JP7698259B2 - SEMICONDUCTOR SOLID-STATE BATTERY AND METHOD FOR DETECTING LEVEL OF SEMICONDUCTOR SOLID-STATE BATTERY - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、半導体固体電池および半導体固体電池の準位判断方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a semiconductor solid-state battery and a method for determining the level of the semiconductor solid-state battery.
近年、電気機器の普及や省エネルギー化の観点から、電力を効率的に活用することが求められている。これに伴い、電気を充放電できる二次電池の開発が進められている。二次電池としては、Liイオン二次電池、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池など様々なものが開発されている。例えば、特開2001-338649号公報(特許文献1)にはLi含有遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いたLiイオン二次電池が開示されている。Liイオン二次電池は、小型化も可能であることから電気機器の電池として活用されている。 In recent years, the spread of electrical equipment and energy conservation have led to a demand for efficient use of electricity. Accordingly, development of secondary batteries that can charge and discharge electricity has progressed. Various types of secondary batteries have been developed, including Li-ion secondary batteries, lead-acid batteries, and nickel-metal hydride batteries. For example, JP 2001-338649 A (Patent Document 1) discloses a Li-ion secondary battery that uses a Li-containing transition metal composite oxide as the positive electrode active material. Li-ion secondary batteries can be miniaturized, and are therefore used as batteries for electrical equipment.
一方、Liイオン二次電池は、電解質を介してLiイオンを出し入れする構成のものである。そのため、液状電解質(電解液)等の電解質を必須とした電池である。鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池も同様に電解液を必須とした電池である。電解液が漏れると火災や爆発の原因となる。このため、Liイオン二次電池では、液漏れを起こさないように密閉構造をとっている。しかしながら、長期使用による劣化、電気機器の使い方、使用環境によって液漏れが発生してしまうといった問題が生じていた。 On the other hand, Li-ion secondary batteries are configured to take in and out Li ions via an electrolyte. Therefore, they are batteries that require an electrolyte such as a liquid electrolyte (electrolytic solution). Lead-acid batteries and nickel-metal hydride batteries are also batteries that require an electrolyte. Leaking electrolyte can cause fires and explosions. For this reason, Li-ion secondary batteries have a sealed structure to prevent leakage. However, problems have arisen, such as deterioration due to long-term use, leakage depending on how the electrical device is used, and the operating environment.
このような液漏れによる不具合を無くすために半導体固体電池の開発が進められている。半導体固体電池はエネルギー準位に電子を捕獲し充電を行うものである。全固体の二次電池とすることができるため、電解液を使う必要がない。 In order to eliminate such problems caused by leakage, development of semiconductor solid-state batteries is underway. Semiconductor solid-state batteries charge by capturing electrons at the energy level. As they can be made into all-solid-state secondary batteries, there is no need to use electrolyte.
半導体固体電池としては、例えば、国際公開第2018/117235号公報(特許文献2)に開示されているものがある。特許文献2では、半導体固体電池は、N型半導体層、絶縁層、P型半導体層の3層構造を有している。特許文献2では、半導体層の捕獲準位を制御することにより、エネルギー密度の向上および電圧ドロップの抑制を行っている。 An example of a semiconductor solid-state battery is disclosed in International Publication No. 2018/117235 (Patent Document 2). In Patent Document 2, the semiconductor solid-state battery has a three-layer structure of an N-type semiconductor layer, an insulating layer, and a P-type semiconductor layer. In Patent Document 2, the energy density is improved and voltage drop is suppressed by controlling the capture level of the semiconductor layer.
本発明が解決しようとする課題は、高容量な半導体固体電池および半導体固体電池の準位判断方法を提供することである。 The problem that the present invention aims to solve is to provide a high-capacity semiconductor solid-state battery and a method for determining the battery level of the semiconductor solid-state battery.
実施形態によれば、P型半導体層と、N型半導体層と、絶縁層とを具備する半導体固体電池が提供される。絶縁層は、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられている。P型半導体層は酸化ニッケルからなり、N型半導体層は酸化チタンからなる。絶縁層は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び絶縁性樹脂からなる群より選択される1つ、或いは2つ以上の4.5eVのバンドギャップを有する材料からなる。P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とし、絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面としたとき、熱平衡の状態もしくは充電前の状態にて、第二の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E1よりN型半導体層の価電子帯上端の準位E2の方が低い。 According to the embodiment, a semiconductor solid state battery is provided that includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer. The insulating layer is provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. The P-type semiconductor layer is made of nickel oxide, and the N-type semiconductor layer is made of titanium oxide. The insulating layer is made of one or more materials having a band gap of 4.5 eV selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and insulating resins. When the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is the first interface, and the interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is the second interface, in a state of thermal equilibrium or before charging, the level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer is lower than the level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface.
他の実施形態によれば、P型半導体層と、N型半導体層と、絶縁層とを具備する半導体固体電池が提供される。絶縁層は、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられている。P型半導体層は酸化ニッケルからなり、N型半導体層は酸化チタンからなる。絶縁層は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び絶縁性樹脂からなる群より選択される1つ、或いは2つ以上の4.5eVのバンドギャップを有する材料からなる。P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とし、絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面としたとき、熱平衡の状態もしくは充電前の状態にて、第一の界面におけるP型半導体層の伝導帯下端の準位E-Iより前記絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIの方が低い。 According to another embodiment, a semiconductor solid state battery is provided that includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer. The insulating layer is provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. The P-type semiconductor layer is made of nickel oxide, and the N-type semiconductor layer is made of titanium oxide. The insulating layer is made of one or more materials having a band gap of 4.5 eV selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and insulating resins. When the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is a first interface, and the interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is a second interface, in a state of thermal equilibrium or before charging, the level E-II of the conduction band lower end of the insulating layer is lower than the level E-I of the conduction band lower end of the P-type semiconductor layer at the first interface.
さらに他の実施形態によれば、半導体固体電池の準位判断方法が提供される。半導体固体電池は、P型半導体層と、N型半導体層と、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備するものである。半導体固体電池において、P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とする。絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面とする。準位判断方法は、第二の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E1及び第二の界面におけるN型半導体層の価電子帯上端の準位E2、及び/又は、第一の界面におけるP型半導体層の伝導帯下端の準位E-I及び絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIを含めた準位を求めるものである。当該準位判断方法では、熱平衡の状態もしくは充電前の状態における準位を求める。当該準位判断方法は、ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することにより準位E1及び準位E2及び/又は準位E-I及び準位E-IIを含む準位を求めることと、外部回路との整合性を確認することにより上記自己整合無撞着ループの計算の収束を判定することと、準位E1と準位E2の高低および/または準位E-Iと準位E-IIの高低を確認することと、を含む。 According to still another embodiment, a method for determining the level of a semiconductor solid-state battery is provided. The semiconductor solid-state battery includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. In the semiconductor solid-state battery, the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is defined as a first interface. The interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is defined as a second interface. The level determination method determines levels including the level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface and the level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer at the second interface, and/or the level E-I of the lower end of the conduction band of the P-type semiconductor layer at the first interface and the level E-II of the lower end of the conduction band of the insulating layer. In the level determination method, the level in a state of thermal equilibrium or a state before charging is determined. The level determination method includes: calculating a self-consistent loop using a Poisson equation and a carrier continuity equation to determine levels including the levels E1 and E2 and/or the levels E-I and E-II; determining the convergence of the calculation of the self-consistent loop by checking the consistency with an external circuit; and checking whether the levels E1 and E2 are high or low and/or whether the levels E-I and E-II are high or low.
特許文献2では、半導体層の内部抵抗を抑制することにより電圧ドロップの値を小さくしている。これにより、電圧が急激に低下することを防いでいる。その一方で、容量の向上には限界があった。この原因を追究した結果、絶縁層と半導体層との界面における価電子帯上端の準位、又は、絶縁層と半導体層との界面における伝導帯下端の準位の制御が必要であることが分かった。 In Patent Document 2, the voltage drop is reduced by suppressing the internal resistance of the semiconductor layer. This prevents a sudden drop in voltage. However, there is a limit to how much capacity can be improved. After investigating the cause of this, it was found that it is necessary to control the level of the upper end of the valence band at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer, or the level of the lower end of the conduction band at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer.
実施形態に係る半導体固体電池では、絶縁層と半導体層との界面における価電子帯上端および伝導帯の下端の準位を制御することにより、高い容量を示すことができる。 In the semiconductor solid-state battery according to the embodiment, high capacity can be achieved by controlling the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer.
[第1実施形態]
第1実施形態によれば、P型半導体層と、N型半導体層と、絶縁層とを具備する半導体固体電池が提供される。絶縁層は、P型半導体層とN型半導体層との間に在る。ここで、P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とする。また、絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面とする。第二の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E1よりN型半導体層の価電子帯上端の準位E2の方が低い。第二の界面において、絶縁層の価電子帯上端の準位E1よりN型半導体層の価電子帯上端の準位E2を低くすることにより、第二の界面に正孔を蓄積することができる。これにより、容量を向上させることができる。
[First embodiment]
According to the first embodiment, a semiconductor solid state battery is provided that includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer. The insulating layer is between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. Here, the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is defined as a first interface. Also, the interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is defined as a second interface. The level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer is lower than the level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface. At the second interface, the level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer is lower than the level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer, so that holes can be accumulated at the second interface. This can improve the capacity.
第二の界面における絶縁層の伝導帯下端の準位E5よりN型半導体層の伝導帯下端の準位E6の方が低いことが好ましい。第二の界面において、絶縁層の伝導帯下端の準位E5よりN型半導体層の伝導帯下端の準位E6の方を低くすることにより、第二の界面に電子を蓄積することができる。上述のとおりE1>E2という関係を満たすことで第二の界面に正孔を蓄積できる半導体固体電池においてE5>E6という関係をさらに満たして第二の界面に電子を蓄積できるようにすることで、半導体固体電池の容量をさらに向上させることができる。 It is preferable that the level E6 of the conduction band minimum of the N-type semiconductor layer is lower than the level E5 of the conduction band minimum of the insulating layer at the second interface. By making the level E6 of the conduction band minimum of the N-type semiconductor layer lower than the level E5 of the conduction band minimum of the insulating layer at the second interface, electrons can be accumulated at the second interface. As described above, in a semiconductor solid-state battery that can accumulate holes at the second interface by satisfying the relationship E1>E2, the capacity of the semiconductor solid-state battery can be further improved by further satisfying the relationship E5>E6 to enable electrons to be accumulated at the second interface.
図1乃至図3を参照して、実施形態に係る半導体固体電池におけるエネルギー準位の関係を説明する。図1は、実施形態に係る半導体固体電池のバンド構造の一例を示す概念図である。また、図2は、実施形態に係る半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係の一例を示すグラフである。図3は、従来の半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係の一例を示すグラフである。 The relationship between the energy levels in the semiconductor solid-state battery according to the embodiment will be described with reference to Figures 1 to 3. Figure 1 is a conceptual diagram showing an example of the band structure of the semiconductor solid-state battery according to the embodiment. Also, Figure 2 is a graph showing an example of the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of the semiconductor solid-state battery according to the embodiment. Figure 3 is a graph showing an example of the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of a conventional semiconductor solid-state battery.
