太陽電池素子、カラーセンサ、ならびに発光素子及び受光素子の製造方法
【課題】優れた発電効率を備える太陽電池素子を提供する。
【解決手段】太陽電池素子１００は、基板１１０と、マスクパターン１２０と、半導体ナノロッド１３０と、第１の電極１５０と、第２の電極１６０とを有する。半導体ナノロッド１３０は、基板１１０上に平面視三角格子状に配置されており、相隣り合う半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離ｐと、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にある。半導体ナノロッド１３０は、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッド１３１と、真性半導体からなり中心ナノロッド１３１を被覆する第１の被覆層１３２と、第２の導電型の半導体からなり第１の被覆層１３２を被覆する第２の被覆層１３８とを有する。
【解決手段】太陽電池素子１００は、基板１１０と、マスクパターン１２０と、半導体ナノロッド１３０と、第１の電極１５０と、第２の電極１６０とを有する。半導体ナノロッド１３０は、基板１１０上に平面視三角格子状に配置されており、相隣り合う半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離ｐと、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にある。半導体ナノロッド１３０は、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッド１３１と、真性半導体からなり中心ナノロッド１３１を被覆する第１の被覆層１３２と、第２の導電型の半導体からなり第１の被覆層１３２を被覆する第２の被覆層１３８とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ナノロッドを有する太陽電池素子およびカラーセンサ、ならびに半導体ナノロッドを有する発光素子および受光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１．太陽電池素子
半導体ナノロッド（ナノワイヤ）を有する太陽電池素子は、入射光に対する表面積を大きくすることができるため、薄膜型の太陽電池素子よりも発電効率の点で優れていると考えられている。近年、半導体ナノロッドを有する太陽電池素子について、いくつかの報告がなされている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１の太陽電池素子（光起電力デバイス）は、基板と、前記基板上に形成された多層膜と、前記多層膜上に形成された細長いナノ構造体とを有する。多層膜およびナノ構造体は、それぞれｐ−ｎ接合を含む。また、多層膜およびナノ構造体は、トンネル接合で接続されたタンデム接合を形成している。
【０００４】
特許文献２の太陽電池素子（光起電力装置）は、基板と、前記基板上に形成された第１の導電型の細長いナノ構造体と、前記ナノ構造体を被覆する第２の導電型のコンフォーマル層とを有する。第１の導電型のナノ構造体および第２の導電型のコンフォーマル層は、ｐ−ｎ接合を形成している。
【０００５】
非特許文献１，２には、半導体ナノロッドの動径方向にｐ−ｎ接合を形成したコアシェル型太陽電池の発電効率について記載されている。また、特許文献３および非特許文献３，４には、半導体ナノロッドからなるタンデム型の太陽電池について記載されている。
【０００６】
一方、従来からよく知られている薄膜型のタンデム型太陽電池素子については、数多くの報告がなされている（例えば、非特許文献５，６参照）。非特許文献５には、薄膜型のタンデム型高効率太陽電池素子について記載されている。非特許文献６には、ｐ−ｎ接合を利用した薄膜型の太陽電池素子であって、ｐ−ｎ接合の界面部分に形成された真性層（ｉ層）内に超格子構造を形成した太陽電池素子が記載されている。この太陽電池素子は、ｐ層、ｉ層およびｎ層の各層を構成する半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さい半導体からなる量子井戸層をｉ層内に含む超格子構造を有する。このように超格子構造を有する太陽電池は、ｐ層、ｉ層およびｎ層の各層を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーの光を利用することができる。
【０００７】
２．カラーセンサ
可視光に含まれる赤色光、緑色光および青色光に対応する波長成分を電気信号に変換する半導体光検知素子としてカラーセンサが知られている（例えば、特許文献４，５、非特許文献７参照）。
【０００８】
特許文献４には、半導体シリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との混晶（ＳｉＧｅ）からなる光吸収部を有するカラーセンサについて記載されている。このカラーセンサは、基板上にＳｉＧｅの混晶からなる光吸収層を３層有している。各層におけるＳｉとＧｅとの混晶比率は、上層、中層、下層と順次変えられている。上層では青色光が吸収され、中層では緑色光が吸収され、下層では赤色光が吸収される。
【０００９】
特許文献５には、ガラス製基体上に形成された３層のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層を有するカラーセンサについて記載されている。各層の間には、透明なコンタクトが形成されている。それぞれのａ−Ｓｉ層は、ダイオードを構成する。ａ−Ｓｉ層の各層において、赤色光、緑色光および青色光が吸収され、光起電力が発生する。
【００１０】
非特許文献７には、ａ−Ｓｉを用いたカラーセンサについて記載されている。
【００１１】
また、半導体ナノロッドを利用したｐ−ｎ接合型光検知素子についても報告されている（例えば、特許文献６参照）。
【００１２】
特許文献６には、５００ｎｍ未満の最小幅を有する自立型半導体ナノロッドについて記載されている。また、この半導体ナノロッドは、ｎ型半導体およびｐ型半導体を含むものであってもよく、光検出器やｐ−ｎ太陽電池などの電気部品となりうると記載されている。
【００１３】
３．発光素子および受光素子の製造方法
半導体ナノロッドを有するｐ−ｎ接合型発光素子（ＬＥＤ）の製造方法について報告されている（例えば、特許文献７参照）。
【００１４】
特許文献７には、基板上に複数の開口部を有する絶縁膜を形成し、前記開口部からｐ−ｎ接合を有する半導体ナノロッドを成長させて、ｐ−ｎ接合型発光素子（ＬＥＤ）を製造する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−１８２２２６号公報
【特許文献２】特開２００８−５３７３０号公報
【特許文献３】特開２００８−２８１１８号公報
【特許文献４】特開２００７−２７４６２号公報
【特許文献５】特表２００１−５１５２７５号公報
【特許文献６】特表２００４−５３５０６６号公報
【特許文献７】特開２００９−０４９２０９号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】E. C. Garnett, et al., "Silicon nanowire radial p-n junction solar cells", Journal of American Chemical Society, Vol.130, (2008), pp.9224-9225.
【非特許文献２】B. Tian, et al., "Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectric power sources", Nature, Vol.449, (2007), pp.885-889.
【非特許文献３】T. J. Kempa, et al., "Single and tandem axial p-i-n nanowire photovoltaic devices", Nano letters, Vol.8, (2008), pp.3456-3460.
【非特許文献４】A. Kandala, et al., "General theoretical considerations on nanowire solar cell designs", Physica Status Solidi (a), Vol.206, (2009), pp.173-178.
【非特許文献５】R. R. King, et al., "40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells", Applied Physics Letters, Vol.90, (2007), pp.183516-1-183516-3.
【非特許文献６】K. W. J. Barnham, et al., "A new approach to high-efficiency multi-bandgap solar cells", Journal of Applied Physics, Vol.67, (1990), pp.3490-3493.
【非特許文献７】M. Topic, et al., "Stacked a-SiC:H/a-Si:H heterostructures for bias-controlled three-color detectors", Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.198-200, (1996), pp.1180-1184.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
１．太陽電池素子
特許文献１〜３および非特許文献１，２に記載の半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子には、ｐ−ｎ接合（またはｐ−ｉ−ｎ接合）を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーの光を利用できないという問題がある。したがって、従来の半導体ナノロッドを有する太陽電池素子では、発電効率の更なる向上を望むことは難しい。
【００１８】
また、特許文献１に記載の半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子には、基板上の多層膜と半導体ナノロッドとの接合界面において結晶の格子定数差に起因する転位が発生し、太陽電池素子の性能が低下してしまうという問題もある。
【００１９】
さらに、特許文献３および非特許文献３，４に記載の半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子には、光照射により発生したキャリアのうち半導体ナノロッドの表面に拡散したキャリアが表面準位に捕獲されてしまうため、発電効率が低下してしまうという問題がある。
【００２０】
一方、非特許文献６に記載の薄膜型の従来の太陽電池素子では、超格子構造内に量子井戸層を数ｎｍ以内の間隔で複数配置して、隣接する量子井戸層内の電子または正孔の波動関数が重なり合うようにすれば、一つの量子井戸層で発生したキャリア（電子および正孔）の再結合を防止して、発電効率を向上させることができる。しかしながら、従来の構造では、量子井戸層を数ｎｍ以内の間隔で複数配置すると、異種接合に起因する結晶格子の歪みが増大してしまい、結晶転位が発生してしまう。この結晶転位は、太陽電池素子の性能を低下させてしまう。なお、量子井戸層ではなく量子ドットを含む埋設層を配置する場合も同様の課題が生じる。
【００２１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発電効率がより高い太陽電池素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
２．カラーセンサ
特許文献４，５および非特許文献７に記載の従来のカラーセンサには、入射光の一部が平坦な半導体表面における反射により失われてしまうため、入射光を十分に利用できないという問題がある。
【００２３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、反射損失がより少ないカラーセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２４】
３．発光素子および受光素子の製造方法
特許文献７に記載の従来の製造方法には、発光素子と受光素子を別個の製造工程で製造するため、製造コストの観点から問題がある。
【００２５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発光素子および受光素子をより高い効率で製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明者らは、半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子において十分な発電効率が得られない理由について検討した結果、前記従来の太陽電池素子では入射光を十分に吸収できない場合があることを知見した。本発明者らは、前記知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、前記半導体ロッドを基板上に平面視三角格子状に配置したときに、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄを所定の範囲とすることにより、入射光の反射率を低減し、吸収を大にすることができることを見出し、本発明に到達した。
【００２７】
そこで、前記目的を達成するために、本発明の太陽電池素子は、基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、前記半導体ナノロッドは、基板上に平面視三角格子状に配置されており、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にあり、前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、真性半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有することを特徴とする。
【００２８】
尚、本願において、「三角格子」とは、任意の三角形の各辺に平行な複数の直線の交点を格子点とする格子を意味するものとする。
【００２９】
本発明の太陽電池素子によれば、基板上に平面視三角格子状に配置された前記半導体ナノロッドにおいて、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にあることにより、入射光の反射率を低減し、吸収を大にすることができる。ｐ／ｄが１未満または７より大きいときには、入射光の反射率を十分に低減することができない。
【００３０】
また、入射光の反射率を低減するために、ｐ／ｄは１．５〜５の範囲にあることがさらに好ましい。
【００３１】
また、本発明の太陽電池素子によれば、前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、真性半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有する。ここで、第１の導電型はｎ型又はｐ型であり、第２の導電型は第１の導電型がｎ型であるときはｐ型であり、第１の導電型がｐ型であるときはｎ型である。
【００３２】
従って、前記中心ナノロッドと、前記第１の被覆層と、前記第２の被覆層とにより、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成することができる。
【００３３】
本発明の太陽電池素子は、前記第２の被覆層を被覆すると共に、前記第１の導電型の半導体、前記第２の導電型の半導体および前記真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの大きな半導体からなる表面保護層を有することが好ましい。
【００３４】
また、本発明の太陽電池素子において、前記中心ナノロッドは、第１の半導体からなり前記基板上に形成された第１の領域と、前記第１の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第２の半導体からなり前記第１の領域上に形成された第２の領域と、前記第２の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第３の半導体からなり前記第２の領域上に形成された第３の領域とを有することが好ましい。
【００３５】
本発明の太陽電池素子は、前記中心ナノロッドが前記第１〜第３の領域を有するときに、さらに、前記第３の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第４の半導体からなり前記第３の領域上に形成された第４の領域を有するものであってもよい。
【００３６】
また、本発明の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を有することが好ましい。このとき、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、前記第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなり前記量子障壁に挟持された量子井戸層とを有することが好ましい。またこのとき、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、第１の真性半導体と第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなる量子ドットとを含み前記量子障壁に挟持された埋設層とを有し、前記埋設層中で前記量子ドットは第１の真性半導体中に分散されていることが好ましい。
【００３７】
また、本発明の太陽電池素子は、基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、第２の導電型の半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第２の被覆層を被覆する第３の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第３の被覆層を被覆する第４の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第４の被覆層を被覆する第５の被覆層とを有し、前記第４の被覆層及び第５の被覆層を形成する半導体は、前記第第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有し、前記第第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体は、前記第１の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする。
【００３８】
前記前記第１の被覆層が、量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を有する太陽電池素子は、基板の表面に、開口部を有するマスクパターンを形成する工程と、前記開口部から露出する前記基板の表面に、第１の導電型の半導体を結晶成長させることにより中心ナノロッドを形成する工程と、前記中心ナノロッドの周囲に、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法又は化学気相堆積法により真性半導体からなる第１の被覆層を形成する工程と、前記第１の被覆層の周囲に、第２の導電型の半導体からなる第２の被覆層を形成する工程と、第１の電極および第２の電極を形成する工程とを備える太陽電池素子の製造方法であって、前記第１の被覆層は、第１の組成の原料ガスを供給することにより量子障壁層を形成したのち、第２の組成の原料ガスを供給することにより量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を形成する製造方法により製造することができる。
【００３９】
次に、本発明のカラーセンサは、基板と、前記基板の表面に配置されたマスクパターンであって、前記マスクパターンはＲＧＢに対応する３以上の領域に区分されており、かつ前記３以上の領域のそれぞれには開口部が形成されているマスクパターンと、前記半導体基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸しｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を有する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有するカラーセンサであって、前記半導体ナノロッドの組成は、前記３以上の領域ごとに異なることを特徴とする。
【００４０】
次に、本発明の発光素子および受光素子の製造方法は、発光素子および受光素子を同時に製造する製造方法であって、Ａ）表面をマスクパターンで被覆された基板を準備するステップであって、前記マスクパターンは、発光素子となる領域と受光素子となる領域とに区分されており、かつ前記発光素子となる領域および前記受光素子となる領域には、それぞれ、前記基板表面を露出させる２以上の開口部が形成されており、かつ前記開口部のサイズまたは前記開口部の中心間距離は、前記発光素子となる領域と前記受光素子となる領域とで異なる、ステップと、Ｂ）前記マスクパターンで被覆された基板から、前記開口部を通して半導体ナノロッドを成長させるステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップとを有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】半導体ナノロッドの配列を示す平面図。
【図２】実施の形態１の半導体ナノロッドアレイの構成を示す斜視図
【図３】半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄと、太陽電池素子の反射率との関係を示すグラフ。
【図４】実施の形態１の太陽電池素子の構成を示す斜視図。
【図５】実施の形態１の太陽電池素子の半導体ナノロッドの構造を示す図。
【図６】実施の形態２の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図７】実施の形態３の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図８】実施の形態４の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図９】実施の形態５の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１０】実施の形態６の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１１】実施の形態７の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１２】実施の形態８の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１３】実施の形態９のカラーセンサの構成を示す斜視図。
【図１４】実施の形態９のカラーセンサの製造方法を示す模式図。
【図１５】実施の形態９のカラーセンサの別の構成を示す斜視図。
【図１６】実施の形態１０の製造方法を説明するための斜視図。
【図１７】実施の形態１０の製造方法により製造された発受光素子の使用例を説明するための模式図。
【図１８】実施の形態１０の製造方法により製造された発受光素子の使用例を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
１．本発明の太陽電池素子
本発明の太陽電池素子は、基板、マスクパターン、２以上の半導体ナノロッド、第１の電極および第２の電極を有する。後述するように、本発明の太陽電池素子は、半導体ナノロッド内に量子井戸層または量子ドットを含むことを一つの特徴とする。
【００４３】
基板は、半導体ナノロッドを成長させうるものであれば特に限定されない。基板の材料の例には、半導体、ガラス、金属、プラスチック、セラミックなどが含まれる。基板を構成する半導体の例には、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などが含まれる。好ましい基板は、半導体基板である。半導体基板の表面から、半導体ナノロッドを形成しやすいためである。
【００４４】
マスクパターンは、基板表面に配置され、２以上の開口部を有する薄膜である。基板が半導体結晶基板の場合、マスクパターンは、基板を構成する半導体結晶の結晶軸（１１１）面上に配置されていることが好ましい。結晶軸（１１１）面から半導体ロッドの中心ナノロッドを成長させることにより、中心ナノロッドの延伸方向を半導体結晶の結晶軸（１１１）方向に揃えることができる。マスクパターンの材料は、半導体ナノロッドの中心ナノロッドの成長を阻害しうるものであれば特に限定されない。マスクパターンの材料の例には、無機絶縁材料、金属、プラスチック、セラミック、これらの組み合わせなどが含まれる。無機絶縁材料の例には、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどが含まれ、金属の例には、Ｗ、ＷＳｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＭｏＳｉ、Ｎｉ、ＮｉＳｉ、ＷＡｌ、ＴｉＡｌ、ＭｏＡｌなどが含まれる。マスクパターンの膜厚は、特に限定されず、数ｎｍ以上であればよい。また、マスクパターンの膜厚は、半導体ナノロッドの長さと同じ（数μｍ程度）であってもよい。
【００４５】
前述の通り、マスクパターンには、２以上の開口部が形成されている。開口部は基板表面まで貫通しており、開口部内では基板表面が露出している。開口部は、本発明の太陽電池素子を製造する際に、半導体ナノロッドの中心ナノロッド（後述）の成長位置、太さおよび形状を規定する。開口部の形状は、任意であり、例えば円形、三角形、四角形、六角形などであればよい。開口部のサイズ（直径）は、マスクパターンの製造歩留まりや製造精度などを含む製造コストの観点から、１０ｎｍ以上が好ましい。また、半導体ナノロッドが格子定数差を有するヘテロ接合を含む場合、結晶転位の発生密度を極力小さく抑える観点から、半導体ナノロッドの断面積および表面積は小さいことが好ましい。したがって、中心ナノロッドの断面積も小さいことが好ましい。これらの観点から、開口部のサイズ（直径）は、１０ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内であればよい。開口部の中心間距離は、５μｍ以下であればよい。後述するように、開口部は三角格子状に配列されていることが好ましい。前記「三角格子」とは、任意の三角形の各辺に平行な複数の直線の交点を格子点とする格子を意味するものであり、換言すれば前記開口部は六方最密配列で配置されていることになる（図１参照）。
【００４６】
半導体ナノロッドは、半導体からなる、直径数百ｎｍ以下、長さ数μｍ以下の構造体である。半導体ナノロッドは、基板（マスクパターン）の表面上に、その長軸が略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッドは、少なくとも、中心ナノロッドと、前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有する。中心ナノロッドは、基板表面からマスクパターンの開口部を通って上方に延伸しており、第１の導電型（ｎ型またはｐ型）の半導体からなる。第１の被覆層は、真性半導体からなる。第２の被覆層は、第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐ型またはｎ型）の半導体からなる。すなわち、中心ナノロッド（ｎ型またはｐ型半導体）、第１の被覆層（真性半導体）および第２の被覆層（ｐ型またはｎ型半導体）は、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。
【００４７】
中心ナノロッドには、導電体としての機能を有することも求められることから、中心ナノロッドの太さ（直径）は、電気伝導に関与するキャリアが空乏化しない１０ｎｍ以上であることが好ましい。前述の通り、半導体ナノロッドがヘテロ接合を含む場合、半導体ナノロッドの太さ（直径）は、結晶転位の発生密度を極力抑えられる範囲内であることが好ましい。また、半導体ナノロッドの長さは、配列された複数の半導体ナノロッドで入射光を無駄なく吸収する観点から、半導体材料の光吸収係数を考慮して設計されることが好ましい。これらの観点から、中心ナノロッドの太さ（直径）は、１０〜３００ｎｍの範囲内が好ましい。また、中心ナノロッドの長さは、０.５〜１０μｍの範囲内が好ましい。
【００４８】
第１の被覆層および第２の被覆層は、中心ナノロッドの外側に形成されるため、結晶欠陥となる転位を極力発生させないように形成されることが好ましい。また、第１の被覆層および第２の被覆層は、隣り合う半導体ナノロッド同士が接触しないように形成されることが好ましい。さらに、第２の被覆層が半導体ナノロッドの最表面に位置する場合、第２の被覆層には、電気的に低抵抗であること、およびその内側に位置する第１の被覆層に十分な量の光を透過させうることが求められる。これらの観点から、第１の被覆層の膜厚は、１０〜数百ｎｍの範囲内が好ましい。また、第２の被覆層の膜厚は、１０〜１００ｎｍの範囲内が好ましい。
【００４９】
中心ナノロッド、第１の被覆層および第２の被覆層の半導体材料はそれぞれ、単体半導体、２成分元素からなる半導体、３成分元素からなる半導体、４成分元素からなる半導体、それ以上の元素からなる半導体のいずれでもよい。単体半導体の例には、Ｓｉ、Ｇｅが含まれる。２成分元素からなる半導体の例には、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＺｎＴｅが含まれる。３成分元素からなる半導体の例には、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳＳｅ、ＧａＮＡｓが含まれる。４成分元素からなる半導体の例には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＩｎＡｓＮが含まれる。
【００５０】
中心ナノロッドは、単一の半導体から構成されていてもよいが、タンデム構造であってもよい。たとえば、中心ナノロッドは、第１の半導体からなる第１の領域と、第２の半導体からなる第２の領域と、第３の半導体からなる第３の領域とのタンデム構造であってもよい。また、中心ナノロッドは、第１の半導体からなる第１の領域と、第２の半導体からなる第２の領域と、第３の半導体からなる第３の領域と、第４の半導体からなる第４の領域とのタンデム構造であってもよい。もちろん、中心ナノロッドは、５以上の領域からなるタンデム構造であってもよい。このように中心ナノロッドがタンデム構造の場合、透明電極側の領域を構成する半導体ほどエネルギーバンドギャップが大きいことが好ましい。すなわち、基板側から第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域の順番で接続されている場合は、第４の半導体は、第３の半導体よりもエネルギーバンドギャップが大きく、第３の半導体は、第２の半導体よりもエネルギーバンドギャップが大きく、第２の半導体は、第１の半導体よりもエネルギーバンドギャップが大きいことが好ましい。
【００５１】
本発明の太陽電池素子は、真性半導体からなる第１の被覆層（ｉ層）を有する。第１の被覆層は、２以上の量子障壁層と、それに挟まれた量子井戸層とを有するか；または２以上の量子障壁層と、それに挟まれた量子ドットを含む埋設層とを有することを特徴とする。量子障壁層、量子井戸層、量子ドットおよび埋設層（量子ドット以外の部分）を構成する半導体は、いずれも真性半導体であるが、量子井戸層または量子ドットを構成する半導体のエネルギーバンドギャップは、量子障壁層を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さい。量子障壁層の厚さは、例えば０.５ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内であればよい。量子井戸層の厚さは、例えば１ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内であればよい。埋設層の厚さは、例えば１ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内であればよい。また、量子ドットを構成する半導体のエネルギーバンドギャップは、埋設層の量子ドット以外の部分を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さい。このような第１の被覆層を設けることで、中心ナノロッド（ｎ層またはｐ層）、第１の被覆層（ｉ層）および第２の被覆層（ｐ層またはｎ層）のエネルギーバンドギャップよりもエネルギーの小さい光を発電に利用することができるようになる。
【００５２】
量子井戸層または量子ドットを含む埋設層は、１層だけであってもよいし、２層以上あってもよい。２層以上の量子井戸層または埋設層を有する場合には、互いに同一組成の層であっても、異なる組成の層であってもよい。例えば、中心ナノロッドに近い埋設層には、大きい量子ドットを埋設、中心ナノロッドから遠い埋設層には、小さい量子ドットを埋め込んでもよい。エネルギーバンドギャップを調整することで、より効率的に光を電気に変換することができる。
【００５３】
量子ドットの形状は、その中に閉じ込められた電子または正孔の運動が３次元的に束縛（制限）されるものであれば特に限定されない。量子ドットの形状の例には、球状、片面凸レンズ状、四面体状などが含まれる。量子ドットの形状が球状または四面体状の場合、量子ドットの大きさは、縦、横、高さのいずれも数ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内であればよい。また、量子ドットの形状が片面凸レンズ状の場合、量子ドットの大きさは、縦、横はいずれも１０〜３０ｎｍの範囲内、高さ（厚さ）は数ｎｍ程度であればよい。量子ドットを高密度に分布させて、量子ドット間の間隔が数ｎｍ以下の距離になると、電子または正孔（ホール）が隣接する量子ドット間をトンネル効果により移動できるようになる。
【００５４】
図１に示すように、半導体ナノロッド１３０は、基板（マスクパターン）上に、三角格子状に配列されていることが好ましい。ここで、三角格子とは、三角形Ｔの各辺に平行な複数の直線の交点を格子点とする格子であり、半導体ナノロッド１３０は前記格子点をその中心とするように配置されている。
【００５５】
前記配列において、半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離をｐとすれば、半導体ナノロッド１３０は図１に破線で示すようにピッチｐを単位とする六方最密配列で配置されているということもできる。
【００５６】
このとき、半導体ナノロッド１３０は、半導体ナノロッド同士の中心間距離をｐと半導体ナノロッド１３０の最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲、好ましくは１．５〜５の範囲となるように調整されていることが好ましい。半導体ナノロッド１３０をこのように配列することにより、太陽電池素子全体として入射光の反射率が低減され、かつ、半導体ナノロッド１３０の内部で吸収される光量が平面構造の膜に比較してより大きくなる。この結果、本発明の太陽電池素子は光反射率を低減すると共に光吸収率を増大させ、発電効率を向上させることができる。
【００５７】
第１の電極は、半導体ナノロッドの下部（下端）に接続され、第２の電極は半導体ナノロッドの上部（端部）に接続される。第１の電極を半導体ナノロッドの下部（下端）に接続するには、導電性を有する基板に第１の電極を接続してもよい。第１の電極は、例えば金属電極である。第２の電極は、例えば半導体ナノロッドの上部に接続された透明電極と、前記透明電極に接続された金属電極である。金属電極は、例えばＴｉ／Ａｕ合金膜やＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ合金膜などである。透明電極は、例えばＩｎＳｎＯ膜、ＳｎＳｂＯ膜、ＺｎＯ膜などである。
【００５８】
本発明の太陽電池素子は、半導体ナノロッドを被覆する表面保護層をさらに有することが好ましい。表面保護層は、半導体ナノロッドの最外層（例えば、第２の被覆層）を被覆する。表面保護層の材料は、半導体ナノロッドを構成するすべての半導体のエネルギーバンドギャップよりも大きいものであれば特に限定されない。
【００５９】
また、本発明の太陽電池素子において、半導体ナノロッド間の隙間は、絶縁材料で満たされていてもよい。絶縁材料の例には、ＳＯＧガラスやＢＣＢ樹脂などが含まれる。
【００６０】
本発明の太陽電池素子は、量子井戸層または量子ドットを含む埋設層を有するため、エネルギーの小さい光も発電に利用することができる。
【００６１】
本発明の太陽電池素子は、本発明の効果を損なわない限り任意の方法で製造されうる。たとえば、本発明の太陽電池素子は、以下のステップを含む方法で製造されうる。
【００６２】
第１のステップでは、開口部を有するマスクパターンで表面を被覆された基板を準備する。たとえば、半導体結晶基板の結晶軸（１１１）面にスパッタ法で絶縁膜を形成した後、この絶縁膜にフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどで開口部を形成すればよい。
【００６３】
第２のステップでは、基板の表面からマスクパターンの開口部を通して第１の導電型（ｎ型またはｐ型）の半導体からなる中心ナノロッドを結晶成長により形成する。中心ナノロッドの形成は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などにより行われる。好ましくは、半導体ナノロッドの成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。
【００６４】
ＭＯＣＶＤ法による中心ナノロッドの形成は、通常のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。つまり、所定の温度および圧力の条件下で、反応炉に配置された基板に原料ガスを供給すればよい。たとえば、以下の工程により中心ナノロッドを形成することができる。なお、開口部以外の領域では、マスクパターンによりナノロッドの成長が阻害される。
【００６５】
まず、基板温度を７５０℃とし、有機金属原料のガスを反応炉に供給すれば、ナノロッドが形成される。このとき、ナノロッドの太さ（直径）はマスクパターンの開口部の直径とほぼ同じである。また、ナノロッドは、基板の表面に垂直な方向に伸長する。次に、ナノロッドの長さ方向よりも動径方向の成長を促進させるには、基板温度を５０〜１００℃程度低下させて、６５０〜７００℃の範囲とする。この温度では、ナノロッドの側面における成長速度がナノロッドの長さ方向の成長速度よりも大きくなる。基板温度を６５０℃程度まで低下させることで、ナノロッドの長さ方向と動径方向の成長速度比を１：１００程度にまで変化させることができる。このようにすることで、ナノロッドのコア部の周囲にシェル部が形成される横方向成長を実現することができる。基板温度を６５０℃から上昇させると、ナノロッドの長さ方向と動径方向の成長速度比は徐々に１に近づく。基板温度が６８０〜７２０℃の範囲内の場合、ナノロッドの長さ方向と動径方向の成長速度比はほぼ等しくなり、ナノロッドの表面を包み込むように結晶が成長する。このように基板温度を変化させることで、長さ方向と横方向の成長速度を制御することができる。
【００６６】
また、基板温度の制御に加えて、供給ガスのＶ族原料ガスとIII族原料ガスとの供給比率Ｖ／IIIを変化させることでも、長さ方向と横方向の成長速度を制御することができる。たとえば、７５０℃でＧａＡｓナノロッドの長さ方向の成長速度を高めるには、Ｖ／III供給比率を１０〜２００の範囲内とすればよい。一方、長さ方向の成長速度をこれよりも遅くするには、Ｖ／III供給比率をさらに大きく３００〜５００の範囲とするか、または５００以上とすればよい。これにより、長さ方向の成長速度を数％から数十％の範囲で抑制できる。ナノロッドの動径方向の成長に適した６５０℃では、Ｖ／III供給比率を３００以上とすれば、長さ方向の成長をほぼ完全に抑制することができる。一方、Ｖ／III供給比率を１００以下、例えば１０程度にまで低下させると、長さ方向の成長速度は、Ｖ／III供給比率３００の場合よりも大きいが、７５０℃成長の場合よりも１桁程度小さくなる。ここまでＧａＡｓナノロッドを例としてナノロッドの形状を作り分ける温度範囲について説明したが、他の半導体からなるナノロッドについても原理は同じである。ＡｌＧａＡｓナノロッドを形成する場合は、ＧａＡｓナノロッドよりも相対的に５０〜１００℃程度高い温度とすればよい。また、ＩｎＡｓナノロッドまたはＩｎＧａＡｓナノロッドを形成する場合は、ＧａＡｓナノロッドよりも相対的に１００〜２００℃程度低い温度とすればよい。
【００６７】
たとえば、ＧａＡｓからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ：ＴＭＧ）ガスを１×１０−６〜１×１０−５ａｔｍの圧力で供給し、ヒ素原料として水素化ヒ素（ＡｓＨ３：アルシン）ガスを１×１０−５〜１×１０−３ａｔｍの圧力で供給すればよい。また、ＡｌＧａＡｓからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、ガリウム原料としてトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料として水素化ヒ素ガスを、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ：ＴＭＡ）ガスを供給すればよい。また、ＩｎＧａＡｓからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、インジウム原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ：ＴＭＩ）ガスを、ガリウム原料としてトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料として水素化ヒ素を供給すればよい。また、ＩｎＧａＰからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、インジウム原料としてトリメチルインジウムガスを、ガリウム原料としてトリメチルガリウムガスを、リン原料としてターシャリーブチルフォスフィン（ＴＢＰ）ガスを供給すればよい。ＩｎＧａＰからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、ターシャリーブチルフォスフィンの供給圧力は１×１０−４〜１×１０−３ａｔｍの範囲内とし、成長温度は７００〜７５０℃の範囲内とする。
【００６８】
中心ナノロッドを構成する半導体をｎ型またはｐ型にするには、例えば原料ガスと同時にｎ型のモノシラン（ＳｉＨ４）ガスまたはｐ型のドーパントガス（例えば、ジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ３）２：ＤＭＺ）ガス）を供給すればよい。
【００６９】
