【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.18】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT0037
利用課題名 / Title
Ge基板を用いたGaAs系太陽電池の機械的剥離の研究開発
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
化合物半導体/ Compound semiconductor, 光露光（ステッパ）/ Optical exposure (stepper), プラズマエッチング/ Plasma etching,太陽電池/ Solar cell,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
大島 隆治
所属名 / Affiliation
産業技術総合研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
范 文博
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
増田 賢一
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
超高効率III-V族多接合太陽電池は、製造コストが高く応用が宇宙衛星や集光設備に限られている。近年、製造コスト低減技術開発が活発であり、特に全体コストの中で高い割合を占める基板コストの低減に効果的な手法として基板再利用技術が注目されている。本研究では、GaAsと格子整合するGe基板の再利用技術に着目した。Ge基板上にサブミクロン径のホールパターンの形成と適切なアニール処理により、Ge基板上にボイド層と再表面のGeホイル層を形成することができ、この構造はGermanium-on-Nothing (GON)構造と呼ばれる[1, 2]。この構造によりエピタキシャル成長したGaAs系セルを機械的剥離することができ、使用したGe基板を再度利用することにより大幅に製造コストが低減できる。本研究では、サブミクロン径かつ高アスペクト比のホールパターンを形成するために、産総研ナノプロセンシング（NPF）施設のi線露光装置を利用した。
実験 / Experimental
AIST-NPFのi線露光装置を用いて2インチGe(001)基板上の3.5 mm角のプロセス領域内に直径1.0 umの円を格子状に配列したパターンをレジストに描画した。3.5 mm角のプロセス領域はピッチ幅1.5 mmで基板全面に配列させた。その後、深掘反応性イオンエッチング（DRIE）装置を用いたBoschプロセスにより異方性エッチングを行った。エッチング深さはBoschプロセスのサイクル数により制御した。エッチング後、レジストを除去し、水素雰囲気下で900度、3時間でアニールすることによりGON構造を形成した。アニール前後の試料の断面構造は走査型電子顕微鏡（SEM）により観察した。
結果と考察 / Results and Discussion
Fig. 1に異なるアスペクト比で作製した試料のアニール前後の断面SEM像を示す。アニール前のSEM像から、レジストの設計通りの直径1.0 um、ピッチ1.6 umのホールパターンが形成されていることを確認した。また、本実験ではアスペクト比を6.1から10.8の間において、異方性の低下が生じないことが分かった。アニール後の断面SEM像から、アスペクト比が8.1から9.8において平坦なGON構造が形成されることを見出した。一方で、アスペクト比が6.1の場合、ホール深さが浅いためにGeホイル層下には楕円状のボイドが形成された。この場合はGeホイル層との接合面が多数存在するために、Geホイル層の剥離が困難であった。また、アスペクト比が10.8の場合、ホール深さが深いことによりアニール時のGe原子の拡散距離が長くなるため、ボイド層下のGe基板にエッチング構造が残留しラフネスが大きくなった。このような構造は、基板再利用時には基板を化学機械研磨（CMP）が必要になるなど、コスト低減の目的に対して不利となる。Fig. 2は、微粘着フレキシブルシートを用いてGeホイル層を転写した際の写真である。剥離する際に印加する荷重が最適化されていないために周辺部にクラックが発生したが、基板全面での剥離・転写が可能であることを確認した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 異なるアスペクト比で作製した試料のアニール前後の断面SEM像
Fig. 2 微粘着フレキシブルシートに転写したGeホイル層
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[1] S. Park et al., Joule 3, 1782-1793 (2019). [2] V. Depauw et al., Prog. Photovolt. 31, 1315-1328 (2022).
本研究は、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号：24AT0037）の支援を受けた。AIST-NPFスタッフ増田賢一様には、i線露光装置の使用および露光条件の改善に関して多大なるご協力を賜りました。心より厚く御礼申し上げます。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 范文博, 他, 第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟）, 令和6年9月, 18p-B1-20
- W. Fan, et al., 35th International Photovoltaic Science and Engineering Conference （静岡）, 令和6年11月, We2f-O43-03（Student award受賞）
- 范文博, 他, 第72回応用物理学会春季学術講演会（千葉）, 令和7年3月, 16p-P15-1
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件