Si基板に格子整合した犠牲層を有する - JSTSi格子整合系GaAsPN p-i-n接合1) GaAs0.19P0.75N0.06 Diffraction angle2θ(degree) X-r a y i n t e n s i t y (a r b. u n

Si基板に格子整合した犠牲層を有するGa(As)PN系太陽電池層の形成方法

豊橋技術科学大学大学院工学研究科電気・電子情報工学専攻

助教山根啓輔

豊橋技術科学大学新技術説明会 2017.6.15 1

2

新技術の概要

Si基板上に高い変換効率が期待できるGa(As)PN系太陽電池層をAlPN犠牲層を介して無欠陥で成長させ、有機材料等からなる安価な支持基板に転写可能とする。

小面積な基板（Ge、GaAs等）でしか利用できなかったエピタキシャルリフトオフ技術を大口径化が容易なSi基板でも利用できる。

豊橋技術科学大学新技術説明会 2017.6.15

ELO

Si基板

AlPN犠牲層

GaPN/GaAsPN太陽電池

Si基板

AlPN系犠牲層

安価な基板へ転写

3

新技術のプロセス

【表面活性化接合により異種基板と接合】

大面積Si基板

AlPN 犠牲層GaP


低価格異種基板（ポリカーボネート）


AlPN 犠牲層エッチング

低価格異種基板（ポリカーボネート）

電極金属

①ＡｌＰＮ犠牲層付デバイスの作製＋ウエハ接合

②基板分離（ELO） ③デバイス作製


4

高効率、大面積な単結晶化合物半導体太陽電池

軽量、フレキシブルな太陽電池ユニットの実現

Si基板上に形成する層構造を発光素子とすれば、発光素子（LED）にも適用可能

想定される用途

接合数理論効率※

1接合 30.8％2接合 42.9％3接合 49.3％4接合 53.2％

※M. A. Green , Progress in Photovolitaics,9 (2001) 123.


5

従来のエピタキシャルリフトオフに用いるGaAs基板やGe基板は、高価かつ小面積である。また、従来のエピタキシャルリフトオフ技術では、Alを含む犠牲層（AlAs等）を用いていた。しかしながら、Si基板では結晶欠陥が発生する。

GaAs, Ge基板等

AlAs系犠牲層

GaAs/InGaP系太陽電池

Substrate Size Defect density Price (yen)

GaAs, Ge 6 inch 103 cm-2 100,000

Si 6 inch

本技術は、GaP緩衝層と格子整合系AlPN犠牲層の組み合わせにより、無欠陥の層構造を大面積Si基板上で実現でき、これを転写することを可能にする。

GaAs, Ge基板等

AlAs系犠牲層


欠陥密度(>103 cm-2)

小面積・高価

大面積Si基板

AlPN 犠牲層GaP


原理的に無欠陥化が可能

300mm ウエハでの結晶成長例あり

今後さらなる大面積化が見込まれる。

新技術の特徴 - 従来技術との比較1 -

従来技術提案する技術


ELO

GaAs, Ge基板等

AlAs系犠牲層


GaAs, Ge基板等

AlAs系犠牲層

→ III-V/Siヘテロエピ & ELO技術の実施例はほとんどないe.g. 格子不整合系 GaAs/AlAs/Si4)

エピタキシャルリフトオフ(ELO)技術

☑ 基板再利用 (GaAs, InP等）☑ 軽量・フレキシブル化1)

1) Y. H. Lee et al., Current Appl. Phys.15 (2015) 1312. 2) Y. Bogumilowicz et al., J. Cryst. Growth 453 (2016)180.3) K. Yamane, et al., IEEE Conf. (2014) 2792. 4) H. Taguchi et al., Sol. Energy Mat & Sol. Cell 85 (2005) 85.

III-V/Siヘテロエピ技術

☑ 大面積 (300 mm wafer @MOVPE2))☑ 格子整合系III-V-N無転位成長3)

e.g. GaAsPN Eg = 1.4 - 2.0 eV

III-V/Siのエピタキシャルリフトオフ


68.0 68.5 69.0 69.5

格子整合系AlPN犠牲層@600℃

GaP緩衝層@450℃アンチフェーズドメイン、積層欠陥の抑制

Si格子整合系GaAsPN p-i-n接合1)

GaAs0.19P0.75N0.06

Diffraction angle2θ(degree)

X-ra

y in

tens

ity(a

rb.u

nits

.)

GaP

Simulated

Measured

Si

1) 佐藤健人他, 2017 春応物 17a-B5-1.

8試料構造


ref. Epitaxial lift-off by AlAs2)

HF:H2O 10 : 90Weight 0.1 gSubstrate size 1×1 cm2Temperature RT

2) M.M.A.J. Voncken et al., J. Electrochem. Soc. 151 (2004) G347.

AlAs+3HF+6H2O →AsH3+[AlFn(H2O)6-n](3-n)+(3-n)F-+nH2O

9ウェイト支援エピタキシャルリフトオフ

Weight=0.1 g

HF

MountingRod

Si-substrate

Polyimide

AlPNGaP

p-i-n GaAsPN

Si-substrate

release layer

エッチング条件


10

大面積化にあたり、クラック・フリーでの転写技術を開発する必要がある。

受光層を異種基板に転写することまで実証済み。次段階として、効率向上に向けて、デバイス構造の最適化を行う必要がある。

母材となるGaAsPNの移動度、少数キャリア寿命の改善

実用化に向けた課題


11

フレキシブル太陽電池の新規材料に関心のある企業

高効率セルに向けて、高バンドギャップ材料を検討されている企業

（e.g. CIGS系太陽電池との組み合わせ等）

Si基板上結晶成長技術に関心のある企業（受発光素子材料等）

希望する共同研究先


12

お問合せ先：研究推進アドミニストレーションセンターPhone: 0532 - 44 - 6975 FAX: 0532 - 44 - 6980E-mail: [email protected] 担当: 白川正知、馬場清一

本技術に関する知的財産権

発明の名称：希薄窒化物犠牲層を用いた化合物半導体薄膜の製造方法

出願番号：特願2017-033467出願人：豊橋技術科学大学

発明者：山根啓輔


Documents

Si基板に格子整合した犠牲層を有する - JSTSi格子整合系GaAsPN p-i-n接合1) GaAs0.19P0.75N0.06 Diffraction angle2θ(degree) X-r a y i n t e n s i t y (a r b. u n