专利名称：光电转换元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备光子晶体结构的光电转换元件。
背景技术：
现在，例如在太阳能电池或光传感器等中通常使用通过进行光电转换将入射光转换为电信号的光电转换元件。在这样的光电转换元件中使用有半导体，当具有超过半导体的带隙(频带间隙)的能量的电磁波(光)入射时，在半导体中电子从价电子带被激励至传导带，发生光电转换。例如，在作为非晶半导体的a-Si，一般已知在波长700nm左右以下存在吸收(光的吸收端为700nm附近)。即，在波长比吸收端短的电磁波(光)中，在光生伏特(光敏)材料中 存在光的吸收，因此在光生伏特材料中发生光电转换。但是，通过加工方法和制造方法的改善，在实际的器件中吸收存在至820nm左右，因此在从波长700nm至820nm左右为止的区域也能够期待光生伏特的产生。图22是表示相对于a-Si (厚度330nm)的光的波长的吸收率的实测值的图。如图22所示，在a-Si的情况下，吸收的峰在波长约520nm以下继续，随着波长从520nm附近开始朝向作为吸收端的波长的820nm逐渐变大，吸收率下降。这是因为，在从半导体的吸收端起至吸收峰之间，光与电子的相互作用变弱，因此其间的电磁波(光)变得容易透过a-Si。因此，在从半导体的吸收端起至吸收峰之间光电转换效率变差。因此在从该吸收端起的吸收峰间，为了使得半导体充分地吸收光，需要使半导体的膜厚变厚。近年来，为了提高光的吸收率，例如被开发出在专利文献I 4中公开的那样使用光子晶体的光电转换元件。图23是表示专利文献I中公开的太阳能电池单元的结构的概率图。光子晶体是在电介质内人工形成介电常数不同的周期性结构而构成的。如图23所示，在太阳能电池单元101中，在叠层于分散型布拉格反射器(DBR) 114的光生伏特材料112，形成有光子晶体结构110，在该光子晶体结构110形成有多个通气孔。从进入光生伏特材料112的入射光i产生被光子晶体结构110正反射的反射光r0、被光子晶体结构110衍射的衍射光rl、被光子晶体结构110折射的折射光t。衍射光rl以比入射角0 3大的角度0’衍射，因此有助于使光生伏特材料112内的光路长度变长。此外，在光生伏特材料112与外界的空气的界面，发生内部全反射，因此衍射光rl在光生伏特材料112内发生共振(共鸣)。因此，光生伏特材料112的光的吸收率增高。此外，折射光t和在分散型布拉格反射器114被反射而返回光子晶体结构110的光，在光缝光子晶体结构110的内部产生跳跃往返的共振，而被逐渐吸收。这也能够改善光的吸收。在这样的太阳能电池单元101，通过在光生伏特材料112和光子晶体结构110内使入射光共振而吸收光，能够提高光生伏特单元的吸收效率。特别是能够通过使共振波长保持在入射光的吸收率小的长波长一侧，构成能够吸收太阳光的广范围的波长的吸收体。此外，在非专利文献2中，公开有使用形成有带端的光子晶体的太阳电池。使用图24对非专利文献2中公开的太阳能电池进行说明。在图24所示的太阳能电池200，通过在有机材料的光生伏特层203对光子晶体进行加工并使用其带端来增强光生伏特层203的吸收。结果，通过使用利用光子晶体设计的带的带端，增强由光生伏特层203吸收的波长之中的吸收低的波长的吸收，使所有的光生伏特量增加。现有技术文献专利文献
专利文献I :日本公开专利公报“特表2009-533875号(2009年9月17日发表)”专利文献2 :日本公开专利公报“特开2006-24495号(2006年I月26日发表)”专利文献3 :日本公开专利公报“特开2006-32787号(2006年2月2日发表)”专利文献4 :国际公开专利公报“W02007/108212号(2007年9月27日国际发表)”非专利文献I :C. Manolatou, M. J. Khan, ShanhuiFan, Pierre R. Villeneuve, H.A. Haus, Life Fellow, IEEE, and J.D.Joannopoulos “Coupling of Modes Analysisof Resonant Channel Add-Drop Filters”/IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONIC S/SEPTEMBER 1999V0L. 35, NO. 9，PP. 1322-1331非专利文献2 J. R. Tumbleston, Doo-Hyun Ko, Edward T. Samulski, and ReneLopez “Absorption and quasiguided mode analysis of organic solar cells withphotonic crystal photoactive layers，，/OPTICS EXPRESS/Optical Society ofAmerica/April 27, 2009Vol. 17，No. 9PP. 7670-768
发明内容
发明所要解决的问题但是，在专利文献I中公开的太阳能电池单元101存在以下那样的问题。在专利文献I中，并没有关于光子晶体的效果的详细说明，因此，作为光子晶体的效果，在改变厚度等条件的情况下作为共振的效果的Q值(或作为耦合的难易程度后述的系数K、a等)变大还是变小并不明确。S卩，就光子晶体而言，(I)如果使Q值变大，则具有光与对象器件之间的相互作用消失、光变得难以被对象器件吸收的效果，因此为了有助于光的吸收，Q值并非无限制地越大越好。此外，本发明的发明人对上述非专利文献I中记载的光的模式耦合理论进行研究的结果，新发现了(2)如果与具有光子晶体结构的外部的耦合的难易程度KV (作为谐振器的Qv)与作为光生伏特器件原本具有的特性的吸收的难易程度a a (作为谐振器的Qa )大致相等，则具有最大的吸收效果。因此，考虑上述(1)(2)，存在作为光子晶体的设计条件、更有效地吸收的条件在专利文献I中并未被明示的问题。总之，从专利文献I所公开的技术中怎么也不能得到用于充分地发挥光子晶体的吸收增强效果的意见。此外，在非专利文献2中也同样地未明示更有效地吸收的条件，因此，即使能够利用光子晶体形成带端，为了有助于吸收而设计的波段也狭窄。这样，由于吸收光的波段狭窄，相对于光生伏特层203的波长方向(波段)的整个光生伏特量提高得少(小)。因此，在非专利文献2的太阳能电池200中存在难以作为进行光电转换的器件实际利用的难点。本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率。用于解决问题的方式为了解决上述问题，本发明的光电转换元件的特征在于，包括光电转换层；和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，( I)上述光子晶体是在上述光电转换层的内部配置有与该光电转换层的介质相比折射率小的柱状的介质而形成的，当令上述光子晶体的共振峰的波长为入时， 上述柱状的介质以X/4以上X以下的间距、二维且周期性地配置，(2)作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2QV ^Qa ^5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度的系数K v的倒数成比例，该Qa与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。