シリコンウエハ全面に光機能性ナノワイヤを大容量集積――大出力太陽電池などへの応用に期待北海道大学ら

北海道大学は2023年2月7日、東京大学および愛媛大学との共同研究グループが、発光／受光機能に優れるガリウムヒ素系半導体ナノワイヤをシリコンウエハ全面に大容量で集積することに成功したと発表した。

周期表のIII属とV族の元素を組み合わせたIII-V族化合物半導体は、光電変換機能や電子移動度の高さからLEDやレーザー、センサーなどに用いられている。

III-V族の結晶は通常、構成層の熱膨張係数差によりシリコン基板上でのエピタキシャル成長が困難だった。ただし、小さな開口部から針状結晶を形成させるナノワイヤでは、エピタキシャル成長が可能となる。

大量にナノワイヤを合成するにあたり、有機金属気相エピタキシーや分子線エピタキシーといった手法は、ワイヤ形成向けの微小開口部形成のためのリソグラフィーおよび微細パターン事前形成が必要となることや、結晶形成条件などの制約により一般的に不向きとされていた。

同研究チームは今回、市販の2インチシリコン（111）ウエハを基板に、分子線エピタキシー法を用いてナノワイヤを作製した。

ガリウムヒ素結晶を成長させるために用いる構成元素のガリウムそのものを、結晶の核生成や成長を促進する触媒として使用すべく、シリコンウエハ上にガリウム液滴を形成した。

結晶が生成する基板の温度や供給する金属元素の蒸気圧、装置内圧力などを検討した結果、適切な条件下においてウエハ全面で高密度のナノワイヤが均質に出来上がることが判明した。

また、ガリウムヒ素ナノワイヤを形成した後、光や電子閉じ込め効果の高いアルミニウムガリウムヒ素で周囲を覆うことで、内部のガリウムヒ素部分の電子が外部に流出せずに良好に機能することを確認した。

加えて、空気に触れるワイヤの表面において、自然に酸化した膜が保護層となるよう構造設計した。ワイヤ表面を長期間保護し、光特性の向上に寄与する。

今回形成したワイヤは、アルミニウムガリウムヒ素の外殻がガリウムヒ素内部のコアを覆う「GaAs／AlGaAsコア-シェルナノワイヤ」だ。長さ約6µm、直径約250nm。密度はおよそ5000万本/cm²で、2インチ基板全体でおよそ7億本に相当する。将来的にはデバイス構造の形成も可能になるという。

ナノワイヤによる光散乱と吸収により可視波長の反射率が2％未満となっており、元のシリコンウエハの鏡面状態から黒く見えるように変化している。市販のガリウムヒ素基板と同レベル、あるいはそれ以上の発光強度を有するほか、発光波長がウエハ全体で均質となった。

ナノワイヤ群では、効率的な光吸収の促進効果も得られた。太陽電池の大出力化や、シリコンテクノロジーへの安価かつ高機能な光機能付加に寄与することが期待される。

シリコンウエハ全面に光機能性ナノワイヤを大容量集積――大出力太陽電池などへの応用に期待　北海道大学ら