多積層量子ドット構造体および製造方法、それを用いた太陽電池素子および発光素子
【課題】工程を増加させる歪補償層を成長させることなく、簡単な構造をとる通常のＧａＡｓ層を量子ドット層の中間層として設け、各層の成長速度を従来のものより早くする多積層量子ドット構造体および製造方法を得る。
【解決手段】ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体では、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体６は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層３と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドット４を埋め込むようにＩｎＧａＡｓ薄膜層３上に設けたＧａＡｓバッファ層５から構成するＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層して構成する。
【解決手段】ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体では、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体６は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層３と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドット４を埋め込むようにＩｎＧａＡｓ薄膜層３上に設けたＧａＡｓバッファ層５から構成するＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層して構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光・発光素子に関し、特に多積層量子ドット構造体および製造方法、それを用いた太陽電池素子および発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドットを用いる半導体受光・発光素子においては、特性向上のため、高密度化が必須である。量子ドットを高密度化する方法としては、面内のドット密度を増加させる方法と、量子ドット層を多積層化する方法とがある。特に太陽電池構造への応用を考える場合には、量子ドットが上下、及び面内方向で整列することが必要である。
【０００３】
しかしながら量子ドットを多積層化する方法では、量子ドットは格子不整合系の結晶成長を利用するため、多積層化によって格子歪が結晶中に蓄積することによって転位や欠陥が生じ、特にＩｎＡｓ量子ドットでは、その結晶特性が著しく悪化することが知られている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
ＩｎＡｓ量子ドットを多積層化する場合、それぞれの量子ドット間の中間層を４０ｎｍ程度に厚くすれば、その良好な光学特性を保ったまま多積層化可能であるが、４０ｎｍの厚さではドット層間で上下にドットが並ぶことはなく、太陽電池構造に必要な整列構造は得られない。
【０００５】
この問題に対する一つの回答として、ＩｎＡｓ量子ドット間の中間層ＧａＡｓに、Ｎ（窒素）などの格子定数の少ない物質を添加し、ＧａＮＡｓ層を中間層とすることで格子歪を緩和し（歪補償層の利用）、多積層構造とするといった方法が提案されている。
しかしながら、Ｎという別の元素を必要とするため、他の分子線セルを準備する必要があるといった問題点が存在する（例えば非特許文献２参照）。
【０００６】
また、高品質な量子ドット構造を成長するためには、その成長速度は０．００６ＭＬ（分子層）／ｓ（秒）といった極めて遅い成長速度が必要とされてきた（例えば非特許文献３参照）。
その場合、量子ドットを多積層化するためには長い時間が必要となり、例えば１００層を積層しようとすると、ドット層だけで１２時間の時間を要し、非現実的なものとなる。
【０００７】
一方、ＩｎＡｓ量子ドット成長の高品質化については、Ａｓ２を用いることによってその結晶性が向上することを本発明者の共同研究者が提案している（特許文献１、２参照）。しかしながら、必要な太陽電池出力を得ることができる程度に量子ドット層を積層することは、歪補償層無しでは不可能と予想されていた。
さらには、量子ドットを備えた半導体受光・発光素子としては、レーザー用としての開発が優先して行われており、太陽電池としての開発は遅れていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−５３３２２号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４３７８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“L. Marti, N. Lopez, E. Antolin, E. Canovas, A. Luque, C. Stanley, C. Farmer, and P. Diaz, Appl. Phys. Lett. 90, (2007)233510.
【非特許文献２】“R. Oshima, T. Hashimoto, H. Shigekawa, and Y. Okada, J. Appl. Phys. 100, (2006) 083110.
【非特許文献３】“K. Yamaguchi, K. Yujobo, and T. Kaizu, Jpn. J. Appl. Phys. 39, (2000) L1245.
【非特許文献４】“T. Sugaya, T. Amano, and K. Komori, J. Appl. Phys. 104, (2008) 083106.
