2014 Fiscal Year Annual Research Report
三元系ウルツ鉱型ナローギャップ酸化物半導体；薄膜化・薄膜太陽電池素子への展開
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26289239
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小俣 孝久 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80267640)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
喜多 正雄 富山高等専門学校, その他部局等, 准教授 (00413758)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / 太陽電池 / セラミックス / 先端機能デバイス / 光物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(A)PLD法によるβ-CuGaO2薄膜の作製：α-CuGaO2焼結体を作製しそれをターゲットとし、β-CuGaO2の成膜を検討した。全圧が高い場合薄膜が全く堆積しなかったが、全圧を下げることで堆積は進行した。しかしながら、Cu成分を含まない薄膜となり、目的とするβ-CuGaO2薄膜は得られなかった。
(B-1)β-CuGaO2ターゲットを用いたスパッタ法によるβ-CuGaO2薄膜の直接堆積：β-CuGaO2をターゲットとしたスパッタ法での成膜を試みた。スパッタ圧力、RFパワー、酸素分圧などを制御することで、CuおよびGaを含む酸化物薄膜を得ることができた。しかしながら、得られた薄膜の組成は目的とするCuGaO2から偏倚し、かつ結晶ではなくアモルファスであった。
(B-2)スパッタ法により作製したβ-NaGaO2薄膜のイオン交換によるβ-CuGaO2薄膜の作製：β-NaGaO2粉末をターゲットとし、c面サファイア基板、基板温度550℃、スパッタ圧力0.4PaのAr雰囲気下でのスパッタリングにより、β-NaGaO2前駆体薄膜の堆積に成功した。堆積した薄膜の組成はEDXによる分析の範囲ではCu:Ga＝0.9：1であり、残留Naは認められなかったことから、Na+⇒Cu+のイオン交換は完全に進行したものと思われる。この薄膜のCuCl蒸気を用いたイオン交換により、目的とするβ-CuGaO2薄膜を得ることができた。XRDにより前駆体薄膜の配向方位がβ-CuGaO2薄膜中でも維持されていることが明らかになった。光吸収スペクトルから光学ギャップが1.46eVであることがしめされ、この値は既に報告されている粉末の拡散反射法により求められている値1.47eVに極めて近く。薄膜の結晶性が良好であることが示された。
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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
試験的に実施したα-CuGaO2をターゲットとしたPLD法、および、β-CuGaO2ターゲットを用いたスパッタ法では目的とするβ-CuGaO2薄膜が得られなかったが、β-NaGaO2粉末をターゲットとしたスパッタ法により結晶性のおおむね良好なβ-NaGaO2前駆体薄膜が得られ、かつ、そのイオン交換によりβ-CuGaO2薄膜を得ることができた。当初予定していたドーピングについては本年度は検討できなかったが、各種不純物を含有するβ-NaGaO2粉末が得られることはこれまでの研究から明らかであるので、研究計画全体の進捗としては、ほぼ計画通り進行していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度の研究により、β-NaGaO2をターゲットとした場合、比較的良質なβ-NaGaO2薄膜が得られ、Na+⇒Cu+イオン交換により、結晶配向方位を維持したβ-CuGaO2薄膜は得られることが明らかとなったので、今後はこの方法に重点を置き、配向性制御、不純物ドーピング、p/n接合の形成を進めればよいであろう。具体的には、(i)β-NaGaO2前駆体薄膜の堆積条件を詳細に検討し、薄膜の配向性を制御する。(ii)(001)配向したZnO薄膜基板上への堆積により、ヘテロエピタキシャルに堆積したβ-CuGaO2薄膜の作製を目指す。(iii)Ga3+⇒Ti4+あるいはSi4+置換したターゲットおよびGa3+⇒Be2+あるいはCa2+置換したβ-NaGaO2をターゲットとしたスパッタとその後のイオン交換により，n型およびp型ドープしたβ-CuGaO2薄膜の作製を検討する。
一方で、薄膜太陽電池には厚さが数マイクロメータのβ-CuGaO2薄膜が必要となる。そのような薄膜の作製には、MOCVD方が適しているので、MOCVD法によるβ-CuGaO2薄膜の作製についての研究にも着手すべきと思われる。
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