Epitaxial abrupt interfaces of multinary compound semiconductors

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多元系化合物半導体は未知なる可能性を秘めた材料群であり、その積層構造による電子・光デバイスは高機能化が期待できる。しかし、デバイス応用するために必須な積層構造を作る際、構成元素同士が熱拡散しやすく、急峻なヘテロ界面を得ることは難しい。本研究の目的は、急峻な多元系化合物半導体ヘテロ界面形成に関する学理を構築し、高効率な太陽電池の実現および量子効果デバイスへの応用を図ることである。３年目である2022年度はIII-V族系化合物とI-III-VI2族系化合物(CIGS)のヘテロ構造の作製を行い、結晶学的・電気的物性の評価、および太陽電池デバイス応用を図った。MBE装置にAsバルブクラッカーセルを導入した。これによりGaAs基板表面のクリーニング、CIGS結晶成長中のAs雰囲気の低減、およびCIGS結晶上へのAlGaAsのエピタキシャル成長が可能となった。一方で、Se雰囲気下におけるGaAs、AlGaAs結晶成長は残留ドナー濃度が高く、III-V族層はn型層としての利用を想定する。P型GaAs基板上にGa濃度0.9のCIGS層を成膜し、その後、AlGaAs層を成膜した。これはCIGSとAlGaAsの電子親和力を一致させ、電子の移動を容易にさせるためである。RHEED観察を行ったところ、CIGS層は4×1ストリークパターンを示し、AlGaAs層も4×1ストリークパターンとなった。得られたCIGS薄膜の時間分解PL測定を行ったところ、3 nsを超える少数キャリア寿命が得られ、AlGaAsがCdSと同等のパッシベーション層として機能することがわかった。窓層を成膜後、太陽電池特性を評価したところ、光起電力を確認できたが変換効率は数%であった。本結果は、III-V族/I-III-VI2族ヘテロ界面の光起電力として世界初めての成果であり、今後、さらなる特性改善を図る。