【非特許文献５】“R. Oshima, A. Takata, and Y. Okada, Appl. Phys. Lett. 93, 083111 (2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑み、工程を増加させる歪補償層を成長させることなく、簡単な構造をとる通常のＧａＡｓ層を量子ドット層の中間層として設け、各層の成長速度を従来のものより早くする多積層量子ドット構造体および製造方法を得ることを目的とする。
また、上記多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子および発光素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、上記目的を達成するために、基本的に、ＩｎＧａＡｓ量子ドットを設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層上に、ＧａＡｓバッファ層を設けたＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を用いる。このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体により、歪補償層無しで高速成長の量子ドット構造体を構成する。ＩｎＧａＡｓ薄膜層とＧａＡｓバッファ層のＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体における積層方向の端面は歪み無く平坦にできる。ＩｎＧａＡｓ量子ドットは、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を形成した後、その上に量子ドットとして成長させる。ＩｎＧａＡｓ薄膜層とＩｎＧａＡｓ量子ドットの成長は連続的に行われ、ＩｎＧａＡｓが自己形成的に量子ドットを構成するものである。
更には、上記ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を単位として、このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を必要な層数（段数）積層してＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体として、高出力を得るようにする。このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を用いるので、今まで達成することができなかったほどの数の層数積層することができる。
更には、上記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体をｉ層とし、このｉ層を挟んでＧａＡｓのｐ層およびｎ層を設けて太陽電池を構成することにより、高出力の太陽電池とすることができる。
【００１２】
ＩｎＧａＡｓはＧａＡｓに対する格子不整合の割合がＩｎＡｓに比べて小さいため、歪補償層無しで良好な光学特性を保ったまま多積層化することができる。
また、量子ドットの良好な結晶特性を保ったまま多積層化するためのバッファ層の厚さを薄くすることができる。
具体的には、従来ＩｎＡｓ量子ドットの多積層化には４０ｎｍ以上のバッファ層が必要であったが、本発明のＩｎＧａＡｓ系では２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにすることができる。中間層を２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにすることにより、量子ドット構造を成長方向に整列させることもできる。実際に、Ｉｎ組成を０．４としたＩｎＧａＡｓ量子ドット層を、２０ｎｍの中間層で１００層、良好な光学特性を保ったまま成長することに成功した。Ｉｎ組成については、０．３以上で０．５以下の範囲内の任意の値が望ましい。
【００１３】
一方０．１ＭＬ（分子層）／Ｓ（秒）以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度でもＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長することはできる。Ａｓ分子線としてよく用いられるＡｓ４（即ち、Ａｓ４）分子においても、それを高温で加熱して生成するＡｓ２（即ち、Ａｓ２）分子を用いても、それぞれ前記多積層化は可能である。
しかしながら、Ａｓ２を用いた方が多積層量子ドット構造体の光学特性は向上する。例えば１ＭＬ／Ｓの成長速度を用いてＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長した場合、ＩｎやＧａのIII族原子が十分拡散し、エネルギー的に安定なサイトに取り込まれなければ良好な光学特性は期待できない。特に高速な成長速度においては、それが顕著に必要になる。
Ａｓ２分子線によりIII族原子の拡散が促進されることは発明者らによって報告されており（非特許文献４参照）、多積層量子ドット構造体においても、高速成長の場合にはＡｓ２分子線によって成長した方が、光学特性は優れている。
【００１４】
以上説明した成長速度の大きい積層手段を適用すると、本発明の多積層量子ドット構造体は、ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で、最高では１ＭＬ／Ｓで多積層量子ドット構造体を成長させるようにすることができる。
さらに、その成長速度の速い多積層量子ドット構造体を用いて太陽電池構造や半導体レーザー構造を構成する。
ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法であって、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を設け、その上に複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよび前記ＩｎＧａＡｓ薄膜層上にＧａＡｓバッファ層を設け、前記一連の製造工程をＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える厚さの範囲内の任意の厚さで積層する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ量子ドットからなる多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を採用することにより、歪補償層無しで高速成長の量子ドット構造体を構成することができる。
更に、ＡｓとしてＡｓ２を用いることにより、歪補償層無しで、０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で高速成長させることができる、特に１ＭＬ／Ｓで達成することができる。
また、前記量子ドット構造体を用いることにより、これまでにない太陽電池素子および発光素子を構成することができる。特に歪みの極めて小さい優秀な結晶成長特性を呈しながら、高出力で超高効率な太陽電池構造へ応用できる。
本発明のＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体は波長９００ｎｍ以上に感度を持つので、このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を組み込んだ多積層量子ドット構造体を持つ本発明の太陽電池、発光素子は波長９００ｎｍ以上に吸収感度及び発光波長を持つように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の一実施形態の概略構成図である。
【図２】実際にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドットを５０層積層した構造体の断面透過型電子顕微鏡写真である。