タンデム構造の中心ナノロッドを形成するには、中心ナノロッドの成長過程において供給する原料ガスの種類を切り替えればよい。たとえば、基板側から長さ方向にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰの順で積み重ねた構造の中心部ナノロッドを形成するには、７５０℃でＧａＡｓを成長させ；次いで８００〜８２０℃でＡｌＧａＡｓを成長させ；次いで７５０〜８００℃でＧａＩｎＰを成長させればよい。基板側から長さ方向にＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰの順で積み重ねた構造の中心部ナノロッドを形成するには、ゲルマニウム原料として水素化ゲルマニウム（ＧｅＨ４）ガスを用いて６００〜６５０℃でＧｅを成長させ；次いでトリメチルガリウムガスおよび水素化ヒ素ガスを用いて７５０℃でＧａＡｓを成長させ；次いでトリメチルガリウムガス、水素化ヒ素ガスおよびターシャリーブチルフォスフィンガスを用いて７８０〜８００℃でＧａＡｓＰを成長させ；次いでトリメチルガリウムガス、トリメチルインジウムガスおよびターシャリーブチルフォスフィンガスを用いて７５０℃でＧａＩｎＰを成長させればよい。
【００７０】
第３のステップでは、中心ナノロッドの周囲に真性半導体からなる第１の被覆層を形成する。つまり、中心ナノロッドをコア部とし、第１の被覆層をシェル部とする、コアシェル構造を形成する。第１の被覆層の形成は、中心ナノロッドの形成と同じ方法（ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤなど）で行えばよい。第１の被覆層を形成する第３のステップは、第１の組成のガスを供給して量子障壁層を形成するステップと、第２の組成のガスを供給して量子井戸層または量子ドットを形成するステップとを含む。量子井戸層または量子ドットのポテンシャルは、周囲の量子障壁層のポテンシャルよりも小さくする必要があるので、量子井戸層または量子ドットの材料と量子障壁層の材料とは異なるものにする必要がある。したがって、量子井戸層を形成する工程では、反応炉に供給される有機金属原料ガスの組成を変更する。ヘテロ接合を形成する場合には、半導体ナノロッドの成長過程において原料ガスの種類を切り替えればよい。
【００７１】
量子井戸層を形成する場合、量子井戸層の厚さをナノロッドの太さに対して相対的に薄くして、１〜１０ｎｍの範囲内とする。量子井戸層の厚さをこの範囲とするためには、成長時間を数秒〜１分間程度の範囲内とすればよい。原料ガスの供給圧力は、中心ナノロッド（コア部）の形成時の供給圧力またはシェル部の形成時の供給圧力と同程度にすればよい。また、基板温度は、シェル部の形成時と同程度にすればよい。
【００７２】
ＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合、基板温度は４００〜５００℃の範囲内とし、かつ、成長時間は１〜数十秒程度の範囲内とすればよい。成長時間を短くするほど量子ドットの大きさを小さくすることができる。原料ガスの供給量（供給圧力）は、コア部またはシェル部の成長時と同程度でよい。この温度範囲では成長温度が４００℃に近いほど、ＧａＡｓ面上にＩｎＡｓ結晶を島状に形成することができる。一方、成長温度が高くなると、基板表面や結晶表面に付着した原料ガスの表面移動が活発になるため、島状結晶から膜状成長へと結晶の成長形態が変化する。このような量子ドットの形成は、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの結晶格子定数差に起因するものである。したがって、ＧａＡｓに限らず、ＩｎＡｓとの結晶格子定数差を利用できる半導体（例えば、ＩｎＰやＩｎＧａＮなど）を用いれば、ＩｎＡｓ量子ドットを形成することができる。ＩｎＧａＡｓ量子ドットを形成する場合も、ＩｎＡｓ量子ドットと同じ原理で形成できる。この場合、ＩｎＧａＡｓ量子ドットは、ＩｎＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい半導体（例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓなど）の上に形成される。また、ＩｎＧａＡｓ量子ドットの最適な成長温度は、５００〜６００℃の範囲内である。
【００７３】
第４のステップでは、第１の被覆層の周囲に第２の被覆層を形成する。第２の被覆層は、第２の導電型の半導体からなる。つまり、中心ナノロッドがｎ型であれば第２の被覆層はｐ型であり、中心ナノロッドがｐ型であれば第２の被覆層はｎ型である。第２の被覆層の形成は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤなどで行えばよく、原料ガスと一緒にｎ型またはｐ型のドーパントガスを供給すればよい。
【００７４】
半導体ナノロッドの成長方向に対する垂直断面は、マスクパターンの開口部の形状の影響をほとんど受けない。よって、開口部が三角形、六角形、円形のいずれの場合であっても、ほぼ六角柱に近い形状の半導体ナノロッドを得ることができる。半導体ナノロッドの太さも、開口部のサイズ（直径）で制御することができる。
【００７５】
形成した半導体ナノロッドの下端に第１の電極を接続し、上端に第２の電極を接続して、本発明の太陽電池素子を製造することができる。通常は、第２の電極を透明電極とする。
【００７６】
半導体ナノロッドは、直径が数百ｎｍ以下の細長い形状であるため、半導体の接合界面において発生する結晶格子の歪みを緩和することができる。この効果は、格子定数差の大きいヘテロ接合を形成する際に有利である。たとえば、ナノロッドの長軸方向にヘテロ接合を形成する場合、格子定数が互いに異なる半導体間の接合界面に結晶格子の歪みが発生する。従来の膜構造の太陽電池素子では、この結晶格子の歪みを結晶転位に発展させないためには、半導体膜の厚さを非常に薄くするか、格子定数差を小さくしなければならなかった。一方、本発明の太陽電池素子では、半導体ナノロッドの結晶格子が外部方向に伸縮できるため、結晶格子の歪みが結晶転位に発展することはほとんどない。このように、本発明の太陽電池素子では、複数の超格子構造（量子井戸層または量子ドット）を含ませ、かつ隣接する超格子が近接するヘテロ接合とした場合も、半導体ナノロッド内に転位が発生することを防ぐことができる。
【００７７】
２．カラーセンサ
本発明のカラーセンサは、基板、３以上の領域に区分されたマスクパターン、２以上の半導体ナノロッド、第１の電極および第２の電極を有する。後述するように、本発明のカラーセンサは、半導体ナノロッドの組成がマスクパターンの領域ごとに異なることを一つの特徴とする。
【００７８】
基板は、半導体ナノロッドを成長させうるものであれば特に限定されない。基板の材料の例には、半導体、ガラス、金属、プラスチック、セラミックなどが含まれる。基板を構成する半導体の例には、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などが含まれる。好ましい基板は、半導体基板である。半導体基板の表面から、半導体ナノロッドを形成しやすいためである。
【００７９】
マスクパターンは、基板表面に配置され、２以上の開口部を有する薄膜である。基板が半導体結晶基板の場合、マスクパターンは、基板を構成する半導体結晶の結晶軸（１１１）面上に配置されていることが好ましい。結晶軸（１１１）面から半導体ロッドの中心ナノロッドを成長させることにより、中心ナノロッドの延伸方向を半導体結晶の結晶軸（１１１）方向に揃えることができる。マスクパターンの材料は、半導体ナノロッドの中心ナノロッドの成長を阻害しうるものであれば特に限定されない。マスクパターンの材料の例には、無機絶縁材料、金属、プラスチック、セラミック、これらの組み合わせなどが含まれる。無機絶縁材料の例には、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどが含まれ、金属の例には、Ｗ、ＷＳｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＭｏＳｉ、Ｎｉ、ＮｉＳｉ、ＷＡｌ、ＴｉＡｌ、ＭｏＡｌなどが含まれる。マスクパターンの膜厚は、特に限定されず、数ｎｍ程度であればよい。マスクパターンの膜厚は、半導体ナノロッドの長さと同じ（数μｍ程度）であってもよい。
【００８０】
前述の通り、マスクパターンは３以上の領域に区分されている。通常、各領域は、赤色光、緑色光または青色光に対応している。各領域のマスクパターンには、２以上の開口部が形成されている。開口部は基板表面まで貫通しており、開口部内では基板表面が露出している。開口部は、本発明のカラーセンサを製造する際に、半導体ナノロッドの中心ナノロッドの成長位置、太さおよび形状を規定する。開口部の形状は、任意であり、例えば円形、三角形、四角形、六角形などであればよい。開口部のサイズ（直径）は、１０ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内であればよい。開口部の中心間距離は、約５μｍ以下であればよい。１つの領域内では、開口部の直径および開口部の中心間距離は一定であることが好ましい。一方、異なる領域間では、開口部の直径および開口部の中心間距離は異なることが好ましい。
【００８１】
半導体ナノロッドは、ＩｎＧａＮからなる、直径数百ｎｍ以下、長さ数μｍ以下の構造体である。半導体ナノロッドは、基板（マスクパターン）の表面上に、その長軸が略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッドは、少なくとも、中心ナノロッドと、前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層とを有し、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を有する。中心ナノロッドは、基板表面からマスクパターンの開口部を通って上方に延伸しており、第１の導電型（ｎ型またはｐ型）のＩｎＧａＮからなる。第１の被覆層は、第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐ型またはｎ型）のＩｎＧａＮからなる。すなわち、中心ナノロッド（ｎ型またはｐ型ＩｎＧａＮ）および第１の被覆層（ｐ型またはｎ型ＩｎＧａＮ）は、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。中心ナノロッドの直径は１０〜２００ｎｍの範囲内であればよく、長さは０.５〜３μｍの範囲内であればよい。第１の被覆層の膜厚は、〜１００ｎｍの範囲内であればよい。
【００８２】
半導体ナノロッドの組成は、検出する光の波長に応じてマスクパターンの領域ごとに異なる。すなわち、赤色光を検出する領域の半導体ナノロッドの組成は、赤色光を吸収しうる組成であり；緑色光を検出する領域の半導体ナノロッドの組成は、緑色光を吸収しうる組成であり；青色光を検出する領域の半導体ナノロッドの組成は、青色光を吸収しうる組成である。具体的な組成については、製造方法を説明する際に説明する。
【００８３】
第１の電極は、半導体ナノロッドの下部（下端）に接続され、第２の電極は半導体ナノロッドの上部（端部）に接続される。第１の電極を半導体ナノロッドの下部（下端）に接続するには、導電性を有する基板に第１の電極を接続してもよい。第１の電極は、例えば金属電極である。第２の電極は、例えば半導体ナノロッドの上部に接続された透明電極と、前記透明電極に接続された金属電極である。金属電極は、例えばＴｉ／Ａｕ合金膜やＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ合金膜などである。透明電極は、例えばＩｎＳｎＯ膜、ＳｎＳｂＯ膜、ＺｎＯ膜などである。
【００８４】
また、本発明のカラーセンサにおいて、半導体ナノロッド間の隙間は、絶縁材料で満たされていてもよい。絶縁材料の例には、ＳＯＧガラスやＢＣＢ樹脂などが含まれる。
【００８５】
本発明のカラーセンサは、ｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加することで使用されうる。本発明のカラーセンサは、光反射率が低いため、検出感度が優れている。
【００８６】
本発明のカラーセンサは、本発明の効果を損なわない限り任意の方法で製造されうる。たとえば、本発明のカラーセンサは、以下のステップを含む方法で製造されうる。
【００８７】
第１のステップでは、開口部を有するマスクパターンで表面を被覆された基板を準備する。たとえば、半導体結晶基板の結晶軸（１１１）面にスパッタ法で絶縁膜を形成した後、この絶縁膜にフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどで開口部を形成すればよい。前述の通り、マスクパターンは３以上の領域に区分されている。後述するように、マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッドの組成を変えるために、マスクパターンの領域ごとに開口部の直径および／または開口部の中心間距離を変えることが好ましい。
【００８８】
第２のステップでは、基板の表面からマスクパターンの開口部を通して第１の導電型（ｎ型またはｐ型）のＩｎＧａＮからなる中心ナノロッドを結晶成長により形成する。中心ナノロッドの形成は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などにより行われる。好ましくは、半導体ナノロッドの成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。
【００８９】
ＭＯＣＶＤ法による中心ナノロッドの形成は、通常のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。つまり、所定の温度および圧力の条件下で、反応炉に配置された基板に原料ガスを供給すればよい。たとえば、以下の工程により中心ナノロッドを形成することができる。なお、開口部以外の領域では、マスクパターンによりナノロッドの成長が阻害される。
【００９０】
まず、基板温度を７５０℃とし、有機金属原料のガスを反応炉に供給すれば、ナノロッドが形成される。インジウム原料としてはトリメチルインジウムガスを用いることができ、ガリウム原料としてはトリメチルガリウムガスを用いることができ、窒素原料としてはアンモニアガスを用いることができる。このとき、ナノロッドの太さ（直径）はマスクパターンの開口部の直径とほぼ同じである。また、ナノロッドは、基板の表面に垂直な方向に伸長する。中心ナノロッドを構成する半導体をｎ型またはｐ型にするには、例えば原料ガスと同時にｎ型のモノシランガスまたはｐ型のドーパントガス（例えば、ジメチル亜鉛ガス）を供給すればよい。
【００９１】
ＩｎＧａＮの結晶成長では、Ｉｎ原料ガスおよびＧａ原料ガスの供給量（供給圧力）の比率を変化させることで、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。また、成長時の基板温度を変化させることでも、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。通常、基板温度は６００〜１０００℃の範囲内であり、温度が高いほどＩｎの取り込みが少なくなり、Ｇａが多い結晶組成となる。
【００９２】
前述の通り、本発明のカラーセンサでは、マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッド全体の組成が異なる。３成分系の化合物半導体ＩｎｘＧａ１−ｘＮでは、Ｉｎの組成ｘが増加するにつれて、光学的なエネルギーバンドギャップは単調に減少する。Ｉｎの組成ｘが０のＧａＮでは、エネルギーバンドギャップが約３.４ｅＶであるが、Ｉｎの組成ｘが増加するにつれて（Ｇａの組成１−ｘは逆に減少する）エネルギーバンドギャップは小さくなる。Ｉｎの組成ｘが１のＩｎＮでは、エネルギーバンドギャップは約０.８ｅＶになる。赤色光（波長６５０ｎｍ）に対応するエネルギーバンドギャップは約１.９ｅＶであり；緑色光（波長５２０ｎｍ）に対応するエネルギーバンドギャップは約２.４ｅＶであり；青色光（波長４６０ｎｍ）に対応するエネルギーバンドギャップは約２.７ｅＶである。したがって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮにおける、赤色光、緑色光および青色光に対応するＩｎの組成ｘは、それぞれ０.５、０.３、０.２である。
【００９３】
マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッドの組成を変えるには、例えば第１のステップでマスクパターンに開口部を形成する際に、マスクパターンの領域ごとに開口部のサイズ（直径）および／または開口部の中心間距離を変えればよい。ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによる結晶成長で、中心ナノロッドの組成変化は、ナノロッドを成長させる時の基板温度、マスクパターンの開口部のサイズ、開口部の中心間距離との関係で以下のように説明される。以下の説明では、マスクパターンの開口部の大きさが５０〜５００ｎｍの範囲内であり、開口部間の中心間距離が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内であるものとして説明する。
【００９４】
１）開口部の中心間距離とナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に３つのマスクパターン領域Ａ、ＢおよびＣを形成した。各領域のサイズは１００μｍ×１００μｍとし、隣接するマスクパターン間の間隔は１００μｍとし、開口部のサイズは約１００ｎｍとした。一方、マスクパターンＡでは開口部の中心間距離Ｐを０.５μｍとし、マスクパターンＢでは開口部の中心間距離Ｐを２.０μｍとし、マスクパターンＣでは開口部の中心間距離Ｐを５.０μｍとした。マスクパターン領域Ａ、ＢおよびＣは、開口部間の中心間距離Ｐ以外のパラメータはすべて同じである。
【００９５】
基板温度７５０℃でガリウムの原料ガスとしてトリメチルガリウムガス、インジウムの原料ガスとしてトリメチルインジウムガス、窒素の原料ガスとしてアンモニアガスを供給すると、これらのガスは基板表面付近で熱分解反応を起こし、分解した元素（Ｇａ、ＩｎおよびＮ）はマスクパターンの開口部にマスクパターンの表面を移動して集まる。マスクパターンで被覆された領域では結晶成長が起こらず、開口部内で半導体結晶が露出している部分で結晶成長が起こる。マスクパターンの表面では基板が加熱されているため、表面に付着した元素や原料ガスは、一定時間経過した後に、基板表面から気相中へと離散する。マスクパターンの表面におけるＧａの表面移動距離はＩｎの表面移動距離よりも長いため、開口部から離れた位置に付着した元素のうち、Ｇａの方がＩｎよりも多く開口部に到達する。このように開口部の中心間距離Ｐが大きい場合には、Ｇａ組成がＩｎ組成よりも大きいＧａＩｎＮ結晶となる。一方、開口部の中心間距離Ｐが小さく（０.５μｍ程度）なると、Ｇａの表面移動距離およびＩｎの表面移動距離が開口部の中心間距離Ｐよりも長くなり、Ｉｎ組成がＧａ組成よりも大きいＧａＩｎＮ結晶となる。この原理は、ＧａＩｎＮナノロッドを成長させる場合も成り立つ。また、基板温度を上げれば、Ｇａに対するＩｎの取り込み量が減り、基板温度を下げれば、Ｇａに対するＩｎの取り込み量が増大する。したがって、ＧａＩｎＮ内のＧａとＩｎの比率を大幅に変化させるには、基板温度も並行して制御することが好ましい。
【００９６】
トリメチルガリウムガスの供給量を０.１モル／分とし、トリメチルインジウムガスの供給量を０.１モル／分とし、アンモニアガスの供給量を２０００ｃｃ／分としてナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、マスクパターンＡ（Ｐ＝０.５μｍ）で赤黄色発光（波長５９０ｎｍ）が観測され、マスクパターンＢ（Ｐ＝２μｍ）で緑色発光（波長５１０ｎｍ）が観測され、マスクパターンＣ（Ｐ＝５μｍ）で青緑色発光（波長４９５ｎｍ）が観測された。
【００９７】
２）開口部のサイズとナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に２つのマスクパターン領域ＡおよびＢを形成した。各領域のサイズは１００μｍ×１００μｍとし、隣接するマスクパターン間の間隔は１００μｍとし、開口の中心間距離は０.５μｍとした。一方、マスクパターンＡでは開口部のサイズｄを１００ｎｍとし、マスクパターンＢでは開口部のサイズｄを３００ｎｍとした。マスクパターン領域ＡおよびＢは、開口部のサイズｄ以外のパラメータはすべて同じである。
【００９８】
トリメチルガリウムガスの供給量を０.１モル／分とし、トリメチルインジウムガスの供給量を０.１モル／分とし、アンモニアガスの供給量を２０００ｃｃ／分としてナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、マスクパターンＡ（ｄ＝１００ｎｍ）で赤黄色発光（波長５９０ｎｍ）が観測され；マスクパターンＢ（ｄ＝３００ｎｍ）で赤色発光（波長６３０ｎｍ）が観測された。
【００９９】
以上の予備実験の結果から、基板上に形成するマスクパターンの開口部の中心間距離Ｐ、開口部サイズｄを下記のように設定すると、赤色光、緑色光および青色光に対応するＧａＩｎＮナノロッドを形成することができる。
【０１００】
ｉ）赤色波長帯に感度中心ピークを有するＧａＩｎＮナノロッド：
Ｐ＝０.５〜０.７μｍ、ｄ＝４００〜５００ｎｍ
ii）緑色波長帯に感度中心ピークを有するＧａＩｎＮナノロッド：
Ｐ＝２〜３μｍ、ｄ＝１００〜２００ｎｍ
iii）青色波長帯に感度中心ピークを有するＧａＩｎＮナノロッド：
Ｐ＝５〜７μｍ、ｄ＝１００ｎｍ
第２のステップでは、中心ナノロッドの周囲に第１の被覆層を形成する。第１の被覆層は、第２の導電型のＩｎＧａＮからなる。つまり、中心ナノロッドがｎ型であれば第１の被覆層はｐ型であり、中心ナノロッドがｐ型であれば第１の被覆層はｎ型である。第１の被覆層を形成することで、半導体ナノロッド中に長さ方向および／または動径方向にｐ−ｎ接合が形成される。第１の被覆層の形成は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤなどで行えばよく、原料ガスと一緒にｎ型またはｐ型のドーパントガスを供給すればよい。
【０１０１】
半導体ナノロッドの成長方向に対する垂直断面は、マスクパターンの開口部の形状による影響を受けない。開口部が三角形、六角形、円形、いずれの場合にも、六角柱に近い形状の半導体ナノロッドを得ることができる。半導体ナノロッドの太さも、開口部のサイズ（直径）で制御することができる。
【０１０２】
形成した半導体ナノロッドの下端に第１の電極を接続し、上端に第２の電極を接続して、本発明のカラーセンサを製造することができる。通常は、第２の電極を透明電極とする。
【０１０３】
３．発光素子および受光素子の製造方法
本発明の製造方法は、発光素子および受光素子を同時に製造する方法であって、Ａ）表面をマスクパターンで被覆された基板を準備する第１のステップと、Ｂ）マスクパターンで被覆された基板から、開口部を通して半導体ナノロッドを成長させる第２のステップとを有する。
【０１０４】
第１のステップでは、開口部を有するマスクパターンで表面を被覆された基板を準備する。たとえば、半導体結晶基板の結晶軸（１１１）面にスパッタ法で絶縁膜を形成した後、この絶縁膜にフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどで開口部を形成すればよい。このとき、マスクパターンが、発光素子となる領域と受光素子となる領域とに区分されるようにする。後述するように、発光素子に含まれる半導体ナノロッドと受光素子に含まれる半導体ナノロッドとで組成を変えるために、発光素子となる領域と受光素子となる領域とで開口部のサイズおよび／または開口部の中心間距離を変えることが好ましい。
【０１０５】
第２のステップでは、基板の表面からマスクパターンの開口部を通して半導体ナノロッドを成長させる。このとき、半導体ナノロッド内にｎ型半導体からなる層と、ｐ型半導体からなる層とを形成して、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。半導体ナノロッドを構成する半導体は、ＧａＩｎＮまたはＧａＩｎＡｓである。半導体ナノロッドの形成は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などにより行われる。好ましくは、半導体ナノロッドの成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。
【０１０６】
ＭＯＣＶＤ法による半導体ナノロッドの形成は、通常のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。つまり、所定の温度および圧力の条件下で、反応炉に配置された基板に原料ガスを供給すればよい。たとえば、以下の工程により半導体ナノロッドを形成することができる。なお、開口部以外の領域では、マスクパターンによりナノロッドの成長が阻害される。
【０１０７】
ここでは、ＧａＩｎＮを成長させる場合について説明する。まず、基板温度を６７５℃とし、有機金属原料のガスを反応炉に供給すれば、ナノロッドが形成される。たとえば、インジウム原料としてはトリメチルインジウムガスを用いることができ、ガリウム原料としてはトリメチルガリウムガスを用いることができ、窒素原料としてはアンモニアガスを用いることができる。このとき、ナノロッドの太さ（直径）はマスクパターンの開口部の直径とほぼ同じである。また、ナノロッドは、基板の表面に垂直な方向に伸長する。中心ナノロッドを構成する半導体をｎ型またはｐ型にするには、例えば原料ガスと同時にｎ型のモノシランガスまたはｐ型のドーパントガス（例えば、ジメチル亜鉛ガス）を供給すればよい。
【０１０８】
ＩｎＧａＮの結晶成長では、Ｉｎ原料ガスおよびＧａ原料ガスの供給量（供給圧力）の比率を変化させることで、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。また、成長時の基板温度を変化させることでも、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。通常、基板温度は６００〜１０００℃の範囲内であり、温度が高いほどＩｎの取り込みが少なくなり、Ｇａが多い結晶組成となる。一方、温度が低いほど、Ｇａの取り込みが少なくなり、Ｉｎが多い結晶組成となる。
【０１０９】
発光素子と受光素子とでは、半導体ナノロッドの組成が異なる。また、発光素子内でも、発光波長ごとに半導体ナノロッドの組成は異なる。発光素子内では、マスクパターンは発光波長の数に区分される。すなわち、４つの異なる波長の光を発光させる場合は、発光素子内のマスクパターンは４つに区分される。各領域では、半導体ナノロッドが所望の波長の光を発光するように、半導体ナノロッドの組成が調整される。一方、受光素子内では、発光素子が発する波長の光を検出できるように半導体ナノロッドの組成が調整される。
【０１１０】
マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッドの組成を変えるには、例えば第１のステップでマスクパターンに開口部を形成する際に、マスクパターンの領域ごとに開口部のサイズおよび／または開口部の中心間距離を変えればよい。ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによる結晶成長で、半導体ナノロッドの組成変化は、ナノロッドを成長させる時の基板温度、マスクパターンの開口部のサイズ、開口部の中心間距離との関係で以下のように説明される。以下の説明では、マスクパターンの開口部の大きさが５０〜５００ｎｍの範囲内であり、開口部の中心間距離が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内であるものとして説明する。
【０１１１】
１）開口部の中心間距離とナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に複数のマスクパターン領域を形成した。各領域のサイズは５０μｍ×５０μｍとし、隣接するマスクパターン領域間の間隔は５０μｍとし、開口部のサイズは１００ｎｍとした。一方、開口部の中心間距離Ｌは、マスクパターン領域ごとに０.５〜５μｍと変化させた。複数のマスクパターン領域は、開口部の中心間距離Ｌ以外のパラメータはすべて同じである。
【０１１２】
ここでは、ＧａＩｎＡｓを成長させる場合について説明する。基板温度６７５℃でガリウムの原料ガスとしてトリメチルガリウムガス（供給圧力：１.０×１０−７〜１.０×１０−６ａｔｍ）、インジウムの原料ガスとしてトリメチルインジウムガス（供給圧力：１.０×１０−７〜１.０×１０−６ａｔｍ）、ヒ素の原料ガスとして水素化ヒ素ガス（供給圧力：１.０×１０−５〜１.０×１０−４ａｔｍ）を供給して、ＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、開口部の中心間距離Ｌが０.５μｍから３.０μｍへと長くなるのに併せて、ＧａＩｎＡｓナノロッドのエネルギーバンドギャップが１.３５ｅＶ（波長９１８ｎｍ）から１.１５ｅＶ（波長１０７８ｎｍ）へとほぼ単調に減少した。このことから、開口部の中心間距離Ｌを変化させることで、ＧａとＩｎの取り込み量を制御できることがわかる。特に、ＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させる場合、開口部の中心間距離Ｌを１μｍ以下とすることで、Ｇａの取り込み量が増大した。開口部のサイズが５０ｎｍ、２００ｎｍまたは５００ｎｍの場合も、同様の傾向であった。
【０１１３】
２）開口部のサイズとナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に複数のマスクパターン領域を形成した。各領域のサイズは５０μｍ×５０μｍとし、隣接するマスクパターン領域間の間隔は５０μｍとし、開口部の中心間距離は１.０μｍとした。一方、開口部のサイズｄは、マスクパターン領域ごとに５０〜５００ｎｍと変化させた。複数のマスクパターン領域は、開口部のサイズｄ以外のパラメータはすべて同じである。
【０１１４】
上記１）と同様の手順でＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、開口部のサイズｄが５０ｎｍから２００ｎｍへと大きくなるのに併せて、ＧａＩｎＡｓナノロッドのエネルギーバンドギャップが１.３４ｅＶ（波長９２５ｎｍ）から１.３２ｅＶ（波長９３９ｎｍ）へとわずかに変化した。また、開口部のサイズｄが３００ｎｍから４００ｎｍへと大きくなるのに併せて、ＧａＩｎＡｓナノロッドのエネルギーバンドギャップが１.３２ｅＶから１.３１ｅＶへとわずかに変化した。
【０１１５】
以上の予備実験の結果から、１つの基板上に複数の発光波長を有する発光素子および受光素子を同時に製造するためには、基板上に形成するマスクパターンの開口部の中心間距離Ｌ、開口部サイズｄを下記のように設定することが導き出される。
【０１１６】
ｉ）ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する発光素子
発光素子領域のマスクパターンをマスクパターン領域Ａ、マスクパターン領域Ｂ、マスクパターン領域Ｃ、マスクパターン領域Ｄの４つの領域に区分する。各領域の開口部のサイズｄは１００ｎｍとする。マスクパターン領域Ａの開口部の中心間距離Ｌは０.５μｍとし、マスクパターン領域Ｂの開口部の中心間距離Ｌは１.０μｍとし、マスクパターン領域Ｃの開口部の中心間距離Ｌは２.０μｍとし、マスクパターン領域Ｄの開口部の中心間距離Ｌは３.０μｍとする。
【０１１７】
ii）ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する受光素子
受光素子領域のマスクパターンの開口部の中心間距離Ｌを３.０〜１０μｍの範囲内とする。これにより、受光素子の検出感度のピークを、発光素子が発光する光と同じ波長またはより長い波長とすることができる。ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する受光素子は、検出感度のピークと同じ波長の光と、より短い波長の光（よりエネルギーの大きい光）に対して感度を有する。したがって、ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する受光素子は、発光素子が発光するすべての波長の光に対して感度を有する。
【０１１８】
たとえば、基板温度６７５℃で上記の条件を満たすマスクパターンを形成した基板にトリメチルガリウムガス、トリメチルインジウムガスおよび水素化ヒ素ガスを供給してＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させることで、発光波長９２５ｎｍ（マスクパターン領域Ａ）、９９０ｎｍ（マスクパターン領域Ｂ）、１０４０ｎｍ（マスクパターン領域Ｃ）、１０９０ｎｍ（マスクパターン領域Ｄ）の発光素子と、波長９２５〜１０９０ｎｍの光を検出できる受光素子とを同時に製造することができる。
【０１１９】
形成した半導体ナノロッドの下端に第１の電極を接続し、上端に第２の電極を接続して、発光素子および受光素子を製造することができる。通常は、第２の電極を透明電極とする。
【０１２０】
本発明の製造方法により製造された発光素子は、ｐ−ｎ接合に順バイアスを印加することで発光させることができる。本発明の製造方法により製造された受光素子は、ｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加することで使用できる。本発明の製造方法により製造された発光素子は、例えば並列伝送方式や波長多重方式の光伝送システムに適用されうる。
【０１２１】
本発明の発光素子および受光素子の製造方法は、発光素子および受光素子を同時に製造することができるため、従来よりも低コストで効率よく発光素子および受光素子を製造することができる。
【０１２２】
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【０１２３】
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の太陽電池素子に用いる半導体ナノロッドアレイの例を示す。
【０１２４】
図１は、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイの構成を示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイは、導電性のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０、非晶質ＳｉＯ２膜１２０、半導体ナノロッド１３０を有する。
【０１２５】
次に、図１に示す半導体ナノロッドアレイの製造方法について説明する。
【０１２６】
まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０を洗浄し、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０表面に非晶質ＳｉＯ２被膜１２０を約２０ｎｍの厚さに成膜する。
【０１２７】
次に、非晶質ＳｉＯ２被膜１２０上にポジレジストを塗布し、ＥＢ描画装置にＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０をセットし、該ポジレジストに円形孔を三角格子状に配列させたパターンを描画する。前記円形孔は、図１に示す断面正六角形状の半導体ナノロッド１３０に内接する円となる。
【０１２８】
前記描画後、レジストを現像して、５０倍に希釈したＢＨＦ溶液にＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０を浸漬し、円形孔のＳｉＯ２をエッチング除去する。そして、前記エッチング後、前記レジストを除去する。この結果、非晶質ＳｉＯ２被膜１２０からなるマスクパターンが形成される。
【０１２９】
次に、非晶質ＳｉＯ２被膜１２０からなるマスクパターンが形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０をＭＯＶＰＥ装置にセットし、チャンバーを真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように流量と排気速度とを調整する。
【０１３０】
次に、ＡｓＨ３（Arsine）とキャリアガス（Ｈ２）との混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流しながら、基板温度が７５０℃になるまで昇温する。そして、基板温度が７５０℃に達した後、流通ガスにＴＭＧ（trimetylgallium）を加え、ＧａＡｓからなる半導体ナノロッド１３０を成長させる。このとき、全圧は０．１ａｔｍのままとし、ＡｓＨ３分圧が２．５×１０−４ａｔｍ、ＴＭＧ分圧が１．０×１０−６ａｔｍになるように設定する。
【０１３１】
次に、流通ガスにＴＭＧを加えてから３０分後にＴＭＧの供給を停止し、半導体ナノロッド１３０の成長を停止させる。そして、ＡｓＨ３（Arsine）とキャリアガス（Ｈ２）との混合ガス流通下に半導体ナノロッド１３０を成長させた半導体ナノロッドアレイを取り出す。
【０１３２】
前記製造方法によれば、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄ（半導体ナノロッド１３０の正六角形状断面の内接円直径）は、前記マスクパターン円形孔の直径と一致する。従って、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄは、前記マスクパターン円形孔の直径により制御することができる。
【０１３３】
そこで、次に、前記製造方法において、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄを５０〜３００ｎｍの範囲で変量すると共に、相隣り合う半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離ｐを７０〜９００ｎｍの範囲で変量して、複数の半導体ナノロッドアレイを製造した。そして、各半導体ナノロッドアレイに垂直に光を入射したときの反射率スペクトルを分光光度計により測定した。
【０１３４】
ＧａＡｓからなる半導体ナノロッド１３０の場合、利用できる太陽光の波長は３００〜９００ｎｍの範囲であるので、前記測定により得られた反射率スペクトルから、３００〜９００ｎｍの範囲で、ｐ／ｄに対する平均反射率を求めた。尚、ｐ／ｄは、半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離ｐと、半導体ナノロッドの最小径ｄとの比である。結果を図３に示す。
【０１３５】
また、基板上に形成された表面平滑なＧａＡｓ膜、表面での反射損失を抑制するために表面に凹凸をつけたテクスチャ構造ＧａＡｓ膜を用いて、前記半導体ナノロッドアレイと同一にして求めた平均反射率を図３に併せて示す。
【０１３６】
図３から、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイはｐ／ｄが１〜７の範囲では平均反射率が表面平滑なＧａＡｓ膜より小さいことが認められ、ｐ／ｄが１．５〜７の範囲では平均反射率がテクスチャ構造ＧａＡｓ膜よりも小さくなることが認められる。また、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイはｐ／ｄが１．５〜５の範囲で、平均反射率が最も低くなることが認められる。
【０１３７】
従って、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイによれば、ｐ／ｄを１〜７の範囲とすることにより、入射光の吸収率を増加させることができ、発電効率を向上させることができることが明らかである。
【０１３８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、複数の量子井戸層を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１３９】
図４は、実施の形態２の太陽電池素子の構成を示す斜視図である。図４に示されるように、実施の形態２の太陽電池素子１００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド１３０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０は、外部回路に接続される。
【０１４０】
導電性ＧａＡｓ基板１１０は、導電性のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板である。
【０１４１】
ＳｉＯ２膜１２０は、ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面を被覆している。ＳｉＯ２膜１２０の膜厚は、例えば２０ｎｍである。ＳｉＯ２膜１２０の半導体ナノロッド１３０が配置される領域には、ＳｉＯ２膜１２０を貫通する開口部が形成されている。後述するように、半導体ナノロッド１３０内のｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）１３１は、ＧａＡｓ基板１１０に直接接触している（図５（ｂ）参照）。
【０１４２】
半導体ナノロッド１３０は、ＳｉＯ２膜１２０上に複数配置されており、その長軸が導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面に対して略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッド１３０の外径は、例えば２００ｎｍであり、ＳｉＯ２膜１２０表面からの高さは、例えば１０００ｎｍである。各半導体ナノロッド１３０は、例えば中心間距離ｐが３００ｎｍとなるように配列されている（図１参照）。
【０１４３】
図５は、半導体ナノロッド１３０の構造を示す図である。図５（ａ）は、半導体ナノロッド１３０の斜視透視図であり、図５（ｂ）は、半導体ナノロッド１３０の断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、半導体ナノロッド１３０は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１（中心ナノロッド）と、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＧａＡｓ層（第１の被覆層）１３２と、前記ノンドープＧａＡｓ層１３２を被覆するｐ型ＧａＡｓ層（第２の被覆層）１３８とを有する。ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１はｎ層として機能し、ノンドープＧａＡｓ層１３２はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＡｓ層１３８はｐ層として機能する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１、ノンドープＧａＡｓ層１３２およびｐ型ＧａＡｓ層１３８によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１の根元の太さは、例えば１００ｎｍであり、ＧａＡｓ基板１１０表面からの高さは、例えば８００ｎｍである。
【０１４４】
