白木と清酒と量子ドット（１）

 

 

玄関前の白木の紅葉が見事に色づいている。もうすぐすると、すべてが落葉する様の移
ろいも風情があっていいものだ。その横には緑黄の花柚子があり、三つの小さな実が付
いている。これらは寒くなる季節の鍋料理に薬味として初めて供されることになる。

シラキ（白木　トウダイグサ科　シラキ属　学名Sapium　japonicum 落葉小高木　花期
５月頃　果期10,11月）　和名は材が白いことに由来する（未観察）。葉は互生、葉身は
広卵形、縁は全縁、葉脈はやや湾曲し縁に至らず。５月頃枝先に上向きの穂状の総状花
序をつける。雌花は花序の基部に長い花柄を伸ばしてつく。花柱が３裂しカールしてい
る。その上方に花柄を持つ雄花が多数つく。果実（さく果）は長い果柄につき、３稜か
らなる扁平球で、花柱が宿存している。秋に褐色に熟すと３室に裂開し種子を散布する。
種子は脂分を多く含み、斑模様がある。紅葉が大変美しく、その紅葉から下垂する果実
は涼しげで風情がある。
 

 

独立行政法人産業技術総合研究所から標記の特許が公開されたので、ブログ掲載するこ
とに。

 

【多積層量子ドット構造体およびその製造方法、並びにそれを用いた太陽電池素子】

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　特開2013-229388

要約

ＩｎＧａＰのｐ－ｎ接合中に、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量
子ドット構造体を設け、このＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体は、複数のＩｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット層と、そのＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込むように設けたＧａＡｓま
たは、ＩｎＧａＰ、またはＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ、またはＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＰバッファ層から構成するＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体を任意数層積層して構
成することで、母体の半導体のワイドギャップ半導体を利用し、中間バンドの形成位置
を禁制帯の中間付近へと低下させることで、中間バンドと伝導帯までのエネルギー差が
大きな多積層量子ドット構造体およびそれを用いて理想的な中間バンド太陽電池素子を
得ることが可能となる。 

 
図１　多積層量子ドット構造体の各実施の形態の１層分のバンド図の模式図

 

背景技術

多積層量子ドットを用いた中間バンド太陽電池が近年盛んに研究されている。これは母
体となる禁制帯幅の大きな半導体中に、禁制帯幅の小さな半導体を用いて多積層量子ド
ットを配列し、量子ドット列が作る中間バンドを利用して３つのバンド幅に相当する太
陽光エネルギーを吸収して超高効率化を目指すものである。※１

図10は、その中間バンド太陽電池の模式図を示す。図に示すように、中間バンド太陽電
池は、価電子帯と伝導体との間に中間バンドを有する構造である。ここで重要な物理現
象は、中間バンドを介した２段階光吸収である。非特許文献※２には、理想的には、図
において、伝導体の量子準位と価電子帯とのエネルギー差Ｅ１３が１.９ｅＶ、価電子帯
と中間バンドのエネルギー差Ｅ１２が１.２ｅＶ、中間バンドと伝導体のエネルギー差Ｅ２３
が０.７ｅＶの時、集光時におけるエネルギー変換効率が、６０％を超えることが示唆されている。

図10　中間バンド太陽電池の一例の模式図

量子ドット太陽電池技術において最もよく研究されている材料系として、母体の半導体
としてＧａＡｓを用い、その中にＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット(In組成は０.３～１.０)を
埋め込んだ例が挙げられる(例えば、※２、３参照)。なお、本明細書において、「Ｉｎ
(Ｇａ)Ａｓ」とは、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓを意味する。

※　In(Ga)As：インジウム（ガリウム）ヒ素化合物 

※１ A.Luque and A.Marti,“Increasing theefficiency of ideal solar cells by ph-
　　 oton induced transitions at intermediatelevels」”, Phys.Rev.Lett.(1997)
     Vol.78,p.5014

※２ L.Marti, N.Lopez, E.Antolin, E.Canovas, A.Luque, C.Stanley,C.Farmer, and
     P.Diaz,“Emitter degradation in quantumdot intermediate band solar cells”,
     Appl.Phys.Lett.(2007) Vol.90,p.233510.

