2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of a harmless flexible diode to humans using by oxide semiconductors and application of rectenna circuits
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21K04203
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
前元 利彦 大阪工業大学, 工学部, 教授 (80280072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
和田 英男 大阪工業大学, 公私立大学の部局等, 教授 (90846320)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | フレキシブルデバイス / フレキシブルダイオード / 酸化物半導体 / ワイドバンドギャップ / 酸化亜鉛 / エナジーハーベスティング / レクテナ / 整流特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は人体に安全な透明ワイドバンドギャップ酸化物半導体である酸化亜鉛（ZnO）に注目して、エナジーハーベスティングデバイスを実現するための薄膜成長技術ならびに加工技術の確立、フレキシブルダイオードを用いた整流回路の実現とアンテナ設計、RF-DC変換効率の評価と特性改善を行うことで、基礎科学分野の開拓と工学的応用を目指すものである。将来的には、電磁波を直流電流に整流変換するレクテナ（Rectifying Antenna）デバイスへ利用することで、無線LANのような微弱電波や微小マイクロ波エネルギーを高効率で電波から直流電流に常時変換できるエナジーハーベスティング回路への応用を目指す。
2021年度はフレキシブル基板上への酸化物薄膜の作製と高移動度化を図るため、まず酸化物薄膜となるZnOおよびAl添加ZnOの極薄プラスチック基板への形成とともに、成膜条件の最適化を進め、特性の向上を図った。今までプラスチックなどのフレキシブル基板へ結晶性の酸化物を直接形成するとクラックなどが生じることからシリコン酸化膜バッファ構造を採用していたが、より非晶質なアモルファス層を導入することでバッファ層なしでも直接酸化物薄膜をポリマー基板上に形成可能であることを見出した。これらの成果をもとに、今後はより平坦で高い電子移動度を持つ酸化物積層構造を検討する。
他方、フレキシブル化のために曲げ耐性試験やデバイス特性の劣化メカニズムについて詳しく調査した。5mmの曲率半径で繰り返しの曲げ試験においても2端子デバイスの電気抵抗は安定していたことから、酸化物/ポリマー構造は有機材料並みの柔軟性を有することが分かった。酸化物半導体フレキシブルダイオードの形成において有用な成果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
フレキシブル基板上への酸化物薄膜の作製と高移動度化を図るため、酸化物薄膜となるZnOおよびAl添加ZnOの極薄プラスチック基板への形成技術の開発とともに、成膜条件の最適化を進め特性の向上を図った。まず、パルスレーザーアブレーション法を用いて、フレキシブル基板上へ室温で酸化物薄膜の成長を行い、10,000回の繰り返し曲げ測定を行った。リアルタイム2端子電気抵抗特性、低角入射X線回折による結晶性評価、ナノインデンテーションによる機械的特性を評価し、それらを関連付けて議論した。その結果、結晶化度の高い薄膜では曲げ耐性が弱く、一方でアモルファスな薄膜で曲率半径が小さくまた繰り返しの曲げ、凹凸の曲げ方向にも依存せず、繰り返しの曲げに対して高い耐性を有することが明らかになった。このように電気特性、結晶性、機械特性を関連付けて議論した研究報告は殆どなく、酸化物フレキシブルデバイス開発に向けた意義ある知見が得られている。
また、酸化物薄膜をレクテナデバイスへと展開するために、デバイスプロセスについても検討した。ガラス上やポリマー基板上に作製された酸化亜鉛薄膜を室温プロセスにより薄膜トランジスタに加工し、諸特性の評価を行った。高いフレキシブル性の確認とともに、閾値電圧の制御と酸化物チャネル膜厚の最適化が可能となり、ゲート制御型のレクテナ開発にも有効であると思われる。これまで得られた知見をもとに次年度はポリマー基板上への酸化物薄膜を用いたレクテナ構造を試作していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の成果をもとに、2022年度はフレキシブル基板上に様々な金属/酸化物（ショットキー）接合を実現し、ダイオード特性を評価する。立ち上がり電圧の低電圧化や整流比の改善も視野に置き、様々な接合面積のデバイスを作製する。電流―電圧特性などの直流での評価とともに高周波数応答特性などについても詳しく調べ、優れた整流デバイスが得られるよう、プロセスにフィードバックを行いながら、レクテナ開発を進める。
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| Causes of Carryover |
おおむね順調に研究が進展しており、消耗品などの消費が想定内に収まっていたためであり、2022年度はデバイス作製が研究の中心となることから、基板などの購入に有効に利用したいと考えている。また、セラミック材料や有機溶剤は消費期限もあり、研究の進捗に合わせて購入していく必要があるため、できるだけ適切な時期に購入し使用していきたいと考えている。研究課題において使用する基板材料や光学機器、電気計器などは昨今の半導体不足の影響もあり納期が長期にわたることから、研究に支障が出ないように時期をよく検討し早めに購入していく予定である。
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