JP5607676B2 - Rectifier element - Google Patents
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Description
本発明は、整流素子に関する。 The present invention relates to a rectifying element.
レクテナ(rectenna;rectifying antenna)素子は、マイクロ波などの高周波を受電してこれを直流電力に変換する素子である。レクテナ素子は、電力回生技術、無線給電技術への応用が期待されている。無線給電技術としては、たとえば、宇宙空間に設けた巨大な太陽光発電所からマイクロ波帯(3GHz〜30GHz)の電波を使って地上に電力を送るという宇宙太陽発電所(スペース・ソーラー・パワー・サテライト:SPS)構想等への応用が期待されている。 A rectenna (rectifying antenna) element is an element that receives a high frequency wave such as a microwave and converts it into DC power. The rectenna element is expected to be applied to power regeneration technology and wireless power feeding technology. As a wireless power supply technology, for example, a space solar power plant (space solar power plant) that uses a microwave band (3 GHz to 30 GHz) to send power to the ground from a huge solar power plant installed in outer space. Application to satellite (SPS) concept and the like is expected.
レクテナ素子には、整流素子が用いられる。特許文献1には、整流素子としてPN接合ダイオードを用いたレクテナ素子が開示されている。
A rectifier element is used as the rectenna element.
ところで、近年は、次世代の高効率太陽電池の実現方法として、光を受電し、これを直流電流に変換する光レクテナが注目を集めている(非特許文献1)。光は、マイクロ波よりもさらに高周波(例えば150THz〜)であるため、より高速なスイッチング特性を有する整流素子が求められている。このため、非特許文献1では、高速スイッチング特性が期待されるMIM(Metal-Insulator-Metal)型のトンネルダイオードを使用している。
By the way, in recent years, as a method for realizing a next-generation high-efficiency solar cell, an optical rectenna that receives light and converts it into a direct current has attracted attention (Non-Patent Document 1). Since light has a higher frequency than microwaves (for example, 150 THz or more), a rectifying element having faster switching characteristics is required. For this reason, Non-Patent
しかし、従来のMIM型トンネルダイオードは、十分な非対称性のI−V特性が得られておらず、十分な整流性が得られていなかった。 However, the conventional MIM type tunnel diode has not obtained sufficient asymmetric IV characteristics, and has not obtained sufficient rectification.
一方、ショットキーダイオードは、ショットキー障壁によって整流性を実現しているものである。ショットキーダイオードは、PN接合ダイオードと異なり、多数キャリアデバイスであるのでスイッチング速度は速く、高周波でのスイッチングが可能である。しかし、通常のショットキーダイオードは、逆方向から順方向にスイッチングするには空乏層の外の多数キャリアがショットキー接合に向かって移動しなければならない。この移動に時間がかかるため、たとえばGaAsからなる高周波用のショットキーダイオードでも、その周波数応答は5THzといわれている。 On the other hand, the Schottky diode realizes rectification by a Schottky barrier. Since the Schottky diode is a majority carrier device unlike the PN junction diode, the switching speed is fast and switching at a high frequency is possible. However, in a normal Schottky diode, majority carriers outside the depletion layer must move toward the Schottky junction in order to switch from the reverse direction to the forward direction. Since this movement takes time, even a high frequency Schottky diode made of GaAs, for example, is said to have a frequency response of 5 THz.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高速なスイッチング特性と十分な整流性とを実現する整流素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a rectifying element that realizes high-speed switching characteristics and sufficient rectification.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る整流素子は、第1の仕事関数を有する第1電極と、前記第1の仕事関数よりも大きい第2の仕事関数を有する第2電極と、前記第1の仕事関数と前記第2の仕事関数との間の値の第3の仕事関数を有し、前記第1電極と前記第2電極とに接合する半導体層と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a rectifying element according to the present invention has a first electrode having a first work function and a second work function larger than the first work function. A second electrode, and a semiconductor layer having a third work function having a value between the first work function and the second work function, the semiconductor layer being joined to the first electrode and the second electrode; It is characterized by providing.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記半導体層は、前記第1電極と前記第2電極との間にバイアス電圧を印可しない状態で完全に空乏となる厚さに設定されていることを特徴とする。 In the rectifying device according to the present invention, in the above invention, the semiconductor layer is set to a thickness that is completely depleted without applying a bias voltage between the first electrode and the second electrode. It is characterized by being.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記半導体層のキャリアは正孔であることを特徴とする。 In the rectifier according to the present invention, the carrier of the semiconductor layer is a hole in the above invention.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記半導体層は、金属酸化物からなることを特徴とする。 In the rectifier according to the present invention, the semiconductor layer is made of a metal oxide.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記金属酸化物は、NiOx(x=1〜1.5)であることを特徴とする。 In the rectifier according to the present invention, the metal oxide is NiOx (x = 1 to 1.5).
