耐放射線性に優れた超高効率太陽電池材料の作製指針の確立

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本研究の目的は,次世代の宇宙用太陽電池材料として有望な窒化物半導体混晶InGaNの作製指針を与えることである.InGaNは放射線耐性に優れているほか,III族元素In,Gaの組成制御によって様々なバンドギャップエネルギーをもつ材料となることが特徴的である.このため,変換波長の異なる薄膜を積層した多接合太陽電池への応用により,高い変換効率の実現が期待できる.しかし,任意の混晶組成制御技術が必要とされる中で,高In組成InGaN薄膜の高品質化が課題となっている.本研究では,成長面方位によってIn取り込み効率が異なることに着目し,その要因の解明に取り組んできた.すなわち,Inを取り込みやすい面方位の特徴を明らかにすることを通じて,高In組成InGaN薄膜の作製指針を示すことを目指している.本年度は従来のモデルを具体化し,有機金属気相成長法(MOVPE法)実験条件下におけるIn取り込み量についての検討を行った.そのために微視的な表面構造に着目して従来モデルを拡張し,これに基づくIn取り込み量の評価方法を提案した.すなわち,成長時の薄膜表面に吸着している窒素分子はIn原子の脱離を抑制し,Inの効率的な取り込みに寄与するが,この働きの強さは成長条件や成長面方位に依存して決まる窒素分子の吸着の様子(表面再構成構造)の影響を強く受ける.つまり,In取り込み量は各面の表面再構成構造を通じて変化し,面方位や成長条件に対する依存性を示していると考えられる.この考え方に基づき,第一原理計算を用いた全エネルギー計算によって成長条件や面方位ごとの表面再構成構造を調べ,表面窒素分子層の安定性を指標として各面のIn取り込み量の評価を行った.得られた結果を実験と比較することにより妥当性が確認された.この結果,高In組成InGaNを作製する上で,窒素分子が安定な面方向への成長が有効である可能性が示された.