Mechanistic Understanding and Process Development of Electrodeposition of Doped-Si Thin Film
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21K04668
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
國本 雅宏 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (60619237)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | Si電析プロセス / 理論化学計算 / 表面増強ラマン / 異種元素ドーピング / 表面増強ラマン散乱 |
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| Outline of Research at the Start |
太陽光発電デバイスに用いるソーラーグレードSi薄膜の大規模安定供給に際しSiの電解析出プロセスが大きな役割を果たすと期待される。本研究は、表面増強ラマン散乱分光法や理論計算解析などを利用したSi電解還元反応機構の分子レベル基礎解析を進めると共に、それらの解析結果に基づくプロセス設計を進める事によって、p-n接合構造を有する太陽光発電媒体を形成可能な新規電解析出プロセスの開発に取り組むものである。特にp-n接合形成に際して重要となるドーパント共析機構の解明に向けた基礎反応解析とそのプロセス応用を重点的に推進する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、エネルギー負荷の低い新規な太陽光発電デバイス用シリコン（Si）薄膜形成手法の提案を視野に、基礎的な反応機構解析の知見に基づくプロセス設計を通じてSi電解析出（電析）法を確立することを目指している。特にSi媒体を太陽光発電デバイスとして適用するためp-n接合界面の形成が重要であるとし、そのための手法開発が主な目標である。さらにそれにあたって必要となる電析反応機構の解明にも力点を置き、計算化学手法や分光計測に着目して当該系に適用可能な独自の解析系の構築とその応用による反応解析を進めている。
従来までの研究では、電析によって得られるSi薄膜の高純度化とそれにあたり重要となる不純物混入機構の解明、そして、それらも踏まえたドーパント共析の手法開発が課題となっていた。検討開始初年度である２１年度の検討においては、電析Si薄膜の更なる高純度化、ドーパント共析、及びそれらメカニズムの基礎解析など一連の検討に着手でき、電析後の後処理工程の最適化が高純度化に対し有効である点が確認された他、ドーパント共析プロセスを試験的に構築しp-n接合界面が試作できていた。これを踏まえて２２年度は、薄膜高純度化とp-n接合界面形成手法開発の更なる検討を推進した。薄膜高純度化においては、２１年度に引き続き電析後の後処理の最適化に加え、電解液中におけるSi薄膜の前駆体であるSiCl4の濃度を高めることが可能な高圧環境電解系を利用することによる高純度化も検討した。その結果、後処理工程として熱処理が有効であること、及び、２気圧の高圧環境下での電析により薄膜純度を高められる可能性があることが見出された。p-n接合界面形成においては特に、p型Si薄膜の形成が課題となったが、条件最適化の結果、種々のパラメータの中でも特に電位の制御が重要であることを見出し、p-n接合界面形成の高精度制御の方針が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２２年度の取り組みは順調に進捗したと考えている。なぜなら、p-n接合界面を有するSi薄膜形成用電析プロセスの構築に向け２１年度に計画した２２年度目標が達成できたためである。
２２年度の研究としては当初、Si薄膜の更なる高純度化と、p-n接合界面の組成精密制御、及びドーパント共析反応機構の解析に取り組む計画としていた。
まずSi薄膜の更なる高純度化に関しては、電析の後処理工程の最適化と電析工程それ自体の最適化の２点を並行して検討した。後処理工程の最適化では、従来研究にて有効とされてきたフッ酸処理に加え、熱処理を新たに検討した。検討の結果熱処理工程は、電析Si薄膜中に混入する主な不純物成分である炭素（C）と酸素（O）のうち、Cの除去に有効であることが示唆された。Oの除去に対しては、フッ酸処理ほどの効果は認められなかったが、フッ酸処理工程がO除去に有効であるため、熱処理とフッ酸処理を組み合わせた工程とすることで、C、Oの両方が除去された高純度膜を得られようになる。
電析工程の最適化では、当研究者が解析してきた反応機構の基礎的な知見にも基づきながら、Si電析の前駆体SiCl4の還元反応を促進可能な電解系を構築し薄膜高純度化を目指した。ここでは反応促進のため比較的高温となる80℃で電析する計画とし、さらにその条件でもSiCl4の揮発が生じない高圧環境を実現可能な電解セルを新規に設計、適用した。その結果２気圧の条件でSiCl4由来の還元電流値増加と析出薄膜中Si純度向上が認められた。
こうした知見にも基づきながら、p-n接合界面の形成、特に当初課題とされていたp型Si作製のための薄膜組成制御を、ドーパント共析反応機構の基礎解析と合わせ推進した。その結果、種々のパラメータの中でも印加電位がドーパント量調節に重要な役割を果たすことが示唆され、今後のp-n接合界面の精密組成制御につながる知見を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
２２年度は、Si薄膜の高純度化に対する施策に加え、p-n接合界面の精密組成制御に向けた基礎的知見を得ることに成功した。これらの成果に基づき２３年度は、p-n接合形成に向けたプロセスのさらなる最適化を、電析Si薄膜の半導体特性を詳細に解析する検討とあわせ推進する方策である。
まずp-n接合形成にあたりp型Siの形成が引き続き課題である。これは、現状の薄膜組成に鑑みn型Siの作製はほぼ達成されていると言えるのに対して、p型Siの作製が未だ比較的困難で、その特性の精密制御がp-n接合の形成に欠かせないと考えられるためである。これに対して２３年度は、２２年度までに見出した知見を活用しながら、まず析出電位の最適化に取り組む。この際、電位制御が重要であることが２２年度の検討から示唆されたことを受け、電位とドーパント量の相関を明らかにする計画である。現在p型用ドーパントとしては、その前駆体の取り扱いが比較的容易なアルミニウム（Al）を検討しており、その前駆体の還元反応に関する基礎的な電気化学測定データを取得できている。これにより、Alの反応素過程を予想してその析出電位を特定することもできているが、さらに理論計算などの解析手法も用いて素過程の機構を理解しながら、それら基礎データを基にドーピング電析の最適電位を特定する考えである。また電析された薄膜を、同じく２２年度までに開発された後処理工程に適宜供し組成の最適化を図る予定であるが、それらp型、n型の半導体特性をゼーベック効果測定などによって評価する。さらに、p型、n型それぞれの電析プロセスを多段階的に用いることによってp-n接合界面を有するSi薄膜を作製し、精密な組成制御が成されたp-n接合界面の形成を目指す。これらのp-n接合の電気特性はI-V曲線評価などによって解析し、適宜形成プロセスへフィードバックする。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)