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記金属酸化物は、NiOx(x=1〜1.5)であり、前記第1電極はAlからなり、前記第2電極はNiからなることを特徴とする。 In the rectifying device according to the present invention, in the above invention, the metal oxide is NiOx (x = 1 to 1.5), the first electrode is made of Al, and the second electrode is made of Ni. It is characterized by that.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記NiOx中の正孔濃度は、10−2cm−3台〜1017cm−3台であることを特徴とする。 Moreover, the rectifier according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the hole concentration in the NiOx is 10 −2 cm −3 to 10 17 cm −3 .
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記金属酸化物は、NiOx(x=1〜1.5)であり、前記第1電極はNiからなり、前記第2電極はPtからなることを特徴とする。 In the rectifier according to the present invention, in the above invention, the metal oxide is NiOx (x = 1 to 1.5), the first electrode is made of Ni, and the second electrode is made of Pt. It is characterized by that.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記NiOx中の正孔濃度は、1017cm−3台以上であることを特徴とする。 Moreover, the rectifier according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the hole concentration in the NiOx is 10 17 cm −3 or more.
また、本発明に係る整流素子は、上記発明において、前記金属酸化物は、当該金属酸化物の原料となる金属を、紫外線を照射して酸化することによって生成したものであることを特徴とする。 The rectifying device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the metal oxide is generated by oxidizing a metal which is a raw material of the metal oxide by irradiating with ultraviolet rays. .
本発明によれば、高速なスイッチング特性と十分な整流性とを有する整流素子を実現できるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that a rectifying element having high-speed switching characteristics and sufficient rectification can be realized.
以下に、図面を参照して本発明に係る整流素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a rectifying device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
図1は、実施の形態に係る整流素子の模式的な断面図である。図1に示すように、整流素子10は、第1電極1と、第2電極2と、第1電極1と前記第2電極2とに接合する半導体層3とを備えている。第1電極1と半導体層3とは接合面4、第2電極2と半導体層3とは接合面5でそれぞれ接合している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a rectifying element according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the rectifying element 10 includes a
図2は、エネルギーバンド構造を示す図である。図2(a)は接合前、図2(b)は接合後(熱平衡状態であり、かつ整流素子10を構成している状態)の第1電極1、第2電極2、半導体層3の各エネルギーバンド構造EB1、EB2、EB3を示している。
FIG. 2 is a diagram showing an energy band structure. 2A shows the
図2(a)のエネルギーバンド構造EB1が示すように、第1電極1は、真空準位を基準とした仕事関数qφ1を有する。なお、EF1はフェルミ準位を示している。
As shown in the energy band structure EB1 of FIG. 2A, the
図2(a)のエネルギーバンド構造EB2が示すように、第2電極2は、第1電極1の仕事関数qφ1よりも大きい仕事関数qφ2を有する。EF2はフェルミ準位を示している。
As shown in the energy band structure EB2 of FIG. 2A, the
図2(a)のエネルギーバンド構造EB3が示すように、半導体層3は、P型半導体であり、仕事関数qφ1と仕事関数qφ2との間の値の仕事関数qφ3を有する。EF3はフェルミ準位、CB3は伝導帯、CBM3は伝導帯の下端、VB3は価電子帯、VBM3は価電子帯の上端、qχ3は電子親和力を示している。
