった。超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは１．１３ｅＶであった。超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドでは、上端エネルギーの大きさは１．１４ｅＶであり、下端エネルギーの大きさは１．１１ｅＶであった。つまり、超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドの上端エネルギーの大きさは、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさよりも室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ小さいエネルギーの大きさ（１．１３−２６×２×１０-3）よりも大きく、超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさよりも小さかった。このような構成では、室温におけるフェルミ分布関数から、超格子ミニバンドの電子が隣り合う超格子ミニバンドに熱緩和される確率を１０％以上とすることができる。よって、超格子ミニバンドで生成したキャリアは隣り合う超格子ミニバンドへ効率良く移動することができるので、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドで生成されたキャリアは超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドへ速やかに移動することができる。したがって、電子とホールとが空間的に分離されるので、キャリア再結合を抑制することができる。
【００６１】
図６には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示し、図７には、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示す。本実験例では、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドで生成されたキャリアは全て超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドへ移動したと仮定した。また、価電子帯から超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移に関する計算では、価電子帯にはキャリアが満たされていると仮定し、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドにはキャリアが存在していない（空）（上記（式１）における（ｆa−ｆb）＝１）と仮定した。超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドから超格子構造２の伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移に関する計算では、伝導帯第一超格子ミニバンドにはキャリアが満たされていると仮定し、伝導帯第二以上の超格子ミニバンドにはキャリアが存在していない（空）（上記（式１）における（ｆa−ｆb）＝１）と仮定した。図６および図７において、横軸はエネルギーを示し、縦軸は光吸収率を示している。
【００６２】
＜比較実験例１＞
比較実験例１では、超格子半導体層は上記実験例１の超格子構造２のみを有すると仮定して、超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。具体的には、障壁層を構成する母体半導体材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。また、量子ドットの面内方向の直径サイズを９ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を４ｎｍとした。超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。
【００６３】
本比較実験例により計算された超格子構造の伝導帯における超格子ミニバンドの構造は図５に示すとおりであった。上記実験例１とは異なり、超格子半導体層は超格子構造２のみを有し超格子構造１を有していないので、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。
【００６４】
図８には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示す。本比較実験例では、上記（式１）における（ｆa−ｆb）を０．５と仮定した。伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率に関しても、上記（式１）における（ｆa−ｆb）を０．５と仮定して計算し、図７と同様の結果を得た。
【００６５】
＜考察＞