采用上述结构，在上述光电转换层的内部形成有光子晶体，因此，能够通过上述光子晶体使入射至光电转换层的光共振。而且，在上述光子晶体中，柱状的介质以入/4以上入以下的间距二维地配置。因此，在上述光子晶体的反晶格空间的「点形成带端，由该带端限定的光的波长为入。由此，能够将波长\的光封入上述光电转换层内并使其共振，该光是入射形成有光子晶体的上述光电转换层的光中的、来自垂直方向的入射光。这样，具有角度依赖性、在光电转换层被共振的共振峰波长X的光，被上述光电转换层的介质吸收。此处，在上述系数K 7与吸收系数大致相等的情况下，换言之，在Qv与Qa大致相等的情况下，光电转换层的介质的光的吸收成为最大，并且被吸收的光的波段成为最大。另外，即使1与1不大致相等，在上述那样满足0.2QV SQa <5.4QV的条件的情况下，光子晶体的光的吸收效果也变高。因此，采用上述结构，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率，能够使上述从波长520nm至820nm左右的波段的光生伏特增大。此外，通过使由带端限定的共振峰的波长与光电转换层的介质的吸收率低的波段一致，能够得到能够吸收更广范围的波段的光的光电转换元件。本发明的光电转换兀件的特征在于，包括叠层有多个半导体的光电转换层；和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，在叠层有多个的上述半导体中的至少一个层形成有突起，上述光子晶体包括形成有上述突起的半导体，当令上述光子晶体的共振峰的波长为\时，上述突起以入/4以上\以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2Qv^Qa < 5.4QV的范围，其中，该化与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度的系数K 倒数成比例，该Qa与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。
如上述结构那样，能够通过在半导体层形成多个突起来而构成光子晶体。在这样形成的光子晶体中，突起以入/4以上\以下的间距、二维地配置，因此，在「点方向形成带端。由此，能够将波长X的光封入上述光电转换层内并使其共振，该光是入射至上述光电转换层的光中的、来自垂直方向的入射光。这样，在光电转换层被共振的波长、的光被上述光电转换层的介质吸收。此处，在上述系数K 7与吸收系数大致相等的情况下，换言之，在Qv与Qa大致相等的情况下，光电转换层的介质的光的吸收成为最大，并且被吸收的光的波段成为最大。另外，即使Qv与Qa不大致相等，在上述那样满足0.2QV SQa < 5. 4QV的条件的情况下，光子晶体的光的吸收效果也变高。因此，采用上述结构，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率，能够使上述从波长520nm至820nm左右的波段的光生伏特增大。此外，通过使由带端限定的共振峰的波长与光电转换层的介质的吸收率低的波段一致，能够得到能够吸收更广范围 的波段的光的光电转换元件。发明的效果本发明的光电转换兀件包括光电转换层和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，上述光子晶体是在上述光电转换层内部配置有折射率比该光电转换层的介质小的柱状的介质而形成的，当令上述光子晶体的共振峰的波长为、时，上述柱状的介质以入/4以上入以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2Qv^Qa ^5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度的系数Kv的倒数成比例，该Qa与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。本发明的光电转换元件包括叠层有多个半导体的光电转换层和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，在叠层有多个的上述半导体中的至少一个层形成有突起，上述光子晶体包括形成有上述突起的半导体，当令上述光子晶体的共振峰的波长为、时，上述突起以X/4以上X以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2Qv^Qa < 5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度的系数K 倒数成比例，该Qa与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。因此，能够获得能够提高光电转换元件的光的吸收率的效果。
图I是表示本发明的光电转换元件的结构的截面图。图2是表示本发明的光电转换元件的结构的立体图。图3是表示本发明的光电转换元件的光子晶体的结构的立体图。图4是表示本发明的光电转换元件的具有三角晶格结构的光子晶体的结构的平面图。图5是表示本发明的光电转换元件的具有正方晶格结构的光子晶体的结构的平面图。
图6是表示三角晶格结构(六边精密结构中的一个平面截面结构)的反晶格空间中的位置的说明图。图7是表示光子晶体的光缝带的图。图8是表示本发明的光电转换元件的吸收波长的图。图9是表示形成有带隙的光缝带的图。图10是在波长与强度的关系中表示光的共振峰的图表。
图11是用于说明具有光子晶体的光生伏特器件的耦合的大小与Q值的关系的说明图。图12是表示在利用光子晶体的缺陷制作了谐振器的情况下，用于说明该谐振器的Q值的说明图。图13是表示本发明的光电转换元件的结构的截面图。图14是表示形成有截面为梯形的纳米棒的光子晶体的结构的截面图。图15是表示纳米棒在每区域不同的光子晶体的结构的平面图。图16是表示光电转换元件的制造工序的工序图。图17是表示第二实施方式的光电转换元件的结构的立体图。图18 Ca)是表示第二实施方式的光电转换元件的结构的截面图，(b)是表示第二实施方式的光电转换元件的其它结构例的截面图。图19是表示第三实施方式的光电转换元件的结构的立体图。图20 Ca)是表示第三实施方式的光电转换元件的结构的截面图，(b)是表示第三实施方式的光电转换元件的其它结构例的截面图。图21是表示第四实施方式的光电转换元件的结构的立体图。图22是表示对a-Si的光的波长的吸收率的图表。图23是表示具备光子晶体的现有的太阳能电池单元的结构的概略图。图24是表示使用现有的光子晶体的太阳能电池的结构的立体图。