図1に示す半導体固体電池1は、P型半導体層2、絶縁層3、及びN型半導体層4を含んでいる。絶縁層3は、P型半導体層2及びN型半導体層4の間に在る。図1では、P型半導体層2/絶縁層3/N型半導体層4の順を例示したものであるが、P型半導体層2とN型半導体層4は逆であってもよい。 The semiconductor solid-state battery 1 shown in FIG. 1 includes a P-type semiconductor layer 2, an insulating layer 3, and an N-type semiconductor layer 4. The insulating layer 3 is between the P-type semiconductor layer 2 and the N-type semiconductor layer 4. Although FIG. 1 illustrates an example of the order of P-type semiconductor layer 2/insulating layer 3/N-type semiconductor layer 4, the P-type semiconductor layer 2 and the N-type semiconductor layer 4 may be reversed.
以下は、絶縁層3とN型半導体層4の界面を第二の界面とした構造を例に説明する。つまり、第二の界面にキャリア(電子または正孔)を蓄積する半導体固体電池1に関する説明である。 The following describes an example of a structure in which the interface between the insulating layer 3 and the N-type semiconductor layer 4 is the second interface. In other words, this describes a semiconductor solid-state battery 1 that accumulates carriers (electrons or holes) at the second interface.
半導体固体電池1は、P型半導体層2とN型半導体層4との間に絶縁層3を有している。P型半導体層2は、正孔をキャリアとするものである。また、N型半導体層4は電子をキャリアとするものである。また、絶縁層3は、P型半導体層2の正孔とN型半導体層4の電子との再結合を抑制する機能を有している。また、P型半導体層2と絶縁層3との界面を第一の界面、絶縁層3とN型半導体層4との界面を第二の界面とする。 The semiconductor solid-state battery 1 has an insulating layer 3 between a P-type semiconductor layer 2 and an N-type semiconductor layer 4. The P-type semiconductor layer 2 uses holes as carriers. The N-type semiconductor layer 4 uses electrons as carriers. The insulating layer 3 has a function of suppressing recombination between the holes in the P-type semiconductor layer 2 and the electrons in the N-type semiconductor layer 4. The interface between the P-type semiconductor layer 2 and the insulating layer 3 is a first interface, and the interface between the insulating layer 3 and the N-type semiconductor layer 4 is a second interface.
実施形態に係る半導体固体電池では、第二の界面における絶縁層3の価電子帯上端11の準位E1より、第二の界面におけるN型半導体層4の価電子帯上端12の準位E2の方が低い。また、第二の界面における絶縁層3の伝導帯下端25の準位E5より、第二の界面におけるN型半導体層の伝導帯下端26の準位E6の方が低いことが好ましい。 In the semiconductor solid-state battery according to the embodiment, the level E2 of the upper end 12 of the valence band of the N-type semiconductor layer 4 at the second interface is lower than the level E1 of the upper end 11 of the valence band of the insulating layer 3 at the second interface. In addition, it is preferable that the level E6 of the lower end 26 of the conduction band of the N-type semiconductor layer at the second interface is lower than the level E5 of the lower end 25 of the conduction band of the insulating layer 3 at the second interface.
図2に、実施形態に係る半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係の一例を示す。図2は、熱平衡の状態もしくは充電前の状態の半導体固体電池1のバンド図に対応するグラフである。図2では、横軸が位置を表し、縦軸がエネルギー準位を表す。図2の下段の実線10は価電子帯上端を示したものである。また、図2の上段の実線20は伝導帯下端を示したものである。破線30は、熱平衡状態のフェルミ準位を表している。グラフにおいて、横軸に沿って0nm側からP型半導体層2、絶縁層3、N型半導体層4を表す領域が順に並んでいる。また、図2の横軸および縦軸は、実施形態の説明を行うために便宜上メモリを設けたものであり、各々の半導体層および絶縁層の位置および寸法はこの範囲に限定されるものではない。 2 shows an example of the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of a semiconductor solid-state battery according to an embodiment. FIG. 2 is a graph corresponding to a band diagram of a semiconductor solid-state battery 1 in a state of thermal equilibrium or before charging. In FIG. 2, the horizontal axis represents the position, and the vertical axis represents the energy level. The solid line 10 in the lower part of FIG. 2 represents the upper end of the valence band. The solid line 20 in the upper part of FIG. 2 represents the lower end of the conduction band. The dashed line 30 represents the Fermi level in a state of thermal equilibrium. In the graph, the regions representing the P-type semiconductor layer 2, the insulating layer 3, and the N-type semiconductor layer 4 are arranged in order from the 0 nm side along the horizontal axis. In addition, the horizontal and vertical axes of FIG. 2 are provided with a memory for the convenience of explaining the embodiment, and the positions and dimensions of each semiconductor layer and insulating layer are not limited to this range.
図2では、300nm付近の位置に準位が垂直に立ち上がった個所がある。この立ち上がった個所が、P型半導体層2と絶縁層3の界面となる第一の界面に対応する。また、図2では、600nm付近の位置に準位が垂直に立ち上がった個所がある。この立ち上がった個所が、絶縁層3とN型半導体層4との界面となる第二の界面に対応する。 In FIG. 2, there is a point where the level rises vertically at a position near 300 nm. This point corresponds to the first interface between the P-type semiconductor layer 2 and the insulating layer 3. Also, in FIG. 2, there is a point where the level rises vertically at a position near 600 nm. This point corresponds to the second interface between the insulating layer 3 and the N-type semiconductor layer 4.
半導体固体電池1を充電した際、P型半導体層2に供給される正孔の一部は、熱的な励起またはトンネル効果等により第一の界面の障壁を乗り越えて絶縁層3を通過して第二の界面まで移動し得る。実施形態に係る半導体固体電池は、E1>E2の関係を満たしている。この関係を満たすことにより、第二の界面に正孔を貯めることができる。これにより、高容量化を成しえることができる。 When the semiconductor solid-state battery 1 is charged, some of the holes supplied to the P-type semiconductor layer 2 can overcome the barrier at the first interface due to thermal excitation, tunneling effect, or the like, pass through the insulating layer 3, and move to the second interface. The semiconductor solid-state battery according to the embodiment satisfies the relationship E1>E2. By satisfying this relationship, holes can be stored at the second interface. This makes it possible to achieve a high capacity.
図3に従来の半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係の一例を示す。図3は特許文献2の図1を参考にモデル化したもので、熱平衡の状態もしくは充電前の状態のバンド図に対応するグラフである。図3の下段の実線10は価電子帯上端を示したものであり、上段の実線20は伝導帯下端を示したものである。破線30は、熱平衡状態のフェルミ準位を表している。図3についても、位置300nm付近に準位が垂直に立ち上がった個所が第一の界面、位置600nm付近に準位が垂直に立ち上がった個所が第二の界面である。 Figure 3 shows an example of the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of a conventional semiconductor solid-state battery. Figure 3 is a model created with reference to Figure 1 of Patent Document 2, and is a graph corresponding to a band diagram in a state of thermal equilibrium or before charging. The solid line 10 in the lower part of Figure 3 shows the upper end of the valence band, and the solid line 20 in the upper part shows the lower end of the conduction band. The dashed line 30 represents the Fermi level in a state of thermal equilibrium. In Figure 3, the point where the level rises vertically around a position of 300 nm is the first interface, and the point where the level rises vertically around a position of 600 nm is the second interface.
従来の半導体固体電池では、E1<E2の関係になっている。このような関係であっても、電子と正孔との再結合を抑制できていた。その一方で、第二の界面に集まる正孔の量が非常に少なかった。 In conventional semiconductor solid-state batteries, the relationship E1 < E2 exists. Even with this relationship, the recombination of electrons and holes was suppressed. On the other hand, the amount of holes gathering at the second interface was very small.
E1>E2を満たすことにより、第二の界面に正孔を貯めることができる。また、E1-E2≧0.1eVであることが好ましい。E1とE2の準位に差がつくことにより、より正孔を貯めることができる。そのため、「E1-E2」は大きいほど好ましい。 By satisfying E1>E2, holes can be stored at the second interface. It is also preferable that E1-E2≧0.1 eV. By creating a difference in the levels of E1 and E2, more holes can be stored. Therefore, the larger "E1-E2" is, the more preferable it is.
また、第一の界面におけるP型半導体層2の価電子帯上端13の準位をE3、絶縁層3の価電子帯上端14の準位をE4としたとき、|E3-E4|≦2eVを満たすことが好ましい。|E3-E4|≦2eVであるということは、P型半導体層2と絶縁層3との界面において準位の差が小さいことを示している。この界面(第一の界面)におけるP型半導体層2と絶縁層3との間の準位の差(|E3-E4|)は、第一の界面の障壁になり得るが、|E3-E4|の値を小さくすることにより、正孔が当該障壁を乗り越えやすくなるため第二の界面での正孔の貯蓄が促進される。これにより、さらに高容量化を成し得ることができる。例えば、第二の界面の正孔の蓄積量を1×1019cm-3以上にすることができる。一方、|E3-E4|が2eVを超えて大きいと、障壁が大きくなり過ぎる可能性がある。第一の界面での準位の差がない(|E3-E4|=0)、E3=E4の関係であってもよい。 In addition, when the level of the valence band upper end 13 of the P-type semiconductor layer 2 at the first interface is E3 and the level of the valence band upper end 14 of the insulating layer 3 is E4, it is preferable to satisfy |E3-E4|≦2 eV. |E3-E4|≦2 eV indicates that the difference in level at the interface between the P-type semiconductor layer 2 and the insulating layer 3 is small. The difference in level (|E3-E4|) between the P-type semiconductor layer 2 and the insulating layer 3 at this interface (first interface) can be a barrier at the first interface, but by reducing the value of |E3-E4|, holes can easily overcome the barrier, and the storage of holes at the second interface is promoted. This can achieve even higher capacity. For example, the amount of hole accumulation at the second interface can be 1×10 19 cm −3 or more. On the other hand, if |E3-E4| is larger than 2 eV, the barrier may become too large. There may be no difference in the levels at the first interface (|E3-E4|=0), i.e., E3=E4.
なお、E3とE4はどちらが大きくてもよいため、上記準位の差は絶対値|E3-E4|で議論している。また、E3>E4であることが好ましい。第一の界面での準位を制御することにより、キャリアの蓄積量を向上させることができる。その上で、電子と正孔の再結合を抑制できる。また、|E3-E4|≦2eVという関係をE1>E2の関係と組合わせることにより、より効果を得ることができる。 Note that since either E3 or E4 can be larger, the difference in the levels is discussed in terms of the absolute value |E3-E4|. It is also preferable that E3>E4. By controlling the level at the first interface, the amount of carrier accumulation can be improved. Furthermore, the recombination of electrons and holes can be suppressed. Furthermore, by combining the relationship |E3-E4|≦2 eV with the relationship E1>E2, even greater effects can be obtained.
