2021 Fiscal Year Research-status Report
Epitaxial abrupt interfaces of multinary compound semiconductors
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20K05354
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
西永 慈郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90454058)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 多元系化合物半導体 / 結晶成長 / MBE / MEE / 太陽電池 / 量子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多元系化合物半導体は未知なる可能性を秘めた材料群であり、その積層構造による電子・光デバイスは高機能化のみならず、製品の製造・使用時における低環境負荷化に多大な貢献ができる。しかしながら、デバイス応用するために必須な積層構造を作る際、構成元素同士が熱拡散しやすく、急峻なヘテロ界面を得ることは難しい。そこで本研究の目的は、急峻な多元系化合物半導体ヘテロ界面形成に関する学理を構築し、高効率な太陽電池の実現および量子効果デバイスへの応用を図ることである。２年目である2021年度は多元系化合物組成制御法の構築として、ビームモニタによる組成制御の高精度化を行った。研究対象として薄膜太陽電池として既に実用化されているCu(In,Ga)Se2(CIGS)を採用し、MBE法にてGaAs基板上に結晶成長させ、I族Ⅲ族の組成比制御と、組成比によるヘテロ界面の材料拡散に関する考察を行った。
MBE法による組成制御の方法として、ビームモニタによる組成比計算がある。この計算はⅢ族元素（Al, Ga, In）の組成比を求めることは可能であるが、I族元素（Ag, Cu）とⅢ族元素の組成比計算は、実際の組成と合わないことがわかった。一方で、ビーム強度とＩ族元素濃度が比例関係にあることがわかり、標準試料によるキャリブレーションを行えば、Ｉ族元素のその場濃度制御ができることがわかった。次にＧａ濃度の異なるCIGS/CIGSヘテロ界面において、急峻性を劣化させる要因について調査を行った。Cu/Ⅲ族濃度比（ＣＧＩ）を0.9以下にすると、Ｇａ元素が拡散し、急峻な界面を得ることができないが、ＣＧＩを1.0にすると、急峻なヘテロ界面が得られることがわかった。また、Na添加を行うことで、Ga拡散が強化されることがわかった。これらの知見よりCIGSを利用した量子井戸構造の作製が可能となった。
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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
2021年度に予定していた、多元系化合物組成制御技術の構築およびヘテロ界面の元素拡散に関する考察は完了した。一方で、液相Cu2Seのアルカリ金属添加による濡れ性制御に関して、進捗が遅れている。こちらは2022年度に行い、Cu2Se/CIGSの物性について、詳細に議論する。組成制御技術に関しては、質量分析計を使用せずとも、成長中断とシャッターを組合すことで、可能であることがわかった。産業的には成長中断せずに行うことが最適であるが、研究開発においては、原理検証ができたので、研究計画通りの進捗といえる。これらの研究成果は国際学会にて発表を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、III-V族とI-III-VI族化合物半導体のヘテロ界面の研究を行うために、Asクラッカーセルを導入する。Asクラッカーセルは整備済みであり、水冷シャッター機構を本予算にて購入し、MBE装置に導入する。MEE法による低温成長を行う。低温成長にはV族、VI族の供給量を精密に制御する必要があり、バルブセルが必須である。低温成長により急峻なヘテロ界面を形成し、高効率な太陽電池の実現を図る。
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| Causes of Carryover |
得られたヘテロ界面の結晶構造解析を詳細に行い、結晶成長の理解を優先にした。この理解は効率的な成膜実験を可能とする。予定していた多元系化合物薄膜の成膜実験は2022年度に後ろ倒しとし、使用額を変更する。
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