[論文レビュー] Application of photoreflectance to advanced multilayer structures for photovoltaics

David Fuertes Marrón, Enrique Cánovas+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、量子ドット、量子井戸、高不整合合金、III-Vマルチヘテロジャンクションデバイスを含む高度なマルチレイヤー光電変換構造の非破壊的・接触なし手法としてのフォトレフレクタンス（PR）分光法の有効性を示している。PRは、重要な吸収開始点の特定、局在化した量子閉じ込め効果と拡散状態の区別、フランツ＝ケルディッシュ（FK）振動を用いた内部電場の定量的評価、およびPR信号からのFK振動、干渉効果、フォトレフライク効果の分離を可能にすることを示している。

ABSTRACT

Photoreflectance (PR) is a convenient characterization tool able to reveal optoelectronic properties of semiconductor materials and structures. It is a simple non-destructive and contactless technique which can be used in air at room temperature. We will present experimental results of the characterization carried out by means of PR on different types of advanced photovoltaic (PV) structures, including quantum-dot-based prototypes of intermediate band solar cells, quantum-well structures, highly mismatched alloys, and III-V-based multi-junction devices, thereby demonstrating the suitability of PR as a powerful diagnostic tool. Examples will be given to illustrate the value of this spectroscopic technique for PV including (i) the analysis of the PR spectra in search of critical points associated to absorption onsets; (ii) distinguishing signatures related to quantum confinement from those originating from delocalized band states; (iii) determining the intensity of the electric field related to built-in potentials at interfaces according to the Franz-Keldysh (FK) theory; and (v) determining the nature of different oscillatory PR signals among those ascribed to FK-oscillations, interferometric and photorefractive effects. The aim is to attract the interest of researchers in the field of PV to modulation spectroscopies, as they can be helpful in the analysis of their devices.

研究の動機と目的

• 高度な光電変換（PV）マルチレイヤー構造の診断ツールとしてフォトレフレクタンス（PR）を評価すること。
• 環境条件下での複雑な半導体ヘテロ構造の特性評価におけるPRの能力を実証すること。
• 半導体ヘテロ構造における量子閉じ込め効果と拡散状態のバンド状態を区別すること。
• フランツ＝ケルディッシュ理論を用いてヘテロ界面における内部電場の大きさを定量すること。
• PR信号における異なる物理的寄与（FK振動、干渉効果、フォトレフライク効果など）を特定・分離すること。

提案手法

• 量子ドットを用いた中間バンド太陽電池、量子井戸、高不整合合金、III-Vマルチヘテロジャンクションデバイスを含むさまざまな高度なPV構造へのフォトレフレクタンス（PR）分光法の適用。
• バンド端の開始点に関連する吸収スペクトルのきわめて重要な点を検出・分析するためのPRの使用。
• ヘテロ界面における内部電場の大きさを、振動的PR信号からフランツ＝ケルディッシュ（FK）理論を用いて抽出。
• スペクトル解析により、FK振動、光学的干渉、フォトレフライク効果に起因するPR信号を区別。
• 空気中、室温下での非接触測定により、PV研究開発における実用的応用を可能に。
• 診断の信頼性を検証するため、多様な材料系におけるPRスペクトルの体系的比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトレフレクタンスを用いて、マルチレイヤー光電変換構造における重要な吸収開始点をどのように特定できるか？
• RQ2 PRは、半導体ヘテロ構造において、量子閉じ込め効果と拡散状態のバンド状態をどの程度明確に区別できるか？
• RQ3 フランツ＝ケルディッシュ理論を用いて、PRがヘテロ界面における内部電場を定量的に評価できるか？
• RQ4 PR信号におけるFK振動、干渉効果、フォトレフライク現象の相対的寄与は何か？
• RQ5 PRは、高度な光電変換デバイスの特性評価において、非破壊的診断ツールとしてどの程度効果的か？

主な発見

• フォトレフレクタンスは、さまざまなマルチレイヤーPV構造におけるバンド端の開始点に対応する吸収スペクトルのきわめて重要な点を的確に特定した。
• PRスペクトルは、量子井戸および量子ドット系において、量子閉じ込め効果の特徴と拡散状態のバンド状態の特徴を明確に区別した。
• フランツ＝ケルディッシュ理論を用いることで、ヘテロ界面における内部電場の大きさを定量的に決定し、正確な電場強度の評価が可能になった。
• PRスペクトルに現れる特徴的な構造により、FK振動、光学的干渉、フォトレフライク効果に起因する寄与を信頼性高く分離できた。
• 本手法は、環境条件下でもIII-Vマルチヘテロジャンクション太陽電池や高不整合合金といった複雑な構造の特性評価に有効であることが実証された。
• 本研究により、フォトレフレクタンスは次世代光電変換デバイスにおける光学的・電気的性質の診断に強力な非破壊的ツールであることが確立された。