実験例１の超格子半導体層と比較実験例１の超格子半導体層とでは、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における吸収スペクトルにおいては差がなかった。しかし、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端は、実験例１の方が比較実験例１よりも高エネルギーであった。このことから次に示すことが言える。比較実験例１の超格子半導体層では、伝導帯第一超格子ミニバンドの位置に依存して、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの遷移の吸収端および伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端が決まる。しかし、実験例１では、太陽光スペクトルに合わせて、各遷移の吸収端を自由に制御することができる。
【００６６】
さらに、実験例１では、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーは、光入射側の超格子構造の方が光入射側とは反対側の超格子構造よりも大きい。そして、ｎ型半導体層１は、光入射側とは反対側に配置されている。これらのことから、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへ励起されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出される。したがって、短絡電流を向上させることができる。
【００６７】
なお、実験例１では、超格子半導体層は、比較実験例１の超格子半導体層と伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーがより小さな超格子半導体層とを有しても良い。この場合には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における吸収スペクトルにおいて変化はなく、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端は高エネルギー側にシフトする。このことからも、実験例１では、太陽光スペクトルに合わせて各遷移の吸収端を自由に制御できることが分かる。
【００６８】
＜実験例２＞
実験例２では、障壁層を構成する母体半導体材料を変更することを除いては上記実験例１と同様の方法にしたがってシミュレーションを行った。上記実験例１と同様、超格子半導体層は伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが異なる２つの超格子構造を有すると仮定し、２つの超格子構造に対して別々に超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。２つの超格子構造では、ともに、障壁層を構成する母体半導体材料および量子ドット層を構成する母体半導体材料にアルミニウムガリウムインジウム燐（（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ）を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。本実験例では、母体半導体材料をｙ＝０およびｚ＝０．５２として計算したが、ｙおよびｚの値は適宜変更可能である。また、量子ドットの材料をＧａ1-xＩｎxＡｓ（ｘ＝１）としたが、ｘの値を適宜変更することができる。障壁層を構成する母体半導体材料と量子ドット層を構成する母体半導体材料とは、同じとしたが、異なる母体半導体材料であってもよい。
【００６９】
超格子構造１では、量子ドットの形状がピラミッド型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズを６ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。また、量子ドット間の面内方向の距離を２１ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を２ｎｍとした。
【００７０】
超格子構造２では、量子ドットの形状がピラミッド型であるとして、量子ドットの面内方向の直径サイズを７ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を２ｎｍとした。なお、量子ドットの面密度は、超格子構造１と超格子構造２とで同じとした。また、超格子構造１の厚さを３μｍとし、超格子構造２の厚さを３μｍとし、超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。
【００７１】
図９および図１０には、それぞれ、本実験例により計算された超格子構造１および超格子構造２の伝導帯における超格子ミニバンドの構造（１０番目までの超格子ミニバンドを図示）を示す。図９および図１０において、横軸は超格子波数ベクトルを示し、縦軸はエネルギーを示している。エネルギーの大きさは、量子ドットを構成する材料による歪の影響を考慮する前の価電子帯の頂上を基点として求めた。
【００７２】