具体实施例方式以下对本发明的实施方式进行详细说明。[实施方式I](光电转换元件的结构)图I是表示本发明的光电转换元件10的结构的截面图。图2是表示光电转换元件10的结构的立体图。光电转换元件10是将入射光通过光电转换转换为电流的元件，例如为太阳能电池单元、光检测传感器等能够在将光转换为电信号的装置中使用的元件。 光电转换元件10包括用于对入射光进行光电转换的半导体层(光电转换层)13。在该半导体层13的内部，形成有通过形成折射率与半导体层13不同的纳米棒(柱状的介质)19而构成的光子晶体21。光电转换元件10使与通过该光子晶体21形成的带端对应的状态的光波长强烈共振来提高光的吸收率。另外，对形成有光子晶体21的半导体层13的结构，在之后详述。光电转换元件10包括配置在与光入射光电转换元件10的一侧的相反侧的最外层的背面金属电极11 (金属层)；在背面金属电极11叠层的透明导电膜12 ;在透明导电膜12叠层的半导体层13 ;在半导体层13叠层的透明导电膜17 ;和在透明导电膜17叠层的玻璃18。另外，透明导电膜17是包括折射率比半导体层13的介质小的介质的两个层中的一个层，透明导电膜12是该两个层中的另一个层。在光电转换元件10，玻璃18的与透明导电膜17接触的面的相反面是光的入射面。光电转换兀件10通过在半导体层13对从该入射面入射的光进行光电转换,与入射光的光量对应地生成电流。然后，例如通过将夹着半导体层13配置的背面金属电极11和透明导电膜17以外部电阻连接，能够作为电信号向外部输出。
此处，光电转换元件10中，将光的入射面(侧)称为表面(侧)，将背面金属电极11的与半导体层13接触的面的相反面(侧)称为背面(侧)。同样，构成光电转换元件10的各膜中，将配置在入射面一侧的面(侧)称为表面(侧)，将配置在背面金属电极11 一侧的面(侧)称为背面(侧)。玻璃18例如包括折射率为I. 52左右的材料。背面金属电极11包括Ag和/或Al等反射率高的金属，用于将在半导体层13通过光电转换而生成的电流取出并向外部输出。此外，还能够将背面金属电极11作为反射板发挥作用，还能够使不在半导体层13被光电转换而透过的光再次反射向半导体层13。通过将背面金属电极11配置成覆盖半导体层13的背面的整个面，能够可靠地使透过半导体层13的光反射，因此，更加能够构成光的吸收率高的光电转换元件10。透明导电膜(TCO :Transparent Conducing 0xide)12、17是透明的导电膜,夹着半导体层13地配置。透明导电膜12、17包括折射率比半导体层13的介质小的介质，例如包括 ITO, ZnO, SnO2 等。半导体层13是光生伏特材料，例如包括a-Si (非晶硅)，是用于通过对入射光进行光电转换而产生电流的电动势层。在本实施方式中，半导体层13是从背面侧(配置有透明导电膜17 —侧)起依次叠层n型半导体(n型半导体层)14、i型半导体(本征半导体层)15和p型半导体(p型半导体层)16而形成的p-i-n型的半导体。在半导体层13配置有二维光子晶体21，该光子晶体21具有二维地、规则地配置有与n型半导体14、i型半导体15和p型半导体16相比折射率小的纳米棒19的周期性结构。(光子晶体的结构)接着，对光子晶体21的结构进行说明。如图I所示，光子晶体21在半导体层13形成，是在具有光的波长左右的厚度的半导体层13的介质内周期性地配置多个纳米棒19而得到的二维光子晶体。半导体层13中的、形成有纳米棒19的区域是光子晶体21。在本实施方式中，纳米棒19在半导体层13的整个面形成。纳米棒19包括折射率比构成n型半导体14、i型半导体15和p型半导体16的a-Si小的材料。S卩，纳米棒19是半导体层13中的低折射率的区域。此外，纳米棒19具有绝缘功能，比例透过率高的材料，是半导体层13中的低折射率区域。纳米棒19包括折射率为I. 0 2. 0左右的材料，例如包括空气、折射率为I. 45的SiO2等。
除此之外，作为纳米棒19的材料，还能够使用折射率I. 6左右的JAS (透明树脂材料)，作为 SOG (Spin-on Glass :旋涂玻璃)材料使用的 HSQ (Hydrogen Silsequioxane 含氢的砂酸盐类)，例如还能够使用FOX (東> 9'勺2— 二 >7'社(Dow Corning Torayco. Ltd)的注册商标)等。纳米棒19的高度(半导体层13的厚度方向的长度)为半导体层13的厚度的1/4以下，或与半导体层13的厚度相等。此外，如图3所示，纳米棒19在半导体层13呈圆柱状呈柱状形成。图3是表示光子晶体21的结构的立体图。图4是表示呈三角晶格状配置有纳米棒19的光子晶体21的结构的平面图。如图4所示，光子晶体21以在后述的反晶格空间「点形成带端的方式、二维且周期性地配置有纳 米棒19。具体而言，纳米棒19以间距(间隔)a相对于波长入为入/4以上入以下的方式周期性地配置。此处，波长\是如后述那样由带端限定的波长。即，波长\是通过光子晶体21共振的波长的共振峰波长。此外，纳米棒19通过在俯视光子晶体21时配置在三角形的各顶点，实现在六边形的各顶点和中心周期性地配置。即，光子晶体21具有纳米棒19 二维且呈三角晶格状地配
置的结构。此外，如图5所示，纳米棒19也可以在俯视光子晶体21时配置在四边形的各顶点。即，光子晶体21也可以具有纳米棒19 二维且呈正方晶格状地配置的结构。图5是表示呈四边形晶格状配置有纳米棒19的光子晶体21的结构的平面图。无论哪种晶格形状，均能够在后述的反晶格空间的「点形成带端。纳米棒19的半径优选以间距a为基准取0. 2a以上、0. 4a以下的范围。接着，对在这样在半导体层13配置有纳米棒19的光电转换元件10形成的带端进行说明。(带端)图6是表示三角晶格(六边精密结构的一个平面截面结构)的反晶格空间中的位置的说明图。图7是表示光子晶体21的光子带的图。如图6所示，光子晶体21的面内方向的方位能够由以三角晶格(结晶工学中的六边精密结构的二维平面部分)的反晶格空间矢量表示的结晶的方位表示。这是因为，入射作为半导体层13的光子晶体21的光所感应到的结晶配置成为以反晶格空间(第一布里渊区(Brillouin Zone)表示的配置。在图6中，K点表示围着「点的正六边形的晶格形状中的一个角，该角与相邻的角之间的点为M点。以「点、K点和M点表示的三角形是单位晶格,在以六边形表示的反晶格空间，包括12个单位晶格。只要对一个单位晶格决定方向，就能够对所有的单位晶格决定方向。在图6中，「点所示的方向是从光子晶体21的正上方朝向光子晶体21的表面的方向。即，是向与半导体层13垂直的方向入射的方向。此外，图6的箭头「M、箭头MK、箭头K「所不的反晶格空间矢量分别表不光子晶体21的面内的方向。如「M、MK、K「那样，通过起点终点的组合表示面内的方向。例如，仅具有特定的波长的光在从「点朝向K点的方向传播。在图7中，纵轴是标准化频率,横轴表示反晶格空间中的位置。标准化频率是用于使得光子晶体21的间距a与光的频率为相关关系的参数，表示为a/入。因此，在图7中，在图表的纵轴向上的方向，波长入变小。图7所示的各带是将在光子晶体21共振的波长的点连接而成的带。如上所述，光子晶体21以间距a相对于波长\成为1/4以上I倍以下的方式周期性地配置有纳米棒19，因此，如图7所示，在「点形成带端B，该带端B是光子晶体21的光子带的极值。