【研究分野】電力工学・電力変換・電気機器

【研究領域課題番号】26630107 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / III-V族化合物 / 太陽電池 / 量子井戸 / 定量光学評価 / MOCVD / エピタキシャル成長 / III-V族化合物半導体 / 量子構造 / エピタキシャルリフトオフ / フォトルミネッセンス / エレクトロルミネッセンス / 化合物半導体 / 多重量子井戸 / 超格子 / CPV / 薄膜III-V族セル / 集光型太陽光発電 / 低コスト化

【研究成果の概要】

人工的にバンドギャップを制御した多重量子井戸（MQW）を挿入したGaAs単接合太陽電池に対して、結晶成長基板を分離することで薄膜化セルを形成する手法を確立した。さらに、MQWセルの裏面にグレーティングと高効率反射層からなる構造を形成し、光閉じ込め効果を増強することで物理的厚さの5倍以上の有効光学厚みが得られることが示された。さらに、MQW太陽電池に対して、エレクトロルミネッセンス評価を定量的に実施することによって、デバイス内部における擬フェルミ準位の状態を推定した。この結果から、光励起されたキャリアがMQW層において優先的に発光再結合し、GaAsバルク構造より発光効率が高くなることが示された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

太陽電池 / 温度安定性 / 励起子吸収効果 / 分子線エピタキシー / 超格子太陽電池 / AlGaAs/GaAs超格子 / Si/SiO2超格子 / スパッタリング / 超格子 / タンデム太陽電池 / 励起子吸収 / AlGaAs/GaAs / 解放電圧 / Si/SiO2 / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 作成・評価技術 / 表面 / 界面 / エピタキシャル成長 / 結晶評価 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

太陽電池の重要な問題点のひとつは温度上昇による特性劣化である。温度上昇によりバンドギャップが減少しVocが低下することが原因である。半導体超格子では量子効果と励起子吸収によりこの傾向が緩和されると考え、AlGaAs/GaAs超格子を用いてこれを実証した。
最適化されたAlGaAs/GaAs超格子太陽電池では、100℃という高温においてもVocとηの減少は少なく、特にdη/dTは0.22/deg.が得られた。これは報告されている太陽電池の中で最も低い値である。さらに超格子構造では、励起子吸収の効果が顕著になり、等価な構造を持つGaAsバルク太陽電池よりも高い効率が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】18654062 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 積層構造 / 希土類化合物 / 異方的超伝導 / 反強磁性 / 量子臨界点 / エピタキシャル成長 / 薄膜 / 超格子 / 擬ギャップ / 二次元性

【研究成果の概要】

本研究め目的は、分子線エピタキシー法(MBE)による重い電子系Ce化合物の薄膜化技術を完成させ、用いた同じ結晶構造を持ちながら重い電子を持たない通常金属であるLa系化合物との積層構造を作製し、重い電子を擬2次元的に閉じ込めた系を人工的に作り出すこと、およびこのような系での物性測定により、低次元強相関電子系の理解へとつなげていくことである。
本研究の成果としては、まず、薄膜成長装置であるMBEシステムを用い、CeCoIn5超伝導体のc軸配向薄膜の作製に成功し、2Kにおいて超伝導転移を確認した。抵抗率の温度依存性および上部臨界磁場の温度依存性はバルク単結晶のものとほぼ一致している。次に、反強磁性重い電子系であるCeIn3薄膜の成長を行い、反射電子線高速回折(RHEED)にストリークがみられるエピタキシャル成長に成功した。X線回折による逆格子マッピング測定を行い、CeIn3薄膜が基板面方向にも良く配向した単結晶状の薄膜であることを確認した。電気抵抗率測定の結果はバルク単結晶の結果をほぼ再現し、10Kに反強磁性転移を確認した。 さらに、通常金属LaIn3についてもエピタキシャル成長に成功し、これらを組み合わせてCeIn3とLaIn3の積層構造をもつエピタキシャル人工超格子の作製に成功した。電気抵抗測定の結果から、CeIn3層の厚みを少なくするにつれて反強磁性温度が低下していくことが明らかになり、2次元化による反強磁性転移の抑制に世界で初めて成功した。
以上により、重い電子系を2次元に閉じ込めることにより、反強磁性が抑えられ、量子臨界点へ近づけることができることを実験的に示すことができた。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】18340100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