As shown in the energy band structure EB3 of FIG. 2A, the
つぎに、図2(b)に示すように、第1電極1、第2電極2、半導体層3が接合し、熱平衡状態となると、フェルミ準位EF1、EF2、EF3が一致する。このとき、仕事関数qφ1、qφ2、qφ3の大小関係によって、接合面4、5の近傍における半導体層3のエネルギーバンドが曲げられて、第1電極1と半導体層3との接合面4では両者はショットキー接合し、第2電極2と半導体層3との接合面5では両者はオーミック接合する。これによって、接合面4にはショットキー障壁qφBが形成される。
Next, as shown in FIG. 2B, when the
その結果、整流素子10はショットキーダイオードとして機能し、十分な整流性が得られる。また、PN接合ダイオードに比べて高速のスイッチング特性を有する。また、半導体層3の厚さを、第1電極1と第2電極2との間にバイアス電圧を印可しない状態(0バイアス状態)で完全に空乏となる厚さに設定すれば、上述したような空乏層の外の多数キャリアがショットキー接合に向かって移動することによる寄生容量の発生が防止される。その結果、より一層高速のスイッチング特性が得られる。
As a result, the rectifying element 10 functions as a Schottky diode, and sufficient rectification is obtained. In addition, it has high-speed switching characteristics compared to a PN junction diode. Further, if the thickness of the
以下、第1電極1、第2電極2、半導体層3の具体例により本実施の形態をより詳細に説明する。
Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with specific examples of the
半導体層3としては、たとえば、金属酸化物からなる薄膜を用いることが好ましい。すなわち、0バイアスで完全空乏となる厚さの半導体層を実現するためには、半導体層は薄膜であることが好ましい。しかし、金属電極上に極薄膜の半導体薄膜を、結晶半導体材料で作製しようとすると、そのような極薄膜の半導体は結晶成長がしにくい。また、堆積によって作製しようとしても、極薄膜の場合はピンホールなどの欠陥が多くなるなど、品質が悪くなりやすいため、金属電極同士が短絡したりするおそれがある。
As the
これに対して、半導体層として、金属酸化物からなる薄膜を用いる場合は、金属表面を酸化して形成すればよいので、作製が容易である。金属酸化物としては、例えば、亜鉛酸化物、インジウム酸化物、スズ酸化物、ニッケル酸化物等を用いることができる。特に、ニッケル酸化物を用いる場合は、品質が良く、ピンホールなどの欠陥が少ない極薄膜の半導体層を好適に実現できる。なお、半導体層がN型半導体である場合は、第1電極は半導体層とオーミック接合するのでオーミック電極となり、第2電極は半導体層とショットキー接合するのでショットキー電極となる。亜鉛酸化物、インジウム酸化物、およびスズ酸化物はN型半導体となりうるものである。 On the other hand, in the case where a thin film made of a metal oxide is used as the semiconductor layer, the metal surface may be formed by oxidation, so that the production is easy. As the metal oxide, for example, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, nickel oxide, or the like can be used. In particular, when nickel oxide is used, an ultra-thin semiconductor layer with good quality and few defects such as pinholes can be suitably realized. When the semiconductor layer is an N-type semiconductor, the first electrode is in ohmic contact with the semiconductor layer and thus becomes an ohmic electrode, and the second electrode is in Schottky contact with the semiconductor layer and thus becomes a Schottky electrode. Zinc oxide, indium oxide, and tin oxide can be N-type semiconductors.
半導体層としてニッケル酸化物を用いる場合について説明する。以下、ニッケル酸化物は適宜NiOx(x=1〜1.5)と表す。酸素過多のNiOxはP型の導電型を示すことが知られている。しかし、NiOxの正孔濃度を制御して、P型伝導度を制御することは困難であった。 A case where nickel oxide is used for the semiconductor layer will be described. Hereinafter, the nickel oxide is appropriately expressed as NiOx (x = 1 to 1.5). Excessive oxygen NiOx is known to exhibit P-type conductivity. However, it has been difficult to control the P-type conductivity by controlling the hole concentration of NiOx.
