2021 Fiscal Year Research-status Report
Fabrication of visible-light-transparent flexible IoT sensors using oxide semiconductors
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21K04696
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
杉山 睦 東京理科大学, 理工学部電気電子情報工学科, 教授 (40385521)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | NiO / 透明半導体 / フレキシブルデバイス / 酸化物半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ワイドバンドギャップ酸化物半導体の特長を活かした、透明太陽電池から電力供給する透明IoTデバイスを試作し、「超安価な完全独立透明フレキシブルIoTセンサ」を実現するための要素技術研究と、フレキシブルデバイス固有の欠陥や長期間使用時の劣化など、半導体中の欠陥生成・抑制メカニズムの解明を並行して実施することを目的としている。本研究は、工学的に透明・フレキシブル・外部電源不要なデバイスを提案するとともに、理学的にフレキシブル酸化物半導体の欠陥物性を明らかにすることで、欠陥抑制・デバイス長寿命化に貢献するものであるが、2021年度は主として、透明な太陽電池・センサのプラスチック系基板上への作製と、各種ワイドバンドギャップ酸化物半導体の半導体物性解明に関する研究を行った。これらの課題に対して、RFスパッタ・スプレー熱分解法と、２種類の成膜方法で高品質なNiO薄膜を成膜でき、透明太陽電池や二酸化炭素センサーなどを試作することができたなど、多くの研究成果を得ることができ、２編の査読付き英文論文発表、１件の国際学会招待講演発表、10件の国内学会発表と、多くの成果を外部発信することができた。
IoT社会実現のため、電源と各種センサ・ICがモノリシック化したデバイスの研究が盛んであるが、「電源まで含めてすべて透明・薄膜」というデバイスの提案は国内外ともに皆無である。今回提案するIoTデバイスの環境では、紫外線・高温・高湿度など厳しい環境であり、モノリシック化させ安定的に使用するためには、ワイドギャップ酸化物半導体で作製することが独創的かつ重要である。
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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
これまで高軟化温度のガラス上にスパッタ成膜し作製してきた各種透明デバイスであるが、軟化温度が低いプラスチック系基板では、成膜温度や基板と半導体との付着性、湾曲時に生じる欠陥の抑制技術などの課題が生じる。これらを解決するために、2021年度は以下の３つの研究を行った。
(1) スパッタ装置を改造し、原料分子の運動エネルギーを高くして基板に衝突させられるようにすることで、基板温度を低く保ちながら結晶品質が高いワイドギャップ酸化物半導体NiOやSnO2を成膜することができた。また、膜質の比較を、ガラス基板上に堆積した多結晶薄膜や、MgOやサファイア上に堆積したエピタキシャル薄膜との間で行った。
(2) 非真空・低温で成膜可能なスプレー堆積装置の立ち上げと、導電性NiOの成膜を行った。得られた膜に対しスパッタ成膜した薄膜との結晶品質を比較した。
(3) 湾曲時に生じる欠陥種の判別・定量化（XRD, SEM,TEMなどの構造特性、PL,透過,ラマンなどの光学特性評価）、および材料固有およびプラスチック基板上の欠陥低減技術検討(Hall,CV,JVなどの電気特性評価)を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、自ら発電した電力で動作する各種センサ等を融合した、超安価な透明フレキシブルIoTセンサの基幹技術を、材料からデバイスまで一貫して提案するプロセス開発と、フレキシブルデバイス固有の欠陥や長期間使用時の劣化など、半導体中の欠陥生成・抑制メカニズムの解明する事が目的である。2022年度は、21年度までの研究を引き続き行うのと並行して、透明フレキシブルIoTデバイスのモノリシック化と欠陥物性解明に関する研究を推進することとする。
モノリシック化することで、フレキシブルで上層・下層と整合した、絶縁層や透明配線電極の検討、作製プロセス中に生じる、欠陥生成や界面における相互拡散の抑制、積層化による透過率低下抑制や下層デバイスの動作最適化、などの課題が生じる。通常のIoTデバイスと異なり、絶縁層や電極もすべて透明な金属酸化物を用いるが、各材料の格子定数や熱膨張係数が全て異なるので、これらを緩衝させるような絶縁層・電極層の材料・堆積プロセスの最適化が重要な鍵となる。また薄膜の積層化に伴い、透過率の減少や元素の相互拡散によるデバイスの劣化が生じる。デバイス積層化と並行して行う各種評価により各層界面の欠陥に関する知見を、作製プロセスにフィードバックさせる。
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