| 研究課題/領域番号 |
17H04979
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
渡辺 健太郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任講師 (30523815)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | IR-LLO / レーザーリフトオフ / GaAs / 有機金属気相成長 / MOCVD / 低コスト太陽電池 / III-V族化合物 / 多重量子井戸 |
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| 研究実績の概要 |
太陽電池として機能するエピタキシャル成長層の成長基板からの剥離、及びGaAs成長基板の再利用を目的として、赤外線レーザーリフトオフ(Infrared laser lift-off;IR-LLO)工程の提案と基礎実証を開始した。
選択的に赤外線を吸収するリリース層の候補として、有機金属気相成長法によってGaAs基板上に約1.2eVの実効バンドギャップ値を有するInGaAs/GaAsP多重量子井戸(MQW)層の成長を試み、フォトルミネッセンスによって発光波長のピークが1050nmまで延伸していることが確認された。
層間剥離のための局所加熱用として、発光波長1030nm及び1064nmのパルスレーザーを導入し、基礎光学系を構築した。試作したリリース層(MQW層)に対するパルスレーザーの照射によってアブレーションが生じることが確認された。未成長のGaAs基板に対してレーザー光の照射加工の試験を実施したところ、導電性基板に対しては自由キャリア吸収によって波長1000nmを超えるレーザー光の吸収が見られるため、出力を増大させることでGaAs表面においてもアブレーションを生じることが確認された。
従来のウエットエッチングを用いた場合のエピタキシャルリフトオフ(ELO)工程による太陽電池の開発を比較用デバイスの準備として実施した。この場合、層間剥離を促進させるためにポリイミド製のフレキシブル基板上にAu-Au合金化接合法によってGaAs単接合太陽電池を転写し、AlAsをリリース層として10%のHF溶液中で剥離作業を行ったところ、10mm角程度のデバイスサイズに対して剥離が完了するまで2時間程度を要することが明らかとなった。また、p-i-n構造を持つGaAs単接合太陽電池に対して、i層中にMQW層を導入した場合、エピタキシャル成長層に内包される応力は剥離時間に大きな影響を与えないことが示された。
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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
有機金属気相成長による歪補償MQWの成長により、GaAsよりも小さいバンドギャップを持つリリース層材料の開発は予定通りに進んでいる。InGaAs/GaAsP量子井戸は歪補償構造ではあるが、バンドギャップ値を大きく引き下げようとすると各層の臨界膜厚に近い値になるために結晶性の低下を引き起こす恐れがあるため、バンドギャップ値とMQW構造の最適化が求められる。
波長1030nmおよび1064nmのパルスレーザーに対する加工性について、GaAsはこれらの波長に対して透明性が高いが、充分に大きい出力の光に対してはアブレーションにより表面が溶解することが明らかとなった。また、有効バンドギャップ値を引き下げたMQW構造に対してはこの波長において光の吸収率が増大することによって、より小さい出力でのアブレーションが生じることが確認されたため、提案の通り選択的にMQW層のみをレーザー光によって溶解させてエピタキシャル成長層を剥離することが可能であることが示された。
比較用の加工技術として、既存のウエットエッチングを用いたELOプロセスを用いて実際にGaAs単接合太陽電池を試作し、動作することが確認された。この際、自発的にフレキシブル基板へ転写したエピタキシャル層が剥離されるために10mm程度の大きさの試料に対して2時間程度の長時間を要することから、IR-LLO工程による剥離加工が短時間であることに大きな利点を持つことが示された。
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| 今後の研究の推進方策 |
H30年度以降の方針については、以下の2点について推進する予定である。1)レーザーアブレーション条件の詳細化 2)ごく簡素化したデバイスへのIR-LLO工程の適用
1)については、パルスレーザー光の照射面におけるビーム形状および、出力から1パルス当たり、単位面積当たりの照射エネルギーに対してアブレーションが生じる条件をMQW層及びGaAs層のそれぞれに対して実験的に検証することで、リリース層のみを選択的に溶融する光学条件を推定する。また、アブレーションが生じる面での加工形状を観察することにより、1パルス当たりの加工許容面積について検討する。2)について、まず、MOCVD法を用いてMQW層をリリース層としてエピタキシャル成長したうえでGaAsの単純なPN構造からなるデバイス層を形成し、GaAs-MQWsヘテロ構造を試作する。選択的にMQW層を溶解する条件でパルスレーザーを照射した場合に中空構造が形成され得るかの検証を行う。さらに、小面積デバイスの支持基板への転写とIR-LLO工程による剥離により太陽電池の試作工程を開発する。
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