絶縁層3とN型半導体層4との界面である第二の界面における絶縁層3の伝導帯下端25の準位E5、第二の界面におけるN型半導体層4の伝導帯下端26の準位をE6とするとき、E5-E6>0の関係を満たすことが好ましい。E5およびE6は第二の界面の伝導帯下端の準位である。E6よりE5を大きくすることにより(E5>E6)、第二の界面に電子を貯めることができる。このため、E5-E6>0、さらにはE5-E6≧1.5eV、であることが好ましい。この関係を、前述のE1>E2の関係と組合わせることにより、より電子を貯める量を増やすことができる。なお、上記E1乃至E6に示した関係式は、熱平衡状態または充電前のバンド図を示したものである。言い換えれば、充電後は上記関係式を満たしていなくてもよいものとする。例えば、熱平衡の状態もしくは充電前の状態を表す図2ではE1<E4の関係を示しているが、充電が進みキャリアが蓄積されていくと、E1>E4の関係となり得る。また、放電後はE1<E4の関係に戻る。 When the level E5 of the conduction band lower end 25 of the insulating layer 3 at the second interface, which is the interface between the insulating layer 3 and the N-type semiconductor layer 4, and the level E6 of the conduction band lower end 26 of the N-type semiconductor layer 4 at the second interface are taken as the interface between the insulating layer 3 and the N-type semiconductor layer 4, it is preferable to satisfy the relationship E5-E6>0. E5 and E6 are the levels of the conduction band lower end of the second interface. By making E5 larger than E6 (E5>E6), electrons can be stored at the second interface. For this reason, it is preferable that E5-E6>0, and furthermore E5-E6≧1.5 eV. By combining this relationship with the aforementioned relationship E1>E2, the amount of electrons stored can be further increased. The above-mentioned relationship shown in E1 to E6 shows the band diagram in a thermal equilibrium state or before charging. In other words, it is not necessary to satisfy the above-mentioned relationship after charging. For example, in Figure 2, which shows a state of thermal equilibrium or a state before charging, the relationship E1<E4 is shown, but as charging progresses and carriers accumulate, the relationship E1>E4 may occur. After discharging, the relationship returns to E1<E4.
以上の説明は、第二の界面にキャリアを蓄積する構造を有する半導体固体電池1に関するものである。第一の界面にキャリアを蓄積する構造を有する半導体固体電池1を作製する場合は、図2を180°回転させた準位を有するものとなる。このため、第一の界面と第二の界面の関係を入れ替えてシミュレーションを行うものとする。そのような半導体固体電池1については、第2実施形態にて説明する。 The above description relates to a semiconductor solid-state battery 1 having a structure in which carriers are accumulated at the second interface. When fabricating a semiconductor solid-state battery 1 having a structure in which carriers are accumulated at the first interface, the battery has a state obtained by rotating FIG. 2 by 180°. For this reason, a simulation is performed by swapping the relationship between the first interface and the second interface. Such a semiconductor solid-state battery 1 will be described in the second embodiment.
P型半導体層2は正孔をキャリアとする。N型半導体層4は電子をキャリアとする。また、P型半導体層2又はN型半導体層4には、様々な半導体材料を適用することができる。半導体材料としては、シリコン半導体、化合物半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、アモルファス半導体などが挙げられる。シリコン半導体としては、金属シリサイド、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、結晶シリコン、単結晶シリコンなどが挙げられる。また、化合物半導体としては、IV族、I-VII族、II-VI族、III-V族、カルコパイライト系、ペロブスカイト型などが挙げられる。なお、IV族、I族、VII族、II族、VI族、III族、V族とは周期表(periodic table)に示された元素の族(family)である。また、酸化物半導体としては、金属酸化物、金属複合酸化物、金属酸窒化物などが挙げられる。 The P-type semiconductor layer 2 uses holes as carriers. The N-type semiconductor layer 4 uses electrons as carriers. Various semiconductor materials can be used for the P-type semiconductor layer 2 or the N-type semiconductor layer 4. Examples of the semiconductor material include silicon semiconductors, compound semiconductors, oxide semiconductors, nitride semiconductors, and amorphous semiconductors. Examples of the silicon semiconductor include metal silicide, amorphous silicon, polycrystalline silicon, crystalline silicon, and single crystal silicon. Examples of the compound semiconductor include Group IV, Group I-VII, Group II-VI, Group III-V, chalcopyrite, and perovskite. Group IV, Group I, Group VII, Group II, Group VI, Group III, and Group V are families of elements shown in the periodic table. Examples of the oxide semiconductor include metal oxides, metal composite oxides, and metal oxynitrides.
また、P型半導体層2又はN型半導体層4は、金属酸化物を用いたものであることが好ましい。これは、金属酸化物であれば酸素欠損や金属欠損の導入、及び不純物ドープなどによりキャリア量の制御を行い易いためである。 The P-type semiconductor layer 2 or the N-type semiconductor layer 4 is preferably made of a metal oxide. This is because metal oxides make it easy to control the amount of carriers by introducing oxygen vacancies or metal vacancies, or by doping with impurities.
金属酸化物には、例えば、酸化タングステン(WO3)、酸化モリブデン(MoO2、MoO3)、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2、SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(Cu2O)、酸化カドミウム(CdO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ガリウム(Ga2O3)からなる群より選択される1つ以上を用いることが好ましい。 As the metal oxide, it is preferable to use one or more selected from the group consisting of tungsten oxide ( WO3 ), molybdenum oxide ( MoO2 , MoO3 ), titanium oxide ( TiO2 ), tin oxide ( SnO2 , SnO), zinc oxide ( ZnO ), nickel oxide (NiO), copper oxide (Cu2O), cadmium oxide ( CdO ), aluminum oxide ( Al2O3 ), and gallium oxide ( Ga2O3 ).
絶縁層3の材質は、電子と正孔の再結合を抑制できるものであれば特に限定されるものではない。また、絶縁層3の厚さが30μm以下であることが好ましい。なお、絶縁層3の厚さの下限は特に限定されるものではないが、1nm以上が好ましい。1nm以上の厚さであれば、再結合を抑制する効果をより確実に発揮できる。このため、絶縁層3の厚さは、1nm以上30μm以下、さらには10nm以上20μm以下であることが好ましい。 The material of the insulating layer 3 is not particularly limited as long as it can suppress the recombination of electrons and holes. In addition, it is preferable that the thickness of the insulating layer 3 is 30 μm or less. The lower limit of the thickness of the insulating layer 3 is not particularly limited, but it is preferable that it is 1 nm or more. If the thickness is 1 nm or more, the effect of suppressing recombination can be more reliably exhibited. For this reason, it is preferable that the thickness of the insulating layer 3 is 1 nm or more and 30 μm or less, and further 10 nm or more and 20 μm or less.
絶縁層3には、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び絶縁性樹脂からなる群より選択される1つ、或いは2つ以上を用いることが好ましい。金属酸化物には、珪素、アルミニウム、タンタル、ニッケル、銅、鉄から成る群より選択される1つ、或いは2つ以上の酸化物(複合酸化物も含む)を用いることが好ましい。また、金属窒化物には、珪素およびアルミニウムから成る群より選択される1つ、或いは2つ以上の窒化物(複合窒化物も含む)を用いることが好ましい。金属酸窒化物としては、酸窒化珪素(SiON)が挙げられる。 For the insulating layer 3, it is preferable to use one or more selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and insulating resins. For the metal oxide, it is preferable to use one or more oxides (including composite oxides) selected from the group consisting of silicon, aluminum, tantalum, nickel, copper, and iron. For the metal nitride, it is preferable to use one or more nitrides (including composite nitrides) selected from the group consisting of silicon and aluminum. An example of a metal oxynitride is silicon oxynitride (SiON).
以上のように第二の界面、又は第二の界面および第一の界面における準位を制御することにより、半導体固体電池の容量を向上させることができる。このような、半導体固体電池は、例えば、スパッタ法などの成膜方法を用いて製造することができる。 As described above, by controlling the energy levels at the second interface, or at the second interface and the first interface, the capacity of the semiconductor solid-state battery can be improved. Such a semiconductor solid-state battery can be manufactured using a film formation method such as a sputtering method.
ここまでは、P型半導体層2/絶縁層3/N型半導体層4の積層構造における準位について説明した。半導体固体電池として使用するにあたって、例えば、電極をさらに設けることができる。図4に、実施形態に係る半導体固体電池の構造の一例を表す概略断面図を示す。半導体固体電池1は、P型半導体層2、絶縁層3、N型半導体層4、表側電極5、裏側電極6、及び基板7を含む。基板7側を裏側として、半導体固体電池1の各部材は、表側から裏側へ向かって表側電極5/P型半導体層2/絶縁層3/N型半導体層4/裏側電極6/基板7の順で積層されている。 So far, the levels in the stacked structure of the P-type semiconductor layer 2/insulating layer 3/N-type semiconductor layer 4 have been described. When used as a semiconductor solid-state battery, for example, an electrode can be further provided. FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view illustrating an example of the structure of a semiconductor solid-state battery according to an embodiment. The semiconductor solid-state battery 1 includes a P-type semiconductor layer 2, an insulating layer 3, an N-type semiconductor layer 4, a front electrode 5, a back electrode 6, and a substrate 7. With the substrate 7 side as the back side, the components of the semiconductor solid-state battery 1 are stacked from the front side to the back side in the order of the front electrode 5/P-type semiconductor layer 2/insulating layer 3/N-type semiconductor layer 4/back electrode 6/substrate 7.
表側電極5と裏側電極6には、金(Au)、チタン(Ti)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)などの導電性のよい金属材料を用いることが好ましい。また、各電極は、ITO(Indium-doped Tin Oxide)などの透明電極材料であってもよい。各電極はさらに、これらの材料を組合わせた多層構造であってもよい。 The front electrode 5 and the back electrode 6 are preferably made of a metal material with good electrical conductivity, such as gold (Au), titanium (Ti), copper (Cu), aluminum (Al), or molybdenum (Mo). Each electrode may also be made of a transparent electrode material, such as ITO (indium-doped tin oxide). Each electrode may also have a multilayer structure that combines these materials.
基板7には、例えば、絶縁性基板を用いることができる。絶縁性基板としては、例えば、ガラス基板、セラミックス基板、及び樹脂基板などが挙げられる。また、シリコン基板などの半導体基板に絶縁膜を設けたものを絶縁性基板として用いてもよい。 For example, an insulating substrate can be used as the substrate 7. Examples of insulating substrates include a glass substrate, a ceramic substrate, and a resin substrate. In addition, a semiconductor substrate such as a silicon substrate provided with an insulating film can be used as the insulating substrate.
図4では、表側電極5/P型半導体層2/絶縁層3/N型半導体層4/裏側電極6/基板7の順で示したが、P型半導体層2とN型半導体層4の位置は逆であってもよい。また、表側電極5および裏側電極6は、半導体層の全面または表面の一部に設けることができる。 In FIG. 4, the order is shown as front electrode 5/P-type semiconductor layer 2/insulating layer 3/N-type semiconductor layer 4/back electrode 6/substrate 7, but the positions of the P-type semiconductor layer 2 and the N-type semiconductor layer 4 may be reversed. In addition, the front electrode 5 and the back electrode 6 may be provided on the entire surface or part of the surface of the semiconductor layer.
先に説明したとおり、半導体固体電池において準位を制御することが重要になる。準位の制御には、後段の第3実施形態にて説明するシミュレーション技術を用いることが好ましい。即ち、第1実施形態に係る半導体固体電池は、第3実施形態に係る準位判断に基づいて製造することが好ましい。 As explained above, it is important to control the level in a semiconductor solid-state battery. For level control, it is preferable to use a simulation technique described in the third embodiment below. In other words, it is preferable to manufacture the semiconductor solid-state battery according to the first embodiment based on the level judgment according to the third embodiment.
