(57)【要約】  エネルギー変換デバイスは、基板と、基板上に配置された第１のドープ半導体層と、第１のドープ半導体層上に配置された吸収層とを含む。吸収層は、ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層を有する超格子を含む。
2021506135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー変換デバイス（１００Ａ）であって、
基板（１０５）と；
前記基板（１０５）上に配置された第１のドープ半導体層（１１０）と；
前記第１のドープ半導体層（１１０）上に配置された吸収層（１１５）であって、前記吸収層（１１５）が、ＩＩ族酸化物層（１１５Ｂ）に隣接するＩＩＩ族窒化物層（１１５Ａ）を含む超格子を含む、吸収層（１１５）と；を含む、エネルギー変換デバイス。
【請求項２】
前記エネルギー変換デバイスが光触媒である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項３】
前記吸収層上に配置された第２のドープ半導体層をさらに含み、前記エネルギー変換デバイスが太陽電池である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項４】
前記吸収層が：
ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層の複数のセットを含む、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物層がＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６】
前記ＩＩ族酸化物層がＭｇｘＣｄｙＺｎｚＯを含み、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項７】
前記吸収層のバンドギャップは、前記ＩＩ族酸化物層の伝導帯と前記ＩＩＩ族窒化物層の価電子帯との間の差である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項８】
前記吸収層のバンドギャップは、前記ＩＩＩ族窒化物層および前記ＩＩ族酸化物層の両方のバンドギャップよりも小さい、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項９】
前記基板は、サファイア、シリコン、炭化ケイ素、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、窒化ガリウム、および酸化亜鉛のうちの１つを含む、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項１０】
エネルギー変換デバイスを形成する方法であって、本方法が：
基板上に第１のドープ半導体層を形成するステップと；
前記第１のドープ半導体層上に吸収層を形成するステップであって、前記吸収層が、ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層を含む超格子を含む、ステップと；を含む、方法。
【請求項１１】
前記吸収層上に第２のドープ半導体層を形成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記吸収層の形成が、
ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層の複数のセットを形成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物層がＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＩＩ族酸化物層がＭｇｘＣｄｙＺｎｚＯを含み、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、化学気相堆積または有機金属気相エピタキシーを用いて実施される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
エネルギー変換デバイスを形成する方法であって、本方法が：
基板上に第１のドープ半導体層を形成するステップと；
ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素のうちの１つの濃度を制御することによって吸収層の第１の部分を形成するステップと；
ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素のうちの他方の濃度を制御することによって吸収層の第２の部分を形成するステップと；
によって前記第１のドープ半導体層上に吸収層を形成するステップと；
を含み、
前記ＩＩＩ族窒化物中の前記ＩＩＩ族元素の濃度および前記ＩＩ族酸化物中の前記ＩＩ族元素の濃度が、前記吸収層のバンドギャップを規定する、方法。
【請求項１７】
前記吸収層上に第２のドープ半導体層を形成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記吸収層の前記形成が：
ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層の複数のセットを形成するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＩＩＩ族窒化物層がＡｌｘＩｎｙＧａｚＮを含み、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＩＩ族酸化物層がＭｇｘＣｄｙＺｎｚＯを含み、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
［０００１］  本出願は、２０１７年１２月１２日に出願された「ＰＨＯＴＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＥＮＥＲＧＹ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮＳ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＷＩＴＨ  ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ−  ＡＮＤ  ＩＩ−ＯＸＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ  ＴＹＰＥ−ＩＩ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥＳ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ，」と題する米国仮特許出願第６２／５９７，５６５号、および２０１８年２月２２日に出願された「ＥＮＥＲＧＹ  ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＳＵＰＥＲＬＡＴＴＩＣＥ  ＡＢＳＯＲＰＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ，」と題する米国仮特許出願第６２／６３３，６９０号の優先権を主張するものであり、これらの開示は参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  開示される主題の実施形態は、概して、超格子吸収層を有するエネルギー変換デバイス、および超格子吸収層を有するエネルギー変換デバイスを形成する方法に関する。
【０００３】
［０００３］  従来の化石燃料源からの汚染を低減したいという要望は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池及び水分解に使用される光触媒などの、いわゆるグリーンエネルギー変換デバイスへの依存度を増大させてきた。太陽電池は、典型的には、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、及びガリウムヒ素（ＧａＡｓ）に基づく化合物材料を用いる。しかしながら、これらの化合物材料に基づく太陽電池は、エネルギー変換効率の点でそれらの理論的限界に達することに近い。さらに、これらの材料は、エネルギーに変換される光の波長を規定するバンドギャップの、限定されたセットを提供する。したがって、太陽電池および光触媒などのエネルギー変換デバイスの採用の増加は、化石燃料源とよりよく競合するための新しい材料の使用を必要とする。
【０００４】
［０００４］  したがって、シリコン、ガリウムリン、およびガリウムヒ素をベースとする化合物材料を使用するエネルギー変換デバイスと比較して改善されたエネルギー変換効率を有するエネルギー変換デバイスを提供すること、ならびにエネルギー変換デバイスのバンドギャップを規定するさらなる能力を提供することが望ましい。
【０００５】
［０００５］  実施形態によれば、基板と、基板上に配置された第１のドープ半導体層と、第１のドープ半導体層上に配置された吸収層とを含むエネルギー変換デバイスがある。吸収層は、ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層を含む超格子を含む。
【０００６】
［０００６］  別の実施形態によれば、エネルギー変換デバイスを形成する方法がある。第１のドープ半導体層が基板上に形成される。吸収層が第１のドープ半導体層上に形成される。吸収層は、ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層を含む超格子を含む。
【０００７】
［０００７］  さらなる実施形態によれば、エネルギー変換デバイスを形成する方法があり、第１のドープ半導体層が基板上に形成される。ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素のうちの一方の濃度を制御することによって吸収層の第１の部分を形成するステップと、ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素のうちの他方の濃度を制御することによって吸収層の第２の部分を形成ステップと、によって、吸収層が第１のドープ半導体層上に形成される。ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素の濃度およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素の濃度は、吸収層のバンドギャップを規定する。