※３ T. Sugaya, O.Numakami, R.Oshima, S.Furue, H.Komaki, T.Amano, K. Matsubara,
     Y.Okano and S.Niki,“Ultra-high stacks of InGaAs/GaAsquantum dots for high
     efficiency solar cells”,Energy Environ.Sci.(2012) vol.5,p.6233.


課題

しかし、母体の半導体としてＧａＡｓを用い、その中にＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット(Ｉｎ
組成は０.３～１.０)を埋め込んだ中間バンド太陽電池の場合は、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ド
ットが作る中間バンドがＧａＡｓの伝導帯に近いため、図10の量子準位エネルギーＥ２３
に相当する光が太陽光スペクトルに存在せず、２段階光吸収が利用できない。また、母
体のＧａＡｓのバンドギャップ(図10）量子準位エネルギーＥ１３に相当)も１.４ｅＶと
小さく、理想的な中間バンド太陽電池の作製が困難とされている。なので、その効率は、
予想効率よりもかなり低い。この提案は、母体の半導体としてＧａＡｓよりバンドギャ
ップ(禁制帯幅)の大きいワイドギャップ半導体を利用し、中間バンドの形成される位置
を禁制帯の中間付近へと低下させることで、中間バンドと伝導帯までのエネルギー差が
大きな多積層量子ドット構造体とその製造方法を提案している。また、図10の多積層量
子ドット構造体を用いて、理想的な３つのエネルギー帯を吸収可能な中間バンド太陽電
池素子を提案する。

解決する手段

そのために、第１の発明の多積層量子ドット構造体は、第１のＩｎＧａＰバリア層上に
Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体の多積層量子ドット構造体で、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量
子ドット積層構造体が、複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを成長させたＩｎ(Ｇａ)Ａｓ
量子ドット層を埋め込むようにした第２のＩｎＧａＰバリア層で、第１のＩｎＧａＰバ
リア層と第２のＩｎＧａＰバリア層とで構成した層構造を、任意の層数積層とした特徴
をもつ。またに、第２の発明の多積層量子ドット構造体が、ＩｎＧａＰバリア層上にＩｎ
(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体を設けた多積層量子ドット構造体であって、Ｉｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット積層構造体は、複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを成長させたＩｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット層を第１のＧａＡｓ層に埋め込むように設けた第１のＧａＡｓ層／Ｉｎ
ＧａＰ層／第２のＧａＡｓ層からなるバッファ層であり、ＩｎＧａＰバリア層とバッフ
ァ層とからなる層構造を、任意の層数積層した特徴をもつ。

また、第３の発明の多積層量子ドット構造体の特徴はＩｎＧａＰバリア層上にＩｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット積層構造体の多積層量子ドット構造体に、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積
層構造体が、複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを成長させたＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット
層を埋め込んだ歪緩和層と、歪緩和層を埋め込んだＧａＡｓバッファ層及びＩｎＧａＰ
バリア層からなり、歪緩和層、ＧａＡｓバッファ層及びＩｎＧａＰバリア層の層構造を、
任意の層数積層としている。さらに、このＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層の両側または片
側に、任意の厚さのＧａＰ歪補償層を設けてもよく、また、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット
層を埋め込むＧａＡｓ層を、任意の厚さ及びＰ組成のＧａＡｓＰ歪補償層に置き換えて
もよい。さらに、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体が、ＩｎＧａＰバリア層を除去
した構造であってもよいとする。

また、この多積層量子ドット構造体の製造方法の特徴は、母体の半導体としてＩｎＧａ
Ｐバリア層を設ける第１の工程と、ＩｎＧａＰバリア層の上に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量
子ドットを成長させＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を形成したＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット
積層構造体を設けた第２の工程を含み、また、この太陽電池素子は、いずれかの多積層
量子ドット構造体を、ｐ型ＩｎＧａＰ層とｎ型ＩｎＧａＰ層で挟んでｐ－ｉ－ｎ構造（
ｉ：真性半導体）にするか、多積層量子ドット構造体をｎ型にド－プし、そのｎ型の多
積層量子ドット構造体をｐ型ＩｎＧａＰ層とｎ型ＩｎＧａＰ層で挟んでｐ－ｎ－ｎ構造
にするか、あるいは、多積層量子ドット構造体をｐ型にド－プし、そのｐ型の多積層量
子ドット構造体をｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＩｎＧａＰ層で挟んだｎ－ｐ－ｐ構造とする。

