立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

ウェアラブルデバイスに搭載可能なナノ構造太陽電池のプロセス技術開発
Development of process technology for nanostructured solar cells on wearable devices
2161012

研究代表者

筑波大学

数理物質系助教

都甲薫[研 究 の 目 的][研究の内容，成果］

人間と一体化したウェアラブルな情報端末の研究代表者はこれまでに，Al 誘起層交換法

発展に伴い，エネルギーをいつでも・どこでを用いることで，プラスチック基板上で結晶方も・だれでもが自由に享受できるユビキタスエ位が揃った Ge 薄膜を形成した。本 Ge 薄膜をネルギー社会の実現が求められている。本研究テンプレートとすることで，垂直に整列したでは，小さな面積で大きな発電量が得られ，かGe ナノワイヤ・アレイを創出した (図 1)。さ

つ軽くて柔らかい太陽電池である「フレキシブらに，個々の Ge ナノワイヤは無欠陥の単結晶ル・多接合ナノワイヤ太陽電池」を提案する。

であり，単結晶 Ge 基板上に合成した Ge ナノ太陽電池の最高効率を更新し続けているのは，異なる材料を積層した多接合太陽電池だが，基ワイヤと同等の品質を有していることも明らかにした。
本研究では，Ge ナノワイヤの光学特性の評板となる Ge ウェハが高価であり，応用は限ら価に向け，新しい Ge ナノワイヤの合成法を検れている。
一方，ナノワイヤ構造は，バルクや薄膜に比討した。また，本研究の過程で，Al 誘起層交べて 100 倍以上の受光面積を有しており，単位換 Ge 薄膜の結晶性がばらつくといった再現性面積当たりの発電量を飛躍的に向上できる上，の問題にも直面した。以下に，「Al 誘起層交換入射光を閉じ込めて反射を抑える効果を有する。

Ge 薄膜の結晶性決定要因の解明」および「新以上より，もし安価で軽くて柔らかいプラス

規 Ge ナノワイヤのプロセス技術の検討」につチック基板上に，高品質な Ge ナノワイヤ・アいて，それぞれの実験結果を示す。

レイが得られれば，高い効率と汎用性を両立した革新的太陽電池が創出される可能性がある。
本研究では，プラスチック基板上に高品質なGe ナノワイヤ・アレイを結晶成長し，その光学特性を評価・実証することを目的とし，研究を遂行した。

図1― 1 ―

プラスチック上 Ge ナノワイヤ

立石科学技術振興財団(1) Al 誘起層交換 Ge 薄膜の結晶性決定要因

では，成長速度を高めて効率よく評価するため，Ge と Al の界面に形成する AlOx 膜を通常よりの解明ナノワイヤ・アレイ合成のテンプレートに用薄めに形成した。実験の結果を図 3 に示す。

い る 高 配 向 Ge 薄 膜 は，Al 誘 起 層 交 換 法 に

Al の堆積温度には最適値が存在し，堆積温度よって形成している [1, 2]。結晶成長の前駆100℃の試料において，最大の結晶粒径および体に用いる Ge および Al 薄膜は，スパッタリ(111) 配向率が得られると判明した。以上の結ング装置で堆積している。このとき，得られる果は，層交換 Ge 層の結晶性のばらつきの原因

Al 誘起層交換 Ge 薄膜の結晶性 (配向性，結が，Al 薄膜の粒径のばらつきに起因している晶粒径) は，堆積装置のコンディション (清浄ことを示唆している。その後の検討から，100℃度等) に大きく左右されることが，本プロジェで加熱堆積した Al 薄膜を層交換に用いた場合，クトの研究過程で明らかとなってきた。再現性

装置のコンディションに依らず，再現性よく良良く高配向 Ge 薄膜を形成し，ナノワイヤ・ア好な Ge 薄膜が得られることが判明した。層交レイを合成するためには，Ge 薄膜の結晶性の換成長の研究は各国で活発化しているが，その決定要因を明らかにし，制御する必要がある。

