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TW201840038A - 蓄電裝置及固體電解質層的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種即使增大蓄電容量且增加充電電壓也不會劣化而能夠充電之可靠性提高的蓄電裝置。
本發明之蓄電裝置30係具備：第1導電型的第1氧化物半導體層14、配置在第1氧化物半導體層14上且包含質子能夠移動之固體電解質的固體電解質層18K、配置在固體電解質層18K和第1氧化物半導體層14之間且具備絕緣體的絕緣體層18N、以及配置在固體電解質層18K上之第2導電型的第2氧化物半導體層24。

Description

蓄電裝置及固體電解質層的製造方法
本實施的形態係有關一種蓄電裝置及固體電解質層的製造方法。
電容器一般為以電極從兩側夾持絕緣層的構造。
另外，亦提議一種依序積層n型半導體、含水性多孔質絕緣層、p型半導體後於上下形成電極之構造的蓄電裝置。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2015-82445號公報
本實施形態係提供一種即使增大蓄電容量且增加充電電壓也不會劣化而能夠充電之可靠性提高的蓄電裝置及固體電解質層的製造方法。
根據本實施形態的一態樣，係提供一種蓄電裝置，具備：第1導電型的第1氧化物半導體層、配置在前述第1氧化物半導體層上且包含質子能夠移動之固體電解質的固體電解質層、以及配置在前述固體電解質層上之第2導電型的第2氧化物半導體層。
根據本實施形態的另一態樣，係提供一種固體電解質層的製造方法，係包含塗布經稀釋之矽酮油的步驟、煅燒所塗布之矽酮油的步驟、對已煅燒之矽酮油照射紫外線的步驟而製造固體電解質。
根據本實施形態，可提供一種即使增大蓄電容量且增加充電電壓也不會劣化而能夠充電之可靠性提高的蓄電裝置及固體電解質層的製造方法。
12‧‧‧第1電極(E1)
14‧‧‧第1氧化物半導體層(TiO2層)
15N、18N‧‧‧絕緣體層
16K、18K‧‧‧固體電解質層
24‧‧‧第2氧化物半導體層(NiO)
26‧‧‧第2電極(E2)
30、30A‧‧‧蓄電裝置
p‧‧‧p型氧化物半導體層
n‧‧‧n型氧化物半導體層
第1圖(a)係比較例1之蓄電裝置的示意性剖面構造圖，(b)係比較例1之蓄電裝置的充放電特性圖。
第2圖(a)係比較例2之蓄電裝置的示意性剖面構造圖，(b)係比較例2之蓄電裝置的充放電特性圖。
第3圖(a)係實施形態之蓄電裝置的示意性剖面構造圖，(b)係實施形態之蓄電裝置的充放電特性圖。
接著，參照圖式針對本實施形態做說明。 在以下所說明之圖式的記載中，對於同樣或類似的部分係賦與同樣或類似的符號。但圖式為示意性，應留意各構成元件的厚度與平面尺寸的關係等與實物不同。因此，具體的厚度或尺寸應參照以下的說明來判斷。另外，當然包含圖式之間彼此的尺寸關係或比率不同的部分。
又，以下所示的實施形態係例示用來使技術思想具體化的裝置或方法，並非將各構成元件的材質、形狀、構造、配置等予以特定者。此實施形態在申請專利範圍中可加入各種變化。
以下之實施形態的說明中，第1導電型係表示例如n型，第2導電型係表示與第1導電型為相反導電型的p型。
[比較例1]
比較例1之蓄電裝置30A的示意性剖面構造係如第1圖(a)所示，其充放電特性係示意性顯示如第1圖(b)。
比較例1之蓄電裝置30A係如第1圖(a)所示，在第1電極(E1)12和第2電極(E2)26之間具備第1氧化物半導體層14、配置在第1氧化物半導體層14上的絕緣體層15N、配置在絕緣體層15N上的第2氧化物半導體層24。
絕緣體層15N例如可藉由SiNy形成。
第2氧化物半導體層24可藉由屬於p型氧化物半導體的氧化鎳(NiO)形成。
比較例1之蓄電裝置的充放電特性係如第1 圖(b)所示，相對於充電時的電壓V(V1~V5)，在時刻t0之後的時刻t1之電壓V1變為0V，時刻t2之電壓V2變為0V，時刻t3之電壓V3變為0V，時刻t4之電壓V4變為0V，時刻t5之電壓V5變為0V，分別成為放電狀態。亦即，第1圖(b)所示的充放電特性係與電容器的的充放電特性對應。比較例1之蓄電裝置的放電特性係如第1圖(b)所示，顯示線性的特性。
依據比較例1的蓄電裝置，僅在絕緣體層15N形成電容器，蓄電量也小。
[比較例2]
比較例2之蓄電裝置30A的示意性剖面構造係如第2圖(a)所示，其充放電特性係示意性顯示如第2圖(b)。
比較例2之蓄電裝置30A係如第2圖(a)所示，在第1電極(E1)12和第2電極(E2)26之間具備第1氧化物半導體層14、配置在第1氧化物半導體層14上且具有質子能夠移動之固體電解質的固體電解質層16K、配置在固體電解質層16K上的第2氧化物半導體層24。