また、図５（ｂ）に示されるように、ノンドープＧａＡｓ層１３２は、２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層を有する。これら２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層は、それぞれノンドープＧａＡｓ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＧａＡｓ層１３２は、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を被覆する、第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３と；前記第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４と；前記第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４を被覆する、第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３５と；前記第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３５を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６と；前記第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６を被覆する、第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３７とを有する。ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４，１３６およびノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３，１３５，１３７は、超格子構造を形成している。キャリアは、これらノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４，１３６内を自由に移動することができる。また、量子障壁層の膜厚が数ｎｍ以下である場合、その量子障壁層を挟む２つの量子井戸層内のキャリアは、トンネル効果によりその量子障壁層を透過して２つの量子井戸層間を自由に移動することができる。
【０１４５】
前述の通り、ｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）１３１は、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面に接触しているが、ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４，１３６およびノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３，１３５，１３７は、いずれも導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面には接触していない。第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４の膜厚は、例えば１０ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６の膜厚は、例えば５ｎｍである。また、ノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３，１３５，１３７の膜厚は、例えばそれぞれ３ｎｍである。
【０１４６】
透明埋設膜１４０は、半導体ナノロッド１３０の側面を被覆し、かつ半導体ナノロッド１３０間の空間を埋める、絶縁膜である。半導体ナノロッド１３０の上部は、透明埋設膜１４０に被覆されずに露出している。透明埋設膜１４０の材料の例には、ＳＯＧガラス、ＢＣＢ樹脂が含まれる。
【０１４７】
透明電極１５０は、透明埋設膜１４０に被覆されずに露出している半導体ナノロッド１３０の上部に接続されており、半導体ナノロッド１３０のｐ型ＧａＡｓ層（第２の被覆層）１３８にオーミック接続されている。透明電極１５０の材料の例には、ＩｎＳｎＯ、ＳｎＳｂＯ、ＺｎＯが含まれる。
【０１４８】
第１の金属電極１６０は、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が無い面の上に配置されており、導電性ＧａＡｓ基板１１０にオーミック接続されている。第１の金属電極１６０の材料の例には、Ａｕ、Ｔｉなどの金属が含まれる。
【０１４９】
第２の金属電極１７０は、透明電極１５０上に配置されており、透明電極１５０にオーミック接続されている。第２の金属電極１７０の材料の例には、Ａｕ、Ｔｉなどの金属が含まれる。
【０１５０】
以下、図面を参照して実施の形態２の太陽電池素子１００の製造方法について説明する。
【０１５１】
まず、導電性ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板）１１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば８０ｎｍである。各開口部は、例えば中心間距離が３００ｎｍとなるように配列される（図１参照）。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面からｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０１５２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１の周囲に、第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３、第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４、第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３５、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６および第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３７を成長させる。ＩｎＧａＡｓを成長させる場合、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６８０℃とし、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを用いればよい。
【０１５３】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３７の周囲にｐ型ＧａＡｓ層１３８を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６８０℃とすればよい。ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１およびｐ型ＧａＡｓ層１３８のキャリア濃度は、例えば２×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３であればよい。図２は、半導体ナノロッド１３０を成長させた後の導電性ＧａＡｓ基板１１０を示す斜視図である。図１は、図２に示される導電性ＧａＡｓ基板１１０における半導体ナノロッド１３０の配列を示す平面図である。図１に示されるように、半導体ナノロッド１３０は、最小径ｄの六角柱状であり、ピッチｐを単位とする六方最密配列で配置されている。
【０１５４】
次いで、導電性ＧａＡｓ基板１１０上の半導体ナノロッド１３０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド１３０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０１５５】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子１００を製造することができる。この太陽電池素子１００は、半導体ナノロッド１３０の頭部側（透明電極１５０側）から光を照射されて使用される。
【０１５６】
なお、本実施の形態では、半導体ナノロッドの中心部をｎ型ＧａＡｓとし、半導体ナノロッドの最外部をｐ型ＧａＡｓとしたが、半導体ナノロッドの中心部をｐ型ＧａＡｓとし、半導体ナノロッドの最外部をｎ型ＧａＡｓとしても同様の効果を得ることができる。
【０１５７】
（実施の形態３）
実施の形態２では、量子井戸層を有する本発明の太陽電池素子の例を示したが、実施の形態３では、さらに表面保護層を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１５８】
実施の形態３の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態３の太陽電池素子１００’、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド１３０’と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１５９】
図４に示すように、実施の形態３の太陽電池素子１００’は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド１３０’、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１６０】
図６は、実施の形態３の太陽電池素子１００’の半導体ナノロッド１３０’の断面図である。図６に示されるように、半導体ナノロッド１３０’は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１（中心ナノロッド）と、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＧａＡｓ層（第１の被覆層）１３２と、前記ノンドープＧａＡｓ層１３２を被覆するｐ型ＧａＡｓ層（第２の被覆層）１３８と、前記ｐ型ＧａＡｓ層１３８を被覆する表面保護層１８０とを有する。
【０１６１】
表面保護層１８０は、ｐ型ＧａＡｓ層１３８を被覆する保護膜である。表面保護層１８０の材料は、ｐ型ＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい材料であれば特に限定されない。このような材料の例には、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣおよびアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が含まれる。表面保護層１８０を結晶成長で形成する場合、表面保護層１８０の形成は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などにより行えばよい。また、ａ−Ｓｉからなる表面保護層１８０を形成する場合、表面保護層１８０の形成は、ＣＶＤ法などにより行えばよい。
【０１６２】
実施の形態３の太陽電池素子１００’は、半導体ナノロッド１３０’の表面をエネルギーバンドギャップの大きい材料で被覆しているため、光照射により発生したキャリアを捕獲する表面準位を小さくすることができる。したがって、実施の形態３の太陽電池素子１００’は、実施の形態２の太陽電池素子よりもさらに発電効率が優れている。
【０１６３】
（実施の形態４）
実施の形態４では、量子ドットを有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１６４】
実施の形態４の太陽電池素子は、基板および半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態４の太陽電池素子２００、導電性ＧａＡｓ基板１１０を導電性ＩｎＰ基板２１０、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド２２０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１６５】
図４に示すように、実施の形態４の太陽電池素子２００は、導電性ＩｎＰ基板２１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド２２０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１６６】
図７は、実施の形態４の太陽電池素子２００の半導体ナノロッド２２０の断面図である。図７（ａ）は、半導体ナノロッド全体の断面図であり、図７（ｂ）は、半導体ナノロッドの部分拡大断面図である。
【０１６７】
図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、半導体ナノロッド２２０は、ｎ型ＩｎＰナノロッド（中心ナノロッド）２３０と、前記ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０を被覆し、量子ドット構造を有するノンドープＩｎＰ層（第１の被覆層）２４０と、前記ノンドープＩｎＰ層２４０を被覆するｐ型ＩｎＰ層（第２の被覆層）２５０とを有する。ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０はｎ層として機能し、ノンドープＩｎＰ層２４０はｉ層として機能し、ｐ型ＩｎＰ層２５０はｐ層として機能する。すなわち、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０、ノンドープＩｎＰ層２４０およびｐ型ＩｎＰ層２５０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０の根元の太さは、例えば１００ｎｍであり、基板２１０表面からの高さは、例えば５００ｎｍである。
【０１６８】
また、図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、ノンドープＩｎＰ層２４０は、２層のノンドープＩｎＰ埋設層を有する。これら２層のノンドープＩｎＰ埋設層は、それぞれノンドープＩｎＰ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＩｎＰ層２４０は、前記ｎ型ＩｎＰナノロッド（中心ナノロッド）２３０を被覆する第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１と、前記第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１を被覆する第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２と、前記第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２を被覆する第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４４と、前記第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４４を被覆する第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５と、前記第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５を被覆する第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４７とを有する。第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２の膜厚は、例えば１００ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５の膜厚は、例えば５０ｎｍである。また、ノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１，２４４，２４７の膜厚は、例えばそれぞれ５０ｎｍである。
【０１６９】
２層のノンドープＩｎＰ埋設層２４２，２４５は、それぞれＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）の島状固体結晶を含んでいる。この結晶は、電子を閉じ込める量子井戸として機能しうることからＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）量子ドットとみなすことができる。図７（ｂ）に示されるように、第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２は、大きなＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３を含み、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５は、小さなＩｎＧａＡｓ量子ドット２４６を含む。このようにすることで、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５に含まれるＩｎＧａＡｓ量子ドット２４６の光学的なエネルギーバンドギャップを、第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２に含まれるＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３の光学的なエネルギーバンドギャップよりも大きくすることができる。また、ＩｎＰのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きい。
【０１７０】
以下、図面を参照して実施の形態４の太陽電池素子２００の製造方法について説明する。
【０１７１】
まず、導電性ＩｎＰ基板（ＩｎＰ（１１１）Ａ基板）２１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＩｎＰ基板２１０の（１１１）Ａ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば１００ｎｍである。各開口部は、中心間距離が約５００ｎｍとなるように配列される。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＩｎＰ基板２１０の（１１１）Ａ面からｎ型ＩｎＰナノロッド２３０を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０℃とし、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０１７２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０の周囲に第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１としてノンドープＩｎＰ層を成長させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６００℃に低下させて、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０の長さ方向の成長速度と動径方向の成長速度をほぼ等しくすることが好ましい。第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１を形成した後、トリメチルインジウムガス、トリメチルガリウムガスおよびターシャリーブチルフォスフィンガスを同時に供給し、膜厚数ｎｍのＩｎＧａＡｓ膜を成長させるのと同じ時間供給を維持する。このとき、III族原料として、Ｇａの約５倍以上の量のＩｎを供給するか、またはＩｎのみを供給する。これにより、第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１の表面に付着したＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）は、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）との結晶格子定数の違い、およびＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）の表面張力により、島状固体結晶（ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３）となる。ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３が形成された直後に、再度ノンドープＩｎＰ層を成長させることで、ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３を第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２の中に埋め込むことができる。この工程を繰り返すことで、さらに第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４４、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５（ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４６を含む）および第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４７を成長させる。
【０１７３】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４７の周囲にｐ型ＩｎＰ層２５０を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６００℃とし、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ：ＤＥＺ）を用いればよい。ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０およびｐ型ＩｎＰ層２５０のキャリア濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であればよい。
【０１７４】
次いで、導電性ＩｎＰ基板２１０上の半導体ナノロッド２２０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド２２０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＩｎＰ基板２１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０１７５】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子２００を製造することができる。この太陽電池素子２００は、半導体ナノロッド２２０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０１７６】
実施の形態４の太陽電池素子２００は、実施の形態２の太陽電池素子１００と同様の効果を得ることができる。
【０１７７】
（実施の形態５）
実施の形態４では、量子ドットを有する本発明の太陽電池素子の例を示したが、実施の形態５では、さらに表面保護層を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１７８】
実施の形態５の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、実施の形態４の太陽電池素子２００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態５の太陽電池素子２００’、導電性ＧａＡｓ基板１１０を導電性ＩｎＰ基板２１０、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド２２０’と読み替えて説明する。また、実施の形態４の太陽電池素子２００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１７９】
図４に示すように、実施の形態５の太陽電池素子２００’は、導電性ＩｎＰ基板２１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド２２０’、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１８０】
図８は、実施の形態５の太陽電池素子２００’の半導体ナノロッド２２０’の断面図である。図８に示されるように、半導体ナノロッド２２０’は、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０（中心ナノロッド）と、前記ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＩｎＰ層（第１の被覆層）２４０と、前記ノンドープＩｎＰ層２４０を被覆するｐ型ＩｎＰ層（第２の被覆層）２５０と、前記ｐ型ＩｎＰ層２５０を被覆する表面保護層２６０とを有する。
【０１８１】
表面保護層２６０は、ｐ型ＩｎＰ層２４０を被覆する保護膜である。表面保護層２６０の材料は、ｐ型ＩｎＰよりもエネルギーバンドギャップが大きい材料であれば特に限定されない。このような材料の例には、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＮおよびＡｌ２Ｏ３が含まれる。
【０１８２】
実施の形態５の太陽電池素子２００’は、半導体ナノロッド２２０’の表面をエネルギーバンドギャップの大きい材料で被覆しているため、光照射により発生したキャリアを捕獲する表面準位を小さくすることができる。したがって、実施の形態５の太陽電池素子２００’は、実施の形態３の太陽電池素子よりもさらに発電効率が優れている。
【０１８３】
（実施の形態６）
実施の形態６では、半導体ナノロッドがタンデム構造である本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１８４】
実施の形態６の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態６の太陽電池素子３００、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド３１０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１８５】
図４に示すように、実施の形態６の太陽電池素子３００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド３１０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１８６】
図９は、実施の形態６の太陽電池素子３００の半導体ナノロッド３１０の断面図である。図９に示されるように、半導体ナノロッド３１０は、ｎ型ＧａＡｓ領域３２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域３２２およびｎ型ＧａＮ領域３２３からなる中心ナノロッド３２０と、前記中心ナノロッド３２０を被覆し、量子ドットを有するノンドープＧａＮ層３３０と、前記ノンドープＧａＮ層３３０を被覆するｐ型ＧａＮ層３４０と、前記ｐ型ＧａＮ層３４０を被覆する表面保護層３５０とを有する。中心ナノロッド３２０はｎ層として機能し、ノンドープＧａＮ層３３０はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＮ層３４０はｐ層として機能する。すなわち、中心ナノロッド３２０、ノンドープＧａＮ層３３０およびｐ型ＧａＮ層３４０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。中心ナノロッド３２０の根元の直径は、例えば８０ｎｍであり、導電性ＧａＡｓ基板１１０表面からの長さは、例えば１５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域３２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域３２２およびｎ型ＧａＮ領域３２３の長さは、例えばそれぞれ５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域３２１は導電性ＧａＡｓ基板１１０側に位置し、ｎ型ＧａＮ領域３２３は透明電極１５０側に位置する。ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域３２２は、ｎ型ＧａＡｓ領域３２１とｎ型ＧａＮ領域３２３との間に位置する。すなわち、各半導体（ｎ型ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓおよびｎ型ＧａＮ）は、透明電極１５０側からエネルギーバンドギャップが大きい順に並んでいる。
【０１８７】
また、図９に示されるように、ノンドープＧａＮ層３３０は、２層のノンドープＧａＮ埋設層を有する。これら２層のノンドープＧａＮ埋設層は、それぞれノンドープＧａＮ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＧａＮ層３３０は、前記中心ナノロッド３２０を被覆する、第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１と；前記第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１を被覆する、第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２と；前記第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２を被覆する、第２のノンドープＧａＮ量子障壁層３３４と；前記第２のノンドープＧａＮ量子障壁層３３４を被覆する、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５と；前記第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５を被覆する、第３のノンドープＧａＮ量子障壁層３３７とを有する。第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２の膜厚は、例えば１００ｎｍであり、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５の膜厚は、例えば５０ｎｍである。また、ノンドープＧａＮ量子障壁層３３１，３３４，３３７の膜厚は、例えばそれぞれ５０ｎｍである。
【０１８８】
２層のノンドープＧａＮ埋設層３３２，３３５は、それぞれＩｎＡｓの島状固体結晶を含んでいる。この結晶は、電子を閉じ込める量子井戸として機能しうることからＩｎＡｓ量子ドットとみなすことができる。図９に示されるように、第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２は、大きなＩｎＡｓ量子ドット３３３を含み、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５は、小さなＩｎＡｓ量子ドット３３６を含む。このようにすることで、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５に含まれるＩｎＡｓ量子ドット３３６の光学的なエネルギーバンドギャップを、第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２に含まれるＩｎＡｓ量子ドット３３３の光学的なエネルギーバンドギャップよりも大きくすることができる。また、ＧａＮのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＡｓ量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きい。
【０１８９】
以下、図面を参照して実施の形態６の太陽電池素子３００の製造方法について説明する。
【０１９０】
まず、導電性ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板）１１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば１５０ｎｍである。各開口部は、例えば中心間距離が５００ｎｍとなるように配列される。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面からｎ型ＧａＡｓナノロッド３２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓナノロッド３２２およびｎ型ＧａＮナノロッド３２３をこの順番で成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は８００℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、窒素原料ガスにはアンモニアガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０１９１】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、中心ナノロッド３２０の周囲に第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１としてノンドープＧａＮ層を成長させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は７００℃に低下させて、中心ナノロッド３２０の長さ方向の成長速度と動径方向の成長速度がほぼ等しくすることが好ましい。第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１を形成した後、トリメチルインジウムガスおよび水素化ヒ素ガスを同時に供給し、膜厚数ｎｍのＩｎＡｓ膜を成長させるのと同じ時間供給を維持する。これにより、第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１の表面に付着したＩｎＡｓは、ＧａＮとＩｎＡｓとの結晶格子定数の違い、およびＩｎＡｓの表面張力により、島状固体結晶（ＩｎＡｓ量子ドット３３３）となる。ＩｎＡｓ量子ドット３３３が形成された直後に、再度ノンドープＧａＮ層を成長させることで、ＩｎＡｓ量子ドット３３３を第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２の中に埋め込むことができる。この工程を繰り返すことで、さらに第２のノンドープＧａＮ量子障壁層３３４、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５（ＩｎＡｓ量子ドット３３６を含む）および第３のノンドープＧａＮ量子障壁層３３７を成長させる。
【０１９２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、第３のノンドープＧａＮ量子障壁層３３７の周囲にｐ型ＧａＮ層３４０を成長させ、さらにｐ型ＧａＮ層３４０の周囲に表面保護層３５０としてＡｌＧａＮ層を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は８００℃とし、ｐ型ドーパントにはマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）を含む有機金属を用いればよい。中心ナノロッド３２０およびｐ型ＧａＮ層３４０のキャリア濃度は、いずれも１×１０１８ｃｍ−３であればよい。
【０１９３】
次いで、導電性ＧａＡｓ基板１１０上の半導体ナノロッド３１０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド３１０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０１９４】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子３００を製造することができる。この太陽電池素子３００は、半導体ナノロッド３１０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０１９５】
実施の形態６の太陽電池素子３００は、実施の形態１の太陽電池素子の効果に加えて、ＧａＮのエネルギーバンドギャップ（３.４ｅＶ）よりもエネルギーの小さい太陽光スペクトルをより効率的に利用することができる。
【０１９６】
（実施の形態７）
実施の形態７では、半導体ナノロッドがタンデム構造である本発明の太陽電池素子の別の例を示す。
【０１９７】
実施の形態７の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態７の太陽電池素子４００、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド４１０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１９８】
図４に示すように、実施の形態７の太陽電池素子４００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド４１０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１９９】
図１０は、実施の形態７の太陽電池素子４００の半導体ナノロッド４１０の断面図である。図１０に示されるように、半導体ナノロッド４１０は、ｎ型ＧａＡｓ領域４２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域４２２およびｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３からなる中心ナノロッド４２０と、前記中心ナノロッド４２０を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＧａＩｎＰ層４３０と、前記ノンドープＧａＩｎＰ層４３０を被覆するｐ型ＧａＩｎＰ層４４０と、前記ｐ型ＧａＩｎＰ層４４０を被覆する表面保護層４５０とを有する。中心ナノロッド４２０はｎ層として機能し、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＩｎＰ層４４０はｐ層として機能する。すなわち、中心ナノロッド４２０、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０およびｐ型ＧａＩｎＰ層４４０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。中心ナノロッド４２０の根元の直径は、例えば８０ｎｍであり、導電性ＧａＡｓ基板１１０表面からの長さは、例えば１５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域４２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域４２２およびｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３の長さは、例えばそれぞれ５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域４２１は導電性ＧａＡｓ基板１１０側に位置し、ｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３は透明電極１５０側に位置する。ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域４２２は、ｎ型ＧａＡｓ領域４２１とｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３との間に位置する。すなわち、各半導体（ｎ型ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓおよびｎ型ＧａＩｎＰ）は、透明電極１５０側からエネルギーバンドギャップが大きい順に並んでいる。
【０２００】
また、図１０に示されるように、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０は、２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層を有する。これら２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層は、それぞれノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０は、前記中心ナノロッド４２０を被覆する、第１のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１と；前記第１のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２と；前記第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２を被覆する、第２のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３３と；前記第２のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３３を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３４と；前記第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３４を被覆する、第３のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３５とを有する。ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２，４３４およびノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１，４３３，４３５は、超格子構造を形成している。キャリアは、これらノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２，４３４内を自由に移動することができる。第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２の膜厚は、例えば１０ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３４の膜厚は、例えば５ｎｍである。また、ノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１，４３３，４３５の膜厚は、例えばそれぞれ３ｎｍである。
【０２０１】
本実施の形態の太陽電池素子４００は、実施の形態２，６の太陽電池素子と同様の手順により製造されうる。本実施の形態の太陽電池素子４００は、半導体ナノロッド４１０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０２０２】
実施の形態７の太陽電池素子４００は、実施の形態６の太陽電池素子と同様の効果を得ることができる。
【０２０３】
（実施の形態８）
実施の形態６，７では、半導体ナノロッドが３段構造である本発明の太陽電池素子の例を示したが、実施の形態８では、半導体ナノロッドが４段構造である本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０２０４】