第1実施形態に係る半導体固体電池は、P型半導体層と、N型半導体層と、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられている絶縁層とを具備する。絶縁層とN型半導体層との第二の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E1よりN型半導体層の価電子帯上端の準位E2の方が低い。当該半導体固体電池は、高い容量を示すことができる。 The semiconductor solid-state battery according to the first embodiment includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. The level E2 at the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer is lower than the level E1 at the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer. This semiconductor solid-state battery can exhibit a high capacity.
[第2実施形態]
第2実施形態によれば、P型半導体層と、N型半導体層と、絶縁層とを具備する半導体固体電池が提供される。絶縁層は、P型半導体層とN型半導体層との間に在る。第1実施形態と同様に、P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とする。また、絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面とする。第一の界面におけるP型半導体層の伝導帯下端の準位E-Iより絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIの方が低い。第一の界面において、P型半導体層の伝導帯下端の準位E-Iより絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIを低くすることにより、第一の界面に電子を蓄積することができる。これにより、容量を向上させることができる。
[Second embodiment]
According to the second embodiment, a semiconductor solid state battery is provided that includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer. The insulating layer is between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. As in the first embodiment, the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is the first interface. Also, the interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is the second interface. The level E-II of the conduction band lower end of the insulating layer is lower than the level E-I of the conduction band lower end of the P-type semiconductor layer at the first interface. At the first interface, electrons can be stored at the first interface by lowering the level E-II of the conduction band lower end of the insulating layer to the level E-I of the conduction band lower end of the P-type semiconductor layer. This can improve the capacity.
第一の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位をE-V、P型半導体層の価電子帯上端の準位をE-VIとしたとき、[E-VI]-[E-V]≧0.1eVを満たすことが好ましい。[E-VI]-[E-V]≧0.1eVであるということは、絶縁層とP型半導体層との界面において絶縁層の価電子帯上端の準位E-VよりP型半導体層の価電子帯上端の準位E-VIの方が高く(E-VI>E-V)、且つ、実質的な準位の差があることを示している。この界面(第一の界面)にて準位の差があることにより、ここに正孔を貯めることができる。これにより、さらに高容量化を成し得ることができる。 When the level of the upper end of the valence band of the insulating layer at the first interface is E-V, and the level of the upper end of the valence band of the P-type semiconductor layer is E-VI, it is preferable to satisfy [E-VI]-[E-V]≧0.1 eV. [E-VI]-[E-V]≧0.1 eV indicates that the level of the upper end of the valence band of the P-type semiconductor layer, E-VI, is higher than the level of the upper end of the valence band of the insulating layer at the interface between the insulating layer and the P-type semiconductor layer (E-VI>E-V), and that there is a substantial difference in the levels. Due to the difference in levels at this interface (first interface), holes can be stored here. This makes it possible to achieve even higher capacity.
第一の界面での準位を制御することにより、キャリアの蓄積量を向上させることができる。その上で、電子と正孔の再結合を抑制できる。また、[E-VI]-[E-V]≧0.1eVという関係をE-I>E-IIの関係と組合わせることにより、より効果を得ることができる。また、E-VIをE-Vよりも大きくすることにより、より効果を得ることができる。このため、E-VIとE-Vの差が大きいほど好ましい。E-VIとE-Vの差が小さいと正孔は第二の界面に蓄積され易くなる。 By controlling the energy level at the first interface, the amount of carrier accumulation can be improved. Furthermore, the recombination of electrons and holes can be suppressed. Furthermore, by combining the relationship [E-VI]-[E-V]≧0.1 eV with the relationship E-I>E-II, even greater effects can be obtained. Furthermore, by making E-VI larger than E-V, even greater effects can be obtained. For this reason, the larger the difference between E-VI and E-V, the more preferable it is. If the difference between E-VI and E-V is small, holes tend to accumulate at the second interface.
上述のとおりE-I>E-IIという関係を満たすことで第一の界面に電子を蓄積できる半導体固体電池においてE-VI>E-Vという関係をさらに満たして第一の界面に正孔を蓄積できるようにすることで、半導体固体電池の容量をさらに向上させることができる。 As described above, in a semiconductor solid-state battery that can store electrons at the first interface by satisfying the relationship E-I>E-II, the capacity of the semiconductor solid-state battery can be further improved by further satisfying the relationship E-VI>E-V to enable holes to be stored at the first interface.
図5を参照して、実施形態に係る半導体固体電池におけるエネルギー準位の関係を説明する。図5は、第2実施形態に係る半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係の一例を示すグラフである。なお、第2実施形態に係る半導体固体電池は、例えば、第1実施形態に係る半導体固体電池のバンド構造と類似するバンド構造を有し得る。第1実施形態でした説明と重複するため、詳細は省略する。 The relationship between the energy levels in the semiconductor solid-state battery according to the embodiment will be described with reference to FIG. 5. FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band in the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment. Note that the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment may have a band structure similar to that of the semiconductor solid-state battery according to the first embodiment, for example. Details will be omitted as they overlap with the explanation given in the first embodiment.
実施形態に係る半導体固体電池では、第一の界面におけるP型半導体層2の伝導帯下端21の準位E-Iより、第一の界面における絶縁層3の伝導帯下端22の準位E-IIの方が低い。また、第一の界面における絶縁層3の価電子帯上端15の準位E-Vと第一の界面におけるP型半導体層2の価電子帯上端16の準位E-VIとが[E-VI]-[E-V]≧0.1eVの関係を満たすことが好ましい。 In the semiconductor solid-state battery according to the embodiment, the level E-II of the conduction band lower edge 22 of the insulating layer 3 at the first interface is lower than the level E-I of the conduction band lower edge 21 of the P-type semiconductor layer 2 at the first interface. In addition, it is preferable that the level E-V of the valence band upper edge 15 of the insulating layer 3 at the first interface and the level E-VI of the valence band upper edge 16 of the P-type semiconductor layer 2 at the first interface satisfy the relationship [E-VI]-[E-V]≧0.1 eV.
図5に、第2実施形態に係る半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係の一例を示す。図5は、熱平衡の状態もしくは充電前の状態の半導体固体電池1のバンド図に対応するグラフである。図5では、横軸が位置を表し、縦軸がエネルギー準位を表す。図5の下段の実線10は価電子帯上端を示し、上段の実線20は伝導帯下端を示す。破線30は、熱平衡状態のフェルミ準位を表している。グラフにおいて、横軸に沿って0nm側からP型半導体層2、絶縁層3、N型半導体層4を表す領域が順に並んでいる。また、図5の横軸および縦軸は、実施形態の説明を行うために便宜上メモリを設けたものであり、各々の半導体層および絶縁層の位置および寸法はこの範囲に限定されるものではない。 Figure 5 shows an example of the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment. Figure 5 is a graph corresponding to a band diagram of the semiconductor solid-state battery 1 in a state of thermal equilibrium or before charging. In Figure 5, the horizontal axis represents position, and the vertical axis represents energy level. The solid line 10 in the lower part of Figure 5 represents the upper end of the valence band, and the solid line 20 in the upper part represents the lower end of the conduction band. The dashed line 30 represents the Fermi level in a state of thermal equilibrium. In the graph, the regions representing the P-type semiconductor layer 2, the insulating layer 3, and the N-type semiconductor layer 4 are arranged in order from the 0 nm side along the horizontal axis. In addition, the horizontal and vertical axes of Figure 5 are provided with memory for the convenience of explaining the embodiment, and the positions and dimensions of each semiconductor layer and insulating layer are not limited to this range.
図5において、300nm付近の位置に準位が垂直に立ち上がった個所が、P型半導体層2と絶縁層3の界面となる第一の界面に対応する。また、600nm付近の位置に準位が垂直に立ち上がった個所が、絶縁層3とN型半導体層4との界面となる第二の界面に対応する。 In FIG. 5, the point where the level rises vertically at a position near 300 nm corresponds to the first interface between the P-type semiconductor layer 2 and the insulating layer 3. Also, the point where the level rises vertically at a position near 600 nm corresponds to the second interface between the insulating layer 3 and the N-type semiconductor layer 4.
半導体固体電池1を充電した際、N型半導体層4に供給される電子の一部は、熱的な励起またはトンネル効果等により第二の界面の障壁を乗り越えて絶縁層3内を伝導して第一の界面まで移動し得る。第2実施形態に係る半導体固体電池では、E-I>E-IIの関係を満たしていることにより、第一の界面に電子を貯めることができる。これにより、高容量化を成しえることができる。 When the semiconductor solid-state battery 1 is charged, some of the electrons supplied to the N-type semiconductor layer 4 can overcome the barrier at the second interface due to thermal excitation or the tunneling effect, and travel through the insulating layer 3 to the first interface. In the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment, the relationship E-I>E-II is satisfied, so that electrons can be stored at the first interface. This allows a high capacity to be achieved.
{[E-I]-[E-II]}≧0.1eVであることが好ましい。E-IとE-IIの準位に差がつくことにより、より電子を貯めることができる。そのため、{[E-I]-[E-II]}は大きいほど好ましい。 It is preferable that {[E-I] - [E-II]} ≧ 0.1 eV. By creating a difference between the levels of E-I and E-II, more electrons can be stored. Therefore, the larger {[E-I] - [E-II]} is, the more preferable it is.
また、第二の界面におけるN型半導体層4の伝導帯下端23の準位をE-III、絶縁層3の伝導帯下端24の準位をE-IVとしたとき、|[E-III]-[E-IV]|≦2eVを満たすことが好ましい。|[E-III]-[E-IV]|≦2eVであるということは、N型半導体層4と絶縁層3との界面において準位の差が小さいことを示している。この界面(第二の界面)におけるN型半導体層4と絶縁層3との間の準位の差(|[E-III]-[E-IV]|)は、第二の界面の障壁になり得るが、|[E-III]-[E-IV]|の値を小さくすることにより、電子が当該障壁を乗り越えやすくなるため第一の界面での電子の貯蓄が促進される。これにより、さらに高容量化を成し得ることができる。一方、|[E-III]-[E-IV]|が2eVを超えて大きいと、障壁が大きくなり過ぎる可能性がある。第二の界面での準位の差がない(|[E-III]-[E-IV]|=0)、E-III=E-IVの関係であってもよい。 In addition, when the level of the conduction band minimum 23 of the N-type semiconductor layer 4 at the second interface is E-III, and the level of the conduction band minimum 24 of the insulating layer 3 is E-IV, it is preferable to satisfy |[E-III]-[E-IV]|≦2 eV. |[E-III]-[E-IV]|≦2 eV indicates that the difference in the levels at the interface between the N-type semiconductor layer 4 and the insulating layer 3 is small. The difference in the levels (|[E-III]-[E-IV]|) between the N-type semiconductor layer 4 and the insulating layer 3 at this interface (second interface) can be a barrier at the second interface, but by reducing the value of |[E-III]-[E-IV]|, electrons can easily overcome the barrier, and the storage of electrons at the first interface is promoted. This can achieve even higher capacity. On the other hand, if |[E-III]-[E-IV]| is larger than 2 eV, the barrier may become too large. There may be no difference in levels at the second interface (|[E-III] - [E-IV]| = 0), and the relationship E-III = E-IV may be true.