在该带端B，与标准化频率对应的共振峰的波长\以光子晶体21的整个面强烈共振。通过得到该带端B的共振效果，能够使入射半导体层13的光的寿命(lifetime)增加。而且，通过所增加的寿命期间中的、半导体层13与光的相互作用，能够提高半导体层13的 吸收率。这样，当采用光子晶体21的结构时，能够利用被称为「点的带端B，该带端B能够对从与光子晶体21垂直的方向入射的光发生共振。通过利用该带端B，能够使波长\的光在光子晶体21共振，该波长\的光是入射光子晶体21的光中的从垂直方向入射的光。而且，在光子晶体21共振的波长\的光被半导体层13的介质吸收。因此，能够提高光电转换元件10的光的吸收率。图8表示光电转换元件10的吸收波长。如图8所示，在光电转换元件10，能够在通常的包括a-Si的半导体的吸收波长的基础上，提高带端B的谐振波长的吸收率。本实施方式的光电转换元件10，能够提高从a-Si的吸收端的波长(820nm附近)至吸收的峰波长(520nm)之间的吸收率低的波长即650nm附近的波长的吸收率。该对象波长能够通过改变纳米棒的间距a，而从标准化频率更改。另外，通过带端B，被限定的标准化频率大致为0. 3 0. 5左右。这样，在光电转换元件10，在光子晶体21内使从特定角度入射的光强烈共振，由此能够提高整个面的光的吸收率。特别是能够通过使从半导体的吸收端至吸收峰之间的吸收率低的波段具有共振峰，提高整个光电转换元件10整体的吸收率。而且，在光电转换元件10，是被称为「点的、仅使从与光电转换元件10垂直的方向入射的光共振的结构。能够在光电转换元件10共振的是以90° ±1°左右的入射角入射的光。即，当采用光子晶体21的结构时，在令从与半导体层13垂直的方向入射的光的入射角为e时，能够使来自-1° ( 0 1^1°左右的入射光的光在通过「点形成的带端B共振。此处，0 I根据在带端B具有与带面内方向成分(M方向或K方向)相同的标准化频率的长度决定。这样，在半导体层13被共振的共振峰的波长\的光被半导体层13的介质吸收。S卩，当采用光电转换元件10时，能够限制强烈共振的光的波长的入射角。因此，例如能够将光电转换元件10用于光的入射角度传感元件等光传感器元件。此外，在光电转换元件10的光子晶体21，将纳米棒19的间距a设定为相对于波长入为1/4倍 I倍，因此不形成带隙。
图9是表示形成有带隙的光子带的图。光子带是在光子晶体内不能存在的光的波段(禁带)。例如,如图9所示，当在高介电带与低介电带之间形成有由光子晶体引起的带隙的情况下，带隙中的波长不能向光子晶体入射。因此，与该标准化频率对应的波段的光的吸收效率下降。另一方面，通过如光电转换元件10那样选择将纳米棒19的间距a设定为相对于波长、为1/4倍 I倍而形成的谐振条件，能够防止在光子晶体21中形成带隙，不会出现带隙导致的特定的波长被反射的情况，能够提高光的吸收效率。这样，光电转换元件10，能够利用在半导体层13形成的光子晶体21，将来自外部的特定的波长和特定的入射角的光有效地取入，因此能够通过增加每单位面积的光的吸收量，使光半导体层的电动势量增加，且提高指向性。(基于Q值的光子晶体的设计) 此处，使用Q值考虑光电转换元件10的外部与光子晶体20的光的耦合的大小。Q值与电工学的谐振的Q值同样，表示作为电磁波的光的共振效果的大小。Q值的表现方法各种各样，能够利用下述式I或式2表示。Q=Ap/A 入式 IQ=CoU/ (-dU/dt)式 2图10是在波长与强度的关系中表示光的共振峰的图表。如图10所示，上述式I的Xp是共振峰的波长，A A是半值宽度(半最大值全宽度)。上述式2的o是谐振角频率，U是谐振器内的内部能量，t是时间。从式I可知，半值宽度A A越小共振越强，因此，共振越强Q值就越大。此外可知，共振越强，谐振的振幅就越大，波动越难以衰减，因此，Q值越大，光在谐振器中存在的时间(寿命)就越长。此外，从式2可知，从谐振器丧失能量的程度越小，即-dU/dt越小，Q值就越大，因此也可以说Q值表示谐振器将光封入的强度。在将光子晶体制作在激光发光二极管等的情况下，由于要使共振强烈从而增大发光强度，尽可能使Q值大些成为设计光子晶体时的目标。但是，在本发明的情况下，与上述说明相反，尽可能使Q值小，使被封入谐振器的光的波段宽(即，使半值宽度宽)，并且，由于这样一来，外部与光子晶体的光的稱合容易进行所以使光的寿命短、使被半导体层吸收的比例大些成为设计光子晶体时的目标。此处，将图11所示的配置有纳米棒19的光子晶体21看作图12所示的谐振器，在包括外部空间和光子晶体21的母材的介质(即构成光子晶体21的半导体层13)的整个系统考虑Q值。如果以光电转换元件10整体的Q值为Qt、以与光子晶体21与外部空间的耦合相关的Q值为Qv、以与光子晶体21的面内方向的传播相关的Q值为Qin，以与上述介质的光的吸收相关的Q值为Qa、以与上述背面金属电极11的光的吸收相关的Q值(即，金属的衰减吸收的效果)为QM，则以下的关系式(式3)成立。另外，如在下述式4中也表示的那样，上述Qa与光子晶体21的母材的光吸收系数a的倒数成比例。1/QT=1/Qv+1/Qin+1/Qa+1/QM 式 3
Qv与表示光子晶体21与外部空间的耦合的强度(耦合的难易程度)的系数Kv的倒数成比例，表示由于光子晶体21与外部空间的耦合而光容易向外部空间射出的难易程度。另外，只要决定了光子晶体21的结构，就能够使用时间区域差(FDTD Finite DifferenceTime Domain)法计算Qv。S卩，Qv是根据光子晶体21的结构决定的Q值。Qin表示进入光子晶体21的光向水平方向传播时的传播难易程度，因此，从光封入的观点出发，表示光不被封入而从谐振器泄露的泄露难易程度。Qa和Qm分别表示介质和形成背面金属电极11的金属吸收光的共振效果的大小。Qm能够通过测定来求取。另一方面，Qa与介质中固有的吸收系数a 、介质的折射率n和共振峰的波长入具有下述式4的关系。S卩，Qa是根据介质的材料决定的Q值。a =2 Jin/AQa式 4在上述式3的关系式中，当Qv=Qa时，换言之，当Kv= a a时，介质的光的吸收成为最大，并且被吸收的光的波段成为最大。此外，如果谐振器中的谐振效果理想、没有光半导体器件的面内的光泄露，则能够看作 Qin= 00。由此能够导出Qt= 31 n Qm/ (入 a Qm+ 31 n)式 5。此处，使用式5具体地求取以Qv=Qa的方式设计光子晶体21而得到的光电转换元件10整体的Q值(Qt)。首先，如果令介质为a-Si，则其折射率n为4. 154，吸收系数a为65534cm-1 o进一步，如果令波长\为660nm、令金属的Qm为4000,则QT=Il. 1，是非常小的值，从式I能够导出A入=59. 5nm，为非常宽的半值宽度。因此，如果以Qv=Qa的方式设计光子晶体21 (设计纳米棒19的半径和间距a等)，则由上述带端B限定的共振峰波长\的光容易被介质吸收，且能够在宽的波长范围内得到共振效果。换言之，本发明的光电转换元件在光电转换层中包括使根据光子晶体的结构决定的Q值与根据具备光子晶体的光电转换层的介质的材料决定的Q值一致而得到的光子晶体。