実施の形態８の太陽電池素子は、基板および半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態８の太陽電池素子５００、導電性ＧａＡｓ基板１１０を導電性Ｓｉ基板５１０、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド５２０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０２０５】
図４に示すように、実施の形態８の太陽電池素子５００は、導電性Ｓｉ基板５１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド５２０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０２０６】
図１１は、実施の形態８の太陽電池素子５００の半導体ナノロッド５２０の断面図である。図１１に示されるように、半導体ナノロッド５２０は、ｎ型Ｇｅ領域５３１、ｎ型ＧａＡｓ領域５３２、ｎ型ＧａＡｓＰ領域５３３およびｎ型ＧａＩｎＰ領域５３４からなる中心ナノロッド５３０と、前記中心ナノロッド５３０を被覆し、量子ドットを有するノンドープＩｎＧａＮ層５４０と、前記ノンドープＩｎＧａＮ層５４０を被覆するｐ型ＧａＮ層５５０と、前記ｐ型ＧａＮ層５５０を被覆する表面保護層５６０とを有する。中心ナノロッド５３０はｎ層として機能し、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＮ層５５０はｐ層として機能する。すなわち、中心ナノロッド５３０、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０およびｐ型ＧａＮ層５５０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。中心ナノロッド５３０の根元の直径は、例えば１００ｎｍであり、導電性Ｓｉ基板５１０表面からの長さは、例えば１６００ｎｍである。ｎ型Ｇｅ領域５３１、ｎ型ＧａＡｓ領域５３２、ｎ型ＧａＡｓＰ領域５３３およびｎ型ＧａＩｎＰ領域５３４の長さは、例えばそれぞれ４００ｎｍである。各半導体（ｎ型Ｇｅ、ｎ型ＧａＡｓ、ｎ型ＧａＡｓＰおよびｎ型ＧａＩｎＰ）は、透明電極１５０側からエネルギーバンドギャップが大きい順に並んでいる。
【０２０７】
また、図１１に示されるように、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０は、２層のノンドープＩｎＧａＮ埋設層を有する。これら２層のノンドープＩｎＧａＮ埋設層は、それぞれノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０は、前記中心ナノロッド５３０を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４１と；前記第１のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４１を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２と；前記第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４４と；前記第２のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４４を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５と；前記第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５を被覆する、第３のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４７とを有する。第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２の膜厚は、例えば５０ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５の膜厚は、例えば３０ｎｍである。また、ノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４１，５４４，５４７の膜厚は、例えばそれぞれ３０ｎｍである。
【０２０８】
２層のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２，５４５は、それぞれＩｎＡｓ量子ドットを含んでいる。図１１に示されるように、第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２は、大きなＩｎＡｓ量子ドット５４３を含み、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５は、小さなＩｎＡｓ量子ドット５４６を含む。このようにすることで、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５に含まれるＩｎＡｓ量子ドット５４６の光学的なエネルギーバンドギャップを、第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２に含まれるＩｎＡｓ量子ドット５４３の光学的なエネルギーバンドギャップよりも大きくすることができる。また、ＩｎＧａＮのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＡｓ量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きい。
【０２０９】
本実施の形態の太陽電池素子５００は、実施の形態６の太陽電池素子とほぼ同様の手順により製造されうる。本実施の形態の太陽電池素子５００は、半導体ナノロッド５２０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０２１０】
実施の形態８の太陽電池素子５００は、実施の形態６の太陽電池素子と同様の効果を得ることができる。
【０２１１】
（実施の形態９）
実施の形態９では、半導体ナノロッドが複数のヘテロ接合を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０２１２】
実施の形態９の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態９の太陽電池素子６００、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド６１０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０２１３】
図４に示すように、実施の形態９の太陽電池素子６００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド６１０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０２１４】
図１２は、実施の形態９の太陽電池素子６００の半導体ナノロッド６１０の断面図である。図１２に示されるように、半導体ナノロッド６１０は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）６１１と、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１を被覆するｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２と、前記ｐ型ＧａＡｓ層６１２を被覆するｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３と、前記ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１３を被覆するｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４と、前記ｐ型ＡｌＧａＡｓ層６１４を被覆するｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５と、前記ｎ型ＧａＩｎＰ層６１５を被覆するｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６と、前記ｐ型ＧａＩｎＰ層６１６を被覆する表面保護層６１７とを有する。
【０２１５】
ｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６およびｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５を構成するＧａＩｎＰは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３を構成するＡｌＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい。また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３を構成するＡｌＧａＡｓは、ｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２およびｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）６１１を構成するＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい。すなわち、半導体ナノロッド６１０では、ｎ型の半導体とｐ型の半導体とが交互になるように、かつ中心から外側に向けてエネルギーバンドギャップが順次大きくなるように、中心ナノロッドおよび半導体層が形成されている。
【０２１６】
半導体ナノロッド６１０内では、３つのｐ−ｎ接合が形成されている。１つ目のｐ−ｎ接合は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）６１１およびｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２により形成されるｐ−ｎ接合である。２つ目のｐ−ｎ接合は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４により形成されるｐ−ｎ接合である。３つ目のｐ−ｎ接合は、ｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５およびｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６により形成されるｐ−ｎ接合である。ｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１の根元の太さは、例えば５０ｎｍである。また、半導体ナノロッド６１０の太さは、例えば４００ｎｍであり、基板１１０表面からの高さは、例えば１８００ｎｍである。
【０２１７】
表面保護層６１７は、ｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６を被覆する保護膜である。表面保護層６１７の材料は、ｐ型ＧａＩｎＰ層よりもエネルギーバンドギャップが大きい材料であれば特に限定されない。
【０２１８】
以下、図面を参照して実施の形態９の太陽電池素子６００の製造方法について説明する。
【０２１９】
まず、導電性ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板）１１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば５０ｎｍである。各開口部は、中心間距離が約３００ｎｍとなるように配列される。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面から直径５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０２２０】
次いで、ｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１の周囲にｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２を成長させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜６８０℃に低下させて、ｐ型ＧａＡｓ層６１２の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６８０℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛ガスを用いればよい。
【０２２１】
次いで、ｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２の周囲にｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０〜８５０℃として、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１３の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば８２０℃とし、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０２２２】
次いで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３の周囲にｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０〜８５０℃として、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層６１４の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば８２０℃とし、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛ガスを用いればよい。
【０２２３】
次いで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４の周囲にｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜７５０℃として、ｎ型ＧａＩｎＰ層６１５の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７００℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０２２４】
次いで、ｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５の周囲にｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜７５０℃として、ｐ型ＧａＩｎＰ層６１６の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７００℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛ガスを用いればよい。
【０２２５】
次いで、ｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６の周囲にＡｌＩｎＰ層（表面保護層）６１７を成長させる。このときは、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜７００℃として、ＡｌＩｎＰ層６１７の長さ方向の成長速度と動径方向の成長速度を等しくすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７００℃とし、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを用いればよい。表面保護層６１７を形成した後の半導体ナノロッド６１０の太さ（直径）は約４００ｎｍ、高さは１８００ｎｍである。
【０２２６】
次いで、導電性ＧａＡｓ基板１１０上の半導体ナノロッド６１０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド６１０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０２２７】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子６００を製造することができる。この太陽電池素子６００は、半導体ナノロッド６１０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０２２８】
実施の形態９の太陽電池素子６００は、実施の形態２の太陽電池素子１００と同様の効果を得ることができる。
【０２２９】
（実施の形態１０）
実施の形態１０では、本発明のカラーセンサの例を示す。
【０２３０】
図１３は、実施の形態１０のカラーセンサの構成を示す斜視図である。図１３に示されるように、実施の形態１０のカラーセンサ７００は、導電性基板７１０と、導電性基板７１０上に配置された３つのロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂとを有する。各ロッドアレイ７２０は、それぞれ、透明導電層７３０、絶縁膜７４０、半導体ナノロッド７５０、透明埋設膜７６０および透明電極７７０を有する。透明導電層７３０および絶縁膜７４０は、マスクパターンとして機能する。また、図１３に示されるように、導電性基板７１０および透明電極７７０ｒ，ｇ，ｂは、外部回路に接続される。
【０２３１】
導電性基板７１０は、導電性のｎ型基板である。
【０２３２】
透明導電層７３０および絶縁膜７４０は、導電性基板７１０の表面を被覆している。透明導電層７３０および絶縁膜７４０の半導体ナノロッド７５０が配置される領域には、透明導電層７３０および絶縁膜７４０を貫通する開口部が形成されている。後述するように、半導体ナノロッド７５０内のｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１は、導電性基板７１０に直接接触している（図１４参照）。
【０２３３】
半導体ナノロッド７５０は、絶縁膜７４０上に複数配置されており、その長軸が導電性基板７１０の表面に対して略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッド７５０の外径は、例えば１００ｎｍである。第１のロッドアレイ７２０ｒでは、各半導体ナノロッド７５０ｒは、例えば中心間距離が５００ｎｍとなるように配列されており、第２のロッドアレイ７２０ｇでは、各半導体ナノロッド７５０ｇは、例えば中心間距離が１５００ｎｍとなるように配列されており、第３のロッドアレイ７２０ｂでは、各半導体ナノロッド７５０ｂは、例えば中心間距離が３０００ｎｍとなるように配列されている。
【０２３４】
後述するように、半導体ナノロッド７５０は、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１と、前記ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１を被覆するノンドープＩｎＧａＮ層（第１の被覆層）７５２と、前記ノンドープＩｎＧａＮ層７５２を被覆するｐ型ＩｎＧａＮ層（第２の被覆層）７５３とを有する。ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１はｎ層として機能し、ノンドープＩｎＧａＮ層７５２はｉ層として機能し、ｐ型ＩｎＧａＮ層７５３はｐ層として機能する。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１、ノンドープＩｎＧａＮ層７５２およびｐ型ＩｎＧａＮ層７５３によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。
【０２３５】
ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１は、導電性基板７１０および透明導電層７３０に接触しているが、ノンドープＩｎＧａＮ層（第１の被覆層）７５２およびｐ型ＩｎＧａＮ層（第２の被覆層）７５３は、いずれも導電性基板７１０および透明導電層７３０には接触していない。
【０２３６】
透明埋設膜７６０は、ロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂのそれぞれにおいて、半導体ナノロッド７５０の側面を被覆し、かつ半導体ナノロッド７５０間の空間を埋める、絶縁膜である。透明埋設膜７６０の材料の例には、ＢＣＢ樹脂やＰＩＱ樹脂などの絶縁性樹脂、ＰＳＧなどのガラスが含まれる。半導体ナノロッド７５０の頭部（透明電極７７０側の端部）は、透明埋設膜７６０に被覆されていない。
【０２３７】
透明電極７７０は、半導体ナノロッド７５０上に配置されており、半導体ナノロッド７５０のｐ型ＩｎＧａＮ層（第２の被覆層）７５３にオーミック接続されている。
【０２３８】
以下、図１４を参照して実施の形態１０のカラーセンサ７００の製造方法について説明する。図１４は、本実施の形態のカラーセンサ７００の製造方法を示す模式図である。説明の便宜上、１本の半導体ナノロッド７５０の形成過程を示している。
【０２３９】
まず、図１４（ａ）に示されるように、導電性基板７１０の表面に透明導電層７３０および絶縁膜７４０（マスクパターン）を形成する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、マスクパターンに複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部の直径は３０〜３００ｎｍの範囲内であり、開口部の中心間距離は１００〜２０００ｎｍの範囲内である。ロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂのそれぞれにおいて、開口部は１０×１０のアレイ状に配列される。
【０２４０】
次いで、図１４（ｂ）に示されるように、ガスソースＭＢＥ成長法により、開口部を通して露出した導電性基板７１０の表面からｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１を成長させる。ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、窒素原料ガスにはアンモニアガスを、ｎ型ドーパントにはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを用いればよい。
【０２４１】
ガスソースＭＢＥ成長工程では、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径、長さおよび組成を制御するため、基板温度および成長時間を厳密に制御する。ここで、マスクパターンの開口部の直径、開口部の中心間距離および成長温度と、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の組成との関係は以下の通りである。
【０２４２】
１）マスクパターンの開口部の中心間距離を一定として、開口部の直径を大きくすると、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径も大きくなる。ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径とその結晶組成について調べると、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径が５０ｎｍから４５０ｎｍに増大すると、Ｉｎ組成は１０％から７０％へとほぼ線形に増加する。この傾向は、成長温度が６００〜７００℃の範囲内ではほぼ同じである。温度をさらに上昇させると、Ｉｎ組成がＧａに対して相対的に減少し始める。
【０２４３】
２）成長温度７００℃でマスクパターンの開口部の直径を一定として、開口部の中心間距離を４００ｎｍから３０００ｎｍまで変化させる。成長したｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の中心間距離が小さくなると、Ｉｎ組成は２０％から５０％程度に増加する。温度を８００℃にすると、Ｉｎ組成は約半分に減少する。ＩｎｘＧａ１−ｘＮのエネルギーバンドギャップとＩｎ組成ｘとの関係では、Ｉｎ組成ｘが約４８％で青色光のエネルギーに対応し、Ｉｎ組成ｘが約５３％で緑色光のエネルギーに対応し、Ｉｎ組成ｘが約６４％で赤色光のエネルギーに対応する。
【０２４４】
次いで、図１４（ｃ）に示されるように、ガスソースＭＢＥ成長法により、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の周囲に、ノンドープＩｎＧａＮ層７５２およびｐ型ＩｎＧａＮ層７５３を成長させる。ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、窒素原料ガスにはイオン化又は活性化した窒素を、ｐ型ドーパントにはＭｇ固体ソースを用いればよい。
【０２４５】
次いで、図１４（ｄ）に示されるように、ロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂのそれぞれにおいて、半導体ナノロッド７５０の下半分を透明埋設膜７６０内に埋め込んだ後、透明埋設膜７６０上に透明電極７７０を形成する。
【０２４６】
以上の手順により、本実施の形態のカラーセンサ７００を製造することができる。このカラーセンサ７００は、半導体ナノロッド７５０の頭部側（透明電極７７０側）から光を照射されて使用される。ロッドアレイ７２０ｒは赤色光の検出に最適なピーク感度を有し、ロッドアレイ７２０ｇは緑色光の検出に最適なピーク感度を有し、ロッドアレイ７２０ｂは青色光の検出に最適なピーク感度を有する。
【０２４７】
本発明者らは、本実施の形態のカラーセンサ７００の光反射率について調べた。その結果、本実施の形態のカラーセンサ７００は、従来の膜構造のカラーセンサよりも光反射率が１／４に減少することがわかった。すなわち、本実施の形態のカラーセンサ７００は、従来のカラーセンサに比べて微弱な光に対するＳ／Ｎ比が向上している。
【０２４８】
図１５は、３つのロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂを切り出して、積層した様子を示す斜視図である。この場合、ロッドアレイ７２０ｇ，ｂの基板には、石英やサファイアなどの可視光が透過しうる透明基板を用いる。このカラーセンサ７００’では、入射光（図中白矢印）に含まれる青色光は最上段のロッドアレイ７２０ｂで吸収され、緑色光および赤色光は下側に透過する。透過した入射光のうち緑色光は中段のロッドアレイ７２０ｇで吸収され、赤色光は下側に透過する。透過した赤色光は下段のロッドアレイ７２０ｒで吸収される。
【０２４９】
（実施の形態１１）
実施の形態１１では、半導体ナノロッドを有する発光素子と半導体ナノロッドを有する受光素子とを１回の結晶成長工程で同時に製造する例を示す。
【０２５０】
図１６は、本実施の形態の製造方法により同時に製造された発光素子（ＬＥＤアレイ）８００ａおよび受光素子（ＰＤアレイ）８００ｂの構成を示す斜視図である。
【０２５１】
図１６に示されるように、ｎ型Ｓｉ基板８１０上に絶縁膜（ＳｉＯ２膜）からなるマスクパターン８２０を８つ形成する。８つのマスクパターン８２０ａ〜ｈのうち、４つのマスクパターン８２０ａ〜ｄは発光素子（ＬＥＤ）形成用であり、４つのマスクパターン８２０ｅ〜ｈは受光素子（ＰＤ）形成用である。各マスクパターン８２０は、縦横５０μｍの矩形であり、隣接するマスクパターン８２０の中心間距離は２５０μｍである。各マスクパターン８２０ａ〜ｈには、複数の開口部が中心対称または同心円状に形成されている。
【０２５２】
ＭＯＣＶＤ法により、マスクパターンの開口部にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を含むＩｎＧａＡｓナノロッド８３０を成長させる。このとき、マスクパターン８２０の開口部の中心間距離とＩｎＧａＡｓナノロッド８３０のＩｎ組成との関係を調べたところ、開口部の中心間距離が５００ｎｍのマスクパターン８２０ａから中心間距離が３０００ｎｍのマスクパターン８２０ｄへと中心間距離が大きくなると、Ｉｎ組成がＧａに対して１０％から３０％へと増加する関係にあった。また、マスクパターン８２０の開口部の直径とＩｎＧａＡｓナノロッド８３０のＩｎ組成との関係を調べたところ、開口部の直径が１００ｎｍから４００ｎｍへと大きくなると、Ｉｎ組成が１０％から３０％へと増加する関係にあった。図１６に示されるマスクパターン８２０ａ〜ｄにおいて、フォトルミネッセンスの発光ピーク波長は、マスクパターン８２０ａは９３０ｎｍであり、マスクパターン８２０ｂは９７０ｎｍであり、マスクパターン８２０ｃは１０１０ｎｍであり、マスクパターン８２０ｄは１０６０ｎｍである。マスクパターン８２０ｅ〜ｈではフォトルミネッセンスピーク波長はほぼ１０５０ｎｍになるように開口部の直径と中心間距離を調整した。
【０２５３】
半導体ナノロッド８３０の頭部を露出するように透明なＰＳＧで埋め込む。次いで、半導体ナノロッド８３０の頭部にオーミック透明電極および外部への引き出し用電極パターンを形成し、ｎ型Ｓｉ基板８１０の表面には共通のオーミック電極パターンを形成して通電試験を行えるようにした。通電状態では、ＬＥＤ部からは最も短波長側でλ１＝９４０ｎｍにピークを持つ光が確認され、これより長波長側においても波長間隔３０〜４０ｎｍで３つの異なる波長の発光が観察された。また、ＰＤ部では、この４つの波長に対して数マイクロアンペアの光電流が得られることも確認した。
【０２５４】
ＬＥＤアレイ８００ａとＰＤアレイ８００ｂは別々のチップに分けることもできる。図１７に示されるように、ＬＥＤアレイ８００ａを光導波路となる多モード光ファイバ中に埋め込んでもよい。この場合、ＬＥＤアレイを構成する各ＬＥＤ部は、直径１０μｍのマスクパターン内に形成する。ＭＯＣＶＤによる半導体ナノロッド結晶成長工程では、隣り合うＬＥＤ部の中心間距離は１５μｍ程度まで短くすることができる。したがって、コア部８５０の直径６０μｍの汎用多モード光ファイバを使用してＬＥＤアレイ８００ａを埋め込むことができる。通信用光源として使用する場合は、４波長の光源として光合波器を使用せずに１本の光ファイバ８４０のみで１０ｋｍ程度の通信に使用することができるので、光ファイバ部材費を４分の１程度に削減できる利点がある。
【０２５５】
図１８は、通信距離が１ｋｍから１０ｋｍ程度の近距離通信用発受光素子を搭載したプリント回路基板への実装例を示す斜視図である。光出力部には４×１のＬＥＤアレイ８００ａが搭載され、光受信部には４×１のＰＤアレイ８００ｂが搭載されている。ＬＥＤ側、ＰＤ側のそれぞれが、４チャネルの光ファイバ８４０と接続されている。光出力部のＬＥＤは、１個あたりの通信速度が２.５ギガビット／秒（２.５Ｇｂｐｓ）であり、４チャネル合計で１０Ｇｂｐｓの通信速度に対応することができる。
【符号の説明】
【０２５６】
１００、１００’、２００、２００’３００、４００、５００、６００ 太陽電池素子
１１０ 導電性ＧａＡｓ基板
１２０ ＳｉＯ２膜
１３０、１３０’、２２０、２２０’、３１０、４１０、５２０、６１０ 半導体ナノロッド
１３１ ｎ型ＧａＡｓナノロッド
１３２ ノンドープＧａＡｓ層
１３３ 第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層
１３４ 第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
１３５ 第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層
１３６ 第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
１３７ 第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層
１３８ ｐ型ＧａＡｓ層
１４０ 透明埋設膜
１５０ 透明電極
１６０ 第１の金属電極
１７０ 第２の金属電極
１８０、２６０、３５０、４５０、５６０、６１７ 表面保護層
２１０ 導電性ＩｎＰ基板
２３０ ｎ型ＩｎＰナノロッド
２４０ ノンドープＩｎＰ層
２４１ 第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層
２４２ 第１のノンドープＩｎＰ埋設層
２４３、２４６ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
２４４ 第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層
２４５ 第２のノンドープＩｎＰ埋設層
２４７ 第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層
２５０ ｐ型ＩｎＰ層
３２０、４２０、５３０ 中心ナノロッド
３２１、４２１ ｎ型ＧａＡｓ領域
３２２、４２２ ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域
３２３ ｎ型ＧａＮ領域
３３０ ノンドープＧａＮ層
３３１ 第１のノンドープＧａＮ量子障壁層
３３２ 第１のノンドープＧａＮ埋設層
３３３、３３６、５４３、５４６ ＩｎＡｓ量子ドット
３３４ 第２のノンドープＧａＮ量子障壁層
３３５ 第２のノンドープＧａＮ埋設層
３３７ 第３のノンドープＧａＮ量子障壁層
３４０ ｐ型ＧａＮ層
４２３ ｎ型ＧａＩｎＰ領域
４３０ ノンドープＧａＩｎＰ層
４３１ 第１のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層
４３２ 第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
４３３ 第２のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層
４３４ 第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
４３５ 第３のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層
４４０ ｐ型ＧａＩｎＰ層
５１０ 導電性Ｓｉ基板
５３１ ｎ型Ｇｅ領域
５３２ ｎ型ＧａＡｓ領域
５３３ ｎ型ＧａＡｓＰ領域
５３４ ｎ型ＧａＩｎＰ領域
５４０ ノンドープＩｎＧａＮ層
５４１ 第１のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層
５４２ 第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層
５４４ 第２のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層
５４５ 第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層
５４７ 第３のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層
５５０ ｐ型ＧａＮ層
６１１ ｎ型ＧａＡｓナノロッド
６１２ ｐ型ＧａＡｓ層
６１３ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
６１４ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
６１５ ｎ型ＧａＩｎＰ層
６１６ ｐ型ＧａＩｎＰ層
７００、７００’ カラーセンサ
７１０ 導電性基板
７２０ ロッドアレイ
７３０ 透明導電層
７４０ 絶縁膜
７５０ 半導体ナノロッド
７５１ ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド
７５２ ノンドープＩｎＧａＮ層
７５３ ｐ型ＩｎＧａＮ層
７６０ 透明埋設膜
７７０ 透明電極
８００ａ 発光素子
８００ｂ 受光素子
８１０ ｎ型Ｓｉ基板
８２０ マスクパターン
８３０ ＩｎＧａＡｓナノロッド
８４０ 光ファイバ
８５０ コア部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ナノロッドを有する太陽電池素子およびカラーセンサ、ならびに半導体ナノロッドを有する発光素子および受光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１．太陽電池素子
半導体ナノロッド（ナノワイヤ）を有する太陽電池素子は、入射光に対する表面積を大きくすることができるため、薄膜型の太陽電池素子よりも発電効率の点で優れていると考えられている。近年、半導体ナノロッドを有する太陽電池素子について、いくつかの報告がなされている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１の太陽電池素子（光起電力デバイス）は、基板と、前記基板上に形成された多層膜と、前記多層膜上に形成された細長いナノ構造体とを有する。多層膜およびナノ構造体は、それぞれｐ−ｎ接合を含む。また、多層膜およびナノ構造体は、トンネル接合で接続されたタンデム接合を形成している。
【０００４】
特許文献２の太陽電池素子（光起電力装置）は、基板と、前記基板上に形成された第１の導電型の細長いナノ構造体と、前記ナノ構造体を被覆する第２の導電型のコンフォーマル層とを有する。第１の導電型のナノ構造体および第２の導電型のコンフォーマル層は、ｐ−ｎ接合を形成している。
【０００５】
非特許文献１，２には、半導体ナノロッドの動径方向にｐ−ｎ接合を形成したコアシェル型太陽電池の発電効率について記載されている。また、特許文献３および非特許文献３，４には、半導体ナノロッドからなるタンデム型の太陽電池について記載されている。
【０００６】
一方、従来からよく知られている薄膜型のタンデム型太陽電池素子については、数多くの報告がなされている（例えば、非特許文献５，６参照）。非特許文献５には、薄膜型のタンデム型高効率太陽電池素子について記載されている。非特許文献６には、ｐ−ｎ接合を利用した薄膜型の太陽電池素子であって、ｐ−ｎ接合の界面部分に形成された真性層（ｉ層）内に超格子構造を形成した太陽電池素子が記載されている。この太陽電池素子は、ｐ層、ｉ層およびｎ層の各層を構成する半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さい半導体からなる量子井戸層をｉ層内に含む超格子構造を有する。このように超格子構造を有する太陽電池は、ｐ層、ｉ層およびｎ層の各層を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーの光を利用することができる。
【０００７】
２．カラーセンサ
可視光に含まれる赤色光、緑色光および青色光に対応する波長成分を電気信号に変換する半導体光検知素子としてカラーセンサが知られている（例えば、特許文献４，５、非特許文献７参照）。
【０００８】
特許文献４には、半導体シリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との混晶（ＳｉＧｅ）からなる光吸収部を有するカラーセンサについて記載されている。このカラーセンサは、基板上にＳｉＧｅの混晶からなる光吸収層を３層有している。各層におけるＳｉとＧｅとの混晶比率は、上層、中層、下層と順次変えられている。上層では青色光が吸収され、中層では緑色光が吸収され、下層では赤色光が吸収される。
【０００９】
特許文献５には、ガラス製基体上に形成された３層のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層を有するカラーセンサについて記載されている。各層の間には、透明なコンタクトが形成されている。それぞれのａ−Ｓｉ層は、ダイオードを構成する。ａ−Ｓｉ層の各層において、赤色光、緑色光および青色光が吸収され、光起電力が発生する。
【００１０】
非特許文献７には、ａ−Ｓｉを用いたカラーセンサについて記載されている。
【００１１】
また、半導体ナノロッドを利用したｐ−ｎ接合型光検知素子についても報告されている（例えば、特許文献６参照）。
【００１２】
特許文献６には、５００ｎｍ未満の最小幅を有する自立型半導体ナノロッドについて記載されている。また、この半導体ナノロッドは、ｎ型半導体およびｐ型半導体を含むものであってもよく、光検出器やｐ−ｎ太陽電池などの電気部品となりうると記載されている。
【００１３】
３．発光素子および受光素子の製造方法
半導体ナノロッドを有するｐ−ｎ接合型発光素子（ＬＥＤ）の製造方法について報告されている（例えば、特許文献７参照）。
【００１４】
特許文献７には、基板上に複数の開口部を有する絶縁膜を形成し、前記開口部からｐ−ｎ接合を有する半導体ナノロッドを成長させて、ｐ−ｎ接合型発光素子（ＬＥＤ）を製造する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−１８２２２６号公報
【特許文献２】特開２００８−５３７３０号公報
【特許文献３】特開２００８−２８１１８号公報
【特許文献４】特開２００７−２７４６２号公報
【特許文献５】特表２００１−５１５２７５号公報
【特許文献６】特表２００４−５３５０６６号公報
【特許文献７】特開２００９−０４９２０９号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】E. C. Garnett, et al., "Silicon nanowire radial p-n junction solar cells", Journal of American Chemical Society, Vol.130, (2008), pp.9224-9225.
【非特許文献２】B. Tian, et al., "Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectric power sources", Nature, Vol.449, (2007), pp.885-889.
【非特許文献３】T. J. Kempa, et al., "Single and tandem axial p-i-n nanowire photovoltaic devices", Nano letters, Vol.8, (2008), pp.3456-3460.
【非特許文献４】A. Kandala, et al., "General theoretical considerations on nanowire solar cell designs", Physica Status Solidi (a), Vol.206, (2009), pp.173-178.
【非特許文献５】R. R. King, et al., "40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells", Applied Physics Letters, Vol.90, (2007), pp.183516-1-183516-3.
【非特許文献６】K. W. J. Barnham, et al., "A new approach to high-efficiency multi-bandgap solar cells", Journal of Applied Physics, Vol.67, (1990), pp.3490-3493.
