Fabrication of oxide-nitride gradient structure to enhance energy conversion efficiency of photoelectrode

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03427
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 西川 雅美 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (20622393)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 土屋 哲男 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 副研究センター長 (80357524)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: エキシマレーザ / 窒素プラズマ / 窒素ドープ / 窒化

Outline of Annual Research Achievements

耐熱性の低い基板や、金属酸化物等の非窒化物薄膜上への金属窒化物への積層と可能とするために、窒素プラズマ中におけるエキシマレーザー照射プロセスによる金属窒化物の低温成膜を検討した。薄膜の前駆体として、有機金属を使用した場合、窒素プラズマ中でエキシマレーザー照射しても、金属酸化物が形成された。ＸＰＳの解析より、多少の窒素がドープされている可能性はあるものの、金属窒化物は得ることはできなかった。これは、前駆体膜の金属に結合している酸素によって、金属酸化物への結晶化されるためと考えた。熱伝導方程式によるレーザー照射下の薄膜の温度シミュレーションでは、数十ナノ秒のオーダーではあるが、６００℃以上の高温には到達していることを確認した。６００℃程度の温度は、酸化物を前駆体とした場合は、アンモニア気流中では窒素ドープが進行する温度である。そのため、窒素プラズマ中では、アンモニアとは異なり、還元種が存在しないために、窒化（もしくは窒素ドープ）が十分に進行しなかったと結論した。そこで、窒素プラズマ中におけるエキシマレーザー照射法の窒化能力を見極めるため、薄膜の前駆体を、酸素を含まない（つまり還元を必要としない）金属膜に変更した。金属膜に、窒素プラズマ中でエキシマレーザーを照射すると、金属膜が窒化される傾向を確認した。このときの窒化のプロセス温度（基板の温度）は、基板加熱していないものの、窒素プラズマ中に基板を配置しているため、高くても200℃程度と推測する。これらより、前駆体膜に金属膜を選定すれば、低温で窒化が出来る可能性を見出した。しかし、半導体を含む金属膜の種類によって、窒化されやすさは異なること、また、窒化する程度も十分ではないことが解決すべき課題である。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。