此处，对系数Kv与吸收系数aa的关系进行补充。首先，光生伏特材料原本具有高至一定程度的光的吸收率，因此a a存在变大的倾向，相反，Qa存在变小的倾向。另一方面，在将光子晶体加工至光生伏特材料中的情况下，通常光生伏特材料的折射率比纳米棒的折射率高I以上，因此，如果对光子晶体进行直接加工，则存在系数Kv变小而Qv变大的倾向。因此，原本就存在Kv;^ aa (Qv彡Qa )的大小关系。作为本发明的实现目标，为了增强光生伏特器件中的光吸收量，与包括以形成带端B的方式周期性地配置有纳米棒的光子晶体的谐振器耦合的光，需要移向光生伏特器件的吸收过程。使得该效果达到最大的是Kv=aa (Qv=Qa)。基于上述前提，为了进行光生伏特器件的光的吸收量的增强，需要使得K v= a a(Qv=Qa),为此，需要使Kv变大(使Qv变小)。为了使Kv变大(使Qv变小)，需要使包括光子晶体的整个谐振器(整个器件)的耦合的比例变大(光生伏特器件的Q值、即上述Qt变小)。而且，上述Kv与吸收系数aa变得大致相等，在光的吸收为一定以上(aa为约5. 0%以上)的情况下，特别能够使光的吸收效果变高的对象波段(共振波长的波段)变宽。因此，具有角度依赖性、使共振波长的波段变宽的效果大。另外，如果考虑上述的模式耦合理论，则能够更详细地讨论。具体而言，在相当于光电转换元件10内的透明导电膜12的透明层的厚度相对于光的反射时的相位差e 2满足0 2=2m3i (m=0,1,2-)的情况下，如果令被光半导体层吸收的光能量的比例为Pv，则Pv= (8 Qa/Qv)/ (l+2Qa/QM+2Qa/Qv)2。从该关系式能够导出，为了利用光的9成(90%)以上，优选在满足0. 2QV ^ Qa ^ 5. 4QV的范围设计光子晶体结构。(光子晶体的变形例)接着，对光子晶体的变形例进行说明。 图13是表示本发明的光电转换元件30的结构的截面图。光电转换元件30，代替光电转换元件10的光子晶体21包括光子晶体23。其它结构与光电转换兀件10相同。光子晶体23在纳米棒39的高度与半导体层13的厚度相同方面与光子晶体21的结构不同。光子晶体23是贯通半导体层13形成的圆柱形状的孔。进一步，不仅限于纳米棒19、39那样的圆柱形状，截面形状也可以形成为梯形。图14是表示截面为梯形的纳米棒的光子晶体的结构的截面图。图14所示的光子晶体24在半导体层13形成有截面为梯形的纳米棒49。纳米棒49以在半导体层13的表面形成的上表面的面积比在半导体层13的内部形成的下表面的面积大的方式形成。S卩，纳米棒49是光电转换元件30的光的入射面侧的面即上表面的面积比相反一端侧的面即下表面的面积大的梯形柱。由此能够通过蚀刻等容易地进行在半导体层13形成纳米棒49时的加工。图15是按每区域表示纳米棒的间距不同的光子晶体的结构的平面图。如图15所示，也可以在一个光子晶体中配置多个纳米棒的间距不同的区域。如图15所示，光子晶体22在半导体层13配置有纳米棒19以间距al形成的区域Al ;纳米棒19以间距a2形成配置的区域A2 ;和纳米棒19以间距a3形成的区域A3。间距al、间距a2和间距a3是分别不同的一定的值，且分别是满足波长入的1/4以上I以下的值。如图15所示，以在俯视半导体层13时的与半导体层13的一个边平行的方向包括50个 100个以等间距配置的纳米棒19的方式设置区域Al、区域A2、区域A3。由此，在区域Al、区域A2、区域A3，在各自的「点形成各自不同的带端。因此，与各个区域Al、区域A2、区域A3的「点的标准化频率对应的波长X I、入2、入3成为共振波长。这样，在光子晶体22，能够以一个光子晶体22使多个不同的波长\ I、波长X 2和波长X 3的光共振，因此能够使用各个区域提高多个波长的光的吸收率。(光电转换元件的制造工序)接着，对光电转换元件10的制造工序的具体的一个例子进行说明。图16是表示光电转换元件10的制造工序的工序图。首先，如图16 (a)所示，在玻璃18上蒸镀SnO2等，形成透明导电膜17，进一步，在透明导电膜17上蒸镀350nm厚的成为纳米棒19的SiO2等材料，形成SiO2层81。接着，如图16(b)所示，在SiO2层81上以具有900nm左右的厚度的方式涂敷光致抗蚀剂82，之后利用电子束曝光描绘与纳米棒19的配置图案对应的图案。如果光致抗蚀剂82为正型的感光材料，则通过利用显影将被曝光的部分除去，形成被以间距a=150 250nm左右和直径r=60nm左右规定的纳米棒19的配置图案。接着，如图16 (C)所示，在上述配置图案的整个图案，以300nm左右的厚度蒸镀Al，形成Al膜83。然后，如图16 (d)所示，通过除去光致抗蚀剂82，仅在纳米棒19的形成部位留下Al膜83。另外，通过光致抗蚀剂82的除去工序，SiO2层81的厚度从350nm若干减少，成为330nm左右的厚度。进一步，如图16 (e)所示，使用以四氟化碳(CF4)为蚀刻气体的感应耦合型反应性离子蚀刻(ICP-RIE :Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching),以所留下的 Al 膜83为掩模，高精度地除去未被掩模遮挡的Si02。由此制作在透明导电膜17上二维地配置纳米棒19而形成的中间体90。接着，如图16 (f)所示，在中间体90的整个表面蒸镀a-Si，通过掺杂p型杂质形成P型半导体16，在其上蒸镀a-Si形成i型半导体15，在其上进一步蒸镀a-Si，通过掺杂n型杂质形成n型半导体14。接着，通过使用盐酸(HCl)的湿蚀刻除去残留的Al膜83。最后，如图16 (g)所示，蒸镀SnO2,形成透明导电膜12，进一步，叠层背面金属电极11，完成光电转换元件10。[实施方式2]对本发明的光电转换元件的第二实施方式，根据图17、18 (a)、(b)说明如下。另夕卜，为了便于说明，对具有与在实施方式I说明的附图相同的功能的部件，标注相同的附图标记，省略其说明。图17是表示本实施方式的光电转换元件50的结构的立体图。图18 Ca)是表示本实施方式的光电转换兀件50的结构的截面图。图18 (b)是表不本实施方式的光电转换元件50的其它结构例的截面图。在实施方式I中说明的光电转换元件10的半导体层13为n型半导体14、i型半导体15和p型半导体16叠层而形成的结构。另一方面，本实施方式的光电转换元件50的半导体层53是p型半导体56、i型半导体55、n型半导体54横向接合而形成的p-i_n型半导体。光电转换元件50包括反射层51 (金属层)；叠层于反射层51的绝缘层52 ;在绝缘层52叠层的半导体层53 ;沿半导体层53的一个端部叠层于半导体层53的电极57a ;沿半导体层53的另一个端部叠层于半导体层53的电极57b ;和叠层于电极57a、电极57b和半导体层53的钝化膜58。而且，光子晶体25在半导体层53中的i性半导体55形成。另外，钝化膜58是包括折射率比半导体层53的介质小的介质的两个层中的一个层，绝缘层52是该两个层中的另一个层。反射层51配置在光电转换元件50中的最背面侧，包括Mo、Al等反射率高、吸收小的金属材料。