【非特許文献７】M. Topic, et al., "Stacked a-SiC:H/a-Si:H heterostructures for bias-controlled three-color detectors", Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.198-200, (1996), pp.1180-1184.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
１．太陽電池素子
特許文献１〜３および非特許文献１，２に記載の半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子には、ｐ−ｎ接合（またはｐ−ｉ−ｎ接合）を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーの光を利用できないという問題がある。したがって、従来の半導体ナノロッドを有する太陽電池素子では、発電効率の更なる向上を望むことは難しい。
【００１８】
また、特許文献１に記載の半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子には、基板上の多層膜と半導体ナノロッドとの接合界面において結晶の格子定数差に起因する転位が発生し、太陽電池素子の性能が低下してしまうという問題もある。
【００１９】
さらに、特許文献３および非特許文献３，４に記載の半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子には、光照射により発生したキャリアのうち半導体ナノロッドの表面に拡散したキャリアが表面準位に捕獲されてしまうため、発電効率が低下してしまうという問題がある。
【００２０】
一方、非特許文献６に記載の薄膜型の従来の太陽電池素子では、超格子構造内に量子井戸層を数ｎｍ以内の間隔で複数配置して、隣接する量子井戸層内の電子または正孔の波動関数が重なり合うようにすれば、一つの量子井戸層で発生したキャリア（電子および正孔）の再結合を防止して、発電効率を向上させることができる。しかしながら、従来の構造では、量子井戸層を数ｎｍ以内の間隔で複数配置すると、異種接合に起因する結晶格子の歪みが増大してしまい、結晶転位が発生してしまう。この結晶転位は、太陽電池素子の性能を低下させてしまう。なお、量子井戸層ではなく量子ドットを含む埋設層を配置する場合も同様の課題が生じる。
【００２１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発電効率がより高い太陽電池素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
２．カラーセンサ
特許文献４，５および非特許文献７に記載の従来のカラーセンサには、入射光の一部が平坦な半導体表面における反射により失われてしまうため、入射光を十分に利用できないという問題がある。
【００２３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、反射損失がより少ないカラーセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２４】
３．発光素子および受光素子の製造方法
特許文献７に記載の従来の製造方法には、発光素子と受光素子を別個の製造工程で製造するため、製造コストの観点から問題がある。
【００２５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発光素子および受光素子をより高い効率で製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明者らは、半導体ナノロッドを有する従来の太陽電池素子において十分な発電効率が得られない理由について検討した結果、前記従来の太陽電池素子では入射光を十分に吸収できない場合があることを知見した。本発明者らは、前記知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、前記半導体ロッドを基板上に平面視三角格子状に配置したときに、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄを所定の範囲とすることにより、入射光の反射率を低減し、吸収を大にすることができることを見出し、本発明に到達した。
【００２７】
そこで、前記目的を達成するために、本発明の太陽電池素子は、基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、前記半導体ナノロッドは、基板上に平面視三角格子状に配置されており、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にあり、前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、真性半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有することを特徴とする。
【００２８】
尚、本願において、「三角格子」とは、任意の三角形の各辺に平行な複数の直線の交点を格子点とする格子を意味するものとする。
【００２９】
本発明の太陽電池素子によれば、基板上に平面視三角格子状に配置された前記半導体ナノロッドにおいて、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にあることにより、入射光の反射率を低減し、吸収を大にすることができる。ｐ／ｄが１未満または７より大きいときには、入射光の反射率を十分に低減することができない。
【００３０】
また、入射光の反射率を低減するために、ｐ／ｄは１．５〜５の範囲にあることがさらに好ましい。
【００３１】
また、本発明の太陽電池素子によれば、前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、真性半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有する。ここで、第１の導電型はｎ型又はｐ型であり、第２の導電型は第１の導電型がｎ型であるときはｐ型であり、第１の導電型がｐ型であるときはｎ型である。
【００３２】
従って、前記中心ナノロッドと、前記第１の被覆層と、前記第２の被覆層とにより、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成することができる。
【００３３】
本発明の太陽電池素子は、前記第２の被覆層を被覆すると共に、前記第１の導電型の半導体、前記第２の導電型の半導体および前記真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの大きな半導体からなる表面保護層を有することが好ましい。
【００３４】
また、本発明の太陽電池素子において、前記中心ナノロッドは、第１の半導体からなり前記基板上に形成された第１の領域と、前記第１の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第２の半導体からなり前記第１の領域上に形成された第２の領域と、前記第２の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第３の半導体からなり前記第２の領域上に形成された第３の領域とを有することが好ましい。
【００３５】
本発明の太陽電池素子は、前記中心ナノロッドが前記第１〜第３の領域を有するときに、さらに、前記第３の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第４の半導体からなり前記第３の領域上に形成された第４の領域を有するものであってもよい。
【００３６】
また、本発明の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を有することが好ましい。このとき、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、前記第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなり前記量子障壁に挟持された量子井戸層とを有することが好ましい。またこのとき、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、第１の真性半導体と第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなる量子ドットとを含み前記量子障壁に挟持された埋設層とを有し、前記埋設層中で前記量子ドットは第１の真性半導体中に分散されていることが好ましい。
【００３７】
また、本発明の太陽電池素子は、基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、第２の導電型の半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第２の被覆層を被覆する第３の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第３の被覆層を被覆する第４の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第４の被覆層を被覆する第５の被覆層とを有し、前記第４の被覆層及び第５の被覆層を形成する半導体は、前記第第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有し、前記第第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体は、前記第１の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする。
【００３８】
前記前記第１の被覆層が、量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を有する太陽電池素子は、基板の表面に、開口部を有するマスクパターンを形成する工程と、前記開口部から露出する前記基板の表面に、第１の導電型の半導体を結晶成長させることにより中心ナノロッドを形成する工程と、前記中心ナノロッドの周囲に、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法又は化学気相堆積法により真性半導体からなる第１の被覆層を形成する工程と、前記第１の被覆層の周囲に、第２の導電型の半導体からなる第２の被覆層を形成する工程と、第１の電極および第２の電極を形成する工程とを備える太陽電池素子の製造方法であって、前記第１の被覆層は、第１の組成の原料ガスを供給することにより量子障壁層を形成したのち、第２の組成の原料ガスを供給することにより量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を形成する製造方法により製造することができる。
【００３９】
次に、本発明のカラーセンサは、基板と、前記基板の表面に配置されたマスクパターンであって、前記マスクパターンはＲＧＢに対応する３以上の領域に区分されており、かつ前記３以上の領域のそれぞれには開口部が形成されているマスクパターンと、前記半導体基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸しｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を有する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有するカラーセンサであって、前記半導体ナノロッドの組成は、前記３以上の領域ごとに異なることを特徴とする。
【００４０】
次に、本発明の発光素子および受光素子の製造方法は、発光素子および受光素子を同時に製造する製造方法であって、Ａ）表面をマスクパターンで被覆された基板を準備するステップであって、前記マスクパターンは、発光素子となる領域と受光素子となる領域とに区分されており、かつ前記発光素子となる領域および前記受光素子となる領域には、それぞれ、前記基板表面を露出させる２以上の開口部が形成されており、かつ前記開口部のサイズまたは前記開口部の中心間距離は、前記発光素子となる領域と前記受光素子となる領域とで異なる、ステップと、Ｂ）前記マスクパターンで被覆された基板から、前記開口部を通して半導体ナノロッドを成長させるステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップとを有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】半導体ナノロッドの配列を示す平面図。
【図２】実施の形態１の半導体ナノロッドアレイの構成を示す斜視図
【図３】半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄと、太陽電池素子の反射率との関係を示すグラフ。
【図４】実施の形態１の太陽電池素子の構成を示す斜視図。
【図５】実施の形態１の太陽電池素子の半導体ナノロッドの構造を示す図。
【図６】実施の形態２の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図７】実施の形態３の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図８】実施の形態４の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図９】実施の形態５の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１０】実施の形態６の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１１】実施の形態７の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１２】実施の形態８の太陽電池素子の半導体ナノロッドの断面図。
【図１３】実施の形態９のカラーセンサの構成を示す斜視図。
【図１４】実施の形態９のカラーセンサの製造方法を示す模式図。
【図１５】実施の形態９のカラーセンサの別の構成を示す斜視図。
【図１６】実施の形態１０の製造方法を説明するための斜視図。
【図１７】実施の形態１０の製造方法により製造された発受光素子の使用例を説明するための模式図。
【図１８】実施の形態１０の製造方法により製造された発受光素子の使用例を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
１．本発明の太陽電池素子
本発明の太陽電池素子は、基板、マスクパターン、２以上の半導体ナノロッド、第１の電極および第２の電極を有する。後述するように、本発明の太陽電池素子は、半導体ナノロッド内に量子井戸層または量子ドットを含むことを一つの特徴とする。
【００４３】
基板は、半導体ナノロッドを成長させうるものであれば特に限定されない。基板の材料の例には、半導体、ガラス、金属、プラスチック、セラミックなどが含まれる。基板を構成する半導体の例には、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などが含まれる。好ましい基板は、半導体基板である。半導体基板の表面から、半導体ナノロッドを形成しやすいためである。
【００４４】
マスクパターンは、基板表面に配置され、２以上の開口部を有する薄膜である。基板が半導体結晶基板の場合、マスクパターンは、基板を構成する半導体結晶の結晶軸（１１１）面上に配置されていることが好ましい。結晶軸（１１１）面から半導体ロッドの中心ナノロッドを成長させることにより、中心ナノロッドの延伸方向を半導体結晶の結晶軸（１１１）方向に揃えることができる。マスクパターンの材料は、半導体ナノロッドの中心ナノロッドの成長を阻害しうるものであれば特に限定されない。マスクパターンの材料の例には、無機絶縁材料、金属、プラスチック、セラミック、これらの組み合わせなどが含まれる。無機絶縁材料の例には、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどが含まれ、金属の例には、Ｗ、ＷＳｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＭｏＳｉ、Ｎｉ、ＮｉＳｉ、ＷＡｌ、ＴｉＡｌ、ＭｏＡｌなどが含まれる。マスクパターンの膜厚は、特に限定されず、数ｎｍ以上であればよい。また、マスクパターンの膜厚は、半導体ナノロッドの長さと同じ（数μｍ程度）であってもよい。
【００４５】
前述の通り、マスクパターンには、２以上の開口部が形成されている。開口部は基板表面まで貫通しており、開口部内では基板表面が露出している。開口部は、本発明の太陽電池素子を製造する際に、半導体ナノロッドの中心ナノロッド（後述）の成長位置、太さおよび形状を規定する。開口部の形状は、任意であり、例えば円形、三角形、四角形、六角形などであればよい。開口部のサイズ（直径）は、マスクパターンの製造歩留まりや製造精度などを含む製造コストの観点から、１０ｎｍ以上が好ましい。また、半導体ナノロッドが格子定数差を有するヘテロ接合を含む場合、結晶転位の発生密度を極力小さく抑える観点から、半導体ナノロッドの断面積および表面積は小さいことが好ましい。したがって、中心ナノロッドの断面積も小さいことが好ましい。これらの観点から、開口部のサイズ（直径）は、１０ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内であればよい。開口部の中心間距離は、５μｍ以下であればよい。後述するように、開口部は三角格子状に配列されていることが好ましい。前記「三角格子」とは、任意の三角形の各辺に平行な複数の直線の交点を格子点とする格子を意味するものであり、換言すれば前記開口部は六方最密配列で配置されていることになる（図１参照）。
【００４６】
半導体ナノロッドは、半導体からなる、直径数百ｎｍ以下、長さ数μｍ以下の構造体である。半導体ナノロッドは、基板（マスクパターン）の表面上に、その長軸が略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッドは、少なくとも、中心ナノロッドと、前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有する。中心ナノロッドは、基板表面からマスクパターンの開口部を通って上方に延伸しており、第１の導電型（ｎ型またはｐ型）の半導体からなる。第１の被覆層は、真性半導体からなる。第２の被覆層は、第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐ型またはｎ型）の半導体からなる。すなわち、中心ナノロッド（ｎ型またはｐ型半導体）、第１の被覆層（真性半導体）および第２の被覆層（ｐ型またはｎ型半導体）は、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。
【００４７】
中心ナノロッドには、導電体としての機能を有することも求められることから、中心ナノロッドの太さ（直径）は、電気伝導に関与するキャリアが空乏化しない１０ｎｍ以上であることが好ましい。前述の通り、半導体ナノロッドがヘテロ接合を含む場合、半導体ナノロッドの太さ（直径）は、結晶転位の発生密度を極力抑えられる範囲内であることが好ましい。また、半導体ナノロッドの長さは、配列された複数の半導体ナノロッドで入射光を無駄なく吸収する観点から、半導体材料の光吸収係数を考慮して設計されることが好ましい。これらの観点から、中心ナノロッドの太さ（直径）は、１０〜３００ｎｍの範囲内が好ましい。また、中心ナノロッドの長さは、０.５〜１０μｍの範囲内が好ましい。
【００４８】
第１の被覆層および第２の被覆層は、中心ナノロッドの外側に形成されるため、結晶欠陥となる転位を極力発生させないように形成されることが好ましい。また、第１の被覆層および第２の被覆層は、隣り合う半導体ナノロッド同士が接触しないように形成されることが好ましい。さらに、第２の被覆層が半導体ナノロッドの最表面に位置する場合、第２の被覆層には、電気的に低抵抗であること、およびその内側に位置する第１の被覆層に十分な量の光を透過させうることが求められる。これらの観点から、第１の被覆層の膜厚は、１０〜数百ｎｍの範囲内が好ましい。また、第２の被覆層の膜厚は、１０〜１００ｎｍの範囲内が好ましい。
【００４９】
中心ナノロッド、第１の被覆層および第２の被覆層の半導体材料はそれぞれ、単体半導体、２成分元素からなる半導体、３成分元素からなる半導体、４成分元素からなる半導体、それ以上の元素からなる半導体のいずれでもよい。単体半導体の例には、Ｓｉ、Ｇｅが含まれる。２成分元素からなる半導体の例には、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＺｎＴｅが含まれる。３成分元素からなる半導体の例には、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＳＳｅ、ＧａＮＡｓが含まれる。４成分元素からなる半導体の例には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＩｎＡｓＮが含まれる。
【００５０】
中心ナノロッドは、単一の半導体から構成されていてもよいが、タンデム構造であってもよい。たとえば、中心ナノロッドは、第１の半導体からなる第１の領域と、第２の半導体からなる第２の領域と、第３の半導体からなる第３の領域とのタンデム構造であってもよい。また、中心ナノロッドは、第１の半導体からなる第１の領域と、第２の半導体からなる第２の領域と、第３の半導体からなる第３の領域と、第４の半導体からなる第４の領域とのタンデム構造であってもよい。もちろん、中心ナノロッドは、５以上の領域からなるタンデム構造であってもよい。このように中心ナノロッドがタンデム構造の場合、透明電極側の領域を構成する半導体ほどエネルギーバンドギャップが大きいことが好ましい。すなわち、基板側から第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域の順番で接続されている場合は、第４の半導体は、第３の半導体よりもエネルギーバンドギャップが大きく、第３の半導体は、第２の半導体よりもエネルギーバンドギャップが大きく、第２の半導体は、第１の半導体よりもエネルギーバンドギャップが大きいことが好ましい。
【００５１】
本発明の太陽電池素子は、真性半導体からなる第１の被覆層（ｉ層）を有する。第１の被覆層は、２以上の量子障壁層と、それに挟まれた量子井戸層とを有するか；または２以上の量子障壁層と、それに挟まれた量子ドットを含む埋設層とを有することを特徴とする。量子障壁層、量子井戸層、量子ドットおよび埋設層（量子ドット以外の部分）を構成する半導体は、いずれも真性半導体であるが、量子井戸層または量子ドットを構成する半導体のエネルギーバンドギャップは、量子障壁層を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さい。量子障壁層の厚さは、例えば０.５ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内であればよい。量子井戸層の厚さは、例えば１ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内であればよい。埋設層の厚さは、例えば１ｎｍ〜数十ｎｍの範囲内であればよい。また、量子ドットを構成する半導体のエネルギーバンドギャップは、埋設層の量子ドット以外の部分を構成する半導体のエネルギーバンドギャップよりも小さい。このような第１の被覆層を設けることで、中心ナノロッド（ｎ層またはｐ層）、第１の被覆層（ｉ層）および第２の被覆層（ｐ層またはｎ層）のエネルギーバンドギャップよりもエネルギーの小さい光を発電に利用することができるようになる。
【００５２】
量子井戸層または量子ドットを含む埋設層は、１層だけであってもよいし、２層以上あってもよい。２層以上の量子井戸層または埋設層を有する場合には、互いに同一組成の層であっても、異なる組成の層であってもよい。例えば、中心ナノロッドに近い埋設層には、大きい量子ドットを埋設、中心ナノロッドから遠い埋設層には、小さい量子ドットを埋め込んでもよい。エネルギーバンドギャップを調整することで、より効率的に光を電気に変換することができる。
【００５３】
量子ドットの形状は、その中に閉じ込められた電子または正孔の運動が３次元的に束縛（制限）されるものであれば特に限定されない。量子ドットの形状の例には、球状、片面凸レンズ状、四面体状などが含まれる。量子ドットの形状が球状または四面体状の場合、量子ドットの大きさは、縦、横、高さのいずれも数ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内であればよい。また、量子ドットの形状が片面凸レンズ状の場合、量子ドットの大きさは、縦、横はいずれも１０〜３０ｎｍの範囲内、高さ（厚さ）は数ｎｍ程度であればよい。量子ドットを高密度に分布させて、量子ドット間の間隔が数ｎｍ以下の距離になると、電子または正孔（ホール）が隣接する量子ドット間をトンネル効果により移動できるようになる。
【００５４】
図１に示すように、半導体ナノロッド１３０は、基板（マスクパターン）上に、三角格子状に配列されていることが好ましい。ここで、三角格子とは、三角形Ｔの各辺に平行な複数の直線の交点を格子点とする格子であり、半導体ナノロッド１３０は前記格子点をその中心とするように配置されている。
【００５５】
前記配列において、半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離をｐとすれば、半導体ナノロッド１３０は図１に破線で示すようにピッチｐを単位とする六方最密配列で配置されているということもできる。
【００５６】
このとき、半導体ナノロッド１３０は、半導体ナノロッド同士の中心間距離をｐと半導体ナノロッド１３０の最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲、好ましくは１．５〜５の範囲となるように調整されていることが好ましい。半導体ナノロッド１３０をこのように配列することにより、太陽電池素子全体として入射光の反射率が低減され、かつ、半導体ナノロッド１３０の内部で吸収される光量が平面構造の膜に比較してより大きくなる。この結果、本発明の太陽電池素子は光反射率を低減すると共に光吸収率を増大させ、発電効率を向上させることができる。
【００５７】
第１の電極は、半導体ナノロッドの下部（下端）に接続され、第２の電極は半導体ナノロッドの上部（端部）に接続される。第１の電極を半導体ナノロッドの下部（下端）に接続するには、導電性を有する基板に第１の電極を接続してもよい。第１の電極は、例えば金属電極である。第２の電極は、例えば半導体ナノロッドの上部に接続された透明電極と、前記透明電極に接続された金属電極である。金属電極は、例えばＴｉ／Ａｕ合金膜やＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ合金膜などである。透明電極は、例えばＩｎＳｎＯ膜、ＳｎＳｂＯ膜、ＺｎＯ膜などである。
【００５８】
本発明の太陽電池素子は、半導体ナノロッドを被覆する表面保護層をさらに有することが好ましい。表面保護層は、半導体ナノロッドの最外層（例えば、第２の被覆層）を被覆する。表面保護層の材料は、半導体ナノロッドを構成するすべての半導体のエネルギーバンドギャップよりも大きいものであれば特に限定されない。
【００５９】
また、本発明の太陽電池素子において、半導体ナノロッド間の隙間は、絶縁材料で満たされていてもよい。絶縁材料の例には、ＳＯＧガラスやＢＣＢ樹脂などが含まれる。
【００６０】
本発明の太陽電池素子は、量子井戸層または量子ドットを含む埋設層を有するため、エネルギーの小さい光も発電に利用することができる。
【００６１】
本発明の太陽電池素子は、本発明の効果を損なわない限り任意の方法で製造されうる。たとえば、本発明の太陽電池素子は、以下のステップを含む方法で製造されうる。
【００６２】
第１のステップでは、開口部を有するマスクパターンで表面を被覆された基板を準備する。たとえば、半導体結晶基板の結晶軸（１１１）面にスパッタ法で絶縁膜を形成した後、この絶縁膜にフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどで開口部を形成すればよい。
【００６３】
第２のステップでは、基板の表面からマスクパターンの開口部を通して第１の導電型（ｎ型またはｐ型）の半導体からなる中心ナノロッドを結晶成長により形成する。中心ナノロッドの形成は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などにより行われる。好ましくは、半導体ナノロッドの成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。
【００６４】
ＭＯＣＶＤ法による中心ナノロッドの形成は、通常のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。つまり、所定の温度および圧力の条件下で、反応炉に配置された基板に原料ガスを供給すればよい。たとえば、以下の工程により中心ナノロッドを形成することができる。なお、開口部以外の領域では、マスクパターンによりナノロッドの成長が阻害される。
【００６５】
まず、基板温度を７５０℃とし、有機金属原料のガスを反応炉に供給すれば、ナノロッドが形成される。このとき、ナノロッドの太さ（直径）はマスクパターンの開口部の直径とほぼ同じである。また、ナノロッドは、基板の表面に垂直な方向に伸長する。次に、ナノロッドの長さ方向よりも動径方向の成長を促進させるには、基板温度を５０〜１００℃程度低下させて、６５０〜７００℃の範囲とする。この温度では、ナノロッドの側面における成長速度がナノロッドの長さ方向の成長速度よりも大きくなる。基板温度を６５０℃程度まで低下させることで、ナノロッドの長さ方向と動径方向の成長速度比を１：１００程度にまで変化させることができる。このようにすることで、ナノロッドのコア部の周囲にシェル部が形成される横方向成長を実現することができる。基板温度を６５０℃から上昇させると、ナノロッドの長さ方向と動径方向の成長速度比は徐々に１に近づく。基板温度が６８０〜７２０℃の範囲内の場合、ナノロッドの長さ方向と動径方向の成長速度比はほぼ等しくなり、ナノロッドの表面を包み込むように結晶が成長する。このように基板温度を変化させることで、長さ方向と横方向の成長速度を制御することができる。
【００６６】
また、基板温度の制御に加えて、供給ガスのＶ族原料ガスとIII族原料ガスとの供給比率Ｖ／IIIを変化させることでも、長さ方向と横方向の成長速度を制御することができる。たとえば、７５０℃でＧａＡｓナノロッドの長さ方向の成長速度を高めるには、Ｖ／III供給比率を１０〜２００の範囲内とすればよい。一方、長さ方向の成長速度をこれよりも遅くするには、Ｖ／III供給比率をさらに大きく３００〜５００の範囲とするか、または５００以上とすればよい。これにより、長さ方向の成長速度を数％から数十％の範囲で抑制できる。ナノロッドの動径方向の成長に適した６５０℃では、Ｖ／III供給比率を３００以上とすれば、長さ方向の成長をほぼ完全に抑制することができる。一方、Ｖ／III供給比率を１００以下、例えば１０程度にまで低下させると、長さ方向の成長速度は、Ｖ／III供給比率３００の場合よりも大きいが、７５０℃成長の場合よりも１桁程度小さくなる。ここまでＧａＡｓナノロッドを例としてナノロッドの形状を作り分ける温度範囲について説明したが、他の半導体からなるナノロッドについても原理は同じである。ＡｌＧａＡｓナノロッドを形成する場合は、ＧａＡｓナノロッドよりも相対的に５０〜１００℃程度高い温度とすればよい。また、ＩｎＡｓナノロッドまたはＩｎＧａＡｓナノロッドを形成する場合は、ＧａＡｓナノロッドよりも相対的に１００〜２００℃程度低い温度とすればよい。
【００６７】
たとえば、ＧａＡｓからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ：ＴＭＧ）ガスを１×１０−６〜１×１０−５ａｔｍの圧力で供給し、ヒ素原料として水素化ヒ素（ＡｓＨ３：アルシン）ガスを１×１０−５〜１×１０−３ａｔｍの圧力で供給すればよい。また、ＡｌＧａＡｓからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、ガリウム原料としてトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料として水素化ヒ素ガスを、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ：ＴＭＡ）ガスを供給すればよい。また、ＩｎＧａＡｓからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、インジウム原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ：ＴＭＩ）ガスを、ガリウム原料としてトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料として水素化ヒ素を供給すればよい。また、ＩｎＧａＰからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、インジウム原料としてトリメチルインジウムガスを、ガリウム原料としてトリメチルガリウムガスを、リン原料としてターシャリーブチルフォスフィン（ＴＢＰ）ガスを供給すればよい。ＩｎＧａＰからなる中心ナノロッドを成長させる場合には、ターシャリーブチルフォスフィンの供給圧力は１×１０−４〜１×１０−３ａｔｍの範囲内とし、成長温度は７００〜７５０℃の範囲内とする。
【００６８】
中心ナノロッドを構成する半導体をｎ型またはｐ型にするには、例えば原料ガスと同時にｎ型のモノシラン（ＳｉＨ４）ガスまたはｐ型のドーパントガス（例えば、ジメチル亜鉛（Ｚｎ（ＣＨ３）２：ＤＭＺ）ガス）を供給すればよい。
【００６９】
タンデム構造の中心ナノロッドを形成するには、中心ナノロッドの成長過程において供給する原料ガスの種類を切り替えればよい。たとえば、基板側から長さ方向にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰの順で積み重ねた構造の中心部ナノロッドを形成するには、７５０℃でＧａＡｓを成長させ；次いで８００〜８２０℃でＡｌＧａＡｓを成長させ；次いで７５０〜８００℃でＧａＩｎＰを成長させればよい。基板側から長さ方向にＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰの順で積み重ねた構造の中心部ナノロッドを形成するには、ゲルマニウム原料として水素化ゲルマニウム（ＧｅＨ４）ガスを用いて６００〜６５０℃でＧｅを成長させ；次いでトリメチルガリウムガスおよび水素化ヒ素ガスを用いて７５０℃でＧａＡｓを成長させ；次いでトリメチルガリウムガス、水素化ヒ素ガスおよびターシャリーブチルフォスフィンガスを用いて７８０〜８００℃でＧａＡｓＰを成長させ；次いでトリメチルガリウムガス、トリメチルインジウムガスおよびターシャリーブチルフォスフィンガスを用いて７５０℃でＧａＩｎＰを成長させればよい。
【００７０】
第３のステップでは、中心ナノロッドの周囲に真性半導体からなる第１の被覆層を形成する。つまり、中心ナノロッドをコア部とし、第１の被覆層をシェル部とする、コアシェル構造を形成する。第１の被覆層の形成は、中心ナノロッドの形成と同じ方法（ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤなど）で行えばよい。第１の被覆層を形成する第３のステップは、第１の組成のガスを供給して量子障壁層を形成するステップと、第２の組成のガスを供給して量子井戸層または量子ドットを形成するステップとを含む。量子井戸層または量子ドットのポテンシャルは、周囲の量子障壁層のポテンシャルよりも小さくする必要があるので、量子井戸層または量子ドットの材料と量子障壁層の材料とは異なるものにする必要がある。したがって、量子井戸層を形成する工程では、反応炉に供給される有機金属原料ガスの組成を変更する。ヘテロ接合を形成する場合には、半導体ナノロッドの成長過程において原料ガスの種類を切り替えればよい。
【００７１】
量子井戸層を形成する場合、量子井戸層の厚さをナノロッドの太さに対して相対的に薄くして、１〜１０ｎｍの範囲内とする。量子井戸層の厚さをこの範囲とするためには、成長時間を数秒〜１分間程度の範囲内とすればよい。原料ガスの供給圧力は、中心ナノロッド（コア部）の形成時の供給圧力またはシェル部の形成時の供給圧力と同程度にすればよい。また、基板温度は、シェル部の形成時と同程度にすればよい。
【００７２】
ＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合、基板温度は４００〜５００℃の範囲内とし、かつ、成長時間は１〜数十秒程度の範囲内とすればよい。成長時間を短くするほど量子ドットの大きさを小さくすることができる。原料ガスの供給量（供給圧力）は、コア部またはシェル部の成長時と同程度でよい。この温度範囲では成長温度が４００℃に近いほど、ＧａＡｓ面上にＩｎＡｓ結晶を島状に形成することができる。一方、成長温度が高くなると、基板表面や結晶表面に付着した原料ガスの表面移動が活発になるため、島状結晶から膜状成長へと結晶の成長形態が変化する。このような量子ドットの形成は、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの結晶格子定数差に起因するものである。したがって、ＧａＡｓに限らず、ＩｎＡｓとの結晶格子定数差を利用できる半導体（例えば、ＩｎＰやＩｎＧａＮなど）を用いれば、ＩｎＡｓ量子ドットを形成することができる。ＩｎＧａＡｓ量子ドットを形成する場合も、ＩｎＡｓ量子ドットと同じ原理で形成できる。この場合、ＩｎＧａＡｓ量子ドットは、ＩｎＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい半導体（例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓなど）の上に形成される。また、ＩｎＧａＡｓ量子ドットの最適な成長温度は、５００〜６００℃の範囲内である。
【００７３】
第４のステップでは、第１の被覆層の周囲に第２の被覆層を形成する。第２の被覆層は、第２の導電型の半導体からなる。つまり、中心ナノロッドがｎ型であれば第２の被覆層はｐ型であり、中心ナノロッドがｐ型であれば第２の被覆層はｎ型である。第２の被覆層の形成は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤなどで行えばよく、原料ガスと一緒にｎ型またはｐ型のドーパントガスを供給すればよい。
【００７４】
半導体ナノロッドの成長方向に対する垂直断面は、マスクパターンの開口部の形状の影響をほとんど受けない。よって、開口部が三角形、六角形、円形のいずれの場合であっても、ほぼ六角柱に近い形状の半導体ナノロッドを得ることができる。半導体ナノロッドの太さも、開口部のサイズ（直径）で制御することができる。
【００７５】
形成した半導体ナノロッドの下端に第１の電極を接続し、上端に第２の電極を接続して、本発明の太陽電池素子を製造することができる。通常は、第２の電極を透明電極とする。
【００７６】
半導体ナノロッドは、直径が数百ｎｍ以下の細長い形状であるため、半導体の接合界面において発生する結晶格子の歪みを緩和することができる。この効果は、格子定数差の大きいヘテロ接合を形成する際に有利である。たとえば、ナノロッドの長軸方向にヘテロ接合を形成する場合、格子定数が互いに異なる半導体間の接合界面に結晶格子の歪みが発生する。従来の膜構造の太陽電池素子では、この結晶格子の歪みを結晶転位に発展させないためには、半導体膜の厚さを非常に薄くするか、格子定数差を小さくしなければならなかった。一方、本発明の太陽電池素子では、半導体ナノロッドの結晶格子が外部方向に伸縮できるため、結晶格子の歪みが結晶転位に発展することはほとんどない。このように、本発明の太陽電池素子では、複数の超格子構造（量子井戸層または量子ドット）を含ませ、かつ隣接する超格子が近接するヘテロ接合とした場合も、半導体ナノロッド内に転位が発生することを防ぐことができる。
【００７７】
２．カラーセンサ
本発明のカラーセンサは、基板、３以上の領域に区分されたマスクパターン、２以上の半導体ナノロッド、第１の電極および第２の電極を有する。後述するように、本発明のカラーセンサは、半導体ナノロッドの組成がマスクパターンの領域ごとに異なることを一つの特徴とする。
【００７８】
基板は、半導体ナノロッドを成長させうるものであれば特に限定されない。基板の材料の例には、半導体、ガラス、金属、プラスチック、セラミックなどが含まれる。基板を構成する半導体の例には、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などが含まれる。好ましい基板は、半導体基板である。半導体基板の表面から、半導体ナノロッドを形成しやすいためである。
【００７９】
マスクパターンは、基板表面に配置され、２以上の開口部を有する薄膜である。基板が半導体結晶基板の場合、マスクパターンは、基板を構成する半導体結晶の結晶軸（１１１）面上に配置されていることが好ましい。結晶軸（１１１）面から半導体ロッドの中心ナノロッドを成長させることにより、中心ナノロッドの延伸方向を半導体結晶の結晶軸（１１１）方向に揃えることができる。マスクパターンの材料は、半導体ナノロッドの中心ナノロッドの成長を阻害しうるものであれば特に限定されない。マスクパターンの材料の例には、無機絶縁材料、金属、プラスチック、セラミック、これらの組み合わせなどが含まれる。無機絶縁材料の例には、ＳｉＯ２、ＳｉＮなどが含まれ、金属の例には、Ｗ、ＷＳｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔ、ＭｏＳｉ、Ｎｉ、ＮｉＳｉ、ＷＡｌ、ＴｉＡｌ、ＭｏＡｌなどが含まれる。マスクパターンの膜厚は、特に限定されず、数ｎｍ程度であればよい。マスクパターンの膜厚は、半導体ナノロッドの長さと同じ（数μｍ程度）であってもよい。
【００８０】