固體電解質層16K例如可藉由氧化矽(SiOx)形成。其他構成與比較例1相同。
比較例2之蓄電裝置的充放電特性係如第2圖(b)所示，相對於充電時的電壓V(V1~V5)，在時刻t0之後的時刻t3之電壓V3變為0V，在時刻t4之電壓V4變為0V，在時刻t5之電壓V5變為0V，分別成為放電狀態。比較例2之蓄電裝置的放電特性係如第2圖(b)所示，顯示減 少的特性。
依據比較例2的蓄電裝置的充放電特性，即使在以定電流長時間充電的情況，能夠比比較例1的蓄電裝置得到較大的蓄電量。
比較例1之蓄電裝置30A因顯示電容器特性故蓄電量小。但是比起比較例1之蓄電裝置30A，比較例2之蓄電裝置30A由於具備固體電解質層16K與第2氧化物半導體層24接觸的構造，相對於第1電極(E1)12，將第2電極(E2)26做為高電位的電壓施加狀態中，質子容易從第2氧化物半導體層24向第1氧化物半導體層14移動。因此，相對於比較例1之蓄電裝置30A，比較例2之蓄電裝置30A能夠蓄電更多。
在比較例1之蓄電裝置30A中，由於具備絕緣體層15N與第2氧化物半導體層24接觸的構造，認為來自第2氧化物半導體層24的質子移動被絕緣體層15N阻礙，朝向第1氧化物半導體層14的移動變得困難。
但是，在比較例2之蓄電裝置30A中，如第2圖(b)所示，在洩漏試驗中，若充電時的電壓V達到V3(例如：約3.0V)以上，因固體電解質層16K無法承受電壓，故蓄電量明顯下降。
[實施形態]
實施形態之蓄電裝置30的示意性剖面構造係如第3圖(a)所示，其充放電特性係示意性顯示如第3圖(b)。
實施形態之蓄電裝置30係如第3圖(a)所示，在第1電極(E1)12和第2電極(E2)26之間具備第1導電型的第1氧化物半導體層14、配置在第1氧化物半導體層14上且具有質子能夠移動之固體電解質的固體電解質層18K、配置在固體電解質層18K上的第2導電型的第2氧化物半導體層24。
在此，第1導電型的第1氧化物半導體層14係指由第1導電型之第1氧化物半導體構成的氧化物半導體層。第2導電型的第2氧化物半導體層24係指由第2導電型之第2氧化物半導體構成的氧化物半導體層。以下亦同。
又，亦可在固體電解質層18K和第1氧化物半導體層14之間配置具備絕緣體的絕緣體層18N。
又，在固體電解質層18K亦可進一步包含絕緣體。在此，在固體電解質層18K例如可含有由SiO構成的固體電解質及由SiN構成的絕緣體。
又，在固體電解質層18K的第2氧化物半導體層24側，固體電解質亦可比絕緣體存在更多。亦即，在固體電解質層18K的第2氧化物半導體層24側，例如由SiO構成的固體電解質亦可比由SiN構成的絕緣體存在更多。
在實施形態之蓄電裝置30中，相較於比較例2之蓄電裝置30A，由於絕緣體層18N與固體電解質層18K接觸，故耐壓上升。
固體電解質層16K例如可藉由SiOx形成。絕緣體層18N例如具備非含水性、非多孔質的P-(電漿)-SiNy(第2絕緣體)。絕緣體層18N具備膜密度高的層，相較於SiOx具有難以含水的性質。
SiOx的厚度例如約為20nm~70nm左右。
絕緣體層18N例如可藉由SiNy形成。在此，形成電漿-氮化矽(P-SiNy)做為SiNy的情況，其厚度例如約為10nm以下。更理想例如約為7nm~10nm左右。
第1電極12例如藉由鎢和鈦的積層或鉻(Cr)、第2電極26例如藉由鋁可分別形成。第1電極12係配置在第1氧化物半導體層14的不與絕緣體層18N相對向的面。又，第2電極26係配置在第2氧化物半導體層24的不與固體電解質層18K相對向的面。
第1氧化物半導體層14例如可藉由屬於n型氧化物半導體的氧化鈦(TiO2)形成。
第2氧化物半導體層24可藉由屬於p型氧化物半導體的氧化鎳(NiO)形成。氧化鎳(NiO)的厚度例如約為200nm。
依據實施形態之蓄電裝置30，如第3圖(b)所示，相對於充電時的電壓V(V1~V5)，在時刻t0之後的時刻t5之電壓V5變為0V，成為放電狀態。
實施形態之蓄電裝置30的情況係如第3圖(b)所示，充電時的電壓V成為V5(例如：約5.0V)以上時，才觀察到因固體電解質層18K的劣化導致蓄電量減少。 又，實施形態之蓄電裝置30的情況，在比較例2之蓄電裝置30A中所看到的氧化矽(SiOx)，在5V可見到單層時之減少。
實施形態之蓄電裝置30的放電特性係如第3圖(b)所示，充電時的電壓V在(V1~V4)顯示大致平坦的特性，充電時的電壓V成為V5(例如：約5.0V)以上時開始顯示放電時間減少的特性(在比較例2中，在3V時放電時間減少)。
依據實施形態之蓄電裝置30，即使以定電流進行長時間充電的情況，也可確認比比較例1和比較例2之蓄電裝置的蓄電量大。