反射层51是用于使从光电转换元件50的入射面一侧入射的光中的、透过半导体层53的光再次向半导体层53反射的层。因此，反射层51优选覆盖半导体层53的背面的整个面地形成。绝缘层52例如包括与钝化膜58相同的材料。半导体层53包括在相同的层形成的n型半导体54、i型半导体55、p型半导体56。n型半导体54、i型半导体55、p型半导体56分别包括a_Si，n型半导体54和p型半导体56分别与i型半导体55接合。S卩，在绝缘层52的上层，隔着i型半导体55配置n型半导体54和p型半导体56。在i型半导体55规则地形成有纳米棒59。在本实施方式中，i型半导体55是光子晶体25。
另外，在p型半导体56和n型半导体54上分别叠层有用于取出电力的电极57a、57b，因此i型半导体55的上表面成为受光面。因此，如果令在上下夹着具备光子晶体25的i型半导体55的钝化膜58和绝缘层52中的、至少钝化膜58透明，则能够将光取入至光子晶体。纳米棒59在i型半导体55的整个面形成为六边形晶格状，该六边形晶格状是通过形成为三角晶格状而构成的。与光子晶体21同样，纳米棒59的间距a相对于在光子晶体21的内部强烈共振的波长(共振峰的波长)\ (nm)为1/4 1/1。纳米棒59的高度以成为i型半导体55的厚度的1/4以下的方式形成。另外，如图18 (b)所示，纳米棒59的高度也可以与i型半导体55的厚度相同。电极57a、电极57b是用于将在半导体层53通过光电转换而生成的电流取出至外部的电力引出用电极。电极57a叠层于p型半导体56形成，电极57b叠层于n型半导体54形成。由此，大体上，通过i型半导体55的光激励产生的电荷成为在由p型半导体56上的电极57a、n型半导体54上的电极57b和外部电阻形成的电路流动的电流，使外部电阻产生电动势。钝化膜58包括折射率n从I. 2至2. 0左右的材料，由比半导体层13的介质(例如a-Si)的折射率低的电介质形成。钝化膜58能够使用Si02、SiNx等无机绝缘材料，覆盖半导体层13和在半导体层13叠层的电极57a、电极57b地形成。这样，半导体层53并不是图I所示的pin纵型结构，而具有pin横型(横向型)结构。即，半导体层53采用p型半导体56、i型半导体55和n型半导体54依次横向排列相邻的结构。横向结构有利于使光电转换元件变薄。进一步，横向结构还具有如下优点由于各层的重叠比纵型结构少，各层间的寄生电容小，结果，传感速度(光响应速度)比纵型结构快。进一步，采用光电转换元件50的结构，能够得到与光电转换元件10相同的效果。[实施方式3]对本发明的光电转换元件的第三实施方式，根据图19、20 (a)、(b)说明如下。另夕卜，为了便于说明，对具有与在实施方式1、2说明的附图相同的功能的部件，标注相同的附图标记，省略其说明。图19是表示本实施方式的光电转换元件60的结构的立体图。图20 Ca)是表示本实施方式的光电转换兀件60的结构的截面图。图20 (b)是表不本实施方式的光电转换元件60的其它结构例的截面图。本实施方式的光电转换元件60具有在矩形的i型半导体65的相对的两个端部、在i型半导体65上叠层有n型半导体64a和n型半导体64b的nin型结构。半导体层63包括i型半导体65、n型半导体64a和n型半导体64b。在n型半导体64a、n型半导体64b分别叠层有包括ITO的透明电极67a、67b。而且，在透明电极67a、透明电极67b分别叠层有包括金属材料的电极57a、电极57b。n型半导体64a、64b均包括a-Si。钝化膜58覆盖半导体层63和配置在半导体层63上的电极57a、电极57b地形成。这样，光电转换元件60具有在矩形的i型半导体65的相对的两个端部、在i型半导体65上叠层有n型半导体64a、64b的nin结构，具备与以a_Si为半导体层的TFT相同 的结构。在两个端部的n型半导体64a、64b上分别叠层有用于取出电力的电极，因此，i型半导体65中的未形成n型半导体64a、64b的中央部成为受光面。在光电转换元件60，在该部分形成有光子晶体25，该光子晶体25是形成纳米棒59而形成的。纳米棒59的间距等与实施方式1、2中说明的相同。通过透明电极67a、透明电极67b和电极57a、电极57b的二层结构，能够防止电极57a、电极57b移动、使电极57a与电极57b之间的绝缘电阻降低的迁移，并且，还能够使电极57a和电极57b整体的电阻值降低。在i型半导体65的背面侧存在与TFT的栅极绝缘膜发挥相同作用的绝缘层(被称为GI、AO等的)层52，与TFT的栅极电极发挥相同作用的背面金属电极11覆盖绝缘层52的背面侧。作为背面金属电极11的形成材料，能够选择Ti、Al等。在上述结构中，大体上，通过i型半导体65的光激励产生的电荷成为在由配置在i型半导体65的两侧的电极57a、电极57b和外部电阻形成的电路流动的电流，使外部电阻产生电动势。此外，在将光子晶体制作在以栅极电极下置型的TFT (Thin Film Transistor :薄膜晶体管)为光电晶体管的光传感器的情况下，在半导体层中，将光子晶体制作在位于栅极电极的上方的部位即可。照射至TFT的光中的到达栅极电极的光被栅极电极反射，返回光子晶体，因此，能够包括返回的光得到光生伏特的增强效果。如图20 (a)所示，纳米棒59的高度以成为i型半导体65的厚度的1/4以下的方式形成。另外,如图20 (b)所示，纳米棒59的高度也可以与i型半导体65的厚度相同。[实施方式4]对本发明的光电转换元件的第四实施方式，根据图21说明如下。另外，为了便于说明，对具有与在实施方式I 3说明的附图相同的功能的部件，标注相同的附图标记，省略其说明。图21是表示本实施方式的光电转换元件70的结构的截面图。光电转换元件70的半导体层73从背面侧起依次叠层有n型半导体74、i型半导体75和p型半导体76。而且，在n型半导体74、i型半导体75和p型半导体76分别形成有多个突起79c、突起79b和79a。突起79c、突起79b和79a光电转换元件在对应的位置形成。在该对应的位置叠层的突起79c、突起79b和79a是纳米棒79。
光子晶体27是在半导体层73形成有纳米棒79而形成的光子晶体。纳米棒79既可以如光电转换元件70那样包括在n型半导体74、i型半导体75和P型半导体76分别形成的突起79c、突起79b和79a，也可以包括在n型半导体74、i型半导体75和p型半导体76中的任一层形成的突起。当在n型半导体74、i型半导体75和p型半导体76中的任一层形成突起时，由于光电转换主要在i型半导体75内发生，所以优选将突起形成在n型半导体74与i型半导体75的界面、或在i型半导体75与p型半导体76的界面。该纳米棒79的间距、半径等与实施方式I 3中说明的相同。
