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2016 Fiscal Year Annual Research Report

中間バンド型Ge量子ドット太陽電池の実現に向けた量子ドットの形成・積層

Research Project

Project/Area Number 16J01701
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

伊藤 友樹  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2016-04-22 – 2018-03-31
Keywords量子ドット / ゲルマニウム / カーボン / 結晶成長 / IV族半導体
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、カーボン(C)を利用したC-Si/C-Ge結合制御によるGe量子ドット(QD)の形成と、Si1-xCx歪み補償層導入による歪みフリー積層を実現し、高効率中間バンド型Ge QD太陽電池を実現する。本年度は2年計画の初年度として、C反応制御によるGe QDの形成と歪みフリー積層に向けたSi1-xCx中間層/Ge QDの形成について検討した。
C-Si反応による表面再構成を用いたGe QD形成において、C堆積量によりGe QDの成長モードが遷移することを見出した。C堆積量が0.5 ML以下では、VWモードのGe QDが形成されるのに対し、C堆積量>0.5 MLでは成長モードがSKモードに遷移し、さらにC堆積量>2 MLで、成長モードが再びVWモードに遷移した。この成長モード遷移のうち、VWモードからSKモードに変化する要因は、Ge/Si界面付近の未反応Cの残存とGeドット内のC-Ge結合形成による界面エネルギーの低下に起因しており、一方SKモードからVWモードに変化する要因は、過剰なCの堆積により形成したC-C(sp2)結合による表面エネルギーの減少に起因することを解明した。
Ge QD上のSi1-xCx歪み補償中間層の形成において、C組成を0 at.%から1.5 at.%に増加させることで、Ge QDの面内緩和率が40%から90%に増加し、Ge QDに印加される圧縮歪みが緩和されることを明らかにした。Si1-xCx導入によりGe QDの歪みが緩和した要因は、Ge QD間のSi露出面に堆積したSi1-xCx層からGe QDへ伸長歪みが印加されるためであることを明らかにした。
これらの結果は、来年度以降に実施するGe QD/Si1-xCx中間層の積層形成と多重積層Ge QDによる中間バンド形成のための基盤技術であり、これらの知見が十二分に活かせると考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通りC反応制御によるGe量子ドット形成とSi1-xCx中間層導入による歪みフリー積層を検討し、C-Si反応による表面再構成を用いたGe量子ドット形成において、C堆積量によりGe量子ドットの成長モードが遷移することを見出し、Ge量子ドット径を孤立キャリア閉じ込め可能な9.5 nmに縮小できた。また、Ge量子ドット上のSi1-xCx歪み補償中間層形成において、C組成1.5 at.%で、Ge量子ドットに印加される圧縮歪みの緩和を確認している。これらの結果は、Ge量子ドット/Si1-xCx中間層の多重積層による中間バンド型太陽電池形成の基盤技術であり、以上の事から、当初目的としたGe量子ドット形成とSi1-xCx歪み補償中間層形成において、十分な研究成果を達成している。

Strategy for Future Research Activity

Ge量子ドット(QD)太陽電池の受光効率向上に向けて、Ge QD/Si1-xCx中間層の積層形成と、多重積層Ge QDによる中間バンドの形成を検討する。
Ge QD/Si1-xCx中間層の積層形成では、Ge QD/Si1-xCx層界面へのC媒介による積層Ge QDの形成とGe/Si界面ミキシングの抑制を検討する。また、中間層膜厚とQDの垂直配列性の関係を明らかにし、Si1-xCx層の歪みや結晶性、光学特性、Si層中のC分布の影響などを系統的に評価し、歪フリー積層のためのSi1-xCx中間層と積層Ge QDの堆積条件を決定する。
多重積層Ge QDによる中間バンドの形成では、QDを積層し、Si1-xCx層導入によるQDの垂直配列性や貫通転位、近接多重積層への効果を明らかにし、歪みフリー積層を実現する。その後、QDを10-50多重積層し、中間バンド型Ge QD太陽電池を試作する。バンド間キャリア遷移や量子化準位、発光波長シフトなどを評価し、3次元超格子構造によるミニバンド形成を確認する。また、キャリアの寿命や走行過程および活性層の内部電界と、量子効率の関係を解析し、これらの結果を試料作製にフィードバックし、変換効率の向上を図る。

  • Research Products

    (23 results)

All 2017 2016

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] Control of growth modes by carbon mediation in formation of Ge quantum dots on Si(100)2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      IEEE Trans. Nanotechnol.

      Volume: 16 Pages: 595~599

    • DOI

      10.1109/TNANO.2017.2679721

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low-temperature formation of self-assembled Ge quantum dots on Si(100) under high carbon mediation via solid-phase epitaxy2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, K. Takeshima, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Mat. Sci. Semicon. Proc.

      Volume: 70 Pages: 167~172

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2016.09.011

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of carbon coverage on Ge quantum dots formation on Si(100) using C-Si reaction and transition of Ge growth mode2017

    • Author(s)
      K. Yasuta, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Mat. Sci. Semicon. Proc.