しかしながら、本発明者らは、鋭意検討の結果、NiOxの酸素含有量(すなわちxの値)を制御して正孔濃度を調整し、第1電極1の仕事関数qφ1と第2電極2の仕事関数qφ2との間の値の仕事関数qφ3を有するNiOxを実現することができることを発見した。
However, as a result of intensive studies, the inventors have adjusted the hole concentration by controlling the oxygen content of NiOx (that is, the value of x), and the work function qφ1 of the
さらには、本発明者らは、NiOxの作製方法として、紫外線を照射してニッケルの酸化物を生成することが好ましい点も発見した。すなわち、NiOxを熱酸化で作製する場合、500℃以下の低温では、熱酸化によってはニッケルは酸化せず、またそれよりも高温での熱酸化では、高抵抗のNiOxが生成される。このため、熱酸化を用いた場合には、NiOxの正孔濃度の制御は困難である。一方、本発明者らの発見によれば、紫外線照射を行いながら、処理温度300℃以下で酸化を行うと、生成されたNiOxは、P型伝導を示す。さらに、処理温度、酸化種(酸素、水蒸気)、酸化種圧力などの条件により、NiOxの導電率(または、正孔濃度や仕事関数)を制御することが可能である点を発見した。 Furthermore, the present inventors have also found that it is preferable to produce nickel oxide by irradiating ultraviolet rays as a method for producing NiOx. That is, when NiOx is manufactured by thermal oxidation, nickel is not oxidized by thermal oxidation at a low temperature of 500 ° C. or lower, and high resistance NiOx is generated by thermal oxidation at a higher temperature. For this reason, when thermal oxidation is used, it is difficult to control the hole concentration of NiOx. On the other hand, according to the discovery of the present inventors, when oxidation is performed at a treatment temperature of 300 ° C. or lower while performing ultraviolet irradiation, the produced NiOx exhibits P-type conduction. Furthermore, it has been found that the conductivity (or hole concentration and work function) of NiOx can be controlled by conditions such as processing temperature, oxidizing species (oxygen, water vapor), and oxidizing species pressure.
つぎに、第1電極と第2電極の好ましい材料について説明する。図3は、主な金属の電気陰性度(Pauling)と仕事関数との関係を示す図である。真空蒸着で膜を形成することができる通常の金属の仕事関数は、選択が限られており、Al、In、Gaが4.1eV程度で低い。 Next, preferred materials for the first electrode and the second electrode will be described. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the electronegativity (Pauling) of main metals and the work function. The selection of the work function of a normal metal capable of forming a film by vacuum deposition is limited, and Al, In, and Ga are as low as about 4.1 eV.
一方、上述したように、Niを酸化することにより高品質のNiOxが得られ、NiとNiOxとの接触は良質である。また、Niの仕事関数は、5.1eVである。したがって、例えば第1電極1の材料を、図3に符号M1で示すAlとし、第2電極2の材料を、図3に符号M2で示すNiとし、仕事関数を、Alの仕事関数(4.1eV)とNiの仕事関数(5.1eV)との間の値に制御したNiOx薄膜を、半導体層3とすることによって、本実施の形態に係る整流素子を実現できる。
On the other hand, as described above, high-quality NiOx is obtained by oxidizing Ni, and the contact between Ni and NiOx is good. The work function of Ni is 5.1 eV. Therefore, for example, the material of the
NiOxの仕事関数を4.1eVと5.1eVとの間にするには、NiOxの電子親和力qχ3が1.7eV〜1.8eVであることを勘案すると、NiOxのフェルミ準位と価電子帯下端のエネルギー差(EF−EV)を0.2eV〜1.3eVとすればよい。これを実現するためには、NiOx薄膜の正孔濃度は、10−2cm−3台〜1017cm−3台が好ましい。 To make the work function of NiOx between 4.1 eV and 5.1 eV, considering that the electron affinity qχ3 of NiOx is 1.7 eV to 1.8 eV, the Fermi level of NiOx and the lower end of the valence band The energy difference (E F −E V ) may be 0.2 eV to 1.3 eV. In order to realize this, the hole concentration of the NiOx thin film is preferably 10 −2 cm −3 to 10 17 cm −3 .
以下、正孔濃度についてさらに具体的に説明する。NiOxの正孔濃度pは、下記の式(1)で表される。 Hereinafter, the hole concentration will be described more specifically. The hole concentration p of NiOx is expressed by the following formula (1).
NVは価電子帯の有効状態密度、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。また、NVは以下の式(2)で表される。
N V is the effective density of states in the valence band, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature. Further, N V is expressed by the following equation (2).
m*は正孔(ホール)の有効質量、m0は電子の静止質量、hはプランク定数である。
m * is the effective mass of holes, m 0 is the static mass of electrons, and h is the Planck constant.