図９および図１０から分かるように、超格子構造１および超格子構造２では、それぞれ、量子ドット層の厚み方向に超格子ミニバンドが伝導帯において１つのみ形成されたことが分かった。超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは１．２４ｅＶであった。超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドでは、上端エネルギーの大きさは１．２４ｅＶであり、下端エネルギーの大きさは１．１９ｅＶであった。つまり、超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドの上端エネルギーの大きさは、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさよりも室温における熱エネルギー（２６ｍｅＶ）の２倍分だけ小さいエネルギーの大きさ（１．２４−２６×２×１０-3）よりも大きく、超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさは、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさよりも小さかった。このような構成では、室温におけるフェルミ分布関数から、超格子ミニバンドの電子が隣り合う超格子ミニバンドに熱緩和される確率を１０％以上とすることができる。よって、超格子ミニバンドで生成したキャリアは隣り合う超格子ミニバンドへ効率良く移動することができるので、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドで生成されたキャリアは超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドへ速やかに移動することができる。したがって、電子とホールとが空間的に分離されるので、上記実験例１と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
図１１には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示し、図１２には、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示す。本実験例では、超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドで生成されたキャリアは全て超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドへ移動したと仮定した。また、価電子帯から超格子構造１の伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移に関する計算では、価電子帯にはキャリアが満たされていると仮定し、伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドにはキャリアが存在していない（空）（上記（式１）における（ｆa−ｆb）＝１）と仮定した。超格子構造２の伝導帯第一超格子ミニバンドから超格子構造２の伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移に関する計算では、伝導帯第一超格子ミニバンドにはキャリアが満たされていると仮定し、伝導帯第二以上の超格子ミニバンドにはキャリアが存在していない（空）（上記（式１）における（ｆa−ｆb）＝１）と仮定した。図１１および図１２において、横軸はエネルギーを示し、縦軸は光吸収率を示している。
【００７４】
＜比較実験例２＞
比較実験例２では、超格子半導体層は上記実験例１の超格子構造２のみを有すると仮定して、超格子ミニバンドの構造を計算し光吸収スペクトルをシミュレーションした。具体的には、障壁層を構成する母体半導体材料にアルミニウムガリウムインジウム燐（（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ）を用い、量子ドット層を構成する量子ドットの材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）を用いた。また、量子ドットの面内方向の直径サイズを７ｎｍとし、量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）を３ｎｍとした。量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を２ｎｍとした。超格子半導体層の全体の厚さを６μｍとした。
【００７５】
本比較実験例により計算された超格子構造の伝導帯における超格子ミニバンドの構造は図１０に示すとおりであった。上記実験例２とは異なり、超格子半導体層は超格子構造２のみを有し超格子構造１を有していないので、超格子ミニバンドで生成されたキャリアの移動は超格子半導体層全体に渡って緩やかである。
【００７６】
図１３には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率の計算結果を示す。本比較実験例では、上記（式１）における（ｆa−ｆb）を０．５と仮定した。伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における光吸収率に関しても、上記（式１）における（ｆa−ｆb）を０．５と仮定して計算し、図１２と同様の結果を得た。
【００７７】
＜考察＞