【０００８】
［０００８］  本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、説明とともにこれらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】［０００９］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスの概略図である。
【図１Ｂ】［００１０］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスの概略図である。
【図２】［００１１］  一実施形態による多数の材料のエネルギーバンドギャップのグラフである。
【図３】［００１２］  一実施形態による複数の異なる超格子のエネルギーバンドギャップのチャートである。
【図４Ａ】［００１３］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスを形成する方法のフローチャートである。
【図４Ｂ】［００１４］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスを形成する方法のフローチャートである。
【図５Ａ】［００１５］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスの概略図である。
【図５Ｂ】［００１６］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスの概略図である。
【図６Ａ】［００１７］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスを形成する方法のフローチャートである。
【図６Ｂ】［００１８］  一実施形態によるエネルギー変換デバイスを形成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［００１９］  例示的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照番号は、同じまたは同様の要素を識別する。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。以下の実施形態は、簡単にするために、超格子吸収層を有するエネルギー変換デバイスの用語および構造に関して説明される。
【００１１】
［００２０］  本明細書を通して、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所において「一実施形態では」または「実施形態では」という語句が現れることは、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。
【００１２】
［００２１］  図１Ａは、実施形態によるエネルギー変換デバイス１００Ａを示す。エネルギー変換デバイス１００Ａは、基板１０５と、基板１０５上に配置された第１のドープ半導体層１１０とを含む。実施形態では、第１のドープ半導体層１１０はｎ型層である。エネルギー変換デバイス１００Ａはまた、第１のドープ半導体層１１０上に配置された吸収層１１５を含む。吸収層１１５は、ＩＩ族酸化物層１１５Ｂに隣接するＩＩＩ族窒化物層１１５Ａを含む超格子を含む。図１Ａは、第１のドープ半導体層１１０に隣接するＩＩＩ族窒化物層１１５Ａを示すが、ＩＩ族酸化物層１１５Ｂは、第１のドープ半導体層１１０に隣接することができる。
【００１３】
［００２２］  第１のドープ半導体層１１０は、例えば、１〜１０μｍの厚さ、より好ましくは３〜５μｍの厚さとすることができ、一実施形態では３μｍの厚さである。第１の半導体層１１０は、例えば、厚さ２０ｎｍの低温窒化ガリウムバッファ層を有する基板上に成長されたシリコンドープｎ型窒化ガリウム層とすることができる。ｎ型窒化ガリウム層のシリコン濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３であり得、一実施形態では、３×１０１８ｃｍ−３であり得る。ＩＩＩ族窒化物層１１５Ａ及びＩＩ族酸化物層１１５Ｂは両方とも、例えば、０．５〜１０ｎｍの厚さ、より好ましくは１〜３ｎｍとすることができ、一実施形態では２ｎｍの厚さとすることができる。基板１０５は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、酸化亜鉛、窒化ガリウムなどであり得る。
【００１４】
［００２３］  超格子は、タイプＩまたはタイプＩＩの超格子とすることができ、これらの超格子は、隣接する層、すなわち、この例では第１のドープ半導体層１１０に低減された歪みを提供するので、両方とも特に有用であり、したがって、隣接する層との大きな格子不整合を有する吸収層と比較して改善されたデバイス性能を提供する。さらに、ＩＩ族酸化物材料およびＩＩＩ族窒化物材料は、環境的要因によるデバイスの劣化を最小限に抑えながら、広範囲の用途に使用することができる特に強靭な材料であると考えられる。
【００１５】