前述の通り、マスクパターンは３以上の領域に区分されている。通常、各領域は、赤色光、緑色光または青色光に対応している。各領域のマスクパターンには、２以上の開口部が形成されている。開口部は基板表面まで貫通しており、開口部内では基板表面が露出している。開口部は、本発明のカラーセンサを製造する際に、半導体ナノロッドの中心ナノロッドの成長位置、太さおよび形状を規定する。開口部の形状は、任意であり、例えば円形、三角形、四角形、六角形などであればよい。開口部のサイズ（直径）は、１０ｎｍ〜数百ｎｍの範囲内であればよい。開口部の中心間距離は、約５μｍ以下であればよい。１つの領域内では、開口部の直径および開口部の中心間距離は一定であることが好ましい。一方、異なる領域間では、開口部の直径および開口部の中心間距離は異なることが好ましい。
【００８１】
半導体ナノロッドは、ＩｎＧａＮからなる、直径数百ｎｍ以下、長さ数μｍ以下の構造体である。半導体ナノロッドは、基板（マスクパターン）の表面上に、その長軸が略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッドは、少なくとも、中心ナノロッドと、前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層とを有し、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を有する。中心ナノロッドは、基板表面からマスクパターンの開口部を通って上方に延伸しており、第１の導電型（ｎ型またはｐ型）のＩｎＧａＮからなる。第１の被覆層は、第１の導電型とは異なる第２の導電型（ｐ型またはｎ型）のＩｎＧａＮからなる。すなわち、中心ナノロッド（ｎ型またはｐ型ＩｎＧａＮ）および第１の被覆層（ｐ型またはｎ型ＩｎＧａＮ）は、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。中心ナノロッドの直径は１０〜２００ｎｍの範囲内であればよく、長さは０.５〜３μｍの範囲内であればよい。第１の被覆層の膜厚は、〜１００ｎｍの範囲内であればよい。
【００８２】
半導体ナノロッドの組成は、検出する光の波長に応じてマスクパターンの領域ごとに異なる。すなわち、赤色光を検出する領域の半導体ナノロッドの組成は、赤色光を吸収しうる組成であり；緑色光を検出する領域の半導体ナノロッドの組成は、緑色光を吸収しうる組成であり；青色光を検出する領域の半導体ナノロッドの組成は、青色光を吸収しうる組成である。具体的な組成については、製造方法を説明する際に説明する。
【００８３】
第１の電極は、半導体ナノロッドの下部（下端）に接続され、第２の電極は半導体ナノロッドの上部（端部）に接続される。第１の電極を半導体ナノロッドの下部（下端）に接続するには、導電性を有する基板に第１の電極を接続してもよい。第１の電極は、例えば金属電極である。第２の電極は、例えば半導体ナノロッドの上部に接続された透明電極と、前記透明電極に接続された金属電極である。金属電極は、例えばＴｉ／Ａｕ合金膜やＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ合金膜などである。透明電極は、例えばＩｎＳｎＯ膜、ＳｎＳｂＯ膜、ＺｎＯ膜などである。
【００８４】
また、本発明のカラーセンサにおいて、半導体ナノロッド間の隙間は、絶縁材料で満たされていてもよい。絶縁材料の例には、ＳＯＧガラスやＢＣＢ樹脂などが含まれる。
【００８５】
本発明のカラーセンサは、ｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加することで使用されうる。本発明のカラーセンサは、光反射率が低いため、検出感度が優れている。
【００８６】
本発明のカラーセンサは、本発明の効果を損なわない限り任意の方法で製造されうる。たとえば、本発明のカラーセンサは、以下のステップを含む方法で製造されうる。
【００８７】
第１のステップでは、開口部を有するマスクパターンで表面を被覆された基板を準備する。たとえば、半導体結晶基板の結晶軸（１１１）面にスパッタ法で絶縁膜を形成した後、この絶縁膜にフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどで開口部を形成すればよい。前述の通り、マスクパターンは３以上の領域に区分されている。後述するように、マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッドの組成を変えるために、マスクパターンの領域ごとに開口部の直径および／または開口部の中心間距離を変えることが好ましい。
【００８８】
第２のステップでは、基板の表面からマスクパターンの開口部を通して第１の導電型（ｎ型またはｐ型）のＩｎＧａＮからなる中心ナノロッドを結晶成長により形成する。中心ナノロッドの形成は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などにより行われる。好ましくは、半導体ナノロッドの成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。
【００８９】
ＭＯＣＶＤ法による中心ナノロッドの形成は、通常のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。つまり、所定の温度および圧力の条件下で、反応炉に配置された基板に原料ガスを供給すればよい。たとえば、以下の工程により中心ナノロッドを形成することができる。なお、開口部以外の領域では、マスクパターンによりナノロッドの成長が阻害される。
【００９０】
まず、基板温度を７５０℃とし、有機金属原料のガスを反応炉に供給すれば、ナノロッドが形成される。インジウム原料としてはトリメチルインジウムガスを用いることができ、ガリウム原料としてはトリメチルガリウムガスを用いることができ、窒素原料としてはアンモニアガスを用いることができる。このとき、ナノロッドの太さ（直径）はマスクパターンの開口部の直径とほぼ同じである。また、ナノロッドは、基板の表面に垂直な方向に伸長する。中心ナノロッドを構成する半導体をｎ型またはｐ型にするには、例えば原料ガスと同時にｎ型のモノシランガスまたはｐ型のドーパントガス（例えば、ジメチル亜鉛ガス）を供給すればよい。
【００９１】
ＩｎＧａＮの結晶成長では、Ｉｎ原料ガスおよびＧａ原料ガスの供給量（供給圧力）の比率を変化させることで、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。また、成長時の基板温度を変化させることでも、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。通常、基板温度は６００〜１０００℃の範囲内であり、温度が高いほどＩｎの取り込みが少なくなり、Ｇａが多い結晶組成となる。
【００９２】
前述の通り、本発明のカラーセンサでは、マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッド全体の組成が異なる。３成分系の化合物半導体ＩｎｘＧａ１−ｘＮでは、Ｉｎの組成ｘが増加するにつれて、光学的なエネルギーバンドギャップは単調に減少する。Ｉｎの組成ｘが０のＧａＮでは、エネルギーバンドギャップが約３.４ｅＶであるが、Ｉｎの組成ｘが増加するにつれて（Ｇａの組成１−ｘは逆に減少する）エネルギーバンドギャップは小さくなる。Ｉｎの組成ｘが１のＩｎＮでは、エネルギーバンドギャップは約０.８ｅＶになる。赤色光（波長６５０ｎｍ）に対応するエネルギーバンドギャップは約１.９ｅＶであり；緑色光（波長５２０ｎｍ）に対応するエネルギーバンドギャップは約２.４ｅＶであり；青色光（波長４６０ｎｍ）に対応するエネルギーバンドギャップは約２.７ｅＶである。したがって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮにおける、赤色光、緑色光および青色光に対応するＩｎの組成ｘは、それぞれ０.５、０.３、０.２である。
【００９３】
マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッドの組成を変えるには、例えば第１のステップでマスクパターンに開口部を形成する際に、マスクパターンの領域ごとに開口部のサイズ（直径）および／または開口部の中心間距離を変えればよい。ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによる結晶成長で、中心ナノロッドの組成変化は、ナノロッドを成長させる時の基板温度、マスクパターンの開口部のサイズ、開口部の中心間距離との関係で以下のように説明される。以下の説明では、マスクパターンの開口部の大きさが５０〜５００ｎｍの範囲内であり、開口部間の中心間距離が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内であるものとして説明する。
【００９４】
１）開口部の中心間距離とナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に３つのマスクパターン領域Ａ、ＢおよびＣを形成した。各領域のサイズは１００μｍ×１００μｍとし、隣接するマスクパターン間の間隔は１００μｍとし、開口部のサイズは約１００ｎｍとした。一方、マスクパターンＡでは開口部の中心間距離Ｐを０.５μｍとし、マスクパターンＢでは開口部の中心間距離Ｐを２.０μｍとし、マスクパターンＣでは開口部の中心間距離Ｐを５.０μｍとした。マスクパターン領域Ａ、ＢおよびＣは、開口部間の中心間距離Ｐ以外のパラメータはすべて同じである。
【００９５】
基板温度７５０℃でガリウムの原料ガスとしてトリメチルガリウムガス、インジウムの原料ガスとしてトリメチルインジウムガス、窒素の原料ガスとしてアンモニアガスを供給すると、これらのガスは基板表面付近で熱分解反応を起こし、分解した元素（Ｇａ、ＩｎおよびＮ）はマスクパターンの開口部にマスクパターンの表面を移動して集まる。マスクパターンで被覆された領域では結晶成長が起こらず、開口部内で半導体結晶が露出している部分で結晶成長が起こる。マスクパターンの表面では基板が加熱されているため、表面に付着した元素や原料ガスは、一定時間経過した後に、基板表面から気相中へと離散する。マスクパターンの表面におけるＧａの表面移動距離はＩｎの表面移動距離よりも長いため、開口部から離れた位置に付着した元素のうち、Ｇａの方がＩｎよりも多く開口部に到達する。このように開口部の中心間距離Ｐが大きい場合には、Ｇａ組成がＩｎ組成よりも大きいＧａＩｎＮ結晶となる。一方、開口部の中心間距離Ｐが小さく（０.５μｍ程度）なると、Ｇａの表面移動距離およびＩｎの表面移動距離が開口部の中心間距離Ｐよりも長くなり、Ｉｎ組成がＧａ組成よりも大きいＧａＩｎＮ結晶となる。この原理は、ＧａＩｎＮナノロッドを成長させる場合も成り立つ。また、基板温度を上げれば、Ｇａに対するＩｎの取り込み量が減り、基板温度を下げれば、Ｇａに対するＩｎの取り込み量が増大する。したがって、ＧａＩｎＮ内のＧａとＩｎの比率を大幅に変化させるには、基板温度も並行して制御することが好ましい。
【００９６】
トリメチルガリウムガスの供給量を０.１モル／分とし、トリメチルインジウムガスの供給量を０.１モル／分とし、アンモニアガスの供給量を２０００ｃｃ／分としてナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、マスクパターンＡ（Ｐ＝０.５μｍ）で赤黄色発光（波長５９０ｎｍ）が観測され、マスクパターンＢ（Ｐ＝２μｍ）で緑色発光（波長５１０ｎｍ）が観測され、マスクパターンＣ（Ｐ＝５μｍ）で青緑色発光（波長４９５ｎｍ）が観測された。
【００９７】
２）開口部のサイズとナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に２つのマスクパターン領域ＡおよびＢを形成した。各領域のサイズは１００μｍ×１００μｍとし、隣接するマスクパターン間の間隔は１００μｍとし、開口の中心間距離は０.５μｍとした。一方、マスクパターンＡでは開口部のサイズｄを１００ｎｍとし、マスクパターンＢでは開口部のサイズｄを３００ｎｍとした。マスクパターン領域ＡおよびＢは、開口部のサイズｄ以外のパラメータはすべて同じである。
【００９８】
トリメチルガリウムガスの供給量を０.１モル／分とし、トリメチルインジウムガスの供給量を０.１モル／分とし、アンモニアガスの供給量を２０００ｃｃ／分としてナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、マスクパターンＡ（ｄ＝１００ｎｍ）で赤黄色発光（波長５９０ｎｍ）が観測され；マスクパターンＢ（ｄ＝３００ｎｍ）で赤色発光（波長６３０ｎｍ）が観測された。
【００９９】
以上の予備実験の結果から、基板上に形成するマスクパターンの開口部の中心間距離Ｐ、開口部サイズｄを下記のように設定すると、赤色光、緑色光および青色光に対応するＧａＩｎＮナノロッドを形成することができる。
【０１００】
ｉ）赤色波長帯に感度中心ピークを有するＧａＩｎＮナノロッド：
Ｐ＝０.５〜０.７μｍ、ｄ＝４００〜５００ｎｍ
ii）緑色波長帯に感度中心ピークを有するＧａＩｎＮナノロッド：
Ｐ＝２〜３μｍ、ｄ＝１００〜２００ｎｍ
iii）青色波長帯に感度中心ピークを有するＧａＩｎＮナノロッド：
Ｐ＝５〜７μｍ、ｄ＝１００ｎｍ
第２のステップでは、中心ナノロッドの周囲に第１の被覆層を形成する。第１の被覆層は、第２の導電型のＩｎＧａＮからなる。つまり、中心ナノロッドがｎ型であれば第１の被覆層はｐ型であり、中心ナノロッドがｐ型であれば第１の被覆層はｎ型である。第１の被覆層を形成することで、半導体ナノロッド中に長さ方向および／または動径方向にｐ−ｎ接合が形成される。第１の被覆層の形成は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤなどで行えばよく、原料ガスと一緒にｎ型またはｐ型のドーパントガスを供給すればよい。
【０１０１】
半導体ナノロッドの成長方向に対する垂直断面は、マスクパターンの開口部の形状による影響を受けない。開口部が三角形、六角形、円形、いずれの場合にも、六角柱に近い形状の半導体ナノロッドを得ることができる。半導体ナノロッドの太さも、開口部のサイズ（直径）で制御することができる。
【０１０２】
形成した半導体ナノロッドの下端に第１の電極を接続し、上端に第２の電極を接続して、本発明のカラーセンサを製造することができる。通常は、第２の電極を透明電極とする。
【０１０３】
３．発光素子および受光素子の製造方法
本発明の製造方法は、発光素子および受光素子を同時に製造する方法であって、Ａ）表面をマスクパターンで被覆された基板を準備する第１のステップと、Ｂ）マスクパターンで被覆された基板から、開口部を通して半導体ナノロッドを成長させる第２のステップとを有する。
【０１０４】
第１のステップでは、開口部を有するマスクパターンで表面を被覆された基板を準備する。たとえば、半導体結晶基板の結晶軸（１１１）面にスパッタ法で絶縁膜を形成した後、この絶縁膜にフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどで開口部を形成すればよい。このとき、マスクパターンが、発光素子となる領域と受光素子となる領域とに区分されるようにする。後述するように、発光素子に含まれる半導体ナノロッドと受光素子に含まれる半導体ナノロッドとで組成を変えるために、発光素子となる領域と受光素子となる領域とで開口部のサイズおよび／または開口部の中心間距離を変えることが好ましい。
【０１０５】
第２のステップでは、基板の表面からマスクパターンの開口部を通して半導体ナノロッドを成長させる。このとき、半導体ナノロッド内にｎ型半導体からなる層と、ｐ型半導体からなる層とを形成して、ｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。半導体ナノロッドを構成する半導体は、ＧａＩｎＮまたはＧａＩｎＡｓである。半導体ナノロッドの形成は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）などにより行われる。好ましくは、半導体ナノロッドの成長は、ＭＯＣＶＤ法により行われる。
【０１０６】
ＭＯＣＶＤ法による半導体ナノロッドの形成は、通常のＭＯＣＶＤ装置を用いて行うことができる。つまり、所定の温度および圧力の条件下で、反応炉に配置された基板に原料ガスを供給すればよい。たとえば、以下の工程により半導体ナノロッドを形成することができる。なお、開口部以外の領域では、マスクパターンによりナノロッドの成長が阻害される。
【０１０７】
ここでは、ＧａＩｎＮを成長させる場合について説明する。まず、基板温度を６７５℃とし、有機金属原料のガスを反応炉に供給すれば、ナノロッドが形成される。たとえば、インジウム原料としてはトリメチルインジウムガスを用いることができ、ガリウム原料としてはトリメチルガリウムガスを用いることができ、窒素原料としてはアンモニアガスを用いることができる。このとき、ナノロッドの太さ（直径）はマスクパターンの開口部の直径とほぼ同じである。また、ナノロッドは、基板の表面に垂直な方向に伸長する。中心ナノロッドを構成する半導体をｎ型またはｐ型にするには、例えば原料ガスと同時にｎ型のモノシランガスまたはｐ型のドーパントガス（例えば、ジメチル亜鉛ガス）を供給すればよい。
【０１０８】
ＩｎＧａＮの結晶成長では、Ｉｎ原料ガスおよびＧａ原料ガスの供給量（供給圧力）の比率を変化させることで、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。また、成長時の基板温度を変化させることでも、ＩｎＧａＮ中のＩｎとＧａとの比率を制御することができる。通常、基板温度は６００〜１０００℃の範囲内であり、温度が高いほどＩｎの取り込みが少なくなり、Ｇａが多い結晶組成となる。一方、温度が低いほど、Ｇａの取り込みが少なくなり、Ｉｎが多い結晶組成となる。
【０１０９】
発光素子と受光素子とでは、半導体ナノロッドの組成が異なる。また、発光素子内でも、発光波長ごとに半導体ナノロッドの組成は異なる。発光素子内では、マスクパターンは発光波長の数に区分される。すなわち、４つの異なる波長の光を発光させる場合は、発光素子内のマスクパターンは４つに区分される。各領域では、半導体ナノロッドが所望の波長の光を発光するように、半導体ナノロッドの組成が調整される。一方、受光素子内では、発光素子が発する波長の光を検出できるように半導体ナノロッドの組成が調整される。
【０１１０】
マスクパターンの領域ごとに半導体ナノロッドの組成を変えるには、例えば第１のステップでマスクパターンに開口部を形成する際に、マスクパターンの領域ごとに開口部のサイズおよび／または開口部の中心間距離を変えればよい。ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによる結晶成長で、半導体ナノロッドの組成変化は、ナノロッドを成長させる時の基板温度、マスクパターンの開口部のサイズ、開口部の中心間距離との関係で以下のように説明される。以下の説明では、マスクパターンの開口部の大きさが５０〜５００ｎｍの範囲内であり、開口部の中心間距離が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内であるものとして説明する。
【０１１１】
１）開口部の中心間距離とナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に複数のマスクパターン領域を形成した。各領域のサイズは５０μｍ×５０μｍとし、隣接するマスクパターン領域間の間隔は５０μｍとし、開口部のサイズは１００ｎｍとした。一方、開口部の中心間距離Ｌは、マスクパターン領域ごとに０.５〜５μｍと変化させた。複数のマスクパターン領域は、開口部の中心間距離Ｌ以外のパラメータはすべて同じである。
【０１１２】
ここでは、ＧａＩｎＡｓを成長させる場合について説明する。基板温度６７５℃でガリウムの原料ガスとしてトリメチルガリウムガス（供給圧力：１.０×１０−７〜１.０×１０−６ａｔｍ）、インジウムの原料ガスとしてトリメチルインジウムガス（供給圧力：１.０×１０−７〜１.０×１０−６ａｔｍ）、ヒ素の原料ガスとして水素化ヒ素ガス（供給圧力：１.０×１０−５〜１.０×１０−４ａｔｍ）を供給して、ＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、開口部の中心間距離Ｌが０.５μｍから３.０μｍへと長くなるのに併せて、ＧａＩｎＡｓナノロッドのエネルギーバンドギャップが１.３５ｅＶ（波長９１８ｎｍ）から１.１５ｅＶ（波長１０７８ｎｍ）へとほぼ単調に減少した。このことから、開口部の中心間距離Ｌを変化させることで、ＧａとＩｎの取り込み量を制御できることがわかる。特に、ＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させる場合、開口部の中心間距離Ｌを１μｍ以下とすることで、Ｇａの取り込み量が増大した。開口部のサイズが５０ｎｍ、２００ｎｍまたは５００ｎｍの場合も、同様の傾向であった。
【０１１３】
２）開口部のサイズとナノロッドの組成との関係（予備実験）
１つの基板上に複数のマスクパターン領域を形成した。各領域のサイズは５０μｍ×５０μｍとし、隣接するマスクパターン領域間の間隔は５０μｍとし、開口部の中心間距離は１.０μｍとした。一方、開口部のサイズｄは、マスクパターン領域ごとに５０〜５００ｎｍと変化させた。複数のマスクパターン領域は、開口部のサイズｄ以外のパラメータはすべて同じである。
【０１１４】
上記１）と同様の手順でＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させた。このナノロッドの光学特性をフォトルミネッセンスで測定したところ、開口部のサイズｄが５０ｎｍから２００ｎｍへと大きくなるのに併せて、ＧａＩｎＡｓナノロッドのエネルギーバンドギャップが１.３４ｅＶ（波長９２５ｎｍ）から１.３２ｅＶ（波長９３９ｎｍ）へとわずかに変化した。また、開口部のサイズｄが３００ｎｍから４００ｎｍへと大きくなるのに併せて、ＧａＩｎＡｓナノロッドのエネルギーバンドギャップが１.３２ｅＶから１.３１ｅＶへとわずかに変化した。
【０１１５】
以上の予備実験の結果から、１つの基板上に複数の発光波長を有する発光素子および受光素子を同時に製造するためには、基板上に形成するマスクパターンの開口部の中心間距離Ｌ、開口部サイズｄを下記のように設定することが導き出される。
【０１１６】
ｉ）ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する発光素子
発光素子領域のマスクパターンをマスクパターン領域Ａ、マスクパターン領域Ｂ、マスクパターン領域Ｃ、マスクパターン領域Ｄの４つの領域に区分する。各領域の開口部のサイズｄは１００ｎｍとする。マスクパターン領域Ａの開口部の中心間距離Ｌは０.５μｍとし、マスクパターン領域Ｂの開口部の中心間距離Ｌは１.０μｍとし、マスクパターン領域Ｃの開口部の中心間距離Ｌは２.０μｍとし、マスクパターン領域Ｄの開口部の中心間距離Ｌは３.０μｍとする。
【０１１７】
ii）ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する受光素子
受光素子領域のマスクパターンの開口部の中心間距離Ｌを３.０〜１０μｍの範囲内とする。これにより、受光素子の検出感度のピークを、発光素子が発光する光と同じ波長またはより長い波長とすることができる。ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する受光素子は、検出感度のピークと同じ波長の光と、より短い波長の光（よりエネルギーの大きい光）に対して感度を有する。したがって、ＧａＩｎＡｓナノロッドを有する受光素子は、発光素子が発光するすべての波長の光に対して感度を有する。
【０１１８】
たとえば、基板温度６７５℃で上記の条件を満たすマスクパターンを形成した基板にトリメチルガリウムガス、トリメチルインジウムガスおよび水素化ヒ素ガスを供給してＧａＩｎＡｓナノロッドを成長させることで、発光波長９２５ｎｍ（マスクパターン領域Ａ）、９９０ｎｍ（マスクパターン領域Ｂ）、１０４０ｎｍ（マスクパターン領域Ｃ）、１０９０ｎｍ（マスクパターン領域Ｄ）の発光素子と、波長９２５〜１０９０ｎｍの光を検出できる受光素子とを同時に製造することができる。
【０１１９】
形成した半導体ナノロッドの下端に第１の電極を接続し、上端に第２の電極を接続して、発光素子および受光素子を製造することができる。通常は、第２の電極を透明電極とする。
【０１２０】
本発明の製造方法により製造された発光素子は、ｐ−ｎ接合に順バイアスを印加することで発光させることができる。本発明の製造方法により製造された受光素子は、ｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加することで使用できる。本発明の製造方法により製造された発光素子は、例えば並列伝送方式や波長多重方式の光伝送システムに適用されうる。
【０１２１】
本発明の発光素子および受光素子の製造方法は、発光素子および受光素子を同時に製造することができるため、従来よりも低コストで効率よく発光素子および受光素子を製造することができる。
【０１２２】
以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【０１２３】
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の太陽電池素子に用いる半導体ナノロッドアレイの例を示す。
【０１２４】
図１は、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイの構成を示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイは、導電性のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０、非晶質ＳｉＯ２膜１２０、半導体ナノロッド１３０を有する。
【０１２５】
次に、図１に示す半導体ナノロッドアレイの製造方法について説明する。
【０１２６】
まず、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０を洗浄し、ＳｉＯ２ターゲットを備えたＲＦスパッタ装置を用いて、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０表面に非晶質ＳｉＯ２被膜１２０を約２０ｎｍの厚さに成膜する。
【０１２７】
次に、非晶質ＳｉＯ２被膜１２０上にポジレジストを塗布し、ＥＢ描画装置にＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０をセットし、該ポジレジストに円形孔を三角格子状に配列させたパターンを描画する。前記円形孔は、図１に示す断面正六角形状の半導体ナノロッド１３０に内接する円となる。
【０１２８】
前記描画後、レジストを現像して、５０倍に希釈したＢＨＦ溶液にＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０を浸漬し、円形孔のＳｉＯ２をエッチング除去する。そして、前記エッチング後、前記レジストを除去する。この結果、非晶質ＳｉＯ２被膜１２０からなるマスクパターンが形成される。
【０１２９】
次に、非晶質ＳｉＯ２被膜１２０からなるマスクパターンが形成されたＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板１１０をＭＯＶＰＥ装置にセットし、チャンバーを真空排気した後にＨ２ガスに置換し、全圧が０．１ａｔｍで安定するように流量と排気速度とを調整する。
【０１３０】
次に、ＡｓＨ３（Arsine）とキャリアガス（Ｈ２）との混合ガス（全圧：０．１ａｔｍ、ＡｓＨ３分圧：２．５×１０−４ａｔｍ）を流しながら、基板温度が７５０℃になるまで昇温する。そして、基板温度が７５０℃に達した後、流通ガスにＴＭＧ（trimetylgallium）を加え、ＧａＡｓからなる半導体ナノロッド１３０を成長させる。このとき、全圧は０．１ａｔｍのままとし、ＡｓＨ３分圧が２．５×１０−４ａｔｍ、ＴＭＧ分圧が１．０×１０−６ａｔｍになるように設定する。
【０１３１】
次に、流通ガスにＴＭＧを加えてから３０分後にＴＭＧの供給を停止し、半導体ナノロッド１３０の成長を停止させる。そして、ＡｓＨ３（Arsine）とキャリアガス（Ｈ２）との混合ガス流通下に半導体ナノロッド１３０を成長させた半導体ナノロッドアレイを取り出す。
【０１３２】
前記製造方法によれば、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄ（半導体ナノロッド１３０の正六角形状断面の内接円直径）は、前記マスクパターン円形孔の直径と一致する。従って、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄは、前記マスクパターン円形孔の直径により制御することができる。
【０１３３】
そこで、次に、前記製造方法において、半導体ナノロッド１３０の最小径ｄを５０〜３００ｎｍの範囲で変量すると共に、相隣り合う半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離ｐを７０〜９００ｎｍの範囲で変量して、複数の半導体ナノロッドアレイを製造した。そして、各半導体ナノロッドアレイに垂直に光を入射したときの反射率スペクトルを分光光度計により測定した。
【０１３４】
ＧａＡｓからなる半導体ナノロッド１３０の場合、利用できる太陽光の波長は３００〜９００ｎｍの範囲であるので、前記測定により得られた反射率スペクトルから、３００〜９００ｎｍの範囲で、ｐ／ｄに対する平均反射率を求めた。尚、ｐ／ｄは、半導体ナノロッド１３０同士の中心間距離ｐと、半導体ナノロッドの最小径ｄとの比である。結果を図３に示す。
【０１３５】
また、基板上に形成された表面平滑なＧａＡｓ膜、表面での反射損失を抑制するために表面に凹凸をつけたテクスチャ構造ＧａＡｓ膜を用いて、前記半導体ナノロッドアレイと同一にして求めた平均反射率を図３に併せて示す。
【０１３６】
図３から、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイはｐ／ｄが１〜７の範囲では平均反射率が表面平滑なＧａＡｓ膜より小さいことが認められ、ｐ／ｄが１．５〜７の範囲では平均反射率がテクスチャ構造ＧａＡｓ膜よりも小さくなることが認められる。また、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイはｐ／ｄが１．５〜５の範囲で、平均反射率が最も低くなることが認められる。
【０１３７】
従って、実施の形態１の半導体ナノロッドアレイによれば、ｐ／ｄを１〜７の範囲とすることにより、入射光の吸収率を増加させることができ、発電効率を向上させることができることが明らかである。
【０１３８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、複数の量子井戸層を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１３９】
図４は、実施の形態２の太陽電池素子の構成を示す斜視図である。図４に示されるように、実施の形態２の太陽電池素子１００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド１３０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０は、外部回路に接続される。
【０１４０】
導電性ＧａＡｓ基板１１０は、導電性のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板である。
【０１４１】
ＳｉＯ２膜１２０は、ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面を被覆している。ＳｉＯ２膜１２０の膜厚は、例えば２０ｎｍである。ＳｉＯ２膜１２０の半導体ナノロッド１３０が配置される領域には、ＳｉＯ２膜１２０を貫通する開口部が形成されている。後述するように、半導体ナノロッド１３０内のｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）１３１は、ＧａＡｓ基板１１０に直接接触している（図５（ｂ）参照）。
【０１４２】
半導体ナノロッド１３０は、ＳｉＯ２膜１２０上に複数配置されており、その長軸が導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面に対して略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッド１３０の外径は、例えば２００ｎｍであり、ＳｉＯ２膜１２０表面からの高さは、例えば１０００ｎｍである。各半導体ナノロッド１３０は、例えば中心間距離ｐが３００ｎｍとなるように配列されている（図１参照）。
【０１４３】
図５は、半導体ナノロッド１３０の構造を示す図である。図５（ａ）は、半導体ナノロッド１３０の斜視透視図であり、図５（ｂ）は、半導体ナノロッド１３０の断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、半導体ナノロッド１３０は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１（中心ナノロッド）と、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＧａＡｓ層（第１の被覆層）１３２と、前記ノンドープＧａＡｓ層１３２を被覆するｐ型ＧａＡｓ層（第２の被覆層）１３８とを有する。ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１はｎ層として機能し、ノンドープＧａＡｓ層１３２はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＡｓ層１３８はｐ層として機能する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１、ノンドープＧａＡｓ層１３２およびｐ型ＧａＡｓ層１３８によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１の根元の太さは、例えば１００ｎｍであり、ＧａＡｓ基板１１０表面からの高さは、例えば８００ｎｍである。
【０１４４】
また、図５（ｂ）に示されるように、ノンドープＧａＡｓ層１３２は、２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層を有する。これら２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層は、それぞれノンドープＧａＡｓ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＧａＡｓ層１３２は、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を被覆する、第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３と；前記第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４と；前記第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４を被覆する、第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３５と；前記第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３５を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６と；前記第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６を被覆する、第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３７とを有する。ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４，１３６およびノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３，１３５，１３７は、超格子構造を形成している。キャリアは、これらノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４，１３６内を自由に移動することができる。また、量子障壁層の膜厚が数ｎｍ以下である場合、その量子障壁層を挟む２つの量子井戸層内のキャリアは、トンネル効果によりその量子障壁層を透過して２つの量子井戸層間を自由に移動することができる。
【０１４５】
前述の通り、ｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）１３１は、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面に接触しているが、ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４，１３６およびノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３，１３５，１３７は、いずれも導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面には接触していない。第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４の膜厚は、例えば１０ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６の膜厚は、例えば５ｎｍである。また、ノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３，１３５，１３７の膜厚は、例えばそれぞれ３ｎｍである。
【０１４６】
透明埋設膜１４０は、半導体ナノロッド１３０の側面を被覆し、かつ半導体ナノロッド１３０間の空間を埋める、絶縁膜である。半導体ナノロッド１３０の上部は、透明埋設膜１４０に被覆されずに露出している。透明埋設膜１４０の材料の例には、ＳＯＧガラス、ＢＣＢ樹脂が含まれる。
【０１４７】
透明電極１５０は、透明埋設膜１４０に被覆されずに露出している半導体ナノロッド１３０の上部に接続されており、半導体ナノロッド１３０のｐ型ＧａＡｓ層（第２の被覆層）１３８にオーミック接続されている。透明電極１５０の材料の例には、ＩｎＳｎＯ、ＳｎＳｂＯ、ＺｎＯが含まれる。
【０１４８】
第１の金属電極１６０は、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が無い面の上に配置されており、導電性ＧａＡｓ基板１１０にオーミック接続されている。第１の金属電極１６０の材料の例には、Ａｕ、Ｔｉなどの金属が含まれる。
【０１４９】
第２の金属電極１７０は、透明電極１５０上に配置されており、透明電極１５０にオーミック接続されている。第２の金属電極１７０の材料の例には、Ａｕ、Ｔｉなどの金属が含まれる。
【０１５０】
以下、図面を参照して実施の形態２の太陽電池素子１００の製造方法について説明する。
【０１５１】
まず、導電性ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板）１１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば８０ｎｍである。各開口部は、例えば中心間距離が３００ｎｍとなるように配列される（図１参照）。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面からｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０１５２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１の周囲に、第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３３、第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３４、第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３５、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層１３６および第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３７を成長させる。ＩｎＧａＡｓを成長させる場合、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６８０℃とし、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを用いればよい。
【０１５３】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層１３７の周囲にｐ型ＧａＡｓ層１３８を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６８０℃とすればよい。ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１およびｐ型ＧａＡｓ層１３８のキャリア濃度は、例えば２×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３であればよい。図２は、半導体ナノロッド１３０を成長させた後の導電性ＧａＡｓ基板１１０を示す斜視図である。図１は、図２に示される導電性ＧａＡｓ基板１１０における半導体ナノロッド１３０の配列を示す平面図である。図１に示されるように、半導体ナノロッド１３０は、最小径ｄの六角柱状であり、ピッチｐを単位とする六方最密配列で配置されている。
【０１５４】
次いで、導電性ＧａＡｓ基板１１０上の半導体ナノロッド１３０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド１３０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０１５５】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子１００を製造することができる。この太陽電池素子１００は、半導体ナノロッド１３０の頭部側（透明電極１５０側）から光を照射されて使用される。
【０１５６】
なお、本実施の形態では、半導体ナノロッドの中心部をｎ型ＧａＡｓとし、半導体ナノロッドの最外部をｐ型ＧａＡｓとしたが、半導体ナノロッドの中心部をｐ型ＧａＡｓとし、半導体ナノロッドの最外部をｎ型ＧａＡｓとしても同様の効果を得ることができる。