発明の効果

この多積層量子ドット構造体により、母体の半導体のＧａＡｓよりバンドギャップ(禁制
帯幅)の大きいワイドギャップ半導体を利用し、中間バンドの形成位置を禁制帯の中間付
近へ低下させることで、中間バンドと伝導帯までのエネルギー差が大きな多積層量子ド
ット構造体を構成できる。また、この太陽電池素子は、この量子ドット構造体を用いる
ことで、理想的な３つのエネルギー帯を吸収でき、高出力で超高効率な理想的な太陽電
池素子を構成できる。

【実施するための形態】 

この多積層量子ドット構造体では、母体の半導体として禁制帯幅がＧａＡｓよりも大き
いワイドギャップ半導体であるＩｎＧａＰを用いる。Ｉｎ_0.48Ｇa_0.52Ｐのバンドギャッ
プ(禁制帯幅)は１.９ｅＶであり、理想的な中間バンド太陽電池の値と同等である。そこ
で、本発明の実施の形態の多積層量子ドット構造体では、ＩｎＧａＰバリア層上に図１
(ａ)、(ｂ)または(ｃ)に示す層が任意の層数積層されたＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層
構造体を設ける。

図１(ａ)は、１層内に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを設けたＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ド
ット層と、そのＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを埋め込むように設けたバンドギャップ(禁制
帯幅)１.９ｅＶのＩｎＧａＰバリア層からなるＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体の
１層分のバンド図の模式図を示す。このＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体は、Ｉｎ
ＧａＰバリア層上にバンドギャップ約１.４ｅＶのＩｎ(Ｇａ)Ａｓを直接形成した構造で
ある。

図１(ｂ)は、１層内に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを設けたＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ド
ット層と、そのＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを埋め込むようにＧａＡｓバッファ層を設け、
さらにそれらをバンドギャップ１.９ｅＶのＩｎＧａＰバリア層で埋め込んだ構造のＩｎ
(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体の１層分のバンド図の模式図を示す。このＩｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット積層構造体は、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットが形成する中間バンドの位置
を、ＩｎＧaＰの伝導帯から約０.６ｅＶの位置まで下げることが可能となる(中間バンド
と伝導体との量子準位エネルギー差Ｅ２３≒０.６ｅＶ)。これにより、これまでにない
太陽電池素子を構成することができる。特に量子ドット構造体からＩｎＧａＰ伝導帯へ
の電子の遷移が太陽光スペクトルによって励起可能となり、高出力で超高効率な理想的
な中間バンド太陽電池構造へ応用できる。

図１(ｃ)は、１層内に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを設けたＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ド
ット層と、そのＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを埋め込むようにバンドギャップ約０.９～
１.１ｅＶのＩｎＧａＡｓ歪緩和層を設け、それらをＧａＡｓバッファ層およびバンドギ
ャップ１.９ｅＶのＩｎＧａＰバリア層で埋め込むことにより構成したＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量
子ドット積層構造体の１層分のバンド図の模式図を示す。

このＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体では、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層(Ｉｎ組成
は０.３～１.０)よりもＩｎ組成の低いＩｎＧａＡｓ歪緩和層(Ｉｎ組成は０.１～０.３
程度)を導入することにより、量子ドット中の歪を低減することができ、図１(ｃ)に示す
ように中間バンドの量子準位と伝導体のエネルギー差Ｅ２３を０.７ｅＶ程度に大きくで
きる。この時、中間バンドの量子準位と価電子帯とのエネルギー差Ｅ１２は１.１ｅＶ程
度とすることができ、理想的な中間バンド太陽電池素子に近い構造が作製可能である。

ところで、この量子ドット構造体を太陽電池素子に応用するためには、光吸収を高める
ため多積層化が必要である。量子ドット層は格子定数が大きく結晶中に歪残留するため、
これを多積層化するためには格子定数の小さい歪補償層を挿入することが望ましい。Ｉｎ
ＧａＡｓ量子ドットは歪補償層がなくてもかなりの多積層化(４００層程度)は可能であ
るが(※３参照)、ＩｎＡｓ量子ドットの多積層化には歪補償層が必要である。

