(57)【要約】【課題】  低コストで製造が可能であり、高効率の光電変換素子を提供する。【解決手段】  第１の極性を有する第１の半導体層２０と、当該第１の半導体層２０と極性の異なる第２の極性を有する第２の半導体層３０と、前記第１の半導体層２０と前記第２の半導体層３０の間に形成された量子井戸部１０と、を少なくとも有する光電変換素子であって、前記量子井戸部１０はカーボンを主成分とすることを特徴としたため、低コストで製造が可能であり、かつ光電変換の効率を良好とした光電変換素子を実現することが可能となった。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の極性を有する第１の半導体層と、
当該第１の半導体層と極性の異なる第２の極性を有する第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に形成された量子井戸部と、を少なくとも有する光電変換素子であって、
前記量子井戸部はカーボンを主成分とすることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記量子井戸部は、エネルギーバンドギャップが異なるように形成された井戸部と壁層からなり、当該壁層のエネルギーバンドギャップは当該井戸部のエネルギーバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記壁層のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップより大きく、前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップより小さいことを特徴とする請求項２記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記量子井戸部を構成するカーボンはｓｐ２結合とｓｐ３結合を有しており、当該ｓｐ３結合に対する当該ｓｐ２結合の比は、前記壁層において、前記井戸部よりも小さいことを特徴とする請求項２または３記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記井戸部および前記壁層には水素またはハロゲンを含む添加物が添加され、当該壁層では当該井戸部より、当該添加物の含有量が多いことを特徴とする請求項２乃至４のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記井戸部は、異なるバンドギャップを有する複数の量子ドットを含むことを特徴とする請求項２乃至５のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記複数の量子ドットは、第１量子ドットと、当該第１量子ドットよりエネルギーバンドギャップが小さい第２量子ドットよりなることを特徴とする請求項６記載の光電変換素子。
【請求項８】
前記第１量子ドットおよび第２量子ドットを構成するカーボンはｓｐ２結合とｓｐ３結合を有しており、当該ｓｐ３結合に対する当該ｓｐ２結合の比は、前記第１量子ドットにおいて、前記第２量子ドットよりも小さいことを特徴とする請求項７記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記第１量子ドットおよび前記第２量子ドットには水素またはハロゲンを含む添加物が添加され、当該第１量子ドットでは、当該第２量子ドットより、当該添加物の含有量が多いことを特徴とする請求項７または８記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記井戸部と前記壁層の価電子帯のエネルギーレベルの差は０．１ｅＶ以下であることを特徴とする請求項２乃至９のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１１】
前記壁層の価電子帯のエネルギーレベルは、前記第２量子ドットの価電子帯のエネルギーレベルより高く、当該第２量子ドットの価電子帯のエネルギーレベルは、当該第１量子ドットのエネルギーレベルより高いことを特徴とする、請求項７乃至９のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１２】
前記第２量子ドットが、前記第１量子ドットより大きいことを特徴とする、請求項７乃至１１のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１３】
前記壁層の内部に形成された前記第１量子ドットの内部に、前記第２量子ドットが形成されることを特徴とする、請求項７乃至９のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１４】
前記壁層と前記第１量子ドットの間、および前記壁層と前記第２量子ドットの間に、キャリアブロック層を設けたことを特徴とする請求項７乃至９のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１５】
前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１乃至１４のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１６】
前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップの１．０５倍以上であることを特徴とする請求項１５記載の光電変換素子。
【請求項１７】
前記第１の半導体層および第２の半導体層はカーボンを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至１６のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項１８】
前記第１の半導体層および第２の半導体層を構成するカーボンはｓｐ２結合とｓｐ３結合を有しており、当該ｓｐ３結合に対する当該ｓｐ２結合の比は、前記第１の半導体層において、前記第２の半導体層よりも小さいことを特徴とする請求項１７記載の光電変換素子。
【請求項１９】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層には水素またはハロゲンを含む添加物が添加され、当該第１の半導体層では当該第２の半導体層より、当該添加物の含有量が多いことを特徴とする請求項１７または１８記載の光電変換素子。
【請求項２０】
前記第１の半導体層に電気的に接続される第１の電極と、前記第２の半導体層に電気的に接続される第２の電極と、を設けたことを特徴とする請求項１乃至１９のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項２１】
前記第１の半導体層は、前記量子井戸部側に形成された低濃度不純物半導体層と、前記第１の電極側に形成された高濃度不純物半導体層とを有することを特徴とする請求項２０記載の光電変換素子。
【請求項２２】
前記第２の半導体層は、前記量子井戸部側に形成された低濃度不純物半導体層と、前記第２の電極側に形成された高濃度不純物半導体層とを有することを特徴とする請求項２０記載の光電変換素子。
【請求項２３】
前記第１の極性および前記第２の極性は、それぞれ正の極性および負の極性であり、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、それぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層からなることを特徴とする請求項１乃至２２のうち、いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項２４】
前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第１の電極側より前記第２の電極の側に向かって小さくなるよう形成されていることを特徴とする請求項２１記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子に係り、特には量子井戸部を用いた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば可視光などの光から起電力を発生させる、太陽電池などの光電変換素子は、次世代のエネルギーを生成することが可能な素子として着目されている。
【０００３】
このような光電変換素子を形成する材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどが多く用いられてきた。光電変換素子では、例えば太陽光などから起電力を発生する場合の光電変換の効率の向上が重要な技術的課題となっており、このような半導体材料を用いて光電変換の効率を向上させる様々な試みが行われてきた。（例えば特許文献１〜特許文献３参照）。
【０００４】
一方、例えば、カーボンを主成分とする光電変換素子を形成することで、光電変換素子の製造コストを低減することが提案されている。（例えば特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平９−１６２４３２号公報
【特許文献２】特開平１１−２２０１５０号公報
【特許文献３】特開平９−８３４２号公報
【特許文献４】特開２００３−５１６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、カーボンを主成分とする光電変換素子は、従来のＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓなどを用いた光電変換素子に比べて、光電変換効率が劣るという問題が生じていた。
【０００６】
一方、従来広く用いられてきた材料であるＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓなどは高価な材料であり、光電変換素子の製造コストを抑制することが困難であった。例えば、これらの半導体材料からなる層を形成する場合には、原料となるガスが高価であるために製造コストの低減が困難となる場合があった。
そのため、光電変換素子の製造コストを低減することと、光電変換効率を向上させることを両立させることが困難となっていた。
【０００７】
そこで、本発明では、上記の問題を解決した、新規で有用な光電変換素子を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明の具体的な課題は、低コストで製造が可能であり、かつ光電変換効率が高い光電変換素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を、第１の極性を有する第１の半導体層と、当該第１の半導体層と極性の異なる第２の極性を有する第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間に形成された量子井戸部と、を少なくとも有する光電変換素子であって、前記量子井戸部はカーボンを主成分とすることを特徴とする光電変換素子により、解決する。
【００１０】
本発明によれば、低コストで製造が可能であり、光電変換効率が高い光電変換素子を提供することが可能となる。
【００１１】
また、前記量子井戸部は、エネルギーバンドギャップが異なるように形成された井戸部と壁層からなり、当該壁層のエネルギーバンドギャップは当該井戸部のエネルギーバンドギャップより大きいと、光電変換素子の光電変換効率を良好とすることが可能となる。
