名古屋大ら、高品質のSiGe半導体を印刷で実現：多接合太陽電池のコストを大幅削減

名古屋大学らによる研究グループは、特殊なペーストをシリコン（Si）単結晶基板に印刷し、非真空下で数分程度の熱処理を行うことにより、高品質なシリコンゲルマニウム（SiGe）半導体を実現することに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

Al-Ge合金ペーストをSi基板上に印刷、900℃で5分間熱処理

　名古屋大学らによる研究グループは2022年9月、特殊なペーストをシリコン（Si）単結晶基板に印刷し、非真空下で数分程度の熱処理を行うことにより、高品質なシリコンゲルマニウム（SiGe）半導体を実現することに成功したと発表した。開発した技術を用いることで、効率が極めて高い多接合太陽電池の製造コストを10分の1以下にできるという。

　宇宙用として実用化されている多接合太陽電池は、ゲルマニウム（Ge）基板の上に複数の化合物半導体薄膜太陽電池を重ねることで、30％を超える高いエネルギー変換効率を実現している。ただ、Ge基板は高価であり、一般向けの多接合太陽電池を開発するには、安価な材料に代替する必要があった。

　研究グループは今回、Si基板上にSiGe膜を安価な製造プロセスで作製する技術開発に取り組んだ。それは、東洋アルミニウムが独自技術を用いて製造するアルミニウム（Al）とGeの合金ペーストをSi基板上に印刷し、数分間の熱処理を行うなど、比較的簡便な方法である。

　具体的には、900℃で5分間の熱処理を行うと、Si基板の表面と印刷したAl-Ge合金ペーストが溶け、Al-Ge-Siを成分とする溶液が形成される。温度が下がる工程で過飽和状態になると、Si基板上にSiGe膜がエピタキシャル成長をする。その後、表面のAl残留ペーストを化学処理して除去すれば、Si基板上に成長したSiGe半導体膜が得られるという。熱処理後には、Si基板上に厚み10μmを超える膜が連続的に形成されていることを確認した。

開発したSiGe半導体膜の製造プロセスのイメージ図 出所：名古屋大学他

左はAl-Ge合金ペーストを印刷した後、右は熱処理後にAl残留ペーストを除去した後の電子顕微鏡写真 出所：名古屋大学他

　X線回折装置を用い、試料の逆格子空間マップを測定した。この結果、結晶の格子定数が連続的に変化していることが予測されるという。また、これとは別の測定結果を組み合わせることで、Si基板から表面に向かって、少しずつGeの量が増えていることが分かった。最表面でのGe組成は約90％で、化合物半導体のエピタキシャル成長用基板として、Geと同等の機能を持つと予測した。

X線による逆格子空間のマップ測定結果 出所：名古屋大学他

　研究グループは今後、大面積化や化合物半導体の薄膜成長などに取り組む予定である。

　今回の研究は、名古屋大学大学院工学研究科の福田啓介博士前期課程学生（研究当時）、宮本聡特任講師、宇佐美徳隆教授と、大阪大学大学院工学研究科・東洋アルミニウム半導体共同研究講座のダムリン マルワン特任教授（東洋アルミニウムシニアスペシャリスト）、東北大学金属材料研究所の藤原航三教授、奈良先端科学技術大学院大学の浦岡行治教授らが共同で行った。