この歪補償層としては、ＧａＰまたはＩｎ組成の小さい(約０.３程度以下)ＩｎＧａＰ層
が好ましい。図２(ａ)は、バンドギャップが２１及び２２で示される２つのＧａＰ歪補
償層を、バンドギャップが２３で示されるＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層の上下にＧａＡｓ
バッファ層を介して挿入した例の量子ドット積層構造体の１層分のバンド図の模式図を
示す。このＧａＰ歪補償層によって残留歪を取り除くことができる。なお、ＧａＰ歪補
償層は、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層の上下いずれか一方だけの挿入でもよい。また、
ＧａＰ歪補償層の厚さは、電子がトンネルして移動可能な厚さ(２～３ｎｍ以下)が望ま
しい。

図２　(ａ)Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐを母体半導体とし、ＧａＰ層を歪補償層として挿入した
　　　Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体のバンド図の模式図である。(ｂ)Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐを母体半導体とし、任意の組成のＧａＡｓＰ層を歪補償層として挿入したＩｎ
　　　(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体のバンド図の模式図



また、歪補償技術は、ＧａＡｓバッファ層を任意のＰ組成を持つＧａＡｓＰ層に置き換
えることでも可能である。図２(ｂ)は、バンドギャップが２４及び２５で示される２つ
のＧａＡｓＰ歪補償層を、バンドギャップが２６で示されるＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット
層の上下に挿入した例の量子ドット積層構造体の１層分のバンド図の模式図を示す。
図２(ｂ)に示すように、ＧａＡｓＰ歪補償層は、ＧａＡｓよりも大きく、Ｉｎ(Ｇａ)Ｐ
よりも小さなバンドギャップを持つ。また、ＧａＡｓＰ歪補償層は、ＩｎＧａＰ層より
も小さな格子定数を持つため、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層の歪を緩和することができ
る。

図３　Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐを母体半導体とした多積層Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体を
　　　太陽電池構造に応用する場合のバンド図の模式図


また、図３のバンド図の模式図に示すように、例えば図２(ａ)に示した量子ドット積層
構造体を任意の複数層積層した多積層量子ドット構造体３１をノンドープのｉ層とし、
このｉ層の多積層量子ドット構造体３１を間に挟んでｐ型のＩｎＧａＰ層３２およびｎ
型のＩｎＧａＰ層３３を設け、ｐ－ｉ－ｎ構造を構成することにより、高出力の太陽電
池素子とすることができる。なお、図２(ａ)に示した多積層量子ドット構造体３１の代
わりに、図２(ｂ)に示した量子ドット積層構造体を任意の複数層積層したｉ層の多積層
量子ドット構造体を用いることもできる。

このように、本発明のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体をＩｎＧａＰのｐｎ接合に挟む
ことにより、ＩｎＧａＰは波長６５０ｎｍ以下、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットは波長1300
ｎｍ以下、量子ドット中間バンドからＩｎＧａＰ伝導体までのエネルギーは波長1700ｎ
ｍ以下に感度を持たせることができるので、このＩｎＧａＡｓ量子ドット構造体を組み
込んだ多積層量子ドット構造体を持つ本発明の太陽電池素子は、全ての太陽光スペクト
ルの全波長に吸収感度を持つように構成することができる。

図４　Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐを母体半導体とした多積層Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット太陽電
　　　池構造のうち、ＩｎＧａＰバリア層が無いもののバンド図


なお、図４のバンド図の模式図に示すように、図１(ｂ)に示した量子ドット積層構造体
を任意の複数層積層した多積層量子ドット構造体４１をノンドープのｉ層とし、そのｉ
層の多積層量子ドット構造体４１を間に挟んでｐ型のＩｎＧａＰ層４２およびｎ型のＩｎ
ＧａＰ層４３を設け、ｐ－ｉ－ｎ構造を構成することにより、高出力の太陽電池素子と
することができる。なお、図４は、ＧａＡｓバッファ層を設け、その上に複数のＩｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドットを成長させ、そのＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを埋め込むようにＧａＡｓ
バッファ層を設け、ＩｎＧａＰバリア層を設けずに複数層積層したＩｎ(Ｇａ)Ａｓ／Ｇａ
Ａｓ量子ドット構造体の例であるが、図１(ｃ)に示した歪緩和層、または図２(ａ)また
は(ｂ)に示した歪補償層を導入した場合においても、同様に適用可能である。

