利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.03】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24BA0013

利用課題名 / Title

ガラス基板上へのBaSi2膜の堆積と評価

利用した実施機関 / Support Institute

筑波大学 / Tsukuba Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）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

キーワード / Keywords

薄膜太陽電池, ラマン分光,光デバイス/ Optical Device,エリプソメトリ/ Ellipsometry,ダイシング/ Dicing,太陽電池/ Solar cell,電子分光/ Electron spectroscopy


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)

末益 崇

所属名 / Affiliation

筑波大学数理物質系

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

Rui DU,佐藤 匠,林 洸希

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

谷川　俊太郎,俵　妙,岡野　彩子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

BA-020：顕微ラマン
BA-019：分光エリプソメータ
BA-026：多機能走査型X線光電子分光分析装置（XPS/UPS）
BA-007：ウェハーダイシングマシン


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

資源が豊富なBaとSiで形成されるBaSi2をベースとした新規半導体材料は、薄膜太陽電池や熱電材料の新しい材料として期待されている[1]。これまでの研究で、単結晶Si基板上に堆積したBaSi2/Siヘテロ接合構造において、エネルギー変換効率約10 %を達成している[2]。本研究では、Si基板から脱却し、真に薄膜太陽電池を実現するため、ガラス基板上に裏面電極として多結晶TiN膜を堆積し、その上に、基板温度を変えてRFスパッタ法で形成したBaSi2膜について分光感度特性を評価し、基板温度が光学特性に与える影響を調査した。

実験 / Experimental

ガラス基板(Corning EAGLE XG Slim, 軟化点温度971 ℃)に、厚さ400 nmのTiN電極をRFスパッタ法で室温で堆積し、その後、基板温度を670 ℃から800 ℃まで上げて、膜厚350 nmのBaSi2膜をヘリコン波スパッタ法で堆積した。堆積の際、BaSi2とBaの2つのターゲットを同時にスパッタした。試料表面の酸化を防ぐため、厚さ3 nmのa-Si層を室温で堆積した。試料の評価をRaman分光法で行った。

結果と考察 / Results and Discussion

  図1に、基板温度が670 ℃(SO1)、700 ℃(SO2)、750 ℃(SO3）、さらに、a-SiC/TiN上に750 ℃で堆積したSO4のRamanスペクトルを示す。全ての試料から、BaSi2のSi四面体に由来する振動モードのみが観察された。このことから、非晶質のa-SiC層上にも結晶性のBaSi2膜が形成できたといえる。断面EM観察時の電子線回折像から、TiN層とBaSi2膜は多結晶であることが確認されている[3]。なお、基板温度800 ℃の試料では、分光感度が得られなかった。
  図2に、490 cm-1付近のAgモードのピークについて、半値全幅の基板温度依存性を示す。基板温度の上昇とともに半値全幅が小さくなっており、結晶性が向上したといえる。この結果から、ガラス基板上のBaSi2膜の堆積温度は750 ℃付近が相応しいといえる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


図1 Ramanスペクトルの堆積温度依存性



図1 堆積した試料のRamanスペクトル



図2 Agモードピークの半値全幅の基板温度依存性



図2 Agモードピークの半値全幅の基板温度依存性


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

(参考文献)
[1]T. Suemasu and D. B. Migas, Physica Status Solid A 219, 2100593 (2022).
[2] S. Yachi, R. Takabe, K. Toko, and T. Suemasu, Appl. Phys. Lett. 109, 072103 (2016). 
[3] T. Sato, J.-M. Mouesca, A. Barra, D. Gourier, M. Imai, T. Suemasu, and S. Gambarelli, Acta Materialia 278, 120230 (2024).