依據實施形態之蓄電裝置30，藉由插入絕緣體層18N之SiNy/SiOx的雙層構造，可維持比電容器大幅增大的蓄電量，並提高充電時的耐壓。即使以定電流進行長時間充電，亦確認蓄電量也比電容器大。此係藉由構成為雙層來減少因電壓導致SiOx劣化的結果。
另外，由於SiNy的膜耐壓高，藉由構成插入絕緣體層18N之SiNy/SiOx的雙層構造提高耐壓，提高蓄電裝置30整體的耐壓。
又，SiOx可由矽酮油形成。
又，SiOx亦可由包含矽酮的金屬形成。
此外，固體電解質層18K亦可藉由包含在第1氧化物半導體層14上塗布經稀釋之矽酮油的步驟、煅燒所塗布之矽酮油的步驟、以及對已煅燒之矽酮油照射紫 外線的步驟而製造。
又，上述固體電解質層18K的製造方法亦可包含塗布經稀釋之矽酮油的步驟、煅燒所塗布之矽酮油的步驟、以及對已煅燒之矽酮油照射紫外線的步驟。
根據實施形態，可提供一種即使增大蓄電容量且增加充電電壓也不會劣化而能夠充電之可靠性提高的蓄電裝置。
[其他實施形態]
雖如上述針對實施形態進行說明，但是成為揭示的一部分之論述及圖式係例示性，不應理解為限定條件。本發明所屬技術領域中具有通常知識者由以上揭示進行各種代替的實施形態、實施例、及技術運用為顯而易見的。
如上所述，本實施形態包含未記載於本說明書的各種實施形態。
[產業上之可利用性]
本實施形態的蓄電裝置可利用在各種民生用機器、產業機器，並可應用於通信終端及無線感測器網路導向的蓄電裝置等、能夠以低功率傳送各種感測器訊息的系統導向的蓄電裝置等廣泛的應用領域。

Claims (15)

  1. 一種蓄電裝置，其特徵為具備：第1導電型的第1氧化物半導體層、配置在前述第1氧化物半導體層上且包含質子能夠移動之固體電解質的固體電解質層、以及配置在前述固體電解質層上之第2導電型的第2氧化物半導體層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電裝置，其中，在前述固體電解質層和第1氧化物半導體層之間配置有絕緣體層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之蓄電裝置，其中，在前述固體電解質層進一步包含絕緣體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之蓄電裝置，其中，在前述固體電解質層的前述第2氧化物半導體層側，前述固體電解質比前述絕緣體存在更多。
  5. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之蓄電裝置，其中，前述固體電解質層包含SiO x。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之蓄電裝置，其中，前述絕緣體層包含SiN y。
  7. 如申請專利範圍第2項或第6項所述之蓄電裝置，其中，前述絕緣體層的厚度為10nm以下。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之蓄電裝置，其中，前述絕緣體層係非含水性、非多孔質的電漿-SiN y。
  9. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之蓄電裝置，其中，前述第1氧化物半導體層包含TiO 2。
  10. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之蓄電裝置，其中，前述第2氧化物半導體層包含NiO。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之蓄電裝置，其中，具備：配置在前述第1氧化物半導體層的不與前述絕緣體層相對向的面之第1電極、以及配置在前述第2氧化物半導體層的不與前述固體電解質層相對向的面之第2電極。
  12. 如申請專利範圍第5項所述之蓄電裝置，其中，前述SiO x係由矽酮油形成。
  13. 如申請專利範圍第5項所述之蓄電裝置，其中，前述SiO x係由包含矽酮的金屬形成。
  14. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之蓄電裝置，其中，前述固體電解質層係藉由包含下列步驟而製造者：在第1氧化物半導體層上塗布經稀釋之矽酮油的步驟、煅燒所塗布之矽酮油的步驟、以及對已煅燒之矽酮油照射紫外線的步驟。
  15. 一種固體電解質層的製造方法，為申請專利範圍第1項或第3項中所記載之固體電解質層的製造方法，其係包含塗布經稀釋之矽酮油的步驟、煅燒所塗布之矽酮油的步驟、以及對已煅燒之矽酮油照射紫外線的步驟而製造前述固體電解質。
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