スパッタ方式による ナノワイヤ大量生産法手法 Si ナノワイヤ太陽電池などへの応用を目指して 京都大学工学研究科航空宇宙工学専攻教授斧高一助教太田裕朗
研究背景 米国を中心に ナノワイヤ合成に関する研究が盛んに行われている すでに デバイス応用の研究が行われている Si ナノワイヤ太陽電池 (General Electric, 2007) VLS* による合成とデバイス試作 Si/SiGe ナノワイヤ熱電素子 (UC Berkeley, 2003) VLS* による合成と熱伝導率測定 * 世界初のナノワイヤ太陽電池 *VLS: Vapor-liquid-solid 法
ナノワイヤの特徴 半導体ナノワイヤ / 無機ナノワイヤ 1 次元ナノ構造体である 単結晶構造を有する 電気特性が直径 ドーピングによって変わる ボトムアップ法により合成できる ( 化学組成 長さ 直径 ドーピングなどのキーパラメータを合成時に制御できる ) VLS 成長で得られた Si ナノワイヤ Phys. Rev. Lett., 96, 096105 (2006).
ナノワイヤとその応用例 MATERIAL Silicon Germanium Tin Oxide Indium Oxide Indium Tin Oxide Zinc Oxide Copper Oxide Wide Bandgap Nitrides (GaN) Boron Nitride Indium Phosphide Zinc Selenide Copper, Tungsten APPLICATION Electronics, sensors Electronics, IR detectors Chemical sensors Chemical sensors, biosensors Transparent conductive film in display electrodes, solar cells, organic light emitting diodes UV laser, field emission device, chemical sensor Field emission device High temperature electronics, UV detectors and lasers, automotive electronics and sensors Insulator Electronics, optoelectronics Photonics (Q-switch, blue-green laser diode, blue-uv photodetector) Electrical interconnects
Si ナノワイヤ太陽電池 2008/1 3 月の間 APLダウンロードランク1 位 非常に注目されている Appl. Phys. Lett. 91, 233117 (2007) stainless steel 上に Si ナノワイヤを成長 Si 使用量の激減! いきなりデバイス化された 効率 10%! 注目点 : VLS 法による合成 まだ大量生産できる段階にはない
Si/SiGe ナノワイヤ熱電素子 Si や SiGe nanowire の熱伝導率を実験で測定 Thermoelectric figure of merit, ZT 25 20 15 10 5 ZT = S 2 T/ρ k > 1, S : Seebeck coefficient ρ : electrical resistivity k : thermal conductivity T : absolute temperature n-doped p-doped ナノワイヤーの効果で熱伝導率が下がる Appl. Phys. Lett. 83, 3186 (2003) Nature 451, 163 (2008) 0 0 10 20 30 wire width (nm) 注目点 : ZT>3 で熱電変換素子として使える ( 現在 ZT>1 理論的には ZT=3 5 が可能 )
GeTe/GeSbTe ナノワイヤ PRAM バルク GeTe T m ~ 725 o C ナノワイヤ GeTe T m ~ 390 o C ナノワイヤーの効果で融点 T m が下がる上電極 PCM 薄膜 PCM ナノワイヤ 薄膜 PRAM 下電極 *PCM: Phase change material ナノワイヤ PRAM 注目点 : PCM にナノワイヤを使うことにより 融点 活性化エネルギーが低下し 低消費電力 PRAM が実現できる
ナノワイヤが応用されうるデバイス 高密度 高効率エネルギー変換 / ストレージ 太陽電池 熱電素子 高密度データストレージ PRAM (Phase-change RAM) *RAM: Radom access memory 高感度センサ 化学センサ バイオセンサ 高速 大容量 CPU Nanowire-based FET *CPU: Central processing unit *FET: Field effect transistor 高速 大容量光コネクション 発光ダイオード レーザ 光検出器
VLS (Vapor-Liquid-Solid) 法 金属触媒を利用したナノワイヤ合成手法 メタル 液体状のメタル (Liquid) 原料供給 (Vapor) 原料はここに取り込まれる 基板 基板を加熱 基板側に結晶化する (Solid) VLS 成長で得られた Si ナノワイヤ Phys. Rev. Lett., 96, 096105 (2006).
従来技術 ( ファーネスによる少量合成 ) ( ファーネス /furnace の一般的な例 ) 1 ゾーンファーネス 原料ガス 低温部 ~500K 排気 溶けたメタル触媒 2 ゾーンファーネスナノワイヤ成長 キャリアガス 原料が気化 排気 高温部 ~1000K 従来技術の問題点 低温部 ~500K 大口径化できない
プラズマ 新技術 ( 特許出願 ) 発明の名称 : ワイヤー状構造をもつ半導体の製造方法及び製造装置 スパッタリング 500-800K 原料供給 プラズマによるスパッタリングで原料供給する VLS 法の基本特許を出願済み Si Si 500-800K Si, Ge, SiGe ターゲット メタル触媒 基板 大口径化 均一化に向く 気相で供給しにくい物質も固体ソースで供給可 液晶パネル 太陽電池製造用の大型 PECVD スパッタを転用可能!
新技術の特徴 従来技術との比較 ナノワイヤ合成およびデバイス応用研究 従来手法ファーネス +VLS 法 特徴 少量合成 原料供給 ガス供給 ( 有毒 危険 ) 固体を気化 ( 要高温 ~1000K) 新技術スパッタ +VLS 法 特徴 基板大口径化や大量生産に向く LSI 製造工程に整合 液晶パネル 太陽電池製造用の大型 PECVD スパッタ装置を転用可 原料供給 固体ソース ( ガス供給できない物質 物質難反応性の物質も合成可能 )
想定される用途 本技術により Siナノワイヤの大量生産が可能となり ( 基板大口径化を含む ) ナノワイヤ太陽電池やナノワイヤ熱電素子の実用化に大きく貢献する 本技術は LSI 製造工程への整合性がよく ナノワイヤ FET やナノワイヤ PRAM 製造 にも適している
想定される用途 ( 続き ) Si ナノワイヤ太陽電池は 次世代太陽電池技術の候補となる Si 使用量 多い 1 ~1/5 ~1/100 0 少ない 多結晶 Si 型単結晶 Si 型球状 Si 型リボン Si 型薄膜 Si 型ナノワイヤ Si 型色素増感型 CIS 型 10% 15% 太陽電池モジュール変換効率 *CIS: Cu-In-Ga-Se
想定される業界 想定されるユーザー 太陽電池製造メーカー太陽電池用製造装置メーカー 想定される市場規模 ナノワイヤ太陽電池が実用化されれば 一般的な太陽電池市場の予測に従う
実用化に向けた課題 現在 本技術検証のための実験装置を製作中であり 近く完成する 今後 Si, Ge, SiGe などのナノワイヤ製造の実験的検証を行い 最適条件設定を行っていく 実用化に向けて 大口径装置の開発も必要である
企業への期待 半導体プロセス装置メーカーと 実用装置の共同開発を希望 また デバイスメーカーと デバイス試作 ( 太陽電池 熱電素子 PRAM など ) の 共同研究を希望 ナノワイヤ応用デバイスを開発中の企業には 本技術の導入が有効と思われる
本技術に関する知的財産権 発明の名称 : ワイヤー状構造をもつ半導体の製造方法及び製造装置 出願番号 : 特願 2008-167172 出願人 : 発明者 : 京都大学 太田裕朗 斧高一
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