2017 Fiscal Year Annual Research Report
プラスチック上における高スズ濃度ゲルマニウムスズ結晶の創成と太陽電池応用
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17J00544
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
茂藤 健太 筑波大学, 数理物質科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 薄膜 / 太陽電池 / 固相成長 / ゲルマニウムスズ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、パルスレーザーアニール法を用いたGeSn薄膜の結晶成長において、レーザー照射後の冷却速度の向上によるSn析出の抑制を検討してきた。しかし、薄膜溶融に伴う表面凹凸（RMS＞10 nm）を抑制することが原理的に困難であると判明した。そこで、固相成長法に研究を展開した。固相成長法は、非晶質膜を基板上に堆積し、熱処理を施すことで固相にて結晶化を誘起する手法であり、平坦な膜が得られることが期待される。固相成長の前駆体となるGeSn薄膜をX線反射率法およびラマン分光法により評価した。GeSn前駆体は堆積温度の上昇と共に高密度化し、結晶の密度に漸近した。さらに堆積温度を上昇させると、結晶核の発生が確認された。また、Sn組成の増加に伴い、前駆体密度が増加し、さらなるSn組成の増加により結晶核が発生した。
これらを窒素雰囲気中で熱処理し、固相成長を誘起した。成長層の結晶粒径を電子線後方散乱回折法、格子置換Sn組成をラマン分光法により評価したところ、（1）前駆体が高密度かつ非晶質であること、（2）Sn析出を起こさない程度のSn添加が大粒径結晶を得るために重要であることが判明した。さらに試料表面を原子間力顕微鏡法により評価したところ、非常に良好な平坦性（RMS＝1 nm）を示した。
電気的特性をホール効果法により評価した。正孔移動度は粒径を必ずしも反映せず、極微量のSn析出が生じるSn組成において正孔移動度380 cm2/Vsを示した。同時に、Sn添加による正孔密度の低減が確認された。GeSnにおける正孔の起源は、膜内の多重空孔であることが知られており、空孔をSnがパッシベーションしたことが示唆される。この移動度は、絶縁体上に500℃以下で低温形成した薄膜の中で最高である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、パルスレーザーアニール法によるGeSnの結晶成長を検討していた。今回、固相成長法に研究を展開し、前駆体形成条件を制御することで従来最高品質のGeSn結晶をガラス上に合成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
GeSn薄膜の更なる高移動度化に向け、現状のキャリア散乱要因をアービンカーブおよびマティーセンの法則から検討したところ、不純物散乱および粒界・界面等の散乱で律速されていることが判明した。今後は、これらの散乱要因の低減を目指し、ポストアニール、膜厚変調等を検討する。
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