【０１５７】
（実施の形態３）
実施の形態２では、量子井戸層を有する本発明の太陽電池素子の例を示したが、実施の形態３では、さらに表面保護層を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１５８】
実施の形態３の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態３の太陽電池素子１００’、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド１３０’と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１５９】
図４に示すように、実施の形態３の太陽電池素子１００’は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド１３０’、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１６０】
図６は、実施の形態３の太陽電池素子１００’の半導体ナノロッド１３０’の断面図である。図６に示されるように、半導体ナノロッド１３０’は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１（中心ナノロッド）と、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド１３１を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＧａＡｓ層（第１の被覆層）１３２と、前記ノンドープＧａＡｓ層１３２を被覆するｐ型ＧａＡｓ層（第２の被覆層）１３８と、前記ｐ型ＧａＡｓ層１３８を被覆する表面保護層１８０とを有する。
【０１６１】
表面保護層１８０は、ｐ型ＧａＡｓ層１３８を被覆する保護膜である。表面保護層１８０の材料は、ｐ型ＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい材料であれば特に限定されない。このような材料の例には、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＳｉＣおよびアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が含まれる。表面保護層１８０を結晶成長で形成する場合、表面保護層１８０の形成は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などにより行えばよい。また、ａ−Ｓｉからなる表面保護層１８０を形成する場合、表面保護層１８０の形成は、ＣＶＤ法などにより行えばよい。
【０１６２】
実施の形態３の太陽電池素子１００’は、半導体ナノロッド１３０’の表面をエネルギーバンドギャップの大きい材料で被覆しているため、光照射により発生したキャリアを捕獲する表面準位を小さくすることができる。したがって、実施の形態３の太陽電池素子１００’は、実施の形態２の太陽電池素子よりもさらに発電効率が優れている。
【０１６３】
（実施の形態４）
実施の形態４では、量子ドットを有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１６４】
実施の形態４の太陽電池素子は、基板および半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態４の太陽電池素子２００、導電性ＧａＡｓ基板１１０を導電性ＩｎＰ基板２１０、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド２２０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１６５】
図４に示すように、実施の形態４の太陽電池素子２００は、導電性ＩｎＰ基板２１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド２２０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１６６】
図７は、実施の形態４の太陽電池素子２００の半導体ナノロッド２２０の断面図である。図７（ａ）は、半導体ナノロッド全体の断面図であり、図７（ｂ）は、半導体ナノロッドの部分拡大断面図である。
【０１６７】
図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、半導体ナノロッド２２０は、ｎ型ＩｎＰナノロッド（中心ナノロッド）２３０と、前記ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０を被覆し、量子ドット構造を有するノンドープＩｎＰ層（第１の被覆層）２４０と、前記ノンドープＩｎＰ層２４０を被覆するｐ型ＩｎＰ層（第２の被覆層）２５０とを有する。ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０はｎ層として機能し、ノンドープＩｎＰ層２４０はｉ層として機能し、ｐ型ＩｎＰ層２５０はｐ層として機能する。すなわち、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０、ノンドープＩｎＰ層２４０およびｐ型ＩｎＰ層２５０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０の根元の太さは、例えば１００ｎｍであり、基板２１０表面からの高さは、例えば５００ｎｍである。
【０１６８】
また、図７（ａ）および図７（ｂ）に示されるように、ノンドープＩｎＰ層２４０は、２層のノンドープＩｎＰ埋設層を有する。これら２層のノンドープＩｎＰ埋設層は、それぞれノンドープＩｎＰ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＩｎＰ層２４０は、前記ｎ型ＩｎＰナノロッド（中心ナノロッド）２３０を被覆する第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１と、前記第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１を被覆する第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２と、前記第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２を被覆する第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４４と、前記第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４４を被覆する第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５と、前記第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５を被覆する第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４７とを有する。第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２の膜厚は、例えば１００ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５の膜厚は、例えば５０ｎｍである。また、ノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１，２４４，２４７の膜厚は、例えばそれぞれ５０ｎｍである。
【０１６９】
２層のノンドープＩｎＰ埋設層２４２，２４５は、それぞれＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）の島状固体結晶を含んでいる。この結晶は、電子を閉じ込める量子井戸として機能しうることからＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）量子ドットとみなすことができる。図７（ｂ）に示されるように、第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２は、大きなＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３を含み、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５は、小さなＩｎＧａＡｓ量子ドット２４６を含む。このようにすることで、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５に含まれるＩｎＧａＡｓ量子ドット２４６の光学的なエネルギーバンドギャップを、第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２に含まれるＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３の光学的なエネルギーバンドギャップよりも大きくすることができる。また、ＩｎＰのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓ量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きい。
【０１７０】
以下、図面を参照して実施の形態４の太陽電池素子２００の製造方法について説明する。
【０１７１】
まず、導電性ＩｎＰ基板（ＩｎＰ（１１１）Ａ基板）２１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＩｎＰ基板２１０の（１１１）Ａ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば１００ｎｍである。各開口部は、中心間距離が約５００ｎｍとなるように配列される。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＩｎＰ基板２１０の（１１１）Ａ面からｎ型ＩｎＰナノロッド２３０を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０℃とし、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０１７２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０の周囲に第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１としてノンドープＩｎＰ層を成長させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６００℃に低下させて、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０の長さ方向の成長速度と動径方向の成長速度をほぼ等しくすることが好ましい。第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１を形成した後、トリメチルインジウムガス、トリメチルガリウムガスおよびターシャリーブチルフォスフィンガスを同時に供給し、膜厚数ｎｍのＩｎＧａＡｓ膜を成長させるのと同じ時間供給を維持する。このとき、III族原料として、Ｇａの約５倍以上の量のＩｎを供給するか、またはＩｎのみを供給する。これにより、第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４１の表面に付着したＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）は、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）との結晶格子定数の違い、およびＩｎＧａＡｓ（またはＩｎＡｓ）の表面張力により、島状固体結晶（ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３）となる。ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３が形成された直後に、再度ノンドープＩｎＰ層を成長させることで、ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４３を第１のノンドープＩｎＰ埋設層２４２の中に埋め込むことができる。この工程を繰り返すことで、さらに第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４４、第２のノンドープＩｎＰ埋設層２４５（ＩｎＧａＡｓ量子ドット２４６を含む）および第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４７を成長させる。
【０１７３】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層２４７の周囲にｐ型ＩｎＰ層２５０を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６００℃とし、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ：ＤＥＺ）を用いればよい。ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０およびｐ型ＩｎＰ層２５０のキャリア濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であればよい。
【０１７４】
次いで、導電性ＩｎＰ基板２１０上の半導体ナノロッド２２０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド２２０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＩｎＰ基板２１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０１７５】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子２００を製造することができる。この太陽電池素子２００は、半導体ナノロッド２２０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０１７６】
実施の形態４の太陽電池素子２００は、実施の形態２の太陽電池素子１００と同様の効果を得ることができる。
【０１７７】
（実施の形態５）
実施の形態４では、量子ドットを有する本発明の太陽電池素子の例を示したが、実施の形態５では、さらに表面保護層を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１７８】
実施の形態５の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、実施の形態４の太陽電池素子２００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態５の太陽電池素子２００’、導電性ＧａＡｓ基板１１０を導電性ＩｎＰ基板２１０、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド２２０’と読み替えて説明する。また、実施の形態４の太陽電池素子２００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１７９】
図４に示すように、実施の形態５の太陽電池素子２００’は、導電性ＩｎＰ基板２１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド２２０’、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１８０】
図８は、実施の形態５の太陽電池素子２００’の半導体ナノロッド２２０’の断面図である。図８に示されるように、半導体ナノロッド２２０’は、ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０（中心ナノロッド）と、前記ｎ型ＩｎＰナノロッド２３０を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＩｎＰ層（第１の被覆層）２４０と、前記ノンドープＩｎＰ層２４０を被覆するｐ型ＩｎＰ層（第２の被覆層）２５０と、前記ｐ型ＩｎＰ層２５０を被覆する表面保護層２６０とを有する。
【０１８１】
表面保護層２６０は、ｐ型ＩｎＰ層２４０を被覆する保護膜である。表面保護層２６０の材料は、ｐ型ＩｎＰよりもエネルギーバンドギャップが大きい材料であれば特に限定されない。このような材料の例には、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＳ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＮおよびＡｌ２Ｏ３が含まれる。
【０１８２】
実施の形態５の太陽電池素子２００’は、半導体ナノロッド２２０’の表面をエネルギーバンドギャップの大きい材料で被覆しているため、光照射により発生したキャリアを捕獲する表面準位を小さくすることができる。したがって、実施の形態５の太陽電池素子２００’は、実施の形態３の太陽電池素子よりもさらに発電効率が優れている。
【０１８３】
（実施の形態６）
実施の形態６では、半導体ナノロッドがタンデム構造である本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０１８４】
実施の形態６の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態６の太陽電池素子３００、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド３１０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１８５】
図４に示すように、実施の形態６の太陽電池素子３００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド３１０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１８６】
図９は、実施の形態６の太陽電池素子３００の半導体ナノロッド３１０の断面図である。図９に示されるように、半導体ナノロッド３１０は、ｎ型ＧａＡｓ領域３２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域３２２およびｎ型ＧａＮ領域３２３からなる中心ナノロッド３２０と、前記中心ナノロッド３２０を被覆し、量子ドットを有するノンドープＧａＮ層３３０と、前記ノンドープＧａＮ層３３０を被覆するｐ型ＧａＮ層３４０と、前記ｐ型ＧａＮ層３４０を被覆する表面保護層３５０とを有する。中心ナノロッド３２０はｎ層として機能し、ノンドープＧａＮ層３３０はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＮ層３４０はｐ層として機能する。すなわち、中心ナノロッド３２０、ノンドープＧａＮ層３３０およびｐ型ＧａＮ層３４０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。中心ナノロッド３２０の根元の直径は、例えば８０ｎｍであり、導電性ＧａＡｓ基板１１０表面からの長さは、例えば１５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域３２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域３２２およびｎ型ＧａＮ領域３２３の長さは、例えばそれぞれ５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域３２１は導電性ＧａＡｓ基板１１０側に位置し、ｎ型ＧａＮ領域３２３は透明電極１５０側に位置する。ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域３２２は、ｎ型ＧａＡｓ領域３２１とｎ型ＧａＮ領域３２３との間に位置する。すなわち、各半導体（ｎ型ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓおよびｎ型ＧａＮ）は、透明電極１５０側からエネルギーバンドギャップが大きい順に並んでいる。
【０１８７】
また、図９に示されるように、ノンドープＧａＮ層３３０は、２層のノンドープＧａＮ埋設層を有する。これら２層のノンドープＧａＮ埋設層は、それぞれノンドープＧａＮ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＧａＮ層３３０は、前記中心ナノロッド３２０を被覆する、第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１と；前記第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１を被覆する、第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２と；前記第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２を被覆する、第２のノンドープＧａＮ量子障壁層３３４と；前記第２のノンドープＧａＮ量子障壁層３３４を被覆する、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５と；前記第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５を被覆する、第３のノンドープＧａＮ量子障壁層３３７とを有する。第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２の膜厚は、例えば１００ｎｍであり、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５の膜厚は、例えば５０ｎｍである。また、ノンドープＧａＮ量子障壁層３３１，３３４，３３７の膜厚は、例えばそれぞれ５０ｎｍである。
【０１８８】
２層のノンドープＧａＮ埋設層３３２，３３５は、それぞれＩｎＡｓの島状固体結晶を含んでいる。この結晶は、電子を閉じ込める量子井戸として機能しうることからＩｎＡｓ量子ドットとみなすことができる。図９に示されるように、第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２は、大きなＩｎＡｓ量子ドット３３３を含み、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５は、小さなＩｎＡｓ量子ドット３３６を含む。このようにすることで、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５に含まれるＩｎＡｓ量子ドット３３６の光学的なエネルギーバンドギャップを、第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２に含まれるＩｎＡｓ量子ドット３３３の光学的なエネルギーバンドギャップよりも大きくすることができる。また、ＧａＮのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＡｓ量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きい。
【０１８９】
以下、図面を参照して実施の形態６の太陽電池素子３００の製造方法について説明する。
【０１９０】
まず、導電性ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板）１１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば１５０ｎｍである。各開口部は、例えば中心間距離が５００ｎｍとなるように配列される。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面からｎ型ＧａＡｓナノロッド３２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓナノロッド３２２およびｎ型ＧａＮナノロッド３２３をこの順番で成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は８００℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、窒素原料ガスにはアンモニアガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０１９１】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、中心ナノロッド３２０の周囲に第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１としてノンドープＧａＮ層を成長させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は７００℃に低下させて、中心ナノロッド３２０の長さ方向の成長速度と動径方向の成長速度がほぼ等しくすることが好ましい。第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１を形成した後、トリメチルインジウムガスおよび水素化ヒ素ガスを同時に供給し、膜厚数ｎｍのＩｎＡｓ膜を成長させるのと同じ時間供給を維持する。これにより、第１のノンドープＧａＮ量子障壁層３３１の表面に付着したＩｎＡｓは、ＧａＮとＩｎＡｓとの結晶格子定数の違い、およびＩｎＡｓの表面張力により、島状固体結晶（ＩｎＡｓ量子ドット３３３）となる。ＩｎＡｓ量子ドット３３３が形成された直後に、再度ノンドープＧａＮ層を成長させることで、ＩｎＡｓ量子ドット３３３を第１のノンドープＧａＮ埋設層３３２の中に埋め込むことができる。この工程を繰り返すことで、さらに第２のノンドープＧａＮ量子障壁層３３４、第２のノンドープＧａＮ埋設層３３５（ＩｎＡｓ量子ドット３３６を含む）および第３のノンドープＧａＮ量子障壁層３３７を成長させる。
【０１９２】
次いで、ＭＯＣＶＤ法により、第３のノンドープＧａＮ量子障壁層３３７の周囲にｐ型ＧａＮ層３４０を成長させ、さらにｐ型ＧａＮ層３４０の周囲に表面保護層３５０としてＡｌＧａＮ層を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は８００℃とし、ｐ型ドーパントにはマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）を含む有機金属を用いればよい。中心ナノロッド３２０およびｐ型ＧａＮ層３４０のキャリア濃度は、いずれも１×１０１８ｃｍ−３であればよい。
【０１９３】
次いで、導電性ＧａＡｓ基板１１０上の半導体ナノロッド３１０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド３１０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０１９４】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子３００を製造することができる。この太陽電池素子３００は、半導体ナノロッド３１０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０１９５】
実施の形態６の太陽電池素子３００は、実施の形態１の太陽電池素子の効果に加えて、ＧａＮのエネルギーバンドギャップ（３.４ｅＶ）よりもエネルギーの小さい太陽光スペクトルをより効率的に利用することができる。
【０１９６】
（実施の形態７）
実施の形態７では、半導体ナノロッドがタンデム構造である本発明の太陽電池素子の別の例を示す。
【０１９７】
実施の形態７の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態７の太陽電池素子４００、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド４１０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０１９８】
図４に示すように、実施の形態７の太陽電池素子４００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド４１０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０１９９】
図１０は、実施の形態７の太陽電池素子４００の半導体ナノロッド４１０の断面図である。図１０に示されるように、半導体ナノロッド４１０は、ｎ型ＧａＡｓ領域４２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域４２２およびｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３からなる中心ナノロッド４２０と、前記中心ナノロッド４２０を被覆し、量子井戸層を有するノンドープＧａＩｎＰ層４３０と、前記ノンドープＧａＩｎＰ層４３０を被覆するｐ型ＧａＩｎＰ層４４０と、前記ｐ型ＧａＩｎＰ層４４０を被覆する表面保護層４５０とを有する。中心ナノロッド４２０はｎ層として機能し、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＩｎＰ層４４０はｐ層として機能する。すなわち、中心ナノロッド４２０、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０およびｐ型ＧａＩｎＰ層４４０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。中心ナノロッド４２０の根元の直径は、例えば８０ｎｍであり、導電性ＧａＡｓ基板１１０表面からの長さは、例えば１５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域４２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域４２２およびｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３の長さは、例えばそれぞれ５００ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ領域４２１は導電性ＧａＡｓ基板１１０側に位置し、ｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３は透明電極１５０側に位置する。ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域４２２は、ｎ型ＧａＡｓ領域４２１とｎ型ＧａＩｎＰ領域４２３との間に位置する。すなわち、各半導体（ｎ型ＧａＡｓ、ｎ型ＡｌＧａＡｓおよびｎ型ＧａＩｎＰ）は、透明電極１５０側からエネルギーバンドギャップが大きい順に並んでいる。
【０２００】
また、図１０に示されるように、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０は、２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層を有する。これら２層のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層は、それぞれノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＧａＩｎＰ層４３０は、前記中心ナノロッド４２０を被覆する、第１のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１と；前記第１のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２と；前記第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２を被覆する、第２のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３３と；前記第２のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３３を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３４と；前記第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３４を被覆する、第３のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３５とを有する。ノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２，４３４およびノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１，４３３，４３５は、超格子構造を形成している。キャリアは、これらノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２，４３４内を自由に移動することができる。第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３２の膜厚は、例えば１０ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層４３４の膜厚は、例えば５ｎｍである。また、ノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層４３１，４３３，４３５の膜厚は、例えばそれぞれ３ｎｍである。
【０２０１】
本実施の形態の太陽電池素子４００は、実施の形態２，６の太陽電池素子と同様の手順により製造されうる。本実施の形態の太陽電池素子４００は、半導体ナノロッド４１０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０２０２】
実施の形態７の太陽電池素子４００は、実施の形態６の太陽電池素子と同様の効果を得ることができる。
【０２０３】
（実施の形態８）
実施の形態６，７では、半導体ナノロッドが３段構造である本発明の太陽電池素子の例を示したが、実施の形態８では、半導体ナノロッドが４段構造である本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０２０４】
実施の形態８の太陽電池素子は、基板および半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態８の太陽電池素子５００、導電性ＧａＡｓ基板１１０を導電性Ｓｉ基板５１０、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド５２０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０２０５】
図４に示すように、実施の形態８の太陽電池素子５００は、導電性Ｓｉ基板５１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド５２０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０２０６】
図１１は、実施の形態８の太陽電池素子５００の半導体ナノロッド５２０の断面図である。図１１に示されるように、半導体ナノロッド５２０は、ｎ型Ｇｅ領域５３１、ｎ型ＧａＡｓ領域５３２、ｎ型ＧａＡｓＰ領域５３３およびｎ型ＧａＩｎＰ領域５３４からなる中心ナノロッド５３０と、前記中心ナノロッド５３０を被覆し、量子ドットを有するノンドープＩｎＧａＮ層５４０と、前記ノンドープＩｎＧａＮ層５４０を被覆するｐ型ＧａＮ層５５０と、前記ｐ型ＧａＮ層５５０を被覆する表面保護層５６０とを有する。中心ナノロッド５３０はｎ層として機能し、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０はｉ層として機能し、ｐ型ＧａＮ層５５０はｐ層として機能する。すなわち、中心ナノロッド５３０、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０およびｐ型ＧａＮ層５５０によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。中心ナノロッド５３０の根元の直径は、例えば１００ｎｍであり、導電性Ｓｉ基板５１０表面からの長さは、例えば１６００ｎｍである。ｎ型Ｇｅ領域５３１、ｎ型ＧａＡｓ領域５３２、ｎ型ＧａＡｓＰ領域５３３およびｎ型ＧａＩｎＰ領域５３４の長さは、例えばそれぞれ４００ｎｍである。各半導体（ｎ型Ｇｅ、ｎ型ＧａＡｓ、ｎ型ＧａＡｓＰおよびｎ型ＧａＩｎＰ）は、透明電極１５０側からエネルギーバンドギャップが大きい順に並んでいる。
【０２０７】
また、図１１に示されるように、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０は、２層のノンドープＩｎＧａＮ埋設層を有する。これら２層のノンドープＩｎＧａＮ埋設層は、それぞれノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層の間に挟まれている。すなわち、ノンドープＩｎＧａＮ層５４０は、前記中心ナノロッド５３０を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４１と；前記第１のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４１を被覆する、第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２と；前記第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４４と；前記第２のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４４を被覆する、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５と；前記第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５を被覆する、第３のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４７とを有する。第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２の膜厚は、例えば５０ｎｍであり、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５の膜厚は、例えば３０ｎｍである。また、ノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層５４１，５４４，５４７の膜厚は、例えばそれぞれ３０ｎｍである。
【０２０８】
２層のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２，５４５は、それぞれＩｎＡｓ量子ドットを含んでいる。図１１に示されるように、第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２は、大きなＩｎＡｓ量子ドット５４３を含み、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５は、小さなＩｎＡｓ量子ドット５４６を含む。このようにすることで、第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４５に含まれるＩｎＡｓ量子ドット５４６の光学的なエネルギーバンドギャップを、第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層５４２に含まれるＩｎＡｓ量子ドット５４３の光学的なエネルギーバンドギャップよりも大きくすることができる。また、ＩｎＧａＮのエネルギーバンドギャップは、ＩｎＡｓ量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きい。
【０２０９】
本実施の形態の太陽電池素子５００は、実施の形態６の太陽電池素子とほぼ同様の手順により製造されうる。本実施の形態の太陽電池素子５００は、半導体ナノロッド５２０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０２１０】
実施の形態８の太陽電池素子５００は、実施の形態６の太陽電池素子と同様の効果を得ることができる。
【０２１１】
（実施の形態９）
実施の形態９では、半導体ナノロッドが複数のヘテロ接合を有する本発明の太陽電池素子の例を示す。
【０２１２】
実施の形態９の太陽電池素子は、半導体ナノロッドの構成が異なることを除いて、図４に示す実施の形態２の太陽電池素子１００と全く同一の構成である。そこで、図４において、実施の形態２の太陽電池素子１００を実施の形態９の太陽電池素子６００、半導体ナノロッド１３０を半導体ナノロッド６１０と読み替えて説明する。また、実施の形態２の太陽電池素子１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。
【０２１３】
図４に示すように、実施の形態９の太陽電池素子６００は、導電性ＧａＡｓ基板１１０、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１２０、半導体ナノロッド６１０、透明埋設膜１４０、透明電極１５０、第１の金属電極１６０および第２の金属電極１７０を有する。
【０２１４】