実験例２の超格子半導体層と比較実験例２の超格子半導体層とでは、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における吸収スペクトルにおいては差がなかった。しかし、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端は、実験例２の方が比較実験例２よりも高エネルギーであった。このことから次に示すことが言える。比較実験例２の超格子半導体層では、伝導帯第一超格子ミニバンドの位置に依存して、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドへの遷移の吸収端および伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端が決まる。しかし、実験例２の超格子半導体層では、太陽光スペクトルに合わせて、各遷移の吸収端を自由に制御することができる。
【００７８】
また、ｎ型半導体層としてＧａＡｓ基板を用いた場合、実験例２で用いた障壁層および量子ドット層を構成する母体半導体材料In0.48Ga0.52Pはｎ型半導体層の材料ＧａＡｓに格子整合するので、実験例２の超格子半導体層を含むデバイスを容易に製造することができる。また、障壁層および量子ドット層を構成する母体半導体材料にIn0.48Ga0.52Pを用いた場合、障壁層および量子ドット層を構成する母体半導体材料にGaAsを用いた場合に比べて、伝導帯のバンドオフセットが大きくなる。よって、太陽光スペクトルとの整合を目的として、吸収スペクトルの吸収端をより高エネルギー側にシフトさせることができる。
【００７９】
さらに、上記実施例１と同じく、実験例２において伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへ励起されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層へ取り出される。したがって、短絡電流を向上させることができる。
【００８０】
なお、実験例２では、超格子半導体層は、比較実験例２の超格子半導体層と伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーがより小さな超格子半導体層とを有しても良い。この場合には、価電子帯から伝導帯第一超格子ミニバンドおよび伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移における吸収スペクトルにおいて変化はなく、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへの遷移の吸収端は高エネルギー側にシフトする。このことからも、実験例２においても、太陽光スペクトルに合わせて各遷移の吸収端を自由に制御できることが分かる。
【００８１】
≪実施形態２≫
［超格子半導体層の偏光特性］
まず、超格子半導体層の偏光スペクトルの理論計算の結果を示す。図１４は、偏光スペクトルの理論計算に用いた超格子半導体層１１０の構成を示した断面図である。この理論計算に用いた太陽電池は、超格子半導体層１１０を活性層として備える。超格子半導体層１１０は、ＩｎＡｓからなる量子ドット１０１と、ＧａＡｓのマトリックスからなる障壁層１０２とを有する。量子ドット１０１は、Ｓ−Ｋ成長モード（Stranski-Krastanov  Growth  Mode）により成長されるので、濡れ層１０３上に島状に形成されることとなり、頂点が途切れたピラミッド形状を有する。
【００８２】
ここで、量子ドット１０１の底面の一辺の長さを１５ｎｍとし、量子ドット１０１の高さを３ｎｍとし、濡れ層１０３の厚さを０．５ｎｍとした。量子ドット１０１の斜めになった側壁部分を（１０１）面、（―１０１）面、（０１１）面および（０１−１）面とした。また、［００１］方向をｚ方向とし、［１００］方向をｘ方向とし、［０１０］方向をｙ方向とした。図１４に示した量子ドット１０１は、ｚ方向に非対称な形状を有しているので、超格子半導体層の偏光スペクトルには歪または歪によって励起されるピエゾ電界などの影響が顕著に現れる。本実施形態では、これらの効果を取り込んで超格子半導体層の偏光スペクトルを計算した。
【００８３】
上記実施形態１と同様、８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、超格子半導体層１１０の超格子構造の光吸収スペクトルを計算した。この計算には、歪の影響およびピエゾの影響なども取り込んだ。ある量子ドット１０１の頂部とその１つ上の濡れ層１０３の下端部との間隔をＬzとして、上記（式１）を用いてＬzを１ｎｍ〜１０ｎｍまで変化させたときの吸収係数を計算した。
【００８４】
図１５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、Ｌzが１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍおよび１０ｎｍのときの吸収スペクトルの計算結果である。図１５において、もっとも低エネルギー側のピークに着目すると、Ｌzが１ｎｍのときはＴＭ偏光の強度が大きく、Ｌzが３ｎｍのときはＴＥ偏光とＴＭ偏光とで同程度の強度であり、Ｌzが５ｎｍおよび１０ｎｍのときはいずれもＴＥ偏光の強度が大きくなっている。これは、言い換えると、Ｌzを変化させることにより超格子半導体層１１０の吸収スペクトルの偏光依存性を変化させることが可能であることを示している。その理由は、ホールのバンドラインナップがＬzにより変化するからであると考えている。
【００８５】