また、本発明の多積層量子ドット構造体をｎ型にド－プし、そのｎ型の多積層量子ドッ
ト構造体をｐ型ＩｎＧａＰ層とｎ型ＩｎＧａＰ層で挟んでｐ－ｎ－ｎ構造の太陽電池素
子としてもよい。更には、本発明の多積層量子ドット構造体をｐ型にド－プし、そのｐ
型の多積層量子ドット構造体をｎ型ＩｎＧａＰ層とｐ型ＩｎＧａＰ層で挟んでｎ－ｐ－
ｐ構造の太陽電池素子としてもよい。

Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体は、量子ドットを成長方向に整列させるため、量子ド
ット間の距離を２０ｎｍ以下にする必要がある。また、量子ドットが中間バンドを形成
するためには、量子ドット間を２～３ｎｍ程度以下まで薄くする必要がある。量子ドッ
ト間にはＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、またはＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ、またはＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ層を用い、場合によっては歪補償層としてＧａＰ層を適当な厚さ
で挿入すれば、上記２～３ｎｍ程度以下まで薄くすることができる。本発明の太陽電池
素子は、この多積層量子ドット構造体を用いて太陽電池構造を構成するものである。

次に、本発明の多積層量子ドット構造体の製造方法の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態の多積層量子ドット構造体の製造方法では、まず、第１の工程で、母
体の半導体として第１のＩｎＧａＰバリア層を設ける。続く第２の工程では、ＩｎＧａ
Ｐバリア層の上に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを成長させてＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ド
ット層を形成する。続く第３の工程では、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を埋め込むよう
に第２のＩｎＧａＰバリア層を設ける。これにより、図１(ａ)に１層分のバンド図の模
式図を示した、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体を製造する。そして、次の第４の
工程では上記第１～第３の工程をｋ回(ｋは任意の自然数)連続して繰り返すことで、第１
のＩｎＧａＰバリア層と第２のＩｎＧａＰバリア層とからなる層がｋ層積層された第１
の実施の形態のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体が製造される。

次に、第２の実施の形態の多積層量子ドット構造体の製造方法では、まず、第１の工程
で、母体の半導体としてＩｎＧａＰバリア層を用いてＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ
バッファ層を設ける。続く第２の工程では、このバッファ層の上に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ
量子ドットを成長させてＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を形成する。続く第３の工程では、
Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を埋め込むようにＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓバッフ
ァ層を設ける。これにより、図１(ｂ)に１層分のバンド図の模式図を示した、Ｉｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット積層構造体を製造する。そして、次の第４の工程では上記第１～第３の
工程をｋ回(ｋは任意の自然数)連続して繰り返すことで第２の実施の形態のＩｎ(Ｇａ)
Ａｓ量子ドット積層構造体が製造される。

次に、第３の実施の形態の多積層量子ドット構造体の製造方法では、まず、第１の工程
で、母体の半導体としてＩｎＧａＰバリア層を用いてＩｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓ／Ｇａ
Ａｓ／ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／Ｉｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓバッファ層を設ける。続く
第２の工程では、そのバッファ層の上に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを成長させて
Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を形成する。続く第３の工程では、そのＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量
子ドット層を埋め込むようにＩｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ／Ｇａ
Ａｓ／Ｉｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓバッファ層を設ける。これにより、図１(ｃ)に１層
分のバンド図の模式図を示した、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体を製造する。そ
して、次の第４の工程では上記第１～第３の工程をｋ回(ｋは任意の自然数)連続して繰
り返すことで第３の実施の形態のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層構造体が製造される。

次に、第４の実施の形態の多積層量子ドット構造体の製造方法では、まず、第１の工程
で、ＧａＡｓバッファ層を設ける。続く第２の工程では、ＧａＡｓバッファ層の上に複
数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを成長させてＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を形成する。
続く第３の工程では、Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を埋め込むようにＧａＡｓバッファ
層を設ける。これにより、ＩｎＧａＰバリア層を設けないＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積
層構造体を製造する。そして、次の第４の工程では上記第１～第３の工程をｋ回(ｋは任
意の自然数)連続して繰り返すことで第４の実施の形態のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積層
構造体が製造される。