図１２は、実施の形態９の太陽電池素子６００の半導体ナノロッド６１０の断面図である。図１２に示されるように、半導体ナノロッド６１０は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）６１１と、前記ｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１を被覆するｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２と、前記ｐ型ＧａＡｓ層６１２を被覆するｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３と、前記ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１３を被覆するｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４と、前記ｐ型ＡｌＧａＡｓ層６１４を被覆するｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５と、前記ｎ型ＧａＩｎＰ層６１５を被覆するｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６と、前記ｐ型ＧａＩｎＰ層６１６を被覆する表面保護層６１７とを有する。
【０２１５】
ｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６およびｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５を構成するＧａＩｎＰは、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３を構成するＡｌＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい。また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３を構成するＡｌＧａＡｓは、ｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２およびｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）６１１を構成するＧａＡｓよりもエネルギーバンドギャップが大きい。すなわち、半導体ナノロッド６１０では、ｎ型の半導体とｐ型の半導体とが交互になるように、かつ中心から外側に向けてエネルギーバンドギャップが順次大きくなるように、中心ナノロッドおよび半導体層が形成されている。
【０２１６】
半導体ナノロッド６１０内では、３つのｐ−ｎ接合が形成されている。１つ目のｐ−ｎ接合は、ｎ型ＧａＡｓナノロッド（中心ナノロッド）６１１およびｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２により形成されるｐ−ｎ接合である。２つ目のｐ−ｎ接合は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３およびｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４により形成されるｐ−ｎ接合である。３つ目のｐ−ｎ接合は、ｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５およびｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６により形成されるｐ−ｎ接合である。ｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１の根元の太さは、例えば５０ｎｍである。また、半導体ナノロッド６１０の太さは、例えば４００ｎｍであり、基板１１０表面からの高さは、例えば１８００ｎｍである。
【０２１７】
表面保護層６１７は、ｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６を被覆する保護膜である。表面保護層６１７の材料は、ｐ型ＧａＩｎＰ層よりもエネルギーバンドギャップが大きい材料であれば特に限定されない。
【０２１８】
以下、図面を参照して実施の形態９の太陽電池素子６００の製造方法について説明する。
【０２１９】
まず、導電性ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板）１１０を準備する。次いで、スパッタ法により、導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面上にＳｉＯ２膜１２０を堆積する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜１２０に複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部を有するＳｉＯ２膜１２０は、マスクパターンとして機能する。開口部の形状は略円形であり、その直径は例えば５０ｎｍである。各開口部は、中心間距離が約３００ｎｍとなるように配列される。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、開口部を通して露出した導電性ＧａＡｓ基板１１０の（１１１）Ｂ面から直径５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１を成長させる。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０２２０】
次いで、ｎ型ＧａＡｓナノロッド６１１の周囲にｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２を成長させる。このとき、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜６８０℃に低下させて、ｐ型ＧａＡｓ層６１２の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６８０℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛ガスを用いればよい。
【０２２１】
次いで、ｐ型ＧａＡｓ層（第１の被覆層）６１２の周囲にｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０〜８５０℃として、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１３の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば８２０℃とし、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０２２２】
次いで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２の被覆層）６１３の周囲にｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７５０〜８５０℃として、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層６１４の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば８２０℃とし、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、ヒ素原料ガスには水素化ヒ素ガスを、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛ガスを用いればよい。
【０２２３】
次いで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第３の被覆層）６１４の周囲にｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜７５０℃として、ｎ型ＧａＩｎＰ層６１５の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７００℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを、ｎ型ドーパントにはモノシランガスを用いればよい。
【０２２４】
次いで、ｎ型ＧａＩｎＰ層（第４の被覆層）６１５の周囲にｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６を成長させる。このときも、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜７５０℃として、ｐ型ＧａＩｎＰ層６１６の長さ方向の成長速度が動径方向の成長速度よりも大きくなるようにすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７００℃とし、ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを、ｐ型ドーパントにはジエチル亜鉛ガスを用いればよい。
【０２２５】
次いで、ｐ型ＧａＩｎＰ層（第５の被覆層）６１６の周囲にＡｌＩｎＰ層（表面保護層）６１７を成長させる。このときは、ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば６５０〜７００℃として、ＡｌＩｎＰ層６１７の長さ方向の成長速度と動径方向の成長速度を等しくすることが好ましい。ＭＯＣＶＤ装置内の基板温度は例えば７００℃とし、アルミニウム原料ガスにはトリメチルアルミニウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、リン原料ガスにはターシャリーブチルフォスフィンガスを用いればよい。表面保護層６１７を形成した後の半導体ナノロッド６１０の太さ（直径）は約４００ｎｍ、高さは１８００ｎｍである。
【０２２６】
次いで、導電性ＧａＡｓ基板１１０上の半導体ナノロッド６１０を透明埋設膜１４０内に埋め込んだ後、透明埋設膜１４０を薄膜化して半導体ナノロッド６１０の頭部を露出させる。次いで、透明埋設膜１４０上に透明電極１５０を形成し、透明電極１５０上に第２の金属電極１７０を形成する。また、導電性ＧａＡｓ基板１１０のＳｉＯ２膜１２０が形成されていない面上に、第１の金属電極１６０を形成する。
【０２２７】
以上の手順により、本実施の形態の太陽電池素子６００を製造することができる。この太陽電池素子６００は、半導体ナノロッド６１０の頭部側（透明電極側）から光を照射されて使用される。
【０２２８】
実施の形態９の太陽電池素子６００は、実施の形態２の太陽電池素子１００と同様の効果を得ることができる。
【０２２９】
（実施の形態１０）
実施の形態１０では、本発明のカラーセンサの例を示す。
【０２３０】
図１３は、実施の形態１０のカラーセンサの構成を示す斜視図である。図１３に示されるように、実施の形態１０のカラーセンサ７００は、導電性基板７１０と、導電性基板７１０上に配置された３つのロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂとを有する。各ロッドアレイ７２０は、それぞれ、透明導電層７３０、絶縁膜７４０、半導体ナノロッド７５０、透明埋設膜７６０および透明電極７７０を有する。透明導電層７３０および絶縁膜７４０は、マスクパターンとして機能する。また、図１３に示されるように、導電性基板７１０および透明電極７７０ｒ，ｇ，ｂは、外部回路に接続される。
【０２３１】
導電性基板７１０は、導電性のｎ型基板である。
【０２３２】
透明導電層７３０および絶縁膜７４０は、導電性基板７１０の表面を被覆している。透明導電層７３０および絶縁膜７４０の半導体ナノロッド７５０が配置される領域には、透明導電層７３０および絶縁膜７４０を貫通する開口部が形成されている。後述するように、半導体ナノロッド７５０内のｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１は、導電性基板７１０に直接接触している（図１４参照）。
【０２３３】
半導体ナノロッド７５０は、絶縁膜７４０上に複数配置されており、その長軸が導電性基板７１０の表面に対して略垂直になるように配置されている。半導体ナノロッド７５０の外径は、例えば１００ｎｍである。第１のロッドアレイ７２０ｒでは、各半導体ナノロッド７５０ｒは、例えば中心間距離が５００ｎｍとなるように配列されており、第２のロッドアレイ７２０ｇでは、各半導体ナノロッド７５０ｇは、例えば中心間距離が１５００ｎｍとなるように配列されており、第３のロッドアレイ７２０ｂでは、各半導体ナノロッド７５０ｂは、例えば中心間距離が３０００ｎｍとなるように配列されている。
【０２３４】
後述するように、半導体ナノロッド７５０は、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１と、前記ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１を被覆するノンドープＩｎＧａＮ層（第１の被覆層）７５２と、前記ノンドープＩｎＧａＮ層７５２を被覆するｐ型ＩｎＧａＮ層（第２の被覆層）７５３とを有する。ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１はｎ層として機能し、ノンドープＩｎＧａＮ層７５２はｉ層として機能し、ｐ型ＩｎＧａＮ層７５３はｐ層として機能する。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１、ノンドープＩｎＧａＮ層７５２およびｐ型ＩｎＧａＮ層７５３によりｐ−ｉ−ｎ接合が形成される。
【０２３５】
ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１は、導電性基板７１０および透明導電層７３０に接触しているが、ノンドープＩｎＧａＮ層（第１の被覆層）７５２およびｐ型ＩｎＧａＮ層（第２の被覆層）７５３は、いずれも導電性基板７１０および透明導電層７３０には接触していない。
【０２３６】
透明埋設膜７６０は、ロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂのそれぞれにおいて、半導体ナノロッド７５０の側面を被覆し、かつ半導体ナノロッド７５０間の空間を埋める、絶縁膜である。透明埋設膜７６０の材料の例には、ＢＣＢ樹脂やＰＩＱ樹脂などの絶縁性樹脂、ＰＳＧなどのガラスが含まれる。半導体ナノロッド７５０の頭部（透明電極７７０側の端部）は、透明埋設膜７６０に被覆されていない。
【０２３７】
透明電極７７０は、半導体ナノロッド７５０上に配置されており、半導体ナノロッド７５０のｐ型ＩｎＧａＮ層（第２の被覆層）７５３にオーミック接続されている。
【０２３８】
以下、図１４を参照して実施の形態１０のカラーセンサ７００の製造方法について説明する。図１４は、本実施の形態のカラーセンサ７００の製造方法を示す模式図である。説明の便宜上、１本の半導体ナノロッド７５０の形成過程を示している。
【０２３９】
まず、図１４（ａ）に示されるように、導電性基板７１０の表面に透明導電層７３０および絶縁膜７４０（マスクパターン）を形成する。フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、マスクパターンに複数の開口部（貫通孔）を形成する。開口部の直径は３０〜３００ｎｍの範囲内であり、開口部の中心間距離は１００〜２０００ｎｍの範囲内である。ロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂのそれぞれにおいて、開口部は１０×１０のアレイ状に配列される。
【０２４０】
次いで、図１４（ｂ）に示されるように、ガスソースＭＢＥ成長法により、開口部を通して露出した導電性基板７１０の表面からｎ型ＩｎＧａＮナノロッド（中心ナノロッド）７５１を成長させる。ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、窒素原料ガスにはアンモニアガスを、ｎ型ドーパントにはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを用いればよい。
【０２４１】
ガスソースＭＢＥ成長工程では、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径、長さおよび組成を制御するため、基板温度および成長時間を厳密に制御する。ここで、マスクパターンの開口部の直径、開口部の中心間距離および成長温度と、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の組成との関係は以下の通りである。
【０２４２】
１）マスクパターンの開口部の中心間距離を一定として、開口部の直径を大きくすると、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径も大きくなる。ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径とその結晶組成について調べると、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の直径が５０ｎｍから４５０ｎｍに増大すると、Ｉｎ組成は１０％から７０％へとほぼ線形に増加する。この傾向は、成長温度が６００〜７００℃の範囲内ではほぼ同じである。温度をさらに上昇させると、Ｉｎ組成がＧａに対して相対的に減少し始める。
【０２４３】
２）成長温度７００℃でマスクパターンの開口部の直径を一定として、開口部の中心間距離を４００ｎｍから３０００ｎｍまで変化させる。成長したｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の中心間距離が小さくなると、Ｉｎ組成は２０％から５０％程度に増加する。温度を８００℃にすると、Ｉｎ組成は約半分に減少する。ＩｎｘＧａ１−ｘＮのエネルギーバンドギャップとＩｎ組成ｘとの関係では、Ｉｎ組成ｘが約４８％で青色光のエネルギーに対応し、Ｉｎ組成ｘが約５３％で緑色光のエネルギーに対応し、Ｉｎ組成ｘが約６４％で赤色光のエネルギーに対応する。
【０２４４】
次いで、図１４（ｃ）に示されるように、ガスソースＭＢＥ成長法により、ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド７５１の周囲に、ノンドープＩｎＧａＮ層７５２およびｐ型ＩｎＧａＮ層７５３を成長させる。ガリウム原料ガスにはトリメチルガリウムガスを、インジウム原料ガスにはトリメチルインジウムガスを、窒素原料ガスにはイオン化又は活性化した窒素を、ｐ型ドーパントにはＭｇ固体ソースを用いればよい。
【０２４５】
次いで、図１４（ｄ）に示されるように、ロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂのそれぞれにおいて、半導体ナノロッド７５０の下半分を透明埋設膜７６０内に埋め込んだ後、透明埋設膜７６０上に透明電極７７０を形成する。
【０２４６】
以上の手順により、本実施の形態のカラーセンサ７００を製造することができる。このカラーセンサ７００は、半導体ナノロッド７５０の頭部側（透明電極７７０側）から光を照射されて使用される。ロッドアレイ７２０ｒは赤色光の検出に最適なピーク感度を有し、ロッドアレイ７２０ｇは緑色光の検出に最適なピーク感度を有し、ロッドアレイ７２０ｂは青色光の検出に最適なピーク感度を有する。
【０２４７】
本発明者らは、本実施の形態のカラーセンサ７００の光反射率について調べた。その結果、本実施の形態のカラーセンサ７００は、従来の膜構造のカラーセンサよりも光反射率が１／４に減少することがわかった。すなわち、本実施の形態のカラーセンサ７００は、従来のカラーセンサに比べて微弱な光に対するＳ／Ｎ比が向上している。
【０２４８】
図１５は、３つのロッドアレイ７２０ｒ，ｇ，ｂを切り出して、積層した様子を示す斜視図である。この場合、ロッドアレイ７２０ｇ，ｂの基板には、石英やサファイアなどの可視光が透過しうる透明基板を用いる。このカラーセンサ７００’では、入射光（図中白矢印）に含まれる青色光は最上段のロッドアレイ７２０ｂで吸収され、緑色光および赤色光は下側に透過する。透過した入射光のうち緑色光は中段のロッドアレイ７２０ｇで吸収され、赤色光は下側に透過する。透過した赤色光は下段のロッドアレイ７２０ｒで吸収される。
【０２４９】
（実施の形態１１）
実施の形態１１では、半導体ナノロッドを有する発光素子と半導体ナノロッドを有する受光素子とを１回の結晶成長工程で同時に製造する例を示す。
【０２５０】
図１６は、本実施の形態の製造方法により同時に製造された発光素子（ＬＥＤアレイ）８００ａおよび受光素子（ＰＤアレイ）８００ｂの構成を示す斜視図である。
【０２５１】
図１６に示されるように、ｎ型Ｓｉ基板８１０上に絶縁膜（ＳｉＯ２膜）からなるマスクパターン８２０を８つ形成する。８つのマスクパターン８２０ａ〜ｈのうち、４つのマスクパターン８２０ａ〜ｄは発光素子（ＬＥＤ）形成用であり、４つのマスクパターン８２０ｅ〜ｈは受光素子（ＰＤ）形成用である。各マスクパターン８２０は、縦横５０μｍの矩形であり、隣接するマスクパターン８２０の中心間距離は２５０μｍである。各マスクパターン８２０ａ〜ｈには、複数の開口部が中心対称または同心円状に形成されている。
【０２５２】
ＭＯＣＶＤ法により、マスクパターンの開口部にｐ−ｎ接合またはｐ−ｉ−ｎ接合を含むＩｎＧａＡｓナノロッド８３０を成長させる。このとき、マスクパターン８２０の開口部の中心間距離とＩｎＧａＡｓナノロッド８３０のＩｎ組成との関係を調べたところ、開口部の中心間距離が５００ｎｍのマスクパターン８２０ａから中心間距離が３０００ｎｍのマスクパターン８２０ｄへと中心間距離が大きくなると、Ｉｎ組成がＧａに対して１０％から３０％へと増加する関係にあった。また、マスクパターン８２０の開口部の直径とＩｎＧａＡｓナノロッド８３０のＩｎ組成との関係を調べたところ、開口部の直径が１００ｎｍから４００ｎｍへと大きくなると、Ｉｎ組成が１０％から３０％へと増加する関係にあった。図１６に示されるマスクパターン８２０ａ〜ｄにおいて、フォトルミネッセンスの発光ピーク波長は、マスクパターン８２０ａは９３０ｎｍであり、マスクパターン８２０ｂは９７０ｎｍであり、マスクパターン８２０ｃは１０１０ｎｍであり、マスクパターン８２０ｄは１０６０ｎｍである。マスクパターン８２０ｅ〜ｈではフォトルミネッセンスピーク波長はほぼ１０５０ｎｍになるように開口部の直径と中心間距離を調整した。
【０２５３】
半導体ナノロッド８３０の頭部を露出するように透明なＰＳＧで埋め込む。次いで、半導体ナノロッド８３０の頭部にオーミック透明電極および外部への引き出し用電極パターンを形成し、ｎ型Ｓｉ基板８１０の表面には共通のオーミック電極パターンを形成して通電試験を行えるようにした。通電状態では、ＬＥＤ部からは最も短波長側でλ１＝９４０ｎｍにピークを持つ光が確認され、これより長波長側においても波長間隔３０〜４０ｎｍで３つの異なる波長の発光が観察された。また、ＰＤ部では、この４つの波長に対して数マイクロアンペアの光電流が得られることも確認した。
【０２５４】
ＬＥＤアレイ８００ａとＰＤアレイ８００ｂは別々のチップに分けることもできる。図１７に示されるように、ＬＥＤアレイ８００ａを光導波路となる多モード光ファイバ中に埋め込んでもよい。この場合、ＬＥＤアレイを構成する各ＬＥＤ部は、直径１０μｍのマスクパターン内に形成する。ＭＯＣＶＤによる半導体ナノロッド結晶成長工程では、隣り合うＬＥＤ部の中心間距離は１５μｍ程度まで短くすることができる。したがって、コア部８５０の直径６０μｍの汎用多モード光ファイバを使用してＬＥＤアレイ８００ａを埋め込むことができる。通信用光源として使用する場合は、４波長の光源として光合波器を使用せずに１本の光ファイバ８４０のみで１０ｋｍ程度の通信に使用することができるので、光ファイバ部材費を４分の１程度に削減できる利点がある。
【０２５５】
図１８は、通信距離が１ｋｍから１０ｋｍ程度の近距離通信用発受光素子を搭載したプリント回路基板への実装例を示す斜視図である。光出力部には４×１のＬＥＤアレイ８００ａが搭載され、光受信部には４×１のＰＤアレイ８００ｂが搭載されている。ＬＥＤ側、ＰＤ側のそれぞれが、４チャネルの光ファイバ８４０と接続されている。光出力部のＬＥＤは、１個あたりの通信速度が２.５ギガビット／秒（２.５Ｇｂｐｓ）であり、４チャネル合計で１０Ｇｂｐｓの通信速度に対応することができる。
【符号の説明】
【０２５６】
１００、１００’、２００、２００’３００、４００、５００、６００ 太陽電池素子
１１０ 導電性ＧａＡｓ基板
１２０ ＳｉＯ２膜
１３０、１３０’、２２０、２２０’、３１０、４１０、５２０、６１０ 半導体ナノロッド
１３１ ｎ型ＧａＡｓナノロッド
１３２ ノンドープＧａＡｓ層
１３３ 第１のノンドープＧａＡｓ量子障壁層
１３４ 第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
１３５ 第２のノンドープＧａＡｓ量子障壁層
１３６ 第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
１３７ 第３のノンドープＧａＡｓ量子障壁層
１３８ ｐ型ＧａＡｓ層
１４０ 透明埋設膜
１５０ 透明電極
１６０ 第１の金属電極
１７０ 第２の金属電極
１８０、２６０、３５０、４５０、５６０、６１７ 表面保護層
２１０ 導電性ＩｎＰ基板
２３０ ｎ型ＩｎＰナノロッド
２４０ ノンドープＩｎＰ層
２４１ 第１のノンドープＩｎＰ量子障壁層
２４２ 第１のノンドープＩｎＰ埋設層
２４３、２４６ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
２４４ 第２のノンドープＩｎＰ量子障壁層
２４５ 第２のノンドープＩｎＰ埋設層
２４７ 第３のノンドープＩｎＰ量子障壁層
２５０ ｐ型ＩｎＰ層
３２０、４２０、５３０ 中心ナノロッド
３２１、４２１ ｎ型ＧａＡｓ領域
３２２、４２２ ｎ型ＡｌＧａＡｓ領域
３２３ ｎ型ＧａＮ領域
３３０ ノンドープＧａＮ層
３３１ 第１のノンドープＧａＮ量子障壁層
３３２ 第１のノンドープＧａＮ埋設層
３３３、３３６、５４３、５４６ ＩｎＡｓ量子ドット
３３４ 第２のノンドープＧａＮ量子障壁層
３３５ 第２のノンドープＧａＮ埋設層
３３７ 第３のノンドープＧａＮ量子障壁層
３４０ ｐ型ＧａＮ層
４２３ ｎ型ＧａＩｎＰ領域
４３０ ノンドープＧａＩｎＰ層
４３１ 第１のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層
４３２ 第１のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
４３３ 第２のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層
４３４ 第２のノンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層
４３５ 第３のノンドープＧａＩｎＰ量子障壁層
４４０ ｐ型ＧａＩｎＰ層
５１０ 導電性Ｓｉ基板
５３１ ｎ型Ｇｅ領域
５３２ ｎ型ＧａＡｓ領域
５３３ ｎ型ＧａＡｓＰ領域
５３４ ｎ型ＧａＩｎＰ領域
５４０ ノンドープＩｎＧａＮ層
５４１ 第１のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層
５４２ 第１のノンドープＩｎＧａＮ埋設層
５４４ 第２のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層
５４５ 第２のノンドープＩｎＧａＮ埋設層
５４７ 第３のノンドープＩｎＧａＮ量子障壁層
５５０ ｐ型ＧａＮ層
６１１ ｎ型ＧａＡｓナノロッド
６１２ ｐ型ＧａＡｓ層
６１３ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
６１４ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
６１５ ｎ型ＧａＩｎＰ層
６１６ ｐ型ＧａＩｎＰ層
７００、７００’ カラーセンサ
７１０ 導電性基板
７２０ ロッドアレイ
７３０ 透明導電層
７４０ 絶縁膜
７５０ 半導体ナノロッド
７５１ ｎ型ＩｎＧａＮナノロッド
７５２ ノンドープＩｎＧａＮ層
７５３ ｐ型ＩｎＧａＮ層
７６０ 透明埋設膜
７７０ 透明電極
８００ａ 発光素子
８００ｂ 受光素子
８１０ ｎ型Ｓｉ基板
８２０ マスクパターン
８３０ ＩｎＧａＡｓナノロッド
８４０ 光ファイバ
８５０ コア部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、
前記半導体ナノロッドは、基板上に平面視三角格子状に配置されており、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にあり、
前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、真性半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池素子において、前記第２の被覆層を被覆すると共に、前記第１の導電型の半導体、前記第２の導電型の半導体および前記真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの大きな半導体からなる表面保護層を有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の太陽電池素子において、前記中心ナノロッドは、第１の半導体からなり前記基板上に形成された第１の領域と、前記第１の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第２の半導体からなり前記第１の領域上に形成された第２の領域と、前記第２の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第３の半導体からなり前記第２の領域上に形成された第３の領域とを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項４】
請求項３記載の太陽電池素子において、前記中心ナノロッドは、前記第３の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第４の半導体からなり前記第３の領域上に形成された第４の領域を有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項６】
請求項５記載の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、前記第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなり前記量子障壁に挟持された量子井戸層とを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項７】
請求項５記載の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、第１の真性半導体と第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなる量子ドットとを含み前記量子障壁に挟持された埋設層とを有し、前記埋設層中で前記量子ドットは第１の真性半導体中に分散されていることを特徴とする太陽電池素子。
【請求項８】
基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、
前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、第２の導電型の半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第２の被覆層を被覆する第３の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第３の被覆層を被覆する第４の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第４の被覆層を被覆する第５の被覆層とを有し、
前記第４の被覆層及び第５の被覆層を形成する半導体は、前記第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有し、
前記第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体は、前記第１の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項９】
基板の表面に、開口部を有するマスクパターンを形成する工程と、
前記開口部から露出する前記基板の表面に、第１の導電型の半導体を結晶成長させることにより中心ナノロッドを形成する工程と、
前記中心ナノロッドの周囲に、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法又は化学気相堆積法により真性半導体からなる第１の被覆層を形成する工程と、
前記第１の被覆層の周囲に、第２の導電型の半導体からなる第２の被覆層を形成する工程と、
第１の電極および第２の電極を形成する工程とを備える太陽電池素子の製造方法であって、
前記第１の被覆層は、第１の組成の原料ガスを供給することにより量子障壁層を形成したのち、第２の組成の原料ガスを供給することにより量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
【請求項１０】
基板と、
前記基板の表面に配置されたマスクパターンであって、前記マスクパターンはＲＧＢに対応する３以上の領域に区分されており、かつ前記３以上の領域のそれぞれには開口部が形成されているマスクパターンと、
前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸しｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を有する２以上の半導体ナノロッドと、
前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、
前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有するカラーセンサであって、
前記半導体ナノロッドの組成は、前記３以上の領域ごとに異なることを特徴とするカラーセンサ。
【請求項１１】
発光素子および受光素子を同時に製造する製造方法であって、
Ａ）表面をマスクパターンで被覆された基板を準備するステップであって、
前記マスクパターンは、発光素子となる領域と受光素子となる領域とに区分されており、かつ
前記発光素子となる領域および前記受光素子となる領域には、それぞれ、前記基板表面を露出させる２以上の開口部が形成されており、かつ
前記開口部のサイズまたは前記開口部の中心間距離は、前記発光素子となる領域と前記受光素子となる領域とで異なる、ステップと、
Ｂ）前記マスクパターンで被覆された基板から、前記開口部を通して半導体ナノロッドを成長させるステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップとを有することを特徴とする発光素子および受光素子の製造方法。
【請求項１】
基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、
前記半導体ナノロッドは、基板上に平面視三角格子状に配置されており、相隣り合う前記半導体ナノロッド同士の中心間距離ｐと、前記半導体ナノロッドの最小径ｄとの比ｐ／ｄが１〜７の範囲にあり、
前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、真性半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層とを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項２】
請求項１記載の太陽電池素子において、前記第２の被覆層を被覆すると共に、前記第１の導電型の半導体、前記第２の導電型の半導体および前記真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの大きな半導体からなる表面保護層を有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の太陽電池素子において、前記中心ナノロッドは、第１の半導体からなり前記基板上に形成された第１の領域と、前記第１の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第２の半導体からなり前記第１の領域上に形成された第２の領域と、前記第２の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第３の半導体からなり前記第２の領域上に形成された第３の領域とを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項４】
請求項３記載の太陽電池素子において、前記中心ナノロッドは、前記第３の半導体よりエネルギーバンドギャップの大きな第４の半導体からなり前記第３の領域上に形成された第４の領域を有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項６】
請求項５記載の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、前記第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなり前記量子障壁に挟持された量子井戸層とを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項７】
請求項５記載の太陽電池素子において、前記第１の被覆層は、第１の真性半導体からなる２以上の量子障壁と、第１の真性半導体と第１の真性半導体よりもエネルギーバンドギャップの小さな第２の真性半導体からなる量子ドットとを含み前記量子障壁に挟持された埋設層とを有し、前記埋設層中で前記量子ドットは第１の真性半導体中に分散されていることを特徴とする太陽電池素子。
【請求項８】
基板と、前記基板の表面に配置され２以上の開口部を有するマスクパターンと、前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する２以上の半導体ナノロッドと、前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有する太陽電池素子であって、
前記半導体ナノロッドは、第１の導電型の半導体からなる中心ナノロッドと、第２の導電型の半導体からなり前記中心ナノロッドを被覆する第１の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第１の被覆層を被覆する第２の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第２の被覆層を被覆する第３の被覆層と、第１の導電型の半導体からなり前記第３の被覆層を被覆する第４の被覆層と、第２の導電型の半導体からなり前記第４の被覆層を被覆する第５の被覆層とを有し、
前記第４の被覆層及び第５の被覆層を形成する半導体は、前記第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有し、
前記第２の被覆層及び第３の被覆層を形成する半導体は、前記第１の被覆層を形成する半導体より大きなエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする太陽電池素子。
【請求項９】
基板の表面に、開口部を有するマスクパターンを形成する工程と、
前記開口部から露出する前記基板の表面に、第１の導電型の半導体を結晶成長させることにより中心ナノロッドを形成する工程と、
前記中心ナノロッドの周囲に、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法又は化学気相堆積法により真性半導体からなる第１の被覆層を形成する工程と、
前記第１の被覆層の周囲に、第２の導電型の半導体からなる第２の被覆層を形成する工程と、
第１の電極および第２の電極を形成する工程とを備える太陽電池素子の製造方法であって、
前記第１の被覆層は、第１の組成の原料ガスを供給することにより量子障壁層を形成したのち、第２の組成の原料ガスを供給することにより量子井戸層又は量子ドットを含む埋設層を形成することを特徴とする太陽電池素子の製造方法。
【請求項１０】
基板と、
前記基板の表面に配置されたマスクパターンであって、前記マスクパターンはＲＧＢに対応する３以上の領域に区分されており、かつ前記３以上の領域のそれぞれには開口部が形成されているマスクパターンと、
前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸しｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を有する２以上の半導体ナノロッドと、
前記半導体ナノロッドの下端に接続された第１の電極と、
前記半導体ナノロッドの上端に接続された第２の電極とを有するカラーセンサであって、
前記半導体ナノロッドの組成は、前記３以上の領域ごとに異なることを特徴とするカラーセンサ。
【請求項１１】
発光素子および受光素子を同時に製造する製造方法であって、
Ａ）表面をマスクパターンで被覆された基板を準備するステップであって、
前記マスクパターンは、発光素子となる領域と受光素子となる領域とに区分されており、かつ
前記発光素子となる領域および前記受光素子となる領域には、それぞれ、前記基板表面を露出させる２以上の開口部が形成されており、かつ
前記開口部のサイズまたは前記開口部の中心間距離は、前記発光素子となる領域と前記受光素子となる領域とで異なる、ステップと、
Ｂ）前記マスクパターンで被覆された基板から、前記開口部を通して半導体ナノロッドを成長させるステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップとを有することを特徴とする発光素子および受光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１３５０５８（Ｐ２０１１−１３５０５８Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６１５６４（Ｐ２０１０−２６１５６４）
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２４日（２０１０．１１．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
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