【００１２】
また、前記壁層のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップより大きく、前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップより小さいと、光電変換により生成されたキャリアの再結合による損失を低減することが可能となる。
【００１３】
また、前記量子井戸部を構成するカーボンはｓｐ２結合とｓｐ３結合を有しており、当該ｓｐ３結合に対する当該ｓｐ２結合の比は、前記壁層において、前記井戸部よりも小さいと、前記壁層のエネルギーバンドギャップを前記井戸部のエネルギーバンドギャップより大きくすることが可能となる。
【００１４】
また、前記井戸部および前記壁層には水素またはハロゲンを含む添加物が添加され、当該壁層では当該井戸部より、当該添加物の含有量が多いと、前記壁層のエネルギーバンドギャップを前記井戸部のエネルギーバンドギャップより大きくすることが可能となる。
【００１５】
また、前記井戸部は、異なるバンドギャップを有する複数の量子ドットを含むと、光電変換が可能な波長領域が広がり、光電変換効率が良好となる。
【００１６】
また、前記複数の量子ドットは、第１量子ドットと、当該第１量子ドットよりエネルギーバンドギャップが小さい第２量子ドットよりなると、長波長領域の光電変換が可能となり、光電変換素子が良好となる。
【００１７】
また、前記第１量子ドットおよび第２量子ドットを構成するカーボンはｓｐ２結合とｓｐ３結合を有しており、当該ｓｐ３結合に対する当該ｓｐ２結合の比は、前記第１量子ドットにおいて、前記第２量子ドットよりも小さいと、前記第２量子ドットのバンドギャップを前記第１量子ドットのバンドギャップよりも小さくすることが可能となる。
【００１８】
また、前記第１量子ドットおよび前記第２量子ドットには水素またはハロゲンを含む添加物が添加され、当該第１量子ドットでは、当該第２量子ドットより、当該添加物の含有量が多いと、前記第２量子ドットのバンドギャップを前記第１量子ドットのバンドギャップよりも小さくすることが可能となる。
【００１９】
また、前記井戸部と前記壁層の価電子帯のエネルギーレベルの差は０．１ｅＶ以下であると、前記量子井戸部での正孔の損失が抑制される。
【００２０】
また、前記壁層の価電子帯のエネルギーレベルは、前記第２量子ドットの価電子帯のエネルギーレベルより高く、当該第２量子ドットの価電子帯のエネルギーレベルは、当該第１量子ドットのエネルギーレベルより高いと、前記量子井戸部での正孔の損失が抑制される。
【００２１】
また、前記第２量子ドットが、前記第１量子ドットより大きいと、前記第２量子ドットのバンドギャップを前記第１量子ドットのバンドギャップよりも小さくすることが可能となる。
【００２２】
また、前記壁層の内部に形成された前記第１量子ドットの内部に、前記第２量子ドットが形成されると、キャリアの損失が抑制されて、光電変換効率が良好となる。
【００２３】
また、前記壁層と前記第１量子ドットの間、および前記壁層と前記第２量子ドットの間に、キャリアブロック層を設けると、光電変換効率が良好となる。
【００２４】
また、前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップより大きいと、光電変換により生成されたキャリアの再結合による損失を低減することが可能となる。
【００２５】
また、前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層のエネルギーバンドギャップの１．０５倍以上であると、光電変換により生成されたキャリアの再結合による損失を低減する効果が大きくなる。
【００２６】
また、前記第１の半導体層および第２の半導体層はカーボンを主成分とすると、光電変換素子の製造コストを低減できる。
【００２７】
また、前記第１の半導体層および第２の半導体層を構成するカーボンはｓｐ２結合とｓｐ３結合を有しており、当該ｓｐ３結合に対する当該ｓｐ２結合の比は、前記第１の半導体層において、前記第２の半導体層よりも小さいと、当該第１の半導体層のエネルギーバンドギャップを、当該第２の半導体層のエネルギーバンドギャップより大きくできる。
【００２８】
また、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層には水素またはハロゲンを含む添加物が添加され、当該第１の半導体層では当該第２の半導体層より、当該添加物の含有量が多いと、当該第１の半導体層のエネルギーバンドギャップを、当該第２の半導体層のエネルギーバンドギャップより大きくできる。
【００２９】
また、前記第１の半導体層に電気的に接続される第１の電極と、前記第２の半導体層に電気的に接続される第２の電極とを設けると、当該第１の電極および第２の電極によって効率よくキャリアを収集することが可能となる。
【００３０】
また、前記第１の半導体層は、前記量子井戸部側に形成された低濃度不純物半導体層と、前記第１の電極側に形成された高濃度不純物半導体層とを有すると、当該第１の半導体層と当該第１の電極の接触抵抗を低減することが可能となる。
【００３１】
また、前記第２の半導体層は、前記量子井戸部側に形成された低濃度不純物半導体層と、前記第２の電極側に形成された高濃度不純物半導体層とを有すると、当該第２の半導体層と当該第２の電極の接触抵抗を低減することが可能となる。
【００３２】
また、前記第１の極性および前記第２の極性は、それぞれ正の極性および負の極性であり、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、それぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層からなると、光電変換素子の効率を良好とできる。
【００３３】
また、前記第１の半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第１の電極側より前記第２の電極の側に向かって小さくなるよう形成されていると、キャリアの補足などによる損失が抑制され、光電変換素子の効率を良好とできる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、製造コストが低く、光電変換効率の高い、光電変換素子を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に、本発明の実施の形態に関して図面に基づき、以下に説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１（Ａ）は、本発明の実施例１による光電変換素子１００を模式的に示した概略断面図であり、（Ｂ）は、そのＡ−Ａ断面のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。
【００３７】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照するに、光電変換素子１００は、第１の極性、例えば正の極性であるｐ型の半導体層からなる第１の半導体層２０と、当該第１の半導体層と極性の異なる負の極性であるｎ型の半導体層からなる第２の半導体層３０と、前記第１の半導体層２０と前記第２の半導体層３０の間に形成された量子井戸部１０とを有している。
【００３８】
本実施例による光電変換素子１００では、例えば太陽光線などが入射すると、前記半導体層２０または前記半導体層３０において光電変換が生じて、キャリア（電子―正孔対）が発生し、起電力が発生する。この場合、電子は前記半導体層２０から前記半導体層３０の方向に、正孔は前記半導体層３０から前記半導体層２０の方向に移動する。
【００３９】
本実施例の光電変換素子では、光電変換を行う前記量井戸部１０をさらに設けているため、光電変換の効率が良好となっている。
【００４０】
前記量子井戸部１０は、井戸部１１と、当該井戸部１１に隣接して当該井戸部１１を挟むように形成された壁層１２からなり、当該壁層１２のエネルギーバンドギャップは、当該井戸部１１のエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されており、このため、前記量子井戸部１０では効率よく光電変換を行う事が可能となっている。特に、当該量子井戸部１０では、長波長域の光線を効率よく光電変換することが可能であるため、おもに可視光域の光線を効率よく光電変換する前記半導体層２０または半導体層３０と合わせて用いると、広範囲の波長域で光電変換を行う事が可能となり、光電変換の効率が良好となる効果を奏する。
【００４１】
従来、このような光電変換素子は、例えばＧａＡｓなどの高価な半導体材料を用いて形成されていたが、本実施例の場合には前記量子井戸部１０を、カーボンを主成分とする材料により形成することで、材料費を抑制し、製造コストを低減することが可能となった。
【００４２】
また、この場合、前記第１の半導体層２０と、前記第２の半導体層３０がカーボンを主成分とする材料により形成されていると、光電変換素子の製造コストをさらに低減することが可能となり、好適である。
【００４３】
本実施例において量子井戸部や半導体層に用いる、カーボンを主成分とする材料は、ＧａＡｓなどの材料に比べて材料費などのコストが抑制されるだけではなく、環境汚染に与える影響が少なく、扱いやすい材料である特徴を有する。このようなカーボンを主成分とする半導体層は、例えばプラズマＣＶＤ法（化学気相成長法）により、炭化水素系のガスなどの分解によって容易に形成することが可能である。このようにカーボンを主成分として半導体層、量子井戸部などを形成する場合には、例えばＧａＡｓなどを用いて形成した場合に比べて、用いるガスの危険性が少ないためにガス系の取り扱いが簡単であり、またガスが安価であるために、安価で、また容易に形成することが可能となる効果を奏する。また、用いるガスの危険性が少ないため、製造設備のコストも低減できる。
【００４４】
また、前記量子井戸部、半導体層に用いるカーボンを主成分とする材料は、ｓｐ２結合およびｓｐ３結合を有している。この場合、ｓｐ２結合の、ｓｐ３結合に対する比（以下文中、ｓｐ２／ｓｐ３結合比と表記する）が小さくなると、前記量子井戸部、半導体層のエネルギーバンドギャップが大きくなる。
【００４５】
また、量子井戸部と半導体層には、水素またはハロゲンを含む添加物が添加されているが、当該添加物の含有量が多いと、前記量子井戸部と半導体層のエネルギーバンドギャップを大きくすることができる。
【００４６】
このように、前記量子井戸部１０、第１の半導体層２０、第２の半導体層３０では、ｓｐ２／ｓｐ３結合比と、前記添加物の含有量を適切な値とすることによって、エネルギーバンドギャップが所望の値になるように形成されている。この詳細に関しては、図６の説明で後述する。
【００４７】
また、本実施例では、前記第１の半導体層２０および前記第２の半導体層３０に、それぞれ電気的に接続される電極１０１および電極１０２が設けられていると、光電変換により生成されたキャリアを効率的に収集することが可能となって効率よく電力を取り出すことが可能であり、好適である。
【００４８】
この場合、前記電極１０１は、例えばＡｌ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属材料からなると、抵抗値が小さく、好適である。
