2018 Fiscal Year Annual Research Report
化学ポテンシャル図を基にした半導体成膜プロセスの構築ーSnS成膜を例としてー
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17H03436
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
野瀬 嘉太郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (00375106)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 反応拡散 / 化学ポテンシャル図 / ヘテロ界面 / 硫化すず / 蒸留 / バルク結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初予定していた，硫化物により化学ポテンシャルを積極的に制御し，反応拡散によりSnSの成膜を試みる研究は，ほぼコンセプトが実証されたため，今年度は研究遂行中に新たに見出した，SnSのバルク結晶育成，および薄膜作製プロセスに関する研究に注力した。
このプロセスでは，予めSn/SnSの二相試料を作製しておき，SnとSnSとの蒸気圧差を利用してSnSを単離する。これにより，第二相の混在を防ぎ，純度の高いSnS単相を得ることができる。
まず，バルク結晶育成に関しては，ブリッジマン炉を用いて単離したSnS蒸気を一方向から冷却することでセンチメートルオーダーのSnS単結晶を得ることができた。これは，従来の単結晶の数十倍の大きさである。得られた結晶はp型伝導であり，100 cm2V-1s-1を超える高いホール移動度を示した。また，SnSがいわゆる二次元（層状）物質であることから，グラフェンと同じようにスコッチテープにより剥離できることも確認した。以上は，太陽電池のみならず，他のデバイスへの展開も期待できる成果である。
一方，薄膜作製に関しては，Sn/SnS二相試料を蒸発源とした真空蒸着法により，均一な組織を持つ緻密は薄膜が得られた。市販のSnS試薬を蒸発源とした場合に比べて，ラマンスペクトルにおけるピークの半値幅は狭く，高い結晶性を有していることがわかった。また，900℃で蒸発させた場合の薄膜は特定の配向を示さないのに対し，800℃で蒸発させた場合には，層が基板に平行になるように強い配向性を示す。これは，これらの温度の間でS-Sn系の相平衡関係が変わるためであると推察される。物性に関しては，薄膜に関してもp型伝導を示したが，移動度，キャリア濃度ともにバルク結晶に比べて2桁程度小さく，現在その要因を検討中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
反応拡散によるSnS成膜に関しては当初計画していた系に加えて，別の系への展開することでさらに高度なプロセスへと発展できたことから，ほぼ検討が終了し，投稿論文を準備中である。現在は，研究遂行中に見出したSnSの新しい作製プロセスに関する研究を遂行している。これに関しては当初計画したものではなく，今後，様々な展開が期待できる。以上のことから，当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
Sn/SnSからの蒸留を利用した成膜法について，種々の成膜条件を検討し，最適なプロセスの確立を目指す。特に，現在はバルク結晶に比べてキャリア濃度，移動度ともに2桁程度低いため，その要因を明らかにするとともに，ドーピングなど光吸収材料に適した物性となるように制御する方法を検討する。さらに，この成膜プロセスとこれまでの研究で確立した界面構造の制御方法を組み合わせて太陽電池デバイスへの展開を図り，既存の太陽電池を超える変換効率の達成を目指す。
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