2019 Fiscal Year Research-status Report
層状半導体材料を用いた新規薄型光支援熱電子エミッタの開発
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18K04934
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
荻野 明久 静岡大学, 工学部, 准教授 (90377721)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 二硫化モリブデン / 窒化アルミニウムガリウム / 熱電子放出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光支援熱電子発電では半導体を電子エミッタ材料として用いることで、加熱による効果と光の量子効果を同時に発電に利用することができる。本研究では、二硫化モリブデン(MoS2)薄膜および窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)薄膜の膜特性および電子放出特性を評価し、光支援熱電子発電の出力特性向上に向けた電極構成（エミッタ-コレクタペア）について検討した。
単層のMoS2のバンドギャップは約1.8 eVとなることが知られており、光デバイスへの応用が検討されている。本研究では、MoS2成膜条件による層数制御ならびに膜表面へのマイクロ波プラズマ照射により硫黄欠陥を形成することで、MoS2薄膜のバンド構造などの膜特性を調整した。作成したMoS2薄膜をX線光電子分光法などにより解析した結果、プラズマ処理により形成した硫黄欠陥がp型ドーピングとして作用してていることを示唆する結果が得られた。
また、ワイドバンドギャップ半導体であるAlGaNは、熱的・化学的に安定な材料であることに加え、Al組成比を変化させることでバンドギャップと仕事関数を調整することができる。AlGaN薄膜基板の電子放出特性の評価では、真空容器内に設置したAlGaN基板表面をセシウムで被覆したときの光支援熱電子放出を測定した。まず、Al組成比の異なる薄膜基板の電子放出特性を比較した結果、Al組成比の増加とともに電子放出特性が向上し、AlとGaを同比率としたときに電子放出開始の閾値温度が最も低減することがわかった。これは、Al組成比の増加によりAlGaNの仕事関数が低減したためと思われる。一方で、Al組成比がGaを上回る薄膜基板の放出電流は減少した。これは、Al組成比の増加により高抵抗化し、膜中の電子輸送が抑制されためと考えられる。
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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
本研究は、熱電子発電器を600 ℃程度で効率よく動作させるために必要となる実効的な仕事関数の低い材料や負性電子親和力を持つ材料の性能向上を目的とする。また、それらの材料を熱電子発電のペア電極であるエミッタおよびコレクタへ応用する際の課題とその解決策について検討する。
電子放出材料としては、バンド構造を調整できるMoS2およびAlGaNの2種類の半導体に注目している。MoS2のバンド構造は層数で変化することが知られており、可視光照射による電子放出特性の向上に適したバンドギャップの実現が課題の一つである。これまでの研究で、バンドギャップが1.8 eVとなるMoS2の単原子層膜の作製に成功している。また、MoS2薄膜表面を水素プラズマ処理し硫黄欠陥を形成したMoS2薄膜をX線光電子分光法などにより解析した結果、仕事関数が増加する結果が得られた。これは、硫黄欠陥がp型ドーピングとして作用し、フェルミ準位が価電子帯側へ遷移したためと考えられる。また、Al組成比を変えてバンドギャップと仕事関数を調整したAlGaN薄膜基板の電子放出特性と発電特性を評価している。これまでに、AlGaN薄膜表面へセシウムを堆積することにより、300～400 ℃の比較的低い温度においても熱電子放出が観測されている。また、AlとGaが同比率のAlGaN薄膜基板をエミッタとして構成した熱電子発電器の短絡電流は、エミッタ温度600 ℃において12 μA/cm2であった。これらの知見は、光支援熱電子放出特性の向上におけるバンド構造の制御とキャリア濃度の最適化の検討に有用と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
MoS2およびAlGaNの2種類の半導体薄膜の電子放出特性向上に向けて取り組む。これまでの研究結果を踏まえ、MoS2の硫黄欠陥が電子放出特性へ及ぼす影響を評価し検討する。また、AlGaN薄膜については、面極性や不純物濃度が電子放出特性へ及ぼす影響を評価する。
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