次に、第５の実施の形態の多積層量子ドット構造体の製造方法では、まず、第１の工程
で、Ｉｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓ／ＧａＡｓ／Ｉｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓバッファ層
を設ける。続く第２の工程では、そのバッファ層の上に複数のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドッ
トを成長させてＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット層を形成する。続く第３の工程では、そのＩｎ
(Ｇａ)Ａｓ量子ドットを埋め込むようにＩｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓ／ＧａＡｓ／
Ｉｎ_0.1～0.3Ｇａ_0.7～0.9Ａｓバッファ層を設ける。これにより、ＩｎＧａＰバリア層を
設けない量子ドット積層構造体に、更に歪緩和層を利用したＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット
積層構造体を製造する。そして、次の第４の工程では上記第１～第３の工程をｋ回(ｋは
任意の自然数)連続して繰り返すことで第５の実施の形態のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット積
層構造体が製造される。


【実施例】

次に、この多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子の実施例について説明する。

図５は、本発明の多積層量子ドット構造体を用いた太陽電池素子の一実施例の模式的断
面図を示す。本実施例は、図１(ｂ)に示したＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構造体を複数層
積層した多積層量子ドット構造体を用いて構成された、太陽電池素子の実施例である。
図５において、太陽電池素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にｎ⁺-ＧａＡｓ層１２を
成長させ、更にその上にｎ⁺-Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層、ｎ-Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層の順で積層
したｎ層１３を成長させ、更にその上に図１(ｂ)に示したＩｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット構
造体を複数層積層した多積層量子ドット構造体１４を有する。

　図５

太陽電池素子の一実施の形態の模式的構造断面図

【符号の説明】

１０ 太陽電池素子　１１ ＧａＡｓ基板　１２ ｎ⁺-ＧａＡｓ層　１３ ｎ層　１４ 多積
層量子ドット構造体　１５ ｐ層　１６ ｐ⁺-Ｉｎ_0.48Ａｌ_0.52Ｐ窓層　１７ ｐ⁺-ＧａＡｓ
コンタクト層　１８ Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極　１９ ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極　
２１、２２ ＧａＰ歪補償層のバンドギャップ　２３、２６ Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ量子ドット
層のバンドギャップ　２４、２５ ＧａＡｓＰ歪補償層のバンドギャップ



多積層量子ドット構造体１４の各層は、複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットを埋め込んだＧａ
Ａｓバッファ層１４１と、ＧａＡｓバッファ層１４１の上に設けたＩｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐバ
リア層１４２とから構成される。多積層量子ドット構造体１４はドーピングせず半絶縁
性のｉ層である。

Ｉｎ(Ｇａ)Ａｓ多積層量子ドット構造体１４の上にはｐ⁺-Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐからなるｐ
層１５を成長させ、その上には、窓層としてｐ⁺-Ｉｎ_0.48Ａｌ_0.52Ｐ窓層１６を成長させ
る。さらには金属とのコンタクトのため、ｐ⁺-Ｉｎ_0.48Ａｌ_0.52Ｐ窓層１６の上にｐ⁺-Ｇａ
Ａｓコンタクト層１７を成長し、その上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１８を形成する。一方、
ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１９が形成される。ただし
表面において、ＡＲコート等反射防止膜の堆積は行っていない。

実施例の各層は、一例として以下の構造とされている。
ＧａＡｓコンタクト層１７は１×１０¹⁹／ｃｍ³：５０ｎｍ、
ｐ⁺-Ｉｎ_0.48Ａｌ_0.52Ｐ窓層１６は２×１０¹⁸／ｃｍ³：３０ｎｍ、
ｐ⁺-Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐバリア層１４２は４×１０¹⁸／ｃｍ³：５０ｎｍ、
ｉ層のＩｎ(Ｇａ)Ａｓ多積層量子ドット構造体１４(量子ドット＋ＧａＡｓ層２０ｎｍ＋
ＩｎＧａＰ層１ｎｍ)は１０周期積層、
ｎ-Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層は１×１０¹⁷／ｃｍ³：１０００ｎｍ、
ｎ⁺-Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ｐ層は１×１０¹⁸／ｃｍ³：２５０ｎｍ、
電極１８のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの配分は３０ｎｍ／１０ｎｍ／４００ｎｍ、
電極１９のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの配分は８０ｎｍ／２０ｎｍ／３５０ｎｍ


以上、掲載文字数の上限がきたので、この続きは後日に。