【００４９】
また、前記電極１０２は、光電変換に用いる光線を透過する材料からなるようにする、すなわち透明電極とすると、前記電極１０２の側を受光面とすることが可能となり、好適である。この場合、前記電極１０２は、例えばＩＴＯ，ＳｎＯ2などの導電性金属酸化物を用いると、抵抗値が小さくかつ透明にすることが可能であり、好適である。
【００５０】
また、従来は、量子井戸部を用いた光電変換素子において、キャリア、すなわち電子と正孔の再結合が生じる場合があり、このために光電変換素子の光電変換効率が低下する場合があった。本実施例では以下のように光電変換素子を形成することにより、量子井戸部での電子と正孔の再結合を抑制し、光電変換素子の変換効率を良好としている。
【００５１】
まず、第１の構成としては、前記第１の半導体層２０のエネルギーバンドギャップが、前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されている。そのため、前記量子井戸部１０の両端における電位差が大きくなり、前記量子井戸部１０で再結合するキャリア（電子と正孔）の数が減少して再結合による損失が小さくなり、光電変換効率が向上する。この場合、例えば前記第１の半導体層２０のエネルギーバンドギャップは、前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップの１．０５倍以上であると、光電変換効率が向上し、好適である。
【００５２】
また、前記量子井戸部１０の前記壁層１２のエネルギーバンドギャップは、前記第１の半導体層２０のエネルギーバンドギャップより小さく、前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップより大きいことが好ましい。
【００５３】
さらに上記第１の場合に加えて、第２の構成としては、前記井戸部１１と前記壁層１２の、価電子帯のエネルギーレベルの差を小さくし、例えば当該エネルギーレベルの差を０．１ｅＶ以下とすると、当該量子井戸部１０で、正孔が井戸部で補足されたり、再結合するなどによる損失が低減され、正孔の移動が効率的に行われるようになり、光電変換素子の効率が向上して好適である。
【００５４】
この場合、一方で、価電子帯とエネルギーバンドギャップを挟んで対向する伝導帯では、前記井戸部１１と前記壁層１２にエネルギーレベルの差があるが、前記量子井戸部１０での電子の移動は、上記のように、前記第１の半導体層２０のエネルギーバンドギャップが、前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されているため、量子井戸部の両端の側で伝導帯の電位差が大きくなるため、電子の移動は効率よく行われる。
【００５５】
すなわち、前記第１の構成と前記第２の構成の双方があると、光電変換素子の損失が低下して、光電変換素子の効率が特に良好となる効果が得られ、この場合前記第１の半導体層２０がｐ型の半導体層であり、前記半導体層３０がｎ型の半導体層であると、電子と正孔が効率よく移動することが可能となり、好適である。
【００５６】
また、前記第１の半導体層２０または前記第２の半導体層３０は、単層の半導体層からなるものに限定されるものではなく、多層からなるようにしてもよい。
【００５７】
例えば、本実施例の場合、前記第１の半導体層２０は、前記量子井戸部１０の側に形成されたｐ型半導体層２１と、前記電極１０１の側に形成されたｐ＋型半導体層２２が積層された構造を有している。前記ｐ＋型半導体層２２では、前記ｐ型半導体層２１より不純物濃度が高く、そのため前記ｐ＋型半導体層２２ではキャリア濃度が高くなるように形成されている。
【００５８】
このため、前記ｐ＋型半導体層２２を設けることで前記電極１０１との接触抵抗を小さくすることが可能であり、また電子が前記電極１０１方向へ移動することを防止するキャリアブロッキング層としても機能するため、光電変換素子の効率が良好となる。
【００５９】
また、前記ｐ型半導体層２１では、前記ｐ＋型半導体層２２より不純物濃度が低く、キャリア濃度が低いため、膜中に欠陥が少なく、効率よく光電変換を行ってキャリア（電子、正孔）を発生させる事が可能となっている。このため、当該光電変換素子１００においては、当該ｐ型半導体層２１のように、不純物濃度（キャリア濃度）が低い半導体層が主に光電変換層として機能する。
【００６０】
また、前記第２の半導体層３０は、不純物濃度とキャリア濃度が高い、ｎ＋型半導体層３１から構成されており、そのために前記電極１０２との接触抵抗を小さくすることが可能であり、また正孔が前記電極１０２方向へ移動することを防止するキャリアブロッキング層としても機能するため、光電変換素子の効率が良好となる。
【００６１】
また、ｎ型の半導体層である前記第２の半導体層３０においても、前記第１の半導体層２０のように不純物濃度とキャリア濃度が異なる半導体層の多層構造とすることが可能であり、その場合には前記第１の半導体層２０の場合と同様の効果を奏する。このような構造は、図７で後述する。
【００６２】
また、前記電極１０２は、例えば、基板１０３上に形成されている。前記基板は、光電変換素子の起電力の発生源となる光線、例えば太陽光線を透過させる、ガラス、プラスチックなどの材料からなる。さらに、当該基板１０３で前記電極１０２が形成された側と対向する側に、当該基板１０３を覆うように、光制御層１０４が形成されている。当該光制御層１０４は、光反射損失を減少させるための反射防止膜や、半導体層が電荷を発生させるために有用な光を透過し、不要な光を反射させるための光学フィルターが設けられている。
【００６３】
次に、本実施例による光学素子１００の構成のさらに詳細な例について、以下に示す。
【００６４】
まず、前記第１の半導体層２０と第２の半導体層３０については、例えば上記のようにカーボンを主成分とする材料により形成し、水素またはハロゲンを０．０１％〜３０％添加することが好ましいが、水素またはハロゲンを添加せずに形成することも可能である。また、抵抗値を制御するために必要に応じてＳｉまたはＧｅを添加してもよい。
【００６５】
また、前記第１の半導体層２０のうち、前記ｐ型半導体層２１については、厚さ１〜３０μｍ、キャリア濃度は１×１０１４〜１×１０１８ｃｍ−３であることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｐ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．７ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．４〜２．４ｅＶとすることが好ましい。
【００６６】
前記第１の半導体層２０のうち、前記ｐ＋型半導体層２２については、厚さ０．０２〜１μｍ、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｐ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．７ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．４〜２．４ｅＶとすることが好ましい。
【００６７】
また、前記第２の半導体層３０の、前記ｎ＋型半導体層３１については、厚さ０．０２〜１μｍ、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０２０ｃｍ−３であることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。
【００６８】
次に、前記電極１０１は、例えばＡｌ，Ａｇ，Ｔｉ，Ｃｕ，ＮｉおよびＣｒのいずれかの材料を用いて、厚さが０．２〜５μｍとなるように形成することが好ましい。
【００６９】
前記電極１０２は、例えばＩＴＯ、ＳｎＯ2などの透明材料を用いて、厚さが０．０１〜２μｍとなるように形成することが好ましい。
【００７０】
前記基板１０３は、例えば石英、ガラス、プラスチックなどの材料からなり、厚さが０．２〜５ｍｍのものを用いることが好ましい。また、当該基板１０３の大きさは光電変換素子の大きさに応じて任意に変更して用いることが可能であり、例えば１ｃｍ角〜１００ｃｍ角の大きさのものまで様々な大きさのものを用いることが可能である。
【００７１】
前記光制御層１０４には、例えばＭｇＦ2，ＺｎＳ，ＳｉＯ2，ＴｉＯ2などの材料を用いることが可能である。
【００７２】
また、前記量子井戸部１０の詳細に関しては、次に図２〜図５（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７３】
図２は、前記光電変換素子１００に用いる量子井戸部１０の構造を模式的に示した斜視図である。前記量子井戸部１０では、層状に形成された前記井戸部１１と、当該井戸部１１を挟むように前記壁層１２が形成されており、前記井戸部１１と前記壁層１２の積層構造が、例えば２０〜３０サイクル積層されて構成されている。
【００７４】
また、前記量子井戸部１０は、次に、図３に示す量子井戸部１０Ａ，または図４に示す量子井戸部１０Ｂに示すように変形して用いることも可能であり、いずれの場合も前記量子井戸部１０を用いた場合と同様の効果を奏する。
【００７５】
まず、図３に示す量子井戸部１０Ａは、細線状の井戸部１１Ａと、当該井戸部１１Ａを包含するように形成された壁層１２Ａより構成されている。
【００７６】
図４に示す量子井戸部１０Ｂは、ドット状（球状）の井戸部１１Ｂと、当該井戸部１１Ｂを包含するように形成された壁層１２Ｂより構成されている。
【００７７】
前記量子井戸部１０Ａの前記井戸部１１Ａ、および前記量子井戸部１０Ｂの前記井戸部１１Ｂは、前記量子井戸部１０の前記井戸部１１に該当する。また、前記量子井戸部１０Ａの前記壁層１２Ａ、および前記量子井戸部１０Ｂの前記壁層１２Ｂは、前記量子井戸部１０の前記壁層１２にそれぞれ該当し、同様の機能を有している。この場合、前記量子井戸部１０Ａ，１０Ｂは前記量子井戸部１０と同様の機能を有し、光電変換素子において同様の効果を奏する。
【００７８】
ここで、前記量子井戸部１０Ｂを例にとり、その詳細を説明する。図５（Ａ）は前記量子井戸部１０Ｂを模式的に示した断面図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面のエネルギー状態を模式的に示したものである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７９】
図５（Ａ），（Ｂ）を参照するに、前記量子井戸部１０Ｂでは、例えば略球状である前記井戸部１１Ｂが、前記壁層１２Ｂに包含されるようにして形成されている。また、前記壁層１２Ｂのエネルギーバンドギャップは、前記井戸部１１Ｂのエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されている。またこの場合、前記井戸部１１Ｂと前記壁層１２Ｂの、価電子帯のエネルギーレベルの差を小さくし、例えば当該エネルギーレベルの差を０．１ｅＶ以下とすると、当該量子井戸部１０Ｂで、正孔が井戸部で補足されたり、再結合するなどの損失が低減され、正孔の移動が効率的に行われるようになり、光電変換素子の効率が向上して好適である。
【００８０】