一例として、室温近傍(T〜300K)において、NV〜3.7×1020cm−3とすると、式(1)から、好ましい正孔濃度は、10−2cm−3台〜1017cm−3台であるところの、7×10−2cm−3〜1.7×1017cm−3である。 As an example, when N V is about 3.7 × 10 20 cm −3 in the vicinity of room temperature (T to 300 K), a preferable hole concentration is 10 −2 cm −3 to 10 17 cm from Equation (1). a is where -3 is 7 × 10 -2 cm -3 ~1.7 × 10 17 cm -3.
上記では、第1電極1の材料をAlとし、第2電極2の材料をNiとし、半導体層3をNiOx薄膜としているが、本実施の形態はこれに限られない。例えば第1電極1の材料をNiとし、第2電極2の材料を、図3に符号M3で示すPtとし、仕事関数がNiの仕事関数(5.1eV)とPtの仕事関数(5.7eV)との間の値であるNiOx薄膜を半導体層3とすることによっても、本実施の形態に係る整流素子を実現できる。
In the above description, the material of the
NiOxの仕事関数を5.1eVと5.7eVとの間にするには、NiOx中の正孔濃度は、1017cm−3台(例えば1.7×1017cm−3)以上であればよい。正孔濃度の上限としては、半導体が縮退する程度の高濃度まで設定可能である。 The work function of NiOx to between 5.1eV and 5.7eV, the positive hole concentration in NiOx as long 10 17 cm -3 units (e.g. 1.7 × 10 17 cm -3) or Good. The upper limit of the hole concentration can be set to such a high concentration that the semiconductor degenerates.
つぎに、半導体層3の好ましい厚さについて説明する。上述したように、半導体層3の厚さを、0バイアス状態で全空乏となる厚さに設定すれば、より高速のスイッチング特性が得られるので好ましい。半導体層3の厚さは、薄い方が全空乏が実現し易くなる。一方、整流素子10の容量を低減するには、半導体層3の厚さは厚い方が好ましい。したがって、半導体層3の厚さは、全空乏となる最大厚さであることが最も好ましい。
Next, a preferable thickness of the
0バイアス状態でのショットキーダイオードの空乏幅WDは、以下の式(3)で表される。 Depletion width W D of the Schottky diode at 0 bias state is expressed by the following equation (3).
εSは半導体層3の誘電率、qは素電荷、NAは正孔濃度(式(1)のpに相当)である。
epsilon S is the dielectric constant of the
第1電極1の材料をAlとし、第2電極2の材料をNiとし、半導体層3をNiOx薄膜とする場合を例に述べる。NiOxの仕事関数を、Alの仕事関数(4.1eV)とNiの仕事関数(5.1eV)との中間値である4.6eVにする場合を考える。この場合、式(1)より、正孔濃度は1.6×107cm−3である。NiOxの電子親和力qχ3を1.8eV、NiOxの比誘電率を12とすると、式(3)より、WDは6400μm(0.64cm)となる。したがって、NiOx薄膜の厚さを、0.64cm以下にすれば、0バイアス状態で全空乏となるので好ましい。なお、0.64cm程度の厚さであれば、薄すぎないためピンホール等の無い良質なNiOxの薄膜を作製しやすいので好ましい。NiOx薄膜の厚さが0.64cmの場合、単位面積あたりの容量は、1.7×10−12F/cm2である。この場合、整流素子10の表面積のサイズが1μm角であったとしても、素子の容量は1.7×10−20Fであり、高速のスイッチング特性を実現する上で十分に小さいものである。なお、NiOxの電子親和力qχ3を1.7eVとする場合は、WDは0.094cmであるが、この場合も良質なNiOxの薄膜を作製しやすい。
An example will be described in which the material of the
なお、NiO薄膜の正孔濃度が低いほど、全空乏となる最大厚さは厚くなるので、全空乏の実現容易性や半導体層の形成容易性、良品質の点からは好ましい。 Note that the lower the hole concentration of the NiO thin film, the larger the maximum depletion thickness, which is preferable from the viewpoint of easy realization of all depletion, ease of forming a semiconductor layer, and good quality.