S卩，纳米棒79，在令光子晶体27的共振峰波长为\时，以1/4倍以上I倍以下的间距、二维且周期性地配置。进一步，在光子晶体27，作为表示由光子晶体27与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2QV ^ Qa ^ 5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示光子晶体27与外界的耦合的强度的系数K 7的倒数成比例，该Qa与表示光电转换层73的介质的光的吸收系数a a的倒数成比例。玻璃基板78通过被蚀刻等在纳米棒79的形成区域形成有多个凹部。该凹部以成为由相邻的间隔为间距a的三角晶格构成的六边形的晶格的方式，在玻璃基板78的背面形成。而且，在玻璃基板78的形成有凹部的面，依次叠层作为TCO的透明导电膜77、包括a-Si的p型半导体76、包括a-Si的i型半导体75、包括a_Si的n型半导体74、作为TCO的透明导电膜72和背面金属电极71 (金属层)。由此，在叠层在玻璃基板78的各层形成与在玻璃基板78形成的凹部对应的凹凸。由此，光电转换元件70能够得到与光电转换元件10、30、50、60相同的效果。本发明并不限定于上述各实施方式，能够在权利要求所示的范围内进行各种变更，将在不同的实施方式中分别公开的技术方法适当地进行组合而得到的实施方式也包含在本发明的实施方式中。如上所述，本发明的光电转换元件的特征在于，包括光电转换层；和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，上述光子晶体是在上述光电转换层的内部配置有与该光电转换层的介质相比折射率小的柱状的介质而形成的，当令上述光子晶体的共振峰的波长为入时，上述柱状的介质以入/4以上\以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2QV^ Qa ^ 5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度的系数K 倒数成比例，该Qa与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。采用上述结构，在上述光电转换层的内部形成有光子晶体，因此，能够通过上述光子晶体使入射光电转换层的光共振。而且，在上述光子晶体中，柱状的介质以入/4以上入以下的间距二维地配置。因此，在上述光子晶体的反晶格空间的「点形成带端，由该带端限定的光的波长为入。由此，能够将波长\的光封入上述光电转换层内并使其共振，该光是入射形成有光子晶体的上述光电转换层的光中的、来自垂直方向的入射光。这样，具有角度依赖性、在光电转换层被共振的共振峰波长X的光，被上述光电转换层的介质吸收。此处，在上述系数K 7与吸收系数大致相等的情况下，换言之，在Qv与Qa大致相等的情况下，光电转换层的介质的光的吸收成为最大，并且被吸收的光的波段成为最大。另外，即使Qv与Qa不大致相等，在上述那样满足0.2QV SQa < 5. 4QV的条件的情况下，光子晶体的光的吸收效果也变高。因此，采用上述结构，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率，能够使上述从波长520nm至820nm左右的波段的光生伏特增大。此外，通过使由带端限定的共振峰的波长与光电转换层的介质的吸收率低的波段一致，能够得到能够吸收更广范围的波段的光的光电转换元件。在本发明的光电转换元件中优选如下方式在上述光子晶体，在俯视时上述柱状 的介质或者配置在三角形的各顶点，或者配置在四边形的各顶点。由此，能够构成在反晶格空间的「点形成带端、由该带端限定的光的波长成为入的光子晶体。因此，能够通过使波长X的光在光电转换元件的内部共振提高光的吸收率。在本发明的光电转换元件中优选如下方式在上述光子晶体，上述柱状的介质以上述光电转换层的厚度的1/4以下的高度配置在上述光电转换层的介质内。采用上述结构，在上述光电转换层形成的上述柱状的介质比该光电转换层的厚度小，因此，能够容易地在上述光电转换层形成上述柱状的介质。即，光子晶体的形成容易。在本发明的光电转换元件中优选如下方式在上述光子晶体，上述柱状的介质以与上述光电转换层的厚度相等的高度配置在上述光电转换层的介质内。上述结构是能够使用公知的半导体工艺技术、比较容易地制作的光子晶体的一个结构例。在本发明的光电转换元件中优选如下方式在上述光子晶体，上述柱状的介质配置有二维地以一定的间距配置的区域；和以与该区域不同的间距、二维地以一定的间距配置的区域。通过如上述那样使以一定的间距配置的上述柱状的介质的间距按每区域不同，能够按每区域使由光子晶体的带端相等的共振峰波长不同。因此，能够按每区域使光子晶体的共振峰波长产生多个，因此能够进一步得到光的吸收率的提高效果。本发明的光电转换元件的特征在于，上述光电转换层被两个层夹着，该两个层包括与光电转换层的介质相比折射率小的介质，上述两个层中的至少一个层是透明的。采用上述结构，能够以与以低折射率的覆盖层覆盖高折射率的磁芯的光纤相同的原理，将向与光电转换层的表面垂直的方向传播、要漏出的光封入。其结果是，能够进一步提高光电转换层的光的吸收率。另外，为了使光进入光子晶体，令上述两个层中的至少配置在光电转换元件的受光面一侧的层透明即可。本发明的光电转换元件的特征在于，上述光电转换层，具有p型半导体层、本征半导体层和n型半导体层各层的相邻结构，或者n型半导体层、本征半导体层和n型半导体层各层的相邻结构，上述相邻结构为各层纵向叠层的纵型结构或横向排列的横型结构。如上所述，具备p型半导体层、本征半导体层和n型半导体层各层的相邻结构的光电转换元件是所谓的pin型光电转换元件。此外，具备n型半导体层、本征半导体层和n型半导体层各层的相邻结构的光电转换元件是所谓的nin型光电转换元件。pin型或nin型光电转换元件因为能够在本征半导体层生成电子和空穴、有效地取出电流，所以适用于太阳能电池或光传感器等用途。此外，纵型结构有利于使光电转换兀件的占有面积变小，横型(横向)结构有利于使光电转换元件变薄。进一步，横型结构由于各层的重叠比纵型结构少，所以各层间的寄生电容小，其结果是，具有传感速度(光响应速度)比纵型结构快的优点。本发明的光电转换元件的特征在于，在光入射上述光电转换元件的一侧的相反侧的最外层，设置有覆盖整个上述相反侧的金属层。由此，上述金属层对通过光电转换层等的光以使其再次返回光电转换层的方式进行反射，因此能够提高光电转换率。此外，上述金属层还能够作为取出电流的电极之一发挥作用。
本发明的光电转换元件的特征在于，上述柱状的介质是作为光的入射面侧的上表面的面积比作为相反侧的面的下表面的面积大的梯形柱。由此，能够使通过蚀刻等形成上述柱状的介质时的加工变得容易。另外，跨越光电转换层的整个层地形成光子晶体的方式对本发明而言并非必须，只要在光电转换层的一部分区域形成光子晶体，就能够得到与现有技术相比提高光电转换率的效果。在这种情况下，优选在与形成有光子晶体的上述一部分区域对应的下方区域的整个区域设置上述金属层。本发明的光电转换兀件的特征在于，包括叠层有多个半导体的光电转换层；和在该光电转换层的内部形成的光子晶体，在叠层有多个的上述半导体中的至少一个层形成有突起，上述光子晶体包括形成有上述突起的半导体，当令上述光子晶体的共振峰的波长为\时，上述突起以入/4以上\以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由上述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示上述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足0. 