なお、E-IIIとE-IVはどちらが大きくてもよいため、上記準位の差は絶対値|[E-III]-[E-IV]|で議論している。また、E-IV>E-IIIであることが好ましい。第二の界面での準位を制御することにより、キャリアの蓄積量を向上させることができる。その上で、電子と正孔の再結合を抑制できる。また、|[E-III]-[E-IV]|≦2eVという関係をE-I>E-IIの関係と組合わせることにより、より効果を得ることができる。 Note that since either E-III or E-IV can be larger, the difference in the levels is discussed in terms of the absolute value |[E-III] - [E-IV]|. It is also preferable that E-IV > E-III. By controlling the level at the second interface, the amount of carrier accumulation can be improved. Furthermore, the recombination of electrons and holes can be suppressed. Furthermore, by combining the relationship |[E-III] - [E-IV]| ≦ 2 eV with the relationship E-I > E-II, even greater effects can be obtained.
なお、上記E-I乃至E-VIに示した関係式は、熱平衡状態または充電前のバンド図を示したものである。言い換えれば、充電後は上記関係式を満たしていなくてもよいものとする。例えば、熱平衡の状態もしくは充電前の状態を表す図5ではE-II>E-IVの関係を示しているが、充電が進みキャリアが蓄積されると、E-II<E-IVの関係となり得る。放電後はE-II>E-IVに戻る。 The above equations E-I to E-VI show the band diagrams in a thermal equilibrium state or before charging. In other words, the above equations do not have to be satisfied after charging. For example, in Figure 5, which shows the thermal equilibrium state or the state before charging, the relationship E-II>E-IV is shown, but as charging progresses and carriers accumulate, the relationship E-II<E-IV can occur. After discharging, the relationship returns to E-II>E-IV.
P型半導体層2、絶縁層3、及びN型半導体層4の各々には、第1実施形態で説明したものと同様の材料をそれぞれ用いることができる。また、各層の厚さ等の寸法についても、実施例1と同様に設定できる。内容が重複するため、説明を省略する。 The P-type semiconductor layer 2, the insulating layer 3, and the N-type semiconductor layer 4 can each be made of the same materials as those described in the first embodiment. The dimensions of each layer, such as the thickness, can also be set in the same way as in Example 1. Since the contents are redundant, the explanation will be omitted.
以上のように第一の界面、又は第一の界面および第二の界面における準位を制御することにより、半導体固体電池の容量を向上させることができる。このような半導体固体電池は、例えば、スパッタ法などの成膜方法を用いて製造することができる。 As described above, by controlling the energy levels at the first interface, or at the first interface and the second interface, the capacity of the semiconductor solid-state battery can be improved. Such a semiconductor solid-state battery can be manufactured using a film formation method such as a sputtering method.
第2実施形態に係る半導体固体電池についても、第1実施形態と同様に、例えば、電極をさらに設けることができる。内容が重複するため、説明を省略する。 As with the first embodiment, the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment can also be provided with, for example, further electrodes. To avoid redundancy, the description will be omitted.
先に説明したとおり、半導体固体電池において準位を制御することが重要になる。準位の制御には、後段の第3実施形態にて説明するシミュレーション技術を用いることが好ましい。即ち、第2実施形態に係る半導体固体電池は、第3実施形態に係る準位判断に基づいて製造することが好ましい。 As explained above, it is important to control the level in a semiconductor solid-state battery. For level control, it is preferable to use a simulation technique described in the third embodiment below. In other words, it is preferable to manufacture the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment based on the level judgment according to the third embodiment.
第2実施形態に係る半導体固体電池は、P型半導体層と、N型半導体層と、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられている絶縁層とを具備する。P型半導体層と絶縁層との第一の界面におけるP型半導体層の価電子帯上端の準位E-Iより絶縁層の価電子帯上端の準位E-IIの方が低い。当該半導体固体電池は、高い容量を示すことができる。 The semiconductor solid-state battery according to the second embodiment includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. At the first interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer, the level E-II at the upper end of the valence band of the insulating layer is lower than the level E-I at the upper end of the valence band of the P-type semiconductor layer. This semiconductor solid-state battery can exhibit a high capacity.
[第3実施形態]
第3実施形態によれば、半導体固体電池の準位判断方法が提供される。つまり当該方法により、準位E1や準位E-Iなどの準位を有する材料の組合せで半導体固体電池が電池動作を示すことを判別することができる。
[Third embodiment]
According to the third embodiment, a method for determining the level of a semiconductor solid-state battery is provided. In other words, the method makes it possible to determine whether a semiconductor solid-state battery exhibits battery operation by using a combination of materials having a level such as level E1 or level E-I.
ここで、半導体固体電池は、P型半導体層と、N型半導体層と、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備するものである。半導体固体電池において、P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とする。絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面とする。準位判断方法は、第二の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E1及び第二の界面におけるN型半導体層の価電子帯上端の準位E2及び/又は第一の界面におけるP型半導体層の伝導帯下端の準位E-I及び絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIを含め、半導体固体電池の準位を求めるものである。当該準位判断方法は、ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することにより準位E1及び準位E2及び/又は準位E-I及び準位E-IIを含む準位を求めることと、外部回路との整合性を確認することにより上記自己整合無撞着ループの計算の収束を判定することと、準位E1と準位E2の高低および/または準位E-Iと準位E-IIの高低を確認することとを含む。また、外部回路との整合は、半導体固体電池を仮想の外部回路に接続した仮想装置において外部回路で制御している電極での電流と電圧が半導体固体電池内のものと一致しているかを確認する工程である。一致していれば、計算が収束した、つまりは解が得られたと判定するものとする。一致しているか否かの判定については、後段で詳述する。 Here, the semiconductor solid-state battery includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. In the semiconductor solid-state battery, the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is the first interface. The interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is the second interface. The level determination method determines the level of the semiconductor solid-state battery, including the level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface and the level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer at the second interface, and/or the level E-I of the lower end of the conduction band of the P-type semiconductor layer at the first interface and the level E-II of the lower end of the conduction band of the insulating layer. The level determination method includes calculating a self-consistent loop using the Poisson equation and the carrier continuity equation to obtain levels including the levels E1 and E2 and/or the levels E-I and E-II, determining the convergence of the calculation of the self-consistent loop by checking the consistency with an external circuit, and checking the level of the levels E1 and E2 and/or the level of the levels E-I and E-II. The consistency with the external circuit is a process of checking whether the current and voltage at the electrodes controlled by the external circuit in a virtual device in which the semiconductor solid-state battery is connected to a virtual external circuit match those in the semiconductor solid-state battery. If they match, it is determined that the calculation has converged, that is, a solution has been obtained. The determination of whether or not they match will be described in detail later.
自己整合無撞着ループの計算により求める準位には、上記準位E1及び準位E2に加え、第一の界面におけるP型半導体層の価電子帯上端の準位E3、第一の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E4、第二の界面における絶縁層の伝導帯下端の準位E5、及び第二の界面におけるN型半導体層の伝導帯下端の準位E6が含まれ得る。或いは、求める準位には、上記準位E-I及び準位E-IIに加え、第二の界面におけるN型半導体層の伝導帯下端の準位E-III、第二の界面における絶縁層の伝導帯下端の準位E-IV、絶縁層の価電子帯上端の準位E-V、及び第一の界面におけるP型半導体層の価電子帯上端の準位E-VIが含まれ得る。自己整合無撞着ループの計算を行うことにより、例えば、図2、図3、及び図5に示したようなバンド図が求められ得る。 In addition to the above levels E1 and E2, the levels obtained by the self-consistent loop calculation may include the level E3 of the upper end of the valence band of the P-type semiconductor layer at the first interface, the level E4 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the first interface, the level E5 of the lower end of the conduction band of the insulating layer at the second interface, and the level E6 of the lower end of the conduction band of the N-type semiconductor layer at the second interface. Alternatively, in addition to the above levels E-I and E-II, the levels obtained may include the level E-III of the lower end of the conduction band of the N-type semiconductor layer at the second interface, the level E-IV of the lower end of the conduction band of the insulating layer at the second interface, the level E-V of the upper end of the valence band of the insulating layer, and the level E-VI of the upper end of the valence band of the P-type semiconductor layer at the first interface. By performing the self-consistent loop calculation, for example, band diagrams such as those shown in Figures 2, 3, and 5 can be obtained.
実施形態に係る準位判断方法によるシミュレーションを事前に行うことで、例えば、半導体固体電池の各層(N型半導体層、絶縁層、P型半導体層)に用いる材料を選択する際、選択した材料を組み合わせた場合の上記準位E1乃至E6又は準位E-I乃至E-VIを予測できる。したがって、選択した材料の組み合わせにより第1実施形態に係る半導体固体電池または第2実施形態に係る半導体固体電池を得られるか否か、製造前に見積もることができる。また、シミュレーションに基づいて組合わせるべき各材料の物性を割り出し、その結果に基づいて材料選択を行うこともできる。 By performing a simulation in advance using the level determination method according to the embodiment, for example, when selecting materials to be used for each layer (N-type semiconductor layer, insulating layer, P-type semiconductor layer) of a semiconductor solid-state battery, it is possible to predict the above levels E1 to E6 or levels E-I to E-VI when the selected materials are combined. Therefore, it is possible to estimate before manufacturing whether the semiconductor solid-state battery according to the first embodiment or the semiconductor solid-state battery according to the second embodiment can be obtained by combining the selected materials. In addition, it is also possible to determine the physical properties of each material to be combined based on the simulation, and select materials based on the results.
当該シミュレーション方法は、ポアソン方程式とキャリアの連続式を組み合わせた手法で、一般的にデバイスシミュレーションと呼ばれる手法に準ずるものである。より具体的には、当該シミュレーション方法は、ドリフト拡散法に基づいたシミュレーションに該当する。 This simulation method combines the Poisson equation and the carrier continuity equation, and is similar to the method generally known as device simulation. More specifically, this simulation method corresponds to a simulation based on the drift-diffusion method.
図6に、準位判断方法(シミュレーション方法)の大まかなフローを示す。以下、詳細を説明する。 Figure 6 shows the general flow of the level determination method (simulation method). The details are explained below.
第一のステップは初期条件の計算である。初期条件の計算は、半導体固体電池の各層に用いる材料の物性値を準備する工程である。材料の物性値は文献値を用いてもよいものとする。例えば、図7に概要を示す非特許文献1(M. Wistey、“Bandgap+Workfunction Heaven (v3.8)”)には、さまざまな材料のバンドギャップや仕事関数がまとめられている。 The first step is to calculate the initial conditions. Calculating the initial conditions is a process of preparing the physical properties of the materials to be used in each layer of the semiconductor solid-state battery. Literature values may be used for the physical properties of the materials. For example, Non-Patent Document 1 (M. Wistey, "Bandgap+Workfunction Heaven (v3.8)"), the overview of which is shown in Figure 7, summarizes the band gaps and work functions of various materials.
次の第二のステップとして、バイアス電圧(VA、VC)、時間(t)の更新を行う。 In the second step, the bias voltages (V A , V C ) and time (t) are updated.
続いて、第三のステップとしてポアソン方程式およびキャリア連続式を使った自己整合無撞着ループ(i)の計算を行う。 Then, in the third step, we calculate the self-consistent loop (i) using the Poisson equation and the carrier continuity equation.
