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
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16J01701
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
伊藤 友樹 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2018-03-31
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| 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 |
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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