つぎに、好ましいNiOx薄膜の作製方法についてさらに説明する。上述したように、本発明者らの発見によれば、紫外線照射を行いながら、処理温度300℃以下で酸化を行うと、生成されたNiOxは、P型伝導を示す。さらに、処理温度、酸化種(酸素、水蒸気)、酸化種圧力などの条件により、NiOxの導電率(または、正孔濃度や仕事関数)を制御することが可能である。これによって、仕事関数が適切に制御されたNiOxからなる半導体層3を好適に実現できる。
Next, a preferable method for producing a NiOx thin film will be further described. As described above, according to the discovery of the present inventors, when oxidation is performed at a processing temperature of 300 ° C. or less while performing ultraviolet irradiation, the produced NiOx exhibits P-type conduction. Furthermore, the conductivity (or hole concentration or work function) of NiOx can be controlled by conditions such as processing temperature, oxidizing species (oxygen, water vapor), and oxidizing species pressure. As a result, the
図4は、本発明者らが作製したNiOx薄膜のラマンスペクトルを示す図である。図4では、O2雰囲気下で、ニッケルの蒸着膜の表面に紫外線を照射して酸化を行った。紫外線光源としては、波長380nm近傍で最大のスペクトル強度分布を有するメタルハライドランプを用いた。熱処理温度は200℃または300℃、処理時間は5分とした。図4に示すラマンスペクトルでは、ピークのラマンシフトが大きい(波数が高い)ほど、NiOx膜における酸素の含有量が大きく、正孔濃度も高いと考えられる(非特許文献2、3参照)。したがって、熱処理温度が300℃の場合(ピークセンターが563cm−1)の方が、200℃の場合(ピークセンターが530cm−1)よりも正孔濃度が高いと考えられる。図4は、処理温度を調整することによって、NiOx薄膜における酸素の含有量および正孔濃度を調整できることを示している。
FIG. 4 is a diagram showing a Raman spectrum of a NiOx thin film prepared by the present inventors. In FIG. 4, oxidation was performed by irradiating the surface of the deposited nickel film with ultraviolet rays in an O 2 atmosphere. As the ultraviolet light source, a metal halide lamp having a maximum spectral intensity distribution in the vicinity of a wavelength of 380 nm was used. The heat treatment temperature was 200 ° C. or 300 ° C., and the treatment time was 5 minutes. In the Raman spectrum shown in FIG. 4, it is considered that the larger the Raman shift of the peak (the higher the wave number), the greater the oxygen content in the NiOx film and the higher the hole concentration (see
図5は、作製したNiOx薄膜のI−V特性を示す図である。図5では、図4に示す処理温度300℃で作製したNiOx膜のI−V特性を、4探針法で測定したものである。なお、測定は室温および冷却スプレーによって冷却した状態で行った。図5から、作製したNiOx薄膜は温度の低下によって抵抗(I−V特性の傾き)が大きく上昇しており、半導体特性を有するものであることが確認された。すなわち、上記の方法によって、正孔濃度または仕事関数を制御できる半導体NiOx薄膜を作製できることが確認された。 FIG. 5 is a diagram showing IV characteristics of the manufactured NiOx thin film. In FIG. 5, the IV characteristic of the NiOx film produced at the processing temperature of 300 ° C. shown in FIG. 4 is measured by the 4-probe method. In addition, the measurement was performed in the state cooled by room temperature and the cooling spray. From FIG. 5, it was confirmed that the manufactured NiOx thin film has a semiconductor characteristic because the resistance (gradient of the IV characteristic) is greatly increased due to a decrease in temperature. That is, it was confirmed that a semiconductor NiOx thin film capable of controlling the hole concentration or the work function can be produced by the above method.
したがって、整流素子10は、真空蒸着で得られたNi電極の表面に、上記の方法で適切に仕事関数または正孔濃度を制御されたNiOx薄膜を形成し、NiOx薄膜を挟むように、真空蒸着で得られたAl電極またはPt電極を接合することによって、作製することができる。 Therefore, the rectifying element 10 is formed by forming a NiOx thin film whose work function or hole concentration is appropriately controlled by the above method on the surface of the Ni electrode obtained by vacuum vapor deposition, and vacuum vapor deposition so as to sandwich the NiOx thin film. It can be produced by bonding the Al electrode or Pt electrode obtained in (1).