［００２４］  第１のドープ半導体層１１０は、ＩＩＩ族窒化物材料またはＩＩ族酸化物材料からなることができるが、第１のドープ半導体層１１０は、エネルギーが第１のドープ半導体層１１０を通過して吸収層１１５によって吸収されることができるように、吸収層１１５のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するべきである。
【００１６】
［００２５］  本例のエネルギー変換デバイス１００Ａは、水を水素と酸素に分解して水素を生成する水分解に用いることができる光触媒である。
【００１７】
［００２６］  吸収層１１５は、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の２つ以上のセットを有することができる。具体的には、図１Ｂに示すように、エネルギー変換デバイス１００Ｂの吸収層１１５は、ＩＩ族酸化物層及びＩＩＩ族窒化物層の複数のセット１２０１−１２０ｘを含むことができる。ＩＩ族酸化物層は、同じ材料を有するべきであり、この同じ材料の同じまたは異なる組成を有することができる。同様に、ＩＩＩ族窒化物層は、同じ材料を有するべきであり、この同じ材料の同じ又は異なる組成を有することができる。実施形態では、ＩＩ族酸化物層及びＩＩＩ族窒化物層のセットの数は、例えば、１０セットよりも多くすることができる。図１Ｂは、第１のドープ半導体層１１０に隣接するＩＩＩ族窒化物層を示すが、ＩＩ族酸化物層は、第１のドープ半導体層１１０に隣接することができる。
【００１８】
［００２７］  ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の材料の組成は、吸収層のバンドギャップ、したがってデバイス１００Ａまたは１００Ｂのバンドギャップを規定する。具体的には、図２に示すように、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のタイプＩＩ超格子は、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の組成に応じて、４．７ｅＶ（超格子が窒化アルミニウム層および酸化マグネシウム層からなる場合）〜約０ｅＶの範囲のバンドギャップを有することができる。
【００１９】
［００２８］  タイプＩＩ超格子におけるＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層からなる吸収層のバンドギャップは、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮのＩＩＩ族窒化物層のｘ、ｙ、およびｚの値を調整し、Ｍｇｘ’Ｃｄｙ’Ｚｎｚ’ＯのＩＩ族酸化物層のｘ’、ｙ’、およびｚ’の値を４．７ｅＶ〜約０ｅＶに調整することによって規定することができる。図２に示すように、可能なバンドギャップのこの範囲は、ガリウムヒ素ベースの吸収層（図中のＡｌｘＩｎｙＧａｚＡｓ）、ガリウムリンベースの吸収層（図中のＡｌｘＩｎｙＧａｚＰ）、ＩＩ族酸化物吸収層（図中のＭｇｘＣｄｙＺｎｚＯ）、またはＩＩＩ族窒化物吸収層（図中のＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ）を使用して達成できるものよりもはるかに大きい。ｘ、ｙ、およびｚは、０と１との間の任意の値を取ることができ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であることが理解されよう。したがって、開示される吸収層は、より限定されたバンドギャップ選択を提供することができる従来のデバイスと比較して、広範囲のバンドギャップ内でデバイスの所望のバンドギャップを選択する能力を提供する。
【００２０】
［００２９］  ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の組成を制御することによってバンドギャップを規定することを図３に示す。図３に示すように、タイプＩＩ超格子のバンドギャップΔＥは、一方の層の伝導帯Ｅｃと他方の層の価電子帯Ｅｖとの差である。したがって、図示されるように、窒化アルミニウム（すなわち、ＩＩＩ族窒化物）および酸化亜鉛（すなわち、ＩＩ族酸化物）のタイプＩＩ超格子のバンドギャップΔＥは、約３．０５ｅＶであり、これは、酸化亜鉛層（それ自体が３．４ｅＶのバンドギャップを有する）の伝導帯Ｅｃと窒化アルミニウム層（それ自体が６．１３ｅＶのバンドギャップを有する）の価電子帯Ｅｖとの間の差である。
【００２１】
［００３０］  同様に、図示されるように、窒化ガリウム（すなわち、ＩＩＩ族窒化物）および酸化亜鉛（すなわち、ＩＩ族酸化物）のタイプＩＩ超格子のバンドギャップΔＥは、約２．１ｅＶであり、これは、酸化亜鉛層（それ自体が３．４ｅＶのバンドギャップを有する）の伝導帯Ｅｃと窒化ガリウム層（それ自体が３．４２ｅＶのバンドギャップを有する）の価電子帯Ｅｖとの間の差である。したがって、図３から理解されるように、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のタイプＩＩ超格子を有する吸収層のバンドギャップは、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のバンドギャップよりも小さい。