      Volume: 70 Pages: 173~177

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2016.11.004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of growth rate and temperature on C-mediated Ge dot formation on Si (100) substrate2017

    • Author(s)
      Y. Satoh, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: 621 Pages: 42-46

    • DOI

      http://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.11.032

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Influence of crystallinity of as-deposited Ge film on formation of quantum dot in carbon-mediated solid-phase epitaxy2017

    • Author(s)
      K. Takeshima, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      http://doi:10.1016/j.mssp.2016.11.025.

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Strain-compensated formation of multi-stacked Ge quantum dots utilizing Si1-xCx spacer2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      European Materials Research Society
    • Place of Presentation
      Strasbourg (France)
    • Year and Date
      2017-05-22 – 2017-05-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Si1-xCx歪補償中間層上のカーボン媒介によるGe量子ドットの自己組織的成長2017

    • Author(s)
      伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜 (神奈川県・横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Siスペーサ層上の固相成長によるカーボン媒介Ge量子ドットの形成2017

    • Author(s)
      武島 開斗, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜 (神奈川県・横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Ge量子ドットとSiキャップ層の形状と歪へのカーボン被覆の影響2017

    • Author(s)
      有田 誠, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜 (神奈川県・横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] c面サファイア基板上Ge(111)薄膜結晶性の熱処理による変化2017

    • Author(s)
      大武 史康, 河口 大和, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第64回 応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜 (神奈川県・横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Carbon-mediated Ge quantum dot formation via c(4x4) surface reconstruction and solid-phase epitaxy2017

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      10th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
    • Place of Presentation
      Tohoku University, Sendai (Japan)
    • Year and Date
      2017-02-13 – 2017-02-14
  • [Presentation] Rhombohedrally aligned growth of Ge(111) film on c-plane sapphire substrate2017

    • Author(s)
      Y. Kawaguchi, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      10th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
    • Place of Presentation
      Tohoku University, Sendai (Japan)
    • Year and Date
      2017-02-13 – 2017-02-14
  • [Presentation] Influence of carbon binding states at Ge/Si(100) interface on Ge quantum dot formation via carbon mediation2017

    • Author(s)
      K. Yasuta, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      10th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
    • Place of Presentation
      Tohoku University, Sendai (Japan)
    • Year and Date
      2017-02-13 – 2017-02-14
  • [Presentation] c面サファイア基板上Ge(111)薄膜の二段階成長2016

    • Author(s)
      河口 大和, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第71回 応用物理学会東北支部学術講演会
    • Place of Presentation
      東北大学 (宮城県・仙台市)
    • Year and Date
      2016-12-01 – 2016-12-02
  • [Presentation] Formation of multi-stacked Ge quantum dot utilizing carbon-mediated template and its photoluminescence property2016

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      29th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Place of Presentation
      ANA Crowne Plaza Kyoto, Kyoto (Japan)
    • Year and Date
      2016-11-08 – 2016-11-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] C-Si 反応を利用したGe 量子ドットの積層構造の発光特性2016

    • Author(s)
      伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ (新潟県・新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] 堆積中カーボン媒介によるGe量子ドットの低温形成2016

    • Author(s)
      武島 開斗, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ (新潟県・新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] 余剰カーボンのC-Si反応Ge量子ドット形成への影響2016

    • Author(s)
      安田 康佑, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ (新潟県・新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] c面サファイア基板上のGe(111)薄膜の成長初期の検討2016

    • Author(s)
      河口 大和, 伊藤 友樹, 川島 知之, 鷲尾 勝由
    • Organizer
      第77回 応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ (新潟県・新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Control of VW and SK Growth Modes in Ge Quantum Dot Formation on Si(100) Via Carbon Mediation2016

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      IEEE 16th International Conference on Nanotechnology
    • Place of Presentation
      Sendai International Center, Sendai (Japan)
    • Year and Date
      2016-08-22 – 2016-08-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Low-Temperature Formation of Ge Quantum Dots on Si(100) via Solid-Phase Epitaxy Using Carbon mediation2016

    • Author(s)
      Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      International SiGe Technology and Device Meeting 2016
    • Place of Presentation
      Nagoya University, Nagoya (Japan)
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of Crystallinity of As-Deposited Ge Film on Quantum Dot Formation in Carbon-Mediated Solid-Phase Epitaxy2016

    • Author(s)
      K. Takeshima, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      International SiGe Technology and Device Meeting 2016
    • Place of Presentation
      Nagoya University, Nagoya (Japan)
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Transition of Ge Quantum Dot Growth Mode by Using C-Mediated Si(100) Surface Management2016

    • Author(s)
      K. Yasuta, Y. Satoh, Y. Itoh, T. Kawashima, K. Washio
    • Organizer
      International SiGe Technology and Device Meeting 2016
    • Place of Presentation
      Nagoya University, Nagoya (Japan)
    • Year and Date
      2016-06-07 – 2016-06-11
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-01-16  

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