この場合、一方で、価電子帯とエネルギーバンドギャップを挟んで対向する伝導帯では、前記井戸部１１Ｂと前記壁層１２Ｂにエネルギーレベルの差があるが、前記量子井戸部１０Ｂでの電子の移動は、上記のように、前記第１の半導体層２０のエネルギーバンドギャップが、前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されているため、量子井戸部の両端の側で伝導帯の電位差が大きくなるため、電子の移動は効率よく行われる。
【００８１】
このような量子井戸部の構成の詳細な例を以下に示す。
【００８２】
まず、前記壁層１２Ｂ（前記壁層１２，１２Ａも同様）は、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１４ｃｍ−３であるｎ−型半導体層で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１〜２．０、水素またはハロゲンの含有量は、０．５〜３０％であることが好ましい。
【００８３】
次に、前記井戸部１１Ｂ（前記井戸部１１，１１Ａも同様）は、キャリア濃度が１×１０１４〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体層で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．０ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１５〜３．０、水素またはハロゲンの含有量は、０．０１〜１５％であることが好ましい。
【００８４】
この場合、井戸部のキャリア濃度は、壁層のキャリア濃度の３〜３００倍であることが好ましく、また、井戸部のエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの４０〜９０％であることが好ましい。
【００８５】
また、量子井戸部の井戸部と壁層においてエネルギーバンドギャップを変更する場合、例えばｓｐ２／ｓｐ３結合比を変更する方法と、添加物である水素またはハロゲンの量を変更する方法がある。カーボンを主成分とする量子井戸部の、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなると、エネルギーバンドギャップは大きくなり、また、水素またはハロゲンの含有量が多くなるとエネルギーバンドギャップは大きくなるため、これらの性質を用いてカーボンを主成分とする材料のエネルギーバンドギャップを調整することが可能である。
【００８６】
また、同様にして、前記第１の半導体層２０と前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップの大きさを調整することが可能である。
【００８７】
次に、前記光電変換素子１０を構成する層の詳細な構造の例について、図６（Ａ）と、図６（Ｂ）に示し、それぞれについて説明する。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８８】
図６（Ａ），（Ｂ）は、前記光電変換素子１００の、エネルギーバンドギャップと、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を、前記第２の半導体層３０の前記ｎ＋型半導体層３１、前記量子井戸部１０、前記第１の半導体層２０の前記ｐ型半導体層２１およびｐ＋型半導体層２２についてそれぞれ示した例である。
【００８９】
まず、図６（Ａ）を参照するに、本図に示す場合では、前記第１の半導体層や第２の半導体層および量子井戸部のｓｐ２／ｓｐ３結合比を変更することで、エネルギーバンドギャップの大きさを制御している。
【００９０】
例えば、前記ｐ型半導体層２１およびｐ＋型半導体層２２は、前記ｎ＋型半導体層３１に対して、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなるように形成されており、このため、前記ｐ型半導体層２１およびｐ＋型半導体層２２のエネルギーバンドギャップが、前記ｎ＋型半導体層３１のエネルギーバンドギャップと比べて大きくなっている。
【００９１】
同様にして、前記量子井戸部１０では、前記壁層は、前記井戸部に対して、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなるように形成されており、このため、壁層のエネルギーバンドギャップが、前記井戸部のエネルギーバンドギャップと比べて大きくなっている。
【００９２】
例えば、図６（Ａ）に示す場合の詳細な構成例を以下に示す。
【００９３】
まず、ｐ型半導体層２１、ｐ＋型半導体層２２に関しては、以下のように形成することが好ましい。エネルギーバンドギャップは１．７ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．４〜２．４ｅＶであることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．７とするが、当該ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．１〜２．０であることが好ましい。
【００９４】
また、ｎ＋型半導体層３１では以下のように形成することが好ましい。エネルギーバンドギャップは１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶであることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、１．２とするが、当該ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．２〜５．０であることが好ましい。
【００９５】
また、量子井戸部の壁層と井戸部に関しては、エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶ、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．２〜５．０であることが好ましく、上記範囲において所望の値に調整されることが好ましい。
【００９６】
また、この場合、水素またはハロゲンの含有量（または添加量）は、一定であるが、水素またはハロゲンの含有量を変化させることで、エネルギーバンドギャップの大きさを制御することが可能であり、上記のｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させてエネルギーバンドギャップの大きさを制御する方法と組み合わせて用いるとさらに好適である。
【００９７】
図６（Ｂ）に示す場合、図６（Ａ）の場合と同様に、前記ｐ型半導体層２１およびｐ＋型半導体層２２は、前記ｎ＋型半導体層３１に対して、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなるように形成されており、また、前記壁層は、前記井戸部に対して、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなるように形成されている。
【００９８】
本図に示す場合では、さらに、前記ｐ型半導体層２１およびｐ＋型半導体層２２は、前記ｎ＋型半導体層３１に対して、水素またはハロゲンの含有量（添加量）が多くなるように形成されており、また、前記壁層は、前記井戸部に対して、水素またはハロゲンの含有量（添加量）が多くなるように形成されている。
【００９９】
この場合、カーボンを主成分とする膜中では、水素またはハロゲンの含有量（添加量）が多くなるとエネルギーバンドギャップが大きくなるため、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させてエネルギーバンドギャップを形成する方法と組み合わせて用いた場合、以下の効果が得られる。
【０１００】
例えば、積層される層において、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させる割合が大きいと、格子不整合による界面の歪が増加して、キャリアの再結合による損失が増大する懸念があるが、本図に示す場合には、積層されれる層において、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させる割合を小さくし、かつ所望のエネルギーバンドギャップの大きさの差を形成することが可能であるため、格子不整合が抑制されて光電変換素子の損失が低減して変換効率が良好となる効果を奏する。
【０１０１】
例えば、図６（Ｂ）に示す場合の詳細な構成例を以下に示す。
【０１０２】
まず、ｐ型半導体層２１、ｐ＋型半導体層２２に関しては、以下のように形成することが好ましい。エネルギーバンドギャップは１．７ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．４〜２．４ｅＶであることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．９とするが、当該ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．１５〜３．０であることが好ましい。また、水素またはハロゲンの含有量は、１４％とするが、当該含有量は、１〜３０％であることが好ましい。
【０１０３】
また、ｎ＋型半導体層３１では以下のように形成することが好ましい。エネルギーバンドギャップは１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶであることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、１．２とするが、当該ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．２〜５．０であることが好ましい。また、水素またはハロゲンの含有量は、８％とするが、当該含有量は、０．５〜２０％であることが好ましい。
【０１０４】
また、量子井戸部の壁層と井戸部に関しては、エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶ、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は、０．２〜５．０、水素またはハロゲンの含有量は、０．５〜２０％であることが好ましく、上記範囲において所望の値に調整されることが好ましい。
【０１０５】
また、本発明による光電変換素子は、本実施例に限定されるものではなく、以下に実施例２〜実施例４に示すように変形して実施することが可能であり、いずれの場合も本実施例に記載した場合と同様の効果を奏するが、以下の実施例２〜実施例４の場合には本実施例と以下に説明する点で異なり、本実施例の記載した場合に加えて以下の効果を奏する。
【実施例２】
【０１０６】
図７は、本発明の実施例２による光電変換素子１００Ａの断面のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１０７】
図７を参照するに、本実施例では、ｐ＋型半導体層２２Ａからなる第１の半導体層２０Ａと、ｎ型半導体層３２Ａとｎ＋型半導体層３１Ａからなる第２の半導体層３０Ａに挟まれるように、前記量子井戸部１０が形成されている。また、前記ｐ＋型半導体層２２Ａおよび前記ｎ＋型半導体層３１Ａにそれぞれ接するように、電極１０２Ａおよび電極１０１Ａが形成されている。
【０１０８】