2Qv^Qa < 5.4QV的范围，其中，该化与表示上述光子晶体与外界的耦合的强度的系数K 倒数成比例，该Qa与上述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。如上述结构那样，能够通过在半导体层形成多个突起来构成光子晶体。在这样形成的光子晶体中，突起以X/4以上\以下的间距、二维地配置，因此，在「点方向形成带端。由此，能够将波长\的光封入上述光电转换层内并使其共振，该光是入射上述光电转换层的光中的、来自垂直方向的入射光。这样，在光电转换层被共振的波长X的光被上述光电转换层的介质吸收。此处，在上述系数K 7与吸收系数大致相等的情况下，换言之，在Qv与Qa大致相等的情况下，光电转换层的介质的光的吸收成为最大，并且被吸收的光的波段成为最大。另外，即使Qv与Qa不大致相等，在上述那样满足0.2QV SQa < 5. 4QV的条件的情况下，光子晶体的光的吸收效果也变高。因此，采用上述结构，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率，能够使上述从波长520nm至820nm左右的波段的光生伏特增大。此外，通过使由带端限定的共振峰的波长与光电转换层的介质的吸收率低的波段一致，能够得到能够吸收更广范围的波段的光的光电转换元件。
另外，某个所着眼的权利要求中记载的结构与其它权利要求中记载的结构的组合，并不仅限于与该所着眼的权利要求中所引用的权利要求中记载的结构的组合，只要能够完成本发明的目的，就能够为与该所着眼的权利要求中未引用的权利要求中记载的结构的组合。产业上的可利用性本发明能够在所有光电转换元件中加以利用，特别适用于太阳能电池或光传感器等光电转换元件。附图标记的说明
10、30、50、60、70 光电转换元件11、71背面金属电极(金属层)12透明导电膜(两个层中的一个层)17透明导电膜(两个层中的另一个层)13、53、63、73半导体层(光电转换层)14、54、64a、74n 型半导体15、55、65、75i 型半导体16、56、76p 型半导体18 玻璃19、39、49、59、79、纳米棒(柱状的介质)21、22、23、24、25、27 光子晶体51反射层(金属层)52绝缘层58钝化膜(两个层中的一个层)a、al、a2、a3 间距A1、A2、A3 区域
权利要求
1.一种光电转换兀件，其特征在于，包括 光电转换层；和 在该光电转换层的内部形成的光子晶体， 所述光子晶体是在所述光电转换层的内部配置有与该光电转换层的介质相比折射率小的柱状的介质而形成的， 当令由所述光子晶体引起的共振峰的波长为λ吋， 所述柱状的介质以λ/4以上λ以下的间距、ニ维且周期性地配置， 作为表示由所述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示所述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足O. 2QV ^Qa ^5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示所述光子晶体与外界的耦合的強度的系数K v的倒数成比例，该Qa与所述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。
2.如权利要求I所述的光电转换元件，其特征在干 在所述光子晶体，在俯视时所述柱状的介质配置于三角形的各顶点。
3.如权利要求I所述的光电转换元件，其特征在干 在所述光子晶体，在俯视时所述柱状的介质配置于四边形的各顶点。
4.如权利要求I至3中任一项所述的光电转换元件，其特征在于 在所述光子晶体，所述柱状的介质具有所述光电转换层的厚度的1/4以下的高度，且周期性地配置于所述光电转换层的介质内。
5.如权利要求I至3中任一项所述的光电转换兀件,其特征在于 在所述光子晶体，所述柱状的介质具有与所述光电转换层的厚度相等的高度，且周期性地配置于所述光电转换层的介质内。
6.如权利要求I至5中任一项所述的光电转换兀件,其特征在于 在所述光子晶体，所述柱状的介质配置有ニ维地以一定的间距配置的区域；和以与该区域不同的间距、ニ维地以一定的间距配置的区域。
7.如权利要求I至6中任一项所述的光电转换兀件,其特征在于 所述光电转换层由包括与光电转换层的介质相比折射率小的介质的两个层夹着，所述两个层中的至少ー个层是透明的。
8.如权利要求I至7中任一项所述的光电转换元件，其特征在于 所述光电转换层，具有P型半导体层、本征半导体层和η型半导体层各层的相邻结构，或者η型半导体层、本征半导体层和η型半导体层各层的相邻结构，所述相邻结构为各层纵向叠层的纵型结构或横向排列的横型结构。
9.如权利要求I至8中任一项所述的光电转换元件，其特征在于 在光入射所述光电转换元件的ー侧的相反侧的最外层，设置有覆盖整个所述相反侧的金属层。
10.如权利要求I至9中任一项所述的光电转换元件，其特征在于 所述柱状的介质是作为光的入射面侧的上表面的面积比作为相反侧的面的下表面的面积大的梯形柱。
11.一种光电转换兀件，其特征在于，包括 叠层有多个半导体的光电转换层；和在该光电转换层的内部形成的光子晶体， 在多个被叠层的所述半导体中的至少ー个层形成有突起， 所述光子晶体包括形成有所述突起的半导体， 当令所述光子晶体的共振峰的波长为λ吋， 所述突起以λ/4以上λ以下的间距、ニ维且周期性地配置， 作为表示由所述光子晶体与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示所述光电转换层的介质的共振效果的大小的Q值的Qa处于满足O. 2QV ^Qa ^5. 4QV的范围，其中，该Qv与表示所述光子晶体与外界的耦合的強度的系数K v的倒数成比例，该Qa与所述光电转换层的介质的光的吸收系数的倒数成比例。全文摘要
光电转换元件(10)包括半导体层(13)和在半导体层(13)的内部形成的光子晶体(21)，光子晶体(27)是在半导体层(13)的内部配置有与半导体层(13)的介质相比折射率小的纳米棒(19)而形成的，当令光子晶体(27)的共振峰的波长为λ时，纳米棒(19)以λ/4以上λ以下的间距、二维且周期性地配置，作为表示由光子晶体(27)与外界的耦合引起的共振效果的大小的Q值的Qv与作为表示半导体层(13)的介质的共振效果的大小的Q值的Qα处于满足0.2Qv≤Qα≤5.4Qv的范围，其中，该Qv与表示光子晶体(27)与外界的耦合的强度的系数кv的倒数成比例，该Qα与半导体层(13)的介质的光的吸收系数αa的倒数成比例。由此，能够提高具备光子晶体结构的光电转换元件的光的吸收率。
文档编号H01L31/10GK102696114SQ20108006073
公开日2012年9月26日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年1月7日
发明者八代有史, 富士田诚之, 津田裕介, 田中良典, 重田博昭, 野田进 申请人:国立大学法人京都大学, 夏普株式会社