【図３】多積層Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット構造体表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット層を１、２０、３０、５０層積層した構造体のフォトルミネッセンス発光特性である。
【図５】Ａｓ２とＡｓ４の分子線の効果を示したものである。
【図６】Ａｓ２を用いてバッファ層２０ｎｍで成長した多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を太陽電池構造に応用した実施例の模式図である。
【図７】本発明に従い作製した素子の特性図である。
【図８】本発明の太陽電池構造の、外部量子効率を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
図１には、本発明に従って構成された多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の望ましい実施形態が示されている。
多積層量子ドット構造体１は、ＧａＡｓ基板（図示省略）に、ＧａＡｓ層２を成長した後、上記ＧａＡｓ層２上にＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を必要段数積層してＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けて構成する。ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層３と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドット４を埋め込むようにＩｎＧａＡｓ薄膜層３上に設けたＧａＡｓバッファ層５から構成する。ＩｎＧａＡｓ薄膜層３を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ量子ドット４を成長させ、これらＩｎＧａＡｓ薄膜層３とＩｎＧａＡｓ量子ドット４の上にＧａＡｓバッファ層５を形成する。
【００１９】
ＧａＡｓバッファ層５の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにすることで、成長方向に整列したＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体が形成できる。
ＧａＡｓバッファ層５上にＩｎＧａＡｓ薄膜層３、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層４および、さらにＧａＡｓバッファ層５とＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を繰り返し積層することで、多積層構造を形成する。１００層以上積層しても、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層の場合、転移や結晶欠陥は発生しない。ＩｎＡｓ量子ドットで同様の積層を行うと、転移や欠陥が発生し、良好な多積層構造は形成できない。
製造時、ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法では、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を設け、その上に複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよび前記ＩｎＧａＡｓ薄膜層上にＧａＡｓバッファ層を設け、前記一連の製造工程をＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さで積層する。
【００２０】
図２に、実際にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット構造体を５０層積層した多積層量子ドット構造体の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。図２（ａ）は５０層積層した構造の断面透過型電子顕微鏡写真、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部を拡大した要部拡大図である。図２中の白い部分が量子ドット部分を表す。図２では、バッファ層は２０ｎｍであり、高さ５ｎｍ、幅３０ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体が、成長方向に整列して成長していることがわかる。このことから、多積層量子ドット構造体が、転移や結晶欠陥も無く、規則正しく形成されているといえる。
【００２１】
図３は、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット表面の走査型電子顕微鏡写真である。図３（ａ）は１層、図３（ｂ）は５０層、それぞれ積層したＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。図３中の４ａ、４ｂは量子ドットを示す。図３（ａ）の１層の場合にはドットが不規則に成長しているが、図３（ｂ）のように５０層成長させることで、［１−１０］方向に整列する傾向にあることがわかる。
【００２２】
図２および図３に示すように、ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体をＡｓ２分子線で多積層化することにより、成長方向、及びドット面内方向でＩｎＧａＡｓ量子ドットが整列する構造が作製可能であることがわかる。
【００２３】
図４に、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット構造体を１、２０、３０、５０層積層した構造体のフォトルミネッセンス発光特性を示す。横軸はWAVELENGTH（波長）（ｎｍ）、縦軸はPL INTENSITY（発光強さ）(a.u.)を表す。バッファ層は２０ｎｍである。図４（ａ）は室温（２５℃）で測定したもので、半値幅は４１．６ｍｅＶ、図４（ｂ）は１０Ｋ（低温）で測定したもので、半値幅は３７．０ｍｅＶである。なお、図中のＱＤは量子ドットの略である。
図４（ａ）の各特性のピークの値は下記表１のようになる。
【表１】
図４（ｂ）の各特性のピークの値は下記表２のようになる。
【表２】
ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の層数に応じて発光強度が強くなっていることがわかる。この結果から、光学特性に優れたバッファ層２０ｎｍの多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体が成長できていることがわかる。
【００２４】
図５は、Ａｓ２分子線の効果を示したものである。
Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドットを４層積層した。バッファ層は２０ｎｍであった。
図５の各特性のピークの値は下記表３のようになる。
【表３】
Ａｓ２で成長したＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体の方が、Ａｓ４で成長したものよりもフォトルミネッセンス発光強度が大きい。Ａｓ２分子線による、ＭＢＥ成長中のIII族元素の拡散促進により、結晶品質が向上する。これはＩｎＧａＡｓ量子ドットを１ＭＬ／Ｓ程度の高速で成長した時に顕著である。
【００２５】
図６は、Ａｓ２を用いてバッファ層２０ｎｍで成長した多積層Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット積層構造体を太陽電池構造に応用した実施例の模式図である。