【００２２】
［００３１］  タイプＩＩ超格子を含む吸収層に関連して例を説明したが、吸収層は、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のタイプＩ超格子を含むこともできる。この例が図３に示されており、ＩＩ族酸化物層は酸化亜鉛であり、ＩＩＩ族窒化物層は窒化インジウムである。タイプＩ超格子のバンドギャップは、単一層のバンドギャップΔＥ（すなわち、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖとの差）によって規定され、図示の例では、０．６７ｅＶのバンドギャップを有する窒化インジウム層である。タイプＩ超格子は、光の可視領域内のエネルギーを吸収するために使用することができるが、いくつかのタイプＩＩ超格子の狭いバンドギャップは、可視領域内ではあまりにも多くのエネルギー損失があるので良好ではない。したがって、タイプＩＩ超格子は、赤外光範囲内で特に有用である。さらに、開示されたタイプＩＩ超格子のバンドギャップは、開示された方法でＩＩ族酸化物層および／またはＩＩＩ族窒化物層の材料組成を調整することによって、例えば、０〜４．７ｅＶの間で規定することができるので、開示されたタイプＩＩ超格子は、可視光範囲内のエネルギーを吸収するために使用することができる。
【００２３】
［００３２］  吸収層のバンドギャップへの言及は、ＩＩＩ族窒化物層とＩＩ族酸化物層との間の界面におけるバンドギャップを指すことが理解されよう。したがって、吸収層は、第１のバンドギャップを有する１つまたは複数のＩＩＩ族窒化物層と、第２のバンドギャップを有する１つまたは複数のＩＩ族酸化物層と、第３のバンドギャップを有する１対のＩＩ族酸化物層とＩＩＩ族窒化物層との間の界面とを含むことができることが理解されよう。タイプＩＩ超格子の場合、第３のバンドギャップは、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のうちの一方の価電子帯と、ＩＩＩ族窒化物層およびＩＩ族酸化物層のうちの他方の伝導帯との間の差によって規定される。タイプＩ超格子の場合、第３のバンドギャップは、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のうちの１つのバンドギャップに等しい。
【００２４】
［００３３］  さらに、ＩＩＩ族窒化物層とＩＩ族酸化物層との間の界面は、エネルギーが吸収される場所、すなわち、電子−正孔対が生成される場所であり、したがって、吸収層によって吸収されるエネルギーの量は、界面の面積に依存することが認識されよう。したがって、吸収されるエネルギーの量は、ＩＩ族酸化物層とＩＩＩ族窒化物層とのセットの数が増加するにつれて増加する。したがって、吸収層に実装するＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層のセットの数の決定は、特定のデバイスによって吸収される所望のエネルギー量に依存する。
【００２５】
［００３４］  図１Ａおよび１Ｂのエネルギー変換デバイスを作製する方法のフローチャートを図４Ａ及び図４Ｂに示す。最初に、第１のドープ半導体層１１０が基板１０５上に形成される（ステップ４０５）。次に、ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層の超格子を含む吸収層１１５が、第１のドープ半導体層１１０上に形成される（ステップ４１０）。
【００２６】
［００３５］  上述したように、超格子のバンドギャップは、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の組成を制御することによって規定することができる。したがって、図４Ｂのフローチャートに示すように、吸収層の形成は、特定の組成を用いてＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層を形成することを含むことができる。具体的には、吸収層１１５の第１の部分は、ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素のうちの一方の濃度を制御することによって形成することができ（ステップ４１０Ａ）、吸収層１１５の第２の部分は、ＩＩＩ族窒化物層中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物層中のＩＩ族元素のうちの他方の濃度を制御することによって形成することができる（ステップ４１０Ｂ）。これらの層の濃度は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮのＩＩＩ族窒化物層のｘ、ｙ、およびｚの値、ならびにＭｇｘ’Ｃｄｙ’Ｚｎｚ’ＯのＩＩ族酸化物層のｘ’、ｙ’、およびｚ’の値によって規定され、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１およびｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１である。
【００２７】
［００３６］  図４Ａおよび図４Ｂの方法は、化学気相堆積、有機金属気相エピタキシーなどを含む任意の数の技法を使用して実行することができる。
