ＪＳＴ二次電池/次世代エネルギー新技術説明会低温高速スパッタエピ成長法による Si系太陽電池の製造技術島根大学大学院総合理工学研究科准教授葉文昌 1 研究室概要 (2010~ ) 島根大学大学院葉研究室  プロセス装置はすべて自作  太陽電池、ＴＦＴ等の半導体デバイスを研究室内で試作・評価特徴  迅速なアウトプット (太陽電池は最短3日間で試作・評価完了)  安全な実験環境 (危険ガス・有機溶剤不使用)  装置は随時柔軟に改造 2 研究室装置紹介自作プロセス装置     高濃度オゾン水洗浄装置(>50ppm) 376nm紫外ダイオードレーザアニール装置 3クラスター型スパッタ装置×2 反応性スパッタ装置×2 その他のプロセス装置 スクリーン印刷手摺装置 高温アニール炉 ×5 評価・測定装置物性 電子顕微鏡(フィラメント型) UV・VIS・NIR分光光度計 顕微ラマン分光電気的特性 過剰キャリアライフタイム測定 ソーラーシミュレータ ＩＶ測定 ＣＶ測定 太陽電池内部量子効率測定 3 低コスト化シナリオと太陽光発電の展開ＮＥＤＯ資料本研究の目標単結晶Ｓｉをベースに、Ｇｅ、ＳｉＣを加えた単結晶多接合型太陽電池 4 単結晶型Ｓｉ/Ｇｅ多接合太陽電池のメリット AM1.5Gフォトン流量と光浸透深さ 10 Si薄膜が吸収する光子：36％ 5 Ge薄膜が余分に吸収できる光子：52％ 8 7 4 6 5 3 4 2 3 Si Si吸収端 1 1.Ge膜で余分に52%取出 9 Ge 2 1 0 光の浸透深さ（μm）フォトン流量(×1018 個/s/m2/nm) 6 2.Si/Ge-Ge並直列構造 ⇒並列で電圧マッチング Ge 0.3V 0.6V Si Ge 0.3V 実現への鍵：Ｓｉ/Ｇｅの低温高速エピタキシ 0 0.0 500.0 1000.0 波長 (nm) 1500.0 5 Ｓｉ/Ｇｅのスパッタエピタキシー(ＳＥ)法想定される用途：Ｓｉ基板上Ｇｅ成長で安価Ｇｅ基板提供 (太陽電池、ＬＥＤ) Ｓｉ(Ｇｅ)膜のエピ成長厚膜化 (太陽電池) Ｓｉ上へＧｅヘテロエピ膜形成 (次世代ＬＳＩ、光デバイス）金属とn-Geのオーミック接触 (太陽電池、次世代ＬＳＩ）ＳＥ法の特徴と従来方法との比較大面積化速度@200℃ 安全性コスト膜質ＳＥ ◎ >3nm/s ◎ ◎ ？ＣＶＤ ◎ <0.3nm/s × 〇 ◎ ＭＢＥ × <0.3nm/s ◎ × ◎ 6 なぜＳｉ/ＧｅのＳＥ法が注目されて来なかったか？ • プラズマダメージにより、膜質がＣＶＤより劣るのは事実 • しかし、ディスプレイ産業ではＩＧＺＯ膜をスパッタで形成する例からわかるように、デバイス作製にも応用できる • 特にディスプレイや太陽電池のような大面積エレクトロニクスでは、性能よりも生産性、大面積化と低コストが要求される • この観点からすると、ＳＥは大面積エレクトロニクスに最も適した方法である • またＳＥ法ではＣＶＤ法で実現できない1020cm-3以上のn+-Ｇｅ膜が形成可能であり、次世代ＬＳＩ産業にも応用可能 7 ＳＥ法のこれまでの発展 1.Ge on Si G.Bajor et. Al., Appl. Phys. Lett.,40, (1982)696 RF, ＨＶ、Ｔ=470℃, v=0.24nm/s 2. Si on Si 東北大大見先生, J. Appl. Phys. 66 (1989) 4756. RF+基板バイアス, ＵＨＶ, T=320℃, s=0.1 nm/s, 3. Si on Si 葉文昌ら, Electrochem. Solid-State Lett., 12(2009)H67 DC, ＨＶ，Ts=175℃，s=3 nm/s 4. Ge on Si 葉文昌ら第58回応用物理学関係連合講演会 2011年 DC, ＨＶ，Ts=350℃，s=3 nm/s 本研究室 8 本研究室のこれまでの成果 1. 2. Ｓｉ on Si ＳＥ葉文昌ら, Electrochem. Solid-State Lett., 12(2009)H67 葉文昌ら 2014 Jpn. J. Appl. Phys. 53 025502 ＲＨＥＥＤ成長速度断面ＴＥＭ Si ＳＥ膜界面 Si 5000 nm 成長表面 Si Ｇｅ on ＳｉＳＥ葉文昌ら第58回応物 2011 1000 nm 断面ＴＥＭ拡大 10 nm 成長速度基板 Ge ＳＥ膜 Si 基板 Ge Si Ｇｅ on Si基板はポスター展示！