バンドギャップ付近のホールは、大きく分けて、ヘビーホール、ライトホールおよびスピン分裂ホールの３種類に分類される。歪または量子閉じ込めなどにより、それぞれのホールのバンドは独立して存在するのではなく、混ざり合って存在するようになる。電子とヘビーホールとの間の遷移が生じる際に発生する光は、ＴＥ偏光のみである。しかし、電子とライトホールとの間の遷移または電子とスピン分裂ホールとの間の遷移が生じると、ＴＭ偏光とＴＥ偏光とが混ざり合った光が発生する。特に、電子とライトホールとの間の遷移では、ＴＭ偏光の強さがＴＥ偏光の強さの３倍程度である。スピン分裂ホールバンドは他の２つにくらべて低い位置にあるので、バンド端付近の吸収にはほとんど寄与しない。よって、電子とヘビーホールとの間の遷移の強さと電子とライトホールとの間の遷移の強さとの割合によって、言い換えるとホールのバンドラインナップによって、吸収スペクトルの偏光特性は決まる。Ｌzが小さいとき（例えばＬz＝１ｎｍ）には、低次（基底近傍）のホールサブバンドについてはライトホールの割合が大きく、Ｌzが大きくなるにつれて、ライトホールの割合が減っていき、ヘビーホールの割合が増加する。このため、Ｌzの増加と共にＴＥ偏光の割合が増加していき、Ｌz＝３ｎｍを境にＴＥ偏光の強度の方がＴＭ偏光の強度よりも大きくなる。このとき、本発明者らの計算では、Ｌzと量子ドット１０１の高さ（本実施の形態では３ｎｍ）との差が±１ｎｍ以内であればＴＥ偏光とＴＭ偏光とで同程度の強さとなり、よって、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とのスイッチが生じることが分かった。
【００８６】
前述の特性を利用すれば、Ｌzを変化させることで、バンド端付近の吸収スペクトルの偏光を意図的にコントロールすることが可能である。
【００８７】
［太陽電池への応用］
Ｌzが３ｎｍ近傍の場合、別の言い方をするとＬzと量子ドット１０１の高さとの差が±１ｎｍ以内である場合、超格子半導体層の吸収スペクトルは図１５（ｂ）に近い形状を有し、超格子半導体層にはＴＥ偏光とＴＭ偏光とが同程度の強度で吸収されるようになる。よって、Ｌzと量子ドット１０１の高さとの差が±１ｎｍ以内である太陽電池は、入射光の偏光に依存せずに吸収することとなる。しかしながら、一般に、太陽電池では、太陽光は太陽電池の表面から垂直に入射される。したがって、超格子半導体層にＴＥ偏光をより強く吸収させる方が効率の良い太陽電池となる。以上のことから、超格子半導体層１１０を構成する量子ドット１０１の間隔Ｌzは量子ドット１０１の高さよりも大きいことが好ましく、（Ｌz−量子ドット１０１の高さ）は１ｎｍよりも大きいことがより好ましい。
【００８８】
なお、本実施形態において示された太陽電池の構成は一例である。本実施形態と同様の効果を示すことができるのであれば、量子ドットの構造は異なっても良い。たとえば、量子ドットの形状は図１４に示す形状とは異なっても良い。また、濡れ層がなくても良い。その場合、上記Ｌzは、量子ドットとその量子ドットの上に位置する量子ドットとの最小距離を意味する。
【００８９】
≪実施形態３≫
本発明の実施形態３では、上記実施形態１または２の超格子半導体層を備えたフォトダイオード（光センサー）を説明する。フォトダイオードの場合、所望の偏光特性は用途に応じて異なる。たとえば、特定の偏光特性を持った発光源（半導体レーザなど）から発せられる光を直接受ける場合には、発光源から発せられる光の偏光に合わせた偏光特性を超格子半導体層に持たせることが好ましい。これにより、感度またはＳＮ比の向上につながる。また、光ファイバー通信用フォトダイオードなどのように入射光の偏光が定まらない場合には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との感度を同程度（偏光無依存）にすることが好ましい。これにより、安定した光検知が可能になる。
【００９０】
上記実施形態２で述べた超格子半導体層の特性を利用すれば、フォトダイオードの感度の偏光特性を自由に設計することが可能になる。つまり、ＴＭ偏光の入射光に対する感度を超格子半導体層に持たせる場合には、量子ドットの間隔（Ｌz）を量子ドットの高さよりも小さくすればよい。ＴＥ偏光の入射光およびＴＭ偏光の入射光の双方に対して同等の感度を超格子半導体層に持たせる場合には（偏光無依存の感度にする場合には）、量子ドットの間隔（Ｌz）を量子ドットの高さと同程度（±１ｎｍ）にすればよい。ＴＥ偏光の入射光に対する感度を超格子半導体層に持たせる場合には、量子ドットの間隔（Ｌz）を量子ドットの高さよりも大きくすればよい。
【００９１】
≪実施形態４≫
本発明の実施形態４では、上記実施形態１または２の超格子半導体層を備えた半導体光増幅器について述べる。半導体光増幅器の場合、利得の偏光方向に対する依存性は極力低いことが望ましい。その理由は、光ファイバーを通ったあとの光信号の偏光が一意に定まらないからである。したがって、超格子半導体層には、ＴＥ偏光の入射光およびＴＭ偏光の入射光の双方に対して同等の感度を持たせることが好ましい（偏光無依存の感度を持たせることが好ましい）。これにより、安定した光検知が可能になる。
【００９２】
上記実施形態２で述べた超格子半導体層の特性を利用すれば、半導体光増幅器の利得の偏光特性を自由に設計することが可能になる。つまり、超格子半導体層の超格子半導体層においては、量子ドットの間隔（Ｌz）を量子ドットの高さと同程度（±１ｎｍ）にすることが好ましい。
