研究内容 Research

研究紹介ポスター(2019年作成、オープンキャンパス用)をこちらからダウンロードできます。

当研究室では、以下の研究を行っています。

(1) 簡便・高速な真空蒸着法による高品質BaSi2薄膜の結晶成長
(2) BaSi2ベース薄膜太陽電池の開発
(3) 新規成膜法の開発

詳細については、以下をご覧下さい。

Our current research topics are followings.

(1) Crystal growth of high-quality BaSi2 thin films by a thermal evaporation technique.
(2) Thin-film solar cells using BaSi2.
(3) Novel film deposition technique for Zintl-phase compounds.

Please see below for more details.

(1) 簡便・高速な真空蒸着法による高品質BaSi2薄膜の結晶成長 Crystal growth of high-quality BaSi2 thin films by a thermal evaporation technique

 
我々が中心となって開発した真空蒸着によるBaSi2製膜法を用いて、デバイス応用可能な高品質BaSi2薄膜の作製を目標に研究を進めています。
物性評価と構造評価を組み合わせることで、結晶成長という現象の背景にある物理・化学を解明することに重点をおいています。
We are studying the crystal growth of BaSi2 thin films by thermal evaporation in order to produce high-quality evaporated BaSi2 films applicable to photovoltaic devices.
By combining physical property evaluation and structural characterizations, we elucidate the physics and chemistry behind the crystal growth phenomena.
 BaSi2の結晶構造と蒸着膜の構造
図1 BaSi2の結晶構造、BaSi2薄膜の断面画像(SEM)、X線回折(XRD)パターン
Figure 1  Crystal structure of BaSi2, cross-sectional SEM image and XRD patterns of BaSi2 films.

 

[代表的論文 Related publications]

1. K. O. Hara, Y. Nakagawa, T. Suemasu, and N. Usami, Realization of single-phase BaSi2 films by vacuum evaporation with suitable optical properties and carrier lifetime for solar cell applications, Japanese Journal of Applied Physics 54 (2015) 07JE02.
2. K. O. Hara, K. Arimoto, J. Yamanaka, and K. Nakagawa, Diffusion process in BaSi2 film formation by thermal evaporation and its relation to electrical properties, Journal of Materials Research 33 (2018) 2298 Invited Feature Paper.
3. K. O. Hara, K. Arimoto, J. Yamanaka, and K. Nakagawa, Thermodynamic analyses of thermal evaporation of BaSi2, Japanese Journal of Applied Physics 59 (2020) SFFA02.

 

(2) BaSi2ベース薄膜太陽電池の開発 Thin-film solar cells using BaSi2

 
p型SnS/n型BaSi2へテロ接合構造など新しい革新的な太陽電池構造を提案し、その実現に向けて研究しています。
理論計算によれば、SnS/BaSi2構造では、24%を越える高効率太陽電池が現実的な想定で実現可能です。
これまでに、緻密なSnS/BaSi2ヘテロ接合をSi基板上に作製することに成功し (図2)、わずかですが発電を確認しています。
 
We are proposing new innovative solar-cell structures such as p-type SnS/n-type BaSi2 heterojunction, and doing research to bring them into reality.
According to theoretical calculations, SnS/BaSi2 solar cells can achieve a high conversion efficiency exceeding 24%.
So far, we have succeeded in fabricating dense SnS/BaSi2 heterojunction structures, as shown in Figure 2, and have observed slight power generation.
 
 
図2 作製した緻密なSnS/BaSi2ヘテロ接合構造
Figure 2  Dense SnS/BaSi2 heterojunction structure fabricated by thermal evaporation.
 

[代表的論文 Related publications]

1. K. O. Hara, K. Arimoto, J. Yamanaka, and K. Nakagawa, Fabrication of SnS/BaSi2 heterojunction by thermal evaporation for solar cell applications, Japanese Journal of Applied Physics 58 (2019) SBBF01.
2. K. O. Hara, K. Arimoto, J. Yamanaka, and K. Nakagawa, Interface reaction of the SnS/BaSi2 heterojunction fabricated for solar cell applications, Thin Solid Films 706 (2020) 138064.
 

(3) 新規成膜法の開発 Novel film deposition technique for Zintl-phase compounds

Baのように電気的陽性の強い元素と半導体または半金属元素は、Zintl相と呼ばれる分子イオンを含む化合物を形成することがあります。中でも、アルカリ土類金属と14族元素の化合物には、BaSi2だけでなく、2次元物質シリセン、ゲルマネンの前駆体として注目されるCaSi2、CaGe2や、高いゼーベック係数をもつSrSi2などの興味深い物質があります。
我々は、高い結晶配向性を持つ薄膜をランプ加熱装置を用いて簡便かつ高速に成膜する新技術「近接蒸着法」を開発し、これまでにBaSi2、CaSi2、CaGe2の成膜に成功しました(図3)。
半導体ウェハーの標準的な熱処理装置を用いて成膜が可能であるため、大面積成膜が原理的に可能です。
 
Zintl-phase compounds include interesting substances such as BaSi2 (photovoltaic), CaSi2 (precursor of 2D silicene), CaGe2 (precursor of 2D germanene), and SrSi2 (high Seebeck coefficient).
We are developing a novel film deposition technique, “Close-Spaced Evaporation”, and have succeeded in fabricating highly oriented BaSi2, CaSi2, and CaGe2 films in a conventional rapid thermal annealing (RTA) furnace (Figure 3).
 
 
図3 近接蒸着によるBaSi2成膜の模式図と膜の構造
Figure 3  Schematic picture of close-spaced evaporation of BaSi2 films and the structure of fabricated films.
 

[代表的論文 Related publications]

1. K. O. Hara, S. Takizawa, J. Yamanaka, N. Usami, and K. Arimoto, Reactive deposition growth of highly (001)-oriented BaSi2 films by close-spaced evaporation, Materials Science in Semiconductor Processing 113 (2020) 105044.