本実施例による半導体層や電極は、実施例１に記載した場合と同様の材料を用いて、本図に示すようなエネルギーバンドを構成するように形成できる。
【０１０９】
本実施例では、電極１０２Ａが透明電極からなり、透明電極側、すなわち光線が入射する側にｐ＋型半導体層２２Ａが形成されており、裏面電極となる前記電極１０１Ａ側にｎ＋型半導体層３１Ａが形成されている。本実施例では、実施例１の場合と比較して、電極に対して、設置される半導体層の極性が異なっており、また、本実施例ではｎ型の極性を有する第２の半導体層３０Ａが、不純物濃度（キャリア濃度）が異なる２層の半導体層から形成される構造になっている。
【０１１０】
本実施例に示すように、透明電極と裏面電極に対する半導体層の極性は入れ替えて形成することが可能であり、またｎ型とｐ型のいずれの半導体層においても不純物濃度が異なる多層構造とすることが可能であり、これらは任意に変形・変更して用いることが可能であり、これらの場合にも実施例１に記載した場合と同様の効果を奏する。
【実施例３】
【０１１１】
また、図８は、実施例１記載の光電変換素子１００の別の変形例である光電変換素子１００Ｂの断面のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１１２】
図８を参照するに、本実施例による光電変換素子１００Ｂの場合には、実施例１の前記第１の半導体層２０に該当する第１の半導体層２０Ｂにおいて、ｐ型半導体層２１Ｂのエネルギーバンドギャップが、前記電極１０１の側から前記電極１０２の側に向かって小さくなるように形成されている。
【０１１３】
すなわち当該ｐ型半導体層２１Ｂのエネルギーバンドギャップは、前記ｐ＋型半導体層２２に接する側で大きく、前記量子井戸部１０に接する側で小さくなるように形成されている。
【０１１４】
このため、エネルギーバンドギャップが異なる半導体層を接合した場合に形成されるギャップやノッチの形成が抑制され、そのためにギャップやノッチでキャリアが補足されることで生じる損失が低減され、光電変換素子の効率が良好となる効果を奏する。
【０１１５】
この場合、例えば、前記ｐ型半導体層２１Ｂについては、厚さ１〜３０μｍ、キャリア濃度は１×１０１４〜１×１０１８ｃｍ−３であることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｐ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、前記電極１０２の側で、例えば、１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。また、前記電極１０１の側でのエネルギーバンドギャップは、例えば、１．７ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．４〜２．４ｅＶとすることが好ましい。
【実施例４】
【０１１６】
また、図９は、実施例１記載の光電変換素子１００のさらに別の変形例である光電変換素子１００Ｃの断面のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１１７】
図９を参照するに、本実施例による光電変換素子１００Ｃの場合には、実施例１の前記第１の半導体層２０に該当する第１の半導体層２０Ｃにおいて、ｐ＋型半導体層２２Ｃのエネルギーバンドギャップが、前記ｐ型半導体層２１のエネルギーバンドギャップより大きくなっている。
【０１１８】
そのため、キャリアがｐ＋型半導体層２２Ｃから前記ｐ型半導体層２１に移動する場合に、ギャップやノッチにキャリアが補足されることで生じる損失が低減され、光電変換素子の効率が良好となる効果を奏する。
【０１１９】
また、さらに本実施例では、実施例１の前記第１の量子井戸部１０に該当する量子井戸部１０Ｃにおいて、壁層１２Ｃのエネルギーバンドギャップが前記壁層１２のエネルギーバンドギャップより大きくなっている。
【０１２０】
これは、前記壁層を含めて、接合される半導体層の構成にエネルギーバンドギャップの差を設けるためであり、本実施例では、例えばエネルギーバンドギャップの大きさは、それぞれの半導体層で、以下のように構成されている。また、括弧内は好ましいエネルギーバンドギャップの範囲を示している。
【０１２１】
例えば、前記ｎ＋型半導体層３１は、１．４ｅＶ（０．２〜２．０ｅＶ）、前記壁層１２Ｃは１．５ｅＶ（０．３〜２．２ｅＶ）、前記ｐ型半導体層２１は１．７ｅＶ（０．４〜２．４ｅＶ）、前記ｐ＋型半導体層２２Ｃは、１．８ｅＶ（０．５〜２．５ｅＶ）とする。
【０１２２】
このようにエネルギーバンドギャップを構成することで、前記電極１０２から前記電極１０１の側に向かって、前記井戸部１１を除いて、それぞれの層でエネルギーバンドギャップが順に大きくなるように形成されている。そのため、電荷の移動が効率よく行われ、例えばエネルギーバンドギャップが異なる半導体層を接合した場合に形成されるギャップやノッチの形成が抑制され、そのためにギャップやノッチでキャリアが補足されることで生じる損失が低減され、光電変換素子の効率が良好となる効果を奏する。
【実施例５】
【０１２３】
また、実施例１に記載した光電変換素子の量子井戸部１０は、次に示すように変更することも可能である。
【０１２４】
図１０は、図１（Ａ）〜図１（Ｂ）に示した光電変換素子１００において、量子井戸部１０を変形した場合の変形例である、光電変換素子１００Ｄの断面のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１２５】
図１０を参照するに、本実施例による光電変換素子１００Ｄの場合には、実施例１の前記量子井戸部１０に相当する量子井戸部１０Ｄにおいて、前記壁層１２に相当する壁層１２ａが形成され、さらに前記井戸部１１に相当する井戸部１１Ｄは、第１量子ドット１１ａと、第２量子ドット１１ｂを含む構成となっている。
【０１２６】
このように、井戸部は、異なるバンドギャップを有する複数の量子ドットを含む構成とすると、光電変換が可能な光の波長領域が広がり、光電変換素子の光電変換効率が良好となり、好適である。
【０１２７】
例えばこの場合、第１量子ドット１１ａと第２量子ドット１１ｂは、互いにエネルギーバンドギャップが異なるように形成され、例えば本図に示す量子井戸部１０Ｄの場合、第２量子ドット１１ｂは、第２量子ドット１１ａよりも、エネルギーバンドギャップが小さくなるように構成されている。
【０１２８】
このため、よりバンドギャップが小さい第２量子ドット１１ｂにより、さらに長波長の領域まで光電変換が可能となり、量子井戸部で光電変換することが可能な光線の波長領域が広がるために、光電変換素子の光電変換効率が良好となる効果を奏する。
【０１２９】
また、前記量子井戸部１０Ｄの詳細に関しては、次に図１１（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１３０】
図１１（Ａ）は前記量子井戸部１０Ｄを模式的に示した断面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＣ−Ｃ断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示したものである。
【０１３１】
図１１（Ａ），（Ｂ）を参照するに、前記量子井戸部１０Ｄでは、例えば、略球状（ドット状）である前記第１量子ドット１１ａと、略球状である前記第２量子ドット１１ｂよりなる井戸部１１Ｄが、前記壁層１２ａに包含されるようにして形成されている。また、前記壁層１２ａのエネルギーバンドギャップは、前記井戸部１１Ｄのエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されている。
【０１３２】
またこの場合、前記第１量子ドット１１ａまたは前記第２量子ドット１１ｂと、前記壁層１２ａの、価電子帯のエネルギーレベルの差を小さくし、例えば当該エネルギーレベルの差を０．１ｅＶ以下とすると、当該量子井戸部１０Ｄで、正孔が井戸部で補足されたり、再結合するなどの損失が低減され、正孔の移動が効率的に行われるようになり、光電変換素子の効率が向上して好適である。
【０１３３】
この場合、一方で、価電子帯とエネルギーバンドギャップを挟んで対向する伝導帯では、前記井戸部１１Ｄと前記壁層１２ａにエネルギーレベルの差があるが、前記量子井戸部１０Ｄでの電子の移動は、上記のように、前記第１の半導体層２０のエネルギーバンドギャップが、前記第２の半導体層３０のエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されているため、量子井戸部の両端の側で伝導帯の電位差が大きくなるため、電子の移動は効率よく行われる。また、前記第１量子ドット１１ａと前記第２量子ドット１１ｂの間でも同様である。
【０１３４】
このような量子井戸部１０Ｄの構成の詳細な例を以下に示す。
【０１３５】
まず、前記壁層１２ａは、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体層で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１〜２．０であることが好ましい。
【０１３６】
次に、前記第１量子ドット１１ａは、大きさが、例えば、直径１０ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．１ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１５〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．２〜４．０であることが好ましい。
【０１３７】
この場合、前記第１量子ドット１１ａのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの５０〜９５％であることが好ましい。
【０１３８】
次に、前記第２量子ドット１１ｂは、大きさが、例えば、直径１０ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば０．８ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１０〜１．６ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．３〜５．０であることが好ましい。
【０１３９】
この場合、前記第２量子ドット１１ｂのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの３０〜８０％であることが好ましい。
【０１４０】
また、本実施例において、特に記載の無い構成の詳細は、実施例１の場合と同様とする。
【０１４１】
また、前記壁層１２ａ、前記第１量子ドット１１ａ、および前記第２量子ドット１１ｂのエネルギーバンドギャップを変更する場合、例えばｓｐ２／ｓｐ３結合比を変更する方法と、添加物である水素またはハロゲンの量を変更する方法がある。カーボンを主成分とする、前記壁層１２ａ、前記第１量子ドット１１ａ、および前記第２量子ドット１１ｂのｓｐ２／ｓｐ３結合比が大きくなると、エネルギーバンドギャップは小さくなり、また、水素またはハロゲンの含有量が少なくなるとエネルギーバンドギャップは小さくなるため、これらの性質を用いてカーボンを主成分とする材料のエネルギーバンドギャップを調整することが可能である。