発展に資する重要な知見である。

層交換は，Ge 原子が Al の結晶粒界中に拡散する過程で起こる。そこで研究代表者は，(2) 新規 Ge ナノワイヤのプロセス技術の検討

Al の結晶粒径に着眼した。その結果，Al の結本研究では，図 4 に示すプロセスを検討した。

晶粒径がスパッタリング装置のコンディション

本構造では，SiO 2絶縁膜により上下電極が分離(清浄度等) によって変化することを突き止めされるため，上下方向にバイアスをかけることた。

ができる。したがって，Ge ナノワイヤ中の光

もし，スパッタリング装置のコンディション

励起キャリアを外部に取り出し，分光感度を評に寄らず，Al 薄膜の結晶粒径を制御できれば，価 す る こ と が 可 能 と な る。そ こ で，配 向 Ge良好な層交換 Ge 薄膜をコンスタントに得られる可能性が高い。そこで，堆積温度を変調することにより，結晶粒径を制御する手法を検討した。堆積温度を室温から 200℃まで変調した結果，堆積温度の上昇に伴い，Al の結晶粒径が拡大することが判明した (図 2)。
これらの Al 薄膜を用いて結晶成長した Al
誘起層交換 Ge 層の粒径および配向性について，電子後方散乱回折 (EBSD : Electron Backscattering Diffraction) 法を用いて評価した。ここ

図3

図2

Al 薄膜の結晶粒径と堆積温度の関係

層交換 Ge 薄膜の結晶性と Al 薄膜堆積温度の関係― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

そこで，CVD 成長温度を 500℃としたところ，開口部からの Ge 結晶の選択成長が見られた (図 5(b))。これは，SiO 2 には Ge 原子が付着しづらいこと，成長温度 500℃によって Ge結晶の生成エネルギーを超えられたことに起因している。得られた結晶は，ラマン分光法から極めて高品質であることも確認された。
[今後の研究の方向，課題］
図4

デバイス化に向けたナノワイヤ合成プロセス

本研究において，Al 誘起層交換 Ge 層の形成に関する再現性の問題に直面した。スパッタリングの諸条件を見直し，検討した結果，Al成膜時の加熱堆積によって，再現性良く面方位の制御された Ge 薄膜を得ることに成功した。
一方，光学特性評価に向けた新規のナノワイ
ヤ形成プロセスを検討したが，当初の目標であったナノワイヤ状の Ge 結晶は得られなかった。これは，開口部からの結晶成長は基板鉛直方向のみならず，横方向にも等方的に成長が起こることに起因している。今後，SiO 2のパター
ニングと Au 触媒の塗布を重畳することにより，開口部からの Ge ナノワイヤ成長を推進する。

図5(a) AIC-Ge 上の SiO 2 マスクパターン (b) 開口部から CVD 成長した Ge 結晶［成果の発表，論文等］[1]

M. Nakata, K. Toko, T. Suemasu : Effects of Al

シード上に約 200 nm 径の開口部を有する SiO 2grain size on metal-induced layer exchange growth

マスクパターン (図 5(a)) を形成し，Ge ナノof amorphous Ge thin film on glass substrate, Thin

ワイヤの CVD 成長を検討した。
CVD 成長を VLS 成長時と同じ 400℃で行っ

Solid Films. 626, 190-193 (2017).
[2]

M. Nakata, K. Toko, W. Jevasuwan, N. Fukata, andT. Suemasu : Highly (111) -oriented Ge on insula-

た場合，試料の表面様態に変化はなく，開口部

tors formed by Al-induced crystallization leading to

か ら の Ge 結 晶 の 成 長 は 確 認 さ れ な か っ た。

vertically aligned Ge nanowires, ICCGE-18 (2016).

Au 触 媒 が な い 場 合，Ge 結 晶 の 生 成 エ ネ ル
ギーが高いことが原因と考えられる。

[3] (招待講演) 都甲薫，末益崇 : IV 族半導体薄膜の金属誘起層交換成長 ―― 現象の理解と制御 ――，
第 8 回半導体材料・デバイスフォーラム (2016)．

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