| 研究課題/領域番号 |
17H03427
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
西川 雅美 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (20622393)
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| 研究分担者 |
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)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | エキシマレーザ / 窒化 |
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| 研究実績の概要 |
太陽光と水から水素を製造できる光電極のエネルギー変換効率を向上させるうえで、伝導帯と価電子帯のポテンシャル勾配を光電極内部に成形させることが重要である。そのために、伝導帯と価電子帯のポテンシャルが大きく異なる酸化物と窒化物の積層構造を有する光電極の創出を目指す。一般的に窒化物の作製は、窒素やアンモニア雰囲気中における高温熱処理が必要であるため、熱平衡論的に酸化物上に窒化物を積層させることは困難である。そこで、初年度においては、低温で窒化物を作製することを目指して、「KrFエキシマレーザ照射法」と「窒素プラズマ法」の融合プロセスを開発した。さらに、本手法において、有機金属前駆体膜を用いて、窒素プラズマ雰囲気内でKrFレーザを照射した結果、前駆体膜に窒素イオンが導入された状態で結晶化することを確認した。しかしながら、前駆体膜に効率良く励起窒素種を供給させるために、窒素プラズマの発生方式を反応性イオンエッチングモードにしているため、窒素の導入と同時に前駆体膜のエッチングが生じ、エッチングの影響で窒素の導入量に限界があることが課題となった。そこで、本年度においては、エッチングの影響を小さくするため、試料としてSi基板を用いて、より詳細に窒化プロセス条件および窒化機構について調べた。Si基板においても、本手法により窒素イオンが導入されることを確認した。また、導入される窒素量と窒素の拡散深度には閾値があることを確認した。閾値が存在することについては、Si基板を用いることで初めて明らかになった。また、窒素の導入量には、窒素プラズマ励起種の量よりも濃度が重要であることを明らかにした。今後は、窒素導入量および拡散域をより高度に制御していくとともに、導入された窒素の状態について調べ、窒化機構を考察し、低温窒化への本手法の有効性および実効性を調べていく。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は、「KrFエキシマレーザ照射法」と「窒素プラズマ法」の融合プロセスによる低温窒化プロセスの有効性を検討した。初年度において、試料として有機金属の前駆体膜を用いて行ったところ、反応性イオンエッチングモード方式の窒素プラズマにより、前駆体膜への窒素イオンの導入を確認したが、前駆体膜のエッチングも同時に生じ、エッチングの影響で窒素の導入量に限界が生じることが課題となった。そこで、本年度は、エッチングの影響の小さいSi基板を用いて、本手法の低温窒化の有効性を検討した。基板加熱を行わずに、Si基板を窒素プラズマ装置内に導入し、エキシマレーザを透過する窓を通して、Si基板にエキシマレーザを照射した結果、レーザフルエンスおよびレーザ照射時間の増加に伴い、導入される窒素量が増加し、ある一定の照射時間で、導入される窒素量は飽和に達することがわかった。また、Si基板への窒素の拡散深度も大きくなるが、窒素の拡散深度においても、ある一定の照射時間で拡散深度は飽和に達し、閾値があることを確認した。また、窒素プラズマ装置への窒素ガスの流量と導入される窒素量を調べた結果、単調な比例関係ではなく、窒素ガスの流量が多いと、導入される窒素量は減少した。これは、窒素ガスの流量が増加すると、窒素プラズマ装置内での励起窒素種の濃度が減少するためと考えている。本手法は、Si基板の加熱は行わなかったが、反応性イオンエッチングモードによる励起窒素種の基板への衝突の影響により、基板は100～200℃程度まで上昇していると見られる。しかし、一般的な窒化プロセスと比べて、本手法は、十分に低温で窒化可能であることを明らかにした。今後は、窒素導入量および拡散域をより高度に制御していくとともに、導入された窒素の状態について調べ、窒化機構を考察していく。
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| 今後の研究の推進方策 |
本手法により、酸化物上への窒化物を積層させ、目標の光電極を創出していくにあたり、窒素導入量および拡散域を高度に制御していくことが重要である。さらに、これまでに、前駆体試料として有機金属膜とSi基板を用いてきたが、用いる前駆体膜によって窒化反応が異なることがわかっている。そのため、本手法に有効で最適な、つまり、窒化がされ易い前駆体の形態についても調べることも重要である。そのため、今後は、窒素導入量および拡散域の高度な制御と前駆体膜の最適な形態に関する調査を並行して実行していく。
まず、窒素導入量および拡散域の高度な制御を目指すために、レーザフルエンス、照射パルス数、繰り返し周波数、励起窒素種濃度等の各プロセスのパラメータに関して、引き続き、より詳細に、系統的に調査していく。また、膜の表面形態、断面構造、導入された窒素種の化学状態等の多角的な評価を実施していく。そして、前駆体膜の形態の最適化に関しては、前駆体の有機物含有の有無、結晶化度、そして反応性エッチング方式の窒素プラズマ内でのエッチングレート等の特性が窒化反応に及ぼす影響について調べていく。そして、本課題の目的である「下地の酸化物の特性を変えないで、窒化物を酸化物上に積層させる」ことを実行させていく。
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