【実施例６】
【０１４２】
例えば、図１２は、図１１（Ａ）に示した前記量子井戸部１０Ｄの、水素またはハロゲンの含有量を変更した場合の、Ｃ−Ｃ断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示したものである。
【０１４３】
図１２を参照するに、本図に示す場合にも、図１１（Ｂ）に示した場合と同様に、壁層は、第１量子ドットに対して、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなるように形成されており、また、第１量子ドットは、第２量子ドットに対して、ｓｐ２／ｓｐ３結合比が小さくなるように形成されている。
【０１４４】
本図に示す場合では、さらに、壁層は、第１量子ドットに対して、水素またはハロゲンの含有量（添加量）が多くなるように形成されており、また、第１量子ドットは、第２量子ドットに対して、水素またはハロゲンの含有量（添加量）が多くなるように形成されている。
【０１４５】
この場合、カーボンを主成分とする膜中では、水素またはハロゲンの含有量（添加量）が多くなるとエネルギーバンドギャップが大きくなるため、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させてエネルギーバンドギャップを形成する方法と組み合わせて用いた場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させる割合を小さくし、かつ所望のエネルギーバンドギャップの大きさの差を形成することが可能である。このため、量子井戸部の界面での格子不整合が抑制されて光電変換素子の損失が低減して変換効率が良好となる効果を奏する。
【０１４６】
例えば、図１２に示す場合の光電変換素子の構成の詳細な例を以下に示す。なお、本実施例において、特に記載の無い構成の詳細は、実施例５の場合と同様とする。
【０１４７】
まず、前記壁層１２ａのエネルギーバンドギャップは、例えば１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１〜２．０、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、１２原子％とし、当該含有量は、１．０〜３０原子％であることが好ましい。
【０１４８】
次に、前記第１量子ドット１１ａのエネルギーバンドギャップは、例えば１．１ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１５〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１５〜３．０、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、９．０原子％とし、当該含有量は、０．７〜２５原子％であることが好ましい。
【０１４９】
この場合、前記第１量子ドット１１ａのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの５０〜９５％であることが好ましい。
【０１５０】
次に、前記第２量子ドット１１ｂのエネルギーバンドギャップは、例えば０．８ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１０〜１．６ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．２〜４．０、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、５．０原子％とし、当該含有量は、０．５〜２０原子％であることが好ましい。
【０１５１】
この場合、前記第２量子ドット１１ｂのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの３０〜８０％であることが好ましい。
【実施例７】
【０１５２】
また、実施例５に記載した光電変換素子の量子井戸部は、次に示すように変更することも可能である。
【０１５３】
図１３は、図１１（Ａ）に示した前記量子井戸部１０Ｄを変更した場合の、Ｃ−Ｃ断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示したものである。
【０１５４】
図１３を参照するに、本実施例による場合には、壁層の価電子帯のエネルギーレベルは、第２量子ドットの価電子帯のエネルギーレベルより高く、第２量子ドットの価電子帯のエネルギーレベルは、第１量子ドットのエネルギーレベルより高くなるように形成されている。
【０１５５】
このため、第１量子ドットまたは第２量子ドットで生成したキャリアのうち、特に正孔が壁層側に移動することが容易となり、第１量子ドットまたは第２量子ドットでの正孔濃度が減少し、再結合損失が抑制される効果を奏する。このため、光電変換効率が良好と成る。
【０１５６】
また、この場合、価電子帯のエネルギーレベルは、キャリア濃度を変更することにより、伝導帯のエネルギーレベルを保持しつつ、制御することが可能である。
【０１５７】
このような量子井戸部の構成の詳細な例を以下に示す。
【０１５８】
まず、壁層は、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体層で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１〜２．０であることが好ましい。
【０１５９】
次に、第１量子ドットは、大きさが、例えば、直径１０ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が３×１０１２〜１×１０１６ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．１５ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１５〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１５〜３．０であることが好ましく、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、９．０原子％とし、当該含有量は、０．７〜２５原子％であることが好ましい。
【０１６０】
この場合、第１量子ドットのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの５０〜９５％であることが好ましい。
【０１６１】
また、価電子帯における壁層と第１量子ドットとのエネルギーレベルの差は、この場合、例えば、０．０５ｅＶとなる。
【０１６２】
次に、第２量子ドットは、大きさが、例えば、直径１０ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１３〜１×１０１７ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば０．９ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１０〜１．６ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．２〜４．０であることが好ましい。
【０１６３】
この場合、第２量子ドットのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの３０〜８０％であることが好ましい。
【０１６４】
また、価電子帯における壁層と第２量子ドットとのエネルギーレベルの差は、この場合、例えば、０．１０ｅＶとなる。
【０１６５】
また、価電子帯におけるエネルギーレベルの差は、例えば壁層と第１量子ドット、壁層と第２量子ドットにおいては、０．０２ｅＶ以上、０．２０ｅＶ以下とすることが好ましい。同様に、価電子帯におけるエネルギーレベルの差は、例えば第１量子ドットと第２量子ドットにおいては、０．０２ｅＶ以上、０．２０ｅＶ以下とすることが好ましい
【実施例８】
【０１６６】
また、実施例５に記載した光電変換素子の量子井戸部は、次に示すように変更することも可能である。
【０１６７】
図１４（Ａ）は、図１１（Ａ）に示した量子井戸部の変形例であり、量子井戸部の断面を模式的に示した図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）のＤ−Ｄ断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示したものである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１６８】
図１４（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本実施例の場合には、実施例５に示した場合と同様の構造を有しており、例えば、略球状（ドット状）である前記第１量子ドット１１ｄと、略球状である前記第２量子ドット１１ｅよりなる井戸部１１Ｅが、前記壁層１２ａに包含されるようにして形成されている。また、前記壁層１２ａのエネルギーバンドギャップは、前記井戸部１１Ｅのエネルギーバンドギャップより大きくなるように形成されている。
【０１６９】
しかし、本実施例の場合には、当該第２量子ドット１１ｅが、当該第１量子ドット１１ｄより大きくなるように形成されている。この場合、量子ドットのサイズを大きくするとエネルギーバンドギャップが小さくなる（または、量子ドットのサイズを小さくすると、エネルギーバンドギャップが大きくなる）性質を、第１量子ドットと第２量子ドットのエネルギーバンドギャップの制御に利用している。
【０１７０】
このため、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させてエネルギーバンドギャップを変更する方法と、量子ドットの大きさを変更してエネルギーバンドギャップを変更する方法を組み合わせて用いた場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比を変化させる割合を小さくし、かつ所望のエネルギーバンドギャップの大きさの差を形成することが可能である。このため、量子井戸部の界面での格子不整合が抑制されて光電変換素子の損失が低減して変換効率が良好となる効果を奏する。
【０１７１】
このような量子井戸部の構成の詳細な例を以下に示す。
【０１７２】
前記第１量子ドット１１ｄは、大きさが、例えば、直径８ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．１ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１５〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１５〜３．０であることが好ましい。
【０１７３】
この場合、前記第１量子ドット１１ｄのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの５０〜９５％であることが好ましい。
【０１７４】
次に、前記第２量子ドット１１ｅは、大きさが、例えば、直径１２ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば０．８ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャッ0プは０．１０〜１．６ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．２〜４．０であることが好ましい。
