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本研究では、カーボン(C)媒介を利用したGe量子ドット(QD)の形成と、Si1-xCx歪補償層導入による歪フリー積層を実現し、高効率中間バンド型Ge QD太陽電池形成の基盤技術を確立する。本年度は2年計画の最終年度として、C媒介とSi1-xCx歪補償層を利用した歪フリーGe QD積層について検討した。
1.Si1-xCxスペーサ上のQD形成において、QD/Si1-xCxスペーサ界面に0.25原子層以上のCを媒介することで、1層目のQDとほぼ同じ粒径のQDをSi1-xCxスペーサ上に形成できることを見出し、QDがVolmer-Weberモードで成長した孤立ドットであることを明らかにした。また、QD形成機構の解析に、ケルビンプローブ顕微法と低角入射インプレーンX線回折法を導入し、Si1-xCxスペーサ表面の圧縮歪によるGe/Si1-xCx界面の格子不整合の増大により、C媒介によるQD縮小効果が増大することを解明した。
2.積層構造の形成において、C含有量=1.5 at.%のSi1-xCx歪補償スペーサを利用して、QD/スペーサの積層ペア毎にQD内の圧縮応力を緩和することによって、多重積層により生じるQDの肥大化を抑制し、歪フリーで多重積層できることを実証した。これらは、混晶組成の自由度が小さいIV族系半導体において、QDとSi1-xCxスペーサを組合せて歪制御することによって、III-VもしくはII-VI族系半導体と同様に、QDを必要に応じて積層できることを示した重要な成果である。これらの結果は、中間バンド型Ge QD太陽電池を形成するための基盤技術だけなく、高効率発光素子の形成にも応用が期待できる。
本研究で確立したC媒介と歪補償に基づくGe QD積層法は、中間バンド型Ge QD太陽電池形成の基盤技術であり、今後、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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