太陽電池１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１２ａ上に、ｎ＋―ＧａＡｓ層、ｎ―ＧａＡｓ層の順にｎ層１２ｂを成長させ、その上にＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体１６を１０，２０，又は３０層等任意数層積層してｉ層１３を形成する。
ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体１６は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット１３ａを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層１３ｂを形成し、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１３ａを埋め込むＧａＡｓバッファ層１３ｃを成長させて構成する。バッファ層は２０ｎｍで積層した。
【００２６】
ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体層１３はドーピングせず半絶縁性である。ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体層１３の上にはｐ−ＧａＡｓ層、ｐ＋−ＧａＡｓ層のＧａＡｓ層１４ａからなるｐ層１４を順に成長させ、表面のコンタクトとしてＴｉ／Ａｕ電極１５、裏面電極にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１１をそれぞれ設ける。ただし表面において、ＡＲコート等反射防止膜の堆積は行っていない。
積層構造の成長方法はこれまでに述べた通り、Ａｓ２を用いて成長速度１ＭＬ／Ｓで行った。
この例では、
ｐ＋−ＧａＡｓ層は１×１０１９／ｃｍ３：５０ｎｍ、
ｐ−ＧａＡｓ層は２×１０１８／ｃｍ３：１５０ｎｍ、
ｉ層（量子ドット＋ＧａＡｓ層２０ｎｍ）は１０、２０、３０周期積層、
ｎ―ＧａＡｓ層は１×１０１７／ｃｍ３：１０００ｎｍ、
ｎ＋―ＧａＡｓ層は１×１０１８／ｃｍ３：２５０ｎｍ、
電極１１のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの配分は８０ｎｍ／２０ｎｍ／３５０ｎｍ、
電極１５のＴｉ／Ａｕの配分は５０ｎｍ／５００ｎｍ、に構成されている。
【００２７】
このようにして本発明の多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子（多積層量子ドット太陽電池）の特性を種々取ってみた所、図７に示すように、望ましい特性を得ることができた。
図７の縦軸はCurrent Density（電流密度）（ｍＡ／ｃｍ２）、横軸はVoltage（ｖ）を表し、電流密度ゼロの点はVoc（開放電圧）（ｖ）、電圧ゼロの点はJsc(短絡電流)（ｍＡ／ｃｍ２）を表し、ＦＦは特性の形状を表す。また、図中には、参考として本発明の多積層量子ドット構造体を有しないＧａＡｓ太陽電池の特性も合わせて示してある。
【００２８】
図７の多積層量子ドット太陽電池特性を下記表４に示す。
【表４】
同図横軸が太陽電池のかかる電圧Ｖ、縦軸がその時の電流Ｉである。これらの特性から導出される本太陽電池の変換効率は、ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体層が１０，２０，３０層のもので、それぞれ８．９、８．０、７．０％であった。非特許文件５では、反射防止膜を表面に堆積した状態で、ＩｎＡｓ量子ドット層を１０層、２０層積層した構造で、それぞれ８．５、５．７％である。本素子は反射防止膜を堆積していないにもかかわらず、それらの値よりも良い効率を実現している。反射防止膜の堆積により、さらに約１％の変換効率向上が見込まれる。
【００２９】
図８は、本太陽電池構造の、外部量子効率を示した図である。
図８の特性を下記表５に示す。
【表５】
ＧａＡｓ太陽電池の吸収帯よりも長波長側（８７０ｎｍ以上）において、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層による吸収が見られ、また量子ドットの積層数に応じて量子効率が増加していることがわかる。これらの結果から、本発明の多積層量子ドット太陽電池（多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を用いた太陽電池）は、ＧａＡｓやＳｉでは吸収できない長波長の光を吸収し、電流とすることができる。
【００３０】
上記多積層のＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体をレーザーとして応用する場合でも、層構造は図６と同様である。量子ドットのＩｎ組成や成長時間を変化することで、発振波長も可変である。
【００３１】
本発明では、ＧａＡｓバッファ層の上にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット層を直接成長したが、その間に例えばＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を２ｎｍ程度、結晶欠陥が発生しない程度の厚さを挟むことにより、量子ドット層の歪が緩和され、さらに高品質な積層構造が作製できる可能性がある。またこの場合は歪緩和効果により、太陽電池はさらに長波長領域でも光応答特性を持つことになり、太陽電池特性の向上が期待される。
【００３２】
また、ＧａＡｓバッファ層中に薄いＧａＡｓＰ層を導入することにより、ＩｎＧａＡｓ量子ドットの層の歪を補償することも可能である。この歪補償技術によっても、積層構造の高品質化が可能と思われる。
以上説明した優秀な結晶成長特性を呈する量子ドット構造は、超高効率な太陽電池構造の他に、低閾（しきい）値の半導体レーザー等への応用が期待できる。
【符号の説明】
【００３３】
１ 多積層量子ドット構造体
２ ＧａＡｓ層
３ ＩｎＧａＡｓ薄膜層
４ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
５ ＧａＡｓ層
６ ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光・発光素子に関し、特に多積層量子ドット構造体および製造方法、それを用いた太陽電池素子および発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドットを用いる半導体受光・発光素子においては、特性向上のため、高密度化が必須である。量子ドットを高密度化する方法としては、面内のドット密度を増加させる方法と、量子ドット層を多積層化する方法とがある。特に太陽電池構造への応用を考える場合には、量子ドットが上下、及び面内方向で整列することが必要である。
【０００３】
しかしながら量子ドットを多積層化する方法では、量子ドットは格子不整合系の結晶成長を利用するため、多積層化によって格子歪が結晶中に蓄積することによって転位や欠陥が生じ、特にＩｎＡｓ量子ドットでは、その結晶特性が著しく悪化することが知られている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
ＩｎＡｓ量子ドットを多積層化する場合、それぞれの量子ドット間の中間層を４０ｎｍ程度に厚くすれば、その良好な光学特性を保ったまま多積層化可能であるが、４０ｎｍの厚さではドット層間で上下にドットが並ぶことはなく、太陽電池構造に必要な整列構造は得られない。
【０００５】
この問題に対する一つの回答として、ＩｎＡｓ量子ドット間の中間層ＧａＡｓに、Ｎ（窒素）などの格子定数の少ない物質を添加し、ＧａＮＡｓ層を中間層とすることで格子歪を緩和し（歪補償層の利用）、多積層構造とするといった方法が提案されている。