ポアソン方程式は電荷分布を与えたときの静電ポテンシャルを示す方程式として用いられる。ポアソンの式は下記式(1)として示される。式中、eは電子の電荷、pは正孔密度、nは電子密度、ND +はイオン化ドナー密度、NA -はイオン化アクセプタ密度、をそれぞれ示す。 The Poisson equation is used to express the electrostatic potential when a charge distribution is given. The Poisson equation is shown as the following equation (1). In the equation, e is the electron charge, p is the hole density, n is the electron density, N D + is the ionized donor density, and N A - is the ionized acceptor density.
ポアソン方程式と共に、下記式(2)及び式(3)でそれぞれ示される電子、正孔に対する連続式を用いて、各キャリア濃度(電子密度n、及び正孔密度p)を計算する。再結合は、例えば、3準位モデルのSRH(Shockley-Read-Hall)型とすることができる。また、必要に応じて、SRH型以外の再結合について考慮しても良いものとする。また、電流成分は、ドリフト電流および拡散電流を含む。式中、Jnは電子電流、Jpは正孔電流、Rはキャリアの再結合率、をそれぞれ示す。 The carrier concentrations (electron density n and hole density p) are calculated using the continuity equations for electrons and holes shown in the following formulas (2) and (3) together with the Poisson equation. The recombination can be, for example, a three-level model of SRH (Shockley-Read-Hall) type. If necessary, recombination other than the SRH type may be considered. The current components include drift current and diffusion current. In the formulas, J n represents the electron current, J p represents the hole current, and R represents the recombination rate of the carriers.
ここで、第二のステップの、バイアス電圧(VA、VC)、時間(t)の更新を行う工程について説明する。第二のステップは時刻t及び電極電位(VA、VC)を更新する工程である。このとき、バイアスV(t)は下記式(4)で求められる。式中の記号JExtは、外部回路を流れる電流を示す。 Here, the second step, which is a process of updating the bias voltages ( VA , VC ) and time (t), will be described. The second step is a process of updating the time t and the electrode potentials ( VA , VC ). At this time, the bias V(t) is calculated by the following formula (4). The symbol JExt in the formula indicates the current flowing through the external circuit.
式(4)は定電圧境界条件での取り扱いを示したものである。定電圧境界条件では、両電極の電位により注入された(または放出される)総電荷量を制御する。総電荷量である蓄積電荷量Q(t)は下記式(5)にて求めることができる。定電圧境界条件であると、電極電流に対する束縛条件はない。このため、式(4)及び式(5)に基づいた計算によりバイアスV(t)を求めることができる。式中、n(t)は時刻tでの電子密度、neqは平衡状態における電子密度、p(t)は時刻tでの正孔密度、peqは平衡状態における正孔密度、Rはキャリアの再結合率、をそれぞれ示す。 Equation (4) shows how to handle the constant voltage boundary condition. Under the constant voltage boundary condition, the total amount of charge injected (or discharged) is controlled by the potential of both electrodes. The total amount of charge, or the accumulated charge Q(t), can be calculated using the following equation (5). Under the constant voltage boundary condition, there is no constraint on the electrode current. Therefore, the bias V(t) can be calculated based on equations (4) and (5). In the equation, n(t) is the electron density at time t, n eq is the electron density in the equilibrium state, p(t) is the hole density at time t, p eq is the hole density in the equilibrium state, and R is the recombination rate of carriers.
定電圧境界条件であっても寄生抵抗が無視できない場合は、電極電流を用いて電圧降下の影響を下記式(6)により考慮するものとする。式中、VExtは外部回路にかかる電圧、VAはアノード電位、VCはカソード電位、JExt A/Cはアノード/カソードと外部回路との間を流れる電流、RSは電極がよくないなどの影響で生じ得る寄生抵抗などの抵抗成分、をそれぞれ示す。なお、JExt A/Cはより詳細には“JExt A又はJExt C”を意味する記号で、JExt Aは外部回路から正極電極へ流入または流出する電流、JExt Cは外部回路から負極電極へ流入または流出する電流をそれぞれ示すものである。 When parasitic resistance cannot be ignored even under constant voltage boundary conditions, the effect of voltage drop is taken into consideration using the electrode current according to the following formula (6). In the formula, V Ext is the voltage applied to the external circuit, V A is the anode potential, V C is the cathode potential, J Ext A/C is the current flowing between the anode/cathode and the external circuit, and R S is the resistance component such as parasitic resistance that may occur due to poor electrode quality. More specifically, J Ext A/C is a symbol meaning "J Ext A or J Ext C ", where J Ext A is the current flowing in or out from the external circuit to the positive electrode, and J Ext C is the current flowing in or out from the external circuit to the negative electrode.
次に、第四のステップとして、自己整合無撞着ループ(i)の計算結果を使って、外部回路との整合性の確認を行う。 Next, in the fourth step, the calculation results of the self-consistent loop (i) are used to check the consistency with the external circuit.
外部回路との整合性の確認を行う第四のステップは、定電流境界条件での取り扱いを必要とするものである。まず、両電極電位をニュートン法を用いて式(7)がゼロとなるように更新する。 The fourth step, which checks for consistency with the external circuit, requires constant current boundary conditions. First, the potentials of both electrodes are updated using Newton's method so that equation (7) becomes zero.
次に、変位電流JDに基づいたタイムステップに応じた加速パラメータを下記式(8)を用いて求める。式中、JD(0)は正極電極での変異電流密度、D(0)は正極電極での電束密度をそれぞれ示す。また、JD(L)は負極電極での変異電流密度、D(L)は負電極での電束密度をそれぞれ示す。 Next, the acceleration parameter corresponding to the time step based on the displacement current JD is calculated using the following formula (8). In the formula, JD (0) is the displacement current density at the positive electrode, D(0) is the electric flux density at the positive electrode, JD (L) is the displacement current density at the negative electrode, and D(L) is the electric flux density at the negative electrode.
以上のステップを行い、2段階での収束判定を行う。収束判定は、電極電流の収束、及び電圧の収束、である。このとき、それぞれに閾値を設定する。また、外部抵抗による放電では、下記式(9)を用いる。ここでは、記号RSは、放電ないし電力を消費する抵抗を示す。 The above steps are performed to determine convergence in two stages. The convergence is determined by the convergence of the electrode current and the voltage. At this time, a threshold value is set for each. For discharge by an external resistance, the following formula (9) is used. Here, the symbol R S represents a resistor that discharges or consumes power.
抵抗と電極電流により電極電位及び電圧を決定することができる。また、電極電流を用いて収束判定を行うものとする。収束した場合は、下記式(10)の関係となる。 The electrode potential and voltage can be determined from the resistance and electrode current. In addition, the electrode current is used to determine convergence. When convergence occurs, the relationship shown in formula (10) is satisfied.
式(7)(ニュートン法)を用いて電極電圧を更新していく。第四のステップは、この更新作業を行い外部回路と半導体固体電池との整合性を確認するものである。具体的には、外部回路と半導体固体電池内との間で電流および電圧が一致しているか確認することにより、電極電流および電圧の計算が収束したか否か、つまり当該計算の解が得られたか否か確認する。 The electrode voltage is updated using equation (7) (Newton's method). The fourth step is to perform this update and check the consistency between the external circuit and the semiconductor solid-state battery. Specifically, by checking whether the current and voltage match between the external circuit and inside the semiconductor solid-state battery, it is confirmed whether the calculation of the electrode current and voltage has converged, that is, whether a solution has been obtained for the calculation.
例として、充電され外部回路に接続されていない半導体電池に、仮想の外部回路として抵抗RSが接続され放電を開始したΔt秒後の様子を計算する場合について説明する。
(1)計算を開始する前の状況では、半導体電池は充電され外部回路に接続していない状態(開放状態)にあるため電極電流はゼロ、電圧はV0であるものとする。外部抵抗RSを接続するとJ0=V0/RSの電流が電極で流れるものと想定される。
(2)境界条件として電極電流J0を要請し、第三のステップの計算を行う。このとき、電池内部からJ0×Δtの電荷が失われることとなるため、半導体電池内部の電圧はV1(V0>V1)へとシフトする。
(3)電極電圧がV1であるため外部回路ではJ1=V1/RSの電流が流れ出ると想定される。しかし、電流J1は先のJ0とは一致しないため、外部回路と半導体電池内部で整合が取れていない。
(4)今度は電流J1を境界条件として半導体電池に対し第三のステップの計算を行うと、今度はJ1×Δtの電荷放出が想定されるため電極電圧としてV2が得られる。
(5) (3)と(4)を繰り返すことで、次第に外部回路で計算される電流と電極電圧が半導体電池から計算される電流と電極電圧と整合性が取れるようになる。この整合性により計算が収束したと見なし、接続からΔt後における電流と電圧を求めることができる。
As an example, we will explain the case where a resistor R S is connected as a virtual external circuit to a semiconductor battery that is charged and not connected to an external circuit, and the state is calculated Δt seconds after discharging begins.
(1) Before starting the calculation, the semiconductor battery is charged and not connected to an external circuit (open state), so the electrode current is zero and the voltage is V 0. When an external resistance R S is connected, it is assumed that a current of J 0 = V 0 /R S flows through the electrodes.
(2) The electrode current J0 is required as a boundary condition, and the third step is calculated. At this time, a charge of J0 × Δt is lost from inside the battery, so the voltage inside the semiconductor battery shifts to V1 ( V0 > V1 ).
(3) Because the electrode voltage is V1 , it is assumed that a current of J1 = V1 / Rs flows out of the external circuit. However, the current J1 does not match the previous J0 , so there is no consistency between the external circuit and the inside of the semiconductor battery.
(4) Now, when the third step is calculated for the semiconductor battery with a current of J1 as the boundary condition, a charge discharge of J1 × Δt is assumed, and therefore the electrode voltage is obtained as V2 .
(5) By repeating steps (3) and (4), the current and electrode voltage calculated by the external circuit gradually become consistent with the current and electrode voltage calculated by the semiconductor battery. This consistency means that the calculations have converged, and it is possible to calculate the current and voltage Δt after connection.
第四のステップの結果、外部回路が制御する電極での電流および電圧が半導体固体電池内のものと一致した場合は、外部回路との整合性が取れたと判断する。第四のステップの後は、第五のステップとして別の条件で計算し直すか否かの判定を行うものとする。例えば、E1>E2の関係またはE-I>E-IIの関係を満たす等、必要な準位を満たす結果が得られた場合は、求める電池動作が得られる条件であったと判断できるため、別の条件での計算を省略できる。必要な関係の準位が得られていない場合は、必要な関係が得られる条件を割り出すために、再度計算してもよい。また、必要な関係の準位が得られていても、他の条件をさらに検証する目的で再計算を実施してもよい。別の条件で計算し直す場合は、第二のステップに戻るものとする。計算し直さない場合は、計算の終了とする。 If the result of the fourth step is that the current and voltage at the electrodes controlled by the external circuit match those in the semiconductor solid-state battery, it is determined that consistency with the external circuit has been achieved. After the fourth step, the fifth step is to determine whether or not to recalculate under different conditions. For example, if a result that satisfies the required level is obtained, such as satisfying the relationship E1>E2 or the relationship E-I>E-II, it can be determined that the conditions are such that the desired battery operation can be obtained, and calculations under other conditions can be omitted. If the required level of the relationship is not obtained, calculations may be performed again to determine the conditions under which the required relationship can be obtained. Even if the required level of the relationship is obtained, recalculation may be performed for the purpose of further verifying other conditions. If calculations are to be recalculated under different conditions, the process returns to the second step. If calculations are not to be recalculated, the calculations are terminated.
