特許 7672073 光電変換素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-24

(45)【発行日】2025-05-07

(54)【発明の名称】光電変換素子

(51)【国際特許分類】

   H10F 10/163 20250101AFI20250425BHJP

   H10F 77/48 20250101ALI20250425BHJP

   H10F 77/63 20250101ALI20250425BHJP

【ＦＩ】

H10F10/163

H10F77/48

H10F77/63

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021118024

(22)【出願日】2021-07-16

(65)【公開番号】P2023013673

(43)【公開日】2023-01-26

【審査請求日】2023-11-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504224153

【氏名又は名称】国立大学法人 宮崎大学

(74)【代理人】

【識別番号】110004381

【氏名又は名称】弁理士法人ＩＴＯＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100124844

【弁理士】

【氏名又は名称】石原 隆治

(72)【発明者】

【氏名】秋山 一也

(72)【発明者】

【氏名】荒井 昌和

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１６７９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３０５９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３７３９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０６７８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０３９１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２３５１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２８０１４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０４８２１３１３（ＣＮ，Ａ）

【文献】ARAI, Masakazu and KONDO, Yasuhiro，“1.3 μm band InGaAs MQWs with InGaP metamorphic graded buffer layer on GaAs substrate”，2007 Conference on Lasers and Electro-Optics - Pacific Rim，2007年08月，DOI: 10.1109/CLEOPR.2007.4391720

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｆ １０／００－１０／１９

Ｈ１０Ｆ １９／００－１９／９０

Ｈ１０Ｆ ７７／００－７７／９０

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型のＧａＡｓ基板の上に成長されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に備えられた、ＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとを含む半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体多層膜反射鏡の上に備えられた、光を吸収するための光吸収層と、を備える、光電変換素子であって、
前記半導体多層膜反射鏡は、前記ＡｌＡｓと前記ＩｎＧａＡｓの格子定数が、前記ＧａＡｓ基板に対して、それぞれ圧縮、伸張歪となり、結晶成長を行う高温での歪と膜厚の積が合計で０になるようなＩｎ組成をもつ、
光電変換素子。

【請求項2】

前記半導体多層膜反射鏡は、前記ＡｌＡｓの層と前記ＩｎＧａＡｓの層とを交互に含む、
請求項１に記載の光電変換素子。

【請求項3】

前記半導体多層膜反射鏡は、格子定数が大きく格子緩和された半導体層から構成される、
請求項１又は２に記載の光電変換素子。

【請求項4】

前記バッファ層は、表面のＩｎ組成が５％から２０％までの範囲のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓから構成される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換素子。

【請求項5】

前記光吸収層は、波長が０．７μｍから１．１μｍまでのレーザ光を吸収する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の光電変換素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換素子に関する。

【背景技術】

【0002】

波長１ミクロン帯の光は大気の吸収が少なく、長距離のレーザ光を用いた光無線給電に有望である。しかしながら、従来太陽光に用いられてきたシリコン太陽電池はこの波長帯の光吸収が非常に少ない。また、高効率太陽電池として知られるＧａＡｓはバンドギャップの関係上、波長０．９ミクロンより短波長の光しか電力に変換することはできない。そこで、ＧａＡｓ基板上に格子整合しないＩｎＧａＡｓメタモルフィック成長（格子歪緩和させた結晶成長）が用いられている。

【0003】

例えば、非特許文献１には、ＩｎＡｓとＧａＡｓの化合物（混晶）を用いた多接合太陽電池が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】J.F.Geisz他、"40.8% efficient inverted triple-junction solar cell with two independently metamorphic junctions"、Applied Physics Letters, 93巻、論文番号123505、2008年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来技術のようなＩｎＡｓとＧａＡｓの化合物（混晶）を用いた光電変換素子は、量子化した格子振動であるフォノンの動きを妨げるため、熱伝導率が低いという問題がある。そのため、太陽光程度の強度では問題なくても、高強度なレーザ光を受光する際には素子の温度が大幅に上昇し、発生した電子と正孔の非発光再結合の割合が上昇し、内部の量子効率が低下し、結果として光電変換効率の大幅な低下をもたらす可能性がある。