【００２８】
［００３７］  図４Ａ及び図４Ｂのフローチャートは、上述したように、単一のＩＩ族酸化物層及び単一のＩＩＩ族窒化物層の超格子を形成することを説明しているが、エネルギー変換デバイス１００Ａ又は１００Ｂは、これらの層の２つ以上のセットを含むことができる。これらの層の２つ以上のセットの場合、図４Ａの方法は、これらの層のセットを形成することを含む。同様に、これらの層の２つ以上のセットの場合、図４Ｂの方法は、層の各セットについて繰り返されるステップ４１０Ａおよび４１０Ｂを含む。
【００２９】
［００３８］  上記の議論は、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の超格子を含む吸収層を含む光触媒を記載する。このような吸収層は太陽電池にも使用することができ、その例を図５Ａおよび５Ｂに示す。
【００３０】
［００３９］  図５Ａのエネルギー変換デバイス５００Ａは、基板５０５と、基板５０５上に配置された第１のドープ半導体層５１０とを含む。図示の実施形態では、第１のドープ半導体層５１０はｎ型層である。基板５０５は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、酸化亜鉛、窒化ガリウムなどであり得る。第１のドープ半導体層５１０は、例えば、１〜１０μｍの厚さ、より好ましくは３〜５μｍの厚さとすることができ、一実施形態では３μｍの厚さである。第１の半導体層５１０は、例えば、厚さ２０ｎｍの低温窒化ガリウムバッファ層を有する基板上に成長されたシリコンドープｎ型窒化ガリウム層とすることができる。ｎ型窒化ガリウム層のシリコン濃度は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３であり得、一実施形態では、３×１０１８ｃｍ−３であり得る。
【００３１】
［００４０］  エネルギー変換デバイス５００Ａはまた、第１のドープ半導体層５１０上に配置された吸収層５１５を含む。吸収層５１５は、ＩＩ族酸化物層５１５Ｂに隣接するＩＩＩ族窒化物層５１５Ａを含む超格子を含む。ＩＩＩ族窒化物層５１５Ａ及びＩＩ族酸化物層５１５Ｂは両方とも、例えば、０．５〜１０ｎｍの厚さ、より好ましくは１〜３ｎｍとすることができ、一実施形態では２ｎｍの厚さとすることができる。図５Ａは、第１のドープ半導体層５１０に隣接するＩＩＩ族窒化物層５１５Ａを示すが、ＩＩ族酸化物層５１５Ｂは、第１のドープ半導体層５１０に隣接することができる。
【００３２】
［００４１］  第２のドープ半導体層５２５は、吸収層５１５上に配置される。図示の実施形態では、第２のドープ半導体層５２５はｐ型層である。第２のドープ半導体層５２５は、例えば、５〜５００ｎｍの厚さとすることができ、一実施形態では５０ｎｍの厚さである。第２のドープ半導体層５２５は、例えば、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３のマグネシウム濃度を有するマグネシウムドープｐ型窒化ガリウム層とすることができ、一実施形態では３×１０１９ｃｍ−３である。
【００３３】
［００４２］  第１および第２のドープ半導体層５１０および５２５は、ＩＩＩ族窒化物またはＩＩ族酸化物材料からなることができるが、第１および第２のドープ半導体層５１０および５２５は、エネルギーが第１のドープ半導体層５１０を通過して吸収層５１５によって吸収されることができるように、吸収層５１５のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するべきである。
【００３４】
［００４３］  吸収層５１５は、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の２つ以上のセットを有することができる。具体的には、図５Ｂに示すように、エネルギー変換デバイス５００Ｂの吸収層５１５は、ＩＩ族酸化物層及びＩＩＩ族窒化物層の複数のセット５２０１−５２０ｘを含むことができる。ＩＩ族酸化物層は、同じ材料を有するべきであり、この同じ材料の同じまたは異なる組成を有することができる。同様に、ＩＩＩ族窒化物層は、同じ材料を有するべきであり、この同じ材料の同じ又は異なる組成を有することができる。実施形態では、ＩＩ族酸化物層及びＩＩＩ族窒化物層のセットの数は、例えば、１０セットよりも多くすることができる。第２のドープ半導体層５２５は、吸収層５１５上に配置される。図示の実施形態では、第２のドープ半導体層５２５はｐ型層である。図１Ｂは、第１のドープ半導体層５１０に隣接するＩＩＩ族窒化物層を示すが、ＩＩ族酸化物層は、第１のドープ半導体層５１０に隣接することができる。同様に、図５Ｂは、第２のドープ半導体層５２５に隣接するＩＩ族酸化物層を示すが、ＩＩＩ族窒化物層は、第２のドープ半導体層５２５に隣接することができる。
【００３５】
［００４４］  図５Ａおよび図５Ｂのエネルギー変換デバイスを作製する方法を図６Ａおよび図６Ｂに示す。最初に、第１のドープ半導体層５１０が基板５０５上に形成される（ステップ６０５）。次に、ＩＩ族酸化物層に隣接するＩＩＩ族窒化物層の超格子を含む吸収層５１５が、第１のドープ半導体層５１０上に形成される（ステップ６１０）。第２のドープ半導体層５２５が、吸収層５１５上に形成される（ステップ６１５）。