第四のステップで電流および電圧が一致しない場合は、外部回路との整合性が取れていないと判断し、第三のステップに戻って計算し直す。第三のステップで計算し直す際に、各電極に対して式(7)を用いて、下記式(11)及び式(12)の条件にて行うものとする。このような、VA i+1、VC i+1での試行を第六のステップとする。 If the current and voltage do not match in the fourth step, it is determined that there is no consistency with the external circuit, and the calculation is repeated from the third step. When the calculation is repeated in the third step, the calculation is performed using formula (7) for each electrode under the conditions of formulas (11) and (12) below. Such trials with V A i+1 and V C i+1 are referred to as the sixth step.
以上のステップを行うことにより、求める準位を有する半導体固体電池となるか否かをシミュレーションすることができる。この方法を用いれば、半導体固体電池を製造する前に準位の制御の可否を判定できるため、効率的な製造を行うことができる。 By carrying out the above steps, it is possible to simulate whether or not a semiconductor solid-state battery with the desired level can be produced. By using this method, it is possible to determine whether or not the level can be controlled before manufacturing a semiconductor solid-state battery, allowing for efficient manufacturing.
例えば、P型半導体層2として酸化ニッケル(NiOx)、絶縁層3として酸窒化珪素(SiON)、N型半導体層4として酸化チタン(TiO2)を用いるとする。それぞれの厚さを300nmで統一するものとする。また、各層の物性に関わるパラメータを下記表1に示す。 For example, nickel oxide (NiO x ) is used as the P-type semiconductor layer 2, silicon oxynitride (SiON) is used as the insulating layer 3, and titanium oxide (TiO 2 ) is used as the N-type semiconductor layer 4. The thickness of each layer is unified to 300 nm. Parameters related to the physical properties of each layer are shown in Table 1 below.
表1に示すパラメータは、シミュレーションで用いるパラメータの一例である。これらのパラメータには、例えば、公知の文献などから引用した物性値を用いることができる。 The parameters shown in Table 1 are examples of parameters used in the simulation. For these parameters, for example, physical property values cited from publicly known literature can be used.
表1のパラメータを用いて前述のシミュレーションを行った結果、図3のグラフが得られた。図3は従来の半導体固体電池の価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係を示すグラフである。図3では、E1<E2の関係となっている。 The graph in Figure 3 was obtained by performing the above-mentioned simulation using the parameters in Table 1. Figure 3 is a graph showing the relationship between the levels of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band of a conventional semiconductor solid-state battery. In Figure 3, the relationship E1<E2.
表1に示したパラメータの値を適宜変えてシミュレーションを行い、図2のグラフが得られるか否か判断することができる。図2のグラフを得られる物性値を満たすように半導体固体電池の材料を選択することで、高容量化を図ることができる。例えば、表1に示した組合せに変更を加え、絶縁層3として酸窒化珪素の代わりに4.5eV程度のバンドギャップを有する材料を用いた場合は、図2のグラフが得られる。 By appropriately changing the parameter values shown in Table 1 and performing a simulation, it can be determined whether the graph in Figure 2 can be obtained. By selecting materials for the semiconductor solid-state battery so that they satisfy the physical property values that allow the graph in Figure 2 to be obtained, it is possible to increase the capacity. For example, if a change is made to the combination shown in Table 1 and a material with a band gap of about 4.5 eV is used as the insulating layer 3 instead of silicon oxynitride, the graph in Figure 2 can be obtained.
図8に、図2に示した価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係を有する半導体固体電池の定電流放電の一例を示す。また、図9に、図3に示した価電子帯上端および伝導帯下端の準位の関係を有する半導体固体電池の定電流放電の一例を示した。図8及び図9の何れも、対象の半導体固体電池を2Vで定電圧充電した後に、10 μA/cm2で定電流放電を行なった際の挙動を示す。グラフ生成にあたって、キャリアの分布関数にはボルツマン分布を用いた。図8及び図9では、横軸が放電時間(s、ms)である。また、左側の縦軸は電圧(V)、右側の縦軸は残留電荷(cm-2)、である。実線40及び実線50は、電圧の変化を示す放電曲線である。破線41及び破線51は、残留電荷を示す。図8は図2の準位関係を有する半導体固体電池の定電流放電の挙動をシミュレーションしたものである。また、図9は図3の準位関係を有する半導体固体電池の定電流放電の挙動をシミュレーションしたものである。 FIG. 8 shows an example of constant current discharge of a semiconductor solid-state battery having the level relationship of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band shown in FIG. 2. FIG. 9 shows an example of constant current discharge of a semiconductor solid-state battery having the level relationship of the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band shown in FIG. 3. Both FIG. 8 and FIG. 9 show the behavior when a target semiconductor solid-state battery is charged at a constant voltage of 2 V and then discharged at a constant current of 10 μA/cm 2. In generating the graph, the Boltzmann distribution is used as the carrier distribution function. In FIG. 8 and FIG. 9, the horizontal axis is the discharge time (s, ms). The vertical axis on the left side is the voltage (V), and the vertical axis on the right side is the residual charge (cm −2 ). The solid lines 40 and 50 are discharge curves showing the change in voltage. The dashed lines 41 and 51 show the residual charge. FIG. 8 shows a simulation of the behavior of constant current discharge of a semiconductor solid-state battery having the level relationship of FIG. 2. FIG. 9 shows a simulation of the constant current discharge behavior of a semiconductor solid-state battery having the level relationship shown in FIG.
図8では、残留電荷が0cm-2になるまでに160秒かかっている。それに対し、図9では0.004秒程度で残留電荷が0cm-2になっている。比較から、E1>E2の関係を満たすことにより、容量が大きくなることが分かる。 In Fig. 8, it takes 160 seconds for the residual charge to reach 0 cm -2 . In contrast, in Fig. 9, the residual charge reaches 0 cm -2 in about 0.004 seconds. From the comparison, it can be seen that the capacitance increases when the relationship E1>E2 is satisfied.
以上のように、シミュレーションを用いることにより、良好な半導体固体電池を設計することができる。例えば、N型半導体材料を決めてシミュレーションを行い、E1>E2の関係を満たすP型半導体のパラメータを導き出すことができる。同様に、P型半導体材料を決めてシミュレーションを行い、E1>E2の関係を満たすN型半導体のパラメータを導き出すことができる。また、絶縁層を決めて、E1>E2の関係を満たす半導体のパラメータを導き出すこともできる。同様に、半導体材料を決めて、E1>E2の関係を満たす絶縁層のパラメータを導き出すこともできる。半導体材料や絶縁層の伝導帯(Conduction Band)や価電子帯(Valence Band)に文献値を使って、シミュレーションを行うこともできる。E-I>E-IIの準位関係など、第1実施形態および第2実施形態で説明した他の準位の関係についても、同様なシミュレーションが可能である。言い換えれば、実施形態に係る準位判断方法は、半導体固体電池の製造に適したシミュレーション技術である。 As described above, a good semiconductor solid-state battery can be designed by using simulation. For example, an N-type semiconductor material can be determined and a simulation can be performed to derive parameters of a P-type semiconductor that satisfies the relationship E1>E2. Similarly, a P-type semiconductor material can be determined and a simulation can be performed to derive parameters of an N-type semiconductor that satisfies the relationship E1>E2. Also, an insulating layer can be determined and parameters of a semiconductor that satisfies the relationship E1>E2 can be derived. Similarly, a semiconductor material can be determined and parameters of an insulating layer that satisfies the relationship E1>E2 can be derived. Simulations can also be performed using literature values for the conduction band and valence band of the semiconductor material and insulating layer. Similar simulations are possible for other level relationships described in the first and second embodiments, such as the level relationship E-I>E-II. In other words, the level determination method according to the embodiment is a simulation technique suitable for manufacturing semiconductor solid-state batteries.
第3実施形態に係る半導体固体電池の準位判断方法は、ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することと、外部回路との整合性を確認することと、を含む。自己整合無撞着ループにより、準位を求めることができる。求められる準位には、準位E1及び準位E2、及び/又は準位E-I及び準位E-IIが含まれる。外部回路との整合性を確認することで、計算が収束したか否か判定する。求めた準位について、準位E1と準位E2の高低、及び/または準位E-Iと前記準位E-IIの高低を確認することができる。当該準位判断方法により、P型半導体層と、N型半導体層と、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備する半導体固体電池において、絶縁層とN型半導体層との第二の界面における準位E1及び準位E2等及び/又は準位E-I及び準位E-II等の準位を求め、それらの関係を知ることができる。該シミュレーション技術は、半導体固体電池の高容量化を達成せしめるものである。 The level determination method for a semiconductor solid-state battery according to the third embodiment includes calculating a self-consistent loop using the Poisson equation and the carrier continuity equation, and confirming the consistency with an external circuit. The level can be obtained by the self-consistent loop. The obtained levels include the levels E1 and E2, and/or the levels E-I and E-II. By confirming the consistency with the external circuit, it is determined whether the calculation has converged. For the obtained levels, the level E1 and the level E2, and/or the level E-I and the level E-II can be confirmed. By the level determination method, in a semiconductor solid-state battery having a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, the levels E1 and E2, etc., and/or the levels E-I and E-II, etc. at the second interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer can be obtained, and their relationship can be known. This simulation technology will enable the achievement of high-capacity semiconductor solid-state batteries.