しかしながら、Ｎという別の元素を必要とするため、他の分子線セルを準備する必要があるといった問題点が存在する（例えば非特許文献２参照）。
【０００６】
また、高品質な量子ドット構造を成長するためには、その成長速度は０．００６ＭＬ（分子層）／ｓ（秒）といった極めて遅い成長速度が必要とされてきた（例えば非特許文献３参照）。
その場合、量子ドットを多積層化するためには長い時間が必要となり、例えば１００層を積層しようとすると、ドット層だけで１２時間の時間を要し、非現実的なものとなる。
【０００７】
一方、ＩｎＡｓ量子ドット成長の高品質化については、Ａｓ２を用いることによってその結晶性が向上することを本発明者の共同研究者が提案している（特許文献１、２参照）。しかしながら、必要な太陽電池出力を得ることができる程度に量子ドット層を積層することは、歪補償層無しでは不可能と予想されていた。
さらには、量子ドットを備えた半導体受光・発光素子としては、レーザー用としての開発が優先して行われており、太陽電池としての開発は遅れていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−５３３２２号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４３７８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“L. Marti, N. Lopez, E. Antolin, E. Canovas, A. Luque, C. Stanley, C. Farmer, and P. Diaz, Appl. Phys. Lett. 90, (2007)233510.
【非特許文献２】“R. Oshima, T. Hashimoto, H. Shigekawa, and Y. Okada, J. Appl. Phys. 100, (2006) 083110.
【非特許文献３】“K. Yamaguchi, K. Yujobo, and T. Kaizu, Jpn. J. Appl. Phys. 39, (2000) L1245.
【非特許文献４】“T. Sugaya, T. Amano, and K. Komori, J. Appl. Phys. 104, (2008) 083106.
【非特許文献５】“R. Oshima, A. Takata, and Y. Okada, Appl. Phys. Lett. 93, 083111 (2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑み、工程を増加させる歪補償層を成長させることなく、簡単な構造をとる通常のＧａＡｓ層を量子ドット層の中間層として設け、各層の成長速度を従来のものより早くする多積層量子ドット構造体および製造方法を得ることを目的とする。
また、上記多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子および発光素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、上記目的を達成するために、基本的に、ＩｎＧａＡｓ量子ドットを設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層上に、ＧａＡｓバッファ層を設けたＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を用いる。このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体により、歪補償層無しで高速成長の量子ドット構造体を構成する。ＩｎＧａＡｓ薄膜層とＧａＡｓバッファ層のＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体における積層方向の端面は歪み無く平坦にできる。ＩｎＧａＡｓ量子ドットは、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を形成した後、その上に量子ドットとして成長させる。ＩｎＧａＡｓ薄膜層とＩｎＧａＡｓ量子ドットの成長は連続的に行われ、ＩｎＧａＡｓが自己形成的に量子ドットを構成するものである。
更には、上記ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を単位として、このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を必要な層数（段数）積層してＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体として、高出力を得るようにする。このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を用いるので、今まで達成することができなかったほどの数の層数積層することができる。
更には、上記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体をｉ層とし、このｉ層を挟んでＧａＡｓのｐ層およびｎ層を設けて太陽電池を構成することにより、高出力の太陽電池とすることができる。
【００１２】
ＩｎＧａＡｓはＧａＡｓに対する格子不整合の割合がＩｎＡｓに比べて小さいため、歪補償層無しで良好な光学特性を保ったまま多積層化することができる。
また、量子ドットの良好な結晶特性を保ったまま多積層化するためのバッファ層の厚さを薄くすることができる。
具体的には、従来ＩｎＡｓ量子ドットの多積層化には４０ｎｍ以上のバッファ層が必要であったが、本発明のＩｎＧａＡｓ系では２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにすることができる。中間層を２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにすることにより、量子ドット構造を成長方向に整列させることもできる。実際に、Ｉｎ組成を０．４としたＩｎＧａＡｓ量子ドット層を、２０ｎｍの中間層で１００層、良好な光学特性を保ったまま成長することに成功した。Ｉｎ組成については、０．３以上で０．５以下の範囲内の任意の値が望ましい。
【００１３】
一方０．１ＭＬ（分子層）／Ｓ（秒）以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度でもＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長することはできる。Ａｓ分子線としてよく用いられるＡｓ４（即ち、Ａｓ４）分子においても、それを高温で加熱して生成するＡｓ２（即ち、Ａｓ２）分子を用いても、それぞれ前記多積層化は可能である。
しかしながら、Ａｓ２を用いた方が多積層量子ドット構造体の光学特性は向上する。例えば１ＭＬ／Ｓの成長速度を用いてＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長した場合、ＩｎやＧａのIII族原子が十分拡散し、エネルギー的に安定なサイトに取り込まれなければ良好な光学特性は期待できない。特に高速な成長速度においては、それが顕著に必要になる。
Ａｓ２分子線によりIII族原子の拡散が促進されることは発明者らによって報告されており（非特許文献４参照）、多積層量子ドット構造体においても、高速成長の場合にはＡｓ２分子線によって成長した方が、光学特性は優れている。
【００１４】
以上説明した成長速度の大きい積層手段を適用すると、本発明の多積層量子ドット構造体は、ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で、最高では１ＭＬ／Ｓで多積層量子ドット構造体を成長させるようにすることができる。
さらに、その成長速度の速い多積層量子ドット構造体を用いて太陽電池構造や半導体レーザー構造を構成する。
ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法であって、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を設け、その上に複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよび前記ＩｎＧａＡｓ薄膜層上にＧａＡｓバッファ層を設け、前記一連の製造工程をＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える厚さの範囲内の任意の厚さで積層する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ量子ドットからなる多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を採用することにより、歪補償層無しで高速成長の量子ドット構造体を構成することができる。
更に、ＡｓとしてＡｓ２を用いることにより、歪補償層無しで、０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で高速成長させることができる、特に１ＭＬ／Ｓで達成することができる。
また、前記量子ドット構造体を用いることにより、これまでにない太陽電池素子および発光素子を構成することができる。特に歪みの極めて小さい優秀な結晶成長特性を呈しながら、高出力で超高効率な太陽電池構造へ応用できる。
本発明のＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体は波長９００ｎｍ以上に感度を持つので、このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を組み込んだ多積層量子ドット構造体を持つ本発明の太陽電池、発光素子は波長９００ｎｍ以上に吸収感度及び発光波長を持つように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の一実施形態の概略構成図である。
【図２】実際にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドットを５０層積層した構造体の断面透過型電子顕微鏡写真である。
【図３】多積層Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット構造体表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット層を１、２０、３０、５０層積層した構造体のフォトルミネッセンス発光特性である。
【図５】Ａｓ２とＡｓ４の分子線の効果を示したものである。
【図６】Ａｓ２を用いてバッファ層２０ｎｍで成長した多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を太陽電池構造に応用した実施例の模式図である。
【図７】本発明に従い作製した素子の特性図である。
【図８】本発明の太陽電池構造の、外部量子効率を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
図１には、本発明に従って構成された多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の望ましい実施形態が示されている。
多積層量子ドット構造体１は、ＧａＡｓ基板（図示省略）に、ＧａＡｓ層２を成長した後、上記ＧａＡｓ層２上にＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を必要段数積層してＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けて構成する。ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層３と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドット４を埋め込むようにＩｎＧａＡｓ薄膜層３上に設けたＧａＡｓバッファ層５から構成する。ＩｎＧａＡｓ薄膜層３を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ量子ドット４を成長させ、これらＩｎＧａＡｓ薄膜層３とＩｎＧａＡｓ量子ドット４の上にＧａＡｓバッファ層５を形成する。
【００１９】
ＧａＡｓバッファ層５の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにすることで、成長方向に整列したＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体が形成できる。
ＧａＡｓバッファ層５上にＩｎＧａＡｓ薄膜層３、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層４および、さらにＧａＡｓバッファ層５とＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を繰り返し積層することで、多積層構造を形成する。１００層以上積層しても、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層の場合、転移や結晶欠陥は発生しない。ＩｎＡｓ量子ドットで同様の積層を行うと、転移や欠陥が発生し、良好な多積層構造は形成できない。
製造時、ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法では、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を設け、その上に複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよび前記ＩｎＧａＡｓ薄膜層上にＧａＡｓバッファ層を設け、前記一連の製造工程をＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さで積層する。
【００２０】
図２に、実際にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット構造体を５０層積層した多積層量子ドット構造体の断面透過型電子顕微鏡写真を示す。図２（ａ）は５０層積層した構造の断面透過型電子顕微鏡写真、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部を拡大した要部拡大図である。図２中の白い部分が量子ドット部分を表す。図２では、バッファ層は２０ｎｍであり、高さ５ｎｍ、幅３０ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体が、成長方向に整列して成長していることがわかる。このことから、多積層量子ドット構造体が、転移や結晶欠陥も無く、規則正しく形成されているといえる。
【００２１】
図３は、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット表面の走査型電子顕微鏡写真である。図３（ａ）は１層、図３（ｂ）は５０層、それぞれ積層したＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の表面の走査型電子顕微鏡写真である。図３中の４ａ、４ｂは量子ドットを示す。図３（ａ）の１層の場合にはドットが不規則に成長しているが、図３（ｂ）のように５０層成長させることで、［１−１０］方向に整列する傾向にあることがわかる。
【００２２】
図２および図３に示すように、ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体をＡｓ２分子線で多積層化することにより、成長方向、及びドット面内方向でＩｎＧａＡｓ量子ドットが整列する構造が作製可能であることがわかる。