【００３６】
［００４５］  上述したように、超格子のバンドギャップは、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の組成を制御することによって規定することができる。したがって、図６Ｂのフローチャートに示すように、吸収層の形成は、特定の組成を用いてＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層を形成することを含むことができる。具体的には、吸収層５１５の第１の部分は、ＩＩＩ族窒化物中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物中のＩＩ族元素のうちの一方の濃度を制御することによって形成することができ（ステップ６１０Ａ）、吸収層５１５の第２の部分は、ＩＩＩ族窒化物層中のＩＩＩ族元素およびＩＩ族酸化物層中のＩＩ族元素のうちの他方の濃度を制御することによって形成することができる（ステップ６１０Ｂ）。これらの層の濃度は、ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮのＩＩＩ族窒化物層のｘ、ｙ、およびｚの値、ならびにＭｇｘ’Ｃｄｙ’Ｚｎｚ’ＯのＩＩ族酸化物層のｘ’、ｙ’、およびｚ’の値によって規定され、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１およびｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１である。最後に、第２のドープ半導体層５２５が、吸収層５１５上に形成される（ステップ６１５）。
【００３７】
［００４６］  図６Ａおよび図６Ｂの方法は、化学気相堆積、有機金属気相エピタキシーなどを含む任意の数の技法を使用して実行することができる。
【００３８】
［００４７］  図６Ａ及び図６Ｂのフローチャートは、上述したように、単一のＩＩ族酸化物層及び単一のＩＩＩ族窒化物層の超格子を形成することを説明しているが、エネルギー変換デバイス５００Ａ又は５００Ｂは、これらの層の２つ以上のセットを含むことができる。これらの層の２つ以上のセットの場合、図６Ａの方法は、これらの層のセットを形成することを含む。同様に、これらの層の２つ以上のセットの場合、図６Ｂの方法は、層の各セットについて繰り返されるステップ６１０Ａおよび６１０Ｂを含む。
【００３９】
［００４８］  上記の議論は、吸収層に隣接する層をドープ半導体層と呼ぶ。吸収層のＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層は、意図的にドープされないことを認識されたい。しかしながら、当業者が認識するように、形成プロセス中に存在する不純物（すなわち、炭素、酸素、水素など）に起因して、いくらかの意図しないドーピングが必然的に存在する。
【００４０】
［００４９］  上述したように、ＩＩ族酸化物層およびＩＩＩ族窒化物層の超格子は、吸収層のバンドギャップを規定することができるので、特に有利である。さらなる利点は、ＩＩ族酸化物材料およびＩＩＩ族窒化物材料が非常に安定であり、エネルギー変換デバイスの非常に長い寿命を提供することである。
【００４１】
［００５０］  光触媒および太陽電池に関連して実施形態を説明してきたが、本発明は、光検出器などの他のタイプのデバイスと共に使用することができる。
【００４２】
［００５１］  開示される実施形態は、超格子吸収層を有するエネルギー変換デバイス、およびそのようなエネルギー変換デバイスを形成するための方法を提供する。この説明は、本発明を限定するものではないことを理解されたい。逆に、例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲に含まれる代替形態、修正形態、および均等物を包含することが意図される。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明では、請求される発明の包括的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者は、様々な実施形態がそのような特定の詳細なしに実施され得ることを理解するであろう。
【００４３】
［００５２］  本例示的実施形態の特徴および要素は、特定の組み合わせで実施形態において説明されるが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素を伴わずに単独で、または本明細書に開示される他の特徴および要素を伴って、もしくは伴わずに種々の組み合わせで使用されることができる。
【００４４】
［００５３］  本明細書は、開示された主題の例を使用して、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて、当業者がそれを実施することを可能にする。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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