以上説明した1以上の実施形態によれば、P型半導体層と、N型半導体層と、P型半導体層とN型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備する半導体固体電池が提供される。P型半導体層と絶縁層との界面を第一の界面とし、絶縁層とN型半導体層との界面を第二の界面としたとき、第二の界面における絶縁層の価電子帯上端の準位E1よりN型半導体層の価電子帯上端の準位E2の方が低い。当該半導体固体電池では、P型半導体層、絶縁層、N型半導体層の3層構造の界面の準位が制御されていることで、高い容量を示す。 According to one or more of the embodiments described above, a semiconductor solid-state battery is provided that includes a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer. When the interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is the first interface, and the interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is the second interface, the level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer is lower than the level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface. In this semiconductor solid-state battery, the interface levels of the three-layer structure of the P-type semiconductor layer, the insulating layer, and the N-type semiconductor layer are controlled, thereby exhibiting a high capacity.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] P型半導体層と、
N型半導体層と、
前記P型半導体層と前記N型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備し、
前記P型半導体層と前記絶縁層との界面を第一の界面とし、前記絶縁層と前記N型半導体層との界面を第二の界面としたとき、前記第二の界面における前記絶縁層の価電子帯上端の準位E1より前記N型半導体層の価電子帯上端の準位E2の方が低い、半導体固体電池。
[2] 前記第一の界面における前記P型半導体層の価電子帯上端の準位E3と、前記第一の界面における前記絶縁層の価電子帯上端の準位E4とが、|E3-E4|≦2eVの関係を満たす、[1]に記載の半導体固体電池。
[3] 前記第二の界面における前記絶縁層の伝導帯下端の準位E5と、前記第二の界面における前記N型半導体層の伝導帯下端の準位E6とが、E5>E6の関係を満たす、[1]又は[2]に記載の半導体固体電池。
[4] 前記準位E1及び前記準位E2は、ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することにより求められる、[1]乃至[3]の何れか1つに記載の半導体固体電池。
[5] P型半導体層と、
N型半導体層と、
前記P型半導体層と前記N型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備し、
前記P型半導体層と前記絶縁層との界面を第一の界面とし、前記絶縁層と前記N型半導体層との界面を第二の界面としたとき、前記第一の界面における前記P型半導体層の伝導帯下端の準位E-Iより前記絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIの方が低い、半導体固体電池。
[6] 前記第一の界面における前記絶縁層の価電子帯上端の準位E-Vと、前記第一の界面における前記P型半導体層の価電子帯上端の準位E-VIとが、[E-VI]-[E-V]≧0.1eVの関係を満たす、[5]に記載の半導体固体電池。
[7] 前記第二の界面における前記N型半導体層の伝導帯下端の準位E-IIIと、前記第二の界面における前記絶縁層の伝導帯下端の準位E-IVが、|[E-III]-[E-IV]|≦2eVの関係を満たす、[5]又は[6]に記載の半導体固体電池。
[8] 前記準位E-I及び前記準位E-IIは、ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することにより求められる、[5]乃至[7]の何れか1つに記載の半導体固体電池。
[9] P型半導体層と、N型半導体層と、前記P型半導体層と前記N型半導体層との間に設けられた絶縁層とを具備する半導体固体電池において、前記P型半導体層と前記絶縁層との界面を第一の界面とし、前記絶縁層と前記N型半導体層との界面を第二の界面としたとき、
前記第二の界面における前記絶縁層の価電子帯上端の準位E1及び前記第二の界面における前記N型半導体層の価電子帯上端の準位E2、及び/又は前記第一の界面における前記P型半導体層の伝導帯下端の準位E-I及び前記絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIを含めた準位を求める準位判断方法であって、
ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することにより前記準位E1及び前記準位E2及び/又は前記準位E-I及び前記準位E-IIを含む前記準位を求めることと、
外部回路との整合性を確認することにより前記自己整合無撞着ループの計算の収束を判定することと、
前記準位E1と前記準位E2の高低および/または前記準位E-Iと前記準位E-IIの高低を確認することと
を含む、前記半導体固体電池の準位判断方法。
Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
The invention as originally claimed in the present application is set forth below.
[1] A P-type semiconductor layer;
An N-type semiconductor layer;
an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer,
a first interface being an interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer, and a second interface being an interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer, wherein a level E2 of an upper end of a valence band of the N-type semiconductor layer is lower than a level E1 of an upper end of a valence band of the insulating layer at the second interface.
[2] The semiconductor solid state battery according to [1], wherein a level E3 of the upper end of the valence band of the P-type semiconductor layer at the first interface and a level E4 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the first interface satisfy a relationship of |E3-E4|≦2 eV.
[3] The semiconductor solid state battery according to [1] or [2], wherein a level E5 of the conduction band minimum of the insulating layer at the second interface and a level E6 of the conduction band minimum of the N-type semiconductor layer at the second interface satisfy a relationship of E5>E6.
[4] The semiconductor solid-state battery according to any one of [1] to [3], wherein the level E1 and the level E2 are obtained by calculating a self-consistent loop using a Poisson equation and a carrier continuity equation.
[5] A P-type semiconductor layer;
An N-type semiconductor layer;
an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer,
a first interface is an interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer, and a second interface is an interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer, and a level E-II of the conduction band minimum of the insulating layer is lower than a level E-I of the conduction band minimum of the P-type semiconductor layer at the first interface.
[6] The semiconductor solid state battery according to [5], wherein a level E-V of an upper end of a valence band of the insulating layer at the first interface and a level E-VI of an upper end of a valence band of the P-type semiconductor layer at the first interface satisfy a relationship of [E-VI]-[E-V]≧0.1 eV.
[7] The semiconductor solid state battery according to [5] or [6], wherein a level E-III of the conduction band minimum of the N-type semiconductor layer at the second interface and a level E-IV of the conduction band minimum of the insulating layer at the second interface satisfy a relationship of |[E-III]-[E-IV]|≦2 eV.
[8] The level E-I and the level E-II are obtained by calculating a self-consistent loop using a Poisson equation and a carrier continuity equation. The semiconductor solid-state battery according to any one of [5] to [7].
[9] In a semiconductor solid state battery including a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, when an interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is defined as a first interface and an interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is defined as a second interface,
A level determination method for determining levels including a level E1 of an upper end of a valence band of the insulating layer at the second interface and a level E2 of an upper end of a valence band of the N-type semiconductor layer at the second interface, and/or a level E-I of a lower end of a conduction band of the P-type semiconductor layer at the first interface and a level E-II of a lower end of a conduction band of the insulating layer,
Obtaining the levels including the levels E1 and E2 and/or the levels E-I and E-II by calculating a self-consistent loop using the Poisson equation and the carrier continuity equation;
determining convergence of the self-consistent loop calculation by checking consistency with an external circuit;
Checking whether the level E1 and the level E2 are high or low and/or whether the level E-I and the level E-II are high or low;
The method for determining a level of the semiconductor solid-state battery, comprising:
1…半導体固体電池、2…P型半導体層、3…絶縁層、4…N型半導体層、5…表側電極、6…裏側電極、7…基板、10…実線(価電子帯上端)、11…第二界面における絶縁層の価電子帯上端、12…第二の界面におけるN型半導体層の価電子帯上端、13…第一の界面におけるP型半導体層の価電子帯上端、14…第一の界面における絶縁層の価電子帯上端、15…第一の界面における絶縁層の価電子帯上端、16…第一の界面におけるP型半導体層の価電子帯上端、20…実線(伝導帯下端)、21…第一の界面におけるP型半導体層の伝導帯下端、22…第一の界面における絶縁層の伝導帯下端、23…第二の界面におけるN型半導体層の伝導帯下端、24…第二の界面における絶縁層の伝導帯下端、25…第二の界面における絶縁層の伝導帯下端、第二の界面におけるN型半導体層の伝導帯下端、30…破線(フェルミ準位)、40…実線(放電曲線)、41…破線(残留電荷)、50…実線(放電曲線)、51…破線(残留電荷)。 1...semiconductor solid-state battery, 2...P-type semiconductor layer, 3...insulating layer, 4...N-type semiconductor layer, 5...front electrode, 6...rear electrode, 7...substrate, 10...solid line (top of valence band), 11...top of valence band of insulating layer at second interface, 12...top of valence band of N-type semiconductor layer at second interface, 13...top of valence band of P-type semiconductor layer at first interface, 14...top of valence band of insulating layer at first interface, 15...top of valence band of insulating layer at first interface, 16...top of valence band of P-type semiconductor layer at first interface, 20...solid line (conduction band bottom), 21...conduction band bottom of the P-type semiconductor layer at the first interface, 22...conduction band bottom of the insulating layer at the first interface, 23...conduction band bottom of the N-type semiconductor layer at the second interface, 24...conduction band bottom of the insulating layer at the second interface, 25...conduction band bottom of the insulating layer at the second interface, conduction band bottom of the N-type semiconductor layer at the second interface, 30...dashed line (Fermi level), 40...solid line (discharge curve), 41...dashed line (residual charge), 50...solid line (discharge curve), 51...dashed line (residual charge).
Claims (9)
酸化チタンをからなるN型半導体層と、
前記P型半導体層と前記N型半導体層との間に設けられ、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び絶縁性樹脂からなる群より選択される1つ、或いは2つ以上の4.5eVのバンドギャップを有する材料からなる絶縁層とを具備し、
前記P型半導体層と前記絶縁層との界面を第一の界面とし、前記絶縁層と前記N型半導体層との界面を第二の界面としたとき、熱平衡の状態もしくは充電前の状態にて、前記第二の界面における前記絶縁層の価電子帯上端の準位E1より前記N型半導体層の価電子帯上端の準位E2の方が低く、
前記絶縁層の厚さが30μm以下である、半導体固体電池。 A P-type semiconductor layer made of nickel oxide ;
An N-type semiconductor layer made of titanium oxide ;
an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, the insulating layer being made of one or more materials having a band gap of 4.5 eV selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and insulating resins;
an interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is defined as a first interface, and an interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is defined as a second interface, in a state of thermal equilibrium or before charging, a level E2 of the upper end of the valence band of the N-type semiconductor layer is lower than a level E1 of the upper end of the valence band of the insulating layer at the second interface,
The insulating layer has a thickness of 30 μm or less.
酸化チタンからなるN型半導体層と、
前記P型半導体層と前記N型半導体層との間に設けられ、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、及び絶縁性樹脂からなる群より選択される1つ、或いは2つ以上の4.5eVのバンドギャップを有する材料からなる絶縁層とを具備し、
前記P型半導体層と前記絶縁層との界面を第一の界面とし、前記絶縁層と前記N型半導体層との界面を第二の界面としたとき、熱平衡の状態もしくは充電前の状態にて、前記第一の界面における前記P型半導体層の伝導帯下端の準位E-Iより前記絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIの方が低く、
前記絶縁層の厚さが30μm以下である、半導体固体電池。 A P-type semiconductor layer made of nickel oxide ;
An N-type semiconductor layer made of titanium oxide ;
an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, the insulating layer being made of one or more materials having a band gap of 4.5 eV selected from the group consisting of metal oxides, metal nitrides, metal oxynitrides, and insulating resins;
When an interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is defined as a first interface, and an interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is defined as a second interface, in a state of thermal equilibrium or before charging, a level E-II of the conduction band minimum of the insulating layer is lower than a level E-I of the conduction band minimum of the P-type semiconductor layer at the first interface,
The insulating layer has a thickness of 30 μm or less.
熱平衡の状態もしくは充電前の状態における、前記第二の界面における前記絶縁層の価電子帯上端の準位E1及び前記第二の界面における前記N型半導体層の価電子帯上端の準位E2、及び/又は前記第一の界面における前記P型半導体層の伝導帯下端の準位E-I及び前記絶縁層の伝導帯下端の準位E-IIを含めた準位を求める準位判断方法であって、
ポアソン方程式とキャリアの連続式を使った自己整合無撞着ループを計算することにより前記準位E1及び前記準位E2及び/又は前記準位E-I及び前記準位E-IIを含む前記準位を求めることと、
外部回路との整合性を確認することにより前記自己整合無撞着ループの計算の収束を判定することと、
前記準位E1と前記準位E2の高低および/または前記準位E-Iと前記準位E-IIの高低を確認することと
を含む、前記半導体固体電池の準位判断方法。 In a semiconductor solid state battery including a P-type semiconductor layer, an N-type semiconductor layer, and an insulating layer provided between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, when an interface between the P-type semiconductor layer and the insulating layer is defined as a first interface and an interface between the insulating layer and the N-type semiconductor layer is defined as a second interface,
A level determination method for determining levels including a level E1 of an upper end of a valence band of the insulating layer at the second interface and a level E2 of an upper end of a valence band of the N-type semiconductor layer at the second interface, and/or a level E-I of a lower end of a conduction band of the P-type semiconductor layer at the first interface and a level E-II of a lower end of a conduction band of the insulating layer in a thermal equilibrium state or a state before charging,
Obtaining the levels including the levels E1 and E2 and/or the levels E-I and E-II by calculating a self-consistent loop using the Poisson equation and the carrier continuity equation;
determining convergence of the self-consistent loop calculation by checking consistency with an external circuit;
confirming whether the level E1 is higher than the level E2 and/or whether the level E-I is higher than the level E-II.
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