【０１７５】
この場合、前記第２量子ドット１１ｅのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの３０〜８０％であることが好ましい。
【０１７６】
また、本実施例において、特に記載の無い構成の詳細は、実施例５の場合と同様とする。
【実施例９】
【０１７７】
また、実施例５に記載した光電変換素子の量子井戸部は、次に示すように変更することも可能である。
【０１７８】
図１５（Ａ）は、図１１（Ａ）に示した量子井戸部の変形例であり、量子井戸部の断面を模式的に示した図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）のＥ−Ｅ断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示したものである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１７９】
図１５（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本実施例の場合には、壁層の内部に形成された第１量子ドット１１ｆの内部に、第２量子ドット１１ｇが形成される構造となっている。すなわち、当該第１量子ドット１１ｆは、当該第２量子ドット１１ｇの周囲を覆うように形成されている。このため、第２量子ドットは壁層と接合されることがなく、壁層と接合されるのは第１量子ドットとなる。このため、例えば、本実施例と実施例５による量子井戸部の構造を比較した場合、本実施例による量子井戸部では、エネルギーバンドギャップの差が大きい壁層と第２量子ドットが接合されないため、界面での結晶歪が小さくなり、再結合損失が小さくなる効果を奏する。このため、光電変換効率が良好と成る。
【０１８０】
このような量子井戸部の構成の詳細な例を以下に示す。
【０１８１】
前記第１量子ドット１１ｆは、大きさが、例えば、直径１２ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．１ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１５〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１５〜３．０であることが好ましい。
【０１８２】
この場合、前記第１量子ドット１１ｆのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの５０〜９５％であることが好ましい。
【０１８３】
次に、前記第２量子ドット１１ｇは、大きさが、例えば、直径７ｎｍ程度の球状であって、当該第１量子ドット１１ｆに周囲を覆われるように形成され、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば０．８ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャッ0プは０．１０〜１．６ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．２〜４．０であることが好ましい。
【０１８４】
この場合、前記第２量子ドット１１ｅのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの３０〜８０％であることが好ましい。
【０１８５】
また、本実施例において、特に記載の無い構成の詳細は、実施例５の場合と同様とする。
【実施例１０】
【０１８６】
また、実施例５に記載した光電変換素子の量子井戸部は、次に示すように変更することも可能である。
【０１８７】
図１６（Ａ）は、図１１（Ａ）に示した量子井戸部の変形例であり、量子井戸部の断面を模式的に示した図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のＦ−Ｆ断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示したものである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【０１８８】
図１６（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本実施例の場合には、前記壁層と前記第１量子ドットの間、および前記壁層と前記第２量子ドットの間に、キャリアブロック層１１ｈを設けている。
【０１８９】
当該キャリアブロック層１１ｈは、前記第１量子ドット１１ａと前記第２量子ドット１１ｂの周囲を囲むように形成されており、エネルギーバンドギャップが壁層より大きく、伝導帯のエネルギーレベルが壁層より大きくなるように形成されている。この場合、当該キャリアブロック層１１ｈは、壁層を形成する場合に、水素またはハロゲンの添加量を増大することにより、形成することができる。
【０１９０】
前記キャリアブロック層１１ｈを形成することにより、量子ドットと壁層の間の界面に生じる欠陥量を減少させることが可能となり、再結合損失を減少させる効果を奏する。また、キャリアブロック層１１ｈを形成することで量子ドット周囲にエネルギー障壁が形成され、壁層を移動するキャリアが量子ドット側に移動して再結合して消滅することを防止している。このため、光電変換素子の光電変換効率が良好となる効果を奏する。
【０１９１】
このような量子井戸部の構成の詳細な例を以下に示す。
【０１９２】
まず、壁層は、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体層で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．４ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．２〜２．０ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１〜２．０であることが好ましい。また、水素またはハロゲンの含有量は、０．５原子％〜３０原子％であることが好ましい。
【０１９３】
次に、第１量子ドットは、大きさが、例えば、直径１０ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１６ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば１．１ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１５〜１．８ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．２〜４．０であることが好ましく、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、０．５〜３０原子％であることが好ましい。
【０１９４】
この場合、前記第１量子ドットのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの５０〜９５％であることが好ましい。
【０１９５】
次に、前記第２量子ドットは、大きさが、例えば、直径１０ｎｍ程度の球状であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば０．８ｅＶとするが、当該エネルギーバンドギャップは０．１０〜１．６ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．３〜５．０であることが好ましい。
【０１９６】
この場合、前記第２量子ドットのエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの３０〜８０％であることが好ましく、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、０．５〜３０原子％であることが好ましい。
【０１９７】
次に、前記キャリアブロック層１１ｈは、厚さが、例えば、１〜２０ｎｍ程度であって、キャリア濃度が１×１０１２〜１×１０１５ｃｍ−３であるｎ−型半導体で形成されることが好ましい。この場合のキャリア濃度はｎ型不純物の添加量により調整できる。また、エネルギーバンドギャップは、例えば０．２５〜２．４ｅＶとすることが好ましい。この場合、ｓｐ２／ｓｐ３結合比は０．１５〜３．０であることが好ましい。
【０１９８】
この場合、前記キャリアブロック層のエネルギーバンドギャップは、壁層のエネルギーバンドギャップの１０２〜１２０％であることが好ましく、水素またはハロゲンの含有量は、例えば、１．０〜４０原子％であることが好ましい。
【０１９９】
また、以上説明したように、量子井戸部、半導体層などは様々に変形、変更することが可能であり、これらの実施例に限定されることなく、任意に変形・変更して実施することが可能である。
【実施例１１】
【０２００】
また、これまで示した光電変換素子は、一般的に知られている、例えばＣＶＤ装置などの装置を用いて形成することが可能であるが、次にこれらの光電変換素子を製造する装置と、その製造方法について説明する。
【０２０１】
図１７は、本発明による光電変換素子を製造することが可能な、成膜装置の一例を、模式的に示した図である。
【０２０２】
図１７を参照するに、本図に示した成膜装置２００は、いわゆる平行平板プラズマＣＶＤ装置である。前記成膜装置２００は、例えば真空ポンプよりなる減圧手段２０６によって内部を減圧状態とすることが可能な減圧容器２０１を有し、当該減圧容器２０１の内部には、基板Ｗを保持する保持台２０３が設置され、さらに当該保持台２０３に対向するように、当該減圧容器２０１の内部に処理ガスを供給する、例えばシャワーヘッドなどの構造を有する、ガス供給部２０２が設置されている。
【０２０３】
また、前記ガス供給部２０２、および前記保持台２０３には、それぞれ高周波電源２０４および高周波電源２０５が接続され、減圧容器内にプラズマを励起することが可能に構成され、またその場合に基板に印加されるバイアス電位を制御することが可能に形成されている。この場合、前記保持台２０３には、例えばヒータよりなる加熱手段２０３Ａが埋設されて、基板Ｗを加熱して所望の温度にすることが可能になっている。
【０２０４】
また、前記ガス供給部２０２には、当該ガス供給部２０２に処理ガスを供給するガスライン２０７が接続されている。当該ガスライン２０７には、例えば、バルブ２０８ａ、流量調整器２０８ｂ、および圧力調整器２０８ｃを介してＮＨ３供給源が、また、バルブ２０９ａ、流量調整器２０９ｂ、および圧力調整器２０９ｃを介してＰＨ３供給源が、また、バルブ２１０ａ、流量調整器２１０ｂ、および圧力調整器２１０ｃを介してＢ２Ｈ６供給源が、また、バルブ２１１ａ、流量調整器２１１ｂ、および圧力調整器２１１ｃを介してＣ２Ｈ４供給源が、また、バルブ２１２ａ、流量調整器２１２ｂ、および圧力調整器２１２ｃを介してＣＨ４供給源が、また、バルブ２１３ａ、流量調整器２１３ｂ、および圧力調整器２１３ｃを介してＨ２供給源が、それぞれ接続されている。また、これらは、減圧容器内に供給される処理ガスの一例であり、他にも様々なガスを接続して処理ガスとして用いることが可能である。