【0006】

開示の技術は、光電変換素子の熱伝導性を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

開示の技術は、ｎ型のＧａＡｓ基板の上に成長されたバッファ層と、前記バッファ層の上に備えられた、ＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとを含む半導体多層膜反射鏡と、前記半導体多層膜反射鏡の上に備えられた、光を吸収するための光吸収層と、を備える、光電変換素子であって、前記半導体多層膜反射鏡は、前記ＡｌＡｓと前記ＩｎＧａＡｓの格子定数が、前記ＧａＡｓ基板に対して、それぞれ圧縮、伸張歪となり、結晶成長を行う高温での歪と膜厚の積が合計で０になるようなＩｎ組成をもつ、光電変換素子である。

【発明の効果】

【0008】

開示の技術によれば、光電変換素子の熱伝導性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】光電変換素子の一部断面図である。

【図2】ＩｎＧａＡｓバッファ層の表面の原子間力顕微鏡像を示す図である。

【図3】予備実験における半導体多層膜反射鏡の反射スペクトルを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

【0011】

（光電変換素子の概要）
本実施の形態に係る光電変換素子は、ＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとを交互に結晶成長させることによって、高い熱伝導率と光反射率を持つ半導体多層膜を有する。

【0012】

（光電変換素子の層構造）
本実施の形態に係る光電変換素子の層構造について説明する。

【0013】

図１は、光電変換素子の一部断面図である。光電変換素子１０は、ｎ型のＧａＡｓであるｎ－ＧａＡｓ基板１１上にｎ型のＩｎＧａＡｓバッファ層であるｎ－Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ１２を有する。ｎ－Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ１２は、例えばシリコンをドーピングし、厚さ１６００ｎｍに結晶成長させることによって生成される。ｎ－Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ１２は、Ｉｎ組成０．１２の組成で一定としている。

【0014】

図２は、ＩｎＧａＡｓバッファ層の表面の原子間力顕微鏡像を示す図である。実際に結晶成長させたｎ－Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ１２は、平坦性の指標となる二乗平均平方根が約１ｎｍと低い値であった。

【0015】

図１に戻り、光電変換素子１０は、ｎ－Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ１２の上にｎ型のＩｎＧａＡｓ層であるｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層１３を有する。ｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層１３は、例えばシリコンをドーピングし、厚さ３００ｎｍに結晶成長させることによって生成される。なお、図１ではＩｎ組成が０．１（１０％）の例を示しているが、用いるレーザ光の波長との関係に基づいてＩｎ組成の割合を変更しても良い。具体的には、Ｉｎ組成が０．０５から０．３０まで（５％から３０％まで）の範囲であればよい。

【0016】

さらに、光電変換素子１０は、ｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層１３の上にｎ型のＡｌＡｓ層であるｎ－ＡｌＡｓ層１４と、ｎ型のＩｎＧａＡｓ層であるｎ－Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１５と、を交互に１０ペア程度含む半導体多層膜反射鏡を有する。

【0017】

半導体多層膜反射鏡の各ペアに含まれるｎ－ＡｌＡｓ層１４およびｎ－Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１５は、例えば、用いるレーザ光の共振波長λと屈折率ｎに対して、それぞれλ／４ｎの厚さになるように結晶成長させることによって生成される。

【0018】

結晶成長の方法は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いる。そこで、予備実験として、１１０ｎｍの厚さのＩｎ_０．０９Ａｌ_０．９１Ａｓと９０ｎｍの厚さのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓを用いて半導体多層膜反射鏡を作製した。

【0019】

図３は、予備実験における半導体多層膜反射鏡の反射スペクトルを示す図である。予備実験の結果、作製した半導体多層膜反射鏡は、９０％の高い反射率が得られた。

【0020】

ところで、ＩｎＡｌＡｓ層をそのまま用いると、混晶化することで熱伝導性が低下するという問題がある。そこで、２元で熱伝導率が高いＡｌＡｓを用い、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成を高め、平均格子歪が０になるように結晶成長条件を最適化するように調整することによって、高い熱伝導性と、高い光反射率と、をともに満たす半導体多層膜を作製する。

【0021】

ここで、平均格子歪とは、ＡｌＡｓ層の厚さをｄ_１、格子定数をａ_１とし、反射鏡を構成するＩｎＧａＡｓ層の厚さをｄ_２、格子定数をａ_２とし、格子緩和させたＩｎＧａＡｓ層の格子定数をａ_３とした際に、（ｄ_１×（ａ_１－ａ_３）＋ｄ_２×（ａ_２－ａ_３））／（ｄ_１＋ｄ_２）で定義される。半導体多層膜反射鏡は、この平均格子歪が０になるように厚さを調整されている。すなわち、半導体多層膜反射鏡は、ＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓの格子定数が、ｎ－ＧａＡｓ基板１１に対して、それぞれ圧縮、伸張歪となり、結晶成長を行う高温での歪と膜厚の積が合計で０になるようなＩｎ組成をもつ。