【００９３】
≪実施形態５≫
本発明の実施形態５では、上記実施形態１の超格子半導体層を備えた量子ドット赤外線センサーについて述べる。量子ドットを用いた赤外線センサーでは、赤外線吸収により伝導帯の量子準位から光励起されたキャリアが、高効率で取り出されることが望ましい。これにより、高い量子効率および高感度が可能となる。
【００９４】
上記実施形態１で述べた超格子半導体層の特性を利用すれば、光励起されたキャリアを高効率で取り出すことが可能になる。つまり、２つ以上の超格子構造を有する超格子半導体層１０が設けられていることが好ましい。２つ以上の超格子構造は、量子ドット７の形状、量子ドット７の材料、障壁層８の厚さ、および、障壁層８の材料のうちの少なくとも１つを互いに異にすることが好ましく、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが互いに異なればよい。
【００９５】
以上、本発明に係る受光素子および太陽電池について上記実施形態１〜４で説明したが、本発明に係る受光素子は以下に示す構成を備えていることが好ましい。
【００９６】
図１に示す超格子半導体層１０は、障壁層８と量子ドット７を含む量子ドット層６とが交互に繰り返し積層されて構成された２つ以上の超格子構造を有する。２つ以上の超格子構造は、量子ドット７の形状、量子ドット７の材料、障壁層８の厚さ、および、障壁層８の材料のうちの少なくとも１つを互いに異にする。これにより、２つ以上の超格子構造では、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーの大きさが互いに異なる。生成されたキャリアは低いエネルギー準位に移動するので、超格子半導体層１０の超格子ミニバンドに光励起されたキャリアは伝導帯第一超格子ミニバンドのうち下端エネルギーの大きさが小さい伝導帯第一超格子ミニバンドへ速やかに移動する。よって、電子とホールとが空間的に分離されるため、キャリア再結合を抑制することができる。したがって、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層１２と超格子半導体層１０とを備えた受光素子は、キャリアの取り出し効率に優れたデバイスを提供することができる。
【００９７】
２つ以上の超格子構造は、それぞれの超格子構造を構成する量子ドット層６の伝導帯量子準位によって超格子ミニバンドを形成することが好ましく、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように配置されていることが好ましい。これにより、超格子半導体層１０の超格子ミニバンドに光励起されたキャリアは、伝導帯第一超格子ミニバンドのうち下端エネルギーの大きさが最も小さな伝導帯第一超格子ミニバンドに集まることとなる。つまり、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが最も小さい超格子構造におけるキャリア占有率が著しく高くなる。よって、伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが最も小さい超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドへのキャリアの光励起が高い確率で発生する。
【００９８】
伝導帯第一超格子ミニバンドの下端エネルギーが光入射側に向かうにつれて大きくなるように配置されている場合、ｎ型半導体層１は、光入射側とは反対側に配置されていることが好ましい。これにより、伝導帯第一超格子ミニバンドから伝導帯第二以上の超格子ミニバンドに励起されたキャリアは、再結合または緩和する前に効率良くｎ型半導体層１へ取り出される。したがって、短絡電流を向上させることができる。
【００９９】
上記実施形態１〜５のいずれかの受光素子では、量子ドット層の積層方向における量子ドット１０１の間隔（量子ドット１０１とその量子ドット１０１の上に位置する濡れ層１０３との最小距離、別の言い方をすると図１４に示す間隔Ｌz）は、量子ドット１０１の高さよりも大きいことが好ましい。これにより、受光素子が受光する光のＴＥ偏光／ＴＭ偏光の強度比は１以上になる。よって、受光素子は、受光素子の表面に対して垂直な方向から入射する光を効率良く吸収することが可能になる。
【０１００】
図１に示す太陽電池２０は、上記実施形態１〜５のいずれかの受光素子を備えているので、効率良くキャリアを取り出すことができる。
【０１０１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０２】
１  ｎ型半導体層、３  バッファ層、４  ベース層、６  量子ドット層、７，１０１  量子ドット、８，１０２  障壁層、１０，１１０  超格子半導体層、１２  ｐ型半導体層、１４  窓層、１５  コンタクト層、１７  ｐ型電極、１８  ｎ型電極、２０  太陽電池、２８Ａ，２８Ｂ，１２８  伝導帯第一格子ミニバンド、１０３  濡れ層。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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