f電子系 / 次元性制御 / 電子相関 / 量子臨界点 / 反強磁性 / 非フェルミ液体 / 異方的超伝導 / 超格子 / 有効質量 / 超伝導対称性 / 積層構造 / 量子臨界現象 / エピタキシャル成長 / π接合 / 擬ギャップ

【研究成果の概要】

本研究では、希土類元素Ceを含む重い電子系化合物の薄膜化技術を確立し、CeCoIn5超伝導体のc軸配向薄膜、CeIn3反強磁性体のエピタキシャル薄膜、およびCeIn3とLaIn3のエピタキシャル人工超格子の作製に成功した.Ce系重い電子系のエピタキシャル薄膜作製は世界初の成果である.さらに人工超格子の作製により、重い電子系の次元性を制御することが可能になり、低次元化による反強磁性の抑制とそれに伴う非フェルミ液体的物性の発現の観測に成功した.今後2次元の重い電子系における新しい物理学の展望が期待できる.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】17,150千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 2,250千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】63420035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子デバイス / 金属 / 絶縁体 / エピタキシャル成長 / 超格子 / イオン化クラスタビ-ム / 弗化カルシウム / 金属シリサイド / 超高速応答 / シリサイド系金属 / イオン化クラスタービーム結晶成長

【研究成果の概要】

本研究は、金属・絶縁体極薄膜多層構造を用いた超高速応答可能な三端子素子を実現するための基礎研究として、金属・絶縁体極薄膜および超格子による人工半導体を試作し、その物性に関する学問的基礎を確立すること、およびこれを用いたデバイスの基礎特性を明らかにすることを目的として行い、以下に述べる成果を得た。
金属・絶縁体極薄膜積層構造を用いる三端子電子デバイスとして、金属と絶縁体界面の急峻なポテンシャル差によって生じる電子波の干渉効果を利用したデバイスを提案し、小さな動作電流密度でもTHz程度の応答速度が可能なことを理論的に示した。また、金属・絶縁体超格子のエネルギ-バンド構造を、理論的に明らかにした。
金属・絶縁体結晶材料として、シリコン基板に格子定数が近いコバルトシリサイド(CoSi_2)および弗化カリシウム(CaF_2)を選び、イオン化クラスタビ-ム結晶成長法を用いて、シリコン基板上に極薄膜単結晶層を成長した。絶縁体上では凝集が起こりやすく薄膜単結晶成長が通常極めて困難なコバルトシリサイドに対して、シリコンとコバルトに二段階成長、シリコンビ-ムのイオン化加速、コバルトの固相拡散を駆使することにより、厚さ数ナノメ-トルの平担な単結晶極薄層を得る成長法を確立した。この方法を用いて平担で結晶性のよい金属・絶縁体超格子の成長を達成した。
三端子デバイス形成に必要な、金属・絶縁体多重層の選択化学エッチング条件を明らかにし、これを用いて金属・絶縁体多層構造中の金属層の電気抵抗を測定し、厚さ2ナノメ-トルの極薄層においても抵抗率70μΩcmと小さく、超高速電子デバイスに有望であるこてを示した。
以上の成果によリ、金属・絶縁体極薄膜多過構造を用いた超高速電子デバイスの可能性が示され、実現に必要不可欠な基礎的知見が得られた。

【研究種目】一般研究(A)

【研究期間】1988 - 1990

【配分額】46,500千円 (直接経費: 46,500千円)