Development of Novel High-Performance Semiconductor Bonding Mediated by Monolayer Materials for the Realization of Ultrahigh-Efficiency Solar Cells

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18H01475
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Tanabe Katsuaki 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60548650)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 半導体接合 / ウェハ貼り合わせ / 単原子層材料 / 機能性材料 / 透明導電酸化物 / 波長変換材料 / 太陽電池 / 光電子デバイス

Outline of Final Research Achievements

We proposed and experimentally demonstrated various novel high-functionality semiconductor wafer bonding technologies. We succeeded in the first-time realization of semiconductor bonding via a monolayer material. We also generated the concept of hydrogel-mediated semiconductor wafer bonding. The unique property of hydrogels was utilized to simultaneously realize high mechanical stability, electrical conductivity, and optical transparency in semiconductor interfaces. Furthermore, a new concept of semiconductor wafer bonding, mediated by optical wavelength conversion materials, is proposed and demonstrated. This bonding and interfacial scheme can improve the performance and structural flexibility of optoelectronic devices, such as solar cells, by allowing the spectral light incidence suitable for each photovoltaic material, and photonic integrated circuits, by delivering the respective preferred frequencies to the optical amplifier, modulator, waveguide, and detector materials.

Free Research Field

電子材料工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ウェハ接合は低結晶欠陥密度の格子不整合ヘテロ構造形成法であり、高品質な半導体素子の作製法として期待されている。本研究では、界面特性として、高い接合強度、導電性、透光性、表面粗さ許容度を同時に達成した。これまでの半導体接合法として、直接接合、酸化物、金属、ポリマー材料を介した接合が存在していたが、これらの特性全てを満たすものはなく、初めてとなる高性能な接合技術である。また、採用した透明導電材料はハイドロジェルやZnOであり、従来のITO等と比較して、コスト、元素埋蔵量、環境負荷といった点で有利である。これらの新規接合技術は今後、多様な高性能光・電子デバイスの低コスト生産に繋がるものと期待される。