【０２０５】
この場合、例えば、実施例５に示した光電変換素子の量子井戸部を形成する場合には、以下のようにして形成することができる。
【０２０６】
まず、光透過性基板上に形成された、例えばｎ型半導体層上に、壁層となるカーボン薄膜を堆積する。この場合、例えば減圧容器内にＣＨ４ガスとＨ２ガスを、流量比が、４：１となるように供給し、さらにＣＨ４ガスに対して、キャリアを調整するために、ＰＨ３ガスを０．０１〜１ｐｐｍ程度加える。ここで、例えば前記ガス供給部２０２に印加される高周波電力によって減圧容器２０１内にプラズマを励起することで上記のガスが活性化、または分解され、ｎ型半導体層上に壁層が堆積される。
【０２０７】
次に、当該壁層上に量子ドットを形成する。この場合、当該壁層を形成する場合と同様にして減圧容器内に処理ガスを供給し、プラズマを励起する。この場合、当該壁層を形成する場合と比較して、基板温度を５０〜１５０℃程度高くする。基板温度を高くすることにより、ＣＨ４ガスの分解が促進されて、堆積されるカーボン薄膜中のｓｐ２／ｓｐ３結合比を増加させることができる。続いて、さらに基板温度を５０〜１５０℃程度高くすることにより、さらにＣＨ４ガスの分解が促進されて、堆積されるカーボン薄膜中のｓｐ２／ｓｐ３結合比をさらに増加させることができる。
【０２０８】
次に、温度を低下させることで、壁層表面に堆積したカーボンを自己的に凝集させ、例えば直径３〜３０ｎｍ程度の、エネルギーバンドギャップの異なる、第１量子ドットと第２量子ドットを形成することができる。
【０２０９】
この場合、２段階の温度上昇の温度と、温度上昇にかかる時間を適宜制御することにより、例えば実施例８〜実施例９に示す量子ドットの形状を形成することが可能であり、この場合に適宜水素やハロゲンを添加することで、実施例１０に示す形状を形成することができる。
【０２１０】
また、カーボン薄膜中のｓｐ２／ｓｐ３結合比を制御、例えば増加させる方法は上記の方法に限定されず、他にも様々な方法を用いることが可能であり、例えば、プラズマ励起のための高周波電力を２０〜７０％程度大きくする、また、水素ガスの流量比を減少させる、または、量子ドット形成時に、ＣＨ４ガスに換えてＣ２Ｈ４ガスを用いる、などの方法を用いることが可能である。
【０２１１】
このように、壁層と井戸部（量子ドット）を形成する工程を、例えば５〜５０回繰り返すことで、量子井戸部を形成することが可能となる。
【０２１２】
また、この場合、量子井戸部を挟持する、ｎ型半導体層とｐ型半導体層も、本実施例による成膜装置により形成されるカーボン薄膜により、形成することが可能である。
【実施例１２】
【０２１３】
また、本発明による光電変換素子は、上記成膜装置２００に限定されず、様々な装置で形成することが可能であり、例えば次に示す図１８は、本発明による光電変換素子を形成することが可能な、別の成膜装置の一例を、模式的に示した図である。
【０２１４】
図１８を参照するに、本図に示した成膜装置３００は、いわゆるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置である。前記成膜装置３００は、例えば真空ポンプよりなる減圧手段３０７によって内部を減圧状態とすることが可能な減圧容器３０１を有し、当該減圧容器３０１の内部には、基板Ｗを保持する、加熱手段３０２Ａが付された保持台２０３が設置されている。また、前記減圧容器３０１の内部は、前記保持台３０２が設置された側に形成された、処理空間３０１Ａと、当該処理空間３０１Ａに隣接し、当該処理空間３０１Ａに連通する、当該処理空間３０１Ａより容量が小さい処理空間３０１Ｂに大別される。前記処理空間３０１Ｂの外側には、電磁石３０３が設置され、さらに前記処理空間３０１Ｂには、マイクロ波電源３０４からマイクロ波が供給されて、例えばＨ２ガスが供給されることで、ＥＣＲプラズマが励起される構造になっている。
【０２１５】
また、前記処理空間３０１Ａには、前記処理空間３０１Ａに、処理ガスを供給する、ガスライン３０５が接続されている。当該ガスライン３０５には、例えば、バルブ３０８ａ、流量調整器３０８ｂ、および圧力調整器３０８ｃを介してＮＨ３供給源が、また、バルブ３０９ａ、流量調整器３０９ｂ、および圧力調整器３０９ｃを介してＰＨ３供給源が、また、バルブ３１０ａ、流量調整器３１０ｂ、および圧力調整器３１０ｃを介してＢ２Ｈ６供給源が、また、バルブ３１１ａ、流量調整器３１１ｂ、および圧力調整器３１１ｃを介してＣ２Ｈ４供給源が、また、バルブ３１２ａ、流量調整器３１２ｂ、および圧力調整器３１２ｃを介してＣＨ４供給源が、また、バルブ３１４ａ、流量調整器３１４ｂ、および圧力調整器３１３ｃを介してＨ２供給源が、それぞれ接続されている。また、Ｈ２供給源は、バルブ３１３ａ、流量調整器３１３ｂおよび圧力調整器３１３ｃを介して、前記処理空間３０１Ｂに接続されるガスライン３０６にも接続されている。また、これらは、減圧容器内に供給される処理ガスの一例であり、他にも様々なガスを接続して処理ガスとして用いることが可能である。
【０２１６】
上記成膜装置３００を用いて、実施例１１に記載した場合と同様にして、本発明による光電変換素子を形成することが可能である。また、本実施例による成膜装置を用いた場合には、プラズマ密度が高い領域、すなわち前記処理空間３０１Ｂより解離した領域で基板が保持され、成膜が行われるため、形成されるカーボン薄膜の欠陥量発生が抑制される効果を奏する。
【０２１７】
また、本発明による光電変換素子は、上記の成膜装置に限定されず、他の成膜装置においても同様に形成することが可能である。
【０２１８】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０２１９】
本発明によれば、低コストで製造が可能であり、光電変換効率の高い、光電変換素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０２２０】
【図１】（Ａ）は、実施例１による光電変換素子を示した階略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ断面のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。
【図２】図１の光電変換素子の量子井戸部の構造を模式的に示した斜視図である。
【図３】図２の量子井戸部の変形例を示す斜視図である。
【図４】図２の量子井戸部の別の変形例を示す斜視図である。
【図５】（Ａ）は図４の量子井戸部の断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ）は、図１の光電変換素子を構成する層の詳細な構造の例について示した図である。
【図７】実施例２による光電変換素子のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。
【図８】実施例３による光電変換素子のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。
【図９】実施例４による光電変換素子のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。
【図１０】実施例５による光電変換素子のエネルギーバンドの状態を模式的に示した図である。
【図１１】（Ａ）は図１０に示した光電変換素子の量子井戸部を模式的に示した図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示した量子井戸部の断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示した図である。
【図１２】実施例６による光電変換素子の量子井戸部の断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示した図である。
【図１３】実施例７による光電変換素子の量子井戸部の断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示した図である。
【図１４】（Ａ）は実施例８による光電変換素子の量子井戸部を模式的に示した図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示した量子井戸部の断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示した図である。
【図１５】（Ａ）は実施例９による光電変換素子の量子井戸部を模式的に示した図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示した量子井戸部の断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示した図である。
【図１６】（Ａ）は実施例１０による光電変換素子の量子井戸部を模式的に示した図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示した量子井戸部の断面のエネルギー状態と、ｓｐ２／ｓｐ３結合比、および水素またはハロゲンの含有量を模式的に示した図である。
【図１７】本発明による光電変換素子を形成可能な成膜装置の一例の図（その１）である。
【図１８】本発明による光電変換素子を形成可能な成膜装置の一例の図（その２）である。
【符号の説明】
【０２２１】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ  光電変換素子
１０１，１０２，１０１Ａ，１０２Ａ  電極
１０３  基板
１０４  光制御層
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ  量子井戸部
１１，１１Ａ，１１Ｂ  井戸部
１１ａ，１１ｂ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ  量子ドット
１１ｈ  キャリアブロック層
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２ａ  壁層
２０，２０Ｂ，２０Ｃ  第１の半導体層
２１，２１Ｂ  ｐ型半導体層
２２，２２Ａ，２２Ｃ  ｐ＋型半導体層
３０  第２の半導体層
３１，３１Ａ  ｎ＋型半導体層
３２Ａ  ｎ型半導体層
２００，３００  成膜装置
２０１，３０１  減圧容器
３０１Ａ，３０１Ｂ  処理空間
２０２  ガス供給部
２０３，３０２  保持台
２０３Ａ，３０２Ａ  加熱手段
２０４，２０５  高周波電源
２０６，２０７  排気手段
３０３  電磁石
３０４  マイクロ波電源
２０７，３０６，３０５  ガスライン
２０８ａ，２０９ａ，２０９ａ，２１０ａ，２１１ａ，２１２ａ，２１３ａ，３０８ａ，３０９ａ，３１０ａ,３１１ａ，３１２ａ，３１３ａ，３１４ａ  バルブ
２０８ｂ，２０９ｂ，２０９ｂ，２１０ｂ，２１１ｂ，２１２ｂ，２１３ｂ，３０８ｂ，３０９ｂ，３１０ｂ,３１１ｂ，３１２ｂ，３１３ｂ，３１４ｂ  流量調整器
２０８ｃ，２０９ｃ，２０９ｃ，２１０ｃ，２１１ｃ，２１２ｃ，２１３ｃ，３０８ｃ，３０９ｃ，３１０ｃ,３１１ｃ，３１２ｃ，３１３ｃ  圧力調整器
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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