また、たとえば、以下のように整流素子10を作製することができる。まず、表面にSiO2膜を形成したSi基板上に、電子ビームリソグラフィ、電子ビーム蒸着およびリフトオフによりPt/Ti電極(厚さはそれぞれ20nm)、Ni薄膜(厚さ100nm)を順次形成する。つぎに、Ni薄膜を所定の厚さまで酸化して、Ni薄膜にオーミック接合するNiOx薄膜を形成する。さらに、NiOx薄膜の上に電子ビームリソグラフィ、電子ビーム蒸着およびリフトオフによりAl/Pt電極(厚さ100nm/20nm)を形成する。これによって、整流素子10を作製することができる。ここで、Pt/Ti電極におけるTiは、PtとSiO2膜との間に形成して、密着性を高めるためのものである。Al/Pt電極におけるPtは、Ptは酸化しにくいことを利用して、取り出し電極として使用するものである。また、Pt/Ti電極およびAl/Pt電極を、たとえば櫛歯幅300nm程度で櫛歯長さが100μm程度の互いに交差する櫛歯状に形成すれば、、これらの櫛歯電極が交差した箇所に整流素子10が形成される。また、表面側のAl/Pt電極を延長して光アンテナの形状に形成することによって、非特許文献1等に例示される構成の光レクテナを形成することができる。
For example, the rectifying element 10 can be produced as follows. First, a Pt / Ti electrode (thickness is 20 nm) and a Ni thin film (thickness: 100 nm) are sequentially formed by electron beam lithography, electron beam evaporation and lift-off on a Si substrate having a SiO 2 film formed on the surface. Next, the Ni thin film is oxidized to a predetermined thickness to form a NiOx thin film that is in ohmic contact with the Ni thin film. Further, an Al / Pt electrode (thickness: 100 nm / 20 nm) is formed on the NiOx thin film by electron beam lithography, electron beam evaporation and lift-off. Thereby, the rectifying device 10 can be manufactured. Here, Ti in the Pt / Ti electrode is formed between the Pt and the SiO 2 film to improve adhesion. Pt in the Al / Pt electrode is used as an extraction electrode by utilizing the fact that Pt is difficult to oxidize. Further, if the Pt / Ti electrode and the Al / Pt electrode are formed in a comb-teeth shape having a comb-teeth width of about 300 nm and a comb-teeth length of about 100 μm, for example, the comb-teeth electrodes intersect with each other. A rectifying element 10 is formed. In addition, by extending the Al / Pt electrode on the surface side to form the shape of an optical antenna, an optical rectenna having a configuration exemplified in
なお、上記の実施の形態では、半導体層はP型半導体であるが、N型半導体でもよい。この場合、半導体層は第1電極とはオーミック接合し、第2電極とはショットキー接合する。 In the above embodiment, the semiconductor layer is a P-type semiconductor, but may be an N-type semiconductor. In this case, the semiconductor layer has an ohmic junction with the first electrode and a Schottky junction with the second electrode.
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
1 第1電極
2 第2電極
3 半導体層
4 接合面
5 接合面
10 整流素子
EB1、EB2、EB3 エネルギーバンド構造
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1の仕事関数よりも大きい第2の仕事関数を有する第2電極と、
前記第1の仕事関数と前記第2の仕事関数との間の値の第3の仕事関数を有し、前記第1電極と前記第2電極とに接合する半導体層と、
を備え、
前記半導体層は、Niに紫外線を照射して酸化することによって生成した、正孔をキャリアとするNiOx(x=1〜1.5)からなり、前記第1電極と前記第2電極との間にバイアス電圧を印可しない状態で完全に空乏となる厚さに設定され、完全空乏型のショットキーダイオードとして機能することを特徴とする整流素子。 A first electrode having a first work function;
A second electrode having a second work function greater than the first work function;
A semiconductor layer having a third work function having a value between the first work function and the second work function, the semiconductor layer being joined to the first electrode and the second electrode;
With
The semiconductor layer is made of NiOx (x = 1 to 1.5) using holes as carriers, which is generated by oxidizing Ni by irradiating ultraviolet rays, and is between the first electrode and the second electrode. A rectifier element that is set to a thickness that is completely depleted when no bias voltage is applied to the rectifier and functions as a fully depleted Schottky diode.
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