スパッタエピ‐Ge膜の光吸収特性 R p--Ge, d=5μm Si wafer,104Ωcm T α= 1 T ln − d (1 − R) α-λ特性 104 103 102 2μｍのＧｅ薄膜は波長1500nmまで吸収可能 10 本研究室におけるＳＥ法の応用世界で初めてＳＥ法を使って製作したＳｉ太陽電池 W. Yeh et al 2014 Jpn. J. Appl. Phys. 53 025502 電流電圧のエミッタ膜厚依存性 10 nm 50 nm 50 nm Ag ＳＥ形成n+-Si エミッタ 100 nm 500 nm 10 nm 内部量子効率従来の熱拡散法 500 nm IQE 100 nm p-Si基板 R 従来の熱拡散法 Al 面積20mm角最高温度175℃ • 鏡面、ＡＲ膜なしでも24mA/cm-2と極めて高い短絡電流 • エミッタ膜厚10nmでは紫外光でも50％と高い量子効率 ⇒太陽電池にＳＥ法を用いることで高効率化が可能 11 Ｓｉ膜のダイオードレーザアニール(DLA) レーザ特徴：  光ビームで局所加熱  107W/cm2と大きなパワー密度 Si SiO2 これまでの問題点：Ｓｉ、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の半導体は可視光での吸収効率が低く、青紫外レーザが望ましいが安価な高出力光源がなかった本研究が開発した紫外レーザ結晶化装置  376 nm紫外レーザ (0.2W×1個)  高倍率集光 0.2W 集光後のパワー密度P = = 2 × 10 6 Wcm − 2 1µm × 10 µm 12 • エキシマレーザに匹敵するパワー密度 Si膜のDLAによる全面結晶化特願2013-047407 Si膜SEM像(単一回走査) Si膜SEM像(単一回走査) スポット短軸傾斜角45° Si膜SEM像(複数回走査) 目標：単結晶薄膜の形成 SEの想定される用途① 単結晶ＳｉをベースにしたＳｉ/Ｇｅ多接合太陽電池共同研究希望化合物多接合太陽電池の出発基板特開2012-138556 バルク型電極電極電極光 MBE又は MOCVD法近赤外吸収安価なＧｅ基板薄膜型電極レーザアニールＳｉ膜効果：多接合太陽電池の低コスト化光効果：Ｓｉの限界効率を打破 14 SEの想定される用途② 共同研究希望裏面接合型太陽電池シャドウマスクによる直接パターニング堆積マスクエピ膜Ｓｉ基板裏面接合型太陽電池裏面エミッタコレクタを電極シャドウマスク形成 p+Ｓｉ n+Ｓｉ従来の熱拡散法との比較Ｓｉ基板  密なpn周期が可能→高効率化光  プロセスが簡単→低コスト化 15 SEの想定される用途③： n-Geと金属のオーミック接合共同研究又はライセンス可能 n-Geの問題点：金属電極間との大きい抵抗電極 φB n-Ｇｅ FLP障壁により大きい接触抵抗 Metal φB-(Ec-Ef) n-Ge 従来のその他の解決方法 1.PとSの共イオン注入後偏析させる ⇒高価で複雑なプロセス 2.極薄絶縁膜の界面への挿入 ⇒酸化膜トンネリング抵抗が残る本研究のアプローチ： SE-n+-Ge薄膜の挿入特願2012-184731 電極 n-Ｇｅ ⇒極めてシンプル SE-n+-Ge eMetal n+ n-Ge >2nm 16 電流電圧特性のn+層厚依存性葉ら、第73回応物 11p-F5-11、2012 5, 20, 50nm Al n-Ge Al SE-n+-Ｇｅ SBH=0.42 eV n0： 8.4×1019 cm-3 極めてシンプルな方法でオーミック接合を実現 17 オーミック接合の具体的な応用例大電流集光型太陽電池のＧｅコンタクト Top AR Contact Top Cell GaInP 1.8 eV Tunnel Junction Middle Cell GaAs 1.4 eV Tunnel Junction Bottom Cell Ge 0.67 eV 次世代ＧｅトランジスタのＳ/ＤコンタクトＳ電極ゲート絶縁膜ＧｅＤ電極 SE-n+-Ｇｅ SE-n+-Ｇｅ Bottom Metal 18 まとめ企業への期待     共同研究、又は特許のライセンス大学研究室でのデバイス試作・評価大学研究室設備を利用した共同開発人的交流共同研究を希望する内容     単結晶ＳｉをベースにしたＳｉ/Ｇｅ多接合太陽電池低コストＧｅ基板裏面接合型太陽電池紫外DLAとSi膜の単結晶化 19 本技術に関する知的財産権 • • • • 発明名称：出願番号：出願人：発明者：ｎ＋型Ｇｅ半導体層形成方法およびオーミック接触構造特願2012-184731 ＪＳＴ-ＡＬＣＡプロジェクト成果国立大学法人島根大学葉文昌 • • • • 発明名称：出願番号：出願人：発明者： Si膜形成方法特願2013-047407 国立大学法人島根大学葉文昌ＪＳＴ-ＡＬＣＡプロジェクト成果問い合わせ先島根大学研究機構産学連携センター連携企画推進部門准教授・産学連携マネージャー丹生晃隆（ﾀﾝｼｮｳﾃﾙﾀｶ）ＴＥＬ : 0852-60-2290 ＦＡＸ : 0852-60-2395 E-mail: [email protected]