プラスチック上における高スズ濃度ゲルマニウムスズ結晶の創成と太陽電池応用

• Project/Area Number: 17J00544
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Crystal engineering
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 茂藤 健太 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: ゲルマニウムスズ / 薄膜 / 太陽電池 / 固相成長

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、多接合太陽電池のボトム層に用いられる高価なGe基板を安価なプラスチック上GeSn薄膜で代替することを目指し、プラスチック等の絶縁基板上におけるGeSn薄膜の高品質合成に取り組んできた。最終年度となる本年度は、主に以下の成果が得られた。
（1）GeSn薄膜の電気的特性の深さ方向依存性
太陽電池において、光励起キャリアは膜の面直方向に取り出されるため、GeSn膜全体の電気的特性のみならず、その深さ方向分布も重要である。そこで、ガラス基板上に合成したGeSnをCMP法により薄膜化しながら、Hall効果測定を行った。その結果、前駆体を加熱していない試料ではGeSn/SiO2基板界面で高い正孔密度を示し、欠陥が局在していることが判明した。一方、前駆体を加熱した試料では、正孔密度は深さ方向に均一であり、欠陥は一様に分布していることを明らかにした。これは、前駆体の加熱堆積が固相成長GeSnの正孔移動度向上や正孔密度低減のみならず、基板界面における欠陥低減にも寄与していることを示唆する結果である。
（2）GeO2下地挿入によるGeSn薄膜の高品質化
結晶核発生サイトとなる基板（下地）に着眼し、固相成長GeSn薄膜の更なる高品質化を検討した。ガラス基板上にGeO2をスパッタリング堆積した後、GeSn前駆体を分子線堆積した。この結果、GeO2を下地層として用いることで正孔密度を1016 cm-3オーダーまで低減することに成功した。GeSnにおいては、欠陥が正孔の発生源となることから、GeO2下地層挿入により、GeSn中の欠陥を低減できたことが示された。この正孔密度は、これまでに合成されてきた多結晶Ge系薄膜の中でも最低クラスの値であり、優れた太陽電池特性が期待される。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Polycrystalline thin-film transistors fabricated on high-mobility solid-phase-crystallized Ge on glass (2019)
  • Author(s): K. Moto、K. Yamamoto、T. Imajo、T. Suemasu、H. Nakashima、K. Toko
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 114 Issue: 21 Pages: 212107-212107
  • DOI: 10.1063/1.5093952
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-electron-mobility (370 cm2/Vs) polycrystalline Ge on an insulator formed by As-doped solid-phase crystallization (2019)
  • Author(s): M. Saito, K. Moto, T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 16558-16558
  • DOI: 10.1038/s41598-019-53084-7
  • NAID: 120007132909
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High hole mobility (>500cm2 V-1 s-1) polycrystalline Ge films on GeO2-coated glass and plastic substrates (2019)
  • Author(s): T. Imajo, K. Moto, R. Yoshimine, T. Suemasu, and K. Toko
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 12 Issue: 1 Pages: 015508-015508
  • DOI: 10.7567/1882-0786/aaf5c6
  • NAID: 120007128213
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sb-doped crystallization of densified precursor for n-type polycrystalline Ge on an insulator with high carrier mobility (2019)
  • Author(s): D. Takahara、K. Moto、T. Imajo、T. Suemasu、K. Toko
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 114 Issue: 8 Pages: 082105-082105
  • DOI: 10.1063/1.5084191
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-phase crystallization of densified amorphous GeSn leading to high hole mobility (540?cm2/V s) (2019)
  • Author(s): K. Moto、N. Saitoh、N. Yoshizawa、T. Suemasu、K. Toko
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 114 Issue: 11 Pages: 112110-112110
  • DOI: 10.1063/1.5088847
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Advanced solid-phase crystallization for high-hole mobility (450 cm2 V-1 s-1) Ge thin film on insulator (2018)
  • Author(s): Yoshimine Ryota、Moto Kenta、Suemasu Takashi、Toko Kaoru
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 11 Issue: 3 Pages: 031302-031302
  • DOI: 10.7567/apex.11.031302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-temperature (<200 oC) solid-phase crystallization of high substitutional Sn concentration (>10%) GeSn on insulator enhanced by weak laser irradiation (2017)
  • Author(s): Moto Kenta、Sugino Takayuki、Matsumura Ryo、Ikenoue Hiroshi、Miyao Masanobu、Sadoh Taizoh
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 7 Issue: 7 Pages: 075204-075204
  • DOI: 10.1063/1.4993220
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-hole mobility polycrystalline Ge on an insulator formed by controlling precursor atomic density for solid-phase crystallization (2017)
  • Author(s): Toko Kaoru、Yoshimine Ryota、Moto Kenta、Suemasu Takashi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-017-17273-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] プラスチック上Ge薄膜の直接合成と高正孔移動度(670 cm2/Vs)実証 (2019)
  • Author(s): 今城利文、茂藤健太、末益崇、都甲薫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ガラス上Asドープ非晶質Geの固相成長による高電子移動度の実証 (2019)
  • Author(s): 斎藤聖也、茂藤健太、西田竹志、末益崇、都甲薫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 固相成長Ge薄膜のTFT動作実証とSn添加効果の検討 (2019)
  • Author(s): 茂藤健太、山本圭介、今城利文、末益崇、中島寛、都甲薫
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] GeO2下地層による固相成長Ge薄膜の高移動度化とプラスチック上展開 (2018)
  • Author(s): 今城 利文、茂藤 健太、吉峯 遼太、末益 崇、都甲 薫
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] IV族半導体薄膜の固相成長：多結晶でも高移動度 (2018)
  • Author(s): 都甲薫、茂藤健太、今城利文、髙原大地、斎藤聖也、吉峯遼太、末益崇
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Solid-phase crystallization of amorphous GeSn on glass leading to high-hole mobility (2018)
  • Author(s): K. Moto, T. Suemasu, K. Toko
  • Organizer: 2018 European Materials Research Society (E-MRS) Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガラス上における高移動度GeSn薄膜の固相成長 (2018)
  • Author(s): 茂藤 健太、吉峯遼太、末益 崇、都甲薫
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 前駆体の原子密度制御による固相成長GeSn／ガラスの高移動度化 (2017)
  • Author(s): 茂藤 健太、都甲薫、吉峯遼太、末益 崇
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] High-hole mobility GeSn on glass formed by solid-phase crystallization using an atomic density controlled precursor (2017)
  • Author(s): Kenta Moto、Kaoru Toko、Ryota Yoshimine、Takashi Suemasu
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials 2017 (SSDM 2017)
• [Remarks] 環境半導体・磁性体研究室ホームページ
  • URL: http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~ecology/
• [Remarks] 優れた電気的特性を有する半導体薄膜を開発 ～ガラス上ゲルマニウム薄膜の正孔移動度を大幅に向上～
  • URL: http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p201712051900.html
• [Remarks] 筑波大，ガラス上Ge薄膜の正孔移動度を大幅向上
  • URL: http://www.optronics-media.com/news/20171206/49373/