【0022】

したがって、半導体多層膜反射鏡は、格子定数が大きく格子緩和された半導体層から構成される。このように、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡を組み合わせることで、高い熱伝導率と光反射率を持つ半導体多層膜を作製できる。

【0023】

図１に戻り、さらに、光電変換素子１０は、交互に積層されたｎ－ＡｌＡｓ層１４およびｎ－Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１５の上に、ｎ型のＩｎＧａＡｓ層であるｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層１６を有する。ｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層１６は、例えばシリコンをドーピングして結晶成長させることによって生成される。

【0024】

さらに、光電変換素子１０は、ｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層１６の上に、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層であるｐ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層１７を有する。ｐ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層１７は、例えば炭素をドーピングして結晶成長させることによって生成される。

【0025】

ｐ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層１７の上にフォトリソグラフィと電極蒸着によりグリッド状の電極を形成することで、レーザ光に特化した光電変換素子が実現できる。９０％という高い反射率の反射鏡の上に光吸収層を設けることで、従来技術と比較して量子効率の大幅な改善が期待される。また、ＡｌＡｓは２元化合物であり、文献値では熱伝導率が９０Ｗ/Ｋｍという高い値を持つため、従来技術と比較して熱伝導性を大幅に向上させることができる。

【0026】

本実施の形態では、バッファ層としてＩｎＧａＡｓを用いたが、ＩｎＡｌＡｓを用いても良い。ＩｎＡｌＡｓも、ＩｎＧａＡｓと同様にＧａＡｓに対して格子歪を緩和する効果があるからである。

【0027】

本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓバッファ層としてＩｎ組成０．１２の組成を用いたが、使用するレーザ光の波長との関係に基づいてＩｎ組成の割合を変更しても良い。具体的には、Ｉｎ組成が０．０５から０．２０まで（５％から２０％まで）の範囲であればよい。

【0028】

本実施の形態では、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓの光吸収層であるため、光電変換できるレーザ光の波長は０．９７μｍ以下である。使用するレーザ光の波長との関係に基づいて、光吸収層におけるＩｎ組成の割合を変更しても良い。具体的には、Ｉｎ組成が０．２まで（２０％まで）の範囲であればよい。例えば、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓの光吸収層であれば、光電変換できるレーザ光の波長は１．１μｍ以下まで適用できる。

【0029】

（実施の形態のまとめ）
本明細書には、少なくとも下記の各項に記載した光電変換素子が記載されている。
（第１項）
ｎ型のＧａＡｓ基板の上に成長されたバッファ層と、
ＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとを含む半導体多層膜反射鏡と、
光を吸収するための光吸収層と、を備える、
光電変換素子。
（第２項）
前記半導体多層膜反射鏡は、前記ＡｌＡｓと前記ＩｎＧａＡｓの格子定数が、前記ＧａＡｓ基板に対して、それぞれ圧縮、伸張歪となり、結晶成長を行う高温での歪と膜厚の積が合計で０になるようなＩｎ組成をもつ、
第１項に記載の光電変換素子。
（第３項）
前記半導体多層膜反射鏡は、前記ＡｌＡｓの層と前記ＩｎＧａＡｓの層とを交互に含む、
第１項または第２項に記載の光電変換素子。
（第４項）
前記半導体多層膜反射鏡は、格子定数が大きく格子緩和された半導体層から構成される、
第１項から第３項のいずれか１項に記載の光電変換素子。
（第５項）
前記バッファ層は、表面のＩｎ組成が５％から２０％までの範囲のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓから構成される、
第１項から第４項のいずれか１項に記載の光電変換素子。
（第６項）
前記光吸収層は、波長が０．７μｍから１．１μｍまでのレーザ光を吸収する、
第１項から第５項のいずれか１項に記載の光電変換素子。

【0030】

以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0031】

１０ 光電変換素子
１１ ｎ－ＧａＡｓ基板
１２ ｎ－Ｉｎ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓバッファ
１３ ｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層
１４ ｎ－ＡｌＡｓ層
１５ ｎ－Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
１６ ｎ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層
１７ ｐ－Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ光吸収層

【図1】

【図2】

【図3】