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)
  1. Rui Du, Formation of High-Photoresponsivity BaSi2 Films by Radio-Frequency Sputtering and Evaluation of a BaSi2/TiN/Glass Heterojunction by Transmission Electron Microscopy, ACS Applied Materials & Interfaces, 16, 52595-52603(2024).
    DOI: 10.1021/acsami.4c06859
  2. Takuma Sato, Point defects in BaSi2 identified and analyzed by electron paramagnetic resonance, photoluminescence and density functional theory, Acta Materialia, 278, 120230(2024).
    DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120230
  3. Abdul Rahman Mohmad, Investigation of defects in BaSi2 thin film on Si prepared by co-sputtering technique, Journal of Luminescence, 275, 120797(2024).
    DOI: 10.1016/j.jlumin.2024.120797
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 佐藤　匠, Du Rui, 林　洸希, 幸田　陽一朗, 召田　雅実, 都甲　薫, 末益　崇 " スパッタ法によるBaSi2/n+-Siヘテロ接合型太陽電池の作製 " 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 17p-B1-3, 新潟, 令和6年9月17日
  2. Nurfauzi Abdillah, Yuka Fukaya, Kaoru Toko, Takashi Suemasu " Improvement of Carrier Concentration of As-doped BaSi2 Grown by Molecular Beam Epitaxy ", 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 17p-B1-2, 新潟, 令和6年9月17日
  3. 林 洸希, 佐藤 匠, Du Rui, 幸田 陽一朗, 召田 雅実, 都甲 薫, 末益 崇 " BaSi2太陽電池への応用に向けたスパッタ法によるHTLの導入 " 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 17p-B1-4, 新潟, 令和6年9月17日
  4. 深谷 友香，Nurfauzi Abdillah，都甲 薫，末益 崇 " BaSi2太陽電池への応用に向けた HTL/BaSi2構造の作製と評価" 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 17p-B1-5, 新潟, 令和6年9月17日
  5. 梶原君円, 石山隆光, 都甲薫, 幸田陽一朗, 召田雅実, 本多周太, 末益崇 "熱電応用に向けたAgBa2Si3の成膜と第一原理計算によるドーパントの探索" 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 16p-B1-6, 新潟, 令和6年9月16日
  6. 佐藤 匠、幸田 陽一朗、召田 雅実、都甲 薫、末益 崇 "スパッタ法で作製した多結晶BaSi2膜へのBイオン注入による伝導型制御および太陽電池作製" 2024年度日本太陽エネルギー学会若手研究発表会, No. 1, オンライン, 令和6年7月31日
  7. 佐藤　匠, Du Rui, 林　洸希, 幸田　陽一朗, 召田　雅実, 都甲　薫, 末益　崇 " スパッタ法によるB-ion-implanted p-BaSi2膜を用いた太陽電池の作製 " 第21回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム（第4回日本太陽光発電学会学術講演会）, PC-11, 広島, 令和6年7月11日
  8. 林　洸希, 佐藤　匠, 幸田　陽一朗, 召田　雅実, 都甲　薫, 末益　崇 " BaSi2太陽電池の高効率化に向けたMoOx膜の検討 " 第21回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム（第4回日本太陽光発電学会学術講演会）, PC-14, 広島, 令和6年7月11日
  9. 深谷 友香，青貫 翔，都甲 薫，末益 崇 " BaSi2太陽電池への応用に向けた HTL の作製と評価 " 第21回「次世代の太陽光発電システム」シンポジウム（第4回日本太陽光発電学会学術講演会）, PC-12, 広島, 令和6年7月11日
  10. Takumi Sato, Rui Du, Koki Hayashi, Yoichiro Koda, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu " Formation of novel BaSi2 light absorber layers on n+-Si electron transport layers by RF sputtering " 35th International Photovoltaic Science and Enginnering Conference (PVSEC-35), Tu2-P42-23, Shizuoka, Nov. 12 (2024).
  11. Yuka Fukaya, Nurfauzi Abdillah, Kaoru Toko, Takashi Suemasu " Increase in oxygen composition x of MoOx HTL in MoOx/BaSi2 heterostructures by introduction of a-Si:H interface layers for BaSi2 solar cells " 35th International Photovoltaic Science and Enginnering Conference (PVSEC-35), Tu2-P42-31, Shizuoka, Nov. 12 (2024).
  12. Koki Hayashi, Takumi Sato, Rui Du, Yoichiro Koda, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu " Effect of O2-to-Ar gas flow ratio on the properties of sputter-deposited MoOx HTL and its application to BaSi2 solar cells " 35th International Photovoltaic Science and Enginnering Conference (PVSEC-35), Tu2-P42-36, Shizuoka, Nov. 12 (2024).
  13. Rui Du, Haruki Takenaka, Takumi Sato, Yoichiro Koda, Masami Mesuda, Kaoru Toko, Takashi Suemasu " Formation and defect analysis of BaSi2/a-SiC/TiN/SiO2 heterojunctions deposited at high temperature by sputtering " IEEE PVSC 52, B9-#51, Seattle, America, June. 10 (2024).
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

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