【００２３】
図４に、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット構造体を１、２０、３０、５０層積層した構造体のフォトルミネッセンス発光特性を示す。横軸はWAVELENGTH（波長）（ｎｍ）、縦軸はPL INTENSITY（発光強さ）(a.u.)を表す。バッファ層は２０ｎｍである。図４（ａ）は室温（２５℃）で測定したもので、半値幅は４１．６ｍｅＶ、図４（ｂ）は１０Ｋ（低温）で測定したもので、半値幅は３７．０ｍｅＶである。なお、図中のＱＤは量子ドットの略である。
図４（ａ）の各特性のピークの値は下記表１のようになる。
【表１】
図４（ｂ）の各特性のピークの値は下記表２のようになる。
【表２】
ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体の層数に応じて発光強度が強くなっていることがわかる。この結果から、光学特性に優れたバッファ層２０ｎｍの多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体が成長できていることがわかる。
【００２４】
図５は、Ａｓ２分子線の効果を示したものである。
Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドットを４層積層した。バッファ層は２０ｎｍであった。
図５の各特性のピークの値は下記表３のようになる。
【表３】
Ａｓ２で成長したＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体の方が、Ａｓ４で成長したものよりもフォトルミネッセンス発光強度が大きい。Ａｓ２分子線による、ＭＢＥ成長中のIII族元素の拡散促進により、結晶品質が向上する。これはＩｎＧａＡｓ量子ドットを１ＭＬ／Ｓ程度の高速で成長した時に顕著である。
【００２５】
図６は、Ａｓ２を用いてバッファ層２０ｎｍで成長した多積層Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット積層構造体を太陽電池構造に応用した実施例の模式図である。
太陽電池１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１２ａ上に、ｎ＋―ＧａＡｓ層、ｎ―ＧａＡｓ層の順にｎ層１２ｂを成長させ、その上にＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体１６を１０，２０，又は３０層等任意数層積層してｉ層１３を形成する。
ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体１６は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット１３ａを有するＩｎＧａＡｓ薄膜層１３ｂを形成し、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１３ａを埋め込むＧａＡｓバッファ層１３ｃを成長させて構成する。バッファ層は２０ｎｍで積層した。
【００２６】
ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体層１３はドーピングせず半絶縁性である。ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体層１３の上にはｐ−ＧａＡｓ層、ｐ＋−ＧａＡｓ層のＧａＡｓ層１４ａからなるｐ層１４を順に成長させ、表面のコンタクトとしてＴｉ／Ａｕ電極１５、裏面電極にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１１をそれぞれ設ける。ただし表面において、ＡＲコート等反射防止膜の堆積は行っていない。
積層構造の成長方法はこれまでに述べた通り、Ａｓ２を用いて成長速度１ＭＬ／Ｓで行った。
この例では、
ｐ＋−ＧａＡｓ層は１×１０１９／ｃｍ３：５０ｎｍ、
ｐ−ＧａＡｓ層は２×１０１８／ｃｍ３：１５０ｎｍ、
ｉ層（量子ドット＋ＧａＡｓ層２０ｎｍ）は１０、２０、３０周期積層、
ｎ―ＧａＡｓ層は１×１０１７／ｃｍ３：１０００ｎｍ、
ｎ＋―ＧａＡｓ層は１×１０１８／ｃｍ３：２５０ｎｍ、
電極１１のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの配分は８０ｎｍ／２０ｎｍ／３５０ｎｍ、
電極１５のＴｉ／Ａｕの配分は５０ｎｍ／５００ｎｍ、に構成されている。
【００２７】
このようにして本発明の多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子（多積層量子ドット太陽電池）の特性を種々取ってみた所、図７に示すように、望ましい特性を得ることができた。
図７の縦軸はCurrent Density（電流密度）（ｍＡ／ｃｍ２）、横軸はVoltage（ｖ）を表し、電流密度ゼロの点はVoc（開放電圧）（ｖ）、電圧ゼロの点はJsc(短絡電流)（ｍＡ／ｃｍ２）を表し、ＦＦは特性の形状を表す。また、図中には、参考として本発明の多積層量子ドット構造体を有しないＧａＡｓ太陽電池の特性も合わせて示してある。
【００２８】
図７の多積層量子ドット太陽電池特性を下記表４に示す。
【表４】
同図横軸が太陽電池のかかる電圧Ｖ、縦軸がその時の電流Ｉである。これらの特性から導出される本太陽電池の変換効率は、ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体層が１０，２０，３０層のもので、それぞれ８．９、８．０、７．０％であった。非特許文件５では、反射防止膜を表面に堆積した状態で、ＩｎＡｓ量子ドット層を１０層、２０層積層した構造で、それぞれ８．５、５．７％である。本素子は反射防止膜を堆積していないにもかかわらず、それらの値よりも良い効率を実現している。反射防止膜の堆積により、さらに約１％の変換効率向上が見込まれる。
【００２９】
図８は、本太陽電池構造の、外部量子効率を示した図である。
図８の特性を下記表５に示す。
【表５】
ＧａＡｓ太陽電池の吸収帯よりも長波長側（８７０ｎｍ以上）において、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層による吸収が見られ、また量子ドットの積層数に応じて量子効率が増加していることがわかる。これらの結果から、本発明の多積層量子ドット太陽電池（多積層ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を用いた太陽電池）は、ＧａＡｓやＳｉでは吸収できない長波長の光を吸収し、電流とすることができる。
【００３０】
上記多積層のＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体をレーザーとして応用する場合でも、層構造は図６と同様である。量子ドットのＩｎ組成や成長時間を変化することで、発振波長も可変である。
【００３１】
本発明では、ＧａＡｓバッファ層の上にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ量子ドット層を直接成長したが、その間に例えばＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を２ｎｍ程度、結晶欠陥が発生しない程度の厚さを挟むことにより、量子ドット層の歪が緩和され、さらに高品質な積層構造が作製できる可能性がある。またこの場合は歪緩和効果により、太陽電池はさらに長波長領域でも光応答特性を持つことになり、太陽電池特性の向上が期待される。
【００３２】
また、ＧａＡｓバッファ層中に薄いＧａＡｓＰ層を導入することにより、ＩｎＧａＡｓ量子ドットの層の歪を補償することも可能である。この歪補償技術によっても、積層構造の高品質化が可能と思われる。
以上説明した優秀な結晶成長特性を呈する量子ドット構造は、超高効率な太陽電池構造の他に、低閾（しきい）値の半導体レーザー等への応用が期待できる。
【符号の説明】
【００３３】
１ 多積層量子ドット構造体
２ ＧａＡｓ層
３ ＩｎＧａＡｓ薄膜層
４ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
５ ＧａＡｓ層
６ ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体であって、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層３と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドット４を埋め込むようにＩｎＧａＡｓ薄膜層３上に設けたＧａＡｓバッファ層５から構成するＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層して構成したことを特徴とする多積層量子ドット構造体。
【請求項２】
前記Ａｓの原料をＡｓ２としたことを特徴とする請求項１記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項３】
前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項４】
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を４層以上積層したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項５】
複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を、成長速度が０．１ＭＬ／Ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させたものとしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体を、ｐ型ＧａＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層で挟んでｐ−ｉ−ｎ構造としたことを特徴とする多積層量子ドット太陽電池素子。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体を、ｐ型ＧａＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層で挟んでｐ−ｉ−ｎ構造としたことを特徴とする多積層量子ドット発光素子。
【請求項８】
ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法であって、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を設け、その上に複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよび前記ＩｎＧａＡｓ薄膜層上にＧａＡｓバッファ層を設け、前記一連の製造工程をＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さで積層することを特徴とする多積層量子ドット構造体の製造方法。
【請求項１】
ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体であって、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドット４を設けたＩｎＧａＡｓ薄膜層３と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドット４を埋め込むようにＩｎＧａＡｓ薄膜層３上に設けたＧａＡｓバッファ層５から構成するＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層して構成したことを特徴とする多積層量子ドット構造体。
【請求項２】
前記Ａｓの原料をＡｓ２としたことを特徴とする請求項１記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項３】
前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項４】
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を４層以上積層したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項５】
複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を、成長速度が０．１ＭＬ／Ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させたものとしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体を、ｐ型ＧａＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層で挟んでｐ−ｉ−ｎ構造としたことを特徴とする多積層量子ドット太陽電池素子。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の多積層量子ドット構造体を、ｐ型ＧａＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層で挟んでｐ−ｉ−ｎ構造としたことを特徴とする多積層量子ドット発光素子。
【請求項８】
ＧａＡｓバッファ層上にＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体の製造方法であって、
前記ＩｎＧａＡｓ量子ドット積層構造体は、ＩｎＧａＡｓ薄膜層を設け、その上に複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよび前記ＩｎＧａＡｓ薄膜層上にＧａＡｓバッファ層を設け、前記一連の製造工程をＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体６を任意数層積層する分連続して行うと共に、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットおよびＩｎＧａＡｓ薄膜層を０．１ＭＬ／ｓ以上で１ＭＬ／Ｓ以下の範囲内の任意の成長速度で成長させ、前記ＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以下で０ｎｍを超える範囲内の任意の厚さで積層することを特徴とする多積層量子ドット構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−４０４５９（Ｐ２０１１−４０４５９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８４３３０（Ｐ２００９−１８４３３０）
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「新エネルギー技術研究開発／革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）／高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構委託研究「新エネルギー技術研究開発／革新的太陽光発電技術研究開発（革新型太陽電池国際研究拠点整備事業）／高度秩序構造を有する薄膜多接合太陽電池の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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